李偉剛

準分子激光器出現(xiàn)間歇性不出激光的原因與分析

李偉剛

0 引言

我院在2008年8月斥巨資購買了一臺美國生產的準分子激光治療儀，也就是人們通常所稱的近視眼治療設備。準分子激光治療儀是在計算機和三維高精密控制的手術床配合下對角膜層間進行計算與控制的，其非常精確，預測性強，具有矯治范圍廣、痛苦小、手術后視力恢復快、穩(wěn)定性強、可避免術后角膜上皮下混濁等并發(fā)癥發(fā)生的可能等諸多優(yōu)點[1]。依靠計算機控制的準確消融，使激光切削不會穿透角膜，更具安全性。因此，對眼球內組織沒有任何副作用，更不會造成副損傷及后遺癥。正是由于準分子激光治療近視眼在安全上有保障，近視患者可通過實施手術改變角膜曲率，達到重塑角膜彎曲度，即矯正視力的目的，因此得到廣大近視患者的青睞。

近視眼治療設備的核心是準分子激光器。該激光器之所以稱為“準分子”是由于它不是穩(wěn)定分子，它是在激光混合氣體受到外來能量激發(fā)所引起的一系列物理和化學反應中形成轉瞬即逝的分子，其壽命僅有幾十毫秒。通常情況下，基態(tài)的稀有氣體原子其電子層全部被填滿，化學性質穩(wěn)定，不可能和其他原子結合成穩(wěn)定分子[2]。但當它們受到高壓激勵、激發(fā)時，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時很容易和另一個原子形成一個壽命極短的分子，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱受激二聚物，簡稱準分子。由于準分子的基態(tài)是強排斥態(tài)，離解迅速，故只要有一定數量的準分子存在，就很容易形成粒子數反轉，產生激光。用于手術的光源一般采用能夠得到高質量燒蝕表面的193 nm ArF準分子激光。ArF準分子激光器產生的193 nm激光屬于紫外波段，單光子能量（6.4 eV）遠大于人眼角膜組織分子鍵能（3.4 eV），能夠打斷生物分子的化學鍵，使組織分子氣化，從而對角膜組織實施“光化學切削作用”[3]。 這種準分子屬于“冷”激光，對被照射部位周邊的組織幾乎不產生熱效應，其切削的準確度非常高。憑借這種準確的氣化，可以把角膜按需要精確地切去，且對角膜的構造不會產生不良反應[4]。準分子激光治療系統(tǒng)是集光、機、電為一體的高科技產品，對設備的使用環(huán)境要求很高，為了確保手術效果，設備上采取了一系列保護性措施，以確保手術效果和患者的安全。

1 故障現(xiàn)象

2010年2月14日，我院下午安排5位近視眼患者進行手術，和往常一樣，技師上午開機、換氣、預熱、測能量、校中心、測相紙圓、打PMMA板，一切正常。可是到中午再執(zhí)行能量測試程序時，屏幕上出現(xiàn)正在“設置能量穩(wěn)定初始值”和“能量穩(wěn)定錯誤”的提示，激光能量測試無法完成。根據以往的經驗，可能的原因是外光路上放置了東西阻塞了光路、能量反饋信號不能送達計算機、能量穩(wěn)定工作點不在合適范圍以及激光器輸出能量偏低等。當時沒有必要的檢測工具，只能憑借直覺檢查相關點，此時發(fā)現(xiàn)手術室環(huán)境溫度已超過26℃，立即將其調整到正常范圍（18～20℃），大約過了2 min恢復正常。到了下午準備手術，再次進行系統(tǒng)測試一切正常，開始實施手術，當完成2位患者手術后，再次執(zhí)行測能量程序時，出現(xiàn)上午同樣的故障現(xiàn)象。將相紙放置在激光器出口，檢查無激光能量，但有高壓放電的聲音。以前激光器突然無激光能量多數是高壓電源或控制高壓開關的閘流管燈絲燒斷所致，這次情況非常奇怪。此時發(fā)現(xiàn)手術室環(huán)境溫度又超過26℃，再次將溫度調至正常。由于造成這種故障的原因沒有排查清楚，只好出去向患者進行解釋，待查明原因一切正常后再通知來醫(yī)院進行手術?；氐绞中g室后未做任何調整，激光器居然又有激光了，而且所有測試指標一切正常，但故障時有時無。

2 故障分析與排查

利用所學知識，針對圖紙逐個進行分析排查，尋找出可能導致上述問題的原因有：（1）溫度過高，散熱不好，導致能量穩(wěn)定系統(tǒng)工作點處于臨界狀態(tài)，控制電路出現(xiàn)報警現(xiàn)象、激光器的高壓電路某元器件變質，性能發(fā)生變化，冷卻后性能又自動恢復正常；（2）電源電路具有保護功能，電網電壓波動超過±10%導致電路保護，待電網電壓恢復正常后又自動恢復正常。由于無需人為干預，故障現(xiàn)象就能自己恢復，因此排除了電路上接觸不良的可能。

