孔亞群 董曉曦 劉偉超 程夢琳 詹曉懿 黃曉峰

（1.首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院口腔科，北京 100050；2.中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津 300192；3. 西南醫(yī)科大學心血管醫(yī)學研究所，醫(yī)學電生理學教育部重點實驗室，醫(yī)學電生理四川省重點實驗室，瀘州 646000）

近幾年，隨著激光技術的不斷提升，半導體激光在口腔疾病診療中得到了有效的應用[1]，尤其是在一些軟組織手術中，如牙齦修整術、修復前軟組織手術、種植二期手術等。半導體激光切割軟組織的基本原理是傳輸激光的光纖末端通過光熱轉換作用（Fiber-optic thermal conversion，F(xiàn)OTC）后，激光的一部分能量被轉換為熱能，通過熱效應達到切割的目的；同時，激光的剩余能量透過光纖末端繼續(xù)輻射到組織表面，發(fā)揮著激光與組織的相互作用。目前，波長為810nm的半導體激光器由于設備便攜、價格適中、術中止血效果好等優(yōu)勢在口腔臨床中應用非常廣泛，但是也面臨著光纖光熱轉換后能量不易把控的問題。如果光纖尖端的溫度過高或者剩余的激光能量過高都有可能帶來熱損傷的問題[2]。相反，如果光纖尖端溫度過低就會出現(xiàn)切割效率不足、出血等問題[3]。本文探討不同輸出功率對覆膜型激光光纖光熱轉換作用的影響，為激光臨床使用過程中光纖尖端光熱轉換后的激光能量分布提供有效的預測平臺。

1 材料和方法

1.1 材料及儀器

半導體激光治療儀（Doctorsmile，D5，Italy），波長為（810±10）nm，功率0.1 W ～ 9 W，石英光纖直徑320 μm，同軸發(fā)出波長650 nm的半導體激光作為指示光；紅外成像測溫儀器（FOTRIC，222S，China），可以實時監(jiān)測光纖尖端溫差變化，存儲圖像和數(shù)據(jù)；激光功率計（SOLO 2，PCGentec-EO-V2.01.08，Canada），可以用于 810nm 波長激光輸出功率的校正及測量。

1.2 實驗方法

1.2.1 建立光纖尖端輸出功率及溫差變化監(jiān)測模型并校對激光器輸出功率 將一根新的出廠配套光纖連接手柄垂直固定，光纖另一端連接激光器，在距離光纖尖端20 mm處放置功率計，通過指示光引導使光纖垂直正對功率計探頭中心。將紅外成像測溫儀器探頭正對光纖尖端用于實時測量溫差變化（圖1）?？紤]到激光器使用的衰減問題需要對實驗儀器進行校對，設置機器屏幕顯示功率分 別 為 100 mW、200 mW、300 mW、400 mW、500 mW、600 mW、700 mW、800 mW、900 mW、1 000 mW，輸出模式為連續(xù)模式（continuous wave，CW）和脈沖模式（pulsed mode，PM），功率計測量實際功率并校對（校對誤差允許范圍±25 mW）。

圖1 光纖尖端輸出功率及溫差變化監(jiān)測模型

1.2.2 建立覆膜型光纖光熱轉換模型并驗證其穩(wěn)定性 使用鎢鋼刀對光纖尖端進行垂直切割，操作如下：使用機器配套光纖鉗去除光纖保護套，露出傳導光纖，將光纖置于左手食指指腹上，使用鎢鋼刀在距離光纖尖端約5 mm處垂直輕輕劃一下，去除殘端。使用光熱轉換木塞實現(xiàn)光纖光熱轉換，為了獲得重復測量數(shù)據(jù)和規(guī)范化的光熱轉換方法，我們的操作如下：調節(jié)輸出功率為1 000 mW（ CW），光纖尖端插入專用光熱轉換木塞2 mm同時輸出激光，光纖光熱轉換后使用蘸有鹽水的棉球擦拭光纖尖端，去除光纖尖端表面碳化組織。以上操作由受過培訓的激光管理員一人完成。

1.2.3 光熱轉換后不同輸出功率對光纖尖端溫差變化及剩余功率的影響 將上述光熱轉換模型固定，設置機器屏幕顯示功率分別為100 mW、200 mW、300 mW、400 mW、500 mW、600 mW、700 mW、800 mW、900 mW、1 000 mW，輸出模式為CW和MP，連續(xù)發(fā)射激光90s，使用紅外成像測溫儀器實時測量光纖尖端的溫差變化，功率計實時測量透過光纖尖端后的剩余功率，每次變換參數(shù)前重新切割光纖并完成光熱轉換，整個實驗中，室溫保持在24℃。

