专利名称：半导体激光光动力治疗仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医疗机械，具体涉及一种应用激光进行光动力疗法的激光治疗仪。
背景技术：
光动力疗法(Photodynamic Therapy，缩写PDT)的作用基础是光动力效应，这是一种有氧分子参与的伴随生物效应的光敏化反应。其过程是通过特定波长(范围)的光照射，使组织吸收的光敏剂受到激发，而激发态的光敏剂又把能量传递给氧，生成活性很强的单态氧，单态氧再和相邻的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒，进而导致细胞受损乃至死亡。PDT一般分两步进行，首先是给患者注射光敏剂，然后是对病灶区进行光照射。光照射通常选择在患者注射光敏剂后的一个合适时段(又称时间窗)进行，此时病变组织中的光敏剂浓度仍保持在高水平，而周边正常组织中的光敏剂已降到低水平，这种情况下的PDT既可保证对病变组织的有效杀伤，又可减少对正常组织的损伤，从而实现最佳的选择性治疗效果。与手术、化疗、放疗等常规治疗手段相比，光动力疗法具有如下优点1)创伤小借助光纤、内镜和其它介入技术，可很容易地将激光引导到内腔进行PDT，避免了开胸、开腹手术造成的创伤和痛苦，是一种先进的微创疗法。
2)毒性小进入组织的光敏药物只有达到一定浓度并受到足够光辐照，才会引发光毒反应，人体未受光辐照的部分并不产生光毒反应，体内造血系统和免疫系统也不受影响。因此PDT没有化疗和放疗的严重毒副反应。
3)选择性好PDT攻击目标是光照区病变组织，对周边正常组织损伤轻微，如此针对性极强的选择性杀伤是目前其它常规手段所不具备的。
4)适用性好光动力疗法对不同细胞类型的癌组织同样有效，适用范围宽；而放疗、化疗对不同细胞类型的癌组织有不同的敏感性，应用受到限制。
此外，与其它常规疗法相比，光动力疗法还具有可重复治疗(无耐药性)可姑息治疗、可消灭隐性癌病灶、可保护容貌及重要器官功能、可协同手术治疗提高疗效等优点。
在现有技术中公开了一种可用于光动力疗法的半导体激光治疗仪。相对于连续广谱输出的非相干光源，激光(相干光源)以其极强的光功率(谱密度)、稳定的光波长等特点，在性能指标方面占有十分明显的优势。该激光治疗仪由以下几个模块组合连接构成半导体激光发射模块、激光电源模块、内置光功率测量/标定模块、系统控制/通讯模块、显示/输入模块以及各种实时监测/保护/报警装置。在半导体激光发射模块中设有多个630nm-690nm激光管芯，将多个激光管芯所发出的激光通过光纤耦合后，形成输出功率达2W的单路照射激光束，即每一次发射激光只能照射一个部位。因此，采用这种结构的激光治疗仪进行光动力疗法时，存在如下缺点对于一些较大或较厚的实体肿瘤，每一次照射仅能取得局部治疗效果，需要多次照射才能在整体上达到较好的治疗效果。而采用多次照射的方式进行治疗，一方面会延长治疗时间，增加病人的痛苦，另一方面还会增加治疗费用，加重病人的负担。虽然也可以采用多台相同的治疗仪同时进行照射治疗，来解决上述问题，但是，这样做，一方面需增加设备投资，同样也加重了病人的负担，另一面多台治疗仪要占用过多的操作场地，操作起来也不方便，难以协调一致工作。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种可克服现有技术中上述缺陷的激光光动力治疗仪，这种治疗仪可以同时发出多路激光进行光动力疗法，采用这种治疗仪进行光动力疗法，有利于缩短治疗时间，提高治疗效果，减轻病人的痛苦及负担。
