专利名称：630nm大功率半导体激光系统及使用该系统的激光治疗仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体激光系统，尤其设计一种波长为630nm的、大功率半导体激光系统及使用该系统的激光治疗仪。
背景技术：
开发本实用新型的目的主要是为了提供一种在符合光动力疗法临床实用要求的激光治疗仪，因此，首先介绍一下有关的光动力疗法。
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凋亡。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/导向性治疗效果。
作为一种极有潜力的新型肿瘤治疗技术，光动力疗法是激光技术、光导技术、光信息处理技术、生物光化学技术和现代医学技术有机结合的产物。十多年来，尽管该领域研究在不断地深入和扩展，并一再显示出诱人前景，但由于第一代PDT药物PHOTOFRIN直到1996年才获FDA批准(对应的光源波长为630±3nm)，更由于对应的光动力疗法设备直到近年才有真正实用的小型化大功率半导体激光机推出，所以目前这项技术在医院里应用并不普遍。
用于PDT的辐照光源，是PDT疗法中最关键的设备。其波长和功率应能满足PDT对光剂量的严格要求，即综合考虑光敏剂吸收特性和组织透过特性后优选出的光波长，以及在较大范围投照仍可保证足够能流率的有效总输出。目前市场上有多种专门用于PDT光辐照的设备，分别采用不同的技术，其成本、治疗效果也有很大的不同。其中有一类采用大功率卤素灯作为光源，由于其光谱是连续且宽谱的，而PDT所要求的与光敏剂匹配的光波长是以某个特定波长为中心的较窄的一段光谱，因此这类光源必须配上一套特定的滤光系统才能使用。此类技术和产品的典型就是MBG Technologies Inc.和Ci-Tec Ltd.的LumaCaretTMLamp(非相干光输出)，包括LC-051和LC-122两种型号，主要指标为光功率输出达到2000mW/cm2，输出波长为400nm-800nm(连续)；此外，杜萨药品公司申请的专利99808203.1等也是此类产品。这类设备最大的优势首先是成本低廉，具有明显的价格优势；而且，只要更换不同的滤光片，就能得到不同波长输出光以适用于不同的光敏剂。但这类设备由于是连续广谱输出，其根本缺陷就是在所需要的光谱范围内可获得的光输出太低，如和相应的激光治疗仪输出相比，其对应光谱范围(630±3nm)内的输出要低约两个数量级；另一重大缺陷是难于通过光导纤维高效传输。因此，此类产品只能在浅表皮肤癌PDT这一很窄的范围内应用。
相比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，在性能方面占有十分明显的优势。针对PDT的实际需要，考虑两种技术的本质区别，激光光源的技术性能优势基本上是无可动摇的。因此，一般都认为，真正适用于PDT治疗的辐照光源，只能是激光光源。目前实际应用的激光系统主要可分为非半导体激光器(如染料激光器等)和半导体激光器两类，其中前者有Coherent，Inc.的PDL1/2 Lambda Plus Laser System以及Laserscope的Model 630/XP Dye Modules等，此类染料激光器最大的优势就是其输出波长在相当宽的范围内连续可调，可以适用不同的光敏剂。但其缺点也是十分明显的，首先是整套系统相当复杂，体积庞大，价格昂贵；其次是使用、维护等相当复杂，对操作人员要求较高，使用成本也较高，因此在易操作、易维护、安全性、可靠性等方面较差；此外，利用He-Ne激光器并联获得较高功率(数百毫瓦)，如浙江国光集团医疗器械有限公司深情的专利97106286.2以及徐国顺德02258642.3等同样有着系统复杂、体积庞大、功率较低、不易使用，且系统不够稳定等诸多缺点。与之相比，除了波长可调谐这一点以外，半导体激光器在各方面均具有明显的优势整套系统简单、小巧、可靠，具体使用及日常维护十分简便，对操作人员几乎没有什么特殊要求，而且整套系统价格也要便宜得多。因此，在目前的PDT应用中，染料激光器系统主要用于各种实验研究场合，如进行新光敏剂的筛选实验、光动力剂量学实验和PDT临床试验等。在医院的PDT推广应用中，真正实用的辐照光源首选就是半导体激光系统(因配套使用的光敏剂确定后，光源的波长也就确定，根本无须调节)。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能用于光动力疗法的半导体激光系统及激光治疗仪，尤其是波长为630nm的大功率激光系统以及激光治疗仪。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种630nm大功率半导体激光系统，包括半导体激光发射模块，由多个半导体激光管芯，每个管芯激光输出分别耦合至单根小孔径光纤，再有多根小孔径光纤合成形成光纤束输出；激光电源装置，提供所述半导体激光发射模块所需工作电源；系统控制装置，与所述电源装置和所述半导体激光发射装置相连，控制所述系统工作；还包括光学控制/分配装置，与所述半导体激光发射装置和所述系统控制装置相连，控制整个系统的输出。
一种采用如上所述的630nm大功率半导体激光系统的激光治疗仪，其特点是，包括上述的多个半导体激光管芯、激光电源装置，系统控制装置，光学控制/分配装置，还包括内置功率测量装置，采用积分球光功率计，用于激光功率的校准；输入/显示装置，与所述系统控制装置相连；便于用户操作；监测/报警装置，与上述每一个模块均相连，在除所述系统控制装置和所述输入/显示装置外的其它装置中均安装有一个或多个监测器，确保系统的安全、可靠，从而形成一个完整、可靠、易用的医疗实用系统。
