CN116602265A - 一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，包括主控模块、基于PWM调光的LED驱动模块、半圆环形370nm波长LED阵列，所述智能控制系统是基于STM32单片机作为核心控制器，STM32单片机通过串口与PC机数据交互，PC机通过串口发送和接收数据，并控制下一级基于PWM调光的LED驱动模块，LED驱动模块将控制位于切口两端的半圆环型370nm波长LED阵列，使用此控制方式可单独控制LED阵列中的每一个LED参数。本发明采用上述一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，通过在切口两端放置LED阵列的方式，来有效、稳定的建立瘢痕疙瘩动物模型，为瘢痕疙瘩治疗提供稳定、复制性强的瘢痕疙瘩动物模型。

Description

一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及疤痕医疗技术领域，尤其是涉及一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统及方法。

背景技术

瘢痕疙瘩是一种皮肤疾病，常常是在创伤处或手术后形成的疤痕过度增生，呈现出高耸的、厚实的、不规则形状的皮肤瘤。瘢痕疙瘩一般不会自行消退，而且很容易反复复发。瘢痕疙瘩常常会出现疼痛、灼热感和瘙痒等不适症状，在某些部位发病时，如关节和眼睛周围等部位，瘢痕疙瘩可能会影响身体功能，如关节活动度受限、视力受损等。此外瘢痕疙瘩的外观并不美观，可能会让病人感到不自信和尴尬，甚至会影响其社交和情感生活。总之瘢痕疙瘩会严重影响病人的生活质量。

对于瘢痕疙瘩的治疗研究，构建合适的瘢痕疙瘩动物模型是关键所在。目前构建瘢痕疙瘩动物模型的方法通常是需要进行手术或是其他诱导方法，例如手术诱导法，化学诱导法，移植法，基因敲除法。其中手术诱导法通过在动物皮肤上制造切口、烧伤、切口等方式诱导瘢痕疙瘩；化学诱导法是通过皮下注射化学物质诱导瘢痕疙瘩形成；基因敲除法是通过基因敲除技术删除某些基因诱导瘢痕疙瘩形成；移植法是通过将体外培养的瘢痕组织移植如动物皮下诱导瘢痕疙瘩形成。

目前瘢痕疙瘩动物模型的构建方法存在很多缺陷，在方法的操作和模型的可靠性上都存在一定问题。1)操作难度大，构建瘢痕疙瘩动物模型需要进行手术和注射等操作，需要技术熟练地医生和研究人员。2)个体差异大，不同的动物个体对于注射、移植、基因敲除等操作的反应存在差异，动物模型的构建存在很大不确定性。综上，现有方法构建的瘢痕疙瘩动物模型复制性差，不同实验室构建的模型存在较大差异，对于研究通用的瘢痕疙瘩治疗方法存在较大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，通过在切口两端放置LED阵列的方式，来有效、稳定的建立瘢痕疙瘩动物模型，为瘢痕疙瘩治疗提供稳定、复制性强的瘢痕疙瘩动物模型。本发明的另一个目的是提供一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统的使用方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，包括主控模块、基于PWM调光的LED驱动模块、半圆环形370nm波长LED阵列，所述智能控制系统是基于STM32单片机作为核心控制器，STM32单片机通过串口与PC机数据交互，PC机通过串口发送和接收数据，并控制下一级基于PWM调光的LED驱动模块，LED驱动模块将控制位于切口两端的半圆环型370nm波长LED阵列，使用此控制方式可单独控制LED阵列中的每一个LED参数。

优选的，所述LED矩阵使用环形方式排布，以实现切口不同部位光照强度的改变，每一个单独的LED都可被有效控制，可以对其中的任意LED芯片进行控制，满足不同光照控制方案的实施。

优选的，所述主控模块是高性能微控制器，支持多种通信协议，带有浮点运算单元-M432位处理器，最高工作频率168MHz，易于焊接和布局，用于接收PC机数据，并对数据解析，将数据内容发送至LED驱动模块。

优选的，所述LED驱动模块以PWM控制方式为主，能够向一路或多路高亮度LED提供达1安培的电流，内部集成有高压MOS晶体管，在主控模块的控制下，产生不同占空比的PWM信号驱动LED阵列产生不同光照强度。

