nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser nd yagq switched hai bước sóng 1064532mm dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ LASER BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO LASER Nd:YAGQ-SWITCHED HAI BƯỚC SÓNG 1064/532mm DÙNG TRONG Y HỌC THẨM MỸ CAO CẤP Chủ nhiệm đề tài: KS LÊ HUY TUN 7383 01/6/2009 H NI 2008 Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ ( Thông tin quản lý ) Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chÕ t¹o laser Nd: YAG Q- switched hai b−íc sãng 1064/532nm dïng y häc thÈm mü cao cÊp Mà số: Chơng trình: Chủ nhiệm đề tài: Ks Lê Huy Tuấn Cơ quan (cấp) quản lý: Bộ Khoa học Công nghệ Cơ quan chủ trì: Trung tâm công nghệ Laser Viện ứng dụng công nghệ Cơ quan phối hợp: Xởng khí Trung tâm 80 Cục tác chiến điện tử; Nhà máy yếu TW Đảng; Bệnh viện TW Quân đội 108; BƯnh viƯn §a khoa Hång Ngäc Thêi gian thùc hiƯn: 24 tháng (01/ 2006 ữ 12/ 2007) Kinh phí : 385 triƯu ®ång Ng−êi tỉ chøc, thùc hiƯn chÝnh: - KS Lê Huy Tuấn - TS Trần Ngọc Liêm - Phòng Điện tử Y học TTCN Laser 10 Mục tiêu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 01 thiết bÞ laser Nd:YAG Q-switched øng dơng laser Nd:YAG Q-switched điều trị 20 bệnh nhân 11 Nội dung: Nghiên cứu, khảo sát hệ thống: nguyên lý, đo lờng phân tích tham số chế hoạt động Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm: modul, panel, block khối điều khiển, chức hệ thống Lắp ráp hiệu chỉnh quang học, học, điện tử, điện lạnh Thiết bị hoạt động thử nghiệm phòng thí nghiệm 100h e ứng dụng điều trị thực nghiệm bệnh nhân thống kê, tổng kết đánh giá kết KHCN Y học 12 Nhu cầu Kinh tế Xà hội, nơi áp dụng (u áp dụng, giá thành thiết bị): Hiện nhu cầu ứng dụng thiết bị laser Nd:YAG Q-switched lớn chuyên khoa da liễu thẩm mỹ (u sắc tố, u máu phẳng, sẹo lồi, mụn ruồi, hình xăm) nhng thiết bị nhập ngoại đắt tiền ( trung bình khoảng 50.000USD) lại dễ hỏng hóc điều kiện thời tiết Việt Nam, việc bảo hành, sửa chữa thiết bị gặp nhiều khó khăn hầu nh không sửa chữa đợc Nếu khắc phục đợc vấn đề có khả cung cấp thị trơng Việt Nam 100 máy/ năm với giá thành 20.000USD/1 máy 13 Tình hình nghiên cứu trong, nớc: Trong nớc: Đến thời điểm này, cha có tổ chức đặt vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế t¹o laser Nd: YAG Q- swiched hai b−íc sãng 1064/532nm dïng y häc thÈm mü cao cÊp mét c¸ch hoàn chỉnh Trên giới: Mỗi hÃng sản xuất cho loại thiết bị có u điểm riêng biệt nhng hoạt động Việt Nam gặp phải số cố nh: bền bỉ, tơng thích với điều kiện hoàn cảnh sử dụng địa bàn khác Báo cáo tóm tắt thực đề tài Nghiên cứu, thiết kÕ, chÕ t¹o laser Nd:Yag Q – switched hai b−íc sãng 1064/532nm dïng y häc thÈm mü cao cÊp ” ThiÕt bÞ laser Nd:YAG Q – Switched hai b−íc sóng 1064/532nm thuộc dòng thiết bị y học công nghệ cao, phức tạp, khó tiếp cận chế tạo Tuy nhiên, sau hai năm nỗ lực nghiên cứu triển khai thực nội dung đăng ký thuyết minh, đến Nhóm đề tài đ đạt đợc số kết bớc đầu: 1/ Hoàn thành mục tiêu đặt chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị 2/ Cho thiết bị chạy thử, kiểm chứng thực nghiệm 200 bệnh nhân Khoa y học thực nghiƯm BƯnh viƯn 108 vµ BƯnh viƯn Hång Ngäc vµ bớc đầu thu đợc kết điều trị khả quan (vợt mức yêu cầu đặt ra) 3/ Qua trình sử dụng (8 tháng) thiết bị hoạt động tốt, không gây tiếng ồn, ổn định, có mỹ thuật đẹp, hợp lý lắp đặt nh thao tác, vận hành, độ an toàn cao (13 tham số an toàn tự động bán tự động) 4/ Đà xây dựng đợc: - Các nguyên tắc thiết lập cấu hình bố trí hệ thống đà tính đến yếu tố: An toàn toàn diện tối u tham số hoạt động nhằm nâng cao độ bền vững (tuổi thọ) thiết bị; Khả thay linh kiện; Giá trị thẩm mỹ; Khả lắp đặt triển khai thiết bị vào thực tế; Thiết kế mở để nâng cấp hay tháo lắp bảo trì sửa chữa dễ dàng phù hợp Phơng pháp tính toán thiết kế kỹ thuật phần tử hệ thống - Phơng pháp lựa chọn linh kiện tốt, hợp lý, có độ bền hoàn cảnh môi trờng Việt Nam - Các quy trình, nguyên tắc gia công, lắp ráp, chỉnh phần tử hay khối chức nhằm đạt đợc độ an toàn, bền vững, xác cao xác suất hỏng hóc thấp - Bộ hồ sơ thiết kế chế tạo tổng thành hoàn chỉnh (bản vẽ kỹ thuật, phơng pháp, quy trình) Từ sản xuất giai đoạn để cung cấp cho nhu cầu thị trờng nớc Những vấn đề công nghệ cần giải giai đoạn sau: Đề tài hoàn chỉnh công nghệ chế tạo mức độ đơn nên cần nghiên cứu thiết lập công nghệ có tính chất chế tạo dây chuyền để sản xuất thiết bị với quy mô lớn Vấn đề làm lạnh (bằng blog lạnh) phải đợc đa vào bên máy laser Nd:YAG ®Ĩ gi¶m sù cång kỊnh hƯ thèng MỤC LỤC Trang Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo thiết bị laser Nd:yag q switched hai b−íc sãng 1064/532nm 1 Sơ đồ khối chức 2 Nguyên lý hoạt động B.Tinh thÓ Nd:YAG vµ KTP Tinh thể Nd:YAG 11 Q - Switch 13 Tinh thể KTP c ®iƯn công suất điều khiển đèn bơm quang học Xenon kích ho¹t 33 A HƯ thèng laser Nd:YAG Q – switched (λ = 1064/532nm) laser Nd:YAg H An toµn hƯ thèng 33 34 40 40 41 42 42 42 50 50 51 51 51 53 54 61 PhÇn II: Tham sè vận hành thiết bị 64 A.sự phân loại thiết bị điều trị yêu cầu môi trờng 64 64 65 66 69 70 72 Hệ thống bơm quang học Hệ thống điều khiển lượng phỏt tia laser D Điều khiển công suất laser Chế độ điều biến độ phẩm chất Bộ tạo xung đơn, xung chuỗi E Quang häc, ghÐp nèi vµ chỉnh S nguyờn lý h quang BCH – yêu cầu ghép nối chỉnh F HƯ thèng b−íc sãng Vị trí lắp đặt KTP Hệ thống điều khiển chuyển động KTP G.§iỊu khiĨn tham số hoạt động hiển thị H thống mạch điều khiển Bộ chuyển đổi tương tự/số Vi điều khiển 89C51 B th«ng sè kỹ thuật C phạm vi áp dụng D giới thiệu chức E giới thiệu hệ thống hoạt động F cài đặt điều khiển thiết bị G sửa chữa Phần III: ứng dụng thử nghiệm máy bệnh nhân 74 Phần IV: Phụ lục 79 ti cp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm dùng y học thm m cao cp Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo thiết bị laser Nd:YAG Q Switched hai b−íc sãng 1064/532nm a/ HƯ thèng laser Nd:YAG Q Switched ( = 1064/532nm) Sơ đồ khối chức Nguồn AC220V/50Hz/15A Nguồn DC