CN1891173A - 双波长连续泵浦的固定激光软组织治疗仪和方法 - Google Patents

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穆力越
蔡康泽
罗维国
曾立波
赖明�
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Abstract

本发明公开一种利用高功率、双波长、连续泵浦的固体激光对人体软组织进行快速蒸发和治疗的激光手术仪的方法和仪器。双波长激光器同时产生数千赫兹可见的高功率二次谐波和近红外中低功率基波的激光脉冲序列。在用激光做前列腺切除手术时，中低功率近红外1064nm Nd:YAG激光使激光前列腺切除手术更趋于止血，而高功率二倍频的532nm绿激光能极其有效地切除和蒸发增生症的前列腺腺体，达到扩大尿道的目的。

Description

双波长连续泵浦的固定激光软组织治疗仪和方法
技术领域
本发明涉及用连续泵浦的Q-开光的固体激光治疗人体软组织的领域，特别是关于高功率激光前列腺切除术这一领域。
背景技术
良性前列腺增生症(BPH)会导致尿频，尿痛和尿潴留。经尿道外科电切除阻塞的前列腺组织一直是泌尿外科治疗BPH的“金标准”。虽然经尿道做前列腺切除(TURP)是一种微创外科手术，但主要由于失血多，并会伴有显著的并发症。激光技术对这一常见的失血问题的解决提供一种可行的治疗方案。在过去很多年中，泌尿外科医生和激光工作者用不同种类的激光器治疗BPH，以期发现一种和TURP治疗效果类似或更好治疗方法。激光前列腺切除的效果，直接取决于诸多因素，包括激光波长、功率、持续时间和手术技术。
近红外激光波长1064nm的Nd:YAG激光在20世纪90年代初期就开始用于前列腺增生症的治疗。1064nm近红外激光主要是被细胞蛋白质所吸收。由于吸收率不高，近红外激光渗入组织大约7mm左右。因为受影响的组织的面积相对来说大一些，所以加热进行的缓慢，随之而来的是被激光照射的组织和其周围有凝固现象，可激光蒸发增生症的前列腺组织的效果并不明显。Nd:YAG激光凝固前列腺切除术，对由于BPH(良性前列腺增生症)引起的膀胱出口阻塞，是一种有效的治疗方法，它的效果可以与前列腺经尿道电切除的效果相比美。它不像TURP，Nd:YAG激光手术过程中几乎不流血，而且也没有冲洗液吸收现象，因而Nd:YAG激光前列腺切除手术的风险便大大降低了。但不幸的是，用Nd:YAG激光前列腺切除术的病人，经常要经受数周的排尿困难。
波长为2140nm高功率(60-100W)Ho:YAG钬激光能有效地被水吸收，其去除组织的效力比用Nd:YAG激光好。Ho:YAG前列腺切除手术也是一种经尿道切除的过程。组织渗入深度浅，但止血差。对钬激光前列腺切除术，组织切除效果很强，而组织凝固和止血功能差，手术技难于掌握。Ho:YAG钬激光前列腺切除手术操作时间比标准的经尿道切除的时间要长一些，有时伴有并发症，住院时间长达数日。
美国专利(专利号6,554,824)用的一种倍频Nd:YAG激光，既通常叫做KTP的激光，切除良性前列腺增生组织。血红蛋白对532nm波长的绿激光有很强的吸收作用(吸收系数＞200cm-1)，但水对绿光几乎是透明的。当高功率KTP绿激光通过光纤传导并经过尿道照在前列腺上时，血红蛋白对绿激光强吸收率使有约仅1mm厚的前列腺组织吸收了几乎所有的激光能量，使那里的温度很快上升至100℃以上。高温蒸发细胞中的水份，继而蒸发了前列腺组织。由于绿激光吸收层浅，相应的凝固层也就浅，因而止血作用就没有近红外激光波长1064nm的Nd:YAG激光的止血作用好。为了能获得不出血的良好的外科手术效果，麦来客(Malek)等人曾发表文章指出，在两个病人在用了KTP激光蒸发前列腺组织后，用1064nm Nd:YAG激光来止血。为了达到较高的绿激光吸收率，美国专利6,554,824强调激光必须以巨脉冲模式操作，脉冲宽度要在0.1和500毫秒之间，脉冲频率在1和500Hz之间。
