醫(yī)用光學(xué)儀器----醫(yī)用激光儀器

        激光具有方向性強、單色性好和亮度高的特性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用來診斷和治 療多種眼科及其他疾病。 本節(jié)將以眼科激光檢測儀、眼科激光治療儀和準(zhǔn)分子激光屈光不正治療等常見的激光 儀器作為重點，介紹各自的組成與特點。

        一、激光器的結(jié)構(gòu)、原理 圖7-16是氦氖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中C為一支圓柱形的玻璃管，內(nèi)徑約幾毫米，長 幾厘米至幾十厘米；d是在玻璃管抽成真空后充人 進去的氦氣和氖氣，稱為激光器的工作物質(zhì)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1個大氣壓的稀薄氣體，其中氖氣是發(fā)射 波長為632. 8nm的激光工作物質(zhì)，氨氣則是輔助氣體，Ml和M2是內(nèi)側(cè)涂了反射膜的兩塊反射 鏡，平行封接于玻璃管的兩端，組成激光器的光學(xué) 諧振腔，其中有一塊是反射率盡可能高的全反射 鏡，另一塊則稱為部分反射鏡，它除了有反射功能以外還讓管中部分受激輻射光從此鏡透出管外， 所以這塊反射鏡叉稱為輸出窗；Pl和P2則是兩 根電極，接通電源后可使玻璃管內(nèi)的稀薄氣體發(fā)生放電，是氣體激光器的泵浦源。只要工作 物質(zhì)，泵浦源和諧振腔的條件合適，則即可以從輸出窗向外輸出激光束。 當(dāng)玻璃管C內(nèi)充入CO2氣體，則為CO2激光器；當(dāng)玻璃管C內(nèi)充人氬氣或氪氣，則為氬離子激光器或氪離子激光器。當(dāng)玻璃管C內(nèi)充人固體基質(zhì)，則為固體激光器；若C內(nèi)充人 液體，則為液體激光器。

        二、激光束的特性 由于受激輻射的光子經(jīng)光學(xué)諧振腔限模以后，從激光器輸出窗射出的光于以相同頻率 振動，所以激光束具有單色性好的特性，即激光的能量高度集中在單位頻譜內(nèi)；光子傳播方向相同，發(fā)散角極小，具有方向性好的特性，即激光的能量在空間高度集中；同時激光能量還能在時間上高度集中。與相同發(fā)光能量的普通光相比，激光由于光能量可以在空問、時間和單位頻寬內(nèi)高度集中，從而光的亮度比普通光高數(shù)萬億倍，其單色亮度更是提高億億倍。醫(yī)學(xué)上正是利用了激光的這些獨特性能設(shè)計制作了各種醫(yī)療器械，這里我們主要討論眼科醫(yī) 療器械。 激光之所以能夠用來檢測和治療眼病，是因為眼球各層組織在吸收適當(dāng)波長、適當(dāng)劑量的激光以后有可能發(fā)生光致發(fā)光作用、光致光熱作用、光致化學(xué)作用、光致壓強作用、光致電磁場作用和光致生物刺激作用。 光致光熱作用是激光能夠治療眼病的重要原因之一。激光枧網(wǎng)膜光凝固及激光凝固治療眼各層血管性疾病就是利用了激光的熱作用機制。 眼科臨床用光動力作用治療眼內(nèi)惡性腫瘤就是應(yīng)用了光致敏化。光致敏化實質(zhì)上是光致化學(xué)作用，當(dāng)激光作用于組織后，使生物分子吸收能量從而引起生物物質(zhì)可能發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)。 眼科的光切術(shù)主要應(yīng)用了光致壓強作用。光子既有運動質(zhì)蛩又有動地，撞擊物體時必然給受照表面施加輻射壓力，這種壓強與激光束的功率密度成正比。 光凝術(shù)和光切術(shù)。光凝術(shù)利用了熱凝同原理，可以破壞病變組織，如凝同眼底血管瘤， 還可以通過熱凝固焊接相離的組織。光切術(shù)是光的熱作用和壓強作用的結(jié)果，如用ArF準(zhǔn) 分子冷光刀切削角膜。

