（物理电子学专业论文）微机控制医用长脉冲Nd：YAG激光器的研究.pdf

中文摘要 近些年来涌现出各种激光器，在医学应用方面均有着令人鼓舞的应用前景， 如红宝石激光器、紫翠宝石激光器、半导体激光器和n d ：y a g 激光器等。1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光对人体皮肤具有深穿透性，被广泛的应用于治疗皮肤深层组织病 变的研究，而且它还具有较低黑色素吸收率，对人体正常皮肤伤害比较小。因此 我们选择长脉冲n d ：y a g 激光器作为研究对象，根据目前国内外激光治疗病变组 织的参数，本文重点做了如下工作： l 、阐述了激光对生物组织的作用机理，对激光治疗病变组织的国内外研究 的现状进行了系统的归纳与总结，并介绍了长脉冲n d ：y a g 激光在医学 方面应用的优势。 2 、针对间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器的特点，采用触摸屏设计了医用长脉 冲n d ：y a g 激光器的控制系统。触摸屏可设置激光治疗机的参数，控制 i g b t 斩波器来实现激光泵浦，使输出激光的脉冲宽度在1 5 9 m s 范围 内可调，输出能量在2 6 0 j 范围内可调。 3 、设计了一种推挽式电光调q 高压电源，该高压电源输出电压范围为 2 5 0 0 5 0 0 0 v 连续可调，输出电流为2 m a 。可用作高重复率电光q 开关 激光器的调q 电源，并获得了重复率为2 0 k h z 的n d ：y a g 激光脉冲输出。 4 、研制了触摸屏控制间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器，完成了不同参数下的 长脉冲激光实验研究。 关键词：长脉冲 触摸屏 n d ：y a g 控制系统 间歇式长脉冲 电光调q a b s t r a c t l a s e ri si n c r e a s i n 瘿yb e i n ga p p l y e di nc l i n i c a lt r e a t m e n tn o w , s u c ha sr u b yl a s e r , a l e x e n d r i t el a s e r , d i o d el a s e ra n dn d ：y a gl a s e r t h en d ：y a gl a s e ro f10 6 4 n mh a s t h ec h a r a c t e r so fd e e pp e n e t r a b i l i t yt ot h es k i n ，s oi ti sw i d e l yu s e df o rs k i nd i s e a s e t h e r a p y i tc a l l tb ea b s o r b e di nl a r g eq u a n t i t yb ym e l a n i ns o a st op r o t e c ts k i n e f f e c t i v e l y w ec h o s el o n g p u l s e dn d ：y a gl a s e r a so u rr e s e a r c ho b j e c t a n dw e s t u d y e dl o n g - p u l s e dn d ：y a gl a s e ra c c o r d i n gt o t h ep a r a m e t e r s i ns k i nd i s e a s e t r e a t m e n tp r e s e n t l y s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sw e l ea c h i e v e di nt h i st h e s i sa s f o l l o w i n g s ： i i nt h i sp a p e r , t h el a s e r sf u n c t i o nt ot h eb i o l o g y 懈d e s e r i b e d w es u m m a r i z e d t h es t a t u so ft h el a s e ri nc l i n i c a lt r e a t m e n tc u r r e n t l y a n dw ei n t r o d u c e dt h e a d v a n t a g eo f l o n g - p u l s e dn d ：y a gl a s e ri nm e d i c i n e 2 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fp e r i o d i cl o n gp u l s e dn d ：y a gl a s e r , w ed e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h em e d i c a ll o n gp u l s e dn d ：y a gl a s e rw i t l lt o u c