美国专利(专利号6,413,267)描述自由空间传播的近红外激光和可见激光用于激光理疗。因为近红外和可见激光的激光疗效不同，在用近红外激光照射细胞组织得到第一次治疗效果后，再可见激光照射该组织去获得第二次治疗效果。激光照射的过程是自动监视和控制的。无论是近红外激光的功能或可见激光的功能，都不是为了激光汽化或激光凝固。
当细胞组织中的温度上升超过60℃时，蛋白质就会发生称之为“凝固”的变性作用。当温度超过100℃时，细胞内部的水份就开始沸腾和蒸发，细胞组织和水份都被蒸发掉。在用激光照射并蒸发的结果是，细胞组织被激光和沸腾的水打成碎片后，从原组织处剥离。对于前列腺激光切除术而言，1064nm近红外Nd:YAG激光对凝固作用和无血手术无疑是很好的，而532nm绿激光对激光蒸发和剥离证明很有效的。细胞组织对激光的吸收由细胞的光吸收系数ma(cm-1)的大小来衡量。光吸收系数ma和细胞组织密度r(cm-3)及光吸收横截面sa(cm2)相关：
                         ma＝r sa
已凝固的前列腺组织组织比未曾凝固的前列腺组织有更高浓度。这表明已凝固的组织会有较高的吸收系数ma。在1064近红外，G.穆勒等人(G.Muller and et al)的实验证明，前列腺组织的光吸收系数从非凝固状态0.3(cm-1)增加到凝固状态4(cm-1)。而且凝固的前列腺组织吸收系数，在较短的波长上增加显著。高功率激光产生剥离效果，而中低功率激光产生凝固效果。通过用利用中低功率的近红外激光来增加凝固效果，绿激光或可见激光来就能更有效的被已凝固的组织所吸收。
充分利用波长为1064nm的近红外激光和波长为532nm的可见激光两者的优势来进行前列腺激光切除手术，就需要提供一种方式和仪器来同时利用这两种波长的激光既能高效地蒸发前列腺，也能最大限度地避免手术中可能的出血。
发明内容
发明经尿道做前列腺切除手术(TURP)50年以来，TURP已成为对良性前列腺增生(BPH)最为广泛使用的外科手术疗法。在进行TURP手术时，必须用一种绝缘的等渗溶液来不停地冲洗前列腺和膀胱，以免电极不被击穿，电切区域不被手术中流出血液遮挡而看不清楚，并可以把液体吸收这种有害效果降至最低程度。因为在手术过程中病人可能失去一部分血液，前列腺组织的热破坏深度难以控制，而冲洗液也从损伤的静脉血管的开口处流入血管等一系列不利因素，TURP总会伴有几种并发症。此外，做BPH手术的病人多为上了年纪的人，大多数病人都有过一次以上的重病的病史，这就增加了手术的风险。尽管作为目前金标准TURP甚为流行，也颇吸引人，但它常常伴有尿痛、尿失禁、阳萎等并发症。因而，医学界一直在积极寻找一种新的，并发症极少的BHP手术疗法去替代传统的TURP。激光前列腺切除手术，是一种最看好的手术疗法。其中Nd:YAG激光前列腺切除是最先被引入的。Nd:YAG激光前列腺切除手术的优点是止血极佳，但缺点是细胞组织剥离效果差，手术后常有排尿困难的情况。在上世纪90年代中叶，Ho:YAG钬激光被用于前列腺切除术。钬激光的临床效果和TURP相当，但由于凝固层浅、止血差，手术技巧难以掌握，而且并发症的发病率并不低。所以Ho:YAG钬激光前列腺切除术没有得到广泛的认可。高功率KTP绿激光，或称倍频Nd:YAG激光，是90年代后期才用来治疗BPH的。KTP绿激光前列腺切除术，比传统的TRUP和其他激光前列腺切除手术有很多优越性。高功率绿激光能非常有效地蒸发和剥离前列腺组织，手术时间效短。止血效果好、凝固层浅、热破坏深度浅使得手术后并发症的发病率显著降低。然而在手术过程中仍然有流血的情况。医生必须切换到近红外Nd:YAG激光，或降低绿激光照射功率密度以增加凝固效果达到止血作用。从一些已发表的文献上看，用低功率密度的绿激光止血不是件容易的事。
