專利名稱：利用多源光源非相干光強疊加的方法及實現該方法的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用多源光源非相干光強疊加的方法及實現該方法的裝置。
心肌血管激光重造術(TMLR)是治療中晚期冠心病的一種全新的手術方法，是傳統心內、外科手術方法的最新發展和重要補充，國際上七十年代開始研制，九十年代應用于臨床，因其治療效果顯著，而倍受國內外醫學界的廣泛重視和冠心病患者的極大關注。
傳統或經典的治療冠心病的方法有藥物、經皮穿刺的冠狀動脈腔內成型術(PTCA)和外科冠狀動脈搭橋術(CABG)，而且PTCA和CABG已成為治療冠心病的主要方法。但是，仍有多種類型中晚期冠心病PTCA或CABG手段力所不及，例如，呈彌漫性分布的冠狀動脈內粥樣斑塊造成冠狀動脈廣泛狹窄，病變血管太細，CABG術后再度阻塞或狹窄等。因此，自有PTCA、CABG以來，醫學和科學界的有關研究人員就一直在探索治療冠心病的新方法、新手段、新技術、TMLR正是在這種背景下應運而生。
TMLR的生物醫學基礎深厚。人體心臟生理、病理與解剖學研究表明，心臟不象其它器官，并不完全依靠靜脈和動脈供輸血液，而可由心室內的富氧血直接灌注浸透，胎兒心臟在動脈和靜脈未發育好之前就是以這種方法攝入血液的。冠狀動脈阻塞導致心肌缺血壞死，采用計算機控制的激光器在壞死的心肌上營造微小的孔道(打孔)與左心室貫通，形成新的供血通道，由心室內的富氧血直接浸入缺血心肌，并通過再行的豐富毛細血管給心肌供氧，改善缺血狀況，恢復正常功能。
TMLR之所以稱之為心外科領域的新突破，正是因為它與傳統的心外科手術方法CABG相比有五大顯著特點風險低，手術在心臟不停跳狀態下進行，無需體外循環，成功率極大提高；創作小，只需在左胸前外側開6至10公分小切口，不損傷胸肋骨；易操作，人機界面友善，自動化程度適當，適應傳統心外科的操作習慣；時間短，一般在二小時左右即可完成手術；恢復快，一般在術后三至四周即可恢復；效果好，心絞痛癥狀明顯減輕或消失。
臨床實踐證明，TMLR能夠有效地改善許多中晚期冠心病患者的生活質量，甚至挽救他們的生命，其特殊作用是其它手術方法所不可取代的。
本發明的其一目的是提供一種利用多源光源非相干光強疊加的方法。所述的方法主要是利用激光源非相干光強疊加的原理，將十九束小功率激光進行平行匯聚，疊加成1000W大功率合成激光束的方法。
本發明的另一目的是根據本發明的方法而提供的實現該方法的裝置，具體地說是提供一種模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手術儀，它是一種特殊TMLR專用手術儀器，且它集臨床醫學、電子、計算機、激光和模糊控制技術為一體，并突出了集束式超大功率1000W級CO2激光器為手術儀的主要裝置。
本發明的目的是這樣實現的一種利用多源光源非相干光強疊加的方法，包括采用R波預測模糊控制觸發源光脈沖的步驟，具體地說是將十九束小功率激光進行平行匯聚疊加形成1000W大功率合成激光束，使其成為正六方近場光斑圖形，且其光斑圖形之光束功率由式I=∑κjIiκj確定，其合成激光束的焦點特性由式tn+1=ΣT1/Σi確定。
