納秒鈥激光碎石系統設計

陳瑞濤，顧華東，鄭陳琪，楊 杰，吳先友

(1.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州215163;2.江蘇省醫用光學重點實驗室，蘇州215163;3.中國科學院安徽光學精密機械研究所，合肥230031)

引 言

泌尿系統結石是一種常見病和多發病，全世界的發病率約為5% ～15%［1］。隨著醫療技術的不斷進步，其治療手段逐漸由開放性手術向微創治療方向發展。現在的治療技術主要有體外沖擊波碎石術和輸尿管鏡碎石術。

結石大小、位置、化學成分和解剖異常等因素影響體外沖擊波碎石術的治療效果［2］。輸尿管鏡碎石術主要包括氣壓彈道碎石術和鈥激光碎石術。氣壓彈道碎石容易導致結石移位，治療過程中會出現創傷、出血等并發癥［3］。氣壓彈道聯合超聲碎石，低硬度結石用超聲碎石，高硬度結石用氣壓彈道碎石，但是對于結構復雜病灶、很難定位的結石碎石效果就差，結石殘留率高。

長脈沖(大于100μs)鈥激光碎石的機理是光熱效應［4-7］。鈥激光在結石表面瞬間產生巨大能量，使其溫度迅速上升并產生熱分解作用，使結石粉碎。本系統采用的短脈沖(小于10μs)鈥激光的碎石機理主要是光機械效應(光聲效應)［5-7］。短脈沖鈥激光脈沖持續時間短，與結石作用過程中，產生沖擊波、等離子體和空化作用等，通過機械能粉碎結石。與其它腔內碎石方法相比，鈥激光可以粉碎各種成分和密度的結石，一次碎石率高［8］。碎石過程中結石不易移動，碎屑直徑小［9-10］。配合內鏡技術應用，可以治療難定位、結構復雜部位的結石，在碎石的同時還能處理軟組織病變，而且鈥激光的熱輻射還具有抗菌作用［11］。

1 納秒鈥激光碎石系統的特點

納秒鈥激光碎石系統采用性能優良的Cr，Tm，Ho∶YAG晶體，激光器整體密封，抽真空后注入氮氣，保證低溫正常工作，運用中紅外電光調Q開關技術，200nm～4500nm內有很高的透過率，提高了納秒鈥激光器的峰值功率，縮短了其輸出的最窄脈沖寬度。納秒鈥激光輸出波長2091nm，處在水的較強吸收帶，峰值功率高，脈沖寬度納秒級，采用低OH濃度的石英光纖傳輸，結合內鏡系統，能夠粉碎各種成分的結石，有效治療其它碎石方法不易治療的難定位、結構復雜部位的結石等，熱效應小，使用更安全、可靠。

2 系統設計

圖1為系統的總體設計框圖，包括鈥激光器、激光電源、冷卻系統、觸摸屏控制系統和光學耦合與傳輸系統等組成部分。

Fig.1 Structure diagram of Cr，Tm，Ho∶YAG laser lithotripsy system

2.1 鈥激光器設計

圖2 為納秒鈥激光器的結構示意圖。激光晶體是激光器的關鍵器件，其質量影響著激光器的輸出性能。激光棒是性能優良的Cr，Tm，Ho∶YAG晶體，尺寸為?5mm×93mm，適當控制 Cr3+，Tm3+，Ho3+3種離子的摻雜濃度，晶體兩端鍍2080nm的增透膜，反射率低于0.015%;抽運源選擇高壓氙燈，尺寸為?6mm×100mm，抽運能量大于 200J，脈沖寬度300μs。激光棒的熱透鏡效應改變了諧振腔的光學性質，是諧振腔的模式結構發生畸變的主要原因［12］。抽運、冷卻雙重過程作用于激光棒，使其沿徑向形成溫度梯度，引起熱透鏡效應［13-14］。隨著抽運能量的提高，熱透鏡等效焦距f減小。為了減小熱透鏡效應對輸出激光特性的影響，盡量選擇小的腔長［15］。為此，作者設計的諧振腔的長度為260mm，平凹腔，全反鏡的曲率半徑為1m，鍍有對2080nm全反的介質膜，平面鏡作為輸出鏡，透過率為20%。

運用中紅外電光調Q開關技術，一方面可以壓縮輸出激光的脈沖寬度，另一方面可以提高輸出激光的峰值功率，實現納秒鈥激光的高峰值功率輸出，調Q晶體采用一種摻鎂鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體，其抗損傷閾值達200MW/cm2，鍍增透膜后的透射率高于 98%［16-17］。

Fig.2 Structure of Cr，Tm，Ho∶YAG laser

2.2 激光電源

激光電源向抽運源高壓氙燈提供電能。激光電源采用開關型脈沖激光電源，放電電容350μF，額定輸出功率2kW，脈沖重復頻率1Hz～10Hz可調，輸出電壓0V～1200V可調。

2.3 冷卻系統

Cr，Tm，Ho∶YAG 晶體和抽運氙燈需要冷卻系統對其進行冷卻。冷卻水溫影響著激光器的閾值，溫度升高時，激光器的閾值也隨之升高;另一方面溫度越低，激光器的輸出效率就越高［12，18］，但是低溫產生的水汽容易導致激光晶體損傷。因此為了使激光器穩定、高效工作，必須提供盡可能低的、穩定的溫度環境;同時將激光器整體密封，抽真空后再充入氮氣，保證激光器在低溫時正常工作。

