皮秒和纳秒YAG脉冲激光离体血管成形术的实验研究

敝毛 知外 LASER＆ INFR ^ 革l9奇革 1翦 皮秒和纳秒~AG脉冲激光离体血管成形术的实验研究 陈伯苏 郭 强 崔益奉 汪道文 余 枢 吴天根 赵震声 王佩琳 胡雪金 (中辑院安徽光机所) (武汉同济医科大学 同济 医院) 采用度秒孝绮秒 YAG激光脉冲分尉对试管内血栓、猪主对脉血拴及猪对脉血管壁 进行了详细的激光气化实验哥究。 给出样品气化深度与激光脉宽、波长、单次脉冲能量 和辐射总能量的关系 曲线，并对样品作 了组织学检查。 1978年 Chog等提出用光纤将激光能量导 入血管内汽化动脉粥样斑块和血栓，这种设想 很快获得证实 。临床和实验证 明，该技术治 疗血管闭塞性疾病有广阔的应用前 景 。 目 前使用的连续激光常在汽化血管内阻塞物的同 时，引起明显的血管损伤 。采用 斩波或脉 冲激光时，可使热损伤减轻 ，为 解决激光 血管成形术中的热损伤提供了新的途径。 我们采用皮秒和纳秒YAG脉冲激光(基频 和倍频)，进行了汽化血栓及血管壁损伤的详细 的实验研究，为激光血管成形术激光光源及技 术参数的选用提供了必要的依据。 实验装置、材料和方法 1． 激 光 系 统 皮秒YAG激光取 自被动锁模YAG激光器 (安徽光机所研制)，基频波长1．064．Ltm，倍频 波长0 532Bm，脉宽约30ps，光束 由焦距为 2 m透镜聚焦，光斑约为 巾0．4ram。 纳秒YAG激光取自调Q YAG激光器 (安 徽 光机厨研制 )， 波长 同上，昧宽 约10ns，经 同 ～ 透镜聚焦，光斑约为 0．5ram． 2 样品 的准备 (1)试管 内血栓 取健康 自愿者 新 鲜 血 澉 注 入 3 2×50 121171，一端装有橡皮塞的石英试管内，室温下 自 然 凝固30rain后以3000转 ／分 速度 离心15min， 除去血清制成新鲜血栓，低温保存，于 4 h内 用激光辐照 (2)血管内血栓 从刖宰杀的猪体内取出颈、股动脉 (内径 约2．8～3．1mm，外径约 4．2～5．0ram)，将其 剪短至长约10~15mm的血管段，放入相应太 小的玻璃营内，注入 同上人血，自然凝固30min 后以激光照射。 (3)主动脉血管壁 从刚宰杀的猪体内取出主动脉，置 于 4DC 低温保存。实验前纵 向切开，制 成 3 x 2 cm 大小的血管壁样品，固定于调整架上 以激光照 射。 3．实验 方法 全部实验均在离体状态下进行。激光频率 为 1Hz。 (1)汽化试管内血栓 将样品置于光路J 轴，并在透镜焦点位置 所使用的脉冲能量和脉冲个数见表 1。各种参 数重复一次，汽化后测量并计算 平 均 汽 化深 度。 (2)汽化血管内血栓 车 刊 lg88年 l1月 收到 47 维普资讯 http://www.cqvip.com 表 1 激光照射血栓，血管 壁所用脉冲能量累积能量表 样品位置同上。皮秒 YAG激光脉冲基频 和倍频光所用的单次脉冲序列能量分别约4O， 70mJ和lO，25mJ~纳秒YAG激光脉冲基频光 约400，650mJ。样 品辐照后作组织学检查。 (3)汽化主动脉壁 将主动脉壁内膜置于透镜焦点处并与光束 垂直，激光脉冲参数亦如袁 1。固定皮秒yAG 基波单脉冲序列能量约22rHL 分 别 先 穿越空 气， 1 InlTl厚的生理盐水，血清和抗 凝血液辐 射40， 120次。所有实验样品辐照 后 均沿汽化 L切开，测量汽化深度并作组织学检查。 (4)组织学检查 把上述各样品经激光照射后按常规方法制 成切片，作光学显微镜检查。 实 验 结 果 1．汽 亿试 管 内血 栓 用皮秒 YAG基波格倍频波汽化试管内血 栓标本共524-，结果示于图 1， 2。其中当固 定累积能量时，汽化深度与基频光单次脉冲能 量呈非线性关系 (圉 1)；当固定倍频光单脉冲 能量时，深度与倍频光脉冲的累积能量呈线性 关系 (图 2)， 当单次脉冲能量为8 5mJ，累积 能量约4Oj时，汽化深度为 7．3mm。 ■ 萆 文式、冲蛀鸟 t )) 固 1 皮 壮咻 ’ 颠光墨稆能量为 、40、 60，10O J时单 嵌脒 能 量 与汽化 度 的是 系 黑抿 鹾量 (】f 豳 2 应 秒倍囊 光单 趺脉冲 能量 为 8．5mj时 累租 艉量 与 融 铎 盘蚺 蓑系 实验中发现；(1)两种波长的激光在照射 样品时均有少量溅射，发出爆破声，并产生少 量气体}(2)倍频光穿透深度明显 大 于基频 光，(3)两种波长的激光均使血栓完全汽化。 