（物理电子学专业论文）红宝石激光治疗机智能化与电磁兼容技术研究.pdf

摘要 在当前的国际激光治疗机市场中，多波长、多脉宽组合的激光治疗机是一个 重要的发展方向。目前，具备长脉冲( 2 m s ) 和调q 巨脉冲输出功能的t d 9 8 医用红宝石激光治疗机已经在色素性皮肤疾病治疗、去除毛发等方面得到了广泛 应用。由于近年来最新的医学研究成果表明，紫外波段激光在治疗银屑病、白癜 风等疑难病症方面有着广阔的应用前景，使得倍频红宝石激光成为了红宝石激光 应用的重要潜在方向，这对红宝石激光治疗机设计的可扩展性和多功能输出条件 下的稳定性提出了新的要求。 目前，国内的医用红宝石激光治疗机均采用传统的数码管( l e d ) 显示和按 键输入式控制系统，控制面板的内容单一且无法扩展。为适应多功能的红宝石激 光治疗机的设计要求和国际高端医疗仪器的发展趋势，研制了新型的液晶显示 ( l c d ) 与触摸屏控制系统。 在医用红宝石激光治疗机中，由于红宝石激光治疗机的脉冲激光电源具有工 作电压高( 1 5 1 8 k v ) ，放电脉冲电流强度大( 上千安培) ；大功率i g b t 开关 电源对交流电网的污染程度严重等特点。这给研制液晶显示与触摸屏微机系统控 制的红宝石激光治疗机带来了很大困难，国际上也只有德国a e s c u l a pm e d i t e c 公 司有类似机型。因此，研究并解决红宝石激光治疗机中的电磁干扰问题就成为该 课题的的重点。论文的主要工作如下： 1 ) 研制医用红宝石激光治疗机的彩色液晶显示( l c d ) 和触摸屏控制电路， 代替原有的数码管( l e d ) 显示和按键式输入方案。设计稳定、高效、适 合红宝石激光治疗机工作过程控制的软件系统，提高了整机的人机交互性 和可扩展性。 2 ) 应用电磁兼容( e m c ) 科学这一新兴学科的相关理论和数学分析方法， 建立了红宝石激光治疗机中主要电磁骚扰噪声产生过程的电路模型；通过 对红宝石激光治疗机大功率i g b t 开关电源的动态检测和分析，针对电磁 骚扰噪声的产生机制、噪声性质与传输规律，提出了电磁兼容的技术措施， 成功地解决了红宝石激光治疗机系统中的电磁干扰问题。保证了治疗机在 多功能输出条件下的稳定可靠运行。 3 ) 实现了治疗机既可输出长脉冲激光( 脉宽4 m s ，脉冲能量约1 0 j ) ，又可输 出调q 巨脉冲激光的功能，经检测证明该系统工作稳定，输出激光脉冲 参数均达到设计要求。 关键词：红宝石激光治疗机液晶显示( l c d ) 与触摸屏控制系统 电磁干扰( e m i )电磁兼容( e m c ) 长脉冲红宝石激光调q 巨脉冲激光 a b s t r a c t i nt h ei n t e r n a t i o n a lr a n g ，t h em e d i c a ll a s e rw i t hm u l t i w a v e l e n g t ha n d m u l t i p u l s e w i d t hw i l lb ep o p u l a r l yu s e di nt h ef u t u r ey e a r sn o wt h et d 一9 8r u b yl a s e rs y s t e m ， w i t ht h eo u t p u to fe s w i t c h e dr u b yl a s e ra n dl o n gp u l s e d ( d u r a t i o n ：2 m s ) ，h a sb e e n s u c c e s s f u l l y u s e di nt h et r e a t m e n to fn e v u s ，t a t t o o sa n d p i g m e n t e dl e s i o n s ，a n d r e m o v i n go f u n w a n t e dh a i r r e c e n t l y t h e1 a t e s tm e d i c a lr e s e a r c hh a ss h o w e dt h a tt h e u v ( u l t r av i o l e t ) l a s e rc a nb ew i d e l ya p p l i e di nt h et r e a t m e n to fp s o r i a s i sa n dv i t i l i g o i tm a k e st h ed o u b l ef r e q u e n c yr u b yl a s e r ( 3 4 7 n m ) a ni m p o r t a n tp o t e n t i a lp r o d u c ti n t h ef u t u r ea n da s k sf o ran e wm e d i c a ll a s e rs y s t e mw i t hb e t t e re x p a n s i b i l i t y , a n d r e l i a b i l i t yi nt h es t a t eo f m u l t i f u n c t