（生物医学工程专业论文）光动力半导体激光眼底治疗仪的研制.pdf

天津医科大学硕士论文 光敏剂提供了便利条件。 关键字：年龄相关性黄斑变性，光动力疗法，半导体激光器，触摸屏，激光 裂隙灯适配器 天津医科大学硕士沦文 a b s t r a c t w i t hp e o p l ea g i n g ，a g e - r e l a t e dm a c u l a rd e g e n e r a t i o n ( a r m d ) h a s i n c r e a s i n g l yb e e nas e r i o u so p h t h a l m o l o g yo c c o e c a t i od i s e a s e t h ep a r t i c u l a r p h y s i o l o g i c a ln a t u r ei no c u l a rr e g i o nh a sd e t e r m i n e dt h a tl a s e rt h e r a p yh a s a d v a n t a g ei na r m d a san e wt e c h n o l o g y , p h o t o d y n a m i et h e r a p y ( p d t ) h a s b e e nc o n s i d e r e dai d e a lm e t h o di na r m d w i t ht h ef u n c t i o no f p h o t o c h e m i c a l ，p h o t o d y n a m i ct h e r a p yc a l l b e u s e dt ot r e a tt h ea r m db yc l o s i n gd o w nt h ec n vt h a ts e c o n d a r yt ot h e a r m d i to v e r c o m e st h ed e f i c i e n c i e so fp h o t o c o a g l a t i o nt h e r a p ya n dt t t a n dh a ss h o w ni t sa d v a n t a g e si nt r e a t i n gm o s tk i n d so fa r m dw i t hl i t t l e s i d e - e f f e c t s a t p r e s e n t ，v i s u d y n ei s t h em a i np h o t o s e n s i t i z e r i t sv e r y e x p e n s i v ea n ds o m ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a ti t sn o tav e r ys u i t a b l e a g e n tf o rt h ea r m d st r e a t m e n t ，n o w ，t h ed o m e s t i cp h o t o s e n s i t i z e rh p dh a s g o tt h ea d m i s s i o nt 0t h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n s i t sl o wc o s ta n ds h o w sm o r e a d v a n t a g e si nt h i st r e a t m e n t 。h o w e v e r , w es e l d o mh a v et h er e l a t e dr e p o r t so n i ta p p l i e dt ot h i st r e a t m e n t t h em a i nr e a s o ni st h a tt h e r e sn oa v a i l a b l e d e v i c e st om a t c hh p di nt h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n ，n om a t t e rd o m e s t i co r o v e r s e a s s ow ed e s i g n e dt h ep d tl a s e rd e v i c ei no r d e rt om e e tt h ec l i n i c a l u r g e n tr e q u i r e m e n t s ，i t c a nb em a t c h e dw i t hv a r i o u sp h o t o s e n s i t i z e r s ， i n c l u d i n gt h eh p d ，b yc h a n g i n gs o m ep a r a m e t e r so ft h eh a r d w a r e sa n dt h e o