高功率脉冲激光汽化生物组织的研究

摘要

激光医学被称为传统医学外科手术划时代的进步，已经在多种医学领域中成为特殊有效的诊断和治疗手段。激光在医学上的大部分应用均涉及激光照射生物组织而引发的热效应。激光被组织吸收后转变为热能，使组织温度升高从而达到治疗或切除病变组织的目的。在激光医学应用领域中，带水环境下汽化、消融人体组织是激光医学界的一个难题。国内以往对汽化的研究往往处于定性分析，缺少对激光汽化组织的定量分析和理论研究。因此，为了提高激光手术效率和减少激光手术中对周围健康组织的损伤，有必要系统而全面地开展激光汽化生物组织的理论和实验研究。 决定激光治疗中热损伤程度的不仅是激光功率、持续时间、脉冲宽度等激光参数，而且还取决于组织吸收、散射等光学特性以及组织的热传导率、热扩散系数等热物性参数。因此，实验测量各种生物组织的光学特性和热物性参数，也是激光医学研究中的一个重要内容。 激光医疗技术的应用和发展是以激光器为基础的。纵观激光医学的发展，几乎每一种激光波长的出现，都引起人们对其医用价值的研究热潮，以及相伴而来的在激光医疗领域的扩大。因此，研究和改善激光技术，寻求稳定可靠、高效的激光器是工程专家和医学家们的共同兴趣所在。 本文的工作主要集中在如下几点： (1) 本文在总结激光医学应用及激光与生物组织相互作用的基础上，分析了激光与生物组织的热相互作用的机理，讨论了组织的传热方程，研究了激光汽化生物组织的理论模型，进行了脉冲激光汽化生物组织的理论模拟，编写了有限差分模拟的计算程序，计算了激光汽化生物组织的温度场分布，汽化深度和热损伤区与汽化时间的关系，分析了高重复频率和低重复频率的温度场分布特点。并与实验进行对比，证明数值计算结果对激光汽化组织具有一定的理论和指导意义。 (2) 进行了多种激光水中汽化离体生物组织的实验，进行了激光汽化组织的合理参数的探索。在实验的基础上，首次提出了双波长激光叠加作用的叠加效应的观点。这一观点的提出，将会促进激光的临床应用和医疗激光器的研究。 (3) 大功率532nm 激光已经应用于前列腺等含血组织的汽化、切除，但532nm波长对生物组织作用的有关参数仍然研究不足。本文采用监测水泡温度的方法，通过迭代求解传输方程，首次得到了胆色素类结石、前列腺组织和肝脏组织在532nm 波长处的吸收系数，对医学应用和激光与生物组织的研究具有实际意义。 (4) Cr,Tm,Ho:YAG(简写为Ho:YAG)激光器由于其2100nm 的波长，在医学领域具有非常良好的应用价值。为了更好的改善钬激光器的性能，提高输出效率，本文从理论模拟及激光试验对钬激光系统进行了分析研究。建立了准三能级激光器的速率方程，模拟了钬激光器的能量输出和粒子数反转过程，并与实验进行比较，为进一步提高Ho: YAG 的性能提供了基础。并在实验中得到了单脉冲能量4.8J,重复频率5Hz 的激光输出。 (5) 为了得到高峰值功率、短脉宽的2000nm 激光输出，本文建立了Tm:Ho:YLF激光被动调Q 的理论模型并用于模拟2000nm 激光特性。结果证明Cr2+:Cd0.85Mn0.15Te 晶体可以用做饱和吸收体对Tm:Ho 激光实行调Q。在本文选定的参数情况下，最佳的泵浦能量和泵浦脉宽分别为14J 和40μs。在上述泵浦条件时，单脉冲输出能量为1.19mJ，脉宽600ns。本模型可用于其它被动调Q 激光系统。 (6) 高功率脉冲绿激光用于前列腺光选择性汽化手术是目前激光医学应用的热点。本文进行了Q 开关KTP/Nd:YAG 激光系统的实验研究，获得了平均功率80W，峰值功率300W 的激光输出，并完成了产品制造。