i o n t o c o m p o s e t h em u l t i - f u n c t i o n a ll a s e r s y s t e m ，t h e c o l o r l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ( l c d ) a n dt o u c h s c r e e nc o n t r o lu n i ti sd e s i g n e df i r s t l y i nt h ew o r k i n gp r o c e s s o ft h er u b yl a s e rs y s t e m ，i t si g b ts w i t c h m o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) ，w h i c hi sa p a r t o ft h el a s e r p u m p i n gp o w e rs u p p l y ( l p p s ) ，g e n e r a t e sg r e a te l e c t r o m a g n e t i c d i s t u r b a n c e sa n dc a u s et h es e r i o u se l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei nc o n t r o lu n i t t og e t am u l t i f u n c t i o n a lr u b yl a s e rs y s t e mw i t hr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y , t h ea n a l y s i sa n d t e c h n i c a lm e t h o d sm u s tb et a k e nf o rs o l v i n gt h e s e e m ip r o b l e m s t h em a i nw o r ki nt h i sp r o j e c ti n c l u d e s ： ( 1 ) d e s i g nt h ei n t e r f a c ea n dc i r c u i t s o ft h el c da n dt o u c h s c r e e nc o n t r o lu n i t ，a n d a c c o m p l i s h t h ep r o g r a m m i n go fs o f t w a r es y s t e m ( 2 ) b yt h et h e o r e t i c a l l ya n a l y s e sa n dm a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o n ，t h e e l e c t r i cm o d e l d u r i n gt h eg e n e r a t i o no f t h ee l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e si se s t a b l i s h e d a f t e rt h e d y n a m i c t e s ta n da n a l y s i sf o rt h eh i g hp o w e ri g b ts m p si nm e d i c a lr u b yl a s e r s y s t e m ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) t e c h n i q u e sa r et a k e na n dt h e e m i p r o b l e m s a r er e s o l v e ds u c c e s s f u l l y ( 3 ) t h em u l t i f u n c t i o n a lr u b yl a s e rs y s t e mw i t ho u t p u to fl o n gp u l s e d ( d u r a t i o n ：4 m s ) a n de s w i t c h e dr u b yl a s e ra r ea c c o m p l i s h e d a n dt h i sm e d i c a lr u b yl a s e rs y s t e m c a nw o r k r e l i a b l y k e d v o r d s ： m e d i c a lr u b yl a s e rs y s t e m e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) l o n g p u l s e dr u b yl a s e r l c da n dt o u c h