双波长激光前列腺切除术，吸取了高功率倍频Nd:YAG激光的细胞组织的蒸发和剥离的高效率和中低功率近红外Nd:YAG的良好止血效果。双波长Nd:YAG激光既产生532nm的绿光，又同时产生1064nm近红外光。绿激光的光功率应该有足够高以达到能对前列腺细胞组织有效地蒸发和剥离。近红外激光的光功率也应该有足够高以便能达到凝固止血功能，但又不能太高以至引起很深的凝固作用，这将近一步导致的Nd:YAG激光的诸如排尿困难等并发症。在实践中近红外激光功率大约为5-30瓦，而绿功率则超过40瓦，这取决于激光光束在前列腺组织上的光斑大小。
本发明的第一设计是：通过选择激光器中的输出偶合镜的红外光透射率，激光器便同时输出1064nm基波红外光和二次谐波绿光。当设计一个标准的倍频Nd:YAG绿激光器时，选用的输出偶合镜是对激光腔那一面镀有对1064nm高反射膜(R＞99.9％)和对532nm的高透膜，而在另外一面镀有对532nm增透膜。本发明的双波长激光的输出偶合镜设计是，在面对激光腔那一边，用对1064nm有限的反射率(95％＜R＜99.6％)红外反射膜和对532nm的高透射膜，而在另一面镀有的对532nm和1064nm都增透的增透膜。这样对于腔内基波功率接近或超过1000W的高功率激光器来说，这种输出偶合镜能输出基波激光功率大约为5-30W，输出二次谐波绿光功率为40-100W，甚至超过100W。近红外激光束和绿激光光束都被偶合到光纤中，最终传递到前列腺组织。
本发明的第二设计是：双波长激光器是由两台或两台以上单个激光器的组合而成。每一台激光器都由光纤偶合输出，所有的激光输出都被一个光纤结合器结合起来输出更高的激光功率。每一单台激光器可以是双波长，某种近红外波长或某种二次谐波波长的激光器。
本发明的第三设计是：双波长激光器是两台或两台以上单个激光器的组成。每一台激光输出都是自由空间输出方式，而所有的激光输出都是由一个光偶合器偶合到一光纤以产生更高的激光功率输出。每一单台激光器可以是双波长，某种近红外波长或某种二次谐波波长的激光器。
这种高功率双波长前列腺激光手术治疗仪，比以前技术中所描述的Nd:YAG，Ho:YAG或KTP激光前列腺手术切除有很多优越性。近红外激光产生的良好的组织凝固和止血效果，使本发明改进手术的安全性，并使得手术对医生的技能要求进一步降低。
附图说明
图1是根据本发明的第一设计绘出的半导体激光连续泵浦Q-开关腔内倍频的双波长激光器20的示意图；
图2是说明用不同激光的前列腺激光手术对前列腺101形成不同的腔切除效果和凝固效果；
图3是本发明的第二设计示意图；
图4是本发明的第三设计示意图；
图5是前列腺激光蒸发切除手术的激光脉冲序列示意图。
具体实施方式
描述本发明的主要设计方案是通过一些例子来说明。虽然特定的例子必然给本发明的描述带来一定的局限性，上述的本发明内容加上这些图例应该能够解释本发明的原理。
图1是根据本发明的第一设计绘出的半导体激光连续泵浦Q-开关腔内倍频的双波长激光器20的示意图。该双波长激光器20包括激光头21和激光控制器10。激光控制器10通过主电缆11与激光头21连结，为半导体激光泵浦头23提供DC驱动电流和为激光头内的Q-开关50输送经过调制过的RF射频功率。本图中没有示出激光的冷却和温度控制系统。激光头21由一个半导体激光连续泵的泵浦头23(即Nd:YAG)，一个红外激光腔镜24(HR 1064nm)和一个红外/可见激光腔镜25(HR 1064nm/532nm)，一个红外折叠镜26(HR 1064nm)和输出偶合镜27(在一面镀有1064nm反射膜(95％＜R＜99.6％)和532nm HT增透膜，在另一面镀有1064nm/532nm AR增透膜)构成。声光Q-开关50放置在腔镜24附近。SHG二次谐波产生器40放置在另外一个腔镜25附近。SHG 40的晶体的两个的表面都镀有红外(1064nm)和可见光(532nm)波长的增透膜。SHG 40将基波(即1064nm)转变成二次谐波光(即532nm)。激光腔红外光束的光路30是由腔镜24到腔镜25；可见光和红外光束32的光路是由腔镜25到输出偶合镜27。