激光刀的工作原理及其應(yīng)用

（上海市羅店中學(xué)，上海 201908）

0.引言

激光是20世紀(jì)的重要發(fā)明之一。它是一種能量極高、方向性極好的光。在金屬上鉆出具有特定形狀的孔時(shí)，工人需要應(yīng)用具有較高能量的激光；在進(jìn)行遠(yuǎn)距通信時(shí)，工作人員需要應(yīng)用方向性較好的激光，將信息從發(fā)射站傳遞到接收站；在治療腫瘤、心律失常等一系列疾病時(shí)，醫(yī)生需要應(yīng)用特定波長(zhǎng)的激光，準(zhǔn)確地破壞相關(guān)的組織。

由于激光可以與人體的多種組織發(fā)生相互作用，人們可以利用特定波長(zhǎng)的激光切割組織或破壞組織，從而達(dá)到治療疾病的目的。這就是激光刀的工作原理。深入研究不同類型的激光刀的特征，有助于人們?cè)谑中g(shù)時(shí)選擇更合適的激光刀，提高治療效率。

1.激光刀的工作原理

當(dāng)物質(zhì)中的原子吸收具有特定能量的光子時(shí)，原子中的電子將從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)，這就是受激吸收。電子只能在較高的能級(jí)上停留幾微秒或幾毫秒，就會(huì)回到原來的能級(jí)，并釋放出具有特定能量的光子，此過程被稱為自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射時(shí)放出的光子撞擊了一個(gè)已經(jīng)被激發(fā)的原子，那么受激原子將發(fā)出兩個(gè)頻率相同、傳播方向相同的光子，這個(gè)過程被稱為受激輻射。也就是說，一個(gè)光子可以在發(fā)生受激輻射后變成兩個(gè)光子，光被放大了。在激光器中，光會(huì)被反復(fù)放大，數(shù)量很少的光子也能產(chǎn)生很強(qiáng)的激光[1]。

激光可以與人體的多種組織發(fā)生相互作用。由于組織中含有色素和水等能夠吸收激光的物質(zhì)，當(dāng)人們用激光照射組織時(shí)，激光可以破壞組織間的連接，從而切割組織。此外，激光可以燒灼組織，使組織發(fā)生汽化，從而去除病變組織。這就是激光刀的工作原理。

2.激光刀的應(yīng)用

激光刀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。醫(yī)療工作者可以利用激光刀完成結(jié)石手術(shù)、腫瘤手術(shù)、美容和重建手術(shù)以及消融異常傳導(dǎo)通路。多數(shù)研究表明，激光刀的手術(shù)效果可以與傳統(tǒng)醫(yī)療器械的手術(shù)效果相媲美，而且激光手術(shù)的創(chuàng)面較小、出血量較小、不良反應(yīng)發(fā)生率較低[2]。

2.1 激光刀在整形手術(shù)中的應(yīng)用

激光能夠促進(jìn)脂肪分解。在進(jìn)行減脂手術(shù)的過程中，整形外科醫(yī)生通常需要將一根φ為1mm的套管包繞的光纖放入患體內(nèi)，能量極高的激光會(huì)促進(jìn)脂肪的分解。由于套管的尺寸是非常小的，醫(yī)生只需要作較小的切口，即可完成整臺(tái)手術(shù)，這種手術(shù)策略有效地減少了出血量，降低了疤痕的形成率。在可用于醫(yī)療領(lǐng)域的所有激光中，波長(zhǎng)為920nm的激光在脂肪組織中的吸收系數(shù)最小，它們會(huì)穿透表層組織，到達(dá)更深層的組織。波長(zhǎng)在1320nm～1444nm范圍內(nèi)的激光在脂肪中的吸收系數(shù)最大，它們的穿透深度較小，醫(yī)生可以利用這些激光處理體表脂肪組織。Nd：YAG激光（波長(zhǎng)為1064nm）是廣泛用于促進(jìn)脂肪分解的激光，它在脂肪中的吸收系數(shù)是適中的，并且這種激光也有一定的穿透能力，可以同時(shí)作用于淺層脂肪組織和深層脂肪組織。研究表明，在Nd：YAG激光發(fā)揮作用的過程中，脂肪組織的溫度不會(huì)大幅升高，因此，該激光對(duì)組織的損害較小。此外，該激光可以使小血管中的血液逐漸凝結(jié)，減少手術(shù)期間患者的失血量。研究表明，激光輔助吸脂術(shù)的失血量顯著低于傳統(tǒng)吸脂手術(shù)。此外，一些研究者發(fā)現(xiàn)，激光可以使皮下脂肪均勻地分解激光，患者的皮膚不會(huì)在手術(shù)后變形[3]。