上述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：确定瘢痕疙瘩动物模型的目标杨氏模量和瘢痕疙瘩在动物身上的位置，使用MATLAB或ANSYS进行联合仿真，得到光照控制与杨氏模量的方程：

其中E为杨氏模量，T为单位周期内的光照时间，φ为辐射通量功率，x为光照模式包括持续性光照和脉冲式光照，通过仿真计算初步确定光照强度、光照时间、光照区域和光照方式；

步骤二：将仿真结果数据导出输入PC机，由PC机根据仿真给出的光照方式生成串口数据流，PC机通过串口通信控制LED驱动模块；

步骤三：在动物的对应部位手术切割创口，将半圆环形LED阵列固定于创口两端；

步骤四：STM32单片机通过串口通信接受PC机发送的数据，控制LED驱动模块，进而控制LED阵列上不同的LED的发光方式和发光强度，产生特定的照射部位和照射光强；

步骤五：照射完毕，确认瘢痕疙瘩生长状况，对瘢痕疙瘩生长区域进行切割离体，进行瘢痕疙瘩部位弹性模量测量，将测量结果与仿真结果进行比对，结果反馈到PC机，PC机优化光照控制并在下一次进行调整，以此方式进行动态优化。

优选的，所述步骤五的具体实施步骤如下：

(1)对受光照形成的瘢痕疙瘩组织进行切割离体；

(2)使用组织拉伸试验仪对切割下来的离体瘢痕疙瘩组织进行拉伸测试，通过测量组织受力和变形量参数计算组织的杨氏模量；

(3)将结果反馈至PC机的控制软件，根据仿真与实验测量的偏移方向及程度进行光照修正，修正参数将在下一次光照中被应用，以此方法动态调整。

本发明所述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统及方法的优点和积极效果是：

1、相比于现有技术因为手术复杂、不同个体的药物反应差异大等多种原因难以建立可复制性强的瘢痕疙瘩动物模型，本发明可以更加标准化的建立可复制性较强的瘢痕疙瘩动物模型，并且可以根据部位的不同和目标力学性质的不同，灵活调整光照。

2、高可控性的光源和动态反馈光照控制机制，使得照射更为精准化，更为可控，更为方便和更为全面。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统中的主控模块示意图；

图2为本发明用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统中的LED驱动模块示意图；

图3为本发明用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统中的半圆环形LED阵列示意图；

图4为本发明用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统整体示意图；

图5为本发明用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统结构流程图；

图6为本发明用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统使用方法流程图；

图7为本发明建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统使用方法步骤五流程图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，包括主控模块、基于PWM调光的LED驱动模块、半圆环形370nm波长LED阵列。

主控模块是高性能微控制器，支持多种通信协议，带有浮点运算单元-M432位处理器，最高工作频率168MHz，易于焊接和布局，用于接收PC机数据，并对数据解析，将数据内容发送至LED驱动模块。

主控模块(芯片型号为STM32F407zgT6)参考图1，该芯片是一款功能强大的高性能微控制器，支持USB、CAN、SPI、I2C等多种通信协议，其高运算速度、多IO口数、低功耗以及多样的通讯协议非常适合用作为LED阵列的控制芯片。该芯片有多达114个IO接口，易于扩展，适合LED光阵列的控制；该芯片带有浮点运算单元-M432位处理器，最高工作频率168MHz，数据处理能力相较传统芯片更为强大；芯片采用LQFP144封装，易于焊接和布局，尺寸为20.2x 20.2x 1.45mm，更易于集成。

LED矩阵使用环形方式排布，以实现切口不同部位光照强度的改变，每一个单独的LED都可被有效控制，可以对其中的任意LED芯片进行控制，满足不同光照控制方案的实施。

半圆环形LED阵列参考图3，LED芯片采用0201/01005/0402封装，通过不同的封装形式来实现光源的不同排列，控制方式有：单颗LED、LED光圈，以及LED亮度梯度调控。采用以聚酯薄膜或聚酰亚胺为基材的电路板，通过刻蚀在铜箔上形成线路而制成的一种具有高度可靠性，绝佳挠曲性的印刷电路板，可使每一个LED产生不同光强(辐射通量功率)。在该排列结构下，可按光圈方式控制LED芯片，达到不同圈数的LED光强(辐射通量功率)不同，或形成动态效果，依次从外圈到内圈点亮LED；LED芯片还具有01005封装和0402封装，01005封装比0201封装体积和所占电路板面积更小，使得在电路板上集成更高密度的LED；使用01005这种更小体积封装的LED，使得对于不同部位亮度(辐射通量功率)调节更加精细化。