本实用新型提供如下技术方案来实现上述目的，构造一种激光治疗仪，包括按信号流向连接在一起的半导体激光发射模块、激光电源模块、内置光功率测量/标定模块、系统控制/通讯模块、显示/输入模块以及实时监测/保护/报警装置，所述半导体激光发射模块中设有多个激光管芯，将设置在所述半导体激光发射模块中的多个激光管芯平分构成多组激光管芯，每一组激光管芯通过光纤耦合输出一路激光，构成多路激光输出。
在上述激光治疗仪中，在激光电源模块与每一组激光管芯的输入端之间还设有可选择地接通模块中的一组或多组激光管芯的控制装置。
在上述激光治疗仪中，所述激光管芯是一种630nm-690nm激光管芯，每一组激光管芯中的单个激光管芯分别采用单根小孔径的光纤耦合后形成光纤束输出。
实施本实用新型提供的激光治疗仪，通过将设置在原治疗仪中的半导体激光发射模块中的多个激光管芯平均分成多组激光管芯，从而构成了具有多路输出的激光治疗仪，一次开机可对病灶的不同部位同时进行照射治疗，尤其适合于组织间多点照射治疗，从而可缩短治疗时间，减轻病人负担和痛苦，获得到更好的治疗效果。
以下结合附图，用优选的实施例进一步说明本实用新型。
图1、图2是本实用新型激光治疗仪的结构框图和控制流程图；图3是图1所示激光治疗仪中由多组激光管芯构成的半导体激光发射模块的结构示意图；图4是图1所示激光治疗仪中电源模块的电路原理图；图5是图1所示激光治疗仪中内置光功率测量/标定模块的的电路原理图；图6是图1所示激光治疗仪中光学控制模块的电路原理图；图7是图1所示激光治疗仪中系统控制/通讯模块的电路原理图；图8是图1所示激光治疗仪中显示/输入模块的电路原理图。
具体实施方式
参照图1、图2，激光治疗仪由以下几个模块连接构成半导体激光发射模块1、激光电源模块2、内置光功率测量/标定模块3、光学控制/分配模块5、系统控制/通讯模块4、显示/输入模块7以及各种实时监测/保护/报警装置，将设置在半导体激光发射模块1中的多个激光管芯平分构成多组激光管芯，每一组激光管芯通过光纤耦合输出一路激光，从而构成多路激光输出。在本实施例中，是在半导体激光发射模块1中设有20个激光管芯9，将这20个管芯分成4组，从而使治疗仪同时具有4路激光输出。
下面分别说明治疗仪中各个模块的结构和功能半导体激光发射模块，参照图3半导体激光管芯是整个装置的核心，其技术含量也最高。以630nm激光管芯为例，目前，此类激光管芯材料大都采用InGaAlP，整个管芯的生产过程包括晶片设计和生长、芯片加工、基座安装、老化/筛选等多个工艺过程，涉及大量的最新技术。根据目前半导体激光器制造业的技术水平和能力，630nm波长附近单个激光管芯输出功率大都在200-300mW以下，而最终系统要求的光功率却要大于2000mW，考虑各级耦合、传输损耗，对激光器本身功率要求在4000mW左右，所以在完成管芯后，必需采用一些特殊的技术将多个激光管芯输出进行合成以得到大功率。当前业界一般是采用两种方法来解决这个问题，一种是激光器本身采用阵列形式，然后通过一组透镜系统将能量耦合到一根较大孔径的输出光纤；另一种方式是每个管芯分别耦合至单根小孔径光纤，然后再形成光纤束输出。两种方法各有长短，考虑到本实用新型的功率和散热要求等，本实用新型采用光纤束方式。此外，激光输出模块中还需要采用半导体制冷堆来控制激光器的温度，以保证输出光波长的稳定。最后，将整个模块置入一个金属盒内，为了保证输出模块的长期稳定和可靠，金属盒应密封完好。