不 留下碳化物。 用纳秒 YAG基频和倍频光脉冲照射样品 共6O个。当累积能 量固定时，基频光的汽化深皇 与单脉冲能量呈非线性关系 (圈 3) 当单脉 冲 能量为100mJ，累积能量为l 00 J时，汽化深度 约0．45m m。照射样品时发现：(1)辐射时无 溅射，爆破声远较皮秒脉冲时低，但释出较多 浓烟及鹏显焦糊味I(2)样品温度随辐射时间 明显升高；(3)光束透过区部分汽化，产生较 多碳化物，非透过区水份蒸发，留有干结的血 栓块，(4)单脉冲能量小于lOOmJ时，几乎没 有汽化作 用。 蓑 艇量r 圈 3 纳杪 倍 耘光单 脉 冲能 量为8O、1 、 1 2omJ时一 累积 朗量 与 消融 深度 的黉 系 当固定倍频光单脉冲能量时．汽化深度与 累积 能鼍呈 线性关 系 (罔 4 1 当单脉 冲能量 为 l0On J'累积能量为5o J时，汽化深度为 1 54 mm。实验过程中发现光束透过 区血 栓全部汽 维普资讯 http://www.cqvip.com 圈 4 晕 秽 摹 壤 光 累 积 良 量 为 100， 300、 5(ID J时、 单棘 冲能 量与 汽化 碌度 的美 景 化，未留下碳化物，而未透过区不发生变化． 样品无明显升温。 图 5给出在单次陆冲能量和累积能量相同 时，不同波长的皮秒和纳秒激光汽化血栓深度 的比较情 况。 a 糟 2 田 5 同 等 能 量 的 不 同 舷 光 汽 化 或请 硅试 管 内血栓 教果 的比较 2．汽化血 管 内血 栓 皮秒YAG基频、倍频光照射样品共 6个， 其中 4个样品以基频光辐照， 当单次脉冲能量 为50，75mJ，累积能量约5O，55 J时，长 1．5 cm的血栓完全被汽化，肉眼和组织学检查无损 伤。倍频光照射总能量约50、65 J时使血栓完 完汽化，并无血管损伤。 纳秒YAG基频脉冲辐照样品 8个，血栓部 分被汽化，产生较多碳化物及血栓块，血管壁 干燥、变脆，并伴有明显升温，当单脉冲能量 为 400mJ时，碳化物较少。组织学检查可见血 栓部分汽化消失，可见大量均质红染的凝固性 变性物，并有空泡化，血管壁部分见少许空泡 变性。另有一半样 品照射后血管壁变脆，切片 困难。倍频纳秒脉冲辐照样 品 2个，温度基本 升高，穿透部分全部汽化，血管壁并无损伤。 3．照射血 管壁 皮秒 YAG基频和倍频光在照射血管擘过 程q r有散射、透射理象及爆破声。固定单脉冲 能量时，汽化深度与咏冲数呈非线性关系，当 先行透过血清和生理盐水照射明 汽化深度约 为透过空气时的 1／3；透过血液时则不能使血 管壁汽化。组织学榆奄发现，基频光照射 区域 宋见碳化物及苍 白包。滑辐照区缺损切开，见 一 V 形缺损区，边缘整齐。镜下该区域未见 组织碎片，但可见少许凝固性坏死物，边缘细 胞及纤维卷缩，缺损底部多层纤维断裂．邻近 组织无空泡变性等改变。倍频光照射后组织学 改变类似于基频光的情形，但 未见明显凝岛性 坏死及纤维断裂，边缘纤维卷缩较短。 纳秒YAG基频光照射时亦有散射、透射现 象及轻的爆破声。固定单脉冲能量剐，脉冲赦 与汽化深度呈非线性关系。组织学检查见照射 区周围有一白色区，镜下见缺损边缘不整齐， 有均质红染的凝固性坏死层，缺损底部深处激 光透过区见染色明显加深，邻近区亦有染色 与讨论 激光血管成形术被认为是有前途的血管成 形术，但 目前普遍使用连续激光光源，这常导 致明显的血管热损伤并留下再 次闭台的基础。 因此减轻热损伤是该亍芝术中亟待解决的问。 本实验采用皮秒和纳秒YAG基、倍频光进 行离体激光血管成形j 实验研究。由于激光脉 冲脉宽短、峰值功率高，因而对生物有机组织 作用的效应与连续YAG激光不同。我们认为， 激光汽化生物组织的主要机理是： I 热效应 激光与生物组织作用，其光子 能量被生物分子俘获，由碰撞和吸收发热，使 样品温度升高。当温度至60。C时，蛋白质凝固； 在10O℃时，组织细胞的水份汽化；达300。C时 产生碳化，分子键断裂。皮秒和纳秒脉冲由于 脉宽短，与样品组织作用很短，邻近组织温度 未升高时作用即停止， 因此脉冲激光造成的热 损伤比连续激光 的情形要小。尤其在采用皮秽 脉冲时，完全没有见到热损伤。 49 维普资讯 http://www.cqvip.com 2．光化学效应 能 高的激光光 子 可使 分子键断裂 “ ，从而消融组织。波 长为 I．