半导体激光治疗仪的研制及对细菌作用的初步研究道

半导体激光治疗仪的研制及对细菌作用的初步研究道 第四军医大学 硕士学位论文半导体激光治疗仪的研制及对细菌作用的初步研究 姓名:杨小燕 申请学位级别:硕士 专业:生物物理学 指导教师:杨继庆 20060501 第四军医大学硕士学位论文 缩略语缩略语 英文全称 中文全称,, ,,,,】,,,,,,;, 多普勒效应,，, ,,,,,,,，,,,,,,,,, ,,,;,,,,,,,, 最低抑菌浓度 ,,,, ,,,,,,,,,，,,,,;,,,？, 激光多普勒技术 ,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,;,, 激光共聚焦扫描 ,,;,,,;,, 显微镜 ,,, ,,,,,,,,,,,,,,, 激光全息技术,,,, ,,,,,,,,,,,,;,,—;,,,,,,单片机 ,,,,, ,,,,;,,,,,,,,, 光密度,,,, ,,,,;,，,,,,,,,,,,,,,,, 青霉素结合蛋白 ,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,,, 耐甲氧西林金黄 ,,,,, ,,,,,,,,;,;;,,,,, 色葡萄球菌 ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,;,,,, 超广谱,一内酰 ,—,,;,,,,,, 胺酶,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,, 多重耐药性 ,;,,, ,,,,,,,,,, 铜绿假单胞菌 ,, 第四军医大学硕士学位论文 半导体激光治疗仪的研制及对细菌 作用的初步研究 硕士研究生杨小燕 导师杨继庆教授 辅导老师屈学民副教授 第四军医大学生物医学系，西安,,,,,, 中文摘要 我国激光技术经过四十多年的努力发展，取得了长足的进步。近年来，医用激光器小型微型化、多波段、长寿命、可靠、高效已成为激光医疗技术的发展方向。国外医用激光仪器发展较快，照射治疗仪应用较广，但价格昂贵，在国内使用受到一定限制。由于弱激光照射治疗疾病已经有很多临床应用，低功率半导体激光也开始较多地应用在临床各科室，常用来治疗各种口腔炎症、鼻炎以及耳部炎症等。国内生产的激光器仍以,,,、,,(,,、,,:,,,“老三件”为主…，临床常用的传统激光器体积庞大、能源消耗高、价格昂贵、操作繁杂，使激光的临床医学应用尤其是弱激光照射治疗疾病的应用受到了很大限制。例如，耳鼻喉科常用激光照射治疗耳、鼻、喉炎症，治疗过程中需要病人严格保持固定姿势较长时间。由于一般激光照射治疗疗程长、次数多，病人每天到医院接受治疗，感到极大不便，甚至难以坚持。这就使得激光照射疗法不易大范围推广，从而消弱了激光照射治疗疾 ， , 第四军医大学硕士学位论文 ;,,,(,,,,,,,,;,,，,,,—, ,,(,,(,,，,(,,,;，,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,;,,,— ,,,,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,(,,, ,,,,,;,,,，,,(,,,,，,,,，,(,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ，,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,(,,,,; ,，,,—,,,,(,,,;,(,,,,,,,(,,,,,,培,,,,,,,(,,,,,,,,，，,,,,,,,,,;,,，,,,,: ,,;,,,,,,,疗,,,,,,;,,，瑚,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,;,,,, ;,,,;,,,;,, ,,,,:,,，,?,,,—, ,,,,,,,,,,,，,,,,,比,,,，,,,,,,,,，,,,,(,,,,;,,,,;,,,,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,, ,,,印,,,,,,,,,,“;,,,,配,,,,, ,,,,，,,,,，,,,:,,,,“,(,,(,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,，胁,,,,，,,(,,,,,,,,,,,,;埴,,,,,, 