不同工具切割对光纤尖端形态及功率输出的影响研究*

孔亚群 董晓曦 郑小婉 程梦琳 崔北芸 黄晓峰

近几年，随着激光技术的不断提升，多种波长的激光在老年口腔疾病的诊疗中得到了有效的应用[1-3]，甚至在某些疾病(如静脉畸形、系带修整等)的治疗方面优于常规的治疗手段[4]。激光治疗主要基于光与生物组织的相互作用，既可以通过非接触照射达到光生物刺激作用或凝固病变作用[5]，也可以通过接触病变组织达到切割、气化等作用[6]。

按照传输方式不同，口腔科常用的激光仪器可分为导光臂传输激光器(如Er:YAG 激光)和光纤传输激光器(如半导体激光)。传输激光的光纤主要有三部分组成，包括纤芯、包层、保护套，光纤传输的原理就是激光在纤芯和包层发生全反射而“无损”的沿着光纤传输。为了避免交叉感染，也为了达到最佳治疗效果，口腔临床中使用的光纤需要在每次使用完毕后进行有效切割，目前临床上用于切割光纤的工具包括钨钢刀、手术圆刀、金属剪刀，如果切割不当，光纤尖端就会产生不规则断面，从而影响光纤的光学性能及激光能量输出[7]。临床上会发现在相同的治疗参数下，得到的治疗效果不同，或者针对同一类疾病的激光治疗参数差别较大。

针对临床中因切割光纤工具不同导致的照射治疗效果差异较大问题，本文从切割工具的角度研究入手，探讨口腔临床常用的切割工具对光纤尖端形态和功率输出的影响特点，为光纤切割后激光能量分布提供有效预测平台，进而将研究结论应用到临床中指导激光的使用。

1.材料和方法

1.1 材料及仪器 半导体激光治疗仪(Doctorsmile，D5，Italy)，波长为810±10nm，功率0.1～9w，石英光纤直径320μm，同轴发出波长650nm的半导体激光作为指示光；红外成像测温仪器(FOTRIC，222S，China),可以实时监测光纤尖端温差变化，存储图像和数据；激光功率计(SOLO 2，PC-Gentec-EO-V2.01.08，Canada)，可以用于810nm 波长激光输出功率的校正及测量；新鲜离体猪肝组织三块，组织大小8cm×8cm×4cm。

1.2 实验方法

1.2.1 建立光纤尖端输出功率及温差变化监测模型并校对激光器输出功率 将一根新的出厂配套光纤连接手柄垂直固定，光纤另一端连接激光器，在距离光纤尖端20mm 处放置功率计，通过指示光引导使光纤垂直正对功率计探头中心。将红外成像测温仪器探头正对光纤尖端用于实时测量温差变化(图1)。考虑到激光器使用的衰减问题需要对实验仪器进行校对，设置机器屏幕显示功率及模式分别为1000mW、2000mW，输出模式为连续模式(continuous wave,CW)和脉冲模式(pulsed mode,PM)，功率计测量实际功率并校对(校对误差允许范围±25mW)。

图1 光纤尖端输出功率及温差变化监测模型

1.2.2 不同工具切割对光纤尖端形态、指示光斑形态及激光照射后组织表面形态变化的影响 分别使用钨钢刀、手术圆刀片、金属剪刀对光纤进行切割，切割流程如下：使用机器配套光纤钳去除光纤保护套，露出传导光纤，将光纤置于左手食指指腹上，使用钨钢刀或手术圆刀片在距离光纤尖端约5mm 处轻轻垂直划一下，用手将残端折去，对于金属剪刀则在距离光纤尖端约5mm 处垂直剪断。以上操作由科室受过培训的激光管理员完成。完成光纤切割后，将光纤垂直固定，观察光纤尖端形态并拍照记录。将一张A4 白纸置于距光纤尖端约1cm 处，打开激光指示光并垂直照射到白纸上，在暗室内观察不同工具切割后指示光斑的形态并拍照记录。依次将不同工具切割后的光纤垂直固定，光纤头垂直照射置于调节架上的猪肝，距离组织表面1cm，设置机器屏幕显示功率为2000mWCW，连续发射激光30s，每组中的参数分别照射6 个点，照射后即刻观察生物组织颜色、形态改变。

1.2.3 不同工具切割对剩余功率及光纤尖端温差变化的影响 依次将不同工具切割后的光纤固定，设置机器屏幕显示功率分别为1000mW CW、1000mW PM、2000mW CW、2000mW PM，连续发射激光90s，使用功率计实时测量透过光纤尖端后的剩余功率，红外成像测温仪器实时测量光纤尖端的温差变化。整个实验中，实验室温度保持在24℃。

1.3 统计方法 统计使用SPSS21.0 软件，所有结果数据均以均值±标准差表示，各组数据进行正态性检验和方差齐性检验。组间比较采用单因素方差分析(ANOVA)，方差不齐时采用Kruskal-Wallis 检验进行分析，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2.结果

