Hoàn thiện công nghệ chế tạo hệ laser ND- YAG loại nhỏ dùng trong y học

Lưu ý rằng Trung tâm công nghệ laser có khả năng làm chủ và khả thi công nghệ này bởi có một số sáng kiến đặc biệt trong công năng của thiết bị kế thừa phát triển như: - Tạo được khả nă

Nh÷ng ng−êi tham gia thùc hiÖn chÝnh

B¸c sÜ CKII

nhỏ dùng trong y học ”

Dự án thực hiện trong hai năm, với khối lượng triển khai khá lớn so với kinh phí thực hiện bởi giá cả biến động vì vậy dự án chưa đáp ứng đầy đủ và trọn vẹn các mục tiêu đề ra tuy nhiên đã đạt được mục tiêu chính mà dự án đã đăng ký, cụ thể là :

a) Hoàn thiện công nghệ chế tạo và sản xuất hệ laser Nd:YAG nhằm thúc đẩy phát triển công nghệ laser y học hiện đại ở Việt Nam phục vụ khám chữa bệnh chăm sóc sức khoẻ cho người dân, tiến tới xuất khẩu mang thương hiệu quốc

gia

b) Chuyển giao thiết bị Laser Nd: YAG ứng dụng điều trị đến một số cơ sở y

tế phục vụ khám chữa bệnh, thu hồi vốn đầu tư

c) Nâng cao trình độ chuyên môn cho đội ngũ cán bộ nghiên cứu trong đơn vị trong việc thiết kế, chế tạo, bảo hành, bảo trì và sửa chữa các máy do Việt Nam sản xuất cũng như các máy của nước ngoài (làm chủ được công nghệ) Giải quyết việc làm (thuê gia công tại các xưởng) khoảng 100 công nhân.

các hệ chỉnh quang đặc biệt

13 Thiết kế tổng thành hệ thống có tính chất mỹ thuật công nghiệp và tối

ưu, vận trù học thích hợp trong lắp ráp, lắp đặt, sử dụng, trong sửa chữa, bảo trì, bảo hành, trong liên kết tương tác logic hệ thống…

14 Thiết kế hệ mô phỏng và chạy thử nhằm TESTING các tham số điều khiển, công suất, quang học, cơ học, điện tử, điện lạnh…

15 Thiết kế mạch in, lắp ráp chạy thử nghiệm, tính tán độ bền, độ ổn

định, độ chống nhiễu, độ chịu đựng được các môi trường nhiệt độ nóng

ẩm, phù hợp với yêu cầu thực tế về giá thành và các yêu cầu khác

16 Xây dựng

* Quy trình: gia công - lắp ráp - căn chỉnh - chạy thử - hiệu chỉnh

- đo đạc - hiệu chỉnh lần cuối - chạy demo – kiểm tra chất lượng – xuất xưởng

* Tăng cường bổ xung trang thiết bị chuyên dụng

* Đào tạo bổ xung nguồn nhân lực

* Hợp tác khai thác nguồn công nghệ nước ngoài (những vấn đề mới như: xử lý tín hiệu: DSP, hiển thị LCD, vi xử lý CPU… )

* Xúc tiến tiếp thị khai thác thị trường trong và ngoài nước, lập trang WEB , catalog, quảng cáo hội chợ, triển lãm, tư vấn, hội nghị khách hàng….tiến tới xuất khẩu (nếu như đạt được tiêu chuẩn ISSO)

* Thương hiệu sản phẩm và các tiêu chuẩn của sản phẩm + Hoàn chỉnh về mặt công nghệ

1 Thiết kế tối ưu hệ thống điều khiển

2 Thiết kế chế tạo hệ làm lạnh gọn nhỏ hơn

3 Nghiên cứu hệ thống bảo vệ từ 12 đến 18 thông số

4 Thiết kế hệ thống quang dẫn đường sử dụng laser diốt

5 Hoàn thiện nguồn cao áp trong môi trường nhiệt đới

2./ Chuyển giao thiết bị laser Nd:YAG và thiết bị làm lạnh COOLING SYSTEM ứng dụng tại Bệnh viện TW Quân đội 108 và Bệnh viện chấn thương

chỉnh hình ITO – Sài Gòn điều trị được gần 200 lượt bệnh nhân

3./ Nâng cao trình độ chuyên môn đội ngũ trong đơn vị, bệnh viện, xưởng 4./ An toàn - Chất lượng - Dáng vẻ công nghiệp - Độ bền là 4 đặc tính của

Kết quả chưa đạt được

(Được thực hiện tiếp tục trong thời gian tiếp theo):

1 Sản xuất 4 hệ laser Nd:YAG và 4 hệ làm lạnh COOLING SYSTEM

2 Bán và thu hồi vốn

Thực ra nhóm Dự án có khả năng hoàn thành 8 hệ laser Nd:YAG và 8 hệ làm lạnh COOLING SYSTEM theo đúng tiến độ đã đăng ký nhưng vì các bệnh viện chưa có kinh phí để mua thiết bị Vì vậy nếu tiếp tục sản xuất thì sẽ dẫn đến việc

ứ đọng vốn và phải trả lãi cao (Lãi suất ngân hàng tăng 0,8 lên 1,2 %/1 tháng và phải có thế chấp chuẩn) Hơn nữa trong hai năm qua giá cả linh kiện và trả lương công nhân bị biến động theo chiếu hướng tăng khoảng 50% - 80% (Thậm chí có những vật tư tăng gấp nhiều lần)

Hà nội , ngày 8 tháng 03 năm 2007 Chủ nhiệm dự án

Dự án : “ Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ Laser Nd: YAG loạt nhỏ dùng trong y học” thực hiện trong phạm vi 2 năm tại trung tâm Công nghệ Laser với mục đích theo kịp nền y học hiện đại đang phát triển như vũ bão nhằm nâng cao chất lượng khám chữa bệnh cho con người và làm chủ công nghệ chế tạo, bảo hành bảo trì loại sản phẩm Laser YAG nói chung

Đó cũng là một bước đi trong sự nghiệp “ Công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

