納秒鈥激光碎石系統(tǒng)設(shè)計

陳瑞濤，顧華東，鄭陳琪，楊 杰，吳先友

(1.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州215163;2.江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點實驗室，蘇州215163;3.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥230031)

引 言

泌尿系統(tǒng)結(jié)石是一種常見病和多發(fā)病，全世界的發(fā)病率約為5% ～15%［1］。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步，其治療手段逐漸由開放性手術(shù)向微創(chuàng)治療方向發(fā)展?，F(xiàn)在的治療技術(shù)主要有體外沖擊波碎石術(shù)和輸尿管鏡碎石術(shù)。

結(jié)石大小、位置、化學(xué)成分和解剖異常等因素影響體外沖擊波碎石術(shù)的治療效果［2］。輸尿管鏡碎石術(shù)主要包括氣壓彈道碎石術(shù)和鈥激光碎石術(shù)。氣壓彈道碎石容易導(dǎo)致結(jié)石移位，治療過程中會出現(xiàn)創(chuàng)傷、出血等并發(fā)癥［3］。氣壓彈道聯(lián)合超聲碎石，低硬度結(jié)石用超聲碎石，高硬度結(jié)石用氣壓彈道碎石，但是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜病灶、很難定位的結(jié)石碎石效果就差，結(jié)石殘留率高。

長脈沖(大于100μs)鈥激光碎石的機(jī)理是光熱效應(yīng)［4-7］。鈥激光在結(jié)石表面瞬間產(chǎn)生巨大能量，使其溫度迅速上升并產(chǎn)生熱分解作用，使結(jié)石粉碎。本系統(tǒng)采用的短脈沖(小于10μs)鈥激光的碎石機(jī)理主要是光機(jī)械效應(yīng)(光聲效應(yīng))［5-7］。短脈沖鈥激光脈沖持續(xù)時間短，與結(jié)石作用過程中，產(chǎn)生沖擊波、等離子體和空化作用等，通過機(jī)械能粉碎結(jié)石。與其它腔內(nèi)碎石方法相比，鈥激光可以粉碎各種成分和密度的結(jié)石，一次碎石率高［8］。碎石過程中結(jié)石不易移動，碎屑直徑?。?-10］。配合內(nèi)鏡技術(shù)應(yīng)用，可以治療難定位、結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位的結(jié)石，在碎石的同時還能處理軟組織病變，而且鈥激光的熱輻射還具有抗菌作用［11］。

1 納秒鈥激光碎石系統(tǒng)的特點

納秒鈥激光碎石系統(tǒng)采用性能優(yōu)良的Cr，Tm，Ho∶YAG晶體，激光器整體密封，抽真空后注入氮氣，保證低溫正常工作，運用中紅外電光調(diào)Q開關(guān)技術(shù)，200nm～4500nm內(nèi)有很高的透過率，提高了納秒鈥激光器的峰值功率，縮短了其輸出的最窄脈沖寬度。納秒鈥激光輸出波長2091nm，處在水的較強(qiáng)吸收帶，峰值功率高，脈沖寬度納秒級，采用低OH濃度的石英光纖傳輸，結(jié)合內(nèi)鏡系統(tǒng)，能夠粉碎各種成分的結(jié)石，有效治療其它碎石方法不易治療的難定位、結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位的結(jié)石等，熱效應(yīng)小，使用更安全、可靠。

2 系統(tǒng)設(shè)計

圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖，包括鈥激光器、激光電源、冷卻系統(tǒng)、觸摸屏控制系統(tǒng)和光學(xué)耦合與傳輸系統(tǒng)等組成部分。

