RU2286628C1 - Pulsed-periodic gas later and surgical laser unit - Google Patents
Pulsed-periodic gas later and surgical laser unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2286628C1 RU2286628C1 RU2005116753/28A RU2005116753A RU2286628C1 RU 2286628 C1 RU2286628 C1 RU 2286628C1 RU 2005116753/28 A RU2005116753/28 A RU 2005116753/28A RU 2005116753 A RU2005116753 A RU 2005116753A RU 2286628 C1 RU2286628 C1 RU 2286628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- discharge
- electrodes
- control unit
- pulsed
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к газовым лазерам и может быть использовано в научных целях, лазерных технологиях, медицине, преимущественно, в лазерной хирургии и косметологии.The invention relates to gas lasers and can be used for scientific purposes, laser technology, medicine, mainly in laser surgery and cosmetology.
Известные импульсные газовые углекислотные лазеры («Лазеры в хирургии» под ред. О.К.Скобелкина, Медицина, М., 1989 г., стр.14-24, 181, 182) мощностью до 100 Вт, обладают более предпочтительными перед другими лазерами характеристиками для осуществления операций на биологической ткани и имеют относительно небольшую стоимость (10-30 тыс. долларов США). Однако недостаточная мощность излучения таких лазеров не позволяет реализовать режим воздействия на биологическую ткань, при котором удаляют строго ограниченный слой ткани без термического поражения окружающих слоев (режим абляции). Для реализации режима абляции, когда вся энергия лазера затрачивается на удаление ткани в зоне облучения без избыточного нагрева, длительность импульса излучения лазера не должна превышать 100 мкс при энергии излучения в импульсе 30-100 мДж. Мощность излучения лазера при этом составляет 300-1000 Вт. При недостаточной мощности излучения для удаления ткани увеличивают длительность импульса до величин более 1 мс, что приводит к значительному термическому повреждению окружающих слоев ткани и, как следствие, к увеличению послеоперационного периода.Known pulsed carbon dioxide gas lasers ("Lasers in Surgery" under the editorship of O.K.Skobelkin, Medicine, M., 1989, pp. 14-24, 181, 182) with a power of up to 100 W, are more preferred over other lasers characteristics for operations on biological tissue and have a relatively low cost (10-30 thousand US dollars). However, the insufficient radiation power of such lasers does not allow to implement a regime of exposure to biological tissue, in which a strictly limited layer of tissue is removed without thermal damage to the surrounding layers (ablation mode). To implement the ablation regime, when all the laser energy is spent on tissue removal in the irradiation zone without excessive heating, the laser pulse duration should not exceed 100 μs at a radiation energy of 30-100 mJ per pulse. The laser radiation power in this case is 300-1000 watts. With insufficient radiation power to remove tissue, the pulse duration is increased to more than 1 ms, which leads to significant thermal damage to the surrounding tissue layers and, as a result, to an increase in the postoperative period.
Известен импульсный волноводный СО2 лазер с радиочастотной накачкой (лазер «UltraPluse» фирмы Coherent), который обладает наиболее приемлемыми для косметологической хирургии параметрами излучения: длительностью импульса 100 мкс, энергией в импульсе около 100 мДж и пиковой мощностью порядка 1000 Вт. Этот лазер обеспечивает режим абляции при воздействии на ткань, и его успешно используют в косметологической медицине («Аппарат для лазерной шлифовки кожи «UltraPluse 5000» фирмы «Coherent»). Однако применение в известном лазере радиочастотной накачки с мощностью генератора более 10 кВт требует специальных конструктивных решений по защите от электромагнитных излучений. Конструкция разрядной камеры такого лазера требует применения жидкостного охлаждения. Используемая в известном лазере газовая смесь содержит гелий, что ограничивает срок ее службы и требует установки в лазере системы замены смеси. Все это приводит к усложнению конструкции и увеличению цены изделия (порядка 200 тыс. долларов США).Known pulsed waveguide CO 2 laser with radio frequency pumping (laser "UltraPluse" by Coherent), which has the most suitable radiation parameters for cosmetology surgery: pulse duration of 100 μs, pulse energy of about 100 mJ and peak power of about 1000 watts. This laser provides an ablation mode when exposed to tissue, and it is successfully used in cosmetology medicine (“Coherent Laser Ultra Skin Laser Polishing Machine“ UltraPluse 5000 ”). However, the use of a radio frequency pump in a known laser with a generator power of more than 10 kW requires special design solutions for protection against electromagnetic radiation. The design of the discharge chamber of such a laser requires the use of liquid cooling. The gas mixture used in the known laser contains helium, which limits its service life and requires the installation of a mixture replacement system in the laser. All this leads to a complication of the design and an increase in the price of the product (about 200 thousand US dollars).
Наиболее близким из известных лазеров к описываемому является импульсно-периодический газовый лазер (патент РФ №2118025, МКИ Н 01 S 3/038, оп.1998 г.), включающий рабочую камеру, неподвижные электроды основного разряда, центральный электрод основного разряда, выполненный с возможностью вращения, электроды предыонизации, оптический резонатор и высоковольтный источник питания, в цепь которого включены балластные сопротивления, накопительные конденсаторы и разрядник с вращающимися и неподвижными электродами.The closest known laser to the described one is a pulse-periodic gas laser (RF patent No. 2118025, MKI H 01
Известный лазер частично решает проблемы увеличения мощности излучения, упрощения конструкции лазера, уменьшения его габаритов и снижения веса.The well-known laser partially solves the problems of increasing the radiation power, simplifying the design of the laser, reducing its size and reducing weight.