LED驱动模块以PWM控制方式为主，能够向一路或多路高亮度LED提供达1安培的电流，内部集成有高压MOS晶体管，在主控模块的控制下，产生不同占空比的PWM信号驱动LED产生不同光照强度。

LED驱动模块(芯片型号为CN5502)参考图2，LED驱动芯片的选择主要以PWM控制方式为主，CN5502是工作于4V到32V的恒流输出集成电路，能够向一路或多路高亮度LED提供达1安培的电流。CN5502通过一个与LED串连的电流检测电阻设置LED电流。调光控制输入管脚和芯片内部的130Hz PWM信号产生电路允许使用模拟和PWM信号进行调光，CN5502内部集成有高压MOS晶体管，减少了外部元器件的数目，LED电流精度达5％，非常适合高输入电压驱动高亮度LED发光的应用。CN5502的EQ管脚能够在多个CN5502并联使用时起到电流均衡的作用。其它功能包括5V稳压输出和热调制等。CN5502采用散热能力增强型的8管脚SOP封装和8管脚DFN封装。

智能控制系统是基于STM32单片机作为核心控制器，STM32单片机通过串口与PC机数据交互，PC机通过串口发送和接收数据，并控制下一级基于PWM调光的LED驱动模块，LED驱动模块将控制位于切口两端的半圆环型370nm波长LED阵列，使用此控制方式可单独控制LED阵列中的每一个LED发光强度(辐射通量功率)、发光方式、LED电流等参数。

经过创口形状和创口部位分析，确定紫外光照射的形状和光强(辐射通量功率)，数据通过PC机传输至主控芯片，主控芯片通过数据输入输出接口控制LED驱动模块，使用PWM方式驱动半圆环形LED阵列上的某一特定区域LED。基于此驱动方式，可使得LED阵列实现不同部位的照射强度(辐射通量功率)不同，或关闭某一特定部位的LED，实现光源的精确照射。

紫外光照射会影响生物组织的血流和瘢痕组织的特性，进而在创口处形成瘢痕疙瘩。通过这种在切口两端放置紫外LED阵列的方式，来有效、稳定的建立瘢痕疙瘩动物模型，为瘢痕疙瘩治疗提供稳定、复制性强的瘢痕疙瘩动物模型。

一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：确定瘢痕疙瘩动物模型的目标杨氏模量和瘢痕疙瘩在动物身上的位置，使用MATLAB或ANSYS进行联合仿真，得到光照控制与杨氏模量的方程：

其中E为杨氏模量，T为单位周期内的光照时间，φ为辐射通量功率，x为光照模式包括持续性光照和脉冲式光照，通过仿真计算初步确定光照强度、光照时间、光照区域和光照方式。

首先，确定目标瘢痕组织杨氏模量为k，以此为目标进行MATLAB或ANSYS联合仿真，初步确定光照控制方式。经仿真得出若以此杨氏模量为目标需要一个最外层光圈最强光照强度想内层以此递减的脉冲光照。该过程的关键是仿真得到可被PC机接收的光照控制数据。将包含光照时间、光照强度、光照区域和光照方式的数据从MALTAB导出，将该数据包导入PC机的控制软件。

步骤二：将仿真结果数据导出输入PC机，由PC机根据仿真给出的光照方式生成串口数据流，PC机通过串口通信控制LED驱动模块。

PC机上的控制软件将对数据包进行解析，并将其转变为数据流通过串口将数据传输给主控芯片，PC机按时序持续发送数据流，以此确保LED阵列能持续的发出由外向内减弱的脉冲光照。

步骤三：在动物的对应部位手术切割创口，将半圆环形LED阵列固定于创口两端。

主控芯片接收PC发送的数据，对数据解包分析，通过通用IO输入输出接口，将数据发送至LED驱动芯片的数据接口端口，由于控制LED数量较多，并且STM32单片机拥有大量IO接口，可由单个主控芯片控制多个LED驱动芯片，以达到对每个LED的控制。

