二氧化碳激光治療機(jī)的功率預(yù)置方法＊

張紹敏

(廣州市激光技術(shù)應(yīng)用研究所有限公司，廣東 廣州 510115)

0 引言

近年來，在我國城鄉(xiāng)醫(yī)院中，激光治療機(jī)已成為醫(yī)學(xué)臨床治療中不可缺少的醫(yī)療器械之一，二氧化碳激光治療機(jī)是激光醫(yī)療器械的杰出代表，它是目前轉(zhuǎn)換功率高、應(yīng)用最廣泛、性價比最高、操作和維護(hù)都比較簡便的一種常用激光治療機(jī)。

二氧化碳激光治療機(jī)是利用二氧化碳激光管發(fā)射出波長10.6 μm的激光束，對人體病灶組織進(jìn)行切割、燒灼、汽化、凝固和照射治療。其常用的二氧化碳激光治療機(jī)激光器終端輸出功率范圍為0.1 W到小于等于30 W。激光功率的計量表示了激光束能量在時間上的分布特性，利用二氧化碳激光治療機(jī)進(jìn)行生物學(xué)或醫(yī)學(xué)臨床的應(yīng)用，主要是利用生物組織對激光能量的吸收作用。因此，應(yīng)用前應(yīng)了解諸如波長、模式、功率計量的設(shè)置等激光參數(shù)就顯的尤為重要。

隨著二氧化碳激光治療機(jī)在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用領(lǐng)域的不斷提高，臨床醫(yī)生對激光功率輸出值的標(biāo)定提出了更高的要求。而影響其標(biāo)定的主要因素是參考功率驅(qū)動電壓值的預(yù)置保存，實際測量值用功率計測量得到，實際測量值與預(yù)置保存標(biāo)稱值的偏差應(yīng)小于國家標(biāo)準(zhǔn)GB11748-2005＜＜二氧化碳激光治療機(jī)＞＞。本文介紹了采用8bit數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，對二氧化碳激光治療機(jī)的輸出功率進(jìn)行預(yù)置，設(shè)置方法簡便可行。實際測量值與標(biāo)稱值的偏差小于±20%。

1 二氧化碳激光器氣體放電的形成及特點(diǎn)

當(dāng)CO2激光器受外施高壓電場的作用時，氣體原子或分子獲得一定能量，氣體轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，即氣體發(fā)生擊穿，此時，氣體形成輝光放電。氣體放電時，一部分高速電子直接碰撞CO2分子，使其由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)上，另一部分高速電子與N2分子碰撞，使其由基態(tài)激發(fā)至高能態(tài)上。由于N2分子的激發(fā)態(tài)與CO2分子的能級非常接近，很容易通過共振能量轉(zhuǎn)移過程，將基態(tài)CO2分子激勵至激發(fā)態(tài)能級上，于是，通過上述兩種過程，能有效地實現(xiàn)CO2分子在激發(fā)態(tài)能級上的粒子數(shù)積累，一旦實現(xiàn)上、下能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即可通過受激輻射產(chǎn)生 10.6 μm 波長的激光。

1.1 CO2激光器的輸出特性

CO2激光器在工作時，影響其輸出功率的主要因素是它的放電特性和溫度效應(yīng)。

(1)放電特性:CO2氣體激光器的放電電流對激光器輸出功率有很大的影響。CO2激光器的輸出功率和放電電流有關(guān)。實驗測得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線如圖1所示?？梢钥闯?，輸出功率對于放電電流不是一個線性的比例關(guān)系，存在一個在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流，即最佳放電電流。在最佳放電電流附近，因放電電流變化引起的輸出功率的變化不大，因此，在實際使用時，對最佳放電電流的要求并不十分嚴(yán)格，這對工作狀態(tài)的調(diào)整很有利。

(2)溫度效應(yīng):CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率是5-10%，這就是說，將有90%以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高，而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這些都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減小。并且，氣體溫度的升高還會造成CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降。因此，水冷卻器裝置是CO2激光器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必需設(shè)備。

圖1 二氧化碳激光器輸出功率與放電電流關(guān)系曲線Fig.1 The curve of output power and discharge current of CO2laser

2 二氧化碳激光治療機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖2 二氧化碳激光系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.2 The state transition diagram of CO2laser system

