高能皮秒脉冲固体激光对乳猪皮肤组织的气化效应研究

发布时间：2017-11-24 15:32

  本文关键词：高能皮秒脉冲固体激光对乳猪皮肤组织的气化效应研究

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【摘要】：研究背景及目的:清创是创面治疗的第一步,清创的质量直接影响后续治疗的效果。理想的清创效果是清除全部坏死及感染组织的同时,最大程度的保留健康组织,即精确清创。目前临床上,外科手术是最常使用的清创方法,坏死组织的清除层次及范围依靠医师的主观判断,难以保证清创的精确性。随着人们对创面认识的深入,一些新式的清创方法如酶解清创、生物清创、自溶清创、超声清创、“水刀”清创等的研究与应用逐渐开展与深入。但上述清创方法均有其不足以及限制,尤其是在清创精确性方面有着较大的缺陷。激光是受激辐射发光,它具有方向集中、能量密度大等特点,按照工作状态,可分为连续激光和脉冲激光。激光与生物组织相互作用可引起热效应、压强效应、生物刺激作用等多种激光生物效应。连续激光用于气化烧伤坏死组织的报道在国内外均有报道,但都暴露了热损伤过大导致植皮成功率不高或激光手术失败需多次手术的问题。有研究表明,短脉冲激光是一种精确可控的清创方法,当脉冲激光的脉宽小于热传导时间(热弛豫时间)时,受照组织将瞬间气化而对周边的热损伤可降至最低,提高单脉冲能量可明显提高其气化组织的效率。高能皮秒(ps)激光是脉宽仅为10-12s的短脉冲激光,组织气化范围可控,有可能实现精确清创的目的。关于单脉冲能量高达100m J,脉宽窄至30ps或更窄的脉冲激光应用于临床清创未见文献报道,所以对这种高能短脉冲激光的临床应用尚有很多未知。因此,本实验使用高能皮秒(ps)脉冲激光辐照乳猪皮肤组织,探索在单脉冲能量,脉冲次数单因素变化时高能皮秒激光对皮肤组织的作用规律。本实验还对高能皮秒(ps)、飞秒(fs,10-15s)激光辐照皮肤组织时的温度场变化进行了初探,以期为将来短脉冲激光用于高精度高效率创面清创奠定一定基础。研究方法:1.使用Ansys软件建立激光辐照皮肤的热响应模型,针对高能量密度的1064nm连续激光和单脉冲激光进行数值模拟,分析比较连续激光和单脉冲激光的优缺点。2.实验分为正常皮肤组和全层烫伤皮肤组,制作巴马小香猪离体皮肤、全层烫伤皮肤模型。3.按照单脉冲能量0(对照)、20mJ、40mJ、60mJ、80mJ、100mJ,每次辐照时间2s、5s、10s进行分组,组合形成18种激光剂量辐照正常离体皮肤,每组重复3次。全层烫伤皮肤组与正常皮肤组实验条件相同。4.使用功率计对激光器的输出能量进行检测,分别设置激光器输出能量为0mJ、10mJ、20mJ、30mJ、......、100mJ,形成11组激光能量,每组重复三次测量,明确激光器的能量输出误差。使用激光波长计对实验所用激光器输出波长进行验证,使用超短激光脉宽测量仪测量激光器输出脉宽。5.将K型热电偶固定于皮肤标本的背部,温度测量仪观察记录激光辐照时及辐照结束后一段时间内,光斑处及距离光斑2mm处的温度变化曲线。6.使用超景深显微镜即时观察记录气化区深度及直径。7.取受照皮肤组织常规制作组织切片,HE染色,请有资质的病理医师显微镜下观察,获取气化区之外热损伤范围的数值。8.采用两因素方差分析对5个能量组的3个时间分类的气化区宽度和深度最大值以及凝固带宽度最大值进行差异性比较。如果方差分析的结果显示组间差异,采用Bonferroni进行两两比较,探讨两组是否有统计学差异。根据上述数据绘制量效关系曲线,分析其作用规律及临床意义。结果:1.数值模拟结果显示,相较于脉冲激光,连续激光需要更高的能量才能使皮肤碳化,但碳化深度更深,连续激光作用下二维效应(热量沿水平方向扩散)明显;脉冲激光作用下,皮肤纵向温度梯度大,碳化深度浅,温度下降速度更快,二维效应可以忽略,对激光辐照区域以外的皮肤几乎无损害。2.实验过程中,使用功率计对激光能量进行检测,结果显示,皮秒激光器输出能量误差为±0.42mJ,飞秒激光器能量输出误差为±0.37mJ。波长计检测结果显示,实验所用皮秒激光器和飞秒激光器的输出波长为1064nm;超短激光脉宽测量仪测量结果显示,本实验所选皮秒激光器输出脉宽为30ps,飞秒激光器输出脉宽为70fs。3.温度数据显示,光斑处温度随单脉冲能量与辐照时间呈正相关,距光斑2mm处温度升高仅1-2℃。4.肉眼观察:激光照射皮肤组织时,可闻及“啪啪”连续声响,激光器输出能量增加到一定程度时,可看到组织溅射。激光输出能量较小时,受照皮肤组织无肉眼可见改变,或出现靶点发白或发黄的改变,约5min内消失;随激光器输出能量及辐照时间的增加,受照皮肤组织隆起,继而炭化、气化,出现圆形或类圆形气化区,周围组织发白或发黄,变形。5.超景深显微镜观察:在正常离体皮肤实验组,除对照组与20mJ能量组无明显皮肤损害,其余各组均可肉眼或显微镜下见组织气化区,且气化作用的效应程度与单脉冲能量和每次辐照时间呈正相关趋势。平均气化区直径为(1168.85±188.57μm)(范围为740.66~1455.32μm),平均气化区深度(412.16±289.84μm)(范围为106.44~1314.80μm)。在离体皮肤全层烫伤模型实验组,对照组与20mJ能量组未见明显皮肤损害,平均气化区直径为(1180.0±179.3μm)(范围为810.2~1398.5μm),平均气化区深度为(426.9±223.3μm)(范围为100.7~792.7μm)。6.组织切片HE染色结果显示,正常离体皮肤实验组,平均凝固区宽度(141.10±47.68μm)(范围为65.35-238.73μm),最大凝固区宽度为(217.0±19.9μm)。7.实验结果显示,凝固区范围小于100μm的最大激光剂量为80m J×2s组,在此激光剂量时,气化区宽度为(1257.9±22.3μm),气化区深度为(262.6±15.6μm),凝固区宽度为(99.5±2.1μm)。即激光剂量≤160m J×s时,凝固区范围小于100μm。结论:1064nm波长30ps脉宽Nd:YAG激光对乳猪皮肤组织有较强的气化作用,热量沿水平方向的传递较弱。用该激光气化目标皮肤组织时,对健康组织热凝固效应可控制在百微米级范围,该技术有望为精确清创提供依据。
【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R64

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本文编号：1222757