激光医疗--医用激光系统的要求发表时间:2023-07-26 09:00 激光具有极高的相干性、单色性和方向性,能够将能量集中在很小的空间范围内,实现极端的光与物质相互作用。鉴于材料吸收激光能量后会发生熔化与气化,激光最早被用于各种材料的加工,如打孔、切割与焊接。随后人们发现,特定的生物组织结构在激光辐照下升温,可以达到对有害物质的消融和去除等目的,从而催生了激光医疗的新概念。激光医疗具有无接触、精度高、损伤小、便于携带和操作灵活等优点,得到了广泛的关注与研究。激光医学经过多年的发展,已初步成为一门体系完备的交叉学科,在医学领域发挥日益重要的作用。激光医疗自被国内外药品监督管理部门批准用于临床应用以来,广泛应用于各医疗学科中。 激光医疗由于其独特的优势,被越来越多的医师和患者接受,在部分疾病的治疗中逐渐取代了传统的治疗方法,所占的市场份额也越来越大。根据 The Business Research Company 发布的市场研究报告,2026 年全球激光医疗市场规模将增长至 93.1 亿美元,2022~2026 年期间复合年增长率高达 13.7%。 ▍医用激光器 随着激光器性能的不断提升,激光器的各项参数指标日益优化,如激光波长范围扩大、平均功率增加、体积缩小和系统稳定性增强等,激光在医疗领域中的应用范围也不断增加。表 1 显示了不同波长、模式和功率的激光器在不同疾病中的应用。医用激光器不同于工业激光器,它对激光有特定的要求,如激光波长、脉冲宽度、工作方式、输出功率、设备尺寸和安全监测等。针对不同人体组织对激光的吸收和穿透效率的差异,需要选择不同波长的激光器;针对一些高精密的治疗应用,需要严格控制脉冲宽度、工作方式和输出功率;激光体积要小,重量要轻,便于携带和操作;对于需要将光纤伸入身体的手术,光纤的直径要足够小;为减少对正常组织造成的损伤,激光器模块需带有温度反馈、红光指示、光功率监测和光纤接入监测等功能,保证治疗过程中的参数稳定。 表1 不同类型的激光器在不同疾病中的应用 图 1 显示了美国 QPC 公司 BrightLase Ultra-50MEDICA 型号的 1470 nm 激光模块,其为专门用于医疗方面的激光,配套的光纤芯径为 400 μm,拥有 LD 外延片生长、制造和封装的全套激光器原创技术,使激光亮度和功率密度得到进一步提高,从而使激光体积能够变小,代表了医疗激光的新技术水平。 图1 BrightLase Ultra-50 MEDICA 型激光器 医用激光器的另一个重要发展方向是超快激光。超快激光指脉冲宽度在皮秒(10−12 s)及以下的超短脉冲激光,由于其脉冲宽度小于材料中的电子-晶格传热时间尺度,超快激光的烧蚀机制与传统激光具有显著差异,超快激光可以显著降低周围组织的热效应,在精确去除激光聚焦区域组织的同时将对周围组织的损伤降低到最小,实现“冷烧蚀”。当前,超快激光已被用于高精度要求的眼科和皮肤科治疗。随着高功率和高稳定超快激光器的不断发展,未来超快激光将在医疗领域发挥越来越大的作用。 ▍ 医用激光控制系统 医用激光器的控制系统需要满足以下几个方面的要求: (1)提高激光治疗精度。手术精度是激光器应用于临床医疗的重要前提,以截骨手术为例,截骨治疗往往存在较大误差,具体体现在以下几个方面:术前预测环节中,头影测量描迹裁剪拼对法是由医生手工描绘截骨轨迹,手工描绘存在不准确性;术中,截骨线常用钻孔进行标记,而由于实际手术空间非常狭小,加之操作医生的心理状态波动,手动钻孔会与设计位置存在一定的偏差。激光控制系统的设计需要尽可能减少不确定的人工操作:例如基于全数字化和自动化的方案进行轨迹设计与描绘、采用智能机器人或操作臂进行截骨线标定等。 (2)提高手术效率。过长的手术时间容易引起风险,因此,手术效率也是一个重要的评价指标。医用激光控制系统应制定最佳的手术流程,提升系统的响应速度,减少冗余和不必要的人工确认和干预操作。另一方面,医护人员有可能不擅长操作电子设备。因此,医用激光控制系统设计不宜过于复杂,应便于医生操作。 (3)保证稳定与安全。相比于工业生产,医用系统对设备的稳定和安全性提出了更高的要求,任何机器的不稳定性和不可控行为都有可能造成手术的失败,甚至危害病人的身体。医用激光控制系统的底层逻辑应尽可能简单和鲁棒,并经过系统性、长时间的测试,排除一切的不可控因素。另外,医用激光系统还应具备紧急情况处理能力,能够及时终止程序,避免对病人造成伤害。 |