3 CO2激光器功率控制模塊

在二氧化碳激光器的泵浦出光過程中，要對激光器進(jìn)行升壓、擊穿、輝光放電等工作，這些過程都需要直流高壓(啟輝電壓到達(dá)22-24 kV，工作電壓達(dá)到 1.5-1.6 kV)、毫安級電流(工作電流 10-30 mA)與激光器發(fā)生相互作用，前面已經(jīng)提出CO2激光器的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線，而且每個激光器都有自己的最佳放電電流。因此作為激勵CO2激光器的直流高壓，可通過專用CO2激光器電源來實現(xiàn)上述一系列升壓、擊穿、放電的過程。根據(jù)激光電源提供的接口要求，控制系統(tǒng)提供給激光電源一個0-5 V的模擬電壓信號或一個PWM脈沖寬度調(diào)制信號，就可以調(diào)節(jié)輸出工作電流的范圍，從而達(dá)到控制激光輸出功率的目的。由單片機(jī)控制CO2激光治療機(jī)的工作過程，能很好地解決控制問題，具有抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬、在各種常溫條件下都能可靠地工作，從而獲得最佳性價比。

由單片機(jī)提供的參考預(yù)置電壓值就有對應(yīng)輸出的激光功率值。對于DAC的轉(zhuǎn)換速度及精度要求，可采用傳統(tǒng)的電壓型8bit DAC芯片。其控制原理如圖3所示。

圖3 二氧化碳激光器輸出功率控制電路Fig.3 the control circuit of CO2laser output power

Channe3為該8bit DAC數(shù)字輸入，即參考預(yù)置功率電壓值。(預(yù)置功率的設(shè)置由具有計量合格證書的標(biāo)準(zhǔn)功率計測量標(biāo)定)，Analog Power為驅(qū)動功率電壓值。

4 終端輸出功率顯示值的獲得

二氧化碳激光治療機(jī)終端輸出功率顯示標(biāo)稱值的設(shè)定?？梢酝ㄟ^中國計量科學(xué)院計量認(rèn)證機(jī)構(gòu)標(biāo)定，且出具合格證書的激光功率計進(jìn)行設(shè)定。具體使用NOVA Handheld Display OPHIR FL300A-LP型激光功率計，經(jīng)過實際測量，每臺CO2激光治療機(jī)在使用時，終端額定輸出功率實測值(取上偏差)≤30W，在用功率計測量每點(diǎn)實際終端輸出功率值之前，依據(jù)以往的實驗數(shù)據(jù)，把參考功率驅(qū)動電壓值與對應(yīng)的預(yù)置功率顯示值的默認(rèn)值保存在ROM中。然后用功率計將逐點(diǎn)測得的實際功率值，重新標(biāo)定預(yù)存默認(rèn)功率顯示值與對應(yīng)的參考功率驅(qū)動電壓值，并確認(rèn)后保存在ROM中，此時每點(diǎn)的功率顯示值與實際終端輸出功率值相一致，以便于臨床醫(yī)生使用?？偣灿?3個預(yù)置功率顯示點(diǎn)，由于激光輸出功率值與放電電流值不是線性函數(shù)關(guān)系，必須逐點(diǎn)測量，每相鄰兩點(diǎn)間的步進(jìn)分三檔，0-1 W檔，每次步進(jìn)0.2 W;1-10 W檔，每次步進(jìn)為0.5 W;10-30 W檔，每次步進(jìn)1W。每點(diǎn)測得的實際功率輸出值，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB11748－2005《二氧化碳激光治療機(jī)》規(guī)定的允差不超過±20%，可以完全滿足臨床醫(yī)生的應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文討論了采用單片機(jī)技術(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，對二氧化碳激光治療機(jī)的功率顯示終端輸出值，進(jìn)行了功率預(yù)置標(biāo)定，使實際測量輸出值與預(yù)置保存標(biāo)稱值的偏差，符合國家標(biāo)準(zhǔn)容許偏差要求。同時，經(jīng)反復(fù)測試產(chǎn)品在整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性、功率不穩(wěn)定度 St、能量復(fù)現(xiàn)性Rp、終端發(fā)散角和焦(光)斑直徑等各方面，均符合二氧化碳激光治療機(jī)的設(shè)計要求，具有良好的醫(yī)療應(yīng)用及市場前景。

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