ổn áp 5V, 10V, 12 V, 24 V Power supply Đặt tham số làm viƯc PARAMETER (6 tham sè) APTOMAT tỉng b¶o vƯ hƯ thống chỉnh lu Trung tâm điều khiển , xử lý , đo đạc, điều hành Nguồn công suất nuôi dao động 300VDC/30A Control Central Dc Power Nguồn lạnh sơ cấp, thứ cấp, bể nớc, máy bơm, đo nhiệt độ tự động (18-200 C) Cooling Water TRANZITOR Siêu công suất Chỉnh lu lọc cao tần rectifier An toàn hệ thống (13 tham số ) Đo áp lực, dũng chy Flow pressure Safety system §Ìn XENON Thanh laser Nd: YAG/KTP Laser dÉn ®−êng λ = 635nm Aiming Beam Nguån laser dÉn ®−êng AIMING Beam pOWEr T¹o Q - Switch C−ìng bøc Quang häc optical C¸nh tay laser Conducting Light arm Laser Nd:YAG Hình Sơ đồ khối chức Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp“ Nguyên lý hoạt động Thiết bị kết nối với điện mạng AC220V/50Hz/60Hz/15Ampe → qua APTOMAT 20A bảo vệ dòng tổng → qua lọc nhiễu hệ thống NOISER FILTER 20Ampe qua khởi động từ MAGETRIC RELAY 20A/36V DC CONTROL → qua cảm biến dịng điện CURRENT SENSOR 20A→ qua TRANSITROR siêu cơng suất MOSFET Hệ dao động tần số 1Mhz điều khiển tạo dịng điện xung cơng suất → qua chỉnh lưu lọc cao tần KIT DIODE → qua van đột ngột → tạo điện áp đặt lên đèn Xenon (công suất laser tỉ lệ với điện áp này) → laser Nd:YAG / KTP tạo tia laser → Bộ tạo Q – switch cưỡng → qua hệ quang học → cánh tay laser khớp → đến mô điều trị Laser dẫn đường (λ = 635nm) hợp tia trùng khít tia laser Nd:YAG Trung tâm điều khiển xử lý đo đạc, điều hành CONTRAL CENTRER làm nhiệm vụ điều khiển xử lý tồn hệ thống thơng qua tham số như: thời gian đóng mở nguồn điện, dịng điện I, điện áp U, nhiệt độ nước, laser, máy bơm, lưu lượng nước, áp lực nước, thời gian xung (Q - Switched), thời gian xung lặp lại WIDTH PULSE, tần số xung FREQUENCY PULSE…Tất tham số điều hành bị lỗi hệ thống báo lỗi thiết bị tự động dừng hoạt động Các nguồn ni AC, DC có chất lượng cao xử lý với độ xác 1% An tồn hệ thống thiết lập cách chuẩn mực với độ xác độ nhậy cao nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ, độ tin cậy hệ thống diều kiện không áp ứng Điều cần thiết cho thiết bị đại có nhiều lĩnh vực áp dụng: Điều khiển tự động, Quang học, Điện tử công suất, Điện lạnh, Cơ học Việc đặt thông số làm việc hiển thị hình LCD cảm ứng giúp cho người vận hành dễ dàng thân thiện (6 tham số hiển thị lúc): Năng lượng ENGERY, tần số FREQUENCY, laser dẫn đường LASER BEAM, lựa chọn bước sóng WAVE LENGTH, đếm xung TREATING COUNT, chế độ hoạt động READY/STANDBY Hệ thống bơm nước mát BCH laser Nd:YAG thực nhờ động có áp lực 8000mm cột nước bơm nước tuần hồn từ bể nước Inox có dung tích 10l Việc giảm nhiệt bể nước cần thiết trình hoạt động đèn Xenon phát nhiệt cao 10C/1 phút, điều thực cưỡng nhờ nước lạnh nước sinh hoạt Quá trình hoạt động hệ nước làm mát cảm biến nhận biết áp lực, lưu lượng, nhiệt độ Các tham số nước không đảm bảo hệ thống tự động dừng báo lỗi Hệ quang học bố trí mặt nhơm dầy 50mm có độ biến dạng học thấp, vít chỉnh hệ quang học hãm tốt nhằm chống