Hoàn thiện công nghệ chế tạo hệ laser ND- YAG loại nhỏ dùng trong y học

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ LASER








BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN SXTN CẤP BỘ


HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỆ LASER
Nd:YAD LOẠI NHỎ DÙNG TRONG Y HỌC


Chủ nhiệm đề tài: KS. LÊ HUY TUẤN

7385
01/6/2009



HÀ NỘI – 2007



Danh sách
Những ngời tham gia thực hiện chính.

TT Họ tên Chức vụ Học vị Cơ quan
1 Lê Huy Tuấn Trởng phòng KS ĐK
Trung tâm công nghệ
Laser
2 Trần Ngọc Liêm Giám đốc TS
Trung tâm công nghệ
Laser
3 Nguyễn Thế Hùng Đại tá
CN Khoa Y học
thực nghiệm
Bác sĩ
CKII
Viện quân y 108
Bộ quốc phòng
4 Phạm Hữu Nghị Đại tá TS
Viện quân y 108
Bộ quốc phòng
5 Đỗ Thiện Dân Thợng tá TS

Viện quân y 108
Bộ quốc phòng
6 Trần Ngọc Hải Sơn

Kỹ S
Tin học
Trung Tâm Công nghệ
Laser
7 Phùng Minh Tâm
Cử nhân
Vật lý
Trung Tâm Công nghệ
Laser
8
Ngô Lê Quế

Kỹ s
má
y

Trung Tâm Công nghệ
Laser
9
Trần Trung Huy

KTV Trung Tâm Công nghệ
Laser
10 Nguyễn Hoài An
Cử nhân
vật lý

Trung tâm công nghệ
Laser
11 Ngô Thị Hoa Thạc sĩ
Trung tâm công nghệ
Laser










Tóm tắt thực hiện Dự án
Hoàn thiện công nghệ và chế tạo Hệ laser Nd:yag loạt
nhỏ dùng trong y học

Dự án thực hiện trong hai năm, với khối lợng triển khai khá lớn so với kinh phí
thực hiện bởi giá cả biến động vì vậy dự án cha đáp ứng đầy đủ và trọn vẹn các mục
tiêu đề ra tuy nhiên đã đạt đợc mục tiêu chính mà dự án đã đăng ký, cụ thể là :
a) Hoàn thiện công nghệ chế tạo và sản xuất hệ laser Nd:YAG nhằm thúc đẩy
phát triển công nghệ laser y học hiện đại ở Việt Nam phục vụ khám chữa bệnh
chăm sóc sức khoẻ cho ngời dân, tiến tới xuất khẩu mang thơng hiệu quốc
gia.
b) Chuyển giao thiết bị Laser Nd: YAG ứng dụng điều trị đến một số cơ sở y
tế phục vụ khám chữa bệnh, thu hồi vốn đầu t.
c) Nâng cao trình độ chuyên môn cho đội ngũ cán bộ nghiên cứu trong đơn vị
trong việc thiết kế, chế tạo, bảo hành, bảo trì và sửa chữa các máy do Việt

Nam sản xuất cũng nh các máy của nớc ngoài (làm chủ đợc công nghệ).
Giải quyết việc làm (thuê gia công tại các xởng) khoảng 100 công nhân.



Những kết quả đạt đợc và cha đạt đợc:


Kết quả đạt đợc:

1./ Hoàn thiện công nghệ chế tạo và sản xuất 4 hệ laser Nd:YAG và 4 hệ
làm lạnh COOLING SYSTEM theo đúng tiến độ.
1. Hệ nguồn điều khiển trung tâm
2. Hệ làm lạnh laser rắn Nd: YAG
3. Hệ thống an toàn tự động và cỡng bức
4. Hệ quang học laser bao gồm laser Nd: YAG, cáp quang và laser dẫn
đờng
5. Trung tâm xử lý điều hành
6. Nguồn công suất điều khiển laser Nd: YAG
7. Nguồn nuôi và điều chỉnh độ sáng laser dẫn đờng
8. Nguồn cao áp điều khiển laser Nd: YAG
9. Đo đạc điều khiển tự động nhiệt độ làm việc của laser Nd:YAG
10. Điều khiển các tham số làm việc.
11. Giao diện với mạch chỉ thị và các phần tử điều khiển ngoại vi

12. Thiết kế cơ khí : kết cấu khung sờn máy, các đồ gá chuyên dụng,
các hệ chỉnh quang đặc biệt.
13. Thiết kế tổng thành hệ thống có tính chất mỹ thuật công nghiệp và tối
u, vận trù học thích hợp trong lắp ráp, lắp đặt, sử dụng, trong sửa chữa,
bảo trì, bảo hành, trong liên kết tơng tác logic hệ thống

