不同输出功率对覆膜型激光光纤光热转换效应的影响

孔亚群 董晓曦 刘伟超 程梦琳 詹晓懿 黄晓峰

（1.首都医科大学附属北京友谊医院口腔科，北京 100050；2.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192；3. 西南医科大学心血管医学研究所，医学电生理学教育部重点实验室，医学电生理四川省重点实验室，泸州 646000）

近几年，随着激光技术的不断提升，半导体激光在口腔疾病诊疗中得到了有效的应用[1]，尤其是在一些软组织手术中，如牙龈修整术、修复前软组织手术、种植二期手术等。半导体激光切割软组织的基本原理是传输激光的光纤末端通过光热转换作用（Fiber-optic thermal conversion，FOTC）后，激光的一部分能量被转换为热能，通过热效应达到切割的目的；同时，激光的剩余能量透过光纤末端继续辐射到组织表面，发挥着激光与组织的相互作用。目前，波长为810nm的半导体激光器由于设备便携、价格适中、术中止血效果好等优势在口腔临床中应用非常广泛，但是也面临着光纤光热转换后能量不易把控的问题。如果光纤尖端的温度过高或者剩余的激光能量过高都有可能带来热损伤的问题[2]。相反，如果光纤尖端温度过低就会出现切割效率不足、出血等问题[3]。本文探讨不同输出功率对覆膜型激光光纤光热转换作用的影响，为激光临床使用过程中光纤尖端光热转换后的激光能量分布提供有效的预测平台。

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±10）nm，功率0.1 W ～ 9 W，石英光纤直径320 μm，同轴发出波长650 nm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，PCGentec-EO-V2.01.08，Canada），可以用于 810nm 波长激光输出功率的校正及测量。

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20 mm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分 别 为 100 mW、200 mW、300 mW、400 mW、500 mW、600 mW、700 mW、800 mW、900 mW、1 000 mW，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±25 mW）。

图1 光纤尖端输出功率及温差变化监测模型

1.2.2 建立覆膜型光纤光热转换模型并验证其稳定性 使用钨钢刀对光纤尖端进行垂直切割，操作如下：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，使用钨钢刀在距离光纤尖端约5 mm处垂直轻轻划一下，去除残端。使用光热转换木塞实现光纤光热转换，为了获得重复测量数据和规范化的光热转换方法，我们的操作如下：调节输出功率为1 000 mW（ CW），光纤尖端插入专用光热转换木塞2 mm同时输出激光，光纤光热转换后使用蘸有盐水的棉球擦拭光纤尖端，去除光纤尖端表面碳化组织。以上操作由受过培训的激光管理员一人完成。

1.2.3 光热转换后不同输出功率对光纤尖端温差变化及剩余功率的影响 将上述光热转换模型固定，设置机器屏幕显示功率分别为100 mW、200 mW、300 mW、400 mW、500 mW、600 mW、700 mW、800 mW、900 mW、1 000 mW，输出模式为CW和MP，连续发射激光90s，使用红外成像测温仪器实时测量光纤尖端的温差变化，功率计实时测量透过光纤尖端后的剩余功率，每次变换参数前重新切割光纤并完成光热转换，整个实验中，室温保持在24℃。

1.3 统计学分析

使用SPSS 21.0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。对光纤光热转换后剩余功率、温度差值和输出功率的关系做线性相关分析，采用Pearson相关系数r值判断两变量间线性关系的密切程度，r＞0.95存在显著性相关，r≥0.8高度相关，0.3≤r＜0.8低度相关，r＜0.3不相关，如变量存在线性关系，计算线性回归方程及决定系数R2。

2 结果

2.1 转换前后光纤尖端形态及指示光斑形态变化

通过观察发现，光热转换前后光纤尖端形态、指示光斑形态有所不同。光热转换作用前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；光热转换作用后可以看到光纤尖端表面有破坏，指示光斑发散且没有规则（图 2）。

图2 光热转换前后光纤尖端形态、指示光斑形态变化

2.2 转换前光纤尖端的剩余功率及温度差值变化

光纤光热转换前，不同输出功率下的剩余功率及温度差值在90 s内无明显变化（P>0.05）。

2.3 转换后光纤尖端的剩余功率及温度差值变化

光纤光热转换后，光纤尖端的剩余功率及温度差值均能在30 s达到稳定，组内比较不同输出功率下激光照射30 s、60 s、90 s光纤尖端的剩余功率及温度差值之间的差异没有统计学意义（P>0.05）。随着输出功率的增加，光纤尖端的剩余功率及温度差值均有不同程度增加，其中输出功率1 000 mW，在CW模式下的剩余功率及温度差值最大，分别为（88.28±0.02）mW和（76.88±0.28）℃（表 1）。

表1 光纤光热转换后30s不同输出功率下的剩余功率和温度差值（）

表1 光纤光热转换后30s不同输出功率下的剩余功率和温度差值（）

输出功率(mW)连续模式（CW） 脉冲模式（MP）剩余功率(mW) 温度差值(℃) 剩余功率(mW) 温度差值(℃)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 转换后输出功率与剩余功率及温度差值线性回归分析

