（物理电子学专业论文）间歇式长脉冲NdYAG医用激光器的研究.pdf

中文摘要 临床实验表明，长脉冲n d ：y a g 激光在治疗皮肤血管类疾病和激光美容方面 十分有效。例如，1 m s 1 0 m s 的5 3 2 n m 倍频光对血管类疾病疗效很好“3 ；3 0 m s 4 0 m s 的5 3 2 n m 倍频光适合用于治疗痤疮”3 ；对深肤色多毛症患者，尤其对于中 国患者而言，1 m s l o o m s 范围内的长脉冲1 0 6 4 m n 激光能达到安全、永久祛毛 的目的吲。本文以长脉冲激光祛毛为例，针对传统连续式长脉冲n d ：y a g 医用激 光器存在的问题，研究并开发了间歇式长脉冲斩波技术，使长脉冲激光的脉宽可 在l m s 9 9 m s 范围内连续调节。围绕这一课题，本文研究的重点如下： 1 阐述了激光祛毛的机理，深入了解了当今国内外激光祛毛成果；并针对中国 患者，选用了长脉冲n d ：y a g 激光器作为本课题研究对象。 2 针对传统连续式长脉冲n d ：y a g 激光器工作中存在的问题，提出了间歇式长 脉冲斩波技术，从理论上分析了激光高效率输出的优越性；根据目前国内外激光 祛毛的研究成果，我们研制了由占空比为1 ：1 和频率为5 0 0 h z 的子脉冲组成的间 歇式长脉冲的新方案。 3 设计了一套间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器电源系统：重点对其斩波电路 进行研究，设计了一套新型的h c p l 3 1 6 j 驱动电路，完善了对i g b t 的驱动和过流 状态“软关断”保护功能。 4 完成了阳j 歇式长脉冲激光实验，实验验证了本课题设计方案的优越性。采用 双灯串联泵浦长脉冲激光脉宽最长可达9 9 m s ，能量最大能到5 0 j ，达到了设计要 求。 5 设计了一套i g b t 间歇式长脉冲单片机控制电路，可以在l m s 9 9 m s 内灵活调 节脉宽，并具有及时处理过流等异常状态的功能；设计并制作了一套激光器专用 水温控制系统，满足了本激光治疗机的需要。 关键词：激光祛毛连续式长脉冲间歇式长脉冲热灼伤i g b t 斩波 h c p l 3 1 6 j 驱动软关断单片机控制温度控制 a b s t r a c t c l i n i c a lr e s e a r c h e si n d i c a t et h a tn d ：y a g1 0 6 4 n ml o n g p u l s el a s e ri se f f e c t i v e t ot r e a ts k i n & v a s c u l a rd i s e a s ea n df o rc o s m e t i cd e r m a t o l o g y f o re x a m p l e 1 m s 一1 0 m sn d ：y a g5 3 2 n ml o n g p u l s ei ss u i t a b l ef o rv a c u l a rd i s e a s et r e a t m e n t 1 】； 3 0 m s - 4 0 m sn d ：y a g5 3 2 n ml o n g p u l s ei se f f e c t i v et ot r e a tt h ea c h ed i s e a s e ；a n d l m s l o o m sn d ：y a g1 0 6 4 n ml o n g - p u l s ei ss a f ea n de f f i c i e n tf o rp e r m a n e n th a i r r e m o v a lf o rd a r k s k i n n e dp a t i e n t s ，e s p e c i a l l yf o rc h i n e s ep a t i e n t s w es e l e c tt h eh a i r r e m o v a la st h i sp a p e r st o p i c i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m so ft h et r a d i t i o n a l c o n s t a n ta m p l i t u d el o n g p u l s ec h o p p e rt e c h n o l o g yi nn d ：y a gl a s e r , w eu s e dt h e p e r i o d i cl o n g ，p u l s ec h o p p e rt e c h n o l o g ya n da c h i e v e dt h i sl o n g - p u l s ew h i c hd u r a t i o n c a nb ea d j u s t e df r o m1 m st o9 9 m sf r e e l y s o m ei m p o r t a n tr e s e a r c hr e s u l t sw e