第一节　激光基础知识

一、激光概述

1.激光的概念

激光是原子（分子）受激辐射的光放大，是利用物质受激辐射原理和光放大过程产生的一种具有高亮度、好的方向性、好的单色性和相干性的光。

激光是人类发明的强相干光，其英文“laser”是“light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写，意思是“受激辐射的光放大”［1］。中文名称“激光”是由科学家钱学森命名的，我国台湾地区学者称其为“镭射”。

光具有波动性和粒子性，即波粒二象性。光子（电磁场量子）和其他基本粒子（如电子）一样，具有能量、动量和质量等，但不存在静止的光子。它的粒子属性（能量、动量和质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）密切相关。

光波的基本参数有波长（λ）、频率（ν）和速度（c），三者的关系为：c=λν，真空中 c=3×108m/s；光子的能量：ε=hν（h=6.63×10-34J·s，为普朗克常数）；光子的动量：p=hν/c。

从红外光、可见光到紫外光，光的频率依次增大，波长逐渐变短，光子的能量由低到高。

2.激光产生原理

早在1917年，伟大的科学家爱因斯坦提出了受激辐射的概念：物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收。后来理论物理学家又证明，受激发射的光子和激励光子具有相同的频率、方向、相位和偏振。这些都为激光器的出现奠定了理论基础［2］。

直至1960年7月，美国人梅曼演示了其发明的世界第一台红宝石固体激光器，随之而来的各种激光器如雨后春笋般出现，并迅速得到了非常广泛的应用。激光在医学中的应用十分广泛，为诊断、手术、治疗提供了崭新的手段，PLDD就是其应用之一。

激光器由激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔三个基本部分组成（图1-1）。激光工作物质是能实现粒子数反转的增益介质，泵浦源是激励粒子数反转的能源，光学谐振腔是提供受激发射光子反馈振荡的装置。

在热平衡状态下，激光工作物质中的激活原子（离子或分子），处于高能级的粒子数远低于处于低能级的粒子数。在合适的泵浦源激励下，激活原子吸收泵浦源提供的能量由低能级跃迁到高能级，可使高能级的粒子数高于低能级的粒子数，即实现粒子数反转。在高能级上的粒子受到谐振腔选定的激励光子的激励，从高能级跃迁到低能级，同时产生受激发射光子，受激发射光子又作为激励光子，在谐振腔内振荡，往返通过激光工作物质时激发出大量受激发射光子，使受激辐射光呈雪崩式增长，实现光的受激辐射放大，在输出耦合镜一端输出激光（图1-2）。

在产生激光的过程中，同时存在受激原子的自发辐射（自发跃迁发出的光波）、受激辐射和受激吸收三个过程，但在激光器中受激辐射占据绝对优势（图 1-3）。

3.激光的基本特性

激光和普通光源存在巨大的差异。普通光源属于自发辐射光，自发辐射光彼此是不相关的，发射的光基本平均分配在所有模式中，光的传播方向、频率、偏振都不一样。激光是放大的受激辐射光，而受激发射的光子和激励光子具有相同的频率、方向、相位和偏振，因此激光有很好的单色性（谱线宽度窄）、相干性（不同光波的相位关系固定）、方向性（发散角小，能够聚焦成很小的光斑）和高亮度（能量高度集中），即激光的四个基本特性，其应用正是基于这些特性开展的。

激光作为一种新型的光源，与相同功率的普通光源相比，其发射的光能量并不能提高，而是光能量在状态上有了成亿倍的集中，即单色亮度可以有成亿倍的提高［1］。PLDD就是在选定合适激光波长的基础上，利用激光的高亮度特性开展的微创手术。

二、激光器的类型

激光器的分类方法有多种。按激光工作物质的物理状态分类，可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和光纤激光器；按激光波长分类，可分为远红外激光器、红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等；按激光器的运转方式分类，可分为连续激光器和脉冲激光器；按激光的脉冲宽度分类，可分为长脉冲激光器、短脉冲激光器、超短脉冲激光器（皮秒、飞秒）［1］；按传输方式分类，可分为自由空间传输激光器、光纤传输激光器、关节臂传输激光器、波导管传输激光器等。