064~tm的纳秒YAG脉冲其光予能量较低，一 个光子还不足 以使有机分子的键断裂， 因此我 们认为可能主要 由热效直起作 用 皮 秒 基 频 YAG脉冲序列辐射样 品时，由于在极 短时间 内脉冲串与样品组织作用．可 以认为除有热效 应外，多光子吸收所产生的光化学效应也起作 用。此外，样品缺损边缘皱缩则可能与热效应 和电致伸缩的综合作用有关 。当使用皮秒和 纳秒倍频光脉冲辐照血栓和血管壁时，均无热 效应和热损伤，且消融效果好。这一方面困倍 频波长易为样品吸收 “ ，另一方面，估频光 光子能量大，经多光子吸收后 (皮秒倍频光的 情形尤其如此)，可经光化学作用汽化血栓。 3．机械声学致应 高强度激光突 然 因样 品组织作用将产生较强的振荡渡，从而对组织 产生机械声学效应 。加用金属帽后可使损伤 减轻即为其间接证明 。 。 结 束 语 我们采用皮秒、纳秒 YAG脉冲激把辐射 血栓及血管壁，比较其汽化 (消融)效槊及媳 损伤情况，绐出了实验曲线，这为激光血管成 形术选择光源参数提供了实验依据。实验表明， 皮秒基频、倍频YAG脉冲的汽 }匕教果好，热损 伤轻，可能是一种临床进行激光血管成形术的 理想光源。纳秒倍频光亦 是可 考虑选择的光 源。 参 考 文 蕾 (1] Lee G et ai．Am Heart J 1981， 102l 1074 [2] Geschwind H j et a】，B Hen rt J 1984．52I 484 [3] Giasharg R et ，C舳 Cardio[， 】984， 7．54 [4] Ginsburg R et al， with 16 patiers ]'2adlo[o~ 1985 156：6ig [5] Forrester j S e￡al，A皿 I C~rdio[ t986．57 鲫 0 [6] Livesay ¨ et a【_，Hel z 1985．10 34 3 [7] Choy DSJ et 8I，C[in CardioI 1q8 T：977 [8] Sanb n T A et al，Circ 1981 75： 281 (9] Eldar M et a】，C[in Card— 1， 1 s8 6， 9，8g ~103 Abela GS et a】，Las0一Sa— Y,!ed 1 98S S：327 [11] 戎 复札， 蹶用 激光 但器 ． 】 ，P 103( 津 科技 出 版社 淬 1984)。 (12] 北京 师 范犬 学等 编，有 机化 学 、第 2版、 P．18(高 等 教育 出越社 北 京 1g86)。 (13] Lee G et a】， Am J Cardio】 1993．啦 ：976 Separate Experimental Study of Angioplasty with Picosecond and Nanosecond YAG Pulse Lasers Chen Bosu Guo Qiong Cui Yiben Zhao Zhensheng W aug Peilin H n Xuegin (Auha l Inst of Optics and Fine Mechanics Academia Sinica) W ang Daowen Yu Sha W u Tiangen (Tongji Hospital， Tongji Medical University， Wuhan) W e have done detail laser vaporized experimental study on thrombus in tube， pig’s main artery and arterial wail un der separate condition with pico— second and nanosecond YAG pu1se Iasers． W e have shown out several curves about sample vaporized de pth and Ia— ser pulsewidth， wavelength， single pulse and total radiate energy．HistologicaI inspection have been studied oi1 experimenta1 samples． t 陈伯苏 男，1947-~出生，助研，北京工业大学硕士。 t 主要从事究调谐的超短脉冲激光器的研制和应JfI研完。现 } 在美国作访问学者。 t 维普资讯 http://www.cqvip.com