CN111345893A - 激光医疗方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种新型的激光医疗手术方法及设备，利用在激光主脉冲上叠加一个或多个参数可调控的激光尖峰脉冲，显著提高激光医疗手术的效率，并增加手术安全性。

Description

激光医疗方法及设备

技术领域

激光在医疗手术领域的应用及设备，特别是对波长在2微米附近的脉冲激光，经过对其常规的激光脉冲波形的控制改变，应用于人体内结石的粉碎去除、前列腺等软组织切除、骨科应用等。

背景技术

激光在医疗领域已经得到了广泛的应用，并产生显著的社会效益及经济效益。近十多年来，波长在2微米左右的激光脉冲，因其波长位于水分子的强烈吸收峰之一，在泌尿系结石的粉碎应用中，与采用其他激光波长的激光脉冲相比具有明显的优越性。同时此种激光医疗手术与以往其他手术方法相比，如超声碎石、电刀碎石等，更具有许多独特的优势，如手术的安全性高（不易对其他人体组织产生短期或长期的伤害），手术方便（激光脉冲可以通过光纤，经内窥镜直达碎石部位，在目视下操作）等。因此波长为2微米左右的激光脉冲碎石已成为结石医疗处理的金标准。同样的原因使其也被广泛应用于如前列腺软组织切除、骨科中许多疾病的治疗手术中，其应用日趋广泛。

目前此类2微米波长激光碎石或前列腺切割手术设备，都采用基本上为钟形或矩形的激光脉冲形状，激光脉冲重复频率为1至100赫兹，激光输出平均功率为10瓦至120瓦。其中高功率的激光输出往往需要通过2至4台激光器输出的合成来实现。

本专利申请权利人，爱科凯能科技（北京）股份有限公司，已研发了采用将常规2微米激光脉冲与其他短波长短脉冲宽度激光器的组合，以期实现更好的碎石效果的产品，参见专利CN103815965A，“一种激光医疗设备“。它采用两个激光器，一个为常规的1.9至3 微米激光器，另一个为0.2至1.5微米短脉冲宽度激光器，脉冲宽度为0.2至1.5 微秒。两激光器输出经光束复合器合束输出。该发明的设备在泌尿系结石的碎石实际应用效果与常规2微米激光脉冲相比有一定改进，但必须需要使用两台激光器的缺点是设备成本高。

美国Trimedyne公司的双脉冲2微米设备（美国专利US6998567），利用一台或两台激光器，产生两个或多个同样的常规激光脉冲组成的脉冲组，他们在时间上具有几十微秒量级的间隔，在骨科手术中表现出了较常规的单个2微米激光脉冲设备较大的优越性。但该设备在激光碎石方面，从综合性价比来看，与常规2微米设备相比，优势有限，因为若用单个激光器产生脉冲组，激光器的总平均输出功率仍受限于激光器本身的功率水平。脉冲组中每个脉冲仍为常规的脉冲形状，限制了手术效率的改进余地。若用两个激光器，那么其效果与一般的两个激光器的碎石效果并无明显优势。

医疗应用实践表明，大部分泌尿系结石采用80瓦以下的2微米激光脉冲已可以进行有效的破碎，手术的速率令人满意。但也偶尔遇到少数结石，即使在采用100瓦激光功率时，仍不能满意破碎。

进一步提高激光功率，不但涉及更昂贵的设备成本，同时亦会增加手术的不安全性。能在现用激光功率水平下，加快碎石及软组织切割的有效性及速率，或更优化各种骨科手术应用，缩短手术时间，提高手术安全性，并不断拓展应用领域是现下这类激光医疗方法及设备面对的一大挑战。

发明内容

本发明通过在常规的钟形或矩形2微米激光主脉冲上，叠加一个或多个参数可调的尖峰激光脉冲，使得在主脉冲平均功率不增加甚至降低下调的情况下，大大提高激光手术的有效性，速率及安全性，显著提高激光脉冲碎石的爆破能力，改善软组织的切割效率以及骨科手术的效率。