”, đặc biệt khi Việt Nam là thành viên chính thức của WTO Mặt khác tình trạng thiếu thốn trang thiết bị khám chữa bệnh và số lượng bệnh nhân ở nước ta quá lớn đã gây quá tải ở các bệnh viện Chính vì vậy vấn đề nêu ra và thực hiện của dự án là cấp thiết

Bên cạnh đó, nếu làm tốt ở giai đoạn tiếp theo, sẽ tiết kiệm cho nhà nước một khoản ngoại tệ đáng kể trong quá trình nhập khẩu thiết bị

Thực tiễn cho thấy quá trình triển khai kỹ thuật và công nghệ y học mới cần hoạt

động kịp thời của dịch vụ sau bán hành ( hậu mãi ) như bảo hành, bảo trì, sửa chữa …

Việc chúng ta phát huy năng lực công nghệ nội địa có ý nghĩa cơ bản trong xây dựng đất nước phát triển bền vững, và lấy công nghệ cao làm cơ sở của quá trình tiến nhanh vững chắc của nền kinh tế xã hội

Dự án hoàn thành với các mục tiêu đó cũng là bước để mở rộng thị trường nội địa, tiến tới xuất khẩu thu ngoại tệ làm giầu cho đất nước Được sự ủng hộ của nhà nước, Bộ KHCN, Viện ƯDCN dự án đã hoàn thành và triển khai tốt các nội dung và các kết quả

… cũng đã được nhóm đề tài thực hiện đày đủ, nhờ đó mà các sản phẩm đã được các giả thưởng trong nước

Hà nội , ngày 8 tháng 03 năm 2007

1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài

Trên 20 nước phát triển và đang phát triển đã ứng dụng Laser YAG để điều trị

nhiều bệnh nan y, đặc biệt các chứng bệnh bên trong cơ thể (phương pháp nội soi) để

mang lại kết quả khả quan

Điều trị bằng laser YAG có nhiều lợi thế và có công năng mạnh như: công suất

phát cao (60W); có sức xuyên sâu (trên 1mm) ; dễ dàng hấp thụ đối với tổ chức con

người Vì thế nó có thể ứng dụng điều trị các tổ chức mô sinh học trong các trường hợp : cầm máu (Coagulation), đốt cháy (Carbonized), bốc bay(Vapoied), cắt bỏ (excised) Tuyệt vời hơn cả là laser YAG có thể qua môi trường quang học Bởi vậy nhờ cáp quang mảnh ta có thể điều trị bất kỳ điểm nào, vùng nào của tổ chức mô bị bệnh ở bề mặt hay ở bên trong cơ thể người Ví dụ như thẩm mỹ trên da hay cắt bỏ khối u ở dạ dày, u tiền liệt tuyến, u dạ con…, nhờ có sự trợ giúp của phương pháp phẫu thuật nội soi bằng laser YAG mà trong trường hợp này ở laser CO2 khó thực hiện được

Trên cơ sở khoa học và thực tiễn ứng dụng lâm sàng, thiết bị laser YAG công suất cao đã được trang bị tại các trung tâm nghiên cứu khoa học y học, các phòng khám, các

chuyên khoa, ở các bệnh viện lớn Laser YAG ngày nay đã trở thành một công cụ phẫu

thuật chính yếu cho việc đào tạo, điều trị hay nghiên cứu khoa học

Với lợi thế đó, laser YAG đã được triển khai rộng r∙i ở các chuyên khoa khác

nhau; khoa phẫu thuật (chỉnh hình, thẩm mỹ), khoa dạ dầy, khoa tiêu hoá, khoa hô hấp, khoa u bứu…

Nhờ sự ưu việt của hiệu ứng chữa bệnh mà laser YAG đã chữa trị hàng triệu bệnh

nhân trên thế giới với trên 60 loại bệnh y học khác nhau

Việc nghiên cứu sản xuất laser YAG chỉ được tiến hành ở các nước có nền KHCN

phát triển và có giá thành rất cao khoảng trên 25.000 USD (ở Trung Quốc);

50.000USD(ở Hàn Quốc); 70.000USD (Mỹ, Anh)…

2 Tình hình nghiên cứu triển khai trong nước

tại Viện 108 rất ưa dùng Cụ thể nó có thể chữa một số bệnh nan y tiêu biểu

+ Thoát vị đĩa đệm (không phải mổ, chỉ cần dùng dây quang dẫn đưa vào nơi đĩa

đệm thoát vị )

+ U máu, u phì, sẹo lồi, các bệnh u nang, u bứu …

Thiết bị Laser Nd: YAG 60W liên tục là một thiết bị hiện đại, công nghệ cao cần

phải hoàn thiện công nghệ một bước nữa trước khi đưa ra thị trường hàng loạt Lưu ý

rằng Trung tâm công nghệ laser có khả năng làm chủ và khả thi công nghệ này bởi có

một số sáng kiến đặc biệt trong công năng của thiết bị (kế thừa phát triển) như:

- Tạo được khả năng làm việc của thiết bị trong môi trường nhiệt đới nóng ẩm (hệ COOLING SYSTEM, hệ lọc nhiễu và ổn định công suất)

- Các vấn đề tự động khống chế an toàn cao cấp (25 vấn đề kỹ thuật phức tạp) Như vậy đây là hệ laser có những ứng dụng hoàn hảo trong phẫu thuật y học

3 Hiệu quả kinh tế – x∙ hội

Số bệnh nhân trong nước có nhu cầu sử dụng thiết bị laser Nd:YAG ngày một

tăng, như vậy cần phải tăng đầu máy Nd:YAG để trang bị ở các tuyến trung ương, tỉnh

thành

Tuy nhiên, hiện nay hệ laser Nd:YAG nếu chúng ta nhập ngoại cần số tiền khá

cao và khó khăn trong việc bảo trì, bảo dưỡng Cũng hệ laser này, nếu chúng ta sản xuất

trong nước thì giá thành sẽ giảm từ 30% đến 50% so với giá nhập ngoại, ngoài ra nó còn phù hợp với điều kiện thời tiết ở nước ta, dễ bảo trì bảo dưỡng

