CN116421305B - 一种激光手术控制系统、耦合系统及激光手术设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种激光手术控制系统、耦合系统及激光手术设备，该控制系统基于耦合系统内的高速光电探测器实时收集的气泡爆裂产生的回返散射光脉冲信号计算不同手术操作类型中特定时间内的实时气泡产生频率，根据特定时间内的实时气泡产生频率与对应时间内的气泡产生频率标准阈值比较，并基于比较结果与手术操作类型动态调整脉冲激光发射部分的单脉冲能量或连续激光功率。该手术设备兼具连续激光长于止血的优点和脉冲激光切割汽化迅速的优点，对特定时间内的气泡生成数量进行精确的控制，并根据特定时间内的气泡产生数量在激光汽化切割和激光止血两个作用间任意切换，从而优化了汽化切割和止血的工作效果，节约能耗。
Description
技术领域
本发明涉及手术激光控制技术，尤其涉及一种利用气泡爆裂回返散射光脉冲频率控制脉冲激光泵浦的控制系统、耦合系统及含有该控制系统、耦合系统的激光手术设备。
背景技术
在泌尿外科前列腺增生手术中，激光在水环境中工作，在组织汽化切割中，随着激光能量的不断作用，组织会经历水肿、凝固、汽化、碳化的过程，当蛋白质被加热至55摄氏度，蛋白质发生不可逆的变性，温度急剧升高达到水沸点时，组织开始汽化，一部分组织细胞破碎混在了水环境中，一部分组织失水附着在切口表层。在切口表层的脱水组织继续被加热而碳化，碳化组织就会阻挡光的传播，并持续吸收光能而持续温升，造成组织切割深度不能进一步加深，同时也是一种能量的浪费。
同时，在手术中，激光需要对组织进行汽化切割和止血，这两种情况下对于激光作用的要求是不一样的，在汽化切割中，需要更多的让组织破碎从而混入水环境中，从而达到组织去除的目的。而止血中，需要组织表面形成致密的凝固层，对于组织的其他切割就会降低止血效果。
现有技术给出了一些利用激光手术治疗设备进行切割和止血的教导，如CN113964640A公开了一种融合波激光输出装置和激光治疗机，该方案公开了连续激光器和脉冲激光器，从而兼具连续激光长于止血的优点和脉冲激光切割汽化迅速的优点。第一，在操作过程，如图8所示，由于止血一般采用连续激光进行，而连续激光为锥型光线；因此在将光纤远离止血点时，能获得更大的止血面积；但是由于铥激光具有水吸收性，可能导致连续激光无法触及止血点；第二，现有的脉冲激光可能持续加热水，其脉冲能量可能导致伤口的碳化，从而导致组织切割深度不能进一步加深，同时也是一种能量的浪费；第三，手术中的水环境是人体组织液、人体组织、汽化切割破碎组织以及外部注入生理盐水的混合水环境，尤其是是前三者，每个人患者，每台手术都会有差异，这样就导致对于每一台手术而言，激光控制部分的最佳参数是不一样的，这样就难以形成一种适配性高的参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在水环境发生变化的情况下，对脉冲激光参数即时进行适配性调整；并且通过对脉冲激光参数的调整实现两种模式的切换，实现更好的汽化切割以及止血。
本发明在第一方面提供了一种手术激光控制系统，所述系统包括：
控制器，所述控制器分别与激光发射部分及手术激光耦合系统内的光电探测器电连接；所述控制器根据手术操作类型调整脉冲激光泵浦的发射频率模式，
所述控制器接收所述光电探测器采集的激光手术部位水环境中气泡破裂产生的散射光脉冲信号实时数据；
所述控制器利用所述散射光脉冲信号实时数据得出的对应手术操作类型下的气泡相关参数动态调整脉冲激光泵浦的单脉冲能量和/或连续激光泵浦的功率以满足不同手术操作类型的需要；
进一步的，当所述手术操作类型为激光气化切割时，所述控制器控制所述激光发射部分的脉冲激光泵浦为低频模式，所述气泡相关参数包括：第一时间段实时散射光脉冲群的检测结果、第二时间段实时气泡产生频率与第二时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果；其中，所述第一时间段短于所述第二时间段；切割过程中所述控制器根据所述第一时间段回返散射光脉冲群的检测结果动态调节脉冲激光泵浦的单脉冲能量，以保证在第一时间段内检测到所述回返散射光脉冲群；所述控制器根据所述第二时间段实时气泡产生频率与所述第二时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果动态调节所述连续激光泵浦的功率，以使第二时间段的所述气泡产生频率始终小于等于所述第二时间段气泡产生频率标准阈值。
