CN2571411Y - 静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置 - Google Patents

Abstract

一种静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置，是由脉冲激光器及光传导装置组成。其主要特征是在原“非选择性吸收”波段红外激光HO：YAG、Tm：YAG、Er：YAG、Nd：YAP静态单一工作模式结构的基础上，采用了调Q开关及锥形光纤传导等技术，使这些激光输出具有静动态兼容的工作模式。尤其是调Q动态巨脉冲高能“非选择性吸收”波段红外激光，对生物“靶”组织具有独特的汽化曝破消融作用，这为激光心肌血运重建术、医学美容术及腔内镜下无创及微创手术治疗实验研究提供了一种新的技术手段。

Description

静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置

本实用新型涉及一种静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置。尤其是在“非选择性吸收”波段红外激光静态输出结构的基础上进行技术改造，采用了已公知的调Q开关及新型锥形光纤传导等技术的静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置。

目前静态输出波长为2.1μm、2.01μm、2.94μm等为红外激光，属“非选择性吸收”波段。从光与生物组织的相互作用的规律可知，该波段激光对生物组织的吸收体主要是约占组织细胞80％的水分子。在静态工作模式输出时，对生物“靶”组织“光热效应”很强，可产生热致凝固、汽化、切割作用。在医学上主要功能是，治疗体外及与腔镜耦合治疗腔内各种结石、息肉、肿瘤等病变。在基础研究上，心血管外科用于激光心肌打孔血运重建术(TMLR)等的实验研究。对心血管外科激光心肌打孔血运重建术，是国内外正在实验研究的课题之一。据报道目前可用的激光为：波长10.6μm的大功率(约700W)脉冲CO₂激光、波长2.1μm的静态HO：YAG激光、波长2.01μm的Tm：YAG激光、波长532nm的调Q倍频Nd：YAG激光及波长355nm的紫外线激光等。虽然有不同的效果，但多种技术方法及其效果难以理想，其焦点主要是激光孔道能否长期开放与能否促进孔道周围血管密度增加，改善心肌血流进而恢复或减缓心肌损伤，使心功能得到改善。因此激光心肌打孔术的要点是对心肌“靶”组织结构的主要组成如心肌细胞及细胞间纤维组织(包括各种胶原纤维)等要产生强烈地汽化曝破消融作用，并对周围正常心肌组织及血管网的热损伤与破坏要尽可能小，要能在心肌“靶”组织部位形成一个具有一定直径并能保持永久性畅通的供血孔道；同时还要使激光打孔周围的心肌组织结构的血管密度增加，即在激光的作用下，其生物效应引起适当的炎性反应，聚集大量单核细胞和巨噬细胞并能释放出许多血管生长因子，亦因激光的“轰击”与刺激作用激活心肌细胞血管内皮生长因子，而使心肌在短时间内能生长出一些新的毛细血管，从而促进激光孔道周围微血管的增生和发展，即促进了激光孔道周围血管密度的增加，以恢复或减缓心肌损伤。能满足以上两点是取得激光心肌打孔血运重建术(TMLR)成功的关键。根据以上要求就必须针对心肌“靶”组织的整体结构选择适当的激光波长、单次脉冲能量、脉冲宽度、重复频率、能量密度及光斑直径等技术参数。从波长选择分析：由于心肌组织主要结构组成部分是由含有大量水分子的心肌细胞、纤维组织及营养血管网等，它们对光谱最大吸收系数的峰区主要在“非选择性吸收”波段，即包括紫外线与红外线两个谱段。在紫外线波段的激光如波长：193nm、308nm、355nm等，生物组织的吸收体主要是蛋白质、DNA及RNA。由于紫外线光子能量很大，对生物组织主要产生“光化效应”及“分子解裂效应”，对组织作用表浅1-10μm。并对周围正常心肌组织结构的热损伤及破坏非常小。经初步实验研究表明，紫外线激光是心肌打孔术最佳波段选择，但由于紫外激光技术发展水平及尚无高效率传导的光纤，且价格昂贵，其可行性与实用性目前还很小。在“非选择性吸收”红外波段激光，适于心肌打孔术实验研究的波长分别为“10.6μm、2.1μm、2.01μm、2.94μm、1.34μm等，这些红外激光波长的共同特点是：生物组织的主要吸收体是水分子，以“光热效应”为主，在不同的技术参数条件下，激光对“靶”组织可产生热致凝固、汽化、切割、碳化、曝破消融作用。并对组织作用穿透性表浅，且有一定的止血作用。