医用光学仪器----医用激光仪器

        激光具有方向性强、单色性好和亮度高的特性，被广泛应用于医学领域，用来诊断和治 疗多种眼科及其他疾病。 本节将以眼科激光检测仪、眼科激光治疗仪和准分子激光屈光不正治疗等常见的激光 仪器作为重点，介绍各自的组成与特点。

        一、激光器的结构、原理 图7-16是氦氖激光器的结构示意图，图中C为一支圆柱形的玻璃管，内径约几毫米，长 几厘米至几十厘米；d是在玻璃管抽成真空后充人 进去的氦气和氖气，称为激光器的工作物质，是远远低于1个大气压的稀薄气体，其中氖气是发射 波长为632. 8nm的激光工作物质，氨气则是辅助气体，Ml和M2是内侧涂了反射膜的两块反射 镜，平行封接于玻璃管的两端，组成激光器的光学 谐振腔，其中有一块是反射率尽可能高的全反射 镜，另一块则称为部分反射镜，它除了有反射功能以外还让管中部分受激辐射光从此镜透出管外， 所以这块反射镜叉称为输出窗；Pl和P2则是两 根电极，接通电源后可使玻璃管内的稀薄气体发生放电，是气体激光器的泵浦源。只要工作 物质，泵浦源和谐振腔的条件合适，则即可以从输出窗向外输出激光束。 当玻璃管C内充入CO2气体，则为CO2激光器；当玻璃管C内充人氩气或氪气，则为氩离子激光器或氪离子激光器。当玻璃管C内充人固体基质，则为固体激光器；若C内充人 液体，则为液体激光器。

        二、激光束的特性 由于受激辐射的光子经光学谐振腔限模以后，从激光器输出窗射出的光于以相同频率 振动，所以激光束具有单色性好的特性，即激光的能量高度集中在单位频谱内；光子传播方向相同，发散角极小，具有方向性好的特性，即激光的能量在空间高度集中；同时激光能量还能在时间上高度集中。与相同发光能量的普通光相比，激光由于光能量可以在空问、时间和单位频宽内高度集中，从而光的亮度比普通光高数万亿倍，其单色亮度更是提高亿亿倍。医学上正是利用了激光的这些独特性能设计制作了各种医疗器械，这里我们主要讨论眼科医 疗器械。 激光之所以能够用来检测和治疗眼病，是因为眼球各层组织在吸收适当波长、适当剂量的激光以后有可能发生光致发光作用、光致光热作用、光致化学作用、光致压强作用、光致电磁场作用和光致生物刺激作用。 光致光热作用是激光能够治疗眼病的重要原因之一。激光枧网膜光凝固及激光凝固治疗眼各层血管性疾病就是利用了激光的热作用机制。 眼科临床用光动力作用治疗眼内恶性肿瘤就是应用了光致敏化。光致敏化实质上是光致化学作用，当激光作用于组织后，使生物分子吸收能量从而引起生物物质可能发生化学 反应。 眼科的光切术主要应用了光致压强作用。光子既有运动质蛩又有动地，撞击物体时必然给受照表面施加辐射压力，这种压强与激光束的功率密度成正比。 光凝术和光切术。光凝术利用了热凝同原理，可以破坏病变组织，如凝同眼底血管瘤， 还可以通过热凝固焊接相离的组织。光切术是光的热作用和压强作用的结果，如用ArF准 分子冷光刀切削角膜。

        三、激光扫描限底电视机
        美国视网膜基金会眼科研究院于20世纪80年代末研制成功激光扫描眼底电视机。这种仪器不但能够检查视网膜任何位置的视功能，而且还能用来观察视网膜和玻璃体病变以及眼底血液循环异常。

        （一）仪器的构造和原理
        以眼底为目标，激光扫描眼底电视机有两个光路体系：激光束照明光路和眼底反射光的 光路。激光束照明光路是从激光器发出的照明光，经过一系列光学元件，到达眼底时形成激光扫描光栅；眼底反射光的光路体系是带有眼底各种信息的反射光离开眼底，经一系列光学元件，到迭光电接收器，再转换成电视屏上的图像。 激光束照明光路的照明光源是氨氖激光或氪氲混合气体激光，输出功率均在视网膜损伤阅值以下。激光束经过两个不同频率振荡的反射镜，从而使光束作水平和垂直两个方向扫描合成结果形成扫描光栅。 眼底反射光的光路体系是从眼底反射出来的带有视网膜各种动态和静态的反射光线。 经光电放大器接收转换成电流信号并放大输出，用计算机控制的声光调制来改变激光扫描 光束在某瞬时的光强度，从而在眼底形成各种不同形态干¨不同对比度的静态和动态阿形。

