专利名称：利用多源光源非相干光强叠加的方法及实现该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用多源光源非相干光强叠加的方法及实现该方法的装置。
心肌血管激光重造术(TMLR)是治疗中晚期冠心病的一种全新的手术方法，是传统心内、外科手术方法的最新发展和重要补充，国际上七十年代开始研制，九十年代应用于临床，因其治疗效果显著，而倍受国内外医学界的广泛重视和冠心病患者的极大关注。
传统或经典的治疗冠心病的方法有药物、经皮穿刺的冠状动脉腔内成型术(PTCA)和外科冠状动脉搭桥术(CABG)，而且PTCA和CABG已成为治疗冠心病的主要方法。但是，仍有多种类型中晚期冠心病PTCA或CABG手段力所不及，例如，呈弥漫性分布的冠状动脉内粥样斑块造成冠状动脉广泛狭窄，病变血管太细，CABG术后再度阻塞或狭窄等。因此，自有PTCA、CABG以来，医学和科学界的有关研究人员就一直在探索治疗冠心病的新方法、新手段、新技术、TMLR正是在这种背景下应运而生。
TMLR的生物医学基础深厚。人体心脏生理、病理与解剖学研究表明，心脏不象其它器官，并不完全依靠静脉和动脉供输血液，而可由心室内的富氧血直接灌注浸透，胎儿心脏在动脉和静脉未发育好之前就是以这种方法摄入血液的。冠状动脉阻塞导致心肌缺血坏死，采用计算机控制的激光器在坏死的心肌上营造微小的孔道(打孔)与左心室贯通，形成新的供血通道，由心室内的富氧血直接浸入缺血心肌，并通过再行的丰富毛细血管给心肌供氧，改善缺血状况，恢复正常功能。
TMLR之所以称之为心外科领域的新突破，正是因为它与传统的心外科手术方法CABG相比有五大显著特点风险低，手术在心脏不停跳状态下进行，无需体外循环，成功率极大提高；创作小，只需在左胸前外侧开6至10公分小切口，不损伤胸肋骨；易操作，人机界面友善，自动化程度适当，适应传统心外科的操作习惯；时间短，一般在二小时左右即可完成手术；恢复快，一般在术后三至四周即可恢复；效果好，心绞痛症状明显减轻或消失。
临床实践证明，TMLR能够有效地改善许多中晚期冠心病患者的生活质量，甚至挽救他们的生命，其特殊作用是其它手术方法所不可取代的。
本发明的其一目的是提供一种利用多源光源非相干光强叠加的方法。所述的方法主要是利用激光源非相干光强叠加的原理，将十九束小功率激光进行平行汇聚，叠加成1000W大功率合成激光束的方法。
本发明的另一目的是根据本发明的方法而提供的实现该方法的装置，具体地说是提供一种模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手术仪，它是一种特殊TMLR专用手术仪器，且它集临床医学、电子、计算机、激光和模糊控制技术为一体，并突出了集束式超大功率1000W级CO2激光器为手术仪的主要装置。
本发明的目的是这样实现的一种利用多源光源非相干光强叠加的方法，包括采用R波预测模糊控制触发源光脉冲的步骤，具体地说是将十九束小功率激光进行平行汇聚叠加形成1000W大功率合成激光束，使其成为正六方近场光斑图形，且其光斑图形之光束功率由式I=∑κjIiκj确定，其合成激光束的焦点特性由式tn+1=ΣT1/Σi确定。
根据上述的方法本发明的另一个目的是提供一种为实现其方法的装置，该装置是一种模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手术仪，其中，所述的手术仪包括电源子装置、激光束导光子装置、精密机械子装置、计算机子装置、检/监测子装置、循环水冷子装置，而且，所述的电源子装置还包括初级储能控制单元、初级储能单元、储能调节控制单元、二级储能单元、高压单元；所述的计算机子装置还包括AD单元、计算机主机单元、控制单元、远程故障诊断维护单元、远程操作辅导单元、病案数据库单元；所述的检/监测子装置，包括超声心血管成型检测单元、超声心肌壁检测单元、激光器工作状态检测单元、水压检测单元、低压检测单元、高压检测单元；所述的精密机械子装置还包括三自由度导光臂单元、固定导光臂单元；所述的激光束导光子装置还包括激光器陈列单元、反射镜陈列单元、中心集束镜组单元；其中，所述的激光束导光子装置中的激光器是由十九支封离型CO2激光器构成的合成激光器。