rung sóc vận chuyển giãn nở nhiệt độ gây nên Đặc biệt cánh tay truyền Nd:YAG có độ xác cao ( 1/1000), có gương phản xạ nằm khớp linh động Tia laser trước khỏi cánh tay qua thấu kính hội tụ điều chỉnh tiêu cự từ ÷ mm Toàn hệ thống thiết kế khung học vững chãi di chuyển linh hoạt không gây tiếng ồn Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp“ B/ tinh thÓ Nd:yag /ktp, điều kiện chế phát tia laser Tinh thể Nd:YAG Laser Nd:YAG laser rắn sử dụng phổ biến kể từ hợp chất Nd:YAG sử dụng làm hoạt chất laser thành cơng vào năm 1964 Cơng thức hố học chất Y3Al5O12 (Ytrium Aluminum Garnet-viết tắt YAG) tâm kích hoạt ion Nd3+ (Neodym-viết tắt Nd) Bức xạ laser xảy dịch chuyển mức lượng ion Nd3+ Hoạt chất ion Nd3+ cấy vào tinh thể YAG với tỷ lệ đến 2% (theo trọng lượng) Do mật độ Nd3+ lớn nên hệ số khuếch đại laser Nd:YAG lớn nhiều so với laser khí Hợp chất Nd:YAG hợp chất sử hữu thuộc tính tốt quang học, nhiệt khí ngun liệu sử dụng tốt cho laser rắn Đặc trưng hợp chất là: truyền dẫn mạnh nhiệt độ phịng với bước sóng 1064nm, độ rộng tia 4,5 A0, thời gian huỳnh quang 230ns, điểm nóng chảy 19700C Nd:YAG vơ cứng có dẫn suất nhiệt tốt Một số tính chất vật lý tinh thể Nd:YAG Tinh thể Nd:YAG tinh thể đều, nuôi phương pháp Czochral (kéo tinh thể nóng chảy) Trường tinh thể gần đối xứng tứ giác Số nút mạng tinh thể 1,36.1022/cm3 Tiết diện chuyển dịch laser hiệu dụng 3.10-19 cm2 điều kiện nhiệt độ phịng Thanh hoạt chất thơng thường có độ dài từ 75mm đến 150mm, đường kính lớn 8mm (tuỳ thuộc vào công nghệ nuôi) Hai đầu hoạt chất cắt phẳng cắt theo góc Bruster đánh bóng, phủ lớp khử phản xạ Mục đích khử phản xạ để tránh tạo buồng cộng hưởng phụ Tuỳ theo công nghệ nuôi cấy khác nhau, tiết diện ngang hoạt chất hình trịn, hình chữ nhật hay hình vng Tuy nhiên, thơng thường hình trịn, cơng nghệ kéo hình trịn dễ bảo đảm độ đồng Một số tham số laser Nd:YAG (của hãng Korad, USA) tinh thể YAG tổng kết bảng 1.1 bảng 1.2 Bảng 1.1 Các tham số laser Nd:YAG JK Anh chế tạo Kích thước hoạt l = 100mm, D = mm chất Nd:YAG Bơm quang học đèn Crypton, đèn có cơng suất 6kW (500ms) Bộ phản xạ elip có mặt đánh bóng phản xạ 90% Năng lượng ≈2J Công suất phát Ở chế độ tự (λ = 320µm) ≈ 50kW, chế độ xung (λ = 10ns) ≈ 2000 MW Độ dài bước sóng 1,064 µm Độ phân kỳ mrad Cấu trúc chùm tia Đơn mode Hiệu suất 2% Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp“ Bảng 1.2 Tính chất tính thể YAG Số nút mạng tinh thể 1,36.1022 cm-3 Nhiệt độ nóng chảy ≈ 12150C Độ dẫn nhiệt đo nhiệt độ 25oC 0,11 W/cm.0C Độ khuếch tán nhiệt 7,7.10-6/0C Hệ số hấp thụ ánh sáng (λ =0,63 µm) 1,83 cm-1 Phổ hấp thụ vùng cực tím 0,24 µm Phổ hấp thụ vùng hồng ngoại xa 5,6µm Độ dài mạng 12,01 Å Cấu trúc tính thể Đều Sơ đồ mức lượng Các dịch chuyển Nd3+ YAG trình bày hình (1.1) Khi bơm (nhận lượng quang từ ngoài) ion Nd3+ chuyển từ trạng thái với mức E S3/2, 4F7/2, (A) H9/2, 4F5/2, (B) 1,064µm F3/2 (C) 1,061µm 4 I15/2 I13/2 I11/2 I9/2 Hình 2: Sơ đồ dịch chuyển ion Nd3+ vùng quang học