hp a n e l t h e p a r a m e t e r so fm e d i c a ll a s e rs y s t e mc a l lb es e tt h r o u g ht h et o u c hp a n e l ，w h i c h c o n t r o l si g b tt op r o d u c eas e r i e so fc h o pp u m p i n ga n dm a k et h ep u l s ed u r a t i o n a d j u s t a b l ef r o ml m st o5 9 m se n d t h ee n e r g ya d j u s t a b l ef r o m2 jt o6 0 j 3 ap u s h - p u l lh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yu s e df o re l e c t r o o p t i c a lq - s w i t c h e dl a s e r w a sd e s i g n e d i t so u t p u tv o l t a g ei sa d j u s t a b l ef r o m2 5 0 0 vt o5 0 0 0 v , a n dt h e o u t p u tc u r r e n ti s 2 m a i tc a nb eu s e da sq - s w i t c h e dp o w e rs u p p l yi nh i g h r e p e t i t i o ne l e c t r o o p t i cq - s w i t c h e d l a s e rs y s t e m a n dw eo b t a i n e d2 0 k h z n d ：y a gl a s e rp u l s eo u t p u t 4 w ed e s i g n e dp e r i o d i cl o n g p u l s e dn d ：y a gl a s e ra n df i n i s h e dt h el o n g p u l s e d l a s e re x p e r i m e n ti nd i f f e r e n tp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：l o n g p u l s e d t o u c hp a n e l n d ：y a g c o n t r o ls y s t e m p e r i o d i cl o n g p u l s e d e l e c t r o - o p t i cq s w i t c h e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：季王刃 签字日期：卫w 歹年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：杏玉砑 签字日期：2 一。j 年，月多日 导师签名吖皇移 签字日期：力衫年，月易日 第一章绪论 第一章绪论 激光医学是激光技术与医学科学相结合的产物。激光技术是当代高科技的一 个重要领域，其产生和发展只有短短4 0 多年的历史，因此激光医学是一门年轻的 边缘学科。激光医学的发展是以激光技术的发展为基础的，1 9 6 0 年问世的第一台 激光器是红宝石激光器，次年红宝石激光器已开始用于视网膜凝固治疗1 1 1 。在以 后短短数年中，钕玻璃激光、c 0 2 激光、氩激光相继出现，并很快用于临床。2 0 世纪7 0 年代，n d ：y a g 激光、h e - n e 激光、染料激光等已在医学临床中崭露头角。 纵观激光医学的发展，几乎每一种激光新波长的出现，都引起人们对其医用价值 的研究热潮，以及相伴而来的在激光医疗领域的应用【2 0 1 1 4 1 。 激光是一束方向性很好、光能集中的相干光源，在医学上用于切割、烧灼、 照射等治疗方面。激光的单色性很好，正好适合于皮肤组织的选择性吸收，可选 择不同波长的激光对各种皮肤病、肿瘤或血管瘤等进行有效的治疗。激光医学的 先驱们先后在不同的医学领域进行了一系列深入的探索与研究，并取得了令人鼓 舞的成果，激光在l 临床各科的应用渐渐地成熟起来。目前激光已在心脏、癌症、 眼、耳、鼻、咽、牙、皮肤、妇科、骨科以及美容等方面开展临床医疗，形成全 新的医学分支激光医学。与此同时，各类激光医疗系统设备的设计与制造也 日趋完善，又推进各医学专科激光医疗向纵深发展【”。 激光在医学及医疗领域中的应用，可分为在治疗与测定中的应用及其在诊断 中的应用两大类。细胞的操纵等基础医学和生物学领域中的激光应用也占据着重 要的地位。另外也有利用激光微细加工技术制造医疗用微型仪器和利用光造形技 术进行生物体模型制造等医疗仪器的开发和制造等有关领域。进而，利用全息生 物体信息的记录及医疗信息的光通信等与信息工程有关的领域，从广义来讲也应 属于激光在医学中的应用。可见，医学及医疗领域中的激光应用是非常广泛的， 预计今后其重要性将越来越大1 6 j 。 