进一步的，若所述控制器在所述第一时间段实时检测到散射光脉冲群，则维持脉冲激光泵浦的单脉冲能量；若所述控制器在所述第一时间段未实时检测到所述散射光脉冲群，则按照单脉冲串能量的15%-25%进行递增，直至出现所述散射光脉冲群；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的第二时间段实时气泡产生频率大于第二时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器调整连续激光泵浦功率至30%-70%，并持续0.3-0.7s，直至所述第二时间段实时气泡产生频率达到所述第二时间段气泡产生频率标准阈值以下；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的所述第二时间段实时气泡产生频率小于等于所述第二时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器控制维持现有100%连续激光泵浦功率。
优选的，所述第一时间段为100μs~150μs之间的任意值。
优选的，所述第二时间段为0.5s~2s之间的任意值。
优选的，所述第二时间段气泡产生频率标准阈值为（200~300）/0.5s、（400~600）/s、（600~900）/1.5s或（800~1200）/2s之间的任意整数值。
进一步的，当所述手术操作类型为激光止血时，所述控制器控制所述激光发射部分的脉冲激光泵浦为高频模式，且通过诱导气柱排空一段距离内的液体；所述气泡相关参数包括：第三时间段实时气泡产生频率与第三时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果；止血过程中所述控制器根据所述第三时间段实时气泡产生频率与所述第三时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果动态调节脉冲激光泵浦的单脉冲能量，以使所述第三时间段实时气泡产生频率达到所述第三时间段气泡产生频率标准阈值以上。
进一步的，若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的第三时间段实时气泡产生频率大于等于第三时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器控制维持现有脉冲激光泵浦功率；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的所述第三时间段实时气泡产生频率小于所述第三时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器控制所述脉冲激光泵浦以15%-25%/s增加单脉冲能量，直至所述第三时间段实时气泡产生频率达到所述第三时间段气泡产生频率标准阈值以上。
优选的，所述第三时间段为0.5s~2s之间的任意值。
优选的，所述第三时间段气泡产生频率标准阈值为（320~480）/0.5s、（640~960）/s、（960~1440）/1.5s或（1280~1920）/2s之间的任意整数值。
本发明在第二方面提供了一种手术激光耦合系统，包括：
激光器输出头；
分光器；
耦合镜；
光纤；
所述激光器输出头、分光器、耦合镜、光纤通过光路依次连接；
其特征在于，还包括：光电探测器，所述光电探测器与所述分光器光路连接，实时采集并传输手术部位水环境中气泡破裂产生的回返散射光脉冲频率信号至上述第一方面任一项所述的手术激光控制系统以实现所述手术激光控制系统根据不同手术操作类型的激光控制。
优选的，所述分光器为反射采样镜片、棱镜、光栅的任一种或几种的组合。
本发明在第三方面一种激光手术设备，以执行切割与止血之操作，其特征在于，包括：
激光发射部分，所述激光发射部分至少包括连续泵浦和脉冲泵浦，所述连续泵浦和脉冲泵浦分别配置独立的驱动系统，所述连续泵浦和所述脉冲泵浦通过合束器进行光束合并后输入激光器输出头；
上述第一方面任一项所述的手术激光控制系统；
上述第二方面任一项所述的手术激光耦合系统；
所述激光控制系统分别与所述激光发射部分的连续泵浦驱动和脉冲泵浦驱动电连接；所述手术激光耦合系统与所述激光发射部分光路连接。
优选的，所述激光发射部分还包括种子源及其驱动器，所述种子源、所述连续泵浦和所述脉冲泵浦通过合束器进行光束合并后输入激光器输出头。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
