脉冲Ho∶YAG激光对犬多种器官的生物效应
作者：朱菁 张慧国 胡国强 施虹敏 张美珏 丁爱华
单位：朱菁 张慧国 胡国强 施虹敏 张美珏(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 200001)；丁爱华(上海第一医科大学附属妇产科医院)
关键词：Ho∶YAG激光；生物效应
中国激光医学杂志000304摘要
目的 为研究平均功率、照射时间、脉冲能量、脉冲频率等激光参数对Ho∶YAG激光生物效应的影响。
方法 我们以犬作为实验对象，以不同平均功率、不同照射时间及对相同平均功率的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)组照射皮肤、食管、支气管、胃、膀胱粘膜、卵巢、子宫，进行配对研究。
结果 肉眼、光镜、电镜观察不同激光参数消融、热凝固作用结果的差异，各器官Ho∶YAG激光治疗的安全、有效治疗剂量。
, http://www.100md.com
结论 脉冲式Ho∶YAG激光的组织表面热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关；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；在相同平均功率，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，而热凝固损伤作用小于L组。
中图分类号： TN249；R318.51 文献标识码： A 文章编号： 1003-9430(2000)03-0150-05
Biological Effect of Pulsed Ho∶YAG Laser on Canine Organs
ZHU Jing ZHANG Huiguo HU Guoqiang SHI Hongmin ZANG Meijue
Renji Hospital Affiliated to Shanghai Second Medical University. Shanghai 200001, China
, 百拇医药
DING Aihua
Shanghai Medical Centre for Laser Research
ABSTRACT
Objective To evaluate the influence of power, irradiation time, pulse energy and frequency of pulsed Ho∶YAG laser on its biological effects.
Methods The canine skin, esophagus, bronchia, stomach, bladder, ovary and uterus were irradiated by different power and time duration, At a given power, the samples were divided into two groups, one group was irradialed with high energy per pulse and low frequenct(H), another was irradialed with low energy per pulse and high frequency(L).
, 百拇医药
Results We compared the ablation and thermal coagulation effects in different laser setting. The gross, miroscopic and ultrastructural alterations were observed and safe effective therapeutical doses to each organ were established.
Conclusions There is a positive correlation between irradiation power and time duration and coagulaton effect. The ablation effect is positively related to the energy per pulse.When an organ is irradiated with the same power, ablation in the high energy group is more pronounced than in the low energy group. However, the thermal coagulation in H group is less than that in the L group.
, 百拇医药
Key words Ho∶YAG laser; Biological effect
前 言
脉冲式固体激光-钬激光(Ho∶YAG)波长2 120 nm，非常接近水的另一吸收峰1 950 nm，其吸收系数为24 cm-1[1]，能很好地被生物组织吸收，热弛豫时间为310 ms[2]，采用脉冲式输出且脉冲宽度短于热弛豫时间时，对照射组织周围的热凝固损伤较小，可以起到精细雕刻的作用。同时，Ho∶YAG激光便于由低OH-的石英光纤传输，可与内镜配合应用，能安全地用于临床各科，不但用于体表病变的手术，对内镜激光手术更能体现它的优越性。其汽化切割作用不如CO2激光，但优于半导体激光、Nd∶YAG激光；凝固、止血作用优于 CO2 激光，不如半导体激光、Nd∶YAG激光。且因是脉冲式激光，峰值能量高，手术时能将光纤端面的污染物汽化，不会因光纤端面污染而损伤端面，不需要特殊的光纤做接触治疗手术。
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研究的目的和意义