第一章绪论 1 1 激光与生物组织的相互作用 1 1 1 生物组织的光学特性 对生物组织入射光强度为厶的单色平行光，若生物组织是均匀的吸收体， 在人射深度x 处的光强度为l 则由朗伯一贝尔( l a m b e r t - b e e r ) 给出了以下关系 式 ，= z oe x p ( 一心( 1 1 ) 式中a 。为吸收系数( 见图1 - 1 ) 。 但是生物组织对光是很强的散射体，因此生 物体组织内光的衰减不仅由于吸收，而且由于散 射的影响也很大。从而在不能忽略散射的条件下， 式( 1 1 ) 必须改用衰减系数，则有 ，= 1 0e x p ( - “, x ) ( 1 2 ) 鸬= 心+ 以( 1 - 3 ) 式中地为散射系数。 若考虑生物组织表面的光反射( 菲涅耳反 射) ，其反射率为r ，n o - 2 ) 式成为 j = ( 1 一r ) i oe x p ( 一4 x )( 1 4 ) 深度x 图1 - 1 朗伯贝尔曲线 窘蓦翘淼篓 向前埭劐 射的胡l 、：久人憋篓竺黧皇 ( a ) 单一粒子产生的散射光方向( b ) 生物组织内光的扩散 图1 - 2 散射光的特性 2 第一章绪论 如图1 - 2 ( a ) 所示，单一微粒在所有方 向上都有散射。当散射角小于9 0 。时称为 向前散射，大于9 0 。时称为向后散射。散 射状态与角度的关系可以用各项异性散射 参数g 来描述，g = 一1 时为纯向后散射( 散 射角为1 8 0 。) ，譬= + 1 时为纯向前散射 ( 散射角为0 。) ，g = o 时表示各向同性 散射。一般在生物组织中g = o 8 o 9 7 ， 篡 图l - 3 生物体与光的相互作用 显示出强的向前散射性，但是反复多次进行散射时( 多重散射) ，如图l - 2 ( b ) 所 示，就形成光在生物组织内扩散( 可近似于各向同性散射) 。这样，光在其扩散 的范围内与生物组织发生相互作用，从而光能被吸收后转换成热或激励生物分子 感应出荧光和磷光等，这些现象用模型的形式表示在图1 - 3 中。但是，生物组织 是大小各不相同的组织、器官所组成的不均质且多成分的系统。因此式( 1 2 ) 及式 ( 1 3 ) 只在限定的条件下才可以使用。 翁 茎 _ 童 曩 璧 督 波k r i m 图1 4 生物组织上各种物质的吸收系数和波长的关系 生物组织的主成分是水，此外还有蛋白质、脂肪、无机质等，皮肤、肌肉、 内脏等软组织的水分约为7 0 。水对红外域有着很强的吸收，因此，若在这些软 组织上照射红外光，则可以高效地把光能转换成热量。水以外典型的光吸收体中 第一章绪论 有血液红血球中的血红蛋白。血红蛋白有被氧化的状态和未被氧化的状态，这两 种状态的吸收光谱差别不大，都是在6 0 0 h m 以下的波长带中吸收增大。蛋白质 在紫外域上表现很大的吸收，如图1 4 所示。 在图l _ 4 中，7 0 0 n m 1 5 0 0 r t m 的红外光谱带的吸收比较少，因此该光谱带称 为生物组织光谱学之窗。光虽受到散射但也能到达组织的较深处，光到达组织的 深度称为光穿透深度( o 埘c a lp e n e t r a t i o nd e p t h ) ，即光强度，衰减到入射光强度厶 的1 彪时的深度，则由式( 1 - 2 ) 得x = l l , u t 。图1 5 所示的是一些典型的激光波长对 生物组织的光穿透深度【研。光渗透长度在近红外附近大，在2 z m 以上的红外域或 3 0 0 h m 以下的紫外域变小。 图1 5 生物组织上各种激光的穿透深度 波长，n m 1 1 2 激光对生物组织的作用 激光照射于生物组织时，因其波长、强度、工作方式、曝光时间等参数的不 同，可以表现出不同的生物学作用。就生物组织而言，则因其光学特性和热学特 性不一，在不同参数的激光作用下，可以产生不同的生物效应【7 】。生物效应是指 组织吸收激光后可能发生的反应，这样阐述应该更切合临床应用的实际情况。在 这里还应指出，激光产生的这些生物效应并不是孤立存在的，只不过是在特定的 情况下，以某一生物效应为主要表现而己。 1 、光热效应：组织吸收光以后，光能转化为热能，使局部温度升高，此为 4 第一章绪论 热效应。激光的产热机制因光予能量不同而有所区别。因为大多数生命分子存在 大量的振动能态，根据光子能量e = h c 2 ( h ：普朗克常数，c ：光速，a ：光波长) ， 长波长的低能量光子被组织吸收后，可引起生物分子振动和转动，并与周围介质 发生非弹性碰撞而实现能量转移，即增加了生物分子的热运动，这是一种直接生 热的过程。较短波长的光子其能量较高，照射生物组织时若被吸收，足以引起生 物分子的电子激发态跃迁。当电子从激发态弛豫返回基态时释放能量，则可以引 起光化反应。它之所以也能引起热效应，是因为激发态电子以无辐射跃迁返回低 能态时，所释放的能量使周围分子增加热运动，以及激发态电子并非直接返回基 态，而是在众多复杂的能量相差不大的能级之间分次逐级向下弛豫，每次只能释 放较低的能量，而使周围的分子增加热运动之故。 2 、光化学效应：当光子给予生物大分子的能量大于断开其弱键所需的能量 时，就会发生化学反应。理论上，光子能量足以在生物组织内引起光化学反应的， 可从紫$ - 1 9 0 n m 至近红= ； , 1 2 4 0 n m ，所以光化学反应有着波长的选择性。光化学反 应的全过程包括生物分子吸收相应能量的光子以后，外层价电子被激发跃迁至电 子激发态，在其弛豫返回基态时释放出来的能量消耗在某一化学键的断裂和新键 的形成上，直至生成稳定的最终产物。