大功率激光汽化治疗前列腺增生装置电路系统的研制

摘要

激光是20世纪以来继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明。它有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性,使得激光广泛应用于工业、医疗、商业、科研、信息和军事领域上。激光在医学上的应用主要分三类:激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗。其中激光治疗又分为:激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。激光的手术治疗主要利用激光的光热效应。医用上的激光器主要有CO2激光器、半导体激光器、各种掺杂的YAG激光器、各种宝石激光器、氩离子激光器、准分子激光器等。它们已经应用到牙科、眼科、泌尿科等手术治疗中。自1966年激光应用到泌尿外科领域以来,激光治疗技术以其安全、简单、出血少、疗效确切等优点,在泌尿外科获得了广泛的应用。有多种激光技术,如可视的前列腺激光消融术(VLAP),组织内激光前列腺凝固(ILC)、选择性光前列腺汽化(PVP)等,已应用在良性前列腺增生(Benign Prostatic Hyperplasia,BPH)的外科治疗上。
　　 良性前列腺增生是中老年男性的常见病症。主要表现为两类临床症状,一类是前列腺早期增生时引发的膀胱刺激症状。表现为尿频、尿急、夜尿增多及急迫性尿失禁,一类是前列腺增生阻塞尿路引起的排尿梗阻症状,表现为排尿无力、尿潴留,容易引起尿路感染、肾功能遭到破坏,严重时还会导致尿毒症,对病人的健康和生活造成严重的影响。大部分BPH患者可以通过经尿道手术、激光前列腺汽化术等方式治愈。
　　 采用激光手术汽化切除增生的前列腺已经开始广泛应用。因为激光较易被水,氧和血红蛋白吸收,所以有止血效果好,易于医生的手术操作,减轻病人的痛苦,减少医疗的风险等等优点。Nd:YAG激光是前列腺激光外科中应用历史最长的激光。Nd:YAG激光又称掺钕-镱-铝石榴石激光,波长为1064nm,该波段属于近红外不可见光,几乎不被水吸收,因此外科手术时经水传递的能量丢失很少,并且手术的安全性最好,基本不出血,也无TURS出现,尤其适用于高龄高危患者。早期用连续的Nd:YAG激光手术治疗BPH,这种激光止血效果好,手术视野清晰,组织穿透性较强。但是连续YAG激光功率很低,所需要的手术切除时间较长,对组织的热损伤较大,效果不太理想。而脉冲激光作用于组织时,组织吸收的热量不可能在短时间内迅速向周围组织传递,而且在两个脉冲的间隔,由于热传导的原因,使得靶组织的热量有一定的扩散时间,因而脉冲激光比连续激光有更多的优点。长脉冲YAG激光治疗仪还有峰值功率高、易于快速汽化腺体,热损伤范围小等特点。
　　 本课题即采用Nd:YAG固体激光器。其组成包括激光工作物质掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、氪灯泵浦光源、双椭圆泵浦腔,光学谐振腔。激光器采取光泵浦的工作方式,电源的电能转换成泵浦光源的光能,再转变成激光工作物质的储能。光泵浦系统由电源、泵浦光源和泵浦腔组成。电源用以提供能量,泵浦光源用。泵浦腔又叫聚光腔,其作用是将泵浦光源的辐射能量最大限度地聚集在激光工作物质上。激光器系统结构包括机械装置、激光的产生器件和光路器件、电路控制和显示系统,以及系统软件四部分组成。高功率大能量激光的传输,采用石英玻璃作纤芯材料的塑料包层光纤。
　　 目前医院使用的激光治疗装置的控制与应用电路,大多采用以89C51为核心的单片机控制系统,来实现对激光电源和操作按键的控制,功能较为单一。尤其缺乏对泵浦源冷却水温度和光纤耦合器温度的检测,无法在过流过压时对泵浦源提供保护。本课题的目标是为激光汽化装置设计完善、安全、稳定、高效、实时性好的电路控制和监测系统,真正实现医疗仪器的智能化和数字化。主控板实现对激光电源和脚踏板开关的控制、并与触摸屏电路以及各个检测电路的通信。触摸屏主要完成激光电源参数的设定、调节和显示,并且显示各个监测电路的监测结果、报警提示界面等。监测电路有防止激光光路偏置的光纤接口温度检测电路、泵浦源冷却水温度检测电路、功率检测和稳定反馈电路。
