由于激光的單色性、方向性好、能量集中，并且能采用光導(dǎo)纖維傳輸光束，所以光導(dǎo)纖維傳輸?shù)募す馐谇粌?nèi)介入手術(shù)中真正做到了無(wú)孔不入，近年來(lái)世界激光醫(yī)學(xué)界的進(jìn)展正是充分利用激光自身的優(yōu)點(diǎn)，完成其他手段不能或難以進(jìn)行的手術(shù)和治療。而波長(zhǎng)為2．1μm的激光在水中的吸收系數(shù)達(dá)到30cm－1且其可在低氫氧根、大芯徑、商業(yè)化的光纖中低損耗地傳輸。鑒于激光與生物組織相互作用時(shí)的消融或切割效率、熱損傷效應(yīng)、熱凝固止血效果等因素，此波長(zhǎng)激光可成為激光醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中的一種折中選擇。

水作為生物軟組織中主要生色團(tuán)，有些軟組織中水成分占90% 以上，因此水直接決定2．1μm波長(zhǎng)的鈥激光與組織相互作用進(jìn)程中的主要機(jī)理。激光作用時(shí)，大部分能量首先被水吸收并使水受熱而急劇膨脹，當(dāng)溫度升高到水的沸點(diǎn)時(shí)，激光誘導(dǎo)汽化泡將會(huì)形成且其表面張力超過組織表面最大張力時(shí)，組織結(jié)構(gòu)將會(huì)被完全破壞，瞬間有消融物噴射出組織表面。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 了解并掌握光纖傳輸近紅外脈沖激光消融生物軟組織的物理機(jī)制。

(2) 了解并掌握光纖傳輸近紅外脈沖激光消融生物軟組織時(shí)熱損傷的評(píng)估方法和手段。

二、主要實(shí)驗(yàn)儀器

光纖耦合激光輸出的自由運(yùn)轉(zhuǎn)鈥激光器，新鮮豬肝組織若干，薄刀片，光學(xué)顯微鏡，激光能量計(jì)，光探測(cè)器，示波器。

三、實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于激光脈沖寬度在微秒域時(shí)，物質(zhì)消融與激光脈沖作用幾乎同時(shí)發(fā)生，激光脈沖未結(jié)束前物質(zhì)消融已經(jīng)開始，因此初始的消融物將會(huì)直接影響后續(xù)激光的消融效率。每消融單位質(zhì)量組織時(shí)需要激光能量為habl，ρ為物質(zhì)密度，假定激光作用后不久物質(zhì)開始消融并持續(xù)到激光脈沖結(jié)束。當(dāng)激光能量密度Φ0(單位面積上的能量)超過消融閾值Φth，消融深度δ與入射激光能量密度Φ0呈線性函數(shù)關(guān)系:

如果定義消融效率ηabl為每單位能量消融的質(zhì)量元?jiǎng)t有:

把方程式(33-1) 代入方程式(33-2) 可得如下方程:可見激光脈沖消融效率與激光能量密度值成正比。

長(zhǎng)脈沖激光與生物組織的作用機(jī)理主要是光熱效應(yīng)。光熱作用是激光作用于生物組織時(shí)，組織分子吸收光子能量后其振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)加劇，在宏觀上表現(xiàn)為受照射的局部逐漸變熱，組織溫度升高。激光的熱作用效果取決于組織所達(dá)到的溫度以及組織保持在這一溫度上的時(shí)間。然而利用光熱效應(yīng)消融生物組織時(shí)激光脈沖寬度對(duì)熱效應(yīng)副作用的影響很大，主要取決于脈沖寬度τ與熱弛豫時(shí)間tth的比值，如果兩者比值大于1則熱效應(yīng)副作用明顯且不可避免，反之，則熱效應(yīng)副作用不明顯且可避免，因?yàn)樵跓狁Y豫時(shí)間tth內(nèi)激光脈沖能量能夠全部沉積于生物組織的被消融區(qū)而不會(huì)傳向鄰近正常組織，從而減小了對(duì)周圍正常組織的損傷。熱弛豫時(shí)間tth可用下述公式表述:

其中，δ為照射到生物組織表面激光束半徑和消光長(zhǎng)度的最小值，k為熱擴(kuò)散率。如果τ ＜tth，稱之為滿足熱局限條件(thermal confinement)，τ＞tth稱為不滿足熱局限條件，此時(shí)對(duì)鄰近組織損傷較大。例如，傳輸光纖芯徑為400μm時(shí)，波長(zhǎng)2．12μm的鈥激光在水中吸收系數(shù)為30cm－1，消光長(zhǎng)度為333μm，熱馳豫時(shí)間tth=69ms遠(yuǎn)大于最大脈沖寬度1．2ms。光纖傳輸激光消融生物組織原理如圖33－1所示。

圖33－1 光纖傳輸激光脈沖消融組織模型

T0、T1、T2分別對(duì)應(yīng)碳化層、凝固層和熱影響層平均溫度

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1． 激光能量、脈寬、工作頻率參數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)前通過光功率能量計(jì)(以色列Ophir公司，表頭NOVAII，探測(cè)器PE50BF－C)和光電探測(cè)器(PV－3，波蘭Vigo公司，響應(yīng)時(shí)間τ ＜15ns) 分別對(duì)不同電源參數(shù)下的激光能量和脈寬進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量能量時(shí)光纖末端距探測(cè)器端面5mm左右，測(cè)量時(shí)間不超過10s。在激光聚焦之前讓激光輻射在一塊鐵片上，光電探測(cè)器與鐵片成一定夾角放置并探測(cè)從鐵片端面的部分散射光，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸入示波器準(zhǔn)確記錄脈沖包絡(luò)并進(jìn)行脈沖寬度測(cè)試。激光工作頻率可從功率/能量計(jì)表頭直接讀出。

2． 光纖傳輸鈥激光消融豬肝

實(shí)驗(yàn)步驟:①將保存在福爾馬林溶液(濃度10%) 中的新鮮豬肝取出后切片，放置在培養(yǎng)皿中，切片時(shí)盡量保證豬肝表面平整，然后用濕潤(rùn)的紗布將豬肝表面清理干凈，并保持豬肝表面濕潤(rùn);②固定光纖，使出光端面與豬肝表面剛好垂直接觸，打開激光器電源控制開關(guān)同時(shí)開始計(jì)時(shí)，脈沖鈥激光與豬肝表面作用6s后關(guān)閉控制開關(guān)，移開光纖;③取出樣品，在旁邊放置刻度尺作為參照標(biāo)尺，最小刻度0．5mm，用顯微鏡拍照消融凹坑表面形貌，結(jié)束后用手術(shù)刀沿中心軸線剖開凹坑，再用顯微鏡測(cè)試并拍照消融凹坑剖面形貌。依據(jù)照片分別測(cè)量損傷區(qū)域和消融區(qū)域的直徑和深度，評(píng)估激光能量近似相同條件下脈沖寬度對(duì)消融性能的影響。

五、數(shù)據(jù)處理

1． 不同泵浦脈寬條件下激光輸出能量(表33－1)

表33-1 不同泵浦脈沖寬度條件下激光輸出能量數(shù)據(jù)

2． 不同泵浦電壓和泵浦脈寬條件下輸出激光脈寬(表33－2)

說明:泵浦電壓范圍600 ～1000V，泵浦脈沖寬度0．2 ～2ms。實(shí)驗(yàn)中可任意選取特定的泵浦電壓和泵浦脈沖寬度參數(shù)組合。

3． 不同激光參數(shù)組合(能量/脈寬) 條件下凹坑形貌參數(shù)(表33－3)

表33-3 不同激光參數(shù)組合(能量/脈寬) 條件下凹坑形貌參數(shù)

說明:消融凹坑沿徑向往外顏色依次為黑色、淺黃色、白色、紅白色，分別對(duì)應(yīng)碳化層、凝固層、熱影響層等。

六、注意事項(xiàng)

(1) 嚴(yán)格按激光器操作流程啟動(dòng)和關(guān)閉激光系統(tǒng)。

(2) 測(cè)量激光能量/功率、脈沖寬度時(shí)注意防止熱效應(yīng)對(duì)探頭的損傷。

(3) 注意使用生物軟組織樣品的保鮮，防止失水干燥。

(4) 盡可能沿凹坑對(duì)稱中心處剖開，多次測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

七、思考題

(1) 光纖傳輸近紅外脈沖激光消融生物軟組織的物理機(jī)制是什么?

(2) 傳輸紅外脈沖激光對(duì)光纖有何具體要求?