Протяженная длина активной среды известного лазера обеспечивает ему достаточно большую мощность. Известный лазер отличается компактностью элементов и простотой электрической схемы питания, а отсутствие отдельных средств для прокачки газовой смеси и для создания разряда предыонизации дополнительно позволяют упростить конструкцию лазера и уменьшить потребляемую мощность.The extended length of the active medium of a known laser provides it with a sufficiently large power. The well-known laser is distinguished by the compactness of the elements and the simplicity of the power supply circuit, and the absence of separate means for pumping the gas mixture and for creating a preionization discharge additionally makes it possible to simplify the laser design and reduce the power consumption.
В то же время, поскольку в процессе изготовления такого лазера практически невозможно абсолютно точно обеспечить его симметрию, при пробое разрядника происходит несинхронное нарастание напряжения на неподвижных электродах, а следовательно, имеет место нестабильность разряда на разрядных промежутках лазера. Это приводит к ограничению выходной энергии и ее нестабильности, что нежелательно, в частности при воздействии на биологические ткани.At the same time, since during the manufacturing process of such a laser it is almost impossible to ensure its symmetry absolutely accurately, during breakdown of the spark gap there is an asynchronous increase in voltage on the stationary electrodes, and therefore, instability of the discharge occurs on the discharge gaps of the laser. This leads to a limitation of the output energy and its instability, which is undesirable, in particular when exposed to biological tissues.
Кроме того, для исключения перегрузки высоковольтного источника питания постоянного тока, используемого в известном лазере, и обеспечения устойчивого гашения разрядника между импульсами разряда при пробое разрядника в цепь заряда накопительных конденсаторов включают большие балластные сопротивления (около 500 кОм). Применение же высокоомных балластных резисторов резко снижает КПД лазера, так как при заряде накопительных емкостей значительная мощность источника питания затрачивается на омический нагрев резисторов.In addition, to avoid overloading the high-voltage DC power source used in the known laser, and to ensure stable damping of the spark gap between discharge pulses during breakdown of the spark gap, large ballast resistances (about 500 kOhm) are included in the charge circuit of the storage capacitors. The use of high-resistance ballast resistors dramatically reduces the laser efficiency, since when charging storage capacities, a significant power source is spent on ohmic heating of the resistors.
При этом применяемая в известных лазерах газовая смесь с высоким содержанием гелия (50-80%) из-за диффузии последнего из камеры и нестабильности разряда обладает низким временем жизни. Необходимость же в специальных устройствах для автоматической смены газовой смеси в лазере приводит к усложнению конструкции, увеличению его веса, габаритов и значительному повышению стоимости лазеров, а также создает дополнительные трудности в его обслуживании и эксплуатации.Moreover, the gas mixture with a high helium content (50-80%) used in well-known lasers has a low lifetime due to the diffusion of the latter from the chamber and the instability of the discharge. The need for special devices for the automatic change of the gas mixture in the laser leads to a complication of the design, an increase in its weight, dimensions and a significant increase in the cost of lasers, as well as creates additional difficulties in its maintenance and operation.
Наиболее близкой к описываемой лазерной хирургической установке является лазерный хирургический аппарат «UltraPulse Encore» (Производитель - Фирма "Lumenis", USA), включающий газовый лазер, пилотный лазер, оптический световод, фокусирующую линзу, измеритель энергии излучения и блок управления.Closest to the described laser surgical unit is the UltraPulse Encore laser surgical device (Manufacturer - Lumenis, USA), which includes a gas laser, a pilot laser, an optical fiber, a focusing lens, a radiation energy meter, and a control unit.
Известный лазерный хирургический аппарат считают одной из лучших установок для проведения косметологических операций. В то же время в известном аппарате не удается получить мощность излучения в импульсе больше 1 киловатта и длительность импульса меньше 100 мкс, что снижает эффективность проводимых косметологических операций. При этом известная установка сложна в обслуживании, а из-за использования мощного СВЧ генератора требует специальных средств защиты пациента от СВЧ излучения. Большие габариты (0,5×2 м) и вес (порядка 128 кг) известной лазерной установки не позволяют широко применять ее в мобильном режиме в клиниках, оказывающих медицинские услуги амбулаторно. Кроме того, известная установка может работать только в области строго определенной длины волны - 10,6 мкм и в силу этого неэффективна для многопрофильного применения, например и для целей стоматологии, где резка костной ткани эффективнее на длине волны 9,6 мкм.The famous laser surgical device is considered one of the best installations for cosmetic surgery. At the same time, in the known apparatus, it is not possible to obtain a radiation power in a pulse of more than 1 kilowatt and a pulse duration of less than 100 μs, which reduces the effectiveness of cosmetic operations. Moreover, the known installation is difficult to maintain, and due to the use of a powerful microwave generator, it requires special means of protecting the patient from microwave radiation. The large dimensions (0.5 × 2 m) and weight (about 128 kg) of the known laser system do not allow its widespread use in mobile mode in clinics that provide medical services on an outpatient basis. In addition, the known installation can only work in the field of a strictly defined wavelength of 10.6 μm and, therefore, is ineffective for multidisciplinary applications, for example, for dentistry, where bone cutting is more effective at a wavelength of 9.6 μm.
Таким образом, технический результат от использования описываемого изобретения состоит в увеличении мощности излучения лазера и повышении эффективности его работы за счет повышения стабильности объемного разряда, а также в упрощении конструкции лазера, снижении его стоимости и сокращении средств на его обслуживание.Thus, the technical result from the use of the described invention is to increase the laser radiation power and increase its efficiency by increasing the stability of the volume discharge, as well as simplifying the design of the laser, reducing its cost and reducing the cost of its maintenance.
Технический результат от использования описываемого изобретения состоит также в повышении эффективности работы лазерной хирургической установки в косметологических целях, снижении теплового поражения ткани, в повышении безопасности пациента и персонала, в расширении области применения установки за счет обеспечения ее работы в области переменных длин волн излучения и, кроме того, в снижении веса, габаритов и цены установки, в обеспечении ее мобильности и простоты обслуживания.The technical result from the use of the described invention also consists in increasing the efficiency of the laser surgical installation for cosmetic purposes, reducing thermal damage to the tissue, increasing the safety of the patient and staff, in expanding the scope of the installation by ensuring its operation in the field of variable radiation wavelengths and, in addition to moreover, in reducing the weight, dimensions and price of the installation, in ensuring its mobility and ease of maintenance.