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,(,,,,，,,,,,,,,;,;;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,托,,,,,, 第四军医大学硕士学位论文,,,,，,,,,,,,,,,,,,(,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,: ,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;;,,,;,(,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,,,】,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,，,,,,,,，,,,,,,,;,,,,,，,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,(，,?,,,,,,,,,,,,,,,,“,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,， ,,,,,,,,,,,,;,,，,,?,,,,,,,,,,;,,,,,( ,;;,,,,,,,,,,,,,,他,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,“,,,,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,;,,“,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,;,,,,,,: ,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,;,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,, ,( ,(，,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 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第四军医大学硕士学位论文结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光工作物质有几十种〔,】，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓(,,,,)、砷化铟(，,,,)、锑化铟(，,,,)、硫化镉(;,,)、碲化镉(,,,,)、硒化铅(,,,,)、碲化铅(,,,,)、铝镓砷(,,,,,,,)、铟磷砷(，,,,,,)等。半导体激光器的激励方式主要有三种〔,,，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给,,结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管。因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在,(,,,,“,之间。其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是,,,,,,,双异质结激光器，其输出波长为,,,,,,,,,。 激光在医学上的应用主要可分为两方面，一方 面是运用激光的光谱技术、干涉技术以及其他光学技术应用于临床标本或组织的检测和诊断。如利用激光多普勒技术【,,(,,,,,,,,,,,,,,;,,,？,,)、激光共聚焦扫描显微镜〔,,(,,,,,,;,,;,,,,;,,,,;,,,;,,,，,,,,)、激光全息技术〔,,,(,,,,,,,,,,,,,,,)等进行临床检测和诊断，使临床诊断的准确程度提高了一大步。