p t i c a ls y s t e m i no r d e rt om e e tt h ec l i n i c a lr e q u i r e m e n t s ，i nt h ed e s i g n ，w eh a st a k e n n e wt o u c h i n gs c r e e nt e c h n o l o g yi n t ot h ep d td l o d el a s e rf o ro c u l a rf u n d u s ， 1 1 1 天津医科大学硕士论文 a sar e s u l t ，i tc a nb ee a s i l yt os e tt h ep a r a m e t e r sa n dc o n t r o lo p e r a t i o n a l c o n d i t i o n so ft h ed e v i c eb ys i m p l et o u c h t h ep o w e ro fl a s e ri sa d j u s t a b l e ，i t c a nw o r k s t a b l y a n ds a f e l y b yu s i n g o v e r - c u r r e n t p r o t e c t i n ga n d o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i n g t h eo p t i cs y s t e mc a nc o o p e r a t e w e l lw i t hs l i t l a m pt oi l l u m i n a t e t h ef o c u so fi n f e c t i o n t h es i z eo fl a s e rs p o tc a l lb e a d j u s t e di no r d e rt om e e tt h ed i f f e r e n tn e e d t h i sd e v i c ec a nw o r kw i t ho t h e r p h o t o s e n s i t i z e rb yc h a n g i n gl a s e rm o d e li nd i f f e r e n tw a v e l e n g t ha n d c o r r e s p o n d i n go p t ka p p a r a t u s 。t h i se a nb eh e l p f u lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c hi n n e wp h o t o s e n s i t i z e rf o ra r m d k e yw o r d s ： a g e r e l a t e dm a c u l a rd e g c n e r a t i o n ( a r m d ) ，p h o t o d y n a m i ct h e r a p y ( p d t ) ， d i o d el a s e r ，t o u c h i n gs c r e e n ，l a s e rs l i tl a m pa d a p t e r i v 天津医科大学硕士论文 缩略语 a r m d c n v h p d l d p d p d t r p e s m d s 1 n t e c t f t t r t 缩略词表 英文 a g e t e l a t e dm a c u l a rd e g e n e r a t i o n c h o r o i d a ln e o v a s c u l a r i z a t i o n h e m a t o p o r p h y r i nd e r i v a t i v e l a s e rd i o d e p h o t o d i o d e p h o t o d y n a m i ct h e r a p y r e t i n a lp i g m e n te p i t h e l i u m s e n i l em a c u l a rd e g e n e r a t i o n s u p e rt w i s tn e m a t i c t h e r m o e l e e t r i cc o o l e r t h i i lf i i mt r a n s i s t o r t r a n s p u p i l l a r yi b e r m o t h e r a p y 中文 年龄枢关性黄斑变牲 脉络膜新生血管 血卧啉衍生物 激光二极管 光电二极管 光动力疗法 视网膜色素上皮 老年性黄斑变性 超扭曲向列 热电锚冷器 高级薄膜晶体管 经瞳孔温热疗法 天津医科大学硕士论文 第一章绪论 1 1 年龄相关性黄斑变性 年龄相关性黄斑变性( a g e r e l a t e dm a c o l a rd e g e n e r a t i o n ，a r m d 或a m d ) 是眼科中最难治疗的致盲性疾病之一，多发于中老年人群，所以又称老年性 黄斑变k - ( s e n i l em a c m a rd e g e n e r a t i o n ，s m o ) 。