本发明涉及激光医疗仪器技术领域，具体地说，涉及一种标定低功率激光治疗仪有效激光功率的方法和装置。

激光能够产生生物刺激效应，促进细胞再生，改善血液循环，消炎止痛，减轻水肿，调节机体免疫功能。波长较短的激光(如650nm)对浅表组织病变有很好的疗效，红外波段的激光(如810nm)对皮肤、脂肪和肌肉组织及骨组织等人体组织具有很大穿透能力，故对深部组织病变有很好的疗效。不同激光波长组合的总体效应可以实现对不同深度的治疗作用。因此低功率激光治疗得到了越来越多的应用，例如在骨性疼痛、肌肉疼痛、软组织痛、神经痛、刀口及创面疼痛等骨科、创伤外科及疼痛科疾病的物理治疗中得到广泛应用。

但医学界对一些疾病，比如腕管综合征(简称CTS)的低功率激光治疗的疗效有比较大的争议，2007年DB Piazzini等人对1985年1月到2006年5月间所有发表关于CTS(提供临床症状和电生理测评确诊的)保守治疗的文献(基于MEDLINE数据库)做了系统性的评述，特别指出对激光治疗效果认识是高度不一致的。在激光照射治疗中，激光的参数，特别是到达患处的激光功率、照射患处的面积、激光作用时间及每次激光照射之间的时间间隔等均与激光对人体组织的效应密切相关，因此要准确评价激光治疗的效果，必须准确控制到达患处体表，甚至到达治疗靶点的激光参数，这一点是多数临床试验中忽略的。2006年波士顿大学医学院神经科学系M.Naesera发表的对七例激光治疗CTS研究的评述论文[M.Naesera，Photobiomodulation of Pain in Carpal TunnelSyndrome:Review of Seven Laser Therapy Studies,Photomedicine and LaserSurgery,24,101-110(2006).]分析发现：得到激光治疗CTS疗效肯定结论的五个案例中采用的激光照射剂量(9J，12-30J，32J/cm2，225J/cm2)明显高于得到激光治疗CTS疗效否定结论的两个案例中的激光照射剂量(1.8J或6J/cm2)。但是这五例肯定激光疗效的报道中激光参数差异性也很大，激光波长有显著差别，有830nm，632.8nm，904nm，670nm的单波长或组合波长照射，激光能量密度也存在明显差异，更不用说激光作用时间和时间间隔的差异了。激光功率和激光能量密度高就能确保激光治疗CTS的疗效吗？答案是否定的。2007年挪威Bergen大学J.Bjordal[J.Bjordal,Inadequate statistical analysis hidessignificant effect of low level laser therapy in carpel tunnel syndrome,Photomedicine and Laser Surgery,25,530-531(2007).]报道了激光治疗CTS中过高的激光能量和能量密度可能带来的不利因素。那么，CTS激光治疗的最佳参数是什么？存在激光功率、激光能量密度及总辐照激光能量的阈值吗？过去临床试验研究中还从未监测过到达治疗靶点的激光参数。

在现有技术中，例如比较广泛使用的曼迪森半导体激光疼痛治疗仪(上海曼迪森光电有限公司)，只有激光治疗头输出功率的标称值，均不包含对被治疗对象的激光照射部位的激光反射和散射的测量装置。例如型号为MDC-500-I的激光治疗仪的标称输出参数如下：输出功率0-500mW连续可调，激光光斑直径50mm。但是激光光束照射到人体皮肤时会发生显著的反射和散射，导致有效激光功率明显下降。

综上所述可知，准确测量与控制激光的参数是十分必要的，然而这一点是多数临床试验中忽略的，且由于人体皮肤对激光的反射和散射比例有很大的个体差异，因此在低功率激光治疗过程中非常有必要对每一次治疗均进行有效激光功率的标定。因此亟需建立激光参数实测手段，定量测量治疗中到达患处体表有效激光参数，为低功率激光治疗确定合适的激光参数范围，并发展临床低功率激光治疗中的激光参数监控辅助设备。