Указанный технический результат достигается тем, что импульсно-периодический газовый лазер, включающий рабочую камеру, неподвижные электроды основного разряда, центральный электрод основного разряда, выполненный с возможностью вращения, электроды предыонизации, оптический резонатор и высоковольтный источник питания, в цепь которого включены балластные сопротивления, накопительные конденсаторы и разрядник с вращающимися и неподвижными электродами, содержит компенсирующие конденсаторы, подключенные к накопительным конденсаторам, и датчик углового положения разрядника, соединенный с блоком управления, который связан с входами источника питания двигателя и высоковольтного источника питания, выполненного импульсным двуполярным, при этом газовая смесь состоит из углекислого газа (СО2) и азота (N2) при следующем соотношении объемов: CO2:N2=1:0,1-10.The specified technical result is achieved in that a repetitively pulsed gas laser, including a working chamber, stationary electrodes of the main discharge, a central electrode of the main discharge, made with rotation, preionization electrodes, an optical resonator and a high-voltage power supply, the circuit of which includes ballast resistances, storage capacitors and a spark gap with rotating and fixed electrodes, contains compensating capacitors connected to storage capacitors, an angular position sensor of the arrester connected to a control unit which is connected to the source of motor power inputs and high voltage power source configured pulsed bipolar, wherein the gas mixture comprises carbon dioxide (CO 2) and nitrogen (N 2) in the following ratio amounts of: CO 2 : N 2 = 1: 0.1-10.
Предпочтительно центральный электрод основного разряда разместить на валу, который соединен с двигателем.Preferably, the central electrode of the main discharge is placed on a shaft that is connected to the motor.
Целесообразно центральный электрод выполнить с размещенными на его поверхности как минимум двумя парами лопастей, которые образуют дополнительные разрядные промежутки предыонизации.It is advisable to perform the central electrode with at least two pairs of blades placed on its surface, which form additional discharge preionization gaps.
Поверхности неподвижных электродов основного разряда, обращенные к центральному электроду, могут быть выполнены в виде частей цилиндрической, размещенной коаксиально оси вращения центрального электрода.The surfaces of the stationary electrodes of the main discharge, facing the central electrode, can be made in the form of parts of a cylindrical axis of rotation of the central electrode placed coaxially.
При этом разрядник может быть выполнен в виде диска с отверстием, по периметру которого размещена, по меньшей мере, одна пара электродов, при этом диск расположен на валу двигателя с возможностью синхронного вращения с вращающимся электродом основного разряда, а неподвижные электроды разрядника включены в цепь накопительных емкостей.In this case, the spark gap can be made in the form of a disk with an opening, at least one pair of electrodes is placed along the perimeter, while the disk is located on the motor shaft with the possibility of synchronous rotation with a rotating electrode of the main discharge, and the stationary electrodes of the spark gap are included in the storage circuit capacities.
Указанный технический результат достигается также тем, что в лазерной хирургической установке, включающей газовый лазер с высоковольтным источником питания, оптический световод, фокусирующую линзу, пилотный лазер, измеритель энергии излучения и блок управления, в качестве газового лазера использован импульсно-периодический газовый лазер с поперечным разрядом, содержащий накопительные конденсаторы, вращающийся центральный электрод основного разряда и разрядник с вращающимися электродами, а высоковольтный источник питания лазера выполнен импульсным двуполярным и подключен к блоку управления, при этом измеритель энергии излучения подключен через блок управления к высоковольтному источнику питания с возможностью изменения порогового напряжения заряда накопительных конденсаторов.The specified technical result is also achieved by the fact that in a laser surgical installation, including a gas laser with a high-voltage power source, an optical fiber, a focusing lens, a pilot laser, a radiation energy meter and a control unit, a pulse-periodic gas laser with a transverse discharge was used as a gas laser containing storage capacitors, a rotating central electrode of the main discharge and a spark gap with rotating electrodes, and the high-voltage laser power source It is full of pulse bipolar and connected to the control unit, while the radiation energy meter is connected through the control unit to a high-voltage power source with the possibility of changing the threshold voltage of the charge of the storage capacitors.
При этом лазерная хирургическая установка может быть выполнена с возможностью обеспечения длительности импульса воздействующего излучения на выходе световода 10-50 мкс при пиковой мощности излучения 20-50 киловатт.In this case, the laser surgical unit can be configured to provide a pulse duration of the acting radiation at the output of the optical fiber of 10-50 μs at a peak radiation power of 20-50 kilowatts.
Целесообразно газовый лазер выполнить с возможностью изменения длины волны излучения в диапазоне 9,3-10,6 мкм.It is advisable to perform a gas laser with the possibility of changing the radiation wavelength in the range of 9.3-10.6 microns.
Предпочтительно блок управления выполнить с возможностью изменения частоты следования импульсов излучения.Preferably, the control unit is configured to change the repetition rate of the radiation pulses.
В конструкции лазера согласно настоящему изобретению за счет использования компенсирующих конденсаторов, подключенных к накопительным конденсаторам, получают одинаковую скорость нарастания напряжения на разрядных промежутках, обеспечивая в них одновременное развитие объемного разряда, и тем самым увеличивают стабильность разряда, что приводит к росту энергии излучения лазера в 1,5-3 раза и увеличению долговечности газовой смеси в 2-3 раза.In the laser construction according to the present invention, through the use of compensating capacitors connected to the storage capacitors, the same voltage rise rate across the discharge gaps is obtained, providing a simultaneous development of the volume discharge in them, and thereby increase the stability of the discharge, which leads to an increase in the laser radiation energy by 1 5-3 times and increase the durability of the gas mixture by 2-3 times.