另一方面是利用激光对机体组织的生物效应致力于临床治疗的开发与实践。在激光生物作用过程中，通常首先发生物理和化学方面的变化，如光能转化为热能、化学能和机械能等，机体各层组织在 第四军医大学硕士学位论文吸收激光能量后，可产生光致热效应、光致化学效应、电磁场效应和光致压强作用等，这些作用是激光医学应用的物理基础。 半导体激光可以连续或脉冲形式输出，波段范围为,,,,,,,,,,,,，功率从几毫瓦到上百瓦，小功率可用于血管或体外照射，大功率则可用于外科手术。生物组织吸收半导体激光能量后将其光能转变成热能，在此过程中因热反应所致的局部组织效应程度不同而又有不同的应用。可分为:组织焊接、组织切割、照射与理疗等。随着半导体技术的发展，半导体激光器体积越来越小，毫无疑问，这必然为激光医用仪器的微型化拓宽道路。而仪器的微型化又必然使相关疾病治疗和实验研究更加方便、高效。 文献回顾 激光照射对机体组织可产生多种生物效应。根据激光作用所引起的组织反应，医用激光可分为强激光与弱激光…】，都在生物医学和临床医学方面得到了广泛的应用。激光照射对生物产生的效应主要包括热效应、压强效应、光化效应、电磁场效应、生物刺激效应等。临床医学利用强激光的热效应直接汽化清除病变组织而达到治疗的目的;利用弱激光的生物刺激效应调整机体的免疫系统、神经系统、血液循环系统以及组织代谢等系统，使之病理状态恢复正常〔,,】。而随着物质生活水平的提高，人们对身体保健理疗的关注也越来越多，对医用保健仪器的需求不断上升，低强度半导体激光的应用必然随之愈加广泛。 弱激光与半导体激光临床应用现状 弱激光亦称为低强度激光，弱激光的治疗效果已被公认。低强度半导体激光相对于其他激光而言，在治疗效果上有其自身的 ,, 第四军医大学硕士学位论文优点和特点。 低强度半导体激光在口腔科的照射应用较早也较广泛。对于急性根尖炎、急性冠周炎、干槽症、根充后疼痛、口腔溃疡、糜烂型扁平苔藓、颢颌关节功能紊乱、牙龈炎、牙本质过敏等等各种口腔疾病，半导体激光都有应用〔,,,。另据文献报道，低强度半导体激光照射治疗对口腔科常见的慢性疾病也有着较好的疗效，总有效率可达,,(,,,以上。杨淑兰、张洁【,,,〔,,,等在文献中比较了低强度半导体激光和,,—,,激光照射治疗五官科疾病的疗效，半导体激光治疗有效率明显高于,,(,,激光治疗有效率。沈国荣，金文潮„,,,等在波长,,,,,半导体激光防龋实验中得到结论:实验组龋坏率(,(,,)远小于非照射组(,,,)，故半导体激光防治龋齿也是一种有效、安全，值得继续发展研究的治疗方法。 与,,激光、;,,激光、,,激光等激光相比，半导体激光对人组织穿透较深，可引起较深层组织的生物效应。杨中伟„”,对比了,,,(,,,的,,(,,激光和,,,,,一,,,,,双波长半导体激光在耳鼻喉科疾病中的疗效，前者总有效率,,(,,，后者总有效率,,,以上。叶美云，陈荣利„,,,用,,,,,的半导体激光对各种鼻炎照射治疗，输出功率,,(,,,,，总有效率达,,(,,。其中，对急性鼻炎、慢性单纯性鼻炎，疗效最为显著;过敏性鼻炎及慢性肥厚性鼻 炎次之;萎缩性鼻炎疗效稍差。另外，目前国内外临床医务工作者对中耳炎的治疗，主要是依其临床症状进行对症处理，广泛采用咽骨管吹张、鼓膜穿刺抽液或鼓膜切开引流等，再以各种抗菌药物为主进行治疗，病症严重者行手术治疗„,,,。但这两种治疗效果并不令人满意。从激光照射治疗少数中耳炎患者的的病例中可以看出，结合激光治疗的疗效明显好于目前临床的常规治疗。 ,, 第四军医大学硕士学位论文因此，对中耳炎进行半导体激光治疗无疑是一种理想的治疗方法。目前采用的多为,,—,,激光(波长,,,(,,,，功率,,,,,,,,)，;,,激光，,,:,,,激光等耳科常用激光。半导体激光在此领域的应用比较少。但根据半导体激光的特点和现有资料可以得到利用半导体激光生物效应照射治疗耳科疾病的疗效要好于其他常用激光„,,,。 眼科应用较多的主要是光凝治疗。眼睛不同组织对不同波长的吸收率差别很大，半导体激光波长范围宽，因此选择时应根据组织的不同而选择相应的波长【,?。,;,,,,(,,,,,,,,【,,?在对眼科光凝的回顾研究中指出，半导体激光穿过巩膜光凝效果与,,:,,,激光相比无显著差异，因此可以替代之。司马晶【,,,比较了半导体激光与氩激光，指出半导体激光穿透力较强，作用位置较深，尤其对黄斑区的病变及中心凹下脉胳膜新生血管等，具有保留有限的中心视力的优点。