临床应用时，还要求必须是低光功率密度 ( 低强度) 和有着较长的曝光时间。其典型应用有光动力疗法( p d t ) 、低强度激光 血管内照射和激光局部照射疗法。 此外，激光的生物刺激效应、非热致汽化效应等也被广泛应用于临床医学。 另外，散射光与透射光的强度和光谱含有重要的生物体信息，因此可以应用在生 物体测定和成像上。因激光照射而感应出荧光这种特性，可以用来诊断组织的状 态或病变部位。 1 2 激光对皮肤病的治疗及本课题的提出 1 2 1 激光对皮肤病的治疗 长期以来人们希望面部皮肤上皱纹、伤疤、疣、痣等缺陷得到真实的消除， 增进面部形态美，传统的疗法是多种多样的。有的收效不明显，有的恶化。自2 0 世纪8 0 年代美国和澳大利亚等国先后用激光美容。针对皱纹成因是皮肤表层胶原 5 第一章绪论 质变长或断裂导致皮肤皱褶失去弹性，一般是用脉冲式高能量激光照射，可以消 除产生缺陷的极薄的外层皮肤，以及使表层胶原质的长度缩短1 3 恢复皮肤弹性， 修复伤痕，并使胶原质碎片加热熔融在一起，形成新的胶原质，重新塑造皮肤外 表层。目前国内一些医疗单位都使用皮肤科激光设备，开展治疗太田痣、鲜红斑 痣、血管瘤、胎记、雀斑，祛皱纹、祛除纹身、纹眉、纹眼线、多毛症等，能做 到安全可靠，敏捷美容，无后遗症。 生物组织吸收激光能量后表现为各种激光生物学效应，包括热效应、光化学 效应、压强效应、电磁场效应、生物刺激效应等。激光治疗中对皮肤起主要作用 的是热效应和压强效应。热效应的机理分为吸收生热和碰撞生热，热效应对皮肤 的作用表现为：热致凝固、热致气化、热致炭化、热致燃烧等。激光照射产生的 压强效应有两种：一种是激光本身的辐射压力所形成的压强；另一种是激光作用 于生物组织以后形成的气流反冲击、内部气压和热膨胀造成的压强。激光脉冲治 疗色素类疾病，就是压强效应直接作用的结果，首先由于强激光的热效应引起的 组织气化，气化后形成的压强效应将大的色素团块击碎，然后被击碎的色素颗粒 被吞噬细胞吞噬【8 1 f 9 】，达到去除色素的目的。 1 2 2 用于治疗皮肤病变的长脉冲激光器 激光治疗皮肤病变基本上都是应用“选择性光热解作用”把激光能量传送到 病变组织，使病变组织遭受不可逆的破坏，从而达到治疗的目的。目前，治疗皮 肤病变的激光器有多种1 0 i 1 1 1 】【1 2 1 ，下面介绍最流行的几种： 1 、脉冲染料激光器：闪光灯泵浦的脉冲染料激光器( p d l ) 是基于选择性光热 吸收作用开发的第一种激光器。最初p d l 的波长为5 7 7 n m ，脉宽3 6 0 u s 。后来为 了取得更深的穿透性开发了波长5 8 5 n m ，脉宽4 5 0 , u s 的p d l 。这种激光器能有效 治疗直径o 1 m m 或更小的、位于皮肤表面深度不超过l m m 的血管。缺点是p d l 会使血管破裂，用它治疗后会立即出现紫癫。由于原理和实际的限制，限制了其 应用范围。 2 、红宝石激光器：红宝石激光器被广泛用于治疗皮肤病变，波长为6 9 4 n m ， 这个波长能被黑色素很好的吸收，对病变组织造成不可逆损失，从而达到破坏病 变组织的目的，它主要用于治疗色素性病变、血管类病变和祛毛等。不足之处在 6 第一章绪论 于皮肤组织中的黑色素细胞也吸收激光，对深色皮肤患者的皮肤损伤较严重，影 响治疗效果。 3 、半导体激光器和紫翠宝石激光器：高功率的半导体激光器和紫翠宝石激 光器最近被应用于皮肤血管性疾病的治疗，波长为8 0 0 n m 和7 5 5 n m 。这两个波 长具有一定的穿透性，黑色素吸收较少。因此对深肤色的患者比较安全。它能破 坏大的色素结构，如毛囊和稍大直径的腿部静脉。 4 、长脉冲倍频n d ：y a g 激光器：波长为5 3 2 n m 的激光能被血红蛋白很好吸 收，而较长的脉冲宽度与成年人的鲜红斑痣和毛细血管扩张的热弛豫时间接近。 这类激光器对脸部毛细血管扩张和成年人的鲜红斑痣最有效，它们也经常用于腿 部较小的静脉曲张的治疗。 5 、长脉冲n d ：y a g 激光器：输出1 0 6 4 n m 的红外激光，具有深穿透性和低 黑色素吸收率。它不会被黑色素大量吸收，能够有效的保护皮肤，尤其是深色皮 肤，这些优点使它可以治疗直径在2 - 3 m m 的血管。现在1 0 6 4 n m 己被一些医学 界人士认为是治疗腿部静脉血管的最好的、最有效的波长，因为这个波长的光具 有最深的穿透深度( 见图1 5 ) 。 1 2 3 治疗皮肤病变激光器发展概况及本课题的提出 在激光问世不久的1 9 6 3 年，g o l d m a n l 和t o m b e r yv t ，l i t w i nm s 就开始 报道激光对皮肤的作用。1 9 6 5 年c 0 2 激光问世，迅速被用于医学实验研究，上 世纪7 0 年代就较多的应用于皮肤病变的治疗。1 9 6 4 年出现的n d ：y a g 和氩离子 激光，由于能通过光纤而操作灵活也获得推广应用。近些年来涌现出各种激光器， 如红宝石激光器、紫翠宝石激光器、半导体激光器和n d ：y a g 激光器等，在治疗 皮肤病变方面均有着令人鼓舞的应用前景 6 1 。1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光对人体皮 肤具有深穿透性，被广泛的应用于治疗血管类疾病与激光祛毛等皮肤深层组织病 变的研究，而且它还具有较低黑色素吸收率，对人体正常皮肤伤害比较小。 