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(guó)防等各個(gè)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(jī)結(jié)合的產(chǎn)物,激光在70 年代開(kāi)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(kuò)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(jī)械性能良好、適合各種工作模式(連續(xù)、脈沖) 等特點(diǎn),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(zhǎng)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(wú)疤痕等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),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(lèi)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(chēng)為激光器。一臺(tái)簡(jiǎn)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(tái)激光器誕生以來(lái),已有上百種激光器問(wèn)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(jí)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(chēng)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(tái)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(chēng)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(jí)圖
      Nd:YAG 激光器為四能級(jí)系統(tǒng),室溫下有多條熒光譜線(xiàn),正常工作條件下(室溫) 1064 納米波長(zhǎng)激光振蕩最強(qiáng),簡(jiǎn)化能級(jí)如圖1 所示。如果在諧振腔中插入標(biāo)準(zhǔn)具或色散棱鏡,或以特殊設(shè)計(jì)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(zhǎng)的激光振蕩,可 獲得所需波長(zhǎng)的激光躍遷,如1319 納米、1338 納米、946 納米等。輸出波長(zhǎng)為1064 納米的Nd:YAG 激光器,經(jīng)過(guò)倍頻( KTP) 晶體后可產(chǎn)生波長(zhǎng)為532 納米的激光。輸出光有連續(xù)、準(zhǔn)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(shí),轉(zhuǎn)換效率不僅不會(huì)增高,反而會(huì)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?xún)?nèi),濃度較高會(huì)縮短熒光壽命,使展寬線(xiàn)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(duì)于Q 開(kāi)關(guān)3 運(yùn)轉(zhuǎn), 選擇高濃度的摻劑(112%) ,以產(chǎn)生高儲(chǔ)能;對(duì)于連續(xù)運(yùn)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(zhǎng)度可達(dá)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(zhǎng)的激光棒不僅不能提高增益,反而會(huì)因?yàn)槲論p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(zhǎng),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(guò)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(gè)LD 陣列,散熱效果好,可提供較強(qiáng)的泵浦光,適合大功率運(yùn)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(chǔ)在增益介質(zhì)的激光高能級(jí)上,集中在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái),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(cè)、原子
分 子物理、光譜學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、激光醫(yī)療(medical laser)、激光雷達(dá)和光電對(duì)抗等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。Q 開(kāi)關(guān)激光器脈沖短、峰值功率高,熱效應(yīng)小, Q 開(kāi)關(guān)激光聚集在靶點(diǎn)組織時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊波,靶點(diǎn)組織受到機(jī)械性的微爆破作用。國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于Q 開(kāi)關(guān)Nd∶YAG激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各個(gè)方面的應(yīng)用報(bào)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(dòng)式調(diào)Q 、被動(dòng)式調(diào)Q 、轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 等。主動(dòng)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(dòng)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(diǎn),但對(duì)高能量激光器的開(kāi)關(guān)能力較差,只能用于低增益的連續(xù)激光 器。電光Q 開(kāi)關(guān)激光器具有開(kāi)關(guān)時(shí)間短(10 - 9秒) 、輸出脈寬較窄(10～20 納米) 、效率高、調(diào)Q 時(shí)刻可精確控制、峰值功率高(幾十兆瓦以上) 等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是半波電壓較高,需要幾千伏的高壓脈沖。被動(dòng)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(shí),譜線(xiàn)變窄,達(dá)到選擇相同能量和動(dòng)量光子的作用,但它是一種被動(dòng)式Q 開(kāi)關(guān),不能人為控制
調(diào)Q 脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻。轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 激光器屬于慢開(kāi)關(guān)型,無(wú)插入損耗、無(wú)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(jí)的巨脈沖,主要缺點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速下的機(jī)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(guó)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(dá)到治療色素疾病的目的。該理論指出了皮膚組織對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收的差異,以及不同脈寬的激光 脈沖對(duì)各種皮膚疾病的影響。該理論是激光治療(medical laser)皮膚類(lèi)疾病的基礎(chǔ),為激光醫(yī)學(xué)的發(fā)展指引了方向,推動(dòng)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(zhǎng)的激光器。這些激光器在治療色素類(lèi)疾病(如太田痣、胎記、雀斑、黃褐斑、老年斑) 以及血管類(lèi)疾病(如鮮紅斑痣、血管瘤、毛細(xì)血管擴(kuò)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(duì)目標(biāo)組織產(chǎn)生局部的高度破 壞,而對(duì)周?chē)M織的傷害很小。為了達(dá)到選擇性光熱解作用,必須選用恰當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)、脈沖寬度以及能量密度,不同組織吸收不同波長(zhǎng)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?chē)M織吸收的較少。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
Nd:YAG 主要的三條熒光譜線(xiàn)中, 中心波長(zhǎng)1064 納米的激光最容易形成振蕩,譜線(xiàn)熒光最強(qiáng), 約占整個(gè)譜線(xiàn)能量的60 %, 它可以較深地穿透皮膚,被深色素細(xì)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(zhǎng)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(shí),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(guò)程中進(jìn)行適時(shí)調(diào)整,找出具體的最佳治療參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),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(xì)胞清除,最終達(dá)到祛除病灶且不留 斑痕的目的。
       1064 納米波長(zhǎng)的激光穿透力深,可被皮膚深層的黑色素細(xì)胞選擇吸收,治療太田痣時(shí)對(duì)其周?chē)M織熱損傷小。而Q 開(kāi)關(guān)則利用其沖擊波的脈沖波將色素細(xì)胞擊碎,再通過(guò)吞噬細(xì)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(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。由紋眉所致異物反應(yīng)屢見(jiàn)不鮮,紋眉液色素物質(zhì)殘留于局部,出現(xiàn)紅腫、浸潤(rùn)、鱗屑、 瘙癢。以往通過(guò)外用或局部注射皮質(zhì)類(lèi)固醇僅能緩解癥狀、不能清除病變,局部炎癥還會(huì)復(fù)發(fā)。采用1064 納米激光治療(medical laser)時(shí),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(huì)將其吞噬、排泄,從而祛除病因。另外,由于該儀器采用Q 開(kāi)關(guān)技術(shù),光能量在5～10 秒內(nèi)釋放出來(lái),作用時(shí)間短,對(duì)周?chē)M織熱損傷小,可避免疤痕、萎縮或皮紋改變等現(xiàn)象,且無(wú)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(duì)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(xì)胞框架則被完整保留,皮膚能很快康復(fù)。這一波長(zhǎng)的激光用于治療雀斑, 副作用小、操作方便、無(wú)疤痕,且術(shù)后護(hù)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(méi)有不適感,不需要全身麻醉,減小了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),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(méi)有并發(fā)癥,手術(shù)時(shí)間短、止血效果好、傷口愈合快;激光束能量高,能到達(dá)普通手術(shù)刀 無(wú)法進(jìn)入的部位,并且位置精確,可以做顯微手術(shù),減少了對(duì)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(dú)特的Nd∶YAG激光器必將越來(lái)越廣泛地用于醫(yī)療領(lǐng)域。