因为输出偶合镜27在面对SHG 50的这面镀有对1064nm有一定的透射率(0.4％＜T＜5％)和对532nm高透射率(T＞98％)的特殊膜，以及另外一面镀有1064nm和532nm的增透膜，输出光束32是由532nm和1064nm这两种波长激光束所组成的。输出偶合镜27的1064nm部分透射也产生了腔内光束31漏光的1064nm光束34。光束34被光束挡光板60所阻挡。双波长输出光束32通过聚焦透镜70，偶合到一端安在光纤支架71上光纤80。聚焦透镜70和光纤支架71的构成光纤偶合器。光纤80的另一端是输出端90通过内窥镜或膀胱镜把激光输送到需要切除前列腺组织表面。
在本发明中，优先选择的SHG 40的晶体是LBO(晶体)。LBO晶体能切成I型位相匹配，也能切成II型位相匹配。SHG 40的晶体通常是用电炉加热或用冷却设备冷却的方式来调节温度。对于一个已定的SHG 40LBO晶体，红外到可见光转换效率是由SHG 40内部的红外激光峰值功率密度和位相匹配状况所决定的。
图2是说明用不同激光的前列腺激光手术对前列腺101形成不同的腔切除效果和凝固效果。在先前的技术中，中低功率近红外Nd:YAG激光手术110对前列腺组织的凝固效果占主导地位。凝固深度层112较深，但激光成腔的汽化效果111则很弱。良好的凝固效果阻挡了血管出血。在另外一先前的技术中，高功率倍频Nd:YAG绿激光(或称KTP激光)手术120中的激光蒸发和剥离成腔121效果占主导地位。但激光凝固效果弱，凝固层深度122大约是1mm深。浅凝固层122有时不能有效地制止血管流血。在本发明中，高功率倍频Nd:YAG绿激光和中低功率近红外Nd:YAG激光同时照射在列腺101上，称为双波长前列腺激光手术130。高功率绿激光光子，能有效地剥离和蒸发前列腺组织以形成腔131，而中低功率近红外激光则改进前列腺组织的凝固深度132降低手术中流血的可能。
图3是本发明的第二设计。每一个激光器系统包括激光头，激光控制器和一个冷却/温度控制装置。在本设计中，一个双波长前列腺激光手术仪由两个或更多的激光系统构成。每一个固体激光系统单元201，202和203都有一个光纤偶合输出，分别为211，212和213。所有这些211到213的输出光纤都被一个光纤结合器220结合到一根光纤中以产生更高的激光功率，并通过光纤80传输到光纤顶端90。每个激光单元可以是双波长、多波长或某种近红外波长和某种二次谐波绿波长。近红外激光可以是具有基波波长的固体激光，也可以是半导体激光或光纤激光。
图4是本发明的第三设计。在本设计中，一个双波长前列腺激光手术仪由两个或更多的激光系统构成。每一固体激光系统单元301、302和303都分别自由空间输出光束331、332和333。所有这些331、332和333输出光束都被反射镜对311/321、312/322和313/323分别反射到聚焦透镜70，然后偶合到安装在光纤支架71的光纤80。每个激光单元可以是双波长、多波长或某种近红外波长和某种二次谐波绿波长。近红外激光可以是具有基波波长的固体激光，也可以是半导体激光或光纤激光。
图5是前列腺激光蒸发切除手术的激光脉冲序列。鉴于激光对细胞组织的蒸发、凝固、及对周边组织的破坏程度只与激光的波长、单个脉冲的宽度和峰值功率有关，与在先前的技术中强调的激光巨脉冲模式无本质上的关联。激光前列腺蒸发切除手术能在任何时间长度的开-关模式400，或在连续脉冲重复率f模式410的情况下进行操作。在开-关模式400下，激光在时刻t0开始产生激光脉冲401；在时刻t1，激光切换到关闭模式402；然后在时刻t2，又切换到开的模式403；一直持续到时刻t3再切换到关闭模式404；然后在时刻t4再切换到开的模式405。这种在时刻t0到t1，t1到t2，t2到t3，或t3到t4之间的时序可根据手术需要来确定。这些持续的时间长度可以从亚毫秒到秒。在本发明中，激光的开关是由激光头内部的Q-开关控制的。首脉冲抑制机制可防止激光在开-关模式下的高能量脉冲对激光器造成损害。

Claims (14)