e d w a r dv i c t o rr o s s 和y a c o vd o m a n k e v i t z 等经过研究证明长脉冲n d ：y a g 激光比倍频n d ：y a g 激光更适合于较深、较粗血管类病变的治疗【1 3 】。同一种激 光，光束直径越大，穿透皮肤就越深。对于不同的皮肤类型，脉宽3 1 0 0 m s 的 长脉冲n d ：y a g 激光对直径0 2 3 m m 的腿部静脉血管扩张的治疗安全、有效。 第一章绪论 对于2 5 m m 粗的血管需要的能量密度为6 0 2 0 0 j c m 2 和6 1 2 m m 的光斑直径 才能取得有效的治疗。临床上还发现较长的脉冲更有效，2 0 6 0 m s 的脉冲比3 m s 的脉冲有效，并且副效应少【l ”。3 m s 的激光对血管的收缩作用小甚至不存在，而 且高能量的短脉冲容易导致血管破裂而生成紫癜。而较长的脉冲能够容易的到达 血管并加热血管周围的细胞使血管收缩。在不同的脉宽下，病变组织的温度相差 并不大，因此e d w a r dv i c t o rr o s s 和y a c o vd o m a n k e v i t z 等认为最佳的照射时间 应该为血管胶原组织加热自然收缩的时间，2 0 6 0 m s 正好在这个范围内。 对于深色皮肤多毛症患者，尤其是中国患者来说，波长为8 0 8 n m 半导体激 光器和波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光器都能从安全性和长久疗效方面符合要 求。2 0 0 1 年，h e n r yh c h a r t ，s h u n y u e ny i n g 和w a i s u nh o 医生在对1 5 位年 龄不同的中国女性多毛症患者分别采用波长为8 0 8 n m 半导体激光和波长为 1 0 6 4 r i m 的n d ：y a g 激光进行治疗，经过3 6 周临床观察后得出以下结论：除了在 治疗过程中存在瞬间疼痛外，两者对于中国患者祛毛治疗都是十分安全而又有效 的，单次治疗( 中间不再进行治疗) 之后6 周内效果十分明显，而且没有发生毛 发再生现象【1 习；虽然3 6 周后大部分患者出现毛发再生现象，但是只要进行疗程 式的多次治疗，能够取得满意效果。在1 9 9 9 年，b e n i e i lp l ，l u c i a ，g a l i m b e r t i m ，f e r r a n t ig 等人对2 0 8 位多毛症患者进行临床治疗得出以下结论：在经过大 约6 个治疗周期后，波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 长脉冲激光能够达到永久彻底祛 毛的效果；而且在没有有效的冷却装置下，即使是黑皮肤患者，其副作用也没有 其它激光器那么明显 t 6 1 。 从物理学方面考虑，短波长的激光易被黑色素吸收，但不能穿透皮肤很深， 另外，表皮中的黑色素扮演着短波长光的屏障的角色，吸收了光束中的能量，引 起更多的红斑和水疱。在实际应用中，短波长的激光对深色病变，浅色皮肤的患 者最有效，而长波长穿透深，不被表皮的黑色素强烈吸收，较少引起皮肤反应， 但必须用高能量密度传送有效能量去破坏病变组织，不同皮肤的人治疗色素性病 变应该选用不同波长的激光，对于亚洲的黄种人而言，较长的激光波长比较适合， 长脉冲n d ：y a g 激光占有明显的优势。因此我们选用长脉冲激光器作为研究对 象，根据目前国内外激光治疗色素性病变的参数，设计长脉冲n d ：y a g 激光器并 进行实验研究。 8 第一章绪论 1 3 本文所做的工作 1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光对人体皮肤具有深穿透性，被广泛的应用于治疗皮 肤深层组织病变的研究，而且它还具有较低黑色素吸收率，对人体正常皮肤伤害 比较小。根据目前国内外激光治疗病变组织的参数，本文重点做了如下工作： l 、阐述了激光对生物组织的作用机理，对激光治疗病变组织的国内外研究 的现状进行了系统的归纳与总结，并介绍了长脉冲n d ：y a g 激光在医学 方面应用的优势。 2 、针对间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器的特点，采用触摸屏设计了医用长脉 冲n d ：y a g 激光器的控制系统。触摸屏可设置激光治疗机的参数，控制 i g b t 斩波器来实现激光泵浦，使输出激光的脉冲宽度在1 5 9 m s 范围 内可调，输出能量在2 6 0 j 范围内可调。 3 、设计了一种推挽式电光调q 高压电源，该高压电源输出电压范围为 2 5 0 0 5 0 0 0 v 连续可调，输出电流为2 m a 。可用作高重复率电光q 开关 激光器的调q 电源，并获得了重复率为2 0 k h z 的n d ：y a g 激光脉冲输出。 4 、研制了触摸屏控制间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器，并完成了不同参数 下的长脉冲激光实验研究。 