Если 2020 год знаменует собой 60-летие со дня рождения лазерных технологий, то это также годовщина их первого применения в медицине.
16 мая 1960 года Теодор Х. Майман сконструировал первый лазер, используя синтетический рубиновый цилиндр диаметром 1 см и длиной 2 см, концы которого были покрыты серебром, чтобы сделать их отражающими и способными служить резонатором Фабри-Перо, используя фотовспышки в качестве источника накачки лазера. В 1962 году дерматолог Леон Гольдман экспериментировал с версией рубинового лазера Маймана для удаления нежелательных татуировок. По сути, можно с уверенностью сказать, что изобретения и открытия Маймана и Гольдмана способствовали одному из самых популярных применений медицинских лазеров в 2020 году: удалению нежелательных татуировок (Рисунок 02).
Хотя удаление татуировок может показаться единичным случаем, с момента своего первого применения медицинские лазеры нашли широкое применение в медицине, и, не перечисляя все примеры, можно привести множество случаев лазерного лечения в офтальмологии, онкологии и других видах хирургии, от которых мы все получили пользу или о которых слышали.
Когда источник питания обеспечивает излучение света:
Если характер генерации лазерного излучения специфичен для целенаправленного лечения — то есть, генерация излучения света в диапазоне от 193 нанометров (эксимер ArF) до 10 600 нанометров (CO2) (рис. 3) и импульсов от 5 наносекунд до 1 миллисекунды — то у всех них есть нечто общее: источник питания.
Помимо питания встроенных вычислительных систем и другого электронного оборудования, медицинские лазеры требуют высокоспециализированных систем питания, способных безопасно и надежно обеспечивать высокую пиковую повторяющуюся энергию (напряжение или ток).
В зависимости от конечного применения, каждый тип лазера требует разного типа источника питания, от генератора тока для диодного лазера непрерывного действия до сложных решений для питания газовых лазеров или ламповых насосов, использующих импульсные лампы в качестве источника света.
Вероятно, можно выделить столько же источников питания, сколько типов лазеров используется в медицине, хотя, как производитель источников питания, мы упрощаем их до двух:
- Источники постоянного тока для питания светодиодных (LED) лазеров
; - Высоковольтные источники питания для питания импульсных ламп и разрядных трубок.
Первоначально ограниченные по мощности, диодные лазеры не были очень распространены в медицинских приложениях. Однако с развитием широкого спектра диодов, генерирующих длины волн от 405 до 2200 нанометров, они становятся популярными в области фотодинамической терапии, где длина волны имеет большее значение.
Как и в других областях применения светодиодов (например, освещение), источник питания часто определяется как драйвер светодиода. Используемые как в новом поколении твердотельных лазеров, так и в самом лазерном генераторе, драйверы светодиодных лазеров требуют особого внимания к стабильности тока и компенсации подаваемой мощности в зависимости от температуры светодиодного элемента. Современные генераторы питания для светодиодных лазеров основаны на цифровой технологии с интерфейсом ввода/вывода (I/O), который позволяет контролировать и управлять источником питания в соответствии с требованиями приложения. Используя алгоритмы прогнозирования, силовой каскад можно запрограммировать на безопасную работу и подачу необходимой энергии за один импульс.
Светодиодный лазер может работать в диапазоне от нескольких милливатт до более 100 ватт при использовании светодиодной матрицы, подобной тем, что используются в твердотельных светодиодных лампах. С развитием суперконденсаторов драйверы светодиодов для лазеров часто используют их для накопления энергии. В таких случаях источник питания включает в себя специальную схему, которая управляет энергией, запасенной в суперконденсаторе, для оптимизации, цикл за циклом, уровня энергии, подаваемой на нагрузку.
С точки зрения разработчика источников питания, светодиодные лазеры и их применение в электропитании очень похожи на применение обычных генераторов тока, чего нельзя сказать о разработке решений для электропитания газовых лазеров или ламповых насосов, использующих разрядную трубку.
Питание высокоэнергетических газовых и твердотельных лазеров: В
высокоэнергетических газовых и твердотельных лазерах используются импульсные лампы или разрядные трубки, для генерации энергии которых, необходимой для запуска процесса «накачки», требуются высокие напряжения. В таких приложениях проектирование источников питания требует специальных знаний в области высоковольтного переключения и хранения энергии.
Источники питания твердотельных лазеров с ламповой накачкой и газовых лазеров имеют сложные характеристики и требуют двух элементов: источника питания, преобразующего переменное напряжение сети в высокое напряжение, необходимое для излучающего элемента, и высоковольтной конденсаторной батареи для хранения энергии. Напряжение будет зависеть от уровня энергии, необходимого для активации накачки, но в обычных медицинских приложениях оно обычно составляет от 600 до 3000 В постоянного тока.
Подобно вспышке вашей фотокамеры, источник питания заряжает конденсатор, который затем передает энергию импульсной лампе. Однако, если мы можем смириться с небольшой задержкой в зарядке конденсатора в нашей личной фотокамере, то в случае медицинского лазера энергия должна быть доступна без задержки, что требует наличия конденсаторной батареи для хранения больших объемов энергии.
Для разработчиков источников питания, незнакомых с топологиями передачи высокой мощности, оценка размера энергетического поля и предпочтительного метода управления для оптимизации силового каскада может представлять собой сложную задачу.
Выходная мощность, необходимая для твердотельных лазеров с ламповой накачкой или мощных импульсных эксимерных лазеров, обычно выражается в джоулях в секунду и зависит от времени зарядки, частоты повторения импульсов, выходного напряжения и характеристик компонентов. Во время цикла заряда-разряда скорость изменения напряжения не постоянна, что существенно отличается от традиционных применений, где пиковый ток и скорость зарядки обычно четко определены. Разработка таких источников питания требует тесного сотрудничества с производителем оборудования для тестирования решения в реальных условиях.
