近年來，激光憑借著優(yōu)良的單色性、準(zhǔn)直性以及較高的能量密度，在生物醫(yī)療領(lǐng)域尤其是微創(chuàng)手術(shù)方面取得了較大的發(fā)展。激光作用于生物組織主要是利用激光生物熱效應(yīng)，而不同波長(zhǎng)和能量的激光作用于生物組織上產(chǎn)生的熱效應(yīng)也不一樣[1]。

水分子是生物組織中的主要組成部分，其對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收系數(shù)是激光生物熱效應(yīng)的重要因素。水分子的吸收系數(shù)隨著波長(zhǎng)增加而增加，在可見光波段最低吸收系數(shù)只有10-4 cm-1，但在2 μm波段的吸收系數(shù)可以高達(dá)600cm-1[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)較淺的生物組織穿透深度和良好的熱凝止血效果。同時(shí),已有研究表明2 μm激光對(duì)人眼的損傷閾值對(duì)比0.69 μm激光和1.069 μm激光提高了8個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)比1.5 μm激光提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，具有較好的人眼安全性[3]。因此在臨床應(yīng)用中，經(jīng)過低損光纖傳輸?shù)? μm激光結(jié)合內(nèi)窺鏡，可以實(shí)現(xiàn)較高的手術(shù)精度和良好的安全性。

常見的2 μm醫(yī)療激光器包括摻鈥激光器和摻銩激光器，根據(jù)采用的增益介質(zhì)不同，又可以分為固體激光器和光纖激光器。相比起傳統(tǒng)的固體激光器，光纖激光器有著光電轉(zhuǎn)化效率高、穩(wěn)定性高、光束質(zhì)量好和輕便易集成等優(yōu)勢(shì)，是今后醫(yī)療激光器發(fā)展的重要方向之一。摻銩激光器相較于摻鈥激光器更接近2 μm的水分子吸收峰[4][5]，可以更好地汽化和切割組織，具有更高的切割精度，因此無論在組織切割和碎石手術(shù)方面的表現(xiàn)均好于摻鈥激光器，更受到研究人員和醫(yī)務(wù)工作者的青睞。

生物醫(yī)療摻銩激光器發(fā)展現(xiàn)狀

摻銩激光器主要包括摻銩固體激光器和摻銩光纖激光器。摻銩固體激光器增益介質(zhì)主要包括摻銩釔鋁石榴石（Tm:YAG）、摻銩鋁酸釔（Tm:YAP）、摻銩氟化釔鋰（Tm:YLF）。傳統(tǒng)固體激光器需要將增益物質(zhì)受激輻射產(chǎn)生的激光，通過透鏡耦合進(jìn)入傳輸光纖中，但在耦合過程中損耗較大。而全光纖結(jié)構(gòu)的摻銩光纖激光器是特殊的/第三代固體激光器，增益物質(zhì)為摻銩光纖，泵浦光通過光纖傳輸無需空間結(jié)構(gòu)耦合，激光始終束縛在光纖纖芯內(nèi)，斜率效率和傳輸損耗較低。因此光纖激光器具有較好的光束質(zhì)量和準(zhǔn)直性、較高的能量密度，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成，是理想的醫(yī)療激光器選擇。

從上個(gè)世紀(jì)80年代開始，伴隨著摻銩光纖激光器日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，國內(nèi)外對(duì)于摻銩光纖激光器的研究也在不斷發(fā)展，近十年來無論是連續(xù)激光器還是脈沖激光器均取得了重大突破。

在生物醫(yī)療領(lǐng)域，摻銩激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較為廣泛的應(yīng)用，摻銩激光可以作為常規(guī)組織縫合的替代手段還被應(yīng)用在結(jié)石碎石、靜脈曲張閉合、喉部微創(chuàng)手術(shù)以及口腔鱗狀細(xì)胞癌切除等方面。

摻銩激光器生物醫(yī)療應(yīng)用

摻銩激光組織消融

水是生物組織中的主要組成部分，由于水分子對(duì)于摻銩激光的高吸收效率，摻銩激光在人體組織消融中的應(yīng)用極為廣泛。當(dāng)摻銩激光作用于含水量較高的生物組織時(shí)，水分子吸收激光能量迅速升溫。Markolf H. Niemz等[6]研究表明，人體正常體溫在37 ℃，當(dāng)組織溫度在45-50 ℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致組織壞死形成熱損傷區(qū)域，當(dāng)超過60 ℃時(shí)，組織中的蛋白質(zhì)受熱性質(zhì)改變導(dǎo)致組織凝結(jié)。當(dāng)組織溫度到達(dá)100 ℃甚至更高時(shí)，水分子氣化，進(jìn)而產(chǎn)生組織碳化、消融。激光與組織作用造成的各種熱影響區(qū)如圖1所示[7]。