        （二）激光仪器的特点
        i．进出瞳孔的光路安排上与一般间接检眼镜或眼底照相机恰好相反。在瞳孔中心小 区域内通过进入光路，而其余大区域则通过出来光路，从而可大为降低照明光的强度，同时 大大提高了反射光的光通量。过去间接检眼镜要求光强度为0. 1W/cm2，普通荧光眼底造 影术所需光强度为4×1012W/cm2，而本仪器则只需70µW/cm2的光强。

        2．进入眼球的光束是很细的，入射光瞳小，从而大大增加了景深，因而虹膜、玻璃体和 视网膜能同时看清。而反射出来的光线并不需要形成光学像，从而避免了光学像差，提高了像质。本机不仅能提供彩色眼底像，而且能提供反映眼底不同层次的单色光图像。 
        3.光源可分别换用红光、黄光、绿光或蓝光，可满足观察不同层次和不同用途的需要。 由于接收光效率高，荧光血管造影荧光索剂量减至一般剂量的110，因此可多次重复造影。

        （三）测试方法 一般视力检查只能测定黄斑中心凹处的视力，本仪器则能测定视网膜上任何都位的视力。医生可以用操纵杆将视标投到患眼视网膜的任何特定位置上，将“E”置于视乳头黄斑中心凹区域，让患者辨认，并按下“上、下、左、右”四个方向中的一个揿钮。电子计算机将根据辨认正确与否自动变换视标的大小和方向，直至测出视力并打印出来。临床上，主要川来 确定黄斑病变患者的蛀佳视力位置。

        四、眼科激光治疗仪眼科检验州的激光是利用了光能量的高度单色特性和高度相十特性，眼科治疗用的激光则是利用了高单色亮度的光能挺。前者强调了这种光能量的特性，而光能量是只需很弱的量，后者则强调r具有这些特性的光能量。

        （一）红宝石激光器
        红宝石激光器因其激光工作物质是固体而属于闻体激光器。其工作物质是红宝石晶 体，这种晶体的基质是刚玉(Al2O3)．掺入少量杂质Cr2O3，，所掺杂质的重量仅为总重量的0. 05%，使部分Cr3+代替Al3+．从而使刚玉晶体变成为呈红色的红宝石晶体。通常选用脉 冲氙灯作脉冲激励源，使红宝石晶体中的Cr3+实现粒子数反转，从而产生波长为694. 3nm的受激辐射。再经晶体棒丽端的两块反射镜的谐振，终使这种激光器输出694. 3nm波长的脉冲激光。于1960年发明的世界上台激光器就是红宝石激光嚣。红宝石激光器的 个用途就是用于眼科治疗。这种激光器的脉冲峰值功率一般为几千瓦到几十千瓦，每脉冲能量为0.1~1. 5J。20世纪60年代主要用这种激光光凝治疗眼底病和光切虹膜治疗 闭角型青光眼、虹膜囊肿等有关疾病。以后南更优越的氲激光和氪激光代替红宝石激光。

        （二）掺钕钇铝石榴石激光器
        掺钕钇铝石榴石激光器是固体激光器，其工作物质是掺人了少量钕的钇铝石榴石晶体，其基质是钇铝石榴石，英文缩写YAG，化学成分是由3份Y2O3和5份Al2O3化合而成。在YAG晶体中掺入1%的Na2O3，使少量Na3+代替YAG晶体中的部分Y3+，制成掺钕钇铝 石榴石晶体，比作Na：YAG。通常选用连续氪灯作为连续激励的泵浦源，经光学谐振后终使Na；YAG晶体中的Na3+发出波长为1.06µm的近红外连续激光从激光器输出端输出。临床上用这种激光治疗眼内无色素组织的眼前节疾病，如用来治疗膜性白内障，也可用于光切瞳孔治疗瞳孔膜闭等。但这种连续激光的光强不够，需将光能量在时间上集中，制成 调QNa：YAG激光，称为巨脉冲激光。此外，若在Na：YAG激光的谐振腔内插入非线性 倍频元件，使输出光的振动频率加倍，即波长减率，从而使原来波长是1 06µm的不可见红 外光变成了波长是0. 53µm的可见绿光，此波长的光在眼科的应用前景广泛。

