高能皮秒脈沖固體激光對(duì)乳豬皮膚組織的氣化效應(yīng)研究.pdf

1、目的:
　　清創(chuàng)是創(chuàng)面治療的第一步，清創(chuàng)的質(zhì)量直接影響后續(xù)治療的效果。理想的清創(chuàng)效果是清除全部壞死及感染組織的同時(shí)，最大程度的保留健康組織，即精確清創(chuàng)。目前臨床上，外科手術(shù)是最常使用的清創(chuàng)方法，壞死組織的清除層次及范圍依靠醫(yī)師的主觀判斷，難以保證清創(chuàng)的精確性。隨著人們對(duì)創(chuàng)面認(rèn)識(shí)的深入，一些新式的清創(chuàng)方法如酶解清創(chuàng)、生物清創(chuàng)、自溶清創(chuàng)、超聲清創(chuàng)、“水刀”清創(chuàng)等的研究與應(yīng)用逐漸開展與深入。但上述清創(chuàng)方法均有其不足以及限制，尤其是在清創(chuàng)

2、精確性方面有著較大的缺陷。
　　激光是受激輻射發(fā)光，它具有方向集中、能量密度大等特點(diǎn)，按照工作狀態(tài)，可分為連續(xù)激光和脈沖激光。激光與生物組織相互作用可引起熱效應(yīng)、壓強(qiáng)效應(yīng)、生物刺激作用等多種激光生物效應(yīng)。連續(xù)激光用于氣化燒傷壞死組織的報(bào)道在國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道，但都暴露了熱損傷過(guò)大導(dǎo)致植皮成功率不高或激光手術(shù)失敗需多次手術(shù)的問題。有研究表明，短脈沖激光是一種精確可控的清創(chuàng)方法，當(dāng)脈沖激光的脈寬小于熱傳導(dǎo)時(shí)間（熱弛豫時(shí)間）時(shí)，受照組織將瞬

3、間氣化而對(duì)周邊的熱損傷可降至最低，提高單脈沖能量可明顯提高其氣化組織的效率。高能皮秒(ps)激光是脈寬僅為10-12s的短脈沖激光，組織氣化范圍可控，有可能實(shí)現(xiàn)精確清創(chuàng)的目的。
　　關(guān)于單脈沖能量高達(dá)100mJ，脈寬窄至30ps或更窄的脈沖激光應(yīng)用于臨床清創(chuàng)未見文獻(xiàn)報(bào)道，所以對(duì)這種高能短脈沖激光的臨床應(yīng)用尚有很多未知。因此，本實(shí)驗(yàn)使用高能皮秒(ps)脈沖激光輻照乳豬皮膚組織，探索在單脈沖能量，脈沖次數(shù)單因素變化時(shí)高能皮秒激光對(duì)皮膚

4、組織的作用規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)還對(duì)高能皮秒(ps)、飛秒(fs，10-15s)激光輻照皮膚組織時(shí)的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行了初探，以期為將來(lái)短脈沖激光用于高精度高效率創(chuàng)面清創(chuàng)奠定一定基礎(chǔ)。
　　方法:
　　1.使用Ansys軟件建立激光輻照皮膚的熱響應(yīng)模型，針對(duì)高能量密度的1064nm連續(xù)激光和單脈沖激光進(jìn)行數(shù)值模擬，分析比較連續(xù)激光和單脈沖激光的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　2.實(shí)驗(yàn)分為正常皮膚組和全層燙傷皮膚組，制作巴馬小香豬離體皮膚、全層燙傷皮膚

5、模型。
　　3.按照單脈沖能量0（對(duì)照）、20mJ、40mJ、60mJ、80mJ、100mJ，每次輻照時(shí)間2s、5s、10s進(jìn)行分組，組合形成18種激光劑量輻照正常離體皮膚，每組重復(fù)3次。全層燙傷皮膚組與正常皮膚組實(shí)驗(yàn)條件相同。
　　4.使用功率計(jì)對(duì)激光器的輸出能量進(jìn)行檢測(cè)，分別設(shè)置激光器輸出能量為0mJ、10mJ、20mJ、30mJ、……、100mJ，形成11組激光能量，每組重復(fù)三次測(cè)量，明確激光器的能量輸出誤差。使用激光

6、波長(zhǎng)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)所用激光器輸出波長(zhǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，使用超短激光脈寬測(cè)量?jī)x測(cè)量激光器輸出脈寬。
　　5.將K型熱電偶固定于皮膚標(biāo)本的背部，溫度測(cè)量?jī)x觀察記錄激光輻照時(shí)及輻照結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)，光斑處及距離光斑2mm處的溫度變化曲線。
　　6.使用超景深顯微鏡即時(shí)觀察記錄氣化區(qū)深度及直徑。
　　7.取受照皮膚組織常規(guī)制作組織切片，HE染色，請(qǐng)有資質(zhì)的病理醫(yī)師顯微鏡下觀察，獲取氣化區(qū)之外熱損傷范圍的數(shù)值。
　　8.采用兩因素方差分

