脉冲式Ho:YAG激光消融效应的实验研究
作者：胡国强 朱 菁 周
单位：胡国强 (上海铁道大学 附属铁路医院，上海 200072)；朱 菁 周 (上海第二医科大学 附属仁济医院 上海市激光医学研究中心，上海 200001)
关键词：脉冲式Ho；YAG激光；食管；生物效应
生物医学工程学杂志990420 摘要 为研究功率、照射时间、脉冲能量、脉冲频率等激光参数对Ho:YAG激光消融效应的影响，我们以5只犬食管作为实验对象，以不同功率、不同时间照射食管粘膜；对相同功率，又分为高脉冲能量低脉冲频率(H)组和低脉冲能量高脉冲频率(L)组进行配对研究，观察不同激光参数消融作用的差异。结果显示：脉冲式Ho：YAG激光消融作用与功率和照射时间成正相关；H组消融作用大于L组；高功率的Ho:YAG激光，主要表现出消融作用。
Experimental Study of Ablation Effect on Canine Esophagus
, http://www.100md.com
Irradiated by Pulsed Ho:YAG Laser
Hu Guoqiang1 Zhu Jing2 Zhou Min2
1 (Shanghai Railway Hospital Attached to Shanghai Railway University,Shanghai 200072)
2 (Shanghai Laser Center for Medical Research,Renji Hospital of Shanghai Second Medical University,Shanghai 200001)
Abstract To evaluate the influence of power,irradiation time,energy of per pulse and frequency on ablation effect of pulsed Ho:YAG laser,five canine esophagi were studied.We irradiated the mucosa in different power and different irradiation time.For the same power,the samples were divided into two groups: the high energy per pulse low frequency (H)group and the low energy per pulse high frequency (L)group.The two groups were paired.We compared the effects of ablation effect in different laser settings.The results reveal that the ablation effect is positively correlated to the power and irradiation time.The ablation in H group is more obviouse than that in L group.When Ho:YAG is used in high power,ablation is the main biological effect.
, 百拇医药
Key words Pulsed Ho:YAG laser Esophagus Biological effect
1 引 言
Ho:YAG激光是新兴的中红外激光，90年代开始被用于临床，波长2 120 nm，非常接近水的吸收峰1 950 nm,吸收系数24 cm-1[1]，能很好地被生物组织吸收，热弛豫时间(thermal relaxation time)为310 ms[2]，对照射组织周围的热凝固损伤小。同时，极易由石英光纤传输，能与内窥镜很好地配合使用，用途广，是正被推广的优秀医用激光。
国外许多学者从不同角度对Ho:YAG激光的生物效应进行了研究，结果显示每脉冲激光消融组织的消融率R与能量密度成正比关系[2～5]，Mautin[6，7]等的研究表明组织消融量与Ho:YAG激光照射总能量成正比。
, http://www.100md.com
对同一功率，有高脉冲能量低脉冲频率和低脉冲能量高脉冲频率两种分配方式，两种分配方式作用于同一生物组织时，产生的组织消融作用有无差异，国内外尚无报道；因此，本实验就脉冲式Ho:YAG激光的消融作用、热凝固损伤作用与功率、照射时间的关系进行研究，比较相同功率、不同能量分配形式照射犬食管时产生的消融效应差异，并从组织学层次、超微结构层次观察Ho:YAG激光引起的形态改变，以指导临床工作。
2 材料与方法
2.1 实验材料
(1)实验动物：健康杂种犬5只，体重12～15 kg,雌雄不限。实验前12 h禁食。
