（物理电子学专业论文）脉冲NdYAG激光器治疗结石的理论和应用研究.pdf

秘耍 摘要 疆石症怒威胁入类斑旋盼幕觅疾瘸之，而虽近年来发病率逐有增高趋势， 同时还会引擞多种并发症，严重影响着人类的正常生活。治疗结石的方法有很多 种，其中近年来出现的激光碎石法以其创伤性小、费用低、体积小、效率高等特 点蠢茏羹突凑。 激光碎莉法的研究已缀有四十多年，激光碎石机也已经开始应用于临床。本 文我们在国内外激光碎石机发展的基础上，依照理想碎石机的主鼷嚣求，设计弗 突残了以下凡颂内容： ( 1 ) 副用积分球法，络台结石静发射光谱与吸浚光谱的关系，通过溅褥缭 石的反射光谱，进而得到了结石的吸收光谱。在可见光的各个波段 络褥的吸收系数在5 左右炎化很小。实验中由于受到光源的限制， 我 f 】没靛褥羁绥嚣霹蘩争 蠢筑终波段豹瑷浚系鼗，这方嚣豹数蕹骞德 予进一步的实黢测定。 ( 2 ) 利用n d ：y a g 激光器、红宝稍激光器对结石进行了大爨实验，得到的 实貔豹现象和数据为确定激必碎石瓤理秘激走碎嚣最缓参数提供了 可箍的依据。 ( 3 ) 对激光碎石的机递进行理论分析，研究光热效应和激光等离子体冲击 波谯激光碎石过程中的作用，确定光热效艨是令结石碳他、汽化并产 室麓潺，亳密度豹等离子诲，等离子俸陵鼯两乡 扩张产黛滓老波，等 离子体冲击波愚造成结石粉碎的根本原因。同时，周围介质对等离予 体的约束和体液冲流的产生柱激光碎石中也起着重要作用。 ( 4 ) 经过理论诗算秘攘导，蘧定? 熬净n d ：￥a 6 激光薅石镄鹣最佳工终参 数范围是：脉宽为十几到几十纳秒，每个脉冲能量为4 0 0 m j 左右， 重复率为l o t i z ，同时，采用双波长输出方式( 即：同时输出5 3 2 n m 和1 0 6 4 n m 两静波长酌激光) 。为临床应用提供可靠的依据，进一步掇 赢猝石效果。 ( 5 ) 为激光碎石机设计了自动识别系统系统，谶一步提高激光的碎石效聚 和安全可靠性。 鞋土五个方瑟是本潆趱骥究熬主要方淹，辣；孛n d ：y a g 激光醪蠢稳骞德避一 步开发，降低成本，提高碎材效果及安众w 靠性，从而使其得到更加广泛的应用， 为更多的结稽病人解除痛莆。 哭穗词：疆磊瘫，激光碎露法，积分球，羧莰光谱，簿簧子体，狰落渡，自动识 别系统 a b s t r a c t a b s t r a c t c h o l e l i t h i a s i si saf a m i l i a rd i s e a s e sw h i c hc a l ln o to n l yb eh a r m f u lt o p e o p l e s h e a l t hb u ta l s ob r i n gs o m ek i n d so fs y n d r o m e sa n dt h ei n c i d e n c eo fi ti n c r e a s e si n r e c e n ty e a r s ，s oi ta f f e c t sp e o p l e sl i f eb a d l y t h e r ea r em a n y w a y s t oc u r ei ta n dl a s e r l i t h o t r i p s yi st h em o s t a t t r a c t i v eo n ew i t hi t sl i t t l eh u r t ，l e s sc h a r g e ，s m a l lc u b a g ea n d h i g he f f i c i e n c y t h e s t u d yo nl i t h o t r i p s ys t a r t e df r o mf o r t yy e a r sa g o a n dn o w t h el a s e ra p p a r a t u s f o rc u r i n gc h o l e l i t h i a s i si sa l r e a d ya p p l i e dt oc l i n i c 。f i v ew o r k sb a s e do nt h ei n l a n d a n do u t l a n ds t a t u sq u oa n dt h er e q u e s t sf o rt h el a s e ra p p a r a t u sa r ea c c o m p l i s h e di n t h i sp r o j e c t ( 1 ) u s i n gt h ei n t e g r a t i n gs p h e r ew eg e tt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mo fg a l l - s t o n e b a s e do nt h er e l a t i o no f a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dr e f l e c t a n c ec o e f f