        三、激光掃描限底電視機
        美國視網(wǎng)膜基金會眼科研究院于20世紀(jì)80年代末研制成功激光掃描眼底電視機。這種儀器不但能夠檢查視網(wǎng)膜任何位置的視功能，而且還能用來觀察視網(wǎng)膜和玻璃體病變以及眼底血液循環(huán)異常。

        （一）儀器的構(gòu)造和原理
        以眼底為目標(biāo)，激光掃描眼底電視機有兩個光路體系：激光束照明光路和眼底反射光的 光路。激光束照明光路是從激光器發(fā)出的照明光，經(jīng)過一系列光學(xué)元件，到達眼底時形成激光掃描光柵；眼底反射光的光路體系是帶有眼底各種信息的反射光離開眼底，經(jīng)一系列光學(xué)元件，到迭光電接收器，再轉(zhuǎn)換成電視屏上的圖像。 激光束照明光路的照明光源是氨氖激光或氪氳混合氣體激光，輸出功率均在視網(wǎng)膜損傷閱值以下。激光束經(jīng)過兩個不同頻率振蕩的反射鏡，從而使光束作水平和垂直兩個方向掃描合成結(jié)果形成掃描光柵。 眼底反射光的光路體系是從眼底反射出來的帶有視網(wǎng)膜各種動態(tài)和靜態(tài)的反射光線。 經(jīng)光電放大器接收轉(zhuǎn)換成電流信號并放大輸出，用計算機控制的聲光調(diào)制來改變激光掃描 光束在某瞬時的光強度，從而在眼底形成各種不同形態(tài)干¨不同對比度的靜態(tài)和動態(tài)阿形。

        （二）激光儀器的特點
        i．進出瞳孔的光路安排上與一般間接檢眼鏡或眼底照相機恰好相反。在瞳孔中心小 區(qū)域內(nèi)通過進入光路，而其余大區(qū)域則通過出來光路，從而可大為降低照明光的強度，同時 大大提高了反射光的光通量。過去間接檢眼鏡要求光強度為0. 1W/cm2，普通熒光眼底造 影術(shù)所需光強度為4×1012W/cm2，而本儀器則只需70µW/cm2的光強。

        2．進入眼球的光束是很細(xì)的，入射光瞳小，從而大大增加了景深，因而虹膜、玻璃體和 視網(wǎng)膜能同時看清。而反射出來的光線并不需要形成光學(xué)像，從而避免了光學(xué)像差，提高了像質(zhì)。本機不僅能提供彩色眼底像，而且能提供反映眼底不同層次的單色光圖像。 
        3.光源可分別換用紅光、黃光、綠光或藍光，可滿足觀察不同層次和不同用途的需要。 由于接收光效率高，熒光血管造影熒光索劑量減至一般劑量的110，因此可多次重復(fù)造影。

        （三）測試方法 一般視力檢查只能測定黃斑中心凹處的視力，本儀器則能測定視網(wǎng)膜上任何都位的視力。醫(yī)生可以用操縱桿將視標(biāo)投到患眼視網(wǎng)膜的任何特定位置上，將“E”置于視乳頭黃斑中心凹區(qū)域，讓患者辨認(rèn)，并按下“上、下、左、右”四個方向中的一個撳鈕。電子計算機將根據(jù)辨認(rèn)正確與否自動變換視標(biāo)的大小和方向，直至測出視力并打印出來。臨床上，主要川來 確定黃斑病變患者的蛀佳視力位置。

        四、眼科激光治療儀眼科檢驗州的激光是利用了光能量的高度單色特性和高度相十特性，眼科治療用的激光則是利用了高單色亮度的光能挺。前者強調(diào)了這種光能量的特性，而光能量是只需很弱的量，后者則強調(diào)r具有這些特性的光能量。

        （一）紅寶石激光器
        紅寶石激光器因其激光工作物質(zhì)是固體而屬于聞體激光器。其工作物質(zhì)是紅寶石晶 體，這種晶體的基質(zhì)是剛玉(Al2O3)．摻入少量雜質(zhì)Cr2O3，，所摻雜質(zhì)的重量僅為總重量的0. 05%，使部分Cr3+代替Al3+．從而使剛玉晶體變成為呈紅色的紅寶石晶體。通常選用脈 沖氙燈作脈沖激勵源，使紅寶石晶體中的Cr3+實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生波長為694. 3nm的受激輻射。再經(jīng)晶體棒麗端的兩塊反射鏡的諧振，終使這種激光器輸出694. 3nm波長的脈沖激光。于1960年發(fā)明的世界上臺激光器就是紅寶石激光囂。紅寶石激光器的 個用途就是用于眼科治療。這種激光器的脈沖峰值功率一般為幾千瓦到幾十千瓦，每脈沖能量為0.1~1. 5J。20世紀(jì)60年代主要用這種激光光凝治療眼底病和光切虹膜治療 閉角型青光眼、虹膜囊腫等有關(guān)疾病。以后南更優(yōu)越的氳激光和氪激光代替紅寶石激光。