尖峰脉冲的可调参数包括其激光波长，脉冲的个数，与主脉冲的时间关系，尖峰脉冲本身的脉宽及能量等。尖峰脉冲参数的调整选用可因具体医疗手术而异，以保证医疗手术的最佳效果。在同一手术的不同时刻，依据手术进行情况，尖峰脉冲的各项参数也可以程控，随手术进行而改变参数，以进一步优化手术效果，增加安全性。同时，由于尖峰脉冲的存在，在优化医疗手术效果前提下，有可能降低对主脉冲功率的需求，从而进一步提高激光医疗手术的安全性。

附图说明

图1是对常规的脉冲灯泵浦激光器，钟形脉冲2微米激光器的泵浦灯光脉冲及激光脉冲

波形示意图；

图2是本发明，通过在图1所示的钟形灯泵浦脉冲的主脉冲上叠加参数可控的泵浦尖峰

脉冲，因此得到在钟形激光主脉冲上叠加有参数可控的尖峰激光脉冲的示意图；

图3是对于常规的灯泵浦的矩形激光脉冲2微米激光器，泵浦灯光矩形脉冲及激光矩形

脉冲波形（分别为灯光主脉冲及激光主脉冲）示意图；

图4是本发明，通过在图3所示的矩形灯泵浦脉冲的主脉冲上叠加参数可控的泵浦尖峰

脉冲，因此得到在矩形激光主脉冲上叠加有参数可控的尖峰激光脉冲的示意图；

图5是常规及本发明激光器泵浦及控制电路示意图；

图6是叠加的尖峰激光脉冲激光波长与主脉冲激光波长不同时的实施示意图。

具体实施方式

图1为对常规的脉冲灯泵浦激光器，钟形脉冲2微米激光器的泵浦灯光脉冲及激光脉冲波形示意图（即分别为灯光及激光主脉冲），其中010为钟形泵浦灯光脉冲波形，P10为该灯光波形的峰值功率值，tp10为该波形的半高全宽，011为钟形脉冲010泵浦下的输出钟形激光脉冲示意图，该激光脉冲011亦基本上为钟形由于激光工作阈值及泵浦灯光波形010缓慢渐起及渐降的原因，011的起始时刻t1略滞后于泵浦灯光波形010的时间起点。t2为激光波形011的终止点，同样它亦会略提前于泵浦灯光波形010的终止点。所以泵浦灯光脉冲波形为钟形时，激光工作效率会因此而较低，并对应有较高的热效应。激光脉冲波形011的峰值功率为P11，其半高全宽为tp11。

通常，激光脉冲的重复频率为1次至100次，脉宽tp11为100微秒至400微秒，激光输出的平均功率为5瓦至150瓦左右。若按激光平均功率为100瓦，脉冲重复频率50赫兹计，则每个激光脉冲的能量为2焦耳，对于脉宽为250微秒时，则峰值功率P11约为 5 kW。

图2为本发明，通过在图1所示的钟形灯泵浦脉冲的主脉冲上叠加参数可控的泵浦尖峰脉冲，因此得到在钟形激光主脉冲上叠加有参数可控的尖峰激光脉冲的示意图，其中015为钟形泵浦主脉冲，其峰值为P15，半高全宽脉宽为tp15，在时刻t5，于该主脉冲上叠加一尖峰脉冲016，其叠加后总峰值为P16，其半高全宽为tp15（以其与钟形主脉冲波形连接处作为起算基点）。

由此泵浦波形产生的激光脉冲亦为基本上为原常规的钟形主脉冲上叠加了一个尖峰脉冲，018为钟形主脉冲，其峰值为P18，半高全宽脉宽为tp18。于时刻t6，叠加上去的尖峰激光脉冲为019，其叠加后总峰值为P19，半高全宽脉宽为tp19。尖峰激光脉冲的诸参数，诸如激光波长，叠加时刻t6，峰值高度P19，脉宽tp19均可按需要对不同手术，或手术中的不同时刻进行手动或程序控制。