Известно, что в импульсных СО2 лазерах с поперечным разрядом длительность импульса излучения определяется соотношением азота и углекислого газа и давлением газовой смеси в камере лазера. Конструкция описываемого лазера позволяет использовать газовую смесь, в которой содержание азота до 10 раз может превосходить содержание углекислого газа, благодаря чему обеспечивают необходимую длительность импульса в пределах до 10-50 мкс при давлении газовой смеси в камере 0,1 атм.It is known that in pulsed CO 2 lasers with a transverse discharge, the duration of the radiation pulse is determined by the ratio of nitrogen and carbon dioxide and the pressure of the gas mixture in the laser chamber. The design of the described laser allows the use of a gas mixture in which the nitrogen content can be 10 times higher than the carbon dioxide content, thereby providing the necessary pulse duration in the range of 10-50 μs at a gas mixture pressure in the chamber of 0.1 atm.
Использование газовой смеси без гелия позволяет также увеличить время жизни газовой смеси и снизить ее стоимость. При этом продление срока службы смеси упрощает конструкцию лазера, поскольку отпадает необходимость в специальных устройствах для автоматической смены газовой смеси.Using a gas mixture without helium also allows you to increase the lifetime of the gas mixture and reduce its cost. At the same time, extending the life of the mixture simplifies the design of the laser, since there is no need for special devices for automatic change of the gas mixture.
При этом применение импульсного двуполярного высоковольтного источника питания для заряда накопительных конденсаторов, момент включения которого синхронизован с положением вращающихся электродов разрядника, позволяет осуществлять выключение разрядника автоматически при разряде накопительных конденсаторов и снизить величину балластных резисторов в 100 раз, что приводит к увеличению КПД электрической цепи и лазера в целом. Так как импульсный высоковольтный источник питания выключен в момент протекания основного разряда, величина балластных сопротивлений не влияет на гашение разрядника.In this case, the use of a pulsed bipolar high-voltage power source for charging storage capacitors, the moment of switching on which is synchronized with the position of the rotating electrodes of the spark gap, allows the switch to be switched off automatically when the storage capacitors are discharged and ballast resistors can be reduced by 100 times, which leads to an increase in the efficiency of the electric circuit and laser generally. Since the pulsed high-voltage power supply is turned off at the time of the main discharge, the value of the ballast resistances does not affect the suppression of the arrester.
Описываемая конструкция лазера позволяет работать без теплообменников, функцию которых выполняет корпус рабочей камеры лазера, что дополнительно упрощает конструкцию прибора.The described laser design allows you to work without heat exchangers, the function of which is performed by the body of the working chamber of the laser, which further simplifies the design of the device.
Датчик углового положения разрядника обеспечивает включение импульсного высоковольтного источника питания только в те моменты времени, когда разрядник не замкнут, что исключает перегрузку высоковольтного источника питания и позволяет значительно уменьшить величину балластных сопротивлений. Стабилизация частоты вращения электродной системы лазера, а следовательно, стабилизация частоты повторения лазерных импульсов осуществляется путем изменения скорости вращения двигателя по сигналам блока управления (микропроцессора) через блок питания двигателя.The sensor of the angular position of the arrester provides switching on of a pulsed high-voltage power source only at those times when the arrester is not closed, which eliminates overloading of the high-voltage power source and can significantly reduce the value of ballast resistances. The stabilization of the rotation frequency of the laser electrode system, and therefore, the stabilization of the laser pulse repetition rate, is carried out by changing the engine speed according to the signals of the control unit (microprocessor) through the engine power supply.
Описываемая конструкция лазера позволяет осуществлять замену зеркал в оптическом резонаторе и, изменяя свойства последнего, получать различную длину волны лазерного излучения в диапазоне 10,6-9,3 мкм.The described laser design allows the replacement of mirrors in the optical cavity and, changing the properties of the latter, to obtain different wavelengths of laser radiation in the range of 10.6-9.3 microns.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема лазерной хирургической установки в соответствии с изобретением, включающая конструктивную схему описываемого лазера и его электрическую схему питания (выделено пунктиром), на фиг.2 представлена схема рабочей камеры лазера в разрезе, на фиг.3 - схема разрядника, а на фиг.4 показана временная диаграмма их работы.The invention is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a laser surgical unit in accordance with the invention, including a structural diagram of the described laser and its power supply circuit (indicated by a dotted line), Fig. 2 shows a sectional diagram of a laser working chamber, in Fig. 3 - circuit arrester, and figure 4 shows a timing diagram of their operation.
Импульсно-периодический газовый лазер выполнен следующим образом.Pulse-periodic gas laser is as follows.
В рабочей камере 1 расположены неподвижные электроды 2 основного разряда, вал 3 и установленный на нем центральный электрод 4 основного разряда, образующий с неподвижными электродами основного разряда 2 разрядные промежутки 5. На вращающемся электроде укреплены, по крайней мере, две пары лопастей 6, образующие с неподвижными электродами 7 предыонизации разрядные промежутки разряда предыонизации. Неподвижные электроды 7 покрыты слоем диэлектрика, расположены параллельно электродам 2 и служат для обеспечения начальной ионизации в основном разрядном промежутке.In the
Корпус рабочей камеры может быть выполнен металлическим.The housing of the working chamber can be made of metal.