在美国，每4 位6 5 岁以 上老年人中就有1 位患此病，仅1 9 9 5 年就有1 7 0 万a r i d 患者，其中1 0 万人 因此病致盲，估计到2 0 3 0 年a r m d 患者将增至6 3 0 b - r 1 , 2 1 ；其它国家该病的发 病率亦不断增加【3 叼。在我国，随着社会人口的逐步老龄化，a r m d 发病率有上 升的趋势。因而a r m d 被认为是本世纪末最严重致盲眼病之一。 这种疾病的病因尚未确定，可能与遗传因素、环境影响、慢性光损伤、 营养失调、有毒物质的侵害、免疫性疾病、心血管系统等全身疾病等有关， 一般认为是多种因素复合作用的结果【5 i 。 根据临床与病理表现，a r m d 分为两类，即萎缩型( a t r o p h i cs e n i l e m a c u l a rd e g e n e r a t i o n ) 与渗出型( e x u d a t i v es e n i l em a c u l a rd e g e n e r a t i o n ) 5 10 萎缩型a r m d 主要为脉络膜毛细血管萎缩、玻璃膜增厚和视网膜色素上皮萎 缩等所致的黄斑区萎缩变性，目前对于萎缩型型a r m d 还没有一种比较有效 的治疗方法。 渗出型a r m d 主要为玻璃膜破坏、脉络膜血管侵入视网膜下形成新生血 管，导致视网膜或，及色素上皮有浆液或圾出血。脉络膜新生血管( c h o r o i d a l n e o v a s e u l a r i z a t i o n , c n v ) 是渗出型a r m d 危害视功能的主要病理基础。常 发生于黄斑区，由于新生血管引起反复性出血、渗出，最终导致瘢痕形成和 视力丧失。它表现为进行性视力损害，眼底不断加重的黄斑区变性，很多患 者因而呈现大片中央暗点，视力不断下降，视物变形及色觉障碍。这种疾病 2 天津医科大学硕士论文 自然预后差，而且复发率较高，多年来一直没有一种理想的治疗方法。近年 来，利用激光处理c n v 是渗出型a r m d 临床治疗的主要方法。 1 - 2 激光治疗年龄相关性黄斑变性的发展现状 激光一经诞生就首先在眼科疾病的治疗上获得成功并得到广泛应用，激 光具有良好的单色性、方向性和能量易控制的特点。眼球是一个透明的光学 器官，激光可以透过角膜、晶状体等屈光介质，直达视网膜和脉络膜。可以 实现无创治疗，病人痛苦小，并且激光治疗的特异性高，易于定位，不会损 伤周围正常组织。目前激光多用于c n v 的激光光凝法、经瞳孔温热疗法和 光动力疗法。 激光光凝法治疗a r m d 主要作用机理是热效应。这种方法的治疗基础是 激光能量被视网膜色素上皮( r p e ) 和脉络膜色素上皮吸收，然后转化为热 能扩散至i 【氲近的组织，使新生血管发生凝固坏死而封闭。该方法虽然能够减 少c n v 的生成，但容易造成局部升温到4 04 c 损伤神经层视网膜，引起视力 进一步下降，不适宜治疗中心凹处c n v ，也不适于治疗占总数8 5 的隐匿型 c n v ，且复发率高，往往不能做进一步治疗【9 1 ，限制了这种方法的使用。 经瞳孔温热疗法( t r a n s p u p i l l a r yt h e r m o t h e r a p y ，t t t ) 的治疗基础也是激 光对生物组织的热效应。治疗波长为8 0 8 8 3 0 n m 的半导体近红外激光，存在 于色素上皮及脉络膜色素细胞中的黑色素对该波长的光有较强的吸收能力， 热能聚集在这些细胞中，引起4 9 的升温而直接造成细胞死亡、脉络膜毛 细血管血流减缓及c n v 栓塞【1 0 1 。但是治疗时，激光到达眼底之前要经过眼的 屈光介质，晶状体对于近红外波长的光有较强的吸收能力，接受该方法治疗 的病人会出现晶体混浊等症状，还会导致白内障，所以t t t 也不是一种十分 理想的治疗方法，还需要探索新的治疗方法。 近年来，人们对于使用光动力疗法( p d t ) 治疗a r m d 做了大量的研究， 一3 天津医科大学硕士论文 实验数据表明，p d t 较其它治疗方法有更多的优越性【 。 光动力疗法治疗的基础是激光的光致化学效应，其治疗的基本要素是氧、 光敏热和激发光源( 一般用激光) 。由于新生物组织对光敏剂产生优势摄取， 所以通过静脉注射光敏剂在脉络膜新生血管中长时间滞留【1 2 】，在激光的激发 f ，新生血管内被激活的光敏剂分子产生原子态氧和自由基会引起血管内皮 细胞层损伤，接着引起血小板的凝集，最后引起新生血管内皮血栓形成，从 而破坏新生血管，而对新生血管表面的视网膜没有损伤。因此光动力疗法是 治疗黄斑中心凹下脉络膜新生血管较为理想的方法，它克服了光凝法、经瞳 孔温热疗法的缺点，可以重复进行治疗，破坏已经产生的新生血管，另外有 研究表明，p o t 结合类固醇等的复合治疗方法还能够减少毛细血管的渗透性， 减少促进新生血管的生长因素【1 3 i 。 