14. Thiết kế hệ mô phỏng và chạy thử nhằm TESTING các tham số điều
khiển, công suất, quang học, cơ học, điện tử, điện lạnh
15. Thiết kế mạch in, lắp ráp chạy thử nghiệm, tính tán độ bền, độ ổn
định, độ chống nhiễu, độ chịu đựng đợc các môi trờng nhiệt độ nóng
ẩm, phù hợp với yêu cầu thực tế về giá thành và các yêu cầu khác.
16. Xây dựng
* Quy trình: gia công - lắp ráp - căn chỉnh - chạy thử - hiệu chỉnh
- đo đạc - hiệu chỉnh lần cuối - chạy demo kiểm tra chất lợng
xuất xởng.
* Tăng cờng bổ xung trang thiết bị chuyên dụng
* Đào tạo bổ xung nguồn nhân lực
* Hợp tác khai thác nguồn công nghệ nớc ngoài (những vấn đề
mới nh: xử lý tín hiệu: DSP, hiển thị LCD, vi xử lý CPU )
* Xúc tiến tiếp thị khai thác thị trờng trong và ngoài nớc, lập
trang WEB , catalog, quảng cáo hội chợ, triển lãm, t vấn, hội
nghị khách hàng.tiến tới xuất khẩu (nếu nh đạt đợc tiêu
chuẩn ISSO)
* Thơng hiệu sản phẩm và các tiêu chuẩn của sản phẩm
+ Hoàn chỉnh về mặt công nghệ
1. Thiết kế tối u hệ thống điều khiển
2. Thiết kế chế tạo hệ làm lạnh gọn nhỏ hơn
3. Nghiên cứu hệ thống bảo vệ từ 12 đến 18 thông số
4. Thiết kế hệ thống quang dẫn đờng sử dụng laser diốt
5. Hoàn thiện nguồn cao áp trong môi trờng nhiệt đới

2./ Chuyển giao thiết bị laser Nd:YAG và thiết bị làm lạnh COOLING
SYSTEM ứng dụng tại Bệnh viện TW Quân đội 108 và Bệnh viện chấn thơng
chỉnh hình ITO Sài Gòn điều trị đợc gần 200 lợt bệnh nhân.
3./ Nâng cao trình độ chuyên môn đội ngũ trong đơn vị, bệnh viện, xởng.
4./ An toàn - Chất lợng - Dáng vẻ công nghiệp - Độ bền là 4 đặc tính của

dự án này. Gần 100% sản phẩm tạo ra đợc sử dụng không bị hỏng hóc. Độ ổn
định và công năng thích hợp với hoàn cảnh, môi trờng Việt Nam.
5./ Duy trì danh hiệu Huy chơng vàng TECHMART 2003 ở TECHMART
2005 và Hội chợ Y dợc Quốc tế 2005- 2006.

Kết quả cha đạt đợc
(Đợc thực hiện tiếp tục trong thời gian tiếp theo):

1. Sản xuất 4 hệ laser Nd:YAG và 4 hệ làm lạnh COOLING SYSTEM
2. Bán và thu hồi vốn
Thực ra nhóm Dự án có khả năng hoàn thành 8 hệ laser Nd:YAG và 8 hệ làm
lạnh COOLING SYSTEM theo đúng tiến độ đã đăng ký nhng vì các bệnh viện
cha có kinh phí để mua thiết bị. Vì vậy nếu tiếp tục sản xuất thì sẽ dẫn đến việc
ứ đọng vốn và phải trả lãi cao (Lãi suất ngân hàng tăng 0,8 lên 1,2 %/1 tháng và
phải có thế chấp chuẩn). Hơn nữa trong hai năm qua giá cả linh kiện và trả lơng
công nhân bị biến động theo chiếu hớng tăng khoảng 50% - 80% (Thậm chí có
những vật t tăng gấp nhiều lần)

Một số kiến nghị:

1/. Có thể đầu t cho dự án này ở tầm sản xuất hàng loạt với kinh phí 10 15 tỷ
và sản lợng lớn hơn để đáp ứng thị trờng trong nớc .
2/. Nhà nớc có thể cho phép trả thu hồi chậm ( 1 năm ) bởi các lý do khách quan
đã nêu trên.

Thay mặt nhóm thực hiện dự án
Xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học Công nghệ, Viện ứng dụng Công nghệ,
Trung tâm Công nghệ Laser và các cá nhân, đồng nghiệp đ nhiệt tình cộng tác
trong quá trình thực hiện dự án này.

Hà nội , ngày 8 tháng 03 năm 2007
Chủ nhiệm dự án




Lê Huy Tuấn


Lời mở đầu


Dự án : Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ Laser Nd: YAG loạt nhỏ dùng
trong y học thực hiện trong phạm vi 2 năm tại trung tâm Công nghệ Laser với mục đích
theo kịp nền y học hiện đại đang phát triển nh vũ bão nhằm nâng cao chất lợng khám
chữa bệnh cho con ngời và làm chủ công nghệ chế tạo, bảo hành bảo trì loại sản phẩm
Laser YAG nói chung.
Đó cũng là một bớc đi trong sự nghiệp Công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc
, đặc biệt khi Việt Nam là thành viên chính thức của WTO. Mặt khác tình trạng thiếu
thốn trang thiết bị khám chữa bệnh và số lợng bệnh nhân ở nớc ta quá lớn đã gây quá
tải ở các bệnh viện. Chính vì vậy vấn đề nêu ra và thực hiện của dự án là cấp thiết .
Bên cạnh đó, nếu làm tốt ở giai đoạn tiếp theo, sẽ tiết kiệm cho nhà nớc một
khoản ngoại tệ đáng kể trong quá trình nhập khẩu thiết bị.
Thực tiễn cho thấy quá trình triển khai kỹ thuật và công nghệ y học mới cần hoạt
động kịp thời của dịch vụ sau bán hành ( hậu mãi ) nh bảo hành, bảo trì, sửa chữa .
Việc chúng ta phát huy năng lực công nghệ nội địa có ý nghĩa cơ bản trong xây
dựng đất nớc phát triển bền vững, và lấy công nghệ cao làm cơ sở của quá trình tiến
nhanh vững chắc của nền kinh tế xã hội.