r e a c h i e v e di nt h i st h e s i sa sf o l l o w i n g s ： 1 t h ef o u n d a t i o no fl a s e r - a s s i s t e dh a i rr e m o v a la n dt h ea c c o m p l i s h m e n t so fi t s r e s e a r c hi nr e c e n ty e a r sw e r ee x p a t i a t e di nt h ef i r s tc h a p t e za n dw es e l e c tt h e l o n g - p u l s en d ：y a g10 6 4 n ml a s e ra so u rr e s e a r c ho b j e c t 2 i no r d e rt os o l v et h e d i s a d v a n t a g e s o ft h et r a d i t i o n a lc o n s t a n t a m p l i t u d e l o n g - p u l s ec h o p p e rt e c h n o l o g yi nn d ：y a gl a s e r , f i r s t l yw ei n t r o d u c et h ep e r i o d i c l o n g - p u l s ec h o p p e rt e c h n o l o g y b a s i n go nt h ea c c o m p l i s h m e n t so fl a s e r a s s i s t e d h a i rr e m o v a li nr e c e n ty e a r s ，w ed e f i n et h ep a r a m e t e r so f t h es u b - p u l s eo f p e r i o d i c l o n g - p u l s eb a s i n go nt h em e d i c a lt h e o r y ：d u t yc y c l ei s5 0 ，f r e q u e n c yi s5 0 0 h z 3 w ed e s i g nap e r i o d i cl o n g - p u l s en d ：y a gl a s e r , e s p e c i a l l yt h ec h o p p e rc i r c u i t ， a n dw em a i n l yd e s i g nt h en e wi g b td r i v e rw i t hh c p l 316 j ，b e r e rt h ed r i v e a b i l i t ya n dp r o t e c tt h ei g b tw i t h “s o f tt u r n o f f p r o c e s sw h e nt h ei g b ti si nt h e s h o r tc i r c u i ts t a t e 4 w ea c c o m p l i s ht h ep e r i o d i cl o n g p u l s ee x p e r i m e n t s ，a n dc o n f i r mt h ea d v a n t a g e s o fp e r i o d i cl o n g p u l s ec h o p p e rt e c h n o l o g y t h em a x i m u m l o n g p u l s ed u r a t i o nw e a c h i e v e di s9 9 m sa n dt h em a x i m u me n e r g yc a nb eu pt o5 0 jw h e nt h el a s e rw a s p u m p e db yt w ox e l a m p s s oo u re x p e r i m e n t i ss u c c e s s f u l 5 w ed e s i g na n1 g b tc o n t r o lc i r c u i tw i t ham i c r o c o n t r o l l e r , w h i c hc a no u t p u t 1 - 9 9 m sp e r i o d i cl o n g p u l s es i g n a la d j u s t a b l ya n dd e a lw i t ht h ef a u l tc o n d i t i o n a n dw ea l s od e s i g naw a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，w h i c hi ss u i t a b l ef o ro u r l a s e r k e yw o r d