近年来唯一经过美国食品和药物管理局( f d a ) 批准的用于a r m d 光动力 疗法的光敏剂是v i s u d y n e ，该光敏剂对6 9 0 a m 的激光有较强的吸收。但有研 究表明1 7 】，y i s u d y n e 是一种水溶性药物，它能够进入脂质体，这种药物不容 易被皿、视网膜色素上皮或者眼部其他血管组织吸收并滞留，难以取得理想 的治疗效果。在我国，以血卟啉衍生物( h e m a t o p o r p h y r i nd e r i v a t i v e ，h p d ) 为代表的光敏剂通过大量的动物及临床试验后，已经获得了包括中国在内的 些国家的正式批准，进入临床使用。这种光敏剂易与血清白蛋白和脂蛋白 尤其是低密度脂蛋白 l d l ) 相结合，能在新生血管中长时间滞留，因此使用 激光光动力治疗时具有更高的特异性。 1 3 课题的研究内容及创新性工作 1 3 1 课题研究的意义 在我国，由于人口趋于老龄化，其他致盲原因得到或加强了控制，年龄 相关性黄斑变性日益成为重要致盲的眼科疾病。虽然目前有很多治疗手段， 4 天津医科大学硕士论文 但通过临床观察，手术治疗及药物治疗都无法与激光治疗相媲美，而激光光 动力疗法以其安全、有效、适应症较广等特点被广泛使用。 目前使用光动力疗法采用的是国外的药物( v i s u d y n e ) 和仪器，治疗费 用很高，并且需要反复治疗，众多患者难以承受。本课题针对现状，旨在设 计出一种能适用于国产光敏剂h p d 等且成本较低的激光限底治疗仪，以推广 其在眼科领域的使用，为更多的患者带去健康，具有重大的现实意义。 h p d 在6 3 0 n m 和6 9 0 n m 处有较强的吸收峰，且h p d 对6 3 0 n m 的吸收程度 强于6 9 0 n m 的激光，所以选择6 3 0 h m 作为激发波长。h p d 的特性表明其适于 治疗脉络膜新生血管，但是国内尚未见其用于治疗a r m d 的报道，究其原因， 一是其刚刚获得批准用于临床，二是国内尚未有与之相配合的专用激光眼底 治疗仪，使得该药物难以在眼科中推广使用。 为了解决目前临床的迫切需要，我们研制了半导体激光眼底治疗仪，采 用6 3 0 n m 波长的半导体激光模块，以配合h p d 治疗a r m d 。本研究的另外一个 目的是使治疗仪能够适合多种波长的半导体激光器，为使其它光敏药物在 a r m d 治疗中的应用研究创造条件。 1 3 2 课题所完成的主要工作 设计并完成了一台具有自主知识产权的半导体激光眼底治疗仪的原 理样机。 设计并完成了一种稳定可靠的半导体激光器驱动控制电路，利用激 光模块的内部组件实现精确的自动功率控制、检测和自动温度控制。 设计并完成了一套完整的激光裂隙灯适配光学系统，可与多种波长 的激光器、裂隙灯配合使用，具有光束调整、治疗光斑可调等功能。 实现了触摸屏控制系统，能够完成激光器工作参数的调节和工作状 态的控制，精确控制激光器的输出功率，编写了触摸屏控制系统的 - 5 天津医科大学硕士论文 程序，工作模式安全可靠。 对设计的各部分进行了实验和参数测量，能够满足治疗的需要。 6 一 天津医科大学硕士论文 第二章激光光动力疗法治疗年龄相关性黄斑变 性的理论基础 2 1 激光治疗年龄相关性黄斑变性的生理学基础 激光之所以能用于眼科疾病的治疗，是因为激光具有的独特的光学特性 和眼球所特有的光学结构。特定参数的激光作用于眼球特定的部位后发生的 生物效应是激光治疗眼科疾病的基础。 作为人视觉器官的眼球，实际上是一架有生命的完整的光学精密仪器， 而眼各层组织则是有生命的光学元件，它们具有各自的光学持性，与进入眼 的各种光学参数相适应。能被精密控制光学参量的激光和激光技术就是巧 妙地利用了眼球的这种特殊的光学结构给患眼球各层组织的各种疾病进行诊 断和治疗，而不必施行传统的切开手术。 2 1 。l 与激光有关的眼球结构和及其生理光学特点6 】 眼球的结构如图2 1 所示，眼球屈光系统的光谱特性与激光的透射是激 光治疗眼部疾病的重要基础，角膜、房水、品状体和玻璃体统称为构成了眼 部的屈光系统，统称为眼屈光介质，它们使得眼具有良好的透光和聚光性能。 不同波长的光在通过眼部某一屈光介质时，都可能发生下述4 种现象：部分 能量可直接透过介质，在视网膜上成像；部分能量被散射，使眼内照亮；有 些能量为介质吸收，且以较长的波长再辐射；眼内折射率不同的各介质面反 射一小部分，大部分反射发生在折射率变化最大的角膜的前表面。 当我们使用某种激光治疗眼底疾病时，所用的激光束首先通过眼屈光介 质，才能到达眼底，这些介质如对激光反射、散射或吸收多了，则既会给这 些介质造成副作用，又会降低激光能量的透过率，所以在选择治疗激光的波 7 天津医科大学硕士论文 长时，要求该波长的激光在眼底组织吸收率高而透过率低，在它前面各层的 图21 眼球的矢状剖面图1 1 4 1 反射和吸收尽可能地少。 1 眼屈光介质的反射特性角膜折射率n 2 = 1 3 7 ，空气折射率n l = 1 0 ， 反射系数r = 2 4 ，当光束正入射时角膜的反射损失很少，所以，角膜对正入 射光的反射一般可以忽略不计。至于房水界面的反射，则因角膜和房水之间 的折射率之差更小，因而反射系数也更少。