,,,,,,,,,,,,,【,,,等利用,,,,,半导体激光经瞳孔照射温热疗法对眼底恶性黑色素瘤的检测和治疗进行了初步探讨，提示这可能是一种治疗脉络膜黑色素瘤的新方法。,,—,,激光血管内照射治疗发展已有十年多，用以治疗一些缺血性疾病【,引，如:高脂血症、高粘血症、高血压，脑血栓后遗症，心脑供血不足，冠心病，动脉硬化，脑梗塞，脑中风，心绞痛，心肌梗塞等疾病，效果非常好。近年来，半导体激光血管外照射治疗此类疾病的研究应用也逐渐增多。半导体激光血管外照射治疗和药物治疗效果相比，半导体激光血管外照射治疗能降低血液流变学的多项指标„,,,，并且与药物治疗相比有显著差异;与,,—,,激光血管内照射相比则无显著差异(数据相近)。但半导体激光血 ,, , 第四军医大学硕士学位论文遍的不足是:治疗方法单一，输出半导体激光功率固定或仅有若干个档位，并且大部分输出功率偏小。如前所说,,,半导体激光治疗仪输出功率固定，且仅为,,,?,(,,,。此外，国内外还未见报道有专用于耳部治疗，如中耳炎治疗的半导体激光治疗仪。因此，研制治疗耳鼻喉科的专用治疗器械,一半导体激光治疗仪是非常必要且急需的。 一直砂来，人们探讨弱激光照射治疗疾病的机理，在器官、细胞、分子水平上都做过不少研究„,,】〔,,,，但尚未真正明确。另一方面，激光对细菌的生物效应也有研究，但也还未有明确定论。近年来，由于抗生素的过多使用，临床耐药菌株逐年增多，给疾病的治疗带来很大困难。较早有报道，,,—,,激光照射可增大某些细菌的抑菌直径„,,,，报道实验中所用激光功率较大，达到,,,,，但此功率偏大，在临床应用中易造成患者损伤，安全性低。因此，在实际的,些临床应用中所使用的激光功率较小(一般小于,,,,)。本课题实验中所使用的半导体激光功率大小为耳鼻喉科常用的几种功率。实验紫日丈浯蟪Ω司 鄄旒す庹丈涠云渖 す媛傻挠跋欤 俣阅鸵? 杲 胁煌 潭鹊恼丈洌 觳饩 氲继寮す庹丈淝昂罂股 囟阅鸵? 甑淖畹鸵志 ǘ?(,,,,,,,，,,,,,,,,,;,,;, ,,,,, 第四军医大学硕士学位论文极管驱动系统，对激光二极管的输出功率、工作时间等调节控制。激光二极管驱动系统将激光二极管的反馈 电流经过转换输入单片机控制系统。仪器系统原理框图如图,所示。 圈,半导体激光描疗仪系统框图,(,(,激光二极管 半导体激光二极管(,,,,,,,,,,)体积小、发光效率高、能量集中，单色性比较好(一般带宽在几,,)。它的基本结构为:垂直于,,结面的一对平行平面构成法布里一一珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的,,结加有正向电压时，会削弱,,结势垒，迫使电子从,区经,,结注入,区，空穴从,区经过,,结注入,区，这些注入,,结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为，的光子， 九,,;,,,……………(,)式中:,一普朗克常数:;一光速;,,一半导体的禁带宽度。上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子,空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光予，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流予在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从,,结发出具有良好谱线的相干光一一激光。激光二极管 第四军医大学硕士学位论文节的输入电阻小得多，所以几乎全部负载电流，,通过,,。因为,,的阻值是恒定的，因此,,上电压降的大小便直接反映出负载电流的大小。于是，要获得恒流输出，只需稳定,,上的电压降,,即可。 图,串联稳流电路方框图 电路原理简图如图,所示。稳定的电源电压经电阻,,分压后，经过电压跟随器,,送到,,的同相端作为基准电压。自动调整过程如下:若流过,,的电流，,增大，则,点电位下降，使得,,的输出增大，从而使,点电位上升，，,减小。反之亦然，从而达到恒流的目的。由于放大器的放大倍数很大，因此反相端电压近似等于基准电压。调节,,改变基准电压，可以方便地调节恒流源的输出电流。 