激光在整形外科中的应用

上世纪初，爱因斯坦在题为《辐射的量子理论》的论文中从理论上解释了激光发射能量时必然发生的过程。梅曼于1960年制造出了第一台激光器。此后，激光技术迅速发展，产生了涵盖整个电磁波谱的各种激光器。这些激光器后来与成像系统、机器人技术和计算机等其他技术相结合，以提高激光传输的精度。通过物理学和生物工程领域的合作，医用激光器已成为外科医生治疗工具的重要组成部分。起初，它们体积庞大，只有接受过激光物理学专门训练的外科医生才能使用。在过去的15年里，医用激光器的设计不断进步，使其更易于使用，许多外科医生在研究生培训期间学习了激光物理学的基础知识。

本文讨论：激光的生物物理学；组织与激光辐射的相互作用；目前在整形和重建外科手术中使用的设备；使用激光时的一般安全要求；在皮肤干预中进一步使用激光的问题。

激光生物物理学

激光发射的光能以类似于普通光的波的形式传播。波长是波的两个相邻波峰之间的距离。振幅是波峰的大小，决定了光的强度。光波的频率（或周期）是波完成一个周期所需的时间。要理解激光的工作原理，理解量子力学至关重要。“LASER”（激光）是“受激辐射光放大”的缩写。当光子（光能单位）撞击原子时，它会导致原子的一个电子跃迁到更高的能级。原子在这种激发态下变得不稳定，当电子回落到其原始的较低能级时，会释放出一个光子。这个过程被称为自发辐射。如果一个原子处于高能态并与另一个光子碰撞，当它回到低能态时，会释放出两个具有相同波长、方向和相位的光子。这个过程被称为受激辐射，是理解激光物理学的基础。

无论类型如何，所有激光器都包含四个基本组件：激发装置或能量源、激光介质、光学腔或谐振腔以及喷射系统。面部整形手术中使用的大多数医用激光器都采用电激发装置。某些激光器（例如闪光灯激发的染料激光器）使用光作为激发装置。其他激光器可能使用高能射频波或化学反应来提供激发能量。激发装置将能量泵入谐振腔，谐振腔内装有激光介质，该介质可以是固体、液体、气体或半导体材料。注入谐振腔的能量将激光介质中原子的电子提升到更高的能级。当谐振腔中一半的原子高度激发时，就会发生粒子数反转。自发辐射始于光子向各个方向发射，其中一些光子与已经激发的原子碰撞，从而产生成对光子的受激辐射。由于沿反射镜之间轴线传播的光子优先来回反射，受激辐射得到增强。当这些光子与其他激发态原子碰撞时，会产生连续的刺激。其中一个反射镜100%反射，而另一个反射镜部分透射谐振腔发射的能量。该能量通过喷射系统传输到生物组织。大多数激光器的喷射系统是光纤。一个显著的例外是二氧化碳激光器，它在铰链臂上有一个反射镜系统。二氧化碳激光器可以使用光纤，但光纤会限制光斑大小和输出能量。

激光比普通光更有组织，质量也更强。由于激光介质是均匀的，受激发射的光子只有单一波长，从而产生单色性。通常情况下，光在远离光源时会发生高度散射。激光是准直的：散射很小，在很远的距离上提供恒定的能量强度。激光的光子不仅沿相同方向运动，而且具有相同的时间和空间相位。这被称为相干性。单色性、准直性和相干性的特性将激光与无序的普通光区分开来。

激光与组织相互作用

激光对生物组织的影响范围广泛，从调节生物功能到汽化。临床上最常用的激光与组织的相互作用与热能凝固或汽化有关。未来，激光可能不再作为热源，而是作为探针来控制细胞功能，且不会产生细胞毒性副作用。

传统激光对组织的影响取决于三个因素：组织吸收率、激光波长和激光能量密度。当激光束照射到组织时，其能量会被吸收、反射、透射或散射。在任何组织-激光相互作用中，这四个过程都会以不同程度发生，其中吸收是最重要的。吸收程度取决于组织中发色团的含量。发色团是能够有效吸收特定波长波的物质。例如，二氧化碳激光能量会被人体的软组织吸收。这是因为二氧化碳对应的波长会被水分子很好地吸收，而水分子占软组织的80%。相比之下，由于骨组织含水量低，二氧化碳激光在骨骼中的吸收率极低。最初，当组织吸收激光能量时，其分子开始振动。额外能量的吸收会导致蛋白质变性、凝固，最终蒸发（汽化）。

当激光能量被组织反射时，由于辐射在组织表面的方向发生了改变，组织不会受到损伤。此外，如果激光能量穿过表层组织进入深层，中层组织不会受到影响。如果激光束在组织中散射，能量不会被表面吸收，而是随机分布在深层。

影响组织与激光相互作用的第三个因素是能量密度。在激光与组织相互作用中，当所有其他因素保持不变时，改变光斑大小或曝光时间会影响组织的状况。如果激光束的光斑大小减小，作用于一定体积组织上的功率就会增加。相反，如果光斑大小增加，激光束的能量密度就会降低。为了改变光斑大小，可以通过聚焦、预聚焦或散焦来调整组织上的喷射系统。在预聚焦和散焦光束中，光斑大小大于聚焦光束，导致功率密度较低。

