Nd:YAG激光治療機(jī)脈沖寬度與能量關(guān)系的探討

陳鳳萍 劉婧瑩 吉林省醫(yī)療器械檢驗所 （長春 130062）

Nd:YAG激光治療機(jī)脈沖寬度與能量關(guān)系的探討

陳鳳萍 劉婧瑩 吉林省醫(yī)療器械檢驗所 （長春 130062）

該文通過對2015年國家醫(yī)療器械監(jiān)督抽驗中摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光治療機(jī)的檢驗，在完成常規(guī)檢驗的同時，對脈沖寬度與激光輸出功率/能量之間的關(guān)系進(jìn)行探索性研究，通過實際檢測數(shù)據(jù)來說明它們的關(guān)系。

激光治療機(jī) 脈沖寬度 激光能量 激光功率

1.引言

20世紀(jì)60年代世界上第一臺激光器的出現(xiàn)開辟了激光技術(shù)發(fā)展的新時代。激光器的出現(xiàn)對世界各國國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)及日常生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光發(fā)揮越來越重要的作用。

激光是一種受激輻射的光放大，其物理基礎(chǔ)是受激輻射。激光具有高單色性、高方向性、高相干性和高亮度高等特點，因此激光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生許多新的現(xiàn)象，由此派生出許多新的學(xué)科分支。激光醫(yī)學(xué)的發(fā)展正是以激光技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，激光對生物有機(jī)體包括對人體組織的作用，是目前國內(nèi)外許多物理學(xué)家和醫(yī)學(xué)激光專家在積極探索的一個新興學(xué)科。

激光的相干性非常好，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。利用激光與生物組織產(chǎn)生的不同生物效應(yīng)（包括熱效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、生物刺激效應(yīng)等），可以治療、診斷多種疾病。目前用于醫(yī)學(xué)治療的激光器主要是Nd:YAG固體激光器和CO2氣體激光器。兩者各有優(yōu)缺點，從生物效應(yīng)看，CO2激光能被生物組織（主要成分是水）強烈吸收，切割效率高，而Nd:YAG激光對生物組織的穿透深、熱灼傷小且凝固、止血效果好。在光束傳輸方面，Nd:YAG激光可用光纖傳輸，操作靈活、簡單，能有效接近病灶，臨床使用方便[1]，而CO2氣體激光器不能用光纖傳輸。此外，Nd:YAG激光可以在連續(xù)工作方式下工作，也可以在脈沖工作方式下工作，輻照方式有非接觸式、接觸式兩種，加上激光器體積小、可靠性高、價格較低等優(yōu)點，因而其醫(yī)學(xué)性能較CO2氣體激光器而言更優(yōu)越，已廣泛應(yīng)用于外科、內(nèi)窺鏡、腫瘤、皮膚色素疾病、血管性皮膚病變等領(lǐng)域的臨床治療。特別是在脫毛和治療血管性皮膚病變方面，由于激光對周圍組織熱損傷小，具有無流血、無疤痕、不易感染等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，人們在激光治療血管類疾病和皮膚色素類疾病及激光美容方面做了大量的臨床研究，醫(yī)學(xué)研究表明：重復(fù)率Q開關(guān)Nd:YAG激光器在激光醫(yī)學(xué)中有著新的應(yīng)用前景。其中包括兩類，一類是雙脈沖Nd:YAG激光治療皮膚類疾病，另一類是用重復(fù)率Nd:YAG脈沖激光治療血管類疾病。

美國醫(yī)生Anderson和Palrish在1983年提出了“選擇性光熱解作用”原理，此原理為激光美容奠定了理論基礎(chǔ)[2]。隨后的十幾年里，激光技術(shù)發(fā)展迅速，大量不同波長的激光器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域陸續(xù)涌現(xiàn)。它們的出現(xiàn)使得色素類疾病以及血管類疾病的治療取得了突破性進(jìn)展[3～5]。

2.實際檢驗數(shù)據(jù)

常規(guī)檢驗的主要性能指標(biāo)為激光波長、終端輸出激光功率/能量不穩(wěn)定度、終端輸出激光功率/能量復(fù)現(xiàn)性、脈沖寬度、脈沖頻率。激光波長在日常注冊檢驗、監(jiān)督抽驗中很少出現(xiàn)不合格情況，皮膚組織對不同波長激光的吸收程度不同，所以正確選擇波長才能達(dá)到預(yù)期的治療效果。如1064nm激光，皮膚中的黑色素強烈吸收這個波長的激光，所以用1064nm激光來治療紋身。終端輸出激光功率/能量不穩(wěn)定度和終端輸出激光功率/能量復(fù)現(xiàn)性主要考察激光治療機(jī)工作一段時間內(nèi)的穩(wěn)定性和激光治療機(jī)每次開機(jī)后輸出值的復(fù)現(xiàn)性，保證激光治療機(jī)的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性可以防止治療過程中以及每次開機(jī)后激光輸出功率/能量突然升高，避免給患者和操作者帶來輻射傷害。脈沖寬度及重復(fù)頻率決定了激光的峰值功率，這是激光治療機(jī)中的一個重要參數(shù)，直接影響治療效果。

脈沖寬度與激光輸出功率/能量的探索性研究，通過將治療機(jī)設(shè)置在不同功率或能量下（波長1064nm/532nm），利用功率/能量計、光電探測器、數(shù)字熒光示波器等儀器檢驗其脈沖寬度。檢驗數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。為了方便，給三臺激光治療機(jī)分別編號為1號、2號、3號激光治療機(jī)。