图,半导体激光二极管驱动系统原理简舀 如果半导体激光器的驱动电流超过其损坏阈值电流，很容易 第四军医太学硕士学位论文导致半导体激光器的损坏，因此我们在驱动电路中增加了电流限制功能。由于输出电流是可调的，这就要求限制电流也应是可调的。图,中调节,,即可调节限制电流的大小。如前所述，恒流源的输出电流是受主放大器,,同相端的电位控制的，此点电位越小，则输出电流越大。放大器,,的作用是限制,,同相端的最小电位。若此点电位过小，二极管,,导通，则此点电位将由放大器,,的输出决定，从而为,,的反相端设置了一个最小电压，也就是设置了一个最大输出电流。电容;,的作用是滤掉流过半导体激光二极管电流波形上的高频干扰，避免半导体激光器由于高频干扰受到损坏。二极管,,的作用是避免半导体激光二极管两端受过大的反向压降。,(,(,单片机控制系统 仪器控制系统采用单片机核心控制〔,“，完成对其输入设置、显示、治疗时间、输出功率等功能。同时，为确保输出功率的稳定性，系统采用了对输出功率的实时检测。单片机通过对预设功率与实际输出功率比对，进行实时调整，确保激光功率的精确输出。原理框图如图,所示。 激 光 一—— 管 及 茸 驱 动 图,单片机控制系统框图 ,, 第四军医大学硕士学位论文,(,(,,,,,,,,,单片机 单片微型计算机简称单片机。由于它的结构及功能均按工业控制要求，因此其确切的 名称应是单片微控制器(,,,,,,;,,,,,;,,(;,,,,,,,,,)。本系统采用,,,,,,,单片机作为仪器各部分电路的核心控制单元。,,,,,,,是,,,,,公司生产的低电压，高性能;,,,,位单片机，片内含,,,,,,,的可反复擦写的只读程序存储器(,,,,,)和,,,,,,,,的随机存取数据存储器 (,,,)。器件采用,,,,,公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准的,;,一,,指令系统及,,,,产品引脚兼容，片内置通用,位中央处理器(;,,)和,,,,,存储单元，适合于许多较为复杂控制应用场合。,,,,;,,方框图如图,所示。 ,,,,;,,的主要性能参数: ?与,;,一,,产品指令和引脚完全兼容 ?,,字节可重擦写,,,,,闪速存储器 ?,,,,次擦写周期 ?全静态操作:,,,一,,,, ?三级加密程序存储器 ?,,,×,字节内部,,, ?,,个可编程，,,线 ?,个,,位定时,计数器 ?,个中断源 ?可编程串行,,,,通道 ?低功耗空闲和掉电模式 第四军医大学硕士学位论文 图,,,,,,,,单片机方框图 半导体激光治疗仪仪器系统中，,,,,;,,单片机的,,口控制显示多种数据，,,口控制各个数据参数的输入，,,口接收,,,,,,,模数转换数据，,,(,、,,(,、,,(,控制数字电位器,,;,,,的正常工作。,(,(,(,,,,,,,数字电位器 数字电位器一般主要应用于,,,转换中„,”，本系统选用,,;,,,数字电位器作为,,,转换的控制信号。 ,,,,,,是固态非易失性电位器，他们都包含有,,个电阻单 第四军医大学硕士学位论文元的电阻阵列，在每个单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元的位置由;,、,,,和，,;三个输入端控制。滑动端的位置可以被存储在一个非易失性存储器中，因而在下一次上电工作时可以被重新调用。图,为,,;,,,功能框图。 ,;(,?,”,,,,, ,,) ,,,(仁,,,,曲 仁,,,,,,,,，,, 姊,哳 图,,,,,,,功能框图 ,,;,,,性能参数: ?低功耗,,,,—,,,,,,至,(,,，工作电流最大,,,， 等待电流最大,,,,, ?,,个电阻单元，有温度补偿，?,,,端点到端点阻值 范围 ?,,,个滑动抽头点，滑动端的位置取决于三线接口， 类似于,,,升,降计数器，滑动端位置存储于非易失性 存储器之中，可以在上电时重新调用 ?滑动端位置数据可以保存,,,年 本系统采用数字电位器,,;,,,替代传统驱动电路中的变阻器，与直接采用模数转换方法相比具有简单、精确的优点。其中数字电位器的,,、,,、,,端分别对应图,中,,的,、,、;端。,(,(,(,,,,,,,,模数转换器 模数转换模块的功能是将激光二极管输出功率的反馈信号转换成相应的数字信号，然.