s ：l a s e r - a s s i s t e dh a i r l o n g - p u l s e ，i g b tc h o p p e r ，h c p l 3 1 6 j t e m p e r a t u r ec o n t r o l r e m o v a l ，c o n s t a n tl o n g - p u l s e ，p e r i o d i c d r i v e r , s o f tt u r n - o f f , m i c r o - c o n t r o l l e r , 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，也不包含为获得苤鲞盘鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲糊签字嗍埘年月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞态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：多锡穆 签字日期：w 护r 年月少日 导师签名：o 占饬 签字日期：，厂年f 月，口日 天津大学硕士学位论文 第章绪论 第一章绪论 激光，这一2 0 世纪重大科技成果的问世，以其亮度高、方向性好、单色性 好、相干性好等优越的光学特性，在应用光学领域引起了革命性的变革，并且很 快在军事、工业、通讯、家庭等多个领域中得到了应用，而医学是应用激光技术 最早、最广泛和最活跃的一门学科。1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器研制成 功，次年红宝石激光视网膜凝固机在眼科手术治疗中获得首次应用【3 l 。 1 9 8 1 年，世界卫生组织宣布激光医学是医学的正式学科之一。2 0 年来激光 技术的发展解决了医学中的许多难题：激光简化了眼底病的治疗方法，激光角膜 成型术成为视力矫正的最佳方法，激光光纤内窥镜使病人免除了开刀的痛苦：激 光革新了传统的显微技术；激光微束已经成为细胞融合、转基因、染色体的操作 工具，激光促进了分析细胞学的发展；用激光分选技术建立了世界上第一个染色 体库。如今，激光已经在以下方面得到了广泛的应用：激光医学美容，低功率激 光照射治疗，激光手术治疗，激光理疗术和激光动力学治疗术。毫无疑问，随着 医学和生物学的发展，医用激光的应用领域也将大大扩大1 4 j 。 一直以来，多余的毛发严重影响着人们日常生活质量，并会造成长期的心理 障碍，尤其是对年轻女性的影响更为严重。多年来，人们采取激素疗法( 抑制雄 性荷尔蒙) ，物理疗法( 刮除法，拔除法，敷蜡法，化学脱毛剂法) ，化妆法，电 针疗法等各种方式祛除多余毛发，不过每一种方法都存在自身的缺点，而且都不 适合永久祛毛，而采用激光祛毛却收到了意想不到的效果。随着激光技术的发展 和临床试验的不断深入，激光已经成为永久祛毛的最佳选择【5 j 。 1 1激光祛毛机理 1 1 1 激光对病变组织的效应 激光在医疗中所起的作用是一个非常复杂的物理、化学及生物过程。由于波 长、能量和作用方式不同，激光对病变组织主要可以产生以下四种效应： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 激光，这一2 0 世纪重大科技成果的问世，咀其亮度高、方向性好、单色性 好、相干性好等优越的光学特性，在应用光学领域引起了革命性的变革，并且很 快在军事、1 = 业、通讯、家庭等多个领域中得到了应用，而医学是应用激光技术 最早、最广泛和最活跃的一fj 学科。1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器研制成 功，次年红宝石激光视网膜凝固机在眼科手术治疗中获得首次应用口j 。 1 9 8 1 年，世界卫生组织宣布激光医学是医学的正式学科之一。2 0 年来激光 技术的芨展解决了医学中的许多难题；激光简化了眼底病的治疗方法，激光角膜 成型术成为视力矫正的最佳方法，激光光纤内窥镜使病人免除了开刀的痛苦：激 光革新了传统的显微技术：激光微柬已经成为细胞融合、转基冈、染色体的操作 工具，激光促进了分析细胞学的发展；用激光分选技术建立了世界上第一个染色 体库。如今，激光已经在以下方面得到了广泛的应用：激光医学美容，低功率激 光照射治疗，激光手术治疗，激光理疗术和激光动力学治疗术。毫无疑问，随着 医学和牛物学的发展，医用激光的应用领域也将大大扩大【4 j 。 直以来，多余的毛发严重影响着人们日常生活质量，并会造成长刘的心理 障碍，尤其是对年轻女性的影响更为严重。多年来，人们采取激素疗法( 抑制雄 性荷尔蒙) ，物理疗法( 刮除法，拔除法，敷蜡法，化学脱毛剂法) ，化妆法，电 针疗法等各种方式祛除多余毛发，不过每一种方法都存在自身的缺点，而且都不 适合永久祛毛，而采用激光祛毛却收到了意想不到的效果。随着激光技术的发展 和临床试验的不断深入，激光已经成为永久祛毛的最佳选择h j 。 1 1 激光祛毛机理 1 1 1 激光对病变组织的效应 激光在医疗中所起的作用是一个非常复杂的物理、化学及生物过程。