Đặc biệt thiết bị đã được Bộ y tế cấp giấy phép lưu hành, và công nghệ chế tạo laser Nd:YAG tại Việt Nam đã được chúng tôi nắm bắt một cách có hệ thống (từ 80%- 90% về công nghệ) Nay cần đầu tư thời gian và kinh phí để hoàn thiện, nếu không sẽ

rất lãng phí tiềm năng đã đạt được Đây là vấn đề bức xúc và nhạy cảm , nên chăng dự

án này cần được sự quan tâm rõ rệt hơn nữa của Nhà nước – Bộ KHCN (đặc biệt trong

vốn đầu tư 552 triệu còn rất thấp so với tiềm năng phát triển vốn có của nó )

A/ Sơ đồ hệ thống và nguyên lý điều khiển laser Nd: YAG 60W

A1 Sơ đồ khối hệ thống laser Nd:YAG 60W

điều hành

Đặt tham số làm việc PARAMETER (5 tham số)

Nguồn lạnh sơ cấp, thứ cấp, bể nước, máy bơm,

Laser Nd:YAG là một trong những Laser rắn được dùng phổ biến nhất Công thức

hoá học của chất nền là Y3Al5O12 (Yttium Alumium Garnet – viết tắt là YAG) và các tâm kích hoạt là Ion Nd3+ (Neodym – viết tắt là Nd) Bức xạ laser xảy ra trong các dịch chuyển các mức năng lượng của ion Nd3+ Hoạt chất là các ion Nd3+ được cấy vào trong tinh thể YAG với tỷ lệ 1,4% (theo trọng lượng) Do mật độ ion Nd3+ khá lớn nên hệ số khuyếch đại của Laser Nd:YAG lớn hơn nhiều so với laser khí Thường Laser Nd:YAG công suất 60W có thanh hoạt chất có độ dài từ 20 – 30 cm

Để tạo nghịch đảo mật độ di cư trên các mức của dịch phổ của Laser, trong Laser rắn người ta dùng bơm quang học tức là chiếu ánh sáng có phổ phát xạ trùng với hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo nghịch đảo mật độ - điều kiện cần thiết để có phát xạ Laser Với Laser Nd:YAG người

ta thường dùng nguồn bơm quang học là các đèn kích Xenon hoặc Krypton

Những yêu cầu kỹ thuật đối với tinh thể YAG để làm thanh hoạt chất laser phải thoả mãn các điều kiện sau:

♦ Bền chắc về cơ học và hóa học để đảm bảo độ bền của môi trường hoạt tính

♦ Bền vững về nhiệt độ để chịu được bức xạ bơm lớn và bức xạ Laser lớn

♦ Dễ chế tạo về phương diện công nghệ chế tạo và sản xuất hàng loạt

♦ Cho phép gia công cơ khí và gia công quang học (Hình dạng, đánh bóng, mài mòn, phủ lớp phản xạ, làm sần sùi ở xung quanh, làm rỗng lõi…)

♦ Đồng nhất quang học cao để đảm bảo tiêu hao nhỏ và hệ số phẩm chật buồng cộng hưởng lớn

♦ Phải trong suốt đối với bức xạ bơm và bức xạ Laser

Từ những đặc điểm của Laser Nd:YAG và những yếu tố ảnh hưởng của hoạt chất trên ta thiết kế thanh hoạt chất Laser Nd:YAG 60W liên tục có các tham số sau:

L = 220mm

Độ bóng ∆ = 0.01

Hình 2: Thanh hoạt chất Nd: YAG của Laser Nd:YAG

ở đây ta chọn dạng tròn để dễ gia công, lắp ráp vào buồng bơm quang học, ở giữa rỗng để dễ dàng phối hợp hệ dẫn đường và làm lạnh môi trường hoạt chất (trình bày ở phần 1.4)

Chất phản xạ được phủ trên bề mặt của hai gương đặt ở hai đầu hoạt chất

Để có tia Laser phát ra ta phải dùng nguồn bơm là đèn Xenon Xung bơm coi như xung chữ nhật lý tưởng hoá (có thời gian duy trì đặt trên mặt máy)

Hệ thống điều khiển năng lượng Laser Nd:YAG cũng đồng nghĩa với việc điều khiển mức bơm quang học trên đèn kích hoạt Xenon Phải thoả mãn 2 điều kiện:

Thông lượng bức xạ do hoạt chất hấp thụ

Hình 3: Sự thay đổi U,P,I theo thời gian trong nguồn bơm

Bức xạ lúc đầu tăng nhanh sau giảm dần Thời gian τ xung sẽ lớn khi đèn có chiều dài lớn Khi tăng điện áp phóng điện thì τxung cũng tăng nhưng tăng rất chậm Đối với những tần đoạn khác nhau của phổ bức xạ τxung cũng có thể khác nhau

Năng lượng cực đại một lần phóng của đèn phụ thuộc vào cấu tạo của đèn Chỉ có khoảng 20 ữ30 % năng lượng của nguồn chuyển thành năng lượng bức xạ, phần còn lại

đều ở dạng nhiệt Vì vậy trong thời gian xung đèn phải chịu tải về nhiệt rất lớn, rất có thể làm nứt và làm hỏng đèn Do đó ống phóng thường được làm bằng thạch anh có độ dẫn nhiệt lớn, độ bền nhiệt cao Năng lượng xung không lớn và tần số xung nhỏ thường

do nguyên nhân về nhiệt này

Tụ cao áp C được tích điện qua hệ dao động Switching và sau đó được chỉnh lưu Khi tụ phóng điện đèn sẽ tạo ra bức xạ rất lớn dùng để bơm quang học Năng lượng phóng điện chủ yếu do điện dung của tụ và điện áp tích luỹ xác định:

E g =

Trong tực tế ở những nguồn xung công suất lớn người ta thường hay dùng một bộ gồm nhiều tụ để có điện dung tổng khoảng vài nghìn microfara và được tích tới điện áp vài trăm vol Phổ bức xạ của phóng điện xung thường gồm rất nhiều vạch và dính liền nhau tạo thành phổ liên tục, phổ kín của cả một dải sóng Tần số xung thường được hạn chế ở giá trị nhỏ hơn 1kHz vì nếu lớn hơn thì phóng điện xung sẽ chuyển thành phóng điện hồ quang liên tục Sơ đồ điện nạp tụ thông thường