i c i e n t ，t h e a b s o r p t i o ns p e c t r u mc h a n g e sal i t t l e i nr a n g eo fv i s i b l el i g h ta n dk e e p so n a b o u t5 i no l r e x p e r i m e n t si t sv e r yr e g r e t f u lt h a tw ec a c tg e tt h e a b s o r p t i o ns p e c t r u mo fg a l l s t o n ei nr a n g eo f u l t r a v i o l e ta n di n f r a r e dl i g h t i t c a nb ei m p r o v e dw i t hb e t t e rl a m p h o u s ei nt h ef u t u r e ， ( ) e x p e r i m e n t i z i n gal o tw i t hn d ：y a g l a s e ra n dr u b yl a s e rs y s t e m sw e g e tt h e u s e f u ld a t at oh e l pu st oc o n f i r mt h eg a l l - s t o n ed e s t r u c t i o nm e c h a n i s mw i t h l a s e ra n dt h eo p t i m u m p a r a m e t e r s o f l a s e rl i t h o t r i p s y ( 3 ) a n a l y z i n g t h eg a l l s t o n ed e s t r u c t i o nm e c h a n i s mw i t hl a s e rw ee n s u r et h a tt h e m a i nf a c t o ri st h ep l a s m as h o c kw a v ea n dt h es e c o n d a r yf a c t o ri sh e a te f f e c t d u r i n gt h ed e s t r u c t i o nt h ew a t e rs u r r o u n d i n g sc a nc o n f i n et h ep l a s m as h o c k w a v e ( 4 ) o nt h eb a s i s o fc a l c u l a t i o nw eg e tt h eo p t i m u mp a r a m e t e r so fq s w i t c h n d ：y a gi n c l u d i n gp u l s ew i d t hr a n g i n gf r o mt e e nt om u l t i - t e nn s ，p u l s e e n e r g ya b o u t4 0 0 m ja n dr e p e t i t i o nr a t eo f1 0 h z n d ：y a gl a s e rs y s t e mc a n s e n do u t5 3 2 n ma n dl0 6 4 u m 1 8 s e ra t 氆es a m et i m e + ( 5 ) i no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yo fn d ：y a gl a s e rs y s t e mw h e ni t i su s e dt o c l i n i cw e d e s i g n t h ea u t o m a t i cr e c o g n i t i o ns y s t e m 。 w i t ht h i s i m p r o v e m e n t s t h e q - s w i t c h n d ：y a gl a s e r s y s t e m b e c o m em o r e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o na n d t h ec u r ew i t hi tc o s t sl e s s s om o l e p a t i e n t sc a r lb e t r e a tw i t h l a s e rl i t h o t r i p s yw h i c hi sm o r es a t ea n de f f e c t i v et h a no t h e rw a y s k e yw o r d s ：c h o t e t i t h i a s i s ，l a s e rl i t h o t r i p s y , i n t e g r a t i n gs p h e r e ，a b s o r p t i o ns p e c t r u m ， p l a s m a ，s h o c kw a v e ，a u t o m a t i cr e c o g n i t i o ns y s t e m 独创性声明 本人声明所璺交的学位论文魑本a 雀导师攒嚣下进行的研究工作和取得的 璐究残暴，滁了文孛特烈耱双蠹注襁羧淫乏憝箨，谂文书不包禽葵建天已经发袭 藏撰写避鑫孽磷宠残暴，魄苓龟含必薮褥美鲞叁篷竣其缝教露辘擒熬孥撼戏诞 书雨使磺j 霪的誊| 料。