改变组织效应的另一种方法是脉冲激光能量。所有脉冲模式都会在开启和关闭周期之间交替。由于关闭周期内能量无法到达组织，因此热量有机会消散。如果关闭周期长于目标组织的热弛豫时间，则通过传导损伤周围组织的可能性会降低。热弛豫时间是指目标组织中一半热量消散所需的时间。主动脉冲间隔与主动脉冲间隔和被动脉冲间隔之和的比率称为占空比。

占空比 = 开/开 + 关

脉冲模式多种多样。可以通过设置激光发射周期（例如 10 秒）来以脉冲方式释放能量。能量也可以被阻断，即通过机械快门以一定间隔阻断恒定波。在超脉冲模式下，能量并非简单地被阻断，而是在关闭期间存储在激光能量源中，然后在开启期间释放。也就是说，超脉冲模式下的峰值能量明显高于恒定波或阻断模式。

在巨脉冲激光器中，能量在关闭期间也会被储存，但储存在激光介质中。这是通过腔体内两面镜子之间的快门机构实现的。快门关闭时，激光器不会发射激光，但能量会储存在快门的两侧。快门打开时，镜子相互作用，产生高能激光束。巨脉冲激光器的峰值能量非常高，占空比也很短。锁模激光器与巨脉冲激光器类似，腔体内两面镜子之间也有一个快门。锁模激光器的快门打开和关闭时间与光在两面镜子之间反射的时间同步。

激光的特性

• 二氧化碳激光器

二氧化碳激光器最常用于耳鼻喉科/头颈外科手术。其波长为10.6纳米，是电磁波谱远红外区域的不可见波。需要引导氦氖激光束，以便外科医生能够看到作用区域。激光介质是二氧化碳。其波长很容易被组织中的水分子吸收。由于吸收率高且散射极小，因此效果较为浅显。辐射只能通过安装在铰接杆上的镜子和特殊透镜传输。曲柄臂可以连接到显微镜上，以便在放大镜下进行精密操作。能量也可以通过安装在铰接杆上的调焦手柄释放。

• Nd：YAG激光

Nd:YAG（钇铝石榴石钕激光）的波长为 1064 nm，即近红外区域。它对人眼不可见，需要氦氖激光束引导。激光介质是钇铝石榴石钕激光。人体大多数组织对该波长的吸收率较差。然而，色素组织比无色素组织吸收率更高。能量穿透大多数组织的表层，并在深层消散。

与二氧化碳激光相比，Nd：YAG 的散射明显更大。因此，穿透深度更大，Nd：YAG 非常适合深层血管的凝固。在实验中，最大凝固深度约为 3 毫米（凝固温度 +60 °C）。据报道，使用 Nd：YAG 激光治疗深层口周毛细血管和海绵状血管瘤效果良好。还有关于血管瘤、淋巴管瘤和动静脉先天性畸形的激光光凝成功的报告。然而，更大的穿透深度和非选择性破坏容易导致术后疤痕增加。临床上，通过安全的功率设置、对病变的点处理和避免治疗皮肤区域可以最大限度地减少这种情况。在实践中，深红色 Nd：YAG 激光的使用实际上已经被波长位于光谱黄色部分的激光所取代。但是，它被用作深红色（端口葡萄酒）彩色结节病变的辅助激光器。

Nd:YAG 激光已被证实能够抑制成纤维细胞培养物和体内正常皮肤中的胶原蛋白生成。这表明该技术在治疗增生性瘢痕和瘢痕疙瘩方面具有成功潜力。然而，临床上，瘢痕疙瘩切除术后的复发率仍然很高，即使联合使用强效的局部类固醇治疗也未必有效。

• 联系Nd:YAG激光器

接触模式下使用 Nd:YAG 激光器会显著改变辐射的物理特性和吸收率。接触尖端由直接连接到激光光纤末端的蓝宝石或石英晶体组成。接触尖端直接与皮肤相互作用，并充当热手术刀，同时进行切割和凝固。有报道称，接触尖端已广泛应用于软组织干预。这些应用比非接触式 Nd:YAG 模式更接近电凝。一般来说，外科医生现在使用激光的固有波长不是用于切割组织，而是用于加热尖端。因此，激光与组织相互作用的原理在这里不适用。接触激光的响应时间与自由光纤的响应时间没有直接关系，因此存在加热和冷却的滞后期。但是，随着经验的积累，这种激光器可以方便地分离皮肤和肌肉瓣。

• 氩激光

氩气激光器发射波长为 488-514 nm 的可见光波。由于谐振腔的设计和激光介质的分子结构，这类激光器可产生长波范围的激光。某些型号可能配有滤光片，将辐射限制在单一波长。氩气激光器的能量可被血红蛋白很好地吸收，其散射介于二氧化碳激光器和 Nd:YAG 激光器之间。氩气激光器的辐射系统采用光纤载波。由于血红蛋白对激光的吸收率较高，皮肤血管性肿瘤也会吸收激光能量。