步骤四：STM32单片机通过串口通信接受PC机发送的数据，控制LED驱动模块，进而控制LED阵列上不同的LED的发光方式和发光强度，产生特定的照射部位和照射光强；

LED驱动芯片获取主控芯片发送数据，解析数据内容，控制其输出接口上的LED，该数据包含数据接口上LED所需要的PWM调制数据，以及接口开通和关断时间数数据，使得LED阵列上的每一个发光点都可以得到有效控制，进而对创口组织进行符合防震要求的有效照射。

步骤五：照射完毕，确认瘢痕疙瘩生长状况，对瘢痕疙瘩生长区域进行切割离体，进行瘢痕疙瘩部位弹性模量测量，将测量结果与仿真结果进行比对，结果反馈到PC机，PC机优化光照控制并在下一次进行调整，以此方式进行动态优化。

步骤五的具体实施步骤如下：

(1)对受光照形成的瘢痕疙瘩组织进行切割离体；

(2)使用组织拉伸试验仪对切割下来的离体瘢痕疙瘩组织进行拉伸测试，通过测量组织受力和变形量参数计算组织的杨氏模量；

(3)将结果反馈至PC机的控制软件，根据仿真与实验测量的偏移方向及程度进行光照修正，修正参数将在下一次光照中被应用，以此方法动态调整。

因此，本发明采用上述一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统及方法，通过在切口两端放置LED阵列的方式，来有效、稳定的建立瘢痕疙瘩动物模型，为瘢痕疙瘩治疗提供稳定、复制性强的瘢痕疙瘩动物模型。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，包括主控模块、基于PWM调光的LED驱动模块、半圆环形370nm波长LED阵列，其特征在于：所述智能控制系统是基于STM32单片机作为核心控制器，STM32单片机通过串口与PC机数据交互，PC机通过串口发送和接收数据，并控制下一级基于PWM调光的LED驱动模块，LED驱动模块将控制位于切口两端的半圆环型370nm波长LED阵列，使用此控制方式可单独控制LED阵列中的每一个LED参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，其特征在于：所述LED阵列使用环形方式排布，以实现切口不同部位光照强度的改变，满足不同光照控制方案的实施。

3.根据权利要求1所述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，其特征在于：所述主控模块是高性能微控制器，支持多种通信协议，用于接收PC机数据，并对数据解析，将数据内容发送至LED驱动模块。

4.根据权利要求1所述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统，其特征在于：所述LED驱动模块以PWM控制方式为主，内部集成有高压MOS晶体管，在主控模块的控制下，产生不同占空比的PWM信号驱动LED阵列产生不同光照强度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定瘢痕疙瘩动物模型的目标杨氏模量和瘢痕疙瘩在动物身上的位置，使用MATLAB或ANSYS进行联合仿真，得到光照控制与杨氏模量的方程：

其中E为杨氏模量，T为单位周期内的光照时间，φ为辐射通量功率，x为光照模式，通过仿真计算初步确定光照强度、光照时间、光照区域和光照方式；

步骤二：将仿真结果数据导出输入PC机，由PC机根据仿真给出的光照方式生成串口数据流，PC机通过串口通信控制LED驱动模块；

步骤三：在动物的对应部位手术切割创口，将半圆环形LED阵列固定于创口两端；

步骤四：STM32单片机通过串口通信接受PC机发送的数据，控制LED驱动模块，进而控制LED阵列上不同的LED的发光方式和发光强度，产生特定的照射部位和照射光强；

步骤五：照射完毕，确认瘢痕疙瘩生长状况，对瘢痕疙瘩生长区域进行切割离体，进行瘢痕疙瘩部位弹性模量测量，将测量结果与仿真结果进行比对，结果反馈到PC机，PC机优化光照控制并在下一次进行调整，以此方式进行动态优化。

6.根据权利要求5所述的一种用于建立瘢痕疙瘩动物模型的智能控制系统的使用方法，其特征在于，所述步骤五的具体实施步骤如下：

(1)对受光照形成的瘢痕疙瘩组织进行切割离体；

(2)使用组织拉伸试验仪对切割下来的离体瘢痕疙瘩组织进行拉伸测试，通过测量组织受力和变形量参数计算组织的杨氏模量；

(3)将结果反馈至PC机的控制软件，根据仿真与实验测量的偏移方向及程度进行光照修正，修正参数将在下一次光照中被应用，以此方法动态调整。