激光在医学治疗上的应用

激光在医学治疗

上的应用

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提要：激光医学治疗用激光器包括紫外、红外、可见光激光器，激光用光纤输出端形式包括点状、柱状、球状等；光纤在医学器械的应用包括

光纤照明和激光传输，现今石英光纤、多组份玻璃光纤、聚合物光纤以及红外晶体光纤、氟化物玻璃光纤、红外空芯波导等在医学治疗有许多应

用，其中石英光纤已在医学美容、手术治疗和光动力疗法等方面获得广泛应用，多组份玻璃光纤可应用于光炙仪、光热治疗仪、牙科光固化机、

牙齿美白仪、光纤内窥镜等医疗仪器中，聚合物光纤POF 可应用于光纤黄疸治疗仪、激光血管内外照射治疗中，光纤在今后的激光医学治疗中发挥更加重要的作用。

光纤在医学器械的应用包括光纤照明、信息传输和激光传输，光纤医用激光器械是以光纤为激光传播介质，通过对光信息的处理和光能的利用而进行诊断和治疗〔1 - 3〕，采用光纤的医用激光器械进行激光理疗等弱激光治疗可使用直径为100 - 300!m 的石英光纤、多组份玻璃光纤和聚合物光纤POF 等，而对于激光功率高的激光手术类和激光光动力学疗法，因石英光纤可承受更大的激光阈值而选用芯径在300!m以上的石英光纤、变芯径石英光纤及其它传能光纤；选择光纤时首先考虑应用如下四个方面，首先为激光参数，如最大激光功率、波长，传输距离、激光束光斑尺寸及激光源数值孔径，其次根据光纤透光率曲线，找出应用波长的最佳透光率；第三确定传输光纤纤芯直径，通常纤芯直径大于2 / 3 激光光 斑尺寸；最后决定其套塑材料。

1 激光热疗光纤端头的设计

激光医学治疗用激光器包括紫外、红外、可见光激光器，激光用光纤输出端包括点状、柱状、球状与扩束型；体表性肿瘤和局限浅表的病灶可选用点状光纤，它在14 - 50 发射喇叭形光束，光纤端距病灶2cm，光斑约2cm 直径；对于消化道环状病灶以及除胃部肿瘤的其他内腔肿瘤和食管肿瘤可选用柱型光纤，柱形弥散头柱面均匀发光，若病灶较长可分段照射；对于局限隆起结节状肿瘤可将光纤插入瘤体做组织间照射；对于浅表广泛病灶可用球形光纤大面积照射，球形弥散头在圆周360 范围内均匀发光，胃部肿瘤可用，下面两图为柱形和球形弥散头光纤结构示意图。

激光热疗有直接和间接照射治疗两种方式，在直接照射治疗中，热效应是通过激光与生物组织的相互作用产生，通过一个光热转换装置将激光能量在到达组织之前转换成热能后再进行热疗，这种光热转换装置可通过YAG 单晶光纤制备〔4〕，或在激光光纤输出端加一个抗高热的陶瓷头，照射时照射头可直接与组织接触〔5〕。

2 石英光纤在医学治疗上的应用

纯石英大芯径光纤已成为医用激光传输系统的标准元件，因为它们有高的激光损伤阈值、生物相容性好、强度高和可靠性好。高羟基含量石英光纤适用于紫外光区，低羟基含 量石英光纤适用于红外波长区。医用光纤纤芯多在200 -1000!m 之间，在低强度激光治疗中，大多选用带耦合器的芯径为100 - 300!m 的石英光纤作为激光传输元件，芯径为300-

900!m 的石英光纤承载功率能力较大，但柔软性差，传输的脉冲激光能量为10 - 100mJ，脉冲周期为10ns - 10!s，中高功率激光治疗已在美容、手术治疗和光动力疗法等方面获得 广泛应用。

