高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机

技术领域

一种激光手术设备，特别是工作在高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机。

背景技术

钬激光由于工作波长为2100nm，是水分子的一个吸收高峰，且工作在脉冲状态具有较高的峰值功率，因此在临床上治疗泌尿系结石，取得了极大的成功。随着微创手术技术的不断发展，高重频的钬激光脉冲即用于结石粉碎，又用于软组织切割、消融，后者也越来越表现极高的临床应用价值。

钬激光的工作物资钬激光棒是3能级工作系统，钬激光的光电转化效率，激光束光学质量随着其工作频率的升高特别是典型10Hz以上的工作频率下会大幅降低，目前条件下单根钬激光棒18Hz工作频率下输出1J且经过光纤耦合的光纤直径大小不超过250um的直通光纤很难实现。然而临床应用上无论是结石的粉碎治疗还是软组织的切割，其治疗效率都非常依赖钬激光的高工作频率下大的单脉冲激光能量输出如40Hz/1J(272um直通光纤)或者50Hz/2J(550um直通光纤)。

为了获得钬激光较高的工作频率下的最大单脉冲激光能量输出，目前的技术途径是将2个或以上激光谐振腔组合起来形成较高的工作频率，这样钬激光设备的成本，体积和重量都大幅提升，对供电负荷的要求也大幅提升。另外通过引入压缩机制冷的方式，通过较低的冷却水温度确实可以短时间解决钬激光较高的工作频率下的较大单脉冲激光能量输出，但由于目前的水冷却单元的结构即将水泵，热交换器，水过滤器等都串接到与钬激光谐振腔循环的冷却回路当中，导致流经钬激光腔体的水流量，腔体的水压力差等都满足不了高重频条件下钬激光腔体的要求，因此钬激光在高频工作下输出状况出现衰减的现象。水冷却单元，不断地提升风扇的转速来换取较高的热交换效率，导致较高的工作频率下的最大单脉冲激光能量输出时钬激光治疗机的噪音难以忍受。

无论是结石治疗，还是软组织的切割，临床往往会需要在同一台手术中选择不同工作状态如激光工作频率，激光单脉冲能量等的关键技术参数，以提升不同成分、位置的结石粉碎时的效率，或通过一个模式切割，一个模式止血的来回切换来实现前列腺组织的治疗效率。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是实现钬激光高重频下输出较大单脉冲激光能量，采用本公司《激光配套的水冷却装置》的技术创新以及激光棒端面修模，提升了钬激光谐振腔高频工作下钬激光的光电转化效率，降低或者补偿了钬激光棒的热效应，能够获得高重频输出较大的激光束单脉冲能量和光斑质量。

高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，其中包括1个钬激光腔体，光纤耦合单元，控制单元，水冷却单元，激光状态显示单元，脚踏开关所构成，其水冷却单元包括激光谐振腔冷却水循环回路的技术方案。

为了进一步改善钬激光单一谐振腔高重频下输出最大单脉冲激光能量的性能，除了采取激光谐振腔冷却水循环回路技术方案外，还同时对钬激光谐振腔的钬激光棒端面修模，实现单棒钬激光谐振腔高频率下钬激光治疗机较大激光能量的输出和较好的光束质量。

上述高重频下输出最大单脉冲激光能量的单1谐振腔的钬激光治疗机所采用的水冷却单元至少具有2个循环回路，其中接激光谐振腔水循环回路不包括热交换器，且装置的水泵台数至少是2台。

上述高重频下输出最大单脉冲激光能量的单1谐振腔的钬激光治疗机，由于输出激光束光学质量的改善，经过光纤耦合单元后能够以目前市面上采用272um直通光纤传输激光频率和能量的组合满足同时不小于18Hz和1.0J的激光功率，这样的激光束在泌尿结石的软镜治疗过程中具有较高的治疗效率。。

高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，其中包括至少2个钬激光腔体，光纤耦合单元，控制单元，水冷却单元，激光状态显示单元，脚踏开关所构成，水冷却单元采用激光谐振腔冷却水循环回路的技术方案。