Dự án hoàn thành với các mục tiêu đó cũng là bớc để mở rộng thị trờng nội địa,
tiến tới xuất khẩu thu ngoại tệ làm giầu cho đất nớc. Đợc sự ủng hộ của nhà nớc, Bộ
KHCN, Viện ƯDCN dự án đã hoàn thành và triển khai tốt các nội dung và các kết quả
đã đề ra.
Trong báo cáo dự án này chúng tôi trình bày chủ yếu về các công nghệ đã hoàn
thiện và các vấn đề sáng tạo mới( nhiều sáng kiến mà các thiết bị nớc ngoài không có )
để chế tạo đợc hệ laser Nd:YAG và nguồn lạnh đã đợc Bộ y tế cấp giấy phép lu hành
toàn quốc. Với hồ sơ công nghệ đó có thể sản xuất hàng loạt các sản phẩm có chất lợng
cao đáp ứng nhu cầu thị trờng trong và ngoài nớc. Các nội dung khác nh đào tạo đội
ngũ bác sĩ, kĩ s ; Quan hệ với hãng nớc ngoài học tập trao đổi kinh nghiệm; Thực hiện
các công tác thị trờng mở lớp tập huấn; Chuyển giao công nghệ ứng dụng tới cơ sở y tế
. cũng đã đợc nhóm đề tài thực hiện đày đủ, nhờ đó mà các sản phẩm đã đợc các giả
thởng trong nớc.

Hà nội , ngày 8 tháng 03 năm 2007





Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nớc
Hiệu quả công nghệ kinh tế x hội

1. Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nớc ngoài
Trên 20 nớc phát triển và đang phát triển đã ứng dụng Laser YAG để điều trị
nhiều bệnh nan y, đặc biệt các chứng bệnh bên trong cơ thể (phơng pháp nội soi) để
mang lại kết quả khả quan.
Điều trị bằng laser YAG có nhiều lợi thế và có công năng mạnh nh: công suất
phát cao (60W); có sức xuyên sâu (trên 1mm) ; dễ dàng hấp thụ đối với tổ chức con
ngời. Vì thế nó có thể ứng dụng điều trị các tổ chức mô sinh học trong các trờng hợp :

cầm máu (Coagulation), đốt cháy (Carbonized), bốc bay(Vapoied), cắt bỏ (excised).
Tuyệt vời hơn cả là laser YAG có thể qua môi trờng quang học. Bởi vậy nhờ cáp quang
mảnh ta có thể điều trị bất kỳ điểm nào, vùng nào của tổ chức mô bị bệnh ở bề mặt hay ở
bên trong cơ thể ngời. Ví dụ nh thẩm mỹ trên da hay cắt bỏ khối u ở dạ dày, u tiền liệt
tuyến, u dạ con, nhờ có sự trợ giúp của phơng pháp phẫu thuật nội soi bằng laser
YAG mà trong trờng hợp này ở laser CO
2
khó thực hiện đợc.
Trên cơ sở khoa học và thực tiễn ứng dụng lâm sàng, thiết bị laser YAG công suất
cao đã đợc trang bị tại các trung tâm nghiên cứu khoa học y học, các phòng khám, các
chuyên khoa, ở các bệnh viện lớn. Laser YAG ngày nay đã trở thành một công cụ phẫu
thuật chính yếu cho việc đào tạo, điều trị hay nghiên cứu khoa học.
Với lợi thế đó, laser YAG đã đợc triển khai rộng ri ở các chuyên khoa khác
nhau; khoa phẫu thuật (chỉnh hình, thẩm mỹ), khoa dạ dầy, khoa tiêu hoá, khoa hô hấp,
khoa u bứu
Nhờ sự u việt của hiệu ứng chữa bệnh mà laser YAG đã chữa trị hàng triệu bệnh
nhân trên thế giới với trên 60 loại bệnh y học khác nhau.
Việc nghiên cứu sản xuất laser YAG chỉ đợc tiến hành ở các nớc có nền KHCN
phát triển và có giá thành rất cao khoảng trên 25.000 USD (ở Trung Quốc);
50.000USD(ở Hàn Quốc); 70.000USD (Mỹ, Anh)
2. Tình hình nghiên cứu triển khai trong nớc
ở Việt Nam trong những năm gần đây, nhu cầu ứng dụng laser YAG trong phẫu
thuật là rất lớn, có một số bệnh viện lớn đã sử dụng laser YAG trong phẫu thuật thẩm
mỹ, răng hàm mặt, da liễu, các hốc trên cơ thể (nh tai, mũi, họng, hậu môn, phụ khoa ),
nhng hiện tại công nghệ phẫu thuật bằng laser YAG còn phát triển chậm do:
+ Bác sĩ cha đợc tiếp cận với công nghệ này và cha đợc đào tạo cơ bản
+ Thiết bị quá đắt (khó triển khai, hiện nay chỉ có khoảng 5 đầu máy của nớc
ngoài
đợc triển khai)
+ Công việc bảo hành, bảo trì, sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn khi là thiết bị ngoại

