Se il 2020 segna il 60° anniversario della nascita della tecnologia laser, è anche l'anniversario della sua prima applicazione in campo medico.
Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman costruì il primo laser utilizzando un cilindro di rubino sintetico di 1 cm di diametro e 2 cm di lunghezza, con le estremità rivestite d'argento per renderle riflettenti e in grado di fungere da risonatore Fabry-Perot, utilizzando lampade flash fotografiche come sorgente di pompaggio del laser. Nel 1962, un dermatologo di nome Leon Goldman sperimentò una versione del laser a rubino di Maiman per rimuovere i tatuaggi indesiderati. Di fatto, si può affermare che le invenzioni e le scoperte di Maiman e Goldman hanno contribuito a uno degli usi più diffusi dei laser medici nel 2020: la rimozione dei tatuaggi indesiderati (Figura 02).
Sebbene la rimozione dei tatuaggi possa sembrare un caso isolato, a partire da quella prima applicazione i laser medicali hanno trovato impiego in una vasta gamma di campi della medicina e, senza citarli tutti, esistono numerosi esempi di trattamenti laser in oftalmologia, oncologia e altre forme di chirurgia di cui tutti abbiamo beneficiato o di cui abbiamo sentito parlare.
Quando un alimentatore abilita l'emissione di luce:
se la natura della generazione laser è specifica per un trattamento mirato, ovvero se genera emissione di luce nell'intervallo da 193 nanometri (eccimero ArF) a 10.600 nanometri (CO2) (Figura 3) e impulsi da 5 nanosecondi a 1 millisecondo, tutti questi dispositivi hanno qualcosa in comune: un alimentatore.
Oltre ad alimentare computer integrati e altre apparecchiature elettroniche, i laser medicali richiedono sistemi di alimentazione altamente specifici, in grado di fornire in modo sicuro e affidabile elevati picchi di energia ripetitiva (tensione o corrente).
A seconda dell'applicazione finale, ogni tipo di laser richiede un diverso tipo di alimentatore, che può variare da un generatore di corrente per un laser a diodi a onda continua a soluzioni di alimentazione complesse per laser a gas o pompe a lampada che utilizzano lampade flash come sorgente luminosa.
Probabilmente potremmo identificare tanti alimentatori quanti sono i tipi di laser utilizzati in campo medico, anche se, in qualità di produttori di alimentatori, semplifichiamo la distinzione a due categorie:
- Alimentatori a corrente costante per laser a diodi a emissione di luce (LED)
- Alimentatori ad alta tensione per lampade flash e tubi a scarica.
Inizialmente limitati nella loro potenza, i laser a diodi non erano molto comuni nelle applicazioni mediche. Tuttavia, con lo sviluppo di un'ampia gamma di diodi che generano lunghezze d'onda da 405 a 2200 nanometri, stanno diventando popolari nel campo della terapia fotodinamica, dove la lunghezza d'onda è più cruciale.
Come per altre applicazioni che utilizzano i LED (ad esempio, l'illuminazione), l'alimentatore viene spesso definito driver LED. Utilizzati sia nella nuova generazione di laser a stato solido che nel generatore laser stesso, i driver per laser LED richiedono particolare attenzione alla stabilità della corrente e alla compensazione della potenza erogata in base alla temperatura dell'elemento LED. I moderni generatori di potenza per laser LED si basano sulla tecnologia digitale con un'interfaccia di ingresso/uscita (I/O) che consente il monitoraggio e il controllo della fonte di alimentazione per soddisfare i requisiti dell'applicazione. Utilizzando algoritmi predittivi, lo stadio di potenza può essere programmato per funzionare in sicurezza ed erogare l'energia specifica richiesta con un singolo impulso.
Un laser a LED può operare in un intervallo di potenza da pochi milliwatt a oltre 100 watt quando si utilizza un array di LED come quelli presenti nelle lampadine a LED a stato solido. Con lo sviluppo dei supercondensatori, i driver LED per laser li utilizzano spesso per l'accumulo di energia. In questi casi, l'alimentatore include circuiti speciali che controllano l'energia immagazzinata nel supercondensatore per ottimizzare, ciclo per ciclo, il livello di energia erogato al carico.
Dal punto di vista di un progettista di alimentatori, le applicazioni laser e di potenza a LED sono molto simili a quelle dei generatori di corrente convenzionali, il che non è il caso quando si progettano soluzioni di alimentazione per laser a gas o pompe a lampada che utilizzano un tubo a scarica.
