一种脉冲铥光纤激光探测系统及探测方法与流程

1.本发明涉及激光检测设备技术领域，特别涉及一种脉冲铥光纤激光探测系统及探测方法。


背景技术：

2.激光技术在医疗领域的应用日新月异，在结石领域领域，激光将很快超过eswl体外超声碎石成为治疗的主要术式。激光微创碎石，消除潜在副作用，碎石速度快，复发率低等特点让激光碎石手术在竞争中逐渐胜出。
3.波长2um的近红外光高功率激光，例如100w的ho：yag钬激光和120w的tm：yag激光在碎石手术中的应用碎石领域应用非常广泛。但是钬激光频率低，能量大，碎石爆破力强，结石冲击移位严重，术中医生找石头的时间导致手术总体时间大大延缓。钬激光的灯泵浦，寿命短，导致激光手术设备输出能量快速衰减，经常造成不能有效手术。另外，钬激光和tm：yag激光的电到光的转换效率低，整机体积大，功耗大，噪音大，严重影响医生的术中体验。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种脉冲铥光纤激光探测系统及探测方法，以解决上述问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种脉冲铥光纤激光探测系统，包括脉冲铥光纤激光器、半导体激光泵浦源、电源及嵌入式控制单元、功率检测装置、激光冷却系统、光纤耦合器、光谱检测装置和传能及光谱探测光纤；半导体激光泵浦源、功率检测装置和激光冷却系统的一端均连接到脉冲铥光纤激光器，另一端均连接到电源及嵌入式控制单元；光纤耦合器一端连接脉冲铥光纤激光器，另一端连接传能及光谱探测光纤；电源及嵌入式控制单元还连接有光谱检测装置，光谱检测装置还和光纤耦合器连接。
7.进一步的，功率检测装置包括两个功率探测元件，一个位于脉冲铥光纤激光器泵源输入多根光纤中的一根提取激光功率p1，另外一个置于光纤耦合器的耦合镜片后提取脉冲铥光纤激光器输出红外激光杂散光，提取激光功率p2。
8.进一步的，p1和p2与实际输出功率p0分别正相关，将信号反馈至电源及嵌入式控制系统，通过多点相互比对确定实际输出激光能量。
9.进一步的，激光冷却系统包括相变材料储能装置、水箱、压缩机、冷凝器和换热器；换热器设置在水箱内，换热器通过管路连接压缩机，压缩机连接冷凝器，冷凝器连接换热器；脉冲铥光纤激光器通过相变材料储能装置连接到水箱。
10.进一步的，光纤耦合器为一组二合一功能镜片组，光纤耦合器包括分光镜片和耦合镜片组；分光镜片设置在耦合镜片组的侧面；脉冲铥光纤激光器输出的红外激光经过光纤耦合器中的分光镜片和耦合镜片组将激光能量传输进入传能及光谱探测光纤。
11.进一步的，分光镜片的另一面对准光谱检测装置；传能及光谱探测光纤输出的激
光能量照射到结石表面，结石表面反射的可见光通过传能及光谱探测光纤，反向传输进入光纤耦合器，通过分光镜片进入光谱检测装置。
12.进一步的，电源及嵌入式控制单元还连接有内窥镜图像处理装置，内窥镜图像处理装置连接医用内窥镜。
13.进一步的，电源及嵌入式控制单元还连接有触摸显示屏和脚踏开关。
14.进一步的，一种脉冲铥光纤激光探测方法，包括以下步骤：
15.启动脉冲铥光纤激光器和激光冷却系统，脉冲铥光纤激光器开始工作，向光纤耦合器中的分光镜片将激光能量传输进入传能及光谱探测光纤，能量到达需要粉碎的结石表面，结石表面反射的可见光通过传能及光谱探测光纤，反向传输进入光纤耦合器，通过分光镜片进入光谱检测装置，获得表征结石成分的光谱数据；
16.内窥镜图像处理装置，实时处理内窥镜返回来的图像信号，提取图像中结石的大小数据，反馈给电源及嵌入式控制系统，电源及嵌入式控制系统用于对整个医疗设备的供电和控制，接收光谱检测装置的反馈的光谱数据和内窥镜图像处理装置反馈的结石大小数据，经过计算比对，得出结石成分和结石大小，判断碎石所需激光参数的区间，并显示在触摸显示屏上；
17.同时功率检测装置的两个功率探测元件，提取激光功率p1、p2，p1和p2与实际输出功率p0分别正相关，将信号反馈至电源及嵌入式控制系统，系统通过多点相互比对确定实际输出激光能量。
18.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
19.本发明脉冲铥激光激光波长1940nm，输出激光光束质量高，可欧耦合进入100um细光纤等特点。脉冲铥激光与在钬激光相比疗效具有更大优势，水吸收效率更高(相比于钬激光高2—4倍)，降低了碎石的阈值。高频率低脉冲能量的特点导致结石移位大大降低，术中做到原位碎石，让总的碎石手术时间大大减少，提高手术成功率，降低医生的学习曲线，也减少了手术的并发症。更充分的粉末化碎石，将结石打碎成小于0.5mm的尺寸直接灌流冲出，避免了套石篮等一次性耗材的使用，有效降低了病患的经济负担。
附图说明
20.图1是本发明所述的一种新型脉冲铥光纤激光医疗设备的结构示意图；
21.图2是本发明所述的激光冷却系统结构示意图；
22.图3-a是本发明所述的结石成分多光谱谱线图；
23.图3-b是本发明所述的结石成分高光谱谱线图；
24.图4是本发明所述的光纤耦合器结构示意图.
