纳秒钬激光碎石系统设计

陈瑞涛，顾华东，郑陈琪，杨 杰，吴先友

(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州215163;2.江苏省医用光学重点实验室，苏州215163;3.中国科学院安徽光学精密机械研究所，合肥230031)

引 言

泌尿系统结石是一种常见病和多发病，全世界的发病率约为5% ～15%［1］。随着医疗技术的不断进步，其治疗手段逐渐由开放性手术向微创治疗方向发展。现在的治疗技术主要有体外冲击波碎石术和输尿管镜碎石术。

结石大小、位置、化学成分和解剖异常等因素影响体外冲击波碎石术的治疗效果［2］。输尿管镜碎石术主要包括气压弹道碎石术和钬激光碎石术。气压弹道碎石容易导致结石移位，治疗过程中会出现创伤、出血等并发症［3］。气压弹道联合超声碎石，低硬度结石用超声碎石，高硬度结石用气压弹道碎石，但是对于结构复杂病灶、很难定位的结石碎石效果就差，结石残留率高。

长脉冲(大于100μs)钬激光碎石的机理是光热效应［4-7］。钬激光在结石表面瞬间产生巨大能量，使其温度迅速上升并产生热分解作用，使结石粉碎。本系统采用的短脉冲(小于10μs)钬激光的碎石机理主要是光机械效应(光声效应)［5-7］。短脉冲钬激光脉冲持续时间短，与结石作用过程中，产生冲击波、等离子体和空化作用等，通过机械能粉碎结石。与其它腔内碎石方法相比，钬激光可以粉碎各种成分和密度的结石，一次碎石率高［8］。碎石过程中结石不易移动，碎屑直径小［9-10］。配合内镜技术应用，可以治疗难定位、结构复杂部位的结石，在碎石的同时还能处理软组织病变，而且钬激光的热辐射还具有抗菌作用［11］。

1 纳秒钬激光碎石系统的特点

纳秒钬激光碎石系统采用性能优良的Cr，Tm，Ho∶YAG晶体，激光器整体密封，抽真空后注入氮气，保证低温正常工作，运用中红外电光调Q开关技术，200nm～4500nm内有很高的透过率，提高了纳秒钬激光器的峰值功率，缩短了其输出的最窄脉冲宽度。纳秒钬激光输出波长2091nm，处在水的较强吸收带，峰值功率高，脉冲宽度纳秒级，采用低OH浓度的石英光纤传输，结合内镜系统，能够粉碎各种成分的结石，有效治疗其它碎石方法不易治疗的难定位、结构复杂部位的结石等，热效应小，使用更安全、可靠。

2 系统设计

图1为系统的总体设计框图，包括钬激光器、激光电源、冷却系统、触摸屏控制系统和光学耦合与传输系统等组成部分。

Fig.1 Structure diagram of Cr，Tm，Ho∶YAG laser lithotripsy system

2.1 钬激光器设计

图2 为纳秒钬激光器的结构示意图。激光晶体是激光器的关键器件，其质量影响着激光器的输出性能。激光棒是性能优良的Cr，Tm，Ho∶YAG晶体，尺寸为∅5mm×93mm，适当控制 Cr3+，Tm3+，Ho3+3种离子的掺杂浓度，晶体两端镀2080nm的增透膜，反射率低于0.015%;抽运源选择高压氙灯，尺寸为∅6mm×100mm，抽运能量大于 200J，脉冲宽度300μs。激光棒的热透镜效应改变了谐振腔的光学性质，是谐振腔的模式结构发生畸变的主要原因［12］。抽运、冷却双重过程作用于激光棒，使其沿径向形成温度梯度，引起热透镜效应［13-14］。随着抽运能量的提高，热透镜等效焦距f减小。为了减小热透镜效应对输出激光特性的影响，尽量选择小的腔长［15］。为此，作者设计的谐振腔的长度为260mm，平凹腔，全反镜的曲率半径为1m，镀有对2080nm全反的介质膜，平面镜作为输出镜，透过率为20%。

运用中红外电光调Q开关技术，一方面可以压缩输出激光的脉冲宽度，另一方面可以提高输出激光的峰值功率，实现纳秒钬激光的高峰值功率输出，调Q晶体采用一种掺镁铌酸锂(LiNbO3，LN)晶体，其抗损伤阈值达200MW/cm2，镀增透膜后的透射率高于 98%［16-17］。

Fig.2 Structure of Cr，Tm，Ho∶YAG laser

2.2 激光电源

激光电源向抽运源高压氙灯提供电能。激光电源采用开关型脉冲激光电源，放电电容350μF，额定输出功率2kW，脉冲重复频率1Hz～10Hz可调，输出电压0V～1200V可调。

2.3 冷却系统

Cr，Tm，Ho∶YAG 晶体和抽运氙灯需要冷却系统对其进行冷却。冷却水温影响着激光器的阈值，温度升高时，激光器的阈值也随之升高;另一方面温度越低，激光器的输出效率就越高［12，18］，但是低温产生的水汽容易导致激光晶体损伤。因此为了使激光器稳定、高效工作，必须提供尽可能低的、稳定的温度环境;同时将激光器整体密封，抽真空后再充入氮气，保证激光器在低温时正常工作。

冷却系统采用压缩机制冷和恒温控制的去离子水循环冷却系统。水温控制在(22±1)℃。水泵采用磁力驱动离心泵，扬程4m，流速1.2m3/h。在适当的范围内，提高扬程和流速，可以减小热效应的影响，提高输出效率。

