准分子激光器出现间歇性不出激光的原因与分析

李伟刚

准分子激光器出现间歇性不出激光的原因与分析

李伟刚

0 引言

我院在2008年8月斥巨资购买了一台美国生产的准分子激光治疗仪，也就是人们通常所称的近视眼治疗设备。准分子激光治疗仪是在计算机和三维高精密控制的手术床配合下对角膜层间进行计算与控制的，其非常精确，预测性强，具有矫治范围广、痛苦小、手术后视力恢复快、稳定性强、可避免术后角膜上皮下混浊等并发症发生的可能等诸多优点[1]。依靠计算机控制的准确消融，使激光切削不会穿透角膜，更具安全性。因此，对眼球内组织没有任何副作用，更不会造成副损伤及后遗症。正是由于准分子激光治疗近视眼在安全上有保障，近视患者可通过实施手术改变角膜曲率，达到重塑角膜弯曲度，即矫正视力的目的，因此得到广大近视患者的青睐。

近视眼治疗设备的核心是准分子激光器。该激光器之所以称为“准分子”是由于它不是稳定分子，它是在激光混合气体受到外来能量激发所引起的一系列物理和化学反应中形成转瞬即逝的分子，其寿命仅有几十毫秒。通常情况下，基态的稀有气体原子其电子层全部被填满，化学性质稳定，不可能和其他原子结合成稳定分子[2]。但当它们受到高压激励、激发时，稀有气体原子就可能从基态跃迁到激发态，甚至被电离，这时很容易和另一个原子形成一个寿命极短的分子，这种处于激发态的分子称受激二聚物，简称准分子。由于准分子的基态是强排斥态，离解迅速，故只要有一定数量的准分子存在，就很容易形成粒子数反转，产生激光。用于手术的光源一般采用能够得到高质量烧蚀表面的193 nm ArF准分子激光。ArF准分子激光器产生的193 nm激光属于紫外波段，单光子能量（6.4 eV）远大于人眼角膜组织分子键能（3.4 eV），能够打断生物分子的化学键，使组织分子气化，从而对角膜组织实施“光化学切削作用”[3]。 这种准分子属于“冷”激光，对被照射部位周边的组织几乎不产生热效应，其切削的准确度非常高。凭借这种准确的气化，可以把角膜按需要精确地切去，且对角膜的构造不会产生不良反应[4]。准分子激光治疗系统是集光、机、电为一体的高科技产品，对设备的使用环境要求很高，为了确保手术效果，设备上采取了一系列保护性措施，以确保手术效果和患者的安全。

1 故障现象

2010年2月14日，我院下午安排5位近视眼患者进行手术，和往常一样，技师上午开机、换气、预热、测能量、校中心、测相纸圆、打PMMA板，一切正常。可是到中午再执行能量测试程序时，屏幕上出现正在“设置能量稳定初始值”和“能量稳定错误”的提示，激光能量测试无法完成。根据以往的经验，可能的原因是外光路上放置了东西阻塞了光路、能量反馈信号不能送达计算机、能量稳定工作点不在合适范围以及激光器输出能量偏低等。当时没有必要的检测工具，只能凭借直觉检查相关点，此时发现手术室环境温度已超过26℃，立即将其调整到正常范围（18～20℃），大约过了2 min恢复正常。到了下午准备手术，再次进行系统测试一切正常，开始实施手术，当完成2位患者手术后，再次执行测能量程序时，出现上午同样的故障现象。将相纸放置在激光器出口，检查无激光能量，但有高压放电的声音。以前激光器突然无激光能量多数是高压电源或控制高压开关的闸流管灯丝烧断所致，这次情况非常奇怪。此时发现手术室环境温度又超过26℃，再次将温度调至正常。由于造成这种故障的原因没有排查清楚，只好出去向患者进行解释，待查明原因一切正常后再通知来医院进行手术。回到手术室后未做任何调整，激光器居然又有激光了，而且所有测试指标一切正常，但故障时有时无。

2 故障分析与排查

利用所学知识，针对图纸逐个进行分析排查，寻找出可能导致上述问题的原因有：（1）温度过高，散热不好，导致能量稳定系统工作点处于临界状态，控制电路出现报警现象、激光器的高压电路某元器件变质，性能发生变化，冷却后性能又自动恢复正常；（2）电源电路具有保护功能，电网电压波动超过±10%导致电路保护，待电网电压恢复正常后又自动恢复正常。由于无需人为干预，故障现象就能自己恢复，因此排除了电路上接触不良的可能。

