準(zhǔn)分子激光器出現(xiàn)間歇性不出激光的原因與分析

李偉剛

準(zhǔn)分子激光器出現(xiàn)間歇性不出激光的原因與分析

李偉剛

0 引言

我院在2008年8月斥巨資購(gòu)買了一臺(tái)美國(guó)生產(chǎn)的準(zhǔn)分子激光治療儀，也就是人們通常所稱的近視眼治療設(shè)備。準(zhǔn)分子激光治療儀是在計(jì)算機(jī)和三維高精密控制的手術(shù)床配合下對(duì)角膜層間進(jìn)行計(jì)算與控制的，其非常精確，預(yù)測(cè)性強(qiáng)，具有矯治范圍廣、痛苦小、手術(shù)后視力恢復(fù)快、穩(wěn)定性強(qiáng)、可避免術(shù)后角膜上皮下混濁等并發(fā)癥發(fā)生的可能等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。依靠計(jì)算機(jī)控制的準(zhǔn)確消融，使激光切削不會(huì)穿透角膜，更具安全性。因此，對(duì)眼球內(nèi)組織沒(méi)有任何副作用，更不會(huì)造成副損傷及后遺癥。正是由于準(zhǔn)分子激光治療近視眼在安全上有保障，近視患者可通過(guò)實(shí)施手術(shù)改變角膜曲率，達(dá)到重塑角膜彎曲度，即矯正視力的目的，因此得到廣大近視患者的青睞。

近視眼治療設(shè)備的核心是準(zhǔn)分子激光器。該激光器之所以稱為“準(zhǔn)分子”是由于它不是穩(wěn)定分子，它是在激光混合氣體受到外來(lái)能量激發(fā)所引起的一系列物理和化學(xué)反應(yīng)中形成轉(zhuǎn)瞬即逝的分子，其壽命僅有幾十毫秒。通常情況下，基態(tài)的稀有氣體原子其電子層全部被填滿，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不可能和其他原子結(jié)合成穩(wěn)定分子[2]。但當(dāng)它們受到高壓激勵(lì)、激發(fā)時(shí)，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時(shí)很容易和另一個(gè)原子形成一個(gè)壽命極短的分子，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱受激二聚物，簡(jiǎn)稱準(zhǔn)分子。由于準(zhǔn)分子的基態(tài)是強(qiáng)排斥態(tài)，離解迅速，故只要有一定數(shù)量的準(zhǔn)分子存在，就很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光。用于手術(shù)的光源一般采用能夠得到高質(zhì)量燒蝕表面的193 nm ArF準(zhǔn)分子激光。ArF準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生的193 nm激光屬于紫外波段，單光子能量（6.4 eV）遠(yuǎn)大于人眼角膜組織分子鍵能（3.4 eV），能夠打斷生物分子的化學(xué)鍵，使組織分子氣化，從而對(duì)角膜組織實(shí)施“光化學(xué)切削作用”[3]。 這種準(zhǔn)分子屬于“冷”激光，對(duì)被照射部位周邊的組織幾乎不產(chǎn)生熱效應(yīng)，其切削的準(zhǔn)確度非常高。憑借這種準(zhǔn)確的氣化，可以把角膜按需要精確地切去，且對(duì)角膜的構(gòu)造不會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)[4]。準(zhǔn)分子激光治療系統(tǒng)是集光、機(jī)、電為一體的高科技產(chǎn)品，對(duì)設(shè)備的使用環(huán)境要求很高，為了確保手術(shù)效果，設(shè)備上采取了一系列保護(hù)性措施，以確保手術(shù)效果和患者的安全。