　　 为了便于机器的维护和调试,本系统采用模块化设计,分硬件部分和软件部分。硬件部分分为主控板电路、触摸屏电路、功率检测和稳定电路、泵浦源冷却水温度检测电路、光纤接口温度检测电路,并留有与HIS系统联网功能的接口、与膀胱镜系统的接口。电路的MCU采用性价比高的AVR系列,每个电路都有自己的MCU,主控板和触摸屏采用ATMEGA128芯片作为其MCU,其余的用ATMEGA8芯片,通过RS232接口进行各个模块间的数据通信。功能电路的设计上,应用了光电转换功能且灵敏度高的热电堆红外传感器TPS334,来收集红外辐射并输出电信号,从而非接触地监测激光治疗仪光纤支架的温度。功率检测与稳定电路,是利用金封光敏管SFH302-2来探测光子的多少,通过一定的比例运算,近似计算激光器的功率。利用光电传感器SFH302—2制成的功率检测电路的传感器探头在泵浦源和全反镜之间放置,接收光子并进行光电转换。然后利用激光功率计测量并记录激光器的实际功率,通过大量的实验,确定功率检测电路与实际功率值的对应关系。从而可以实时检测激光功率,并通过单片机ATmega8L反馈给主控板,调节激光电源的脉宽与频率,控制并稳定激光的输出功率。泵浦源冷却水检测电路用于监测泵浦源的实时温度,并反馈给主控板,一旦出现温度过高的情况,马上报警并自动停机。它采用热敏电阻PT100作为接触式的温度传感器,只要温度超出范围,电路即输出报警信号。软件程序上,根据各个电路模块分别设计各个电路的主程序与子程序,再用特定的通信协议把各电路连接通信。
　　 本课题的研究工作,是为激光汽化治疗前列腺增生装置设计一套智能化、数字化的电路控制系统,充分发挥激光技术在临床上的应用。提供良好的人机交互接口,便于医生的手术操作,并且对激光器的工作状态实时监测和反馈。该套电路控制系统有以下特色:采用友好的人机操作设备液晶触摸屏。它操作简便,只需要手指接触屏幕,便可以人机通信；界面友好,医生或实验者无需花长时间去培训以熟悉机器的操作,便可以迅速掌握清楚机器的信息、提示和指令。响应迅速,安全可靠。具有良好的扩充性,可随时增加系统的内容和数据,并为今后的与PC通讯,与HIS联网,数据库的操作等提供方便；形象的界面图显示某个功率范围内激光切割腺体的效果,为医生做手术时提供形象的参考。主控板电路和触摸屏控制板电路以ATMEL公司的8位系列单片机最高配置的ATmega128作为控制芯片。主控板实现对激光电源和脚踏板开关的控制、并与触摸屏控制电路以及各个检测电路的通信。触摸屏电路主要完成激光电源参数的设定、调节和显示,还有各个监测电路的监测结果、报警显示界面等。监测电路有防止激光光路偏置的光纤接口温度检测电路、冷却水温度检测电路、功率检测反馈电路,利用功能强大的Protel dxp软件设计电路的原理图和PCB图。利用非常灵敏的光电二极管接收全反射镜后散射出来的光子,经过特定电路进行光电转换,按照一定的比例关系从而计算出输出激光的实际功率,给医生进行手术提供非常有用的依据。利用灵敏度高的红外线传感器测光纤接口处的温度,避免与激光光束和光纤支架的直接接触,而且扩大对光纤支架处的测量范围。利用热敏电阻做成的泵浦源温度检测装置,将传感器贴在泵浦源的封装盒子表面,监测激光棒冷却液的温度。并反馈给主控板,为激光器提供保护。
　　 本文最后基于取得的初步成果,对接下来的研究工作应该从哪些方面来开展进行了论述。如利用所设计的激光器进行动物实验与临床实验。基于现在PC技术的发展,考虑激光器与PC的联接、与医院数据库如HIS系统连接,从而更加方便医院的管理流程；加入内窥镜系统或膀胱镜系统,从而方便医生进行手术操作。考虑该套电路系统在其它固体激光器的移植,以促进激光技术的在临床医学上的应用与发展等等。