Đèn phải được làm lạnh bằng nước, có ống phóng với đường kính khá nhỏ chỉ cỡ

1 ữ 2 mm Khi đèn làm việc, áp suất hơi thuỷ ngân trong ống đạt tới 10atm Phổ bức xạ của đèn giống phổ bức xạ của đèn xung và là phổ đầy trong dải tần rất rộng Khi tăng áp suất lên thì những vạch phổ rời rạc sẽ biến thành phổ liên tục Hiện nay để bơm trong chế độ liên tục người ta dùng đèn phóng điện Xenon công suất lớn, phóng điện xảy ra giữa hai cực lạnh đặt gần nhau trong hình tròn bằng thạch anh Phổ bức xạ khi đó chứa nhiều dải khá mạnh ở λ ≈ 1àm và một nền rất đều đặn (hình 5)

Điện áp đặt lên tụ nạp được biểu diễn bằng giản đồ

τđầy

U c1

t

Hình 6: Năng lượng của tụ trong quá trình nạp

Khi nối điện 220VAC/50Hz, 30A vào đầu LN tụ điện lọc nguồn 4700à/400V được nạp điện theo biểu đồ trên

τ = 4700à 170Ω = 0,8s

Cùng lúc, hệ thống xử lý cũng được cung cấp điện Sau 20s rơle J3 tác động hệ thống kích mồi mức 2 làm việc tụ điện 472/1600V phóng năng lượng tích luỹ trước đó (1000V) vào cuộn sơ cấp biến áp kích B4 Bên cuộn thứ cấp sẽ có điện áp một chiều, xung có tỷ lệ 50/1 có cực thuận đặt vào 2 cực đèn Xenon Cùng với điện áp trước đó trên tụ 474 bên thứ cấp có điện thế 1000V 2 = 1400VDC tác động kích mồi đèn Xenon phát xạ mức 2

Việc điều khiển nguồn dao động thông qua trung tâm điều khiển xử lý điều hành

Đặt các tham số theo ý muốn trên mặt máy Hệ an toàn đóng vai trò quan trọng bởi chế

độ làm việc của laser Nd:YAG rất khắt khe, bao gồm 13 thông số an toàn

Để có nguồn nước làm mát trong quá trình Nd:YAG làm việc sinh nhiệt rất lớn ta phải có nguồn lạnh sơ cấp lấy nhiệt của nguồn lạnh thứ cấp Nguồn nước lạnh được bơm vào đèn Xenon phải đủ áp lực

Khi đưa tia laser tới tổ chức phẫu thuật thì đường truyền qua cáp quang, để tia laser đi chính xác đến vị trí phẫu thuật ta dùng hệ thống laser định vị có ánh sáng nằm trong vùng nhìn thấy (ở đây ta dùng laser diode ánh sáng đỏ với bước sóng λ = 635nm)

A3 Thiết kế phần điều khiển công suất laser

Laser Nd:YAG có thể hoạt động ở chế độ xung và chế độ liên tục Khi laser Nd:YAG sử dụng ở chế độ xung (chế độ điều chế hệ số phẩm chất) Ta có biểu đồ sau:

Hình 7: Sự phụ thộc của hệ số phẩm chất vào thời gian

Khi điều khiển công suất laser ở chế độ xung thì dòng công suất hệ thống:

I

Đặt

Lúc này năng lượng tuỳ thuộc E = Q1+ Q2+ Q3+…

dt IX C E

X = + ư với XL = Lω và Xc = 1/ωC là trở kháng của cuộn cảm và tụ điện, ω là tần số góc : ω = 2πf

Thường tần số xung f ≤ 1KHz

Bộ tạo xung đơn – xung chuỗi

Mạch điện tạo dao động dùng IC PHASE LOCK – LOOP (4046)

A4 Thiết kế chế tạo phần điện công suất điều khiển đèn bơm

quang học Xenon kích hoạt Laser Nd:YAG Biểu diễn quá trình điều khiển nh− sau:

I làm việc 20A 8.5A

{

Dải điều chỉnh công suất ra

21V

Rơle S3

T1 T2

T2 - T1 = 20S 125V

300V

Uc 2

Rơle tác động 220V

Rơle J1

1000V 1400V

U mồi

Thứ cấp Sơ cấp

300V

Uc 1

τ =8s

Đèn Xenon sáng

R3 30k 2W

C4 103 2kv

C2,c3 474x2 1600v

c1

47400 µ /400v d1x4 75a/

600v

u c1

r1=87Ω

r2=87Ω K1

dkht

atm15a atm15a atm15a

l

n

220vac 50H z

d6,d7/350mA/5kv

Tr2 /50w 210v/1000v c11/104 /400v ls

ls r11

k2

TA3/100W

R9 940k

R10 470k c10

747 1600v

bk2

bk3

4k/2w bk0

bk1 tr1 50/1 C10 474 1600V c8 c7 474x2 1600v

L2

1m r8 r7

1m

xenon (-) (+)

c5, c6 474x2 1600v

c5

4700 µ 400v

d4 1600V 75A d5

u c1

r6 330k

2 W

l1 7mH/100a

g10 dkcs

r6 /100a-1V

E1 c1

t1 75A/

800v r4 d2,D3 r5

Hình 12: Giản đồ xung điều khiển đèn CMOS

9 VC0 IN 10 Test VC0 11 Max Freq 12 Min Freq

A5 Thiết kế ghép nối quang sợi và quang hội tia

Việc nghiên cứu thiết kế hệ quang học Laser YAG phải tạo ra buồng cộng hưởng (BCH) Nó là bộ phận quan trọng nhất của thiết bị Laser Đó là một hệ gồm hai mặt phản xạ đặt đối diện nhau, giữa hai mặt này là hoạt chất Nd:YAG Nó là BCH hở, việc

sử dụng các BCH kín như vẫn dùng trong kỹ thuật siêu cao tần ở đây là không chấp nhận