(2)激光器和光纤：脉冲式Ho:YAG激光器由美国Coherent公司生产，功率2.5～60 W，分级可调，波长2.1 nm,脉冲能量0.5～2.8 J/pulse,脉冲频率范围5～40 Hz,脉冲宽度250 us.低OH-石英光纤，美国Coherent公司生产，芯径400 μm，距光纤头端5 mm处光斑直径450 um。
, 百拇医药
(3)电子定时开关：由上海市激光医学研究中心与上海第二医科大学附属仁济医院设备科共同研制，调节范围0.1～999.9 s,精确度0.1 s。
(4)图像分析仪：由图像放大装置、CCD摄像机、KS400图像分析系统组成。整个图像分析设备由上海第二医科大学生物物理教研室提供。
(5)透射电镜：H-500型透射电镜，日立公司生产，由上海第二医科大学生物物理教研室提供。
2.2 实验方法
5只犬用2.5%硫贲妥钠腹腔麻醉，左侧开胸、寻找、游离食管，切断取出、剖开，立即用Ho:YAG激光照射粘膜面，光纤末端垂直于粘膜面并保持5mm距离，电子定时开关控制照射时间。首先选一段食管采用0.5 J、20 Hz,0.5 s照射后，即用手术刀片全层取下，4 ℃、2%戊二醛固定，后送电镜制片，铅-铀染色、透射电镜观察。
, 百拇医药
对5只食管，各采用功率10、20、40、56 W进行照射；对每一功率，又分为高脉冲能量低脉冲频率组(H组)和低脉冲能量高脉冲频率组(L组)进行配对，具体如下：10 W(1.0 J×10 Hz，0.5 J×20 Hz)、20 W(2.0 J×10 Hz，1.0 J×20 Hz)、40 W(2.0 J×20 Hz，1.0×40 Hz)、56 W(2.8 J×20Hz，1.4 J×40 Hz)。每一激光参数，照射时间分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 s。如发现某一时间已将食管全层击穿，则不再采用更长的照射时间。激光照射食管后，肉眼观察粘膜面及对侧外膜层的改变。
将各激光剂量照射后的食管壁全层切下，分别固定于10%福尔马林溶液，制成厚5 μm的病理切片，苏木素-伊红染色。光镜观察食管壁损伤的形态和程度，所有病理切片均图像分析仪测定消融深度及热凝固损伤厚度。
2.3 统计分析：
, 百拇医药
用Statpal统计软件和Slide绘图软件进行统计分析。
3 结 果
3.1 脉冲式Ho:YAG激光照射食管后的形态改变
(1)肉眼观察
较小剂量的Ho:YAG激光照射食管后，粘膜面出现乳白色的凝固斑，质硬；凝固斑随激光剂量增加而增大，且中央出现消融凹陷、表面炭化；当激光剂量增加到一定范围(大功率或长时间照射)时，粘膜对侧的肌肉组织和外膜也出现乳白色的凝固斑，甚至被消融击穿。
(2)显微镜观察
较小剂量(10W，照射0.5 s)Ho:YAG激光照射食管，损伤主要限于粘膜层及粘膜下层，可见复层鳞状上皮被消融而出现微小的凹陷缺损；固有层凝固坏死，表现为细胞间隙模糊、胞质伊红染色增强、细胞核碎裂。肌层尚未出现明显的损伤，而深层的粘膜下层中胶原纤维和疏松结缔组织已碎裂、崩解。
, 百拇医药
较高剂量照射后，消融组织增加，形成的凹陷加深，凹陷表面炭化明显。消融部位附近的粘膜上皮被掀起、撕脱，伊红深染区增大。相同功率，H组消融深度大于L组而热凝固范围小于L组。当功率明显增高时，消融更加明显，而热凝固损伤引起的坏死变性范围减少(见表1)。
图1 食管的复层鳞状上皮坏死、崩解(×6000)
Fig 1 Necrosis and disintegration of squamous epithelium of esophagus(×6000)
(3)电镜下观察
在热凝固损伤处，透射电镜可观察到食管复层鳞状上皮坏死、崩解(见图1)，消融处的结构表现为组织坏死脱落，残余结构凝固呈网状(见图2)。
, 百拇医药
图2 消融处残余结构呈网状(×3700)
Fig 2 The residual of ablation is reticular(×3700)
3.2 Ho:YAG激光照射食管后组织损伤层次与激光照射总能量的关系
光镜观察发现，Ho:YAG激光所致食管组织损伤的总范围(包括消融和热凝固损伤)与激光的照射总能量有密切关系，表1中所示，照射时间恒定时，组织损伤的层次随功率的加大而加深；同样，功率恒定时，损伤的层次也随照射时间的增加而加深。
表1 损伤达到的组织层次与激光照射总能量的关系
Table 1 The relation between damaged tissue layer and energy of laser 时间(s)
, 百拇医药
Time(s)
功率(W) Power(W)
10
20
40
56
0.5
粘膜下层上1/3凝固
粘膜下层崩解呈网状
内环肌层凝固崩解
外纵肌全层凝固
1.0
, 百拇医药 粘膜下层全层凝固
外纵肌浅表凝固
外纵肌全层凝固
外纵肌上1/3坏死脱落，凝固达外膜
2.0
粘膜下层全层凝固并有撕脱