第一，本发明通过本发明通过设置连续泵浦和脉冲泵浦方式产生融合激光，从而构建出一种连续加脉冲的激光器，通过这一激光器能够发出兼具连续与脉冲效果的激光，能够兼具连续激光长于止血的优点和脉冲激光切割汽化迅速的优点。
第二，本发明通过调节脉冲激光的脉冲串的单脉冲能量和连续激光泵浦功率，以实时诱导调整气泡产生频率，并使手术在汽化切割和止血操作两个模式间进行切换，从而优化汽化切割和止血的工作效果。
第三，本发明通过耦合系统内的高速率的光电探测器（光电二极管）来收集回返散射光信号（气泡破裂时产生的几微秒量级的散射光脉冲），从而快速检测特定时间实时（第二时间/第三时间）气泡产生频率，并反馈到控制系统；避免了水环境变化对气泡生成速率检测的影响。
第四，本发明的控制系统通过高速率光电探测器（光电二极管）实时检测到的回返散射光脉冲频率来计算特定时间（第二时间/第三时间）实时气泡产生频率，并根据所述特定时间实时气泡产生频率与特定时间内的标准阈值的比较结果动态调节脉冲激光的脉冲串内的单脉冲能量和连续激光泵浦功率，以诱导调整特定时间（第二时间/第三时间）内的气泡产生频率，能使得控制系统准确测出特定时间实时气泡产生频率，并根据所需要手术操作类型，对特定时间内的气泡产生频率进行精确的控制。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅使本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明手术激光控制系统的结构示意图；
图2为本发明手术激光控制系统在激光汽化切割过程的控制流程示意图；
图3为本发明手术激光控制系统在激光止血过程的控制流程示意图；
图4 为本发明手术激光耦合系统正向传输激光时的结构原理示意图；
图5 为本发明手术激光耦合系统反向传输回返散射光时的结构原理示意图；
图6 为本发明激光发射部分优选实施例的结构示意图；
图7 为本发明激光发射部分另一优选实施例的结构示意图；
图8 为现有技术激光治疗机的锥形光线工作原理示意图。
100. 控制系统；110. 控制器；200. 耦合装置；210. 输出头；220. 采样镜片；230. 耦合镜；240. 光纤；250. 光电探测器；260. 激光；270. 回返散射光；300. 激光发射部分；310. 连续泵浦；311. 连续泵浦驱动； 320. 脉冲泵浦；321. 脉冲泵浦驱动；330. 合束器；340.高反光栅；350. 双包层光纤；360. 低反光栅；370. 包层光剥离器；380. 种子源；381. 种子驱动。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图所示的各实施方式对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
同时，在本说明书中，涉及方位的描述，例如上、下、左、右、前、后、内、外、纵向、横向、竖直、水平等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
并且，在本说明书的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接、光连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本发明的技术原理为：在手术过程中，铥激光的能量在工作环境中被吸收，从而导致水局部沸腾产生气泡。而激光的作用始终存在，气泡的产生破裂会对光的散射产生巨大的影响，从而可以在光电探测器中观测到由气泡引起的散射光脉冲信号。虽然气泡的寿命一般在几十微秒，但是用于表征气泡破裂、塌缩的光脉冲却只有几个微秒量级。也就是说，气泡在塌缩时会引起一个几微秒量级的散射光脉冲。这一脉冲与发出的激光脉冲有数量级上的差距，可以清晰的被识别出来。控制系统通过光电探测器实时记录下的微秒级光脉冲信号，可以实时得到一定时间之内的气泡产生频率。而当特定时间内的气泡产生频率与手术操作（如：激光切割与激光止血）所需的激光驱动频率能够相适配时，则满足对应的手术操作要求，反之，在特定时间内的气泡产生频率低于激光驱动频率在对应时间内的气泡产生频率标准阈值时，控制系统适应性的加大激光单脉冲能量；而在特定时间内的气泡产生频率高于激光驱动频率所应适配对应时间内的气泡产生频率标准阈值时，控制系统适应性的降低连续激光泵浦功率，进一步通过实时记录、计算与比较，所述控制系统即可通过调节脉冲激光泵浦单脉冲能量或连续激光泵浦功率实时动态的调节特定时间实时气泡产生频率，进而满足不同手术类型的需要。
