CN104348078A - 一种脉冲激光束受控于径向步进距离的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光束的轴向深度控制，更具体的说，涉及到脉冲激光器的激光头发射、停止发射激光束受控于激光头径向步进的距离。本发明是提供的脉冲激光束受控于径向步进距离的装置，装置包括脉冲发生器、激光发生器、步进电机脉冲电源、步进电机、编码器、信号检测器以及或门元件。本发明要解决的技术问题在于，针对现有的脉冲激光束尚不能普遍应用在生物体组织切割、烧蚀、切除的治疗方面。控制激光束切割深度关乎生命安全。

Description

一种脉冲激光束受控于径向步进距离的装置

技术领域

本发明涉及激光束的轴向深度控制，更具体的说，涉及到脉冲激光器的激光头发射、停止发射激光束受控于激光头径向步进的距离。本发明主要用于激光束切割、烧蚀、切除生物体组织。控制激光束切割深度关乎生命安全。

背景技术

激光束在加工物品时其深度控制，取决于激光束的能量密度(温度)和作用时间。当激光束的能量密度确定后，其作用时间是控制深度的主要变量参数。脉冲激光束的深度控制即是在一个周期里脉冲的宽度。脉冲的宽度是时间变量参数的直观体现。

脉冲激光束在工业领域的应用，包括切割、焊接、打孔、打标、划线等各种加工工艺，已基本成熟。其精度控制在微米级。但是，激光束在医用、医疗方面的应用尚未普及，尤其对生物体组织的切割、烧蚀、切除治疗方面应用较为罕见，主要原因是激光束对生物体各不同组织切割时的轴向深度无法控制。这是因为激光的工业性实验是廉价的，激光的活性生物体实验是昂贵的，有些是不可实现的。

如果建立了激光束直径、激光束的能量密度以及激光束时间变量参数相对于生物体各不同组织穿孔深度的定量指标和精度控制。激光对生物体组织切割、烧蚀、切除治疗方面，也就趋于成熟。

激光束对生物体组织切割、烧蚀、切除治疗方面最大隐患是激光束气化穿孔的深度的不可控性、不可靠性。人命关天，安全第一。医疗器械的风险等级仅次于民用航空飞行器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的脉冲激光束尚不能普遍应用在生物体组织切割、烧蚀、切除的治疗方面。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种脉冲激光束受控于径向步进距离的装置，该装置包括脉冲发生器、激光发生器、步进电机脉冲电源、步进电机、编码器、信号检测器以及或门元件。

所述脉冲发生器，是产生方波脉冲的信号源，其脉冲宽度、频率连续可调，用于向激光发生器提供脉冲信号，该脉冲信号还用于控制步进电机脉冲电源的使能端。进一步所述脉冲发生器有一使能输入端，使能输入端低电平时脉冲发生器输出脉冲信号，高电平时停止输出脉冲信号。使能输入端连接或门的输出端，受控于编码器和信号检测器的输出信号。

所述激光发生器是依据脉冲发生器提供的脉冲信号产生脉冲激光束。

所述步进电机脉冲电源用于驱动步进电机，进一步所述步进电机脉冲电源有一使能输入端，使能输入端低电平时脉冲电源输出脉冲电压，高电平时停止输出脉冲电压。使能输入端连接脉冲发生器的信号输出端，并受控于此端的脉冲信号。

所述步进电机是依据步进电机脉冲电源提供的脉冲电源作旋转运动，每一个脉冲转动一个步距角度。用以带动激光发生器的激光头径向移动。

所述编码器安装在步进电机输出轴的另一端，与步进电机同轴，步进电机每转动一个步距角编码器输出一个脉冲，真实反映步进电机的角度位移，编码器的输出通过或门连接脉冲发生器的使能输入端，用于控制脉冲发生器。

所述信号检测器，用于检测步进电机脉冲电源输出信号和编码器输出信号正常与否。信号正常则输出低电平，信号不正常则输出高电平。信号检测器的输出通过或门连接脉冲发生器的使能输入端，用于控制脉冲发生器。

所述或门是编码器和信号检测器连接脉冲发生器使能输入端的中间元件，其功能是输入只要有一个高电平，输出则为高电平，两输入均为低电平时输出则为低电平。

所述脉冲信号是指：电信号通过方波的高低电平传播的一种形式，高电平输出有5V电压，低电平没有电压输出。占空比是指高电平在一个脉冲周期中所占的比例。通过占空比实现信号的传输与停止。脉冲的宽度是时间变量参数的直观体现。

所述脉冲激光束是指：脉冲信号控制激光束在生物体组织中穿孔的深度。当激光束的能量密度(温度)确定后，其作用时间是控制深度的主要变量参数，脉冲激光束的深度控制时间即是在一个周期里脉冲的宽度。

所述步进距离是指：步进电机带动激光头径向移动的距离，径向移动的距离必须等于或大于激光束的直径。

所述脉冲激光束受控于径向步进距离，简而言之，脉冲激光束气化穿孔时，激光头受控静止，无径向移动，激光束穿孔深度仅取决于脉冲宽度；激光头径向移动时，激光器受控无激光束作用于生物体，径向移动的距离必须等于或大于激光束的直径；由于脉冲激光束与步进距离的互连互控互保的逻辑控制关系使得在任何一个坐标点不会有二次激光束穿越。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

