CN113143409B - 一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置及其使用方法，包括激光发生器、高压供气系统、供液系统、控制器、线缆和操作手柄；激光接入操作手柄内的光路系统，并通过出光光纤输出；出光光纤尾端设置激光吸收层，激光吸收层中部开设出光窗口，出光光纤外侧环绕设置高压液腔，供液系统接入高压液腔；高压液腔底部开设具有一定锥度并指向激光吸收层及其下方的喷嘴，供液系统包括提供电解质溶液的溶液供给系统。本发明提出的治疗装置，可对水雾颗粒进行两级获能转化为高能状态，克服现有激光治疗装置需采用高成本Er,Cr:YSGG晶体激光器的问题，并能保证较好的激光生物硬组织治疗效果，有效降低治疗过程的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及激光医疗技术领域，具体涉及一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置及其使用方法。
背景技术
水激光是利用晶体释放的特殊波长激光来激发水分子，激发水分子转化为具有高速动能的状态，利用高速动能的水分子作为组织切割的媒介，可对生物硬组织进行破坏，达到切割、移除组织的目的。完成切割工序的水分子将重新凝结成水滴，带走残余热量和组织碎屑，有效避免热损伤并加快手术的效率。水光动能切割优点在于，水光动能切割不出现振动和产生热量，患者神经不会过分敏感导致剧烈疼痛。激光消融硬组织技术在牙齿备洞和龋齿去除等牙科领域，以及截骨术、耳骨开窗术、开颅术及碎石术等方面有着广阔应用前景。
Er,Cr:YSGG激光在水的吸收波峰和牙釉质的吸收第二波峰，可获得较好的水动力效果。而CO2、Nd:YAG或半导体激光的激光利用率不够，无法满足水激光的动力需求。现有水激光治疗设备采用配置Er,Cr:YSGG激光器的昂贵进口设备，目前国内市场还没有国产化的水激光医疗设备，这严重限制了水激光的国产化研发和推广。
Laser ablation of aqueous solutions with spatially homogeneous andheterogeneous absorption，R.O.Esenaliev，A.A.Karabutov，et al.Appl.Phys.B 59,73-81(1994)，公开了CuCl2溶液中进行Nd:YAG激光消融的影响研究，发现CuCl2溶液的消融阈值比墨汁小，同比条件下CuCl2溶液消融速率高出墨汁10多倍；当脉冲能量远超消融阈值时，两种溶液的消融效率都急剧增加。结论认为电解质溶剂能增强对激光吸收效果，超过消融阈值的激光能量可产生溶液的有效水动力爆炸，提高水动力切割效率。
因此，设计能采用CO2、Nd:YAG或半导体激光器，并达到较好生物硬组织切割治疗效果的激光治疗装置，具有重要实践意义和推广意义。
发明内容
本发明提出一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置及其使用方法，对水雾颗粒进行两次获能转化为高速动能状态，可克服现有激光治疗装置需采用高成本Er,Cr:YSGG晶体激光器的问题，并能保证较好的激光生物硬组织治疗效果，有效降低治疗过程的损伤。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，包括激光发生器、高压供气系统、供液系统、控制器、线缆和操作手柄；所述线缆内置传输光纤、气流通道、液体通道，激光发生器的输出端通过传输光纤接入操作手柄内光路系统，所述光路系统输出端连接出光光纤，出光光纤尾端从操作手柄工作端穿出并指向治疗部位；所述出光光纤尾端设置可吸收激光能量并转化为热辐射的激光吸收层，激光吸收层中部开设出光窗口；所述出光光纤外壁涂覆有反光涂层，出光光纤外侧环绕设置有高压液腔，高压液腔底部开设具有一定锥度并指向激光吸收层及其下方的喷嘴；所述高压供气系统、供液系统分别通过气流通道、液体通道接入高压液腔；所述供液系统包括并联设置的供水系统和提供电解质溶液的溶液供给系统，供水系统和溶液供给系统输出至高压液腔。