图1所示为本发明手术激光控制系统100的结构示意图，该手术激光控制系统100包括：
控制器110，所述控制器110分别与手术激光耦合系统内的光电探测器250、激光发射部分300内的连续泵浦驱动311和脉冲泵浦驱动321电连接，所述控制器110可根据手术操作类型调整激光脉冲泵浦的发射频率模式，例如：当所述手术操作类型为激光气化切割时，所述控制器110控制所述激光发射部分300的脉冲激光泵浦310为20-40Hz，更优选为20Hz的低频模式；而当所述手术操作类型为激光止血时，所述控制器110控制所述激光发射部分300的脉冲激光泵浦310为800-1200Hz，更优选为1000Hz的高频模式。在不同模式下，所述光电探测器250可实时检测和收集激光作用下手术位置水环境中气泡破裂产生的回返散射光脉冲信号，并将该回返散射光脉冲信号实时转化为电信号传输至所述控制器110，所述控制器110可利用该回返散射光脉冲电信号实时数据得出对应手术操作类型下的实时的气泡相关参数，并根据该气泡相关参数动态调整脉冲激光泵浦的单脉冲能量或连续激光泵浦的功率以满足不同手术操作类型的需要。
不同手术操作类型所对应的气泡相关参数不同，对于激光汽化切割而言，其需要融合激光中的低频脉冲激光的激光能量在短时间内超过标准阈值下限，否则将无法达到切割的要求，而在更长的时间尺度下又不能超过激光能量的上限，否则会导致切割口的迅速失水、碳化，碳化组织会阻挡光的传播，并持续吸收光能而持续温升，造成组织切割深度不能进一步加深，从而降低切割效率、浪费能耗，因此在激光汽化切割中，所述气泡相关参数包括：第一时间段实时散射光脉冲群的检测结果、第二时间段实时气泡产生频率与第二时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果；其中，所述第一时间段短于所述第二时间段。
而对于激光止血手术而言，其需要使手术部位在长时间尺度内接受高频脉冲能量的作用，从而通过大量气泡诱导气柱产生，排空一段距离内的液体，这样在将光纤远离止血点，获得更大的止血面积时就能让光在水中传播尽可能远的距离，使更多连续激光触及止血点，从而达到止血的效果。因此，融合激光中的高频脉冲激光能量要在长时间内超过阈值下限，否则将无法达到止血的要求。对应的，在激光止血中，所述气泡相关参数包括：第三时间段实时气泡产生频率与第三时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果。
对于手术发出的融合激光而言，其中脉冲激光诱导产生的气泡破裂后会产生规律的回返散射光脉冲群，只要在脉冲激光作用后出现了光脉冲群，即可证明气泡状态正常，脉冲激光泵浦正常工作；而连续激光诱导产生的气泡破裂后会产生离散的回返散射光信号，如在低频脉冲激光的作用下长时间内仍检测到大量气泡的产生，则可证明连续激光泵浦功率过高，不利于激光汽化切割手术。
下面将以图 2、3为例重点阐述本发明手术激光控制系统的具体控制流程：
如图2所示，当需执行激光气化切割操作时，气泡在生成并破裂的过程中会产生机械波，这一机械波在汽化切割的过程中将提供一种冲击作用，汽化切割过程中，通过脉冲光的作用诱导规律气泡的产生，就可以为汽化切割提供冲击作用，提升切割效率。本发明的实施例优选采用20-40Hz，更优选为20Hz的低频脉冲串驱动脉冲激光泵浦，以诱导产生规律的冲击作用。而当20Hz的低频脉冲激光作用于手术部位后，若所述控制器110在所述第一时间段实时检测到回返散射光脉冲群，且气泡主要发生在脉冲前半段，说明所述光电探测器250检测到的气泡群发生与低频脉冲驱动相符，气泡状态正常，脉冲激光泵浦正常工作，则所述控制器110维持脉冲激光泵浦的单脉冲能量；若所述控制器110在所述第一时间段未实时检测到所述回返散射光脉冲群，说明脉冲激光能量不足，切割能力不足，则控制器110控制所述激光发射单元300中的脉冲激光泵浦按照单脉冲串能量的15%-25%，优选为20%进行递增，直至所述控制器110可以实时检测到所述回返散射光脉冲群；若所述控制器110根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的第二时间段实时气泡产生频率大于第二时间段气泡产生频率标准阈值，并观测到大量连续性的散射光脉冲，说明在整个融合激光中连续激光泵浦功率过高，则所述控制器调整连续激光泵浦功率降至30%-70%，优选为40%-60%，更优选为50%，并持续0.3-0.7s，优选为0.4-0.6s，更优选为0.5s，直至所述第二时间段实时气泡产生频率达到所述第二时间段气泡产生频率标准阈值以下；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的所述第二时间段实时气泡产生频率小于等于所述第二时间段气泡产生频率标准阈值，说明手术现阶段连续激光泵浦功率正常，气泡状态正常，则所述控制器110控制维持现有100%连续激光泵浦功率输出。