s c r e e nc o n t r o lu n i t e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) e s w i t c h e dr u b yl a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字同期：2 d d 3 年月0 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名滠睫强 导师签名：、一寸：乡幺 签字同期：2 鹏年f 月驴同 签字同期：呻；年，月，一同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 从1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器研制成功至今，激光以其亮度高、方 向性好、单色性好、相干性好等特有的光学特性，在应用光学领域引起了革命性 的变革，并很快在国民经济的各个领域得到了广泛应用。激光医学一直是应用激 光技术中应用发展极为迅速的一个方向。1 9 6 1 年红宝石激光视网膜凝固机就在 眼科治疗中得到了首次应用。到目前为止，临床上使用的激光医疗设备已有几十 个品种，包括了紫外可见光红外的各种波长，及连续、脉冲、巨脉冲等 各种输出方式；激光医疗所涉及的范围包括了临床的各个科室，治疗的病种达数 百种，对有些疾病，激光治疗己被列入首选方法。 我国的激光技术基本上是和国外先进国家同步发展的，1 9 6 1 年我国第一台红 宝石激光器研制成功，到7 0 年代中期，我国的激光技术人员与医务人员相结合， 研制出多种激光医疗设备，进行过一些有价值的激光医学基础和临床研究，有过 较快的发展。 近年来，我国的激光医疗市场处于低谷，“高端产品市场几乎全被国外产品 占领，但天津大学丌发的t d 9 8 型q 开关红宝石激光治疗机以质量取胜，通过 了美国f d a 认证并批量出口。”( 引自中国工程院院士范滇元中国激光技术发 展回顾与展望，中国科学院( ( 2 0 0 0 高技术发展报告) t d 一9 8 型q 开关红宝石激光治疗机是我室自行丌发的医用激光治疗机产品， 在国内保持领先水平，并与国际同类产品在主要技术指标上保持商水平的竞争 力。 为了适应国际上激光医疗产品的发展趋势，进一步提高产品的性能和质量， 提高市场竞争力，拟开发出高性能、新类型的红宝石激光治疗机系统。 1 2 红宝石激光的医学应用 激光在医疗中所起的作用是一个复杂的物理、化学及生物过程，由于波长、 能量、作用方式的不同，而对病变组织产生各种不同的效应【l i ： l 、激光的热效应。利用高能量激光被组织吸收后产生高热，根据激光的波 长、能量大小、作用方式、作用时间的不同，产生不同的热效应，瞬帕 可达几十 度到几百度，使病变组织凝固、汽化、炭化，是目前激光医疗的主要应用方面。 2 、激光的非热致汽化效应。紫外波段激光的高光子能量，可以打破生物分 第一章绪论 子的化学键导致组织的汽化，或短脉冲激光产生的冲击波，可以将病变组织击碎。 以上两种作用主要不是热效应，基本没有热积累和对周围组织的损伤，适合进行 一些精细手术。 3 、激光的光化学效应。细胞或组织内含有的内源性或外源性光敏物质，经 适当波长的激光辐照后，产生特定波长的荧光或细胞毒素，前者可作为恶性肿瘤 的定位渗断，后者可作为恶性肿瘤的治疗，这种方法称为光动力学疗法，可以单 独使用，也可与激光汽化、手术、放疗、化疗等方法合并使用。 4 、激光的生物刺激效应。低强度激光经大量实验及临床研究证明，可以调 节机体的神经传递、免疫、代谢、酶的活性、组织修复等多种功能，低强度激光 辐照后通过改善上述功能以治疗疾病。 1 2 1 调q 红宝石激光在色素性疾病治疗中的应用 1 9 8 3 年，美国医生a n d e r s o n 和p a r r i s h 发表了“选择性光热解作用”的理论， 激光医学的研究方向开始转向用不同波长和脉冲宽度的激光治疗各种皮肤病，激 光在皮肤病治疗中的应用得到很快发展。 激光能量有选择地被某些特定组织成分吸收，并通过热效应所产生的热量将 这一类特定的组织成分破坏，即选择性光热解作用。 为实现选择性光热解作用，必须满足三个条件f 3 】_ 第一，激光能作用到目标 组织并充分地被目标组织吸收，而周围其他组织不吸收或吸收很少，因此周围其 他组织不会产生热，而只在吸收光的部位产生热效应。 第二，激光脉冲宽度要低于目标组织的热弛豫时间。组织热弛豫时间的定义 是：受热的组织通过热扩散将其自身的热量降低5 0 所需的时间。激光脉冲的作 用时间小于组织的热弛豫时间时，组织受到的热损伤最小钔。 第三，激光的能量密度或功率密度能够使目标组织达到足以使其破坏的温 度。 当满足上述条件时，高 功率的激光脉冲被病变组织 选择性吸收，在脉冲作用时 间内热量来不及扩散到周围 组织中，病灶组织被热解消 除的同时，健康组织不会遭 到破坏。 从生物组织及色素对激 光的吸收曲线( 如图l _ 1 所 图1 1 皮肤对光波的吸收曲线 2 第一章绪论 示) 可以看出，生物组织和各种色素对不同波长激光的吸收不同，人体内的血红 蛋白等其它成分对红宝石激光( 波长6 9 4 3 n m ) 基本不吸收，而能被黑色素强吸 收。 