全固态多波长激光眼底病治疗设备

【作 者】刘文陆，周传清，任秋实

1 上海交通大学生物医学工程学院，上海，闵行，200240

2 上海奥通激光技术有限公司，上海，闵行，200240

0 引言

眼底病是眼科常见病多发疾病，类别繁多，发病率高。激光治疗眼底病已经积累了丰富的临床经验，其疗效显著，甚至对于某些眼底病，激光治疗已经成为首选。与单一波长激光相比，多波长激光能够克服眼屈光介质混浊的障碍，针对不同病变组织对不同的光谱吸收特性，进行个性化治疗，损伤小而能效利用率高，扩大了眼科临床的诊疗范围，成为眼科临床激光治疗的发展方向。多波长氪激光装置由于较早进入眼科临床，是较广泛使用的眼底病多波长激光治疗设备[1-4]。但是氪激光属于气体激光，有体积庞大、效率低，稳定性和可靠性较差等缺点。随着激光技术的发展，半导体泵浦全固态激光器(DPL)具有体积小、重量轻、效率高、稳定性好、可靠性高、寿命长和光束质量好等优点，不仅克服了以往氪多波长激光治疗设备的不足，而且扩大了眼底病治疗的适应症范围。

1 设备系统原理及结构

人体不同组织对不同颜色光吸收率不同，而同一组织不同成分对同种光吸收特性也不同。眼底病治疗需要一定的激光功率、激光波长和激光光斑尺寸，但是又要求激光穿透眼前、后节时，激光对组织损伤最小[5-6]。所以，全固态多波长激光治疗设备集成红(659 nm)、黄(589 nm)、绿(532 nm)三种医用激光器，可满足临床多种复杂眼病的治疗需求。针对同一眼底而不同部位、不同病变性质、不同屈光介质状况，可选用不同波长的激光进行个性化设定治疗[7-9]。本文介绍的研制设备内置光闸，可快速进行三种波长的切换；组合滤波片系统使激光功率在0—100%范围内组合可调；选定波长的激光通过光纤耦合器进入光纤传输系统，光纤适配器与眼科裂隙灯集成为精度高、稳定性好的全固态多波长激光眼底病治疗设备。

2 全固态半导体泵浦倍频激光器技术及系统设计要点

全固态多波长激光眼底病治疗设备的主要技术，包括全固态激光器的设计，内部光学系统的设计，多波长激光耦合和光纤传输系统以及控制系统设计。

2.1 全固态半导体泵浦激光器设计

全固态532 nm、589 nm和659 nm3种波长激光器，采用Nd:YAG激光器腔内倍频技术实现。激光器采用高稳定性抗损伤光学薄膜制备技术，非均匀膜厚结构和优化膜料参数设计；激光电源系统（图1所示）采用恒流源技术和功率反馈技术，结合TEC精确控制半导体泵浦源及激光器温度；根据医用光源特点进一步优化控制电源参数，提高激光器的功率稳定度和输出可靠性。激光器采用一体化、紧凑结构设计，便于设备系统集成。

图1 系统电路结构框图Fig. 1 Structure of system circuit

2.2 内部光学系统设计

设备内部光学系统将三种激光波长，分别通过反射镜、滤波片和光闸等器件传输到光纤耦合器中（图2所示）。

图2 光学系统结构框图Fig.2 Structure of optical system

为了实现3种波长的快速切换，在激光器的出光口处分别设置快速切换光闸。选用的光闸可以在10 mS内实现光路的通断，以保证激光的精确作用时间。挡光片采用陶瓷材质，抵抗高功率激光，能够更好地保护光闸。不同的病例需要不同的激光功率，系统特别设置了功率调节系统。其原理是通过组合滤波片来实现不同的激光功率的衰减，以达到激光功率的调节（图3所示）。系统由3个电控滤波片旋转盘组成，每个滤波片旋转盘上设置4个不同透过率的衰减片，这样可以在0—100%范围内实现64种衰减率的激光参数要求。

图3 电控滤波片旋转盘Fig.3 Elctronic fi lter rotating disk

图4 光纤耦合器Fig.4 Fiber cupler

图5 耦合器结构原理图Fig.5 Structure of couplers

2.3 激光耦合及光纤传输系统设计

光纤耦合器（图4所示）是系统重要组成部件，它将激光耦合进光纤，耦合效率和可靠性是其重要指标。耦合器的结构原理（图5所示），使用多层真空镀膜技术，选择性实现不同波长的低损耗耦合。光纤适配器主要用于激光传输并实现与裂隙灯系统精确调节。使用复消色差技术和连续变倍技术，在角膜和晶状体处保持低能量密度的同时，提供边缘锐利能量均匀的光斑，实现治疗光斑50 μm～1000 μm连续可调。系统采用医疗专用光纤，光纤外层设有铠装保护套。SMA905光纤接头，便于光纤连接，激光通过光纤传输到裂隙灯显微镜中。瞄准光与治疗光同轴共焦，实现对治疗靶位的精确定位。

2.4 控制系统设计及安全设计

医疗仪器的安全控制是系统控制的核心。设备系统独有的光纤传输通道，系统自动感知光纤传输装置，自动补偿激光参数，确保任何通道到角膜的能量一致。多种安全防护镜模式，根据术者需要进行选择，确保其双眼的安全。

设备在治疗时，需要进行激光波长切换、能量调节、发射和中止以及作用时间和间隔等操作。上述功能都是通过核心控制系统来实现的，采用液晶触摸屏为控制界面，基于AVR单片机的控制系统，其系统设计原理如图6所示。

图6 控制系统原理框图Fig.6 Diagram of contral system

3 总结

根据临床需求，多波长眼底激光在进行眼底病治疗时，同一眼底病也需要根据不同部位、不同病变性质、不同屈光介质状况而选用不同波长激光。所研制的全固态多波长激光眼底病治疗设备，选用了532 nm、589 nm、659 nm3种波长的激光，采用复消色差和精密耦合技术，使3种波长激光能够高效耦合到同一根光纤，在同光路引导光指示下准确传输到治疗部位。准确的控制系统实现治疗激光的波长转换、功率幅值、脉宽及输出时间的控制，精密光学调节系统保证治疗激光的能量密度及高效精确传输，从而满足眼底病治疗的个性化需求。

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