Поверхности неподвижных электродов 2 основного разряда, обращенные к центральному электроду 4, представляют собой части цилиндрической поверхности с радиусом кривизны равным радиусу центрального электрода плюс размер разрядного промежутка и размещены коаксиально оси вращения электрода 4. Это обеспечивает однородность электрического поля в разрядном промежутке, что способствует повышению стабильности разряда, а также увеличению КПД лазера и срока службы газовой смеси.The surfaces of the
На валу 3 установлен также вращающийся элемент пассивного разрядника 8, выполненный в виде диска с одним или несколькими отверстиями 9 и электродами 10, расположенными по периметру диска. Количество пар электродов 10 соответствует количеству пар лопастей 5. Оптический резонатор описываемого лазера состоит из глухого зеркала 11, поворотных зеркал 12 и выходного полупрозрачного зеркала 13.On the
Электрическая схема лазера содержит импульсный двуполярный высоковольтный источник питания 14, в цепь которого включены накопительные конденсаторы 15, балластные сопротивления 16 и неподвижные электроды 17 разрядника 8. Компенсирующие конденсаторы 18 подключены к соответствующим накопительным конденсаторам 15. Величина емкости компенсирующего конденсатора 18 подбирается экспериментально в диапазоне 0,1-10% от величины емкости накопительного конденсатора 15.The laser circuitry contains a pulsed bipolar high voltage power supply 14, the circuit of which includes storage capacitors 15, ballasts 16 and
Неподвижные электроды 2 выполнены изолированными от корпуса рабочей камеры 1 и подключены к соответствующим накопительным конденсаторам 15.The fixed
Вал 3 соединен с двигателем 19, подключенным к блоку 21 питания двигателя.The
Управляющие входы высоковольтного источника питания 14, блока питания 21 и пульта управления 22 связаны с устройством управления 23, в качестве которого может быть использован микропроцессор.The control inputs of the high-voltage power supply 14, the power supply 21 and the control panel 22 are connected to the control device 23, which can be used as a microprocessor.
Датчик 24 углового положения разрядника может быть выполнен, например, в виде излучающего диода и фотоприемника, установленных по разные стороны от вращающегося диска разрядника 8 на уровне отверстий 9. Оптимальное количество отверстий 9 соответствует количеству электродов 10. Выход датчика 24 углового положения разрядника подключен к блоку управления 23.The sensor 24 of the angular position of the arrester can be made, for example, in the form of a radiating diode and a photodetector mounted on opposite sides of the rotating disk of the arrester 8 at the level of the
Высоковольтный источник питания 14, блок 21, пульт управления 22 и устройство управления 23 имеют автономные источники питания постоянного тока или питаются от многоканального преобразователя напряжения (блок питания 25).The high-voltage power supply 14, block 21, the control panel 22 and the control device 23 have autonomous DC power supplies or are powered by a multi-channel voltage converter (power supply 25).
Лазер работает следующим образом.The laser operates as follows.
При включении блока питания 25 с кнопки на пульте управления 22 напряжение подают на блок управления 23 и другие элементы прибора. В рабочей камере 1, заполненной газовой смесью, состоящей из углекислого газа (СО2) и азота (N2), при включении двигателя 19 начинает вращаться вал 3 с электродом 4 и диском разрядника 8 с электродами 10. Таким образом, обеспечивают синхронное вращение электрода 4 основного разряда и электродов 10 разрядника. Частоту вращения двигателя контролируют датчиком 24. При вращении диска разрядника 8 происходит прерывание светового потока от излучателя в датчике 24 и фотоприемник генерирует электрический импульс, поступающий на блок управления 23.When you turn on the power supply 25 with a button on the control panel 22, the voltage is supplied to the control unit 23 and other elements of the device. In the working
По достижении заданной частоты вращения с блока управления 23 (микропроцессора) подают сигнал, который переводит блок питания 21 двигателя в режим стабилизации частоты вращения. После стабилизации частоты вращения лазер переводят в рабочий режим, для этого по команде оператора с пульта управления 22 через блок управления 23 подают сигнал включения двуполярного высоковольтного источника питания 14, в результате чего начинают заряжаться накопительные конденсаторы 15. Заряд накопительных конденсаторов 15 происходит в противоположной полярности через балластные сопротивления 16 и дополнительные балластные сопротивления 20. Коммутация заряженных накопительных конденсаторов 15 происходит при пробое двух разрядных промежутков в момент сближения вращающихся электродов 10 разрядника 8 с его неподвижными электродами 17. В момент срабатывания разрядника 8 между электродами 7 предыонизации и находящимися в этот момент напротив них кромками лопастей 6 вращающегося электрода 4 в разрядных промежутках предыонизации возникает пробой и происходит разряд по длине лопастей 6, который создает начальную ионизацию в основных разрядных промежутках 5 между неподвижными электродами 2 и вращающимся электродом 4 с последующим основным разрядом накопительных конденсаторов 15. Одновременно с разрядом накопительных конденсаторов 15 происходит зарядка компенсирующих конденсаторов 18, что приводит к выравниванию напряжения на разрядных промежутках.Upon reaching a predetermined speed from the control unit 23 (microprocessor), a signal is supplied that puts the power supply unit 21 of the engine into stabilization mode of the rotational speed. After stabilization of the rotation speed, the laser is put into operation, for this, at the command of the operator, from the control panel 22, through the control unit 23, a bipolar high-voltage power supply 14 is turned on, as a result of which storage capacitors 15 start charging. Storage capacitors 15 charge in opposite polarity ballast resistances 16 and additional ballast resistances 20. Switching of charged storage capacitors 15 occurs during the breakdown of two discharge at the moment of convergence of the
Высоковольтный источник питания 14 работает в импульсном режиме, синхронно с положением вращающегося электрода 10. Когда вращающийся электрод 10 не находится напротив неподвижного электрода 17, через блок управления 23 поступает импульс, разрешающий зарядку накопительных конденсаторов 15. Зарядка происходит через балластные сопротивления 16 до заданного напряжения, по достижении которого источник питания 14 выключается. Время заряда накопительных конденсаторов 15 выбирают меньше времени между двумя последовательными замыканиями электродов 10 и 17 разрядника. В момент прохождения вращающегося электрода 10 мимо неподвижного электрода 17 происходит пробой разрядника и подключение накопительных конденсаторов 15 к электродам 2 лазера. При пробое разрядника 8 в первую очередь происходит зарядка компенсирующих конденсаторов 18, которые обеспечивают симметричное распределение напряжения между разрядными промежутками 5, образованными неподвижными электродами 2 и вращающимся электродом 4. По достижении пробивного напряжения на разрядных промежутках 5 происходит развитие объемного разряда и генерация лазерного излучения, которое формируют в оптическом резонаторе и выводят через выходное полупрозрачное зеркало 13. Далее цикл повторяется.The high-voltage power supply 14 operates in a pulsed mode, synchronously with the position of the rotating
Работа прибора иллюстрируется временной диаграммой (Фиг.4).The operation of the device is illustrated by a time chart (Figure 4).