在本方案中，所述第一时间段优选为100μs~150μs的任意值，且更优选为100μs，所述第二时间段优选为0.5s~2s中的任意值，且更优选为1s，而所述第二时间段气泡产生频率标准阈值，即在0.5s、1s、1.5s、2s内通过光电探测器250探测到的气泡产生频率上限标准优选为（200~300）/0.5s、（400~600）/s、（600~900）/1.5s或（800~1200）/2s之间的任意整数值，更优选为（400~600）/s之间的任意整数值，最优选为500/s。应该理解的是本实施例提到的具体数值仅代表优选的实施例，本领域技术人员可在满足手术操作的情况下，设置任何合理的第一时间段、第二时间段以及对应的第二时间段气泡产生频率标准阈值，该具体数值参数不应理解为对权利要求保护范围的限定。
综上所述，在整个激光汽化切割阶段，所述控制器110根据所述光电探测器250在第一时间和第二时间内探测的回返散射光脉冲频率电信号分别计算对应时间内的气泡产生数量，并根据第一时间和第二时间内的气泡产生数量与对应时间内的所述气泡产生数量标准阈值的实时比较结果动态调节激光泵浦的单脉冲能量或连续功率，使第一时间内的所述气泡产生数量始终大于等于对应时间内的第一标准阈值，并使第二时间内的所述气泡产生数量始终小于等于对应时间内的第二标准阈值，从而实现稳定、节能、高效的气化切割操作。
如图3所示，当需激光执行止血操作时，为了达到有效止血效果，最大化屏蔽环境水对铥激光的吸收，导致连续激光无法触及止血点，本发明融合激光中使用的脉冲激光优选采用800-1200Hz，更优选为1000Hz的高频脉冲激光，该高频脉冲激光作用于环境水后会在瞬间产生极大量的气泡，大量气泡会聚形成气柱，从而排空一段距离内的液体，使激光在水中可传播尽可能远的距离，让更多的连续激光触及止血点。由于止血操作过程中需要高频脉冲激光长时间作用于水环境以提供气柱产生的条件，以让连续激光更少量的被水吸收，并以更大面积作用于手术部位，产生良好的止血效果，因此融合激光中的高频脉冲激光的激光能量在长时间内需超过阈值下限，否则将无法达到有效止血的要求。当1000Hz的高频脉冲激光作用于手术部位后，所述光电探测器250检测到的气泡群发生与1000Hz相符，即在激光脉冲出光之后观测到大量增加的散射光脉冲，且所述控制器110根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的第三时间段实时气泡产生频率大于等于第三时间段气泡产生频率标准阈值，说明气泡产生量正常，脉冲激光泵浦工作正常，所述控制器110控制维持现有脉冲激光泵浦功率；若所述控制器110根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的所述第三时间段实时气泡产生频率小于所述第三时间段气泡产生频率标准阈值，则说明该状态下高频脉冲激光输出功率不足，手术部位接受的连续激光不足以达到止血之目的，此时所述控制器110控制所述脉冲激光泵浦以15%-25%/s之间的任意值，优选为18%-22%/s之间的任意值，更优选为20%/s增加单脉冲能量，直至所述第三时间段实时气泡产生频率达到所述第三时间段气泡产生频率标准阈值以上。
在本方案中，所述第三时间段优选为0.5s~2s中的任意值，优选为0.5s、1s、1.5s、2s，且更优选为1s，而第三时间段气泡产生频率标准阈值，即在0.5s~2s中任意值内通过光电探测器250探测到的气泡产生频率下限标准优选为（320~480）/0.5s、（640~960）/s、（960~1440）/1.5s或（1280~1920）/2s之间的任意整数值，更优选为（640~960）/s之间的任意整数值，最优选为800/s。应该理解的是本实施例提到的具体数值仅代表优选的实施例，本领域技术人员可在满足止血手术操作的情况下，设置任何合理的第三时间段以及对应的第三时间段气泡产生频率标准阈值，该具体数值参数不应理解为对权利要求保护范围的限定。此外，在激光汽化切割和激光止血手术操作中，虽然第二时间和第三时间在名称表述上不同，但不代表两者之间不能使用同样的时间范围，相反，在优选的实施例中，所述第二时间段和所述第三时间段都适宜采用1s作为实时信号采集时间。
