不同工具切割對光纖尖端形態(tài)及功率輸出的影響研究*

孔亞群 董曉曦 鄭小婉 程夢琳 崔北蕓 黃曉峰

近幾年，隨著激光技術(shù)的不斷提升，多種波長的激光在老年口腔疾病的診療中得到了有效的應用[1-3]，甚至在某些疾病(如靜脈畸形、系帶修整等)的治療方面優(yōu)于常規(guī)的治療手段[4]。激光治療主要基于光與生物組織的相互作用，既可以通過非接觸照射達到光生物刺激作用或凝固病變作用[5]，也可以通過接觸病變組織達到切割、氣化等作用[6]。

按照傳輸方式不同，口腔科常用的激光儀器可分為導光臂傳輸激光器(如Er:YAG 激光)和光纖傳輸激光器(如半導體激光)。傳輸激光的光纖主要有三部分組成，包括纖芯、包層、保護套，光纖傳輸?shù)脑砭褪羌す庠诶w芯和包層發(fā)生全反射而“無損”的沿著光纖傳輸。為了避免交叉感染，也為了達到最佳治療效果，口腔臨床中使用的光纖需要在每次使用完畢后進行有效切割，目前臨床上用于切割光纖的工具包括鎢鋼刀、手術(shù)圓刀、金屬剪刀，如果切割不當，光纖尖端就會產(chǎn)生不規(guī)則斷面，從而影響光纖的光學性能及激光能量輸出[7]。臨床上會發(fā)現(xiàn)在相同的治療參數(shù)下，得到的治療效果不同，或者針對同一類疾病的激光治療參數(shù)差別較大。

針對臨床中因切割光纖工具不同導致的照射治療效果差異較大問題，本文從切割工具的角度研究入手，探討口腔臨床常用的切割工具對光纖尖端形態(tài)和功率輸出的影響特點，為光纖切割后激光能量分布提供有效預測平臺，進而將研究結(jié)論應用到臨床中指導激光的使用。

1.材料和方法

1.1 材料及儀器 半導體激光治療儀(Doctorsmile，D5，Italy)，波長為810±10nm，功率0.1～9w，石英光纖直徑320μm，同軸發(fā)出波長650nm的半導體激光作為指示光；紅外成像測溫儀器(FOTRIC，222S，China),可以實時監(jiān)測光纖尖端溫差變化，存儲圖像和數(shù)據(jù)；激光功率計(SOLO 2，PC-Gentec-EO-V2.01.08，Canada)，可以用于810nm 波長激光輸出功率的校正及測量；新鮮離體豬肝組織三塊，組織大小8cm×8cm×4cm。

1.2 實驗方法

1.2.1 建立光纖尖端輸出功率及溫差變化監(jiān)測模型并校對激光器輸出功率 將一根新的出廠配套光纖連接手柄垂直固定，光纖另一端連接激光器，在距離光纖尖端20mm 處放置功率計，通過指示光引導使光纖垂直正對功率計探頭中心。將紅外成像測溫儀器探頭正對光纖尖端用于實時測量溫差變化(圖1)?？紤]到激光器使用的衰減問題需要對實驗儀器進行校對，設置機器屏幕顯示功率及模式分別為1000mW、2000mW，輸出模式為連續(xù)模式(continuous wave,CW)和脈沖模式(pulsed mode,PM)，功率計測量實際功率并校對(校對誤差允許范圍±25mW)。

