激光是60 年代初出現的一種新型光源,激光以其高亮度、高單色性、高方向性和高相干性,引起普遍重視,并很快在工農業生產、科學技術、醫療、國防等各個領域得到廣泛 應用。激光醫學是激光技術與醫療科學有機結合的產物,激光在70 年代開始廣泛用于臨床;90 年代,隨著新型激光器的研制成功,激光與醫療、生物組織科學緊密結合,研究范圍日益擴大。
Nd:YAG 激光器以其增益高、閾值低、量子效率高、熱效應小、機械性能良好、適合各種工作模式(連續、脈沖) 等特點,在當今各種固體激光器(solid laser)中應用物質相互作用的效果是不同的, 不同波長的Nd:YAG激光器采用連續、脈沖等方式工作使激光與不同部位的生物組織相互作用,可以獲得良好的療效。醫用Nd:YAG 激光器在外科手術、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮膚科、美容等方面應用廣泛,特別是治療皮膚色素性疾病,有創傷小、愈合好、無疤痕等獨特優點,本文主 要介紹Nd:YAG 激光器的特性以及在治療皮膚疾病方面的應用,使讀者了解各種激光器的性能及不同種類激光治療(medical laser)儀的治療效果。
一、Nd:YAG 激光器的特性
能產生激光的系統,稱為激光器。一臺簡單的激光器通常由工作物 質、泵浦源和諧振腔三部分組成。自1960 年第一臺激光器誕生以來,已有上百種激光器問世。形形色色的激光器彼此之間差異極大,根據產生激光的工作物質,有氣體、液體、固體和半導體激光器等。固體 激光器是以固態基質中摻入少量激活元素為工作物質的激光器,工作物質的物理化學性能主要取決于基質材料,而其光譜特性主要由發光粒子的能級結構決定。但發 光粒子受基質材料的影響,其光譜特性將有所變化,有的甚至變化很大。用作基質的主要有剛玉、石榴石晶體及各種玻璃等。發光粒子稱為激活離子,最常用的激活 離子為釹、鉻等稀土元素離子。例如世界上第一臺激光器所用工作物質為紅寶石,就是摻入極少量鉻離子的剛玉。以摻有一定量釹離子(Nd3 + ) 的釔鋁石榴石( YAG) 晶體為工作物質的激光器,稱為摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG) 激光器。摻釹激光器是當前應用最廣泛的固體器件之一,在激光加工(laser oem)、醫療、軍事等領域應用廣泛。
圖1 Nd:YAG 的能級圖
Nd:YAG 激光器為四能級系統,室溫下有多條熒光譜線,正常工作條件下(室溫) 1064 納米波長激光振蕩最強,簡化能級如圖1 所示。如果在諧振腔中插入標準具或色散棱鏡,或以特殊設計的諧振腔反射鏡作為輸出鏡、使用鍍有高度選擇性介質膜的反射鏡,抑制不需要的波長的激光振蕩,可 獲得所需波長的激光躍遷,如1319 納米、1338 納米、946 納米等。輸出波長為1064 納米的Nd:YAG 激光器,經過倍頻( KTP) 晶體后可產生波長為532 納米的激光。輸出光有連續、準連續等形式。
Nd:YAG 中摻入Nd3 + 濃度應合理,摻雜濃度高,則吸收率高、反轉粒子數高、激光器的效率高,但是摻雜濃度太高時,轉換效率不僅不會增高,反而會下降,甚至出現濃度淬滅現象。 Nd 原子濃度一般在015%～115% 以內,濃度較高會縮短熒光壽命,使展寬線變寬,在晶體中引起應變,最終導致光學質量變差、效率降低。應用中,可根據需要選擇合適的摻雜濃度,從而提高激光 器的性能,對于Q 開關3 運轉, 選擇高濃度的摻劑(112%) ,以產生高儲能;對于連續運轉,通常選擇低濃度的摻劑(015%～018%) ,以獲得優良的光束質量。增益介質的尺寸通常根據激光器的增益選擇,高增益的激光器選擇大尺寸的YAG 棒,長度可達150 毫米,低增益的激光器通常選擇短的激光棒,有幾毫米或十幾毫米,太長的激光棒不僅不能提高增益,反而會因為吸收損耗等因素而降低效率。