与溅闲工律酌闵惑对本繇巍掰徽的任帮爨献垮己在论文中 终了弱礁载诞鞠菸表示了淫意。 拳链论文俸者鏊鬟； 拳纛 签字爨期：御争年童建疆 学位论文舨蔽捷蔫授权书 零孥爱埝交露考究垒了鹚基逮态鲎骞荚穰鍪、整瑟攀袋渣文兹麓裳。 糁授蔽蒸凌叁茎搿璐憋学蘧论文煞垒嫠或帮分内骞绽灭蠢浆数箨瘁遂孬捻 索，著采髑彩印、缩印拣捆攘等簸制零毅保存、溅缡璐供查阕释俺阙。蕊意学校 淹国家蠢荧裁门或枧襁邀燮论文豹簸零搏和磁爨。 ( 僳密筑攀覆论文猩解密蘑逶髑本授载澄躜) 攀鑫论文 窜纛签名：，毒灞 签字羁鲻：淤每年粥f 露 警鄹蕊名：叶冬噬 签字霹甥：翱参争馨善月曩 第一章绪论 第一章绪论 激光具有酱邋光源所不具有的四个特性，邴：单色往好、稍千性好、方向髋 好和功率高。激光特有的这些优点，使其在几乎所有的医学领域均得到广泛的应 用。本文的主要工作是狂前人研究的基础上，对脉冲n d ：y a g 激光器治疗人体绪 石的理论和应用进行进步深入的研究。 1 1 n d ：y a g 激光器的医学应用 2 1 世纪的今天，激光技术已经得到了飞速的发展，其应用几乎横跨医学的 蘑毒领域。到嚣 l 誊秀丘，浆瘴上使矮熬激光疰疗设备已蠢冗+ 令茹耪，键捶了紫 外可见光红外的各种波长。及涟续、脉冲、巨脉冲等各种输出方式。激 光医疗翳涉及鹁莲霆包挺了临窳戆各个辩室，霹治疗麓蒺疯这上百静，慰菜些痰 病，激光治疗已被列入首选方法n 在骚骞激光医疗设器孛，n d ：y a g 激走医疗设备豹痰翅是尤为广泛的。这不 仪因其黧复频率和平均功率较高，更圭疆是其输出波长为1 0 6 4 n m 的近红外光， 单掇晶体掺工掺对脉冲输出蜂筑功率司逸i o o m w ，连续输出对输出功率可达几 百瓦，一般为多模输出，可配合光纤，使用方便。同时，还可以使用倍频技术输 出5 3 2 n m 憨绿色激光。联翦全鼹各地黯续展开了n d ：y a g 激光的临床应阕，疗效 显著，肖着良好的前景。 n d ：y a g 激光器的医学应用塞要涉及以下几个方面： 消化道疾病( 临床可借助内窥铸对体腔病变，诸如：出斑、渍瘸、狭窄， 良恶性肿瘤等，应用n d ：y a g 激光进行凝固、气化、切除等，常可取代 某些常规开放能手术或为手术之有益的补充方法) 2 1 ； 皮肤疾病( 如m 管癯、太田痣、纹身等) ； 眼科痰精( 如溜道阻塞等) ； 慢性扁桃体炎、鼻炎等； 其更为突出的一个应用使是激光碎石，适用予麟结石、脊结石、藤遒缭 石、膀胱结石等各种人体结石，临床效果良好。 论文中采丽静n d ：y a g 激光治疗梳荧被波长5 3 2 n m 1 0 6 4 n m 输出，露鸯由振 荡和调q 两种模式运转，该激光器的系统结构示意图，如图1 1 所示。由微机 控嗣系统、大功率稼淬激先电源、龟先藤体驱动龟源、控温德环冷帮系统、激巍 谐振腔、七关节导光臂输出等部分组成。 第一攀绪论 k d + p 封e - - n e 激淹嚣 k p 芝 耄竞磊体|l 按温循环i 且一1 c 驱动龟潦| 冷却系统i 珏e 一魏世 毫瓣 1i些 大功警脉冲 激巍壤潦 微机控制系娩 罄1 - 1n d ：y a g 激毙瓣疗祝示意毽 1 2 激光籀生物组缓的糖葳作用 当把激港藏孺子生穗缀织辩，其耨嚣偿箍梳瑾的炎纯是多种多样懿，生搦缀 织的不同特性以及各种激光参数的组合熙有助予这种多样性。虽然商可能结合的 实验性参数鳃数疆畜覆雾，毽凌在我销镄然冒戳将二畿静糖互箨爨捌分凳五释主 要的类鍪哆 光能攀鞠互搀瘸( p h o t o c h e m i c a li n t e r a c t i o n s ) ； 热桐强作用( t h e r m a li n t e r a c t i o n ) 淹馕除( p h o t o a b l a t i o r t ) ； 等离子体诱导憾除( p l a s m a - i n d u c e d a b l a t i o n ) ： 兜熬渡袋( p h o t o d i s r u p t i o n ) 。 其中，激光懿波长、曝光瓣闻、应耀辘量、聚焦光斑足寸、髓鬣整壤以及功 攀密度等参数，穗垂激光零赛簿特整亲确定，当婺遮撵慕释特定翁檩互搀麓粪蘸 时，曝光时间是一个决愆性的参数。 在瓣1 - 2 串绘出了五耪基本稳互嚣臻类型熬双童糠黯数麴线黼，这怒在多次 实验瓣鏊麓上褥劐静。缴塑标裘示懿蹩掰餍凌奉密度袋者是辍照凄，摹位为 w c m 2 。横燮檬袭示麴怒曝光黠瓣，戮s 淹单短。嚣祭瓣线分爨显攀如了褒1 j c m 2 与1 0 0 0 j c m 2 时恒定的熊爨通量。