Se 2020 marca o 60º aniversário do nascimento da tecnologia laser, é também o aniversário da sua primeira aplicação na área da medicina.
A 16 de maio de 1960, Theodore H. Maiman construiu o primeiro laser utilizando um cilindro de rubi sintético com 1 cm de diâmetro e 2 cm de comprimento, com as extremidades revestidas de prata para as tornar refletoras e capazes de funcionar como um ressonador Fabry-Perot, utilizando lâmpadas de flash fotográfico como fonte de bombeamento do laser. Em 1962, um dermatologista chamado Leon Goldman experimentou uma versão do laser de rubi de Maiman para remover tatuagens indesejadas. De facto, pode-se afirmar que as invenções e descobertas de Maiman e Goldman contribuíram para uma das utilizações mais populares dos lasers médicos em 2020: a remoção de tatuagens indesejadas (Figura 02).
Embora a remoção de tatuagens possa parecer um caso isolado, desde esta aplicação inicial, os lasers médicos encontraram espaço numa grande variedade de áreas da medicina e, sem as citar todas, existem muitos exemplos de tratamentos a laser em oftalmologia, oncologia e outras formas de cirurgia de que todos nós já beneficiámos ou ouvimos falar.
Quando uma fonte de alimentação permite a emissão de luz:
Se a natureza da geração de laser for específica para o tratamento direcionado — ou seja, gerar emissão de luz na gama de 193 nanómetros (excímero ArF) a 10.600 nanómetros (CO2) (Figura 3) e impulsos de 5 nanossegundos a 1 milissegundo — todos eles têm algo em comum: uma fonte de alimentação.
Além de alimentarem computadores embebidos e outros equipamentos eletrónicos, os lasers médicos requerem sistemas de energia altamente específicos, capazes de fornecer alta energia repetitiva de pico (tensão ou corrente) com segurança e fiabilidade. Dependendo
da aplicação final, cada tipo de laser requer um tipo diferente de fonte de alimentação, que vai desde um gerador de corrente para um laser de díodo de onda contínua até soluções de energia complexas para lasers a gás ou bombas de lâmpada que utilizam lâmpadas de flash como fonte de luz.
Provavelmente, poderíamos identificar tantas fontes de alimentação quantos os tipos de lasers utilizados na área médica, embora, como fabricantes de fontes de alimentação, simplifiquemos para duas:
- Fontes de alimentação de corrente constante para alimentar lasers de díodo emissor de luz (LED)
- Fontes de alimentação de alta tensão para alimentar lâmpadas de flash e tubos de descarga.
Inicialmente limitados em potência, os lasers de díodo não eram muito comuns em aplicações médicas. No entanto, com o desenvolvimento de uma vasta gama de díodos que geram comprimentos de onda de 405 a 2200 nanómetros, estão a tornar-se populares na área da terapia fotodinâmica, onde o comprimento de onda é mais crucial.
Tal como acontece noutras aplicações que utilizam LEDs (por exemplo, iluminação), a fonte de alimentação é frequentemente definida como um driver de LED. Utilizados tanto na nova geração de lasers de estado sólido como no próprio gerador de laser, os drivers de laser LED requerem uma atenção especial à estabilidade da corrente e à compensação da potência fornecida com base na temperatura do elemento LED. Os modernos geradores de energia para lasers LED baseiam-se na tecnologia digital com uma interface de entrada/saída (E/S) que permite a monitorização e o controlo da fonte de alimentação para satisfazer os requisitos da aplicação. Utilizando algoritmos preditivos, o estágio de potência pode ser programado para operar em segurança e fornecer a energia específica necessária com um único impulso.
Um laser LED pode operar na gama de alguns miliwatts a mais de 100 watts quando se utiliza um conjunto de LEDs como os que se encontram nas lâmpadas LED de estado sólido. Com o desenvolvimento dos supercondensadores, os drivers LED para lasers utilizam-nos frequentemente para armazenamento de energia. Nestes casos, a fonte de alimentação inclui circuitos especiais que controlam a energia armazenada no supercondensador para otimizar, ciclo a ciclo, o nível de energia fornecido à carga.
