CN1056507C - 激光医疗装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的激光医疗装置以Nd:YAlO3晶体作为激光工作物质，该激光晶体的激光波长位于石英光纤的透明波长区。该激光晶体在此波段具有作为高功率连续激光和大能量脉冲激光运转的优良特性，因而可利用Nd:YAlO3晶体制造出达到临床治疗功率要求的激光医疗装置。而且，该激光医疗装置可以利用普通医用光纤传输激光，不仅使用方便、灵活、而且可以施行内窥手术。
Description
本发明涉及一种激光医疗装置，尤其是一种其激光波长可利用普通医用光纤导光，并具有足够高激光输出功率和能量，可灵活、方便地应用于临床治疗的激光医疗装置。
已知的激光医疗装置常用的有CO2气体激光医疗机。它输出的10.6μm激光能量的大部分被水和机体吸收，对组织的穿透能力较弱，故广泛地用于浅表层病灶的气化和切割。但是，10.6μmCO2激光无法在常规的医用石英光纤中传输。尽管已经花巨资试图研制能传输10.6μmCO2激光的红外光纤，但进展缓慢且价格比石英光纤昂贵。再者，目前采用活络关节臂进行导光，不仅使用不够方便，而且无法用于内窥手术。另一方面，10.6μmCO2激光对组织穿透能力较差，无法达到较深部位微血管，因而止血效果较差。众所周知，不同波长激光对机体作用是不尽相同的。因此，要在临床上为医生治疗各种疾病提供更理想的手段，有必要发展更多新波长的医用激光装置。
本发明的目的在于提供一种其激光波长可利用普通医用光纤导光，具有足够高激光输出功率和能量，使用方便灵活的激光医疗装置。
本发明另一目的在于提供一种其激光波长可利用普通医用光纤导光，具有足够高激光输出功率和能量，治疗功能与CO2激光医疗机相似的激光医疗装置。
本发明又一目的在于提供一种其激光波长可利用普通医用光纤导光，具有足够高激光输出功率和能量，用于较深部位微血管凝固和止血的激光医疗装置。
本发明再一目的在于提供一种其激光波长可利用普通医用光纤导光，输出部分偏振光照射疾患，而具有独特治疗效果的激光医疗装置。
本发明的激光医疗装置包括：Nd：YAlO3激光晶体；由泵浦源辐射的光照射所述激光晶体，形成所述激光晶体中Nd3+粒子数反转的泵浦系统；以及Nd3+所发出的光在其中谐振输出一定波长激光的谐振腔，其特征在于所述激光波长在石英光纤的透明波长区内。
本发明用于体外或体内激光治疗的激光医疗装置还包括：传输所述激光的石英光纤；将所述谐振腔输出的所述激光会聚到所述石英光纤一端的光纤注入器；与所述石英光纤另一端相连将所述石英光纤传输的激光照射到所需治疗部位的光纤笔。
本发明的激光医疗装置以Nd：YAlO3晶体作为激光工作物质，该激光晶体的激光波长可以落在石英光纤的透明波长区。该激光晶体在此波段具有作为高功率连续激光和大能量脉冲激光运转的优良特性，因而可利用Nd：YAlO3晶体制造出达到临床治疗功率要求的激光医疗装置。而且，该激光医疗装置可以利用普通医用光纤传输激光，不仅使用方便、灵活，而且可以施行内窥手术。
本发明激光医疗装置其他方面的特点和效果，通过下面参照附图对实施例所作的说明将会更为清楚。
图1是Nd3+离子在YAlO3晶体中的能级分布图。
图2是本发明连续激光医疗装置一实施例的构成图。
图3是图2所示装置中连续氪灯泵浦采用的激光电源的构成图。
图4是1341.4nmNd：YAlO3激光医疗机的连续激光的输出曲线。
图5是本发明脉冲激光医疗装置一实施例的构成图。
图6(a)和6(b)示出配置激光二极管泵浦源的激光医疗机的构成图。
