步進電機在模擬瞳孔上的應用

力興文

摘要 在醫學上瞳孔代表著一個人生命體征，觀察瞳孔便可知當前病人身體狀況，但在醫學教育上，學生很難觀察到非正常人的瞳孔，如果每個學生都去臨床上觀察也是不現實的，第一是很難遇到瞳孔散大、間接對光反射、直接對光反射病人;第二是現在人們的自我保護意識也越來越強，學生無法到臨床直接觀察病人病情。為了更好的讓學生掌握這一門技能我們采用機械、光學、電子、編程技術相接合的方式來彌補這一門學科，仿真的瞳孔可以讓學生非常直觀地理解正常瞳孔、散大的瞳孔、直接對光反射、間接對光反射、無反射狀態瞳孔的變化，使學生更容易記憶與理解病理的變化。

【關鍵詞】光敏電阻 步進電機 模擬瞳孔

步進電機一般給人的印象是非常大的，驅動機械臂的，而我們用的是一種微型步進電機，在日常生活中很少能看到如此小的步進電機，我們采用的Sankyo公司微型電機，電機最大直徑7mm，總長12.5，絲桿長度8.5mm，電壓5v，2項4線制，驅動芯片采用LM4818，主控器采用STM32F103RET6，為了與如此微小的步進電機配合，眼球殼體我們采用3D快速制造技術，打印精度O.O1mm。

1 系統組成

系統由單片機STM32F103RET6、2片步進電機驅動芯片LB1848M、電源穩壓芯片LM1117-3.3v、光敏電阻PTSMD021、lOmm凸透鏡、兩個步進電機、眼眶支架、瞳孔圖片、上位機軟件等部件組成。

2 系統原理

瞳孔的變化是通過主控芯片發出時序給驅動芯片LM4818M的IN1與IN2引腳，驅動芯片驅動步進電機來推動瞳孔圖片在眼球支架內上下移動來實現瞳孔的變化，在瞳孔支架外有一個凸透鏡，當圖片遠離凸透鏡的時候圖片被放大，表現為瞳孔散大狀態，當瞳孔接近凸透鏡時圖片還原，表現為瞳孔縮小，反復運動表現為對光反射，當一側瞳孔采集到強光照射時另一側瞳孔變化為間接對光反射，當前瞳孔采集到強光照射時當前瞳孔變化為直接對光反射。

3 電路驅動

單片機采用市場主流芯片STM32F103RET6，核心處理器為ARM?CortexTM_M3 32位單片機，Flas512kROM64k，工作電壓3.3v，最高主頻72MHz。步進電機驅動芯片采用LB1848M，低電壓，2項激勵，2項4線驅動步進電機驅動芯片，具有熱保護功能，可直接驅動步進電機，光敏電阻采用PTSMD021，具有體積小靈敏度高優點。

因為模擬人是兩瞳孔，所以我們需要兩片LB1848M與兩個步進電機，兩套瞳孔支架，兩個光敏電阻PTSMD021，STM32F103RET6引腳PC10，、PC11與兩片步進電機接驅動LB1848M的2、5腳連接，為了將來兩瞳孔同步變化，我們把驅動引腳并聯，又為了可以分開控制每一個瞳孔，我們獨立控制LB1848M的使能端，PC10與左眼步進電機驅動片子的3腳連接，PC12與右眼步進電機驅動片子的3腳連接，而瞳孔對光反射是需要采集光敏電阻的AD值，我們用STM32F103RET6的ADC123_13與ADC123_14分別采集左右眼光照AD值的變化，當有手電光照射在光敏電阻上時，光敏電阻的阻值就會有突變，AD的變化值我們把突變作為有效變化值，而普通緩慢變化認為是環境變化，只要有光的變化，AD便可以采集到不同的數值，根據當前的病例我們控制瞳孔的不同變化。

4 程序的驅動

LB1848M需要STM32F103RET6產生一個時序加在IN1與IN2腳上來驅動步進電機的正反轉、速度、前進或者后退的距離，我們采購的步進電機為1.8度，絲桿螺距為0.2mm，首先我們根據LB1848M數據手冊時序圖（圖2）得到驅動LB1848M的程序時序（圖3），根據時序我們計算出驅動步進電機一圈所需要的脈沖數，行駛距離所需脈沖數計算公式為：總脈沖數=（行程/0.2）*一圈所需脈沖。

5 瞳孔散大縮小的控制

重癥病人出現雙側瞳孔散大伴對光反射消失，首先要考慮是腦死亡的現象，這種情況一般是危重疾病的。當老師需要演示此病例（瞳孔散大）時，老師需在ipad上點擊瞳孔散大，模擬人與ipad通過藍牙相互通訊，收到命令后我們需要使電機反轉，反轉后帶動瞳孔紅膜圖片遠離凸透鏡，此時經過凸透鏡的放大，整個瞳孔變黑，當學生用手電照射瞳孔時，STM32F103RET采集到瞳孔AD值的變化，但當前瞳孔是散大狀態，非正常狀態所以瞳孔無反應，瞳孔的縮小與散大類似只是運動方向不同。

6 瞳孔對光反射的實現

對光反射是檢查瞳孔功能活動的測驗，分直接對光反射和間接對光反射。瞳孔對光反射的中樞在中腦頂蓋前區，因此臨床上常把它作為判斷中樞神經系統病變部位、麻醉的深度和病情危重程度的重要指標。我們的實現原理為當學生用手電照射瞳孔中的光敏電阻時，光敏電阻的阻值在變化，AD采集到數據是突變的，此時認為有強光照射，瞳孔縮小，當強光離開瞳孔后AD值恢復到無強光狀態，我們便讓瞳孔恢復到正常狀態。直接對光反射時ipad需下發一個命令，當模擬人收到此命令后，瞳孔變化必須是呈現出直接對光反射狀態，如當照射左眼時左眼電機動，當照射右眼時右眼電機動，當ipad下發間接對光反射時，如照射左眼時右眼電機動，當照射右眼時左眼電機動。

7 總結

采用電機與光敏電阻來實現瞳孔的變化，徹底顛覆了仿真醫學瞳孔變化的原理，在此產品問世以前，瞳孔的變化有兩種：一種為液晶屏式，此方式顯示靈活，但仿真度差，立體感不強，失去真實感，另一種為機械式反轉，此方法無法實現對光反射，而我們采用的凸透鏡、光感、步進電機相結合的方式使瞳孔的變化基本接近真實，在臨床上有非凡的教學意義，使得學生更容易理解瞳孔的各種狀態與瞳孔的直接對光反射與間接對光反射含義。

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