        （三）氩离子激光器和氪离子激光器
        氯离子激光器和氪离子激光器因它们的工作物质是气体而都属气体激光器。气体激光 器的工作物质有原子气体、分子气体、离子气体和准分子气体等，氩离子激光器和氪离子激光器是离子气体激光器。这种激光的波长与激活物质的有关结构对应，工作方式则与泵源 的工作方式对应，如脉冲泵浦则输出脉冲激光，如连续泵浦则输出连续激光。 氩离子激光逐渐代替红宝石激光，氩离子激光器是目前可见光区域内连续输出功率高 的一种激光器，功率可这几十瓦，能量也较容易精密控制，经透镜聚焦石氪离子激光束直径可 小至4.0-5. 0µm，治疗过程中对周围组织操作少。其主波长是514. 5nm绿光和488．0nm蓝 光，这种波长的光对眼屈光介质有很高的透过率，眼球色素组织则对这种波长的光县有很高的 吸收率，因而用它治疗眼内各层血管瘤、病变血管、新生血管和其他出血性疾病。 氪离子激光器结构与氩离子激光器的结构完全相同，若将氪离子激光器里的氩气抽走后充人氲气，则就成为氪激光器了。氪离子激光器的连续输出功率为十几瓦，主波长为520. 8nrn绿光，与68. 2nm黄光和647. 1nm红光。

        （四）氦氖激光器
        氦氖激光器是原子气体激光器．在激光管内充人稀薄的氦气和氖气，其中氖原于是辐射波长为632 8nm激光的工作物质，氦气则是辅助气体。氦氖激光器输出功率从几个毫瓦到几十毫瓦，是连续激光。眼科激光检测仪的激光光源主要是氦氖激光。国内也有用氦气激光作为理疗光源或光针的光源，治疗眼部有关疾病。

        （五）ArF准分子激光器
        ArF准分子激光器的工作物质是惰性气体卤化物．这种物质在处于基态时是原子气体，但在受激跃迁到高能态时两原子形成了分子，这种分子存在的平均寿命很短，约为 10-7 ~10-6秒，很快会自动离解成原来的两个原子。ArF准分子激光器输出波长为l93nm远紫外脉冲激光。周外文献称为Excimer，我国则称之为准分子。 准分子激光器与别的气体激光器的结构不同，激光腔不是玻璃制品而是金属或尼龙圆筒．输出激光的脉冲宽度约几十纳秒，脉冲能量为l00-200mJ。实用的准分子激光工作物质主要有3种：ArF、KrF和XeF，它们的激光波长分别为l93nm、249nm和35lnm。眼科用的多为波长为193nm的ArF准分子激光器。ArF准分子激光是医刚激光中光量子能量大的激光，当它作用于生物组织后发生化学效应，而不是发生热效应，用作手术“刀”时无热损伤，称之为“冷刀”。用光化学分解作用来切割角膜时使生物分子的化学键断开，切割精度 可达1µm，术后刀口处干净。

        （六）有机染料激光器
        染料激光器的工作物质有“有机染料”和“无机染料”两种，“无机染料”在液体状态下工 作，有机染料则可以在任何状态下工作，医用的有机染料激光器，其工作物质在液体状态下工作，所以是液体激光器。 有机染料液体激光器都用光泵激励，当用连续光泵进行连续激励时激光器将连续输出 连续光；当用脉冲光泵进行脉冲激励时，激光器将输出脉冲激光。当用作光动力学疗法治疗眼部恶性肿瘤时多使用连续激光，激光功率为几百毫瓦到几瓦，所用光泵多用氩离子激光；当用于光凝或光切治疗眼部疾病时则多用脉冲激光，激光能量约几十毫焦耳，峰功率约为 105W。脉冲宽度约为几十毫秒，所用泵浦源多用脉冲氮分子激光或氙闪光灯。 染料激光器的特点是其激光波长连续可调。若所用的有机染料是若丹明6B则可在 605~638nm波段内调谐，若用的是若丹明6G，则可在580~610nm波段内调谐。光动力学 治疗眼部恶性肿瘤用的有机染料激光器的工作物质是若丹明6B．从而可选其中的630nm谱线作为治疗光源。

