Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量檢測裝置研制

吳福寶, 胡志雄, 段亮成, 鐘 凱,許寶忠, 劉文麗, 姚建銓

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院 醫(yī)學(xué)計(jì)量中心,北京 100029)

1 引 言

激光醫(yī)學(xué)已成為當(dāng)今臨床醫(yī)學(xué)的重要組成部分。近年來,全球激光治療市場出現(xiàn)激增,目前中國大型三甲醫(yī)院均已建立了激光醫(yī)療中心及相關(guān)部門,很多的中小型醫(yī)院也成立了激光醫(yī)療科室,大型美容連鎖店對激光技術(shù)更是趨之若鶩,國內(nèi)市場對激光醫(yī)療設(shè)備的需求呈井噴之勢[1～4]。激光治療機(jī)使用的脈沖激光峰值功率高、能量大,臨床應(yīng)用時(shí)應(yīng)十分關(guān)注其安全性和有效性。但是,目前市場上激光治療機(jī)的質(zhì)量參差不齊、魚龍混雜,很難保證其安全有效,因此對激光治療機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)的計(jì)量檢測十分關(guān)鍵且勢在必行。由于激光器的關(guān)鍵參數(shù)是物理參數(shù),研究起來相對比較容易切入,因此將其作為激光醫(yī)學(xué)領(lǐng)域計(jì)量研究的突破點(diǎn)。

雖然國家在2016年已經(jīng)正式發(fā)布了目前最新版本的《JJG 581-2016醫(yī)用激光源檢定規(guī)程》,但由于醫(yī)用激光的種類很多,而規(guī)程為了覆蓋面更廣,反而無法匹配每一種特定激光治療設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)[5,6]。對激光治療機(jī)而言,除了設(shè)備所用到的激光源功率或能量很重要之外,其他技術(shù)參數(shù)如脈沖寬度、光斑尺寸、激光治療面能量密度、波長穩(wěn)定性等也對治療效果甚至安全有重要影響,醫(yī)院非常關(guān)注[7～9]。而且,從近幾年計(jì)量系統(tǒng)基層和臨床使用單位的反饋來看,醫(yī)用激光治療設(shè)備的計(jì)量檢定實(shí)際執(zhí)行率普遍很差,針對Q開關(guān)摻釹釔鋁石榴石(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet,Nd:YAG)激光治療機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)量檢測,目前處于空白狀態(tài)。

本文基于虛擬儀器技術(shù)(laboratory virtual instrument engineering workbench,LabVIEW)和USB總線技術(shù)[10～13]設(shè)計(jì)研制了一套激光治療機(jī)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量檢測裝置,并完成了性能測試。LabVIEW是由美國國家儀器公司(National Instrument,NI)研發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境,其使用的是圖形化編輯語言G語言(graphics language)編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖形式,是NI設(shè)計(jì)平臺的核心,也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。該檢測裝置具有操作簡單、使用方便、測試精度高、節(jié)約開發(fā)成本等優(yōu)點(diǎn),具有很高的實(shí)用價(jià)值[14,15]。

2 激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置的整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置針對計(jì)量檢測過程中的特點(diǎn)及需求,硬件系統(tǒng)集成了PC示波器、光電探頭、光譜儀、光纖探頭、能量計(jì)探頭、功率計(jì)探頭、Juno數(shù)據(jù)采集器和二維步進(jìn)位移臺等模塊。圖1為Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置硬件體系結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置硬件體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of metrology and detection device of Q-switched Nd:YAG laser therapy apparatus

其中,PC示波器和光電探頭構(gòu)成激光脈寬測量模塊；光譜儀和光纖探頭構(gòu)成激光波長測量模塊；能量計(jì)探頭與Juno數(shù)據(jù)連接器構(gòu)成激光能量測量模塊和重復(fù)頻率測量模塊；功率計(jì)探頭與Juno數(shù)據(jù)連接器構(gòu)成瞄準(zhǔn)激光功率測量模塊；治療激光能量測量模塊結(jié)合二維步進(jìn)位移臺構(gòu)成治療面光斑尺寸和束散角測量模塊。所有測量模塊都是通過USB接口與工控機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 軟件體系架構(gòu)

Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置集成中,硬件設(shè)備能夠完成被檢設(shè)備輸出信號的采集,而硬件設(shè)備的控制和所采集到數(shù)據(jù)的處理分析需要模塊化軟件來實(shí)現(xiàn)。

Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)計(jì)量檢測裝置的核心,數(shù)據(jù)采集和分析、人機(jī)交互和報(bào)告輸出等功能的實(shí)現(xiàn)都要依賴于計(jì)量檢測裝置的軟件系統(tǒng)。Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)裝置集成后的性能。圖2為Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置的軟件架構(gòu)。

圖2 Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of the metrology and detection device of Q-switched Nd:YAG laser therapy apparatus

儀器驅(qū)動層、裝置服務(wù)程序和裝置應(yīng)用程序共同構(gòu)成了Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置軟件系統(tǒng)。其中裝置服務(wù)程序由模塊化程序、工具包和LabVIEW組成。裝置的軟件架構(gòu)從上至下,上級程序可以調(diào)用下級程序。

2.3 裝置整體設(shè)計(jì)

結(jié)合硬件體系結(jié)構(gòu),可以建立出本文研制的Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置的總體測量方案框圖，如圖3所示,主要分為治療激光測量和瞄準(zhǔn)激光測量兩部分。治療激光測量參數(shù)包括：脈寬、波長、能量、重復(fù)頻率、治療面光斑尺寸和束散角；瞄準(zhǔn)激光測量參數(shù)包括功率和波長。

圖3 激光治療機(jī)計(jì)量檢測裝置的總體測量方案框圖Fig.3 Block diagram of the overall metrology scheme of the measurement and detection device of the laser therapy apparatus

結(jié)合軟件體系架構(gòu),可設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。利用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理,測試軟件的主程序流程如圖5所示,主程序通過調(diào)用相應(yīng)的子程序完成系統(tǒng)性能參數(shù)的計(jì)量檢測。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System software structure diagram

圖5 測試軟件的主程序流程Fig.5 Main program flow of the test software

3 裝置測試分析

3.1 裝置測試

為了驗(yàn)證本計(jì)量檢測裝置的精度與可靠性,本文選擇相對復(fù)雜的治療面光斑尺寸測量模塊進(jìn)行測試分析。治療面光斑尺寸測量采用由激光能量測量模塊和二維步進(jìn)位移臺搭建的“刀口法”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[16～18]。由于激光治療機(jī)的特殊性,需要測量治療時(shí)作用于人體皮膚的光斑尺寸大小,即緊貼手具處的光斑尺寸,而一些快速的光斑測量方法(套孔法、CCD法)和商用光束分析系統(tǒng)則無法實(shí)現(xiàn)此類測量。

實(shí)驗(yàn)中先將激光治療機(jī)的手具調(diào)至水平,再將刀口完全遮住手具端面,確保四周均緊密貼合,如圖6所示,再通過電腦程序自動控制刀口移動到測試的初始位置,則“刀口法”測量的準(zhǔn)備工作完畢。啟動能量計(jì)和位移平臺,再啟動激光治療機(jī),當(dāng)能量計(jì)接收到光信號后光斑測量自動開始。束散角的測量則是通過測量不同軸向位置的光斑尺寸,系統(tǒng)自動計(jì)算束散角大小。測量光路如圖6所示,裝置測試軟件界面如圖7所示。

圖6 “刀口法”測試實(shí)物圖Fig.6 "Knife Edge Method" test picture

由于所測量的激光為脈沖激光,為了保證每次刀口的移動均采集到一個(gè)能量數(shù)據(jù),自動適應(yīng)并與不同重復(fù)頻率的脈沖激光同步,系統(tǒng)內(nèi)部增加了反饋機(jī)制,即當(dāng)能量計(jì)接收到一個(gè)光脈沖信號則給二維移動平臺一個(gè)反饋信號,二維移動平臺按用戶設(shè)定的最小步長移動一次,以保證每次“刀口”的移動均采集到一次脈沖輸出的信號。測量完成后原始記錄點(diǎn)顯示在內(nèi)嵌的顯示窗口內(nèi),確保測量過程無誤可點(diǎn)擊“擬合”按鈕,系統(tǒng)自動使用多項(xiàng)式擬合將所測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并計(jì)算光斑尺寸?！暗犊诜ā惫獍邷y量模型是先確定擬合后曲線在對應(yīng)激光能量10 %和90 %的位置差，再將該位置差乘以系數(shù)1.561后即為測試光斑的直徑值。

3.2 裝置分析

以治療面光斑尺寸和束散角為代表,進(jìn)行系統(tǒng)分析。按照系統(tǒng)測試的方法,在重復(fù)頻率5 Hz、波長1 064 nm、最小能量輸出條件下測量,最大偏差是指單次測量值與平均值偏差的最大值。測試結(jié)果如表1所示。

