光纤传输激光脉冲消融生物软组织实验

由于激光的单色性、方向性好、能量集中，并且能采用光导纤维传输光束，所以光导纤维传输的激光束在腔内介入手术中真正做到了无孔不入，近年来世界激光医学界的进展正是充分利用激光自身的优点，完成其他手段不能或难以进行的手术和治疗。而波长为2．1μm的激光在水中的吸收系数达到30cm－1且其可在低氢氧根、大芯径、商业化的光纤中低损耗地传输。鉴于激光与生物组织相互作用时的消融或切割效率、热损伤效应、热凝固止血效果等因素，此波长激光可成为激光医学临床应用中的一种折中选择。

水作为生物软组织中主要生色团，有些软组织中水成分占90% 以上，因此水直接决定2．1μm波长的钬激光与组织相互作用进程中的主要机理。激光作用时，大部分能量首先被水吸收并使水受热而急剧膨胀，当温度升高到水的沸点时，激光诱导汽化泡将会形成且其表面张力超过组织表面最大张力时，组织结构将会被完全破坏，瞬间有消融物喷射出组织表面。

一、实验目的

(1) 了解并掌握光纤传输近红外脉冲激光消融生物软组织的物理机制。

(2) 了解并掌握光纤传输近红外脉冲激光消融生物软组织时热损伤的评估方法和手段。

二、主要实验仪器

光纤耦合激光输出的自由运转钬激光器，新鲜猪肝组织若干，薄刀片，光学显微镜，激光能量计，光探测器，示波器。

三、实验原理

对于激光脉冲宽度在微秒域时，物质消融与激光脉冲作用几乎同时发生，激光脉冲未结束前物质消融已经开始，因此初始的消融物将会直接影响后续激光的消融效率。每消融单位质量组织时需要激光能量为habl，ρ为物质密度，假定激光作用后不久物质开始消融并持续到激光脉冲结束。当激光能量密度Φ0(单位面积上的能量)超过消融阈值Φth，消融深度δ与入射激光能量密度Φ0呈线性函数关系:

如果定义消融效率ηabl为每单位能量消融的质量元则有:

把方程式(33-1) 代入方程式(33-2) 可得如下方程:可见激光脉冲消融效率与激光能量密度值成正比。

长脉冲激光与生物组织的作用机理主要是光热效应。光热作用是激光作用于生物组织时，组织分子吸收光子能量后其振动和转动加剧，在宏观上表现为受照射的局部逐渐变热，组织温度升高。激光的热作用效果取决于组织所达到的温度以及组织保持在这一温度上的时间。然而利用光热效应消融生物组织时激光脉冲宽度对热效应副作用的影响很大，主要取决于脉冲宽度τ与热弛豫时间tth的比值，如果两者比值大于1则热效应副作用明显且不可避免，反之，则热效应副作用不明显且可避免，因为在热驰豫时间tth内激光脉冲能量能够全部沉积于生物组织的被消融区而不会传向邻近正常组织，从而减小了对周围正常组织的损伤。热弛豫时间tth可用下述公式表述:

其中，δ为照射到生物组织表面激光束半径和消光长度的最小值，k为热扩散率。如果τ ＜tth，称之为满足热局限条件(thermal confinement)，τ＞tth称为不满足热局限条件，此时对邻近组织损伤较大。例如，传输光纤芯径为400μm时，波长2．12μm的钬激光在水中吸收系数为30cm－1，消光长度为333μm，热驰豫时间tth=69ms远大于最大脉冲宽度1．2ms。光纤传输激光消融生物组织原理如图33－1所示。

图33－1 光纤传输激光脉冲消融组织模型

T0、T1、T2分别对应碳化层、凝固层和热影响层平均温度

四、实验内容

1． 激光能量、脉宽、工作频率参数测量

实验前通过光功率能量计(以色列Ophir公司，表头NOVAII，探测器PE50BF－C)和光电探测器(PV－3，波兰Vigo公司，响应时间τ ＜15ns) 分别对不同电源参数下的激光能量和脉宽进行测量，测量能量时光纤末端距探测器端面5mm左右，测量时间不超过10s。在激光聚焦之前让激光辐射在一块铁片上，光电探测器与铁片成一定夹角放置并探测从铁片端面的部分散射光，转化为电信号后输入示波器准确记录脉冲包络并进行脉冲宽度测试。激光工作频率可从功率/能量计表头直接读出。

2． 光纤传输钬激光消融猪肝

实验步骤:①将保存在福尔马林溶液(浓度10%) 中的新鲜猪肝取出后切片，放置在培养皿中，切片时尽量保证猪肝表面平整，然后用湿润的纱布将猪肝表面清理干净，并保持猪肝表面湿润;②固定光纤，使出光端面与猪肝表面刚好垂直接触，打开激光器电源控制开关同时开始计时，脉冲钬激光与猪肝表面作用6s后关闭控制开关，移开光纤;③取出样品，在旁边放置刻度尺作为参照标尺，最小刻度0．5mm，用显微镜拍照消融凹坑表面形貌，结束后用手术刀沿中心轴线剖开凹坑，再用显微镜测试并拍照消融凹坑剖面形貌。依据照片分别测量损伤区域和消融区域的直径和深度，评估激光能量近似相同条件下脉冲宽度对消融性能的影响。

五、数据处理

1． 不同泵浦脉宽条件下激光输出能量(表33－1)

表33-1 不同泵浦脉冲宽度条件下激光输出能量数据

2． 不同泵浦电压和泵浦脉宽条件下输出激光脉宽(表33－2)

说明:泵浦电压范围600 ～1000V，泵浦脉冲宽度0．2 ～2ms。实验中可任意选取特定的泵浦电压和泵浦脉冲宽度参数组合。

3． 不同激光参数组合(能量/脉宽) 条件下凹坑形貌参数(表33－3)

表33-3 不同激光参数组合(能量/脉宽) 条件下凹坑形貌参数

说明:消融凹坑沿径向往外颜色依次为黑色、浅黄色、白色、红白色，分别对应碳化层、凝固层、热影响层等。

六、注意事项

(1) 严格按激光器操作流程启动和关闭激光系统。

(2) 测量激光能量/功率、脉冲宽度时注意防止热效应对探头的损伤。

(3) 注意使用生物软组织样品的保鲜，防止失水干燥。

(4) 尽可能沿凹坑对称中心处剖开，多次测量进行数据统计分析。

七、思考题

(1) 光纤传输近红外脉冲激光消融生物软组织的物理机制是什么?

(2) 传输红外脉冲激光对光纤有何具体要求?