简单介绍医用激光器

二、简单介绍医用激光器

产生激光的装置称激光器，它一般由具有亚稳态的工作物质、激励装置和光学谐振腔三部分组成(图7-2)。

图7-2　激光器结构原理示意图

1．激光器的分类

(1)按工作物质的物理状态分为气体激光器、液体激光器、固体激光器等。

(2)按光输出方式分为连续激光器、脉冲激光器及单脉冲激光器等。

(3)按波长范围分为紫外激光器、红外激光器、可见光激光器等。

(4)按工作物质发光粒子分为原子激光器、离子激光器、分子(包括准分子)激光器和自由电子激光器。

(5)按输出功率大小分为低功率激光器、高功率激光器。

2．激光器的基本技术参数

(1)波长(λ):激光器有的输出光的波长单一，如Nd:YAG激光器;有的可输出几种波长不同的光，同时或分别输出，如半导体激光器。波长越长，穿透组织越深。

(2)额定输出功率(P):指激光器的最大输出功率。对脉冲激光还有峰值和平均输出功率。

(3)稳定性:指激光输出的稳定性。例如，说明书上指出一台激光器输出功率的稳定性＜±5%(1小时内)，若输出功率为1W，那么在1小时内，其功率可允许在0.95～1.05W变化。

(4)工作方式:指激光输出是连续、脉冲或单脉冲，有时三种方式一种激光器均可输出。

(5)光斑大小:指的是激光原光束输出时出光孔或焦点处的光斑大小。

对于脉冲激光，给出的还应有如下参数:

脉冲宽度(Tp，功率下降到峰值功率一半时的脉冲宽度)，单位符号为ms、μs、ns、ps、fs。

频率，单位符号为Hz、pps(pulses per second)。

单脉冲能量(Ep)，平均功率(P)。

峰值功率由Ep除以Tp得到。

3．医用激光器的导光系统

激光器的导光系统就是能把直线传播的激光束有效地传达到人体的病变部位的传输器械。它需具备结构简单轻巧、旋转灵活、光损小、调整方便、光点无死区等特点，特别是用作光刀时，要求易于更换聚焦透镜并装有排烟装置。目前单丝石英玻璃或塑料的光学纤维导光较理想，广泛用于He-Ne、Ar⁺、Nd:YAG等激光器。

下面是经典激光器的各个系统部件，目前一些激光产品已经不单独使用导光纤维和导光关节臂，而将其集中在操作手柄上。

(1)导光纤维:根据光的全反射原理制成，简称光纤。单丝光纤又分为仅能导光的阶跃光纤和既能导光又能导像可制成医学上常用的光纤窥镜(简称纤镜)的梯度光纤。另外，根据不同的应用情况和激光器件，还有裸露光纤、热探头光纤、熔炼石英光纤、雕刻成形石英光纤及用于CO₂激光的卤化银光纤，用于铒激光的氟化锆光纤。一般光纤外径1～1.5 mm，传输波长为0.2～2.5μm的光。对于波长10.6μm的CO₂激光，其光纤尚不普及，大多数仍采用装有反射镜的转动式导光关节臂来导光。

(2)导光关节臂:它与潜望镜类似，只不过其关节较多，一般有5～7个，关节数越多，用起来越灵活，自由度越大。

(3)刀头:导光关节臂末端的操作手柄，习惯上称激光刀头。有接触式和非接触式，接触式的有蓝宝石锥形刀头，刀头与组织直接接触，达到切割的目的。非接触式的往往采用一锥形刀头套管，内有一凸透镜将光聚至出光处附近，还有一种刀头将一反射镜置于出光孔处，传输出的光束经反射与锥形刀头成120°左右的角，较适合口腔内操作。

(4)光耦合系统:激光束截面的直径在毫米数量级，而常用的光纤芯料的直径为200～600μm，所以常用一聚集透镜将光束聚焦后进入光纤。这种将光输送到光纤中的装置称为光耦合器。有时在输出端装有可旋转的耦合装置，该装置上分别装上凸、凹透镜，可分别获得原光束、扩散光束、光导纤维光束三种。目前，国外采用了国际标准的SMA接口，保证光耦合的准确性，且使用极方便。国内少见这种耦合方式。

4．激光器的连续与脉冲发射

以Nd:YAG激光为例，连续Nd:YAG激光器对组织的作用基本上是热效应，要求用冷却水冷却，脉冲Nd:YAG在结构上只是电源部分为脉冲电源。脉冲激光小巧灵活，瞬间高功率脉冲激光系统击中靶组织，产生热效应，只破坏靶部位。