nhập.
Trung tâm công nghệ Laser là đơn vị đầu tiên nghiên cứu chế tạo một thiết bị laser
YAG hoàn chỉnh và đ ứng dụng vào thực tế lâm sàng cho kết quả tốt, đợc các bác sĩ
tại Viện 108 rất a dùng. Cụ thể nó có thể chữa một số bệnh nan y tiêu biểu
+ Thoát vị đĩa đệm (không phải mổ, chỉ cần dùng dây quang dẫn đa vào nơi đĩa
đệm thoát vị )
+ U máu, u phì, sẹo lồi, các bệnh u nang, u bứu
Thiết bị Laser Nd: YAG 60W liên tục là một thiết bị hiện đại, công nghệ cao cần
phải hoàn thiện công nghệ một bớc nữa trớc khi đa ra thị trờng hàng loạt. Lu ý
rằng Trung tâm công nghệ laser có khả năng làm chủ và khả thi công nghệ này bởi có
một số sáng kiến đặc biệt trong công năng của thiết bị (kế thừa phát triển) nh:
- Tạo đợc khả năng làm việc của thiết bị trong môi trờng nhiệt đới nóng ẩm (hệ
COOLING SYSTEM, hệ lọc nhiễu và ổn định công suất)
- Các vấn đề tự động khống chế an toàn cao cấp (25 vấn đề kỹ thuật phức tạp)
Nh vậy đây là hệ laser có những ứng dụng hoàn hảo trong phẫu thuật y học.
3. Hiệu quả kinh tế x hội
Số bệnh nhân trong nớc có nhu cầu sử dụng thiết bị laser Nd:YAG ngày một
tăng, nh vậy cần phải tăng đầu máy Nd:YAG để trang bị ở các tuyến trung ơng, tỉnh
thành.
Tuy nhiên, hiện nay hệ laser Nd:YAG nếu chúng ta nhập ngoại cần số tiền khá
cao và khó khăn trong việc bảo trì, bảo dỡng. Cũng hệ laser này, nếu chúng ta sản xuất
trong nớc thì giá thành sẽ giảm từ 30% đến 50% so với giá nhập ngoại, ngoài ra nó còn
phù hợp với điều kiện thời tiết ở nớc ta, dễ bảo trì bảo dỡng.
Đặc biệt thiết bị đã đợc Bộ y tế cấp giấy phép l
u hành, và công nghệ chế tạo
laser Nd:YAG tại Việt Nam đã đợc chúng tôi nắm bắt một cách có hệ thống (từ 80%-
90% về công nghệ). Nay cần đầu t thời gian và kinh phí để hoàn thiện, nếu không sẽ
rất lãng phí tiềm năng đã đạt đợc. Đây là vấn đề bức xúc và nhạy cảm , nên chăng dự
án này cần đợc sự quan tâm rõ rệt hơn nữa của Nhà nớc Bộ KHCN (đặc biệt trong
vốn đầu t 552 triệu còn rất thấp so với tiềm năng phát triển vốn có của nó ).

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
1
A/ Sơ đồ hệ thống và nguyên lý điều khiển laser Nd: YAG 60W
A1. Sơ đồ khối hệ thống laser Nd:YAG 60W

Hình 1: Sơ đồ khối tổng thể hệ thống Laser Nd:YAG 60W

Nguồn ổn áp 5V, 10V,
12 V,
24 V

APTOMAT tổng
bảo vệ hệ thống và
chỉnh lu

Nguồn công suất
nuôi dao động

300VDC/30A
TRANZITOR
Siêu công suất
Chỉnh lu lọc cao
tần

Trung tâm điều
khiển , xử lý , đo đạc,
điều hành
Đặt tham số làm việc
PARAMETER

(5 tham số)

Nguồn lạnh sơ cấp, thứ
cấp, bể nớc, máy bơm,
đo nhiệt độ tự động
(18-20
0
C)

An toàn hệ thống
(13 tham số )
Đo áp lực
Đèn XENON
Thanh laser Nd:
YAG
(BCH)
Laser dẫn đờn
g

= 635nm
N
g
uồn laser dẫn
đờng

Quang học Cáp quang
Laser ra
DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
2
A2. Nguyên lý điều khiển, hoạt động của hệ thống
Laser Nd:YAG là một trong những Laser rắn đợc dùng phổ biến nhất. Công thức
hoá học của chất nền là Y
3
Al
5
O
12
(Yttium Alumium Garnet viết tắt là YAG) và các
tâm kích hoạt là Ion Nd
3+
(Neodym viết tắt là Nd). Bức xạ laser xảy ra trong các dịch
chuyển các mức năng lợng của ion Nd
3+
. Hoạt chất là các ion Nd
3+
đợc cấy vào trong
tinh thể YAG với tỷ lệ 1,4% (theo trọng lợng). Do mật độ ion Nd
3+
khá lớn nên hệ số
khuyếch đại của Laser Nd:YAG lớn hơn nhiều so với laser khí. Thờng Laser Nd:YAG
công suất 60W có thanh hoạt chất có độ dài từ 20 30 cm.
Để tạo nghịch đảo mật độ di c trên các mức của dịch phổ của Laser, trong Laser
rắn ngời ta dùng bơm quang học tức là chiếu ánh sáng có phổ phát xạ trùng với hấp thụ

cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo
nghịch đảo mật độ - điều kiện cần thiết để có phát xạ Laser. Với Laser Nd:YAG ngời
ta thờng dùng nguồn bơm quang học là các đèn kích Xenon hoặc Krypton .
Những yêu cầu kỹ thuật đối với tinh thể YAG để làm thanh hoạt chất laser phải
thoả mãn các điều kiện sau:
Bền chắc về cơ học và hóa học để đảm bảo độ bền của môi trờng hoạt
tính
Bền vững về nhiệt độ để chịu đợc bức xạ bơm lớn và bức xạ Laser lớn.
Dễ chế tạo về phơng diện công nghệ chế tạo và sản xuất hàng loạt.
Cho phép gia công cơ khí và gia công quang học (Hình dạng, đánh bóng,
mài mòn, phủ lớp phản xạ, làm sần sùi ở xung quanh, làm rỗng lõi)
Đồng nhất quang học cao để đảm bảo tiêu hao nhỏ và hệ số phẩm chật
buồng cộng hởng lớn.
Phải trong suốt đối với bức xạ bơm và bức xạ Laser.
Từ những đặc điểm của Laser Nd:YAG và những yếu tố ảnh hởng của hoạt chất
trên ta thiết kế thanh hoạt chất Laser Nd:YAG 60W liên tục có các tham số sau:

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
3
L = 220mm
Nhám
1= 7mm
= 12mm
Độ bóng
= 0.01


Hình 2: Thanh hoạt chất Nd: YAG của Laser Nd:YAG

ở đây ta chọn dạng tròn để dễ gia công, lắp ráp vào buồng bơm quang học, ở giữa
rỗng để dễ dàng phối hợp hệ dẫn đờng và làm lạnh môi trờng hoạt chất (trình bày ở
phần 1.4).
Chất phản xạ đợc phủ trên bề mặt của hai gơng đặt ở hai đầu hoạt chất .
Để có tia Laser phát ra ta phải dùng nguồn bơm là đèn Xenon. Xung bơm coi nh
xung chữ nhật lý tởng hoá (có thời gian duy trì đặt trên mặt máy)
Hệ thống điều khiển năng lợng Laser Nd:YAG cũng đồng nghĩa với việc điều
khiển mức bơm quang học trên đèn kích hoạt Xenon. Phải thoả mãn 2 điều kiện:
1. Tạo mức sáng nền
2. Tạo mức sáng cuối (có thể điều khiển theo ý muốn mức độ và độ rộng tồn tại
mức xung).
Để bơm quang học hoạt động theo 2 điều kiện trên thì ta phải có sự phối hợp giữa
phần điều khiển với đèn phát sáng (Xenon), chiếu vào hoá chất nhằm tạo mục đích
nghịch đảo mật độ. Các hạt của hoạt chất sẽ hấp thụ bức xạ bơm và chuyển lên trạng
thái kích thích. Khi đó phổ của bức xạ bơm phải đợc chọn thế nào để chủ yếu tích luỹ
cho mức trên. Muốn nghịch đảo mật độ đủ lớn để có bức xạ (N > N
*
) thì nguồn sáng
phải có cờng độ lớn. Độ sáng ngỡng thờng vào khoảng vài chục W/cm
2
đối với hệ 3
mức. Cờng độ sáng đó dễ dàng đạt đợc ở chế độ xung, vì vậy mà lúc đầu mới chỉ
xuất hiện ở laser xung, Sau này do hoàn thiện công nghệ hoạt chất, giảm đợc độ sáng
ngỡng ngời ta mới chế ra Laser làm việc ở chế độ liên tục. Hoạt chất khi đó phải rất
bền vững về nhiệt, có nghịch đảo ngỡng nhỏ, và phải đợc làm lạnh tốt.
Hệ thống bơm quang học thờng gồm đèn bơm, hệ thống phản xạ để hội thụ ánh
sáng vào hoạt chất. Hiệu suất của hệ thống bơm có thể xác định bằng:


DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
4

Thông lợng bức xạ do hoạt chất hấp thụ

b
=
Công suất đèn bơm

Phổ của đèn Xenon xung khi mật độ dòng phóng điện lớn gần giống phổ của vật
đen lý tởng.
Trong quá trình phóng điện của tụ qua đèn, điện áp trên đèn U, dòng điện I và
công suất bức xạ P sẽ biến đổi nh biểu diễn trên hình 3.


Hình 3: Sự thay đổi U,P,I theo thời gian trong nguồn bơm
Bức xạ lúc đầu tăng nhanh sau giảm dần. Thời gian
xung sẽ
lớn khi đèn có chiều dài
lớn. Khi tăng điện áp phóng điện thì
xung
cũng tăng nhng tăng rất chậm. Đối với những
tần đoạn khác nhau của phổ bức xạ
xung
cũng có thể khác nhau.
Năng lợng cực đại một lần phóng của đèn phụ thuộc vào cấu tạo của đèn. Chỉ có
khoảng 20 ữ30 % năng lợng của nguồn chuyển thành năng lợng bức xạ, phần còn lại
đều ở dạng nhiệt. Vì vậy trong thời gian xung đèn phải chịu tải về nhiệt rất lớn, rất có
thể làm nứt và làm hỏng đèn. Do đó ống phóng thờng đợc làm bằng thạch anh có độ

dẫn nhiệt lớn, độ bền nhiệt cao. Năng lợng xung không lớn và tần số xung nhỏ thờng
do nguyên nhân về nhiệt này.
Tụ cao áp C đợc tích điện qua hệ dao động Switching và sau đó đợc chỉnh lu.
Khi tụ phóng điện đèn sẽ tạo ra bức xạ rất lớn dùng để bơm quang học. Năng lợng
phóng điện chủ yếu do điện dung của tụ và điện áp tích luỹ xác định:
DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
5
2
2
1
CUE
g
=

Trong tực tế ở những nguồn xung công suất lớn ngời ta thờng hay dùng một bộ
gồm nhiều tụ để có điện dung tổng khoảng vài nghìn microfara và đợc tích tới điện áp
vài trăm vol. Phổ bức xạ của phóng điện xung thờng gồm rất nhiều vạch và dính liền
nhau tạo thành phổ liên tục, phổ kín của cả một dải sóng. Tần số xung thờng đợc
hạn chế ở giá trị nhỏ hơn 1kHz vì nếu lớn hơn thì phóng điện xung sẽ chuyển thành
phóng điện hồ quang liên tục. Sơ đồ điện nạp tụ thông thờng
u(t) u(t)
D
c
c
D
Van

Hình 4: Nguồn bơm quang học

Đèn phải đợc làm lạnh bằng nớc, có ống phóng với đờng kính khá nhỏ chỉ cỡ
1 ữ 2 mm. Khi đèn làm việc, áp suất hơi thuỷ ngân trong ống đạt tới 10atm. Phổ bức xạ
của đèn giống phổ bức xạ của đèn xung và là phổ đầy trong dải tần rất rộng. Khi tăng áp
suất lên thì những vạch phổ rời rạc sẽ biến thành phổ liên tục .Hiện nay để bơm trong
chế độ liên tục ngời ta dùng đèn phóng điện Xenon công suất lớn, phóng điện xảy ra
giữa hai cực lạnh đặt gần nhau trong hình tròn bằng thạch anh. Phổ bức xạ khi đó chứa
nhiều dải khá mạnh ở 1àm và một nền rất đều đặn (hình 5).