综上所述，在整个激光止血阶段，所述控制器110根据所述光电探测器250在第三时间段内实时探测的回返散射光脉冲电信号计算对应时间段内的实时气泡产生频率，并根据第三时间段实时气泡产生频率与所述气泡产生数量标准阈值的实时比较结果动态调节脉冲激光泵浦的单脉冲能量，使所述第三时间段实时气泡产生频率始终大于等于第三时间段气泡产生频率标准阈值，从而实现稳定、节能、高效的激光止血操作。
应该理解的是本发明中提到的第一时间段、第二时间段、第三时间段均为融合激光发射过程中的某一随机实时时间点后的时间段，正是由于其随机实时性才能够使控制系统根据手术操作类型在激光发射过程中一直实时动态监测回返散射光脉冲信号，并利用该实时回返散射光脉冲信号计算特定时间内的实时气泡产生频率，根据该实时气泡产生频率与对应时间内的阈值比较结果实时调节脉冲激光泵浦与连续激光泵浦的发射功率，从而在不同类型手术中自由切换，满足手术要求。
为了实现并加强光电探测器250对气泡爆裂后回返散射光的探测功能及电信号传输功能，本发明在第二方面公开了一种耦合系统，如图4、5所示，所述耦合系统至少包括：激光器输出头210、分光器220、耦合镜230、光纤240，所述激光器输出头210、分光器220、耦合镜230、光纤240通过光路依次连接，用以向外传输手术激光并接收、分流回返散射光脉冲；所述耦合系统还包括光电探测器250，所述光电探测器250与所述分光器220光路连接，并将分光器220传输的气泡破裂产生的回返散射光脉冲信号转化为电信号，从而将所述电信号传输给上述第一方面提供的手术激光控制系统100。本实施例中，所述分光器220为具有透射和分光功能的光学器件，优选为反射采样镜片、棱镜、光栅中的任意一种或多种之组合，应该理解的是，虽然本实施例选用反射采样镜片作为示例，但其不应该理解为对权利要求保护范围的限制，所有具有透射和分光功能的光学器件只要不违反本发明之精神，均涵盖在本发明的保护范围之中。
在正向传输激光时，如图4所示，根据所述控制系统100调制后的激光260主要能量从输出头210发出，在经过采样镜片分光器220时，一次反射光向远离光电探测器250的方向，而主要光透过采样镜片分光器220，经过耦合镜230聚焦到光纤240中，并发射到手术部位进行激光手术。
而在反向传输回返散射光时，如图5所示，所述回返光散射光270主要从工作环境中采集，其通过光纤240回到耦合系统200。从光纤中出射的回返散射光270通过耦合镜230到达采样镜片分光器220后，一次反射光传向光电探测器250，透射光则传向所述输出头210。通过这种设计，工作环境中的回返散射光270实时脉冲信号就可以被光电探测器250捕捉、采集并转化为对应的实时电信号，所述控制系统100根据所述实时电信号计算上文第一时间/第二时间/第三时间段实时气泡产生频率，结合需采用的激光手术类型（如：汽化切割、凝血）以及不同手术类型过程中对应时间段气泡产生频率标准阈值，动态调整激光发射部分300的单脉冲能量和连续激光功率，进而可通过控制系统100实时调制激光260能量，使激光发射部分300在控制系统100的控制下在不同类型手术，如：激光汽化切割和激光止血操作中自由切换，并使激光能量符合不同激光手术类型下的能量要求。通过本发明耦合系统200与控制系统100之间的联动作用，可以快速检测气泡的生成速率，并实时反馈到控制系统100，避免了水环境变化对气泡生成速率检测的影响。
基于第一方面的控制系统100和第二方面的耦合系统200，本发明在第三方面提供了一种激光手术设备，所述激光手术设备整合有上述第一方面提供的控制系统100、第二方面提供的耦合系统200以及激光发射部分300，所述激光发射部分300基于所述耦合系统200中光电探测器250对回返散射光脉冲信号的实时检测结果，在前文所述的控制系统的计算、比较与控制下发出不同脉冲频率、脉冲能量、以及连续功率的融合激光260，以在激光汽化切割与激光止血手术操作之间任意切换，并执行激光汽化切割与激光止血的手术操作。
作为优选实施例，所述激光发射部分300优选采用震荡腔结构，如图6所示，所述震荡腔结构包括两组泵浦和合束器330，所述两组泵浦中一组为连续泵浦310，另一组为脉冲泵浦320，所述连续泵浦310和所述脉冲泵浦320通过合束器330进行光束合并，所述连续泵浦310和所述脉冲泵浦320分别配置独立的驱动系统，即：连续泵浦驱动311和脉冲泵浦驱动321，所述连续泵浦驱动311和脉冲泵浦驱动321统一受所述控制器110内的激光器主芯片控制。连续泵浦310负责连续出光，在输出端输出连续的激光。脉冲泵浦320负责脉冲出光，在输出端输出脉冲激光。通过这种设置，激光器在输出端就可以输出连续光或脉冲光又或者两者的叠加。优选的，所述脉冲泵浦320使用巴条式半导体激光器，其峰值功率和开关性能都更优越。经过所述合束器330后，所述激光260依次通过高反光栅340、双包层光纤350、低反光栅360、包层光剥离器370后进入输出头210，从而传输至所述耦合装置200，并通过耦合装置200输出至手术部位。