为了进一步改善至少2个激光谐振腔高重频下输出最大单脉冲激光能量的性能，除了采取激光谐振腔冷却水循环回路技术方案外，还同时对钬激光谐振腔的钬激光棒端面修模，实现高频率下钬激光治疗机较大激光能量的输出和较好的光束质量。

至少2个钬激光谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，所采用的水冷却单元至少具有3个循环回路，其中接激光谐振腔水循环回路不包括热交换器，且装置的水泵台数至少是3台。

上述高重频下输出最大单脉冲激光能量的至少2个激光谐振腔的钬激光治疗机，经过光纤耦合单元后能够以272um直通光纤传输激光频率和能量的组合满足同时不小于36Hz和1.0J的激光功率。

无论是单1谐振腔还是多谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，所采用的水冷却单元的激光谐振腔冷却水循环回路包括或水过滤器，或水流开关，或水流开关和水过滤器。

高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，其输出的激光脉冲宽度输出可以是改变的。

至少2个谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，其钬激光治疗机可以同时激发两种激光工作状态，并在激光状态显示单元同时显示，通过脚踏开关快速激发钬激光治疗机的任何一种工作状态并输出激光。

高重频下输出最大单脉冲激光能量至少2个谐振腔的双工作状态的钬激光治疗机，其脚踏开关或是双脚踏板，或是单脚踏板。

高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，其水冷却单元或是压缩机制冷方式或是强迫风冷却方式。

附图说明

图1为高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机的原理框图。

图2为水冷却单元中双激光谐振腔冷却水循环回路的示意图。

图3为光纤耦合单元构成部件示意图。

图4为双工作状态的激光脉冲示意图。

具体实施方式

高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机实施例的原理框图如图1所示，主要由钬激光谐振腔10单元，多路钬激光谐振腔光束合成单元12，光纤耦合单元16，控制单元20，脚踏开关单元22，激光状态显示单元26，激光电源单元40，水冷却单元50等所构成。激光电源单元40在控制单元20的充放电信号下，完成钬激光谐振腔闪光灯所需要的放电脉冲包括放电频率，放电宽度Ton对应激光脉冲峰值功率，放电电压对应激光脉冲能量等，这都是钬激光治疗机的工作状态或者工作模式的主要技术指标。上述工作状态通过激光状态显示单元26进行显示，同时工作状态通过激光状态显示单元26进行更改，也就是激光状态显示单元26通常也是钬激光治疗机的输入界面。上述激光工作状态在激光手术设备中通常通过脚踏开关单元22进行激活实现激光输出。控制单元20对水冷却单元50的双向输出包括水流开关的信号，水温度，水位信号等。控制单元20 与多路钬激光谐振腔光束合成单元12的控制与协助包括激光输出频率合成信号，光路合成的位置状态信号等。这些控制信号，合成信号的实施是激光行业内常见技术路径，跟本发明技术没有直接的关系，不在此详细描述。多路钬激光谐振腔单元的光路合束并通过一根光纤161输出的技术方案可以参见专利号为ZL2008 1 0105442.7的中国发明专利《激光碎石装置》。

一个钬激光谐振腔一般主要是由1个激光腔体，1根钬激光棒和1根闪光灯和激光镜片所构成，也可以采用一个腔体1根钬激光棒2根闪光灯的结构。一台钬激光治疗机可以是一个谐振腔，也可以采用至少2个钬激光谐振腔的多谐振腔的结构，对于多谐振腔的结构，则治疗机还需要多路钬激光谐振腔光束合成单元12，单一谐振腔的钬激光治疗机则无需多路钬激光谐振腔光束合成单元12。图1中各个组成单元的之间的连接线的箭头指向代表了钬激光治疗机各单元信号输出的方向，双向箭头代表了单元之间互有信号输出，水冷却单元与激光谐振腔之间的双向箭头代表了冷却水流形成循环回路。