由于波 长、能量和作用方式不同，激光对病变组织主要可以产生以下四种效应： 长、能量和作用方式不同，激光对病变组织主要可以产生以下四种效应： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 】) 激光的热效应。高能量激光被组织吸收后可以产生高热，不同波长、 能量、作用时问的激光，可以产生不同的热效应，这种热效应瞬间可 达几十o c 到几百o c ，使病变组织凝固、汽化、碳化，这是激光医疗 的主要方面。 ( 2 ) 激光的非热致汽化效应。紫外波段激光的高光子能量，可以打破生物 分子的化学键从而导致组织的汽化，或者短脉冲激光产生的冲击波， 这两种作用主要不是热效应，基本没有热积累和对周围组织的损伤， 适合进行一些精细手术。 ( 3 ) 激光的光化学效应。组织或者组织内所包含的内源性或者外源性光敏 物质，经过适当波长照射后，会产生特定波长的荧光或者细胞毒素， 前者可以作为恶性肿瘤的定位诊断，后者可作为恶性肿瘤的治疗，这 种方法称为光动力学疗法，可以单独使用，也可以与激光汽化、手术、 放疗、化疗等方法配合使用。 ( 4 ) 激光的生物刺激效应。经大量实验及临床研究表明，低强度激光可以 调节机体的多种功能，如：神经传递、免疫、代谢、酶的活性、组织 修复等功能。低强度激光辐射可以改善上述功能。目前临床上常用的 治疗方法主要有激光针灸、激光理疗和激光血管内照射疗法三种【3 l 。 其中，在激光祛毛治疗过程中主要是利用了激光对毛发组织的热效应。 1 1 2 “选择性”光热解理论 治疗皮肤色素类疾病的理论依据是由1 9 8 3 年美国的a n d e r s o n 和p a n f i s h 医 生提出的“选择性光热解”理论【引。该理论的核心内容是：激光能量有选择地被 某些特定的组织成分吸收，通过热作用将这一类特定的组织成分破坏，而人体自 身的免疫系统把被破坏的组织吸收，从而达到治疗的目的。要实现选择性光热解， 激光必须满足3 个重要条件 7 1 = 1 、激光能作用到目标组织并充分地被目标组织吸收，而周围其它组织不吸 收或吸收很少，因此周围其它组织不会产生热或产生很少的热量，而只 在吸收光的部位产生热效应。 2 、脉冲持续时间要小于每一目标结构被动冷却所需时间( 目标组织的热驰 豫时间t i h ( t h e r m a lr e l a x a t i o n t i m e ) ) 。 天津人学硕士学位论文 第一章绪论 3 、激光的能量密度或功率密度能够使目标组织达到足以使其破坏的温度。 当满足上述条件时，高功率的激光脉冲被病变组织选择性吸收，在脉冲作用 时间内热量来不及扩散到周围组织中，病变组织被热解消除的同时，健康组织不 会遭到破坏。为了达到选择性光热作用，必须选用恰当的波长、脉冲宽度以及足 够的能量密度。 1 1 3 激光祛毛治疗中激光脉冲脉宽和能量的问题 在激光祛毛治疗中，对不同患者必须选择不同的参数( 如波长、能量、脉 冲宽度、能量密度、重复频率等) 的激光照射到需要祛除的毛发上，利用1 1 2 节中所述的“选择性光热解作用”，来达到祛毛的目的。 毛发和周围皮肤中都含有黑色素，对于普通患者而言毛发中含有的黑色素比 皮肤中含有的黑色素多得多，这个特性就决定了毛发比皮肤能吸收绝大部分的激 光能量。所以当激光照射毛发时，应保证所用的激光波长和能量能有效”命中” 毛囊中的黑色素，而同时又不伤及邻近正常皮肤组织( 包括表皮层中的黑色素) 。 由于人体表皮的热驰豫时问一般在3 1 0 m s 左右，而毛囊的热驰豫时间一般在 1 0 一l o o m s 左右【8 1 ，所以治疗时所用的激光脉冲宽度应该比表皮的热驰豫时间长， 使热量能够传导出去，而且应比毛囊的热驰豫时间短，这样才能达到治疗效果 1 9 1 0 0 l 。 在激光祛毛治疗当中，毛囊的损伤温度值一般在6 5 7 0 0 c 之间，毛囊能否被 破坏取决于毛囊被激光照射后所能达到的最高温度值能否达到毛囊的损伤温度 值【9 】，所以激光脉冲能量应保证能使毛囊温度达到毛囊的损伤温度值。 以后章节将对本文所述的nd = y a g 长脉冲激光器对不同类型患者在祛毛治 疗中激光脉冲参数做详细阐述。 1 2 目前用于激光祛毛治疗的激光器的概况及本课题的提出 1 2 1 目前用于激光祛毛治疗的激光器对比 目前激光祛毛治疗基本上都是应用“选择性光热解作用”把激光能量传送到 毛囊，使毛囊组织遭受不可逆的破坏，从而达到永久祛毛的目的。市场上的激光 天津大学硕士学位论文第一章绪论 脱毛设备主要有以下几种1 4 1 ： ( 1 )长脉冲红宝石激光器：波长6 9 4 n m ，能被黑色素很好地吸收( 如 图1 - 1 所示) ，但它的应用只限于浅肤色患者。 ( 2 )长脉冲紫翠宝石激光器：波长7 5 5 n m ，这是第一台申请专利保护 的脱毛用激光器，输出激光和红宝石激光很相似，但是它有较深 的穿透性和黑色素吸收率( 如图1 1 所示) 。 ( 3 )半导体激光器：波长8 0 8 n m ，以长波长和长脉宽为主要特征，理 论上有治疗深肤色患者的优势。 ( 4 ) 短脉冲q 开关n d ：y a g 激光器：波长1 0 6 4 n m ，相对低的黑色素 吸收率，其皮肤穿透深度为5 m m 左右，在理论上是脱毛的极佳选 择。