长脉冲YAG激光治疗仪的研制

论文摘要

激光问世以来,即受到医学界的极大重视,由于其良好的止血效果以及凝聚、校准、单色三大特性,能够精确地将病变组织切除、汽化或凝固而对周围正常组织伤害很小。激光可以通过光导纤维传入人体直接实施手术,成为微创外科最重要的技术之一。对于良性前列腺增生这一老年常见病,激光的应用却不是一帆风顺的,传统的连续YAG激光、钬激光以及绿激光都没有在临床上得到广泛的推广,本文分析了几种激光的优点与不足,并且在连续YAG激光的技术上加以改进,提出并制造了脉冲式的YAG激光治疗仪器,由于此激光脉宽较长,所以称之为长脉冲YAG激光治疗仪。本文重点讲述了长脉冲YAG激光治疗仪各部分的研制,包括激光发生器,电源电路,控制电路以及人机交互控制界面,同时对激光作用于生物组织所产生的热效应进行了分析与模拟,而且也通过损伤实验加以验证。我们采用的固体脉冲激光器包括工作物质、泵浦源、聚光腔、谐振腔、冷却装置等几部分,工作物质为Nd:YAG晶体棒,具有四能级系统,在受激发射的条件下发射出波长为1064nm的光子,这些光子在平凹型的光学谐振腔内得到放大、振荡与筛选,输出高能量的激光。氪灯作为其泵浦源,作用是提供足够的能量使得YAG晶体保持处于粒子数反转的状态,为了让更多的光能汇聚到工作物质上,我们采用内表面镀有金膜的双椭圆形聚光腔。冷却系统是为了防止激光器内部元件温升过高而影响激光器正常工作。对于无创或微创的激光外科手术,我们期望其能够精确的切除患病组织而尽可能少的伤及周围正常组织。激光与生物组织的热相互作用会产生不同的热效应,如凝固、汽化和碳化等。激光的能量在组织中不断的积聚与扩散,还会引起不同程度的热效应与热损伤。本文讨论了生物组织的热传导模型和其光学参数,推导了相关的热效应计算公式,模拟了经高功率激光照射后的生物组织瞬时温度分布,预测了热损伤深度以及描述了热穿透深度与时间的关系。对于本仪器的临床应用提供了理论上的指导。控制系统以AT89S52为核心,通过键盘控制相应的参量值,参量在单片机内部进行数据处理后经D/A转换输出相应比例的电压值来调节输出电压和调制脉冲宽度。根据输入电压的不同,通过SG3525芯片可以控制输出脉冲的占空比,达到精确控制激光输出能量的目的。激光的正常输出需要冷却水的温度不能太高,所以温度检测电路必不可少。仪器还可以通过RS232接口与计算机连接,可以查看并保存病人信息,对手术过程现场观看以及录制回放,或者与医院信息系统相连接,以符合现代化医学仪器的要求。本仪器的各种实验验证仍在进行中,文中对离体组织的热损伤实验进行了详细的描述,对实验数据进行了分析,对存在的问题进行了讨论。文章最后对工作中遗留的问题以及对以后工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 良性前列腺增生
• 1.1.2 激光在医学领域的应用
• 1.1.3 TURP与TURS
• 1.1.4 常用于治疗BPH的激光
• 1.2 本课题的意义
• 1.3 论文的内容安排
• 第2章 激光技术
• 2.1 概述
• 2.2 激光产生的物理机制
• 2.2.1 自发辐射、受激辐射与受激吸收
• 2.2.2 粒子数反转
• 2.3 固体激光器的设计
• 2.2.1 激光工作物质
• 2.2.2 泵浦源
• 2.2.3 聚光腔
• 2.2.4 光学谐振腔参数的选择与设计
• 2.2.5 冷却系统
• 2.4 激光的传输与调试
• 第3章 激光的生物学效应
• 3.1 光和物质
• 3.1.1 反射和折射
• 3.1.2 吸收
• 3.1.3 散射
• 3.1.4 光子传输理论
• 3.2 激光与生物组织的相互作用
• 3.3 生物传热模型
• 3.3.1 热产生
• 3.3.2 热传输
• 3.3.3 热效应
• 3.4 前列腺组织的模拟温度分布
• 第4章 长脉冲YAG激光治疗仪的电气系统
• 4.1 电气系统总体设计
• 4.2 脉冲固体激光器电源原理
• 4.2.1 主电路系统
• 4.2.2 脉冲泵浦灯的触发及预燃电路
• 4.3 控制电路
• 4.3.1 数模转换电路
• 4.3.2 温度检测电路
• 4.3.3 脉宽控制电路
• 4.3.4 液晶显示电路
• 4.4 人机交互界面
• 4.4.1 系统设计
• 4.4.2 功能模块
• 第5章 激光损伤的实验验证
• 5.1 离体组织的热损伤实验
• 5.1.1 实验的材料
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.3 实验结果与数据
• 5.2 手术方式及止血效果研究
• 第6章 论文总结与工作展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录一: 攻读硕士期间发表的论文及取得的成果
• 致谢