Особенности управления медицинскими лазерами. Часть 1. Стабилизация мощности излучения

Несмотря на то, что лазеры уже более 50 лет с успехом используются в хирургии, стоматологии, офтальмологии и других отраслях медицины, их практическое применение до сих пор сопряжено с рядом трудностей. В данном цикле статей описаны основные проблемы управления лазером, с которыми столкнулись специалисты американской компании из города Ирвайн, Калифорния, США, занимающиеся разработкой высокотехнологичных медицинских инструментов с использованием NdYAG-лазеров с рабочим телом из алюмоиттриевых гранатов (Y3Al5O12), легированных ионами неодима (Nd).
1576
В избранное

Несмотря на то, что лазеры уже более 50 лет с успехом используются в хирургии, стоматологии, офтальмологии и других отраслях медицины, их практическое применение до сих пор сопряжено с рядом трудностей. В данном цикле статей описаны основные проблемы управления лазером, с которыми столкнулись специалисты американской компании из города Ирвайн, Калифорния, США, занимающиеся разработкой высокотехнологичных медицинских инструментов с использованием NdYAG-лазеров с рабочим телом из алюмоиттриевых гранатов (Y3Al5O12), легированных ионами неодима (Nd).

Особенностями NdYAG-лазеров являются высокая оптическая мощность, достигающая 5 Вт, что требует использования во время работы защитных очков, и крайне низкий коэффициент электрооптического преобразования, приводящий к тому, что для работы данных приборов требуется электрическая мощность более 1 кВт и сложная система водяного охлаждения.

После этапа первоначальных обсуждений и консультаций командой из трех инженеров: специалиста по лазерным технологиям из Ванкувера, штат Вашингтон, и двух программистов из ирвайнской компании, - было решено создать установку для управления лазером на основе трех одноплатных коммерческих контроллеров. Один из них выполнял функцию ведущего устройства и управлял системой, второй обеспечивал поддержку пользовательского интерфейса, а третий контролировал работу лазера. Обмен данными между платами выполнялся по последовательному интерфейсу RS-485.

Первой проблемой, с которой столкнулась команда разработчиков, была неустойчивая работа системы, проявляющаяся в нерегулярном зависании сразу после включения питания. Тщательное тестирование аппаратной и программной частей каждой платы не выявило никаких неисправностей. Замена местами контроллеров привела к изменению характера зависаний, но надежного запуска добиться так и не удалось.

Ключевым фактором, позволившим найти ошибку, послужил апериодический характер сбоев. Поскольку все контроллеры по отдельности работали безукоризненно, то очевидно, что проблема была на уровне системы. Она заключалась в технологическом разбросе пороговых уровней супервизоров питания, что привело к расхождению времени запуска контроллеров относительно момента включения. Несмотря на то, что это расхождение составляло всего несколько микросекунд, в некоторых случаях этого было достаточно для того, чтобы ведущий контроллер начинал работу раньше, чем успевали инициализироваться ведомые устройства, что и приводило к зависанию.

После обнаружения причины проблема была оперативно устранена путем добавления программной паузы при запуске главного контроллера, гарантирующей, что первая команда будет отправлена через последовательный порт только после того как все ведомые платы будут готовы к ее приему. После этого начался самый главный и ответственный этап проекта, заключающийся в настройке оптической части.

Структурная схема использованного в проекте узла управления лазером показана на рисунке 1. Напряжение на управляющем входе драйвера PTD лампы накачки VREF, определяющее выходную мощность излучения, формируется контроллером на основе настроек пользователя. Для стабилизации выходной мощности к опорному напряжению VREF перед подачей на вход PTD добавляется выходное напряжение усилителя PDA контура отрицательной обратной связи, образованной с помощью дихроичного зеркала, направляющего небольшую часть выходного излучения лазера в фотодиод, выполняющий функцию датчика уровня мощности.

Система управления лазером

Рис. 1. Система управления лазером

Запуск системы показал, что при малой мощности лазера точность стабилизации уровня излучения оказалась крайне низкой. Вначале это не казалось серьезной проблемой, поскольку ее можно было легко решить путем увеличения коэффициента усиления контура обратной связи. Однако после того как это было сделано, оказалось, что по мере повышения интенсивности система становилась нестабильной.

Анализ и проверка всех функциональных блоков, входящих в контур управления, показали, что проблема заключалась в форме регулировочной характеристики лазера. Оказалось, что зависимость мощности излучения от тока лампы накачки имеет параболический (квадратичный) характер (рис. 2), а это эквивалентно увеличению коэффициента усиления петли обратной связи по суперлинейному закону по мере роста тока лампы накачки.