根據上述的方法本發明的另一個目的是提供一種為實現其方法的裝置，該裝置是一種模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手術儀，其中，所述的手術儀包括電源子裝置、激光束導光子裝置、精密機械子裝置、計算機子裝置、檢/監測子裝置、循環水冷子裝置，而且，所述的電源子裝置還包括初級儲能控制單元、初級儲能單元、儲能調節控制單元、二級儲能單元、高壓單元；所述的計算機子裝置還包括AD單元、計算機主機單元、控制單元、遠程故障診斷維護單元、遠程操作輔導單元、病案數據庫單元；所述的檢/監測子裝置，包括超聲心血管成型檢測單元、超聲心肌壁檢測單元、激光器工作狀態檢測單元、水壓檢測單元、低壓檢測單元、高壓檢測單元；所述的精密機械子裝置還包括三自由度導光臂單元、固定導光臂單元；所述的激光束導光子裝置還包括激光器陳列單元、反射鏡陳列單元、中心集束鏡組單元；其中，所述的激光束導光子裝置中的激光器是由十九支封離型CO2激光器構成的合成激光器。
較之現有技術，本發明產生的積極效果是顯而易見的。
第一，采用并行結構化設計，組合多支小功率封離型CO2激光器，排列成特定形式，并將各激光器發出的激光束進行平行匯聚，集束形成1000W大功率合成激光，合成光束參數(能量特性、模式特性、焦點特性)完全能夠滿足心肌血管重建手術所需之苛刻的技術要求，心肌血管重建的質量高，所有工程指標可客觀評測，而且多激光器并行結構，比采用單支1000W激光器有更高的可靠性和安全性。
第二，采用R波預測模糊控制觸發激光脈沖技術，確保激光脈沖觸發能夠動態地準確地鎖定在心臟的充盈期間，這一最佳的打孔時機，使激光打孔更安全，進一步提高手術操作的安全性。
第三，采用模糊控制激光脈沖能量技術，在確保貫通心肌壁的前提下，控制打孔激光脈訓能量使剩余能量盡可能小，最大限度地避免無益的熱損傷，進一步提高手術質量。
第四，采用九十年代中后期計算機軟、硬件及網絡技術，具有多媒體遠程手術操作輔助功能、遠程故障診斷和維護功能、手術全過程系統工作參數實時采集、記錄等，通過互聯網可以方便地進行遠程手術操作輔導、遠程故障監測診斷及維護、數據調用等，便于進行大規模網絡化產業化應用推廣。
第五，應用針對性強，主要針對身體健康狀況很差，已不允許實施冠狀動脈搭橋(CABG)或經皮穿刺冠狀動脈成形術(PTCA)；冠狀動脈彌漫性病變、末梢病變或者冠脈纖細而不適合采用CABG或PTCA；經CABG或PTCA手術后冠脈再度阻塞或狹窄；這三類中晚期冠心病患者，為他們提供一種高技術高可靠性高有效性的外科治療手段。
第六，人機界面友善，自動化程度適中，順應心外科手術操作的傳統習慣，易于使用，日常保養和維護。
第七，采用二級儲能設計，不需要專用供電線路，不需要穩壓設備，一般市電供電即可。
第八，無電磁，無噪聲，無其它有害污染。
第九，成本較低，性價比較高，技術和價格上均具有較強的競爭力。
下面結合附圖和實施例對本發明涉及的方法及實現該方法的裝置作近一步的描述
圖1是實現所述手術儀的整體配置的結構示意框圖；圖2是關于圖1中的計算機裝置的結構示意框圖；圖3是關于圖1中的檢/監測裝置的結構示意框圖；圖4是關于圖1中的電源裝置的結構示意框圖；圖5是關于圖1中的精密機械裝置、激光束導光裝置、循環水冷裝置的結構示意框圖；圖6是關于實現所述手術儀的動態工作流程圖7是關于圖5中激光束導光裝置的激光器排列俯圖；圖8是關于圖4中(多級)儲能控制的工作原理示意圖；圖9是關于圖7中激光器陳列所需的電源電路工作原理框圖；圖10是關于運用激光器實現心肌造孔時所定義的心肌壁厚度模糊子集曲線圖；圖11是模糊控制合成觸發激光脈沖的曲線圖，分為圖11(A)、圖11(B)、圖11(C)。
