一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统及其方法

摘要

本发明公开了一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统及其方法，所述系统包括制冷剂储罐、高压软管、快速响应电磁阀、喷嘴、温度表、压力表、电动三维位移平台、旋转台、激光控制箱、激光器光源探头、琼脂皮肤仿体、积分球、硅光电探测器、光谱仪、NI数据采集卡和电脑；制冷剂经喷嘴形成的喷雾和激光器光源探头发射的激光作用于琼脂皮肤仿体，然后激光进入积分球内部经反射后被光谱仪和硅光电探测器捕捉并进行吸光度和光强信号收集和转换，由NI数据采集卡采集后存储至电脑中；本发明填补了激光皮肤手术中激光能量衰减测试技术领域内的空白，可为皮肤病临床治疗中制冷剂喷雾辅助冷却技术参数的选取提供精准化理论参考。

说明书

技术领域

本发明属于医学装置技术领域，具体涉及一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统及其方法。

背景技术

在激光皮肤医学领域，基于选择性光热效应的激光皮肤手术通过选择合适波段的激光照射皮肤组织，可使激光能量最大限度地被真皮病变色基(增生黑色素或血管)所吸收，从而靶向祛除病变色基，同时避免周围正常组织的热损伤，具有术后不出血、创伤性小、副作用小、疗效显著等优点，已成为诸如太田痣、葡萄酒色斑等皮肤病临床治疗的首选疗法。但人体尤其是黄种人表皮层内同样含有对激光具有强吸收的正常黑色素，激光在到达真皮内病变位置之前必须先穿越表皮层，往往造成出血、表皮灼伤和色素减退等副作用。

制冷剂喷雾冷却(Cryogen Spray Cooling，CSC)具有冷却能力强、表面液膜蒸发快、高空间及时间选择性以及对人体无毒等优势。在激光治疗前辅以短脉冲(<100ms)的制冷剂喷雾冷却，可有效防止表皮黑色素和真皮病变色基(增生黑色素或血管)竞争性吸收激光能量带来的表皮灼伤，进而提高激光许用能量、改善治疗效果，已成为诸如太田痣、葡萄酒色斑等皮肤病的黄金治疗法则。

制冷剂喷雾冷却时，大量液滴撞击至皮肤表面并发生复杂相变传热及动力学行为，之后液滴汇聚形成液膜，随后液膜蒸发并伴随长时间(约500ms)的结霜现象。实际的临床治疗考虑到冷却效果，无法等皮肤表面液膜和霜层完全消失后，再照射激光。而飞行中的液滴以及沉积在皮肤表面上的液膜与霜层对激光势必造成吸收和散射，使实际进入人体皮肤的激光能量有所衰减。然而目前尚缺少一套成熟且完备的可用于临床上喷雾对激光能量衰减的试验系统及方法，无法为诸如太田痣、葡萄酒色斑等皮肤病临床治疗中制冷剂喷雾辅助冷却技术提供精准化理论参考。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统及其方法，用来测量临床中喷雾过程对激光能量的衰减特性，从而为医师优化冷却与临床冷却治疗参数选取提供精准化理论参考。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明首先提供一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统，所述系统包括喷雾发生装置、吸光度与光强测试装置以及数据连接线；

所述喷雾发生装置包括制冷剂储罐、高压软管、快速响应电磁阀、喷嘴、温度表、压力表、电动三维位移平台以及旋转台；

所述吸光度与光强测试装置包括激光控制箱、激光器光源探头、琼脂皮肤仿体、积分球、硅光电探测器硅光电探测器、光谱仪、NI数据采集卡以及电脑。

所述数据连接线包括激光传输线、数据传输线、光强信号传输线、吸光度信号传输线和导线；

所述制冷剂储罐上方安装有温度表和压力表，用以监测储罐内制冷剂温度和压力；

所述制冷剂储罐与快速响应电磁阀通过高压软管连接，快速响应电磁阀下端连接喷嘴；所述喷嘴还与旋转台相连，所述旋转台安装在电动三维位移平台Z轴上；所述旋转台和电动三维位移平台分别用于喷嘴角度和高度的调整；