为了准确地描述一台激光器，一般会涉及上述内容，如描述一台脉冲掺钕钇铝石榴石（neodymium doped yttrium aluminum garnet，Nd：YAG）固体激光器，至少会给出激光波长、脉冲宽度、激光脉冲重复频率、最大单脉冲能量、平均功率等参数。

在给出激光工作物质的同时，必须标明激光波长，因为同一种激光工作物质通过不同的技术手段可能产生多种波长。如Nd：YAG可通过谐振腔的反射膜的变化输出1 064nm、1 032nm、914nm等波长的激光，1 064nm的红外激光经二倍频后变换为532nm的绿光，经四倍频后变换为266nm的紫外光等。

对生物组织而言，不同波长激光的组织光学特性等是不同的，光的生物效应存在着很大的差异。因此，激光波长是必须描述的重要参数之一。

三、脉冲Nd：YAG激光器和砷化铝镓、砷化铟镓半导体激光器

在PLDD术中，目前国内主要应用的激光器有脉冲Nd：YAG激光器（波长1 064nm）和连续及斩波脉冲的砷化铝镓（aluminum gallium arsenide，AlGaAs）半导体激光器（中心波长810nm）、砷化铟镓（indium gallium arsenide，InGaAs）半导体激光器（中心波长980nm）。技术参数见表1-1，结构示意图见图1-4和图1-5。

为了更好地理解这两种激光器的特点，下面先介绍脉冲激光和连续激光、长脉冲与斩波脉冲、平均功率和峰值功率的概念。

顾名思义，连续激光（CW）就是以连续方式输出的激光，脉冲激光就是以脉冲方式输出的激光。脉冲激光器的优点是能够把储存在激光工作物质中的能量瞬间以光能的形式释放出去，在短的脉冲持续时间内实现高功率输出。两者在峰值功率方面存在着巨大的差异，在下面的内容中再进行较为详细的论述。这两种激光的时间特征见表1-2［3］。

由表1-2可见，不同宽度的激光脉冲是通过不同的激光技术获得的，如纳秒级的调Q脉冲和皮秒级的锁模脉冲是分别通过调Q技术和锁模技术获得的。

压缩激光脉冲宽度是提高激光峰值功率非常重要的技术手段。例如同样1J的激光能量，分别在1秒、1毫秒、1微秒、1纳秒、1皮秒时间内以矩形波输出时，其峰值功率分别为1W、103W、106W、109W、1012W，依次呈千倍地增长，即从1W到1万亿W（太瓦）。

激光功率是衡量激光器输出能力的一个重要指标，和生物效应有着密切的关系。激光功率的定义是单位时间内产生的激光能量（P=能量/时间），是输出激光能量的速率。

对连续激光器而言，激光功率是平均功率，定义为每秒产生连续激光的总能量。

对脉冲激光器而言，平均功率、峰值功率、单脉冲能量是它的基本参数［3］。脉冲激光的平均功率，定义为每秒产生的激光脉冲的总能量，和单脉冲能量的关系如下：

P_平=单脉冲能量×脉冲重复频率（每秒输出的激光脉冲的数量）

例如，脉冲激光器输出的每个脉冲的能量是1J，重复频率为10Hz，平均功率为：

P_平=1J×10Hz=10J/s=10W

脉冲激光的峰值功率，定义为激光脉冲输出时在脉冲持续时间内的最高激光功率值。可用下列公式近似表示：

P_峰=单脉冲能量/脉冲宽度（激光脉冲持续时间）

例如，脉冲激光器输出的每个脉冲的能量是1J，脉冲持续时间为100微秒，则峰值功率：

P_峰=1J/（100×10-6s）=10 000J/s=10 000W

由此可见，对于脉冲激光器而言，因计算脉冲激光的平均功率时，也包含了激光脉冲之间的间歇时间（无激光发射），因此其峰值功率永远大于平均功率，且可高出多个数量级（图1-6）。

图1-6B可见，由连续激光斩波获得的斩波脉冲的特点是峰值功率不变，可改变脉宽和重复频率。如连续输出时功率为10W的激光，通过斩波技术，可实现斩波脉冲输出，但输出斩波脉冲的峰值功率仍为10W。尽管峰值功率不会高于连续输出时的最大功率，但改变了出光的持续时间（脉冲宽度）及间隔时间，由连续激光变为具有重复频率的斩波脉冲激光，此时输出激光的平均功率将降低，峰值功率为连续输出时的功率值。

