强脉冲光治疗机的控制技术研究.doc

天津大学硕士学位论文强脉冲光治疗机的控制技术研究姓名：王晓东申请学位级别：硕士专业：光电子技术指导教师：张贵忠20090501中文摘要近些年来临床医学实验表明，强脉冲光治疗机在临床治疗和光学美容方面效果显著并且安全可靠目前，采用脉冲氙灯作为光源的强脉冲光治疗机已经成为国际上进行光子嫩肤的最佳选择因此，我们选取该种强脉冲光治疗机作为研究对象由于传统的脉冲氙灯电源在采用间歇式长脉冲工作方式时，各个子脉冲强度仍相差较大，输出能量呈指数衰减为克服上述缺点，我们设计了基于ＩＧＢＴ斩波电路和ＬＣ滤波电路的＂母子”式电容储能电源系统实验证明，该电源系统不仅安全可靠，而且可以实现输出平稳的泵浦电流，使每个强脉冲光强度的差别可满足医学治疗的要求围绕这一课题，本文研究的重点如下：１，阐述了光与生物组织相互作用的机理，对强脉冲光治疗机的应用和研究现状进行了系统的归纳和总结，并介绍了几个国家多种强脉冲光治疗机的性能指标２，系统的阐述了脉冲氙灯的光辐射特性和电学特性及其对医疗的影响，并阐述了强脉冲光治疗机控制系统的工作流程３，设计了基于ＩＧＢＴ斩波电路和ＬＣ滤波电路的”母子＂式电容储能电源系统提出了设计ＬＣ滤波电路的归一化方法，并且重新优化了ＩＧＢＴ驱动电路和缓冲吸收电路。

４，设计了实验方案并验证了”母子’’式电容储能电源系统的实际效果实验证明，该电源系统在工作电压１５０Ｖ的条件下，可以实现大于２ＫＷ的充电功率，并且可以保证流经氙灯的电流脉冲基本相等，达到了设计的目的５，针对实验中出现的电磁干扰现象，采用了多种手段进行应对，取得了一定效果，提高了系统的电磁兼容性关键词：强脉冲光脉冲氙灯“母子”式电容ＩＧＢＴ斩波电路Ｌｃ滤波电路泵浦电流平稳电磁兼容性ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｔｈｅｍｅｄｉｃａｌｃｌｉｎｉｃａｌｔｒｉａｌｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍｉｓｖｅｒｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｓａｆｅｉｎｔｈｅｃｌｉｎｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｏｐｔｉｃａｌｂｅａｕｔｙ．ＴｈｅｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｔｈｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｉｓＸｅ・－ｆｌａｓｈ—ｌａｍｐｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏ－ｒｅｊｕｖｅｎａｔｉｏｎａｌｌｔｈｅｗｏｒｌｄｎｏｗ．ＳｏｗｅｃｈｏｓｅｔｏｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍａＳｒｅｓｅａｒｃｈ．ＴｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎｐｏｗｅｒｏｆＸｅ－－ｆｌａｓｈ・－ｌａｍｐｗｈｉｃｈｕｓｅｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｉｎｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｓｕｂ—ｐｕｌｓｅａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｅｎｅｒｇｙｂｅｃａｍｅｕｎｓｔａｂｌｅｗｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅｐｅｒｉｏｄｉｃｌｏｎｇ—ｐｕｌｓｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎｐｏｗｅｒ，ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅ“ｍａｉｎ—ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ’’ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｒｇｉｎｇｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩＧＢＴｃｈｏｐｐｅｒｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＬＣｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｐｒｏｖｅｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｎｏｔｏｎｌｙｓａｆｅｂｕｔａｌｓｏＣａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｈｉｇｈｅｒｃｈａｒｇｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｓｔａｂｌｅｐｕｍｐｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｏｕｔｐｕｔ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｓｕｂ・・ｐｕｌｓｅｄｉｎｔｈｅｐｅｒｉｏｄｌｏｎｇ・－ｐｕｌｓｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｍｅｄｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｓｏｍｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：１，Ｗｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｌａｓｅｒ－ｔｉｓｓｕｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｃｅｐｔｔｈａｔｗｅａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍ．２，ＷｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＸｅ・ｆｌａｓｈ－ｌａｍｐ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｗｏｒｋｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍ．３，Ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅ”ｍａｉｎ・ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ”ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｒｇｉｎｇｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩＧＢＴｃｈｏｐｐｅｒｃｉｒｃｕｉｔａｎｄＬＣｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＬＣｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ．ＥｘｃｅｐｔｔｈａｔｗｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇａｎｄｓｎｕｂｂｅｒｃｉｒｃｕｉｔｏｆｌＧＢＴ．４，Ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅ‘＇ｍａｉｎ－ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ”ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃｈａｒｇｉｎｇｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｖｅｐｒｏｖｅｎｔｈａｔｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｃａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ２ＫＷ，ｗｈｅｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｉｓ１５０Ｖ，ａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｏｆＸｅ－ｆｌａｓｈ—ｌａｍｐｃａｌｌｂｅｎｅａｒｌｙｅｑｕａｌ．Ｔｈｅａｉｍｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｈａｓｂｅｅｎａｃｈｉｅｖｅｄ．５，Ｆｏｒｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｅｕｓｅｄｖａｒｉｏｕｓｍｅｔｈｏｄｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄｓｏｍｅｅｆｆｅｃｔ．Ｓｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｐｕｌｓｅｄ，Ｘｅ．ｆｌａｓｈ．１ａｍｐ，Ｔｈｅ‘＇ｍａｉｎ．ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅ＇’ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ＩＧＢＴｃｈｏｐｐｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ＬＣｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，Ｓｔａｂｌｅｐｕｍｐｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ，Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意学位论文作者签名：互魄寿、签字目期：二口夕？年占月３日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁逮盘堂有关保留、使用学位论文的规定特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：签字日期：加口？年ｌ王晚寿、占月弓日导师签名：签字日期：伽，尹年易月了日‘／天津大学硕士学位论文第一章绪论１９６０年，Ｍａｉｍａｎ博士制造了人类历史上第一台激光器激光器的诞生为光学的发展注入了强大的推动力【ｌ】近些年来，随着科学技术的发展，各种光学仪器在军事、工业、通讯以及医疗等诸多领域发挥着越来越重要的作用１２１目前，各种光学仪器在临床医学领域中发挥的作用越发显著早先，光学仪器主要作为临床诊断的主要辅助手段，近些年来，随着技术水平的进步，光学仪器在临床治疗领域也发挥着越来越大的作用【３ｌ如今，各式光学仪器已经成为现代医学中不可替代的重要工到引预计在未来，光学仪器在医学中的重要性将越来越突出ｆ５１。

