激光刀的工作原理及其應用

（上海市羅店中學，上海 201908）

0.引言

激光是20世紀的重要發明之一。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，工人需要應用具有較高能量的激光；在進行遠距通信時，工作人員需要應用方向性較好的激光，將信息從發射站傳遞到接收站；在治療腫瘤、心律失常等一系列疾病時，醫生需要應用特定波長的激光，準確地破壞相關的組織。

由于激光可以與人體的多種組織發生相互作用，人們可以利用特定波長的激光切割組織或破壞組織，從而達到治療疾病的目的。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，有助于人們在手術時選擇更合適的激光刀，提高治療效率。

1.激光刀的工作原理

當物質中的原子吸收具有特定能量的光子時，原子中的電子將從低能級躍遷至高能級，這就是受激吸收。電子只能在較高的能級上停留幾微秒或幾毫秒，就會回到原來的能級，并釋放出具有特定能量的光子，此過程被稱為自發輻射。如果自發輻射時放出的光子撞擊了一個已經被激發的原子，那么受激原子將發出兩個頻率相同、傳播方向相同的光子，這個過程被稱為受激輻射。也就是說，一個光子可以在發生受激輻射后變成兩個光子，光被放大了。在激光器中，光會被反復放大，數量很少的光子也能產生很強的激光[1]。

激光可以與人體的多種組織發生相互作用。由于組織中含有色素和水等能夠吸收激光的物質，當人們用激光照射組織時，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.激光刀的應用

激光刀在醫學領域有著廣泛的應用。醫療工作者可以利用激光刀完成結石手術、腫瘤手術、美容和重建手術以及消融異常傳導通路。多數研究表明，激光刀的手術效果可以與傳統醫療器械的手術效果相媲美，而且激光手術的創面較小、出血量較小、不良反應發生率較低[2]。

2.1 激光刀在整形手術中的應用

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

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

2.2 激光刀在心臟手術中的應用

功能異常的肺靜脈（PV）可以成為異常起搏點，導致患者發生陣發性房顫（AF）。導管消融技術的發展啟發肺靜脈電隔離術發展（PVI）。激光氣球導管是最常用于治療房顫的內窺鏡消融系統（EAS）之一。該系統的主要零件是一個導管，該導管的頂端有一個順應性很好的球囊，在進行心臟手術的過程中，醫生需要不斷用氧化氘沖洗該球囊，在將導管插入左心房后，他們需要將內窺鏡插入導管中，并將內窺鏡放入心房內或心室內。在妥善放置后，醫生可以直接看到心臟內的消融目標。裝在中心腔中的二極管激光器可以發出垂直于導管軸的、波長為980nm的高能激光，這些激光將作用于PV病灶，發揮消融的作用。該激光不會在被氘吸收，而是可以滲透到內皮外的組織中。在那里，它將被水分子吸收，導致組織溫度升高、血液凝結，異常起搏點處的組織會發生壞死。在作用于不同的心腔時，醫療工作者需要改變預定義的參數改變消融的功率（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的激光刀。Metzner等人進行的多中心研究表明，Nd：YAG激光刀的成功率很高，可與傳統的PVI手術相媲美[5]。

在阻斷異常傳導通路時，醫生必須在心臟中形成完全的透壁病變，才能實現完全的傳導阻滯。Melby等研究者發現，在消融后，即使遺留的傳導通路的直徑只有1mm，竇性心律和陣發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發現，使用較高能量水平的激光可以提高手術的成功率，降低AF復發率，并且不會對心肌組織造成額外的損害。

2.3 激光刀在神經手術中的應用

在神經外科領域，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、皮質發育不良、中風后皮質病灶、腦膨出、腦室結節性異位癥和下丘腦錯構瘤等[6]。除了用于消融癲癇病灶外，激光刀還可以用于斷層治療。醫生可以應用激光刀，將癲癇源性大腦與非癲癇源性大腦分開。研究人員發現，激光刀可以成功分離下丘腦錯構瘤。此外，二氧化碳激光也可以用于治療神經系統疾病，它可以有效地消融兒童大腦中的病灶降低兒童癲癇的發生率[7]。一種新型激光療法—MRI引導的激光誘導熱療法（MRgLITT）可以用于治療頑固性癲癇。它可以消融癲癇灶、阻斷異常的神經沖動。在進行MRgLITT時，醫生需要調節系統中的二極管激光器發出的980nm激光的能量，并根據成像系統中的術中圖像，了解組織在接受激光的照射后發生的變化，從而更精確地控制所傳遞的能量。

2.4 激光刀在牙科手術中的應用

在進行牙科手術時，醫生常常需要進行非常精細的操作。他們需要在狹小的口腔內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，口腔科醫生還可以用激光刀促進填充物的固化，這種固化方式比傳統的固化方式更高效，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，口腔科醫生通常以激光為熱源，增強牙齒漂白劑的效果[8]。

2.5 激光刀在骨科手術中的應用

激光可以促進脊柱和關節軟骨再生，其在骨科手術中有著廣泛的應用。在自然條件下，軟骨再生的過程會受到體內環境的限制。在生長一段時間后，軟骨細胞會逐漸失去增殖能力，延長修復軟骨所需的時間。

激光輻照是控制軟骨細胞生長、分裂和軟骨的新陳代謝的良好工具。在修復軟骨的過程中，透明軟骨發揮著至關重要的作用。激光可以誘導透明軟骨填充軟骨結構的缺陷，刺激軟骨再生，加快軟骨修復速度。其基本生物學機制是，激光可以刺激透明軟骨中的軟骨細胞，使未成熟細胞和干細胞快速分化，促進其分泌細胞外基質。此外，一些研究表明，激光可以誘導成熟軟骨細胞發生去分化，提高軟骨組織中的細胞群的再生能力、分裂能力。動物研究表明，用非消融激光照射軟骨細胞外基質，就可以促進軟骨細胞再生。

位于身體的不同部位的軟骨具有相似的形態、結構和功能，其差異主要與細胞種群特征和組織的空間結構有關。研究表明，四肢、肋、關節和鼻中隔的透明軟骨的細胞外基質非常相似。因此，用于治療四肢軟骨疾病的激光刀也可以用于治療肋、關節和鼻中隔的軟骨疾病。此外，激光刀還可以修復受損的透明板和其他關節軟骨。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雜而昂貴的手術。在接受激光手術后，他們的軟骨的再生能力將大大增強，遭受創傷和發生退行性改變的半月板、韌帶和小關節將發生自發修復[9]。不過，這種促進再生的技術目前還不成熟。科學家應當開展更多的關于激光與軟骨的相互作用的研究，深入探索激光誘導軟骨再生的具體機制。

3.結語

激光刀在外科領域有著廣泛的應用。激光具有很高的能量，當這些能量被組織吸收后，一些組織的結構會發生變化，一些組織會逐漸壞死。因此，激光可以用于治療多種疾病，如腫瘤、結石、房顫、癲癇等。多數激光手術是微創的，手術風險較小，患者的恢復時間較短。科學家和技術人員應當不斷改進現有的激光刀，提高其產生的激光的精度和安全性，使激光手術的療效更好、更安全，從而提高患者的滿意度。