融合光譜刺激和知覺訓(xùn)練的近視防控裝置設(shè)計與開發(fā)

陳 宏，王麗萍，翁杭立，邱飛岳，廖 俊

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023 ；2.浙江工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，杭州 310023；3.浙江工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

隨著中國青少年學(xué)業(yè)壓力與日俱增，電子產(chǎn)品使用量的增長，用眼過度問題的日益嚴重導(dǎo)致了青少年眼睛視疲勞甚至近視的現(xiàn)象。然而在出現(xiàn)視疲勞或者輕 微近視時不注意及時放松眼睛，會導(dǎo)致眼睛近視越發(fā)嚴重。令人不安的是，青少年得近視患病率越來愈高，尤其是在亞洲地區(qū)，一些發(fā)達城市地區(qū)的有80%～90%的青少年患有近視[1]。依據(jù)目前的估計，到了2050年，世界上幾乎會有一半的人口患有近視[2]。

在大量動物模型研究中表明，視網(wǎng)膜多巴胺功能的變化對近視的發(fā)展至關(guān)重要[3]，在文獻[4]的研究實驗中得出了視網(wǎng)膜多巴胺能夠抑制形式剝奪性近視和晶狀體引起的近視。視網(wǎng)膜多巴胺水平和新陳代謝隨著強光的增加而增加[5]，在戶外光照條件下花更多時間的兒童更不容易近視或近視加深，臨床試驗表明，有意增加兒童在戶外的時間可以有效地減少近視[6]。

在嬰兒恒河猴實驗中表明，色彩在靈長類動物的視覺依賴性正視化中發(fā)揮作用，窄帶長波長照明可以防止軸向伸長[7]。一項回顧性研究表明，在眼鏡重復(fù)暴露于650 nm、低強度、單波長的紅光可以有效地減緩近視的進展，并在短期治療后可減少軸向的生長[8]。在[9]的研究中表明，使用臺式光治療設(shè)備對4毫米瞳孔發(fā)出紅光，在對兒童12個月的治療表明，反復(fù)低水平紅光療法是一種很有希望的替代治療方法，用戶接受度良好，可用于兒童近視控制，且實驗中沒有功能或結(jié)構(gòu)損傷的記錄。

前文學(xué)者的研究可知使用低能量激光訓(xùn)練眼睛可以緩解并甚至改善近視，但是入射激光的輸出能量和光斑大小穩(wěn)定一直是需要持續(xù)發(fā)展的重要問題。激光能量太大可能會損害人眼視力，太小可能會使近視訓(xùn)練效果達不到預(yù)期；激光照射在人眼的光斑太大，會使只有部分光斑進入視網(wǎng)膜，導(dǎo)致進入視網(wǎng)膜得激光功率太小，也會使訓(xùn)練效果無法達到預(yù)期。針對激光穩(wěn)定問題，可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制中，劉先龍[10]通過分析激光器輸出功率與驅(qū)動電流的特征曲線，提出了一種在電路上采用壓控電流的方法，實現(xiàn)了穩(wěn)定光源的輸出光功率步進可調(diào)。冷亞洪[11]設(shè)計基于嵌入式技術(shù)的激光功率自動控制系統(tǒng)采用PWM算法完成系統(tǒng)軟件運算控制，采用單片機功率控制方法增強激光器功率控制的穩(wěn)定性，實現(xiàn)激光器功率的自動控制。外調(diào)制中，靳剛等[12]根據(jù)聲光頻移器的布拉格衍射對激光強度的調(diào)節(jié)作用，以光電反饋得到的反饋電信號控制驅(qū)動聲光頻移器的射頻功率大小。曲正等[13]在閉環(huán)控制回路中引入限幅型加速度慣量反饋和擴張狀態(tài)觀測器復(fù)合的優(yōu)化算法，保證機載激光通信平臺對瞬態(tài)階躍響應(yīng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化了平臺對環(huán)路各階擾動的抑制能力。白樂樂等[14]通過比例積分電路得到的誤差信號來改變聲光頻移器的射頻功率，利用聲光頻移器的布拉格衍射方式對激光功率進行控制。然而上述方法使用有源電路，需要在原有電路基礎(chǔ)上構(gòu)建額外的電路或裝置，基于固定的空間內(nèi)會占據(jù)較大的體積，對于便攜式近視預(yù)防裝置來說是不理想的。