圖12是合成激光束的透鏡組合參數圖。
由以上諸圖，本發明是一種利用多源光源非相干光強疊加的方法，包括采用R波預測模糊控制觸發源光脈沖的步驟，該方法是指將十九束小功率激光進行平行匯聚疊加形成1000W大功率合成激光束，使其成為正六方近場光斑圖形，且其光斑圖形之光束功率由式I=Σ&Kgr;jiIiκj]]>確定，其合成激光束的焦點特性由式tn+1=ΣITI/Σi]]>確定。
所述的合成激光束是由一面聚焦鏡和一面凹透鏡構成的一組光學縮束系統進行縮束處理的且使其光束的直徑壓縮為原光束直徑大于等于三倍或小于等于三倍的激光束。
所述采用R波預測模糊控制觸發激光脈沖的步驟還包括如下步驟a．預測R波算法的步驟，b．模糊控制激光脈沖出發算法的步驟，c．模糊控制激光能量算法的步驟。
為實現上述方法所構造的裝置是一種模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手術儀。該手術儀包括電源子裝置1、激光束導光子裝置2、精密機械子裝置3、計算機子裝置4、檢／監測子裝置5、循環水冷子裝置6，其中，所述的電源子裝置1還包括初級儲能控制單元101、初級儲能單元102、儲能調節控制單元103、二級儲能單元104、高壓單元105；所述的計算機子裝置4還包括AD單元401、計算機主機單元402、控制單元403、遠程故障診斷維護單元404、遠程操作輔導單元405、病案數據庫單元406；所述的檢/監測子裝置5還包括超聲心血管成型檢測單元501、超聲心肌壁檢測單元502、激光器工作狀態檢測單元503、水壓檢測單元504、低壓檢測單元505、高壓檢測單元506；所述的精密機械子裝置3還包括三自由度導光臂單元301、固定導光臂單元302；所述的激光束導光子裝置2還包括激光器陳列單元201、反射鏡陳列單元202、中心集束鏡組單元203；其中，所述的激光束導光子裝置2中的激光器是由十九支封離型CO2激光器構成的合成激光器。
由上可知本發明涉及的裝置屬于復雜的機、電、光一體化系統，由激光器、控制機柜兩部分組成，總體上可劃分為六大系統，共約十六個子系統，具體組成部分如下(一)計算機系統A/D子系統心電信號、心肌壁測厚、激光器工作電壓及電流等參量的模數轉換；控制子系統控制激光脈沖觸發時機、能量大小；監測子系統監測電、光、水循環冷卻的工作狀態；遠程操作輔助子系統通過互聯網進行遠程手術操作輔導；
遠程監測及維護子系統通過互聯網對系統進行遠程監測及維護；數據庫子系統保存每次手術全過程系統工作的數據；(二)檢/監測系統檢測子系統檢測高、低、水壓和激光器工作狀態等；超聲心肌壁測厚子系統測量激光束工作點處心肌壁厚參數，并傳給計算機系統；輔助超聲觀測子系統觀察激光脈沖打孔貫通肌壁與否；(三)電源系統高壓子系統提供激光器開啟及工作電壓；儲能子系統多級儲能，避免手術室需要安裝大功率專用供電線路；保護子系統高、低壓多級保護；(四)精密機械三維可調激光器支架固定多支激光器并且X、Y、Z三向可微調整；(五)光學系統多激光束匯聚集束子系統由多面反射鏡組成的光學反射陣列，將平行的多束激光按設定的幾何圖案進行匯集，形成合成激光束；固定導光臂子系統將合成激光束傳導一定光程，并進行縮束處理，減小光斑直徑；三自由度導光臂系統將合成激光束導至特定作業空間，形成特定焦長、焦深和光斑直徑的工作點，在作業空向內工作點可三維移動；(六)循環水冷系統泵、水箱、分流及回流管路組成水冷子系統去離子水儲存、揚高、分回流控制；系統總體框圖參見圖1，系統工作流程參見圖6。