目前已用于心肌打孔术实验研究的激光主要有以下几种：1、波长10.6μm的大功率脉冲CO₂激光，虽已取得一定的实验效果，但不够理想，由于大功率脉冲CO₂激光，是属气体激光，为纵向激励，其脉冲宽度不可能太窄，为ms级，难以输出巨脉冲高能激光，它虽汽化作用很强，但不能产生巨脉冲的曝破消融作用，只能采用700-800W的大功率输出来弥补其不足，以使心肌打孔的汽化作用增强，且体积庞大而笨重，金属导光关节臂的传导方式很不方便，也难以实现高功率的光纤传导，应用效果及范围受限。但CO₂激光心肌打孔术实验研究提供的各种资料与经验很有价值，为进一步提高心肌打孔术的研究有非常重要的启示作用。2、波长2.1μm的HO：YAG激光，由于目前国际国内提供的该激光器均为静态工作模式，虽可用石英光纤传导，使用非常方便，因脉冲宽度约在200μs对心肌“靶”组织以“热致汽化”作用为主，却不能产生调Q巨脉冲高能激光的热致汽化曝破消融作用。由于脉宽长，对正常组织热损伤较大，术后孔道创面反应大，易形成过重的炎性反应及纤维组织增生而堵塞孔道，打孔效果不理想。另外在“选择性吸收”波段，用波长532nm的调Q倍频Nd：YAG激光，以光纤传导进行心肌打孔实验研究获得初步较好效果。但由于532nm是黄绿光，属“选择性吸收”波段，对生物“靶”组织遵循互补色“选择性吸收”的规律，对心肌细胞及纤维组织内的大量水分子不吸收，仅为心肌“靶”组织血红素(黄绿色与红色为互补色)有较强的吸收峰，用调Q动态巨脉冲高能532nm激光打孔时，对心肌“靶”组织有一定的汽化与曝破消融作用，但与“非选择性吸收”波长调Q巨脉冲高能激光，对心肌“靶”组织整体结构细胞内约占80％的水分子等，有强烈吸收产生的汽化曝破消融作用的效果相比相差较大。所以，对心肌打孔术不宜采用“选择性吸收”波段的激光。据资料报道用光纤传导调Q巨脉冲波长532nm激光进行心肌打孔术的实验研究取得初步效果，其主要性在于有提示与借鉴的意义。由以上可知应选用“非选择性吸收”红外波段的各种激光，以调Q动态工作模式进行心肌打孔术效果会更好，在该波段除用波长10.6μm的长脉宽CO₂激光外，更应选择可用光导纤维传导的固体激光如波长2.1μm及2.01μm的HO：YAG及Tm：YAG激光等。关于脉冲宽度选择，静态短脉宽(约200μs)及长脉宽(ms)，对“靶”组织仅以“热致汽化”为主，不能产生热致汽化曝破消融作用，只有动态调Q巨脉冲，其脉冲宽度约为亿分之一秒，峰值功率为数十兆瓦级的高能红外波长2.1μm的HO：YAG等激光作用于心肌“靶”组织时，由于心肌组织水分子对该激光强烈吸收迅速升温，使“靶”组织同周围正常心肌组织产生最大的温度差，其“靶”组织出现快速热膨胀，形成等离子体产生强烈的“机械”作用，即由光压、冲击波压、汽化压、超声波压等二次压强效应快速共同的作用结果，使心肌“靶”组织各种细胞瞬间汽化曝破飞溅而消失，即可将心肌“靶”组织整体结构以微粒形式带走，具有较强的汽化曝破(轰击)消融作用，且对组织作用表浅、术后孔道内壁创面损伤小、炎性反应轻愈合快，在心肌“靶”组织上可形成一个不可修复永久性的空腔孔道。同时由于脉冲宽度(曝光时间)非常短，所以对周围正常心肌组织细胞，也包括周围正常营养血管网的热损伤及破坏也非常小，血管网易于恢复。由于巨脉冲激光“轰击”作用有激活孔道周围正常心肌组织细胞血管内皮生长因子的可能性。这些综合因素都有利于促进孔道的形成与周围血管网的修复，使其密度增加，以恢复或缓解心肌组织损伤，改善心功能。由以上分析可知，选用调Q动态“非选择性吸收”红外波段的波长，如2.1μm HO：YAG及2.01nm Tm：YAG激光等是心肌打孔重建术实验研究，在现阶段可行性及实用性较强、效果较好的技术手段。目前国际国内对“非选择性吸收”红外波段的各种激光医学应用与研究均为静态工作模式输出。调Q动态工作模式仅运用于“选择性吸收”波段，如波长1.06μm Nd：YAG及532nm Nd：YAG倍频、755nm翠绿宝石、694nm红宝石激光等。多用于医学美容等方面，但在国际国内还未见到对“非选择性吸收”红外波段，如波长2.1μm的HO：YAG激光、波长2.01μm的Tm：YAG激光、波长1.34μm的Nd：YAP激光、波长2.94μm的Er：YAG激光等采用调Q动态输出技术。所以根据国际国内心肌打孔血运重建术(TMLR)及医学美容术等实验研究的现状分析及要求，本技术方案针对这些存在问题提出，在现有“非选择性吸收”红外波段仅以静态输出波长2.1μm的HO：YAG激光器等基础上进行结构技术改造，采用已公知的调Q开关技术及最新的锥形石英光导纤维传导技术等来实现。可用适当直径的裸光纤对准心肌“靶”组织，以接触式定位，采用光纤插入法，在适当巨脉冲高能量及重复频率条件下，可在光纤插入及抽出时边打边前进或后退，以增加曝破消融作用效果的强度或采用柱状光纤插入一定深度向周围发光曝破消融术。另外对光纤插入心肌组织表面的孔口，可用静态输出激光进行凝固封闭或结扎缝合处理。本装置的结构技术改造简单易行，可实现静动态工作模式兼容，且转换方便，具有更大的适应性与广泛的应用价值。