由于色素细胞或染料颗粒体积较小， 图1 2 激光脉冲的峰值功率 热驰豫时间小，因此治疗色素病损时， 多选择调q 激光。 调0 红宝石激光脉冲能 量能够光热解病损组织，同 时脉冲宽度通常在2 0 n s 至 5 0 n s 之问( 如图1 2 所示) ， 且低于色素组织或外源性染 料颗粒的热驰豫时间，因此 不会对周围组织造成热损 伤。治疗过程为：黑色素吸 收激光能量，激光的热效应 使色素组织和周围组织形成巨大温差，部分气化的色素组织在细胞内产生微型爆 炸，爆炸造成的巨大压强形成激光二次压强作用于色素组织，使色素颗粒粉碎， 破碎的色素颗粒由吞噬细胞吞噬逐渐清除，或在几周内从皮肤表面缓慢脱落。整 个过程如图1 3 所示。 】j 自疗机所产生的调q 脉冲澈光2 高能量激光脉冲击碎焉色素块 3 人体自身免疫系统吸收已击 4 诚疗法不掼伤寰皮椰皮肤中的其 披皮肤中的黑色素块选择吸收碎的色素颗粒他组织理论上午会产生疤瘤。 图l - 3 调q 红宝石激光脉冲治疗色素性疾病的过程 1 2 2 长脉冲激光在去毛中的应用 1 9 8 7 年法国学者m a l t h i e u 等”】于艮道了用氩离子激光对眼睫毛动物模型进行热 消融的研究结果。激光真正用于临床脱毛则是近几年的事，1 9 9 7 年，l a s k 等扣j 和f i n k e l 等【7 1 分别报道了他们使用长脉冲红宝石激光( 波长：6 9 4 n m 脉冲宽度： 1 2 m s ；能量密度：1 0 。4 0 j c m 2 重复率：1 ，2 h z ) 及长脉冲翠绿宝石激光( 波长： 7 5 5 n m ；脉冲宽度：2 m s ；能量密度：2 5 4 0 j c m 2 重复率：5 h z ) 进行的临床脱 毛治疗，取得了较好的疗效。 第一章绪论 一般认为，激光脱毛的机制与激光的选择性热动力原理相关。在应用长脉冲 激光进行脱毛治疗的过程中，特定波长的激光能量能够选择性地被富含黑色素的 毛囊吸收，其具有的长脉冲特性又使激光能量透过小结构组织而被大结构的毛囊 吸收。因此，长脉冲激光能够选择性地破坏皮肤中富含黑色素且结构庞大的毛囊， 而不破坏其他皮肤组织，达到有效脱毛且没有副作用。激光去毛的热效应主要为 光致凝固效应，激光辐射时间越长，毛囊的破坏程度越高。由于毛囊的热驰豫时 间较长，一般为4 0 9 0 m s 【8 j ，选用长脉冲红宝石激光( 脉冲宽度0 5 m s 2 0 m s ) 去毛，不会损伤毛囊周围组织。 表1 1不同波长微光对皮肤的穿透深度 激光波长( pm ) 穿透深度 穿透层次 红宝石0 6 9 41 2 r a m 真皮层 n d ：y a g1 0 6 41 6 m m 真皮层 染料( r 6 g )0 5 8 50 ，6 m m棘细胞层 k t pn d ：y a go 5 3 2 0 ，4 r a m棘细胞层 氩离子 o5 1 40 3 r a m 棘细胞层 c 0 2 1 0 60 0 2 m m 浅表层 饵2 9 40 0 0 l m m浅表层 注a ：穿透深度定义为：组织体中光强i 减少至入射到组织表面的光强厶的1 e 2 时光传 输的距离( 从组织表面算起) 。 皮肤组织对不同波长的激光吸收不同，不同波长的激光穿透皮肤组织的深度 也不同。从表l _ l 9 】可以看出，红宝石激光在皮肤中有较强的穿透力，能够深入 真皮或皮下，因此能够有效治愈深层色素病损和破坏毛囊达到去毛的治疗目的。 1 23 紫外u v a 激光的医学应用前景 一般将紫外波段分为三段，如图1 - 4 所 示： u v c ( u l t r a v i o l e tl i g h tc ，波长 18 5 2 8 0 n m ) ，u v b ( u l t r a v i o l e tl i g h tb ，波 长2 8 0 3 2 0n n l ) ，u v a ( u l t r a v i o l e tl i g h ta ， 波长3 2 0 4 0 0 n m ) 。u v a 波段又可分为：u v a l ( 3 4 0 - 4 0 0n m ) 和u v a 2 ( 3 2 0 3 4 0n m ) 两个波 段。 在当前紫外激光的医疗应用中，已经证 图1 _ 4 紫外光谱图 4 第一章绪论 明了，u v b 和u v a 在银屑病( 俗称“牛皮癣”) 的治疗有明显的疗效。其中， 轻微和中度患者适合使用u v b 激光治疗，而且使用脉冲染料激光和3 0 8n m 准 分子激光治疗的方法已经分别在1 9 9 6 年和2 0 0 0 年得到了美国f d a ( f o o da n d d r u ga d m i n i s t r a t i o n ：( 美国) 食品及药物管理局) 生产许可【l 。对于症状较为 严重的患者，则要使用u v a 进行治疗，并需要同时使用补骨脂素( p s o r a l e n ) ，这 一疗法称为p u v a ( p s o r a l e n p l u s u l t r a v i o l e t l i g h t a ) 疗法j 。 在针对白癜风病人的激光医学实验中，相关医学实验也已经证明，u v a 特别 是高功率密度( 1 0 j c m 2 以上) 的u v a 在白癜风疾病的治疗中有明显效果i 】。