其具體技術指標是，最大輸出激光脈沖能量80J；最大輸出激光脈沖功率10KW；激光脈沖寬度5-100ms；激光波長10.6μm；激光器類型組合式封離型CO2激光器；激勵方式直流；焦點光斑直徑小于1mm；焦距125mm，直、側射；焦深大于30mm；模式多模；電源220V，50Hz；指示光同光路半導體激光紅光指示；激光器尺寸(長×寬×高)66×66×220cm3以上述系統實現的集束式大功率激光束形成的方法又有下列釋義(一)激光功率疊加激光束功率是TMLR首先要求的重要參數。因為，沒有約1000W的激光功率就不可能打通心肌壁再造心肌血管，不可能形成高質量的供血通道，不可能保證手術的安全性。為了獲得TMLR要求的足夠大的激光功率，本發明利用多激光源非相干光強疊加原理，將十九束小功率激光進行平行匯聚，疊加形成1000W大功率合成激光束，合成光束功率由下式計算I=ΣκjiIiκj]]>為比例因子，Ii為單束激光功率，i=1…n，j=1…m(二)激光波長選擇激光波長也是TMLR要求的重要參數。本發明采用10.6μmCO2激光，這一波長有良好的大氣穿透性和水吸收特性，特別是作用于人體生物組織時能夠產生良好的生物醫學效應，激光重建心肌血管時熱損傷小，成型血管形狀較理想，整條通道碳化層薄，易于毛細血管再生，保持通暢時間長。
(三)合成激光束光學處理TMLR手術質量的好壞與所采用激光束的質量密切相關，要使疊加形成的大功率合成激光束能夠達到TMLR手術嚴格要求的技術指標，必須要進行特殊的化學處理。
1、多激光束光學平行匯聚將十九束激光通過一組外圍反射鏡進行平行匯聚，形成大直徑合成激光束，合成光束的近場光斑呈上述相關專利所描述的正六方形圖案，大功率合成激光束是多模的。
2、合成激光束焦點特性的形成大直徑合成激光束首先經一組光學縮束系統進行縮束處理，將光束直徑壓縮約3倍，壓縮后的光束傳導一定光程，再經一面聚焦鏡處理形成特定焦長、光斑直徑、焦深的工作點，以實施心肌激光打孔。
縮束系統由一面凸透鏡和一面凹透鏡組成，如圖12所示，主要光學參數如下
焦距f1=400mm，直徑d1=80mm，通光口徑φ1=60mm焦距f2=100mm，直徑d2=50mm，通光口徑φ2=30mm兩透鏡間距△f=300mm聚焦鏡參數為，f=125或150mm，焦點光斑直徑d＜1mm。
TMLR手術操作的安全性，關鍵在于控制激光脈沖的發射時機，使激光打孔在心臟的充盈期間內進行。通常的TMLR儀器是直接采用R波觸發激光脈沖，這種方法存在不安全因素，因為R波觸發實際上是電平觸發，這種觸發方式易受干擾，若在R波之前有一尖峰干擾脈沖出現，系統就會發生誤動作，造成在心臟的非充盈發射打孔激光脈中，危及受術患者的生命安全。為了消除這種不安全隱患，本發明采用R波預測模糊控制觸發激光脈沖的方法，能夠確保在心臟的充盈期打孔，進一步提高手術的安全性，具體算法是計算預測RN+1波出現時刻tn+1=ΣT1/Σi1、計算RN+1波可能出現的時窗W=ΣW1/Σi2、記RN+1真實出現時刻為tr3、計算△t=tN+1-tr4、記修正量為t，定義△t和t的模糊子集如下△t△A△{‘超前誤差大’，‘超前誤差中’，‘超前誤差小’，‘誤=～=差零’，‘滯后誤差小’，‘滯后誤差中’，‘滯后誤差大’}△{A-3,A-2,A-1,A1,A2,A3}= ～ ～ ～ ～ ～ ～t△B△{‘延遲大’，‘延遲中’，‘延遲小’，‘零’，‘提前小’，‘提前中’，‘提前大’}△{B-3,B-2,B-1,B0,B1,B2,B3}= ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～