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种激光治疗仪反射光和散射光探测器。

本发明的再一的目的是，提供一种标定低功率激光治疗仪有效激光功率的方法。

本发明的另一的目的是，提供所述的激光治疗仪反射光和散射光探测器的用途。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种激光治疗仪反射光和散射光探测器，它设有探测头、数据采集器和计算机；所述的探测头设有光电二极管和前置放大模块；所述的数据采集器包括数据采集卡和电源；所述的数据采集卡连接前置放大模块，将光电二极管采集并经由前置放大模块输出的模拟信号转换为数字信号，并将数据传输到计算机，在计算机中完成数据处理；所述的电源连接前置放大模块，负责为前置放大模块供电。

所述的光电二极管的数目为二十个。

使用状态下所述的光电二极管在激光治疗仪的激光头四周空间排布，用于接受激光治疗仪的激光头光束方向的后向近180度内的激光反射和散射功率信号。

所述的光电二极管呈扇形均匀分布，激光头的入射激光照射窗口相当于两个光电二极管的空缺，入射激光照射窗口一侧的近激光照射面的光电二极管的角度为5°，入射激光照射窗口另一侧的近激光照射面的光电二极管的角度为170°。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种标定低功率激光治疗仪有效激光功率的方法，包括以下步骤：

a)将如上任一所述的激光治疗仪反射光和散射光探测器安装在激光治疗仪前端，保证光电二极管在激光治疗仪的激光头四周空间排布并能够接受激光治疗仪的激光头光束方向的后向近180度内的激光；

b)将所有的光电二极管经由前置放大模块的输出校准到相同的放大率；

c)校准光电二极管经由前置放大模块输出的模拟信号与激光功率之间的系数；

d)启动低功率激光治疗仪，通过探测头、数据采集器和计算机获得低功率激光治疗仪的有效激光功率。

步骤b)的具体方法为：将每个光电二极管对应着同一个光源，记录下每个光电二极管经由前置放大模块的输出信号，然后计算出相应的放大率并进行校正。

步骤c)的具体方法为：将激光治疗仪的激光入射到一块毛玻璃上，并在毛玻璃后面放置一个功率计记录透射光功率，将待校正反射率的光电二极管放置在功率计的位置，利用记录的透射光功率校准光电二极管。

为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是：

如上任一所述的激光治疗仪反射光和散射光探测器在标定低功率激光治疗仪有效激光功率中的应用。

本发明优点在于：

本发明具有以下创新点：本发明建立了激光参数实测手段，研制了激光治疗仪反射光和散射光探测器，首次通过监测激光后向散射和反射信号得到进入体表的精确有效激光功率。本发明提出的方法可以广泛应用于低功率激光治疗过程中实际作用于被治疗对象的有效激光功率的定量测量，对比较和判断低功率激光治疗的疗效有很大的意义，有望澄清长期存在的低功率激光治疗疗效的争议，且能够为低功率治疗确定合适的激光参数，有望发展成为实用化的低功率激光治疗仪的临床辅助设备，为将来针对个体差异实施个性化医疗选择合适参数提供重要手段。

