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激光治疗仪在医疗领域应用及发展概况

2007-11-13 15:42
seele_jin
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                                                     盖科医疗供稿

近年来,激光技术发展很快,激光疗法开辟了手术、药物两大治疗措施以外的一个新领域,使之成为现代医疗学的一个重要内容。对于许多疾病来说,激光疗法是一种不可替代的有独到效果的治疗手段。

激光在医疗的发展领域中最早应用于眼科,发展最快的也是在眼科,其原因是由于眼球所具有的特殊光学性质;另一方面是由于激光技术的飞速发展不断地为医学临床提供了各种不同类型、不同性能的激光器,使激光技术的发展带动了眼科激光治疗的进步,从而使激光在眼科的广泛应用又促进了激光技术的发展。

一、激光治疗仪的工作原理

激光的产生必须有激励源(包括光、电或化学等),使激光介质(固体、气体、液体、半导体等物质)受激振荡,产生辐射和放大。激光具有单色性好、方向性好、能量高、密度高、发散度小,以及激光束照射到生物组织可产生光热效应、光电磁效应、光化学效应、生物刺激效应等特点。激光在医疗上充分了发挥凝固、烧灼、切割、气化、光敏、针灸、免疫、麻醉、止痛等多种功能起到了很大的作用。

激光与普通光一样其发生原理与发光物质内部的原子和分子运动有关,激光的受激辐射和受激吸收互为逆过程,就单个原子而言二者发生的机率是相同的;一般在物质中,处于低能级的原子比高能级的多,所以受激吸收比受激辐射要占优势,当外来的光子照射时,看到的都是光吸收现象,要使受激辐射超过受激吸收就必须使处于高能级的原子数多于低能级的原子数才能实现粒子数的反转。

激光就是这种能够实现粒子数反转具有亚稳态的物质,它的形式可以是固体、气体或半导体等,激光主要有两种形式,一般来说以电或光对光工作物质进行激励的方式较为常见,电激励常用于气体激光器,它是通过直流放电、交流放电、高频和脉冲放电等多种形式来激励工作物质,光激励是用普通光或激光照射工作物质,常用于各种固体激光器。

除此以外,还有化学激励、核激励、热激励等方式来激励工作物质。在实现了粒子数反转的工作物质中,原子虽然可以产生受激辐射,但这种辐射是杂乱无章的;为了获得方向性及波长一致具有较高能量的光能还需要将工作物质放人一个光学谐振腔内,光学谐振腔是由两块光学反射镜组成,其中一块是全反射镜,它要求反射率为99%以上,而另一块是部分反光镜,允许有小部分透射,大部分反射,这样沿两镜分共法线方向往返的光被镜面反射后可以多次通过工作物质逐次放大增强,使光子数量获得雪崩式的增加,当这种光波增强到足以抵挡谐振腔内各种损耗时,就可以在谐振腔内形成持续的振荡,这时从部分反射镜透射出来的那部分振荡就形成了激光光学。

谐振腔内的一个重要作用就是只允许反射镜面相垂直的光线和波长的整倍数与腔体长度相一致的光线在腔内产生振荡,这样就严格限制了输出光子的方向和频率,保证了激光方向性好、亮度高、颜色纯等特性。因此,工作物质激励和谐振腔是产生激光最基本的条件。

二、激光治疗仪的分类

目前,激光治疗仪按其作用机制的不同大致可分为光凝激光器、光分裂激光器、光切割激光器、光动力治疗激光器和弱动力治疗激光器。光凝激光器是利用激光的热效应来造成组织的凝固、蒸发、汽化和炭化;光分裂及光分割激光器是利用激光的离子化效应或光化学效应来分裂切割组织;而光凝激光器按其归类主要有红宝石激光器、氢离子激光器、半导体激光器、二氧化碳激光器、高能超脉冲二氧化碳激光器、光切割激光器、YAG激光器准分子激光器

红字石激光器是由红宝石晶体常用亮度极高的氮灯来激励,主要输出激光波长为694.3nm的红色激光,它一般以脉冲的形式输出;氢离子激光是利用电流放电来激励激光腔中的气体把氢原子变为正离子来实现粒子数反转和受激辐射,并且经谐振腔振荡放大后连续输出488nm和514.5nm的拉蓝色激光和绿色激光,因其可以稳定连续的输出,激光又能通过光纤传导,所以其曝光时间输出功率和光大小可以随意调节;把氢激光管内的氢气换成氧气就成了氧激光,氧激光可以发出16条谱线,其中主要的颜色为蓝色、绿色、黄色以及红色四条谱线;如果让这四条谱线在谐振腔内一起振荡,合起来输出的就是白光半导体。二极管激光器是以半导体二极管材料为工作物质,是一种体积小、结构简单、坚固效率高的激光器,它所发出的红外激光对组织有较强穿透力。

