近年来,激光凭借着优良的单色性、准直性以及较高的能量密度,在生物医疗领域尤其是微创手术方面取得了较大的发展。激光作用于生物组织主要是利用激光生物热效应,而不同波长和能量的激光作用于生物组织上产生的热效应也不一样[1]。
水分子是生物组织中的主要组成部分,其对不同波长激光的吸收系数是激光生物热效应的重要因素。水分子的吸收系数随着波长增加而增加,在可见光波段最低吸收系数只有10-4 cm-1,但在2 μm波段的吸收系数可以高达600 cm-1[2],能够实现较浅的生物组织穿透深度和良好的热凝止血效果。同时,已有研究表明2 μm激光对人眼的损伤阈值对比0.69 μm激光和1.069 μm激光提高了8个数量级,对比1.5 μm激光提高了3个数量级,具有较好的人眼安全性[3]。因此在临床应用中,经过低损光纤传输的2 μm激光结合内窥镜,可以实现较高的手术精度和良好的安全性。
常见的2 μm医疗激光器包括掺钬激光器和掺铥激光器,根据采用的增益介质不同,又可以分为固体激光器和光纤激光器。相比起传统的固体激光器,光纤激光器有着光电转化效率高、稳定性高、光束质量好和轻便易集成等优势,是今后医疗激光器发展的重要方向之一。掺铥激光器相较于掺钬激光器更接近2 μm的水分子吸收峰[4][5],可以更好地汽化和切割组织,具有更高的切割精度,因此无论在组织切割和碎石手术方面的表现均好于掺钬激光器,更受到研究人员和医务工作者的青睐。
掺铥激光器主要包括掺铥固体激光器和掺铥光纤激光器。掺铥固体激光器增益介质主要包括掺铥钇铝石榴石(Tm:YAG)、掺铥铝酸钇(Tm:YAP)、掺铥氟化钇锂(Tm:YLF)。传统固体激光器需要将增益物质受激辐射产生的激光,通过透镜耦合进入传输光纤中,但在耦合过程中损耗较大。而全光纤结构的掺铥光纤激光器是特殊的/第三代固体激光器,增益物质为掺铥光纤,泵浦光通过光纤传输无需空间结构耦合,激光始终束缚在光纤纤芯内,斜率效率和传输损耗较低。因此光纤激光器具有较好的光束质量和准直性、较高的能量密度,同时结构紧凑、易于集成,是理想的医疗激光器选择。
从上个世纪80年代开始,伴随着掺铥光纤激光器日益增长的应用需求,国内外对于掺铥光纤激光器的研究也在不断发展,近十年来无论是连续激光器还是脉冲激光器均取得了重大突破。
在生物医疗领域,掺铥激光器已经实现了较为广泛的应用,掺铥激光可以作为常规组织缝合的替代手段还被应用在结石碎石、静脉曲张闭合、喉部微创手术以及口腔鳞状细胞癌切除等方面。
掺铥激光组织消融
水是生物组织中的主要组成部分,由于水分子对于掺铥激光的高吸收效率,掺铥激光在人体组织消融中的应用极为广泛。当掺铥激光作用于含水量较高的生物组织时,水分子吸收激光能量迅速升温。Markolf H. Niemz等[6]研究表明,人体正常体温在37 ℃,当组织温度在45-50 ℃时,会导致组织坏死形成热损伤区域,当超过60 ℃时,组织中的蛋白质受热性质改变导致组织凝结。当组织温度到达100 ℃甚至更高时,水分子气化,进而产生组织碳化、消融。激光与组织作用造成的各种热影响区如图1所示[7]。
图1 激光与组织作用造成的各种热影响区[7]
掺铥激光器在组织消融中的应用研究早在上世纪90年代就有报道。通过设置不同的激光参数,研究2μm激光在不同功率、激光作用时间、光斑半径、切割速度等条件下与生物组织互作用,观察激光热效应对生物组织的影响。实验结果表明,在一定范围内,提高激光功率、照射时间等方式提高生物组织吸收到的激光能量,可以实现更快的消融速率。
掺铥激光碎石
结石是现代人常见的泌尿系统疾病,形成机理和组成成分多种多样,临床上多见为一水草酸钙结石(Calcium Oxalate Monohydrate,COM)和尿酸结石(Uric Acid,UA)[8]。掺铥激光碎石手术除了利用之前提到的组织热消融机制之外,还包括“微爆”机制。“微爆”机制是指,激光作用于结石时,结石内部空隙内的水分子吸收能量汽化,形成局部高压[9],并且水分子和结石的热传递系数不同也会导致结石内的压力变化[10],促使结石内部脆弱部位破裂,进而达到碎石效果。掺铥光纤激光器凭借其造价低、易于集成、高能量密度、可调参数多、可以通过小芯径传输等优势逐渐成为临床碎石应用中的主力。
与国外相比,国内高功率掺铥光纤激光器的发展相对较慢,且其核心器件掺铥光纤长期依赖于进口。因此对关键参数进行深入研究,是实现能够代替进口产品的高性能掺铥石英光纤,从而进一步实现稳定运行的高功率掺铥光纤激光器的重要途径。长进激光通过多年的技术积累和创新研发,成功研制出高性能掺铥光纤,光纤的性能及一致性均达到进口光纤水准,客户满意度高。
下图所示是长进研制25/400双包层掺铥石英光纤的技术参数,可以看出长进研制的掺铥光纤具有良好的激光性能,具备应用于高功率光纤激光器系统的潜力。基于该大模场掺铥光纤,实现了530 W全光纤结构掺铥光纤激光器。
图2 长进25/400双包层掺铥石英光纤参数
2020年,与华中科技大学合作,利用长进激光提供大模场掺铥光纤,成功搭建一级MOPA放大结构的掺铥光纤连续激光器,种子源经过放大后在中心波长1980.89 nm处实现最高输出功率530 W[11],对应的斜率效率为50%。530 W全光纤结构MOPA系统的具体实验装置如图3所示,包括种子源和放大级两部分。种子源同样采用全光纤结构振荡器,放大级采用双向抽运方案,为保证泵浦光被充分吸收,提供足够增益,放大级中同样采用8 m上述25/400双包层掺铥光纤作为增益介质,两个合束器的合束端尾纤的尺寸及NA皆与有源光纤匹配。