2 .1 光纤激光美容

光纤激光美容术是近几年来发展较快的一种激光医疗新技术，激光可去除和改善影响美观的瑕疵或缺陷，如激光治疗鲜红斑痣，激光治疗太田痣纹身及激光去皱等〔6〕。

2 .2 光纤激光手术治疗

光纤激光手术可用于妇科、肛肠科、外科、皮肤科和泌尿科等，进行诸如恶性肿瘤的切除、性病治疗、宫颈糜烂治疗和皮肤表面各种瘤症的烧灼等治疗。对于表面的肿瘤，激光可用简单的透镜传输，而对于内部的肿瘤，则需采用光纤输出，光纤的输出端安装球状和圆柱状的激光扩散装置，还可以在内填充散射介质，使光线向四周均匀地扩散。

2 .2 .1 钬激光治疗泌尿系结石

钬激光脉冲时间为250 - 350!s，脉冲峰值能量为0 . 2 -4J，频率为5 - 45Hz，可通过芯径为200 ~ 1000!m 的石英光纤传导。钬激光2 . 14!m 的波长恰好位于水的吸收范围，由于人体组织中含量最多的水为其吸收色基，因此钬激光是非组织选择性吸收激光。 2 .2 .2 动脉内腔治疗

美国哈佛医学院通过直径320!m 的软质石英光纤、强度为107W/ cm2 的可见光脉冲激光切除动脉钙化斑，脉冲时间

2 .2 .3 激光角膜成形术

激光角膜成形术是去除角膜上皮后，用激光消融角膜浅层基质，改变角膜曲率，达到矫正视力目的。ArF 准分子激光器系统采用SMA 接口与直径为200 - 400!m 的石英光纤耦合，通过光纤传输高光子能量6 . 4eV，产生光化学效应，打断有机分子化学键，产生非热致汽化达到切削的目的〔7〕。

2 .2 .3 激光碎石术（肾结石和胆结石）

激光碎石法原理是光纤将脉冲激光引入到体内结石的部位，对着结石发射脉冲激光，结石吸收了激光的能量之后，产生冲击波，将结石震碎〔8〕。

2 .2 .4 激光血管成形术

特制的石英光纤进入血管，将激光传送至病患处，激光的高能量“汽化”作用消除血管内的血栓和硬化斑块，从而改善心肌的血液供应，而不是用气囊导管扩张术〔9〕。光纤激光 手术还可用于口腔硬组织治疗、咽部微创手术治疗〔10〕、泌尿系结石治疗〔11〕、尖锐湿疣等治疗〔12〕。

2 .3 光动力学疗法治疗

激光可通过光纤传送至病变组织作远距离照射，光纤端部可制成各种形状，主要用于体表或腔脏器官的多种肿瘤治疗，如头颅部恶性肿瘤、宫颈癌、膀胱癌、食道癌、直肠癌、肺 癌、胃癌、结肠癌及各种体表癌等，平均有效率为70% -80%〔13〕。

3 多组份玻璃光纤在医学治疗上的应用

多组份玻璃光纤（GOF）在治疗上的应用是指某一波长的光通过GOF 照射到患处，直接起到治疗的作用，GOF 主要应用于光炙仪、光热治疗仪、牙科光固化机和牙齿美白仪等中。 3 .1 光炙仪

光炙仪的工作原理是光源发出的光经聚焦后，通过分叉型GOF 传光束照射到人体穴位上，起到疏通脉络消炎止痛等作用，其中光源光的波长为700 - 1300nm，光炙仪示意图如图 3〔14〕。下表1 列出了光炙仪用导光元件是一进五出型GOF传光束相关指标。

3 .2 光热治疗仪

光热治疗仪的原理跟光炙仪类似，所选用的导光元件是锥形光纤，其特点是在光输出端可进一步将光集中，输出光强是原来的近10 倍，人体深处组织可加热和活化，治疗肌肉和关节的亚急性和惯性痉挛、神经痛、关节炎、风湿病、痤疮和褥疮等〔15〕。

