CO2激光器与二极管泵浦Er:YAG激光器在体外法研究中切割质量比较(2)

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CO2激光器与二极管泵浦Er:YAG激光器在体外法研究中切割质量比较(2)

为了研究激光功率和采样速度对二氧化碳激光器以及Er:YAG激光器在切割深度和热损伤宽度方面的影响。Holger Wurm对屠宰后的新鲜猪舌黏膜进行激光切割。为此，从舌侧切取等量的组织样本(厚度为1厘米)。激光器分别采用了科医人生产的二氧化碳激光器以及Pantec生产的二极管泵浦Er:YAG激光器，具体参数如下：

对于二氧化碳激光器，使用标准聚焦装置（f=300mm，光斑直径500μm），将Er:YAG激光耦合到纤芯芯径为425μm的蓝宝石光纤中。通过在Er:YAG激光器的光束路径上使用计算机控制的快门装置，可以对每个样品重现相同的程序:

(a) 打开激光器

(b) 等待大约10秒以稳定激光器的运行

(c) 启动样品的移动

(d) 当达到恒定的样品移动速度时自动打开快门

在样品移动10mm后（一个周期），关闭快门，样品停止移动。CO2激光的处理过程也采用了类似的方法，使用脚踏开关代替了电脑控制的快门，这导致了切割开始和结束时的不准确。因此，组织学切片取自切口的中间部分。具体设置如图1所示。

实验前，CO2激光器的激光功率设置为10W，这是临床软组织切割的典型值。通过功率计测量束腰处产生的激光功率为7.7W，Er:YAG激光器也使用这个值。为调节激光功率，使Er:YAG激光器的脉冲峰值电流保持不变(300A)，并改变脉冲持续时间。

为了图像采集和评估，Holger等采用了光学显微镜(Axiophot, Carl Zeiss)配备了数码相机(ProgRes C12plus, Jenoptic)，并搭载了捕获和处理软件(Jenoptic, ProgRes Capture Pro, Version 2.5)。该软件还可以测量热损伤和切割深度，如图2所示。是光学显微镜放大20倍后Er:YAG猪舌黏膜组织切割深度和热损伤宽度的测量，包括凝固和炭化。

1. 两种激光器以7.7W激光输出功率和不同切割速度(2,5,10 mm/s)进行对照实验。Er:YAG激光参数:重复频率为200Hz，脉冲持续时间为154µs。

在进行实验时，两种激光系统的切割均匀性可以通过观察比较。当通过CO2激光切割显示出热损伤并直至碳化时，经过Er:YAG激光的切割则没有。切割后，切割壁立即发生一定程度的坍塌。相应的组织学切片显示，CO2激光较Er:YAG激光切割更宽、深度更浅。与Er:YAG激光相比，CO2激光在组织学切片上的热损伤更为明显，切面边缘可见液泡和碳化。

图3显示了两种激光在不同切割速度下的切割深度(左)和热损伤宽度(右)的平均值和标准差。两种激光器的切割深度均随切割速度的降低而增加。Er:YAG激光产生的切割深度大约是CO2激光切割深度的两倍。此外，可以看到，CO2激光切割的热损伤宽度至少是Er:YAG激光切割在所有速度下的两倍。

 

2.研究重复频率(100、200、400和800Hz)对Er:YAG激光器(激光功率= 7.7W)切割深度和热损伤宽度的影响。 

图4显示了切割深度(A)和热损伤宽度(B)的平均值和标准差。随着重复频率的增加，切削深度减小，热损伤宽度增大。

 

3.研究激光功率对不同切割速度(2、5和10 mm/s)、重复频率为200Hz的Er:YAG激光切割深度和热损伤宽度的影响。

图5给出了不同激光功率下切割深度(A)和热损伤宽度(B)的平均值和标准差。切割深度和热损伤宽度随激光功率的增大而增大。随着切削速度的增加，两种测量值都会降低。特别是随着激光功率的增加，切割深度呈近似线性变化。

 

结果讨论

在对新鲜猪舌黏膜的体外研究中可以发现，与临床认可的照射参数下的CO2激光系统相比，使用二极管泵浦Er:YAG激光，我们能够实现更高的切割深度，以及在相当的均匀性下对周围组织的热损伤不太明显。这两个结果至少在定性上是预期的，因为在软组织中Er:YAG激光辐射的吸收更高，并且与二氧化碳激光器对组织汽化相比，Er:YAG是更为高效的热机械烧蚀机制。这一点以及像面上更多的平顶光解释了使用二极管泵浦Er:YAG激光器时缺乏碳化现象的原因，这被认为有利于更好的伤口愈合。

观察到的切割深度随切割速度的增加而下降(图3)可以解释为每个位置的照射时间减少，因此接收到激光能量减少。随着切割速度的增加，每个位置外加能量的减少导致热损伤宽度的减小。众所周知，在激光平均功率恒定的情况下，随着脉冲重复频率的增加，切割深度减小，热损伤增大。这可以解释为，随着重复频率的增加，每个位置的脉冲数量增加。每个脉冲都必须将达到消融阈值的能量引入到组织中，这导致随着脉冲数量的增加，能量流出到周围组织，从而观察到热损伤宽度的增加以及切割深度的减少(图4)。在图5中，可以观察到所有切割速度的平均功率(以及脉冲能量)和切割深度之间几乎是线性相关的。

综上所述，这些实验表明，在不碳化的情况下，Er:YAG激光切割热损伤显著降低，烧蚀效率更高。此外，热损伤宽度的扩大可以通过更改重复频率来优化。由于超过100Hz的高重复率，以及单个脉冲的高重叠，即使在高速下也可以实现清晰的切割边缘。结合已经证明的硬组织切割(例如镫骨切除术)的良好适用性，我们看到了开发一种基于二极管泵浦Er:YAG激光的独特临床系统的巨大潜力。

相关文献：

Wurm H, Schuler P J, Hausladen F, et al. Comparative ex vivo Investigations on the Cutting Quality of the CO2 Laser and the Diode Pumped Er: YAG Laser[J]. Frontiers in Surgery, 2021, 8.

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