được vì:

• Vì ta không thể chế tạo được BCH có kích thước cỡ bằng bước sóng ở dải quang học, điều đó chỉ làm được ở dải sóng centimet

• Không có ý nghĩa về mặt năng lượng kích thước quá nhỏ của hệ không đủ khả năng để tạo ra công suất bức xạ cần thiết

• ở hệ quang học laser YAG, một gương chỉ làm nhiệm vụ phản xạ toàn phần còn gương kia phản xạ một phần ánh snág và một phần cho qua (gương bán trong suốt)

Sau đây là sơ đồ nguyên lý hệ quang học Laser YAG

Quang dẫn

Laser YAG ra

Bộ ghép nối quang dẫn Tia

Laser

Thấu kính hội tụ

Guơng bán xạ

Thanh hoạt chất Nd:YAG Guơng phản

ư

= 2 1 12

32 14 3 14 0 32

1 β ϖ τ

τ ϖ δ

e R

trong đó : ω14.τ32 = k Với thuỷ tinh Neodym (có chứa 2% nồng độ Neodym) thì β = 0,005cm-1, l = 12cm, n0= 2.1020cm-3, δ21 = 1,6 10-21cm2 Với k =1, 5 thì giá trị tối ưu của gương bán mờ là R2 = 0,6

Các bước ghép nối quang học như sau:

1 Lau sạch chi tiết

2 Đưa thanh hoạt chất Nd:YAG, đèn Xenon vào buồng quang học Đưa gioăng cao

su (chịu nhiệt, nén , dầu…) vào đầu thanh hoạt chất Nd:YAG, đèn Xenon

3 Vặn chặt tấm ép bịt 2 đầu sao cho nước không rò rỉ ra

4 Đưa buồng quang học vào tấm gá mặt dưới sao cho song song với hệ tối đa (bằng cách so sánh mép gia công)

5 Đưa 2 tấm đỡ gương phản xạ vào 2 phía đầu tấm gá mặt dưới theo hàm chuẩn

6 Đưa 2 gương phản xạ vào 2 tấm gá gương 2 đầu (gương phản xạ ở phía sau, gương bán xạ phía trước, chú ý không làm mặt gương bị bẩn)

7 Đưa cả hệ quang vào sàn vững chắc của thiết bị sao cho đúng đầu (Laser out)

8 Đưa 2 cực điện áp kích đèn Xenon vào

9 Đưa ống cao su bơm nước mát vào buồng quang học (nước mát làm lạnh cả buồng quang học bao gồm thanh hoạt tính Laser, Nd:YAG và đèn Xenon)

Yêu cầu khi ghép nối:

1 Trục BCH phải vuông góc với hai gương phản xạ

2 Hai gương phản xạ phải song song nhau

3 Tia dẫn đường trùng với trục quang BCH

4 Thấu kính hội tụ đặt chuẩn với hệ ghép nối quang dẫn

A6 Thiết kế hệ thống quang dẫn đường

Trong điều trị phẫu thuật, nhất thiết phải có dẫn đường nhằm mục đích chuẩn xác

điểm cần phẫu thuật khi có tia Laser YAG tới tổ chức cần phẫu thuật Thường ánh sáng dẫn đường là Laser he-Ne (2 ữ5mW) hay Laser Diode đỏ bước sóng 635ữ 638nm (bước sóng λ = 633nm màu đỏ)

Trong thiết kế, chế tạo hệ dẫn đường phẫu thuật bằng Laser Diot bán dẫn phải đạt

Dùng IC LM 317 để chỉnh độ sáng của Laser Dide cho thích hợp trong phẫu thuật

Bộ lọc chặn, bảo vệ, chống Pic hệ thống, cản dịu quá trình đóng

L 1

L 2

D1 1

A7: Căn chỉnh quang học và căn chỉnh laser dẫn đường

Trước khi lắp ghép phối hợp hai hệ laser dẫn dường và laser Nd:YAG ta phải tiến hành căn chỉnh từng hệ sau đó mới lắp ghép và căn chỉnh tổng thể

1 Căn chỉnh laser dẫn đường

Việc căn chỉnh hệ dẫn đường rất phức tạp và thường phải đạt được chỉ tiêu kỹ thuật + Đặt sai số cho phép ± 0,1mm

+ Kết cấu hệ quay chặt chẽ (tránh sai số sau một thời gian sử dụng)

Sau đây là 2 phương án quang học hệ dẫn đường

Laser He -Ne

Guơng phản xạ

Hệ laser YAG Cáp quang

- An toàn cho người sử dụng và người căn chỉnh

H2 H4

1 Chỉnh đường chuẩn trực sao cho:

- Song song với thanh Nd:YAG

- ở giữa tâm thanh Nd:YAG (chuẩn bằng gương chuẩn)

2 Chỉnh gương phản xạ vuông góc với đường chuẩn trực bằng cách đặt tấm phẳng vào sát mặt C Ta sẽ thấy đốm mờ của tia Laser Diode phản xạ về từ gương phản xạ

Đ iể m p h ả n x ạ

Đ iể m c h u ẩ n trự c

Hình 19: Dấu vết điểm phản xạ

Nếu điểm phản xạ trung với điểm chuẩn trực có nghĩa là mặt gươn phản xạ B vuông góc với đường chuẩn trực Nếu lệch (xem hình 19) phải chỉnh 4 vít gá gương phản xạ

3 Tương tự với tấm A

Như vậy ta có hệ chuẩn

Đừơng chuẩn

90 0 0

90

Hình 20: Gương và thanh Nd:YAG căn chỉnh theo đường chuẩn

4 Đưa thấu kính hội tụ vào tấm A, chỉnh điểm hội tụ chuẩn vào giữa tâm của đường chuẩn trực (cắt nhau trên một mặt phẳng tại 1 điểm)

Đừơng chuẩn

Tia Laser Diốt Mặt phẳng cắt

Hình 21: Chỉnh thấu kính theo đường chuẩn

Nếu lệch hệ thống mặt A, B phải chỉnh bằng hệ vít chỉnh gá tấm A, B : 8 vít chỉnh /1 tấm