在连续模式下，输出功率与剩余功率的相关系数r为0.999，P<0.001，在α=0.05的检验水准下相关系数有统计学意义，可以认为两者之间存在直线相关关系（y= -3.36 + 0.09x，R2= 0.999）。输出功率与光纤尖端温度差值的相关系数r为0.994，P<0.001，在α= 0.05的检验水准下相关系数有统计学意义，可以认为两者之间存在直线相关关系（y= 0.43 + 0.08x，R2= 0.999）（图3）；在脉冲模式下，输出功率与剩余功率的相关系数r为0.999，P<0.001，在α= 0.05的检验水准下相关系数有统计学意义，可以认为两者之间存在直线相关关系（y= -2.47 + 0.04x，R2= 0.999），输出功率与光纤尖端温度差值的相关系数r为0.992，P<0.001，在α= 0.05的检验水准下相关系数有统计学意义，可以认为两者之间存在直线相关关系（y= -3.36 + 0.04x，R2= 0.999）（图4）。

图3 连续模式下输出功率与剩余功率及温差变化的关系

图4 脉冲模式下输出功率与剩余功率及温差变化的关系

3 讨论

光纤是半导体激光器的重要组成部分，临床上按照光纤是否与生物组织接触可分为非接触式操作和接触式操作，非接触式操作是将激光能量通过光纤照射到生物组织上达到治疗目的[4]，例如静脉畸形、难愈性创面的治疗。接触式操作主要通过光纤光热转换作用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和气化[5]，同时剩余一部分激光能量照射到靶组织起到光生物刺激的效应，这是激光不同于电刀或手术刀的地方。

在口腔软组织手术中，由于软组织中含水量较多，对810 nm、980 nm等半导体激光的吸收较弱，使用干净的光纤直接切割软组织的效率相对较低，因此需要在接触生物组织前完成光纤的光热转换作用来提高手术的效率。Belikov等[3]研究提示：使用干净的光纤切割软组织在激光功率低于8.5 W时，软组织没有出现损伤，而切割前将光纤尖端进行光热转换后，激光输出功率为1 W时就可以切割软组织，同时光纤尖端温度可达到1 100 ℃，提示在临床操作中存在能量不易调控的问题。

光纤光热转换又被称为“活化”或“激发”，能够完成光热转换的装置统称为光热转换器，转换器吸收中心的结构和材料各不相同，但大多数光热转换器含有碳[6，7]。目前光热转换器按照光纤尖端形态分为两大类：覆膜型和体积型，覆膜型光热转换器主要是采用咬合纸或软木塞将光纤尖端污染并加热。体积型光热转换器是指采用成品的球形或椭圆形光热转换器进行光热转换（主要包括掺碳转换器、掺钛转换器、掺铒转换器[8]）。影响光热转换效率的因素包括光热转换器的类型[3，9]和激光因素[10，11]（波长、输出功率、输出模式、时间等）。本文讨论了810 nm波长激光在不同输出功率下对光热转换的影响，结果显示光纤光热转换后，随着输出功率的增加，光纤尖端的温度差值均有不同程度增加，并且与输出功率也有较好的线性相应（r> 0.95，P< 0.01），这说明光热转换后的温差变化有规律可循，提示在临床使用过程中为了提高治疗效果，一方面术前需按照规范的操作流程对光纤尖端进行光热转换，另一方面术中及时将光纤尖端粘的多余组织清理干净，以免影响对局部的温度判断进而导致不可预知的热损伤问题。

激光的治疗大多数基于热效应，在治疗过程中对光纤尖端温度的实时监测非常重要，可以有效地避免热损伤问题[12]。激光照射中的温度监测工具有很多，包括红外测温仪[5]、热电偶探测仪[13]、光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）温度传感器[14]。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，可更精确地获取治疗疾病所需的参数，真正实现激光的精准微创应用。

然而，临床中随着光纤尖端不断切割软组织，其粘附的组织成分不断变化，光纤的光热转化效率也会随之变化，结果就是光纤尖端的温度变化不定，切割组织的效果会出现巨大波动，即使是有经验的操作者也无法避免这种情况发生。因此，为了能够精准微创地切割软组织，一方面需要预估不同条件下光纤光热转换的程度，另一方面也需要对光纤光热转换作用的水平予以维持。Romanos等[15]采用了计算机控制光热转换技术（Thermo-Optical Powered，TOP）进行种植二期手术，他们发现通过固定光纤尖端温度可以显著减少种植体在修整牙龈过程中的热损伤，对邻近的软硬组织更安全，同时TOP技术修整牙龈的时间较经典软木光热转换方法缩短了一半。

本实验仅是输出功率对光纤光热转化效应影响的研究，选择的光纤直径及激光波长范围有限，输出功率的范围也较为局限，光热转换器的厚度、材质、形状仍是口腔外科激光手术未来需解决的科学问题。所以要全面了解不同波长激光在不同条件下对光纤光热转换的影响还需要进一步的系统研究。

4 结论

本研究提示：采用覆膜型光热转换器，光纤光热转换后使用蘸有盐水的棉球擦拭光纤尖端，去除表面碳化组织，光纤尖端的温差变化和剩余功率与输出功率具有较好的线性相关性，依据这些实验参数，可以为临床使用810 nm半导体激光提供依据和指导。