        （二）摻釹釔鋁石榴石激光器
        摻釹釔鋁石榴石激光器是固體激光器，其工作物質(zhì)是摻人了少量釹的釔鋁石榴石晶體，其基質(zhì)是釔鋁石榴石，英文縮寫YAG，化學(xué)成分是由3份Y2O3和5份Al2O3化合而成。在YAG晶體中摻入1%的Na2O3，使少量Na3+代替YAG晶體中的部分Y3+，制成摻釹釔鋁 石榴石晶體，比作Na：YAG。通常選用連續(xù)氪燈作為連續(xù)激勵的泵浦源，經(jīng)光學(xué)諧振后終使Na；YAG晶體中的Na3+發(fā)出波長為1.06µm的近紅外連續(xù)激光從激光器輸出端輸出。臨床上用這種激光治療眼內(nèi)無色素組織的眼前節(jié)疾病，如用來治療膜性白內(nèi)障，也可用于光切瞳孔治療瞳孔膜閉等。但這種連續(xù)激光的光強不夠，需將光能量在時間上集中，制成 調(diào)QNa：YAG激光，稱為巨脈沖激光。此外，若在Na：YAG激光的諧振腔內(nèi)插入非線性 倍頻元件，使輸出光的振動頻率加倍，即波長減率，從而使原來波長是1 06µm的不可見紅 外光變成了波長是0. 53µm的可見綠光，此波長的光在眼科的應(yīng)用前景廣泛。

        （三）氬離子激光器和氪離子激光器
        氯離子激光器和氪離子激光器因它們的工作物質(zhì)是氣體而都屬氣體激光器。氣體激光 器的工作物質(zhì)有原子氣體、分子氣體、離子氣體和準(zhǔn)分子氣體等，氬離子激光器和氪離子激光器是離子氣體激光器。這種激光的波長與激活物質(zhì)的有關(guān)結(jié)構(gòu)對應(yīng)，工作方式則與泵源 的工作方式對應(yīng)，如脈沖泵浦則輸出脈沖激光，如連續(xù)泵浦則輸出連續(xù)激光。 氬離子激光逐漸代替紅寶石激光，氬離子激光器是目前可見光區(qū)域內(nèi)連續(xù)輸出功率高 的一種激光器，功率可這幾十瓦，能量也較容易精密控制，經(jīng)透鏡聚焦石氪離子激光束直徑可 小至4.0-5. 0µm，治療過程中對周圍組織操作少。其主波長是514. 5nm綠光和488．0nm藍 光，這種波長的光對眼屈光介質(zhì)有很高的透過率，眼球色素組織則對這種波長的光縣有很高的 吸收率，因而用它治療眼內(nèi)各層血管瘤、病變血管、新生血管和其他出血性疾病。 氪離子激光器結(jié)構(gòu)與氬離子激光器的結(jié)構(gòu)完全相同，若將氪離子激光器里的氬氣抽走后充人氳氣，則就成為氪激光器了。氪離子激光器的連續(xù)輸出功率為十幾瓦，主波長為520. 8nrn綠光，與68. 2nm黃光和647. 1nm紅光。

        （四）氦氖激光器
        氦氖激光器是原子氣體激光器．在激光管內(nèi)充人稀薄的氦氣和氖氣，其中氖原于是輻射波長為632 8nm激光的工作物質(zhì)，氦氣則是輔助氣體。氦氖激光器輸出功率從幾個毫瓦到幾十毫瓦，是連續(xù)激光。眼科激光檢測儀的激光光源主要是氦氖激光。國內(nèi)也有用氦氣激光作為理療光源或光針的光源，治療眼部有關(guān)疾病。