圖1 光纖尖端輸出功率及溫差變化監(jiān)測模型

1.2.2 不同工具切割對光纖尖端形態(tài)、指示光斑形態(tài)及激光照射后組織表面形態(tài)變化的影響 分別使用鎢鋼刀、手術(shù)圓刀片、金屬剪刀對光纖進行切割，切割流程如下：使用機器配套光纖鉗去除光纖保護套，露出傳導光纖，將光纖置于左手食指指腹上，使用鎢鋼刀或手術(shù)圓刀片在距離光纖尖端約5mm 處輕輕垂直劃一下，用手將殘端折去，對于金屬剪刀則在距離光纖尖端約5mm 處垂直剪斷。以上操作由科室受過培訓的激光管理員完成。完成光纖切割后，將光纖垂直固定，觀察光纖尖端形態(tài)并拍照記錄。將一張A4 白紙置于距光纖尖端約1cm 處，打開激光指示光并垂直照射到白紙上，在暗室內(nèi)觀察不同工具切割后指示光斑的形態(tài)并拍照記錄。依次將不同工具切割后的光纖垂直固定，光纖頭垂直照射置于調(diào)節(jié)架上的豬肝，距離組織表面1cm，設置機器屏幕顯示功率為2000mWCW，連續(xù)發(fā)射激光30s，每組中的參數(shù)分別照射6 個點，照射后即刻觀察生物組織顏色、形態(tài)改變。

1.2.3 不同工具切割對剩余功率及光纖尖端溫差變化的影響 依次將不同工具切割后的光纖固定，設置機器屏幕顯示功率分別為1000mW CW、1000mW PM、2000mW CW、2000mW PM，連續(xù)發(fā)射激光90s，使用功率計實時測量透過光纖尖端后的剩余功率，紅外成像測溫儀器實時測量光纖尖端的溫差變化。整個實驗中，實驗室溫度保持在24℃。

1.3 統(tǒng)計方法 統(tǒng)計使用SPSS21.0 軟件，所有結(jié)果數(shù)據(jù)均以均值±標準差表示，各組數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗。組間比較采用單因素方差分析(ANOVA)，方差不齊時采用Kruskal-Wallis 檢驗進行分析，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2.結(jié)果

2.1 不同工具切割對光纖尖端形態(tài)、指示光斑形態(tài)及激光照射后組織表面形態(tài)的影響 通過觀察發(fā)現(xiàn)，三種切割工具切割光纖后尖端形態(tài)、指示光斑形態(tài)及激光照射后組織表面形態(tài)有所不同。使用鎢鋼刀切割的光纖尖端可以看到比較圓滑的平面，指示光斑為規(guī)則圓形，未見明顯發(fā)散，生物組織表面為中心圓形白色凝固改變，周圍為環(huán)形紅色萎縮改變，邊界清楚；使用圓刀片切割的光纖尖端可以看到不規(guī)則的平面，邊緣包層有少量破壞，指示光斑中心為圓形，但邊緣可觀察到明顯發(fā)散，生物組織表面為中心橢圓形白色凝固改變，周圍未見紅色萎縮改變，邊界不清楚；使用金屬剪刀切割的光纖尖端可以看到尖端沒有形成平面，且包層部分暴露，光纖尖端附近包層呈現(xiàn)不同程度裂隙，指示光斑沒有規(guī)則，生物組織表面無明顯變化(圖2)。

圖2 不同切割工具切割后光纖尖端形態(tài)、指示光斑形態(tài)及激光照射后組織表面形態(tài)

2.2 不同工具切割后剩余功率的變化 組間比較三種工具切割后不同參數(shù)激光照射透過光纖尖端30s、60s、90s 的剩余功率有統(tǒng)計學差異(P＜0.01)，金屬剪刀切割后的功率損耗最大(＞90%)，圓刀片切割后的功率損耗介于鎢鋼刀和金屬剪刀之間(10%～15%)(表1)。

表1 不同工具切割后剩余功率的變化

2.3 不同工具切割后的溫差變化 選擇照射參數(shù)為2000mW CW，組間比較三種工具切割后激光照射30s、60s、90s 光纖尖端的溫度差值有統(tǒng)計學差異(P＜0.01)，金屬剪刀切割后的溫度差值最大(＞17℃)，圓刀片切割后的溫度差值介于鎢鋼刀和金屬剪刀之間(圖3)。