所述激光控制箱与激光器光源探头通过激光传输线连接，激光控制箱可调节激光器光源探头所产生激光的能量和光斑大小；

所述激光器光源探头的下方依次为琼脂皮肤仿体和积分球；

所述积分球的两端设有开口，分别为积分球入口和积分球出口；所述琼脂皮肤仿体设于积分球入口上；所述积分球出口处设有硅光电探测器和光谱仪；

所述喷嘴也位于琼脂皮肤仿体的上方，使得喷嘴喷出的液体能喷射至琼脂皮肤仿体的表面；

所述硅光电探测器通过光强信号传输线与NI数据采集卡电性连接；所述光谱仪通过吸光度信号传输线与NI数据采集卡电性连接；

所述NI数据采集卡还通过导线与快速响应电磁阀电性连接，用于控制快速响应电磁阀的开启；

所述NI数据采集卡通过数据传输线与电脑电性连接。

优选的，所述喷嘴具体为不锈钢直管喷嘴；所述喷嘴的角度调整范围为0-360°，高度的调整范围为0-200mm；所述不锈钢直管喷嘴包括安装螺丝和不锈钢毛细管，安装螺丝和不锈钢毛细管通过环氧树脂胶连接；所述不锈钢毛细管的长度为40～60mm，内径为0.8～1.0mm。

优选的，所述琼脂皮肤仿体位于激光器光源探头的正下方，以便激光器光源探头发射的激光垂直照射于琼脂皮肤仿体表面；所述喷嘴琼脂皮肤仿体的斜上方，避免喷嘴与激光器光源探头所发出的激光发生空间干涉。

优选的，所述喷嘴的轴线与琼脂皮肤仿体所在水平面的夹角为45～60°，喷嘴出口距离琼脂皮肤仿体上表面的垂直距离为30～40mm。

优选的，所述积分球内壁涂有反射层，反射率不小于97％。

优选的，所述琼脂皮肤仿体成分为琼脂、印度墨水以及脂肪乳剂；所述琼脂皮肤仿体的尺寸为20×20×1mm

优选的，所述激光器光源探头包括波长为532nm、755nm以及1064nm激光探头或者可发射连续波段的氙灯光源探头。

本发明还提供一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统的工作方法，具体步骤如下：

步骤一、首先在制冷剂储罐中充装制冷剂，充装完成后静置一段时间，等待温度表和压力表示数稳定；避免制冷剂在高压软管中局部汽化，造成工质利用率降低以及喷雾不稳定；

待温度表和压力表示数值稳定后，制冷剂储罐内的制冷剂在压力推动下经由高压软管进入喷嘴；通过快速响应电磁阀用于精确控制喷嘴的开启和关闭，以此确定喷雾持续时间；喷嘴开启时，制冷剂经过喷嘴雾化成大量细小液滴，形成喷雾并喷射至琼脂皮肤仿体表面；喷嘴的轴线与琼脂皮肤仿体所在水平面的夹角通过旋转台调节；喷嘴出口距离琼脂皮肤仿体上表面的垂直距离通过电动三维位移平台进行调节；

步骤二、所述激光器光源探头所发出的激光能量和光斑大小通过激光控制箱进行调节后，打开激光控制箱的电源开关，激光又激光器光源探头发射出并垂直照射琼脂皮肤仿体；同时喷嘴开启，一部分激光被喷嘴所雾化形成的喷雾散射和吸收，剩余部分激光穿透琼脂皮肤仿体，由积分球入口进入积分球内部；