基于上述已有的研究，為促進近視預(yù)防這一課題的發(fā)展，并考慮到便攜式的需求，需要在有限空間內(nèi)能夠穩(wěn)定輸出光源，本文設(shè)計了一種近視預(yù)防裝置，該裝置又稱為哺光儀。裝置使用恒流電源與勻光片組合的方式，在分散光能量的同時，保持穩(wěn)定的能量輸出。裝置以Android Studio和Arduino作為開發(fā)環(huán)境，以全志A133芯片開發(fā)板作為上位機，結(jié)合燈光模塊實現(xiàn)訓(xùn)練燈光的控制，使用ESP32進行手機和裝置以及上位機和燈光模塊的通信，在用戶登錄后將用戶信息傳輸給裝置屏幕端顯示，并同時將裝置內(nèi)的訓(xùn)練記錄通過手機上傳至服務(wù)器，實現(xiàn)訓(xùn)練記錄的云端存儲。裝置搭載各種近視弱視的物理光訓(xùn)練功能的燈光模塊以及視覺訓(xùn)練軟件模塊，與其他近視預(yù)防裝置不同，哺光儀視覺預(yù)防以視覺刺激為主。本裝置燈光模塊中的主要訓(xùn)練功能為紅光訓(xùn)練，采用恒流原理的方法以恒流電源作為驅(qū)動單元，在燈光模塊前放置勻光片，勻光片使燈光模塊中的激光光斑擴散的同時，衰減輸出的激光功率。本文使用的激光功率最大為0.4 mW、波長為650 nm的紅光，符合我國激光照射視網(wǎng)膜的國家標準[15]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文設(shè)計裝置是一種外部由塑料殼體包圍封閉，內(nèi)部由電路控制板和治療光源等組成的近視預(yù)防訓(xùn)練裝置。該裝置的供電方式主要有5 V/2 A的外接電源和12 000毫安的電池，方便出行使用。內(nèi)置可調(diào)節(jié)燈筒結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)使用患者的瞳距左右活動燈筒，以達到瞳距和燈筒的最佳訓(xùn)練位置，具有使用方便簡單、功能豐富、輸出穩(wěn)定安全的特點。

哺光儀總體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示，裝置外形圖如圖2(a)所示，哺光儀由裝置端和手機App端兩部分組成。其中裝置端以ARM為開發(fā)平臺，由全志A133主控芯片、顯示模塊、通訊模塊、燈光模塊等硬件和安卓APP軟件構(gòu)成。通訊模塊接收和發(fā)送主控芯片-手機APP、主控芯片-燈光模塊之間的通訊數(shù)據(jù)；燈光模塊接收來自主控芯片經(jīng)由通訊模塊發(fā)送的指令執(zhí)行對應(yīng)燈光訓(xùn)練功能；安卓APP通過屏幕操控向主控芯片發(fā)送對應(yīng)功能指令。手機APP的主要功能是在用戶使用賬號登錄后，通過藍牙向裝置通訊模塊中的ESP32芯片傳輸用戶數(shù)據(jù)，將相關(guān)用戶數(shù)據(jù)顯示在裝置屏幕中的用戶界面中，同時在訓(xùn)練后會將內(nèi)部的訓(xùn)練記錄信息發(fā)送給手機APP，在手機中同步顯示該裝置訓(xùn)練記錄的同時，將訓(xùn)練信息發(fā)送至服務(wù)器保存，以便在手機APP中查看歷史訓(xùn)練記錄，其中裝置的訓(xùn)練記錄圖如圖2(e)所示。主控芯片全志A133芯片是裝置硬件部分的核心，其搭載安卓系統(tǒng)并使用安卓APP作為裝置的主控程序，相比于其他嵌入式控制程序來說安卓APP內(nèi)容更加豐富，可擴展性更強，操控更加便捷，裝置主界面如圖2(b)所示。裝置APP具有紅光訓(xùn)練、LED白光后像訓(xùn)練、RBG多光譜訓(xùn)練、LED引導(dǎo)眼肌調(diào)節(jié)訓(xùn)練等燈光訓(xùn)練模塊外，還嵌入了基于Unity的視覺訓(xùn)練軟件，并設(shè)計了用戶選擇和訓(xùn)練記錄功能，其中紅光訓(xùn)練界面如圖2(c)和圖2(d)所示，視覺訓(xùn)練軟件如圖2(f)所示，視覺訓(xùn)練模塊如圖2(g)所示。程序通過串口和通訊模塊連接，發(fā)送對應(yīng)指令控制燈光模塊，并可以在使用裝置進行物理光照訓(xùn)練后，使用視覺訓(xùn)練軟件進行視力訓(xùn)練，幫助獲得更有效的訓(xùn)練效果。