5、模糊控制決策模糊關系R=A×B，則B=AOR在tN+1時刻，W時窗寬度內觸發激光脈沖，觸發時刻被鎖在W范圍，能夠確保激光打孔時刻發生在心臟充盈期，完全可避免隨機干擾造成誤觸發動作的發生。模糊控制的意義在于，動態跟蹤心動周期的變化，提供模糊修正量t，實時調整每一次激光脈沖觸發時刻，保證手術全過程每次打孔的安全。
六、TMLR激光脈沖能量模糊控制TMLR手術質量取決于激光脈沖能量控制的性能。本發明提出的模糊控制原理，是根據激光打孔點處心肌壁的“厚”、“薄”程度這一模糊量。控制激光脈沖能量的“大”、“小”，在貫通心肌壁的前提下，使剩余能量盡可能小，從而最大限度地減小熱損傷面，提高手術質量。
心肌壁測量或定義的“厚”、“薄”模糊量H劃分為五個模糊子集，定義如下H△{‘很厚’，‘較厚’，‘標準值’，‘較薄’，‘很薄’}～=△{H-2,H-1,H0,H1,H2}= ～ ～ ～ ～ ～激光脈沖能量的“大”、“小”模糊量L劃分為五個模糊集定義如下L△{‘很大’，‘較大’，‘標準值’，‘較小’，‘很小’}～=△{L-2,L-1,L0,L1,L2}= ～ ～ ～ ～ ～模糊量H和L存在模糊關系R=L×H，則模糊控制決策L=HOR～～綜上所述，本發明采用十九支封離型直流激勵二氧化碳激光器，排列成五列對稱形的緊湊陣列，具體安裝位置如圖7所示。
激光心肌血運重建手術的關鍵技術有三點。第一是激光束的質量；第二是激光束的能量；第三是激光束的能量控制技術。這三點決定再造心肌血管的手術過程中對正常心肌產生的熱損傷程度，直接影響手術的質量或成敗。
光束質量一定的前提下，貫穿某厚度的心肌壁有一最適當的能量Jo(Jo=WXT，W是激光脈沖功率，T是激光脈沖寬度)，必須控制每一個心肌造孔脈沖接近Jo，否則，要么形不成有效的孔道，要么造成熱損傷面過大。本發明采用模糊控制技術來實現激光脈沖的能量控制。
具體地說是把心肌壁厚薄這一模糊量劃分成“很薄”、“薄”、“較薄”、“標準”、“較厚”、“厚”、“很厚”七個模糊子集。每個模糊子集對應心肌壁厚度的值域以及各模糊子集之間的關系如圖10所示。
歸納起來，支持本發明的硬件其特點是一、本發明采用的封離型二氧化碳激光器，其效能比小于10％，既產生1,000W激光功率需耗電10,000W以上，如此大的輸入功率對于手術室小功率電網環境下應用極為不便。因此，本發明在硬件設計上采用了多級儲能方法，使輸入功率小于1,000W(220V,＜5A),10,000以上的輸出大功率由內部的多級能庫提供，成功地解決了這一技術難題，原理框圖如圖8所示。