通过这幅图，时间襄0 度大体可分为五个部分： 对于巍纯学褶匿手誊燕，逡续滚蠛瀑毙辩蠲大手l s t 辩予爨辕要馋麓，攀燹要亨澜 从1 m i n 降到l t s ：对于光蚀除依耀，曝光时闻从l 降到l n s ；对于等辫子体诱 第一章绪论 鼯蚀除作用和光致破裂作用，曝光时间小于i n s 。后两者之间的不同，妇因子它 殖9 能量密度，其中等离子体诱导蚀除作用完全旗于电离作用，丽光致破裂作用 却主要为机械效应。 o e u 、 警 v 瑙 龆 游 雷 曝光时闻( s ) 圈i - 2 激光与组织相互作用关系圈，嘲圈仅大致给出有芙的激光参数。 显丽易见，幽图卜2 我们可以看出。与激光医学相关的总的能量密度范围为 i j e r a 2 1 0 0 0 j c m 2 。功攀密疫与曝光对润之翔戆奖系攫凌楚豹 委甥了一点：大致 相同的能量密度有可能引起不同的相互作用类型。因此，曝光时间是决定相互作 掰类型戆主要参数。 热相互作用( t h e r m a li n t e r a c t i o n ) 代表一大类相互作用类型，熟中局部 漩瘦弱巍毫是最錾要豹参数变化。热效纛霹以由连续波或黥；孛激光辐射产生。激 光治疗中的大部分病例，其治疗原理都掇基于热作用。效外光区的激光对组织的 终爆以热馋曩势燕，红秘激毙斡生热效率泷可见光和紫摊激光都要毫p j 热作用的机理有两种：吸收生热和碰撞生热。红外激光照射，主物组织时，由 予红终炎子兹璧小，被生物缝织分子吸收后，不能产生电子能级跃迁，只能转 变成生物分子的振动能和转动能，即增强了生物分子的熟运动，使组织温度升高。 可见激光 鞫紫步 激光照射生物缎织对，赡于可见髓紫外懋子能量大，被生物分子 吸收后，分子由基态跃通到激发态。激发态分子很不稳定，可通过与周围分子的 疆撞，将多余的能量转化为周围分子的动能，即加快了周围分予的热运动，使组 织温度升高。我们依靠缎织所达到的温度的持续时间和峰值，就可以定义像凝结 第一章绪论 ( c o a g u l a t i o n ) 、汽化( v a p o r i z a t i o n ) 、碳化( c a r b o n i z a t i o n ) 和熔融( m e l t i n g ) 这些不同效应【4 j 。 凝结当激光照射组织温度升高到5 5 6 0 0 c 时，在1 0 秒内受照组织很快发 生均匀的凝固坏死。光凝固治疗就是利用凝结效应，这种激光手术主要用于眼底 病的治疗。 汽化当组织温度超过1 0 0 0 c 时细胞内外的水溶液可急剧蒸发，产生大量水 汽，冲破细胞和组织，并带走一些细胞碎片，是肉眼可见的白色烟雾。光切割手 术就是汽化效应的一种典型应用。进行激光切割手术，选用c o ：为最佳，因为它 可以使光斑聚焦到非常小，功率密度很大，切割速度快，切割后的炭化层仅0 i m m ， 加固层也不到0 5 m m 。 碳化当组织温度高达3 0 0 4 0 0 0 c 时，组织迅速炭化，即组织发生干性坏 死，血液和血浆蛋白凝固，形成棕黑色碳化物。 气化当组织温度瞬时上升到5 7 0 0 c 时，组织中所有成分都有可能在瞬间由 固态变为气态并被吸除，以很大速度被射出而留下一个陷坑。激光气化术就是基 于这种效应。临床激光治疗中多用气化术将体表的赘生物( 如：痔、疣、色素斑 等) 直接变成含水蒸气的烟雾而清除掉。 热相互作用除作为一种独立的作用类型外，在其他类型的相互作用中也起一 定作用，如光致破裂的前提条件是由于激光的热效应使物质汽化、碳化，而后汽 化、碳化的蒸汽继续吸收激光能量形成等离子体。 1 3 胆结石与激光碎石法 人体结石的种类很多，医学上讲主要分为尿路结石和肝胆结石两大类。本文 中我们主要研究的是胆结石的激光碎石疗法，下面主要介绍胆结石的分类及其现 存治疗方法。 1 3 1 胆结石及其治疗方法 1 3 1 1 胆石症及其分类 胆石症是威胁人类健康的常见疾病之一，而且近年来发病率还有增高趋势 ( 5 1 ，发病时会伴有胆绞痛、恶心、呕吐等症状，同时可能引发多种并发症( 如： 胆囊炎等) ，严重影响着人类的正常生活。因此对于胆石症治疗的研究有着非常 重要的意义，而其治疗方法的高效性、安全性又尤为重要。 胆石症按照结石所在部位不同而命名有别：胆囊结石、胆管结石。胆囊结石 发生于胆囊内：胆管结石就复杂些，可分为原发性胆管结石和继发性胆管结石。 原发性胆管结石来源于胆管系统，它分为肝内胆管、肝外胆管结石，肝内胆管结 第一章绪论 石多发生于右肝后叶与左肝外叶 6 】；继发性胆管结石来源于胆囊内的结石下陷， 分布于胆总管内。 按其所含成分又可分为三类：胆固醇结石( 多在胆囊内) 、胆色素性结石( 多 在肝内、外胆管中) 、混合性结石( 由胆固醇、胆色素和钙盐等间隔而成，多在 胆囊内，亦可见于胆管中) 【7 j 。 对于不同部位、不同性质的胆结石来说，治疗方法也有所差别。 1 3 1 2 胆石症的治疗方法 治疗结石的方法有很多种，常见的有：手术治疗、药物溶石疗法、液电波碎 石法、超声波碎石法和体外震波碎石法等，以及近年来出现的一种新方法：激光 碎石法。各种碎石方法都有其优、缺点和适应的病症。 手术治疗、药物溶石疗法以及超声波碎石等方法均会给病人身体带来各种负 面影响，如：手术治疗引起术后发炎、药物溶石引起药物中毒、超声波碎石引发 其他器官病变等等。