Alimentazione di laser a gas e a stato solido ad alta energia:
i laser a gas e a stato solido ad alta energia utilizzano lampade flash o tubi a scarica che richiedono alte tensioni per generare i livelli di energia necessari ad avviare il "processo di pompaggio". In questo tipo di applicazione, la progettazione dell'alimentatore richiede competenze specifiche nella commutazione ad alta tensione e nell'accumulo di energia.
Gli alimentatori per laser a stato solido pompati da lampade e laser a gas hanno specifiche complesse, che richiedono due elementi: un alimentatore che converte la tensione di rete CA nell'alta tensione richiesta dall'elemento emittente e una batteria di condensatori ad alta tensione per l'accumulo di energia. La tensione dipenderà dal livello di energia richiesto per attivare il pompaggio, ma nelle applicazioni mediche convenzionali è tipicamente compresa tra 600 e 3.000 V CC.
Analogamente al flash della fotocamera, l'alimentatore carica un condensatore, che poi fornisce l'energia alla lampada flash. Tuttavia, mentre possiamo accettare un piccolo ritardo nella carica del condensatore nella nostra fotocamera personale, nel caso di un laser medicale, l'energia deve essere disponibile senza ritardo, il che richiede una batteria di condensatori per immagazzinare grandi quantità di energia.
Per i progettisti di alimentatori che non hanno familiarità con le topologie di trasferimento di potenza elevata, stimare le dimensioni del campo energetico e il metodo di controllo preferenziale per ottimizzare lo stadio di potenza può risultare complesso.
La potenza di uscita richiesta per i laser a stato solido pompati da lampade o per i laser a eccimeri pulsati ad alta potenza è tipicamente espressa in joule al secondo, una funzione del tempo di carica, della frequenza di ripetizione, della tensione di uscita e delle caratteristiche dei componenti. Durante un ciclo di carica-scarica, la velocità di variazione della tensione non è costante, il che differisce significativamente dalle applicazioni convenzionali in cui la corrente di picco e la velocità di carica sono solitamente ben definite. La progettazione di tali alimentatori richiede una stretta collaborazione con il produttore dell'apparecchiatura per testare la soluzione di alimentazione in condizioni reali.
È molto comune per i produttori di laser medicali suddividere la soluzione di alimentazione in due parti: l'alimentatore stesso (Figura 4) e il banco di condensatori ad alta tensione, che, per motivi di sicurezza, può essere alloggiato in un contenitore sigillato. Dal punto di vista
tecnologico, i moderni alimentatori utilizzano tecniche di controllo digitale che non solo migliorano l'efficienza, ma, nel caso dei laser medicali, aumentano anche l'affidabilità dell'apparecchiatura. Questo perché il loro principio di funzionamento si basa su energia pulsata, che notoriamente sollecita eccessivamente i componenti elettronici. Come discusso in precedenza nella sezione di questo articolo dedicata alle soluzioni di alimentazione laser a LED, l'utilizzo del controllo digitale offre vantaggi significativi in termini di gestione energetica. È possibile controllare l'unità di alimentazione con precisione a singolo bit e regolare tutti i parametri ciclo per ciclo. Ad esempio, durante un intervento chirurgico, il chirurgo potrebbe richiedere maggiore potenza o impulsi più lunghi per l'ablazione del tumore. Controllato dal computer di bordo, l'alimentatore può essere programmato tra un impulso e l'altro per modificare la tensione di carica e/o la quantità di energia richiesta dall'elemento emittente.
Cos'altro dovrebbero considerare i progettisti di alimentatori?
Sicurezza: non c'è dubbio che la gestione di alte tensioni e quantità significative di energia richieda un'attenta considerazione della sicurezza. Tipicamente integrato nelle apparecchiature finali, l'alimentatore deve ovviamente essere conforme alle normative generali in materia di sicurezza e ambiente, ma durante la fase di progettazione, i progettisti di alimentatori devono prestare particolare attenzione a tutti i rischi associati ai pericoli intrinseci delle alte tensioni.
Rischio: per quanto riguarda gli alimentatori integrati nelle apparecchiature finali anziché nelle apparecchiature mediche stesse, alcuni clienti richiedono un'analisi completa della valutazione del rischio, come lo standard ISO 14971, che deve essere considerato fin dall'inizio.