尖峰脉冲可以为单个，如图2中019所示，亦可以为多个（图2中未示出）。多个尖峰激光脉冲的参数可以相同，亦可以互不相同，以达到最佳应用效果。

图1及图2脉冲产生方法将在图5中予以说明。

图3为对于常规的灯泵浦的矩形激光脉冲2微米激光器，泵浦灯光矩形脉冲及激光矩形脉冲波形（分别为灯光主脉冲及激光主脉冲）示意图，其中020为矩形泵浦灯光脉冲波形，P20为该灯光波形的峰值功率值，tp20为该波形的半高全宽，021为矩形脉冲020泵浦下的输出矩形激光脉冲示意图，该激光脉冲021亦基本上为矩形。由于泵浦灯光矩形脉冲的起降较钟形脉冲快，021的起始时刻t21滞后于泵浦灯光波形020的时间起点较短。t22为激光波形021的终止点，同样，它略提前于泵浦灯光波形020的终止点时间但差别较小。所以泵浦灯光脉冲波形为矩形时，激光工作效率会因此而较高，并对应有较低的热效应。激光脉冲波形021的峰值功率为P21，其半高全宽为tp21。

同样地，若按激光平均功率为100瓦，脉冲重复频率50赫兹计，则每个激光脉冲的能量为2焦耳，对于脉宽为250微秒时，则峰值功率P21约为 5 kW。与钟形脉冲相比，差别在于钟形脉冲的脉冲宽度为脉冲半高处的全宽，而矩形脉冲的脉冲宽度，虽然也可以说是半高全宽，但此时的半高全宽几乎与底部宽度相同。

图4为本发明，通过在图3所示的矩形灯泵浦脉冲的主脉冲上叠加参数可控的泵浦尖峰脉冲，因此得到在矩形激光主脉冲上叠加有参数可控的尖峰激光脉冲的示意图，其中026为钟形泵浦主脉冲，其峰值为P26，半高全宽脉宽为tp26，在时刻t27，于该主脉冲026上叠加一尖峰脉冲027，其叠加后总峰值为P27，尖峰脉冲027的半高全宽为tp27（以其与钟形主脉冲波形连接处作为起算基点）。

由此矩形泵浦波形产生的激光脉冲亦为基本上为原常规的钟形主脉冲上叠加了一个尖峰脉冲，028为矩形激光主脉冲，其峰值为P28，半高全宽脉宽为tp28。于时刻t29，叠加上去的尖峰激光脉冲为029，其叠加后总峰值为P29，半高全宽脉宽为tp29。尖峰激光脉冲的诸参数，诸如激光波长，叠加时刻t29，峰值总高度tp29，脉宽tp29均可按需要对不同手术，或手术中的不同时刻进行手动或程序控制。

尖峰脉冲可以为单个，如图4中029所示，亦可以为多个（图2中未示出）。多个尖峰激光脉冲的参数可以相同，亦可以互不相同，以达到最佳应用效果。

图5为常规及本发明激光器泵浦及控制电路示意图。

040为常规的钟形脉冲或矩形脉冲激光器的泵浦（主脉冲）及控制电路示意图。

050为泵浦灯。激光器的其它机械、光学硬件未在图中示出。051为泵浦脉冲放电的储能电容。052为放电控制元件。053为限流或脉冲成形小电感。

激光器工作时050泵浦灯光由预燃触发高压电路触发，预燃电路使灯工作于几十毫安至两百毫安放电电流的预燃工作状态，触发及预燃电路均不涉及本发明之技术，故未予以示出。

055为电容器051的充电电路，亦提供整机控制的时统信号。057为放电开关052的控制电路。

对于钟形放电脉冲工作情况，储能电容051电容量较小，例如100微法左右，储能电 压较高，例如1200伏至1600伏。放电开关元件052为可控硅元件，052一旦触发导通，储能电 容051上的储能通过小电感053向泵浦灯050供能放电，这种LC放电回路形成的放电脉冲波 形为图1所示的近似钟形，放电进程进行到储能电容051上残余电压接近于泵灯050上的预 燃电压相对应的灯电压时，自动终止，放电开关可控硅元件052无法提前终止这一放电进 程。放电时间(即图1中的tp10) 取决于电容051的电容量，小电感053及泵灯050的特性。放 电脉冲能量E取决于储能电容051的电容量及储能电压，即