1.3 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 21.0軟件，所有結果數(shù)據(jù)均以均值±標準差表示，各組數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗和方差齊性檢驗。組間比較采用單因素方差分析（ANOVA），方差不齊時采用Kruskal-Wallis檢驗進行分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。對光纖光熱轉換后剩余功率、溫度差值和輸出功率的關系做線性相關分析，采用Pearson相關系數(shù)r值判斷兩變量間線性關系的密切程度，r＞0.95存在顯著性相關，r≥0.8高度相關，0.3≤r＜0.8低度相關，r＜0.3不相關，如變量存在線性關系，計算線性回歸方程及決定系數(shù)R2。

2 結果

2.1 轉換前后光纖尖端形態(tài)及指示光斑形態(tài)變化

通過觀察發(fā)現(xiàn)，光熱轉換前后光纖尖端形態(tài)、指示光斑形態(tài)有所不同。光熱轉換作用前的光纖尖端可以看到比較圓滑的平面，指示光斑為規(guī)則圓形，未見明顯發(fā)散；光熱轉換作用后可以看到光纖尖端表面有破壞，指示光斑發(fā)散且沒有規(guī)則（圖 2）。

圖2 光熱轉換前后光纖尖端形態(tài)、指示光斑形態(tài)變化

2.2 轉換前光纖尖端的剩余功率及溫度差值變化

光纖光熱轉換前，不同輸出功率下的剩余功率及溫度差值在90 s內(nèi)無明顯變化（P>0.05）。

2.3 轉換后光纖尖端的剩余功率及溫度差值變化

光纖光熱轉換后，光纖尖端的剩余功率及溫度差值均能在30 s達到穩(wěn)定，組內(nèi)比較不同輸出功率下激光照射30 s、60 s、90 s光纖尖端的剩余功率及溫度差值之間的差異沒有統(tǒng)計學意義（P>0.05）。隨著輸出功率的增加，光纖尖端的剩余功率及溫度差值均有不同程度增加，其中輸出功率1 000 mW，在CW模式下的剩余功率及溫度差值最大，分別為（88.28±0.02）mW和（76.88±0.28）℃（表 1）。

表1 光纖光熱轉換后30s不同輸出功率下的剩余功率和溫度差值（）

表1 光纖光熱轉換后30s不同輸出功率下的剩余功率和溫度差值（）

輸出功率(mW)連續(xù)模式（CW） 脈沖模式（MP）剩余功率(mW) 溫度差值(℃) 剩余功率(mW) 溫度差值(℃)100 6.08 ± 0.02 5.04±0.05 2.07 ± 0.01 1.86±0.05 200 14.83 ± 0.03 15.82±0.08 6.11 ± 0.01 5.12±0.08 300 23.82 ± 0.02 24.98±0.11 10.28 ± 0.01 9.28±0.13 400 32.15 ± 0.02 33.02±0.18 14.59 ± 0.04 13.54±0.29 500 41.88 ± 0.04 39.26±0.24 19.07 ± 0.02 16.72±0.44 600 51.05 ± 0.03 52.72±0.46 23.74 ± 0.01 21.92±0.55 700 60.20 ± 0.03 58.64±0.21 27.93 ± 0.03 25.40±0.67 800 67.92 ± 0.01 64.22±0.13 31.81 ± 0.02 27.42±0.69 900 77.44 ± 0.02 69.14±0.09 35.91 ± 0.01 34.68±0.52 1 000 88.28 ± 0.02 76.88±0.28 41.07 ± 0.01 42.50±0.71

2.4 轉換后輸出功率與剩余功率及溫度差值線性回歸分析

在連續(xù)模式下，輸出功率與剩余功率的相關系數(shù)r為0.999，P<0.001，在α=0.05的檢驗水準下相關系數(shù)有統(tǒng)計學意義，可以認為兩者之間存在直線相關關系（y= -3.36 + 0.09x，R2= 0.999）。輸出功率與光纖尖端溫度差值的相關系數(shù)r為0.994，P<0.001，在α= 0.05的檢驗水準下相關系數(shù)有統(tǒng)計學意義，可以認為兩者之間存在直線相關關系（y= 0.43 + 0.08x，R2= 0.999）（圖3）；在脈沖模式下，輸出功率與剩余功率的相關系數(shù)r為0.999，P<0.001，在α= 0.05的檢驗水準下相關系數(shù)有統(tǒng)計學意義，可以認為兩者之間存在直線相關關系（y= -2.47 + 0.04x，R2= 0.999），輸出功率與光纖尖端溫度差值的相關系數(shù)r為0.992，P<0.001，在α= 0.05的檢驗水準下相關系數(shù)有統(tǒng)計學意義，可以認為兩者之間存在直線相關關系（y= -3.36 + 0.04x，R2= 0.999）（圖4）。