(Xem các bản thiết kế phần IV)

Để tạo đường chuẩn ở đây ta dùng tia Laser diode vừa là để dẫn đường vừa là

đường chuẩn

Sơ đồ chức năng hệ quang học, phối ghép Laser Diode dẫn đường

Buồng quang học ( BCH )

Hình 22: Sơ đồ chức năng của hệ quang học Laser YAG

A8 Thiết kế hệ công suất và làm lạnh

ở phần này, ta trình bầy hệ công suất hệ thống Hệ công suất cung cấp điện cho 3 phần chính:

1 Phần làm lạnh (COOLING SYSTEM)

2 Phần điện điều khiển hệ thống (CONTROL SYSTEM)

3 Phần điện công suất và điều khiển Laser YAG ra (LASER OUT)

Xem sơ đồ công suất hệ thống:

Trong phần làm lạnh có:

- Làm lạnh nước ngoài (5-100C) cho thiết bị Laser YAG (OUTside cooling system)

- Bơm nước mát (170C – 230C) cho ống Laser (Inside cooling system)

(Phần sau ta phân tích kỹ điều này)

Trong phần điều khiển hệ thống có:

- Chỉ thị tham số hệ thống và cho ra lệnh tác động (INDICATOR)

- Phần nguồn công suất DC (DC Power)

- Phần đặt thời gian điều trị (Time)

- Phần đo và điều khiển nhiệt độ, báo động (Temperature Control)

- Quạt mát (Air fan)

Trong phần điện công suất Laser YAG ra có:

- Công suất phát Laser YAG

- Xử lý nội bộ

(Đã trình bầy ở trên)

Dưới đây ta đi phân tích các khối:

Đo, xử lý, điều khiển, báo động, nhiệt độ (Temperature control) sử dụng bộ vi xử lý RS – 3/RS – 6 Sau đây là phần cài đặt; phần hệ thống

Sau đây là thiết kế hệ công suất điều khiển hệ thống:

50hz, 30a

fan Lock Cooling

Pumping cooling water Motor m

yag laser power system

power controll time (selector) fsW pause

timer

star ca

sensor

+24v

cooling system

Hệ công suất hệ thống temp alarm

Hệ chỉ thị

và tác động

an toàn

Phần nguồn một chiều DC (DC POWER) công suất: Sử dụng IC 7805, IC 7905, IC 7812,

IC 7824

220V~

7805 +10VDC

+5VDC 7905

7812

7824

12VDC

+ 24VDC

Hình 24: Nguồn một chiều sử dụng trong thiết bị

Phần đặt thời gian điều trị: 0 ữ30 phút

+24V +12V

+12V

IC555

104

8 4 7 6 2 1 3

Hình 25: Mạch điện đặt thời gian điều trị

Phần điều khiển, xử lý nội bộ trong phần công suất Laser YAG (xem hình phần các bản

vẽ thiết kế)

Phần làm lạnh và phần bơm nước mát:

T C 18 C

Bể Inox cách nhiệt

Bể nứơc

Bể thứ cấp nội

Máy bơm Inox

Buồng quang học Laser YAG

Bể sơ cấp(ngoài)

Bể lạnh (5 C) Cắt quá tải

P

0 0

Hình 26: Sơ đồ khối hệ thống làm lạnh và bơm nước mát

Nước trong bể thứ cấp (bể Inox nằm trong máy Laser YAG) có cài đặt hệ đo nhiệt độ

và tự động khống chế nhiệt độ đặt ở 180C và dải làm việc an toàn từ 170C – 230C, ngoài dải nhiệt độ này hệ thống tự động cắt Laser Power (Alarm Temperature) ta có giản đồ

+5VDC

(ON)

22 C

ALARM2 MODE 00 (ON)

Hình 26 Giản đồ nhiệt độ hoạt động

Xung quanh giá trị 180C (Đặt) hệ thống tự ngắt ON/OFF để cho phép nước lạnh (50C) từ nguồn lạnh ngoài (COOLINH SYSTEM) vào ruột ga đặt trong bể thứ cấp và làm lạnh nước mát này Nước mát 180C

được động cơ đặc biệt (Inox) bơm vào buồng quang học với vận tốc cực mạnh (Xem bảng tham số động cơ)

Nếu máy bơm không chạy sẽ có cảm biến áp lực P đo và cắt nguồn cung cấp ngay lập tức Các bể Inox sơ cấp, thứ cấp chế tạo đặc biệt: Có hai lớp vỏ, ở giữa có lớp cách nhiệt

Unithan cao cấp (Xem hình vẽ bể nước phần IV)

Hình 27: Bảng tham số máy bơm nước

Các đường ống dẫn nước loại cao su đặc biệt hai lớp ở giữa có lớp Amiăng cách nhiệt, chịu áp lực Chế tạo hệ lạnh rất khó khăn đòi hỏi sự bền vững và chuẩn về nhiệt, về cơ, về

điều khiển…Nếu không tốt sẽ ảnh hưởng lớn đến sự phát ổn định công suất laser YAG ra

và làm tuổi thọ của đèn Xenon cũng như thanh hoạt tính Nd:YAG giảm nhanh chóng Ta

đã biết rằng giá của hai sản phẩm trên là khá cao (vài nghìn USD)

Lệnh điều khiển từ thiết bị Laser YAG đến thiết bị làm lạnh COOLING SYSTEM là lệnh đóng ngắt (ON/OFF) rất độc lập Ví thử không có nguồn lạnh mà ta có nguồn nước lạnh khác của thành phố đạt điều kiện T0C ≤ 150C thì ta không cần máy làm lạnh đặc biệt trên mà chỉ cần nối thẳng với một động cơ ngoài và bơm nước vào thiết bị Laser YAG Như vậy việc thiết kế trên rất linh động với hoàn cảnh khác nhau

Nguồn lạnh ngoài (COOLING SYSTEM) cũng được nhóm dự án chế tạo khá tốt và chuẩn với công suất lạnh 200.000PTU, tiêu thụ điện nhỏ (1,5 KW), kích thước nhỏ hơn máy nước ngoài 50%, trọng lượng giảm 30% Dung tích nước lạnh là 65l, tốc độ lạnh là