系統(tǒng)測量值整體與激光治療機(jī)標(biāo)稱的光斑尺寸相比,較大的光斑尺寸比較準(zhǔn)確,較小的光斑尺寸相差較多。為了驗(yàn)證這個(gè)問題,本文加工了2～8 mm標(biāo)準(zhǔn)圓孔光闌,圓孔光闌經(jīng)過中國計(jì)量科學(xué)研究院溯源,重復(fù)性為2.7%。

實(shí)驗(yàn)中使用Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)作為光源,將激光輸出調(diào)節(jié)到1 064 nm、10 mm光斑、最低能量輸出、重復(fù)頻率5 Hz。將光闌使用瞄準(zhǔn)激光對準(zhǔn)圓心位置,再利用脈沖激光輸出留下的痕跡來確定光闌放置位置是否處于輸出激光光斑中心區(qū)域,確定基本居中后即可開始實(shí)驗(yàn)測量。圓孔光闌直徑測試方法與激光光斑測試相同,結(jié)果如表2所示。

圖7 “刀口法”軟件測試界面Fig.7 "Knife Edge Method" software test interface

表1 光斑直徑測試結(jié)果Tab.1 Spot diameter test results mm

表2 光闌直徑測試結(jié)果Tab.2 Results of the diaphragm diameter test mm

測量中,涉及到的器件為步進(jìn)位移臺、圓孔光闌,其均已經(jīng)過中國計(jì)量科學(xué)研究院溯源校準(zhǔn),能量探測模塊在此系統(tǒng)及后期算法中引入誤差很小,可以忽略不計(jì)。選擇在重復(fù)頻率5 Hz、1 064 nm、最小輸出能量和光斑6 mm(其中6 mm時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大)條件下進(jìn)行不確定度評定[19,20]。

1)由測量讀數(shù)分散性引入的不確定度分量u1r

由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

則由測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u11r為

步進(jìn)位移臺分辨率a由校準(zhǔn)證書(證書編號：CDlx2020- 03852)給出,假設(shè)為均勻分布,則由步進(jìn)位移臺分辨率引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

由測量讀數(shù)分散性引入的不確定度分量u1r由u11r與u12r的較大值衡量,即為u1r=max{u11r,u12r}=0.73%。

2)由所使用光闌引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2r

3)上述2個(gè)分量是相互獨(dú)立的,則其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

由此可得其相對擴(kuò)展不確定度為

Ur=kucr=2×1.6%=3.2%(k=2)

同樣,使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對激光治療機(jī)的性能參數(shù)使用相應(yīng)的方法,設(shè)置好參數(shù),進(jìn)行了自動化測量,并對激光波長、脈寬、能量、重復(fù)頻率和瞄準(zhǔn)激光功率等檢測參數(shù)進(jìn)行了不確定度分析,結(jié)果分別為0.6 nm、4.0%、3.2%、0.12%和3.4%。而束散角的測量是基于治療面光斑尺寸測量的基礎(chǔ)之上,在同軸遠(yuǎn)點(diǎn)處再測一個(gè)光斑尺寸,然后利用下式近似算出束散角即可,束散角測量示意圖如圖8所示[21～23]。

式中:d1是治療面的光斑直徑;d2是遠(yuǎn)點(diǎn)光斑直徑(與治療面光斑位于高斯光束焦點(diǎn)同側(cè));L是2個(gè)光斑之間的距離。

圖8 束散角測量示意圖Fig.8 Diagram of beam divergence Angle measurement

綜上所述，Q開關(guān)Nd:YAG激光治療機(jī)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量檢測裝置的性能指標(biāo)如表3所示。

表3 計(jì)量檢測裝置性能指標(biāo)Tab.3 Performance index of metrology and detection equipment

4 結(jié) 論

經(jīng)過測試和分析證明,本文提出的基于LabVIEW和USB總線技術(shù)設(shè)計(jì)的激光治療機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)計(jì)量檢測裝置,具有測量精度高、參數(shù)設(shè)計(jì)靈活、人機(jī)界面交互友好和軟件支持二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn),能較好地滿足對激光治療機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)計(jì)量檢測的要求。通過利用系統(tǒng)對激光治療機(jī)性能參數(shù)的實(shí)際計(jì)量檢測,對比測量值與實(shí)際值,測量的不確定度都在5%以內(nèi),符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,且整套檢測裝置經(jīng)過計(jì)量溯源,驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有可靠性高、易維護(hù)、易擴(kuò)展等特點(diǎn),應(yīng)用前景廣闊。