一种单谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机实施例，是由光纤耦合单元16，激光谐振腔10，控制单元20及其脚踏开关单元22和激光状态显示单元26，激光电源单元40，水冷却单元50所构成。水冷却单元50采用了正在申请的中国专利《激光配套的水冷却装置》的结构，其中包括激光谐振腔冷却水循环回路，其结构如图2所示（2个激光谐振腔循环回路），只是1个钬激光谐振腔的钬激光治疗机时，只用一个冷却水循环回路也就是由激光谐振腔10，水泵30和水箱50所构成，并形成封闭的激光谐振腔冷却水循环回路。通过这样的冷却水循环回路，使得流经激光谐振腔10的水流具有较大的流量和谐振腔内较高的水压压差，使得闪光灯工作在高频放电下时，钬激光棒的热效应被有效地减低，产生的结果是钬激光的光电转化效率有了较大的提升，从而获得即便是较高工作频率下实现了较大的单脉冲激光能量输出。上述激光谐振腔冷却水循环回路的特征是以尽量降低循环回路的水阻为基本出发点，将热交换器等因需要获得较大水流接触面积而引入较大的水阻或者形成较大的水压差的部件排除在循环回路之外。但如果水过滤器，水流开关的水阻较小且在合理的范围之内，可以将其串入到冷却水激光谐振腔循环回路中，也就是激光谐振腔冷却水循环回路除了水泵30，激光谐振腔10，水箱外，或包括水过滤器，或包括水流开关，或包括水过滤器和水流开关等功能部件。

水冷却单元至少具有2个循环回路，其中接激光谐振腔的水循环回路不包括热交换器，且装置的水泵台数至少是2台。

详细的水冷却单元的工作原理与详细结构可参考同步申请的《激光配套的水冷却装置》专利。

这种单谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机实施例除了上述激光谐振腔冷却水循环回路的特征外，还可以对激光谐振腔的结构进行合理化的设计，特别是钬激光棒的端面进行修模（行业内广泛采用）。由于钬激光棒的热效应被极大地降低，同时光学补偿效应使得单谐振腔的钬激光治疗机的输出激光束具有较好的光学质量，在使用标准耦合透镜163设计情况下如图3所示，不仅可以实现18Hz和1J的钬激光输出，同时输出激光束的光斑大小控制在250um之内，因此目前国际上标准272um(包括250-300um)光纤161能够输出不小于18Hz和1J的钬激光，充分满足如软镜碎石的临床需求。光纤耦合单元16中根据需要，可以选择标准的SMA905光纤活接头，或者其它方式的光纤活接头，因此钬激光光纤耦合单元的部件162光纤接头法兰盘需要与光纤161的活接头技术规范一致。

除了单一钬激光谐振腔结构的钬激光治疗机，为了获得更高的钬激光工作频率，可以采用至少2个钬激光谐振腔的结构方式，与单1激光谐振腔的结构不同之处，如图1所示，钬激光治疗机主要由钬激光谐振腔10（至少2个），多路钬激光谐振腔光束合成单元12，光纤耦合单元16，控制单元20，脚踏开关单元22，激光状态显示单元26，激光电源单元40，水冷却单元50等所构成。

至少2个钬激光谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机，其水冷却单元的双激光谐振腔冷却水循环回路的结构示意图如图2所示，激光谐振腔冷却水循环回路采用1个谐振腔，一台水泵的循环回路。2个谐振腔的高重频下输出激光单脉冲能量最大的钬激光治疗机，则使用2个独立的冷却水循环回路，3个谐振腔则3个冷却水循环回路。图2中的2个激光腔体的冷却水循环回路可共用1个水箱的结构。但不限于这种1个水箱的结构，如果从安装、维护等的方便，也可以采用1个以上的水箱结构。

水冷却单元至少具有3个循环回路，其中接激光谐振腔的水循环回路不包括热交换器，且装置的水泵台数至少是3台。

通过采用激光谐振腔冷却水循环回路，无论是单一谐振腔还是多路谐振腔的钬激光治疗机，其每一个谐振腔在来自激光电源单元40高重复放电工作频率条件下激光的电光转化效率大幅提升，激光单脉冲能量也随之大幅提升，这样多路谐振腔的钬激光治疗机的输出激光频率是单激光谐振腔最高频激光谐振腔个数的倍数。