上述方案中，供液系统的溶液经喷嘴雾化形成低能水雾颗粒，激光吸收层吸收激光外围能量转化为热辐射，低能水雾颗粒经热辐射区域加热形成气泡，气泡膨胀破裂产生正声压，使低能水雾颗粒加速向生物组织移动。低能水雾颗粒继续运动进入出光窗口辐射区，激光脉冲能量超过消融阈值，低能水雾颗粒吸收激光的电磁能发生爆炸，分解成直径更小的水雾颗粒，爆炸产生的压力使水雾颗粒继续加速，激发成为高能水雾颗粒。高能水雾颗粒能对生物硬组织进行有效切割治疗，高能水雾颗粒冷凝可带走热量并冲洗残渣，减小对组织的损伤。供液系统可提供电解质溶剂，电解质溶剂能增强对激光吸收效果，产生溶液的有效水动力爆炸，提高水动力切割效率。
进一步的，所述溶液供给系统包括至少两条并联的溶液流路，溶液流路包括依次连接的溶液腔、吸水泵、液压单向阀；所述供水系统包括依次连接的水腔、吸水泵、液压单向阀；所述溶液供给系统、供水系统的输出端接入液体混合腔，液体混合腔内混合液经过液动可调节流阀输出至液体通道。
进一步的，所述液体混合腔内配置有紫外线消毒灯并连接有废液腔，液体混合腔内液体可通过截止阀进入废液腔。
进一步的，所述喷嘴的喷孔可采用填充式分布或圆周阵列式分布，所述填充式分布的喷孔均匀填充于喷嘴指向内侧的锥形壁，所述圆周阵列式的喷孔沿圆周等间距设于喷嘴指向出光光纤一侧的锥形壁。
进一步的，所述高压供气系统包括依次设置的高压气源、气液分离器、气动可调节流阀，高压供气系统输出高压气体进入气流通道。
进一步的，所述光路系统包括依次设置的前置自聚焦透镜、滤波片、后置自聚焦透镜，激光经光路系统聚焦后由出光光纤输出。
进一步的，所述激光吸收层可采用对激光吸收系数在0.5-1之间的金属元素。
进一步的，所述激光发生器可采用CO2激光器或Nd:YAG激光器。
进一步的，所述溶液腔内可增加能提高水分子对激光吸收效果的HA、SiO2、γ-Fe2O3、Al2O3、CNTs中的一种或多种纳米粒子。
采用一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其使用方法包括以下步骤：
S1：将操作手柄的工作端移动至待治疗生物组织，使出光光纤的输出端对准待治疗工位；
S2：通过控制器启动高压供气系统、供液系统，压缩空气和具有电解质的溶液汇聚于高压液腔内形成高压水流，高压水流经由喷嘴喷出形成低能水雾颗粒，低能水雾颗粒向激光吸收层运动；
S3：通过控制器启动激光发生器向操作手柄输出激光，激光经由线缆、光路系统从出光窗口输出，激光吸收层吸收激光外围能量转化为热辐射，热辐射加热低能水雾颗粒形成气泡，气泡继续膨胀破裂形成正压声，低能水雾颗粒加速向生物组织移动完成一级充能；
S4：低能水雾颗粒运动进入出光窗口辐射区吸收激光的电磁能，水雾颗粒根据直径的不同发生不同程度的爆炸，分解成直径更小的水雾颗粒，爆炸产生的压力使水雾颗粒二次充能，激发为高能水雾颗粒；
S5：控制操作手柄使高能水雾颗粒作用于生物硬组织，对生物硬组织进行切割治疗，高能水雾颗粒冷凝带走热量并冲洗残渣；
S6：治疗结束依次关闭激光发生器、供液系统，移开操作手柄。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明所述设置激光生物硬组织治疗装置，通过激光吸收层和出光窗口构建低能水雾区和高能水雾区，从碰嘴输出的水雾颗粒可依次在低能水雾区和高能水雾区获得两次加速，激发成为能对生物硬组织进行切割的高能水雾颗粒。设置激光吸收层能在不影响水激光加工精度前提下，利用直径更大的激光光斑，使水分子获得更大的高速动能，提高激光利用率，可实现有廉价激光器代替成本高昂的激光器，满足切割要求。