本新技术方案的具体措施：根据专利审查中的“转用”及“组合”发明的原则，可在现有的静态HO：YAG激光器等的基础上，采用已公知的各种技术来进行结构技术改造，其激光发生器，可采用激光振荡级与行波放大技术，以提高与适应单次脉冲能量大小不同的输出需要。调Q开关装置可选用电光晶体、转镜或染料等多种类型的调Q技术。将调Q开关置于激光晶体与全反镜之间的光轴线上，与步进电机相连固为整体，在微电脑调控下，推入或退出光轴线，以实现静动态工作模式的自动转换。激光传导方式，本技术方案采用两种方式：(1)锥形光纤传导：由于该类光纤输入端截面积比一般静态激光所用的国际标准光纤的直径要大，能承受较大强度的光能密度。所以，静态与动态的激光输出均可采用同一锥形光纤传导。另外为适应心肌打孔等实验研究与应用，锥形光纤的末端可为0度、90度、120度激光输出，还可加工为球形，柱形光纤等。(2)金属导光臂传导：在输出高强度及高功率密度时，也可采用金属导光关节臂输出，在半反镜与光纤耦合器之间的光轴线上设45度全反镜，该全反镜也与另一步进电机固为整体，由微电脑按需要调控它在光轴线上的位置。瞄准光：可选用LD半导体激光，波长为532nm黄绿光，一方面便于激光谐振腔的调整，另一方面是与生物“靶”组织颜色相区别，指示效果更好，也可选其他波长的LD半导体激光。该机具有封闭式自控调温循环水冷装置及各种自检与保护措施。

本实用新型的目的：该技术方案主要针对目前“非选择性吸收”红外波段，如波长2.1μm的HO：YAG激光、波长2.01μm的Tm：：YAG激光、波长2.94μm的Er：YAG激光等，在国内外仅有脉宽为μs或ms级的静态输出，而无脉宽为ns级的调Q动态输出的缺点，进行结构技术改造，使HO：YAG激光等红外激光具有静态与动态兼容的输出工作模式。在保持原静态输出应用价值高的基础上，进一步充分发挥出调Q动态输出的汽化曝破消融作用，及对周围正常组织热损伤非常小的特点，为心肌打孔术、医学美容术及各种腔内镜下无创与微创手术应究应用提供了新的技术手段。

本实用新型的优点：本技术方案是根据激光医学心肌打孔血运重建术及医学美容等应用研究的需要而设计，它在HO：YAG激光等静态工作模式的基础上，利用已公知调Q开关及锥形光纤传导等技术进行结构改造而实现，简便易行、成本低廉、易于推广。尤其是HO：YAG激光等的调Q动态及光纤输出，对生物“靶”组织具有独特的汽化曝破消融作用，它对国际国内正在实验研究与应用的激光心肌血运重建术(TMLR)、医学美容消斑除皱术、腔内软骨成形术及结石粉碎术与息肉、肿瘤切除术等的技术水平的提高与广泛应用，具有一定的价值与意义。