激光电源模块，参照图4半导体激光电源大都是采用可调式稳流电源，要求控制精度高，紊波系数小，当然也有结构简单、成本低廉的线性电源。本治疗仪中的激光电源采用先进的微机控制开关电源，虽然成本较高，但安全、可靠，控制精度高(电流控制精度可达0.1％)。为便于根据治疗的需要，有选择的开通多路激光输出中的一路工作或多路同时工作，在激光电源模块与每一组激光管芯的输入端之间还设有有选择地接通模块中的一组或多组激光管芯的控制装置8；控制装置8可采用现有技术中的电子开关10的控制芯片来实现，如图3所示。
内置光功率测量/标定模块如图5所示，为了测量激光器的输出功率，并对输出光纤的传输效率进行标定，必须配置光功率计；为了方便使用，本治疗仪采用内置式光功率计。一般的功率计有多种形式，考虑到本装置连接的输出光纤有多种方式，如平头端面、圆柱形弥散光纤、球形端面等，出射光束形状各异，本治疗仪中采用了积分球光功率计，以保证其测量结果基本与被测光束形状无关，且在一定范围内与被测光位置无关。
由于选用质量较好的大积分球，能够对各种形状的入射光束进行很好的“均匀化”，因此，经实测对比，本治疗仪中的内置光功率计测量精度可在5％以内。
值得一提的是，当本治疗仪在进行PDT治疗时，用户设定的最终光功率总输出(即多路输出之和)，也是经此功率计直接测量、校准的，以保证实际输出光功率的精度(总输出测量精度可控制在10％以内，各路输出间的偏差则控制在20％以内)。
系统控制/通讯模块如图7所示，整套治疗仪的控制部分首先要考虑的就是整体的安全性、可靠性，同时考虑到治疗仪最终是要供医务人员使用，功能的完整性同样是非常重要的。此外，考虑到治疗仪今后的升级换代等需要，还要在硬件方面适当考虑与外部微机之间的连接、网络通讯等方面的要求。
治疗仪的总体控制过程如图1所示。首先，为了减小/分摊风险、确保安全，控制模块实际采用2块CPU，其中一块专门用于系统内部所有硬件模块和装置的底层控制，如激光器、光学控制模块、监测装置等，另一块CPU则专门用于控制输入/输出(显示)以及通讯等与外部的连接，两块CPU之间则通过数据总线进行连接。一方面减轻了每块CPU的负担，同时从硬件上将内外两部分分离，确保外部的各种误操作不会直接影响内部的控制，尽可能地避免由此造成的意外损害。其次，所有的关键控制部分都是由硬件电路和CPU两部分并行地同时控制，并随时进行两路控制信号的校验。再次，所有的关键部件全部通过各种监测装置进行多重的实时监测，再通过两套控制系统随时对其状态做出判断并在必要时进行各种操作。
在治疗仪的功能方面，在治疗仪内部(不对普通用户开放)及“工程师模式”(专业人员操作)情况下，治疗仪的功能相当完整，包括各种硬件的诊断、测试以及软件的升级等。对用户而言，作为一台成熟的、功能确定的仪器设备，除了在系统自检、实时监测过程中发生错误通知用户外，用户只能按照要求进行一些简单的操作，其功能全部是按照PDT治疗仪的要求进行的，如输入必要的治疗参数(功率、时间等)、记录、查询等，以及必要的硬件控制如开关等。如此，一方面是为了整体的安全，另一方面，也是为了用户使用的简便。
此外，考虑到将来本治疗仪的升级，如电子病历、与其它设备的通讯联网等，本机预留了有关的通讯接口。
显示/输入模块如图8所示，作为一种在临床治疗中实际使用的医疗设备，治疗仪的输入/输出(显示)不仅是必需的，而且对治疗仪的可/易操作性而言是最为关键的。对最终用户而言，本实用新型的整个输入/输出(显示)都是通过同一个彩色液晶触摸屏来进行的，如此不仅使整个面板布置极为简洁，而且用户各种操作也相当简便，硬件整体也更为可靠。该模块硬件可分三个部分，如下图所示，值得注意的是其中的驱动电路部分本身就有一块CPU，并附二级中文字库，可对今后的进一步开发提供帮助。