（1）首先將手術室溫度調整到26℃，同時監(jiān)測電網電壓最高時可達244 VAC，雖然電網電壓偏高，大于10%，但電路上已裝有UPS不間斷電源，輸出電壓可以控制在220（1±3%）VAC以內，如果沒有UPS可能早就出問題了。然后對能量穩(wěn)定工作點進行重新校準，在模擬手術過程中用示波器檢測測試點，結果經過一天的測試，沒有發(fā)現(xiàn)工作點明顯偏離現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)上述問題。能量穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示。

（2）能量穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理是：通過軟件與硬件對激光器的輸出功率進行控制，在外光路上的分光鏡通過采集激光器輸出能量的1%的光信號，經過實時能量探測器，將光信號轉化為電信號。在能量穩(wěn)定板上，該信號經過放大整形及采樣保持電路的處理后送到A/D轉換板，將模擬信號轉換為數字信號后被送到能量穩(wěn)定微處理板上，其微處理器對這些脈沖數求平均，然后與存儲器內的原程序參數進行比較，決定激光控制電壓（LCV）是調高還是調低或者不調整，該電壓被用來控制激光器電極上的高壓放電來實現(xiàn)對激光器輸出能量的穩(wěn)定性控制。

（3）在正常情況下，計算機系統(tǒng)是被動對能量穩(wěn)定系統(tǒng)實施控制的，它只是監(jiān)控來自能量穩(wěn)定板和能量穩(wěn)定微處理板上的一些報警和錯誤提示，只有在進行能量測試校準時，計算機系統(tǒng)與系統(tǒng)操作才具有主動關系。如果激光器能量變化在5%的范圍內，此時激光器輸出能量低時，能量穩(wěn)定系統(tǒng)會自動提高LCV來提升加到激光器上的高壓，使激光的輸出能量提高；相反，若激光器輸出

能量高時，能量穩(wěn)定系統(tǒng)會自動降低LCV來降低激光器上的高壓，使激光的輸出能量下降。由于這個系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此，它能夠滿足激光器能量在一定條件和時間內保持恒定輸出。它在手術的整個過程中，即使外部環(huán)境發(fā)生一些變化時也能進行一定的補償，實現(xiàn)了能量穩(wěn)定的自動控制。在激光器自身變化、外界環(huán)境條件變化下，當能量變化超過5%時，能量穩(wěn)定微處理器會送一個“需要校準”信號到計算機，若在特殊情況下，激光器輸出能量瞬間變化會超過30%，能量穩(wěn)定板會通過系統(tǒng)控制板送一個不允許工作指令到計算機。此時需要搞清楚激光器是由于沒有能量報警還是激光器能量波動大后報警導致中斷無激光輸出。

（4）在出現(xiàn)故障時注意到，無論是用能量測試程序啟動激光器還是用手動啟動激光器，都能聽到激光高壓產生后放電的聲音，但都沒有激光輸出現(xiàn)象。正常時將實時能量探測器輸出信號斷開，不提供反饋信號給能量穩(wěn)定控制系統(tǒng)，用能量測試程序啟動激光器出現(xiàn)的提示與故障時出現(xiàn)的提示相同，很快激光器就停止發(fā)射激光了，但手動啟動激光器卻有激光輸出。這一區(qū)別排除了能量穩(wěn)定系統(tǒng)故障，懷疑故障出在激光器電路上。激光器電路原理如圖2所示。

（5）該電路主要由輸入交流電源、直流電源、交直流電源、電源調制電路、高壓電源、接口電路、激光控制電路、顯示控制器、觸發(fā)電路、燈絲電壓電路、高壓控制電路、激光頭組成。其所有電路都是為激光頭產生激光而提供電力、信號控制及保護作用的，從激光頭產生激光的原理來看，重點是其高壓部分。激光頭高壓電路如圖3所示。

圖1 能量穩(wěn)定系統(tǒng)的控制原理圖

圖2 激光器電路原理框圖

圖3 激光頭高壓電路

（6）激光高壓電路的工作原理是：該電路由閘流管、高壓電源HV（約20 kV）、主電容C1、峰值電容器C2、電感L、放電電極等組成。在待機狀態(tài)下柵極電壓為負，閘流管處于截止狀態(tài)，此時無激光能量輸出，高壓對主電容器C1充電至20 kV，充電時電感表現(xiàn)出低阻抗，這樣高壓幾乎全部加到C1上儲電。當閘流管柵極收到控制電路發(fā)出的正觸發(fā)脈沖幅度約600～800 V時，閘流管的陽極和陰極導通，主電容器C1上儲存的電荷經閘流管和預電離針對峰值電容器C2充電，當C2上充電電壓達到放電區(qū)的擊穿電壓時，由C2通過金屬電極對氣體工作物質放電，產生準分子激光。

