生物硬组织激光消融水介导增强效应作用机理的研究

The clinical application of laser ablation technology usually worked under liquid environment such as water spray, blood, and so on. The liquid environment play a major role during laser-induced hart tissue ablation. In the present study, the dynamic interaction of light, liquid media and hard tissue will be detected synchronized with high speed camera, optical beam deflection method and optical fiber mechanical sensor. The kinetic characteristics of cavitation bubble and micro-explosion of liquid drop induced by pulsed laser, as well as their effects on target tissue will be studied systematically. Combined vapor bubble theory with kinetic effect theory, laser-induced hard tissue ablation model under liquid environment will be built, and the mechanism of liquid-mediated enhance ablation effect will be illustrated. The theoretical and experimental results in the study will expand the theory of hard tissue optics theory, contribute to the explanation of laser induced hard tissue ablation in liquid environment and the forecast of ablation effects, and also will contributed to its application in clinic.

激光消融技术的临床应用常工作于冷却水喷雾或渗出血液等液体环境，水等液体环境在降低热损伤的同时还扮演着增强消融效应的重要角色，其机理尚不清楚。本项目联合高速摄像技术、光束偏转检测技术和光纤力学传感技术，系统研究激光、液体介质和生物硬组织三者相互作用动力学过程；探索激光诱导液体介质气穴空泡和高能“水”雾颗粒的动力学特性和靶组织消融特性，评估其影响因素；结合气穴空泡理论、流体动力学理论和激光消融理论，构建液体环境下激光诱导生物硬组织消融理论新模型，阐明“水”介导增强生物硬组织消融机制和动力学过程。本申请是一项前沿的研究工作，研究成果对进一步丰富组织光学理论，预测消融效果，优化激光辐照参数和液体环境参数，促进激光消融技术的临床应用都具有十分重要的理论和现实意义。

本项目较系统研究了液体环境下激光、液体介质和生物硬组织三者相互作用动力学过程，旨在揭示水等液体介质介导增强生物硬组织激光消融效应的机制，促进生物硬组织激光消融技术的临床应用。探索了红外脉冲激光诱导液体介质气穴空泡的产生、脉动和溃灭的动态过程和演化规律，获得了气穴空泡形成的阈值剂量，空泡脉动周期、泡壁运动速度、作用范围等关键参数及其影响因素。首次提出并实验验证了借助气穴空泡效应形成的气穴通道可大幅度提升激光在液体中的穿透深度的观点，丰富了传统组织光学理论。研究了激光空泡溃灭时产生的“微爆”动力学过程，结合微射流理论，探讨了空泡溃灭伴生微射流的动力学特性及其影响因素，证实了气穴空泡坍塌溃灭时产生的“微爆”效应及其伴生冲击波和微射流是增强消融效果的主要原因。在此基础上，构建了液体环境介导增强生物硬组织激光消融模型，基本阐明激光诱导液体介质动力学效应（空泡效应和流体动力学效应）介导增强生物硬组织消融机理及相互作用动力学过程，并据此提出生物硬组织消融激光辐照参数和液体环境参数选取依据和优化策略。研究成果对进一步丰富组织光学理论，预测消融效果，优化激光辐照参数和液体环境参数，促进激光消融技术的临床应用都具有十分重要的理论和现实意义。