Nd:YAG 激光器采用激光二極管(LD) 作為泵浦源,體積小、重量輕、效率高、壽命長,不需要冷卻系統,為激光系統小型化提供了有利條件。LD 泵浦Nd:YAG 激光器的結構形式有端面泵浦和側面泵浦兩種。端面泵浦方式靈活方便,通過光纖耦合的泵浦光發散角小,可與固體激光器(solid laser)的基模相匹配。側面泵浦可采用多個LD 陣列,散熱效果好,可提供較強的泵浦光,適合大功率運轉。
LD 泵浦的全固態調Q 激光器是把能量以激活離子的形式存儲在增益介質的激光高能級上,集中在一個很短的時間內釋放出來,可產生高重復頻率、高峰值功率、脈寬可調節等特性,在光學檢測、原子
分 子物理、光譜學、非線性光學、激光醫療(medical laser)、激光雷達和光電對抗等領域具有重大應用價值。Q 開關激光器脈沖短、峰值功率高,熱效應小, Q 開關激光聚集在靶點組織時會產生沖擊波,靶點組織受到機械性的微爆破作用。國內外已有很多關于Q 開關Nd∶YAG激光在醫學領域中各個方面的應用報道,如外科手術、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮膚科等。調Q 激光器的工作方式多種多樣,分為主動式調Q 、被動式調Q 、轉鏡調Q 等。主動式調Q 激光器主要有聲光調Q 、電光調Q ,可飽和吸收調Q 激光器是被動式調Q 激光器。聲光Q 激光器具有插入損耗小、調制電壓低、易與連續激光器配合獲得高重復率巨脈沖、穩定性好等優點,但對高能量激光器的開關能力較差,只能用于低增益的連續激光 器。電光Q 開關激光器具有開關時間短(10 - 9秒) 、輸出脈寬較窄(10～20 納米) 、效率高、調Q 時刻可精確控制、峰值功率高(幾十兆瓦以上) 等優點,缺點是半波電壓較高,需要幾千伏的高壓脈沖。被動式可飽和吸收調Q 激光器適于高重復頻率、高功率的激光器,產生窄脈寬巨脈
沖的同時,譜線變窄,達到選擇相同能量和動量光子的作用,但它是一種被動式Q 開關,不能人為控制
調Q 脈沖的產生時刻。轉鏡調Q 激光器屬于慢開關型,無插入損耗、無光損傷,用于能量較大的脈沖
激光器,可獲得峰值功率在幾十兆瓦以上、脈寬為納秒級的巨脈沖,主要缺點是高轉速下的機械磨損影響其使用壽命,且裝配工藝要求高,目前已基本不用。
二、Nd∶YAG激光器在醫療方面的應用
激光治療(medical laser)皮膚色素疾病以及激光美容的理論依據是1983 年美國的安德森(Anderson RR. ) 和帕里
什(Parrish JA. ) 醫生提出的“選擇性光熱解”理論。選擇性光熱解作用就是激光能量有選擇地被某些特定組織成分吸收,熱效應產生的熱量破壞這些特定的組織成分。人體自身的免 疫和代謝系統可將這些被破壞的組織碎屑吸收并排出體外,從而達到治療色素疾病的目的。該理論指出了皮膚組織對不同波長激光吸收的差異,以及不同脈寬的激光 脈沖對各種皮膚疾病的影響。該理論是激光治療(medical laser)皮膚類疾病的基礎,為激光醫學的發展指引了方向,推動了醫用激光器的迅速發展。