此外，激光能夠選擇性地靶向病理性脈管系統(tǒng)。因此，整形外科醫(yī)生常常用激光治療與血管缺陷相關(guān)的皮膚病（如葡萄酒斑）。事實(shí)上，激光刀幾乎是治療這類皮膚病的唯一方法。在開展這類手術(shù)時(shí)，醫(yī)生需要使用易被血紅蛋白吸收、不易被黑色素吸收的激光，減小激光對(duì)表皮的傷害。一些醫(yī)生嘗試在手術(shù)中使用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的激光，提高其穿透組織的能力[4]。

2.2 激光刀在心臟手術(shù)中的應(yīng)用

功能異常的肺靜脈（PV）可以成為異常起搏點(diǎn)，導(dǎo)致患者發(fā)生陣發(fā)性房顫（AF）。導(dǎo)管消融技術(shù)的發(fā)展啟發(fā)肺靜脈電隔離術(shù)發(fā)展（PVI）。激光氣球?qū)Ч苁亲畛Ｓ糜谥委煼款澋膬?nèi)窺鏡消融系統(tǒng)（EAS）之一。該系統(tǒng)的主要零件是一個(gè)導(dǎo)管，該導(dǎo)管的頂端有一個(gè)順應(yīng)性很好的球囊，在進(jìn)行心臟手術(shù)的過程中，醫(yī)生需要不斷用氧化氘沖洗該球囊，在將導(dǎo)管插入左心房后，他們需要將內(nèi)窺鏡插入導(dǎo)管中，并將內(nèi)窺鏡放入心房?jī)?nèi)或心室內(nèi)。在妥善放置后，醫(yī)生可以直接看到心臟內(nèi)的消融目標(biāo)。裝在中心腔中的二極管激光器可以發(fā)出垂直于導(dǎo)管軸的、波長(zhǎng)為980nm的高能激光，這些激光將作用于PV病灶，發(fā)揮消融的作用。該激光不會(huì)在被氘吸收，而是可以滲透到內(nèi)皮外的組織中。在那里，它將被水分子吸收，導(dǎo)致組織溫度升高、血液凝結(jié)，異常起搏點(diǎn)處的組織會(huì)發(fā)生壞死。在作用于不同的心腔時(shí)，醫(yī)療工作者需要改變預(yù)定義的參數(shù)改變消融的功率（通常為5.5W～12W），從而改變激光傳遞的能量。此外，Nd：YAG激光刀也是一種常用于心臟手術(shù)的激光刀。Metzner等人進(jìn)行的多中心研究表明，Nd：YAG激光刀的成功率很高，可與傳統(tǒng)的PVI手術(shù)相媲美[5]。

在阻斷異常傳導(dǎo)通路時(shí)，醫(yī)生必須在心臟中形成完全的透壁病變，才能實(shí)現(xiàn)完全的傳導(dǎo)阻滯。Melby等研究者發(fā)現(xiàn)，在消融后，即使遺留的傳導(dǎo)通路的直徑只有1mm，竇性心律和陣發(fā)性房顫的電脈沖也可以傳播。研究人員在比較不同能量水平的激光的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用較高能量水平的激光可以提高手術(shù)的成功率，降低AF復(fù)發(fā)率，并且不會(huì)對(duì)心肌組織造成額外的損害。

2.3 激光刀在神經(jīng)手術(shù)中的應(yīng)用

在神經(jīng)外科領(lǐng)域，激光刀可以有效地治療許多類型的難治性癲癇，如中顳葉癲癇、皮質(zhì)發(fā)育不良、中風(fēng)后皮質(zhì)病灶、腦膨出、腦室結(jié)節(jié)性異位癥和下丘腦錯(cuò)構(gòu)瘤等[6]。除了用于消融癲癇病灶外，激光刀還可以用于斷層治療。醫(yī)生可以應(yīng)用激光刀，將癲癇源性大腦與非癲癇源性大腦分開。研究人員發(fā)現(xiàn)，激光刀可以成功分離下丘腦錯(cuò)構(gòu)瘤。此外，二氧化碳激光也可以用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，它可以有效地消融兒童大腦中的病灶降低兒童癲癇的發(fā)生率[7]。一種新型激光療法—MRI引導(dǎo)的激光誘導(dǎo)熱療法（MRgLITT）可以用于治療頑固性癲癇。它可以消融癲癇灶、阻斷異常的神經(jīng)沖動(dòng)。在進(jìn)行MRgLITT時(shí)，醫(yī)生需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的二極管激光器發(fā)出的980nm激光的能量，并根據(jù)成像系統(tǒng)中的術(shù)中圖像，了解組織在接受激光的照射后發(fā)生的變化，從而更精確地控制所傳遞的能量。