2、本发明所述设置激光生物硬组织治疗装置，供液系统设有溶液供给系统，添加电解质溶液可增强对水分子对激光的吸收效果，进一步增强水动力切割效果。
3、本发明所述设置激光生物硬组织治疗装置，在添加电解质溶液增强对水分子对激光的吸收效果基础上，辅以添加纳米颗粒进一步增强水分子对激光的吸收，提高切割效率。
4、本发明设置多组溶液流路，可根据手术需求快速配置和切换不同功能溶液，达到更好的治疗效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明操作手柄的结构示意图；
图3为本发明光路系统的结构示意图；
图4中的图(a)为本发明环式喷嘴的截面示意图；
图4中的图(b)为本发明圆周阵列式喷嘴的截面示意图；
图5为本发明的工作原理示意图。
图号标识：1、激光发生器，2、高压供气系统，21、高压气源，22、气液分离器，23、气动可调节流阀，3、供液系统，31、溶液腔，32、吸水泵，33、液体混合腔，34、液动可调节流阀，35、水腔，36、紫外线消毒灯，37、废液腔，38、截止阀，39、液体混合腔，4、控制器，5、线缆，51、传输光纤，52、气流通道，53、液体通道，6、操作手柄，61、光路系统，611、前置自聚焦透镜，612、滤波片，613、后置自聚焦透镜，62、出光光纤，63、激光吸收层，64、出光窗口，65、反光涂层，66、高压液腔，67、喷嘴，7、显示器，8、低能水雾颗粒，9、高能水雾颗粒。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，如附图1、2所示，其主体包括激光发生器1、高压供气系统2、供液系统3、控制器4、线缆5、操作手柄6和显示器7。激光发生器1、高压供气系统2、供液系统3、控制器4安装于机箱内，激光发生器1、高压供气系统2、供液系统3的输出端分别通过线缆5内的传输光纤51、气流通道52、液体通道53接入操作手柄6。激光发生器1可采用CO2激光器或Nd:YAG激光器。
如附图2、3所示，传输光纤51接入操作手柄6内的光路系统61，光路系统61包括依次设置的前置自聚焦透镜611、滤波片612、后置自聚焦透镜613，后置自聚焦透镜613输出端连接出光光纤62。前置自聚焦透镜611将入射激光进行准直，滤波片612对准直激光进行滤波调整，后置自聚焦透镜613将准直激光聚焦耦合至出光光纤62中。两自聚焦透镜选择节距为0.25P，前置自聚焦透镜直径稍小于后置自聚焦透镜，可提高耦合效率。
出光光纤62的外壁涂覆有反光涂层65，出光光纤62尾端设置激光吸收层63，激光吸收层63的中部开设出光窗口64。激光吸收层63采用激光吸收系数在0.5-1之间的金属元素，如Ti、Cu、Nd、Ho、Tm、Cr、Fe、Yt、Er、Au、Ni。出光光纤62传导的激光部分由中部的出光窗口64输出，部分被激光吸收层63吸收转化为热辐射。
出光光纤62外侧环绕设置高压液腔66，高压液腔66底部开设具有一定锥度并指向出光光纤62出口的喷嘴67。出光光纤62从操作手柄6工作端穿出，喷嘴67安装于操作手柄6工作端。高压供气系统2、供液系统3分别通过气流通道52、液体通道53接入高压液腔66，形成高压混合液。
喷嘴67的喷孔可采用填充式分布或圆周阵列式分布，填充式分布的喷孔均匀填充于喷嘴67指向出光光纤62一侧的锥形壁，如附图4中的图（a）所示；圆周阵列式的喷孔沿圆周等间距设于喷嘴67指向出光光纤62一侧的锥形壁，如附图4中的图（b）所示。
如附图1所示，高压供气系统2包括依次设置的高压气源21、气液分离器22、气动可调节流阀23，高压供气系统2输出高压气体经气流通道52进入高压液腔66。高压气源21可采用空气压缩机、储气罐等可提供高压空气的装置。