        （五）ArF準(zhǔn)分子激光器
        ArF準(zhǔn)分子激光器的工作物質(zhì)是惰性氣體鹵化物．這種物質(zhì)在處于基態(tài)時是原子氣體，但在受激躍遷到高能態(tài)時兩原子形成了分子，這種分子存在的平均壽命很短，約為 10-7 ~10-6秒，很快會自動離解成原來的兩個原子。ArF準(zhǔn)分子激光器輸出波長為l93nm遠(yuǎn)紫外脈沖激光。周外文獻稱為Excimer，我國則稱之為準(zhǔn)分子。 準(zhǔn)分子激光器與別的氣體激光器的結(jié)構(gòu)不同，激光腔不是玻璃制品而是金屬或尼龍圓筒．輸出激光的脈沖寬度約幾十納秒，脈沖能量為l00-200mJ。實用的準(zhǔn)分子激光工作物質(zhì)主要有3種：ArF、KrF和XeF，它們的激光波長分別為l93nm、249nm和35lnm。眼科用的多為波長為193nm的ArF準(zhǔn)分子激光器。ArF準(zhǔn)分子激光是醫(yī)剛激光中光量子能量大的激光，當(dāng)它作用于生物組織后發(fā)生化學(xué)效應(yīng)，而不是發(fā)生熱效應(yīng)，用作手術(shù)“刀”時無熱損傷，稱之為“冷刀”。用光化學(xué)分解作用來切割角膜時使生物分子的化學(xué)鍵斷開，切割精度 可達1µm，術(shù)后刀口處干凈。

        （六）有機染料激光器
        染料激光器的工作物質(zhì)有“有機染料”和“無機染料”兩種，“無機染料”在液體狀態(tài)下工 作，有機染料則可以在任何狀態(tài)下工作，醫(yī)用的有機染料激光器，其工作物質(zhì)在液體狀態(tài)下工作，所以是液體激光器。 有機染料液體激光器都用光泵激勵，當(dāng)用連續(xù)光泵進行連續(xù)激勵時激光器將連續(xù)輸出 連續(xù)光；當(dāng)用脈沖光泵進行脈沖激勵時，激光器將輸出脈沖激光。當(dāng)用作光動力學(xué)療法治療眼部惡性腫瘤時多使用連續(xù)激光，激光功率為幾百毫瓦到幾瓦，所用光泵多用氬離子激光；當(dāng)用于光凝或光切治療眼部疾病時則多用脈沖激光，激光能量約幾十毫焦耳，峰功率約為 105W。脈沖寬度約為幾十毫秒，所用泵浦源多用脈沖氮分子激光或氙閃光燈。 染料激光器的特點是其激光波長連續(xù)可調(diào)。若所用的有機染料是若丹明6B則可在 605~638nm波段內(nèi)調(diào)諧，若用的是若丹明6G，則可在580~610nm波段內(nèi)調(diào)諧。光動力學(xué) 治療眼部惡性腫瘤用的有機染料激光器的工作物質(zhì)是若丹明6B．從而可選其中的630nm譜線作為治療光源。

        五、準(zhǔn)分子激光周光不正治療儀
        Marshall等在1984年，用準(zhǔn)分子激光改變了角膜的屈光度，次命名為激光角膜屈光術(shù)( photorefractive keratectomy，PRK)，近年，應(yīng)用準(zhǔn)分子激光行角膜屈光矯正臨床手術(shù)獲得了廣泛的認(rèn)可。

        （一）準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
        準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)由11部分組成：

        (l)準(zhǔn)分子激光；
        (2)激光傳送系統(tǒng)；
        (3)顯微鏡；
        (4) x-y-z患者桌；

        (5)碎片清除裝置；

        (6)眼動控制裝置；

        (7)攝像系統(tǒng)；

        (8)激光氣體純化器；

        (9)系統(tǒng)清潔劑；
        (IO)氕體供應(yīng)框；
        (11)計算機工作臺。 激光傳送系統(tǒng)有多種類型，其共同目的是限制對角膜區(qū)域釋放太多能量，主要有三種類 型：膜片系統(tǒng)( diaphragm)、眼罩系統(tǒng)(mask)和旋轉(zhuǎn)型裂隙傳送系統(tǒng)(rotating-slit deliverysystem)。