圖1 激光與組織作用造成的各種熱影響區(qū)[7]

摻銩激光器在組織消融中的應(yīng)用研究早在上世紀(jì)90年代就有報(bào)道。通過設(shè)置不同的激光參數(shù)，研究2μm激光在不同功率、激光作用時(shí)間、光斑半徑、切割速度等條件下與生物組織互作用，觀察激光熱效應(yīng)對(duì)生物組織的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，提高激光功率、照射時(shí)間等方式提高生物組織吸收到的激光能量，可以實(shí)現(xiàn)更快的消融速率。

摻銩激光碎石

結(jié)石是現(xiàn)代人常見的泌尿系統(tǒng)疾病，形成機(jī)理和組成成分多種多樣，臨床上多見為一水草酸鈣結(jié)石（Calcium Oxalate Monohydrate，COM）和尿酸結(jié)石（Uric Acid，UA）[8]。摻銩激光碎石手術(shù)除了利用之前提到的組織熱消融機(jī)制之外，還包括“微爆”機(jī)制?！拔⒈睓C(jī)制是指，激光作用于結(jié)石時(shí)，結(jié)石內(nèi)部空隙內(nèi)的水分子吸收能量汽化，形成局部高壓[9]，并且水分子和結(jié)石的熱傳遞系數(shù)不同也會(huì)導(dǎo)致結(jié)石內(nèi)的壓力變化[10]，促使結(jié)石內(nèi)部脆弱部位破裂，進(jìn)而達(dá)到碎石效果。摻銩光纖激光器憑借其造價(jià)低、易于集成、高能量密度、可調(diào)參數(shù)多、可以通過小芯徑傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)逐漸成為臨床碎石應(yīng)用中的主力。

長(zhǎng)進(jìn)25/400摻銩光纖

與國外相比，國內(nèi)高功率摻銩光纖激光器的發(fā)展相對(duì)較慢，且其核心器件摻銩光纖長(zhǎng)期依賴于進(jìn)口。因此對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行深入研究，是實(shí)現(xiàn)能夠代替進(jìn)口產(chǎn)品的高性能摻銩石英光纖，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的高功率摻銩光纖激光器的重要途徑。長(zhǎng)進(jìn)激光通過多年的技術(shù)積累和創(chuàng)新研發(fā)，成功研制出高性能摻銩光纖，光纖的性能及一致性均達(dá)到進(jìn)口光纖水準(zhǔn)，客戶滿意度高。

下圖所示是長(zhǎng)進(jìn)研制25/400雙包層摻銩石英光纖的技術(shù)參數(shù)，可以看出長(zhǎng)進(jìn)研制的摻銩光纖具有良好的激光性能，具備應(yīng)用于高功率光纖激光器系統(tǒng)的潛力?；谠摯竽?chǎng)摻銩光纖，實(shí)現(xiàn)了530 W全光纖結(jié)構(gòu)摻銩光纖激光器。

圖2 長(zhǎng)進(jìn)25/400雙包層摻銩石英光纖參數(shù)

530 W雙向泵浦全光纖結(jié)構(gòu)摻銩放大器

2020年，與華中科技大學(xué)合作，利用長(zhǎng)進(jìn)激光提供大模場(chǎng)摻銩光纖，成功搭建一級(jí)MOPA放大結(jié)構(gòu)的摻銩光纖連續(xù)激光器，種子源經(jīng)過放大后在中心波長(zhǎng)1980.89 nm處實(shí)現(xiàn)最高輸出功率530 W[11]，對(duì)應(yīng)的斜率效率為50%。530 W全光纖結(jié)構(gòu)MOPA系統(tǒng)的具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，包括種子源和放大級(jí)兩部分。種子源同樣采用全光纖結(jié)構(gòu)振蕩器，放大級(jí)采用雙向抽運(yùn)方案，為保證泵浦光被充分吸收，提供足夠增益，放大級(jí)中同樣采用8 m上述25/400雙包層摻銩光纖作為增益介質(zhì)，兩個(gè)合束器的合束端尾纖的尺寸及NA皆與有源光纖匹配。

