大功率激光汽化治療前列腺增生裝置電路系統(tǒng)的研制.pdf

1、激光是20世紀以來繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后人類的又一重大發(fā)明。它有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性,使得激光廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事領(lǐng)域上。激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要分三類:激光生命科學(xué)研究、激光診斷、激光治療。其中激光治療又分為:激光手術(shù)治療、弱激光生物刺激作用的非手術(shù)治療和激光的光動力治療。激光的手術(shù)治療主要利用激光的光熱效應(yīng)。醫(yī)用上的激光器主要有CO2激光器、半導(dǎo)體激光器、各種摻雜的YAG激光器、各

2、種寶石激光器、氬離子激光器、準分子激光器等。它們已經(jīng)應(yīng)用到牙科、眼科、泌尿科等手術(shù)治療中。自1966年激光應(yīng)用到泌尿外科領(lǐng)域以來,激光治療技術(shù)以其安全、簡單、出血少、療效確切等優(yōu)點,在泌尿外科獲得了廣泛的應(yīng)用。有多種激光技術(shù),如可視的前列腺激光消融術(shù)(VLAP),組織內(nèi)激光前列腺凝固(ILC)、選擇性光前列腺汽化(PVP)等,已應(yīng)用在良性前列腺增生(Benign Prostatic Hyperplasia,BPH)的外科治療上。

3、　　 良性前列腺增生是中老年男性的常見病癥。主要表現(xiàn)為兩類臨床癥狀,一類是前列腺早期增生時引發(fā)的膀胱刺激癥狀。表現(xiàn)為尿頻、尿急、夜尿增多及急迫性尿失禁,一類是前列腺增生阻塞尿路引起的排尿梗阻癥狀,表現(xiàn)為排尿無力、尿潴留,容易引起尿路感染、腎功能遭到破壞,嚴重時還會導(dǎo)致尿毒癥,對病人的健康和生活造成嚴重的影響。大部分BPH患者可以通過經(jīng)尿道手術(shù)、激光前列腺汽化術(shù)等方式治愈。
　　 采用激光手術(shù)汽化切除增生的前列腺已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用

4、。因為激光較易被水,氧和血紅蛋白吸收,所以有止血效果好,易于醫(yī)生的手術(shù)操作,減輕病人的痛苦,減少醫(yī)療的風(fēng)險等等優(yōu)點。Nd:YAG激光是前列腺激光外科中應(yīng)用歷史最長的激光。Nd:YAG激光又稱摻釹-鐿-鋁石榴石激光,波長為1064nm,該波段屬于近紅外不可見光,幾乎不被水吸收,因此外科手術(shù)時經(jīng)水傳遞的能量丟失很少,并且手術(shù)的安全性最好,基本不出血,也無TURS出現(xiàn),尤其適用于高齡高?；颊?。早期用連續(xù)的Nd:YAG激光手術(shù)治療BPH,這種激

5、光止血效果好,手術(shù)視野清晰,組織穿透性較強。但是連續(xù)YAG激光功率很低,所需要的手術(shù)切除時間較長,對組織的熱損傷較大,效果不太理想。而脈沖激光作用于組織時,組織吸收的熱量不可能在短時間內(nèi)迅速向周圍組織傳遞,而且在兩個脈沖的間隔,由于熱傳導(dǎo)的原因,使得靶組織的熱量有一定的擴散時間,因而脈沖激光比連續(xù)激光有更多的優(yōu)點。長脈沖YAG激光治療儀還有峰值功率高、易于快速汽化腺體,熱損傷范圍小等特點。
　　 本課題即采用Nd:YAG固體激光

6、器。其組成包括激光工作物質(zhì)摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)、氪燈泵浦光源、雙橢圓泵浦腔,光學(xué)諧振腔。激光器采取光泵浦的工作方式,電源的電能轉(zhuǎn)換成泵浦光源的光能,再轉(zhuǎn)變成激光工作物質(zhì)的儲能。光泵浦系統(tǒng)由電源、泵浦光源和泵浦腔組成。電源用以提供能量,泵浦光源用。泵浦腔又叫聚光腔,其作用是將泵浦光源的輻射能量最大限度地聚集在激光工作物質(zhì)上。激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括機械裝置、激光的產(chǎn)生器件和光路器件、電路控制和顯示系統(tǒng),以及系統(tǒng)軟件四部分組成。高功率大

7、能量激光的傳輸,采用石英玻璃作纖芯材料的塑料包層光纖。
　　 目前醫(yī)院使用的激光治療裝置的控制與應(yīng)用電路,大多采用以89C51為核心的單片機控制系統(tǒng),來實現(xiàn)對激光電源和操作按鍵的控制,功能較為單一。尤其缺乏對泵浦源冷卻水溫度和光纖耦合器溫度的檢測,無法在過流過壓時對泵浦源提供保護。本課題的目標是為激光汽化裝置設(shè)計完善、安全、穩(wěn)定、高效、實時性好的電路控制和監(jiān)測系統(tǒng),真正實現(xiàn)醫(yī)療儀器的智能化和數(shù)字化。主控板實現(xiàn)對激光電源和腳踏板開