晶状体与房水，以及玻璃体与晶 状体之间的折射率之差均极小，因而激光在房水、晶状体和玻璃体各分界面 上对正入射光的反射均可以忽略。但当激光束斜入射时，则光强反射率随入 射角的增大而增加。 2 眼屈光介质的散射特性在临床实践中可以发现，当用一束激光射入 患者眼内时，医生可以见到这束光在眼内的光柱，对于玻璃体混浊的老年患 者则可将整个眼球照亮，这些都是散射现象，散射的结果，使入射方向的总 透射翠减少。散射率与入射光的波长有关，实验证明，在可见光范围内，波 8 天津医科大学硕士论文 长越短的光，散射越多。 3 眼屈光介质的吸收特性关于吸收的实验测量都是测量吸收体的反射 和透射，然后从入射光中减去所测量到的反射和透射，剩下的便是吸收值。 大量实验表明吸收多少，还与入射光的波长有关： ( 1 ) 角膜吸收对于波长短于2 9 5 n m ，长于1 9 0 0 h m 的光几乎多为角膜 吸收。对从可见光到1 4 0 0 h m 的红外光角膜几乎不吸收。 ( 2 ) 晶状体吸收晶状体是7 8 0 n m 1 4 0 0 h m 近红外光的主要吸收体， 波长越长则吸收越多。也吸收3 2 0 n m 4 0 0 n m 的近紫外光。晶状体对4 0 0 n m 1 0 0 0 n m 的光只吸收百分之几。 ( 3 ) 玻璃体吸收玻璃体与角膜和晶状体一样，对可见光是透明体，它 对4 5 0 n m 9 0 0 n m 范围内的光几乎不吸收。 ( 4 ) 房水吸收房水对光的吸收大致和水一样。它对可见光只吸收百分 之几。 百分率( ) 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 图2 2 眼屈光介质对光的总透射谱 4 眼屈光介质的透射特性当激光束进入眼内，由于角膜、房水、晶状 9 天津医科大学硕士论文 体和玻璃体对可见光都吸收很少，它们对可见光都有很高的透过率，总之， 眼屈光介质对光的总透射率与波长有关，图2 2 所示为眼屈光介质对光的总 透射谱。 2 1 2 激光波长的选择 经过了屈光介质，激光到达了跟底，我们的目的是用激光封闭黄斑部脉 络膜新生血管，并抑制新生血管的生长，使用何种波长的激光能更好地达到 治疗的目的，但并不是波长越长越好，仍然要考虑到达眼底的激光被靶组织 的吸收情况。 不同部位的眼组织，由于所含色素的不同，对不同波长激光的吸收存在 明显差异，选择激光治疗时，首先应考虑到这种激光在其靶组织中有高的吸 收率，而其所经过的路径上的屈光间质及其它组织对它的吸收越少越好。总 的来说，黑色素对波长越短的光线吸收率越高，但差别不是很大；含氧血红 蛋白对蓝、绿、黄光的吸收率很高，而对红光及红外光基本上不吸收；叶黄 素则对蓝光有较高的吸收率。因此，兰、绿、黄光常用于虹膜、房角组织、 视网膜色素上皮层及新生血管膜等，其中蓝光因能被叶黄素大量吸收，故不 能用于黄斑区，以免损伤视网膜神经上皮层：红光虽然只能依赖于黑色素的 吸收，但能穿透出血层到达脉络膜内层及视网膜色素上皮层，且不被叶黄素 吸收、散射较少，故常用于黄斑区组织的疾病等。 2 2 光动力疗法治疗a r m d 的机制 激光、光敏剂、氧是光动力疗法治疗a r m d 的三要素。其治疗机制为经静 脉注射光敏剂，然后使用低能量的激光照射病变部位的新生血管，光敏剂受 激发后，由基态跃升为激发态，当由激发态恢复至基态时，施放出大量能量， 作用于分子氧，使其产生单态氧；单态氧与蛋白质、氨基酸及脂质膜等反应， 产生过氧化物、羟基及其它自由基；自由基等直接作用于脉络膜新生血管， - 1 0 天津医科大学硕士论文 形成血栓，导致血管闭塞。光动力疗法克服了以往激光治疗方法对眼局部组 织产生的热效应，对正常组织的副作用小。 用于治疗a r m d 的光敏剂应该具有化学结构明确、理化性质稳定、靶组织 选择性摄入高、单态氧产额大、作用光谱的吸收峰值位于红光波段范围内、 毒性小、半衰期短等特点。 光敏剂血卟啉衍生物( h e m a t o p o r p h y “nd e r i v a t i v e ，h p d ) 是经国家主 管部门正式批准进入临床使用的一类新药，它具有上述特点，h p d 在6 3 0 h m 和6 9 0 n m 处各有一吸收峰值。它可被视网膜色素上皮细胞吸收，激光照射治 疗时具有较高的选择性，由于跟部组织色素对波长较长的激光吸收率高，所 以与6 9 0 h m 相比，h p b 对6 3 0 h m 的光吸收率更高，因此，6 3 0 n m 的激光是光动 力疗法治疗a r m d 的最理想波长，本课题所设计的治疗仪采用的就是波长为 6 3 0 h m 的半导体激光器。 天津医科大学硕士论文 第三章光动力激光眼底治疗仪的总体设计 3 1 系统的总体设计 光动力激光眼底治疗仪由光源系统和光学系统两大部分组成。如图2 1 所示为治疗仪原理框图。 图3 一l 光动力激光眼底治疗仪原理框图 3 1 1 光源系统设计 光源系统提供了治疗所使用的激光，它由触摸控制显示屏、半导体激光 器及其驱动控制电路组成。触摸控制显示器显示友好的操作控制界面，通过 点击相应按钮，可以根据不同需要设定激光器的参数和工作状态，操作简单、 一1 2 困 天津医科大学硕士论文 易行。 