鉴于本实用新型的具体应用背景，所有输入/输出的具体内容都是直接针对PDT治疗的。整个软件采用“菜单”结构，中文显示，完全是“傻瓜式操作”风格，几乎不需要培训。软件显示的内容主要是系统状态、各种提示以及治疗汇总/记录/查询等，用户选择输入的内容也完全是PDT治疗的基本参数，如治疗模式、几路输出、光纤长度等。下图即其中典型的初始菜单和治疗界面。
值得一提的是，有关的用户应用软件系统采用开放式结构，今后使用中可随时根据用户需要增加新的内容，很简单地实现软件升级，同时，本软件还增加了“特殊设定”的功能，用户可根据需要设定光能量/功率和时间，即在“自动模式”基础上增加了所谓的“手动模式”，以适用不同的实际情况。
实时监测/报警装置为了保证本治疗仪成为一套真正安全、可靠的医疗设备，达到FDA、CE标准，很重要的一个方面就是装置的实时监测和报警系统。为此，本治疗仪中所有的主要部件均通过光电、(位置)机械、温度以及电探测器等进行实时监测；对最关键的部件，更是采用多个探测器，进行多重实时监测。
治疗仪的实时监测主要包括激光器状态监视(电流、温度)、激光模块输出功率监测(光功率)、激光波长监测(温度)、机械开关状态监测(光电、机械双重)、手开关状态监测(电)、传输光纤卡位锁定监测(双重光电)、功率二极管状态监测(电)、微处理器状态监测(电)、控制回路状态监测(电)、电源状态监测(电)、各部分温度监测(散热器、机箱内气温、室温、电源等)、机箱开/闭状态监测(机械)。
此外，治疗仪启动时，将自动进行各部分的自我检测。除了机箱外部(前/侧面)各种规定的激光产品特有的标示，如“激光辐射警示”、“激光发射孔标示”、“紧急开关标示”等，激光发射时，屏幕上还有视觉提示(从“待命”至“就绪”，颜色变为黄色)，同时机箱内发出“嘟嘟”声提示。
权利要求1.一种半导体激光光动力治疗仪，设有按信号流向进行连接的半导体激光发射模块、激光电源模块、内置光功率测量/标定模块、系统控制/通讯模块、显示/输入模块以及实时监测/保护/报警装置；所述半导体激光发射模块中含有多个激光管芯，其特征在于，设置在所述半导体激光发射模块中的多个激光管芯平分构成多组激光管芯，每一组激光管芯通过光纤耦合输出一路激光，构成多路激光输出。
2.根据权利要求1所述激光光动力治疗仪，其特征在于，在所述激光电源模块与所述每一组激光管芯的输入端之间还设有有选择地接通所述激光发射模块中的一组或多组激光管芯的控制装置。
3.根据权利要求1或2所述激光光动力治疗仪，其特征在于，所述半导体激光发射模块中设有20个激光管芯，所述20个激光管芯共分成4组，所述激光管芯是一种630nm-690nm激光管芯，每一组激光管芯中的单个激光管芯分别采用单根小孔径的光纤耦合后形成光纤束输出；每一路光纤输出端校准输出功率不低于500mw。
专利摘要本实用新型公开了一种半导体激光光动力治疗仪，设有按信号流向进行连接的半导体激光发射模块、激光电源模块、内置光功率测量/标定模块、系统控制/通讯模块、显示/输入模块以及实时监测/保护/报警装置。所述半导体激光发射模块中含有多个激光管芯，这些激光管芯平分构成多组激光管芯，每一组激光管芯通过光纤耦合输出一路激光，构成多路激光输出。通过将设置在半导体激光发射模块中的多个激光管芯平均分成多组激光管芯，构成具有多路输出的激光光动力治疗仪，一次开机可对病灶的不同部位同时进行照射治疗，尤其适合于组织间多点照射治疗，从而可缩短治疗时间，减轻病人负担和痛苦，获得到更好的治疗效果。
文档编号A61N5/06GK2607149SQ0322352
公开日2004年3月24日 申请日期2003年1月28日 优先权日2003年1月28日
发明者杨栋, 莫亚平 申请人:深圳市微创医学科技有限公司