8、關(guān)的控制、并與觸摸屏電路以及各個檢測電路的通信。觸摸屏主要完成激光電源參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)和顯示,并且顯示各個監(jiān)測電路的監(jiān)測結(jié)果、報警提示界面等。監(jiān)測電路有防止激光光路偏置的光纖接口溫度檢測電路、泵浦源冷卻水溫度檢測電路、功率檢測和穩(wěn)定反饋電路。
　　 為了便于機器的維護和調(diào)試,本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,分硬件部分和軟件部分。硬件部分分為主控板電路、觸摸屏電路、功率檢測和穩(wěn)定電路、泵浦源冷卻水溫度檢測電路、光纖接口溫度檢測電路,并留有與

9、HIS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能的接口、與膀胱鏡系統(tǒng)的接口。電路的MCU采用性價比高的AVR系列,每個電路都有自己的MCU,主控板和觸摸屏采用ATMEGA128芯片作為其MCU,其余的用ATMEGA8芯片,通過RS232接口進行各個模塊間的數(shù)據(jù)通信。功能電路的設(shè)計上,應(yīng)用了光電轉(zhuǎn)換功能且靈敏度高的熱電堆紅外傳感器TPS334,來收集紅外輻射并輸出電信號,從而非接觸地監(jiān)測激光治療儀光纖支架的溫度。功率檢測與穩(wěn)定電路,是利用金封光敏管SFH302-2來探

10、測光子的多少,通過一定的比例運算,近似計算激光器的功率。利用光電傳感器SFH302—2制成的功率檢測電路的傳感器探頭在泵浦源和全反鏡之間放置,接收光子并進行光電轉(zhuǎn)換。然后利用激光功率計測量并記錄激光器的實際功率,通過大量的實驗,確定功率檢測電路與實際功率值的對應(yīng)關(guān)系。從而可以實時檢測激光功率,并通過單片機ATmega8L反饋給主控板,調(diào)節(jié)激光電源的脈寬與頻率,控制并穩(wěn)定激光的輸出功率。泵浦源冷卻水檢測電路用于監(jiān)測泵浦源的實時溫度,并反饋

11、給主控板,一旦出現(xiàn)溫度過高的情況,馬上報警并自動停機。它采用熱敏電阻PT100作為接觸式的溫度傳感器,只要溫度超出范圍,電路即輸出報警信號。軟件程序上,根據(jù)各個電路模塊分別設(shè)計各個電路的主程序與子程序,再用特定的通信協(xié)議把各電路連接通信。
　　 本課題的研究工作,是為激光汽化治療前列腺增生裝置設(shè)計一套智能化、數(shù)字化的電路控制系統(tǒng),充分發(fā)揮激光技術(shù)在臨床上的應(yīng)用。提供良好的人機交互接口,便于醫(yī)生的手術(shù)操作,并且對激光器的工作狀態(tài)實

12、時監(jiān)測和反饋。該套電路控制系統(tǒng)有以下特色:采用友好的人機操作設(shè)備液晶觸摸屏。它操作簡便,只需要手指接觸屏幕,便可以人機通信；界面友好,醫(yī)生或?qū)嶒炚邿o需花長時間去培訓(xùn)以熟悉機器的操作,便可以迅速掌握清楚機器的信息、提示和指令。響應(yīng)迅速,安全可靠。具有良好的擴充性,可隨時增加系統(tǒng)的內(nèi)容和數(shù)據(jù),并為今后的與PC通訊,與HIS聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)庫的操作等提供方便；形象的界面圖顯示某個功率范圍內(nèi)激光切割腺體的效果,為醫(yī)生做手術(shù)時提供形象的參考。主控板電路

13、和觸摸屏控制板電路以ATMEL公司的8位系列單片機最高配置的ATmega128作為控制芯片。主控板實現(xiàn)對激光電源和腳踏板開關(guān)的控制、并與觸摸屏控制電路以及各個檢測電路的通信。觸摸屏電路主要完成激光電源參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)和顯示,還有各個監(jiān)測電路的監(jiān)測結(jié)果、報警顯示界面等。監(jiān)測電路有防止激光光路偏置的光纖接口溫度檢測電路、冷卻水溫度檢測電路、功率檢測反饋電路,利用功能強大的Protel dxp軟件設(shè)計電路的原理圖和PCB圖。利用非常靈敏的光電

14、二極管接收全反射鏡后散射出來的光子,經(jīng)過特定電路進行光電轉(zhuǎn)換,按照一定的比例關(guān)系從而計算出輸出激光的實際功率,給醫(yī)生進行手術(shù)提供非常有用的依據(jù)。利用靈敏度高的紅外線傳感器測光纖接口處的溫度,避免與激光光束和光纖支架的直接接觸,而且擴大對光纖支架處的測量范圍。利用熱敏電阻做成的泵浦源溫度檢測裝置,將傳感器貼在泵浦源的封裝盒子表面,監(jiān)測激光棒冷卻液的溫度。并反饋給主控板,為激光器提供保護。
　　 本文最后基于取得的初步成果,對接下來