具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统、方法与流程

1.本发明涉及激光器能量校正控制技术领域，具体为具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统、方法。


背景技术：

2.现有激光治疗仪实现方案，如说明书附图图1所示，其中虚线框内为激光器内部，主要由激光器（包括种子源、光隔离装置、能量放大装置和倍频模组）、光路传输系统、手动调焦手柄、驱动电源、系统控制、人机交互、冷却系统等组成。
3.激光器是激光的发射源，它被驱动电源驱动，反馈激光器信号给系统控制单元，并被系统控制单元控制。激光器发射的激光经光路传输系统和手动调焦手柄传递到病患部位。
4.冷却系统由水箱、过滤器、水泵、冷排、散热风扇、液位开关、流速传感器、水管和接头组成。将发射过程中激光器所产生的热量通过冷却液传递到冷排，并通过散热风扇带走。
5.驱动电源单元将交流电源转换成激光器需要的高压脉冲电源、驱动氙灯的预燃和放大。
6.系统控制单元负责和人机交互单元进行交互，接收激光器的反馈信号，并根据要求进行激光器种子源、氙灯、倍频模组的驱动和控制。
7.光路传输系统和手动变焦手柄负责将激光器发射的激光传递到病患部位。当，此类激光器应用在医疗方面时，普遍存在：1、无输出能量自校正功能：随着使用年限的增加以及环境温度的变化，会导致激光器出光效率和输出能量降低；驱动电源异常时，可能会导致激光器输出能量偏大；不正常的输出能量，可能会导致不可预期的效果，给患者带来意外伤害；2、无输出光斑自修正功能：输出光斑的尺寸和形状，与激光器输出能量分布和实际的治疗效果、对非治疗区域的伤害程度密切相关。现有技术方案无输出光斑自修正功能，仅能在洁净室内通过拆开激光器后手动修正。一旦输出光斑异常，在客户端无法处理，必须返厂维修，带来的损失难以估量；3、根据皮肤光反应类型（fitzpatrick skin phototype）的定义，人体皮肤分为i型～vi型，每种皮肤类型表面的适应症需要的激光治疗能量各不相同，同时个体对激光的耐受性也不尽相同，操作者无法确切的了解适应症应该采用的治疗能量大小。每次治疗前需要先进行反复试打，确定激光治疗能量。试打的过程中，因能量的不确定，可能给患者造成非预期伤害。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供具有能量校正及光斑调节功能的激
光器控制系统、方法，通过在激光器内部增加光路转向单元、前部调试端口处增加能量反馈及光斑修正单元，在光路传输系统末端增加光斑检测单元的方式。以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统，包括激光器能量控制单元，对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量；系统控制单元，基于接收的激光器能量控制单元反馈信号，通过能量驱动控制单元对所述目标激光器的种子源及能量放大装置进行驱动控制；光路转向单元，将经由激光器能量控制单元发送并输出的激光能量转化为光信号后，分别反射至激光能量自校正单元及光路传输单元；其中，光路传输单元，根据获取的光信号生成用于表征目标激光器输出激光能量强度的i/o高低电平信号，并反馈至所述系统控制单元，以实现对目标激光器光斑形状的调节校正；激光能量自校正单元，将采集到光信号转换为电压信号后反馈至所述系统控制单元，以设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，对经由光路转向单元发送并输出的光信号的进行动态校正，实现目标激光器光斑形状的自适应调节校正。
10.作为对本发明中所述具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的改进，还包括与光路传输单元连接的激光手柄光斑检测单元，其中，所述激光手柄光斑检测单元包括光斑检测单元、光电信号处理电路、激光手柄，用于基于获取的光信号实现对目标激光器光斑形状的调节校正，其具体实施方式为：在目标激光器输出激光能量至激光手柄中的激光光斑形状与系统控制单元设定的标准光斑形状存在差别，且光斑检测单元检测到光信号并将其转换为电信号后；电信号经光电信号处理电路转换为相应的电压信号，此后，转换后的电压信号经信号线传递到系统控制单元的mcu电路的io接口；系统控制单元的mcu电路通过对io接口处的电平的高低进行判断，得到当前光斑检测单元的所在位置处是否侦测到了光信号；系统控制单元的mcu电路根据所述光电信号处理电路反馈的坐标位置值信号相应的调节外设于目标激光器端部的激光手柄，以实现对目标激光器光斑形状的调节校正。
