生物医疗2μm光纤激光器--长进激光推出高性能掺
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600cm-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。
生物医疗掺铥激光器发展现状
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。
掺铥激光器生物医疗应用
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。
文章来源：《中国激光医学杂志》 网址: http://www.zgjgyxzzzz.cn/zonghexinwen/2022/0308/1575.html