1 故障現(xiàn)象

2010年2月14日，我院下午安排5位近視眼患者進(jìn)行手術(shù)，和往常一樣，技師上午開機(jī)、換氣、預(yù)熱、測(cè)能量、校中心、測(cè)相紙圓、打PMMA板，一切正常?？墒堑街形缭賵?zhí)行能量測(cè)試程序時(shí)，屏幕上出現(xiàn)正在“設(shè)置能量穩(wěn)定初始值”和“能量穩(wěn)定錯(cuò)誤”的提示，激光能量測(cè)試無(wú)法完成。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，可能的原因是外光路上放置了東西阻塞了光路、能量反饋信號(hào)不能送達(dá)計(jì)算機(jī)、能量穩(wěn)定工作點(diǎn)不在合適范圍以及激光器輸出能量偏低等。當(dāng)時(shí)沒(méi)有必要的檢測(cè)工具，只能憑借直覺檢查相關(guān)點(diǎn)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)手術(shù)室環(huán)境溫度已超過(guò)26℃，立即將其調(diào)整到正常范圍（18～20℃），大約過(guò)了2 min恢復(fù)正常。到了下午準(zhǔn)備手術(shù)，再次進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試一切正常，開始實(shí)施手術(shù)，當(dāng)完成2位患者手術(shù)后，再次執(zhí)行測(cè)能量程序時(shí)，出現(xiàn)上午同樣的故障現(xiàn)象。將相紙放置在激光器出口，檢查無(wú)激光能量，但有高壓放電的聲音。以前激光器突然無(wú)激光能量多數(shù)是高壓電源或控制高壓開關(guān)的閘流管燈絲燒斷所致，這次情況非常奇怪。此時(shí)發(fā)現(xiàn)手術(shù)室環(huán)境溫度又超過(guò)26℃，再次將溫度調(diào)至正常。由于造成這種故障的原因沒(méi)有排查清楚，只好出去向患者進(jìn)行解釋，待查明原因一切正常后再通知來(lái)醫(yī)院進(jìn)行手術(shù)?；氐绞中g(shù)室后未做任何調(diào)整，激光器居然又有激光了，而且所有測(cè)試指標(biāo)一切正常，但故障時(shí)有時(shí)無(wú)。

2 故障分析與排查

利用所學(xué)知識(shí)，針對(duì)圖紙逐個(gè)進(jìn)行分析排查，尋找出可能導(dǎo)致上述問(wèn)題的原因有：（1）溫度過(guò)高，散熱不好，導(dǎo)致能量穩(wěn)定系統(tǒng)工作點(diǎn)處于臨界狀態(tài)，控制電路出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象、激光器的高壓電路某元器件變質(zhì)，性能發(fā)生變化，冷卻后性能又自動(dòng)恢復(fù)正常；（2）電源電路具有保護(hù)功能，電網(wǎng)電壓波動(dòng)超過(guò)±10%導(dǎo)致電路保護(hù)，待電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后又自動(dòng)恢復(fù)正常。由于無(wú)需人為干預(yù)，故障現(xiàn)象就能自己恢復(fù)，因此排除了電路上接觸不良的可能。

（1）首先將手術(shù)室溫度調(diào)整到26℃，同時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓最高時(shí)可達(dá)244 VAC，雖然電網(wǎng)電壓偏高，大于10%，但電路上已裝有UPS不間斷電源，輸出電壓可以控制在220（1±3%）VAC以內(nèi)，如果沒(méi)有UPS可能早就出問(wèn)題了。然后對(duì)能量穩(wěn)定工作點(diǎn)進(jìn)行重新校準(zhǔn)，在模擬手術(shù)過(guò)程中用示波器檢測(cè)測(cè)試點(diǎn)，結(jié)果經(jīng)過(guò)一天的測(cè)試，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)工作點(diǎn)明顯偏離現(xiàn)象，也沒(méi)有出現(xiàn)上述問(wèn)題。能量穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示。

（2）能量穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理是：通過(guò)軟件與硬件對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行控制，在外光路上的分光鏡通過(guò)采集激光器輸出能量的1%的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)能量探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在能量穩(wěn)定板上，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形及采樣保持電路的處理后送到A/D轉(zhuǎn)換板，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后被送到能量穩(wěn)定微處理板上，其微處理器對(duì)這些脈沖數(shù)求平均，然后與存儲(chǔ)器內(nèi)的原程序參數(shù)進(jìn)行比較，決定激光控制電壓（LCV）是調(diào)高還是調(diào)低或者不調(diào)整，該電壓被用來(lái)控制激光器電極上的高壓放電來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出能量的穩(wěn)定性控制。

（3）在正常情況下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是被動(dòng)對(duì)能量穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)施控制的，它只是監(jiān)控來(lái)自能量穩(wěn)定板和能量穩(wěn)定微處理板上的一些報(bào)警和錯(cuò)誤提示，只有在進(jìn)行能量測(cè)試校準(zhǔn)時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與系統(tǒng)操作才具有主動(dòng)關(guān)系。如果激光器能量變化在5%的范圍內(nèi)，此時(shí)激光器輸出能量低時(shí)，能量穩(wěn)定系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提高LCV來(lái)提升加到激光器上的高壓，使激光的輸出能量提高；相反，若激光器輸出