25.其中：1、脉冲铥光纤激光器，2、半导体激光泵浦源，3、电源及嵌入式控制系统，4、功率检测装置，5、激光冷却系统，6、脚踏开关，7、触摸显示屏，8、光纤耦合器，9、光谱检测装置，10、传能及光谱探测光纤，11、内窥镜图形处理装置，12、医用内窥镜，13、相变材料储能装置，14、分光镜片，15、耦合镜片组。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以
更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
27.如图1所示，一种新型脉冲铥光纤激光医疗设备和碎石技术，其结构包括系统脉冲铥光纤激光器1，半导体激光泵浦源2，电源及嵌入式控制系统3，功率检测装置4，激光冷却系统5，脚踏开关6，触摸显示屏7，光纤耦合器8，光谱检测装置9，传能及光谱探测光纤10，内窥镜图像处理装置11，医用内窥镜12。在一些实施例中，脉冲铥激光激发输出1940nm波长的激光，匹配较高的水吸收率，以期达到更高的碎石速度。
28.所述的功率检测装置4，用于术中实时监控激光运行状态。
29.具体的，功率检测装置4包括两个功率探测元件，一个位于脉冲铥光纤激光器1泵源输入多根光纤中的一根提取激光功率p1，另外一个置于光纤耦合器8的耦合镜片后提取脉冲铥光纤激光器1输出红外激光杂散光，提取激光功率p2。p1和p2与实际输出功率p0分别正相关，将信号反馈至电源及嵌入式控制系统4，系统通过多点相互比对确定实际输出激光能量。当输出激光功率有波动时，电源及嵌入式控制系统自动调节电压电流值，直至输出功率符合设置功率的要求。所述的功率检测装置4为光敏功率探测元件，探测器前安装1.94um波长单通滤波片，过滤其他激光成分。
30.所述的激光冷却系统5采用相变材料储能装置加压缩机双散热结构，二者串联，通过脉冲铥光纤激光器1的冷却水先进入相变材料储能装置13进行储能，剩余热量通过压缩机排出。
31.具体的，相变材料储能装置13使用镓基合金，热导率为29.28w/(m
·
oc)，约为水的60倍。具体的，该激光器整机输出功率120w，电光转换效率25％，所需要散热量为360w，采用1kg的相变材料，可以满足1小时的碎石手术需要，整机体积压缩56％,需要的散热功耗将为40％。该设备的噪音和体积远低于其他激光设备。
32.所述的光谱检测装置11和光纤耦合器为新型结构设计。光纤耦合器为一组二合一功能镜片组，传能和光谱分析共光路设计。脉冲铥光纤激光器1输出的红外激光经过光纤耦合器8中的分光镜片14将激光能量传输进入传能及光谱探测光纤10，能量到达需要粉碎的结石表面。
33.具体的，某些实例分光镜片采用可见光高透，1940nm激光高反的膜系设计。光谱探测装置采用多光谱探测。结石表面反射的可见光通过传能及光谱探测光纤10，反向传输进入光纤耦合器，通过分光镜片14进入光谱检测装置11，获得表征结石成分的光谱数据，不同的结石成分其光谱特征不同。
34.所述的内窥镜图像处理装置11，实时处理内窥镜返回来的图像信号，提取图像中结石的大小数据，反馈给电源及嵌入式控制系统3。电源及嵌入式控制系统3，用于对整个医疗设备的供电和控制，接收光谱检测装置9的反馈的光谱数据和内窥镜图像处理装置11反馈的结石大小数据，经过计算比对，得出结石成分和大小，自动判断碎石所需激光参数的区间，并显示在触摸显示屏7上。所有输出电源均为直流供电，包括泵浦源的ld直流供电等。电源及嵌入式控制系统还包括对各个传感器的信号处理和报警，如水路检测信号，电流电压实时监控信号，光能量反馈信号，连锁控制信号，温度传感器温度信号等。该闭环结构让手术让系统自动识别目标结石的成分和大小，帮助术者快速确定手术激光参数，降低该手术的学习曲线，大大提高手术速度。
35.所述的传能及光谱探测光纤10由阶跃折射率多模石英传能光纤构成，具体的，采
用芯径为200um，包层直径为220um的结构，可以满足120w激光输出的要求。医疗设备开机后，通过传能及光谱探测光纤10传回来的光谱信号和内窥镜处理装置传回来的图像信号，设备自动给出结石粉碎的参数区间，并显示在触摸显示屏上。
36.所述的触摸显示屏7，为可触摸显示。术者通过调节触摸显示屏7上控制按钮，根据手术需要调节至需要的功率大小，进行手术。触摸显示屏同时显示手术时间长度和累计输出的激光能量，便于医生术后分析。当系统发生报警时，触摸显示屏7显示报警信息详情，便于售后反馈维修。
37.具体的，系统自动给出手术所需的激光参数区间，主要分为三个挡位，包当结石小于20mm，结石成分硬度小于900hu时，建议激光能量调节区间为频率100hz—500hz，脉冲能量为0.24j—1.2j，术式称为粉末化碎石；当结石20mm—40mm，结石成分硬度在900—1600hu时，激光能量建议区间为频率10—50hz，脉冲能量为2.4j—12j，术式成为碎块化碎石；当结石小于10mm时，脉冲频率区间为2200hz，脉冲能量为0.03j，术式称为雾霾化碎石。
38.所述激光器的，具体的，输出波长为1940nm，频率为10—2.2khz，脉宽为1us—20ms，最大平均功率分别为120w，用于人体激光碎石手术。
39.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。