После стабилизации вращения датчик углового положения 24 вырабатывает импульсы с постоянной частотой следования (график 1). Импульсы поступают на блок управления 23, который вырабатывает импульсы разрешения включения высоковольтного источника питания 14 (график 2).After stabilization of rotation, the angular position sensor 24 generates pulses with a constant repetition rate (graph 1). The pulses are fed to the control unit 23, which generates enable pulses enable the high-voltage power supply 14 (graph 2).
После поступления импульсов разрешения включения высоковольтного источника питания 14 происходит зарядка накопительных конденсаторов 15 до установленного микропроцессором уровня. При пробое разрядника 8 происходит разряд накопительных конденсаторов 15 (график 3).After receipt of the enable pulses enable the high-voltage power supply 14, the charging of the storage capacitors 15 occurs to the level set by the microprocessor. During the breakdown of the spark gap 8, the discharge of the storage capacitors 15 occurs (graph 3).
Импульсы генерации лазера жестко привязаны к моменту пробоя разрядника и возникновению объемного разряда (график 4).The laser generation pulses are rigidly tied to the moment of breakdown of the spark gap and the occurrence of a volume discharge (graph 4).
На представленной временной диаграмме показан режим удвоенной частоты следования лазерных импульсов при постоянной частоте вращения электродов 4 и 10. Показанный режим задают устройством управления 23 путем деления частоты следования импульсов датчика 24 углового положения, в данном случае на два.The time diagram shows the double pulse repetition rate of the laser pulses at a constant rotational speed of the
Лазерная хирургическая установка в соответствии с настоящим изобретением содержит описанный выше импульсно-периодический газовый лазер, включающий накопительные конденсаторы 15, вращающийся центральный электрод 4 основного разряда и разрядник 8 с вращающимися электродами 10, а также измеритель энергии излучения 26, оптический световод 27, фокусирующую линзу 28 и подключенные к блоку управления 23 пилотный лазер 29 и сканер 30.The laser surgical device in accordance with the present invention contains the pulse-periodic gas laser described above, including storage capacitors 15, a rotating
Высоковольтный источник питания 14 лазера выполнен импульсным двуполярным.The high-voltage power supply 14 of the laser is made pulse bipolar.
Выход измерителя энергии излучения 26 подключен к блоку управления 23, который в свою очередь связан с высоковольтным источником питания 14 лазера с возможностью изменения порогового напряжения заряда накопительных конденсаторов 15. При этом блок управления 23 подключен к датчику 24 углового положения разрядника лазера и выполнен с возможностью деления частоты следования импульсов излучения.The output of the radiation energy meter 26 is connected to a control unit 23, which in turn is connected to a high-voltage laser power supply 14 with the possibility of changing the threshold voltage of the charge of the storage capacitors 15. In this case, the control unit 23 is connected to the sensor 24 of the angular position of the laser spark gap and is configured to divide pulse repetition rates.
В качестве оптического световода 27 может быть использован зеркально-шарнирный манипулятор или гибкий световод.As the optical fiber 27, a mirror-hinged manipulator or a flexible fiber can be used.
Измеритель энергии излучения 26 выполнен в виде приемника оптического излучения и служит для контроля энергии лазерного излучения.The radiation energy meter 26 is made in the form of an optical radiation receiver and serves to control the energy of laser radiation.
Используемый в описываемой хирургической установке лазер позволяет без изменения его конструкции изменять длину волны генерации путем применения взаимозаменяемых элементов оптического резонатора с различными свойствами. Для этого, например, в лазере могут быть установлены выходные зеркала 13 со специальным покрытием, обеспечивающим максимальный коэффициент отражения на выбранной длине волны. С этой же целью металлическое глухое зеркало 11 можно заменить на дифракционную решетку.The laser used in the described surgical setup allows the generation wavelength to be changed without changing its design by using interchangeable elements of the optical resonator with various properties. For this, for example, output mirrors 13 with a special coating can be installed in the laser, providing a maximum reflection coefficient at the selected wavelength. For the same purpose, the metal blind mirror 11 can be replaced by a diffraction grating.
Особенностью схемы является использование возможности деления частоты импульсов излучения посредством команды с микропроцессора путем деления частоты следования импульсов, поступающих на блок управления 23 (микропроцессор) с датчика 24. На временной диаграмме (фиг.4) показан случай деления частоты следования импульсов датчика 24 углового положения на два. Таким образом, в описываемой установке реализуют возможность осуществления операций различных типов только за счет изменения режима ее работы. Так, например, при проведении операции на рубце удаление больших объемов ткани требует воздействия излучения импульсами с большой частотой повторений, в то время как удаление малых объемов ткани (в случае шлифовки) проводят на малых частотах повторений импульсов излучения.A feature of the circuit is the use of the possibility of dividing the frequency of the radiation pulses by command from the microprocessor by dividing the pulse repetition rate of the pulses arriving at the control unit 23 (microprocessor) from the sensor 24. The time diagram (figure 4) shows the case of dividing the pulse repetition rate of the angular position sensor 24 by two. Thus, in the described installation they realize the possibility of carrying out operations of various types only by changing the mode of its operation. So, for example, when performing surgery on the scar, the removal of large volumes of tissue requires exposure to pulses of radiation with a high repetition rate, while the removal of small volumes of tissue (in the case of grinding) is carried out at low repetition frequencies of radiation pulses.
