延迟双红外脉冲激光在非接触式手术运用中的机理研究

脉冲钬激光（Ho:YAG）在切割、汽化和凝固生物组织方面具有显著优点,但在非接触式手术运用中蚀除生物组织时存在可操作性较差、蚀除效率低、损伤范围大等问题。本项目研究光纤传输延迟双脉冲红外激光（Ho:YAG激光波长2.12μm、脉宽300μs;Nd:YAG激光波长1.064μm、脉宽150μs）水下蚀除生物组织（泌尿系结石和角膜）的机理。Nd:YAG激光脉冲首先在光纤端面诱导产生一体积大、寿命长的空化泡作为一传输"通道"，然后Ho:YAG激光脉冲通过这一"通道"到达被蚀除目标，减小钬激光在光纤端面因空化效应消耗的能量。双脉冲空化气泡形貌通过高速相机拍摄，空化泡闭合时辐射的冲击波信号由针式水听器探测,Ho:YAG激光有效能量传输提高率通过其透射强度幅值决定，并由结石蚀除的深度加以验证，由角膜正常组织损伤判断损伤状况，为延迟双红外脉冲激光在非接触式手术中运用的可行性提供理论与实践依据。

提高红外脉冲激光液体环境条件下消融效率的方法核心技术是基于光纤传输红外脉冲激光汽化效应的基本原理，采用延迟双红外脉冲激光的方法提高消融红外脉冲激光消融效率。其中较低吸收系数的自由运转红外激光如Nd:YAG（波长1.064µm）作为前置脉冲，较高吸收系数的自由运转红外激光作为消融激光消融生物组织。为提高消融效率并减小汽化效应进程中的副作用（如汽化泡闭合时辐射的振荡波对组织或其它靶材的损伤效应），Nd:YAG首先在光纤端面与组织表面间隙处产生一汽化泡，当汽化泡体积达到最大时，消融激光脉冲从光纤端面处开始作用，其能穿透汽化泡直接辐射于光纤端面下端的生物组织表面。由于汽化泡对消融激光脉冲的吸收系统远低于同等条件下的液体对消融激光脉冲的吸收系数，所以消融激光脉冲能以较小的能量损耗到达生物组织表面或其它靶材，简化到达目标靶材途径，提高消融效率。此外，前置脉冲激光和消融脉冲激光分别诱导的汽化泡中心不一致、体积不同、谐振步调不同，所以汽化泡闭合时辐射的声学波信号有多个且强度不高，从而可降低声学损伤效应。.　申请人严格按照项目申请书研究内容和目标要求，遵守国家自然科学基金项目资助经费管理办法，自主购买并搭建实验平台，进行系统科学研究。完成了两台自由运转的Nd:YAG和Ho:YAG脉冲激光器研发任务并投入实验。项目执行期间申请人在国家留学基金委资助下赴德国吕贝克大学生物医学与光子学研究所从事为期一年的博士后研究工作，主要从事红外脉冲激光与生物组织相互作用机理方面的研究工作，了解到本领域国际热点及前沿问题，开拓了申请人的研究视野，增强了独立开展研究工作的能力。项目执行期间研究成果主要以论文的形式总结和发表，其中以第一作者的身份发表的与本项目直接相关的研究成果论文直接发表在Applied Physics B: Lasers and Optics, Applied Optics, Chinese Science Bulletin，中国科学G等国内外著名核心刊物上。另外，申请人已经申请了2项有关激光生物医学方面的发明专利，其中一项专利“提高红外脉冲激光液体环境条件下消融效率的方法”核心技术就是在液体环境条件下采用延迟的双红外脉冲激光来提高红外脉冲激光消融生物组织的效率。另外，申请人正在准备出版一本激光医学方面的学术专著，预计明年可出版。