冷卻系統采用壓縮機制冷和恒溫控制的去離子水循環冷卻系統。水溫控制在(22±1)℃。水泵采用磁力驅動離心泵，揚程4m，流速1.2m3/h。在適當的范圍內，提高揚程和流速，可以減小熱效應的影響，提高輸出效率。

2.4 觸摸屏控制系統

用戶通過觸摸屏與系統進行人機交互，操作直觀、方便。觸摸屏通過串口與控制器通訊，傳送控制指令和參量，同時接收控制器反饋回來的系統狀態和參量，在界面上直接顯示。界面上顯示治療參量和倒計時時間，發生異常情況，界面給出提示，系統發出報警音。

3 實驗結果

利用圖3所示的樣機進行試驗，在冷卻溫度22℃，重復頻率3Hz，抽運能量200J的條件下，分別采用OPHIR公司的NOVAⅡ型能量計、Vigo公司的PVM常溫HgCdTeZn光電探測器和Ocean Optics NIRQUEST512-2.2型光譜儀測量激光輸出能量、輸出波形和波長，實驗結果如圖4和圖5所示。測得腔內最大單脈沖能量443mJ，脈寬90ns(見圖4)，波長2091nm(見圖5)。

Fig.3 Prototype of Cr，Tm，Ho∶YAG laser lithotripsy system

Fig.4 Electron-optic Q-switched waveform(repetition rate of 3Hz and pump energy of 200J)

Fig.5 Wavelength of output laser

4 結論

在冷卻溫度 22℃、重復頻率 3Hz、抽運能量200J的條件下，獲得了腔內最大單脈沖能量443mJ、脈寬90ns的2091nm鈥激光輸出。今后將根據激光器在醫學方面的應用標準，進一步完善納秒鈥激光碎石系統，獲得該產品的市場準入，實現納秒鈥激光碎石系統的產業化。

［1］MOE OW.Kidney stones:pathophysiology and medical management［J］.Lancet，2006，367(9507):333-344.

［2］LIX，HE Z H，ZENG G H，etal.The current therapy of upper urinary tract calculi:report of5178 patients［J］.Journal of Clinical Urology，2004，19(6):325-327(in Chinese).

［3］MA K，HUANG X B，YE H Y，et al.Establishing percutaneous renal access for percutaneous nephrostolithotomy with ballon dilation guide by ultrasonography:cinical analysis of 12 cases［J］.Chinese General Practice，2011，14(1):203(in Chinese).

［4］CHAN K F，VASSARG J，PFEFER T J，etal.Holmium∶YAG laser lithotripsy:a dominant photothermal ablatIve mechanism with chemical decomposition of urinary calculi［J］.Lasers in Surgery and Medicine，1999，25(1):22-37.

［5］CHAN K F，PFEFER T J，TEICHMAN JM，et al.A perspective on laser lithotripsy:the fragmentation processes［J］.Journal of Endouyology，2001，15(3):257-273.

［6］WELCH A J，KANG HW，LEE H，et al.Calculus fragmentation in laser lithotripsy［J］.Minerval Urol Nefrol，2004，56(1):49-63.

［7］BATISHEHE SA.The features of the gallstones and kidney stones fragmentation by IR pulsed YAG∶Nd laser radiation［J］.Proceedings of the SPIE，1995，2395:94-97.

［8］TEICHMAN JM，VASSAR G J，BISHOFF J T，et al.Holmium∶YAG lith otripsy yields smaller fragments than lithoclast，pulsed dye laser or electrohydraulic lithotripsy［J］.Journalof Urology，1998，159(1):18-27.

［9］WANG Sh Sh，XIANG S T，CHEN Zh Q，et al.Curative effect of kidney calculi:comparison between high-power holmium laser lithotripsy and pneumatic lithotripsy［J］.Journal of Clinical Urology，2005，20(9):534-536(in Chinese).

［10］SHEN M S，LIU J.Treatmentofureteral calculibased on ureteroscope and Ho∶YAG laser［J］.Laser Technology，2003，27(2):160(in Chinese).

［11］SUN Y H，GAO X F，WANG L H.High-power holmium laser with percutaneous nephrolithotripsy for kidney calculi［J］.Chinese Journal of Surgery，2005，43(18):1209-1211(in Chinese).

［12］LIU L，CHEN H M，LI JZ.Optimization design of high power Cr，Tm，Ho∶YAG laser［J］.Optical Technique，2004，30(4):505-507(in Chinese).

［13］PENG Y F，WU D Y，ZHANG Y，et al.Simulation and structure design ofa high power lasermirrorwith self-compensation of thermal distortion［J］.Laser Technology，2012，36(1):120-123(in Chinese).

［14］CAO Y J，LIU Y，CHEN G L，et al.Study on vibrational stabilization of cylindrical cavities［J］.Laser Technology，2012，36(2):265-267(in Chinese).

［15］YAO Y Ch，LIZh J，HUANG Ch Y，et al.Theoretical simulation of Cr，Tm，Ho∶YAG laser［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36(7):1352-1354(in Chinese).

［16］LIZ，WANG L，YANG JW，etal.480mJ，2μm high pulse energy electro-optically Q-switched Cr，Tm，Ho∶YAG laser operation at room temperature［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(6):0603007(in Chinese).

［17］WANG L，CAIXW，YANG JW，etal.520mJ langasite electrooptically Q-switched Cr，Tm，Ho∶YAG laser［J］.Optics Letters，2012，37(11):1986-1988.

［18］HUANG Ch Y，YAO Y Ch，LIZh J.Experimental research and design of medical holmium laser［J］.Laser Journal，2006，27(1):9-10(in Chinese).