不过q 开关n d ：y a g 激光纳秒量级的脉宽比毛囊所需要达到 完全破坏的时间短大约1 0 0 万倍左右，因此脱毛后容易出现毛发 再生现象，所以对于永久祛毛是无效的。 ( 5 ) 长脉冲n d ：y a g 激光器：与q 开关n d ：y a g 激光器产生的几到十 几纳秒脉冲宽度的激光不同，长脉冲n d ：y a g 激光器可以产生几 到上百毫秒脉宽的激光。根据该激光器祛毛的临床报告表明：甚 至连深肤色的患者都很少有任何不良反应，并且长期脱毛效果好。 图卜1 为皮肤组织及其黑色素对光波的吸收曲线。 图1 1 皮肤组织及其黑色素对光波的吸收曲线 天津大学硕士学1 1 i ) = 论文第一章绪论 1 2 2 激光祛毛用激光器发展概况及本课题的提出 1 9 9 5 年，美国食品及药物管理局( f d a ) 就批准了第一台用于激光祛毛的 激光器( 长脉冲紫翠宝石激光器) ，从此激光祛毛日益成为人们关注的课题【l ”。 迄今为止，人们对长脉冲红宝石激光器、长脉冲紫翠宝石激光器和q 开关 1 0 6 4 n m n d ：y a g 激光器在浅肤色患者激光祛毛治疗中的临床疗效以及并发症做 了大量的临床实验，证实了上述三种激光器对浅肤色多毛症患者都是安全的 1 1 2 1 3 】 1 4 】【1 5 1 ，并且g a r i c a 等人经过临床证实长脉冲紫翠宝石激光器对于深色肤色 患者激光祛毛也是安全的【1 6 】。不过到目前为止，对于黄肤色的亚洲患者，尤其是 中国患者而言，激光祛毛的研究还很少。 n a n n i 和a l s t e r 医生分别用o 开关1 0 6 4 n m 波长n d ：y a g 激光器、长脉冲红 宝石激光器和长脉冲紫翠宝石激光器对9 0 0 名患者进行激光祛毛的临床治疗，在 他们的一份关于祛毛疗效和并发症的报告中表明：后两种激光器能更有效地减少 毛发的再生，o 开关1 0 6 4 n m n d ：y a g 激光器( 辅以碳溶液，使碳溶液渗入毛囊 以促进毛囊对激光的吸收) 在治疗时最不易引起并发症；在专门针对深色皮肤患 者的激光祛毛中，三者在治疗中引起的并发症概率分别为2 5 2 ，3 7 8 和 3 7 7 。q 开关1 0 6 4 n m n d ：y a g 激光器在对患者治疗6 周后，毛发再生率很高， 其原因是：q 开关1 0 6 4 n m n d ：y a g 激光器输出的激光脉宽只有几个纳秒，相对 毛囊的热驰豫时间( 1 0 l o o m s ) 而言太短，毛囊在这么短的时间内很难被破坏， 所以q 开关1 0 6 4 n m n d ：y a g 激光器不能满足永久祛毛的要求d o l 。 对于深色皮肤患者，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 n ，f r c p 和s h u n y u e ny i n g 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 n r n 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阳j 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【9 】；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 满意效果一一在1 9 9 9 年，b e n i c i lp l ，l u c ia ，g a l i m b e r t im ，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 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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u ”。 长脉冲1 0 6 4 r i m 波长n d ：y a g 激光器自1 9 9 0 年以来，在欧洲某些国家，就 已经被应用于激光祛毛治疗。虽然波长为8 0 8 r i m 半导体激光器和波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光器在对中国患者激光祛毛而言都是安全而有效的，但是从治疗脉 宽考虑，n d ：y a g 激光器占有明显的优势f 9 j 。 所以本课题选用长脉冲n d ：y a g 激光器作为激光祛毛的研究对象，根据目前 国内外激光祛毛的临床治疗参数( 下文将详述) ，下文主要对祛毛用长脉冲 n d ：y a g 医用激光器进行设计及实验研究。 1 3 祛毛长脉冲n d ：y a g 激光器设计难点及本文所做的工作 在较大功率的n d ：y a g 激光器中，一般采用氙灯作为泵浦光源。一方面， 脉冲氙灯的极限峰值电流f 。主要与灯管内径d 及脉冲持续时间7 1 有关，正比于 t 。1 ”d “2 。实验指出，当脉冲持续时间r 延长时，氙灯的极限峰值电流f 。将变 小，如果此时流过氙灯的泵浦电流大于，氙灯就会爆炸【1 8 1 。 