圖3 不同工具切割后的溫差變化

3.討論

近幾年，半導體激光、Nd:YAG 激光等通過光纖傳導的激光器在口腔科的應用越來越多，并且取得了比較滿意的療效。臨床上對于光纖的操作分為非接觸式和接觸式。非接觸式操作即將激光能量通過光纖照射到生物組織上達到治療目的[8]，光纖的作用僅為傳輸激光能量，因此需要光纖的功率損耗最小。接觸式操作主要通過光熱轉(zhuǎn)換作用[9]將部分激光能量轉(zhuǎn)換成熱能，聯(lián)合光纖尖端的機械作用，對目標組織進行切割[10]和氣化[11]，同時剩余一部分激光能量照射到靶組織起到生物刺激的效應，這是激光區(qū)別于電刀或手術(shù)刀的地方。按照激光照射能量的高低可將非接觸照射分為低能量照射和高能量照射，低能量激光又稱為光生物調(diào)節(jié)激光[12]，可以用于治療各類口腔黏膜病變、創(chuàng)面愈合不良等，根據(jù)Amdt-Schultz 定律顯示：存在照射劑量的某個閾值，當照射劑量接近這個閾值時，生物刺激效應愈發(fā)明顯，而當向增大或減小方向遠離這個閾值時，生物刺激效應減弱直至消失[13]。高能量激光照射治療是基于病變本身或表面色素組織吸收激光產(chǎn)生的熱效應，可以用于口腔淺表靜脈畸形[14]、牙本質(zhì)過敏癥[15]、牙齒變色[16]等治療。

影響激光照射治療口腔疾病的因素有很多，包括激光因素、生物組織因素、術(shù)者因素和時間因素等，以往討論的激光因素中常涉及激光的波長、功率密度、能量密度、照射模式等[17]，較少關(guān)注光纖問題導致的差異[18]，如果由于光纖切割原因或者治療中不慎污染光纖尖端導致照射到組織表面的能量沒有達到預期，就會出現(xiàn)不理想的治療效果。

本研究結(jié)果提示，光纖的切割效果會直接影響光纖尖端形態(tài)及功率輸出，鎢鋼刀的切割效果最佳，光纖尖端形態(tài)沒有破壞，激光可以完整的透過光纖尖端傳輸?shù)缴锝M織表面起到理想的照射治療目的，手術(shù)圓刀片的切割效果相對鎢鋼刀較差，功率損耗為10%～15%，臨床上可以起到一定照射治療目的，但不是最佳選擇；金屬剪刀的切割效果最差，功率損耗大于90%，臨床上不應該作為切割工具使用。

在非接觸式操作中應注意避免光纖尖端形態(tài)破壞，必要時需要切割光纖來達到預期效果。Lauren等[7]研究使用鎢鋼刀和陶瓷剪刀切割532nm 波長激光器光纖后照射血管發(fā)現(xiàn)，在相同的照射條件下，最佳切割效果的光纖照射后所有血管立即凝固，無破裂。切割效果不佳的光纖照射血管后結(jié)果難以預測，有時凝固有時破裂。

對于切割效果理想的光纖，在多次使用后也會有一定的影響。Haddad 等[18]研究比較陶瓷剪刀和金屬剪刀切割光纖后的效果發(fā)現(xiàn)，不同的切割工具對能量輸出的影響維持在1 分鐘內(nèi)，超過1 分鐘后組間的能量輸出沒有統(tǒng)計學差異，都會存在能量損耗，提示即使切割效果理想，使用一定時間后需要再次切割光纖。本實驗結(jié)果90s 內(nèi)未見明顯變化，可能受激光波長、照射參數(shù)及光纖直徑影響。

激光的治療大多數(shù)基于熱效應，在治療過程中對溫度的實時監(jiān)測非常重要，可以有效地避免熱損傷問題。激光照射中的溫度監(jiān)測工具有很多，包括紅外測溫儀[11]、熱電偶探測儀[19]、光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)溫度傳感器[20]等，通過實時、精確監(jiān)測光纖尖端和靶組織的溫度變化，控制激光器的輸出能量，可更精確的獲取治療疾病所需的參數(shù)，真正實現(xiàn)激光的精準微創(chuàng)應用。

本實驗只是一個初步研究，選擇的光纖直徑及激光波長范圍有限，切割的方式選擇也比較單一，所以要全面了解不同波長激光在不同條件下對光纖尖端的影響還需要進一步的系統(tǒng)研究。