能量高時(shí)，能量穩(wěn)定系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低LCV來(lái)降低激光器上的高壓，使激光的輸出能量下降。由于這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此，它能夠滿足激光器能量在一定條件和時(shí)間內(nèi)保持恒定輸出。它在手術(shù)的整個(gè)過(guò)程中，即使外部環(huán)境發(fā)生一些變化時(shí)也能進(jìn)行一定的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了能量穩(wěn)定的自動(dòng)控制。在激光器自身變化、外界環(huán)境條件變化下，當(dāng)能量變化超過(guò)5%時(shí)，能量穩(wěn)定微處理器會(huì)送一個(gè)“需要校準(zhǔn)”信號(hào)到計(jì)算機(jī)，若在特殊情況下，激光器輸出能量瞬間變化會(huì)超過(guò)30%，能量穩(wěn)定板會(huì)通過(guò)系統(tǒng)控制板送一個(gè)不允許工作指令到計(jì)算機(jī)。此時(shí)需要搞清楚激光器是由于沒(méi)有能量報(bào)警還是激光器能量波動(dòng)大后報(bào)警導(dǎo)致中斷無(wú)激光輸出。

（4）在出現(xiàn)故障時(shí)注意到，無(wú)論是用能量測(cè)試程序啟動(dòng)激光器還是用手動(dòng)啟動(dòng)激光器，都能聽到激光高壓產(chǎn)生后放電的聲音，但都沒(méi)有激光輸出現(xiàn)象。正常時(shí)將實(shí)時(shí)能量探測(cè)器輸出信號(hào)斷開，不提供反饋信號(hào)給能量穩(wěn)定控制系統(tǒng)，用能量測(cè)試程序啟動(dòng)激光器出現(xiàn)的提示與故障時(shí)出現(xiàn)的提示相同，很快激光器就停止發(fā)射激光了，但手動(dòng)啟動(dòng)激光器卻有激光輸出。這一區(qū)別排除了能量穩(wěn)定系統(tǒng)故障，懷疑故障出在激光器電路上。激光器電路原理如圖2所示。

（5）該電路主要由輸入交流電源、直流電源、交直流電源、電源調(diào)制電路、高壓電源、接口電路、激光控制電路、顯示控制器、觸發(fā)電路、燈絲電壓電路、高壓控制電路、激光頭組成。其所有電路都是為激光頭產(chǎn)生激光而提供電力、信號(hào)控制及保護(hù)作用的，從激光頭產(chǎn)生激光的原理來(lái)看，重點(diǎn)是其高壓部分。激光頭高壓電路如圖3所示。

圖1 能量穩(wěn)定系統(tǒng)的控制原理圖

圖2 激光器電路原理框圖

圖3 激光頭高壓電路

（6）激光高壓電路的工作原理是：該電路由閘流管、高壓電源HV（約20 kV）、主電容C1、峰值電容器C2、電感L、放電電極等組成。在待機(jī)狀態(tài)下柵極電壓為負(fù)，閘流管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)無(wú)激光能量輸出，高壓對(duì)主電容器C1充電至20 kV，充電時(shí)電感表現(xiàn)出低阻抗，這樣高壓幾乎全部加到C1上儲(chǔ)電。當(dāng)閘流管柵極收到控制電路發(fā)出的正觸發(fā)脈沖幅度約600～800 V時(shí)，閘流管的陽(yáng)極和陰極導(dǎo)通，主電容器C1上儲(chǔ)存的電荷經(jīng)閘流管和預(yù)電離針對(duì)峰值電容器C2充電，當(dāng)C2上充電電壓達(dá)到放電區(qū)的擊穿電壓時(shí)，由C2通過(guò)金屬電極對(duì)氣體工作物質(zhì)放電，產(chǎn)生準(zhǔn)分子激光。