Khi có hệ thống lạnh trên ta có thể sử dụng Laser YAG liên tục làm việc không phải nghỉ (Về lý thuyết có thể là 24/24h)

Trong thiết kế, các khối chức năng trên phải tuân thủ các nguyên tắc:

- Chặt chẽ (để bền vững theo thời gian, vận chuyển)

- Đẹp, hợp lý (theo công năng, không gian, logic)

- Dễ dàng thay thế, đo đạc, căn chỉnh, lắp đặt, sửa chữa, bảo dưỡng

- Theo khối (Block)

- Thông thoáng tốt, yếu tố nhiệt độ, độ ẩm không làm hỏng hệ thống

- Từ trường mạnh phải cách xa các phần chức năng (nội bộ hay ngoại vi)

- Các linh kiện phải tốt và xử lý nhiệt đới hoá (tấm phủ hay cách điện tefron hay silicon…)

- An toàn cho người sử dụng, người lắp đặt, sửa chữa

(Bản vẽ thiết kế khung sườn và hệ gá cơ bản của thiết bị xem phần các bản vẽ thiết kế)

A9 Thiết kế hệ an toàn hệ thống

Bao gồm sự ổn định, đo đạc, cảnh báo, tự động điều chỉnh , tự động cắt

Mô tả quá trình đó bằng giản đồ:

Tạo, ổn định nhiệt độ nƯớc lạnh cung cấp cho hệ thống

Tay ( điện )

Đặt đƯợc ngƯỡng làm việc hệ thống thành 2 mức 15A VAC và 30A DC Power

Tự động ( điện ) Chủ động báo các tham số cơ bản của thiết bị

Tự động ( nhiệt độ → điện )

Cắt đóng nguồn cung cấp cho Laser Nd: YAG khi

Tự động ( áp suất → điện ) Cắt đóng khi máy bơm nƯớc mát

không làm việc ( dòng chảy áp lực )

Tự động ( điện điều khiển ) Cắt khi cửa phòng mở hay phần tử khác không

theo ý muốn của bác sĩ phẫu thuật ( CLOCK )

Cắt khi thiết bị khác quá tải:

Máy bơm, phần nguồn Laser 12A

Tự động ( điện I → V ) Cắt khi phần nguồn Laser Nd: YAG

quá tải 25 A

Tự động ( điện I → VTổng ) Cắt hệ thống khi quá dòng tiêu thụ

của thiết bị ( tổng )

Tự động ngoài ( nhiệt độ )

Để thiết kế các quá trình an toàn trên ta sử dụng các phần tử đa dạng sau:

1 Phần tử Sensor cảm biến dòng đ−ợc thiết kế sâu trong APTOMAT điện Khi I >Iđặt sẽ tự

0

Hình 31: Giản đồ xử lý cho báo động

3 Phần tử sensor cảm biến áp lực (P) bằng nguyên lý nâng áp lực

5 Các Rơle điều khiển đầu ra dòng lớn: 10A, 15A,30A

6 Các phần tử tiếp điểm tác động cơ, từ trường, quang:

Cơ học, quang học, điện tù truờng tác động

Trong phần này chúng ta cùng nếu vấn đề an toàn cho người do Laser YAG tác động nguy hiểm đến các cơ quan của cơ thể

Theo tiêu chuẩn hoạt động của CDRH:

1 Có khoá bên trong hay lớp vỏ bảo vệ bên ngoài của máy

2 Có khoá nối điều khiển thiết bị với cửa ra vào

3 Có công tắc khoá hoạt động Khoá khẩn cấp

4 Có chỉ thị Laser đang làm việc (đèn PILOT, âm thanh)

5 Có bộ suy giảm chùm tia khi khoảng cách xa

6 Có dán các nhãn cảnh báo(trên máy, nơi nguy hiểm, phòng Laser)

7 Có bộ bảo vệ khi sử dụng, nhìn, tiếp xúc với phần quang, máy(lọc hay khử toàn bộ

Laser YAG là sản phẩm Laser lớp IV cho nên rất thận trọng khi sử dụng trong vùng nguy hiểm định danh (NHZ) Nếu chúng ta tính khoảng cách từ dòng phản xạ bên kia mà giới hạn lộ sáng (EL) hay mức lộ sáng cho phép lớn nhất gây ra tổn thương (trong chốc lát) trong lúc nhìn là không cho phép Điều này trong thực tế thường là rất lớn Đối với Laser YAG có năng lượng đầu ra 0,1J sẽ có khoảng cách rHAZ cỡ 80cm đối với xung đơn có bước sóng 1064nm Và nếu sử dụng công suất tối đa 60W thì khoảng cách nguy hiểm có thể lên tới vài chục mét Vì thế không chỉ có các tia phản xạ trực tiếp hay khuyếch tán đều nguy hiểm và vượt quá hệ số EL hay MPE

Kính bảo vệ mắt khỏi laser có bán trên thị trường khi mua phải chú ý:

- Bảo vệ loại Laser nào, bước sóng bao nhiêu?

- Đối với phạm vi sử dụng nào, công suất nào?

ở đây bước sóng laser Nd:YAG là 1064nm nên chú ý dòng chữ của nhà sản xuất theo tiêu chuẩn ANSIZ – 136.1

A10 Đặc điểm và các thông số kỹ thuật

• Loại Laser Nd:YAG bước sóng : 1064nm

• Chế độ làm việc : Liên tục, xung đơn, xung chuỗi

• Công suất phát : 0 ữ60W

• Điều chỉnh công suất, thời gian xung : vô cấp

• Đường kính tia Laser tại đầu cáp quang : 0,4mm

• Đầu nối cáp quang : SMA 905

• Dẫn đường : Laser Diode λ = 635nm

• Thời gian xung Laser làm việc : 0,1 ữ 2,0 s

• Thời gian xung Laser nghỉ : 0,5 ữ 2,0s

- Nhiệt độ làm việc (TEMP)

- Laser ra (Laser OUT)

- Công suất Laser ra (W)

- Điện vào (Power)