圖1 哺光儀總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 裝置外形與軟件界面圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

哺光儀結(jié)構(gòu)緊湊，去除支架為裝置本體，裝置長寬高分別為33.3 cm，21 cm，9.6 cm。外形設(shè)計初衷為方便攜帶，可在任何地方進行視覺訓(xùn)練。根據(jù)裝置總體功能要求，在硬件部分由主控模塊、通訊模塊、燈光模塊和顯示模塊構(gòu)成。

2.2 主控模塊

主控模塊是整個裝置的控制中心，負責與通訊模塊進行數(shù)據(jù)交互，指令解析，驅(qū)動顯示。本文使用全志A133處理器為哺光儀近視預(yù)防裝置的主控芯片，它集成了quad-core 64-bit CortexTM-A53 CPU和Imagination PowerVR GE8300 GPU確保了響應(yīng)的迅速性和應(yīng)用運行的流暢性。主控電路設(shè)計如圖3(a)所示。模塊提供MIPI-DSI/RGB/LVDS 面板、USB、UART等豐富的外設(shè)接口，可滿足本設(shè)計控制系統(tǒng)的所有需求。PB0和PB1兩個引腳分別與ESP32通訊模塊的ESP32_RX1(IO17)和ESP32_TX1(IO16)引腳相連，實現(xiàn)上位機與下位機間的通信。24號引腳連接POWERKEY電源控制引腳，用于控制設(shè)備開關(guān)機。PD2-PD15以及PD18-PD23連接液晶顯示屏(LCD)數(shù)據(jù)引腳，PD24連接LCD_CLK時鐘信號，PD25連接LCD_DE數(shù)據(jù)使能引腳，PD26與PD27分別連接LCD_HSYNC水平同步信號與LCD_VSYNC垂直同步信號引腳。PB3連接通訊模塊的EN使能引腳，用于控制通訊模塊。

圖3 部分電路原理圖

2.3 通訊模塊

本文使用ESP32作為下位機控制模塊，負責與上位機進行通訊和對各個燈光模塊的控制。ESP32通訊模塊電路原理圖如圖3(b)所示。它集成了2.4 GHz WiFi和藍牙雙模的單芯片，具有超高的射頻性能(藍牙輸出功率+9 dBm，接收靈敏度-dBm)、穩(wěn)定性、可靠性以及超低的功耗[16]，滿足本設(shè)計低能耗需求。通過藍牙可以實現(xiàn)與用戶小程序進行數(shù)據(jù)傳輸和控制燈光，也可與搭載在主控芯片上的App進行通信和燈光控制。

