模拟振镜对点阵激光治疗仪的安全性影响

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模拟振镜对点阵激光治疗仪安全性影响

点阵激光治疗设备的基本原理是利用手具中的二维振镜对矩形、圆形、三角形等基本几何图形的点阵坐标进行填充扫描。因此,扫描手具(振镜)的可靠性对点阵激光设备安全性至关重要。市场上大多数振镜采用由光电池与激光管构成的光电式角度传感器对振镜的偏转角度进行检测。通过大量可靠性实验发现,引起光电式角度传感器故障的原因包括光电池绑定(Bonding)点断裂、LD失效、光电池扩散工艺缺陷及端子氧化等。一旦角度检测环节失效,由于系统受到闭环控制的作用,驱动器为缩小扫描控制指令与传感器输出间的误差,将通过功率放大器控制线圈产生持续转矩,振镜的转子将持续加速向机械限位运动,如果此时不进行故障保护,则该转矩会将转子堵转在机械限位,且在此过程中极易损坏反射镜片与振镜本体。虽然上述故障对手具中的振镜损坏较大,但当振镜被堵转到极限位置时,即使反射镜片完好,激光脉冲的光路通常也会被反射至手具聚焦镜头的内壁甚至手具仓内壁,因此对患者的安全影响较小。
振镜系统中驱动链路(包括功率放大器、振镜定子线圈,及用于连接功率放大器输出与线圈之间的有效线缆与接插件)负责将闭环控制器的输出信号转变为对可振镜进行有效控制的扭矩。生产工艺缺陷、线缆老化与外力等因素可能引起驱动部分的功能失效。当此类故障发生后,振镜将立即停止在某一角度。虽然此类故障对手具危害较小,但激光脉冲的光路未受影响,如此时不进行故障保护,原二维点阵分布的激光能量将在一维直线上累积(单轴振镜失效),或在点上累积(双轴振镜失效),极易引起医疗事故;从治疗设备的结构设计及安装角度,振镜系统与驱动器之间包含多个接插件,当任意接插件意外脱落,其产生的结果与驱动部分的功能失效现象类似;另外,点阵治疗设备的中控单元基本工作流程是循环执行“控制振镜定位-延时-控制激光器开关-延时”,由于缺少握手通信机制,中控单元及振镜驱动器均无法获知振镜定位指令传输链路(包括中控单元上的数模转换电路及用于连接中控系统与驱动器之间的有效线缆与接插件)是否正常,当信号传输链路中任一环节异常时,也将导致与扫描手具驱动链路功能失效类似的现象。
综上所述,点阵激光治疗仪采用模拟振镜扫描手具后可能出现的典型故障及影响如下表所示:

模拟振镜对点阵激光治疗仪安全性影响

数字振镜驱动技术分类

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按照振镜驱动技术方案可将其发展分四个阶段。早期受制于控制理论及器件技术的水平限制,第一代振镜驱动器以纯模拟器件构成,虽然技术相对落后,存在温漂与自激等问题,但成本低廉,仍被广泛使用。其后,为了克服模拟控制信号在工业环境中传输易受干扰的问题,在模拟驱动器基础上添加了数字通信辅助模块,从而实现了振镜控制信号传输的数字化传输(主要以XY2-100协议为主),称为第二代振镜驱动器。为了克服温漂,并提升系统控制性能,业内推出了基于数字PID控制的振镜驱动技术,称为第三代振镜驱动器。但数字PID驱动器仍然无法避免人工参数校准的缺陷,随着工业4.0时代的来临,汉华科技研发了下一代全数字状态空间振镜控制技术,并广泛应用于点阵激光、光学补偿等领域,采用该技术的振镜驱动器的优点如下:

1.高精度定位:状态空间控制通过精确建模振镜系统的动态行为,实现对振镜位置、速度和加速度等状态变量的精准控制。这使得振镜能够实现高精度的定位和运动,满足对精确控制和定位的需求。

2.稳定性:状态空间控制技术考虑了系统的稳定性,通过设计稳定的控制器确保振镜系统始终处于稳定状态。这有助于防止振镜系统产生不稳定的振荡或震荡,确保系统运行的可靠性和稳定性。

3.可控性和可观测性:状态空间控制可以通过系统的状态方程评估系统的可控性和可观测性。这意味着我们可以根据系统的特性来确定是否能够将振镜系统控制到所需的状态,以及是否可以从系统的输出中获得关键信息。

4.快速响应:由于状态空间控制是一种反馈控制策略,它能够实时感知振镜的状态与期望状态之间的误差,并迅速作出调整。这使得振镜能够快速响应外部指令或输入信号,实现高效的运动控制。

5.鲁棒性:状态空间控制具有一定的鲁棒性,能够有效抵抗外界扰动和噪声对振镜系统的影响。这使得振镜系统能够在复杂的环境中稳定运行,减少外部干扰对系统性能的影响。

6.灵活性:状态空间控制是一种通用的控制方法,适用于不同类型的振镜系统和应用领域。它可以与其他控制技术相结合,进一步提升振镜系统的性能和功能。