较之现有技术，本发明产生的积极效果是显而易见的。
第一，采用并行结构化设计，组合多支小功率封离型CO2激光器，排列成特定形式，并将各激光器发出的激光束进行平行汇聚，集束形成1000W大功率合成激光，合成光束参数(能量特性、模式特性、焦点特性)完全能够满足心肌血管重建手术所需之苛刻的技术要求，心肌血管重建的质量高，所有工程指标可客观评测，而且多激光器并行结构，比采用单支1000W激光器有更高的可靠性和安全性。
第二，采用R波预测模糊控制触发激光脉冲技术，确保激光脉冲触发能够动态地准确地锁定在心脏的充盈期间，这一最佳的打孔时机，使激光打孔更安全，进一步提高手术操作的安全性。
第三，采用模糊控制激光脉冲能量技术，在确保贯通心肌壁的前提下，控制打孔激光脉训能量使剩余能量尽可能小，最大限度地避免无益的热损伤，进一步提高手术质量。
第四，采用九十年代中后期计算机软、硬件及网络技术，具有多媒体远程手术操作辅助功能、远程故障诊断和维护功能、手术全过程系统工作参数实时采集、记录等，通过互联网可以方便地进行远程手术操作辅导、远程故障监测诊断及维护、数据调用等，便于进行大规模网络化产业化应用推广。
第五，应用针对性强，主要针对身体健康状况很差，已不允许实施冠状动脉搭桥(CABG)或经皮穿刺冠状动脉成形术(PTCA)；冠状动脉弥漫性病变、末梢病变或者冠脉纤细而不适合采用CABG或PTCA；经CABG或PTCA手术后冠脉再度阻塞或狭窄；这三类中晚期冠心病患者，为他们提供一种高技术高可靠性高有效性的外科治疗手段。
第六，人机界面友善，自动化程度适中，顺应心外科手术操作的传统习惯，易于使用，日常保养和维护。
第七，采用二级储能设计，不需要专用供电线路，不需要稳压设备，一般市电供电即可。
第八，无电磁，无噪声，无其它有害污染。
第九，成本较低，性价比较高，技术和价格上均具有较强的竞争力。
下面结合附图和实施例对本发明涉及的方法及实现该方法的装置作近一步的描述
图1是实现所述手术仪的整体配置的结构示意框图；图2是关于图1中的计算机装置的结构示意框图；图3是关于图1中的检/监测装置的结构示意框图；图4是关于图1中的电源装置的结构示意框图；图5是关于图1中的精密机械装置、激光束导光装置、循环水冷装置的结构示意框图；图6是关于实现所述手术仪的动态工作流程图7是关于图5中激光束导光装置的激光器排列俯图；图8是关于图4中(多级)储能控制的工作原理示意图；图9是关于图7中激光器陈列所需的电源电路工作原理框图；图10是关于运用激光器实现心肌造孔时所定义的心肌壁厚度模糊子集曲线图；图11是模糊控制合成触发激光脉冲的曲线图，分为图11(A)、图11(B)、图11(C)。
图12是合成激光束的透镜组合参数图。
由以上诸图，本发明是一种利用多源光源非相干光强叠加的方法，包括采用R波预测模糊控制触发源光脉冲的步骤，该方法是指将十九束小功率激光进行平行汇聚叠加形成1000W大功率合成激光束，使其成为正六方近场光斑图形，且其光斑图形之光束功率由式I=Σ&Kgr;jiIiκj]]>确定，其合成激光束的焦点特性由式tn+1=ΣITI/Σi]]>确定。
所述的合成激光束是由一面聚焦镜和一面凹透镜构成的一组光学缩束系统进行缩束处理的且使其光束的直径压缩为原光束直径大于等于三倍或小于等于三倍的激光束。
所述采用R波预测模糊控制触发激光脉冲的步骤还包括如下步骤a．预测R波算法的步骤，b．模糊控制激光脉冲出发算法的步骤，c．模糊控制激光能量算法的步骤。