外纵肌上1/3凝固
外纵肌2/3消融，余1/3凝固
食管壁击穿
3.0
内环肌上1/3凝固
外纵肌全层凝固
, 百拇医药
食管壁击穿
4.0
内环肌上1/2凝固
凝固达外膜层
5.0
内环肌上2/3凝固
外纵肌上1/3消融，凝固达外膜层
6.0
外纵肌浅表凝固
外纵肌上2/3消融，热凝固达外膜层
3.3 功率相同时，不同能量分配方式对消融浓度的影响
, 百拇医药 在同一照射时间、相同功率(即激光能量相同)时，高脉冲能量低脉冲频率组(H组)的消融深度大于L组低脉冲能量高脉冲频率组(L组)，差异有显著性(见表2)。表2 H组与L组的消融深度(mm)比较
Table 2 Comparison of ablation depth(mm) between H and L groups 功率(W)
Power(W)
分配方式(J×Hz)
Distributing method
(J×Hz)
照射时间(S) Radiation time(s)
0.5
, 百拇医药
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
10
1.0×10
0.51
±0.08
0.62
±0.11
0.75±0.15
, http://www.100md.com
0.93±0.20
1.26±0.18
1.41±0.14
1.96±0.23
0.5×20
0.22
±0.11*
0.35
±0.09
0.56±0.12
0.76±0.11
1.03±0.21
, http://www.100md.com
1.31±0.15
1.86±0.18
20
2.0×10
1.14
±0.11
2.06
±0.23
2.22±0.19
2.38±0.22
2.56±0.32
3.06±0.34
, 百拇医药
3.27±0.35
1.0×20
0.77
±0.12
1.23
±0.25
1.39±0.17
1.53±0.16
2.13±0.24
2.88±0.30
3.13±0.35
40
, 百拇医药
2.0×20
2.39
±0.33
2.76
±0.32
3.30±0.26
1.0×40
1.34
±0.25*
1.45
±0.27
2.25±0.30
, 百拇医药
56
2.8×20
2.85
±0.29
5.83
±0.83＃
1.4×40
2.43
±0.17
5.40
±0.46
相同功率的H组和L组采用配对t检验；*P<0.01；#P>0.05；其余0.01
H and L groups in the same power compared with paried t test;*P<0.01；#P>0.05；others 0.01
在20 Hz、0.5 s，以消融深度对不同脉冲能量(0.5、1.0、2.0、2.8 J)用Slide绘图软件进行曲线拟合，发现消融深度与Ho:YAG激光的脉冲以量成正比(y=1.2x-0.35 r=0.82)。
4 讨 论
Ho:YAG激光被组织吸收后，光能转化为热能，产生两种效应，一是导致受照射组织温度急剧升高，使组织炭化、气化；同时Michael[3]等认为还可使组织、细胞中的水分迅速汽化、体积急剧膨胀，形成微小的爆炸，将组织结构以微粒的形式带走，结果总体表现出Ho:YAG激光的消融作用。Joseph[8]分析消融时飞溅出的微粒成分为水泡和小组织团块。我们通过透射电镜观察到消融处边缘呈网状，认为组织以微粒形式飞溅后产生的组织缺损正是“网眼”的位置(图2)，从另一侧面证实了Michael的消融理论是正确的。Ho:YAG激光产热的另一效应是热能传导到周围组织，引起组织凝固坏死、变性，苏木素-伊红染色时热凝固损伤处红染增强。
, 百拇医药
我们观察到，较小激光剂量照射食管粘膜后，粘肌层未受明显损伤，而粘膜下的结缔组织、胶原纤维已出现断裂、崩解。Norman S Nishioka[2]等照射兔胃、结肠时，也观察到相同的现象。其原因可能是各种组织结构、成分、含水量、机械特性及对热凝固损伤的耐受差异，胶原纤维在65 ℃时将会变性，而肌纤维在90 ℃时才出现变性[9]。
(1)脉冲能量对消融的影响：
由图3及其拟合的直线回归方程可以得知，当脉冲频率、照射时间恒定时，消融总深度与Ho:YAG激光的脉冲能量成正比，如折算成每一脉冲的消融深度，也与脉冲能量成正比，这与Walsh等[10]人推导的公式
R=ρA(F-Fth)/h (1)
相符合，R：每脉冲的消融率，ρ：受照射组织的密度，A：受照射的组织面积，F：激光的能量密度，Fth：达到消融所需的阈值能量密度，h:消融热。
, 百拇医药
图3 照射时间、脉冲频率恒定时消融深度与脉冲能量的关系
Fig 3 The relation of ablation depth and pulse energy when radiation time and pulse rate were stable