（7）單獨(dú)檢查高壓電路上的元器件外表沒(méi)有明顯的損傷和味道，閘流管工作狀態(tài)正常，測(cè)試高壓電源、柵極電壓、燈絲電壓皆正常。由于出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)激光器不出光，但高壓放電的聲音能聽到，同時(shí)伴隨雜聲。即使高壓電路打火，也不會(huì)造成不出光。后來(lái)將排查重點(diǎn)放在能否讓激光頭出光的關(guān)鍵部件攪拌器上，通常稱為風(fēng)機(jī)，它的主要作用是讓激光工作物質(zhì)在激光腔內(nèi)均勻運(yùn)動(dòng)。一旦出現(xiàn)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，放電就會(huì)紊亂，也不可能產(chǎn)生激光。檢查風(fēng)機(jī)并沒(méi)有卡死和轉(zhuǎn)速不均現(xiàn)象，因?yàn)橐坏╋L(fēng)機(jī)卡死是不可恢復(fù)的，如果轉(zhuǎn)速不均勻會(huì)發(fā)出異常聲響，而且伴隨激光能量波動(dòng)，不可能沒(méi)有激光，上面2種情況都沒(méi)見到。到底是什么原因造成風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)呢？仔細(xì)研究了如圖4所示的風(fēng)機(jī)電源電路，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)機(jī)電源電路的初級(jí)串有一只熱敏電阻TR1，當(dāng)輸入電源110 VAC波動(dòng)超過(guò)10%，即大于120 VAC時(shí)，多余壓降就會(huì)加在熱敏電阻上，累計(jì)到居里溫度時(shí)，熱敏電阻阻值劇增，電壓全部加到熱敏電阻上，而降壓變壓器初級(jí)分壓就為零，這樣電動(dòng)機(jī)上就無(wú)電壓輸出，導(dǎo)致停轉(zhuǎn)。模擬高壓加上時(shí)風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，結(jié)果與出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的現(xiàn)象完全相同。因此只有當(dāng)溫度降低，熱敏電阻性能恢復(fù)正常，風(fēng)機(jī)兩端有24 VDC時(shí)，一切才能正常，具有逆性。究竟是電網(wǎng)電壓超高標(biāo)引起保護(hù)還是環(huán)境溫度太高熱量無(wú)法散出引起，甚至是熱敏電阻性能發(fā)生變化導(dǎo)致的故障，還有待觀察和分析。

3 故障處理

（1）由于激光器內(nèi)有2萬(wàn)伏高壓，在手術(shù)期間為了安全，需要用2層蓋子蓋上，因此無(wú)法監(jiān)測(cè)到熱敏電阻的性能變化情況，甚至連風(fēng)機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)、聲音是否正常都難以判斷，所以只能對(duì)UPS電源輸出進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)上述情況提出設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及一旦

在手術(shù)期間確實(shí)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)電源失去情況的監(jiān)測(cè)和應(yīng)急電源電路，將船型開關(guān)K撥到外部開關(guān)電源24 VDC應(yīng)急送電，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，激光正常輸出，確?；颊呤中g(shù)安全，該方案如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)和應(yīng)急電源電路

（2）將機(jī)內(nèi)電源開關(guān)處在常閉位置，裝有紅色發(fā)光二極管顯示，機(jī)內(nèi)工作正常時(shí)紅燈亮，一旦出現(xiàn)問(wèn)題紅燈滅并報(bào)警。同時(shí)備用電源上裝有綠色發(fā)光二極管，顯示外部開關(guān)電源工作正常，隨時(shí)捕捉問(wèn)題以補(bǔ)救，開關(guān)和指示燈接到外面，以方便觀察和操作。

圖4 風(fēng)機(jī)電源電路

4 小結(jié)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)和觀察，特別是注意手術(shù)室的溫度控制在正常的范圍內(nèi)，設(shè)備工作一切正常，再?zèng)]有出現(xiàn)上述問(wèn)題。當(dāng)時(shí)發(fā)生問(wèn)題的主要原因是外面天氣寒冷，人們?yōu)榱耸棺约焊械绞孢m，無(wú)意中將空調(diào)溫度設(shè)置偏高，而激光設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此電子元器件熱量不能及時(shí)散去，導(dǎo)致保護(hù)電路上的熱敏電阻特性發(fā)生變化，使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)；電網(wǎng)電壓雖然有些偏高，但UPS起到了恒定輸出電壓的作用（長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)正常）；次日手術(shù)室溫度設(shè)置在26℃，模擬手術(shù)過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，可能是當(dāng)時(shí)測(cè)試設(shè)備工作點(diǎn)時(shí)2層蓋子是打開的，這樣元器件散熱會(huì)好些。這里需要提醒類似設(shè)備操作人員：室外天氣會(huì)時(shí)常變化，如果操作者只考慮自身的感受，不注意設(shè)備的使用條件，盲目開機(jī)，就會(huì)發(fā)生預(yù)想不到的事情，甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞。反之，如果時(shí)刻注意手術(shù)室溫度、濕度、灰塵、電源穩(wěn)定性是否變化，就可以確保設(shè)備少出問(wèn)題，甚至不出問(wèn)題。

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（收稿：2013-05-23 修回：2013-09-03）

（欄目責(zé)任編校：李 影 傅 靂）

R318.6；TH772．1

B

1003-8868（2014）01-0162－03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.162

462400河南舞陽(yáng)，河南省舞陽(yáng)縣中心醫(yī)院設(shè)備科（李偉剛）