11.作为对本发明中所述具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的改进，所述激光能量自校正单元包括：与所述光路传输单元连接的线性光电传感器；输出端与所述线性光电传感器连接的采样转换电路单元；输出端与所述采样转换电路单元连接的ad采样电路单元；其中，所述激光能量自校正单元设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，实现目标激光器光斑形状的自适应调节校正的具体实施方式为：首先，基于系统控制单元设定qset预设值，线性光电传感器将采集到光信号转换为脉冲电信号，系统控制单元中mcu电路通过dpulse=k
×
qset b或根据qset预设值进行查表，确定目标激光器输出激光能量脉冲电信号的占空比dpulse；其次，所述采样转换电路将光电传感器转换后的脉冲电信号dpulse进行滤波、累积放大处理，并转换为电压信号uset；再次，电压信号uset驱动目标激光器内部氙灯，根据不同的电压值控制其亮度
qlamp=uset2/r
×
t，其中，r为氙灯内阻，t为施加在氙灯上的放大电压脉冲时间；得到目标激光器内部氙灯输出能量qlamp，并将其经nd:yag晶体棒过滤和放大后，得到输出能量值qout=k1
×
qlamp b1；最后，系统控制单元中mcu电路将经nd:yag晶体棒过滤和放大后得到的输出能量值qout与系统控制单元设定的qset预设电压反馈值进行比较：qδ=|qout-qset|/qset
×
100%，若，qδ》10%，则系统控制单元启动能量自校正功能，按比例减小能量设置脉冲电信号的脉冲宽度，将循环校正后，使采样值与反馈值的差优于10%；反之若，qδ≤10%，则，系统控制单元不进入能量自校正功能，输出激光无需校正。
12.作为对本发明中所述具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的改进，所述能量放大装置包括氙灯和nd:yag晶体棒。
13.作为对本发明中所述具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的改进，还包括与所述系统控制单元连接的人机交互模块，用于通过人机交互模块接收使用者的存入模式选择，其中，所述存入模式包括系统输出能量值模式、输出频率模式、设定激光波长模式以及脉冲模式。
14.作为本发明的第二方面，提出了具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制方法，包括以下步骤：基于激光器能量控制单元，对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量；系统控制单元接收激光器能量控制单元反馈信号后，通过能量驱动控制单元对所述目标激光器的种子源及能量放大装置进行驱动控制；光路转向单元将经由激光器能量控制单元发送并输出的激光能量转化为光信号后，分别反射至激光能量自校正单元及光路传输单元；光路传输单元根据获取的光信号生成用于表征目标激光器输出激光能量强度的i/o高低电平信号，并反馈至所述系统控制单元，以实现对目标激光器光斑形状的调节校正；激光能量自校正单元将采集到光信号转换为电压信号后反馈至所述系统控制单元，以设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，对经由光路转向单元发送并输出的光信号的进行动态校正，实现目标激光器光斑形状的自适应调节校正。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：1、为解决现有技术方案是开环控制系统，当能量发生偏移时，设备无法侦测和自行修正，操作者在无意识的情况下，可能给患者造成灼伤或过度治疗，引发严重的并发症或医疗事故的问题，本发明采用输出能量闭环反馈控制系统设计，设备每次从待机转换到就绪之前，都启动输出能量检查，而当侦测到能量发生偏移时，立即启动能量自修正机制进行自我修正，使得本发明具备输出能量更加稳定，治疗过程更加安全，避免给患者造成非预期的伤害发生的优点；2、为解决现有技术方案的光斑调节需在洁净的环境中拆壳校正，处理过程麻烦、校正过程繁琐、设备销售到客户端后，售后维护十分不便的问题，本发明通过增加复杂的检测和调节结构，实现了设备在普通环境下、无需拆壳，只需操作人机交互界面，简单的几步