在 目前皮肤激光医学的其它方面，u v a 激光，特别是u v a l ( 3 4 0 - 4 0 0n m ) 波段的病 理和实验研究也是一个热点问题。由于u v a 一1 在人体皮肤中的穿透深度比 u v a 2 和u v b 更深，可以到达真皮层和血管，被认为是治疗一些疑难病症的很 有前景的方法。已经证明了，高剂量的u v a 1 除在急性的遗传过敏性皮炎治疗 中有效外，还在皮肤的t 细胞淋巴瘤、肛l 疹色点和局部皮肤硬化等疾病方面有 疗效。 1 2 4 红宝石激光的能级特性 红宝石是掺有少量c r “离子的卅l q 单晶，c r “离子是激活介质，其能级结 构图1 5 所示。 由于红宝石为三能级系统，其激光跃迁发生于激光亚稳态能级e 2 和基态e 1 之间，激光产生的效率低【2 1 。这就决定了红宝石激光器激光电源一般要求的储能 较大( 在1 5 0 0 j 以上) ，要求大功率开关电源的输出功率高( 平均功率约2 k w ) ， 激光电源工作时对交流电网的影响严重。 幽卜5 红宝_ i 激光”f 作物质的简化能级圈 第一章绪论 1 3 设计目标 目前国际上的长脉冲红宝石激光治疗机机型中，德国a e s c u l a pm e d i t e c 公司 的产品r u b y s t a r 已经从2 m s 增加到4 m s 的脉宽。最近美国c o h e r e n t 公司公布的 激光去毛医学研究也表明【l “，应用于去毛的长脉冲激光脉冲宽度可以在 o 5 m s 1 0 0 m s ，甚至更长，具体的不同肤色的人群也有差别。因此，加大长脉冲 红宝石激光的脉冲宽度并针对不同患者选择合适的脉冲参数是一个重要的研究 方向。 最新研究表明，紫外u v a 在治疗银屑病、白癜风、及其它疑难病症方面有 着广泛的应用前景。通过对红宝石激光( 6 9 4 n m ) 的倍频实现3 4 7 n m 的紫外u v a 激光输出，是红宝石激光治疗机很有价值的潜在应用方向。因此，在红宝石激光 治疗机的设计中也要充分考虑扩展新功能的需要，以及红宝石激光治疗机在多功 能输出条件下的最佳输出和稳定可靠性问题。 在探索新机型红宝石激光治疗机的方案过程中，研究了相关技术并进行了相 关产品的开发，主要完成了以下工作： 1 )研制成功了新的液晶( l c d ) 显示与触摸屏控制系统，以代替传统的 按键开关与数码管( l e d ) 显示方式，给多功能红宝石激光治疗机提 供了高性能并具有良好可扩展性的微机控制系统。 2 1应用电磁兼容( e m c ) ( 附注1 。1 ) 科学的理论和方法，研究和分析了 红宝石激光治疗机中电磁骚扰( 附注1 2 ) 噪声的产生机制、噪声性质 与传输规律，提出了针对医用红宝石激光治疗机的电磁兼容技术措施， 解决了红宝石激光治疗机中存在的电磁干扰( 附注1 3 ) 问题。 3 )采用国际通用的激光输出过程保护措施，增加光闸安全保护功能。 4 )在研制液晶( l c d ) 显示与触摸屏控制系统的基础上，设计了激光输 出能量检测与显示的技术方案。 5 )实现长脉冲激光( 脉宽4 m s ，重复频率o 5 h z ，脉冲能量1 0 j ) 的稳 定输出。 6 )实现调q 巨脉冲激光( 脉宽3 0 n s ，重复频率1 h z ，脉冲能量1 j ) 的稳 定输出。 名词解释： 附注1 - 1 ：r g i 兹兼容( e m c e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) ：设备( 分系统、系统) 在共同的 电磁环境中能一起执行各白功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其 6 第一章绪论 德醛器的电磁发射导致缓遭受不允诲煞疼缀； 辩注 w 2 ：电磁骚裁fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e ) ：沌辙骚貔是拯程侮可能引越装驻、疆蚕 或系统性能降低，或者对有生命溅光擞命物质产生损害作用的电磁现象。它媳种客观存在 的物理骢敷。 辫凌 一3 ：海醛手挠缳糙j ：e l e c t r o m a g t l e t i ci n t e r f e r e n c e ) ：魄避手挠憝攒壶奄磁骚扰$ 越麴瀣 蚕、篱辕避邋鼓系装瞧蘸豹一f 醛。它跫鑫宅避骚撬 l 慈翁嚣粟。i 增 ， 笫二章液晶显示与触摸屏羧制系统设计 第纛蠢滚器鼗器毒触摸瀑攘黼系绫设计 2 1 滚鹣显示与触摸瓣控制系统的伏越i 矬 2 。1 缀塞石激光治疗枕静系统结构 落掰巍瀣石激光法疗秘的结搦鳃图2 - i 黔示，浅徽瓿羟铺系统、大功率脉冲 激光电源、魄光晶体驱动墩源、控激循环冷却纂绞、激光谴掇腔、屯关节露光臂 输爨等鄢分组或。 m 红斗 巫堕 趣 l m 3 一乳 、 0 m 2 k d p m 4 澈爱瓣凑 圈2 1 医用短宝石激光治疗机乔意图 躅中m i ，m 2 ，m 5 和m 6 为转向反射键 p 为针礼靶；m 3 ，m 4 为激光谐振腔威射镜 装熏爨疆标与参数螽裘2 1 掰零，嚣蠢雩给魄撼黧a e s e u l a pm e d i t e c 公霹瓣同 类产潞r u b y s t a r 经塞夏激炎渣疗瓠懿鼓拳掇标与参数【瑚。 