步骤三、积分球的内壁涂有均匀反射层，反射率不小于97％，激光由琼脂皮肤仿体透射，并经积分球入口进入积分球后，进行多次反射，最后由放置在积分球出口位置的硅光电探测器侦测光强信号，硅光电探测器将光强信号转化为电信号后通过光强信号传输线传入NI数据采集卡内进行信号采集；

所述积分球出口位置处还安装有光谱仪，光谱仪将吸光度信号转化为电信号后通过吸光度信号传输线传入NI数据采集卡内进行信号采集；

步骤四、具体操作时，快速响应电磁阀与激光控制箱的开关电源同步开启，保证喷雾冲击琼脂皮肤仿体表面的同时，激光同步照射至琼脂皮肤仿体。

优选的，步骤一中所述制冷剂为R134a、R404A、R410A、R32和液态CO

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统及方法，使用光谱仪和硅光电探测器侦测喷雾吸光度与光强信号，填补了该技术领域内的空白，使用该系统进行喷雾对激光能量衰减测试实验，可为诸如太田痣、葡萄酒色斑等皮肤病临床治疗中制冷剂喷雾辅助冷却技术冷却参数选取提供精准化理论参考。

2、由于制冷剂的易挥发性，制冷剂注入制冷剂储罐内在经历30-40分钟后自动稳定在各自饱和压力，该压力作为制冷剂流动与雾化的驱动力，不需额外泵等供液装置和复杂管路，大大简化了系统构成，在节能的同时使冷却系统更加安全可靠。

3、本发明使用不锈钢直管喷嘴雾化制冷剂形成喷雾，不锈钢直管喷嘴结构简单，流动阻力小，且价格低廉、方便临床拆卸和更换。

4、本发明使用琼脂皮肤仿体代替人体皮肤，在保证与人体皮肤光学参数相似的前提下，避免创伤性地采集病人皮肤标本，同时不需生物医学实验研究的伦理审查。

5、本发明采用快速响应电磁阀精确控制喷雾通断，快速响应电磁阀开闭时间小于6ms，可满足临床上ms级脉冲喷雾时间控制精度的要求。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2为本发明不锈钢直管喷嘴的示意图。

图3为本发明使用可发射连续波段的氙灯光源照射琼脂皮肤仿体表面的吸光度试验结果图。

图4为本发明使用1064nm激光照射琼脂皮肤仿体表面的透光率试验结果图。

附图标记说明：1-激光控制箱、2-激光传输线、3-激光器光源探头、4-旋转台、5-电动三维位移平台、6-琼脂皮肤仿体、7-积分球入口、8-不锈钢直管喷嘴、9-快速响应电磁阀、10-高压软管、11-数据传输线、12-积分球、13-压力表、14-温度表、15-电脑、16-NI数据采集卡、17-光强信号传输线、18-吸光度信号传输线、19-硅光电探测器、20-光谱仪、21-积分球出口、22-导线、23-制冷剂储罐、24-安装螺丝、25-不锈钢毛细管。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

为监测临床上制冷剂喷雾对激光能量的衰减特性，本发明首先提供一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统，如图1所示，所述系统包括喷雾发生装置以及吸光度与光强测试装置；

所述喷雾发生装置包括制冷剂储罐23、高压软管10、快速响应电磁阀9、不锈钢直管喷嘴8、温度表14、压力表13、电动三维位移平台5以及旋转台4；

所述吸光度与光强测试装置包括激光控制箱1、激光器光源探头3、琼脂皮肤仿体6、积分球12、硅光电探测器19、光谱仪20、NI数据采集卡16以及电脑15；所述激光器光源探头3包括波长为532nm、755nm以及1064nm激光探头或者可发射连续波段的氙灯光源探头。

其中，制冷剂储罐23上方安装有温度表14和压力表13，用以监测储罐中制冷剂温度和压力；制冷剂储罐23与快速响应电磁阀9通过高压软管10连接，快速响应电磁阀9下端连接不锈钢直管喷嘴8；快速响应电磁阀9控制不锈钢直管喷嘴8的开启与关闭；