2.4 激光刀在牙科手術(shù)中的應(yīng)用

在進(jìn)行牙科手術(shù)時(shí)，醫(yī)生常常需要進(jìn)行非常精細(xì)的操作。他們需要在狹小的口腔內(nèi)分離健康組織與病變組織，從而移除病變組織。激光刀可以靶向某一特定口腔組織，高效地切割病變組織，或者使病變組織汽化。此外，口腔科醫(yī)生還可以用激光刀促進(jìn)填充物的固化，這種固化方式比傳統(tǒng)的固化方式更高效，且激光可以使填充物更貼合牙齒。激光刀還可以用于美白牙齒，口腔科醫(yī)生通常以激光為熱源，增強(qiáng)牙齒漂白劑的效果[8]。

2.5 激光刀在骨科手術(shù)中的應(yīng)用

激光可以促進(jìn)脊柱和關(guān)節(jié)軟骨再生，其在骨科手術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在自然條件下，軟骨再生的過程會(huì)受到體內(nèi)環(huán)境的限制。在生長(zhǎng)一段時(shí)間后，軟骨細(xì)胞會(huì)逐漸失去增殖能力，延長(zhǎng)修復(fù)軟骨所需的時(shí)間。

激光輻照是控制軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和軟骨的新陳代謝的良好工具。在修復(fù)軟骨的過程中，透明軟骨發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。激光可以誘導(dǎo)透明軟骨填充軟骨結(jié)構(gòu)的缺陷，刺激軟骨再生，加快軟骨修復(fù)速度。其基本生物學(xué)機(jī)制是，激光可以刺激透明軟骨中的軟骨細(xì)胞，使未成熟細(xì)胞和干細(xì)胞快速分化，促進(jìn)其分泌細(xì)胞外基質(zhì)。此外，一些研究表明，激光可以誘導(dǎo)成熟軟骨細(xì)胞發(fā)生去分化，提高軟骨組織中的細(xì)胞群的再生能力、分裂能力。動(dòng)物研究表明，用非消融激光照射軟骨細(xì)胞外基質(zhì)，就可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞再生。

位于身體的不同部位的軟骨具有相似的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，其差異主要與細(xì)胞種群特征和組織的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。研究表明，四肢、肋、關(guān)節(jié)和鼻中隔的透明軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)非常相似。因此，用于治療四肢軟骨疾病的激光刀也可以用于治療肋、關(guān)節(jié)和鼻中隔的軟骨疾病。此外，激光刀還可以修復(fù)受損的透明板和其他關(guān)節(jié)軟骨。在未來十年中，原本需要在肩膀、臀部和膝蓋等處植入假體的患者將無需接受復(fù)雜而昂貴的手術(shù)。在接受激光手術(shù)后，他們的軟骨的再生能力將大大增強(qiáng)，遭受創(chuàng)傷和發(fā)生退行性改變的半月板、韌帶和小關(guān)節(jié)將發(fā)生自發(fā)修復(fù)[9]。不過，這種促進(jìn)再生的技術(shù)目前還不成熟?？茖W(xué)家應(yīng)當(dāng)開展更多的關(guān)于激光與軟骨的相互作用的研究，深入探索激光誘導(dǎo)軟骨再生的具體機(jī)制。

3.結(jié)語

激光刀在外科領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。激光具有很高的能量，當(dāng)這些能量被組織吸收后，一些組織的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，一些組織會(huì)逐漸壞死。因此，激光可以用于治療多種疾病，如腫瘤、結(jié)石、房顫、癲癇等。多數(shù)激光手術(shù)是微創(chuàng)的，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小，患者的恢復(fù)時(shí)間較短?？茖W(xué)家和技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)不斷改進(jìn)現(xiàn)有的激光刀，提高其產(chǎn)生的激光的精度和安全性，使激光手術(shù)的療效更好、更安全，從而提高患者的滿意度。