表1 . 1號激光治療機(jī)脈沖寬度與激光能量數(shù)據(jù)1 0 6 4 n m激光 5 3 2 n m激光激光能量( m J ) 脈沖寬度( n s ) 激光能量( m J ) 脈沖寬度( n s ) 1 0 0 1 1 . 6 2 0 1 2 . 4 2 0 0 1 2 . 0 1 0 0 1 2 . 4 3 0 0 1 2 . 0 1 6 0 1 2 . 2 4 0 0 1 1 . 8 2 0 0 1 2 . 4 5 0 0 1 2 . 0 2 6 0 1 1 . 6 6 0 0 1 1 . 6 3 0 0 1 2 . 0 7 0 0 1 2 . 0 3 6 0 1 2 . 0 8 0 0 1 0 . 4 4 0 0 1 1 . 6

圖1. 1號激光治療機(jī)波長為1064nm時脈沖寬度與激光能量的變化關(guān)系曲線

圖2. 1號激光治療機(jī)波長為532nm時脈沖寬度與激光能量的變化關(guān)系曲線

圖3. 2號激光治療機(jī)頻率為40Hz時脈沖寬度與激光能量的變化關(guān)系曲線

圖4. 3號激光治療機(jī)輸出脈寬為5ms時單脈沖寬度與激光能量密度的變化關(guān)系曲線

圖5. 3號激光治療機(jī)脈沖串寬度為300ms時單脈沖寬度與激光能量密度的變化關(guān)系曲線

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表3 . 3號激光治療機(jī)脈沖寬度與激光能量密度數(shù)據(jù)設(shè)定輸出激光脈寬0 . 3 m s 設(shè)定輸出激光脈寬5 m s激光能量密度( J / c m2) 脈沖寬度( μ s )激光能量密度( J / c m2)脈沖寬度( m s ) 1 5 3 7 0 1 5 4 . 3 2 2 0 3 8 6 5 0 4 . 6 8 2 5 3 9 6 1 0 0 4 . 8 8 / / 1 5 0 4 . 9 2 / / 2 4 0 4 . 9 2

脈沖寬度與激光能量密度光脈寬4 0 m s (脈沖串的寬度，每個脈沖串里有6個相同的脈沖)激光能量密度( J / c m2)單脈沖寬度( μ s )脈沖串寬度( m s ) 1 5 4 6 0 4 0 . 0 5 0 5 6 0 4 0 . 0 1 0 0 8 0 0 3 9 . 8 2 0 0 8 8 0 4 0 . 0 2 4 0 9 0 0 3 9 . 8

表5 . 3號激光治療機(jī)單脈沖寬度與激光能量密度數(shù)據(jù)設(shè)定輸出激光脈寬5 0 m s (脈沖串的寬度，每個脈沖串里有6個相同的脈沖)激光能量密度( J / c m2)單脈沖寬度( μ s )脈沖串寬度( m s ) 1 5 4 2 0 4 9 . 8 5 0 6 0 0 5 0 . 0 1 0 0 7 0 0 4 9 . 8 2 0 0 8 8 0 4 9 . 8 2 4 0 9 0 0 4 9 . 8

表6 . 3號激光治療機(jī)單脈沖寬度與激光能量密度數(shù)據(jù)設(shè)定輸出激光脈寬3 0 0 m s (脈沖串的寬度，每個脈沖串里有6個相同的脈沖)激光能量密度( J / c m2)單脈沖寬度( μ s )脈沖串寬度( m s ) 1 5 5 0 0 3 0 0 5 0 6 0 0 3 0 0 1 0 0 7 0 0 3 0 2 2 0 0 8 8 0 3 0 0 2 4 0 9 0 0 3 0 2

3.結(jié)論

通過對以上三個型號的激光治療機(jī)進(jìn)行探索性研究，我們可以看出，2號和3號激光治療機(jī)的脈沖寬度（單脈沖寬度）隨著激光能量的增加而變寬，脈沖串的寬度不隨激光能量的變化而變化；1號激光治療機(jī)的激光脈沖寬度與激光能量沒有明顯的變化關(guān)系，所以我們得出結(jié)論是激光脈沖寬度與激光能量的關(guān)系并不是固定的，這與激光治療機(jī)的設(shè)計直接相關(guān)，如激光治療機(jī)的電源，激光器內(nèi)部的Q開關(guān)、激光晶體、倍頻晶體等等；在實際測量過程中發(fā)現(xiàn)，光電探測器接收激光的角度影響脈沖寬度的大小，當(dāng)利用激光的反射光測量脈寬時，反射材料不同，脈沖寬度也不同，對于激光脈沖寬度與能量的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

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The Discussion of the Relationship Between the Pulse Width and Energy of Nd: YAG Laser

CHEN Feng-ping LIU Jing-ying Jilin Medical Device Test Institute (Changchun 130062)

In this paper, through the 2015 national medical equipment supervision of the Nd:YAG laser, routine testing is completed, at the same time,do the exploratory study on the relationship between the pulse width and output power / energy, illustrate their relationship by actual test data.

laser, pulse width, laser energy, laser power

1006-6586(2017)03-0060-03

TH773

A

2016-11-17