脉冲CO激光骨硬组织消融特性的初步研究

摘要

在现代骨外科手术中，传统的手术器械如电钻、电锯等大都存在一些严重缺陷，如手术部位及解剖上存在一定的限制，不能随意切割和开窗；对操作手术者的体力消耗较大，切骨费时较多；操作电钻、电锯的准确程度完全取决于操作者的熟练程度等。由于电钻、电锯存在上述缺点，人们正在考虑用激光技术取代传统的手术器械进行骨外科手术。激光消融技术在医学外科领域的应用前景之一就是利用激光辐射的各种消融效应实现骨头等硬组织的切割和去除，其功能类似于电锯和电钻等传统手术器械，并具有许多独特的优势：作为手术治疗的工具，激光手术可以对激光光束进行控制，实现精确消融以及任意复杂几何形状的切割：非接触式的激光手术可以实现无菌以及无血手术，可以保证手术视野清晰等。凭借激光的优越性，激光骨消融在生物医学领域具有广泛的应用前景。 开展激光骨硬组织消融的理论基础和实验研究是当前激光医学领域研究的重要内容和研究热点之一。鉴于此，本文依托国家自然科学基金(60578057)项目，主要开展了以下几方面的研究工作： 绪论部分，首先简要介绍了作为新兴手术工具的激光技术相对于传统手术器械如电钻、电锯等在骨外科手术中的优势。接着阐述了本课题的研究背景与选题意义，并对激光骨消融的国内外研究现状及本课题组先前的研究成果进行了综述。最后介绍了影响激光骨消融效果的诸多参数，以及选择脉冲CO2激光作为激光辐射源进行骨硬组织消融研究的理由。 第一章，介绍了骨的构造和成分、物理和化学特性、光学和热学性质；随后介绍了生物组织激光消融的相关定义及基本概念，探讨了目前激光医学界较认同的三种激光消融机制，即光化消融(photochemical ablation)、光热消融(photothermalablation)和等离子体消融(plasma-induced ablation)。并着重介绍了几种常用于硬组织消融的激光光源，比如脉冲CO2激光(波长10.6μm)、Er:YAG激光(波长2.94μm)以及Er，Cr:YSGG激光(波长2.79μm)。 第二章，选用激光骨外科手术中最具代表性的脉冲CO2激光，在点状照射和动态扫描两种条件下对离体牛胫骨组织进行消融实验研究，实验通过体视显微镜和扫描电镜(SEM)分别观察脉冲CO2激光消融和电锯、电钻等传统手术器械在切割或磨削后骨组织表面的碳化情况及骨组织消融弹坑的内部结构；结合光学相干层析成像(OCT)技术分别对激光消融深度和电锯、电钻的切割及磨削深度进行测量，系统比较了其与电锯、电钻等传统手术器械在骨硬组织切割及磨削方面的优劣。 第三章，在不同喷水条件下对离体牛胫骨组织进行了脉冲CO2激光骨组织消融影响的实验研究，实验通过体视显微镜和扫描电镜观察激光消融后骨组织表面的碳化情况及骨组织消融弹坑的内部结构：结合光学相干层析成像(OCT)技术对弹坑形态特征(弹坑深度)进行测量，获得了不同水冷却条件下脉冲CO2激光对骨组织的消融效果。并确定了在我们特定的实验条件下最优化的喷水速率：31 ml/min。 第四章，开展了脉冲CO2激光对离体人耳乳突骨组织的消融特性研究，实验首先通过肉眼和显微镜观察骨组织弹坑表面的形态变化，结合读数显微镜和OCT技术对消融弹坑深度进行测量；通过体视显微镜和扫描电镜观察脉冲CO2激光消融后骨组织表面的碳化情况及骨组织消融弹坑的内部结构。获得了消融弹坑深度和热损伤深度随激光能量密度的变化关系，并确定离体人乳突骨的消融阈值范围：2.0-2.6J/cm2。 结束语部分；总结了本论文的研究成果，并指明了进一步的研究方向。 总之，本论文证明了在特定的实验条件下，激光技术可以达到电锯、电钻等传统手术器械在骨外科手术中的效果，在某些方面更具有优势。并且研究了喷水速率对激光骨硬组织消融的影响，确定了在本实验条件下的最优化喷水速率。最后还得到了离体人耳乳突骨组织的消融阈值范围，及其消融弹坑深度和热损伤深度随激光能量密度的变化关系。本论文的研究将有助于进一步了解激光外科中最具代表性的超脉冲CO2激光对骨硬组织的消融特性，并为今后开展此项研究奠定了初步基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

第一章 激光与骨硬组织的相互作用

第一节骨组织简介

第二节激光消融的基本概念和机制

第三节几种常用于骨硬组织消融的激光辐射源

第二章脉冲CO2激光牛胫骨消融的形态学分析

第一节脉冲CO2激光骨组织消融和电钻磨削的弹坑形态比较

第二节脉冲CO2激光动态骨消融和电锯截骨的弹坑形态比较

第三节小结

第三章喷水速率对脉冲CO2激光牛胫骨消融的影响

第一节实验材料与方法

第二节实验结果与讨论

第三节小结

第四章离体人耳乳突骨组织激光消融特性研究

第一节实验材料和方法

第二节实验结果与讨论

第三节小结

第五章结论

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

个人简历