Interferenze elettromagnetiche (EMI): i picchi di potenza durante la commutazione generano emissioni elettromagnetiche e disturbi di linea che possono interferire con altre apparecchiature mediche. Il filtraggio e la correzione del fattore di potenza richiedono particolare attenzione durante la fase di progettazione, non solo per soddisfare gli standard e le normative al momento della certificazione, ma anche per tenere conto dell'invecchiamento dei componenti di filtraggio, come i condensatori elettrolitici, durante l'intero ciclo di vita dell'apparecchiatura.
Rumore e calore: oltre alle normative locali, ospedali, strutture mediche e istituti paramedici richiedono che le apparecchiature elettroniche funzionino senza rumore udibile. Dato che le apparecchiature laser includono diversi dissipatori di calore, il raffreddamento forzato è spesso necessario. Per ottenere un raffreddamento efficace con un rumore acustico minimo, i produttori utilizzano ventole di grandi dimensioni a bassa velocità per raffreddare i loro sistemi. Per motivi di sicurezza, i banchi di condensatori e gli alimentatori sono alloggiati in contenitori sigillati, limitando il raffreddamento alla conduzione attraverso lo chassis. Questo è un aspetto importante da considerare nella progettazione di alimentatori per laser medicali.
In che modo le nuove tecnologie energetiche possono avvantaggiare i laser medicali?
Per molti anni, le dimensioni di un alimentatore per laser medicali non sono state una preoccupazione primaria, ma le cose stanno cambiando. I produttori di laser medicali stanno valutando una nuova generazione di laser "portatili" per l'assistenza domiciliare e per aumentare la mobilità dei servizi medici. La ricerca sullo sviluppo di laser più potenti, inclusi i laser a LED con lunghezze d'onda combinate, sta mostrando buoni progressi. Il controllo operativo è facilmente eseguibile su un tablet (niente più schermi integrati), ma ovviamente, alcune apparecchiature richiederanno una significativa riduzione del peso per garantire la portabilità.
Nel caso dei laser a LED, i supercondensatori basati sulla nanotecnologia offrono livelli di capacità impressionanti per l'immagazzinamento di grandi quantità di energia e, utilizzando semiconduttori a banda larga, come il nitruro di gallio o il carburo di silicio, le dimensioni dell'alimentatore potrebbero essere ridotte di un fattore tre. Questo è molto promettente e non ho dubbi che i laser medicali a LED trarranno vantaggio dalle ultime tecnologie e innovazioni in atto nel settore degli alimentatori. Figura 03: Lunghezze d'onda ed esempi di applicazioni laser in campo medico.
Figura 04: Alimentatore PRBX con picchi di carico elevati per l'uso con laser medicali
Informazioni su Powerbox:
Fondata nel 1974, con sede centrale in Svezia e presente in 15 paesi in quattro continenti, Powerbox serve clienti in tutto il mondo. L'azienda si concentra su quattro mercati principali: industriale, medicale, trasporti/ferroviario e difesa, per i quali progetta e commercializza sistemi di conversione di potenza di alta qualità per applicazioni esigenti. La missione di Powerbox è quella di sfruttare la propria esperienza per migliorare la competitività dei clienti, soddisfacendo tutte le loro esigenze energetiche. Ogni aspetto dell'attività aziendale è focalizzato su questo obiettivo, dalla progettazione di componenti avanzati integrati nei prodotti alla fornitura di un elevato livello di assistenza clienti. Powerbox è riconosciuta per le sue innovazioni tecniche che riducono il consumo energetico e per la sua capacità di gestire l'intero ciclo di vita del prodotto, minimizzando al contempo l'impatto ambientale. Powerbox fa parte del Gruppo Cosel.
Informazioni sull'autore:
Patrick Le Fèvre, Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox, è un ingegnere altamente qualificato ed esperto con 35 anni di successi nel settore dell'elettronica di potenza. È stato un pioniere nella commercializzazione di nuove tecnologie come l'energia digitale e le iniziative tecniche per la riduzione del consumo energetico. Le Fèvre è autore e ha presentato numerosi white paper e articoli alle principali conferenze internazionali sull'elettronica di potenza. Questi sono stati pubblicati oltre 250 volte da testate giornalistiche di tutto il mondo. Partecipa inoltre a diversi forum ambientali, condividendo la sua esperienza e conoscenza nel campo delle energie pulite.
Patrick Le Fèvre,
Direttore Marketing e Comunicazione di Powerbox