2.1 不同工具切割对光纤尖端形态、指示光斑形态及激光照射后组织表面形态的影响 通过观察发现，三种切割工具切割光纤后尖端形态、指示光斑形态及激光照射后组织表面形态有所不同。使用钨钢刀切割的光纤尖端可以看到比较圆滑的平面，指示光斑为规则圆形，未见明显发散，生物组织表面为中心圆形白色凝固改变，周围为环形红色萎缩改变，边界清楚；使用圆刀片切割的光纤尖端可以看到不规则的平面，边缘包层有少量破坏，指示光斑中心为圆形，但边缘可观察到明显发散，生物组织表面为中心椭圆形白色凝固改变，周围未见红色萎缩改变，边界不清楚；使用金属剪刀切割的光纤尖端可以看到尖端没有形成平面，且包层部分暴露，光纤尖端附近包层呈现不同程度裂隙，指示光斑没有规则，生物组织表面无明显变化(图2)。

图2 不同切割工具切割后光纤尖端形态、指示光斑形态及激光照射后组织表面形态

2.2 不同工具切割后剩余功率的变化 组间比较三种工具切割后不同参数激光照射透过光纤尖端30s、60s、90s 的剩余功率有统计学差异(P＜0.01)，金属剪刀切割后的功率损耗最大(＞90%)，圆刀片切割后的功率损耗介于钨钢刀和金属剪刀之间(10%～15%)(表1)。

表1 不同工具切割后剩余功率的变化

2.3 不同工具切割后的温差变化 选择照射参数为2000mW CW，组间比较三种工具切割后激光照射30s、60s、90s 光纤尖端的温度差值有统计学差异(P＜0.01)，金属剪刀切割后的温度差值最大(＞17℃)，圆刀片切割后的温度差值介于钨钢刀和金属剪刀之间(图3)。

图3 不同工具切割后的温差变化

3.讨论

近几年，半导体激光、Nd:YAG 激光等通过光纤传导的激光器在口腔科的应用越来越多，并且取得了比较满意的疗效。临床上对于光纤的操作分为非接触式和接触式。非接触式操作即将激光能量通过光纤照射到生物组织上达到治疗目的[8]，光纤的作用仅为传输激光能量，因此需要光纤的功率损耗最小。接触式操作主要通过光热转换作用[9]将部分激光能量转换成热能，联合光纤尖端的机械作用，对目标组织进行切割[10]和气化[11]，同时剩余一部分激光能量照射到靶组织起到生物刺激的效应，这是激光区别于电刀或手术刀的地方。按照激光照射能量的高低可将非接触照射分为低能量照射和高能量照射，低能量激光又称为光生物调节激光[12]，可以用于治疗各类口腔黏膜病变、创面愈合不良等，根据Amdt-Schultz 定律显示：存在照射剂量的某个阈值，当照射剂量接近这个阈值时，生物刺激效应愈发明显，而当向增大或减小方向远离这个阈值时，生物刺激效应减弱直至消失[13]。高能量激光照射治疗是基于病变本身或表面色素组织吸收激光产生的热效应，可以用于口腔浅表静脉畸形[14]、牙本质过敏症[15]、牙齿变色[16]等治疗。

影响激光照射治疗口腔疾病的因素有很多，包括激光因素、生物组织因素、术者因素和时间因素等，以往讨论的激光因素中常涉及激光的波长、功率密度、能量密度、照射模式等[17]，较少关注光纤问题导致的差异[18]，如果由于光纤切割原因或者治疗中不慎污染光纤尖端导致照射到组织表面的能量没有达到预期，就会出现不理想的治疗效果。

本研究结果提示，光纤的切割效果会直接影响光纤尖端形态及功率输出，钨钢刀的切割效果最佳，光纤尖端形态没有破坏，激光可以完整的透过光纤尖端传输到生物组织表面起到理想的照射治疗目的，手术圆刀片的切割效果相对钨钢刀较差，功率损耗为10%～15%，临床上可以起到一定照射治疗目的，但不是最佳选择；金属剪刀的切割效果最差，功率损耗大于90%，临床上不应该作为切割工具使用。

在非接触式操作中应注意避免光纤尖端形态破坏，必要时需要切割光纤来达到预期效果。Lauren等[7]研究使用钨钢刀和陶瓷剪刀切割532nm 波长激光器光纤后照射血管发现，在相同的照射条件下，最佳切割效果的光纤照射后所有血管立即凝固，无破裂。切割效果不佳的光纤照射血管后结果难以预测，有时凝固有时破裂。

对于切割效果理想的光纤，在多次使用后也会有一定的影响。Haddad 等[18]研究比较陶瓷剪刀和金属剪刀切割光纤后的效果发现，不同的切割工具对能量输出的影响维持在1 分钟内，超过1 分钟后组间的能量输出没有统计学差异，都会存在能量损耗，提示即使切割效果理想，使用一定时间后需要再次切割光纤。本实验结果90s 内未见明显变化，可能受激光波长、照射参数及光纤直径影响。

激光的治疗大多数基于热效应，在治疗过程中对温度的实时监测非常重要，可以有效地避免热损伤问题。激光照射中的温度监测工具有很多，包括红外测温仪[11]、热电偶探测仪[19]、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)温度传感器[20]等，通过实时、精确监测光纤尖端和靶组织的温度变化，控制激光器的输出能量，可更精确的获取治疗疾病所需的参数，真正实现激光的精准微创应用。

本实验只是一个初步研究，选择的光纤直径及激光波长范围有限，切割的方式选择也比较单一，所以要全面了解不同波长激光在不同条件下对光纤尖端的影响还需要进一步的系统研究。