Nd∶YAG激光器的特性及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、NdYAG激光器的特性及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用李成鳳激光是60年代初出現(xiàn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療、國防等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光醫(yī)學(xué)是激光技術(shù)與醫(yī)療科學(xué)有機結(jié)合的產(chǎn)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(yī)療、生物組織科學(xué)緊密結(jié)合,研究范圍日益擴大。Nd:YA G激光器以其增益高、閾值低、量子效率高、熱效應(yīng)小、機械性能良好、適合各種工作模式(連續(xù)、脈沖等特點,在當(dāng)今各種固體激光器中應(yīng)用最廣泛。目前,NdYA G激光治療儀以其安全可靠、操作簡便、攜帶方便、性能穩(wěn)定、價格低等優(yōu)

2、點,已成為激光醫(yī)療中的主要設(shè)備。不同波長的激光與物質(zhì)相互作用的效果是不同的,不同波長的NdYA G激光器采用連續(xù)、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(yī)用NdYA G激光器在外科手術(shù)、眼科、牙科、口腔科、耳鼻喉科、皮膚科、美容等方面應(yīng)用廣泛,特別是治療皮膚色素性疾病,有創(chuàng)傷小、愈合好、無疤痕等獨特優(yōu)點,本文主要介紹NdYA G激光器的特性以及在治療皮膚疾病方面的應(yīng)用,使讀者了解各種激光器的性能及不同種類激光治療儀的治療效果。一、NdYAG激光器的特性能產(chǎn)生激光的系統(tǒng),稱為激光器。一臺簡單的激光器通常由工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔三部分組成。自 1960年第一臺激光

3、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(jù)產(chǎn)生激光的工作物質(zhì),有氣體、液體、固體和半導(dǎo)體激光器等。固體激光器是以固態(tài)基質(zhì)中摻入少量激活元素為工作物質(zhì)的激光器,工作物質(zhì)的物理化學(xué)性能主要取決于基質(zhì)材料,而其光譜特性主要由發(fā)光粒子的能級結(jié)構(gòu)決定。但發(fā)光粒子受基質(zhì)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(zhì)的主要有剛玉、石榴石晶體及各種玻璃等。發(fā)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(zhì)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(YA G晶體為工作物質(zhì)的激光器,稱為摻

4、釹釔鋁石榴石(NdYA G激光器。摻釹激光器是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的固體器件之一,在激光加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。圖1NdYA G的能級圖NdYA G激光器為四能級系統(tǒng),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(biāo)準(zhǔn)具或色散棱鏡,或以特殊設(shè)計的諧振腔反射鏡作為輸出鏡、使用鍍有高度選擇性介質(zhì)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NdYA G激光器,經(jīng)過倍頻(KTP晶體后可產(chǎn)生波長為532納米的激光。輸出光有連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)等形式。NdYA

5、 G中摻入Nd3+濃度應(yīng)合理,摻雜濃度高,則吸收率高、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)高、激光器的效率高,但是摻雜濃度太高時,轉(zhuǎn)換效率不僅不會增高,反而會下降,甚至出現(xiàn)濃度淬滅現(xiàn)象。Nd原子濃度一般在015%115%以內(nèi),濃度較高會縮短熒光壽命,使展寬線變寬,在晶體中引起應(yīng)變,最終導(dǎo)致光學(xué)質(zhì)量變差、效率降低。應(yīng)用中,可根據(jù)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(guān)3運轉(zhuǎn),選擇高濃度的摻劑(112%,以產(chǎn)生高儲能;對于連續(xù)運轉(zhuǎn),通常選擇低濃度的摻劑(015%018%,以獲得優(yōu)良的光束質(zhì)量。增益介質(zhì)的尺寸通常根據(jù)激光器的增益選擇,高增益的激光器選擇大尺寸的83現(xiàn)代物理知識YA G棒,長度可達150毫米,低

6、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。NdYA G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(tǒng),為激光系統(tǒng)小型化提供了有利條件。LD泵浦NdYA G激光器的結(jié)構(gòu)形式有端面泵浦和側(cè)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(fā)散角小,可與固體激光器的基模相匹配。側(cè)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(zhuǎn)。LD泵浦的全固態(tài)調(diào)Q激光器是把能量以激活離子的形式存儲在增益介質(zhì)的激光高能級上,集中在一個很短的時間內(nèi)釋放出來,可產(chǎn)生高重復(fù)頻率、高峰

7、值功率、脈寬可調(diào)節(jié)等特性,在光學(xué)檢測、原子分子物理、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、激光醫(yī)療、激光雷達和光電對抗等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。Q開關(guān)激光器脈沖短、峰值功率高,熱效應(yīng)小,Q開關(guān)激光聚集在靶點組織時會產(chǎn)生沖擊波,靶點組織受到機械性的微爆破作用。國內(nèi)外已有很多關(guān)于Q開關(guān)NdYA G激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各個方面的應(yīng)用報道,如外科手術(shù)、眼科、牙科、口腔科、耳鼻科、皮膚科等。調(diào)Q激光器的工作方式多種多樣,分為主動式調(diào)Q、被動式調(diào)Q、轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q等。主動式調(diào)Q激光器主要有聲光調(diào)Q、電光調(diào)Q,可飽和吸收調(diào)Q激光器是被動式調(diào)Q激光器。聲光Q激光器具有插入損耗小、調(diào)制電壓低、易與連續(xù)激光器配合獲得高重復(fù)率巨脈沖、穩(wěn)定性好等