另一方面，由于原先采用可控硅和仿真线放电网络对于氙灯的泵浦波形不 能灵活控制，所以为了得到可以灵活控制的激光脉冲，我们通过控制i g b t ( 绝 缘栅双极型晶体管) 的通断( 即斩波) 来控制泵浦氙灯的发光波形从而得到祛毛 用的长脉冲激光脉冲。相比可控硅可达上千安培的耐电流值，目前市场上i g b t 的耐压值和耐电流值则小得多，虽然最近新出的大功率i g b t 在耐压值和耐电流 值上有了很大的提高，但其价格相当昂贵。所以如何控制好i g b t ，使其在安全 范围内稳定工作就成为了本论文的大难点和重点。 当 g b t 采用传统连续式长脉冲斩波方式工作时，其s o a ( 安全工作区) 随着长脉冲脉宽的延长而缩小【19 】；另一方面氙灯灯内等离子体温度会在1 0 2 0 m s 左右( 仅限本文工作条件下) 上升到一个峰值，流经氙灯的电流也会随之 上升到其峰值电流。此时，i g b t 很容易出现过流现象，因此就会出现i g b t 被 烧坏、氙灯爆炸等严重后果，这就严重制约了长脉冲脉宽的延长，目前国内报道 的激光祛毛用n d ：y a g 长脉冲激光脉宽只有1 1 0 m s 【2 0 l 。我们只有通过降低工 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 作电压、工作电流，在延长激光脉宽的同时才能保证i g b t 仍工作在其s o a 内， 不过这样势必大大降低泵浦功率从而影响激光器的电光转换效率，输出激光脉冲 能量也达不到激光祛毛治疗的要求。 为了克服这个主要难点，使激光治疗脉冲达到祛毛所需的脉冲宽度、能量、 能量密度( 激光能量和治疗光斑直径配合调节) 以及重复频率，并且同时能有效 避免正常皮肤的“热灼伤”现象。本文采取了间歇式长脉冲斩波技术，围绕这个 课题，本文主要做了以下几点工作： 1 阐述了激光祛毛的机理，对国内外激光祛毛成果进行了较为系统的 归纳和总结，并针对中国患者选用了长脉冲n d ：y a g 激光器作为研 究对象。 2 针对传统连续式长脉冲n d ：y a g 激光器工作过程中出现的问题，提 出了间歇式长脉冲斩波技术，从理论上分析了它的优越性；从激光 祛毛治疗角度，对间歇式长脉冲中子脉冲的占空比和频率的参数进 行了选取；对当今国内外激光祛毛治疗中，根据不同类型患者，对 治疗激光脉冲参数做了系统的总结，提出了本课题的设计目标。 3 设计了一套间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器电源；对i g b t 关断 瞬间浪涌电压做了分析，给出了解决办法；重点分析了i g b t 驱动 e x b 8 4 1 的缺点，设计了新型的h c p l 3 1 6 j 驱动电路，并对其驱动 及“过流软关断”工作过程做了详细的阐述。 4 完成了间歇式长脉冲激光实验研究，并对照传统连续式长脉冲，对 其优越性进行了实验验证：采用双灯泵浦间歇式长脉冲激光器进行 实验，对实验结果进行分析和讨论，并提出了下一步的工作。 5 对间歇式长脉冲n d ：y a g 激光器触摸屏控制系统中如何实现对 i g b t 的控制做了一定的研究，分析了原有的5 5 5 加t l 4 9 4 控制电 路的不足之处，设计并制作了单片机单独控制电路，使用效果良好； 设计和制作了一套激光器专用水温控制系统，能满足激光器工作的 要求。 天津大学硕士学位论文第二章间歇式长脉冲和连续式长脉冲 第二章间歇式长脉冲和连续式长脉冲 2 1 短脉冲和传统连续式长脉冲在激光祛毛中的比较 短脉冲激光的脉冲宽度只有几微秒到l m s 左右，这种激光脉冲峰值功率很 高，但是相对而言脉冲能量较小，所以主要应用于治疗色素性疾病；另一方面， 祛除毛发所需的激光能量相对较大，对于普通短脉冲激光而言，其峰值功率将会 很高，所以往往会在祛毛的同时造成毛囊周围正常皮肤组织在短时间内“过热” 而引起“热灼伤”现象。为了降低激光的峰值功率，避免正常皮肤组织的“热灼 伤”，我们把激光的作用时间延长至几毫秒或者上百毫秒，这样不仅可以有效地 增加激光能量，而且增加了激光的照射时间，使之与毛囊、皮肤的热驰豫时间相 匹配，从而达到安全、永久祛毛的目的。由1 1 3 节可知，祛毛用的激光脉冲宽 度应该在1 1 0 0 m s 之问。短脉冲和传统连续式长脉冲对比示意图如图2 - 1 所示。 图2 一l 短脉冲和传统连续式长脉冲对比示意图 天津大学硕士学位论文第二章间歇式艮脉冲和连续式故脉冲 2 2 间歇式长脉冲斩波技术 2 2 1 间歇式长脉冲斩波技术简介 间歇式长脉冲和传统连续式长脉冲示意图如图2 2 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，每个子脉冲的脉冲宽度 一般选取l m s 、2 m s 或者3 m s 。在激光祛毛治疗中，要求激光的照射时间最小应 大于l m s 2 1 i ，所以我们选取子脉冲的脉宽 为l m s 。 为相邻两个子脉冲之间的 时间间隔，其值的选择一般遵循以下两个原则：( 1 ) 在 内，毛囊的温度下降量 很小，在整个长脉冲治疗时间内不影响治疗效果；( 2 ) 在 内，毛囊周围皮肤的 温度下降量相对比较大，在整个长脉冲治疗时间内皮肤的温度上升“变缓”，避 免皮肤的“热灼伤”。 