9 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 2 1 间歇式长脉冲激光技术 间歇式长脉冲和传统连续式长脉冲示意图如图2 1 所示：( a ) 为间歇式长脉冲 ( p e r i o d i cl o n g - p u l s e ) ，( b ) 为连续式长脉冲( c o n s t a n t a m p l i t u d el o n g - p u l s e ) 。 间歇式长脉冲由一系列子脉冲( s u b - p u l s e ) 组成，它不同于普通的长脉冲， 也不同于普通的短脉冲，它的每一个脉冲的能量比较小，约几百毫焦，而总的能 量比较大，可以达到几十焦耳。相对于短脉冲激光就显得很柔和，相对于普通长 脉冲激光，它又具有一定的冲击效应，在相同的总能量下，间歇式长脉冲要比单 纯的长脉冲有更高的瞬态功率，既具有瞬时的高功率注入治疗，又可以避免灼伤， 因此比较适合于某些皮肤病变的治疗。 图中0 为子脉冲的脉冲宽度，在间歇式长脉冲激光治疗皮肤病变过程中，要 求激光的照射时间最小应大于1 m s 【1 7 1 ，因此我们设计激光器的子脉冲脉宽在 1 0 2 o m s 内可调。t 2 为相邻两个子脉冲之间的时间间隔，当t 2 选取为l m s 时， 病变组织被间歇式长脉冲激光照射后所能达到的最高温度，与被相同能量和脉宽 的连续式长脉冲激光照射后所能达到的最高温度相差不多，所以不会影响治疗效 果，而皮肤在整个问歇式长脉冲治疗过程中温度上升“变缓”，从而可以有效防 止皮肤“过热”而造成的“热灼伤”现象。因此我们把t 2 固定为1 m s t l 8 1 。 图2 - 1间歇式长脉冲和连续式长脉冲比较示意图 1 0 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 采用强脉冲光( i p l ) 的治疗皮肤病变，一次治疗采用2 3 个脉冲，每个 脉冲3 1 0 m s ，脉冲延迟l 2 0 m s ，这种脉冲对治疗毛细血管扩张、雀斑和多毛 症等病变安全有效，可以根据皮肤类型的不同来调节脉冲的宽度与脉冲之间的延 迟时间，如深色皮肤必须降低能量、加长脉宽、延长延迟时间，这样可以防止皮 肤的热灼伤1 9 1 1 2 0 1 1 2 1 1 】。 因此我们在设计间歇式长脉冲激光器时，将一个长脉冲内的子脉冲分成l 5 组可调，每一组子脉冲l 2 0 个可调，组间隔1 2 0 m s 可调，如图2 2 所示。 p 图2 2 间歇式长脉冲示意图 间歇式长脉冲技术的核心器件是i g b t ，它工作是否稳定将直接决定整个激 光器能否正常工作。i g b t 属于开关式工作元件，其安全工作区s o a ( s a f e o p e r a t i n ga r e a ) 会随其连续开通时间延长而缩小吲。 因此，当激光器采用传统的连续式长脉冲工作方式时，i g b t 的持续开通时 间会随着脉宽延长而延长，s o a 也就会随之缩小，所以i g b t 就有被烧坏的危险。 这就严重限制了长脉冲脉宽的增加。间歇式长脉冲斩波技术则完全可以克服传统 的连续式长脉冲工作方式给i g b t 带来的危险，它可以通过增加子脉冲个数来增 加长脉冲激光脉冲宽度，同时却不会延长i g b t 的持续开通时间。所以在相同脉 宽条件下，间歇工作方式下i g b t 的s o a 明显比连续工作方式下的s o a 大，这 样就保证i g b t 能够更加稳定地工作，长脉冲脉宽增加到上百毫秒时也不会对 i g b t 安全工作构成危险。 2 2 液晶显示与触摸屏控制间歇式长脉冲激光器的优越性 2 2 1 医用间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器的控制系统 医用长脉冲n d ：y a g 激光器的控制系统需要完成控制脉冲氤灯的触发预燃、 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 储能电容的充电、i g b t 斩波放电等工作。按键式控制和数码管( l e d ) 显示方 式的控制面板显示的信息量少，不能满足间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器的需要， 因此我们采用液晶显示和触摸屏作为长脉冲激光器的控制与显示界面，其结构图 如2 3 所示。 图2 3 间歇式长脉冲激光器液晶显示与触摸屏控制系统示意图 2 2 2 液晶显示与触摸屏控制系统的优越性 按键式控制和数码管( l e d ) 显示方式的控制面板显示的信息量少，并且 当控制面板的功能、外观等要做改动时，硬件的二次开发周期长、成本高，不利 于激光治疗机系统的进一步升级与新功能的增加。 液晶显示与触摸屏控制系统中，操作页面使用彩色液晶屏显示，使用触摸 屏方式输入，人机交互性好。页面显示的内容可以根据需要任意切换，提示内容 丰富，输入时直接用手指在屏幕上点击要选择的功能，输入方式自然1 2 4 1 。当需 要对液晶显示与触摸屏微机控制系统进行新功能扩展时，只需软件方面的改动就 可以实现屏幕显示内容的更新。由于控制系统通过触摸屏方式输入，输入接口数 i f l 没有限制，因此便于控制系统扩展新功能，大量节约二次开发的时间和费用。 