供液系统3包括供水系统、溶液供给系统、液体混合腔39、紫外线消毒灯36、废液腔37、截止阀38。供水系统和溶液供给系统并联设置，供水系统包括依次连接的水腔35、吸水泵32、液压单向阀33。溶液供给系统包括四条并联的溶液流路，每条溶液流路皆包括依次连接的溶液腔31、吸水泵32、液压单向阀33。溶液供给系统、供水系统的输出端接入液体混合腔39，液体混合腔39内混合液经过液动可调节流阀34输出，经液体通道53进入高压液腔66。
为保证溶液无菌洁净，液体混合腔39内配置有紫外线消毒灯36。液体混合腔39内液体可经截止阀38后进入废液腔37，在更换溶液时，打开截止阀将废液排入废液腔37，便于快速切换溶液、减小浪费。
溶液腔31内可采用生理盐水、二氧化氯、稳定二氧化氯、亚氯酸钠、醋酸、碱性过氧化物、聚维酮碘、过氧乙酸、醋酸、亚氯酸盐、次氯酸钠、次氯酸、氯酸钠、酒精、柠檬酸、氯己啶、葡萄糖酸盐、银离子、氟离子、铜离子、锌离子等与生物组织相容的溶液或离子溶液。
同时，也可进一步增加HA、SiO2、γ-Fe2O3、Al2O3、CNTs等可增强水分子对激光吸收的纳米粒子。同时，还可在溶液中添加掩盖在手术过程中产生灼烧组织气味的调味剂，添加消毒剂、防龋剂、牙齿增白剂等。
装置中用电器和电路元件通过线路连接至控制器4，通过显示器7可向控制器输送指令并获取信息，控制器4控制各用电器和电路元件启停完成治疗操作。
采用一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置时，使用方法包括以下步骤：
S1：将操作手柄6工作端移动至待治疗生物组织，使出光光纤62的输出端对准待治疗工位；
S2：通过控制器4启动高压供气系统2、供液系统3，压缩空气和具有电解质的溶液汇聚于高压液腔66内形成高压水流，高压水流经由喷嘴67喷出形成低能水雾颗粒8，低能水雾颗粒8向激光吸收层63运动，如附图5所示；
S3：通过控制器4启动激光发生器1向操作手柄6输出激光，激光经由线缆5、光路系统61从出光窗口64输出，激光吸收层63吸收激光外围能量转化为热辐射，热辐射加热低能水雾颗粒8形成气泡，气泡继续膨胀破裂形成正压声，低能水雾颗粒8加速向生物组织移动完成一级充能；
S4：低能水雾颗粒8运动进入出光窗口64辐射区吸收激光的电磁能，水雾颗粒根据直径的不同发生不同程度的爆炸，分解成直径更小的水雾颗粒，爆炸产生的压力使水雾颗粒二次充能，激发为高能水雾颗粒9；
S5：控制操作手柄6使高能水雾颗粒作用于生物硬组织，对生物硬组织进行切割治疗，高能水雾颗粒冷凝带走热量并冲洗残渣；
S6：治疗结束依次关闭激光发生器1、供液系统3，移开操作手柄6完成治疗操作。
以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：包括激光发生器（1）、高压供气系统（2）、供液系统（3）、控制器（4）、线缆（5）和操作手柄（6）；所述线缆（5）内置传输光纤（51）、气流通道（52）、液体通道（53），
激光发生器（1）的输出端通过传输光纤（51）接入操作手柄（6）内光路系统（61），所述光路系统（61）输出端连接出光光纤（62），出光光纤（62）尾端从操作手柄（6）工作端穿出并指向治疗部位；所述光路系统（61）包括依次设置的前置自聚焦透镜（611）、滤波片（612）、后置自聚焦透镜（613），激光经光路系统（61）聚焦后由出光光纤（62）输出；所述出光光纤（62）尾端设置可吸收激光能量并转化为热辐射的激光吸收层（63），激光吸收层（63）中部开设出光窗口（64）；
所述出光光纤（62）外壁涂覆有反光涂层（65），出光光纤（62）外侧环绕设置有高压液腔（66），高压液腔（66）底部开设具有一定锥度并指向激光吸收层（63）及其下方的喷嘴（67）；所述喷嘴（67）的喷孔采用填充式分布或圆周阵列式分布，所述填充式分布的喷孔均匀填充于喷嘴（67）指向内侧的锥形壁，所述圆周阵列式的喷孔沿圆周等间距设于喷嘴（67）指向出光光纤（62）一侧的锥形壁；