（1）首先将手术室温度调整到26℃，同时监测电网电压最高时可达244 VAC，虽然电网电压偏高，大于10%，但电路上已装有UPS不间断电源，输出电压可以控制在220（1±3%）VAC以内，如果没有UPS可能早就出问题了。然后对能量稳定工作点进行重新校准，在模拟手术过程中用示波器检测测试点，结果经过一天的测试，没有发现工作点明显偏离现象，也没有出现上述问题。能量稳定系统控制原理框图如图1所示。

（2）能量稳定系统控制原理是：通过软件与硬件对激光器的输出功率进行控制，在外光路上的分光镜通过采集激光器输出能量的1%的光信号，经过实时能量探测器，将光信号转化为电信号。在能量稳定板上，该信号经过放大整形及采样保持电路的处理后送到A/D转换板，将模拟信号转换为数字信号后被送到能量稳定微处理板上，其微处理器对这些脉冲数求平均，然后与存储器内的原程序参数进行比较，决定激光控制电压（LCV）是调高还是调低或者不调整，该电压被用来控制激光器电极上的高压放电来实现对激光器输出能量的稳定性控制。

（3）在正常情况下，计算机系统是被动对能量稳定系统实施控制的，它只是监控来自能量稳定板和能量稳定微处理板上的一些报警和错误提示，只有在进行能量测试校准时，计算机系统与系统操作才具有主动关系。如果激光器能量变化在5%的范围内，此时激光器输出能量低时，能量稳定系统会自动提高LCV来提升加到激光器上的高压，使激光的输出能量提高；相反，若激光器输出

能量高时，能量稳定系统会自动降低LCV来降低激光器上的高压，使激光的输出能量下降。由于这个系统是一个闭环控制系统，因此，它能够满足激光器能量在一定条件和时间内保持恒定输出。它在手术的整个过程中，即使外部环境发生一些变化时也能进行一定的补偿，实现了能量稳定的自动控制。在激光器自身变化、外界环境条件变化下，当能量变化超过5%时，能量稳定微处理器会送一个“需要校准”信号到计算机，若在特殊情况下，激光器输出能量瞬间变化会超过30%，能量稳定板会通过系统控制板送一个不允许工作指令到计算机。此时需要搞清楚激光器是由于没有能量报警还是激光器能量波动大后报警导致中断无激光输出。

（4）在出现故障时注意到，无论是用能量测试程序启动激光器还是用手动启动激光器，都能听到激光高压产生后放电的声音，但都没有激光输出现象。正常时将实时能量探测器输出信号断开，不提供反馈信号给能量稳定控制系统，用能量测试程序启动激光器出现的提示与故障时出现的提示相同，很快激光器就停止发射激光了，但手动启动激光器却有激光输出。这一区别排除了能量稳定系统故障，怀疑故障出在激光器电路上。激光器电路原理如图2所示。

（5）该电路主要由输入交流电源、直流电源、交直流电源、电源调制电路、高压电源、接口电路、激光控制电路、显示控制器、触发电路、灯丝电压电路、高压控制电路、激光头组成。其所有电路都是为激光头产生激光而提供电力、信号控制及保护作用的，从激光头产生激光的原理来看，重点是其高压部分。激光头高压电路如图3所示。

图1 能量稳定系统的控制原理图

图2 激光器电路原理框图

图3 激光头高压电路

（6）激光高压电路的工作原理是：该电路由闸流管、高压电源HV（约20 kV）、主电容C1、峰值电容器C2、电感L、放电电极等组成。在待机状态下栅极电压为负，闸流管处于截止状态，此时无激光能量输出，高压对主电容器C1充电至20 kV，充电时电感表现出低阻抗，这样高压几乎全部加到C1上储电。当闸流管栅极收到控制电路发出的正触发脉冲幅度约600～800 V时，闸流管的阳极和阴极导通，主电容器C1上储存的电荷经闸流管和预电离针对峰值电容器C2充电，当C2上充电电压达到放电区的击穿电压时，由C2通过金属电极对气体工作物质放电，产生准分子激光。