就可完成光斑调节，保证了输出光斑的质量，从而有效降低售后维护成本和减少因设备返厂维护给客户造成的误工成本。
附图说明
16.参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制，在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：图1为现有技术中激光治疗仪的结构框图；图2本发明一实施例中所提出的具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的原理框图；图3本发明一实施例中所提出的具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的能量自校正功能实现框图；图4本发明一实施例中所提出的具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的能量自校正控制流程示意图；图5本发明一实施例中所提出的具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统的光斑自校正功能实现框图；图6本发明一实施例中所提出的具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统检测到的光斑形状及侦测信号示意图；图7本发明一实施例中所提出的目标激光器进行光斑自校正功能流程的示意图。
具体实施方式
17.容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
18.以下结合附图对本发明作近一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
19.作为对本发明技术构思以及实现原理的理解，现有技术中，应用于医疗行业的mopa结构的固体激光器无输出能量自校正功能、无输出光斑自修正功能、无法通过人机交互界面实现方案快速设定功能以及无使用授权控制功能。
20.为此，为实现上述技术构思，以及解决现有的技术方案缺陷。
21.如图1-7所示，作为本发明的一实施例，提出具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制系统，包括：激光器能量控制单元，对获取的种子源入射激光进行多级放大，得到在当前光照强度节点下种子源入射激光输出的能量偏差值；并根据获取的能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压进行动态修正，以对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量。
22.为解决现有技术中，激光器中各部分受温度，湿度，振动等外部因素影响，存在工作不稳定的情况，现有技术对激光器的能量无法做到实时监测，激光器的输出能量存在能量波动的问题，本发明提出激光器能量控制单元的能量实时监控的方式，当激光器中某一处光电探头监测到能量降低，并将能量信号传送给激光器能量控制单元的能量控制系统
时，能量控制系统可实时调整参数，极大降低激光器的能量波动，提高输出能量稳定性；同时，为解决现有技术中，激光器长期高强度工作，内部的器件出现性能衰减，如果没有专业人员进行人工校准和调试，会导致激光器输出能量降低，无法达到激光器标定的性能指标的问题，本发明提出构建激光器能量控制单元的能量检测和能量控制系统的方式，在发现激光能量降低，使用效果不好时，可以运行自校正程序，将当前激光器的能量输出特性与出厂时保存的输出特性进行比对、校准，保证激光器可以按标定的参数输出能量。
23.本发明还包括系统控制单元，基于接收的激光器能量控制单元反馈信号，通过能量驱动控制单元对目标激光器的种子源及能量放大装置进行驱动控制；需要说明的是，能量放大装置包括氙灯和nd:yag晶体棒，其中，能量放大装置采用单个氙灯双nd:yag晶体棒结构时，nd:yag晶体棒平行排列于氙灯两侧，并置于统一腔体内；能量放大装置采用单个氙灯单个nd:yag晶体棒结构，nd:yag晶体棒与氙灯平行排列，并置于统一腔体内；光路转向单元，将经由激光器能量控制单元发送并输出的激光能量转化为光信号后，分别反射至激光能量自校正单元及光路传输单元；其中，光路传输单元，根据获取的光信号生成用于表征目标激光器输出激光能量强度的i/o高低电平信号，并反馈至系统控制单元，以实现对目标激光器光斑形状的调节校正。