- Thời gian điều trị (TIME)

• Tác động dừng tạm thời: Pause

• Tác động dừng tức thời khẩn cấp: EMERGENCY

• Tác động dừng máy : OFF POWER MAIN

• Tác động làm việc: Bàn đạp (FOOT – SWITCH), đặt thời gian (Start Time)

• Hệ thống làm mát hệ thống quang học Laser YAG: Bơm nước mát 180C quay vòng

• Hệ thống làm lạnh đầu vào có nhiệt độ nước vào: ≤ 150C

• Dải nhiệt độ làm việc tự động cắt hệ thống: 170C ≤ T ≤ 230C

• Công suất tiêu thụ: 4kW

• Dòng điện làm việc tối đa: 15A, 50Hz

• Điện áp làm việc: 220VAC, 50Hz

• Chế độ khoá từ xa: LOCK

• Nhiệt độ môi trường làm việc: 250C ± 50C

• Độ ẩm môi trường: 75%

• Trọng lượng: 80kg

• Kích cỡ: 500 x 600 x 970mm

B Các chú ý an toàn và các bước vận hành thiết bị laser Nd:YAG

B1 An toàn quốc tế:

- Thiết bị Laser này thuộc nhóm sản phẩm IV (Laser công suất rất cao)

- Tất cả mọi người trong phòng mổ phải đeo kính bảo vệ mắt

- Luôn nhớ hướng đầu phát của khớp quang xuống đất khi không sử dụng thiết bị Không để đầu phát theo hướng khác để tránh tai nạn bất ngờ

- Phải tiếp đất cho thiết bị theo đúng qui cách

- Người không có phận sự không được đụng vào thiết bị

Chỉ có các bác sĩ chuyên khoa đã được huấn luyện và cấp chứng chỉ về kỹ thuật phẫu thuật bằng Laser và kỹ thuật vận hành thiết bị mới được sử dụng thiết bị

Hình 34: Các nhãn cảnh báo quốc tế

B2 Các điều phải tuân thủ khi sử dụng laser nd:YAG

1 Chú ý an toàn

- Đặc biệt chú ý tới các vị trí có dán nhãn cảnh báo quốc tế trên máy

- Không bắn tia laser vào mắt, vào người, vào tường, vào không gian vô định, vào vật liệu có thể phản xạ tia (kính, gương, kim loại, vậtliệu bóng…)

- Mang kính bảo vệ mắt khi làm việc với Laser (tất cả những người trong phòng phẫu thuật)

- Không nhìn trực tiếp vào tia

- Tuyệt đối không tháo nắp che chắn, việc này chỉ dành cho các kỹ thuật viên đã được huấn luyện kỹ

- Trong trường hợp có bất kỳ một vật hay dung dịch gì lọt vào bên trong máy thì cần tắt ngay nguồn điện và kiểm tra kỹ trước khi bắt đầu hoạt động trở lại

- Độ ẩm của phòng cao rất nguy hiểm bởi vì có thể đánh điện ra vỏ máy, nhuy hiểm cho người, thiết bị (gương, thấu kính, cao áp, hệ Laser, điện tử, điều khiển,…)

- Cẩn thận giữ gìn cáp quang không bẻ gãy, khi thay cáp quang phải tắt máy

- Phải cắt điện khi muốn dịch chuyển máy

- Thường xuyên xem xét các cút nối sau máy, nếu rò rỉ phải cắt điện mạng, khoá van tổng rồi mới sửa chữa Chỗ bảng điện sau máy rất nguy hiểm bởi vì nguồn nước lạnh và điện cùng trong một hốc điện rất dễ gây rò hay chập điện

2 Chú ý vận chuyển lắp đặt:

Cắt nguồn, tháo dây nguồn Cắt nước, tháo dây nước Tháo cáp quang theo đúng quy trình, cho cáp quang vào hộp đựng sạch sẽ, tháo cần đỡ cáp quang Khi vận chuyển luôn đặt thiết bị theo chiều đứng, nhẹ nhàng, tránh va đập rung sóc, mưa nắng, nóng

ẩm, bụi bẩn…

Chú ý qui trình lắp đặt, tháo rời đóng hòm Đặc biệt khi lắp đường nước phải không

để rò rỉ, xiết đường nước chặt chẽ

3 Chú ý nguồn cung cấp:

Thiết bị hoạt động dùng AC một pha 198 – 242 V 50Hz~60Hz, 30A Nút ấn EMERGENCY ở trước mặt máy được sử dụng trong trường hợp khẩn cấp Nó là một nút tự khoá, do đó sau khi ấn muốn phục hồi phải xoay vòng nút máy theo chiều kim

5 Chú ý về phòng ốc, môi trường:

Diện tích tối thiểu 20m2, kín – tránh bụi, thoáng, sàn nhà phẳng Trong phòng không

có nguồn nhiệt nguy hiểm và phải để xa máy ánh sáng mặt trời chiếu qua cửa không trực tiếp vào máy Đặt máy không gần nơi có rung động hay chấn động cơ học Đặt máy cách

xa Labô rửa tay hay bất kỳ nguồn ẩm nào khác Đặt máy không trực diện vào luồng khí lạnh của điều hoà nhiệt độ Nhiệt độ của điều hoà chỉ nên từ 22- 250C là tốt nhất Không dùng quạt mát thổi thẳng vào máy Có Aptomat tổng 30A cung cấp điện cho phòng Tóm

lại, cần lưu ý các yếu tố: ẩm, nhiệt, ánh sáng, thoáng, bụi, khói, mùi, gió, hoá chất,

chấn động, điện

Ngoài phòng có biển cảnh báo có hàng chữ:

Nguy hiểm – không phận sự miễn vào – miễn sử dụng

Đặc biệt nguy hiểm cho mắt

Có trang bị: máy Hút bụi, Hút khói – Khử mùi, Đèn tiệt trung, Đèn sáng đủ mạnh,

Điều hoà nhiệt độ, Máy đo độ ẩm, Nhiệt độ không khí trong phòng Đồng hồ thời gian, Thiết bị phòng – cháy nổ Vệ sinh phòng ốc hàng ngày