由于采用了上述技术方案，本实用新型提供了一种可用于光动力疗法的、波长为630nm的大功率半导体激光系统以及使用该系统的激光治疗仪，能提供功率稳定的630nm波长的激光，达到光动力治疗的要求。
图1是本实用新型的630nm大功率半导体激光系统的结构框图；图2是本实用新型的使用上述激光系统的激光治疗仪的结构框图；
图3是本实用新型的激光系统和激光治疗仪使用的电源装置的电路图；图4是本实用新型的激光系统和激光治疗仪使用的光学控制/分配装置的结构图；图5是本实用新型激光治疗仪使用的内置光功率测量装置的结构图；图6-图9是本实用新型的激光治疗仪使用的控制装置的电路图；图10是本实用新型的激光治疗仪使用的显示/输入装置的结构框图；具体实施方式
以下结合附图和实施例来进一步说明本实用新型的技术方案。
图1是本实用新型的630nm大功率半导体激光系统的结构框图，该激光系统10包括半导体激光发射装置11，有多个InGaAlP激光管芯，每个管芯分别耦合至单根小孔径光纤，数根小孔径光纤集合形成光纤束。众所周知，半导体激光管芯是整个系统的核心，其技术含量也是最高的。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(Bar)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(Bundle)输出。两种方法各有长短，考虑到本系统的功率和散热要求等，在本系统中采用光纤束方式。此外，激光输出模块中还需要采用半导体制冷堆(TE Cooler)来控制激光器的温度，以保证输出光波长的稳定。最后，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，金属盒的密封也是极为关键的。
电源装置12，与半导体激光发射装置11相连。半导体激光电源大都是可调式稳流电源，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。本系统中的激光电源采用微机控制开关电源，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％)。图3是其电路图，对于熟悉本领域的技术人员来说，完全可以按照该电路图来实现该电源装置，因此这里就不再做另外的文字描述了。
系统控制装置13，与电源装置12和半导体激光发射装置11相连，控制系统工作。由于用途不同，系统控制装置13的结构会有所不同，后面会详细介绍将该激光系统用于激光治疗仪时其系统控制装置13的结构。
与现有的激光系统最大的不同点在于，该系统还包括，光学控制/分配装置14，与半导体激光发射装置11和系统控制装置13相连，其输出为整个系统的输出。该光学控制/分配装置14包括以下部件，如图4所示机械开关41，当系统出现意外情况时，如输出光纤脱落、光功率偏差过大时，机械开关将独立工作/启动，切断激光输出。如此，在原有的电开关基础上，增加了这第二重保护，以实现真正的冗余式多重保护，尽可能的提高系统的安全性、可靠性，确保不出现意外。
光电探测器42，在光路侧面增加了一个高精度的光电探测器42，以实现光功率的实时监测，即可测量激光模块的实际输出功率(光纤传输效率就是通过经功率计测量的光纤末端功率与此值比较所得)，又可在激光器工作时通过实时监控确保光功率的稳定。
光学分配器43，位于激光光路上的光学分配器43在该系统用作为PDT治疗仪时有比较重要的作用，因为在某些情况下，只需要单路输出，而在某些情况下，如进行较大肿瘤组织间照射时，多路输出/同时照射显然要比单路有利得多。因此需要一个光学分配器(Splitter)按照一定的比例将光功率分成多束。光学分配器43既可通过传统的独立的光学元件，如镀膜分束片等实现，也可利用光纤耦合器方式实现。本系统中的光学分配器43直接与光学控制器连接，并集成于同一模块。
当利用上述激光系统来作为激光治疗仪时，由于医用器具的特殊要求，还需要增加一些部件，并对系统控制装置做一些改动，下面详细描述首先看一下作为激光治疗仪20时其系统控制装置13的结构激光治疗仪做为医用系统，首先要考虑的就是整体的安全性、可靠性，同时考虑到本系统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，考虑到系统今后的升级换代等，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。
因此，为了减小/分摊风险、确保安全，激光治疗仪的系统控制装置实际采用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。如此，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，原则上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。图6-图9是本实用新型的激光治疗仪使用的控制装置的电路图。对于熟悉本领域的技术人员来说，完全可以按照该电路图来实现该电源装置，因此这里就不再做另外的文字描述了。