。

对于泵浦脉冲基本上是矩形的工作情况，是因为所谓可关断可控硅元件（即IGBT） 的出现而成为可能。此时储能电容051的电容量相当大，普遍为1000至5000微法，而采用的 储能电压较低，在500伏至1000伏之间，泵浦开关元件052为IGBT管，当它被控制信号058触 发而开通时，电容051通过小电感053向泵灯050放电，在达到预定的放电脉宽要求时，IGBT 管被控制信号058关断，泵浦放电终止。一般放电脉宽在100微秒至800微秒之间，放电电流 大小取决于储能电容051上的电压高低及泵灯的特性，一般在几十至几百安培范围。由于足 够大的储能电容051的电容量，放电期间051上的储能电压变动幅度较小，放电电流脉冲幅 度在放电脉宽期间基本上维持平稳恒定，即放电脉冲波形基本上呈现平顶的矩形，如图3所 示。放电脉冲的能量E为电容器上电压Vc，放电电流I及放电持续时间τ（即图4中的tp20）的 函数，即

。

矩形泵浦的优点是因为其波形的上升沿及下降沿较陡，所以激光器工作效率较高或热效应略低，且激光脉冲的脉宽可以通过IGBT开通时间的调节而方便调节。所以现在多数相关激光医疗设备均开始或已经采用矩形脉冲泵浦，但是其弱点是当常用的钟形脉冲宽度为200至250 微秒，矩形激光脉冲宽度为300至400微秒时，矩形激光脉冲的峰值功率相对于钟形脉冲的会较低（图1中的P11相对于图3中的P21）。这一弱点常会导致激光碎石时显得激光爆破力不够，或软组织切割时效率较低。当然在实际使用中，操作人员常可以通过提高激光平均功率来弥补此缺陷。但是，采用较高的激光平均功率进行同样手术，一是提高了对设备输出功率的能力要求，设备成本更为昂贵，二是增加了手术的不安全性。

图5的整体图为实现激光主脉冲上叠加可控尖峰脉冲的激光器泵浦电路结构示意图，除040中的电路及泵浦灯外，另外增加了一个小容量储能电容061，它经064充电至如1000伏至1500伏的较高电压，于适当时刻（图2 中t5 或图4中的t27）触发导通开关可控硅元件062，此时就会在常规的钟形泵浦脉冲015或矩形脉冲026上叠加产生一个尖峰放电脉冲016或027，电容061的电容量可变以控制尖峰脉冲016的脉宽tp16，或尖峰脉冲027的脉宽tp27。控制改变开关元件062的触发导通时刻t5或t27，可以方便地改变尖峰激光脉冲叠加在主脉冲上的时刻t6或t29。调控电容061上的充电电压，则可方便地改变尖峰放电脉冲总峰值P16或P27，从而控制激光尖峰脉冲总峰值P19或P29。

在图5电路上再增加一路储能电容071，放电开关可控硅072及其触发信号078，则可以在主放电脉冲015或026上叠加上去第二个尖峰脉冲，其工作方式与上述第一个尖峰脉冲完全类同。

相应的，充电及控制电路055及057需作相应改动，不多累述。

如图5所述，是为尖峰激光脉冲与激光主脉冲系同一激光波长下的情况。此时只需对激光器的工作电路/泵浦电源作上述改变，仍使用原单个激光器及光纤输出，即可实施本发明。可见本发明实施简便，且允许对以往常规设备作较方便的升级改进，而无需对原设备的光学，机械部分作大的，经常在原设备上不可能实现的改动。

图6为叠加的尖峰激光脉冲激光波长与主脉冲激光波长不同时的实施示意图。

080为主脉冲激光器，其输出为081，而090为另一波长的尖峰激光脉冲发生器，其输出为091，经高反镜092转折后打到镜093上。093 为在45度情况下，对激光器080的波长高透，而对090的尖峰激光脉冲的激光波长高反的介质镀膜，两个不同波长的激光束081及091合并为输出光束094。