lượng 4I9/2 lên ba nhóm mức lượng A, B, C Nhóm A gồm mức lượng 4F7/2 S3/2 nhóm B gồm mức lượng 4F5/2 4H9/2 nhóm C mức 4F3/2 Ba mức ba mức hấp thụ Neodym tinh thể YAG Từ mức A, B ion Nd3+ thực chuyển mức không xạ xuống mức C Mức lượng 4F3/2 gọi mức laser Các chuyển dịch F - I bị cấm gần lưỡng cực số lượng tử quỹ đạo ion Nd3+ thay đổi đơn vị chuyển dịch Do trạng thái gắn với F gọi trạng thái bền với thời gian sống khoảng 240 µs Khi bị lượng ion Nd3+ nhảy từ mức laser xuống mức lượng 4I11/2 , 4I13/2 , 4I15/2 với hiệu suất lượng tử (tỉ số số nguyên tử bị kích thích số nguyên tử chuyển xuống mức dưới) gần 100% Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp“ Trong ba mức lượng mức 4I11/2 gần mức có hiệu lượng gần 2000 cm-1 Giá trị tích kT điều kiện nhiệt độ phịng 4,14.10-14 erg Sử dụng phương trình / λ = ∆E / hc ta tính lượng từ đơn vị cm-1 sang đơn vị erg 1cm −1 ≈ 1,987.10 −16 erg Hiệu lượng 2000 cm-1 3,974.10-13 erg Do [E ( I ) − E ( I )]/ kT = 3,974.10 −13 / 4,4.10 −14 ≈ 4 11 / 9/2 Sử dụng phân bố Bolzmann ta có: N1 = e − ( E1 − E ) / kT ≈ 1,3.10− N0 Điều có nghĩa nhiệt độ phịng mức lượng 4I11/2 trống rỗng Phần lớn (60%) nguyên tử trạng thái laser chuyển xuống mức 4I11/2 Mức gọi mức laser Như vùng sóng quang học mức lượng ion Neodym tinh thể YAG tạo thành hệ lượng mức Phổ hấp thụ phát xạ Với cấu trúc mức lượng trên, ion Neodym có phổ hấp thụ hình Dải hấp thụ A nằm vùng lân cận 0,75 µm, Dải B nằm vùng lân cận 0,8 µm dải C nằm vùng lân cận 0,9 µm Tất ba vùng thuộc vùng nhìn thấy hồng ngoại Mức dộ hấp thụ gần Với ba dải hấp thụ đèn Xenon, Crypton nguồn bơm thích hợp Bước sóng (µm) Hình Phổ hấp thụ Nd:YAG Từ trạng thái laser ion Neodym nhảy xuống mức thấp 4I9/2, 4I11/2, 4I13/2 I15/2 phát xạ sóng ánh sáng có phổ hình Hình Phổ phát xạ Nd:YAG Đề tài cấp Bộ: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:YAG Q – switch hai bước sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp“ Phổ phát xạ bao gồm vạch (rộng) Hai vạch mạnh ứng với bước sóng 1,0615 1,0642 µm Bước sóng 18 vạch (hẹp) phát xạ, tính tất chuyển dịch, trình bày bảng 1.3 Các giá trị xác định nhiệt độ 3000K Bảng 1.3 Các vạch phát xạ Nd:YAG Chuyển dịch 4 4 Bước sóng vạch phát xạ Cường độ tương đối % 0,8910 0,8999 0,9385 0,9460 25 1,0521 1,0615 1,0642 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 60 1,3184 1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 14 1,833 F3/2- I9/2 F3/2 – 4I11/2 F3/2 – 4I13/2 F3/2 – 4I15/2 Như vậy, có tới 18 vạch phát xạ, mạnh vạch bước sóng gần 1,06 µm Do laser Nd:YAG phát vùng 1,06 µm đặc trưng Khi nói đến laser Nd:YAG nói đến laser phát xạ bước sóng 1,06µm γ21N2 Hình 4: Cấu trúc hệ trạng thái γ32N3 γ31N3 γ43N4 γ42N4 γ41N4 ρB41 ρB14 Cơ chế phân bố đảo laser rắn Nd:YAG Những trình tạo nghịch đảo mật độ mức công tác phổ Laser chủ yếu trình bơm quang học Đối với Laser Nd:YAG, ta áp dụng phương trình động học cho hệ laser hoạt động theo sơ đồ mức Bơm quang học chuyển hạt từ trạng thái lên trạng thái