在临床诊断方面，由于光的非接触性以及光学仪器的高分辨率，使得光学诊断越来越被人重视利用拉曼光谱可以鉴别贫血病症，利用光学相干层析技术可以实现对眼底组织的精确成像并且成为对早期青光眼诊断的依据【６】在人体可接受的范围内，采用高亮度的强光光源作为光学仪器的光源，在多数情况下有助于提高临床诊断的精确度，使得人们可以更早更准确地检查到可能病变的组织在临床治疗方面，主要是利用了生物组织对光的选择性吸收特性其原理是让病变组织吸收较多的光辐射，使得病变组织升温，最后达到破坏病变组织的目的，而正常组织吸收的光辐射相对少得多，热效应不会伤害正常组织，因而达到治疗的疗效为实现上述目标，就要求光源必须达到一定强度同时，为了实现良好的选择吸特收，或选择单色性较好的激光治疗机或选用带有波长选择功能的宽光谱强光治疗设备，该类设备的波长选择功能一般可以通过滤光片实现曝光时间也是强光治疗中一个很重要的参数，因为它的长短标致着光与生物组织作用的不同类型ｌ，Ｊ总之，由于生物组织是非透明的混浊体，为了能探测到生物组织内部的情况或者实现光治疗，都需要光源达到一定的强度【引因此，未来强光系统必将成为医用光学系统的重点发展方向之一。

１．１光与生物组织相互作用的原理１．１．１生物组织的光学特性光在生物组织中传输如图１．１所示，将会发生反射、散射以及吸收等多种效第一章绪论应进入生物组织的光损耗主要来源于生物组织对光的吸收和散射，光损耗的大小直接影响到光辐射穿透生物组织的深度，而吸收和散射损耗的强弱程度主要取决于入射光的波长和生物组织的特性这里，入射光的波长就成为非常重要的参数入！【９】豺Ｏ／Ｕ若入射光是强度为厶的单色平行光，假设生物组织是均匀的，则在生物组织深度为Ｚ处的光强，可以由朗伯一贝尔定律（Ｌａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ）给出【１０】：Ｉ＝Ｉｏｅｘｐ（一ｇ，ｚ）７、／＼∥一尽射光＾Ｊ／～—７ｋ’Ｉ一一／’＼～＼教射光’发热ＡＴ，、吸收图１一ｌ光在生物体中的传输透射光式中的“为衰减系数，一般情况下，１４＝心＋从，其中心和熊分别为生物组织的吸收系数和散射系数，它们反映了一类生物组织对一种波长光波的吸收和散射的强弱若考虑到生物组织表面的反射作用（设其反射率为Ｒ），则式（１－１）可以改写成：Ｉ＝Ｉｏ（１一Ｒ）ｅｘｐ（一／４ｚ）（１．２）上式反映了光照射生物组织时，生物组织的反射、散射和吸收对光入射深度的影响这些现象可以用图１．１所示的模型来表示，但是由于生物组织大多数是非均匀的混浊组织，并且各个组织器官由于其构成的不同，所表现出的反射率、散射系数和吸收系数也并非常数。

因此，式（１－２）只能在特定条件下使用，并作为定性理解生物组织光学特性的依据【１１１光进入生物组织后，生物组织的散射作用不仅改变了光强也使光的传输方向发生了变。