Зависимость мощности излучения лазера от тока лампы накачки для двух заданных уровней выходной мощности

Рис. 2. Зависимость мощности излучения лазера от тока лампы накачки для двух заданных уровней выходной мощности

Для устранения этой проблемы в контур обратной связи (рис. 3), после усилителя ошибки (Error Amplifier) был введен корректирующий узел с обратноквадратичной формой передаточной характеристики.

Упрощенная схема узла управления лампой накачки

Рис. 3. Упрощенная схема узла управления лампой накачки

После добавления этого узла общий коэффициент усиления контура обратной связи стал относительно постоянным во всем динамическом диапазоне работы системы, что обеспечило требуемую точность регулирования выходной мощности лазера, а также необходимый запас по стабильности даже за пределами рабочей области.

Принцип работы корректирующего узла, собранного на микросхеме CA3086, содержащей пять идентичных биполярных n-p-n транзисторов, основан на принципе транслинейности, сформулированном Барри Гилбертом. Основные расчетные формулы, в которых индексами обозначены номера выводов микросхемы, имеют вид:

CA3086_formula_1.png (3 KB)

В последней формуле коэффициент 2 учитывает последовательное соединение двух p-n переходов «база-эмиттер» транзисторов микросхемы CA3086, базы которых подключены к выводам 4 и 6. Упрощая полученное уравнение, получим:

CA3086_formula_2.png (1 KB)

Ток насыщения IS всех транзисторов одинаков, что позволяет записать:

CA3086_formula_3.png (931 b)

Поскольку входные и выходные напряжения транзисторных усилителей связаны с соответствующими токами формулами vI = iI x Ri и vO = Rf x iO, то, подставляя эти соотношения в полученное выше выражение, можно получить формулу для определения передаточной характеристики корректирующего узла:

формулу для определения передаточной характеристики корректирующего узла

После решения этой и других проблем обнаружился трудно поддающийся определению и систематизации случайный дрейф выходной мощности лазера, величина которого иногда превышала пределы, установленные в техническом задании. После тщательной проработки всех элементов системы, особенно режимов работы фотодиода и узлов контура отрицательной обратной связи, удовлетворительный результат в итоге так и не был достигнут. Тем не менее, наиболее вероятную причину этого дрейфа, оказавшуюся не в электронной, а в оптической части системы, установить все же удалось.

Дело в том, что коэффициент отражения дихроичного зеркала, используемого для формирования сигнала обратной связи, хоть и незначительно, но все же зависит от поляризации излучения. Если бы в качестве лампы накачки использовался поляризованный источник света, то эта проблема бы не возникла. Но поскольку поляризация излучения лампы накачки изменялась хаотично, это приводило и к хаотичному изменению поляризации излучения лазера. Фактически NdYAG-лазер, подобно СВЧ-волноводам, способным функционировать с различными модами, работал в различных режимах, каждый из которых имел свою плоскость поляризации. Поскольку изменения поляризации, а следовательно и уровня облучения фотодиода были нелинейными, электроника в принципе не могла обеспечить необходимый уровень точности.

Такая ситуация является самой неприятной для разработчиков – когда система не может быть реализована по фундаментальным причинам, и при этом отсутствует какой-либо практический способ выхода из ситуации. Какое решение приняла компания в данном случае - неизвестно, возможно, было изменено техническое задание. Но из этой ситуации следует извлечь важный урок: прежде чем браться за разработку, следует убедиться, что вы четко понимаете все критические точки и «узкие места» проекта.

Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LTC1051CN8#PBF
LTC1051CN8#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 280070 ИНФО PDF
Доступно: 65 шт. от 2 шт. от 998,09
Выбрать
условия
поставки
LS: м/сх
LTC1051CN8#PBF от 2 шт. от 998,09
65 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086ER#PBF
LT3086ER#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1351893 ИНФО PDF RD
Доступно: 60 шт. от 2 шт. от 1086,18
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086ER#PBF от 2 шт. от 1086,18
60 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086EDHD#PBF
LT3086EDHD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874538 ИНФО PDF RD
Доступно: 174 шт. от 16 шт. от 375,15
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086EDHD#PBF от 16 шт. от 375,15
174 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086EFE#PBF
LT3086EFE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874539 ИНФО PDF RD
Доступно: 153 шт. от 2 шт. от 907,61
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086EFE#PBF от 2 шт. от 907,61
153 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086IFE#PBF
LT3086IFE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874541 ИНФО PDF RD
Доступно: 60 шт. от 2 шт. от 1075,35
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086IFE#PBF от 2 шт. от 1075,35
60 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086IR#PBF
LT3086IR#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874542 ИНФО PDF RD
Доступно: 64 шт. от 2 шт. от 1016,82
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086IR#PBF от 2 шт. от 1016,82
64 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086IT7#PBF
LT3086IT7#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874543 ИНФО PDF RD
Доступно: 69 шт. от 25 шт. от 934,00
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086IT7#PBF от 25 шт. от 934,00
69 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()