2.4 燈光模塊

本設(shè)計燈光模塊集成紅光訓(xùn)練、LED白光后像訓(xùn)練、RGB多光譜訓(xùn)練、LED引導(dǎo)眼肌調(diào)節(jié)訓(xùn)練模塊。其中眼肌訓(xùn)練以及后像訓(xùn)練采用3 mm LED燈進行訓(xùn)練，眼肌模塊分為長條狀和 橢圓狀，長條狀為燈光前后移動，橢圓狀為RGB燈光圍繞眼睛環(huán)形移動；后像模塊呈圓狀，白色LED燈閃爍；多光譜模塊呈圓狀，燈光由三組RGB燈光交替顯示；紅光訓(xùn)練使用波長為650 nm激光對眼睛進行刺激。其中呈圓狀的紅光模塊、后像模塊和多光譜模塊集成在如圖4所示電路板中，將3個訓(xùn)練功能使用的燈光合成為一個模組上，實現(xiàn)光訓(xùn)練功能模塊在有限的空間放置，符合節(jié)約空間和不影響視覺訓(xùn)練的要求。

圖4 部分燈光訓(xùn)練模組圖

2.4.1 紅光訓(xùn)練模塊

半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，其作為主動光源的優(yōu)點突出，具有方向性好，單色性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、壽命較長等優(yōu)點。激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是液體、氣體、固體和半導(dǎo)體，在介質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，以獲得產(chǎn)生激光的條件[17]。半導(dǎo)體激光器在電激勵模式下，不考慮工作溫度的情況時，外加電壓小于閾值電壓，半導(dǎo)體激光器結(jié)平面區(qū)不產(chǎn)生受激輻射，而為自發(fā)輻射，與普通的發(fā)光二極管(LED)類似。當外加電壓達到閾值電壓，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生受激輻射，發(fā)射的激光功率與注入電流大小近似成線性關(guān)系[18]。

基于眼科學(xué)者對紅光與近視預(yù)防的研究，本設(shè)計燈光模塊中的紅光訓(xùn)練功能使用650 nm、低強度、單波長的激光。

2.4.2 勻光片及光斑

勻光片又稱作勻化鏡、擴散器或勻化片，可以將單模或多模入射激光轉(zhuǎn)化成任意形狀的均勻光斑。勻光片在半隨機方向上分裂入射光束，以便在遠場或焦平面上獲得所需要的強度分布形狀。

選擇勻光片的參數(shù)有：

1)入射激光波長；

2)輸出光斑形狀和強度分布(平頂光斑或定制)；

3)輸出光斑的發(fā)散全角或光斑尺寸大小或工作距離EFL；

4)入射激光光束質(zhì)量M2。

本設(shè)計在圓狀燈光模組前放置一塊勻光片，分散激光射出光線，增大激光光斑的同時減小激光的強度分布，使在訓(xùn)練時紅光可以均勻分散在視網(wǎng)膜上。

2.5 顯示模塊

液晶材料在不同的電場作用下，可以產(chǎn)生不同的排列方式，通過電流改變光的震蕩方向。薄膜晶體管(TFT)薄膜晶體管是一種半導(dǎo)體器件，它具備MOSFET類似的電流-電壓特性，可以產(chǎn)生一個相當于控制開關(guān)的作用改變液晶顯示[19]。

本設(shè)計顯示模塊采用7寸TFT液晶顯示屏，具有4通道LVDS接口、8位色深、低驅(qū)動電壓以及低功耗等特性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

