CN104873269A - 一种2微米光纤激光手术刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2微米光纤激光手术刀，包括光纤激光器和与光纤激光器连接的激光手术刀头，所述光纤激光器向所述激光手术刀头输出2微米波段连续波激光。本发明具有光束质量好、连续、稳定、成本低，其手术对皮肤等软组织穿透能力浅，损伤小的优点。

Description

一种2微米光纤激光手术刀

技术领域

本发明属于激光手术设备，具体涉及一种2微米光纤激光手术刀。

背景技术

激光对生物体组织的相互作用是医学应用的物理基础，激光的热效应是医学上使用最广泛而且最早被人们认识的激光组织效应之一。激光入射生物体组织，在光穿透深度范围内，被吸收的光能转换成热量。当加热速度（热能来自激光照射，与激光强度和组织吸收系数两个因素有关）远远高于蒸发组织所需热量的速度，则组织被很快汽化消融。因此，若光穿透深度过大（吸收系数过小），光能分散到空间，对气化不利。如Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石晶体)激光器不适用于软组织的汽化，就是这个原因所致。

目前，在各类成熟和应用较广的激光治疗、手术设备中，主要有准分子激光、10.6微米CO₂激光、1.064微米Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石晶体)激光、532纳米绿激光（KTP倍频）、Ho:YAG(掺钬钇铝石榴石晶体)激光等，这些激光手术设备均采用非光纤结构结构。除开波长为193纳米的超紫外准分子激光，激光的能量几乎完全被角膜上皮细胞和基质吸收，专用于眼科手术外。对于皮肤科、耳鼻喉科、泌尿外科等软组织手术而言，上述激光或多或少地存在不足。Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石晶体)激光、 绿激光（KTP倍频）的软组织气化切割能力不足，尽管Ho:YAG(掺钬钇铝石榴石晶体)激光出光也在2微米波段，但其激光输出为脉冲式，手术是通过撕裂软组织方式实现的。因此脉冲工作方式的Ho:YAG激光目前主要用来切除和烧蚀软骨以及其它硬的钙化的组织，不适合皮肤科、耳鼻喉科、泌尿外科等众多软组织去除的临床应用领域。而且Ho³⁺（钬离子）的吸收范围内缺乏高效的泵浦源，激光很难放大到高功率；而且，Ho:YAG激光采用脉冲灯泵浦，增益介质为棒状或盘片状晶体，导致其体系结构复杂，存在系统稳定性和维护性较差的不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种光束质量好、连续、稳定、成本低的2微米光纤激光手术刀，其手术对皮肤组织穿透能力浅，损伤小。

本发明提供的2微米光纤激光手术刀，包括光纤激光器和与光纤激光器连接的激光手术刀头，所述光纤激光器向所述激光手术刀头输出2微米波段连续波激光。

所述光纤激光器包括种子激光器、隔离器、放大器、制冷器，所述激光器通过所述隔离器与放大器连接，所述激光手术刀头与所述放大器连接，所述种子激光器产生的种子激光经隔离器后注入所述放大器；所述2微米波段连续波激光由所述种子激光器产生，经所述隔离器、放大器向所述激光手术刀头输出；所述种子激光器、隔离器、放大器产生的热量由所述制冷器散热。

所述种子激光器包括若干第一泵浦源半导体激光器、第一泵浦耦合器、光纤光栅、第一增益光纤，所述光纤光栅采用两个与所述第一增益光纤构成线性腔结构的谐振腔，所述第一泵浦源半导体激光器通过第一泵浦耦合器与所述第一增益光纤连接。