作为激光治疗仪时，还在原激光系统的基础上增加了三个模块，如图2所示，包括，内置功率测量装置15，与半导体激光发射装置11、系统控制装置13和光学控制/分配装置14相连，内置功率测量装置15采集光学控制/分配装置14的输出作为其输入。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，必须配置光功率测量装置；为了方便使用，本系统采用内置式光功率测量装置15。一般的功率测量装置有多种形式，考虑到本系统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，本系统中采用了积分球光功率计，如图5所示，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。该积分球功率计50的探测器51放置在球面上，被测量的光纤52伸入一直径方向的定位/保护玻璃管53中。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，本系统中的内置光功率计测量精度可达5％以内。值得一提的是，当本系统作为PDT治疗仪使用时，用户设定的最终光功率输出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(5％)。
输入/显示装置16，与系统控制装置13相连。图10是本实用新型的激光治疗仪使用的显示/输入装置16的结构框图，包括触摸屏101，液晶屏102和驱动电路103。激光治疗仪作为一种在临床治疗中实际使用的医疗设备，系统的输入/输出(显示)不仅是必需的，而且对系统的可/易操作性而言是最为关键的。对最终用户而言，本系统整个的输入/输出(显示)都是通过同一个彩色液晶触摸屏61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，如图6所示，值得注意的是其中的驱动电路部分63本身就有一块CPU，并附二级中文字库，如此对今后的进一步开发是极为有利的。
监测/报警装置17，与上述每一个模块均相连，在除系统控制装置13和输入/显示装置16外的其它装置中均安装有一个或多个监测器。为了保证本系统成为一套真正安全、可靠的医疗设备，达到FDA、CE标准，很重要的一个方面就是系统的监测/报警装置17。为此，本系统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。系统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)和机箱开/闭状态监测(机械)。以上使用的检测器均是现在已有的产品，它们的安装和使用都是熟知的技术，因此这里就不再详细描述。
由于采用了上述技术方案，本实用新型提供了一种可用于光动力疗法的波长为630nm的大功率半导体激光系统以及使用该系统的激光治疗仪，能提供功率稳定的630nm波长的激光，达到光动力疗法的要求。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
权利要求1.一种630nm大功率半导体激光系统，包括半导体激光发射模块，由多个半导体激光管芯，每个管芯激光输出分别耦合至单根小孔径光纤，再有多根小孔径光纤合成形成光纤束输出；激光电源装置，提供所述半导体激光发射模块所需工作电源；系统控制装置，与所述电源装置和所述半导体激光发射装置相连，控制所述系统工作；其特征在于，还包括光学控制/分配装置，与所述半导体激光发射装置和所述系统控制装置相连，控制整个系统的输出。
2.如权利要求1所述的630nm大功率半导体激光系统，其特征在于，所述光学控制/分配装置包括可切断激光输出的电源控制开关和机械开关；位于激光光路侧面的用于光功率监测的光电探测器；位于激光光路上的光学分配器，可将单路激光输出分为多路多路输出。
3.一种采用如权利要求1所述的630nm大功率半导体激光系统的激光治疗仪，其特征在于，包括半导体激光发射模块，由多个InGaAlP激光管芯，每个管芯分别耦合至单根小孔径光纤，数根小孔径光纤集合形成光纤束输出；激光电源装置，与所述半导体激光发射装置相连提供所需电源；系统控制装置，与所述电源装置和所述半导体激光发射装置相连，控制所述系统工作；光学控制/分配装置，与所述半导体激光发射装置和所述系统控制装置相连，其输出为整个系统的输出；还包括内置功率测量装置，采用积分球光功率计，用于激光功率的校准；输入/显示装置，与所述系统控制装置相连；便于用户操作；监测/报警装置，与上述每一个模块均相连，在除所述系统控制装置和所述输入/显示装置外的其它装置中均安装有一个或多个监测器，确保系统的安全、可靠。
4.如权利要求3所述的激光治疗仪，其特征在于，所述系统控制装置采用双CPU，一个CPU控制所述半导体激光发射装置、所述电源装置、所述光学控制/分配装置和所述内置功率测量装置，另一个CPU控制所述输入/显示装置和所述监测/报警装置。
5.如权利要求3所述的激光治疗仪，其特征在于，系统内部的多个监测/报警装置，尤其是关键模块的多重监控，确保作为医疗器械所必需的系统的安全和可靠。
6.如权利要求3所述的激光治疗仪，其特征在于，所述内置功率测量装置采用积分球光功率计。
7.如权利要求3所述的激光治疗仪，其特征在于，所述输入/显示装置包括触摸屏，液晶屏和驱动电路。
专利摘要本实用新型公开了一种输出波长为630nm的、大功率半导体激光系统，包括半导体激光发射模块，由多个半导体激光管输出合成；激光电源装置；系统控制装置，控制系统工作；光学控制/分配装置，控制整个系统的输出。一种采用如上所述的630nm大功率半导体激光系统的激光治疗仪，其特点是，除上述结构外，还包括用户操作所需的输入/显示装置；完整的系统和模块监测/报警装置；内置的光功率测量装置等。由于采用了上述技术方案，本实用新型提供了一种波长为630nm、输出功率达2W的大功率半导体激光系统以及使用该系统的激光治疗仪，可满足光动力治疗临床实用的要求。
文档编号A61N5/06GK2676949SQ20032012306
公开日2005年2月9日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者朱文勇, 严迪化 申请人:上海仁光光电科技有限公司