图1示出了Nd3+离子在YAlO3晶体中的能级分布图。其中，Nd3+离子的4F3/2能级为亚稳态能级，4I11/2、4I13/2能级为激光跃迁的终态能级。当有相应波长(例如Kr灯或Xe灯)的光照射掺杂有Nd3+的YAlO3晶体时，处于基态的Nd3+受到这种激励便激发到亚稳态能级或更高的能级，处于这些更高能级的Nd3+经自发辐射跃迁到亚稳态能级。通过上述Kr灯或Xe灯辐射光的抽运，就可以使亚稳态的Nd3+粒子数多于4I11/2、4I13/2上的粒子数，从而能够产生激光跃迁，发出一定波长的激光。在YAlO3晶格场作用下，如图1所示，Nd3+离子的4F3/2能级分裂成R1和R2能级，4I13/2能级则分裂成7个能级X1-7，4I11/2能级分裂成6个能级Y1-6。从这些亚稳态能级4F3/2至这些激光跃迁终态能级4I11/2、4I13/2的激光跃迁所产生的激光其波长均在1μm左右，例如，从亚稳态能级4F3/2的R1能级到4I11/2的Y3能级的跃迁产生波长为1079.5nm、沿结晶C轴偏振的激光，从亚稳态能级4F3/2的R2能级到4I13/2的X3能级的跃迁产生波长为1341.4nm、沿结晶C轴偏振的激光，这些激光波长均在石英光纤的透明波长区内。因而，以Nd：YAlO3晶体作为激光工作物质，激光可由普通石英医用光纤导光。
七十年代，本申请的发明人对Nd：YAlO3晶体研究发现，该激光晶体其激光输出功率受到限制的原因在于低对称晶体的热效应，而非Nd：YAlO3晶体固有的不足。在1979年，该发明人从理论上阐述了这种晶体的热效应问题，从而为正确利用此晶体设计高输出功率的激光器提供了依据。目前，业已发展了输出功率高达424W的Nd：YAlO3连续激光器。该发明人建立了一种测量激光发射截面σ和荧光寿命τ的新方法，表1列出按此新方法测定的各种掺钕激光晶体在4F3/2-4I13/2波段的στ值。理论上输出功率与στ值成正比，由表1可知Nd：YAlO3在1341.4nm波长的στ比其他掺Nd3+离子的晶体都大，该测定结果证实了激光实验结果，即Nd：YAlO3在这一波段其输出功率占有无可争议的优势。此外，由表2可知，Nd：YAlO3晶体的光学机械系数Kf与Nd：YAG相近，具有良好的机械加工性能。因此，Nd：YAlO3晶体是研制1341.4nm高功率连续激光器和大能量脉冲激光器的优良激光晶体。所以，激光医疗装置采用这种Nd：YAlO3激光晶体，其激光输出功率足以满足临床治疗0-100W的功率要求。
表1 一些钕激光晶体的参数晶 体 Nd：YAG Nd：YLF Nd：BEL Nd：YAlO3τ(μs) 230 480 144 1504F3/2-4I13/2λ(nm) 1338/1318 1313 1351 1341.4σ(×10-10cm2) 0.9/0.92 0.6 0.4 2.2στ(×10-19cm2) 207/211.6 288 57.6 330
表2 一些激光材料的Kf值激光材料 Nd：YAG Nd：YAlO3 Nd：Glass Nd：Glass- Nd：Cr：GSGG
HoyaLHG8 ShottLG106Kf值_(×10-4m-1KW-1) 3.8 4.29 7.8 17.0 22.5
图2是本发明连续激光医疗装置实施例的构成图。图2中，1是Nd：YAlO3激光晶体，3是泵浦系统，5是内置激光晶体1的激光谐振腔。此外，泵浦系统3包括泵灯31(例如为Kr灯)，以及用作泵灯31工作电源的激光电源33。激光谐振腔5包括全反镜51和输出镜53。全反镜51使激光几乎全部反射回谐振腔内的激光晶体1，输出镜53则使激光部分反射，并使另一部分激光由此输出谐振腔。
连续激光医疗装置以Nd：YAlO3激光晶体作为激光工作物质，熔石英在其输出的激光波段是透明的。因而，激光医疗装置可由普通医用光纤来传输激光。这样，不仅方便使用，而且可以施行内窥手术。因而，激光医疗装置还可以包括：传输激光的光纤7；设置在输出镜53外侧作为光纤注入器71的凸透镜(当然亦可以是与输出镜结合在一起的凸透镜)，激光经凸透镜聚焦到芯径400-600μm的套层石英光纤的一端；以及与光纤7另一端相连将经光纤传输的激光照到病灶部位的光纤笔73。
Nd：YAlO3激光波长在可见光区以外，因而激光医疗装置还可包括632.8nm红色He-Ne激光器9及其电源(未图示)。He-Ne激光器9如图2所示设置成与Nd：YAlO3激光器同光路，用于指示Nd：YAlO3激光以对准患者的病灶。
要使激光医疗装置稳定可靠地运转，通常还具有一个使激光晶体、谐振腔冷却的冷却系统(未图示)。这种冷却系统可以同其他设备一起装在一个机框内，也可以是二次水冷自循环系统而独立地设置。该冷却系统是本领域熟知的现有技术，因而其具体构成不再赘述。