Do ponto de vista de um projectista de fontes de alimentação, as aplicações de laser LED e de energia são muito semelhantes às dos geradores de corrente convencionais, o que não acontece quando se projectam soluções de energia para lasers a gás ou bombas de lâmpada que utilizam um tubo de descarga.
Alimentação de Lasers de Alta Energia a Gás e de Estado Sólido:
Os lasers de alta energia a gás e de estado sólido utilizam lâmpadas de flash ou tubos de descarga que requerem tensões elevadas para gerar os níveis de energia necessários para iniciar o "processo de bombagem". Neste tipo de aplicação, o projeto da fonte de alimentação exige conhecimentos específicos em comutação de alta tensão e armazenamento de energia.
As fontes de alimentação para lasers de estado sólido bombeados por lâmpada e lasers a gás possuem especificações complexas, exigindo dois elementos: uma fonte de alimentação que converte a tensão da rede elétrica CA na alta tensão exigida pelo elemento emissor e um banco de condensadores de alta tensão para armazenamento de energia. A tensão dependerá do nível de energia necessário para ativar o bombeamento, mas em aplicações médicas convencionais, geralmente situa-se entre os 600 e os 3.000 VCC.
De forma semelhante ao flash de uma câmara, a fonte de alimentação carrega um condensador, que depois fornece a energia à lâmpada de flash. No entanto, embora possamos aceitar um pequeno atraso no carregamento do condensador na nossa câmara pessoal, no caso de um laser médico, a energia deve estar disponível instantaneamente, exigindo um banco de condensadores para armazenar grandes quantidades de energia.
Para os projetistas de sistemas de alimentação não familiarizados com topologias de transferência de alta potência, a estimativa da magnitude do campo de energia e do método de controlo preferencial para otimizar o estágio de potência pode ser um desafio.
A potência de saída necessária para lasers de estado sólido bombeados por lâmpada ou lasers de excímero pulsados de alta potência é tipicamente dada em joules por segundo, sendo uma função do tempo de carga, da taxa de repetição, da tensão de saída e das características dos componentes. Durante um ciclo de carga e descarga, a taxa de variação da tensão não é constante, o que difere significativamente das aplicações convencionais, onde a corrente de pico e a taxa de carga são geralmente bem definidas. A conceção de tais fontes de alimentação requer uma estreita colaboração com o fabricante do equipamento para testar a solução energética em condições reais.
É muito comum os fabricantes de lasers médicos dividirem a solução energética em duas partes: a própria fonte de alimentação (Figura 4) e o banco de condensadores de alta tensão, que, por razões de segurança, pode ser alojado num tanque selado.
Tecnologicamente, as fontes de alimentação modernas utilizam técnicas de controlo digital, que não só melhoram a eficiência, como, no caso dos lasers médicos, também aumentam a fiabilidade do equipamento. Isto porque o seu princípio de funcionamento baseia-se na energia pulsada, que é notoriamente prejudicial para os componentes eletrónicos. Como discutido anteriormente na secção deste artigo dedicada às soluções de potência para lasers LED, a utilização do controlo digital oferece vantagens significativas em termos de gestão de energia. É possível controlar a unidade de potência com precisão de um único bit e ajustar todos os parâmetros ciclo a ciclo. Por exemplo, durante uma cirurgia, o cirurgião pode solicitar mais potência ou impulsos mais longos para a ablação do tumor. Controlada pelo computador de bordo, a fonte de alimentação pode ser programada entre impulsos para alterar a tensão de carga e/ou a quantidade de energia necessária para o elemento emissor.
O que mais devem os projetistas de sistemas de alimentação considerar?
Segurança – Não há dúvida de que lidar com tensões elevadas e quantidades significativas de energia exige uma atenção cuidadosa à segurança. Normalmente integrada no equipamento final, a fonte de alimentação deve, obviamente, estar em conformidade com as normas gerais de segurança e ambientais, mas durante o processo de projeto, os projetistas de sistemas de alimentação devem prestar especial atenção a todos os riscos associados aos perigos inerentes às tensões elevadas.
Risco – No que diz respeito às fontes de alimentação integradas no equipamento final, em vez do próprio equipamento médico, alguns clientes exigem uma análise abrangente de avaliação de riscos, como a norma ISO 14971, que deve ser considerada desde o início.