(2)功率相同时，不同能量分配形式消融效果的差异 表2所示，H组的消融深度大于L组。对同一功率，H组每脉冲的能量为L组的2倍(FH=2FL)，因此H组的脉冲频率为L组的1/2(PL=2PH)，根据公式(1)得出：
H组每脉冲激光的消融率：
RH=ρA(FH-Fth)/h (2)
, 百拇医药
L组每脉冲激光的消融率
RL=ρA(FL-Fth)/h (3)
RH/RL=(FH-Fth)/(FL-Fth)=(2FL-Fth)/(FL-Fth) (4)
照射某一相同时间t后，H组与L组的总消融深度(D)之比为：
DH/DL=(RH×t×PH)/(RL×t×PL)
, 百拇医药
=(RH/RL)×(PH/PL)=(2FL-Fth)/(2FL-2Fth)>1 (5)
即照射相同时间t后，H组的消融总深度大于L组。我们的实验结果与公式推导的结果相符合。
按理，采用相同的功率和照射时间，组织所接受的激光能量相同，应出现相同的消融效应，公式推导和实验的结果似乎与此相矛盾，如何解释呢?Norman S.Nishioka[11]等认为，激光消融的原理远较目前简单化的假设机理复杂，组织的光学性质和机械特性都会因温度的改变而改变。Norman S.Nishioka[12]等还实验发现，在激光引起组织消融之前，蛋白质凝固变性将使组织对激光的反射增强，反射量在一定时间内与脉冲数成正相关关系，此现象在低能量密度时特别明显。可以认为，低能量密度(即低脉冲能量)时，由于凝固变性作用明显，反射掉的能量较多，组织实际吸收能量较少，消融效应小；相反，在高能量密度(即高脉冲能量)时，每一脉冲的能量较高，足以引起组织的消融，凝固变性作用较小，反射掉的能量少，故消融作用明显。
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5 结 论
本实验通过对脉冲式Ho:YAG激光不同功率、不同照射时间及相同功率H组和L组消融作用的研究，得出以下结论：
(1)照射时间、脉冲频率恒定时，脉冲式Ho：YAG激光的消融作用与脉冲能量成正比；
(2)在相同功率，高脉冲能量低脉冲频率(H)组的消融作用大于低脉冲能量高脉冲频率(L)组；用Ho:YAG激光行切割消融时宜采用高脉冲能量低脉冲频率的参数。
(3)高功率状态(40W、56W)，脉冲式Ho:YAG激光主要表现出消融作用。
参考文献
1 Hale GM,Query MR.Optical constants of water in the 200nm to 200um wavelength region.Applied Optics, 1973;12∶555
, http://www.100md.com
2 Yacov Domankevitz,Margaret S Lee,Norman S.Nishioka.Effects of irradionce and spot size on pulsed Holmium laser ablation of tissue.Applied Optics, 1993;32∶569
3 Vari SG,Shi WQ, Fishbein MC et al. Ablation study of knee structure tissues with a Ho:YAG laser.Lasers in Surgery and Medicine Supply， 1991;3∶51
4 Kadipasaoglu KA,Rastegar S,Sartori M et al.In vitro ablation of human aorta under saline and blood with the Holmium:YAG laser.Lasers in life Science， 1992;5(1～2)∶95
5 Roger C Nuss,Richard L Fabian,Rajabrata Sarkar et al.Infrared laser bone ablation.Lasers in Surgery and Medicine， 1988;8∶381
6 Martin Buchelt,Hans-Paul Kutschera,Thomas Katterschafka et al.Erb:YAG and Hol:YAG laser ablation of meniscus and intervertebral discs.Lasers in Surgery and
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单位：胡国强 (上海铁道大学 附属铁路医院，上海 200072)；朱 菁 周 (上海第二医科大学 附属仁济医院 上海市激光医学研究中心，上海 200001)
关键词：脉冲式Ho；YAG激光；食管；生物效应