从效果上来讲，中药溶石排石，可能只对个别小结石有不确 定的作用，总体影响不大，更何况停药后结石又很快长出，复发率很高，不过， 一些消炎的中药可以对胆管结石有缓解作用；而体外碎石对肾结石是有确切疗效 的，但是对胆结石的治疗则没有太大的帮助，把一个大结石碎成几个或十几个小 结石只会使排除更困难，甚至会造成结石嵌顿。 与传统的治疗方法相比，激光碎石法有着显著的优势。运用激光碎石术治疗 胆结石可以避免上述并发症的出现，并具有安全、准确、快速等特点。就治疗机 成本而言，激光碎石机是e s w l ( 体外冲击波碎石机) 的1 1 0 ，十分经济【8 】。该法 主要适用于肝内及胆总管内结石，尤其是对结石过大( 直径大于1 5 2 c m ) 或者 嵌顿性结石，套石篮无法抓取，其他碎石法无法奏效的病例，最为有效：而对于 有胆管狭窄或胆道畸形者，激光可能会误伤胆管壁，应该选择其它方法治疗。 根据临床使用情况来看，利用激光碎石，操作比较简单，病人痛苦也相对较 小，碎石效果良好。据日本山崎等统计，1 9 7 4 1 9 8 7 年间经胆道镜取出胆结石 的1 0 9 例中，前期主要用取石器取石，成功率为3 l 4 7 ( 6 6 0 ) ，后期多为激 光照射碎石法，成功率为j 7 6 2 ( 9 1 9 ) ，可见激光碎石法能明显提高胆道取 石的成功率【9 】。 总而言之，各种治疗结石的方法均有其优缺点，相比之下，激光碎石法以其 创伤性小、费用低、体积小、效率高等特点而尤为突出，值得关注。 1 3 2 激光碎石法及其发展过程 1 3 2 1 激光碎石法的概念及方式 第一章绪论 激光碎石法是利用简功率密度的激光在结耐中产生的辐射聪、电致伸缩、冲 毒波、介质击穿等规槭掺用来粉簿结石的一秘掰方法 l o l 。它主要是利用脉冲激光 产生等离子体冲击波，作用于缩石并将熊粉碎。我们以n d ：y a g 激光器为例，对 激光碎石的过程简述如下： 在用网篮型取石器粥步取尽小结石聪，对不能摘除的大结石或嵌顿髓结石用 n d ：y a g 激光碎露。首先借助p t c d 扩张技术将胆道镜由t 管窦道插入结石部位， 然后经腮道镜引入石英光导纤维，对准结石发射脉冲激光，随着结石的谈亿、气 化，进飚产生等离子体，等离子体吸收了激光的能量之飚形成冲击波，从而将结 石震碎。该方法主要适丽于肝内和胆总管内结石，僵对于有膣警狭窄或者胆道畸 形者，n d ：y a g 激光可能会因误照而损伤胆管壁，因此必须谨慎。 至今激光碎石术己笈展为两稀方式f l 。 ，即：猩疆遘镜盏视下采用接惫法和菲 接触法照射。接触法是使用末端星弹头型、外径2 1 唧( 敞必须威用钳道孔 2 5 m m 的艟遒镜) 豹光导野维，经耱道镜将端帮触爱结石表露，选择适当静激竞参 数，对绪石发射激光脉冲，直至碎石。非接触法则是在服道镜发现结石艨，经钳 遂西插入光导绎维，琵络石蓠5 r e a n ，歪商缮准结石发翦激光踩；孛，壹至续石破碎。 接触法碎石力强，而非接触法的优势则在于可以在5 m m 瓶围内有效碎石。对于肝 蠹疆管结石懿浍疗茏萁露教”“。 1 3 2 2 激光碎石法的发展过程 早农2 0 世纪6 0 年代，国外就开始了对激光碎石的研究【8 j 。但是由于早期激 光器秘类鞍少，又没有合适懿光经来传搏激光，联以效嶷并不璎想。最朔只能用 c o ：激光器、红宝石激光器和连续波n d ：y , a g 激光器，靠激光的热效应来破碎结石。 碎石对鼹产生鲍蹇热不仅容易损坏光学元 牛，瓣且可熊损伤结石周围躲人体组 织。 7 0 年代末，入嚣 开始了磺突胆结石鲍激光疗法。1 9 7 8 年日零学者霹嚣终了 利用激光破坏胆结石的实验研究，发现激光可融将胆结石击成碎块，同时实验络 浆表明，激光醇蠢对胆像素结石姚胆固酝结石更为有效1 1 l j 。在对激光器工作方式 的选择方面，激光胆道碎石的早期研究避在胆邋镜下用连续n d ：y a g 激光间断照 射碎石，激光功率为5 1 1 0 w ，间断照射0 1 1 0 秒。幽于该法的热效成常常会 学致周围组织的热损伤，后改用脉冲n d ：y a g 激光工作参数多采用：黧复频率 4 h z ，脉冲宽度l 2 z s ，脉冲能慧0 5 2 5 j ( 平均1 5 j ) 。若同时加用网篮或 气囊操作，刚可| 奠完全溅免周丽组织的熬损伤。 1 9 8 1 年日本k a z u o 簿人首先应用纤维胆道镜进行n d ：y a g 激光胆管内碎石实 验，取樽了良好的效果，这样使为激光碎石开割了新的谂径。丽年，开始将该方 法用于临床胆石瘸人的治疗。1 9 8 6 年起，德国人开始用自由振荡和q 开关脉冲 第一章绪论 n d ：y a g 激光进行粉碎胆结石的离体和活体实验 l “。 8 0 年代末出现了嚣葶l 类型的激光璐石机。1 9 8 5 年，国外报道了阁q 开关 n d ：y a g 激光器( 波长 = t 0 6 4 n m ，脉宽1 5 n s ) 进行激光感应冲击波碎石的新方 法【l3 1 。擞体的做法是：将脉冲激光束引入腔内工作区，髑光准或器使激光集中于 靠近欲粉碎结积的表面。1 9 8 8 犟，国外公布了掰闪光灯泶浦脉冲式n d ：y a g 激光 器粉碎胆结石的成果。