作为另一优选实施例，所述激光发射部分300优选采用主振荡器加功率放大器（MOPA）结构，如图7所示，所述MOPA结构包括种子源380、两组泵浦和合束器330，所述两组泵浦中一组为连续泵浦310，另一组为脉冲泵浦320，所述连续泵浦310和所述脉冲泵浦320通过合束器330进行光束合并，所述种子源、连续泵浦310和所述脉冲泵浦320分别配置独立的驱动系统，即：种子驱动381、连续泵浦驱动311和脉冲泵浦驱动321，所述种子驱动381、连续泵浦驱动311和脉冲泵浦驱动321统一受所述控制器110内的激光器主芯片控制。种子源380负责固定波长，连续泵浦310负责连续出光，在输出端输出连续的激光。脉冲泵浦320负责脉冲出光，在输出端输出脉冲激光。通过这种设置，激光器在输出端就可以输出连续光或脉冲光又或者两者的叠加。优选的，所述脉冲泵浦320使用巴条式半导体激光器，其峰值功率和开关性能都更优越。经过所述合束器330后，所述激光260依次通过双包层光纤350、包层光剥离器370后进入输出头210，从而传输至所述耦合装置200，并通过耦合装置200输出至手术部位。
本发明通过本发明通过设置连续泵浦和脉冲泵浦方式产生融合激光，从而构建出一种连续加脉冲的激光器，通过这一激光器能够发出兼具连续与脉冲效果的激光，能够兼具连续激光长于止血的优点和脉冲激光切割汽化迅速的优点；通过调节脉冲激光的脉冲串内脉冲数量，以及单脉冲能量，以诱导调整气泡发生频率，以使气泡速率在汽化切割和止血两个作用间进行切换，从而优化汽化切割和止血的工作效果；而通过耦合系统内的高速率的光电探测器（光电二极管）来收集回返散射光信号（气泡塌缩时产生的几微秒量级的散射光脉冲），从而快速检测气泡的生成速率，并反馈到控制系统；避免了水环境变化对特定时间内气泡生成数量的影响；另外，本发明的高速率光电探测器（光电二极管）通过回返散射光脉冲频率来检测气泡的生成速率，并通过控制系统调节脉冲激光的脉冲串内脉冲数量以及单脉冲能量，以诱导调整气泡发生频率，能使得控制系统准确测出实时的气泡生成速率，并根据所需要工作模式，对气泡生成速率进行精确的控制。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术核心及工匠精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种手术激光控制系统，
其特征在于，所述系统包括：
控制器，所述控制器分别与激光发射部分及手术激光耦合系统内的光电探测器电连接；所述控制器根据手术操作类型调整脉冲激光泵浦的发射频率模式，
所述控制器接收所述光电探测器采集的激光手术部位水环境中气泡破裂产生的散射光脉冲信号实时数据；
所述控制器利用所述散射光脉冲信号实时数据得出的对应手术操作类型下的气泡相关参数动态调整脉冲激光泵浦的单脉冲能量和/或连续激光泵浦的功率以满足不同手术操作类型的需要；
当所述手术操作类型为激光气化切割时，所述控制器控制所述激光发射部分的脉冲激光泵浦为低频模式，所述气泡相关参数包括：第一时间段实时散射光脉冲群的检测结果、第二时间段实时气泡产生频率与第二时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果；其中，所述第一时间段短于所述第二时间段；切割过程中所述控制器根据所述第一时间段回返散射光脉冲群的检测结果动态调节脉冲激光泵浦的单脉冲能量，以保证在第一时间段内检测到所述回返散射光脉冲群；所述控制器根据所述第二时间段实时气泡产生频率与所述第二时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果动态调节所述连续激光泵浦的功率，以使第二时间段的所述气泡产生频率始终小于等于所述第二时间段气泡产生频率标准阈值。