为实现上述方法所构造的装置是一种模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手术仪。该手术仪包括电源子装置1、激光束导光子装置2、精密机械子装置3、计算机子装置4、检／监测子装置5、循环水冷子装置6，其中，所述的电源子装置1还包括初级储能控制单元101、初级储能单元102、储能调节控制单元103、二级储能单元104、高压单元105；所述的计算机子装置4还包括AD单元401、计算机主机单元402、控制单元403、远程故障诊断维护单元404、远程操作辅导单元405、病案数据库单元406；所述的检/监测子装置5还包括超声心血管成型检测单元501、超声心肌壁检测单元502、激光器工作状态检测单元503、水压检测单元504、低压检测单元505、高压检测单元506；所述的精密机械子装置3还包括三自由度导光臂单元301、固定导光臂单元302；所述的激光束导光子装置2还包括激光器陈列单元201、反射镜陈列单元202、中心集束镜组单元203；其中，所述的激光束导光子装置2中的激光器是由十九支封离型CO2激光器构成的合成激光器。
由上可知本发明涉及的装置属于复杂的机、电、光一体化系统，由激光器、控制机柜两部分组成，总体上可划分为六大系统，共约十六个子系统，具体组成部分如下(一)计算机系统A/D子系统心电信号、心肌壁测厚、激光器工作电压及电流等参量的模数转换；控制子系统控制激光脉冲触发时机、能量大小；监测子系统监测电、光、水循环冷却的工作状态；远程操作辅助子系统通过互联网进行远程手术操作辅导；
远程监测及维护子系统通过互联网对系统进行远程监测及维护；数据库子系统保存每次手术全过程系统工作的数据；(二)检/监测系统检测子系统检测高、低、水压和激光器工作状态等；超声心肌壁测厚子系统测量激光束工作点处心肌壁厚参数，并传给计算机系统；辅助超声观测子系统观察激光脉冲打孔贯通肌壁与否；(三)电源系统高压子系统提供激光器开启及工作电压；储能子系统多级储能，避免手术室需要安装大功率专用供电线路；保护子系统高、低压多级保护；(四)精密机械三维可调激光器支架固定多支激光器并且X、Y、Z三向可微调整；(五)光学系统多激光束汇聚集束子系统由多面反射镜组成的光学反射阵列，将平行的多束激光按设定的几何图案进行汇集，形成合成激光束；固定导光臂子系统将合成激光束传导一定光程，并进行缩束处理，减小光斑直径；三自由度导光臂系统将合成激光束导至特定作业空间，形成特定焦长、焦深和光斑直径的工作点，在作业空向内工作点可三维移动；(六)循环水冷系统泵、水箱、分流及回流管路组成水冷子系统去离子水储存、扬高、分回流控制；系统总体框图参见图1，系统工作流程参见图6。
其具体技术指标是，最大输出激光脉冲能量80J；最大输出激光脉冲功率10KW；激光脉冲宽度5-100ms；激光波长10.6μm；激光器类型组合式封离型CO2激光器；激励方式直流；焦点光斑直径小于1mm；焦距125mm，直、侧射；焦深大于30mm；模式多模；电源220V，50Hz；指示光同光路半导体激光红光指示；激光器尺寸(长×宽×高)66×66×220cm3以上述系统实现的集束式大功率激光束形成的方法又有下列释义(一)激光功率叠加激光束功率是TMLR首先要求的重要参数。因为，没有约1000W的激光功率就不可能打通心肌壁再造心肌血管，不可能形成高质量的供血通道，不可能保证手术的安全性。为了获得TMLR要求的足够大的激光功率，本发明利用多激光源非相干光强叠加原理，将十九束小功率激光进行平行汇聚，叠加形成1000W大功率合成激光束，合成光束功率由下式计算I=ΣκjiIiκj]]>为比例因子，Ii为单束激光功率，i=1…n，j=1…m(二)激光波长选择激光波长也是TMLR要求的重要参数。本发明采用10.6μmCO2激光，这一波长有良好的大气穿透性和水吸收特性，特别是作用于人体生物组织时能够产生良好的生物医学效应，激光重建心肌血管时热损伤小，成型血管形状较理想，整条通道碳化层薄，易于毛细血管再生，保持通畅时间长。
(三)合成激光束光学处理TMLR手术质量的好坏与所采用激光束的质量密切相关，要使叠加形成的大功率合成激光束能够达到TMLR手术严格要求的技术指标，必须要进行特殊的化学处理。
1、多激光束光学平行汇聚将十九束激光通过一组外围反射镜进行平行汇聚，形成大直径合成激光束，合成光束的近场光斑呈上述相关专利所描述的正六方形图案，大功率合成激光束是多模的。