Описываемая установка работает следующим образом.The described installation works as follows.
Предварительно осуществляют подключение элементов установки к блокам питания и управления и настройку лазера в рабочий режим.Preliminarily, the elements of the installation are connected to the power and control units and the laser is set up in the operating mode.
Излучение лазера с выходного зеркала 13 подают через оптический световод 27 и фокусирующую линзу 28 на обрабатываемую поверхность. При обработке больших открытых поверхностей для развертки луча может быть использован сканер 30. Параметры сканирования задаются оператором через блок управления.Laser radiation from the output mirror 13 is fed through an optical fiber 27 and a focusing lens 28 to the surface to be treated. When processing large open surfaces, a scanner 30 can be used to scan the beam. Scan parameters are set by the operator through the control unit.
Часть излучения лазера подают на измеритель энергии оптического излучения 26, при помощи которого осуществляют стабилизацию энергии выходных импульсов. Измеритель 26 энергии через блок управления 23 включен в цепь обратной связи, корректирующей напряжение заряда накопительных конденсаторов для изменения выходной энергии лазера. При отклонении энергии излучения от заданной в пределах +/- 10% блок управления 23 (микропроцессор) корректирует опорное напряжение высоковольтного источника питания 14 и, следовательно, напряжение зарядки накопительных конденсаторов для достижения заданной энергии выходного излучения. При отклонении выходной энергии большем чем 10% микропроцессор выключает высоковольтный источник и включает сигнал «Техническое обслуживание» на панели управления прибором.A part of the laser radiation is supplied to the optical radiation energy meter 26, with the help of which the energy of the output pulses is stabilized. The energy meter 26 through the control unit 23 is included in the feedback circuit, which corrects the charge voltage of the storage capacitors to change the laser output energy. When the deviation of the radiation energy from the set within +/- 10%, the control unit 23 (microprocessor) corrects the reference voltage of the high-voltage power supply 14 and, therefore, the charging voltage of the storage capacitors to achieve a given output radiation energy. If the output energy deviates by more than 10%, the microprocessor turns off the high-voltage source and turns on the “Maintenance” signal on the control panel of the device.
Включение, выключение установки и задание параметров излучения и сканирования производится с пульта управления 22. Пульт служит для включения силовых цепей и программирования микропроцессорного блока управления 23.Turning the unit on and off and setting the radiation and scanning parameters is done from the control panel 22. The remote control serves to turn on the power circuits and program the microprocessor control unit 23.
Сфокусированный пучок лазерного излучения в описываемой установке может достигать мощность излучения в импульсе порядка 20-50 кВт при длительности импульса 30-50 микросекунд. Установка, в соответствии с изобретением, позволяет осуществлять воздействие импульсами излучения с длиной волны 10,6 мкм, 10,3 мкм, 9,6 мкм и 9,3 мкм и тем самым обеспечивать с максимальной степенью эффективности режим абляции для тканей с разным коэффициентом поглощения. Например, мягкие ткани имеют коэффициент поглощения - 10,6 мкм, а костные - 9,6 мкм, правильный выбор длины волны излучения позволяет обеспечить максимальное поглощение излучения в ткани.The focused laser beam in the described setup can achieve a radiation power in the pulse of the order of 20-50 kW with a pulse duration of 30-50 microseconds. The installation, in accordance with the invention, allows exposure to radiation pulses with a wavelength of 10.6 μm, 10.3 μm, 9.6 μm and 9.3 μm and thereby provide an ablation mode for tissues with different absorption coefficients with a maximum degree of efficiency . For example, soft tissues have an absorption coefficient of 10.6 μm, and bone - 9.6 μm, the correct choice of the radiation wavelength allows for maximum absorption of radiation in the tissue.
Благодаря возможности строго дозированной глубины проникновения в ткань (до 50 мкм) за один проход сканером в импульсном режиме генерации лазерного излучения и хорошему гемостазу одновременно происходит прецизионное испарение биоткани с минимальным термическим эффектом воздействия.Due to the possibility of a strictly dosed penetration depth into the tissue (up to 50 μm) in a single pass by the scanner in the pulsed mode of laser radiation generation and good hemostasis, precise evaporation of the biological tissue occurs with minimal thermal effect.
Таким образом, импульсно-периодический газовый лазер с поперечным разрядом, в соответствии с настоящим изобретением обладает следующими конструктивными преимуществами:Thus, a pulsed-periodic gas laser with a transverse discharge, in accordance with the present invention has the following structural advantages:
- не требует сложной электроники для реализации импульсного режима разряда;- does not require complex electronics to implement a pulsed discharge mode;
- блок питания состоит только из простого и дешевого импульсного двуполярного высоковольтного источника;- the power supply consists only of a simple and cheap pulsed bipolar high voltage source;
- используемая газовая смесь - CO2:N2 (без применения гелия) позволяет резко увеличить время жизни смеси (прибор может эксплуатироваться до 4-х лет без замены газовой смеси) и снизить ее стоимость, а также позволяет исключить необходимость в сложном и дорогостоящем специальном оборудовании для автоматической замены газовой смеси;- the used gas mixture - CO 2 : N 2 (without helium) can dramatically increase the life time of the mixture (the device can be used up to 4 years without replacing the gas mixture) and reduce its cost, and also eliminates the need for a complex and expensive special equipment for automatic replacement of the gas mixture;
- воздушное охлаждение рабочей камеры (вместо жидкостного, с замкнутым циклом) позволяет снизить вес и стоимость конструкции в целом;- air cooling of the working chamber (instead of liquid, with a closed cycle) can reduce the weight and cost of the structure as a whole;
Использование описанного выше лазера позволяет создать лазерные хирургические установки, превосходящие известные устройства того же назначения по следующим основным параметрам:Using the laser described above allows you to create laser surgical installations that surpass the known devices of the same purpose in the following main parameters:
- длительность импульса воздействующего излучения может составлять до 10-50 мкс, что в 40 раз короче импульса прототипа.- the duration of the pulse of the incident radiation can be up to 10-50 μs, which is 40 times shorter than the pulse of the prototype.