图3是图2所示装置中连续氪灯泵浦采用的激光电源33的构成图。图中，330是一将三相交流电变换为直流电输出的直流电源，它由三相半控整流装置331和三相同步移相触发器332组成。此外，激光电源33还设有提供点亮Kr灯所需电流的预电离电路333。S为控制继电器(未具体图示)的常开触点，在点亮Kr灯时，若前面所述用于冷却的水冷系统发生故障，或者三相交流电缺相断电，该触点S保持开启的位置。相反，在水冷系统和三相交流电正常时该触点S闭合。W1为预置所需激光功率的预值电位器，W2为控制电位器，W1、W2均可调节激光功率，K为手动开关或脚踏开关，用来使W2短路以切换激光功率。334为直流放大器，用来取样加在Kr灯两端的输出电压，以反馈控制移相触发器，从而使得该输出电压稳定在0.5％的变化范围内。
参见图2和图3说明该连续激光医疗装置的工作过程。首先，接通二次水冷自循环系统，再闭合点亮Kr灯的开关(未图示)，若因水冷系统故障或缺相断电，整机会使常开触点S保持断开状态，并由未示出的报警装置给出报警，若水循环系统及三相电正常，触点S即闭合接通激光电源33。然后，开启He-Ne激光的电源。通过调节预值电位器W1将激光功率调到手术所需功率，随后调整控制电位器W2将激光功率调到零(即激光阈值以下)。这时，由He-Ne激光作同光路指示对准病灶，接通脚踏开关或手动开关K，使得控制电位器W2短路。激光瞬时上升到手术所需功率进行治疗。治疗结束后，断开脚踏开关K，激光功率瞬间又恢复为零。最后可调整控制电位器W2使得Kr灯工作电流为例如8-10A。这样，不仅便于医生治疗，避免发生激光误伤人的事故，而且延长了泵灯的寿命，节省了能源。
如前面所述，普通石英医用光纤在1341.4nm波长是透明的，而且Nd：YAlO3激光晶体在1341.4nm波长的输出功率占有优势，因此用Nd：YAlO3晶体制成1341.4nmNd：YAlO3激光医疗机是理想的。此外，对Nd：YAG1064nm、Nd：YAlO31079.5nm和1341.4nm辐射在蒸馏水和生理盐水中的吸收系数的测定表明，它们对1341.4nm激光的吸收系数将近是对1064nm和1079.5nm激光的吸收系数的12倍。由于人体组织中70％-75％是水分，所以这一波长激光在皮肤中的穿透深度与CO2的10.6μm激光相似，是浅表病灶气化、切割的有效治疗手段。因此，利用Nd：YAlO3晶体可以发展一种1341.4nm波长光纤导光的新颖激光治疗机，其治疗功能类似于CO2激光医疗机。
1341.4nmNd：YAlO3激光医疗机可以是如图2所示的连续激光医疗装置，采用连续氪灯泵浦。其中，激光晶体是例如尺寸为5-10mm×75-150mm的A轴晶体棒，棒中Nd3+掺杂浓度为0.8-1.1at％。谐振腔镜对1341.4nm反射率分别为99.5％(全反镜)和96-92％(输出镜)。当在0-12KW范围内改变连续激光电源输出功率时，即能从光纤笔输出端获得功率为0-100W连续可调的1341.4nm激光。图4示出1341.4nmNd：YAlO3连续激光医疗机的激光输出曲线。
1341.4nmNd：YAlO3激光医疗机也可以是如图5所示的脉冲激光医疗装置，采用脉冲氙灯泵浦35。其中，激光晶体为5-6mm×75-110mm的Nd：YAlO3晶体棒，棒中Nd3+掺杂浓度为0.8-1.1at％。全反镜对1341.4nm反射率为99.5％，输出镜对1341.4nm的反射率为60％-10％。当在0-300J范围改变脉冲电源37的输入能量时，即能从光纤输出端获得能量为0-5J连续可调的1341.4nm脉冲激光输出。
1341.4nmNd：YAlO3激光如前面提到的，对浅表病灶的治疗，例如在对痣、雀斑、血管瘤等的治疗中获得了很好的疗效。
此外，前面提及的可用光纤导光的1079.5nmNd：YAlO3激光对皮肤的穿透深度约为10.6μmCO2激光的20倍，因此在临床治疗过程中有更强的凝固和止血效果。因此，利用Nd：YAlO3晶体还可发展一种可由光纤导光具有很强止血功能的1079.5nmNd：YAlO3激光医疗机。