图4 光热治疗仪中导光元件示意图

3 .3 牙科光固化机用多组份玻璃光纤导光棒

导光棒是一种多组份玻璃光纤GOF 导光元件，它是采用直径为380"mGOF 在管式炉中复式熔融拉制成棒，并可加热弯曲，或拉制成锥形导光棒，改变光纤数值孔径，提高照明光强，可用作低分辨率的传像元件、牙科光固化机用导光元件。牙科光固化机用导光棒是将波长380 - 540nm 的光照射到光敏树脂上，用来修补牙齿、牙体折断、洞穴等缺陷〔16〕。此外半导体激光器通过6mm 或8mm 的导光棒将790 - 830nm 的激光照射到病变部分，可治疗牙本质过敏、三叉神经痛以及根管治疗引起的牙痛〔17〕，导光棒及其应用示意图为图5。

图5a 导光棒示意图图5b 导光棒在光固化机应用示意图

3 .4 牙齿美白仪

1996 年，美国FDA 协会通过了Argon（波长488nm）激光和CO2激光可用于牙齿漂白的规定。牙齿漂白是利用漂白剂渗透进牙釉质和牙本质产生氧化还原反应，而达到牙齿颜色增白的效果。半导体激光漂白技术是利用半导体激光源作为加速器，照在涂抹了漂白剂的牙齿表面，使有效成份过氧化氢短时间内更快更多地渗入牙中，达到最大的漂白效果，其漂白效果具有预期性〔18〕。牙齿美白仪用的导光元件是由若干根GOF 制成的月牙型传光束。

3 .5 光纤内窥镜

内窥镜经历了第一代硬式胃镜、第二代光导纤维内镜、第三代电子内窥镜。内窥镜利用体表自然孔道或切口导入人体，按照被检和治疗部位的不同，光纤内窥镜可分为纤维胃镜、鼻咽镜、耳镜、腹膜腔镜、子母式胆道镜、膀胱镜、官腔镜和神经内窥镜等〔19〕，其中硬质神经内镜由光纤系统、冲洗通道和操作通道组成〔20〕，内镜外科手术现已成为其他手术方式所不可代替的手术方式。

4 聚合物光纤POF 在医学治疗上的应用

4 .1 光纤黄疽治疗仪

当新生婴儿的血浆中胆红素水平增高，会出现黄疸的临床症状，利用胆红素能吸收波长为400 ~ 500nm 范围的光，通过体表接受光的照射而使组织间隙中的胆红素经光氧化分解作用而降低胆红素浓度的，并将胆红素从非水溶式转变成水溶型副产物，最终排出体外。光纤黄疸治疗仪是一种新型黄疽治疗仪，它发光柔和，不易伤害新生儿眼睛，光纤可阻碍红外光的传输，不会造成热对婴儿的伤害，具有便携性，促进亲子关系的形成。其原理是在光纤垫片

上的光纤表面有规则刻有划痕，而使光从划痕处漏出，在光纤垫片上下分别放有厚约0 .13mm 的漫射层及反射层，使发光效果更佳，所用POF 直径250"m，重约0 .08g / m，可在- 50 ~ 85C之间使用，其示意如图7。

图7 POF 面发光照明示意图

4 .2 激光血管内照射

激光血管内照射疗法（IntravascuIar Iow Iever Iaser irradiation）简称ILLLI 疗法：又简称ILIB 疗法（IntravascuIar Iaser irradiationon bIood），该疗法主要是通过血管内激光照射，使循环血液中的蛋白质（酶和其他功能蛋白质）分子构象发生改变，通过换能性的光化学作用使接受该疗法的机体产生一系列的生物学效应，从而达到非特异性和广谱治疗的目的，可治疗脑梗塞和降低过高胆固醇含量〔21〕。一次性使用无菌光纤针是将激光或其他光导入人体内，以实施穴位深部照射或激光血管内照射治疗，一体化鞘状结构的光纤针如下图8 所示，它包括有POF 和耦合头组成的光纤结构，He - Ne 激光器输出632 . 8nm 激光，功率约4 - 7mW，与带耦合器的石英光纤耦合，石英光纤输出端配接光纤针，光纤针输出功率在2 - 4mW 之间，POF 直径0 . 25mm，长为74mm。