液晶显示与触摸屏微机控制系统便于扩展和更新的特点，使我们可以较容易的改 变激光器的运行参数、运行方式和电气设备控制功能等，为新的多功能医用长脉 冲n d ：y a g 激光器的开发提供了必要准备。 由于医用长脉冲n d ：y a g 激光器中的i g b t 开关电源平均功率近2 k w ，开 关频率1 0 k h z ，在工作过程中会产生很高的电流变化率d i d t 和电压变化率 d y 西并引起强大的电磁辐射，严重污染交流电网和周围电磁环境。同时，控制 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 系统中的数字电路部分，由于其低电压( + 5 v ) 、高频工作( 工作频率在1 2 m h z 左右) 以及高密度组装等特点，很容易受到来自电网、接地线、空间耦合和辐射 等途径的电磁干扰。数码管显示和按键式控制系统中存在的电磁干扰问题也一直 是困扰我们的一个难题，而在液晶显示与触摸屏微机控制系统的开发过程中，可 以通过研究n d ：y a g 激光器电磁干扰现象的内在规律，并采取有效技术措施提高 控制系统的抗电磁干扰能力，增强激光器的电磁兼容性。 2 3 液晶显示与触摸屏控制系统的电路设计 2 3 1 触摸屏控制电路的硬件结构 图2 - 4 触摸屏控制系统硬件结构图 微机控制系统的硬件结构如图2 4 所示。其中，为处理器采用了美国a t m e l 公司生产的单片机a t 8 9 c 5 2 ，触摸屏部件采用了四线电阻式触摸屏。微处理器 采用并行方式向液晶屏传输显示数据，并用串行方式接收触摸屏发出的检测得到 的坐标数据，采用外部中断方式控制n d ：y a g 激光器进行激光脉冲输出。 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 在治疗皮肤病变时，根据病人的具体病情，通过触摸屏调节激光脉冲宽度， 设置工作电压，选择激光脉冲的输出频率等参数。参数设定结束，通过触摸屏控 制激光器触发预燃、充电，充电结束后，处于等待状态，一旦接到发射激光信号 后，微处理器便发出指令控制激光的输出【2 5 1 。 2 3 2 单片机a t 8 9 c 5 2 的技术特性及系统编址方式 电路的微处理器采用单片机a t 8 9 c 5 2 ， n p 10 a t 8 9 c 5 2 是美国a n 伍l 公司生产的低电压，( r z 。, - ) p t 1 p 1 2 高性能c m o s8 位单片机，片内含8 k 字节的p 1 3 p i4 可反复擦写的只读程序存储器( p e r o m ) 和 譬 2 5 6 字节的随即存取数据存储器( r a m ) ，该拳 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存怒： l = i ；i i 面阳2 储技术生产，与标准m c s - - 5 1 指令系统及而一， ”4 8 0 5 2 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处( t d m 5 1 3 6 理器( c p u ) 和f l a s h 存储单元，功能强大， m x l a l 2 适合用于许多较为复杂控制的场合。如图2 5 ”：= 所示为a r 8 9 c 5 2 的管脚分布图。 p 0 0 ( a b e ) p o l ( a d d f 0 2 ( d 2 l 肿3 ( d 3 ， p 0 4 ( a d 4 ) p 0 5 ( a d 5 ) p 0 6 ( a d e p 0 7 ( 蛳 a l 甘用5 6 吝 p 2 7 ( l ，) p 2 6 ( a t 舢 p 25 ( a 1 3 ) p 2 4 协1 2 ) p 23 ( a t l ) p 2 2 ( a t m 1 ：2 i f 2 0 ( 8 ) 图2 - 5a t 8 9 c 5 2 管脚图 v-，l：s-l舢t 0 0 0 h ) i p 2 4 p 2 5 一叭转都0 0 0 n ) j a t 8 9 c 5 2 r 7 4 l s l 3 8 p 2 6 v5，l状态l制( 5 。0 0 h ) i r y 2 - _ 一液晶屏( 7 。0 0 h ) l 图2 - 6 控制系统的编址方式 我们采用p o 口作为数据线与外部数据存储器2 8 1 7 a 传输数据，2 8 1 7 a 为2 k 的数据存储器，需要用到1 1 条地址线，我们用p 0 口的8 个脚和p 2 口的三个脚 作为地址线来确定读取和存储到2 8 1 7 a 数据的地址。2 8 1 7 a ，d a 转换，触摸屏 1 4 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 和状态控制统一编址，用p 2 口的3 个脚接地址选择器7 4 l s l 3 8 来控制地址的选 取，其结构图如图2 - 6 所示。 2 3 3 液晶显示与触摸屏部件及其接口电路 在设计的液晶显示与触摸屏控制系统中，采用了河南友利华公司制造生产 的y d 6 1 1 型彩色液晶显示器与触摸屏部件，该彩色液晶显示器内置一级汉字库， 采用标准指令集，可同时显示各种字体的彩色中西文、直方图、自由曲线等，通 过并行口接收来自微机的控制指令和数据。