表2 。1t d 一9 8 嚣! 医用缸宝石激光治疗机的指标与擞术参数 嚣餍旺宝石激光游疗桃瀚工 乍过程出徽槐靛镪系统控制，在红燮石激光滁疗 t d - 9 8 型跹寰石激光浚移辊r u b y s t a r 激搬势嶷i b c 褥准4 毂激光产蒜i b c 捻礁4 缀激党产赫 波书 6 9 4 。3 r i m6 9 4 3 n m 蕊摸脒冲宽度 4 m s 2 m s 诵模式赫诤竟建 2 s3 0 n s2 0 n s 箍模脉冲能量 10 i ( 最夫值)10 j ( 最大值) 调q 攘斌脉冲能羹l j 最大傻 1 3 ( 最大馕) 躲渖麓簸鬻苹次或t l l z 荤旋焱 k z 撬逡嚣懿过程中，大功搴黥狰激毙惫源点爨熬渖糕灯，豫狰氛灯对激巍谗暇靛痰 韵红窳石工作镪覆谶行泵漓，链工佟物质内产生能级跃迁，实现粒子数葳转。当 寒 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 激光腔内的增益大于腔内损耗时，就会有激光在激光谐振腔( 图2 - 1 中m 3 ，m 4 为激光谐振腔反射镜，中间为红宝石工作物质) 中产生，然后经七关节导光臂输 出。 2 1 2 红宝石激光治疗机的控制系统 在以前采用的单片微机控制系统中。采用了按键式控制和数码管( l e d ) 显 示的方式( 如图2 2 所示) ，控制面板显示 的信息量少。当控制面板的功能、外观等 要做改动时，也有硬件的二次开发周期 长、成本商的缺点，不利于红宝石激光治 疗机系统的进一步升级与新功能的增加。 在新开发的液晶显示( l c d ) 与触摸 图2 2 数码管显示与按键式控制面板 屏微机控制系统中，操作页面使用彩色 t f t 液晶屏( l c d ) 显示( 显示界面如图2 3 所示) ，使用触摸屏方式输入，人 机交互性更好。页面显示的内容可以根据需要任意切换，提示内容丰富，输入时 ( a ) 操作语言选择页面 q - s w i t c h e dm o d e ( b ) 工作方式选择页面 l o n gp u l s em o d e ( c ) 调q 方式t 作员面( d ) 长脉冲方式工作页面 幽2 - 3 液品显示与触摸屏控制系统的操作页面 直接用手指在屏幕上点选要选择的功能，输入方式自然1 7 。当需要对液晶显示 9 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 与触摸屏微机控制系统进行新功能扩展时，只需软件方面的改动就可以实现屏幕 显示内容的更新。由于控制系统通过触摸屏方式输八，可以认为输入接口数目没 有限制，因此便于控制系统扩展新功能，并大量节约二次开发的时间和费用。液 晶显示与触摸屏微机控制系统便于扩展和更新的特点，使我们可以较容易的改变 治疗机系统的运行参数、运行方式和电气设备控制功能等，为新的多功能医用组 宝石激光治疗机系统的丌发提供了必要准备。 由于红宝石激光治疗机中的i g b t ( 绝缘栅门极双极晶体管) 开关电源平均 功率近2 k w ，开关频率1 0 k h z ，在工作过程中会产生很高的电流变化率d i d t 利 电压变化率d v i d t 并引起强大的电磁骚扰发射，严重污染交流电网和周围电磁环 境。同时，控制系统中的数字电路部分，山于其低电压( + 5 v ) 、高频工作( 工 作频率在1 0 m h z 左右) 以及高密度组装等特点，很容易受到来自电网，接地线， 空间耦合和辐射等途径的电磁干扰( e m i ) 。在红宝石激光治疗机的数码管( l e d ) 显示和按键式控制系统中存在的电磁干扰问题也一直是困扰我们的一个难题。山 于不了解红宝石激光治疗机系统中电磁干扰现象的内在规律，缺乏解决电磁干扰 问题的有效办法。红宝石激光治疗机中的电磁干扰问题已经成为限制整机性能提 高的重要障碍。 因此，在液品显示( l c d ) 与触摸屏微机控制系统的丌发过程中，应用电磁 兼容科学这一新兴学科的相关理论和分析方法，研究红宝石激光治疗机中电磁干 扰现象的内在规律，并采取有效技术措施提高控制系统的抗电磁干扰能力，增强 红宝石激光治疗机的电磁兼容性( 相关概念见3 1 节) ，提高红宝石激光治疗机整 机性能，是多功能红宝石激光治疗机研究和开发中的重要工作。 2 2 控制系统的工作流程与时序 液晶显示( l c d ) 与触摸屏控制系统的功能，就是要控制医用红宝石激光治 疗机的全部工作过程，包括治疗机系统的工作流程控制、输入数据的处理与多幅 页面显示切换、治疗机工作参数的数据采集等，从而给使用者提供稳定、可靠、 使用方便的操作手段。确定液晶显示与触摸屏控制系统的丌发步骤之前，需要首 先明确红宝石激光治疗机的工作程序，从而明确要控制的对象与过程，确定设计 要求。 液晶显示与触摸屏控制系统要完成的工作包括： 1 ) 判断触摸屏输入信号； 2 ) 控制液晶显示内容： 3 ) 工作方式( 调q 与非调q 工作方式) 控制； 4 ) 脉冲氙灯的触发预燃； o 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 5 1 大功率i g b t 开关电源的充电指令控制； 6 ) 激光脉冲发射频率的选择与控制 7 、脉冲氙灯储能电路充电电压的调节与控制： 8 ) 脉冲氙灯的泵浦过程控制等。 