【作 者】劉文陸，周傳清，任秋實(shí)

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海，閔行，200240

2 上海奧通激光技術(shù)有限公司，上海，閔行，200240

0 引言

眼底病是眼科常見病多發(fā)疾病，類別繁多，發(fā)病率高。激光治療眼底病已經(jīng)積累了豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)，其療效顯著，甚至對(duì)于某些眼底病，激光治療已經(jīng)成為首選。與單一波長激光相比，多波長激光能夠克服眼屈光介質(zhì)混濁的障礙，針對(duì)不同病變組織對(duì)不同的光譜吸收特性，進(jìn)行個(gè)性化治療，損傷小而能效利用率高，擴(kuò)大了眼科臨床的診療范圍，成為眼科臨床激光治療的發(fā)展方向。多波長氪激光裝置由于較早進(jìn)入眼科臨床，是較廣泛使用的眼底病多波長激光治療設(shè)備[1-4]。但是氪激光屬于氣體激光，有體積龐大、效率低，穩(wěn)定性和可靠性較差等缺點(diǎn)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器(DPL)具有體積小、重量輕、效率高、穩(wěn)定性好、可靠性高、壽命長和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，不僅克服了以往氪多波長激光治療設(shè)備的不足，而且擴(kuò)大了眼底病治療的適應(yīng)癥范圍。

1 設(shè)備系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

人體不同組織對(duì)不同顏色光吸收率不同，而同一組織不同成分對(duì)同種光吸收特性也不同。眼底病治療需要一定的激光功率、激光波長和激光光斑尺寸，但是又要求激光穿透眼前、后節(jié)時(shí)，激光對(duì)組織損傷最小[5-6]。所以，全固態(tài)多波長激光治療設(shè)備集成紅(659 nm)、黃(589 nm)、綠(532 nm)三種醫(yī)用激光器，可滿足臨床多種復(fù)雜眼病的治療需求。針對(duì)同一眼底而不同部位、不同病變性質(zhì)、不同屈光介質(zhì)狀況，可選用不同波長的激光進(jìn)行個(gè)性化設(shè)定治療[7-9]。本文介紹的研制設(shè)備內(nèi)置光閘，可快速進(jìn)行三種波長的切換；組合濾波片系統(tǒng)使激光功率在0—100%范圍內(nèi)組合可調(diào)；選定波長的激光通過光纖耦合器進(jìn)入光纖傳輸系統(tǒng)，光纖適配器與眼科裂隙燈集成為精度高、穩(wěn)定性好的全固態(tài)多波長激光眼底病治療設(shè)備。

2 全固態(tài)半導(dǎo)體泵浦倍頻激光器技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

全固態(tài)多波長激光眼底病治療設(shè)備的主要技術(shù)，包括全固態(tài)激光器的設(shè)計(jì)，內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，多波長激光耦合和光纖傳輸系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 全固態(tài)半導(dǎo)體泵浦激光器設(shè)計(jì)

全固態(tài)532 nm、589 nm和659 nm3種波長激光器，采用Nd:YAG激光器腔內(nèi)倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。激光器采用高穩(wěn)定性抗損傷光學(xué)薄膜制備技術(shù)，非均勻膜厚結(jié)構(gòu)和優(yōu)化膜料參數(shù)設(shè)計(jì)；激光電源系統(tǒng)（圖1所示）采用恒流源技術(shù)和功率反饋技術(shù)，結(jié)合TEC精確控制半導(dǎo)體泵浦源及激光器溫度；根據(jù)醫(yī)用光源特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化控制電源參數(shù)，提高激光器的功率穩(wěn)定度和輸出可靠性。激光器采用一體化、緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于設(shè)備系統(tǒng)集成。

圖1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure of system circuit

2.2 內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將三種激光波長，分別通過反射鏡、濾波片和光閘等器件傳輸?shù)焦饫w耦合器中（圖2所示）。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of optical system