波长2.1 μm的脉冲式Ho∶YAG激光现已较多用于消化道、呼吸道、膀胱、皮肤、子宫、卵巢、输卵管等器官的治疗。以往治疗用的钬激光平均功率仅5～15 W、脉冲频率15～20 Hz、脉冲能量1～1.5 J。随着产品的升级换代，新一代的Ho∶YAG激光器的平均功率可达60～80 W，脉冲频率40 Hz，脉冲能量2.8 J，后者的生物效应，对深部及周围组织的损伤与前者有明显的不同，而且对于同一平均功率，低脉冲能量、高脉冲频率；高脉冲能量、低脉冲频率的不同组合，其生物效应也不尽相同。因而有必要进一步研究不同平均功率、照射时间或同一平均功率低脉冲能量、高脉冲频率与高脉冲能量、低脉冲频率的不同组合对各类器官的生物效应，以指导目前各种体表及内镜治疗及开发新的治疗项目，正确掌握不同疾病治疗中应采用不同的剂量、不同的脉冲能量及脉冲频率的组合。本实验还对消融作用、热凝固作用与平均功率、照射时间的关系进行研究，比较相同平均功率、不同能量分配形式照射犬各器官时产生的生物学效应差异，同时从组织学和超微结构方面观察Ho∶YAG激光引起的形态改变，并试图寻找出作用于犬各器官的最佳激光参数，以指导临床工作。
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材料与方法
一、实验材料和仪器
1.实验动物 健康杂种犬，体重12～15 kg，平均13.6 kg，雌雄不限。实验前12 h禁食。
2.激光器和光纤 脉冲式Ho∶YAG激光器平均功率2.5～60 W，分级可调，波长2.1 μm，脉冲能量0.5～2.8 J，脉冲频率范围5～40 Hz，脉冲宽度250 μs，低OH-石英光纤长3.0 m，芯径500 μm，距光纤头端5 mm处光斑直径450 μm。
3.其他仪器和设备 电子定时开关：调节范围0.1～999.9 s，精确度0.1 s。病理切片机。图像分析仪由以下装置组成：①图象放大装置， ②CCD摄像机，③KS400图象分析系统。透射电镜。游标卡尺：精确度0.01 mm。UFX-IIA型倒置显微镜。
, 百拇医药 二、实验方法
2.5%硫贲妥钠腹腔注射麻醉动物(剂量为每公斤体重0.015 g)，经腹白线取出膀胱，腹中线开腹取出卵巢、子宫、胃、肠，于第四肋间开胸，在后纵隔内寻找出食管，胸腔内找出支气管，分别向上、向下游离20～25 cm，切断取出，沿长轴剖开，粘膜面向上平放于弯手术盘中，立即实验(膀胱实验在水中进行)。光纤末端与粘膜表面距离5 mm作垂直照射，照射时间由电子定时开关控制。首先选一段器官采用0.5～1.0 J脉冲能量、5～10 Hz的激光参数照射0.5 s，立即全层取下，固定于2%戊二醛中，送上海第二医科大学电镜室，切制超薄切片透射电镜观察。
对以上各脏器采用平均功率10 W、20 W、40 W、56 W进行照射；对每一平均功率，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×20 Hz、1.4 J×40 Hz)。每一激光参数，照射时间分别为0.5 s、1.0 s、2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s。如实验中发现某一照射时间已将脏器全层击穿，则不再采用更长的照射时间。
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激光照射后，肉眼观察粘膜面及对侧外膜或浆膜层的改变，用游标卡尺测量组织损伤的范围。
将各激光剂量照射后的以上各脏器用手术刀全层取下，固定于10%福尔马林溶液中，切制成厚度为5 um的病理切片，苏木素-伊红染色。光镜下观察脏器损伤的结构形态改变和损伤程度，其中食管病理切片用放大装置放大、CCD相机转换为电信号、KS400图像分析仪测定消融深度及热凝固损伤厚度。每组实验重复5次。
统计分析：用Statpal统计软件和Slide绘图软件进行统计分析。
结 果
一、肉眼观察
较小剂量的Ho∶YAG激光照射后，粘膜面出现乳白色的凝固斑，质地变硬，随着激光剂量的增加，照射处凝固斑增大，并在中央出现消融凹陷，凹陷表面有黑色的炭化层；当激光剂量增加到一定范围(大功率或长时间照射)时，对侧的肌肉组织和外膜或浆膜也出现乳白色的凝固斑，甚至被消融击穿。
, 百拇医药
脉冲式Ho∶YAG激光照射后，其表面的粘膜组织受热凝固损伤而出现的乳白色凝固斑范围与激光的平均功率和照射时间关系密切，凝固斑的直径与平均功率及照射时间呈正比，即乳白色凝固斑的直径随着平均功率和照射时间的增大而增大。
二、Ho∶YAG激光照射组织损伤层次与激光照射总能量的关系
我们通过光学显微镜观察发现，Ho∶YAG激光引起的组织损伤总的范围(包括消融和热凝固损伤)与激光的照射总能量有密切关系，在时间恒定时，组织损伤的层次随着平均功率的加大而加深；同样，当平均功率恒定时，损伤的层次也随着照射时间的增加而加深。
三、平均功率相同时，不同能量分配方式对消融深度的影响
我们在实验中，发现在同一照射时间、相同平均功率，即给予的激光能量相同时，高脉冲能量低脉冲频率组(H组)的消融作用与低脉冲能量高脉冲频率组(L组)有显著差异，表现为H组的消融深度大于L组。
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使用不同平均功率时，每光斑照射时间以对侧白凝及变性时间以前剂量为安全。Ho∶YAG激光有效消融切割犬食管的剂量为平均功率20 W、每光斑照射3 s以上较佳；食管壁厚度6 mm时，凝固剂量为平均功率10 W、每光斑照射3 s以下较安全。见表1。
表1 食管浆膜肉眼见白凝固，病理见变性
剂量(食管壁厚度6.0 mm)
Tab.1 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
degeneration of the esophagus(organ thickness 6.0 mm) 平均功率
Power
(W)
, 百拇医药
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见浆膜
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见浆膜
变性时间
, 百拇医药
Microscopic
degeneration
(s)
10 W
0.5
10
4
3
1.0
10
3
3
20 W
, 百拇医药
1.0
20
2
2
2.0
10
2
2
膀胱壁厚度3 mm的Ho∶YAG激光膀胱手术，以平均功率10 W、每光斑照射小于5 s较安全；平均功率20 W时、以每光斑照射2 s以下较安全。40～60 W要小心使用。见表2。表2 膀胱外膜肉眼见白凝，病理见变性