驱动控制电路以a d p c 8 1 2 为核心处理器，通过异步串行接口与触摸屏通 讯，接收控制信息，发送显示命令，协调自动功率控制电路和自动温度控制 电路、并监测激光器工作电流、工作电压、控制电压等，检控激光器的工作 状态，使其工作在允许的电压和电流下。并及时处理各种异常情况，防止激 光器被损坏。 3 1 2 光学系统设计 光学系统的作用是将激光准确的传导到眼底患病部位，它主要由激光准 直聚焦系统、裂隙灯和激光眼底镜组成。准直聚焦系统主要用于调整激光束 的发散角度，使其适于治疗使用，通过调整设置在准直透镜和聚焦透镜之间 的光阑，可以调整治疗光斑的大小。调整准直聚焦系统与裂隙灯照明系统的 相对位置，使激光与照明光同光路，能够同时在眼底呈现清晰的像，通过裂 隙灯显微镜的观察，对患病部位进行治疗。 3 2 系统总体设计中的几个关键性问题 一、半导体激光器工作的稳定性 眼部对激光强度十分敏感，用于治疗眼底疾病的激光光源要具有极商的 稳定性和可靠性。半导体激光器是一种对电流、电压变化十分敏感的精密器 件，静电电击、开关电流的冲击以及过高的电压都可能导致激光二极管不可 恢复的损坏；另外激光器的工作温度对输出激光的功率稳定有很大影响，因 此激光器的驱动电路和温度控制电路的指标是治疗仪可靠性的重要保证。 半导体激光器对驱动电路的要求： 1 、输出电流稳定： 2 、不受尖峰脉冲干扰： 3 、不受电源开关和调节过程的干扰； 1 3 天津医科大学硕士论文 4 、电流可调节且有过流保护； 5 、有稳流、稳压的功能。 半导体激光器对温控电路的要求： 1 、检测激光器管芯的温度； 2 、根据检测到的温度决定对激光器加热还是制冷； 3 、提供足够的散热功率； 4 、快速调整激光器工作温度。 要达到上述要求，需要硬件电路和软件系统的配合来实现，另外，还要 在设计电路板的时候从地线设计、电源线设计等方面，对电路板进行合理的 布局，增强电路板工作的可靠性。 二、显示控制方式 治疗仪使用触摸屏完成对仪器参数的设置和工作状态的控制，要求简单、 易操作，与日前众多治疗仪使用p c 机做为显示控制单元方式相比，更具有稳 定性，不需要考虑由操作系统自身的工作方式带来的问题，且资源利用充分， 开发简单，成本较低。 三、将激光导入眼底的方式 要实现疾病的治疗，需要将激光准确导入眼底患病部位，并且希望医生 能实时观察治疗情况。充分利用裂隙灯显微镜的共焦共轴的工作方式，将自 制的光学系统与其配合使用，当裂隙在眼底形成清晰的象时，不需要另外调 焦，所见即所得，治疗光斑定位准确。 一1 4 天津医科大学硕士论文 第四章光源系统的硬件设计 激光器是治疗仪系统中的关键部分，它将为治疗提供稳定、可靠的激光。 本论文设计的硬件电路有：设计以a d p c 8 1 2 为核心处理器的控制电路，通过 触摸屏控制激光器的参数和工作状态，监测激光器工作时的各个关键参数保 证激光器正常运行，出现异常情况时具有保护措施并及时报警。设计激光器 自动功率控制电路和自动温度控制电路，为激光器提供稳定的工作电流和并 保证其工作在适宜的温度。 4 1 核心处理器a d d c 81 2 t 2 s l a d 灶c s l 2 是a d i ( a n a l o g d e v i c ei n c ) 出品的高性能微转换器。a d k t c 8 1 2 是全集成的1 2 位数据采集系统，它在单个芯片内包含了高性能的自校准8 通道1 2 位高精度模数转换器( a d c ) 、2 个1 2 位数模转换器( d a c ) 以及可 编程的8 位与8 0 5 1 兼容的微控制单元( m c u ) 。 a d p c 8j 2 微控制器内核与8 0 5 1 指令集兼容，具有9 个中断源( 2 个优先 级) 。片内集成了8 k 字节的闪速电擦除程序存储器、6 4 0 字节的闪速电擦 除数据存储器以及2 5 6 字节r a m 。 a d p c 8 1 2 具有在线下载、调试和编程的功能，这为治疗仪软硬件系统的 开发带来了很大方便，通过计算机串行接口与片上u a r t 的连接，在芯片处于 下载模式时，接收程序代码，并可以进行调试。当器件处于正常工作状态时， 重新上电或复位后，程序从指定的位置自动运行。 a d d c 8 1 2 具有功能强大的串行接e l ：u a r t 串行接口、s p i 串行接1 3 和与 i c 兼容的串行接口。u a r t 串行接1 3 是全双工的，可以同时发送和接收数据， 该串行接口的物理接口经过a d i t c 8 1 2 的r x d ( p 3 o ) 和t x d ( p 3 1 ) 进入单 一1 5 天津医科大学硕士论文 片机的内部串行网络，分别与触摸屏的发送( d a t a o u t ) 和接收数据( d a t a i n ) 端相连可以实现对触摸屏的显示控制与触摸位置的数据读取。 a i n o ( a i n 7 ( p 0 ( 一p 07 p 1o p 17p 2o _ p 27 p 3 0 _ p 37 a v d da g n dd v d d g n d 图4 - 1a d v t c 8 1 2 系统框图 a d g c 8 1 2 内部集成1 2 位高精度的a d c 和d a c 为精密控制、采集激光器工 作电流和工作温度提供了条件。通过d a c 0 设置流过激光器的电流，可以实现 激光器输出功率的连续调节。