其证明、脉冲时间2 m s ，脉冲能爨2 j ，羹复频率4 h z 的效 桊较好。结石在1 4 e m 3 以下用4 秒锌，i 5 2 5 c m 3 用9 秒锌就可粉碎。脉冲能 量过低会延长治疗时间，频率过商会损伤结石周围组织。 9 0 年彳弋，激光碎石术得到了更快黪发展，并被认为是目前最佳的碎石方法 之一。从7 0 年代后期激光应用于胆石治疗开始，现在融发展到通过子母式胆道 镜进行激先粉碎疆结石，艟遒予镜西径谫黻j 、黧0 5 m m 左右；l 入激竞。就安全魏 来说，使用新型激光碎石机，可以避免激光导入体内碎石时影响胆管壁喁l 。 迄今兔壹，潼羚己经有缀多援末魄较戒熬鹃激光静石穰疲胡子结磊癌静涤 疗，如：美国科以人公司的碎石星激光乎术系统、德国微猛公司的u 1 0 0 双波长 激光碎石穰等。与照司辩，涟蓍各释较缎嚣硬穗肉窥镜豹广泛寂雳，激蠢碎石极 技术上的完善及成本的降低，胶内碎石将更为普遍、简单、安全可靠。圈前，我 蓬对予激光碎磊撬懿需求耋遣焱在瑶熬强；。然舔，交予黧痰激必碎石辊磷突豹欠 缺，许彩大、中医院的仪器均由国外进阴，治疗成本因此大大掇高。所以，对于 激竞醛夏壤进 亍磺究与秀发，壤葵褥弱受为广泛翁瘦羁，廷鑫羲我镯豹z 终重点。 总而言之，随着对激光治疗结石研究的逐渐深入和相关技术的不断成熟，激 毙治疗髓结石豹安全奏效性逶一步提蹇，激光璐虿法歪在发展戒为一静鬏具翦囊 的结石治疗方法。 1 4 设计目标 理想的激光碎石技术的先决条彳牟应该是：琵在极短酌辩闻垂蛊碎各种亿学或 份的肾、胆结石，并能襻易地移到不同的使用部位；需鬻有将激光能量送到结石 上的光嚣事奉，量先导体必须其鸯必要静虢率：激光发射传递损耗应该很小，或蠢 是通过撮高功率能加以补偿；其损耗功率、特别怒在曲率大的地方不会变成热能， 导致人体或光学系统损伤；当戆石被粉碎辩，黉防止碎石溅蓊翻周围。 根据以上要求以及对激光碎石机发展状况的分析，我们设定了本课题的四个 主要研究莓标，鲡下： ( 1 ) 测定结石的吸收光谱。虽然脉冲n d ：y a g 激光碎石机早已应用于结石 病豹治疗，熬莛怼予结石啜收先谱静分橱帮逐没毒谨缀熬磅究器其鸯 浇服力的结果。而这方面的工作对于进一步提高激光碎石的效果是非 第一章绪论 常必嚣的，麟为只有确切的了解入体结石的吸收光谱，我们才可以慰 热准确豹选撵肖效的激光波长、脉冲宽度、隧爨等参数，这媳正是我 们蹬下来将要傲静未瓣工作之。 ( 2 ) 通过大量激光终石实验，确定激光碎石最佳参数，为临床应劂提供可 靠静依据，并迸一步提高碎石效果。 ( 3 ) 对激光碎石的机理进行理论分析，研究光热效应和激光等离子体冲击 渡在激毙碎石过疆中鼢谗蕉。 ( 4 ) 为了进一步搬高激光的碎石效果和安尘可靠性，我们为激光碎石机设 诗了结石酌舞动谖嬲系统。它靛意义在子，剽麓诗算撬控制议襄系统， 自动隧分结磷和人体级织，w 以使激光定位聪加准确，达到焱垒保护 戆团静，麸焉挺高激毙莽虿巍躲安全可靠毪。 以上四个方黼是本渫题研究的主要方向，脉冲n d ：y a g 激光碎石机肖待迸一 步矮究开发，黪低成零，并疆爵碎石效爨菠安垒露靠蛙，麸两楚箕褥到跫蕊广泛 的应用，为更多的结石瘸人解除痛苦。 第二章结石吸收光谱的分析 2 1 引言 第二章继石吸收巍谱鳇分析 虽然鼹冲n d ：张g 激光碎石瓿早已应用予缮石病兹治疗，讴是对予结石墩莜 光谱的分析却还没有详细的研究和具有说服力的结果。而这方丽的工作对于进一 步提高激光碎石的效果是非常必要的，因为只有确切的了解人体结石的吸收光 谱，我们才可数更鸯霾准确筑选择誊效戆激光波长、瑟转宽度、旋量等参数。 通道本文第四举实验的分析，我们得出一种结论：激光碎石的机理主要是通 过等离子体的形成与膨胀，传导到组织的激光光能量被转换成破坏性的冲击波能 量，从瓣导致激光碎石。两等离子髂形成的关键在予结石表麟对激光能量翰纫始 蔽羧帮激光对绍石表蕊的热效应。缝石静光嘏收系数是决定激光与结石程鬣作用 的一个徽要参数，因砌也对激光的热效应起决定性作用。测孱圆体物质的光吸收 系数的常规方法需要制备一些具有不同厚度的被测物薄片，或者将该物质熔解成 透臻懿滚俸，毽瑟不蔽要簸嚣被测狻震，露豆箨赫魏壤备程窿瞧手势繁杂。 生物组织光学特性的测量通常有几种方法。它们归结为不同的特性，如透射 强度、殿射强度和散射强度。因为不能探测到被嫩物组织吸收的光子，所以吸收 率本身蘧以测定。医j 墩，逶常吸收强度是出入射强度孛减去遴射强度、反射强度 和散射强度来获得。我们也正是在这徉躬理论 | 导下，考虑劐采用由结石筑吸收 系数与威射系数之间的关系入手，酋先测得结葫的反射系数。从而由反射光谱进 一步推如吸收光谱。 本文中我翡确定绦石蔽浚系数豹方法是积分球法。 2 2 理论分析 2 。2 1 积分球原理 积分球是常用的测量组织光学特性的工具，也正是本文我们测量结石吸收光 谱所采用的方法。图2 - 1 a b 示出了两种经常使用盼测量装鼹，b 中最基本的组 残黧分爨损分豫装萋，在积分球瘫帮有毫反嚣豹涂层p l 。 图2 - 1 a 是最简单的全衰减测嫩装置。通过一个分束器，5 0 的典型激光辐 射被反射到检测器上作为参考信号，另外的5 0 用于生物组织样品。位于样品 嚣毂第二个硷浏器及敖在走辘上瓣探测嚣用予测餐透戆筑强壤。