附图是本发明脉冲激光束受控于径向步进距离的控制示意图。

具体实施方式

附图是本发明脉冲激光束受控于径向步进距离的控制示意图，即是本发明的具体实施方案。

实施方案的装置，包括脉冲发生器(1)步进电机脉冲电源(2)步进电机(3)编码器(4)信号检测器(5)或门(6)以及激光发生器(7)。如附图所示。

该装置的工作过程是，装置启动后脉冲发生器(1)发出脉冲信号输送到激光发生器(7)，激光发生器(7)的激光头发出脉冲激光束，激光束作用在生物体时间，决定于脉冲方波的宽度。脉冲发生器(1)发出的脉冲信号，并控制步进电机脉冲电源(2)的使能输入端，使之为高电平，锁定步进电机脉冲电源(2)没有输出，步进电机(3)不工作，编码器(4)没有脉冲输出。当脉冲发生器(1)的脉冲后沿为低电平时，步进电机脉冲电源(2)的使能输入端恢复低电平，步进电机脉冲电源(2)输出脉冲电压，步进电机(3)转动一个步距角，编码器(4)输出脉冲送达或门(6)，或门(6)输出高电平送达脉冲发生器(1)的使能输入端，使能输入端呈现高电平，锁定脉冲发生器(1)无脉冲信号输出。当编码器(4)输出的脉冲方波后沿为低电平时，或门(6)输出低电平，脉冲发生器(1)的使能输入端恢复低电平，脉冲发生器(1)实施下一个周期的脉冲发射。如果在这个周期里，步进电机脉冲电源(2)或步进电机(3)或编码器(4)有一个发生故障，信号检测器(5)都会输出高电平经或门(6)送达脉冲发生器(1)的使能端锁定脉冲发生器(1)停止工作。

这一周期过程显示出：1.当激光束作用在生物体组织时，步进电机(3)无角度位移，激光头及激光束径向没有位移，确保了该脉冲激光束在该坐标点的轴向穿透时间，因此，确保了该脉冲激光束作用在生物体组织的深度控制和精度指标。2.当步进电机(3)角度位移带动激光头径向位移，位移过程中确保无激光束发射。3.当步进电机

(3)无角度位移，激光头没有径向位移，在下一个脉冲周期里不会发射脉冲激光束，确保在同一个坐标点不会有第二次脉冲激光束穿越，因此，确保了激光束气化穿孔的深度和生命体的安全。

在该装置中如果将步进电机(3)编码器(4)置换成专用手动工具移动激光头，需借助位置传感器或导航仪完成上述工作流程同样可以确保激光束气化穿孔的深度和生命体的安全。

Claims (9)

1.一种脉冲激光束受控于径向步进距离的装置，其特征在于，包括脉冲发生器(1)步进电机脉冲电源(2)步进电机(3)编码器(4)信号检测器(5)或门(6)以及激光发生器(7)。

2.依据权利要求1所述脉冲发生器(1)其特征在于，是产生方波脉冲的信号源，其脉冲宽度、频率连续可调，用于向激光发生器(7)提供脉冲信号，该脉冲信号还用于控制步进电机脉冲电源(2)的使能端。进一步所述脉冲发生器(1)有一使能输入端，使能输入端低电平时脉冲发生器(1)输出脉冲信号，高电平时停止输出脉冲信号。使能输入端连接或门(6)的输出端，受控于编码器(4)和信号检测器(5)的输出信号。

3.依据权利要求1所述激光发生器(7)其特征在于，是依据脉冲发生器(1)提供的脉冲信号产生脉冲激光束。

4.依据权利要求1所述步进电机脉冲电源(2)其特征在于，用于驱动步进电机(3)，进一步所述步进电机脉冲电源(2)有一使能输入端，使能输入端低电平时步进电机脉冲电源(2)输出脉冲电压，高电平时停止输出脉冲电压。使能输入端连接脉冲发生器(1)的信号输出端，并受控于此端的脉冲信号。

5.依据权利要求1所述步进电机(3)其特征在于，是依据步进电机脉冲电源(2)提供的脉冲电源作旋转运动，每一个脉冲转动一个步距角度。用以带动激光发生器(7)的激光头径向移动。

6.依据权利要求1所述编码器(4)其特征在于，安装在步进电机(3)输出轴的另一端，与步进电机(3)同轴，步进电机(3)每转动一个步距角编码器(4)输出一个脉冲，真实反映步进电机(3)的角度位移，编码器(4)的输出通过或门(6)连接脉冲发生器(1)的使能输入端，用于控制脉冲发生器(1)。

7.依据权利要求1所述信号检测器(5)，其特征在于，用于检测步进电机脉冲电源(2)输出信号和编码器(4)输出信号正常与否。信号正常则输出低电平，信号不正常则输出高电平。信号检测器(5)的输出通过或门(6)连接脉冲发生器(1)的使能输入端，用于控制脉冲发生器(1)。

8.依据权利要求1所述或门(6)其特征在于是编码器(4)和信号检测器(5)连接脉冲发生器(1)使能输入端的中间元件，其功能是输入只要有一个高电平，输出则为高电平，两输入均为低电平时输出则为低电平。

9.在该装置中将步进电机(3)编码器(4)置换成专用手动工具移动激光头，借助位置传感器或导航仪亦可完成脉冲激光束受控于径向步进距离。