2、合成激光束焦点特性的形成大直径合成激光束首先经一组光学缩束系统进行缩束处理，将光束直径压缩约3倍，压缩后的光束传导一定光程，再经一面聚焦镜处理形成特定焦长、光斑直径、焦深的工作点，以实施心肌激光打孔。
缩束系统由一面凸透镜和一面凹透镜组成，如图12所示，主要光学参数如下
焦距f1=400mm，直径d1=80mm，通光口径φ1=60mm焦距f2=100mm，直径d2=50mm，通光口径φ2=30mm两透镜间距△f=300mm聚焦镜参数为，f=125或150mm，焦点光斑直径d＜1mm。
TMLR手术操作的安全性，关键在于控制激光脉冲的发射时机，使激光打孔在心脏的充盈期间内进行。通常的TMLR仪器是直接采用R波触发激光脉冲，这种方法存在不安全因素，因为R波触发实际上是电平触发，这种触发方式易受干扰，若在R波之前有一尖峰干扰脉冲出现，系统就会发生误动作，造成在心脏的非充盈发射打孔激光脉中，危及受术患者的生命安全。为了消除这种不安全隐患，本发明采用R波预测模糊控制触发激光脉冲的方法，能够确保在心脏的充盈期打孔，进一步提高手术的安全性，具体算法是计算预测RN+1波出现时刻tn+1=ΣT1/Σi1、计算RN+1波可能出现的时窗W=ΣW1/Σi2、记RN+1真实出现时刻为tr3、计算△t=tN+1-tr4、记修正量为t，定义△t和t的模糊子集如下△t△A△{‘超前误差大’，‘超前误差中’，‘超前误差小’，‘误=～=差零’，‘滞后误差小’，‘滞后误差中’，‘滞后误差大’}△{A-3,A-2,A-1,A1,A2,A3}= ～ ～ ～ ～ ～ ～t△B△{‘延迟大’，‘延迟中’，‘延迟小’，‘零’，‘提前小’，‘提前中’，‘提前大’}△{B-3,B-2,B-1,B0,B1,B2,B3}= ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～
5、模糊控制决策模糊关系R=A×B，则B=AOR在tN+1时刻，W时窗宽度内触发激光脉冲，触发时刻被锁在W范围，能够确保激光打孔时刻发生在心脏充盈期，完全可避免随机干扰造成误触发动作的发生。模糊控制的意义在于，动态跟踪心动周期的变化，提供模糊修正量t，实时调整每一次激光脉冲触发时刻，保证手术全过程每次打孔的安全。
六、TMLR激光脉冲能量模糊控制TMLR手术质量取决于激光脉冲能量控制的性能。本发明提出的模糊控制原理，是根据激光打孔点处心肌壁的“厚”、“薄”程度这一模糊量。控制激光脉冲能量的“大”、“小”，在贯通心肌壁的前提下，使剩余能量尽可能小，从而最大限度地减小热损伤面，提高手术质量。
心肌壁测量或定义的“厚”、“薄”模糊量H划分为五个模糊子集，定义如下H△{‘很厚’，‘较厚’，‘标准值’，‘较薄’，‘很薄’}～=△{H-2,H-1,H0,H1,H2}= ～ ～ ～ ～ ～激光脉冲能量的“大”、“小”模糊量L划分为五个模糊集定义如下L△{‘很大’，‘较大’，‘标准值’，‘较小’，‘很小’}～=△{L-2,L-1,L0,L1,L2}= ～ ～ ～ ～ ～模糊量H和L存在模糊关系R=L×H，则模糊控制决策L=HOR～～综上所述，本发明采用十九支封离型直流激励二氧化碳激光器，排列成五列对称形的紧凑阵列，具体安装位置如图7所示。
激光心肌血运重建手术的关键技术有三点。第一是激光束的质量；第二是激光束的能量；第三是激光束的能量控制技术。这三点决定再造心肌血管的手术过程中对正常心肌产生的热损伤程度，直接影响手术的质量或成败。
光束质量一定的前提下，贯穿某厚度的心肌壁有一最适当的能量Jo(Jo=WXT，W是激光脉冲功率，T是激光脉冲宽度)，必须控制每一个心肌造孔脉冲接近Jo，否则，要么形不成有效的孔道，要么造成热损伤面过大。本发明采用模糊控制技术来实现激光脉冲的能量控制。
具体地说是把心肌壁厚薄这一模糊量划分成“很薄”、“薄”、“较薄”、“标准”、“较厚”、“厚”、“很厚”七个模糊子集。每个模糊子集对应心肌壁厚度的值域以及各模糊子集之间的关系如图10所示。