我们通常所说的脉冲激光器是指自由运转的常规脉冲激光器，也称静态脉冲激光器、长脉冲激光器。PLDD术中使用的脉冲Nd：YAG激光器就是长脉冲激光器，其脉冲宽度基本不变，通过调整泵浦脉冲能量的大小，来实现激光脉冲能量的变化，峰值功率也随之改变，再加之调整脉冲重复频率，平均功率也随两者的变化而改变（P_平=P_峰×脉冲宽度×重复频率）。

四、用于PLDD的脉冲Nd：YAG固体激光器与半导体激光器的差异

激光波长不同，组织光学特性存在着较大差异，这将在激光与生物组织的相互作用部分进行介绍；谱线宽度不同，Nd：YAG激光线宽比半导体激光线宽窄很多，即Nd：YAG激光比半导体激光的单色性好；发散角不同，Nd：YAG激光的发散角比半导体激光的发散角小得多，即Nd：YAG激光比半导体激光方向性好，但被耦合入光导纤维后，经过较长的光纤传输，光纤出口处的发散角将由光纤的参数决定；峰值功率不同，脉冲Nd：YAG激光器是自由运转激光器，而半导体激光器是连续（或连续斩波）激光器，脉冲Nd：YAG激光的峰值功率可比半导体激光的功率高出数百倍，导致在瞬间的汽化能力等方面存在着巨大的差异，这将在PLDD对激光的要求中加以讨论。

五、激光的定量描述

在临床应用中，使用的激光照射量的大小需要有一系列不同的定量描述，所需的定量描述的物理量详见表1-3［3］。

在激光医学中，不仅要描述生物组织接收的激光能量和功率，还要描述照射在生物组织的能量密度和功率密度。为了更好地理解能量密度和功率密度，现用日常生活中的常识加以说明。

例如，在太阳光直射下的A4白纸，一般情况下不会燃烧，将照射在该纸上同样面积的阳光通过透镜聚焦照射在白纸上（焦点位于纸表面），经过很短的时间，白纸就会燃烧，化为灰烬。对于白纸而言，这两种情况下的太阳光功率没变，即相同时间内照射在白纸上的能量没变，由于透镜的聚焦，使光能量集中在更小的光斑内，在白纸被照射的部位，阳光的能量密度和功率密度大幅提高，即白纸燃烧是因能量密度和功率密度的提高，白纸吸收阳光的能量产生的温度超过了白纸的燃点引起燃烧。若保持接收阳光能量不变，移到阳光更强（功率更大）的时间段进行实验，从照射到燃烧的时间会缩短，这是阳光功率密度提高的结果，提高了加热的速度。

由此可见，光与物质相互作用时，光功率和光能量相同情况下，使用不同的光能量密度和光功率密度可能会产生不同的结果。

六、激光与生物组织相互作用的基础知识［4］

为了更加安全、有效地开展PLDD的临床工作，了解激光与生物组织相互作用的过程是十分必要的，这会减少临床工作的盲目性。下面主要参考《激光与生物组织的相互作用原理及应用》的内容对其进行较为详细的阐述。

激光与生物组织相互作用表现出的光学特性及热学特性，是激光在生物医学中应用的基础。一束激光入射到生物组织后，一部分被散射，而另一部分则被吸收。激光被生物组织吸收，会与生物组织产生相互作用，具体划分为5种主要类型（表1-4及图1-7），而激光的曝光时间（脉冲宽度）是决定性参数。波长是第二重要的激光参数，它决定激光辐射穿透组织的深度，即吸收和散射的效率。第三个参数是使用的能量密度，它的值是产生一个特定效应的必要条件，并且决定其程度。第四个参数是使用的强度，以能量密度与脉宽之比的形式给出，对连续激光而言，即功率密度，对脉冲激光而言，即峰值功率密度。

在PLDD术中，目前应用的是连续激光和脉冲宽度大于100微秒的脉冲激光。由表1-4及图1-7可知，激光与组织的相互作用类型主要表现为热相互作用及光化作用，热相互作用为主，光化作用为辅，而光蚀除、等离子体诱导蚀除及光致破裂等不会发生。下面主要针对光化作用及热相互作用展开论述。

