用于皮肤治疗的新型医用光学治疗仪研究

论文摘要

激光在医学上的应用基本可分为两类:一类是利用高功率激光对生物组织进行相应的蚀除治疗,这类应用要求激光对生物组织的蚀除效果精确,对治疗区周围组织损伤小,且治疗后创口恢复期短;另一类是利用低能量激光对生物组织进行相应的刺激治疗,这类应用要求激光安全性高,组织内穿透深度深。本论文针对这两类应用,分别对应用于人体皮肤组织精确蚀除的调Q Er3+:YAG分布激光治疗仪,以及用于人体皮肤穴位刺激治疗的单管LED光针灸进行了深入研究。Er3+:YAG能输出波长为2.94μm的中红外激光,该波长与羟基的振动能量基本吻合,因此处在含水及含羟基物质的软组织（皮肤等）和硬组织（结石等）的最大吸收峰,在大量含水的皮肤组织内2.94μm激光穿透深度非常有限,且对受辐照部位周围组织的影响相对其它激光波长为最小,在医学上具有广泛的应用价值。本论文从Er3+:YAG激光建立的速率方程出发,对调Q Er3+:YAG激光建立的相关理论进行了计算,且对调Q Er3+:YAG激光器进行设计,并对分布治疗手柄进行了设计,对用于分布治疗的微小尺寸调Q Er3+:YAG激光与皮肤组织的相互作用进行了深入理论计算分析。无接触、无创伤的光针灸是传统中医针灸的一个重要发展方向,但因采用的光源为人眼不安全的激光器,医学应用与研究受到了一定限制,而诸多的医学及生物实验研究都表明,人眼安全的LED阵列光源,能取得与低能量激光类似生物刺激作用和相应的治疗效果。本论文中采用波长为830nm、输出功率为500mW的高功率LED替代LED阵列应用到光针灸,并利用自行设计完成的LED光针灸仪进行了肩周炎治疗研究,取得了良好的治疗效果。总体来说,本论文的工作主要集中在以下几点:（1）从Er3+:YAG 2.94μm中红外长激光辐射的上下能级自封闭特征出发,分析了相应Er3+:YAG激光能级劈裂理论对于该封闭特征的克服,以及实现2.94μm Er3+YAG调Q的相应条件。综合考虑了Er3+:YAG 2.94μm激光上下能级的上转换以及三光子交叉弛豫能量交换过程,建立了Er3+:YAG 2.94μm激光建立的速率方程组,从速率方程组的求解中,分析了调Q Er3+:YAG激光不同波长泵浦条件下的相应参数,并深入分析了采用氙灯泵浦时激光系统对氙灯泵浦电源的放电时间、放电速率等参数的要求,分析了激光谐振腔腔长、激光晶体参数等对激光输出特性的影响及相应的参数选择要求;分析计算了调Q运行状态与稳定运行状态下Er3+:YAG激光器的量子效率与转换效率,得出Er3+:YAG激光的量子效率可以大于1的结论。（2）依据理论分析所得到Er3+:YAG激光对泵浦电源的放电时间、放电速率的要求,对Er3+:YAG激光器的电源的充放电电路进行了设计;对激光器的谐振腔长度,腔镜等进行了设计,并进行了相应的试验研究;本论文选择了双面切布儒斯特角的LiNbO3晶体为Er3+:YAG的调Q器件,该器件的两面布儒斯特角切面可减少通常电光调Q中所采用的偏振镜,该器件不但减少了谐振腔内的插入损耗还同时缩短了谐振腔腔长。利用琼斯矩阵计算了激光光束垂直和水平偏振分量,穿越调Q器件的传输特性,并分析了LiNbO3晶体的尺寸与2.94μm波长激光所需电光调Q半波电压之间的关系。建立了调Q Er3+:YAG激光器整机,并对基于微透镜阵列的Er3+:YAG激光的分布治疗手柄进行了设计。（3）建立了调Q Er3+:YAG分布激光皮肤治疗中,微小尺寸调Q Er3+:YAG激光与皮肤组织的光致热分解作用（冷蚀除作用）数学模型;利用该数学模型对光致热分解作用中的压力作用曲线、组织内温度曲线进行了数值计算,计算结果表明选取一定能量密度的激光能够达到使皮肤组织汽化而不碳化的效果,对治疗区周围组织热损伤达到最小,且组织内痛感时间短暂,计算结果与国外相关的实验结果相吻合。（4）分析了光针灸的相关理论,从针刺作用与温灸作用两方面对LED光针灸机理进行了理论分析,光针灸热作用计算结果显示高功率LED光针灸能够在较短时间内获得与低能量激光针灸相同的稳定温度,达到治疗效果。（5）设计并完成单管高功率LED光针灸仪的研制,利用自行设计的高功率单管LED光针灸仪并进行了肩周炎治疗的相关试验,取得了良好的治疗效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 3+:YAG激光'>1.1 Er³⁺:YAG激光
• 1.2 光针灸
• 1.3 本研究的目的和内容
• 3+:YAG激光'>2 调Q Er³⁺:YAG激光
• 3+:YAG晶体'>2.1 Er³⁺:YAG晶体
• 3+:YAG能级分裂'>2.2 Er³⁺:YAG能级分裂
• 3+:YAG发射与吸收谱线'>2.3 Er³⁺:YAG发射与吸收谱线
• 3+:YAG晶体能量转换'>2.4 Er³⁺:YAG晶体能量转换
• 2.5 速率方程
• 2.6 本章小结
• 3+:YAG分布激光治疗仪'>3 调 Q Er³⁺:YAG分布激光治疗仪
• 3+:YAG调Q器件'>3.1 Er³⁺:YAG调Q器件
• 3.2 光学谐振腔
• 3.3 光学谐振腔
• 3+YAG激光器试验'>3.4 调Q Er³⁺YAG激光器试验
• 3.5 分布治疗手柄
• 3.6 本章小结
• 3+:YAG分布激光与皮肤组织相互作用'>4 调Q Er³⁺:YAG分布激光与皮肤组织相互作用
• 4.1 分布激光治疗简介
• 4.2 脉冲激光与组织相互作用
• 4.3 激光对皮肤组织光致热分解作用
• 4.4 结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 单管高功率LED光针灸仪
• 5.1 低能量激光与LED医学应用
• 5.2 光针灸机理
• 5.3 LED光针灸理论
• 5.4 LED光针灸仪研制
• 5.5 LED光针灸治疗试验
• 5.6 本章小结
• 6 总结
• 6.1 主要工作
• 6.2 主要创新点
• 6.3 后继工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 基于89S52的LED光针灸仪控制程序