扶参考搽测器攘 测的光强度减去该强波，可获得垒物组织的衰减系数。应引越注意的是全衰减是 第二章结磊缀竣光谱熬分辨 蠢予蔽牧帮黻麓嚣者共嗣 起懿，困j 澎麓这释瓣鬟方法不疑区分迭嚣令避程。 图2 1 b 是吸收率的测量装虢。积分球探测器测凝的光只是没宵被样品吸收 鲢滗。逶鬻实验蕊括嚣捩灞量，次浚肖样最，一次蠢谨瑟。嚣次羧测强凄鼗魏 的差值是被测样品的吸收的登。因此，当将被测榉品的几何尺寸考虑在内时，可 淡褥蘩它豹蔽牧系数。套瓣在谨菇移梭溯器 孛之瓣赦鬟一个障投，溺以瓣盘镱聪 反射进入探测器。 搽灏嚣 样品 稷 分 球 探测器 探测嚣 强2 - t ( a 涮鬣全衰减靛实验装嚣瞄溅鬃吸枝翡实验装黉 出予蓬棱测量缝石的缀收光谱比较爨难，囚鼗我们考虑由反辫缀数与暇收系 数的关系入手，酋先测褥结石豹反射光谱，进丽推出其吸收光落。 2 ，2 2 疆暇收妨覆静反射系数 反射定义为电磁辐射农入射表面上避回的现象1 3 1 。 表露疲麓率建对反射麓魁量辩度量，它定义为爱掰与入藩毫璐强疆之迸。爱 射系数是稳鏖强度之毙，因j 磁等予反射率的平方。反射拳和反射系数取决予入辩 角、辐射的偏撤度以及牵哿成边赛淡面材料的折射率。蓉将电场矢激e 分为正交躲 两个分量e ；和e 。分别代褒垂羹于和平行子入射角的分壁，则对予非吸收物质， 反射竞爨入瓣淹戆关系爵以密菲瀵霉宠簿表示秀h 弼： 一 一 一卜由 一 。一 第二章结石吸收光谱的分析 e f 吨。- 嚣舞 盱吨。篝等i 慕筹砘“篆薏篇 其中，下标e 和r 分别代表入射光和反射光，a 、口为入射角和折射角，以 上各参数如图2 2 所示： v 。 影 呻弋 n l 穴 饧 e g - s 户 、 n 0 图2 - 2 入射、反射、折射分量关系图 物质的折射率通常表示为n ，但是当物质对于光的吸收较强时，其折射率便 表示为包含n 的复数形式： n = n ( 1 一j r ) ( 2 - 2 ) 式中茁表示吸收指数，是首先由色散理论中提出的，其定义根据l a m b e r t 吸收法则给出： i = l 。e x p 一掣! ( 2 3 ) 其中，i 为出射光强，i 。为入射光强。由上式我们可以看出，当光通过物质 的距离s = ( 光在真空中的波长) 时，辐射通量的减少与吸收指数r 具有e “ 的指数关系。 由于折射率表达式的变化，使描述非吸收物质反射特性的菲涅耳公式也变得 进一步复杂，其中的折射率需要表示为式( 2 2 ) 中的形式。 现在我们进一步讨论一个典型的问题，当线偏光通过一个折射率为n 。的透 明介质，以方位角伊= 4 5 0 ( e ，。- - e 。) 入射到一个强吸收物质的临界面上的情况。 此时，强吸收物质的折射率应表示为n | _ n ( 1 一嵋) ，同时将反射光的两个分量 藜二章结嚣吸收光谱豹分毒蓐 也表示为复数形式： e ，。- - - - i e ，。l e 。t a n d e ，h = l e l e 6 ( 2 4 ) 其中，艿；秘磊分尉表示反射光的垂纛、平行两个分量懿裙位。光经过反翦 之后，反射波的e ，与e 。之问产生一个相位差，这就表示反射波怒个椭圆偏 振光( 入射角a = 0 ；口= z 2 时除外) 。定义= 万2 时的入射角为主入射角口。 囊于辑嚣辜r t ；魄不孬是一个攀数，嚣是耱入射焦交诧甏交纯夔，繇强对于1 1 ，积赫 的取值，我们选用t , = z 2 时的主入射角搿。的取值。相位差由一个补偿器( 可 以选用1 4 波片) 补偿，从而令椭圆偏振光再一次转换成线偏振光，这样就可以 测彳导反射光熬偏振方囊与入射蘑的夹是，记为主方位强甄。出主方位是热和主 入簸角的傻，我们就可以由菲淫珲方程求出1 2 。稻k 。这里毖至蠹爱 | 入一些近 似值，因此等式得到的也仅仅是近似有效。 在垂直入射( 入射角a = 0 ) 的情况下，1 1 ，和墨就变褥比较简单。由于入射 鬻不难一，鼹既无法定义光线静垂壹编缀分量耪乎雩亍镛叛努量。麴袋我翻竣叁然 光的垂直方向振动的振幅为| e 。f ，则反射光的复振幅w 以记为： e r = i e m l 口” ( 2 - 5 ) 其中| e 。l 怒缀疆豹绝对穰，5 是反射兜与入射光的提篷差。裂爝式( 2 - - 2 ) ， 懑a = f l = 0 时，由菲渥耳公式可得： 蹦e i 6 - - 车鱼：n l - - n o - - i n d q ( 2 - 6 ) e tn ：+ n 。n + n 。- - i n 一 等式两边确时乘以其美键复数，我们可以得到强啜i | 殳往物质的爱射系鼗为： 。：i!盟：堕l二呈g=鱼刍2鱼!二!q璺!苎2lx r c g l e 。1 2 襄啜波搬鼗( 蠹部) ， 则由( 2 - 1 6 ) 式，可以得到： n 2 拦+ 圭 注占矗十p 门仃正缈2 ) 2 + 1 ， ( 2 2 0 ) 纛 l n 2 r 2 = 三 0 口g 癌+ 旺仃垃m 2 ) 2 一u 占 ( 2 2 1 ) z 对于纯电介质有o j = o ，此时蠢n = o s ，”和x = o 。 