还有，如前所述Nd：YAlO3激光是线偏振光，经谐振腔5激光器可输出线偏振光。线偏振光经光纤传输后，尽管遭受退偏振，但光纤输出的仍是有一定偏振度的部分偏振光。这种偏振光与各向同性激光医疗机输出的激光相比，对某些疾病具有独特的疗效，例如，激光治疗妇科子宫颈糜烂，用CO2激光治疗不能止血，用Nd：YAG治疗，患者出现小腹部照后不适，而用Nd：YAlO3激光治疗则避免了这些情况。又如，对骨折疾患，Nd：YAlO3激光照射治疗能促进骨骼生长，而用其它激光如CO2、Nd：YAG激光则无类似效果。因此，利用Nd：YAlO3晶体可以发展一种输出部分偏振光而具有独特疗效的Nd：YAlO3激光医疗机。
尽管目前激光二极管LD价格昂贵，暂时还不宜用作激光医疗机的光泵。但应理解，随着激光二极管技术的发展和价格的下降，本领域普通技术人员可以按图6(a)所示将激光二极管LD组成激光二极管阵列39设置在激光晶体1的周围，作为辐照激光晶体1的泵浦源；还可以按图6(b)所示，将激光二极管LD的光由光纤81传导并由透镜83会聚照射在激光晶体1上作为其泵浦源，这样就可以制造出激光二极管泵浦的Nd：YAlO3激光医疗机。
显然，在后面所附的权利要求范围内对上述实施例所作的这类变形和修改均不超出本发明的构思和保护范围。
Claims (15)
1.一种激光医疗装置包括：Nd：YAlO3激光晶体；由泵浦源辐射的光照射所述激光晶体，以形成所述激光晶体中Nd3+粒子数反转的泵浦系统；以及Nd3+所发出的光在其中谐振输出一定波长激光的谐振腔，其特征在于所述激光波长在石英光纤的透明波长区内。
2.如权利要求1所述的激光医疗装置，其特征在于所述激光波长是1341.4nm。
3.如权利要求1所述的激光医疗装置，其特征在于所述激光波长是1079.5nm。
4.如权利要求1所述的激光医疗装置，其特征在于所述激光是偏振光。
5.如权利要求1-4任一项所述的激光医疗装置，其特征在于进一步包括：传输所述激光的石英光纤；将所述谐振腔输出的所述激光会聚到所述石英光纤一端的光纤注入器；与所述石英光纤另一端相连将所述石英光纤传输的激光照射到所需治疗部位的光纤笔。
6.如权利要求5所述的激光医疗装置，其特征在于进一步包括用于所述激光同光路指示的第二激光器，所述第二激光器发出可见光波长范围的第二激光。
7.如权利要求5所述的激光医疗装置，其特征在于所述泵浦源为连续氪灯。
8.如权利要求5所述的激光医疗装置，其特征在于所述泵浦源为脉冲氙灯。
9.如权利要求7所述的激光医疗装置，其特征在于所述泵浦系统包括可连续改变输入电功率以获得0-100W连续可调输出激光功率的连续激光电源。
10.如权利要求8所述的激光医疗装置，其特征在于所述泵浦系统包括可连续改变输入能量以获得0-5J连续可调激光能量的脉冲激光电源。
11.如权利要求5所述的激光医疗装置，其特征在于所述泵浦源为激光二极管。
12.如权利要求5所述的激光医疗装置，其特征在于进一步包括冷却所述泵浦系统和/或谐振腔的冷却系统。
13.一种用于体外和体内激光治疗的激光医疗装置，其特征在于包括：Nd：YAlO3激光晶体；由泵浦源辐射的光照射所述激光晶体，以形成所述激光晶体中Nd3+粒子数反转的泵浦系统；Nd3+所发出的光在其中谐振输出1341.4nm激光的谐振腔，以及传输所述1341.4nm激光的光纤。
14.一种用于体外和体内激光治疗的激光医疗装置，其特征在于包括：Nd：YAlO3激光晶体；由泵浦源辐射的光照射所述激光晶体，以形成所述激光晶体中Nd3+粒子数反转的泵浦系统；Nd3+所发出的光在其中谐振输出1079.5nm激光的谐振腔；以及传输所述1079.5nm激光的光纤。
15.一种用于体外和体内激光治疗的激光医疗装置，其特征在于包括：Nd：YAlO3激光晶体；由泵浦源辐射的光照射所述激光晶体，以形成所激光晶体中Nd3+粒子数反转的泵浦系统；Nd3+所发出的光在其中谐振输出线偏振激光的谐振腔；以及传输所述激光并输出偏振光的光纤。
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