2.4 触摸屏控制系统

用户通过触摸屏与系统进行人机交互，操作直观、方便。触摸屏通过串口与控制器通讯，传送控制指令和参量，同时接收控制器反馈回来的系统状态和参量，在界面上直接显示。界面上显示治疗参量和倒计时时间，发生异常情况，界面给出提示，系统发出报警音。

3 实验结果

利用图3所示的样机进行试验，在冷却温度22℃，重复频率3Hz，抽运能量200J的条件下，分别采用OPHIR公司的NOVAⅡ型能量计、Vigo公司的PVM常温HgCdTeZn光电探测器和Ocean Optics NIRQUEST512-2.2型光谱仪测量激光输出能量、输出波形和波长，实验结果如图4和图5所示。测得腔内最大单脉冲能量443mJ，脉宽90ns(见图4)，波长2091nm(见图5)。

Fig.3 Prototype of Cr，Tm，Ho∶YAG laser lithotripsy system

Fig.4 Electron-optic Q-switched waveform(repetition rate of 3Hz and pump energy of 200J)

Fig.5 Wavelength of output laser

4 结论

在冷却温度 22℃、重复频率 3Hz、抽运能量200J的条件下，获得了腔内最大单脉冲能量443mJ、脉宽90ns的2091nm钬激光输出。今后将根据激光器在医学方面的应用标准，进一步完善纳秒钬激光碎石系统，获得该产品的市场准入，实现纳秒钬激光碎石系统的产业化。

［1］MOE OW.Kidney stones:pathophysiology and medical management［J］.Lancet，2006，367(9507):333-344.

［2］LIX，HE Z H，ZENG G H，etal.The current therapy of upper urinary tract calculi:report of5178 patients［J］.Journal of Clinical Urology，2004，19(6):325-327(in Chinese).

［3］MA K，HUANG X B，YE H Y，et al.Establishing percutaneous renal access for percutaneous nephrostolithotomy with ballon dilation guide by ultrasonography:cinical analysis of 12 cases［J］.Chinese General Practice，2011，14(1):203(in Chinese).

［4］CHAN K F，VASSARG J，PFEFER T J，etal.Holmium∶YAG laser lithotripsy:a dominant photothermal ablatIve mechanism with chemical decomposition of urinary calculi［J］.Lasers in Surgery and Medicine，1999，25(1):22-37.

［5］CHAN K F，PFEFER T J，TEICHMAN JM，et al.A perspective on laser lithotripsy:the fragmentation processes［J］.Journal of Endouyology，2001，15(3):257-273.

［6］WELCH A J，KANG HW，LEE H，et al.Calculus fragmentation in laser lithotripsy［J］.Minerval Urol Nefrol，2004，56(1):49-63.

［7］BATISHEHE SA.The features of the gallstones and kidney stones fragmentation by IR pulsed YAG∶Nd laser radiation［J］.Proceedings of the SPIE，1995，2395:94-97.

［8］TEICHMAN JM，VASSAR G J，BISHOFF J T，et al.Holmium∶YAG lith otripsy yields smaller fragments than lithoclast，pulsed dye laser or electrohydraulic lithotripsy［J］.Journalof Urology，1998，159(1):18-27.

［9］WANG Sh Sh，XIANG S T，CHEN Zh Q，et al.Curative effect of kidney calculi:comparison between high-power holmium laser lithotripsy and pneumatic lithotripsy［J］.Journal of Clinical Urology，2005，20(9):534-536(in Chinese).

［10］SHEN M S，LIU J.Treatmentofureteral calculibased on ureteroscope and Ho∶YAG laser［J］.Laser Technology，2003，27(2):160(in Chinese).

［11］SUN Y H，GAO X F，WANG L H.High-power holmium laser with percutaneous nephrolithotripsy for kidney calculi［J］.Chinese Journal of Surgery，2005，43(18):1209-1211(in Chinese).

［12］LIU L，CHEN H M，LI JZ.Optimization design of high power Cr，Tm，Ho∶YAG laser［J］.Optical Technique，2004，30(4):505-507(in Chinese).

［13］PENG Y F，WU D Y，ZHANG Y，et al.Simulation and structure design ofa high power lasermirrorwith self-compensation of thermal distortion［J］.Laser Technology，2012，36(1):120-123(in Chinese).

［14］CAO Y J，LIU Y，CHEN G L，et al.Study on vibrational stabilization of cylindrical cavities［J］.Laser Technology，2012，36(2):265-267(in Chinese).

［15］YAO Y Ch，LIZh J，HUANG Ch Y，et al.Theoretical simulation of Cr，Tm，Ho∶YAG laser［J］.Acta Photonica Sinica，2007，36(7):1352-1354(in Chinese).

［16］LIZ，WANG L，YANG JW，etal.480mJ，2μm high pulse energy electro-optically Q-switched Cr，Tm，Ho∶YAG laser operation at room temperature［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(6):0603007(in Chinese).

［17］WANG L，CAIXW，YANG JW，etal.520mJ langasite electrooptically Q-switched Cr，Tm，Ho∶YAG laser［J］.Optics Letters，2012，37(11):1986-1988.

［18］HUANG Ch Y，YAO Y Ch，LIZh J.Experimental research and design of medical holmium laser［J］.Laser Journal，2006，27(1):9-10(in Chinese).