在操作者对医用红宝石激光治疗机进行操作时，需要根据病人的病损情况， 选择激光脉冲为长脉冲工作方式或调q 短脉冲工作方式，设置工作电压，选择 工作时激光脉冲的输出频率等参数。在治疗过程中手持七关节导光臂，使用脚踏 开关控制激光脉冲的输出。 液晶显示与触摸屏控制系统的控制流程如图2 - 4 所示： 幽2 ，4 液品显示与触摸屏控制系统的控制流程 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 在红宝石激光治疗祝系绕王佟霹，萁主要工 乍过稷与茬鞠毓塞信号瓣时序关 系如圈2 5 所示。 准舒 r e a d y 触发拣灯的高 压脉冲 氩灯颈燃电毯 充电指令 储能淑容的壳电 溅援 脚踏开关信号 发射激必指令 光泵曲线与调o 脉冲 脚黠拜关信号 ( 长躲；零点作方式) 储能电容的充电电压 ( 长脉冲工作方式) 装豫；枣滋免先蓑趋线 ll 。 l， i - 0 蠹q 奠 l li 。i 卜lr弋r弋l l | t 。i 幽2 5 红宝竹激光治疗机两种l ：作方式( 调q 与k = 脉冲) 的时序图 文 |；扩 第二章液鼎显示与触摸屏控制系统设计 一_一 2 3 液晶显示与触摸屏控制系统的硬件设计方案 液晶强示( l c d ) 与触摸屏控制系统的硬件结构如图2 - 6 所示a 辕塞信号 i ! ! ! ! 墅 3 1d l s c h 5 q + p 辣冲 6 ) 光闸指令 肴门狗芯片i l输出接口剌 光隔离 i 接口驱动电路 辨耨数攘夺转器 触控制部件 摸r 一 删r 磊磊 d a 转按 数据接口 a i ) 转换 充电控制 舞 光隔离 反馈输入信号 函口旷 磊l 镰a 傣号 图2 - 6 触摸屏控制系统的硬件结构图 1 ) 脚费美措夸 2 ) 联燃靛京 3 ) 宽电采样 4 ) 能壁检测 其中，触摸屏部 孛采用了潮线电阻式触摸羼。徽处理嚣( m c u ) 采蠲并行方式 砖输滚磊罄抟显示数攥，著甏奉行方式攘寝簸搂器笈密静硷溅数据t 最麓羚部中 断方式控制红宝石激光器进行激光脉冲输出。 液晶照示( l c d ) 与触撰群控制系统各个组成部分的设计要点分谶如下： 2 。3 液黠显示与触摸撰都棼及其 接霜电路 在设计的液晶显示与触摸屏控制系统 中，选用了某公司生产的彩色液晶显示器 与触摸羼部件，该彩色液晶攫示器内置一 缓汉字痒，采雳蠡雍密令褰，溪嚣露显示 各种字体的彩色中西文、蛮方强、自由曲 线等，通过并行口接收来自微机的控制指 令和数据。触摸屏附件为四线电阻式触摸 v 图2 7 电阻式触摸屏的1 ：作艨理 u 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 屏，分辨率为1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，通过r s 2 3 2 c 接口向微机发送触摸屏坐标数据。 如图2 7 所示，电阻式触摸屏的主要部分是一块与显示器表面配合的多层复 合薄膜，其中有两层透明导电层( i t 0 ) ，两层导电层之间由许多透明隔离点把它 们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置接触，控制器检测到 这个点，并计算出x 、y 轴的位置。电阻式触摸屏分四线电阻屏和五线电阻屏两 种1 。 该液晶显示、触摸屏部件与微机的通讯接口连线如图2 8 所示： db25 簇= 。 r 。辨8 五 2bnnr n n 撩 图2 - 8 液晶显示、触摸屏部件与微机的通讯接口连线 2 3 2 充电控制电路的设计 在红宝石激光治疗机的工作过程中，操作者在液晶显示与触摸屏界面上选择 工作电压、工作方式( 调q 方式或长脉冲方式) 、激光输出频率( 1 h z 或单次输 出) 等参数，然后进入激光输出操作页面。 进入操作页面后，操作者按下“准备”选项，控制系统发出r e a d y 脉冲信 号，触发电路将脉冲氙灯高压触发成功后，由预燃电路使氙灯保持预电离状态， 然后由大功率i g b t 开关电源给如图2 - 9 所示的仿真线储能网络充电至设定电 压。 l 1 图2 - 9 脉冲氚灯的放电电路 第二章液品显示与触摸屏控制系统设计 当操作者踩下脚踏开关给出发射激光指令后，液晶显示与触摸屏控制系统通 过单片机的中断过程响应这一信号，并通过接口驱动电路给图2 - 9 中的s c r 可 控硅一个触发信号使可控硅导通，仿真线储能网络就通过可控硅向脉冲氤灯放 电，光泵曲线既有宽度调节以控制其长短脉冲宽度，又有泵浦强度调节以控制泵 浦速率。氤灯发光并进一步泵浦激光工作物质，在激光谐振腔内形成激光振荡， 输出激光脉冲。 在这一控制过程中，实现储能电容的充电电压控制，并协调好触发预燃过程、 充电控制过程和脉冲氙灯放电过程的时序关系是设计中要重点考虑的问题。 在对储能电容的充电电压控制中，应用了数字一模拟量转换( d a 转换) ， 充电电压的采样，模拟量的 比较输出等方法，实现了这 一过程的可靠、准确与重复 控制。 