光切割激光器主要有准分子激光器,它是利用化学效应来切割组织的一种激光器,准分子激光的激励方式有电子放电、光微波和质子束等几种方式,工作物质是惰性气体与卤素混合后受到外来能量的激发而形成的化合物,这种化合物的分子极不稳定,寿命仅为几十纳秒;最常用的是氟化氢准分子激光器,它是用电子泵高能放电来激励氢和氟输出193nm的紫外线激光;准分子激光具有波长短、光子能量大、穿透力浅的特点。这种激光的每个分支都有6.4ev的能量;而且角膜组织中肽链与碳分子之间的能量都为3.4ev,该激光光束作用于角膜组织后会将角膜组织分子键打开,使角膜组织分离成小片段而气化;准分子激光的热效应很低,对周围组织几乎没有热损伤,用该激光切割组织时,切口整齐对邻近组织损伤的范围很小;准分子激光的穿透力仅为1um左右,当组织吸收紫外线激光能量后,高能量的光子能打裂分子键将长链分子打碎成挥发性碎片在表面烧蚀掉,整个过程时间很短,并未达到热扩散所需要的时间,所以使用准分子激光来进行眼部组织的治疗对其周围组织没有热损伤,并且组织切痕极细,这种准分子激光主要用于眼科屈光性角膜切削术(PRK)治疗和角膜切除术(PTK)及高精度的角膜切开等眼科手术治疗工作。

氩激光器的蓝色光、绿色光很容易透过眼球的屈光间质被眼内色素组织所吸收而且氢激光的发散角小,在眼底能汇聚成极小的焦点,它主要用于眼底虹膜和房角的光凝治疗。氟离子激光主要是用红色光和黄色光,黄色光穿透力强,不被黄斑区视网膜神经皮层的叶黄醇所吸收,在光凝时可以避免损伤中心视力,同时红光不会被血红蛋白吸收,它对水肿出血的视网膜有较强的穿透力,在眼底光凝治疗中具有很大的作用。真空二极管半导体激光所发出的810nm红外激光对眼部组织有较强穿透力,可用其透过巩膜来进行睫状体或视网膜的光凝治疗,以及穿透力的特点,将其通过控针引人眼内进行眼底光凝,但是红外激光的透力较深。YAG激光的波长为2094nm,属于中红波段与水的最大吸收峰值相吻合,其能量可被眼内含水较多的组织吸收,并且大量转化成热,通过气化把组织蒸发掉,从而达到切割组织的目的,其切割作用属于光热。切除它不仅可用于角膜屈光性手术,并且逐步可以用于虹膜、巩膜造漏、玻璃体机化膜切除等手术。

YAG激光为1053nm的近红外激光,其特点为机械损伤小,它聚焦在角膜组织表面以后,可以在局部产生一个微等离子体区,而该离子体区对此种波和激光的吸收率远远高于组织本身等离子体区,它吸收大量光子能量以后,能迅速膨胀产生一个微小的爆破,从而达到切割组织目的。

激光手术目前主要用于普外科、肝胆外科、泌尿外科、心胸外科、烧伤外科、骨外科、神经外科、妇科、皮肤科、五官科等各科手术。医用激光器作为手术治疗的设备已充分体现了它无与伦比的优越性,激光在手术中具有以下的特点:

1、对周围正常组织损伤小,比如伤口宽度可以是电刀的二分之一。因此术后反应轻,伤品愈合快,疤痕也小。

2、止血效果好,激光治疗仪的止血时间是电刀的十四分之一,止血效果是电刀的2~4倍。

三、激光治疗仪的应用

激光治疗仪已经在医疗领域中有着广泛的应用。主要表现在以下几个方面:

(一)激光美容
激光美容是通过产生高能量的聚焦,精确地来通过激光美容的。激光它是具有一定穿透力的单色光,作用于人体组织后产生高热量,从而达到去除或破坏目标组织的目的。它具有手术切口小、术中不出血、创伤轻、无癍痕的特点。

(二)血细胞激光扫描仪
血细胞激光扫描仪是一种高精度能有效地对癌症等疑难疾病进行快速的诊断的先进激光设备。并且能有效地将癌症诊断中不可缺少的全部细胞团用统计图表将各个细胞像同时用画面表现出来,并快速地进行扫描。扫描仪经过荧光染色的组织时,能对5000~10000个细胞扫描所需的时间为5~10分钟,测定出各个细胞的荧光与散射光数据由计算机绘制出细胞团的各种图表,如果需要看某个显示出来的图像也可由计算机制作成单个的细胞图像。

若有异常细胞,它可以用其XY坐标的方式来显示细胞的具体位置,并用显微镜进行观察,并且用显微镜上的CCD照相机将显微镜上的细胞图像拍摄下来,将测定的数据连用细胞像一起进行对比分析。