触摸屏附件为四线电阻式触摸屏，分 辨率为1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，通过r s 2 3 2 c 接口向微机发送触摸屏坐标数据。 如图2 - 7 所示，电阻式触摸屏的主 导电层导电层 要部分是一块与显示器表面配合的多层 复合薄膜，其中有两层透明导电层( 1 1 d ) ， 两层导电层之间由许多透明隔离点把它 们隔开绝缘。当手指或其他物体触摸屏 幕时，所触摸的位置( 以坐标形式) 通 过触摸屏控制器检测，并由接口电路传 送到c p u 进行运算处理，从而确定输入 的信息。外层i t o 作为导电体，内层i t o 透明隔离点 图2 7 电阻式触摸屏的工作原理 经过精密的网络附上横竖( x ，y ) 两个方向的+ 5 v 至0 v 的直流电平。当触摸 屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触点，因其中一 面导电层接通y 轴方向的+ 5 v 至0 v 的直流电平，使得捕获层的电压引起变化， 这种变化状态被控制器检测到后，进行a d 转换，并将得到的电压值与5 v 相比 即可得到触摸点的y 轴坐标信号值，同理得出x 轴坐标信号值。c p u 根据相关 的软件进行处理，就能确定触摸点的坐标( x ，y ) 。 触摸点的坐标通过串口r s 2 3 2 c 的3 脚( 1 x d ) 经m c l 4 8 9 电平转换后输 入单片机8 9 c 5 2 的串口通讯的接收数据口1 0 脚( 砌( d ) ，微处理器根据坐标来 判断坐标所处的范围，来控制激光器的运行。 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 2 3 4i g b t 斩波器控制电路 医用长脉冲n d ：y a g 激光器采用i g b t 实现灵活可调的间歇式长脉冲激光 的泵浦。i g b t 的控制主要包括以下两方面：一方面是能够产生一组方便可调的 驱动信号( 频率及脉宽都能方便可调) ；另一方面则是必须具备及时处理过流等 异常情况、有效保护i g b t 的功能。 如何控制好1 g b t ，关键是控制好其驱动电路。虽然目前市场上有现成的模 块( 如2 s d l 0 6 a 系列) ，不过价格相当昂贵，而且适用性不强；自制的驱动电路 不仅便宜，而且对专用电路适应性好。我们采用h c p l 3 1 6 j 作为i g b t 的控制芯片， 相e l e x b 8 4 1 和m 5 7 9 6 2 l 等驱动模块 2 6 1 ，h c p l 3 1 6 j 在过流保护方面的优势在于： 首先，内部集成了一个过流信号输出光耦以及错误信号反馈电路，从而大大简化 了电路；其次，内部集成了一个r s 触发器，具有过流信号锁定的作用；最后 h c p l 3 1 6 j 的输入控制信号为标准的c m o s 电平信号( 高电平为4 5 v 5 5 v ，低 电平为0 5 o 8 v ) ，可以和微处理器控制端直接相连。 a t 8 9 c 5 2 主控板 一一一v e t ( + 5 v ) 一一 驱动信号 一过流反馈信号。 一一复位信号 一一 g n d 一一 图2 8i g b t 间歇式长脉冲控制模块电路结构示意图 由于h c p l 3 1 6 j 芯片需要复位等信号，所以控制h c p l 3 1 6 j 驱动的i g b t 需要 有驱动信号、过流反馈信号、复位信号，如图2 8 所示。 ( 1 ) 驱动信号输出：可以选择单片机任一未占用的i o 口( 本例为p 1 o 口) ， 由于a t 8 9 c 5 2 输出信号“l ”为5 v 的c m o s 电平，所以与驱动h c p l 3 1 6 j 接口 电平兼容；而对于驱动e x b 8 4 1 、m 5 7 9 6 2 l 来说，必须根据驱动电流的要求串联 合适的限流电阻；另外，e x b 8 4 1 、m 5 7 9 6 2 l 的驱动电流一般需要1 0 1 5 m a ( 保 证其内部输入端光耦正常开通) ，而a t 8 9 c 5 2 的i o 口单个管脚拉灌电流最大为 1 0 m a l 3 9 l ，所以在与驱动e x b 8 4 1 、m 5 7 9 6 2 l 相连时，加一个缓冲器7 4 l s 3 8 可 以提高其驱动电流，以满足要求。但是，对于h c p l 3 1 6 j 而言，其输入端内部己 1 6 第二章间歇式长脉冲激光器触摸屏控制系统的研究 经集成缓冲器，所以直接和a t 8 9 c 5 2 的i o 口相连即可。 ( 2 ) 复位信号输出：驱动h c p l 3 1 6 j 比e x b 8 4 1 、m 5 7 9 6 2 l 多了一个过流 信号处理后的复位端，所以单片机从一未占用的i o 口( 本例为p 1 1 口) 给驱 动h c p l 3 1 6 j 的复位端一个负脉冲c m o s 信号就能使其恢复工作。 ( 3 ) 过流信号输入及处理：过流信号为一个负脉冲信号( 正常时为“1 ”) ， 直接和单片机的p 1 2 口相连；当有过流信号( 低电平) 来临时，单片机就会跳 入过流保护子程序，i g b t 进入“软关断”，值得注意的是，“软关断”过程中驱 动信号不能马上关断，必须经过一段延时( 本文采用1 0 m s ) 。 2 3 5 充电控制电路的设计 在医用长脉冲n d ：y a g 激光治疗器的工作过程中，操作者在液晶显