• KTF激光器

KTP（磷酸钛氧钾）激光器是一种Nd:YAG激光器，其频率通过KTP晶体加倍（波长减半）。这会产生绿光（波长532nm），这与血红蛋白的吸收峰相对应。其组织穿透和散射与氩激光相似。激光能量通过光纤传输。在非接触模式下，激光会汽化并凝固组织。在半接触模式下，光纤尖端几乎不接触组织，而是成为切割工具。使用的能量越高，激光就越像热刀，类似于二氧化碳激光器。较低的能量单位主要用于凝固。

• 闪光灯激发染料激光器

闪光灯激发染料激光器是首款专为治疗皮肤良性血管病变而设计的医用激光器。它是一种可见光激光器，波长为 585 nm。该波长与氧合血红蛋白的第三吸收峰重合，因此该激光的能量主要被血红蛋白吸收。在 577-585 nm 的波长范围内，竞争性发色团（例如黑色素）的吸收较少，激光能量在真皮和表皮中的散射也较少。激光介质是罗丹明染料，由闪光灯光激发，发射系统为光纤载体。染料激光器尖端具有可互换的透镜系统，可产生 3、5、7 或 10 毫米的光斑尺寸。激光脉冲周期为 450 毫秒。根据皮肤的良性血管病变中的肠内血管的热松弛时间选择该脉动指数。

• 铜蒸气激光器

铜蒸气激光器产生两种不同波长的可见光：512 nm 的脉冲绿光和 578 nm 的脉冲黄光。激光介质是铜，通过电激发（汽化）。光纤系统将能量传输至尖端，尖端的光斑尺寸在 150-1000 µm 之间可变。曝光时间范围为 0.075 秒至恒定时间。脉冲间隔时间也从 0.1 秒到 0.8 秒不等。铜蒸气激光器的黄光用于治疗面部良性血管性病变。绿光可用于治疗色素性病变，例如雀斑、雀斑、痣和角化病。

• 不褪色黄色染料激光

黄色连续染料激光器是一种可见光激光器，可产生波长为 577 nm 的黄光。与闪光灯激发的染料激光器一样，它通过改变激光激活室中的染料进行调谐。染料由氩激光器激发。该激光器的喷射系统也是一根光纤电缆，可以聚焦到不同的光斑大小。可以使用机械快门或连接到光纤系统末端的六边形扫描仪尖端对激光进行脉冲控制。六边形扫描仪以六边形图案随机引导激光能量脉冲。与闪光灯激发的染料激光器和铜蒸气激光器一样，黄色连续染料激光器是治疗面部良性血管病变的理想选择。

• 铒激光器

Erbium:UAS 激光器采用水的 3000 nm 吸收波段。其波长 2940 nm 对应于该峰值，并被组织水强烈吸收（约为 CO2 激光器的 12 倍）。这种近红外激光器肉眼不可见，必须与可见瞄准光束一起使用。该激光器由闪光灯泵浦，发出持续时间为 200-300 μs 的宏脉冲，这些宏脉冲由一系列微脉冲组成。这些激光器需搭配连接在关节臂上的手柄使用。该系统还可集成扫描装置，以便更快、更均匀地去除组织。

• 红宝石激光

红宝石激光器是一种闪光灯泵浦激光器，发射波长为 694 nm 的光。这种激光位于光谱的红色区域，肉眼可见。它可能配有激光快门，以产生短脉冲并实现更深的组织穿透（深度小于 1 毫米）。长脉冲红宝石激光器用于在激光脱毛中优先加热毛囊。这种激光通过镜子和铰接式吊杆系统传输。水对它的吸收率很低，但黑色素的吸收率很高。用于纹身的各种颜料也吸收 694 nm 的射线。

• 紫翠玉激光器

紫翠玉激光器是一种固态激光器，可由闪光灯泵浦，波长为 755 nm。该波长位于光谱的红色部分，肉眼不可见，因此需要导光束。蓝色和黑色纹身颜料以及黑色素会吸收该波长，但血红蛋白不会吸收。紫翠玉激光器结构相对紧凑，可通过柔性光导传输辐射。激光穿透力相对较深，适用于毛发和纹身去除。光斑尺寸为 7 毫米和 12 毫米。

• 二极管激光器

近年来，基于超导材料的二极管已直接耦合到光纤器件，从而发射不同波长的激光（取决于所用材料的特性）。二极管激光器以其高效率而著称。它们能够以50%的效率将输入电能转换为光能。这种高效率与较低的发热量和输入功率相关，使得紧凑型二极管激光器无需大型冷却系统即可设计。光通过光纤传输。

• 滤光闪光灯

用于脱毛的滤波脉冲灯并非激光，而是一种强脉冲光谱，非相干。该系统使用晶体滤光片发射波长为 590-1200 nm 的光。脉冲宽度和积分密度也可变，符合选择性光热分解的标准，这使得该设备的性能与激光脱毛相当。

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