图8 一次性使用鞘状结构光纤针结构示意图

1 - 针尖；2 - 定位套；3 - 光针座；4 - POF；5 - 耦合头；6 - 连接管；7 - 多功能接口

4 .3 激光血管外照射

激光血管外照射疗法的关键部件是一次性使用口鼻腔内照射光纤头，其结构示意图如图9，选择人体鼻腔和舌下两个部位进行照射，激光血管外照射疗法已成为心脑血管疾病临床治疗的新方法。血疗仪用石英光纤传光束与He - Ne 激光器耦合，光纤输出功率为25mW，口鼻腔内照射光纤头所用光纤为POF，其规格为直径1.0mm，长为30mm，对30 例脑血病患者进行血管外体表照射治疗，经检测平均血粘度下降0.25mPa·S，血栓形成系数下降0.32，胆固醇下降0.50 mmOI / L〔22〕。

5 其它光纤在医学治疗上的应用

CO2激光的波长为10 . 6!m，属中红外波段，人体的细胞组织对其有强烈的吸收，其吸收效率是Nd：YAG（1 . 06!m）激光的104 倍，在激光外科手术中，它具有创伤面积小和伤口深 度浅，能封闭小血管及减少出血，且CO2激光器能在基本上无热损伤的情况下精确地切除病变组织〔12〕，CO2激光可经纤维结肠镜进行结直肠疾病的治疗〔23〕，但CO2激光不能用石 英光纤传输。

5 .1 红外晶体光纤

红外晶体光纤主要有三种：其一为CSBr、KCI 等单晶光纤，易潮解且脆；其二为卤化铊类，有剧毒，也易潮解，如KRS- S 多晶光纤；其三为卤化银类如AgBr、KCI 多晶光纤等，它 传输红外光谱宽（4 - 16!m）、损耗低、可绕性好、弯曲半径小、无毒不潮解等显著优点，氯化银（AgCI）多晶光纤可传输中红外激光，可制成传输10 .6!m 的CO2激光手术刀，数值孔径0 .

5，损耗0 .3 - 0 . 5dB / m，发散角60 ，每米透光率50 - 60 ，末端输出功率8 - 10W〔24〕。 5 .2 氟化物玻璃光纤

适用于中红外激光传输的氟化物玻璃光纤在1990 年中期研制成功，其透光波段为0 . 4 ~ 4!m，在2 . 9!m 波长附近的传输损耗

5 .3 红外空芯波导

目前红外光纤分为红外实芯光纤和红外空芯波导两类，其中电介质/ 金属型（也称为泄漏型）空芯波导一般由基管及金属高反射膜和透红外的增反射膜构成，聚酰亚胺膜的折射率在1 .5 - 1 .6 之间，经冷却满足高能激光的传输要求，聚酰亚胺/ 银空芯波导在10 .6!m 处的损耗为0 . 4dB / m，可稳定传输功率为10W CO2激光20min 以上〔1〕。

光纤在医学治疗上的应用是同激光紧密相联系的，所用激光器包括紫外、可见光和红外激光器，激光用光纤输出端形式包括点状、柱状、球状与扩束型，可作表面或组织间照射。光纤在医学器械的应用包括光纤照明、光纤传像、传感和激光传输，光纤医用激光器械是以光纤为激光传播介质，通过对光信息的处理和光能的利用而进行诊断和治疗，光纤的应用促进了激光医学的发展。现今，石英光纤、多组份玻璃光纤，聚合物光纤以及红外晶体光纤、氟化物玻璃光纤和红外空芯波导传能光纤在医学治疗有许多应用，其中石英光纤已在医学美容、手术治疗和光动力疗法等方面获得广泛应用，多组份玻璃光纤可应用于光炙仪、光热治疗仪、牙科光固化机、牙齿美白仪和光纤内窥镜等医疗仪器中，聚合物光纤POF 可应用于光纤黄疸治疗仪、激光血管内外照射治疗中，在激光医疗技术日益普及的今天，光纤在今后的医学治疗中将发挥更加重要的作用。

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