圖3 連續(xù)模式下輸出功率與剩余功率及溫差變化的關系

圖4 脈沖模式下輸出功率與剩余功率及溫差變化的關系

3 討論

光纖是半導體激光器的重要組成部分，臨床上按照光纖是否與生物組織接觸可分為非接觸式操作和接觸式操作，非接觸式操作是將激光能量通過光纖照射到生物組織上達到治療目的[4]，例如靜脈畸形、難愈性創(chuàng)面的治療。接觸式操作主要通過光纖光熱轉換作用將部分激光能量轉換成熱能，聯(lián)合光纖尖端的機械作用，對目標組織進行切割和氣化[5]，同時剩余一部分激光能量照射到靶組織起到光生物刺激的效應，這是激光不同于電刀或手術刀的地方。

在口腔軟組織手術中，由于軟組織中含水量較多，對810 nm、980 nm等半導體激光的吸收較弱，使用干凈的光纖直接切割軟組織的效率相對較低，因此需要在接觸生物組織前完成光纖的光熱轉換作用來提高手術的效率。Belikov等[3]研究提示：使用干凈的光纖切割軟組織在激光功率低于8.5 W時，軟組織沒有出現(xiàn)損傷，而切割前將光纖尖端進行光熱轉換后，激光輸出功率為1 W時就可以切割軟組織，同時光纖尖端溫度可達到1 100 ℃，提示在臨床操作中存在能量不易調控的問題。

光纖光熱轉換又被稱為“活化”或“激發(fā)”，能夠完成光熱轉換的裝置統(tǒng)稱為光熱轉換器，轉換器吸收中心的結構和材料各不相同，但大多數(shù)光熱轉換器含有碳[6，7]。目前光熱轉換器按照光纖尖端形態(tài)分為兩大類：覆膜型和體積型，覆膜型光熱轉換器主要是采用咬合紙或軟木塞將光纖尖端污染并加熱。體積型光熱轉換器是指采用成品的球形或橢圓形光熱轉換器進行光熱轉換（主要包括摻碳轉換器、摻鈦轉換器、摻鉺轉換器[8]）。影響光熱轉換效率的因素包括光熱轉換器的類型[3，9]和激光因素[10，11]（波長、輸出功率、輸出模式、時間等）。本文討論了810 nm波長激光在不同輸出功率下對光熱轉換的影響，結果顯示光纖光熱轉換后，隨著輸出功率的增加，光纖尖端的溫度差值均有不同程度增加，并且與輸出功率也有較好的線性相應（r> 0.95，P< 0.01），這說明光熱轉換后的溫差變化有規(guī)律可循，提示在臨床使用過程中為了提高治療效果，一方面術前需按照規(guī)范的操作流程對光纖尖端進行光熱轉換，另一方面術中及時將光纖尖端粘的多余組織清理干凈，以免影響對局部的溫度判斷進而導致不可預知的熱損傷問題。

激光的治療大多數(shù)基于熱效應，在治療過程中對光纖尖端溫度的實時監(jiān)測非常重要，可以有效地避免熱損傷問題[12]。激光照射中的溫度監(jiān)測工具有很多，包括紅外測溫儀[5]、熱電偶探測儀[13]、光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）溫度傳感器[14]。通過實時、精確監(jiān)測光纖尖端和靶組織的溫度變化，控制激光器的輸出能量，可更精確地獲取治療疾病所需的參數(shù)，真正實現(xiàn)激光的精準微創(chuàng)應用。

然而，臨床中隨著光纖尖端不斷切割軟組織，其粘附的組織成分不斷變化，光纖的光熱轉化效率也會隨之變化，結果就是光纖尖端的溫度變化不定，切割組織的效果會出現(xiàn)巨大波動，即使是有經(jīng)驗的操作者也無法避免這種情況發(fā)生。因此，為了能夠精準微創(chuàng)地切割軟組織，一方面需要預估不同條件下光纖光熱轉換的程度，另一方面也需要對光纖光熱轉換作用的水平予以維持。Romanos等[15]采用了計算機控制光熱轉換技術（Thermo-Optical Powered，TOP）進行種植二期手術，他們發(fā)現(xiàn)通過固定光纖尖端溫度可以顯著減少種植體在修整牙齦過程中的熱損傷，對鄰近的軟硬組織更安全，同時TOP技術修整牙齦的時間較經(jīng)典軟木光熱轉換方法縮短了一半。

本實驗僅是輸出功率對光纖光熱轉化效應影響的研究，選擇的光纖直徑及激光波長范圍有限，輸出功率的范圍也較為局限，光熱轉換器的厚度、材質、形狀仍是口腔外科激光手術未來需解決的科學問題。所以要全面了解不同波長激光在不同條件下對光纖光熱轉換的影響還需要進一步的系統(tǒng)研究。

4 結論

本研究提示：采用覆膜型光熱轉換器，光纖光熱轉換后使用蘸有鹽水的棉球擦拭光纖尖端，去除表面碳化組織，光纖尖端的溫差變化和剩余功率與輸出功率具有較好的線性相關性，依據(jù)這些實驗參數(shù)，可以為臨床使用810 nm半導體激光提供依據(jù)和指導。