在隨后十幾年里,醫學領域涌現 了大量不同波長的激光器。這些激光器在治療色素類疾病(如太田痣、胎記、雀斑、黃褐斑、老年斑) 以及血管類疾病(如鮮紅斑痣、血管瘤、毛細血管擴張)等方面都取得了較好效果。激光利用選擇性光熱解作用原理治療皮膚疾病,可對目標組織產生局部的高度破 壞,而對周圍組織的傷害很小。為了達到選擇性光熱解作用,必須選用恰當的波長、脈沖寬度以及能量密度,不同組織吸收不同波長的激光,我們通常希望激光器光 子能量的絕大部分能夠被目標組織吸收,而被周圍組織吸收的較少。 #p#分頁標題#e#
Nd:YAG 主要的三條熒光譜線中, 中心波長1064 納米的激光最容易形成振蕩,譜線熒光最強, 約占整個譜線能量的60 %, 它可以較深地穿透皮膚,被深色素細胞高度吸收,能更有效地清除較暗色或發炎的組織。根據選擇性光熱解作用原理,可用于治療皮膚深層的色素疾病,當今醫用 Nd:YAG 激光器的輸出波長多是1064 納米。面部色素性病變傳統的治療方法有冷凍術、皮膚磨削術、化學剝脫術及二氧化碳激光治療(medical laser)術等,現在已逐漸被全固態激光治療(medical laser)所取代。用1064 納米Nd:YAG 調Q 激光治療(medical laser)面部色素性病變時,應根據病變的性質、病灶的部位、患者的年齡及性別等因素合理判別治療參數, 并在治療過程中進行適時調整,找出具體的最佳治療參數標準,病變組織選擇性吸收激光的能量后即被粉碎,并逐漸被自身吞噬細胞清除,最終達到祛除病灶且不留 斑痕的目的。
1064 納米波長的激光穿透力深,可被皮膚深層的黑色素細胞選擇吸收,治療太田痣時對其周圍組織熱損傷小。而Q 開關則利用其沖擊波的脈沖波將色素細胞擊碎,再通過吞噬細胞將色素顆粒吞噬,
使 色素減退且不留疤痕,具有高選擇性、高效性、安全可靠、操作簡便的優點。由紋眉所致異物反應屢見不鮮,紋眉液色素物質殘留于局部,出現紅腫、浸潤、鱗屑、 瘙癢。以往通過外用或局部注射皮質類固醇僅能緩解癥狀、不能清除病變,局部炎癥還會復發。采用1064 納米激光治療(medical laser)時,紋眉液中色素顆粒選擇性吸收激光能量后被擊碎,網狀內皮系統會將其吞噬、排泄,從而祛除病因。另外,由于該儀器采用Q 開關技術,光能量在5～10 秒內釋放出來,作用時間短,對周圍組織熱損傷小,可避免疤痕、萎縮或皮紋改變等現象,且無色素減退或沉著。1064 納米經倍頻晶體產生532 納米激光輸出,對褐色、紅色的皮損和色素有效,皮膚中的色素顆粒吸收激光后破裂,而細胞框架則被完整保留,皮膚能很快康復。這一波長的激光用于治療雀斑, 副作用小、操作方便、無疤痕,且術后護理要求低。
1064 納米Nd∶YAG激光切除人工晶體前膜安全有效,患者沒有不適感,不需要全身麻醉,減小了手術風險,已替代傳統的手術切除虹膜,成為青光眼的首選治療方法。
激 光手術溫度高,有很好的殺菌作用,術后很少感染;激光治療(medical laser)安全,基本上沒有并發癥,手術時間短、止血效果好、傷口愈合快;激光束能量高,能到達普通手術刀 無法進入的部位,并且位置精確,可以做顯微手術,減少了對病變以外組織的傷害。1064 納米Nd∶YAG調Q 激光還可用于治療喉和喉咽部血管瘤、后發性白內障、牙周病等疾病。性能獨特的Nd∶YAG激光器必將越來越廣泛地用于醫療領域。
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