所述不锈钢直管喷嘴8还与旋转台4相连，旋转台4安装在电动三维位移平台5的Z轴上；旋转台4用于不锈钢直管喷嘴8角度的调整，调整范围调整为0-360°；电动三维位移平台5用于不锈钢直管喷嘴8高度的调整，调整范围为0～200mm；

如图2所示，本发明所使用的不锈钢直管喷嘴8包括安装螺丝24和不锈钢毛细管25，安装螺丝24和不锈钢毛细管25通过环氧树脂胶连接，本实施例中不锈钢毛细管25长度为60mm，内径为0.8mm；

所述激光控制箱1与激光器光源探头3通过激光传输线2连接，激光控制箱1可调节激光器光源探头3所产生激光的能量和波长大小；本实施例中使用1064nm波段激光以及可发射连续波段的氙灯光源，光斑直径均为6mm、功率为0.5W；

所述激光器光源探头3的下方依次为琼脂皮肤仿体6和积分球12；其中琼脂皮肤仿体6具备与人体皮肤相近的光学特性，且稳定性高、易于制备，成分为琼脂、印度墨水以及脂肪乳剂；可分别模拟人体皮肤中的基质、吸收成分(黑色素等)和散射成分(胶原纤维和弹性纤维等)，其制备方法为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述，本实施例中制备后的琼脂皮肤仿体6尺寸为20×20×1mm

琼脂皮肤仿体6具体位于激光器光源探头3的正下方，以便激光器光源探头3发射的激光垂直照射于琼脂皮肤仿体6表面；所述不锈钢直管喷嘴8位于琼脂皮肤仿体6的斜上方，避免不锈钢直管喷嘴8与激光器光源探头3所发出的激光发生空间干涉。临床上为避免不锈钢直管喷嘴8与激光器光源探头3所发出的激光发生空间干涉，激光垂直照射皮肤，不锈钢直管喷嘴8倾斜放置；本实施例中，不锈钢直管喷嘴8的轴线与琼脂皮肤仿体6所在平面的夹角设置为60°，不锈钢直管型喷嘴8出口距离琼脂皮肤仿体6上表面的垂直距离为30mm；

所述积分球12的两端设有开口，分别为积分球入口7和积分球出口21；所述琼脂皮肤仿体6设于积分球入口7上；所述积分球出口21处设有硅光电探测器19和光谱仪20；

所述不锈钢直管喷嘴8也位于琼脂皮肤仿体6的上方，使得不锈钢直管喷嘴8喷出的液体能喷射至琼脂皮肤仿体6的表面；

所述硅光电探测器19通过光强信号传输线17与NI数据采集卡16电性连接；所述光谱仪20通过吸光度信号传输线18与NI数据采集卡16电性连接；

所述NI数据采集卡16还通过导线22与快速响应电磁阀9电性连接，用于控制快速响应电磁阀9的开启；本实施例中的喷雾时间设置为50ms；

所述NI数据采集卡16通过数据传输线11与电脑15电性连接，将NI数据采集卡16所采集的光强及吸光度数据存储至电脑15中；

本发明还提供一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统的工作方法，具体如下：

步骤一、首先分别在制冷剂储罐23中依次充装制冷剂R134a、R404A和R32制冷剂进行试验，在每次充装完成后静置30min，等待后待温度表和压力表示数稳定；避免制冷剂在高压软管中局部汽化，造成工质利用率降低以及喷雾不稳定；