图2 2间歇式长脉冲和连续式长脉冲比较示意图 人体组织受激光照射后，由高温下降到低温的温度下降量r 可以近似由下 式决定2 2 】【2 3 1 ： f a t = t o ( 1 一e7 ) ( 2 1 ) 式中：瓦为人体组织受激光照射后的初始温度；f 为温度下降时间，在间歇 式长脉冲激光治疗中为相邻两个子脉冲的间隔时间 ；f 为人体组织的热驰豫时 间。 我们取r ：= l m s ，对于直径在2 0 0 3 0 0 岬1 之间的毛囊( 人体毛发中大部分 毛囊直径在此范围内) ，它们的热驰豫时间f 在4 0 m s 1 0 0 m s 之间1 0 ，代入上式 天津大学硕士学位论文 第二章间歇式跃脉冲和连续式长脉冲 后，可求得毛囊在l m s 时间内温度下降量a t l 为： 正= ( 1 0 0 2 4 7 ) t o l ( 2 2 ) 在这里，t 。为毛囊吸收子脉冲激光能量后所达到的温度。由此可见，在1 m s 内 毛囊温度下降很少。在激光祛毛治疗当中毛囊的损伤温度值一般在6 5 7 0 。c 之 间，毛囊能否被破坏取决于毛囊被激光照射后所能达到的最高温度值是否达到了 毛囊的损伤温度值f 9 l o 由计算结果可知：当间歇式长脉冲中的相邻两个子脉冲的间隔时间t 2 选取为 l m s 时，毛囊被间歇式长脉冲激光照射后所能达到的最高温度值和被相同能量和 脉宽的连续式长脉冲激光照射后所能达到的最高温度值相差不多，所以不会影响 治疗效果。 而人体表皮的热驰豫时间f 一般在3 1 0 m s 左右【1 0 】，由式( 1 ) 我们可以求 得皮肤在i m s 内温度下降量t 。为： 疋= ( 9 5 2 2 8 3 ) t 0 2 ( 2 - 3 ) 在这里t 。：为皮肤吸收毛囊传来的热量后所达到的温度。由此可知：在相邻 两个子脉冲间隔时间，内，皮肤温度下降比较明显，所以皮肤在整个间歇式长脉 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。 所以我们选取由频率为5 0 0 h z ，占空比为1 ：1 的子脉冲组成的间歇式长脉冲。 2 2 2 间歇式长脉冲斩波技术的优点 2 2 2 1 提高了激光器的电光转换效率 间歇式长脉冲激光和连续式长脉冲激光的泵浦特点示意图如图2 - 2 中( a ) 和( b ) 所示：厶为间歇式长脉冲激光器的泵浦功率，名：为连续式长脉冲激光 器的泵浦功率，己 ：；匕为产生激光所需的阈值泵浦功率；只。和只：分别为 两者超出激光闽值泵浦功率圪的泵浦功率，只 ：；0 长脉冲激光脉冲宽度。 输出激光的功率只。可由下式求得。“： “c 和= 咯，a ， 天津大学硕士学位论文第二章间歇式长脉冲和连续式长脉冲 式中：只为激光器的泵浦功率，只为超出闽值泵浦功率圪的那部分功率； 只要激光器各个参数选定以后，k 为一个常数。 由式( 2 3 ) 可知，当激光的阈值泵浦功率只相同时，激光的输出光强仅 与超出阈值泵浦功率昂的那部分功率只成正比a 因为只 只：，所以间歇式长脉 冲的泵浦速率高，产生激光尖峰脉冲就强，而且激光脉冲包络中所含的尖峰脉冲 数多，输出激光功率也就高。 激光器的电光转换效率r 可由下式求得”“： 专叫嚣，百k ”争伢5 ) 由上式可知，由于间歇式长脉冲激光的泵浦功率匕比连续式长脉冲激光的 泵浦功率o ：高，而且两者的激光阈值泵浦功率圪相同，所以( 1 一手) ( 1 一等) 。 pp 因此，间歇式长脉冲激光器的电光转换效率比较高。 2 2 2 2 能防止毛囊周围皮肤的“热灼伤” 现在，我们假设图2 - 2 中脉宽都为t 。的间歇式长脉冲和连续式长脉冲对输出 激光有贡献的那部分泵浦能量相同，即丢珏只。= t s x 只：。与之相对应，即如图 y 2 - 2 中所示：( a ) 图中的阴影部分面积为间歇式长脉冲对输出激光能量有贡献的 那部分泵浦能量，( b ) 图中的阴影部分面积为连续式长脉冲对输出激光能量有贡 献的那部分泵浦能量，两者相等。由式( 2 4 ) 可知，两者输出的激光能量也相 等。 图2 3 为相同脉宽( 龟) 、相同能量的间歇式长脉冲激光和连续式长脉冲激 光在祛毛治疗过程中，毛囊及周围皮肤组织的温度随时间变化示意图：图中纵坐 标t 为温度，横坐标为脉冲宽度。其中：( 1 ) 曲线1 和曲线2 分别为毛囊被间歇 式长脉冲激光和连续式长脉冲激光作用后的温度变化曲线，曲线1 呈阶梯上升 状，曲线2 呈持续上升状，由式( 2 2 ) 可知，曲线1 在t 2 时间内温度下降很小， 所以在t 。处两者所达到的最高温度t p i 和1 p 2 相差不大，因此不会影响祛毛疗效； ( 2 ) 图中曲线3 和曲线4 则分别为间歇式长脉冲激光和连续式长脉冲激光在祛 毛治疗中，毛囊周围皮肤组织的温度变化曲线，曲线3 呈阶梯上升状，曲线4 呈 天津大学硕士学位论文第二章间歇式长脉冲和连续式长脉冲 持续上升状，由式( 2 3 ) 可知，曲线3 在t 2 时间内温度下降明显，所以在t 。处 两者所达到的最高温度值t p 3 比t p 4 低得多。因此，相比相同脉宽、能量的连续 式长脉冲激光而言，间歇式长脉冲激光能在不影响祛毛疗效的前提下，有效防止 毛囊周围正常皮肤组织的“热灼伤”现象。 