2.如权利要求1所述的手术激光控制系统，其特征在于，若所述控制器在所述第一时间段实时检测到散射光脉冲群，则维持脉冲激光泵浦的单脉冲能量；若所述控制器在所述第一时间段未实时检测到所述散射光脉冲群，则按照单脉冲串能量的15%-25%进行递增，直至出现所述散射光脉冲群；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的第二时间段实时气泡产生频率大于第二时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器调整连续激光泵浦功率至30%-70%，并持续0.3-0.7s，直至所述第二时间段实时气泡产生频率达到所述第二时间段气泡产生频率标准阈值以下；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的所述第二时间段实时气泡产生频率小于等于所述第二时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器控制维持现有100%连续激光泵浦功率。
3.如权利要求1所述的手术激光控制系统，其特征在于，所述第一时间段为100μs~150μs之间的任意值。
4.如权利要求1-3任一项所述的手术激光控制系统，其特征在于，所述第二时间段为0.5s~2s之间的任意值。
5.如权利要求4所述的手术激光控制系统，其特征在于，所述第二时间段气泡产生频率标准阈值为（200~300）/0.5s、（400~600）/s、（600~900）/1.5s或（800~1200）/2s之间的任意整数值。
6.如权利要求1或2所述的手术激光控制系统，其特征在于，当所述手术操作类型为激光止血时，所述控制器控制所述激光发射部分的脉冲激光泵浦为高频模式，且通过诱导气柱排空一段距离内的液体；所述气泡相关参数包括：第三时间段实时气泡产生频率与第三时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果；止血过程中所述控制器根据所述第三时间段实时气泡产生频率与所述第三时间段气泡产生频率标准阈值的比较结果动态调节脉冲激光泵浦的单脉冲能量，以使所述第三时间段实时气泡产生频率达到所述第三时间段气泡产生频率标准阈值以上。
7.如权利要求6所述的手术激光控制系统，其特征在于，若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的第三时间段实时气泡产生频率大于等于第三时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器控制维持现有脉冲激光泵浦功率；若所述控制器根据所述散射光脉冲信号实时数据得出的所述第三时间段实时气泡产生频率小于所述第三时间段气泡产生频率标准阈值，则所述控制器控制所述脉冲激光泵浦以15%-25%/s增加单脉冲能量，直至所述第三时间段实时气泡产生频率达到所述第三时间段气泡产生频率标准阈值以上。
8.如权利要求7所述的手术激光控制系统，其特征在于，所述第三时间段为0.5s~2s之间的任意值。
9.如权利要求8所述的手术激光控制系统，其特征在于，所述第三时间段气泡产生频率标准阈值为（320~480）/0.5s、（640~960）/s、（960~1440）/1.5s或（1280~1920）/2s之间的任意整数值。
10.一种手术激光耦合系统，包括：
激光器输出头；
分光器；
耦合镜；
光纤；
所述激光器输出头、分光器、耦合镜、光纤通过光路依次连接；
其特征在于，还包括：光电探测器，所述光电探测器与所述分光器光路连接，采集并传输手术部位水环境中气泡破裂产生的回返散射光脉冲频率信号至权利要求1-9任一项所述的手术激光控制系统以实现所述手术激光控制系统根据不同手术操作类型的激光控制。
11.如权利要求10所述的手术激光耦合系统，其特征在于，所述分光器为反射采样镜片、棱镜、光栅的任一种或几种的组合。
12.一种激光手术设备，以执行切割与止血之操作，其特征在于，包括：
激光发射部分，所述激光发射部分至少包括连续泵浦和脉冲泵浦，所述连续泵浦和脉冲泵浦分别配置独立的驱动系统，所述连续泵浦和所述脉冲泵浦通过合束器进行光束合并后输入激光器输出头；
如权利要求1-9任一项所述的手术激光控制系统；
如权利要求10-11任一项所述的手术激光耦合系统；
所述激光控制系统分别与所述激光发射部分的连续泵浦驱动和脉冲泵浦驱动电连接；所述手术激光耦合系统与所述激光发射部分光路连接。
13.如权利要求12所述激光手术设备，其特征在于：所述激光发射部分还包括种子源及其驱动器，所述种子源、所述连续泵浦和所述脉冲泵浦通过合束器进行光束合并后输入激光器输出头。
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