圖 3 530W雙端泵浦摻銩全光纖MOPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如下所示，圖4（a）所示是摻銩光纖放大器輸出功率及端口1處測(cè)得的回光功率隨泵浦功率的變化關(guān)系圖，輸出激光功率呈線性增加，整個(gè)過程沒有觀察到功率下降現(xiàn)象，泵浦功率為979 W時(shí)，摻銩光纖放大器輸出功率達(dá)到530 W，對(duì)應(yīng)的斜率效率為50%，。在輸出功率為500 W時(shí)測(cè)得的光譜圖4（b）所示，輸出激光信噪比為27 dB。掃描了1950～2000 nm范圍內(nèi)的激光光譜，沒有觀察到明顯的自發(fā)輻射和非線性效應(yīng)，如4（b）內(nèi)嵌圖所示，說明輸出激光功率僅受限于泵浦功率。該結(jié)果為目前國內(nèi)2 μm波段光纖激光器實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率，同時(shí)也驗(yàn)證了國產(chǎn)摻銩石英光纖在高功率系統(tǒng)中的可靠性。

圖 4（a）放大級(jí)輸出功率及后向回光隨泵浦功率的變化；（b）輸出功率為500 W時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜

隨著生物醫(yī)療摻銩光纖激光器使用的普及，高性能摻銩光纖的需求會(huì)越來越大，長(zhǎng)進(jìn)激光[12]也必定會(huì)順應(yīng)市場(chǎng)，對(duì)摻銩光纖研發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)行持續(xù)投入，為國內(nèi)生物醫(yī)療摻銩光纖激光器行業(yè)的發(fā)展提供有利的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] Wilson B C, Patterson M S. The physics of photodynamic therapy[J]. Physics in Medicine and Biology, 1986, 31(4): 327–360.

[2] Yang Kun, Ren Qiushi, Wei Shigang, et al. Application of 2μm thulium (Tm) laser in biomedicine[J]. Progress in Laser and Optoelectronics, 2005, 42(9): 52–56.

楊昆，任秋實(shí)，魏石剛，等. 2μm銩(Tm)激光器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2005, 42(9): 52–56.

[3] Li Qiang, He Bingyang. Analysis of laser damage to human eyes[C]// Collection of papers and abstracts of the 14th National Infrared Heating and Infrared Medicine Development Symposium, 2013.

李強(qiáng)，何炳陽. 激光對(duì)人眼的損傷分析[C]//全國第十四屆紅外加熱暨紅外醫(yī)學(xué)發(fā)展研討會(huì)論文及論文摘要集，2013.

[4] Hu Yunxiao. Development of mid-infrared medical fiber laser and its interaction with biological tissues[D]. University of Electronic Science and Technology of China, 2017.

胡韻簫. 中紅外醫(yī)用光纖激光的研制及其與生物組織作用的研究[D].電子科技大學(xué)，2017.

[5] Zhang Anjun1, Duan Jialin2*, Xing Yingbin1, Li Jinyan1**. Application of Thulium-Doped Laser in the Biomedicine Field.1 Wuhan National Research Center for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China; Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074, China

張安軍 1，段嘉霖 2*，邢潁濱 1，李進(jìn)延 1**.摻銩激光在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用.華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心，湖北 武漢 430074；華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院，湖北 武漢 430074.

[6] Markolf H Niemz. Laser-Tissue Interactions[M]. Switzerland，Springer Nature，2019.

[7] Alagha H Z, Gülsoy M. Photothermal ablation of liver tissue with 1940-nm thulium fiber laser: an ex-vivo study on lamb liver[J]. Journal of Biomedical Optics, 2016, 21(1): 015007.

[8] Wilson D M. Clinical and laboratory approaches for evaluation of nephrolithiasis[J]. Journal of Urology, 1989, 141(3 II): 770–774.

[9] Chan K F, Joshua Pfefer T, Teichman J M H，et al. A Perspective on Laser Lithotripsy: The Fragmentation Processes[J]. Journal of Endourology, 2001, 15(3): 257–273.

[10] Schofield P F, Knight K S, Van der Houwen J A M，et al.. The role of hydrogen bonding in the thermal expansion and dehydration of brushite, di-calcium phosphate dihydrate[J]. Physics and Chemistry of Minerals, 2004, 31(9): 606–624.

[11]劉茵紫，邢潁濱，廖雷，王一礴，彭景剛，李海清，戴能利，李進(jìn)延．530 W全光纖結(jié)構(gòu)連續(xù)摻銩光纖激光器．物理學(xué)報(bào). https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20200619.1321.020.html

[12]Wuhan Changjin Laser Technology Co., Ltd. 武漢長(zhǎng)進(jìn)激光 https://www.cjphotonics.com