裝置主程序基于安卓6.0系統(tǒng)開發(fā)，使用安卓APP作為主控程序，程序流程圖如圖5所示。具體的主控程序流程是：首先初始化程序內(nèi)部的參數(shù)和串口，顯示主界面，根據(jù)用戶選擇紅光訓(xùn)練、LED白光后像訓(xùn)練、RBG多光譜訓(xùn)練、LED引導(dǎo)眼肌調(diào)節(jié)訓(xùn)練等燈光訓(xùn)練或是視覺訓(xùn)練軟件進入不同的程序子界面，若為燈光訓(xùn)練則進入訓(xùn)練介紹和計時界面，待用戶選擇訓(xùn)練時長和訓(xùn)練燈光強度后點擊開始訓(xùn)練后，主控芯片向通訊芯片發(fā)送相關(guān)指令，屏幕開始計時的同時裝置對應(yīng)燈光模塊的訓(xùn)練燈光亮起，等待計時結(jié)束完成訓(xùn)練；若為視覺訓(xùn)練軟件訓(xùn)練則進入Unity程序子界面，界面顯示多個軟件訓(xùn)練模塊，待用戶選擇訓(xùn)練時長等參數(shù)后即可開始進行視覺訓(xùn)練，待計時結(jié)束完成訓(xùn)練；訓(xùn)練完成后將訓(xùn)練記錄保存在本地，并串口詢問通訊模塊藍牙是否連接，若連接則將訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)送至手機。

圖5 主控程序流程圖

主程序?qū)艄饽K的控制采用串口與通訊模塊的交互，串口通訊采用9 600的波特率，當通訊模塊接收到相應(yīng)指令后進行解析執(zhí)行燈光模塊相關(guān)功能。燈光訓(xùn)練時主控程序控制燈光模塊的流程圖如圖6所示。當用戶點擊屏幕中“開始訓(xùn)練”按鈕時，程序通過串口向通訊模塊發(fā)送相關(guān)指令，若程序接收到串口回復(fù)的正確返回，則燈光模塊開始運行，且屏幕中開始計時，否則程序重發(fā)相關(guān)指令，若重發(fā)3次后未收到正確返回，則異常處理在屏幕中顯示錯誤信息并返回主界面。

圖6 主控程序燈光模塊控制流程圖

主程序使用通訊模塊中藍牙芯片向手機發(fā)送訓(xùn)練信息流程，通過藍牙實現(xiàn)向手機的無線數(shù)據(jù)傳輸，提高了裝置的實用性并方便用戶通過手機查看訓(xùn)練記錄。主程序?qū)⒂?xùn)練記錄和日期等信息經(jīng)過十六進制的字節(jié)轉(zhuǎn)換后，通過串口的形式向通訊模塊發(fā)送，每條數(shù)據(jù)帶有起始標識符和校驗位，以確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

3.2 手機APP設(shè)計

使用不同手機操作系統(tǒng)需要各自單獨開發(fā)適配該系統(tǒng)的APP，導(dǎo)致開發(fā)周期長等缺點，由于微信小程序可以跨系統(tǒng)運行，基于微信小程序的該優(yōu)點，本文手機APP使用微信小程序進行開發(fā)，且微信小程序擁有豐富的開發(fā)API，可大大縮短程序開發(fā)時間。調(diào)用API執(zhí)行用戶登錄功能，藍牙API接口實現(xiàn)與藍牙設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸[20]。本文使用的微信小程序功能包括：用戶注冊登錄、掃描裝置屏幕內(nèi)二維碼與裝置進行藍牙連接、通過藍牙控制裝置開始相關(guān)燈光訓(xùn)練、接收裝置訓(xùn)練數(shù)據(jù)、向后臺發(fā)送訓(xùn)練數(shù)據(jù)。微信小程序總體流程圖如圖7所示。微信小程序啟動并登錄后，首先查詢本地是否存在已連接裝置藍牙MAC地址的緩存，若存在則進行藍牙主動連接；若本地沒有緩存，則進入無連接狀態(tài)，需要使用小程序掃描裝置屏幕的二維碼進行藍牙連接，并將該藍牙MAC地址保存在緩存中，以便下一次使用時主動連接。連接成功后，小程序會開啟一個線程監(jiān)聽藍牙，用戶可以通過裝置的屏幕進行訓(xùn)練項目的選擇，或通過小程序中的訓(xùn)練選項向裝置發(fā)送指令，裝置通訊模塊接收到相關(guān)指令后會主動切換屏幕界面并開始執(zhí)行相關(guān)燈光訓(xùn)練功能。待裝置訓(xùn)練完成后，發(fā)送相關(guān)訓(xùn)練記錄至手機小程序，小程序通過起始標識符判定數(shù)據(jù)種類并保存本地，在數(shù)據(jù)接收完成后將接收到的整組數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器保存。