5．激光的倍频、调Q和锁模

(1)激光的倍频: 1961年，Fran Ken等发现，用红宝石激光照射石英晶体，频率增加一倍，这种现象称为倍频。1976年，美研制出的高效倍频晶体KTP，是迄今国际公认的最佳倍频晶体。KTP激光通常指KTP晶体倍频的Nd:YAG激光，又称KTP/YAG，其波长为532 nm，为黄光，可代替Ar⁺治疗或作为染料激光的泵浦源。KTP激光体积小，输出功率高。在口腔可用于血管瘤和显微外科手术等。

(2)激光的调Q:产生激光谐振腔的品质因数Q为单位时间内腔内贮存与损耗的激光能量的比值。而调Q技术就是通过改变激光器的Q值来实现压缩激光的Tp，提高激光峰值功率的办法。该技术又称Q值开关技术。通过该方法能获得纳秒级的超短脉冲，且皮肤导热差，可使被照射皮肤之外的组织损伤很少。

(3)激光的锁模:采用锁模技术能使激光脉冲持续时间达10^－12秒数量级，激光器的输出功率达10¹³W。锁模技术就是有意识地让谐振腔中的各种纵模保持固定的位相关系，即将各频模的位相关系锁定。被锁定的频模按同样的步调波动，叠加形成加强干涉，产生强度极大的激光尖脉冲。这就要求有一个有弹性的反射镜，对长波长的激光，谐振腔增长;对短波长的激光，谐振腔缩短，这种可伸缩性的反射镜技术即锁模技术，又称超短脉冲技术。

6．简单介绍几种医用激光器

(1)固体激光器:固体激光器是掺杂离子型绝缘晶体和玻璃作为工作物质的激光器，常用的固体激光器，其工作物质(激光棒、晶体棒)有钕玻璃和掺钕钇铝石榴石晶体等。这类激光的特点是能量高、功率大。

1)掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器:其激活离子是钕离子Nd³⁺，基质为钇铝石榴石晶体。该激光器可连续输出波长为1.06μm的激光，该波长正好处于光纤的最佳透过率范围，是目前唯一能在室温下连续工作的实用固体激光器，输出功率可从0到100多瓦，可用来进行凝固、气化、切割等治疗。由于该机的凝固效果较好，口腔临床上常用来做黏膜血管瘤手术，疗效甚优，对内径为3～4mm的血管亦能凝结，特别适合于深部血管较密集部位的切割和凝固。其对机体组织的穿透能力很强，组织凝固层可达5 mm，易损伤周围组织产生瘢痕，影响器官功能。该激光靠光纤亦可内视手术。由于大功率激光对生物组织有破坏作用，小功率激光具有刺激作用。利用激光对生物组织的破坏作用，可以治疗黏液腺囊肿、乳头状瘤、舌系带过短等口腔颌面外科常见疾病，治疗操作简单、手术时间短、出血量少、不需缝合和拆线;利用激光对生物组织的刺激作用，可以治疗颞颌关节紊乱病(TMD)所致的关节疼痛及张口受限，但不能有效防止复发。此外，Nd:YAG脉冲激光对复发性口疮具有良好的止痛作用，能在短时间内消除患者的痛苦并且可以促进溃疡愈合，缩短病程。

2) Er:YAG激光器:又称掺铒钇铝石榴石激光器，与Nd:YAG激光器一样，只不过在YAG晶体中掺的是铒元素，输出波长为2.94μm，正处于水的吸收峰，比Nd:YAG激光对水的吸收系数大800倍，数其最大，因此切开组织时，对组织的热损伤小，穿透深度小于CO₂激光，造成损伤约在10μm范围。对组织的不良反应是因水蒸发导致的牙槽骨和牙齿硬组织的微爆炸，故使用时须持续喷水。

Er:YAG激光属于低强度激光，其引起生物学效应的机制还不十分明确。国内外学者做了大量的相关研究，提示Er:YAG激光主要以光致发热作用为主。和其他激光不同的是Er:YAG激光波长为2.94μm。就其对水的吸收特性来说，是Nd:YAG激光器的105倍，是二氧化碳气体激光的10倍以上，所以含水量越高的活性组织其蒸发能力越强，且因其接近羟基磷灰石对红外线的吸收峰值，可以有效地去除牙本质和釉质。激光因其准确性、高效率、无痛、出血少及杀菌等特点，在口腔软、硬组织应用中显示出独特的优越性。1997年铒钇铝石榴石(Er:YAG)激光是唯一一种获得美国食品药品管理局(FDA)批准作为牙体硬组织治疗的激光应用于临床。而后随着Er:YAG激光的逐渐被认可，其发展越来越快，在国内外广泛应用于治疗口腔的各类疾病。在硬组织中，Er:YAG激光可用于去龋和备洞、根管治疗和杀菌、根尖手术、激光蚀刻和预防龋坏等;在软组织中Er:YAG激光可用于病变组织的刮除和牙周手术、牙龈切除术和牙龈成形术、系带切除术、活检术、口腔溃疡治疗、牙髓切断术等。