待温度表13和压力表14示数值稳定后，制冷剂储罐23内的制冷剂在压力推动下经由高压软管10进入不锈钢直管喷嘴8；通过快速响应电磁阀9用于精确控制不锈钢直管喷嘴8的开启和关闭，以此确定喷雾持续时间，喷雾持续时间确定为50ms；不锈钢直管喷嘴8开启时，制冷剂经过不锈钢直管喷嘴8雾化成大量细小液滴，形成喷雾并喷射至琼脂皮肤仿体6表面；不锈钢直管喷嘴8的轴线与琼脂皮肤仿体6所在水平面的夹角通过旋转台4调节，夹角设置为60°；不锈钢直管喷嘴8出口距离琼脂皮肤仿体6上表面的垂直距离通过电动三维位移平台5调节，距离设置为30mm；

步骤二、所述激光器光源探头3所发出的激光能量和光斑大小通过激光控制箱1进行调节后，打开激光控制箱1的电源开关，激光垂直照射琼脂皮肤仿体6，一部分激光被不锈钢直管喷嘴8所雾化形成的喷雾散射和吸收，剩余部分激光穿透琼脂皮肤仿体，进入积分球12内；采用激光波长为370～1400nm连续波段的氙灯光源以及1064nm单波长光源分别进行试验，光斑直径为6mm、功率为0.5W。

步骤三、所述积分球12内壁涂有均匀反射层，反射率为97％，光由琼脂皮肤仿体6透射，并经积分球入口7进入积分球12后，进行多次反射，最后由放置在积分球出口21位置的硅光电探测器侦测光强信号，硅光电探测器19将光强信号转化为电信号后通过光强信号传输线17传入NI数据采集卡16内进行信号采集；

所述积分球出口21位置处还安装有光谱仪20，光谱仪20将吸光度信号转化为电信号后通过吸光度信号传输线18传入NI数据采集卡16内进行信号采集；

具体操作时，快速响应电磁阀9与激光控制箱1的开关电源同步开启，保证喷雾冲击琼脂皮肤仿体6表面的同时，激光同步照射至琼脂皮肤仿体6。

为研究整个制冷剂喷雾冷却过程(包括液滴、液膜以及结霜的形成和发展过程)对激光能量的瞬态衰减特性，本实施例中当激光器光源探头3所发出的激光开始照射时，NI数据采集卡16通过导线22同步触发快速响应电磁阀9开启，形成50ms脉冲喷雾，使用硅光电探测器19和光谱仪20采集自喷雾开始2s内的电压数据，通过数据转换后记录于电脑15中；

本实施例选用制冷剂工质R134a、R404A和R32，分别进行试验。

下面给出本实施例中使用370～1400nm连续波段氙灯光源以及1064nm单波长激光分别照射琼脂皮肤仿体6表面，使用R134a、R404A和R32制冷剂，喷雾时间为50ms时，吸光度和透光率典型试验结果；

图3为使用可发射连续波段的氙灯光源照射琼脂皮肤仿体6表面的吸光度试验结果，图3中坐标A和λ分别表示吸光度和波长。可以看出制冷剂喷雾过程在370～1400nm波段内无明显吸收波峰或波谷。吸光度A随波长λ增大而迅速减小，之后在近红外波段稳定。在可见光的短波段内，三种制冷剂喷雾过程均有较高的吸光度，相比于R134a，R404A和R32制冷剂吸光度较小。

图4为使用1064nm单波长激光照射琼脂皮肤仿体6表面的透光率试验结果，图4中LT和t分别表示透光率和时间。可以看出相比于R404A喷雾，R134a在初始喷雾阶段(t<50ms)内对1064nm激光能量衰减更强。当t>63ms时R32喷雾对1064nm激光的透光率高达94％，可满足CSC临床应用要求。

综上所述，本发明公布了一种用于激光皮肤手术中制冷剂喷雾辅助冷却的光衰减特性试验系统及其方法，使用光谱仪20和硅光电探测器19侦测喷雾吸光度与光强信号，填补了该技术领域内的空白，使用该系统进行喷雾对激光能量衰减测试实验，可为诸如太田痣、葡萄酒色斑等皮肤病临床治疗中制冷剂喷雾辅助冷却技术冷却参数选取提供精准化理论参考。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。