附图1是本发明激光治疗仪反射光和散射光探测器的结构示意图。

附图2是本发明激光治疗仪反射光和散射光探测器的基本原理图。

附图3是本发明激光治疗仪反射光和散射光探测器的使用状态示意图。

附图4和图5是光电二极管的模拟信号与激光功率之间的系数校准示意图。

附图6是对30例CTS患者腕部实测的激光反射率(或反射系数)结果。

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.探测头          11.光电二极管

12.前置放大模块   2.数据采集器

21.数据采集卡     22.电源

3.计算机          4.激光头

5.毛玻璃          6.功率计

实施例1 本发明的激光治疗仪反射光和散射光探测器

请参照图1，图1是本发明激光治疗仪反射光和散射光探测器的结构示意图。所述的激光治疗仪反射光和散射光探测器设有探测头1、数据采集器2和计算机3。所述的探测头1包含二十个光电二极管11和前置放大模块12，所述的光电二极管11与前置放大模块12连接，所述的前置放大模块12将光电二极管11的输出电流信号转换为0-10V电压信号。所述的数据采集器2包括数据采集卡21和电源22。所述的数据采集卡21连接前置放大模块12，将前置放大模块12输出的模拟信号转换为数字信号，并将数据传输到计算机3，在计算机3中完成数据处理。所述的电源22连接前置放大模块12，负责为前置放大模块12供电。所述的计算机3设有信号采集系统、控制系统、数据分析处理系统。

需要说明的是，所述的光电二极管11使用时其在激光治疗仪的激光头四周空间排布，用于接受激光治疗仪的激光头光束方向后向近180度内的激光功率信号；所述的数据采集卡21可为USB数据采集卡，如NI USB-6210，用于接收各个光电二极管11经由前置放大模块12输出的信号并传输给计算机3；所述的计算机3用于计算所有反射和散射激光功率总值；所述的前置放大模块12用于将光电二极管11输出的电流信号转换为0-10V电压信号，便于后续采集获取。所述的信号采集系统、控制系统、数据分析处理系统用于采集、存储和分析患者的各类信息(包括不同角度的反射率)，方便后续对患者的信息追溯和历史数据处理，这些系统对于本领域技术人员来说是已知的。

实施例2 本发明标定低功率激光治疗仪有效激光功率的方法

请参照图2，图2是本发明激光治疗仪反射光和散射光探测器的基本原理图。本发明方法的基本原理为：因为激光头发射的激光束照射到散射面(皮肤)之后会在空间±90°内发生散射，将16个光电二极管11(另外4个为测试用)均布在一个垂直于散射面的截面内，每个光电二极管11采集的激光反射功率值作为其所在环带的平均功率，然后通过滤波、拟合和加权等操作得到整个空间内的激光反射功率，以此判断不同皮肤对激光的反射率。

如图2所示，20个光电二极管11(其中最底端的4个光电二极管探测的功率极低可以不用)在同一平面上呈扇形均匀分布，相邻两个光电二极管11的夹角为7.86°，由于最顶端需要为入射激光留下照射窗口，因此最顶端有两个光电二极管空缺，右侧第一个光电二极管的角度为5°(相对于激光照射面的逆时针方向的夹角)，左侧第一个光电二极管的角度为170°(相对于激光照射面的逆时针方向的夹角)，则总角度构成为21×7.86°+5°+10°≈180°，基本可以覆盖整个半球。

激光反射率的计算步骤如下：

1.滤波：用于滤除探测头1和数据采集器2的电子噪声，滤波方法有许多，根据本系统的测量特点(采集速率较慢)决定采用频域滤波方法，滤除高频噪声。

2.校准：由于每个光电二极管11的放大倍率、感光度等参量存在差异，因此需要先将每个光电二极管11经由前置放大模块12的输出校准到相同的放大率，假设每个光电二极管11经由前置放大模块12输出的电压信号为Vi，校准系数为ei，则校准后的数值为eiVi。

3.拟合：因为空间的限制，最顶端有两个光电二极管空缺，且因为反射光的不均匀性可能导致某个光电二极管的探测信号特别高或特别低，因此需要对返回信号进行曲线拟合，得到每个光电二极管(包括2个空缺的光电二极管)的值。拟合方法可采用多项式拟合、样条曲线拟合，和最小二乘拟合等，对本系统的简单曲线都可以胜任，本方案采用多项式拟合。拟合后的数据为：m为多项式阶数，a为拟合的多项式系数。

4.加权积分：每个光电二极管11所测量的数据代表其所在的7.68°球带的平均值，而每个球带的面积不同，因此需要对每个光电二极管11探测的数据进行加权积分。球带的面积计算公式为：

S = 2 πR 2 | sin ( θ + δ 2 ) - sin ( θ - δ 2 ) | = 4 πR 2 sin δ 2 | cos θ | , ]]>