所述放大器包括若干个第二泵浦源半导体激光器、第二泵浦耦合器和第二增益光纤，所述第二泵浦源半导体激光器通过第二泵浦耦合器和第二增益光纤连接。

所述种子激光器采用线性腔结构，由一对中心波长为2微米的光纤光栅(FBG)与掺杂光纤熔接而成。

所述第一、第二增益光纤均为双包层结构的大模场掺铥光纤。

本发明的有益效果：

本发明的特点在于从生物学角度出发，经过大量生物作用实验研究，选择了2微米波段连续波激光用于手术。实验采用新鲜、成年、健康的新西兰兔口腔黏膜，随机分成两组。用CO₂激光、2微米波段连续掺铥（Tm)光纤激光，采取不同的功率及不同的作用时间，作用于离体新西兰兔的口腔黏膜，中性甲醛溶液固定组织，制作组织切片，智能生物显微镜拍照，Adobe Photoshop CS6系统测量气化指标最大气化面积、最大气化宽、最大气化和热损伤的指标（最大热损伤面积、最大热损伤宽、最大热损伤深）。进行统计学分析，得到两者统计学意义的差别和对比。2微米波段连续掺铥光纤激光的气化宽（p=0.0038)及最大气化面积（p<0.0001)与CO₂激光的有统计学差异，并且均值较CO₂激光的大。微米波段连续掺铥光纤激光能量密度与最大气化面积（r=0.80249，p<0.0001)、最大气化宽(r=0.8708,p=<0.0001)、最大气化深(r=0.62895,p=0.0039)、最大热损伤面积(r=0.82281,p=<0.0001)、最大热损伤宽(r=0.73385,p=0.0003)、最大热损伤深（r=0.76729,p=0.0001)呈正相关，与CO₂激光器的各个测量指标与能量密度相关性有统计学意义（P值均小于0.05），且相关性大。实验数据表明，本发明比CO₂ 激光气化效率高，热损伤无明显差别。总的来说CO₂激光消融组织时，其瞬间升温能力不如本发明，且击穿黏膜的功率密度高。

本发明采用2微米波段连续波激光作为手术刀，将CO₂ 激光的切割切除功能和Nd: YAG (掺钕钇铝石榴石晶体)激光器的止血效果集于一身，同时由于该波段激光对皮肤组织的穿透能力浅使得损伤组织小，非常适合应用于微创手术。加之2微米波段处在水的吸收峰，是人眼安全波段激光，在操作安全和环境安全两方面具有优势。

本发明产生激光的激光器、激光器至病患手术部位的传导光路，所用核心部件都采用光纤，功率可调范围从数瓦至上千瓦，效率高、光束质量好、连续、稳定，其连续波、大功率的2微米光纤激光能实现“汽化”+“切割”，在组织中的穿透深度仅0.3毫米，去除增生组织后留下的凝固层只有1毫米。本发明输出的2微米波段连续波激光在软组织和水中有相似的吸收特性，不同于现有脉冲式Ho:YAG激光的撕裂软组织的工作方式，本发明的2微米波段连续波激光可以在良好止血的情况下平稳地汽化组织。本发明具有稳定性强、成本低、结构紧凑、操作便利灵活等优点，可广泛地应用于皮肤科、耳鼻喉科、泌尿外科等众多临床应用领域，在软组织切割微创激光手术等激光医疗领域具有广泛应用前景。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的2微米激光手术刀，包括光纤激光器1和与光纤激光器1连接的激光手术刀头2，所述光纤激光器1向所述激光手术刀头2输出2微米波段连续波激光。

所述光纤激光器1可采用中国人民解放军国防科技大学研制的全光纤结构百瓦级输出功率的掺铥光纤激光器，输出功率范围在10～100W可调。该激光器采用了主振荡器功率放大（MOPA）方案，从主体功能上，光纤激光器1主要由种子激光器（主振荡器）101和放大器103两部分组成，它们之间通过隔离器102连接，种子激光器（主振荡器）101产生的种子激光经隔离器102后注入放大器103，种子激光器101、隔离器102、放大器103产生的热量由所述制冷器散热。