3) CTH:YAG激光器:又称钬激光器，是Ho:YAG的发展，波长2.1μm，接近水的另一吸收峰1.96μm，穿透组织的深度仅0.4～0.6mm(CO₂约0.05 mm，YAG约5mm)，其为脉冲激光，频率为5～40 Hz，T p为250μs。激光能量每个脉冲为0.5～2 J，输出功率为2.5～40W。它具有较高的激光截面积(10^－19～10^－20 cm²)及较长的高能级寿命(4～14 ms)，这利于有效的Q(连续可调谐)值开关操作。钬激光有很好的止血性，做光刀时，刀口组织损伤比CO₂激光少得多。另外带光纤的CTH激光可用于TM J手术。钬激光器的阈值和效率对温度十分敏感，故要求及时冷却，一般温度在10℃以下且变化小，输出才稳定。

4) Er，Cr:YSGG激光器:又称铒铬:钇钪镓石榴石激光器，它是一种新型的激光器，波长2.78μm，脉冲时间为140～200μs，频率20Hz，输出功率0～6W，激光截面积0.442mm²，并附气水冷却系统。1996年Rizoiu采用该激光器及手术刀和针刺对新西兰白兔实施手术，结果表明除激光的其他优点外，邻近的上皮和结缔组织无空泡变性，细胞形态正常。两种切口均在7天后有上皮再生和胶原形成。

1998年FDA首次批准Er，Cr:YSGG激光除可应用于软组织手术外，还可用于牙体硬组织的治疗; 2002年、2003年FDA先后批准Er，Cr:YSGG激光应用于根管治疗的全部过程(包括软、硬组织)、口腔骨组织的治疗和牙周病的治疗。

E r，C r: Y S GG激光的工作原理是应用流体动力学将激光能量传递到同轴的水-空气混合物中，雾化的水微粒强力吸收激光能量，产生扩张和加速，高速排列形成高能量、高动能的水束，快速切割软硬组织。同时，由于Er，Cr:YSGG激光波长接近水的吸收峰值，并与羟基磷灰石的吸收带一致，因此能量可被靶区组织中的水分子充分吸收，产生电解效应使水温上升，蒸汽从组织分子中释放引发微爆破，有效完成切割作用。届时释放能量形成水滴，确保靶区的温度适中低于37℃，有效避免了激光所产生的热量对牙体牙髓的损害。治疗过程往往可以省略局部麻醉，患者手术过程感觉舒适。此外，由于水的作用，不会产生热。它使用气压-水喷雾(air．water spray)而不会有振动。更重要的是运用激光切割表面不会有玷污层，从而比高速涡轮机车针的作用更优越。

另外，还有其他的选用YAG作为基质，以Tm³⁺等为激活离子的激光器等，这里不再赘述。

(2)半导体激光器(Diode):它的工作物质有GaAlAs、GaAs等，输出波长630 nm～8.5μm，大多在可见光的长波到近红外之间。半导体激光器是激光器中效率最高、体积最小，最便于直接调制输出的一种激光器，在医学上应用将会越来越广。该激光一般发散角大，方向性较差，这是其缺点。不同种类的半导体激光输出功率差别较大，从几毫瓦到上百瓦，在医学上低功率的可用于理疗、针灸和血管内照射等，而大功率的(如意大利的斯美激光)可用于激光手术。

在口腔医疗中应用功率为2.0～10.0W，有脉冲型和连续型。尖端采用接触式，术者感觉像电凝术一样，具有很好的止血功能，在软组织中的应用类似Nd:YAG激光，也可用于龈下刮治和牙周袋内消毒，但在龈下刮治时可能会破坏牙骨质和牙槽骨。组织穿透能力比Nd:YAG激光差，对下方骨组织的热损伤少于Nd:YAG激光。在口腔中常用于根管填充后根尖组织反应等引起剧痛，急性根尖周炎，牙本质敏感症，TMD，光固化树脂填充后的牙髓敏感及急性冠周炎的治疗等。

另外，可见光的半导体激光亦用于牙科口腔修复导向在基牙模型上直接打孔，保证了打孔的准确性，且方便、快捷。

(3)气体激光器:气体激光器所使用的工作物质是原子、分子或离子气体，如He-Ne激光器为原子激光器，CO₂激光器为分子激光器，而Ar⁺激光器为离子激光器。

气体激光器简单、应用广，多数连续工作，输出波长丰富，并能长时间稳定工作。其输出功率可从几毫瓦到数万瓦。

1) He-Ne激光器:是最早问世的激光器。主要输出波长为632.8 nm的光，单色性最好，人皮肤对该波长激光的吸收深度约15 nm，人皮肤厚度为0.5～4.0mm，其功率一般是几毫瓦到几十毫瓦。临床上可聚集光束(做光针)或散焦(做创面理疗性质的照射)，亦可做内腔和血管内照射，还常用作不可见光激光治疗机(如Nd:YAG等)的指示光，大功率的还可作为PDT治疗恶性肿瘤的光源。