1.采用高功率固体激光进行前列腺激光切除的方法，包括
提供同时输出二次谐波可见光和基波近红外光的连续泵浦双波长的固体激光；
利用Q-开关机制调节激光脉冲重复使它大于1kHz；
激光能量是由光纤传输装置把激光照射到所要蒸发切除的细胞组织上的，
中低功率近红外激光的功率密度应该只高到足以凝固前列腺组织，但又不至太高而使前列腺组织蒸发；高功率可见激光的功率密度应该高到足以蒸发非凝固和已凝固的前列腺组织。
2.如权利要求1所述的方法，其中，激光是被连续半导体激光泵浦的。
3.如权利要求1所述的方法，其中，激光发射的可见光波长的Q-开关光脉冲序列。
4.如权利要求1所述的方法，其中，绿激光是由激光头内的二倍频发生器产生的，二倍频晶体是LBO晶体或KTP晶体，二倍频晶体的温度是设定的并可以调节。
5.如权利要求1所述的方法，其中，激光介质可以是Nd:YAG，也可以是Nd:YLF或Nd:YVO4。
6.采用高功率固体激光进行前列腺激光切除的方法，包括
提供同时输出二次谐波可见光和基波近红外光的连续泵浦双波长的固体激光；
中低功率近红外激光的功率密度应该只高到足以凝固前列腺组织，但又不至太高而使前列腺组织蒸发；
高功率可见激光的功率密度应该高到足以蒸发非凝固和已凝固的前列腺组织；
利用Q-开关机制调节激光脉冲重复使它大于1kHz；
激光能量是由光纤传输装置把激光照射到所要蒸发切除的细胞组织上的。
7.如权利要求6所述的方法，其中，固体激光介质是用灯泵浦的。
8.如权利要求6所述的方法，其中，绿激光是由激光头内的二倍频发生器产生的，二倍频晶体是LBO晶体或KTP晶体。
9.采用高功率固体激光进行前列腺激光切除的方法，包括
提供同时输出二次谐波可见光和基波近红外光的连续泵浦双波长的固体激光；
利用Q-开关机制调节激光脉冲重复使它大于1kHz；
激光能量是由光纤传输装置把激光照射到所要蒸发切除的细胞组织上的。
10.如权利要求9所述的方法，其中，有两个或两个以上的激光单元，每一激光单元都由光纤偶合输出，所有输出光纤都被一个光纤结合器结合到一根光纤中以产生更高的激光功率。
11.如权利要求9所述的方法，其中，每一激光单元可产生双波长，或一个或两个以上的激光单元产生近红外波长和一个或两个以上的激光单元产生二次谐波波长，或它们的组合，近红外激光可以是具有基波波长的固体激光，也可以是半导体激光。
12.采用高功率固体激光进行前列腺激光切除的方法，包括：
提供同时输出二次谐波可见光和基波近红外光的连续泵浦双波长的固体激光；
利用Q-开关机制调节激光脉冲重复使它大于1kHz；
激光能量是由光纤传输装置把激光照射到所要蒸发切除的细胞组织上的。
13.如权利要求12所述的方法，其中，有两个或两个以上的激光单元，每一激光单元在自由空间输出光束，所有这些激光光束都通过一个光纤偶合器偶合到一根光纤中以产生更高的激光功率。
14.如权利要求12所述的方法，其中，每一激光单元可产生双波长，或一个或两个以上的激光单元产生近红外波长和一个或两个以上的激光单元产生二次谐波波长，或它们的组合。
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ANGERPOINTNER The Editorial Board of Progress in Pediatric Surgery expresses its thanks to Professor Hecker by dedicating this volume to him on his 65th birthday, wishing him many happy and active years crowned with the success we have come to asso-ciate with his name.

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Open date: 20070110