1.光化作用

在低功率密度（典型值为1W/cm2）和长时间曝光下（秒以上或连续波），光对大分子或生物组织可以引起化学作用和化学反应，即光化作用，出现氧化、聚合、敏化等。目前的应用主要有以下两种：光动力疗法（PDT），借助光敏剂充当催化剂（如血卟啉衍生物等）。

生物刺激：极低的辐照度就可以使生物刺激发生。典型的能量密度范围为1～10J/cm2，用红光或近红外光可使创伤愈合和具有抗炎性。

在PLDD术中，光化作用主要发生在离激光传输光纤末端较远的低温区域内。该区域光功率密度低，形成活性化反应区，产生抗炎、改善微循环等作用。

2.热相互作用

热效应可以由连续或脉冲激光辐射产生，局部温度升高是热相互作用的重要参数变化。对于所有激光与生物组织的热相互作用而言，温度是一个决定性参数。从微观来看，温度的升高是光能被组织吸收后转换为动能的结果。

吸收分为一般吸收和选择性吸收，一般吸收表现为组织对一定光谱范围内的所有波长的光的吸收程度相似，而选择性吸收是指对特定波长光的吸收比其他波长光的吸收程度强。在生物组织中，吸收主要是由水分子、蛋白质和色素等大分子引起的，在红外光谱区的吸收主要由水分子引起，而蛋白质和色素主要吸收紫外线和可见光。由于在生物组织中水是主要成分，因此在红外光谱区，可主要考虑水的吸收情况，吸收系数在很大程度上依赖于入射光的波长。下面以水为例来介绍热相互作用的过程。

不同波长处水的吸收系数和穿透深度（吸收长度）见图1-8和表1-5。

由表1-5不难看出，水对1 064nm的Nd：YAG激光的吸收系数为0.61/cm，800nm的半导体激光的吸收系数为0.02/cm，水对1 064nm激光的吸收系数是800nm半导体激光的30倍，光穿透深度则相反。

从文献报道中的数据可知，980nm水的吸收系数约是1 064nm的3倍，则光穿透深度前者是后者的1/3［5］。

吸收系数大，意味着生热效率高；穿透深度浅，意味着光作用范围更局限。

在激光照射下，波长的选择（吸收强度）和曝光时间（脉冲宽度）基本决定了热效应的表现。其中两个重要的参数是组织能够达到的温度峰值和组织区域的加热速度。被加热组织中某一区域能产生以下四种效应：凝结、汽化、碳化和熔融。生物组织中热效应的位置见图1-9，激光辐射的热效应见表1-6。

凝结：组织被凝结过程中，温度至少达到60℃，被凝结的组织将会坏死。

汽化：组织被加热到100℃时，水开始转化为水蒸气，引起组织的热切除（或光热切除）。在这个过程中，组织被膨胀的蒸汽撕裂。由于热扩散造成周围组织的损伤，引起破坏区域的扩大。如果想尽量减少热量横向传播带来的破坏，就必须用脉冲激光进行组织切除。根据生物组织的热扩散特性，如果能量在组织中的积累时间在几十微秒内，热切除主要在传输光纤的末端附近，这样横向破坏将会减少。

碳化：当组织温度达到150℃时，组织将被烧焦，其有机组成转化为碳。该过程引起无法恢复的组织损伤，所以应该尽量避免。

熔融：当脉冲激光（通常在微秒到纳秒级）的能量密度非常高时组织中局部的温度可能达到其熔点，这个过程可用于组织焊接。

在PLDD术中，激光的脉冲宽度大于100微秒，熔融可以不用考虑。

组织损伤的程度及空间的广度，主要取决于幅值、曝光时间和生物组织内存储热量的部位。激光能量的存储，并不仅仅与波长、功率密度、曝光时间、光斑尺寸及重复率等激光参数相关，在很大程度上也依赖于吸收和散射系数等组织光学特性参数。为了描述热能的存储和传递，组织热特性如热容量和热导率都是首要参数。为了进一步了解和控制热损伤，下面对热相互作用过程进行比较详细的阐述。