所述高压供气系统（2）、供液系统（3）分别通过气流通道（52）、液体通道（53）接入高压液腔（66）；所述供液系统（3）包括并联设置的供水系统和提供电解质溶液的溶液供给系统，供水系统和溶液供给系统输出至高压液腔（66）；
一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置的使用方法，包括以下步骤：
S1：将操作手柄（6）工作端移动至待治疗生物组织，使出光光纤（62）的输出端对准待治疗工位；
S2：通过控制器（4）启动高压供气系统（2）、供液系统（3），压缩空气和具有电解质的溶液汇聚于高压液腔（66）内形成高压水流，高压水流经由喷嘴（67）喷出形成低能水雾颗粒（8），低能水雾颗粒（8）向激光吸收层（63）运动；
S3：通过控制器（4）启动激光发生器（1）向操作手柄（6）输出激光，激光经由线缆（5）、光路系统（61）从出光窗口（64）输出，激光吸收层（63）吸收激光外围能量转化为热辐射，热辐射加热低能水雾颗粒（8）形成气泡，气泡继续膨胀破裂形成正压声，低能水雾颗粒（8）加速向生物组织移动完成一级充能；
S4：低能水雾颗粒（8）运动进入出光窗口（64）辐射区吸收激光的电磁能，水雾颗粒根据直径的不同发生不同程度的爆炸，分解成直径更小的水雾颗粒，爆炸产生的压力使水雾颗粒二次充能，激发为高能水雾颗粒（9）；
S5：控制操作手柄（6）使高能水雾颗粒作用于生物硬组织，对生物硬组织进行切割治疗，高能水雾颗粒冷凝带走热量并冲洗残渣；
S6：治疗结束依次关闭激光发生器（1）、供液系统（3），移开操作手柄（6）。
2.根据权利要求1所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：所述溶液供给系统包括至少两条并联的溶液流路，溶液流路包括依次连接的溶液腔（31）、吸水泵（32）、液压单向阀（33）；所述供水系统包括依次连接的水腔（35）、吸水泵（32）、液压单向阀（33）；所述溶液供给系统、供水系统的输出端接入液体混合腔（39），液体混合腔（39）内混合液经过液动可调节流阀（34）输出至液体通道（53）。
3.根据权利要求2所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：所述液体混合腔（39）内配置有紫外线消毒灯（36）并连接有废液腔（37），液体混合腔（39）内液体可通过截止阀（38）进入废液腔（37）。
4.根据权利要求1所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：所述高压供气系统（2）包括依次设置的高压气源（21）、气液分离器（22）、气动可调节流阀（23），高压供气系统（2）输出高压气体进入气流通道（52）。
5.根据权利要求1所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：所述激光吸收层（63）可采用对激光吸收系数在0.5-1之间的金属元素。
6.根据权利要求1所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：所述激光发生器（1）可采用CO2激光器或Nd:YAG激光器。
7.根据权利要求1所述的一种低损伤水雾介导激光生物硬组织治疗装置，其特征在于：所述溶液腔（31）内可增加能提高水分子对激光吸收效果的HA、SiO2、γ-Fe2O3、Al2O3、CNTs中的一种或多种纳米粒子。
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