生物医学工程学杂志990420 摘要 为研究功率、照射时间、脉冲能量、脉冲频率等激光参数对Ho:YAG激光消融效应的影响，我们以5只犬食管作为实验对象，以不同功率、不同时间照射食管粘膜；对相同功率，又分为高脉冲能量低脉冲频率(H)组和低脉冲能量高脉冲频率(L)组进行配对研究，观察不同激光参数消融作用的差异。结果显示：脉冲式Ho：YAG激光消融作用与功率和照射时间成正相关；H组消融作用大于L组；高功率的Ho:YAG激光，主要表现出消融作用。
Experimental Study of Ablation Effect on Canine Esophagus
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Irradiated by Pulsed Ho:YAG Laser
Hu Guoqiang1 Zhu Jing2 Zhou Min2
1 (Shanghai Railway Hospital Attached to Shanghai Railway University,Shanghai 200072)
2 (Shanghai Laser Center for Medical Research,Renji Hospital of Shanghai Second Medical University,Shanghai 200001)
Abstract To evaluate the influence of power,irradiation time,energy of per pulse and frequency on ablation effect of pulsed Ho:YAG laser,five canine esophagi were studied.We irradiated the mucosa in different power and different irradiation time.For the same power,the samples were divided into two groups: the high energy per pulse low frequency (H)group and the low energy per pulse high frequency (L)group.The two groups were paired.We compared the effects of ablation effect in different laser settings.The results reveal that the ablation effect is positively correlated to the power and irradiation time.The ablation in H group is more obviouse than that in L group.When Ho:YAG is used in high power,ablation is the main biological effect.
, 百拇医药
Key words Pulsed Ho:YAG laser Esophagus Biological effect
1 引 言
Ho:YAG激光是新兴的中红外激光，90年代开始被用于临床，波长2 120 nm，非常接近水的吸收峰1 950 nm,吸收系数24 cm-1[1]，能很好地被生物组织吸收，热弛豫时间(thermal relaxation time)为310 ms[2]，对照射组织周围的热凝固损伤小。同时，极易由石英光纤传输，能与内窥镜很好地配合使用，用途广，是正被推广的优秀医用激光。
国外许多学者从不同角度对Ho:YAG激光的生物效应进行了研究，结果显示每脉冲激光消融组织的消融率R与能量密度成正比关系[2～5]，Mautin[6，7]等的研究表明组织消融量与Ho:YAG激光照射总能量成正比。
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对同一功率，有高脉冲能量低脉冲频率和低脉冲能量高脉冲频率两种分配方式，两种分配方式作用于同一生物组织时，产生的组织消融作用有无差异，国内外尚无报道；因此，本实验就脉冲式Ho:YAG激光的消融作用、热凝固损伤作用与功率、照射时间的关系进行研究，比较相同功率、不同能量分配形式照射犬食管时产生的消融效应差异，并从组织学层次、超微结构层次观察Ho:YAG激光引起的形态改变，以指导临床工作。
2 材料与方法
2.1 实验材料
(1)实验动物：健康杂种犬5只，体重12～15 kg,雌雄不限。实验前12 h禁食。
(2)激光器和光纤：脉冲式Ho:YAG激光器由美国Coherent公司生产，功率2.5～60 W，分级可调，波长2.1 nm,脉冲能量0.5～2.8 J/pulse,脉冲频率范围5～40 Hz,脉冲宽度250 us.低OH-石英光纤，美国Coherent公司生产，芯径400 μm，距光纤头端5 mm处光斑直径450 um。