照射方式主要有:体表低强度激光疗法:包括激光理疗、激光针灸;低强度激光内照射疗法:包括血管内照射、内脏表面照射、血液体外照射、内镜激光腔内照射。

2) CO₂激光器: CO₂激光器主要输出波长10.6μm的光，输出功率一般为10～100W，外科常用10～60W，以往CO₂激光光柱由多个全反射棱镜组成的关节式导光臂发射到治疗部位，使CO₂激光的临床应用受到限制，多数以实验室应用为主。近年来卤化银光化晶体光纤(PCF_S)研究逐渐成熟，开始应用于CO₂激光的传输，可以顺利传输至口腔的各个治疗部位，拓宽了CO₂激光的应用范围。CO₂激光被水吸收极佳，对人体软组织的穿透深度约为0.05 mm，仅能封闭直径0.5mm的脉管。临床上主要用来气化、切割、烧灼、凝固组织，是目前体表切除使用最多的一种激光。另外，它还可吻合组织。低功率密度的CO₂激光可作为弱激光治疗关节炎等。该激光止血效果差，对血运丰富的病变不宜用。

一般在口腔医疗中使用的功率是5～15W，有脉冲和连续两种方式，高功率用来切除组织，低功率用作光凝固。临床主要用于软组织切除，包括系带修整术、牙龈修整术、病灶切除以及黏膜瓣移植时的黏膜上皮分离。

CO₂激光穿透组织的深度约为0.5mm，切口下方的组织几乎无热副损伤，术中应避免照射硬组织尤其是牙体组织，活检时要保护切取组织的边缘免被灼伤，影响诊断。

3) Ar⁺激光器:主要输出波长488.0 nm(蓝)和514.5 nm(绿)等混合谱线的激光，是可见光范围光强最强的激光，一般连续输出功率在数瓦至数十瓦，最高可达一百多瓦，被红色组织(互补色，如血红蛋白)吸收最好。激光的能量以热能为主，被组织吸收，可产生凝固等作用，其对人体组织穿透深度约为0.4～0.6 mm。口腔科临床上多用于颜面部鲜红斑痣(血管畸形PWS)和浅表血管病变的治疗。此外，可用于进行激光动力学治疗，亦可用于光敏诊断。

4) N₂激光器:其输出波长主要是337.1nm，光最强，T p一般为6～10 ns，最窄可达0.4 ns，输出峰值功率可达几十毫瓦，频率每秒可达几十到上千次，是一种自发辐射的受激放大激光器。医疗上，N₂激光器常用于治疗肿瘤等，也可用于诊断，还广泛用于皮肤病的理疗。

5)铜蒸气激光器:其作用物质是铜的卤化物，亦可为纯铜。它输出频率为5～20 kHz，输出波长578 nm(黄)和511nm(绿两条谱线，平均输出功率为数瓦到数十瓦。用铜蒸气激光泵浦罗丹明6G染料可调谐输出630 nm波长的染料激光，用作PDT的光源。另外，波长578 nm的激光可用于治疗血管损伤、血管瘤，波长511nm的激光可治疗老年斑、棕色胎记和疣等。

6) He-Cd激光器:其产生激光辐射的是Cd⁺，He为辅助气体。与He-Ne激光器类似，He-Cd激光器是可见光区域内能量转换较高的气体激光器，转换效率比He-Ne激光高9%～10%，比Ar⁺激光亦高。该激光器主要输出波长为441.6 nm(蓝，P100%)及325.0 nm(P15%)的光。它是适宜于光敏材料曝光和紫外应用的激光光源。临床上应用波长441.6 nm的光，配合荧光素钠盐或HpD光敏剂进行肿瘤的早期诊断，并已制成He-Cd激光光针治疗仪，用于局部和穴位照射治疗。

(4)液体激光器:临床上所用的液体激光器为染料激光器(Dye)，以染料为工作物质，如罗丹明6G等，溶剂有酒精、苯类、水等。输出波长在300～1200.0 nm，连续可调，为可调谐激光器。输出功率一般在几百毫瓦到几十瓦，脉冲器件每脉冲输出能量从零点几焦到几焦，医学上常用的该类激光器有: N₂、Nd:YAG、Ar⁺、铜蒸气、KTP激光及快速闪光灯泵浦可调谐染料激光。口腔科临床上主要应用连续激光开展PDT，亦可用于医学诊断。