为了满足不同硬度结石治疗的需求，无论是单1谐振腔还是多谐振腔的钬激光治疗机，其控制单元20可以程序控制输出不同宽度和幅值的控制电信号，用来控制闪光灯放电脉冲宽度和放电电压，使得钬激光治疗机输出激光脉冲宽度，单脉冲激光能量等技术参数随之改变。钬激光输出脉冲在即便同样的单脉冲能量前提条件下其激光的脉冲宽度不一样其激光的峰值功率有高与低之分，分别对应高硬度和低硬度成分的结石治疗。不同放电脉冲宽度的选择可以通过钬激光治疗机的激光状态显示单元26来选择，通常激光状态显示单元采用触摸屏，因此也作为钬激光治疗机的操作输入界面之一。除此之外，不同放电脉冲宽度的选择可以通过钬激光治疗机的脚踏开关单元22来实现，这时可以使用双脚踏板的脚踏开关，2个脚踏板对应不同的放电脉冲宽度。当然也可以采用激光状态显示单元26和脚踏开关单元22的联合的方式，如激光状态显示单元26选择多种放电脉冲宽度，脚踏开关单元22分别对选择的2种放电脉冲宽度进行激活。

比单1谐振腔的高重频下输出最大单脉冲激光能量的钬激光治疗机更多的治疗功能，多谐振腔钬激光治疗机实施例可以实现图4所示的双工作模式的激光状态简称双工作模式输出。钬激光治疗机的工作状态主要是以激光参数为特点的技术状态，如通过光纤161输出的激光束的重复频率（激光的工作频率），单脉冲能量，激光脉冲宽度等。2种工作状态对应的是钬激光治疗机激光状态显示单元26分别显示的两组技术参数，分别显示包括分区显示，下拉菜单显示，屏幕交替显示等。这些激光工作状态或者技术参数对应临床治疗上不同应用如切割，止血等。2种工作状态方便临床医生快速选择钬激光治疗机不同的工作状态的输出，如在脚踏开关激活的激光输出方式下，通过2个不同的脚踏板分别对应的2个不同的工作状态，可以快速的实现激光2种工作状态的输出的转换。

一种同时激发双两种激光工作状态的实施例是钬激光治疗机加电后，其控制单元20输出2组控制脉冲电信号J1和J2至激光状态显示单元26，其中J1脉冲信号的频率为F1，对应激光脉冲宽度的电信号脉冲宽度为Ton1，输出的激光单脉冲能量对应的脉冲信号幅值为J1；J2信号的频率为F2，对应激光脉冲宽度的电信号脉冲宽度为Ton2，输出的激光单脉冲能量为J2，上述2种激光工作状态通过激光状态显示单元26同步显示，但分为左右或者上下2个显示区域分开显示激光工作参数。两种激光工作模式中的激光脉冲频率，脉冲宽度，激光单脉冲能量2种工作模式可以完全不同。采用双踏板的脚踏开关22，当踏下其中一个踏板如左踏板，钬激光治疗机控制单元20输出制脉冲电信号J1和J2中的一组如JI同时到激光电源单元40和多路钬激光谐振腔光束合成单元12，则实现钬激光治疗机输出且只输出J1激光脉冲序列，并通过光纤161将激光脉冲序列J1或者工作状态J1输出到病灶完成临床治疗功能。在双模式工作状态下踏下其中另外一个踏板如右踏板，钬激光治疗机则通过光纤161输出且只输出J2激光脉冲序列。在临床应用上，工作状态J1输出用于钬激光切割软组织，工作状态J2输出用于止血。但实现钬激光治疗的双工作模式还有其它的方式，不限于上述实施例。

与《激光配套的水冷却装置》同样的道理，水冷却单元的低工作噪音性能，使得钬激光治疗机的工作噪音也大幅降低，因为目前钬激光治疗机的工作噪音主要来自水冷却单元的水泵与热交换器的风扇。