7、析對(duì)5個(gè)能量組的3個(gè)時(shí)間分類的氣化區(qū)寬度和深度最大值以及凝固帶寬度最大值進(jìn)行差異性比較。如果方差分析的結(jié)果顯示組間差異，采用Bonferroni進(jìn)行兩兩比較，探討兩組是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制量效關(guān)系曲線，分析其作用規(guī)律及臨床意義。
　　結(jié)果:
　　1.數(shù)值模擬結(jié)果顯示，相較于脈沖激光，連續(xù)激光需要更高的能量才能使皮膚碳化，但碳化深度更深，連續(xù)激光作用下二維效應(yīng)（熱量沿水平方向擴(kuò)散）明顯;脈沖激光作用下，皮膚縱向溫度

8、梯度大，碳化深度淺，溫度下降速度更快，二維效應(yīng)可以忽略，對(duì)激光輻照區(qū)域以外的皮膚幾乎無(wú)損害。
　　2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用功率計(jì)對(duì)激光能量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，皮秒激光器輸出能量誤差為±0.42mJ，飛秒激光器能量輸出誤差為±0.37mJ。波長(zhǎng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)所用皮秒激光器和飛秒激光器的輸出波長(zhǎng)為1064nm;超短激光脈寬測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果顯示，本實(shí)驗(yàn)所選皮秒激光器輸出脈寬為30ps，飛秒激光器輸出脈寬為70fs。
　　3.溫度數(shù)

9、據(jù)顯示，光斑處溫度隨單脈沖能量與輻照時(shí)間呈正相關(guān)，距光斑2mm處溫度升高僅1-2℃。
　　4.肉眼觀察:激光照射皮膚組織時(shí)，可聞及“啪啪”連續(xù)聲響，激光器輸出能量增加到一定程度時(shí)，可看到組織濺射。激光輸出能量較小時(shí)，受照皮膚組織無(wú)肉眼可見改變，或出現(xiàn)靶點(diǎn)發(fā)白或發(fā)黃的改變，約5min內(nèi)消失;隨激光器輸出能量及輻照時(shí)間的增加，受照皮膚組織隆起，繼而炭化、氣化，出現(xiàn)圓形或類圓形氣化區(qū)，周圍組織發(fā)白或發(fā)黃，變形。
　　5.超景深顯微

10、鏡觀察:
　　在正常離體皮膚實(shí)驗(yàn)組，除對(duì)照組與20mJ能量組無(wú)明顯皮膚損害，其余各組均可肉眼或顯微鏡下見組織氣化區(qū)，且氣化作用的效應(yīng)程度與單脈沖能量和每次輻照時(shí)間呈正相關(guān)趨勢(shì)。平均氣化區(qū)直徑為（1168.85±188.57μm）（范圍為740.66～1455.32μm），平均氣化區(qū)深度(412.16±289.84μm)(范圍為106.44～1314.80μm)。
　　在離體皮膚全層燙傷模型實(shí)驗(yàn)組，對(duì)照組與20mJ能量組未見明

11、顯皮膚損害，平均氣化區(qū)直徑為(1180.0±179.3μm)(范圍為810.2～1398.5μm)，平均氣化區(qū)深度為（426.9±223.3μm）（范圍為100.7～792.7μm）。
　　6.組織切片HE染色結(jié)果顯示，正常離體皮膚實(shí)驗(yàn)組，平均凝固區(qū)寬度（141.10±47.68μm）（范圍為65.35-238.73μm），最大凝固區(qū)寬度為(217.0±19.9μm)。
　　7.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，凝固區(qū)范圍小于100μm的最大激

12、光劑量為80mJ×2s組，在此激光劑量時(shí)，氣化區(qū)寬度為(1257.9±22.3μm)，氣化區(qū)深度為（262.6±15.6μm），凝固區(qū)寬度為（99.5±2.1μm）。即激光劑量≤160mJ×s時(shí)，凝固區(qū)范圍小于100μm。
　　結(jié)論:
　　1064nm波長(zhǎng)30ps脈寬Nd∶YAG激光對(duì)乳豬皮膚組織有較強(qiáng)的氣化作用，熱量沿水平方向的傳遞較弱。用該激光氣化目標(biāo)皮膚組織時(shí)，對(duì)健康組織熱凝固效應(yīng)可控制在百微米級(jí)范圍，該技術(shù)有望為精確