热产生是由激光参数和生物组织的光学性质决定的，即主要由辐照度（功率密度）、曝光时间（脉冲宽度）及吸收系数决定，而吸收系数本身就是激光波长的函数。热传输完全由生物组织的热特性（如热导率和热容量）来表征。热效应最终依赖于生物组织的类型及其内部的温度。

热是在激光曝光期间在组织内产生的，热在组织内的积累源于光被组织的吸收。一部分热量将以热传导、热对流或热辐射的方式散失。热传导在热量损失中占主导地位，它是热量传播到邻近组织的主因。而热穿透深度（Z_therm）与时间（t）有关，表示如下：

其中к=1.4×10-7m2/s，水的热穿透深度见表1-7。

由表1-7可见，曝光时间（脉冲宽度）为100微秒和1秒时水的穿透深度分别为7μm和0.7mm，后者是前者的100倍。

鉴于此，在对组织的热切除中，为了减小对邻近组织的热损伤，选择合适的激光脉冲宽度就变得非常重要。该时间用弛豫时间（t_therm）来度量，当热穿透深度（Z_therm）等于光学穿透深度（L）时：

L2=4кt_therm

由此可见，当激光脉宽t＜t_therm时，热扩散距离达不到光学穿透深度，邻近组织的热损伤可忽略；当激光脉宽t＞t_therm时，热扩散距离将是光学穿透深度的几倍，即热效应有可能对邻近组织造成损伤。最短的热弛豫时间为1微秒，当激光脉宽t＜1微秒时，在低重复频率工作通常不会造成热损伤。

水的热弛豫时间见图1-10，细胞发生坏死的临界温度见图1-11。

由图1-11可见，当温度为60℃，持续时间至少为6秒时可以导致组织不可逆损伤。细胞坏死的临界温度是由曝光时间（脉冲宽度）决定的，随着曝光时间的缩短，临界温度会相应提高。

在激光应用中，我们只需要达到一种特殊效果。依据上述分析，根据所要达到的生物效应，合理选择所需要的激光参数（脉冲宽度、波长、能量、激光功率、重复频率等）是非常重要的，可有效地减少不可逆损伤的范围，曝光能量、曝光体积及曝光时间（脉冲宽度）综合起来可决定组织被损伤的程度。而每种热效应的部位和范围由激光曝光期间和曝光后本部位所达到的温度决定。

在PLDD术中，实际情况是激光与髓核的相互作用，光穿透深度与热穿透深度与水的数据存在差异，应根据实际情况进行修正。

七、PLDD对激光器的要求

PLDD追求微创伤，激光通过光纤传输到椎间盘内，因此，只能选择能通过光纤传输的激光。从表1-5可以看出，掺铒钇铝石榴石（Er：YAG）激光（波长2 940nm）、CO₂激光（波长10 600nm）水的吸收系数极高，光穿透深度很浅，但没有合适的光纤可用，仅此一点就将其排除在外了。

PLDD追求局限性汽化部分病变髓核组织，实现有效的减容减压，同时不能伤及周围的纤维环及神经，在纤维环及神经周围区域进行低温理疗，产生抗炎及热活化性反应。既要追求治疗的有效性，又要确保治疗的安全性。尽量减小凝结、碳化的区域，因为凝结、碳化引起不可恢复的损伤。若凝结区域过大，之后被组织吸收后将造成有益髓核的缺失，削弱了髓核的原始功能，有可能引起椎间隙变窄和脊柱失稳。

为了满足上述要求，选择激光器时，要依据光与生物组织的相互作用原理，既要考虑激光波长因素，它与水对光波的吸收系数相关，又要考虑影响热传导范围的时间因素，即曝光时间（脉冲宽度），它关系到热的穿透深度，还要考虑产生所需生物效应的功率密度和能量密度（能量、功率、脉冲宽度、光纤直径等），需要综合权衡。

在PLDD治疗中，激光的生物效应以热效应为主，髓核的含水量较大，在没有髓核吸收光谱数据的情况下，可选择水吸收系数较高的红外波段的激光器。按照生物组织对激光的选择性吸收特性，应选择吸收系数较高的激光，吸收系数高则光的穿透深度小，生热效率高，即汽化等量的髓核所需的激光能量较低，光损伤的区域较小。