24.基于上述技术构思，需要说明的是，光路传输单元连接有激光手柄光斑检测单元，激光手柄光斑检测单元包括光斑检测单元、光电信号处理电路、激光手柄，具体实施时，在激光器前部调试端口的光路反光镜片处，放置x轴和y轴调节丝杆电机，电机安装在目标激光器的前部调试端口用于调节控制激光手柄，在激光手柄中放置光斑检测模块（光斑检测单元），光斑检测单元由8个光敏电阻（间隔45
°
围绕成直径14mm的圆形）、光电信号处理电路组成。系统输出激光的过程中进行光斑质量检测。在激光输出时入射到激光手柄中的激光光斑直径稍大于14mm，光斑质量良好的情况下，8个光敏电阻均能检测到光信号；相应的光电转换电路中光信号检测回路的电平由高变低，系统控制单元mcu的对应io引脚电平由1变0，则无需进行光斑自校正。此时，偏移的光斑将仅有一部分光敏电阻能够侦测到光信号。则没有侦测到光信号的光敏电阻对应的光电转换电路保持高电平，系统控制单元mcu的对应引脚电平保持为1。mcu根据侦测到的io引脚电平信号，决定是否启动光斑自校正功能以及自校正策略分析。mcu确定自校正策略之后，根据坐标位置值相应的调节激光器前部的x轴和y轴调节丝杆电机的转向，从而调节丝杆的伸出长度。可以理解的是，丝杆的伸出长度不同相应的挤压光路反光镜片的角度不同，即可相应的实现光斑质量的调节功能。如图６所示，外围虚线大圆为10mm光斑设定尺寸值范围，中间椭圆实线部分为实测光斑尺寸值范围，图中０表示，光敏电阻在虚线范围与实线不重合部分的返回值，１表示光敏电阻在虚线范围与实线重合部分的返回值。
25.基于上述技术构思，需要说明的是，系统控制单元的mcu电路根据光电信号处理电路反馈的坐标位置值信号实现对目标激光器光斑形状的调节的具体实施方式为：首先，基于光斑检测单元分别获取目标激光器在输出光斑状态时与设定的标准光斑状态时x轴方向、y轴方向上的偏差，（图6中虚线圆为设定的标准光斑，即直径为10mm的圆形，实线椭圆为可能的光斑轮廓。当在实线椭圆内部侦测到信号0，且在虚线圆和实线椭圆之间区域侦测到信号1时，此时的侦测值为二进制的0b11011101，即为十六进制0xdd）。此时输出光斑和设定的标准光斑相比，在x轴方向是一致的，后续无需调节；但在y轴方向偏差较
大，需要进行调节；如果以设定的标准光斑的中心为坐标圆点画坐标轴，则x轴控制电机安装位置对应的在x轴的负极，y轴控制电机安装位置对应的在y轴的正极；其次，对光斑检测单元中的光敏电阻按照顺时针方向进行从高到低的二进制编码，再转换为十六进制的编码值0xdd；再次，系统控制单元的mcu电路根据获取的编码值查询预先存储在内存中的控制策略表，进行控制策略选择：编码值0xdd查得的控制策略为dn=[d
x
,t
x
][dy,ty]，（d
x
表示x轴电机旋转方向，若d
x
为正值，则表示x轴电机正转，若d
x
为负值，则表示x轴电机反转，t
x
表示x轴电机旋转时间，单位为ms；dy表示y轴电机旋转方向，ty表示y轴电机旋转时间，若dy为正值，则表示y轴电机正转，若dy为负值，则表示y轴电机反转单位为ms）。
[0026]
在本发明的一实施例中，可以理解的是，基于编码值0xdd查得的控制策略，编码值0xdd查得的控制策略为d
10
=[0,0][-1,3]，此时，d
10
表示控制策略10，[0,0]表示x轴电机控制策略值，0表示x轴电机不转，0表示x轴电机旋转时间为0ms；[-1,3]表示y轴电机控制策略值，-1表示y轴电机反转，3表示y轴电机旋转时间为30ms；则，该编码0xdd对应的控制策略为x轴电机保持不变，y轴电机反方向旋转30ms；此时，y轴电机反方向旋转时将把反光镜沿x轴顺时针转动30
º
左右；最后，使实际输出光斑和设定的标准光斑范围重合，完成对目标激光器光斑形状。
[0027]
基于上述技术构思，需要说明的是，x轴电机的旋转角速度需要设定为0.6
º
/ms，y轴电机的旋转角速度需要设定为0.6
º
/ms，以通过电机旋转时间确定其调整的角度。
[0028]