8、優(yōu)點,但對高能量激光器的開關(guān)能力較差,只能用于低增益的連續(xù)激光器。電光Q開關(guān)激光器具有開關(guān)時間短(10-9秒、輸出脈寬較窄(1020納米、效率高、調(diào)Q時刻可精確控制、峰值功率高(幾十兆瓦以上等優(yōu)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(diào)Q激光器適于高重復(fù)頻率、高功率的激光器,產(chǎn)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(guān),不能人為控制調(diào)Q脈沖的產(chǎn)生時刻。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器屬于慢開關(guān)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(zhuǎn)速下的機械磨損影響其使用壽命,且裝配

9、工藝要求高,目前已基本不用。二、NdYAG激光器在醫(yī)療方面的應(yīng)用激光治療皮膚色素疾病以及激光美容的理論依據(jù)是1983年美國的安德森(Anderson RR.和帕里什(Parrish JA.醫(yī)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(yīng)產(chǎn)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(tǒng)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。該理論是激光治療皮膚類疾病的基礎(chǔ),為激光醫(yī)學(xué)的發(fā)展指引了方向,推動了醫(yī)用激光器的迅速發(fā)展。在隨后十

10、幾年里,醫(yī)學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)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(biāo)組織產(chǎn)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(dāng)?shù)牟ㄩL、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(biāo)組織吸收,而被周圍組織吸收的較少。NdYA G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

11、細胞高度吸收,能更有效地清除較暗色或發(fā)炎的組織。根據(jù)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(dāng)今醫(yī)用NdYA G激光器的輸出波長多是1064納米。面部色素性病變傳統(tǒng)的治療方法有冷凍術(shù)、皮膚磨削術(shù)、化學(xué)剝脫術(shù)及二氧化碳激光治療術(shù)等,現(xiàn)在已逐漸被全固態(tài)激光治療所取代。用1064納米NdYA G調(diào)Q激光治療面部色素性病變時,應(yīng)根據(jù)病變的性質(zhì)、病灶的部位、患者的年齡及性別等因素合理判別治療參數(shù),并在治療過程中進行適時調(diào)整,找出具體的最佳治療參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),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

12、層9318卷5期(總107期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(guān)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(yōu)點。由紋眉所致異物反應(yīng)屢見不鮮,紋眉液色素物質(zhì)殘留于局部,出現(xiàn)紅腫、浸潤、鱗屑、瘙癢。以往通過外用或局部注射皮質(zhì)類固醇僅能緩解癥狀、不能清除病變,局部炎癥還會復(fù)發(fā)。采用1064納米激光治療時,紋眉液中色素顆粒選擇性吸收激光能量后被擊碎,網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)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(guān)技術(shù),光能量在510秒內(nèi)釋放出來,作用時間短,對周圍組織熱損傷小,可

13、避免疤痕、萎縮或皮紋改變等現(xiàn)象,且無色素減退或沉著。1064納米經(jīng)倍頻晶體產(chǎn)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(fù)。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(shù)后護理要求低。1064納米NdYA G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(shù)風(fēng)險,已替代傳統(tǒng)的手術(shù)切除虹膜,成為青光眼的首選治療方法。激光手術(shù)溫度高,有很好的殺菌作用,術(shù)后很少感染;激光治療安全,基本上沒有并發(fā)癥,手術(shù)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(shù)刀無法進入的部位,并且位置精

14、確,可以做顯微手術(shù),減少了對病變以外組織的傷害。1064納米NdYA G調(diào)Q激光還可用于治療喉和喉咽部血管瘤、后發(fā)性白內(nèi)障、牙周病等疾病。性能獨特的NdYA G激光器必將越來越廣泛地用于醫(yī)療領(lǐng)域。(山東省臨沂師范學(xué)院實驗中心2760053Q稱為品質(zhì)因數(shù),它與諧振腔的損耗成反比,如果改變損耗,就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)變化,這種技術(shù)稱為調(diào)Q技術(shù)。在泵浦開始時使諧振腔高損耗、低Q值,不能形成振蕩(即不能產(chǎn)生激光,使高能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累,到最大值時,損耗突然減小,Q值突增,激光振蕩建立,產(chǎn)生峰值功率很高的巨脈沖激光。用不同的方法控 制不同類型的損耗,就形成不同的調(diào)Q技術(shù), 由此可做成不同類型的Q開關(guān)

15、?？圃房煊嵦栂敌螤畈⒎菍ΨQ在28年半的行程中飛越多顆行星的“旅行者1號”和“旅行者2號”飛船正在向科學(xué)家們提供日光層的信息。日光層像一個淚珠形的氣泡,把太陽系與星際空間分開。在美國地球物理學(xué)聯(lián)合會(American G eophysi2 cal Union和相關(guān)地球科學(xué)協(xié)會組織召開的五月會議上,美國加利福尼亞理工學(xué)院的愛德華斯通(Edward Stone報告了日光層變形的消息“淚珠”的圓形邊緣頂部(太陽系的北半球突出、底部(太陽系的南半球變扁。美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory的羅伯特德克(Robert Decker解釋說,不對稱是由于微弱的星際磁場(強度只有地球磁場的1/105作用于太陽系南半球造成的。星際磁場甚至推擠邊界激波區(qū),在這個邊界處,飛馳的太陽風(fēng)突然慢下來并累積起