(三)接触式激光刀
手术中出血一直是困扰外科医师及外科发展的严重问题。高频电刀、微波刀、氩气刀虽然具有电切和电凝的功能,但对周围的组织损伤较重,而接触式激光刀则彻底解决了这一难题,它具有对组织的损伤最小的特点,其光纤与持刀部分能灵巧地配合,并且能与各种腔镜配套使用,激光刀它不仅带动了腹腔镜及其它内外科的发展,更代表了当今外科的发展趋势。人体组织主要是由水、蛋白质、脂肪等部分所组成,而不同的成分其分子结构不相同,对一定波长的光吸收率不同;激光刀主要是通过红外能量表面吸收技术来处理,使探头、探刀产生各种热梯度分布。

激光刀它作用于不同组织时,它以独特的探头能量转换技术作保证兼容了多种激光组织效应,使一套激光器可产生不同激光器的组织效应,从根本上实现了对组织无出血的目的,最低限度组织损伤的瞬间气化切割和凝固,使激光在医学领域应用中成为一把真正意义的无血手术刀。并且激光刀具有术后水肿轻、引流少的特点;术中高能量探头产生的是无菌创面,术后感染及术后抗菌类药物的使用,大大减少术中探头气化,肿瘤细胞避免了手术播散转移,术中对肌肉神经等无电刺激无肌肉痉挛等优点,从根本上改变了传统外科手术面貌,大大缩短了手术期间住院时间。

(四)激光理疗仪
激光理疗仪一般多为几毫瓦到几十毫瓦的氦氖激器。由于半导体激光器的诸多优点,其必将取代氦氖激光器激光理疗的地位。

(五)二氧化碳激光机
二氧化碳激光机是目前实用激光机中能量转换效率最高的气体激光机,它以较小的体积和供电就可获得较大的输出。采用射频激励结构,使激光机体积大为缩小,其脉冲调制更容易进行激光输出。波长10.6um,输出功率0.5~6W,焦点光斑直径小于0.5mm,采用关节导光臂,需用半导体激光引导定位。

二氧化碳激光的波长处于水的吸收高峰,其能量很容易被含水组织吸收,因此,对组织穿透力不如YAG激光,但其热效应强,从而使组织凝固、碳化、迅速产生切割。临床上常用于软组织疾病的手术治疗,特别是大面积切割治疗,与常规的手术方法比较,其手术时间短,止血效果好,反应和副作用小。

(六)半导体激光机
半导体激光机的输出功率不及YAG和Co2激光机的1%,但操作简便、价格低廉,具有电光转换效率高、体积小、寿命长(一般在万小时以上)的特点。目前用于口腔的半导体激光机的中心波长在790~800nm左右,只需用5v直流电压供电,即可输出功率为几十万毫瓦的激光。由于其功率小,一般用于理疗和诊断。

临床上多用于诊断牙髓炎和根尖周炎、止痛、促进肉芽生长、加强软组织的愈合与再生等。随着激光治疗机的进一步的完善,使整机成为医疗设备的重要组成部分,引人计算机技术和图像处理技术,可以实现程序控制使其具备功率控制故障自检、自动保护、脉冲调制等功能。

四、激光治疗仪的发展概况

未来在医学上使用的激光治疗机将向大功率、小型化、智能化的方向发展。随着半导体激光器波长范围的扩展,功率的提高,它将逐渐取代多种气体、固体激光器,在医学上将会获得更广泛的应用。激光器将更多地与微机联用实现激光器的智能化,软件界面的操作,控制取代钮控制并使激光治疗机具备更大电的网络功能。

在激光的应用中,主要有两个关键所在,一是需要研制开发符合要求的激光器;另一个则是激光的传输。毫无疑问,光纤是最为理想的激光传输载体,它具有高度的灵活性,但它的使用还有一定的局限。比如石英光纤在PDT治疗过程中,在内窥镜引导下进人肺部时容易发生折断,甚至危及患者的生命。

另一方面,目前光纤只能用于传输可见光(390~770nm)和近红外激光。对于紫外光和远红外光,还没有理想的光纤能予以有效传输。例如二氧化碳激光在手术中切割速度快,对周围组织损伤浅。但因其激光波长为10.6微米,不适宜普通光纤传输,使其应用受到了很大的限制。因此研制开发临床适用的二氧化碳激光传输光纤成为急需。

激光光纤刀头也是激光治疗设备的重要光传输部件,临床需要各种各样的激光光纤刀头产品不断现已不断地被开发出来,以适应不同的临床需要。还有高能量的脉冲在进人光纤时会产生冲击波,造成光纤的损伤,限制了进一步的传输。目前许多发达国家都在积极地进行特殊光纤的研制,并取得了一定的进展。光纤技术的突破将会为激光在医学领域开辟更为广阔的应用前景。

从激光诞生至今,随着激光技术的发展及其在医学领域中的研究和临床应用,今后激光医学必将取得更快的发展。

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