本室用新型的技术实施方案：静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置，由脉冲激光器与光传导装置组成，其脉冲激光器特征在于：激光照射装置机体(1)内聚光腔(5)的光轴线上装有激光工作物质为掺钬钇铝石榴石(HO：YAG)激光晶体(6)，在其激光晶体(6)之后的光轴线上，依次安装有位置可调节调Q开关(4)、全反镜(3)及LD半导体瞄准光源(2)，在激光晶体(6)之前的光轴线上，装有半反镜(11)，在激光晶体(6)之下装有脉冲泵浦灯(7)，其泵浦灯(7)经导线(8)及(9)与激光电源(10)相连；其光传导装置的特征为：半反镜(11)之前的光轴线上装有光纤耦合器(14)，其耦合器(14)内装有锥形光纤(15)，其光纤(15)末端装有手柄(16)。另外在半反镜(11)之前的光轴线上装有位置可调45度全反镜(12)，其全反镜(12)光轴线中心位置之上(垂直方向)装有金属导光关节臂(13)。在本技术方案中，激光器的聚光腔(5)内光轴线上的激光工作物质激光晶体(6)可为掺铥钇铝石榴石(Tm：YAG)、掺铒钇铝石榴石(Er：YAG)或掺钕钇铝钛(Nd：YAP)激光晶体。以下通过附图对本技术方案作进一步说明：

图1是本实用新型一种实施技术方案示意图说明书附图1标称说明：1.装置机体              2、LD半导体瞄准光源3、全反镜               4、位置可调节调Q开关装置5.聚光腔                6、激光晶体7.脉冲泵浦灯            8、导线9.导线                 10、激光电源11、半反镜             12、位置可调45全反镜13.金属导光关节臂；    14、光纤耦合器15.锥形光纤；          16、手柄        17.“靶的”

参照图1：该装置在静态输出时，位置可调节调Q开关装置(4)及位置可调45度全反镜(12)处于偏离光轴线位置，在脉冲激光电源(10)工作时，工作电压经导线(8)、(9)分别加在脉冲泵浦灯(7)正负电极上，此时聚光腔(5)内的脉冲泵浦灯(7)发光，激光晶体(6)在光照激励下由全反镜(3)与半反镜(11)组成的激光谐振荡与放大级工作由半反镜输出脉宽为μs或ms级的静态脉冲激光，经光纤耦合器(14)及锥形光纤(15)与手柄(16)照射于“靶的”(17)。需要该装置在调Q动态输出时，位置可调节调Q开关装置(4)推入光轴线上，在激光振荡与放大及调Q开关装置(4)工作时，锥形光导纤维(15)末端经手柄(16)输出高能巨脉冲激光照射于“靶的”(17)。调Q动态输出需要经金属导光关节臂(13)输出时，把位置可调45度全反镜(12)推入光轴线上，高能激光由45度全反镜(12)向上反射，经金属导光关节臂(13)射向“靶的”(17)。

Claims (4)

1.一种静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置，由脉冲激光器与光传导装置组成，其特征在于：激光照射装置机体(1)内聚光腔(5)的光轴线上装有激光工作物质掺钬钇铝石榴石(HO：YAG)激光晶体(6)，在激光晶体(6)之后的光轴上依次安装有位置可调节调Q开关装置(4)、全反镜(3)及LD半导体瞄准光源(2)，在激光晶体(6)之前的光轴线上，安装有半反镜(11)，在激光晶体(6)正下方装有脉冲泵浦灯(7)，其泵浦灯(7)的正负电极分别由导线(8)、(9)与激光电源(10)相连；光传导装置为：在半反镜(11)之前光轴线上装有光纤耦合器(14)，在光纤耦合器(14)内装有锥形光纤(15)，其光纤(15)末端装有手柄(16)；在半反镜(11)之前的光轴线上，装有位置可调45度全反镜(12)，在45度全反镜(12)中心之上垂直方向装有金属导光关节臂(13)。

2.根据权利要求1所述的静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置，其特征为聚光腔(5)内光轴线上的激光晶体(6)可为掺铥钇铝石榴石(Tm：YAG)晶体。

3.根据权利要求1所述的静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置，其特征为聚光腔(5)内光轴线上的激光晶体(6)可为掺铒钇铝石榴石(Er：YAG)晶体。

4.根据权利要求1所述的静动态兼容“非选择性吸收”红外激光医学应用研究装置，其特征为聚光腔(5)内光轴线上的激光晶体(6)可为掺钕钇铝钛(Nd：YAP)晶体。

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