归纳起来，支持本发明的硬件其特点是一、本发明采用的封离型二氧化碳激光器，其效能比小于10％，既产生1,000W激光功率需耗电10,000W以上，如此大的输入功率对于手术室小功率电网环境下应用极为不便。因此，本发明在硬件设计上采用了多级储能方法，使输入功率小于1,000W(220V,＜5A),10,000以上的输出大功率由内部的多级能库提供，成功地解决了这一技术难题，原理框图如图8所示。
二、本发明中的激光器阵列采用大功率高频开关电源，对电网而言，表现为容性负载，高频开启会对电网形成巨大的冲击，使同一电网上的其它电子电器设备无法正常工作。为此，本发明在硬件设计上采用了整体缓慢启动的温和加电技术，成功地解决了这一技术难题，原理框图如图9所示。支持本发明的软件其特点是1、建立在Internet/Intranet代表计算机网络技术发展趋势的平台上；2、采用WWW技术实现超文本/超媒体的良好用户界面；3、以SQL Server为后台Web数据库，MS IE为前台交互式浏览器；4、采用ActiveX技术使交互式浏览器用户界面的友好性与Web数据库的超媒体化有机地结合，充分发挥了当前Intranet技术的先进性；5、可移植性、可维护性、可扩展性高。
权利要求
1.一种利用多源光源非相干光强叠加的方法，包括采用R波预测模糊控制触发源光脉冲的步骤，其特征是将十九束小功率激光进行平行汇聚叠加形成1000W大功率合成激光束，使其成为正六方近场光斑图形，且其光斑图形之光束功率由式I=ΣκjiIiκj]]>确定，其合成激光束的焦点特性由式tn+1=ΣTII/Σi]]>确定。
2.根据权利要求1所述的利用多源光源非相干光强叠加的方法，其特征是所述的合成激光束是由一面聚焦镜和一面凹透镜构成的一组光学缩束系统进行缩束处理的且使其光束的直径压缩为原光束直径大于等于三倍或小于等于三倍的激光束。
3.根据权利要求1所述的利用多源光源非相干光强叠加的方法，其特征是所述采用R波预测模糊控制触发激光脉冲的步骤还包括如下步骤a.预测R波算法的步骤，b.模糊控制激光脉冲出发算法的步骤，c.模糊控制激光能量算法的步骤。
4.由如权利要求1的方法所实现的装置是一种模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手术仪，其特征是所述的手术仪，包括电源子装置(1)、激光束导光子装置(2)、精密机械子装置(3)、计算机子装置(4)、检/测子装置(5)、循环水冷子装置(6)，其中，所述的电源子装置(1)还包括初级储能控制单元(101)、初级储能单元(102)、储能调节控制单元(103)、二级储能单元(104)、高压单元(105)；所述的计算机子装置(4)还包括AD单元(401)、计算机主机单元(402)、控制单元(403)、远程故障诊断维护单元(404)、远程操作辅导单元(405)、病案数据库单元(406)；所述的检/监测子装置(5)还包括超声心血管成型检测单元(501)、超声心肌壁检测单元(502)、激光器工作状态检测单元(503)、水压检测单元(504)、低压检测单元(505)、高压检测单元(506)；所述的精密机械子装置(3)还包括三自由度导光臂单元(301)、固定导光臂单元(302)；所述的激光束导光子装置(2)还包括激光器陈列单元(201)、反射镜陈列单元(202)、中心集束镜组单元(203)；其中，所述的激光束导光子装置(2)中的激光器是由十九支封离型CO2激光器构成的合成激光器。
全文摘要
本发明涉及一种利用多源光源非相干光强叠加的方法及实现该方法的装置。该方法采用R波预测模糊控制触发激光脉冲技术,完全可避免随机干扰所造成的误触发,进一步提高手术安全性;采用模糊控制激光脉冲能量技术,可最大限度地减小有害要的热损伤,进一步提高手术质量;采用九十年代中后期的计算机软、硬件及网络技术,可实现远程手术操作辅助、远程设备监测及维护等,便于进行网络化大规模应用推广,对多种类型中晚期冠心病可实施有效的手术治疗。
文档编号A61B18/20GK1298689SQ01100538
公开日2001年6月13日 申请日期2001年1月12日 优先权日2001年1月12日
发明者邬江兴, 张志远, 曾军峰, 韦永高, 邓珂, 胡云林 申请人:国家数字交换系统工程技术研究中心