圖7 微信小程序總體流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗方案

本裝置使用安卓APP作為裝置主控制程序，使用微信小程序與裝置進行通訊，通過對裝置主控程序和微信小程序的功能進行逐個運行，實現(xiàn)程序的功能性驗證[21]。裝置主要功能為紅光訓(xùn)練，為測試激光的穩(wěn)定性和安全性，證明裝置方案可行，在理論的基礎(chǔ)上還需要進行驗證，本文記錄了光學(xué)防震臺上裝置的激光輸出光斑，并對其灰度圖像進行了測量。試驗的光斑主要分為兩類，距離鏡筒長度下輸出的激光光斑和加入勻光片后輸出的激光光斑，其中激光在22 mA恒流電源下使用。光斑使用Thor labs科研級相機進行拍攝，灰度圖像由image J軟件進行測量。

4.2 裝置功能與可靠性驗證

系統(tǒng)的功能驗證和可靠性驗證是查看系統(tǒng)是否具備完整的功能且系統(tǒng)運行時是否穩(wěn)定[22]。本文對裝置的測試用例和結(jié)果如表1所示。

4.3 激光實驗結(jié)果分析

實驗中測試了裝置中的三檔能量激光能量，分別為低能量(0.2 mW)、中能量(0.3 mW)和高能量(0.4 mW)，通過激光功率計對射出的激光光斑進行功率測量，結(jié)果符合預(yù)期功率。激光光斑像如圖8所示。

圖8 裝置激光光斑灰度圖像

從圖9中可以看到，在無勻光片時，激光光斑呈斑點狀，邊緣陡度較陡；加入勻光片后，光斑與未加勻光片有明顯不同，呈較均勻狀，邊緣陡度平緩。圖9為3種不同功率下激光光斑的一維光強分布。從圖中可以看出，在未加勻光片時，光強分布及其不均勻。再加上勻光片后，強度分布變得更加均勻，運動幅度和標準差相比不加勻光片的圖來說更小。圖10為3種不同功率下激光光斑的光強分布直方圖，橫坐標為光的強度，縱坐標是對應(yīng)光強的像素點數(shù)量。從圖中可知，在未加入勻光片時，光強的分布聚集于一側(cè)，且光強的分布較廣。加入勻光片后，光強的分布變得更加均勻，且光強分布范圍縮小。

圖9 裝置激光光斑強度分布

5 結(jié)束語

本文針對目前青少年近視患者數(shù)量的上升，視覺預(yù)防訓(xùn)練需求的不斷增加，調(diào)研現(xiàn)有的近視預(yù)防產(chǎn)品，確定了需求和所需功能后，從而提出設(shè)計一個近視預(yù)防的新方法，實現(xiàn)了一種哺光儀近視預(yù)防裝置。裝置內(nèi)搭載紅光訓(xùn)練、后向訓(xùn)練、多光譜訓(xùn)練、眼肌訓(xùn)練、視覺訓(xùn)練軟件等多種訓(xùn)練模式，并可用手機APP基于藍牙通信進行控制，具有攜帶方便、可隨時訓(xùn)練、訓(xùn)練功能豐富等特點。裝置使用5 V/2 A電源供電，并使用恒流電源作為燈光模組的供電模塊，保證燈光訓(xùn)練的穩(wěn)定性和安全性。裝置測試效果符合預(yù)期的設(shè)計要求，在近視預(yù)防領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用價值。

基于本文的研究成果，計劃在后續(xù)的研究中增加實際使用效果，通過在真實的醫(yī)學(xué)測試中對裝置的有效性進行評估，根據(jù)測試數(shù)據(jù)和相應(yīng)效果，以便后續(xù)對裝置進行更好的迭代。