Fig.1 Structure diagram of Cr，Tm，Ho∶YAG laser lithotripsy system

2.1 鈥激光器設(shè)計

圖2 為納秒鈥激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。激光晶體是激光器的關(guān)鍵器件，其質(zhì)量影響著激光器的輸出性能。激光棒是性能優(yōu)良的Cr，Tm，Ho∶YAG晶體，尺寸為?5mm×93mm，適當(dāng)控制 Cr3+，Tm3+，Ho3+3種離子的摻雜濃度，晶體兩端鍍2080nm的增透膜，反射率低于0.015%;抽運源選擇高壓氙燈，尺寸為?6mm×100mm，抽運能量大于 200J，脈沖寬度300μs。激光棒的熱透鏡效應(yīng)改變了諧振腔的光學(xué)性質(zhì)，是諧振腔的模式結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變的主要原因［12］。抽運、冷卻雙重過程作用于激光棒，使其沿徑向形成溫度梯度，引起熱透鏡效應(yīng)［13-14］。隨著抽運能量的提高，熱透鏡等效焦距f減小。為了減小熱透鏡效應(yīng)對輸出激光特性的影響，盡量選擇小的腔長［15］。為此，作者設(shè)計的諧振腔的長度為260mm，平凹腔，全反鏡的曲率半徑為1m，鍍有對2080nm全反的介質(zhì)膜，平面鏡作為輸出鏡，透過率為20%。

運用中紅外電光調(diào)Q開關(guān)技術(shù)，一方面可以壓縮輸出激光的脈沖寬度，另一方面可以提高輸出激光的峰值功率，實現(xiàn)納秒鈥激光的高峰值功率輸出，調(diào)Q晶體采用一種摻鎂鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體，其抗損傷閾值達(dá)200MW/cm2，鍍增透膜后的透射率高于 98%［16-17］。

Fig.2 Structure of Cr，Tm，Ho∶YAG laser

2.2 激光電源

激光電源向抽運源高壓氙燈提供電能。激光電源采用開關(guān)型脈沖激光電源，放電電容350μF，額定輸出功率2kW，脈沖重復(fù)頻率1Hz～10Hz可調(diào)，輸出電壓0V～1200V可調(diào)。

2.3 冷卻系統(tǒng)

Cr，Tm，Ho∶YAG 晶體和抽運氙燈需要冷卻系統(tǒng)對其進(jìn)行冷卻。冷卻水溫影響著激光器的閾值，溫度升高時，激光器的閾值也隨之升高;另一方面溫度越低，激光器的輸出效率就越高［12，18］，但是低溫產(chǎn)生的水汽容易導(dǎo)致激光晶體損傷。因此為了使激光器穩(wěn)定、高效工作，必須提供盡可能低的、穩(wěn)定的溫度環(huán)境;同時將激光器整體密封，抽真空后再充入氮氣，保證激光器在低溫時正常工作。

冷卻系統(tǒng)采用壓縮機(jī)制冷和恒溫控制的去離子水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。水溫控制在(22±1)℃。水泵采用磁力驅(qū)動離心泵，揚程4m，流速1.2m3/h。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，提高揚程和流速，可以減小熱效應(yīng)的影響，提高輸出效率。

2.4 觸摸屏控制系統(tǒng)

用戶通過觸摸屏與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，操作直觀、方便。觸摸屏通過串口與控制器通訊，傳送控制指令和參量，同時接收控制器反饋回來的系統(tǒng)狀態(tài)和參量，在界面上直接顯示。界面上顯示治療參量和倒計時時間，發(fā)生異常情況，界面給出提示，系統(tǒng)發(fā)出報警音。

3 實驗結(jié)果

利用圖3所示的樣機(jī)進(jìn)行試驗，在冷卻溫度22℃，重復(fù)頻率3Hz，抽運能量200J的條件下，分別采用OPHIR公司的NOVAⅡ型能量計、Vigo公司的PVM常溫HgCdTeZn光電探測器和Ocean Optics NIRQUEST512-2.2型光譜儀測量激光輸出能量、輸出波形和波長，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。測得腔內(nèi)最大單脈沖能量443mJ，脈寬90ns(見圖4)，波長2091nm(見圖5)。

Fig.3 Prototype of Cr，Tm，Ho∶YAG laser lithotripsy system

Fig.4 Electron-optic Q-switched waveform(repetition rate of 3Hz and pump energy of 200J)

Fig.5 Wavelength of output laser

4 結(jié)論

在冷卻溫度 22℃、重復(fù)頻率 3Hz、抽運能量200J的條件下，獲得了腔內(nèi)最大單脈沖能量443mJ、脈寬90ns的2091nm鈥激光輸出。今后將根據(jù)激光器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善納秒鈥激光碎石系統(tǒng)，獲得該產(chǎn)品的市場準(zhǔn)入，實現(xiàn)納秒鈥激光碎石系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。

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