Hình 5: Phổ phóng điện xung, phổ liên tục, và phổ bức xạ công suất lớn của đèn Xenon

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
6

Điện áp đặt lên tụ nạp đợc biểu diễn bằng giản đồ

đầy
Uc1
300V

t

Hình 6: Năng lợng của tụ trong quá trình nạp

Khi nối điện 220VAC/50Hz, 30A vào đầu LN tụ điện lọc nguồn 4700à/400V đợc
nạp điện theo biểu đồ trên.
= 4700à. 170 = 0,8s
Cùng lúc, hệ thống xử lý cũng đợc cung cấp điện. Sau 20s rơle J3 tác động hệ
thống kích mồi mức 2 làm việc tụ điện 472/1600V phóng năng lợng tích luỹ trớc đó

(1000V) vào cuộn sơ cấp biến áp kích B4. Bên cuộn thứ cấp sẽ có điện áp một chiều,
xung có tỷ lệ 50/1 có cực thuận đặt vào 2 cực đèn Xenon. Cùng với điện áp trớc đó
trên tụ 474 bên thứ cấp có điện thế 1000V
2
= 1400VDC tác động kích mồi đèn
Xenon phát xạ mức 2
U
mồi
= 1000V.(50/1) + 1400V
Khi đèn Xenon phát sáng. Năng lợng mồi cùng hết ( = 0,1s). Lúc này năng
lợng từ tụ 4700à bằng 220.
2
= 300VDC đợc đa vào đèn.
Tại thời điểm này mạch vi xử lý chỉ cho phép giá trị đặt mức (2) mà ta đặt trên tụ
nhờ van CMOS mở thích ứng với điện áp 125VDC.
Việc điều khiển nguồn dao động thông qua trung tâm điều khiển xử lý điều hành.
Đặt các tham số theo ý muốn trên mặt máy. Hệ an toàn đóng vai trò quan trọng bởi chế
độ làm việc của laser Nd:YAG rất khắt khe, bao gồm 13 thông số an toàn.
Để có nguồn nớc làm mát trong quá trình Nd:YAG làm việc sinh nhiệt rất lớn ta
phải có nguồn lạnh sơ cấp lấy nhiệt của nguồn lạnh thứ cấp. Nguồn nớc lạnh đợc bơm
vào đèn Xenon phải đủ áp lực.
DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
7

Khi đa tia laser tới tổ chức phẫu thuật thì đờng truyền qua cáp quang, để tia
laser đi chính xác đến vị trí phẫu thuật ta dùng hệ thống laser định vị có ánh sáng nằm
trong vùng nhìn thấy (ở đây ta dùng laser diode ánh sáng đỏ với bớc sóng = 635nm).

A3. Thiết kế phần điều khiển công suất laser

Laser Nd:YAG có thể hoạt động ở chế độ xung và chế độ liên tục. Khi laser
Nd:YAG sử dụng ở chế độ xung (chế độ điều chế hệ số phẩm chất). Ta có biểu đồ sau:

Hình 7: Sự phụ thộc của hệ số phẩm chất vào thời gian

Khi điều khiển công suất laser ở chế độ xung thì dòng công suất hệ thống:

I
t
Đặt
8.5A
U
c1
Laser ra

Hình 8: Giản đồ biểu diễn năng lợng Laser ra chế độ xung
DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
8

Lúc này năng lợng tuỳ thuộc E = Q
1
+ Q
2
+ Q
3
+

dtIXCE
n
n
t
t
2
)(
2
1
1


=
Với X là trở kháng động
()
2
2
cl
XXRX += với X
L
= L và X
c
= 1/C là trở
kháng của cuộn cảm và tụ điện, là tần số góc : = 2f
Thờng tần số xung f 1KHz

Bộ tạo xung đơn xung chuỗi

Mạch điện tạo dao động dùng IC PHASE LOCK LOOP (4046)

Điều khiển
+Uc
680k
NC
100k
R1
+VCM
Kích mở
CEMOS
C1 0.01
à
9
5
6
7
4
12
11

Hình 9: Mạch tạo xung Laser

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
9

A4. Thiết kế chế tạo phần điện công suất điều khiển đèn bơm
quang học Xenon kích hoạt Laser Nd:YAG
Biểu diễn quá trình điều khiển nh sau:

t
t
t
t
t
t
Laser ra
I làm việc
20A
8.5A
{
Dải điều
chỉnh công
suất ra
21V
Rơle S3
T1
T2
T2 - T1 = 20S
125V

300V
Uc
2
Rơle tác động
220V
Rơle J1
1000V
1400V
U mồi
Thứ cấp
Sơ cấp
300V
Uc
1
=8s
Đèn Xenon sáng



Hình 10: Hình biểu diễn quá trình điều khiển

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
10

R3
30k
2W
C4

103
2kv
C2,c3
474x2
1600v
c1
47400
à
/400v
d1x4
75a/
600v
u
c1
r1=87
r2=87
K1
k2
r
0
L1
ls
ls
m
dkht
atm15a
atm15a
atm15a
l
n