При использовании установки в целях реконструктивной хирургии, кожно-пластической хирургии, дерматохирургии и косметологии уменьшение длительности импульса улучшает качество операции за счет снижения теплового поражения тканейWhen using the unit for reconstructive surgery, skin plastic surgery, dermatosurgery and cosmetology, reducing the pulse duration improves the quality of the operation by reducing thermal damage to tissues
- максимальная мощность в импульсе может достигать при этом 20-50 киловатт;- the maximum power in a pulse can reach up to 20-50 kilowatts;
- отсутствие опасности воздействия СВЧ полей на пациента;- no risk of exposure to microwave fields on the patient;
- вес и габариты установки вдвое меньше известных установок того же назначения. При этом цена установки на порядок ниже аналогов.- the weight and dimensions of the installation are half that of known installations of the same purpose. At the same time, the installation price is much lower than analogues.
Возможность работы на других длинах волн перспективна для применений установки в других областях медицины, например в стоматологии и операциях на костной ткани.The ability to work at other wavelengths is promising for installation applications in other fields of medicine, for example, in dentistry and bone surgery.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005116753/28A RU2286628C1 (en) | 2005-06-01 | 2005-06-01 | Pulsed-periodic gas later and surgical laser unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005116753/28A RU2286628C1 (en) | 2005-06-01 | 2005-06-01 | Pulsed-periodic gas later and surgical laser unit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2286628C1 true RU2286628C1 (en) | 2006-10-27 |
Family
ID=37438761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005116753/28A RU2286628C1 (en) | 2005-06-01 | 2005-06-01 | Pulsed-periodic gas later and surgical laser unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2286628C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014077734A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | Kuzmin Oleg Viktorovich | Surgical laser system |
| RU2591610C2 (en) * | 2011-02-11 | 2016-07-20 | Ел.Ен. С.П.А. | Device and method for laser treatment |
| RU2609732C2 (en) * | 2014-10-13 | 2017-02-02 | Александр Эдуардович Виноградский | Multifunctional laser device (versions) |
| RU169265U1 (en) * | 2016-11-10 | 2017-03-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Энергомаштехника", ООО "ЭМТ" | Device for the treatment of chronic tonsillitis and pharyngitis |
| RU2635477C2 (en) * | 2012-07-05 | 2017-11-13 | Конинклейке Филипс Н.В. | System and method for skin care |
| RU2652746C2 (en) * | 2013-04-25 | 2018-04-28 | Конинклейке Филипс Н.В. | Non-invasive device for treatment of skin using laser light |
-
2005
- 2005-06-01 RU RU2005116753/28A patent/RU2286628C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2591610C2 (en) * | 2011-02-11 | 2016-07-20 | Ел.Ен. С.П.А. | Device and method for laser treatment |
| RU2635477C2 (en) * | 2012-07-05 | 2017-11-13 | Конинклейке Филипс Н.В. | System and method for skin care |
| WO2014077734A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | Kuzmin Oleg Viktorovich | Surgical laser system |
| RU2652746C2 (en) * | 2013-04-25 | 2018-04-28 | Конинклейке Филипс Н.В. | Non-invasive device for treatment of skin using laser light |
| RU2609732C2 (en) * | 2014-10-13 | 2017-02-02 | Александр Эдуардович Виноградский | Multifunctional laser device (versions) |
| RU169265U1 (en) * | 2016-11-10 | 2017-03-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Энергомаштехника", ООО "ЭМТ" | Device for the treatment of chronic tonsillitis and pharyngitis |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2286628C1 (en) | Pulsed-periodic gas later and surgical laser unit | |
| US6090102A (en) | Short pulse mid-infrared laser source for surgery | |
| US5621745A (en) | Intracavity modulated pulsed laser and methods of using the same | |
| Berlien | Applied laser medicine | |
| KR100416449B1 (en) | Ultra-long flashlamp-excited pulse dye laser for therapy and method therefor | |
| KR100434195B1 (en) | Surgical laser device and its use method | |
| US5180378A (en) | Laser surgery system | |
| Fisher | Basic laser physics and interaction of laser light with soft tissue | |
| US20140065575A1 (en) | Method and apparatus for treatment of solid material including hard tissue | |
| JP2001505103A (en) | Variable pulse width lasing device | |
| US7411989B2 (en) | Mechanically Q-switched CO2 laser | |
| WO2007007336A1 (en) | Laser ablation apparatus useful for hard tissue removal | |
| WO2004114473A2 (en) | Controlling pulse energy of an optically-pumped amplifier by repetition rate | |
| US8613741B1 (en) | Voltage bucking circuit for driving flashlamp-pumped lasers for treating skin | |
| US6761713B2 (en) | Medical laser unit | |
| WO2001091255A1 (en) | A dye laser for generating laser pulses of long duration | |
| RU133356U1 (en) | LASER MACHINE | |
| CN210074413U (en) | Multi-pulse-width multifunctional laser and laser therapeutic instrument | |
| CN108123354A (en) | Laser aid and system and its medical laser treatment system | |
| KR101158561B1 (en) | Laser apparatus for the dentist | |
| Wright et al. | Laser Physics for Surgeons: An introduction to carbon dioxide laser surgery | |
| WO1990012619A1 (en) | Laser surgery system | |
| Vitruk | Laser Physics and Equipment | |
| RU2249282C1 (en) | Excimer laser | |
| KR20140014985A (en) | Laser apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150602 |