（7）单独检查高压电路上的元器件外表没有明显的损伤和味道，闸流管工作状态正常，测试高压电源、栅极电压、灯丝电压皆正常。由于出现问题时激光器不出光，但高压放电的声音能听到，同时伴随杂声。即使高压电路打火，也不会造成不出光。后来将排查重点放在能否让激光头出光的关键部件搅拌器上，通常称为风机，它的主要作用是让激光工作物质在激光腔内均匀运动。一旦出现风机停转，放电就会紊乱，也不可能产生激光。检查风机并没有卡死和转速不均现象，因为一旦风机卡死是不可恢复的，如果转速不均匀会发出异常声响，而且伴随激光能量波动，不可能没有激光，上面2种情况都没见到。到底是什么原因造成风机停转呢？仔细研究了如图4所示的风机电源电路，发现在风机电源电路的初级串有一只热敏电阻TR1，当输入电源110 VAC波动超过10%，即大于120 VAC时，多余压降就会加在热敏电阻上，累计到居里温度时，热敏电阻阻值剧增，电压全部加到热敏电阻上，而降压变压器初级分压就为零，这样电动机上就无电压输出，导致停转。模拟高压加上时风机停转，结果与出现问题时的现象完全相同。因此只有当温度降低，热敏电阻性能恢复正常，风机两端有24 VDC时，一切才能正常，具有逆性。究竟是电网电压超高标引起保护还是环境温度太高热量无法散出引起，甚至是热敏电阻性能发生变化导致的故障，还有待观察和分析。

3 故障处理

（1）由于激光器内有2万伏高压，在手术期间为了安全，需要用2层盖子盖上，因此无法监测到热敏电阻的性能变化情况，甚至连风机是否转动、声音是否正常都难以判断，所以只能对UPS电源输出进行监控。根据上述情况提出设计一个监测电动机是否正常运转以及一旦

在手术期间确实出现风机电源失去情况的监测和应急电源电路，将船型开关K拨到外部开关电源24 VDC应急送电，保证风机运转，激光正常输出，确保患者手术安全，该方案如图5所示。

图5 监测和应急电源电路

（2）将机内电源开关处在常闭位置，装有红色发光二极管显示，机内工作正常时红灯亮，一旦出现问题红灯灭并报警。同时备用电源上装有绿色发光二极管，显示外部开关电源工作正常，随时捕捉问题以补救，开关和指示灯接到外面，以方便观察和操作。

图4 风机电源电路

4 小结

经过一段时间的监测和观察，特别是注意手术室的温度控制在正常的范围内，设备工作一切正常，再没有出现上述问题。当时发生问题的主要原因是外面天气寒冷，人们为了使自己感到舒适，无意中将空调温度设置偏高，而激光设备连续运转也会产生大量的热量，因此电子元器件热量不能及时散去，导致保护电路上的热敏电阻特性发生变化，使电动机停转；电网电压虽然有些偏高，但UPS起到了恒定输出电压的作用（长期监测正常）；次日手术室温度设置在26℃，模拟手术过程没有出现问题，可能是当时测试设备工作点时2层盖子是打开的，这样元器件散热会好些。这里需要提醒类似设备操作人员：室外天气会时常变化，如果操作者只考虑自身的感受，不注意设备的使用条件，盲目开机，就会发生预想不到的事情，甚至会造成设备损坏。反之，如果时刻注意手术室温度、湿度、灰尘、电源稳定性是否变化，就可以确保设备少出问题，甚至不出问题。

[1]张蓉，毛惠云，田华.护理角度分析LASIK手术的配合[J].中国现代眼耳鼻喉科杂志，2004，1（1）：56.

[2]陆文秀.准分子激光屈光性角膜手术学[M].北京：科学技术文献出版社，2000.

[3]胡俊涛，刘翔，张国勇，等.眼科准分子实时监控能量计[J].中国激光，2007，34（12）：1 732-1 735.

[4]张纪庄，张学学.激光蚀除生物组织的影响因素[J].中国激光，2007，34（2）：300-304.

（收稿：2013-05-23 修回：2013-09-03）

（栏目责任编校：李 影 傅 雳）

R318.6；TH772．1

B

1003-8868（2014）01-0162－03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.162

462400河南舞阳，河南省舞阳县中心医院设备科（李伟刚）