a d c 0 和a d c l 分别实时采集流过激光器的电流 和激光器内部热敏电阻的电压，能够实现过流、过压、过热及掉电保护，避 免损坏激光器。 一1 6 cin子h：vivo，io=学oju一i，nd)i)国一ond)2q _ i v 工 天津医科大学硕士论文 如图4 2 所示为a d p c 8 1 2 控制系统框图。其软件控制过程见第五章。 触摸液晶显示器 激光器驱动电路 温度控制 n0o a 。c s t z 微处理器 _ ，介、竹扩u 一 ( 皇霉霁羹 【工作开关l 【风扇l 【主莲器 图4 - 2a d g c 8 1 2 控制系统框图 4 2 触摸控制显示器 为了适应医疗仪器发展的需要，并为仪器的操作者提供方便快捷的控制 平台，本系统采用的是k y - c 7 5 f p 型触摸液晶显示器，它属于伪彩色的超扭曲 向列型( s u p e rt w i s tn e m a t i c ，s r n ) 液晶显示器。该显示器具有触摸控制、 可以同时显示多种色彩效果和相对于高级薄膜晶体管( t h i nf i l mt r a n s i s t o f t f t ) 液晶显示器成本较低的优点。a d g c s l 2 通过异步串行口t x d 端与液晶显 示模块通讯，可以将人性化、简单易用的各种操作呈现在用户面前，同时， 通过r x d 端及时响应触摸屏控制，使用户能够设定激光器各个参数、控制激 光器的工作状态。另外，在工作状态发生异常时，除了蜂鸣器产生报警信号 外，显示屏也及时将单片机判断得到的出错信息反映给用户。 该型号的触摸液晶显示屏提供全汉字、图形显示功能，并提供9 9 2 k 字节 的“画面存储器”，通过特定的图形压缩算法，将自行设计的操控界面以不同 1 7 天津医科大学硕士论文 于普通点阵的数据格式存储，可以有效地减少图形在画面存储器中的占用空 间，相应地，在需要显示该图形时，通过串口发送相应显示命令，存储的图 形就会依据还原算法将其转换为普通的点阵数据显示在液晶屏上。 本系统所使用的操控界面见图5 3 。 表4 1 触摸液晶显示屏用户接口管脚分布 引脚信号方向说明 ：i td c + 5 v输入 直流+ 5 v 电i 稀人 j 2 d ：r 蛔u t输出 串行数据输出端，与a d u c s l 2 的k x d 湍旧连， ( t x d ) 当幢觏蛭i 某点有压力时，该点的葛y 坐标由 此端输出 j 3 d r a 工n输入 串行数据输入端，与a d u c s l 2 的t x d 端根连。 ( 风d )当b u s 氍- o 时，终端以设定的、诙特率接收数据 ：1 4b u s y输入 高电平表示终端正在处理数据不能接收用 户指令，其能在b u s ! f ：o 对通过d a t a i n 端发 送数据 j 5 g n d 四i d 触摸液晶显示屏有配套的r s 一2 3 2 接口控制芯片( 表4 - 1 所示为其接口管 脚分布) ，在发生触摸事件时，芯片发送端( j 2 ) 以一定的波特率按r s 一2 3 2 电 平发送数据，传输的数据格式为没字节1 l 位：一个起始位( 0 ) ，8 个数据位 ( 先发低位d 0 ) ，奇偶校验位( 0 ) 和一个停止位。通过电平转换将发送的数 据从r s 一2 3 2 电平转换为t t l 电平，再送到单片机r x d 引脚上，实现单片机对 触摸屏位置信息的接收，并执行相应的操作。当需要显示图形、数据时，单 片机也以圊样的波特率和数据格式发送显示命令。 只有在b u s y = o 的时候，单片机通过串口向液晶显示屏发送指令和数据才 有效，所以在发送每个字节之前，必须要判别b u s y 的状态。数据传输时序图 见图4 3 ，软件实现详见第五章。 系统采用的触摸屏的分辨率为1 0 2 4 1 0 2 4 ，触摸屏的尺寸为7 5 时，触 摸屏位置的分辨率小于0 1 c m ，可以完全满足不同触摸位置的精确响应要求。 1 8 天津医科大学硕士论文 r z p t z d 墨塑量 二：二) ! ! ! 竺厂再正叭 璺苎竺 互) = k 互) 苎兰竺偷 图4 - 3 触摸屏数据传输时序图 4 3 自动功率控制电路 激光器是一种对电流、电压变化十分敏感的精密器件，静电电击、开关 电流的冲击以及过高的电压都可能导致激光二极管不可恢复的损坏，因此需 要有一个性能良好的驱动电路，使激光器工作在稳定的状态下。 如图4 - 4 所示为半导体激光器的伏安特性曲线及光电特性曲线半导体 激光器的光功率输出取决于激光器两端的电压及流过它的电流，通过改变激 光器的驱动电压，可以改变其功率输出。 激光器对电压的稳定度要求很高，并且需要恒流驱动。本系统通过 a d g c 8 1 2 的d a c i 、开关控制电路、自动功率调节电路及过流、过压控制电 路使激光器的光功率输出随驱动电压的改变而改变；使它的工作电压、工作 电流在治疗使用过程中保持稳定，并保证激光器的工作电流、电压不超过激 光器所能承受的最大值。 1 9 ， 天津医科大学硕士论文 图4 - 4 半导体激光器的伏安特性曲线及光电特性曲线 本设计所采用的是蝶形封装形式的半导体激光器，波长为6 3 0 n m ，主要 器件为激光二极管( l d ) ，其内部集成有监控光电二极管( p d ) 、热电制冷 2 0 天津医科大学硕士论文 器( t e c ) 和热敏电阻( t h e r m i s t o r ) ，其结构如图4 5 所示。 