二、本發明中的激光器陣列采用大功率高頻開關電源，對電網而言，表現為容性負載，高頻開啟會對電網形成巨大的沖擊，使同一電網上的其它電子電器設備無法正常工作。為此，本發明在硬件設計上采用了整體緩慢啟動的溫和加電技術，成功地解決了這一技術難題，原理框圖如圖9所示。支持本發明的軟件其特點是1、建立在Internet/Intranet代表計算機網絡技術發展趨勢的平臺上；2、采用WWW技術實現超文本/超媒體的良好用戶界面；3、以SQL Server為后臺Web數據庫，MS IE為前臺交互式瀏覽器；4、采用ActiveX技術使交互式瀏覽器用戶界面的友好性與Web數據庫的超媒體化有機地結合，充分發揮了當前Intranet技術的先進性；5、可移植性、可維護性、可擴展性高。
權利要求
1.一種利用多源光源非相干光強疊加的方法，包括采用R波預測模糊控制觸發源光脈沖的步驟，其特征是將十九束小功率激光進行平行匯聚疊加形成1000W大功率合成激光束，使其成為正六方近場光斑圖形，且其光斑圖形之光束功率由式I=ΣκjiIiκj]]>確定，其合成激光束的焦點特性由式tn+1=ΣTII/Σi]]>確定。
2.根據權利要求1所述的利用多源光源非相干光強疊加的方法，其特征是所述的合成激光束是由一面聚焦鏡和一面凹透鏡構成的一組光學縮束系統進行縮束處理的且使其光束的直徑壓縮為原光束直徑大于等于三倍或小于等于三倍的激光束。
3.根據權利要求1所述的利用多源光源非相干光強疊加的方法，其特征是所述采用R波預測模糊控制觸發激光脈沖的步驟還包括如下步驟a.預測R波算法的步驟，b.模糊控制激光脈沖出發算法的步驟，c.模糊控制激光能量算法的步驟。
4.由如權利要求1的方法所實現的裝置是一種模糊控制集束式CO2激光心肌血管重建手術儀，其特征是所述的手術儀，包括電源子裝置(1)、激光束導光子裝置(2)、精密機械子裝置(3)、計算機子裝置(4)、檢/測子裝置(5)、循環水冷子裝置(6)，其中，所述的電源子裝置(1)還包括初級儲能控制單元(101)、初級儲能單元(102)、儲能調節控制單元(103)、二級儲能單元(104)、高壓單元(105)；所述的計算機子裝置(4)還包括AD單元(401)、計算機主機單元(402)、控制單元(403)、遠程故障診斷維護單元(404)、遠程操作輔導單元(405)、病案數據庫單元(406)；所述的檢/監測子裝置(5)還包括超聲心血管成型檢測單元(501)、超聲心肌壁檢測單元(502)、激光器工作狀態檢測單元(503)、水壓檢測單元(504)、低壓檢測單元(505)、高壓檢測單元(506)；所述的精密機械子裝置(3)還包括三自由度導光臂單元(301)、固定導光臂單元(302)；所述的激光束導光子裝置(2)還包括激光器陳列單元(201)、反射鏡陳列單元(202)、中心集束鏡組單元(203)；其中，所述的激光束導光子裝置(2)中的激光器是由十九支封離型CO2激光器構成的合成激光器。
全文摘要
本發明涉及一種利用多源光源非相干光強疊加的方法及實現該方法的裝置。該方法采用R波預測模糊控制觸發激光脈沖技術,完全可避免隨機干擾所造成的誤觸發,進一步提高手術安全性;采用模糊控制激光脈沖能量技術,可最大限度地減小有害要的熱損傷,進一步提高手術質量;采用九十年代中后期的計算機軟、硬件及網絡技術,可實現遠程手術操作輔助、遠程設備監測及維護等,便于進行網絡化大規模應用推廣,對多種類型中晚期冠心病可實施有效的手術治療。
文檔編號A61B18/20GK1298689SQ01100538
公開日2001年6月13日 申請日期2001年1月12日 優先權日2001年1月12日
發明者鄔江興, 張志遠, 曾軍峰, 韋永高, 鄧珂, 胡云林 申請人:國家數字交換系統工程技術研究中心