, 百拇医药
(3)电子定时开关：由上海市激光医学研究中心与上海第二医科大学附属仁济医院设备科共同研制，调节范围0.1～999.9 s,精确度0.1 s。
(4)图像分析仪：由图像放大装置、CCD摄像机、KS400图像分析系统组成。整个图像分析设备由上海第二医科大学生物物理教研室提供。
(5)透射电镜：H-500型透射电镜，日立公司生产，由上海第二医科大学生物物理教研室提供。
2.2 实验方法
5只犬用2.5%硫贲妥钠腹腔麻醉，左侧开胸、寻找、游离食管，切断取出、剖开，立即用Ho:YAG激光照射粘膜面，光纤末端垂直于粘膜面并保持5mm距离，电子定时开关控制照射时间。首先选一段食管采用0.5 J、20 Hz,0.5 s照射后，即用手术刀片全层取下，4 ℃、2%戊二醛固定，后送电镜制片，铅-铀染色、透射电镜观察。
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对5只食管，各采用功率10、20、40、56 W进行照射；对每一功率，又分为高脉冲能量低脉冲频率组(H组)和低脉冲能量高脉冲频率组(L组)进行配对，具体如下：10 W(1.0 J×10 Hz，0.5 J×20 Hz)、20 W(2.0 J×10 Hz，1.0 J×20 Hz)、40 W(2.0 J×20 Hz，1.0×40 Hz)、56 W(2.8 J×20Hz，1.4 J×40 Hz)。每一激光参数，照射时间分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 s。如发现某一时间已将食管全层击穿，则不再采用更长的照射时间。激光照射食管后，肉眼观察粘膜面及对侧外膜层的改变。
将各激光剂量照射后的食管壁全层切下，分别固定于10%福尔马林溶液，制成厚5 μm的病理切片，苏木素-伊红染色。光镜观察食管壁损伤的形态和程度，所有病理切片均图像分析仪测定消融深度及热凝固损伤厚度。
2.3 统计分析：
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用Statpal统计软件和Slide绘图软件进行统计分析。
3 结 果
3.1 脉冲式Ho:YAG激光照射食管后的形态改变
(1)肉眼观察
较小剂量的Ho:YAG激光照射食管后，粘膜面出现乳白色的凝固斑，质硬；凝固斑随激光剂量增加而增大，且中央出现消融凹陷、表面炭化；当激光剂量增加到一定范围(大功率或长时间照射)时，粘膜对侧的肌肉组织和外膜也出现乳白色的凝固斑，甚至被消融击穿。
(2)显微镜观察
较小剂量(10W，照射0.5 s)Ho:YAG激光照射食管，损伤主要限于粘膜层及粘膜下层，可见复层鳞状上皮被消融而出现微小的凹陷缺损；固有层凝固坏死，表现为细胞间隙模糊、胞质伊红染色增强、细胞核碎裂。肌层尚未出现明显的损伤，而深层的粘膜下层中胶原纤维和疏松结缔组织已碎裂、崩解。
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较高剂量照射后，消融组织增加，形成的凹陷加深，凹陷表面炭化明显。消融部位附近的粘膜上皮被掀起、撕脱，伊红深染区增大。相同功率，H组消融深度大于L组而热凝固范围小于L组。当功率明显增高时，消融更加明显，而热凝固损伤引起的坏死变性范围减少(见表1)。
图1 食管的复层鳞状上皮坏死、崩解(×6000)
Fig 1 Necrosis and disintegration of squamous epithelium of esophagus(×6000)
(3)电镜下观察
在热凝固损伤处，透射电镜可观察到食管复层鳞状上皮坏死、崩解(见图1)，消融处的结构表现为组织坏死脱落，残余结构凝固呈网状(见图2)。
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图2 消融处残余结构呈网状(×3700)
Fig 2 The residual of ablation is reticular(×3700)
3.2 Ho:YAG激光照射食管后组织损伤层次与激光照射总能量的关系
光镜观察发现，Ho:YAG激光所致食管组织损伤的总范围(包括消融和热凝固损伤)与激光的照射总能量有密切关系，表1中所示，照射时间恒定时，组织损伤的层次随功率的加大而加深；同样，功率恒定时，损伤的层次也随照射时间的增加而加深。
表1 损伤达到的组织层次与激光照射总能量的关系
Table 1 The relation between damaged tissue layer and energy of laser 时间(s)
, 百拇医药
Time(s)
功率(W) Power(W)
10
20
40
56
0.5
粘膜下层上1/3凝固
粘膜下层崩解呈网状
内环肌层凝固崩解
外纵肌全层凝固
1.0
, 百拇医药 粘膜下层全层凝固
外纵肌浅表凝固