图2 3 相同脉宽、能量的连续式长脉冲激光和间歇式长脉冲激光作用下毛 囊及周围皮肽组织的温度变化曲线示意图 2 2 2 3 加大了l g b t 的安全工作区 长脉冲斩波技术的核心器 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。由i g b t 的特性可知：i g b t 的安全工作区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“。图2 - 4 为本文所用m g 6 0 0 q 1 u s 5 1 模块 的安全工作区s o a 随持续开通 时间变化曲线：图中纵坐标为 i g b t 耐电流值i c ，横坐标为 i g b t 的耐电压值v c e ，i g b t 在 不同持续开通时洲下所对应的 蝴eo p e r a t i n oa r e a c o l l # c t o 靠e m 舯rv o l t a g bv c e 图2 - 4m g 6 0 0 q 1 u s 5 1 的安全工作区 曲线不同，该曲线与横坐标、纵坐标包围的面积即为i g b t 在该持续开通时间下 c5量扣嚣埘口畦oo一r季 天津大学硕士学位论文第二章间歇式长脉冲和连续式长脉冲 的s o a 。显然，m g 6 0 0 q 1 u s 5 1 模块的持续开通时间越长，所对应的s o a 越小。 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。所以相比相同 脉宽的连续式长脉冲，间歇工作方式下i g t 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 3 祛毛治疗中激光脉冲参数选择及本文的设计目标 作者参考国内外激光祛毛的临床经验和实际疗效，在祛毛治疗过程中，首先 需要考虑的因素是患者的皮肤类型和毛发颜色。毛囊中和表皮中的黑色素的不同 吸收率决定了治疗激光所需要的能量，理想的激光祛毛患者是拥有浅色皮肤和黑 色毛发，而对于拥有黑色皮肤和白色或者棕色毛发的患者来说激光祛毛效果最 差。国际上一般将皮肤含有黑色素从少到多分为6 个等级：i 、i i 、i i i 为不同肤 色的白人，、v 为不同肤色的黄种人，为黑人( 参见表2 1 ) 。 表2 - 1 皮肤类型的分类 皮肤类型皮肤颜色晒黑史 i相当白皙，“透明”经常灼烧，从不晒黑 i i白皙经常灼烧，晒黑困难 i 白色到轻橄榄色中度灼烧，缓慢晒黑 橄榄色到棕色很少灼烧，容易晒黑 v深棕色极少灼烧，极易晒黑 黑色从不灼烧，极易晒黑 首先，激光治疗脉宽按皮肤类型不同大致可分为：i i i 类一1 0 m s 左右，i 类- - 2 0 3 0 m s ，v 类- - 3 0 m s 及以上乜耵。 - 1 3 - 天津大学硕士学位论文 第二章间歇式长脉冲和连续式长脉冲 其次，根据毛发颜色不同可以采取不同的能量密度：黑色2 0 4 0 j c m 2 ， 金色4 0 5 6 j c m 2 ，红色5 6 7 0 j c m “”1 。 另外，如果治疗时配合冷却液和冷却头的话，可以采用能量密度6 0 8 0 j c m 2 、脉宽为5 0 m s 的激光脉冲，实际治疗效果很好。； 临床表明，如果在治疗时采用稍大的光斑直径，稍长脉宽的激光脉冲，治疗 效果更佳”。 参考以上国内外祛毛治疗对激光器的参数要求，我们的激光器设计目标为： 可以发射波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 长脉冲激光，脉宽在9 9 9 m s 内可调，最大输 出能量为5 0 j ，能量密度可由能量和光斑直径配合调整得到。 天津大学硕士学位论文第三章间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器的设计 第三章间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器的设计 3 1 间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器结构 3 1 1 间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器总体框图 间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器主要以下几大部分组成：n d ：y a g 激光头， 循环水冷却系统，激光输出设备( 导光臂或者光纤) ，触摸屏控制系统，激光电 源系统和辅助祛毛治疗用的冷却头( 如图3 - 1 所示) 。 图3 1 间歇式长脉冲n d ：y a g 医用激光器结构示意图 3 1 2n d ：y a g 激光头 该激光治疗机的激光头如图3 2 所示，图中m 1 为曲率半径r = 1 0 m 的全反镜 m 2 为反射率= 2 0 的耦合输出镜，n d ：y a g 激光工作介质的尺寸为0 8 x 1 4 0 m m 腔长为5 0 0 m m 。采用两支氙灯( 0 7 x 1 3 0 m m