本发明还包括激光能量自校正单元，将采集到光信号转换为电压信号后反馈至系统控制单元，以设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，对经由光路转向单元发送并输出的光信号的进行动态校正，实现目标激光器光斑形状的自适应调节校正。
[0029]
基于上述技术构思，可以理解的是，激光能量自校正单元包括：与光路传输单元连接的线性光电传感器；输出端与线性光电传感器连接的采样转换电路单元；输出端与采样转换电路单元连接的ad采样电路单元；其中，激光能量自校正单元设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，实现目标激光器光斑形状的自适应调节校正的具体实施方式为：首先，基于系统控制单元设定qset预设值（预设电压反馈值），线性光电传感器将采集到光信号转换为脉冲电信号，系统控制单元中mcu电路通过dpulse=k
×
qset b或根据qset预设值进行查表，确定目标激光器输出激光能量脉冲电信号的占空比dpulse；其次，采样转换电路将光电传感器转换后的脉冲电信号dpulse进行滤波、累积放大处理，并转换为电压信号uset；再次，电压信号uset驱动目标激光器内部氙灯，根据不同的电压值控制其亮度qlamp=uset2/r
×
t，其中，r为氙灯内阻，t为施加在氙灯上的放大电压脉冲时间；得到目标激光器内部氙灯输出能量qlamp，并将其经nd:yag晶体棒过滤和放大后，得到输出能量值qout=k1
×
qlamp b1；最后，系统控制单元中mcu电路将经nd:yag晶体棒过滤和放大后得到的输出能量值qout与系统控制单元设定的qset电压反馈值进行比较：qδ=|qout-qset|/qset
×
100%，若，qδ》10%，则系统控制单元启动能量自校正功能，按比例减小能量设置脉冲电信号的脉冲宽度，将循环校正后，使采样值与反馈值的差优于10%；反之
若，qδ≤10%，则，系统控制单元不进入能量自校正功能，输出激光无需校正。
[0030]
可以理解的是，为解决现有技术方案是开环控制系统，当能量发生偏移时，设备无法侦测和自行修正，操作者在无意识的情况下，可能给患者造成灼伤或过度治疗，引发严重的并发症或医疗事故的问题，本发明采用输出能量闭环反馈控制系统设计，设备每次从待机转换到就绪之前，都启动输出能量检查，而当侦测到能量发生偏移时，立即启动能量自修正机制进行自我修正，使得本发明具备输出能量更加稳定，治疗过程更加安全，避免给患者造成非预期的伤害发生的优点。
[0031]
在本发明的一实施例中，本发明还包括与系统控制单元连接的人机交互模块，用于通过人机交互模块接收使用者的存入模式选择，其中，存入模式包括系统输出能量值模式、输出频率模式、设定激光波长模式以及脉冲模式。
[0032]
可以理解的是，通过人机界面中的方案设定功能将控制参数指令通过通讯线下发到系统控制单元的mcu单元中，mcu接收到控制参数指令后调节系统输出能量值、输出频率、设定激光波长和脉冲模式，同时下发调节光斑形状指令到激光手柄的控制单元，激光手柄的控制单元则根据设定值控制电机旋转，调节光斑尺寸到合适的位置，通过限位开关以及位置传感器信号，判断当前位置是否和设定值一致。通过以上操作即可实现治疗方案的快速设定。
[0033]
作为本发明的第二方面，提出具有能量校正及光斑调节功能的激光器控制方法，包括以下步骤：基于激光器能量控制单元，对获取的种子源入射激光进行多级放大，得到在当前光照强度节点下种子源入射激光输出的能量偏差值；并根据获取的能量偏差值对目标激光器内的泵浦源放电电压进行动态修正，以对目标激光器进行能量调节，得到稳定的输出激光能量；系统控制单元接收激光器能量控制单元反馈信号后，通过能量驱动控制单元对目标激光器的种子源及能量放大装置进行驱动控制；光路转向单元将经由激光器能量控制单元发送并输出的激光能量转化为光信号后，分别反射至激光能量自校正单元及光路传输单元；光路传输单元根据获取的光信号生成用于表征目标激光器输出激光能量强度的i/o高低电平信号，并反馈至系统控制单元，以实现对目标激光器光斑形状的调节校正；激光能量自校正单元将采集到光信号转换为电压信号后反馈至系统控制单元，以设置目标激光器输出激光能量的脉冲宽度，对经由光路转向单元发送并输出的光信号的进行动态校正，实现目标激光器光斑形状的自适应调节校正。
[0034]
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。