外纵肌全层凝固
外纵肌上1/3坏死脱落，凝固达外膜
2.0
粘膜下层全层凝固并有撕脱
外纵肌上1/3凝固
外纵肌2/3消融，余1/3凝固
食管壁击穿
3.0
内环肌上1/3凝固
外纵肌全层凝固
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食管壁击穿
4.0
内环肌上1/2凝固
凝固达外膜层
5.0
内环肌上2/3凝固
外纵肌上1/3消融，凝固达外膜层
6.0
外纵肌浅表凝固
外纵肌上2/3消融，热凝固达外膜层
3.3 功率相同时，不同能量分配方式对消融浓度的影响
, 百拇医药 在同一照射时间、相同功率(即激光能量相同)时，高脉冲能量低脉冲频率组(H组)的消融深度大于L组低脉冲能量高脉冲频率组(L组)，差异有显著性(见表2)。表2 H组与L组的消融深度(mm)比较
Table 2 Comparison of ablation depth(mm) between H and L groups 功率(W)
Power(W)
分配方式(J×Hz)
Distributing method
(J×Hz)
照射时间(S) Radiation time(s)
0.5
, 百拇医药
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
10
1.0×10
0.51
±0.08
0.62
±0.11
0.75±0.15
, http://www.100md.com
0.93±0.20
1.26±0.18
1.41±0.14
1.96±0.23
0.5×20
0.22
±0.11*
0.35
±0.09
0.56±0.12
0.76±0.11
1.03±0.21
, http://www.100md.com
1.31±0.15
1.86±0.18
20
2.0×10
1.14
±0.11
2.06
±0.23
2.22±0.19
2.38±0.22
2.56±0.32
3.06±0.34
, 百拇医药
3.27±0.35
1.0×20
0.77
±0.12
1.23
±0.25
1.39±0.17
1.53±0.16
2.13±0.24
2.88±0.30
3.13±0.35
40
, 百拇医药
2.0×20
2.39
±0.33
2.76
±0.32
3.30±0.26
1.0×40
1.34
±0.25*
1.45
±0.27
2.25±0.30
, 百拇医药
56
2.8×20
2.85
±0.29
5.83
±0.83＃
1.4×40
2.43
±0.17
5.40
±0.46
相同功率的H组和L组采用配对t检验；*P<0.01；#P>0.05；其余0.01
H and L groups in the same power compared with paried t test;*P<0.01；#P>0.05；others 0.01
在20 Hz、0.5 s，以消融深度对不同脉冲能量(0.5、1.0、2.0、2.8 J)用Slide绘图软件进行曲线拟合，发现消融深度与Ho:YAG激光的脉冲以量成正比(y=1.2x-0.35 r=0.82)。
4 讨 论
Ho:YAG激光被组织吸收后，光能转化为热能，产生两种效应，一是导致受照射组织温度急剧升高，使组织炭化、气化；同时Michael[3]等认为还可使组织、细胞中的水分迅速汽化、体积急剧膨胀，形成微小的爆炸，将组织结构以微粒的形式带走，结果总体表现出Ho:YAG激光的消融作用。Joseph[8]分析消融时飞溅出的微粒成分为水泡和小组织团块。我们通过透射电镜观察到消融处边缘呈网状，认为组织以微粒形式飞溅后产生的组织缺损正是“网眼”的位置(图2)，从另一侧面证实了Michael的消融理论是正确的。Ho:YAG激光产热的另一效应是热能传导到周围组织，引起组织凝固坏死、变性，苏木素-伊红染色时热凝固损伤处红染增强。
, 百拇医药
我们观察到，较小激光剂量照射食管粘膜后，粘肌层未受明显损伤，而粘膜下的结缔组织、胶原纤维已出现断裂、崩解。Norman S Nishioka[2]等照射兔胃、结肠时，也观察到相同的现象。其原因可能是各种组织结构、成分、含水量、机械特性及对热凝固损伤的耐受差异，胶原纤维在65 ℃时将会变性，而肌纤维在90 ℃时才出现变性[9]。
(1)脉冲能量对消融的影响：
由图3及其拟合的直线回归方程可以得知，当脉冲频率、照射时间恒定时，消融总深度与Ho:YAG激光的脉冲能量成正比，如折算成每一脉冲的消融深度，也与脉冲能量成正比，这与Walsh等[10]人推导的公式
R=ρA(F-Fth)/h (1)
相符合，R：每脉冲的消融率，ρ：受照射组织的密度，A：受照射的组织面积，F：激光的能量密度，Fth：达到消融所需的阈值能量密度，h:消融热。
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图3 照射时间、脉冲频率恒定时消融深度与脉冲能量的关系