Производители медицинских лазеров часто делят решение по питанию на две части: сам источник питания (рис. 4) и высоковольтную конденсаторную батарею, которая по соображениям безопасности может размещаться в герметичном резервуаре.
Технологически современные источники питания используют методы цифрового управления, которые не только повышают эффективность, но и, в случае медицинских лазеров, улучшают надежность оборудования. Это связано с тем, что принцип их работы основан на импульсной энергии, которая, как известно, оказывает негативное воздействие на электронные компоненты. Как обсуждалось ранее в разделе этой статьи, посвященном решениям для питания светодиодных лазеров, использование цифрового управления предлагает значительные преимущества с точки зрения управления энергией. Возможно управлять блоком питания с точностью до одного бита и регулировать все параметры циклически. Например, во время операции хирург может запросить большую мощность или более длинные импульсы для абляции опухоли. Управляемый бортовым компьютером источник питания может быть запрограммирован между импульсами для изменения напряжения зарядки и/или количества энергии, необходимой излучающему элементу.
Что еще следует учитывать разработчикам источников питания?
Безопасность – Нет сомнений в том, что работа с высокими напряжениями и значительными объемами энергии требует тщательного внимания к безопасности. Источники питания, как правило, интегрированные в конечное оборудование, должны, очевидно, соответствовать общим нормам безопасности и охраны окружающей среды, но в процессе проектирования разработчики источников питания должны уделять особое внимание всем рискам, связанным с присущими высоким напряжениям опасностями.
Риск – Что касается источников питания, интегрированных в конечное оборудование, а не в само медицинское оборудование, некоторые клиенты требуют всестороннего анализа оценки рисков, например, в соответствии со стандартом ISO 14971, который необходимо учитывать с самого начала.
Электромагнитные помехи – Пиковые скачки напряжения во время коммутации генерируют электромагнитные излучения и помехи в сети, которые могут создавать помехи для другого медицинского оборудования. Фильтрация и коррекция коэффициента мощности требуют особого внимания на этапе проектирования не только для соответствия стандартам и нормам на момент сертификации, но и для учета старения фильтрующих компонентов, таких как электролитические конденсаторы, в течение всего срока службы оборудования.
Шум и тепло – В дополнение к местным нормам, больницы, медицинские учреждения и парамедицинские организации требуют, чтобы электронное оборудование работало без слышимого шума. Учитывая, что лазерное оборудование включает в себя несколько радиаторов, часто требуется принудительное охлаждение. Для достижения эффективного охлаждения с минимальным уровнем шума производители используют большие низкоскоростные вентиляторы. В целях безопасности конденсаторные батареи и блоки питания размещаются в герметичных корпусах, ограничивая охлаждение теплопроводностью через шасси. Это важный фактор при проектировании блоков питания для медицинских лазеров.
Какую пользу могут принести новые энергетические технологии медицинским лазерам?
Долгое время размер источника питания для медицинских лазеров не был главной проблемой, но ситуация меняется. Производители медицинских лазеров рассматривают возможность создания нового поколения «портативных» лазеров для домашнего использования и повышения мобильности медицинских услуг. Исследования по разработке более мощных лазеров, включая светодиодные лазеры с комбинированными длинами волн, показывают хорошие результаты. Управление легко осуществляется с помощью планшета (больше нет встроенных экранов), но, конечно, для обеспечения портативности потребуется значительное снижение веса некоторого оборудования.
В случае светодиодных лазеров суперконденсаторы на основе нанотехнологий предлагают впечатляющие возможности для хранения больших объемов энергии, а использование широкополосных полупроводников, таких как нитрид галлия или карбид кремния, позволяет уменьшить размер источника питания в три раза. Это очень многообещающе, и я не сомневаюсь, что медицинские светодиодные лазеры выиграют от новейших технологий и инноваций в индустрии источников питания. Рисунок 03: Длины волн и примеры применения лазеров в медицине.
Рисунок 04: Источник питания PRBX с высокими пиковыми нагрузками для использования в медицинских лазерах
О компании Powerbox:
Основанная в 1974 году, компания Powerbox со штаб-квартирой в Швеции работает в 15 странах на четырех континентах и обслуживает клиентов по всему миру. Компания фокусируется на четырех основных рынках — промышленности, медицине, транспорте/железнодорожном транспорте и обороне — для которых она разрабатывает и продает высококачественные системы преобразования энергии для сложных задач. Миссия Powerbox — использовать свой опыт для повышения конкурентоспособности клиентов, удовлетворяя все их потребности в электроэнергии. Каждый аспект деятельности компании направлен на достижение этой цели, от разработки передовых компонентов, используемых в продуктах, до предоставления высокого уровня обслуживания клиентов. Powerbox известна своими техническими инновациями, которые снижают энергопотребление, и способностью управлять всем жизненным циклом продукта, минимизируя при этом воздействие на окружающую среду. Powerbox является компанией группы Cosel.
Об авторе:
Патрик Ле Февр, директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox, — высококвалифицированный инженер с 35-летним опытом успешной работы в области силовой электроники. Он является пионером в коммерциализации новых технологий, таких как цифровые энергетические системы, и технических инициатив по снижению энергопотребления. Ле Февр является автором и докладчиком многочисленных аналитических докладов и статей на ведущих международных конференциях по силовой электронике. Его работы были опубликованы более 250 раз в средствах массовой информации по всему миру. Он также принимает участие в различных экологических форумах, делясь своим опытом и знаниями в области чистой энергетики.
Патрик Ле Февр,
директор по маркетингу и коммуникациям компании Powerbox.