在如图2 1 0 所示电路 中，d a 转换芯片使用 d a c 0 8 3 2 ，该d a 转换芯片 为t 型网络结构，分辨率为 8 位，建立时间1 , u s ，输入寄 存器为双缓冲形式，应用中 使用+ 9 v 基准电压。 图2 1 0d a 转换电路 图中d a 转换电路的功能就是将操作者设定的充电电压数字量( 如1 5 0 0 v ) 转换为模拟量输出，经放大电路调整后加到电压比较器的“+ ”输入端：红宝石 激光治疗机的实际充电电压采样值经比例调整后，接电压比较器的“一”输入端， 幽2 - 1 1 充电电压比较与控制电路 一洲眦州郇叫一|錾儿 耱摹； 第二章液龆盟示与触摸屏控制系统设计 电路绫梅翔图2 1 1 掰示。 警实际充电逛垂未达爨浚定豹工 睾电压时，电压比较器埝毫信号麓琏王平，为 逻辑“l ”，表示允许给储能电容继续充电。当充电电压达到设定的工作电压后， 电艨比较器输出低电平，为逻辑“0 ”，表示究电电压已经达到设定值，停止充l 乜。 。， 就逻辑逛平与整割系绞戆充毫 rv = 卜r 匕= * 1 控懿信号“c h a r g e ”佟逻辑 l 。n w 3 8 l “与”运算，逻辑运算的结果 籍，。! j 一：二- 。、g o ( c h a r g e c o n t r 0 1 ) 决定大功率开 关奄源向镶能网络宠魄瀚动 乍 虱2 - 1 2 滞回比较器 是否进行。 褒储娆电容的充邀电疰邑经达到要求薏，由于德熊电容簧通过泄放电隧缓慢 敖魄，电毯遣会隧之逐灏酶稳。黧毫压 降低至一定程度羽，电压比较器的逻辑 输出由逻辑“o ”变为逻辑“1 ”，并控制 太璇搴开关电源崮德爱网络继绥兖邃。 这一允许的电嚣变化据瘦静大小与滞回 比较器的翘差相对应。 如图2 一1 2 所示，是滞回比较嚣电路 邦分，魏滞目比较器鹳簧埝黪稳魏蚕 2 1 3 所示【1 8 1 。 滞回比较器的阙值是； 正囱过程闽篷： n u 。h l 夥y w2莎 o l c ，o l 图2 - 1 3 滞回比拨器的传输特性 骄等半 弘， 受囊过程阏蠖： ：= 等 弘：， 两阈值之茇： u ：2 器( 2 - 3 ) r ，十月， 式中，u z 为输爨电压靛逻瓣魄平僮t 在茈奄鼹中为1 5 v ( 电鼹中电禚魄较 嚣使嗣1 5 v 双电源供电) 。 此回箍的大小决定了激光治疗机充电电腿精度，可以通过调节电阻咫( 对应 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 于图2 1 1 中的电位器p 2 ) 的阻值来改变。 在红宝石激光治疗机完成对储能电容的充电后，充电电压由于泄放电阻的放 电作用会逐渐降低，当电压变化范围超出殴定的充电电压精度范围时，控制系统 会控制充电电源向储能电容补充充电，如果设定的充电电压精度范围过小，会使 i g b t 开关电源丌始与停止充电的动作切换过于频繁，影响开关电源寿命。 在液晶显示与触摸屏控制系统中，设定的电压比较器的回差一般为： a u ：2 j 生竺乙：2 。! ：! 茎望! ! ! 坚。4 0 m 矿( 2 - 4 ) 月2 + r 3 1 2 k e 2 + 8 0 0 k n 通过对充电采样电路和比例放大电路的参数调整，一般将红宝石激光治疗机 储能电容的实际充电电压精度设定在1 0 v 。 2 3 3 激光脉冲输出的安全控制 在红宝石激光治疗机进入“准备”状态后，控制系统通过接口驱动电路控制 脉冲氙灯进入预燃状态，并使储能电容充电至设定电压，红宝石激光治疗机系统 进入等待发射状态。如果此时操作者踩下脚踏开关，控制系统在判断氙灯正常预 燃、储能电容达到设定工作电压并且控制系统正常运行之后，就会控制仿真线储 能网络向脉冲氙灯放电，开始激光的泵浦过程。 在控制系统的设计中，使用m c s 5 1 单片机的外部中断( i n t l ) 技术来实现 对脚踏开关的响应过程，并在外部中断服务程序中完成对激光电源充电、放电等 控制过程。 在红宝石激光治疗机进行激光脉冲输出的过程中，按照国际上的通行标准， 增加了激光输出的光闸控制功能，其控制过程如下： 在脚踏开关踩下扃，红宝石激光治疗机第一次进行激光脉冲输出的过程中， 在激光谐振腔内设置 对6 9 4 n m 激光的挡光 器件，从而使脉冲氙灯 的第一次泵浦过程不 会造成激光输出，并要 求在脉冲氙灯的第二 次泵浦过程之前使挡 光器件打开，使得氙灯 第二次点燃后可以难 常输出激光脉冲。这样 做的目的是为了避免 控制信号 脚踏开关信号 ( f 0 0 t s w l t c h ) 脉冲氙灯放电信号 ( 0p ) 光闸控制信号 。1 0 0 u s 彳l 。 r _ 一 一唑s j i t 图2 1 4 光闸控制信号与氚灯放电信号的输出时序 第二章液晶显示与触摸屏控制系统设计 在脉冲氤灯第一次对红宝石工作物质进行泵浦时会出现的能量输出不稳定现象， 从而保证了治疗安全。 在红宝石激光治疗机中，主要是采用了调节延时的方法来实现这一功能。 光闸延时电路如图2 1 5 所示。在红宝石激光治疗机的工作过程中，操作者踩 下脚踏丌关，控制系统通过中断过程响应脚踏开关信号，并控制图2 9 中的可控 硅打开，开始储能电容的放电过程。脚踏开关信号( f o o t s w i t c h ) 同时引入 光闸延时