        五、准分子激光周光不正治疗仪
        Marshall等在1984年，用准分子激光改变了角膜的屈光度，次命名为激光角膜屈光术( photorefractive keratectomy，PRK)，近年，应用准分子激光行角膜屈光矫正临床手术获得了广泛的认可。

        （一）准分子激光系统的基本结构
        准分子激光系统由11部分组成：

        (l)准分子激光；
        (2)激光传送系统；
        (3)显微镜；
        (4) x-y-z患者桌；

        (5)碎片清除装置；

        (6)眼动控制装置；

        (7)摄像系统；

        (8)激光气体纯化器；

        (9)系统清洁剂；
        (IO)氕体供应框；
        (11)计算机工作台。 激光传送系统有多种类型，其共同目的是限制对角膜区域释放太多能量，主要有三种类 型：膜片系统( diaphragm)、眼罩系统(mask)和旋转型裂隙传送系统(rotating-slit deliverysystem)。

        1．膜片系统 膜片系统由近视减低轮、远视减低轮和散光减低轮组成。近视减低轮由 一光圈系列组成，直径逐渐增大，其结果表面切削中心越大，使得角膜翦表面曲率变平坦．获 得近视度数减低；远视减低轮由一环形光圈系列组成，逐渐增大，增长对切削区域周边的激光能量，使得角膜前表面变陡，获得远视度数的减低；散光减低轮南一系列逐渐增大的长方 形光圈组成，增长对中心部位的激光能量时间，但仅局限于一条子午线，周边切削的程度比 中心区域小，切削仅局限于屈光力大的午线。在PRK过程中，两个暂时不剐的轮予打在空光圈的位置。

        2．眼罩传送系统 眼罩传送系统试图减少角膜切削后的不规则表面．陔系统由一个吞噬眼罩( erodible mask)和一个放在眼上的眼杯组成，激光必须切削眼罩后才能到达角膜表 面。近视跟罩的面是凹形的，中心表面切削较多，造成角膜平坦，降低近视度数；远视眼罩面 为凸形的，在角膜周边表面切削较多，降低远视度数；散光眼罩是一个同体状的，非吞噬性 PMM罩，有一系列同中心的裂隙，不用眼杯，将非吞噬跟罩直接放在角膜表面，以横向切割方式切削周边的角膜，使角膜面呈球面形状，散光眼罩可多次使用，近视和远视眼罩只能使用一次。

        3．旋转型裂隙传送系统 将激光束变成方形光束，方形光束照在一个可旋转的盘子，盘的旋转速度可以调节，该盘含有一单个放射状裂隙，从中心指向周边，像一片羽毛，通过数 学方法来控制裂隙的形状，通过裂隙旋转产生对角膜切削的抛物线样形状改变。还可以通 过改变裂隙的角位置，在不同的子午线，改变激光的重复率而行不同的抛物线样切削，达到矫正散光的目的。切削总量与激光流量、裂隙的角转速度，激光的重复率，脉冲的次数成函 数关系。 4碎片清除装置(debris removal filtration system)的作用①将气味和蒸发组织清除出术野；◎避免_[作人员或患者可能的污染；③提高激光束的均匀性。 5激光气体纯化装置(laser gas purifier)的作用①保持光束的均匀性；②延长激光气体的生命十倍；③提高能量的稳定性。

        （二）准分子激光特性 准分子激光是一种高能脉冲气体激光，脉宽约几十毫微秒，能量从0.1焦耳到几焦耳，波 长从紫外到远紫外，它们的光子能量为几个电子伏特，冈此，准分子激光与生物组织的作用不是通常的热效应，而是光化学反应，光子能量被组织吸收，打断分子键，形成较小的挥发性碎片，使组织切除。光能切除的特点是碎片带走了激光沉积在组织表面的全部能量，避免热损伤。角膜对温度特别敏感，即使同是准分子激光器，其输出波长不同对角膜的影响也是不同的，只有193nm ArF准分子激光才可能得到精密而清洁的切口，对周围组织没有热损伤。 ArF准分子激光的光子能量水平为6.4eV/光子，Aron-Rosa等证明，从200 mJ/cm2脉 冲至100mJ /cm2／脉冲，在这个范围内切削组织的深度与流量(fluence)成线性比例，当流量 大于120mJ /cm2／脉冲时，切削组织的量将不再与流量成线性函数关系，流量越大．被烧毁的基质组织区域越大。