使用内置的光电二极管( p d ) 可以实现激光器自动功率控制( a p c ) l d p d c o m 图4 - 5 激光器结构图 如图4 - 5 所示激光器的内部结构，当激光器工作时，绝大部分激光从振 荡腔的前表面向外输出，通过光纤耦合导出，用于治疗，但是仍有很小一部 分激光从振荡腔的后表面泄漏出来，照射在光电二极管上并转换为电流，这 个电流与激光器的输出功率之间存在精密的比例关系，在进行驱动电路设计 时，它作为功率反馈器件，监测并调整激光器的输出功率，使输出功率稳定 在一个较高的精度范围内。 4 3 1 电路设计 激光器自动功率控制电路工作原理如图4 - 6 所示。 如图4 - 6 所示，l d 是激光二极管，p d 为封装在激光器模块内部的光电 二极管，当激光器工作时，p d 受激光二极管分光束的照射后导通，照射光强 定时，p d 产生恒定的电流。光电二极管电流与激光器输出功率之间的关系 2 i 天津医科大学硕士论文 图4 - 6 光电二极管电流与激光器输出功率之间的关系 如图4 7 所示，激光器导通后，p d 的输出电流与l d 输出功率呈线性变 化。所以，流过p d 的电流h n 的变化能够反映出l d 输出功率的变化。通过 反馈控制，可以实现自动功率控制，控制过程如下：激光器输出功率f 一流 过l d 的电流if a 1 正相输入端电压u 1 + l a l 输出端电压u l o ；一a 2 反相 输入端电压u 2 一 一a 2 输出端电压u 2 。f q l 基极电流f q 1 集电极电流i ( 流过l d 的电流i1 ) 一激光器输出功率l 。 该电路不仅具有自动功率调节的功能，还有过流、过压保护、功率调节 等功能。当电路开启、闭合时，电路中很容易出现电压或电流的短时尖脉冲， 瞬间就会损坏激光器，由于当电感的电压为有限值时，电感的电流不能发生 跃变，同理，当电容电流为有限值时，电容电压也不能跃变，因此通过在激 光二极管l d 正相端串联电感l 、并联电容c 1 、c 2 来滤除这些尖脉冲，起到 过流、过压保护的作用。 通过触摸屏控制，可以对激光器的输出功率进行设置调整，在硬件电路 - 2 2 天津医科大学硕士论文 上主要是通过设置a d i t c 8 1 2 的d a c 0 值来实现的。为了避免因大幅度改变 激光器驱动电流和电压所引入的干扰，采用逐级变化的方式来更新d a c 的 值，在当前值与设定的目标值之间形成阶梯式的变化过程。 r 1 r - 1 m 毒 p d 图4 7 激光器自动功率控制电路原理图 当回路中出现异常情况，致使流过l d 的电流过大，则在a 1 输出端检测 到的电压值将超出正常设定范围，此时通过单片机设定p 2 0 输出高电平，使 q 2 导通，将a 2 输出端电压强行降低，来减小l d 的驱动电流，起到保护的 作用。 4 4 自动温度控制电路 在实际使用中，热特性是半导体激光器的关键特性。由于温度升高会使 半导体激光器的阈值电流增加、发射波长增加，如果温度控制不当，激光器 散热不良，就不能连续的产生激光，造成激光器的输出功率不稳定，丽且对 半导体激光器的寿命有严重影响。因此需要将激光器的温度控制在适合的范 围内，这样才能使激光器输出稳定的波长和功率，满足疾病治疗的需要。 本课题使用的半导体激光模块内部集成了半导体热电制冷器( t e c ) 和 2 3 天津医科大学硕士论文 热敏电阻( t h e r m i s t o r ) ，如图4 - 5 所示。半导体制冷器是利用半导体材料的 帕尔帖效应制成的，当有电流从t e c 流过时，电流产生的热量会从t e c 的 一侧传导到另一侧，在t e c 上同时产生“热”侧和“冷”侧，将其冷侧与激 光器芯接触，热侧与散热片接触，把热量散到外部去，这样就能够起到致冷 的作用。在对激光器工作温度的稳定性要求较高的场合，采用双向温控，即 在常温和高温时对激光器致冷，在低温环境中则致热。t e c 是致冷还是致热， 以及致冷、致热的速率，由通过它的电流方向和大小决定。为了适应各种工 作环境，本设计对激光器采用双向温控模式。 热敏电阻是激光器组件的测温元件，它与激光器直接接触，探测激光器 芯的温度。但激光器温度升高时，热敏电阻的阻值下降，当激光器的温度降 低时，阻值增大，因此热敏电阻起到了温度传感器的作用，其阻值变化精度 越高越好，热敏电阻与半导体致冷器配合即可完成对激光器的精密温度控制。 激光器温度控制电路利用热敏电阻反馈激光器管芯温度，控制电路将其 与给定的电压比较，进行相应硬件或算法处理后，输出一定电压给t e c ，t e c 根据流过电流的方向，对激光器进行致冷或加热，使激光器温度稳定在所要 求的范围内。 激光器的温度控制必须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，而且它 必须是双向控制的，以适应外界温度变化和激光器工作条件的不确定性。过 去的控制电路大多采用软件p l d 算法或是用分立元件搭建的p i d 电路，软件 算法的控制实时性不高，而分立的p i d