        1．膜片系統(tǒng) 膜片系統(tǒng)由近視減低輪、遠(yuǎn)視減低輪和散光減低輪組成。近視減低輪由 一光圈系列組成，直徑逐漸增大，其結(jié)果表面切削中心越大，使得角膜翦表面曲率變平坦．獲 得近視度數(shù)減低；遠(yuǎn)視減低輪由一環(huán)形光圈系列組成，逐漸增大，增長對切削區(qū)域周邊的激光能量，使得角膜前表面變陡，獲得遠(yuǎn)視度數(shù)的減低；散光減低輪南一系列逐漸增大的長方 形光圈組成，增長對中心部位的激光能量時間，但僅局限于一條子午線，周邊切削的程度比 中心區(qū)域小，切削僅局限于屈光力大的午線。在PRK過程中，兩個暫時不剮的輪予打在空光圈的位置。

        2．眼罩傳送系統(tǒng) 眼罩傳送系統(tǒng)試圖減少角膜切削后的不規(guī)則表面．陔系統(tǒng)由一個吞噬眼罩( erodible mask)和一個放在眼上的眼杯組成，激光必須切削眼罩后才能到達角膜表 面。近視跟罩的面是凹形的，中心表面切削較多，造成角膜平坦，降低近視度數(shù)；遠(yuǎn)視眼罩面 為凸形的，在角膜周邊表面切削較多，降低遠(yuǎn)視度數(shù)；散光眼罩是一個同體狀的，非吞噬性 PMM罩，有一系列同中心的裂隙，不用眼杯，將非吞噬跟罩直接放在角膜表面，以橫向切割方式切削周邊的角膜，使角膜面呈球面形狀，散光眼罩可多次使用，近視和遠(yuǎn)視眼罩只能使用一次。

        3．旋轉(zhuǎn)型裂隙傳送系統(tǒng) 將激光束變成方形光束，方形光束照在一個可旋轉(zhuǎn)的盤子，盤的旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)節(jié)，該盤含有一單個放射狀裂隙，從中心指向周邊，像一片羽毛，通過數(shù) 學(xué)方法來控制裂隙的形狀，通過裂隙旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生對角膜切削的拋物線樣形狀改變。還可以通 過改變裂隙的角位置，在不同的子午線，改變激光的重復(fù)率而行不同的拋物線樣切削，達到矯正散光的目的。切削總量與激光流量、裂隙的角轉(zhuǎn)速度，激光的重復(fù)率，脈沖的次數(shù)成函 數(shù)關(guān)系。 4碎片清除裝置(debris removal filtration system)的作用①將氣味和蒸發(fā)組織清除出術(shù)野；◎避免_[作人員或患者可能的污染；③提高激光束的均勻性。 5激光氣體純化裝置(laser gas purifier)的作用①保持光束的均勻性；②延長激光氣體的生命十倍；③提高能量的穩(wěn)定性。

        （二）準(zhǔn)分子激光特性 準(zhǔn)分子激光是一種高能脈沖氣體激光，脈寬約幾十毫微秒，能量從0.1焦耳到幾焦耳，波 長從紫外到遠(yuǎn)紫外，它們的光子能量為幾個電子伏特，岡此，準(zhǔn)分子激光與生物組織的作用不是通常的熱效應(yīng)，而是光化學(xué)反應(yīng)，光子能量被組織吸收，打斷分子鍵，形成較小的揮發(fā)性碎片，使組織切除。光能切除的特點是碎片帶走了激光沉積在組織表面的全部能量，避免熱損傷。角膜對溫度特別敏感，即使同是準(zhǔn)分子激光器，其輸出波長不同對角膜的影響也是不同的，只有193nm ArF準(zhǔn)分子激光才可能得到精密而清潔的切口，對周圍組織沒有熱損傷。 ArF準(zhǔn)分子激光的光子能量水平為6.4eV/光子，Aron-Rosa等證明，從200 mJ/cm2脈 沖至100mJ /cm2／脈沖，在這個范圍內(nèi)切削組織的深度與流量(fluence)成線性比例，當(dāng)流量 大于120mJ /cm2／脈沖時，切削組織的量將不再與流量成線性函數(shù)關(guān)系，流量越大．被燒毀的基質(zhì)組織區(qū)域越大。