其中，R为光电二极管所在球面的半径，θ为光电二极管排布的角度(θ＝5°+i*δ)，δ为球带的夹角，本系统中δ＝7.86°。由上式可以看出，球带的面积只与|cosθ|有关，因此加权之后的数据可以表示为：

5.功率转换：将之前经过处理的数据转换为最终的功率信号。由于之前已经对每个光电二极管的信号进行了校准和加权，因此只要对之前的数据乘以一个固定的系数并求和就可以得到功率信号。因此最终的反射光功率可以表示为：

其中c为光电二极管11经由前置放大模块12输出的模拟信号与激光功率之间的系数，n为探测器的数量(n＝22)。c的校正方法由下一节给出。

请参照图3，图3是本发明激光治疗仪反射光和散射光探测器的使用状态示意图。使用时将本发明的激光治疗仪反射光和散射光探测器直接安装在现有激光治疗仪前端，无需改造激光治疗仪，且只通过USB线与普通计算机相连即可，具有适用性和便携性强的特点。标定低功率激光治疗仪有效激光功率的具体方法为：

(1)将所有的光电二极管11经由前置放大模块12的输出校准到相同的放大率

要将所有的光电二极管11经由前置放大模块12的输出校准到相同的放大率，需要一个稳定均匀的光源，而太阳作为自然界能量的提供者有着人造光源无法比拟的稳定性、均匀性，因此可以选择在一个晴朗的白天，将所有光电二极管11放置在一个平面上，并对准太阳，此时相当于每个光电二极管11对应着同一个光源，记录下每个光电二极管11经由前置放大模块12的输出信号，然后可以计算出相应的放大率并进行校正。

(2)校准光电二极管11经由前置放大模块12输出的模拟信号与激光功率之间的系数

参见图4和图5，将激光治疗仪的激光入射到一块毛玻璃5上，并在毛玻璃后面放置一个功率计6记录透射光功率(需尽量选用感光面靠近前表面的功率计)；将待校正反射率的探测器放置在功率计6的位置，利用记录的透射光功率校准探测器。

(3)启动低功率激光治疗仪，通过探测头、数据采集器和计算机获得低功率激光治疗仪的有效激光功率。

本发明的激光治疗仪反射光和散射光探测器使用16个光电二极管用于在整个反射空间内检测反射光功率，具有较高的准确性。

实施例3 应用实例

应用本发明的激光治疗仪反射光和散射光探测器在临床中实际测量30位接受低功率激光治疗的CTS患者的腕部对激光治疗仪输出激光的反射率，以验证其实施效果。

具体的激光治疗仪反射光和散射光探测器配置为：将本发明的激光治疗仪反射光和散射光探测器直接固定在现有的激光治疗仪(上海曼迪森光电有限公司生产的型号为MDC-500-I半导体激光疼痛治疗仪)上，所述的光电二极管11具体采用滨松公司的S2386-18K光电二极管，其参数如表1所示。光电二极管与前置放大模块连接，前置放大模块将光电二极管输出电流信号转换为0-10V电压信号，便于后续采集获取。所述的数据采集卡21具体使用USB采集卡(NI USB-6210)，其参数如表2所示。除去激光治疗仪的原有输出激光头，探测头的外形尺寸约为：172mm×62mm×40mm。

表1 光电二极管参数

■ General ratings/Absolute maximum ratings

■ Electrical and optical characteristics(Typ.Ta＝25℃，unless otherwise noted)

表2 USB采集卡的参数

按照实施例2的方法校准本发明的激光治疗仪反射光和散射光探测器，与商用的激光治疗仪配套使用，通过30例的临床测量，发现患者个体差异十分显著，有效激光辐照功率与激光治疗仪的输出功率的比例差异很大，实测的激光反射系数在1.32％-53.95％之间大范围波动，如图6所示。充分说明了本发明首次提出的激光治疗疗效判断的重要依据是实测有效激光功率这一思路的重要性以及本发明方法的创新性和可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。