220vac
50H
z
d6,d7/350mA/5kv
Tr2 /50w
210v/1000v
c11/104 /400v
ls
ls
r11
k2
TA3/100W
R9
940k
R10
470k
c10
747
1600v
bk2
bk3
4k/2w
bk0
bk1
tr1
50/1
C10
474
1600V
c8

c7
474x2
1600v
L2
1m
r8r7
1m
xenon
(-) (+)
c5, c6
474x2
1600v
c5
4700
à
400v
d4
1600V
75A
d5
u
c1
r6
330k
2W
l1
7mH/100a
g10
dkcs
r6 /100a-1V

E1
c1
t1 75A/
800v
r4
d2,D3 r5
g4
KCS
~ 9v
~ 18V
~ 18V
~ 18V
~ 18V
~ 18V
~ 18V



Hình 11: Bản vẽ điều khiển đèn kích Xenon
DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
11
U
t

Hình 12: Giản đồ xung điều khiển đèn CMOS
1.Test
2.
1

3.COMP 4. VC
0
OUT
5. in 4 6. CAP 7.CAP 8.GND
9. VC
0
IN 10. Test VC
0
11. Max Freq 12. Min Freq
13. 14. Sig IN 15. V2 16. VC
0



A5. Thiết kế ghép nối quang sợi và quang hội tia


Việc nghiên cứu thiết kế hệ quang học Laser YAG phải tạo ra buồng cộng hởng
(BCH). Nó là bộ phận quan trọng nhất của thiết bị Laser. Đó là một hệ gồm hai mặt
phản xạ đặt đối diện nhau, giữa hai mặt này là hoạt chất Nd:YAG. Nó là BCH hở, việc
sử dụng các BCH kín nh vẫn dùng trong kỹ thuật siêu cao tần ở đây là không chấp nhận
đợc vì:
Vì ta không thể chế tạo đợc BCH có kích thớc cỡ bằng bớc sóng ở dải
quang học, điều đó chỉ làm đợc ở dải sóng centimet.
Không có ý nghĩa về mặt năng lợng kích thớc quá nhỏ của hệ không đủ
khả năng để tạo ra công suất bức xạ cần thiết.
ở hệ quang học laser YAG, một gơng chỉ làm nhiệm vụ phản xạ toàn
phần còn gơng kia phản xạ một phần ánh snág và một phần cho qua
(gơng bán trong suốt).

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
12

Sau đây là sơ đồ nguyên lý hệ quang học Laser YAG
Quang
dẫn
Laser
YAG ra
Bộ ghép nối
quang dẫn
Tia
Laser
Thấu kính
hội tụ
Guơng
bán xạ
Thanh hoạt
chất Nd:YAG
Guơng phản
xạ toàn phần
Laser Diode
dẫn đuờng


Hình 13: Hệ thống quang học Laser Nd:YAG liên tục
Gơng laser

Yêu cầu cơ bản cuả các gơng Laser là phải đảm bảo cho tổn hao trong vật liệu
dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất.
Laser Nd:YAG làm việc theo sơ đồ 4 mức thì hệ số phản xạ tính theo công thức:

()









+

=
1
1
2
2
3214
314032
1



n
eR

trong đó :
14
.
32
= k .Với thuỷ tinh Neodym (có chứa 2% nồng độ Neodym) thì =
0,005cm
-1
, l = 12cm, n
0
= 2.10
20
cm
-3
,
21
= 1,6 .10
-21
cm
2
. Với k =1, 5 thì giá trị tối u của
gơng bán mờ là R
2
= 0,6.
Ghép nối:

Yêu cầu khi gia công hệ gá quang học(xem bản vẽ).
- Phẳng, làm sạch bavia
- Vuông góc
- Chính xác

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
13

Các bớc ghép nối quang học nh sau:
1. Lau sạch chi tiết
2. Đa thanh hoạt chất Nd:YAG, đèn Xenon vào buồng quang học. Đa gioăng cao
su (chịu nhiệt, nén , dầu) vào đầu thanh hoạt chất Nd:YAG, đèn Xenon.
3. Vặn chặt tấm ép bịt 2 đầu sao cho nớc không rò rỉ ra.
4. Đa buồng quang học vào tấm gá mặt dới sao cho song song với hệ tối đa (bằng
cách so sánh mép gia công)
5. Đa 2 tấm đỡ gơng phản xạ vào 2 phía đầu tấm gá mặt dới theo hàm chuẩn.
6. Đa 2 gơng phản xạ vào 2 tấm gá gơng 2 đầu (gơng phản xạ ở phía sau,
gơng bán xạ phía trớc, chú ý không làm mặt gơng bị bẩn).
7. Đa cả hệ quang vào sàn vững chắc của thiết bị sao cho đúng đầu (Laser out)
8. Đa 2 cực điện áp kích đèn Xenon vào.
9. Đa ống cao su bơm nớc mát vào buồng quang học (nớc mát làm lạnh cả
buồng quang học bao gồm thanh hoạt tính Laser, Nd:YAG và đèn Xenon).
Yêu cầu khi ghép nối:
1. Trục BCH phải vuông góc với hai gơng phản xạ
2. Hai gơng phản xạ phải song song nhau
3. Tia dẫn đờng trùng với trục quang BCH
4. Thấu kính hội tụ đặt chuẩn với hệ ghép nối quang dẫn

A6. Thiết kế hệ thống quang dẫn đờng

Trong điều trị phẫu thuật, nhất thiết phải có dẫn đờng nhằm mục đích chuẩn xác
điểm cần phẫu thuật khi có tia Laser YAG tới tổ chức cần phẫu thuật. Thờng ánh sáng

dẫn đờng là Laser he-Ne (2 ữ5mW) hay Laser Diode đỏ bớc sóng 635ữ 638nm (bớc
sóng = 633nm màu đỏ).




DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
14


Trong thiết kế, chế tạo hệ dẫn đờng phẫu thuật bằng Laser Diot bán dẫn phải đạt
đợc:
- Dễ lắp đặt, tháo dỡ
- Nguồn nuôi cho Diode phải rất phẳng và có độ chống nhiễu cao, triệt đợc các
xung quá độ
- Phải có tham số căn chỉnh nhiều hơn, sau đây là sơ đồ thiết kế.
L1
0.1à
LM317
1
2
Bộ lọc ra
Laser Diode
2000
à
V
CA: 5k

Hình 14: Sơ đồ chỉnh độ sáng đèn laser Diode

Dùng IC LM 317 để chỉnh độ sáng của Laser Dide cho thích hợp trong phẫu thuật.
Bộ lọc chặn, bảo vệ, chống Pic hệ thống, cản dịu quá trình đóng

L1
L2
D1
1
100
à
104
47

104
D
2
103
2


Hình 15: Bộ lọc chặn, bảo vệ, chống Pic hệ thống và cản dịu quá trình đóng điện





DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
15

A7: Căn chỉnh quang học và căn chỉnh laser dẫn đờng
Trớc khi lắp ghép phối hợp hai hệ laser dẫn dờng và laser Nd:YAG ta phải tiến
hành căn chỉnh từng hệ sau đó mới lắp ghép và căn chỉnh tổng thể.
1. Căn chỉnh laser dẫn đờng
Việc căn chỉnh hệ dẫn đờng rất phức tạp và thờng phải đạt đợc chỉ tiêu kỹ thuật.
+ Đặt sai số cho phép 0,1mm
+ Kết cấu hệ quay chặt chẽ (tránh sai số sau một thời gian sử dụng)
Sau đây là 2 phơng án quang học hệ dẫn đờng
Laser He -Ne
Guơng phản xạ
Hệ laser YAG
Cáp quang


Hình 16: Phơng án 1 hệ quang học dẫn đờng

Hoặc:
Cáp quang
Hệ laser YAG


Hình 17: Phơng án 2 hệ quang học dẫn đờng

Ta chọn phơng án dẫn đờng bằng Laser Diode bởi vì có các u điểm sau:
- Gọn, nhỏ về không gian thiết bị
- Bền vững hơn
- Độ bền chất bán dẫn cao

- Nguồn nuôi nhỏ, điện nguồn thấp (3 ữ 6 V), ở Laser He-Ne là 5kV.

DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
16

- An toàn cho ngời sử dụng và ngời căn chỉnh
- ít phần tử trung gian hơn (ít gơng phản xạ)
- Thay thế, sửa chữa dễ dàng hơn.
- Căn chỉnh tốt và dễ dàng hơn.
Các định hớng căn chỉnh

H1
H3
H9
H6
H5
H7
H8
H2
H4
Laser Diode


Hình 18: Các định hớng căn chỉnh
Phải đạt đợc 9 khả năng căn chỉnh cho tia dẫn đờng Diode trong đó H1ữH4 để
chỉnh thô, H5ữH9 để chỉnh tinh (Bản vẽ thiết kế xem phần sau)
2. Căn chỉnh quang học theo phơng pháp đờng chuẩn trực laser
Các bớc căn chỉnh quang học:

1. Chỉnh đờng chuẩn trực sao cho:
- Song song với thanh Nd:YAG
- ở giữa tâm thanh Nd:YAG (chuẩn bằng gơng chuẩn).
2. Chỉnh gơng phản xạ vuông góc với đờng chuẩn trực bằng cách đặt tấm phẳng
vào sát mặt C. Ta sẽ thấy đốm mờ của tia Laser Diode phản xạ về từ gơng phản
xạ
Điểm phản xạ
Điểm chuẩn trực

Hình 19: Dấu vết điểm phản xạ


DACB Hoàn thiện công nghệ và chế tạo hệ laser Nd:YAG loạt nhỏ dùng trong y học

Công nghệ chế tạo máy laser Nd:YAG 60W liên tục model: YAG 2002 2MTC Super
17

Nếu điểm phản xạ trung với điểm chuẩn trực có nghĩa là mặt gơn phản xạ B
vuông góc với đờng chuẩn trực. Nếu lệch (xem hình 19) phải chỉnh 4 vít gá gơng
phản xạ.

3. Tơng tự với tấm A
Nh vậy ta có hệ chuẩn
Đừơng chuẩn
90
0
0
90

Hình 20: Gơng và thanh Nd:YAG căn chỉnh theo đờng chuẩn

4. Đa thấu kính hội tụ vào tấm
A
, chỉnh điểm hội tụ chuẩn vào giữa tâm của đờng
chuẩn trực (cắt nhau trên một mặt phẳng tại 1 điểm).

Đừơng chuẩn
Tia Laser Diốt
Mặt phẳng cắt

Hình 21: Chỉnh thấu kính theo đờng chuẩn.

Nếu lệch hệ thống mặt
A
,
B
phải chỉnh bằng hệ vít chỉnh gá tấm
A
,
B
: 8 vít
chỉnh /1 tấm.
(Xem các bản thiết kế phần IV).
Để tạo đờng chuẩn ở đây ta dùng tia Laser diode vừa là để dẫn đờng vừa là
đờng chuẩn.