种子激光器（主振荡器）101包括3个第一泵浦源半导体激光器1011（可根据实际功率需求来配置）、第一泵浦耦合器（泵浦合束器）1012、光纤光栅1013、第一增益光纤1014。该激光器采用线性腔结构，谐振腔由一对中心波长为2微米的光纤光栅(FBG) 1013与掺杂的第一增益光纤1014熔接而成。该对光纤光栅1013在中心波长1952nm处的反射率分别为99%和10%，第一增益光纤1014为5米长规格为10/130掺铥增益光纤、纤芯和内包层的数值孔径为0.15和0.46。中心波长为79x纳米的泵浦源半导体激光器（尾纤尺寸为105微米）1011通过第一泵浦耦合器1012与第一增益光纤1014连接，其产生的激光注入第一增益光纤1014。

所述放大器103包括4个第二泵浦源半导体激光器1031、1个(6+1)×1的第二泵浦耦合器1032和一段长为9.5 m的25/400掺铥的第二增益光纤1033，泵浦源半导体激光器1031通过第二泵浦耦合器1032的泵浦输入端与第二增益光纤1033连接；由种子激光器101产生的2微米波段连续波激光经过隔离器102注入放大器103，与放大器103中泵浦源半导体激光器1031发出的泵浦光一起由第二泵浦耦合器1032导入第二增益光纤1033中，向激光手术刀头2输出功率放大的2微米波段连续波激光。

所述泵浦波长处包层吸收系数为2dB/m，数值孔径分别为0.09和0.46。第二泵浦耦合器1032的信号端和输出端光纤均为10/125的双包层光纤，且纤芯和内包层的数值孔径分别为0.15、0.46，与掺铥的第二增益光纤1033匹配。第二泵浦耦合器1032的泵浦输入端采用了纤芯直径为200μm的单包层光纤。放大器采用四个尾纤纤芯直径为200μm、最大输出功率为50W的泵浦源半导体激光器1031作为泵浦源，其中心波长为79x nm，经第二泵浦耦合器1032后可得到最大泵浦光输出功率为300W。输出端做8°斜角处理减小反馈，并在输出端前处做5厘米的泵浦倾泻剥模器。

整个光纤激光器1放置在制冷器3的金属盘上进行传导冷却，进行整体集中热管理，可提高稳定性、使系统结构紧凑。其中增益光纤盘绕在制冷器3的金属盘上进行制冷。冷却方式采用风冷加TEC制冷的方式，将泵源热沉的温度控制在24到26摄氏度之间，金属盘的温度控制在20到30摄氏度之间。

Claims (6)

1.一种2微米光纤激光手术刀，包括光纤激光器和与光纤激光器连接的激光手术刀头，其特征是所述光纤激光器向所述激光手术刀头输出2微米波段连续波激光。

2.根据权利要求1所述的2微米光纤激光手术刀，其特征是所述光纤激光器包括种子激光器、隔离器、放大器、制冷器，所述激光器通过所述隔离器与放大器连接，所述激光手术刀头与所述放大器连接，所述种子激光器产生的种子激光经隔离器后注入所述放大器；所述2微米波段连续波激光由所述种子激光器产生，经所述隔离器、放大器向所述激光手术刀头输出；所述种子激光器、隔离器、放大器产生的热量由所述制冷器散热。

3.根据权利要求2所述的2微米光纤激光手术刀，其特征是所述种子激光器包括若干第一泵浦源半导体激光器、第一泵浦耦合器、光纤光栅、第一增益光纤，所述光纤光栅采用两个与所述第一增益光纤构成线性腔结构的谐振腔，所述第一泵浦源半导体激光器通过第一泵浦耦合器与所述第一增益光纤连接。

4.根据权利要求2或3所述的2微米光纤激光手术刀，其特征是所述放大器包括若干个第二泵浦源半导体激光器、第二泵浦耦合器和第二增益光纤，所述第二泵浦源半导体激光器通过第二泵浦耦合器和第二增益光纤连接。

5.根据权利要求4所述的2微米光纤激光手术刀，其特征是所述种子激光器采用线性腔结构，由一对中心波长为2微米的光纤光栅(FBG)与掺杂光纤熔接而成。

6.根据权利要求5所述的2微米光纤激光手术刀，其特征是所述第一、第二增益光纤均为双包层结构的大模场掺铥光纤。