为了有效避免因热传导而造成的邻近组织广泛凝结，需要激光具有较小的热穿透深度，这就要求激光具有较窄的脉冲宽度，只有脉冲激光才能较好地满足这一要求。选定了激光的波长和脉冲宽度之后，基本上就确定了热效应的表现。

为了尽量减小在汽化腔周围组织的热损伤，要控制组织达到的温度峰值和组织区域的加热速度，要求在汽化腔周围形成高的温度梯度，即温度在汽化腔周围快速衰减，由高温过渡到低温所需的距离较小，这就需要激光必须具有瞬间的汽化能力，即激光要具有高的峰值功率，同时需要有足够的散热时间，这只有高峰值功率的脉冲激光才能达到，依靠连续激光斩波获得的激光脉冲（如目前的半导体激光）不具备高峰值功率的特点，不能实现瞬间汽化。

用高峰值功率的脉冲激光汽化髓核时，脉冲持续时间内即可达到汽化温度，激光脉宽尽量缩窄以减轻对邻近组织造成不可恢复的热损伤，因脉冲持续时间很短，等下一个脉冲到来之前，有较长的时间降温，可使得周围的组织保持较低的温度。这就好比用一把烧红的烙铁去汽化生物组织，只要接触时间（作用时间）足够短，就会汽化有限的局部组织而邻近的组织完好无损。如用峰值功率低的激光去汽化，就需要有较长的热积累过程去升温，达到汽化所需的时间延长，热穿透深度随加热时间的加长而增大，长时间热传导会造成周围组织较大范围的坏死，继而引起一系列不良反应。这正如煮肉时的小火慢炖，火的热功率低，加热时间长，因为温度梯度小，温度变化慢，没有形成温度壁垒，外面熟的时候，内部也熟了。

可见，相对于连续及斩波脉冲的半导体激光器而言，高峰值功率、窄脉宽的脉冲Nd：YAG激光器更接近PLDD的要求。尽管水对1 064nm的激光的吸收系数是800nm的半导体激光的30倍，因其脉冲宽度（100微秒量级）仍远大于1微秒，对邻近组织的热传导引起的温度升高依然是不可忽视的因素，应通过优化激光的工作参数，降低热损伤的范围。

目前，常见的医用激光传输光纤为0°（平头）光纤，其出口的发散角由光纤的参数（数值孔径）决定，经光纤传出的光束在空气中的传播见图1-12。激光束从0°（平头）光纤输出后，在空气中传播时，激光从光纤出口向前传输，并呈喇叭口锥形散开。这种传播方式决定了激光进入组织内后，光纤出口的正前方为主要作用区域，产生热效应的范围呈橄榄球形，损伤范围较大。

为了更加安全、有效地进行PLDD，专用光纤几乎成了目前唯一的选择方案。专用光纤可把激光能量锁定在光纤末端很小的区域内，产生热效应的范围近似球形，损伤范围较小。可与高峰值功率的脉冲激光配合，在较低的平均功率下实现高效率瞬间汽化。实验数据表明，在合适的工作参数下，离开光纤末端3mm处的髓核温度已降至42℃以下，可在距离突出部位较近的位置，局限性汽化小部分髓核，实现高效减容减压，既满足了治疗的安全性，又提高了治疗的有效性。

八、PLDD中热效应的过程描述

由激光与生物组织的相互作用原理可知，在PLDD术中，热效应效果最终依赖于髓核组织的类型及其内部的温度，被加热髓核的凝结、汽化、碳化是在不同温度的区域内发生的，温度是一个决定性参数。

假如髓核对某种波长的光是完全“透明”的，即髓核对该光波不吸收，则不会产生热效应。波长的选择（吸收强度）和曝光时间（脉冲宽度）基本决定了热效应的表现。波长决定了光在髓核中的穿透深度，决定了光的作用范围；脉冲宽度决定了热在髓核中的穿透深度，决定了热的作用范围。至于是否导致光损伤和热损伤，则取决于该局部激光的强度和组织达到的温度，损伤程度还和作用时间有关。