EMI – Os picos de potência durante a comutação geram emissões eletromagnéticas e perturbações na linha que podem interferir com outros equipamentos médicos. A filtragem e a correção do fator de potência requerem uma atenção especial durante a fase de projeto, não só para cumprir as normas e regulamentos no momento da certificação, mas também para ter em conta o envelhecimento dos componentes de filtragem, como os condensadores eletrolíticos, ao longo da vida útil do equipamento.
Ruído e calor – Para além das normas locais, os hospitais, as instalações médicas e as instituições paramédicas exigem que os equipamentos eletrónicos operem sem ruído audível. Considerando que os equipamentos laser incluem vários dissipadores de calor, o arrefecimento forçado é frequentemente necessário. Para obter um arrefecimento eficaz com o mínimo de ruído audível, os fabricantes estão a utilizar ventoinhas grandes e de baixa velocidade para arrefecer os seus sistemas. Por segurança, os bancos de condensadores e as fontes de alimentação estão alojados em invólucros selados, limitando o arrefecimento à condução através do chassis. Esta é uma consideração importante no design de fontes de alimentação para lasers médicos.
Como é que as novas tecnologias energéticas podem beneficiar os lasers médicos?
Durante muitos anos, o tamanho da fonte de alimentação para utilização em lasers médicos não foi uma grande preocupação, mas isso está a mudar. Os fabricantes de lasers médicos estão a considerar uma nova geração de lasers "portáteis" para uso domiciliário e para aumentar a mobilidade dos serviços médicos. A investigação para o desenvolvimento de lasers mais potentes, incluindo lasers LED com comprimentos de onda combinados, está a mostrar um bom progresso. O controlo operacional é facilmente realizado num tablet (sem mais ecrãs integrados), mas, claro, alguns equipamentos necessitarão de uma redução significativa de peso para atingir a portabilidade.
No caso dos lasers LED, os supercondensadores baseados em nanotecnologia estão a oferecer níveis impressionantes de capacidade para armazenar grandes quantidades de energia e, ao utilizar semicondutores de banda larga, como o nitreto de gálio ou o carboneto de silício, o tamanho da fonte de alimentação pode ser reduzido até três vezes. Isto é muito promissor e não tenho dúvidas de que os lasers LED médicos beneficiarão das mais recentes tecnologias e inovações que estão a ocorrer na indústria das fontes de alimentação. Figura 03: Comprimentos de onda e exemplos de aplicações do laser na área médica.
Figura 04: Fonte de alimentação PRBX com picos de carga elevados para utilização em laser médico
Sobre a Powerbox:
Fundada em 1974, com sede na Suécia e operação em 15 países de quatro continentes, a Powerbox serve clientes em todo o mundo. A empresa concentra-se em quatro mercados principais — industrial, médico, transportes/ferroviário e defesa — para os quais concebe e comercializa sistemas de conversão de energia premium para aplicações exigentes. A missão da Powerbox é alavancar a sua expertise para aumentar a competitividade dos seus clientes, atendendo a todas as suas necessidades energéticas. Todos os aspetos do negócio da empresa estão focados neste objetivo, desde o design de componentes avançados incorporados nos produtos até ao fornecimento de altos níveis de serviço ao cliente. A Powerbox é reconhecida pelas suas inovações técnicas que reduzem o consumo de energia e pela sua capacidade de gerir todo o ciclo de vida do produto, minimizando o impacto ambiental. A Powerbox é uma empresa do Grupo Cosel.
Sobre o autor:
Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicações da Powerbox, é um engenheiro altamente experiente e qualificado, com 35 anos de percurso de sucesso na eletrónica de potência. Foi pioneiro na comercialização de novas tecnologias, como a energia digital, e em iniciativas técnicas para reduzir o consumo de energia. Le Fèvre é autor e apresentador de numerosos artigos e documentos técnicos nas principais conferências internacionais de electrónica de potência. Estes trabalhos foram publicados mais de 250 vezes em órgãos de comunicação social de todo o mundo. Participa também em diversos fóruns ambientais, partilhando a sua experiência e conhecimento em energia limpa.
Patrick Le Fèvre,
Diretor de Marketing e Comunicação da Powerbox