Fig 3 The relation of ablation depth and pulse energy when radiation time and pulse rate were stable
(2)功率相同时，不同能量分配形式消融效果的差异 表2所示，H组的消融深度大于L组。对同一功率，H组每脉冲的能量为L组的2倍(FH=2FL)，因此H组的脉冲频率为L组的1/2(PL=2PH)，根据公式(1)得出：
H组每脉冲激光的消融率：
RH=ρA(FH-Fth)/h (2)
, 百拇医药
L组每脉冲激光的消融率
RL=ρA(FL-Fth)/h (3)
RH/RL=(FH-Fth)/(FL-Fth)=(2FL-Fth)/(FL-Fth) (4)
照射某一相同时间t后，H组与L组的总消融深度(D)之比为：
DH/DL=(RH×t×PH)/(RL×t×PL)
, 百拇医药
=(RH/RL)×(PH/PL)=(2FL-Fth)/(2FL-2Fth)>1 (5)
即照射相同时间t后，H组的消融总深度大于L组。我们的实验结果与公式推导的结果相符合。
按理，采用相同的功率和照射时间，组织所接受的激光能量相同，应出现相同的消融效应，公式推导和实验的结果似乎与此相矛盾，如何解释呢?Norman S.Nishioka[11]等认为，激光消融的原理远较目前简单化的假设机理复杂，组织的光学性质和机械特性都会因温度的改变而改变。Norman S.Nishioka[12]等还实验发现，在激光引起组织消融之前，蛋白质凝固变性将使组织对激光的反射增强，反射量在一定时间内与脉冲数成正相关关系，此现象在低能量密度时特别明显。可以认为，低能量密度(即低脉冲能量)时，由于凝固变性作用明显，反射掉的能量较多，组织实际吸收能量较少，消融效应小；相反，在高能量密度(即高脉冲能量)时，每一脉冲的能量较高，足以引起组织的消融，凝固变性作用较小，反射掉的能量少，故消融作用明显。
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5 结 论
本实验通过对脉冲式Ho:YAG激光不同功率、不同照射时间及相同功率H组和L组消融作用的研究，得出以下结论：
(1)照射时间、脉冲频率恒定时，脉冲式Ho：YAG激光的消融作用与脉冲能量成正比；
(2)在相同功率，高脉冲能量低脉冲频率(H)组的消融作用大于低脉冲能量高脉冲频率(L)组；用Ho:YAG激光行切割消融时宜采用高脉冲能量低脉冲频率的参数。
(3)高功率状态(40W、56W)，脉冲式Ho:YAG激光主要表现出消融作用。
参考文献
1 Hale GM,Query MR.Optical constants of water in the 200nm to 200um wavelength region.Applied Optics, 1973;12∶555
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2 Yacov Domankevitz,Margaret S Lee,Norman S.Nishioka.Effects of irradionce and spot size on pulsed Holmium laser ablation of tissue.Applied Optics, 1993;32∶569
3 Vari SG,Shi WQ, Fishbein MC et al. Ablation study of knee structure tissues with a Ho:YAG laser.Lasers in Surgery and Medicine Supply， 1991;3∶51
4 Kadipasaoglu KA,Rastegar S,Sartori M et al.In vitro ablation of human aorta under saline and blood with the Holmium:YAG laser.Lasers in life Science， 1992;5(1～2)∶95
5 Roger C Nuss,Richard L Fabian,Rajabrata Sarkar et al.Infrared laser bone ablation.Lasers in Surgery and Medicine， 1988;8∶381
6 Martin Buchelt,Hans-Paul Kutschera,Thomas Katterschafka et al.Erb:YAG and Hol:YAG laser ablation of meniscus and intervertebral discs.Lasers in Surgery and
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