（7）單獨檢查高壓電路上的元器件外表沒有明顯的損傷和味道，閘流管工作狀態(tài)正常，測試高壓電源、柵極電壓、燈絲電壓皆正常。由于出現(xiàn)問題時激光器不出光，但高壓放電的聲音能聽到，同時伴隨雜聲。即使高壓電路打火，也不會造成不出光。后來將排查重點放在能否讓激光頭出光的關鍵部件攪拌器上，通常稱為風機，它的主要作用是讓激光工作物質在激光腔內均勻運動。一旦出現(xiàn)風機停轉，放電就會紊亂，也不可能產生激光。檢查風機并沒有卡死和轉速不均現(xiàn)象，因為一旦風機卡死是不可恢復的，如果轉速不均勻會發(fā)出異常聲響，而且伴隨激光能量波動，不可能沒有激光，上面2種情況都沒見到。到底是什么原因造成風機停轉呢？仔細研究了如圖4所示的風機電源電路，發(fā)現(xiàn)在風機電源電路的初級串有一只熱敏電阻TR1，當輸入電源110 VAC波動超過10%，即大于120 VAC時，多余壓降就會加在熱敏電阻上，累計到居里溫度時，熱敏電阻阻值劇增，電壓全部加到熱敏電阻上，而降壓變壓器初級分壓就為零，這樣電動機上就無電壓輸出，導致停轉。模擬高壓加上時風機停轉，結果與出現(xiàn)問題時的現(xiàn)象完全相同。因此只有當溫度降低，熱敏電阻性能恢復正常，風機兩端有24 VDC時，一切才能正常，具有逆性。究竟是電網電壓超高標引起保護還是環(huán)境溫度太高熱量無法散出引起，甚至是熱敏電阻性能發(fā)生變化導致的故障，還有待觀察和分析。

3 故障處理

（1）由于激光器內有2萬伏高壓，在手術期間為了安全，需要用2層蓋子蓋上，因此無法監(jiān)測到熱敏電阻的性能變化情況，甚至連風機是否轉動、聲音是否正常都難以判斷，所以只能對UPS電源輸出進行監(jiān)控。根據上述情況提出設計一個監(jiān)測電動機是否正常運轉以及一旦

在手術期間確實出現(xiàn)風機電源失去情況的監(jiān)測和應急電源電路，將船型開關K撥到外部開關電源24 VDC應急送電，保證風機運轉，激光正常輸出，確?；颊呤中g安全，該方案如圖5所示。

圖5 監(jiān)測和應急電源電路

（2）將機內電源開關處在常閉位置，裝有紅色發(fā)光二極管顯示，機內工作正常時紅燈亮，一旦出現(xiàn)問題紅燈滅并報警。同時備用電源上裝有綠色發(fā)光二極管，顯示外部開關電源工作正常，隨時捕捉問題以補救，開關和指示燈接到外面，以方便觀察和操作。

圖4 風機電源電路

4 小結

經過一段時間的監(jiān)測和觀察，特別是注意手術室的溫度控制在正常的范圍內，設備工作一切正常，再沒有出現(xiàn)上述問題。當時發(fā)生問題的主要原因是外面天氣寒冷，人們?yōu)榱耸棺约焊械绞孢m，無意中將空調溫度設置偏高，而激光設備連續(xù)運轉也會產生大量的熱量，因此電子元器件熱量不能及時散去，導致保護電路上的熱敏電阻特性發(fā)生變化，使電動機停轉；電網電壓雖然有些偏高，但UPS起到了恒定輸出電壓的作用（長期監(jiān)測正常）；次日手術室溫度設置在26℃，模擬手術過程沒有出現(xiàn)問題，可能是當時測試設備工作點時2層蓋子是打開的，這樣元器件散熱會好些。這里需要提醒類似設備操作人員：室外天氣會時常變化，如果操作者只考慮自身的感受，不注意設備的使用條件，盲目開機，就會發(fā)生預想不到的事情，甚至會造成設備損壞。反之，如果時刻注意手術室溫度、濕度、灰塵、電源穩(wěn)定性是否變化，就可以確保設備少出問題，甚至不出問題。

[1]張蓉，毛惠云，田華.護理角度分析LASIK手術的配合[J].中國現(xiàn)代眼耳鼻喉科雜志，2004，1（1）：56.

[2]陸文秀.準分子激光屈光性角膜手術學[M].北京：科學技術文獻出版社，2000.

[3]胡俊濤，劉翔，張國勇，等.眼科準分子實時監(jiān)控能量計[J].中國激光，2007，34（12）：1 732-1 735.

[4]張紀莊，張學學.激光蝕除生物組織的影響因素[J].中國激光，2007，34（2）：300-304.

（收稿：2013-05-23 修回：2013-09-03）

（欄目責任編校：李 影 傅 靂）

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1003-8868（2014）01-0162－03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.162

462400河南舞陽，河南省舞陽縣中心醫(yī)院設備科（李偉剛）