在PLDD术中，髓核温度的升高是光能被髓核组织吸收后转换为动能的结果，热产生发生在激光的曝光时间内，连续激光在激光发射时间内，脉冲激光在脉冲持续时间（脉冲宽度）内。热效应的两个重要的参数是髓核组织能够达到温度峰值和组织区域的加热速度，在选定激光波长后，这两个参数取决于激光的能量密度和功率密度的量值，能量密度大的区域温度高，能量密度小的区域温度低。

激光经0℃光纤传输后，能量密度和功率密度最高的部位在光纤出口处，激光经专用光纤传输后，能量密度和功率密度最高的部位出现在光纤末端。激光通过这两种光纤传输到髓核后，产生的热效应位置见图1-13和图1-14。

相同参数的激光经不同直径的光纤传输后，在光纤出口处得到的能量密度和功率密度差距很大。如分别用直径400μm和600μm的0℃光纤传输时，在光纤出口的能量密度和功率密度的量值前者是后者的2.25倍，意味着前者温度峰值和组织区域的加热速度是后者的2.25倍。

在光穿透深度范围内，髓核以吸收光能导致的温度升高为主，但随着离开光纤末端的距离增加，局部光能量密度快速下降，局部温度降低，组织间将形成温度差，髓核内的热传导也相伴而来，热从高温区域向低温区域扩散。

在PLDD术中，因激光的曝光时间远大于1微秒，热穿透深度会远大于光穿透深度，超出光穿透深度的相邻区域，其温度升高主要是由组织间的热传导引起的。热扩散是否会造成不可逆的热损伤，是由该区域内达到的温度及其持续时间决定的。脉冲激光的优点就是减小了因热传导造成的间接损伤。

临床中需要特别注意髓核中的含水量，含水量不同，得到相同的汽化腔所需的激光剂量不同。水在一定程度上限定了髓核内的温度。

在1个标准大气压下，水的沸点是100℃，而且水分子的稳定性很好。1 064nm、980nm及810nm激光的光子能量很低，不能打断水的分子键，水吸收的光能量将转化为热能。选择合适的激光工作参数，将在光纤出口的区域产生汽化，在出现组织碳化之前，因液态水的存在，该区域的组织温度将被限定在100℃以下，水成了局部组织的冷却液。随着汽化腔的形成，局部水量减少，细胞脱水，以及光纤末端被组织附着污染，光纤末端也会因被污染吸收激光导致其温度快速升高，其周围的温度会超过组织的碳化温度，继续发射激光会引起碳化组织的燃烧，有可能伤及终软骨终板及周围神经。因此，若闻到光纤上有焦煳味时，应终止激光的发射。一定要将激光的使用量控制在安全剂量以下，以防非预期的组织及神经损伤。

对于脉冲激光而言，因激光的峰值功率高，能使组织瞬间汽化，导致组织的剧烈振动，振动和激光脉冲的发射同步，伴随产生一过性的间盘内压力增大，出现不可忽视的机械效应。

髓核组织内的温度分布，距离光纤出口的距离越远，温度越低。

九、激光的安全防护

激光的安全防护，主要涉及对眼睛和皮肤的防护，而对眼睛的防护是重中之重。

手术室要照明良好，这样会使瞳孔缩小，减少对眼睛的伤害。用于PLDD术的激光器均为Ⅳ类激光器，若光纤末端在空气中而激光意外发射时，能造成眼损伤的距离范围都超过了手术室的长度，所以在手术室内包括患者在内的所有人员都需要佩戴专用激光防护镜。

对皮肤而言，红外激光只会造成皮肤的热损伤，PLDD术中所用光纤的数值孔径约为0.22mm，发散角为12.7°，只要皮肤适当遮盖，离开一定距离后，就基本不会对皮肤造成伤害。

激光能量是通过光纤全内反射传输到间盘内的，光纤的破损、折断、拉断是需要特别注意的安全隐患，这将会造成激光的意外泄露。所以发射激光前，必须用瞄准光对光纤状况进行查验，确认完好后方可使用。

提高安全意识，将光纤出口视为“枪口”，光纤出口一定不能对着人。

脚踏开关是控制激光发射的装置，一定要避免误踏，不需要发射激光时，一定要将脚移开，并将脚踏开关置于安全位置。

在非治疗期间，应将激光器置于待机状态。

一定要认真阅读使用说明书，严格遵守操作规程，确保激光的安全使用。

（郝英杰　张彤童　任龙喜）