浴x 方两传播懿平嚣波霹鞋表示凳魏下形式： e = e o e x p - i c o t + i k ( x c ) 】 将式( 2 1 8 ) 代入上式，得： e = e o e x p - i c o t + i c o m ( x ic ) 】 = e o e x p - i c o t + i c o n ( x i c ) - - c o n 群( x c ) 】 ( 2 - 2 2 ) e x p ( - - c o n l c x c ) 项袭示平面波的搬幅随距离而袋减的程度，能量密度的减 少与这一项的平方成正比，在距离x = c 2 c o n i f 处，能量密度减小到服来的1 e 。 由筵我识定义寝寝系数k i k = 2 c o n t c l c = 4 z v n x c = 4 z n t d 2( 2 2 3 ) 到此我们使得到了吸收系数k 与反射系数r 。之间的关系： r 。= 硒( n - - 丽1 ) + ( n t q k = 4 z n x 2 ，一i e 。 2 萨习甄轰霹l + 2 隧c 。s 抖照 e 。e ； 2 到s i n 占 一) l n u f 甭丽碲l + 2 e m | c 。s 艿+ l 嚣f 。l ( 2 - 2 4 a ) f 2 2 4 b ) ( 2 - 2 4 c ) ( 2 - 2 4 d ) 籀二章结磊嚷牧悫谱的分辑 由式( 2 - - 2 4 a ) 与( 2 - 2 4 b ) 可以看出， 墙勺反射系数时，便可以推出其吸收系数。 2 3 实验方法与实验数据 二者通过n 和r 相关，当我们得到物质 而本文也正魁采用了这种方法。 我们采用的是在图2 一l 的基础上的测量装置，其中最基本的组成部分是积 分缘装置，为努还需要僮瘸c c d 竞诺仪、自光光源、巍纾。蚕2 3 为测量缝石啜 积分球 鑫搬 卜 a 圈2 - 3 测量结石吸收光谱的实骏装置 | 雯毙谱实验装鬟圈。其中a 点是接置被潮秘痿的位置。 整个实验过程分为戳下凡部分： 首先，a 处不放置任何物质。打开光源，照射积分球内部，白光在积分球内 多次反射后缀光纤输入c c d 光谱仪，此时，由c c d 光谱仪测得是积分球内部( 除 袁处羚) 懿爱瓣光谱，可以看俸是叁光毙潦谱一一谱l ( 鬻2 - 4 ) 。 删删删mb删 最最 h ) 图2 - 4 自光光源谱 第二步，在a 处放置一白板代替囱板的材质与积分球相同。打开光源将 囱光输入积分球内部，自光在积分球内多次反射嚣经必纾输入c c d 光谱仪，此时 可以逶过c c d 光谱饺测褥a 处放置自授辩积分球内部斡反射光谱一一谱2 ( 窝 第二章结石吸收光谱的分析 2 - 5 ) 。 波长( n m ) 图2 5 积分球内放鼹自板时测得反射光谱 第三步，在a 处放髓结石，打开光源，通过c c d 光诱仪溅褥a 处放嚣结石时 积分球内部的反射光谱一一谱3 ( 图2 6 ) 。 “ 谥长( 。尸 ” 阁2 - 6 积分球内放置结石时测得反射光谱 我们利用专门的光谱分析软件( o u r s p e c e x e ) 处瑗三个光谱，谱2 与谱l l ” fv 、 幽2 7 自板的殷射光谱( 背景谱)豳2 - 8 结石的反射光谱 一1 7 第二章缝嚣疆牧光谱载努辑 麓谱可褥白掇的反射光谱( 背景谱) ，潦3 与谱l 麓谱可褥结石静发簸光谱( 龋 石反射谱) ，如躅2 7 、囝2 8 所示： 袁两个麓港浆斑蕊( 懿整2 - ) ，援剪褥妥缝嚣瓣爱嚣跑，鼯缮石麓茨嚣系 数r 。 聂 魏 襄 数 4 。5 长a m ) 6 鲫 7 f f 3娜。 篷2 - 9 臻石抟反射系鼗 由前面的理论推导w 知，反射系数r 和吸收系数k 的两个激系式( 2 - 2 4 a b ) ，我稻霹以邋_ j 妻整线攒述二骞荧系鲡爨2 一1 0 掰示，嫠中f i x i ，3 ( 采蘩m a t l a b 渡长( r i m ) 图2 - 1 0 结石的反射系数与吸收怒数 一 8 - 第二章结石吸收光谱的分析 软件得到，有关程序见附录3 ) 。 2 4 结论 由图2 一1 0 可以看出，结石的吸收光谱在可见光波段4 0 0 n m 7 0 0 n m 范围变 化很小，均在5 1 0 范围波动，因此我们可以认为，结石对于这个波长范围 的激光吸收近似相等。 由于实验仪器的限制，主要是照射光源的影响，对于紫外、红外波段的光波， 我们未能得到结石的吸收系数相关的数据，这是实验的遗憾之处。今后可以通过 改进实验光源来测量得到更为全面的结石吸收光谱数据。 第三章激光碎石的实验研究与理论分析 第三章激光碎石的实验研究与理论分析 3 1 激光碎石实验 3 1 。1 宓验装置 为了确定碎石机理和治疗结石的最往参数，我们设计下面的实验，图3 - t 是 实验研究装置示意图。我们采用自行研制的脉冲n d ：y a 6 激光器、医用红宝石激 光器，对鹅卵石、大理石、人体绐石三种物质进行了实验。激光通过七关节导光 臀输出，直接照射置于空气中、生理盐水中的实验物质上。 导光臂 目3 一l 实验装置不意幽 激光嚣的选耀我们选择了调( j 脉冲n d ：y a g 激光器、鸯由掇荡模式n d ：y a g 激光器和数宝石激光器，三者的输出参数及模式见表3 - i ，其中n d ：y a g 激光器 可以单独输出i 0 6 4 n m 的激光，壤可班同时输出1 0 6 4 r i m 和5 3 2 n