095为激光器080及090的控制及泵浦电源。095通过096及097可以使激光器080输出如图4中的激光主脉冲018，或图5中的激光主脉冲028。并使激光器090在时刻t6或t27输出如图4中的尖峰激光脉冲019或029。最后合成的激光束094 的激光脉冲波形即为图2或图4中所示的主激光脉冲018上叠加了尖峰激光脉冲019，或主激光脉冲028上叠加了尖峰激光脉冲029。但是此时激光主脉冲的波长为激光器080的波长，例如2 微米，而尖峰激光脉冲的激光波长为不同于激光器080 的，由激光器090 决定的另一个波长。

本发明的实施方法可以还有其他不同的变形，但本发明的基本原理及基本技术会如本发明的权利要求所界定。

Claims (13)

1.一种利用激光脉冲进行医疗手术的方法，尤其如对人体内结石进行碎石，前列腺切除，骨科手术，此方法在具有特定激光波长，特定脉冲形状及特定脉冲重复频率的激光主脉冲上叠加至少一个尖峰激光脉冲，形成复合激光脉冲，经光纤传输到达体内手术部位，以至少一个复合激光脉冲进行手术，尖峰激光脉冲具有特定的激光波长和幅度，脉宽，并与被叠加的激光主脉冲具有特定的时间关系。

2.权利要求1中，激光主脉冲的特定激光波长为1.9微米至2.2微米。

3.权利要求1中，激光主脉冲的特定脉冲形状基本上为钟形，或矩形，其脉冲宽度为0.1微秒至1000微秒，特定重复频率为单次至每秒200次。

4.权利要求1中，尖峰激光脉冲的幅度为使复合激光脉冲在叠加处的总激光脉冲幅度为原主脉冲该处幅度的1.01至50倍。

5.权利要求1中，尖峰激光脉冲的脉宽为0.1微秒至200微秒。

6.权利要求1中，尖峰激光脉冲的特定激光波长为0.4至2.2微米。

7.权利要求1中，尖峰激光脉冲与激光主脉冲间的特定时间关系为，尖峰激光脉冲时间起点相对于激光主脉冲时间起点之间的延迟时间为0至5倍的激光主脉冲本身的脉冲宽度。

8.权利要求1中，当尖峰激光脉冲数为多于1个时，它们的总幅度可以相同，亦可以不同。

9.权利要求1中，对于重复频率工作的激光主脉冲中的不同脉冲，叠加的尖峰脉冲总激光幅度可以相同，亦可以不同。

10.一种以激光脉冲进行医疗手术的医疗设备，尤其是以激光脉冲对人体内结石进行碎石，前列腺切除，骨科手术的医疗设备，该设备含有可产生具有特定激光波长，特定重复频率的激光主脉冲激光器，并能在激光主脉冲上叠加具有特定波长及幅度，与激光主脉冲具有特定时间关系的尖峰脉冲，所形成的复合激光脉冲通过光纤输出到达手术部位。

11.权利要求10中，激光主脉冲及尖峰脉冲各自的特定激光波长相同，由同一台激光脉冲发生器产生，特定激光波长为1.9微米至2.2微米。

12.权利要求10中，激光主脉冲的特定波长为1.9微米至2.2微米，尖峰脉冲的激光波长为0.4至2.2微米，激光主脉冲及尖峰脉冲分别由不同的激光器产生，经特定的光束合成器耦合，并由同一光纤输出。

13.权利要求10中，激光主脉冲的特定脉冲形状基本上为钟形，或矩形，其脉冲宽度为0.1微秒至1000微秒，特定重复频率为单次至每秒200次，尖峰激光脉冲的总幅度为激光主脉冲原幅度的1.01至50倍，尖峰激光脉冲的脉宽为0.1微秒至200微秒，尖峰激光脉冲与激光主脉冲间的特定时间关系为，尖峰激光脉冲时间起点相对于激光主脉冲时间起点之间的延迟时间为0至5倍的激光主脉冲本身的脉冲宽度。

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