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:YAG 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(solid laser)中應(yīng)用物質(zhì)相互作用的效果是不同的, 不同波長的Nd:YAG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Nd:YAG 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Nd:YAG 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(medical laser)儀的治療效果。

一、Nd:YAG 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( YAG) 晶體為工作物質(zhì)的激光器,稱為摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG) 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(laser oem)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖1 Nd:YAG 的能級圖
      Nd:YAG 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Nd:YAG 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)、準連續(xù)等形式。
Nd:YAG 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YAG 棒,長度可達150 毫米,低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。
      Nd:YAG 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Nd:YAG 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(solid laser)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(medical laser)、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)Nd∶YAG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(10～20 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,且裝配工藝要求高,目前已基本不用。
二、Nd∶YAG激光器在醫(yī)療方面的應(yīng)用
       激光治療(medical laser)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(medical laser)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。 #p#分頁標(biāo)題#e#
Nd:YAG 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 Nd:YAG 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(medical laser)術(shù)等,現(xiàn)在已逐漸被全固態(tài)激光治療(medical laser)所取代。用1064 納米Nd:YAG 調(diào)Q 激光治療(medical laser)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,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,可被皮膚深層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(medical laser)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5～10 秒內(nèi)釋放出來,作用時間短,對周圍組織熱損傷小,可避免疤痕、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Nd∶YAG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(medical laser)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Nd∶YAG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Nd∶YAG激光器必將越來越廣泛地用于醫(yī)療領(lǐng)域。