图4(a)所示是掺铥光纤放大器输出功率及端口1处测得的回光功率随泵浦功率的变化关系图,输出激光功率呈线性增加,整个过程没有观察到功率下降现象,泵浦功率为979 W时,掺铥光纤放大器输出功率达到530 W,对应的斜率效率为50%,。在输出功率为500 W时测得的光谱图4(b)所示,输出激光信噪比为27 dB。扫描了1950~2000 nm范围内的激光光谱,没有观察到明显的自发辐射和非线性效应,如4(b)内嵌图所示,说明输出激光功率仅受限于泵浦功率。该结果为目前国内2 µm波段光纤激光器实现的最高输出功率,同时也验证了国产掺铥石英光纤在高功率系统中的可靠性。
图 4(a)放大级输出功率及后向回光随泵浦功率的变化;(b)输出功率为500 W时对应的光谱
随着生物医疗掺铥光纤激光器使用的普及,高性能掺铥光纤的需求会越来越大,长进激光也必定会顺应市场,对掺铥光纤研发和生产进行持续投入,为国内生物医疗掺铥光纤激光器行业的发展提供有利的技术支撑。
参考文献
[1] Wilson B C, Patterson M S. The physics of photodynamic therapy[J]. Physics in Medicine and Biology, 1986, 31(4): 327–360.
[2] Yang Kun, Ren Qiushi, Wei Shigang, et al. Application of 2μm thulium (Tm) laser in biomedicine[J]. Progress in Laser and Optoelectronics, 2005, 42(9): 52–56.
杨昆,任秋实,魏石刚,等. 2μm铥(Tm)激光器在生物医学中的应用[J]. 激光与光电子学进展, 2005, 42(9): 52–56.
[3] Li Qiang, He Bingyang. Analysis of laser damage to human eyes[C]// Collection of papers and abstracts of the 14th National Infrared Heating and Infrared Medicine Development Symposium, 2013.
李强,何炳阳. 激光对人眼的损伤分析[C]//全国第十四届红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集,2013.
[4] Hu Yunxiao. Development of mid-infrared medical fiber laser and its interaction with biological tissues[D]. University of Electronic Science and Technology of China, 2017.
胡韵箫. 中红外医用光纤激光的研制及其与生物组织作用的研究[D].电子科技大学,2017.
[5] Zhang Anjun1, Duan Jialin2*, Xing Yingbin1, Li Jinyan1**. Application of Thulium-Doped Laser in the Biomedicine Field.1 Wuhan National Research Center for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China
张安军 1,段嘉霖 2*,邢颍滨 1,李进延 1**.掺铥激光在生物医疗领域的应用.华中科技大学武汉光电国家研究中心,湖北 武汉 430074;华中科技大学同济医学院附属同济医院,湖北 武汉 430074.
[6] Markolf H Niemz. Laser-Tissue Interactions[M]. Switzerland,Springer Nature,2019.
[7] Alagha H Z, Gülsoy M. Photothermal ablation of liver tissue with 1940-nm thulium fiber laser: an ex-vivo study on lamb liver[J]. Journal of Biomedical Optics, 2016, 21(1): 015007.
[8] Wilson D M. Clinical and laboratory approaches for evaluation of nephrolithiasis[J]. Journal of Urology, 1989, 141(3 II): 770–774.
[9] Chan K F, Joshua Pfefer T, Teichman J M H,et al. A Perspective on Laser Lithotripsy: The Fragmentation Processes[J]. Journal of Endourology, 2001, 15(3): 257–273.
[10] Schofield P F, Knight K S, Van der Houwen J A M,et al.. The role of hydrogen bonding in the thermal expansion and dehydration of brushite, di-calcium phosphate dihydrate[J]. Physics and Chemistry of Minerals, 2004, 31(9): 606–624.
[11]刘茵紫,邢颍滨,廖雷,王一礴,彭景刚,李海清,戴能利,李进延.530 W全光纤结构连续掺铥光纤激光器.物理学报. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20200619.1321.020.html