為了實(shí)現(xiàn)3種波長的快速切換，在激光器的出光口處分別設(shè)置快速切換光閘。選用的光閘可以在10 mS內(nèi)實(shí)現(xiàn)光路的通斷，以保證激光的精確作用時(shí)間。擋光片采用陶瓷材質(zhì)，抵抗高功率激光，能夠更好地保護(hù)光閘。不同的病例需要不同的激光功率，系統(tǒng)特別設(shè)置了功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其原理是通過組合濾波片來實(shí)現(xiàn)不同的激光功率的衰減，以達(dá)到激光功率的調(diào)節(jié)（圖3所示）。系統(tǒng)由3個(gè)電控濾波片旋轉(zhuǎn)盤組成，每個(gè)濾波片旋轉(zhuǎn)盤上設(shè)置4個(gè)不同透過率的衰減片，這樣可以在0—100%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)64種衰減率的激光參數(shù)要求。

圖3 電控濾波片旋轉(zhuǎn)盤Fig.3 Elctronic fi lter rotating disk

圖4 光纖耦合器Fig.4 Fiber cupler

圖5 耦合器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.5 Structure of couplers

2.3 激光耦合及光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖耦合器（圖4所示）是系統(tǒng)重要組成部件，它將激光耦合進(jìn)光纖，耦合效率和可靠性是其重要指標(biāo)。耦合器的結(jié)構(gòu)原理（圖5所示），使用多層真空鍍膜技術(shù)，選擇性實(shí)現(xiàn)不同波長的低損耗耦合。光纖適配器主要用于激光傳輸并實(shí)現(xiàn)與裂隙燈系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)。使用復(fù)消色差技術(shù)和連續(xù)變倍技術(shù)，在角膜和晶狀體處保持低能量密度的同時(shí)，提供邊緣銳利能量均勻的光斑，實(shí)現(xiàn)治療光斑50 μm～1000 μm連續(xù)可調(diào)。系統(tǒng)采用醫(yī)療專用光纖，光纖外層設(shè)有鎧裝保護(hù)套。SMA905光纖接頭，便于光纖連接，激光通過光纖傳輸?shù)搅严稛麸@微鏡中。瞄準(zhǔn)光與治療光同軸共焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)治療靶位的精確定位。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全設(shè)計(jì)

醫(yī)療儀器的安全控制是系統(tǒng)控制的核心。設(shè)備系統(tǒng)獨(dú)有的光纖傳輸通道，系統(tǒng)自動(dòng)感知光纖傳輸裝置，自動(dòng)補(bǔ)償激光參數(shù)，確保任何通道到角膜的能量一致。多種安全防護(hù)鏡模式，根據(jù)術(shù)者需要進(jìn)行選擇，確保其雙眼的安全。

設(shè)備在治療時(shí)，需要進(jìn)行激光波長切換、能量調(diào)節(jié)、發(fā)射和中止以及作用時(shí)間和間隔等操作。上述功能都是通過核心控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，采用液晶觸摸屏為控制界面，基于AVR單片機(jī)的控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Diagram of contral system

3 總結(jié)

根據(jù)臨床需求，多波長眼底激光在進(jìn)行眼底病治療時(shí)，同一眼底病也需要根據(jù)不同部位、不同病變性質(zhì)、不同屈光介質(zhì)狀況而選用不同波長激光。所研制的全固態(tài)多波長激光眼底病治療設(shè)備，選用了532 nm、589 nm、659 nm3種波長的激光，采用復(fù)消色差和精密耦合技術(shù)，使3種波長激光能夠高效耦合到同一根光纖，在同光路引導(dǎo)光指示下準(zhǔn)確傳輸?shù)街委煵课?。?zhǔn)確的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)治療激光的波長轉(zhuǎn)換、功率幅值、脈寬及輸出時(shí)間的控制，精密光學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證治療激光的能量密度及高效精確傳輸，從而滿足眼底病治療的個(gè)性化需求。

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