剂量(膀胱壁厚度3.0 mm)
Tab.2 Laser doses causing gross pale coagulation and
, 百拇医药
microscopic degeneration of the bladder (thickness
3.0 mm). The experiment was performed in water 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
对侧肉眼见
, 百拇医药
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
对侧病理
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
10 W
0.5
20
0
, 百拇医药
6
10 W
1.0
10
0
5
20 W
1.0
20
3
4
20 W
2.0
10
, 百拇医药
2
4
40 W
1.0
40
1
2
40 W
2.0
20
1
2
56 W
1.4
, 百拇医药
40
1
1
56 W
2.8
20
1
1
结肠壁厚度4 mm的结肠Ho∶YAG激光手术以平均功率5 W，每光斑照射时间3 s以下较安全。见表3。表3 结肠浆膜肉眼见白凝，病理见变性
剂量(结肠壁厚度4.0 mm)
Tab.3 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
, 百拇医药
degeneration of the colon serosa (colon thickness 4.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见浆膜
白凝时间
, http://www.100md.com Gross
coagulation
(s)
病理见浆膜
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
5 W
0.5
10
4
4
, http://www.100md.com
1.0
5
3
3
10 W
0.5
10
2
3
1.0
10
2
3
20 W
, 百拇医药
1.0
20
0.5
0.5
2.0
10
0.5
0.5
胃壁厚度6 mm的Ho∶YAG激光胃手术，以平均功率10 W，每光斑照射小于3 s较安全。见表4。表4 胃浆膜肉眼变性及病理变性时间(胃壁厚度6.0 mm)
Tab.4 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
, 百拇医药
degeneration of the stomach serosa (organ thickness 6.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见对侧
白凝时间
, 百拇医药 Gross
coagulation
(s)
病理见对侧
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
10 W
0.5
10
4
4
, 百拇医药
1.0
5
3
3
20 W
1.0
20
3
3
2.0
10
1.0
1.0
40 W
, 百拇医药
1.0
40
1.0
1.0
2.0
40
0.5
0.5
Ho∶YAG激光治疗皮肤损害，以平均功率10 W以下较合适，不易引起疤痕残留。见表5。表5 引起皮肤、皮下组织变性剂量 (组织厚度4.0 mm)
Tab.5 Laser doses causing dermal and subcutaneous
, 百拇医药 degeneration (skin thickness 4.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
病理见变化时间
Microscopic degeneration
(s)
, 百拇医药
10
0.5
20
0.5
1.0
10
0.5
20
1.0
20
0.5
2.0
10
, http://www.100md.com 0.5
40
1.0
40
0.5
2.0
20
0.5
对组织厚度3 mm的支气管，Ho∶YAG激光支气管镜下治疗，以平均功率5 W、每光斑照射2 s或2 s以下较安全。见表6。表6 支气管纤维膜肉眼见白凝及病理见变性
时间(组织厚度3.0 mm)
Tab.6 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
, 百拇医药
degeneration of fibrous membrane of the bronchus
serosa (bronchus thickness 3.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见对侧
, 百拇医药
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见外膜
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
5
0.5
10
4
, 百拇医药
3
1.0
5
4
2
10
0.5
20
3
1
1.0
10
1
0.5
, http://www.100md.com
对组织厚度1.5 mm输卵管的Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W，每光斑照射0.5～1.0 s为安全。见表7。表7 输卵管对侧内膜见白凝及病理见凝固
时间(组织厚度1.5 mm)
Tab.7 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
degeneration of the fallopian tube (thickness 1.5 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
, http://www.100md.com
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见内膜
变性时间
Microscopic
degeneration
, 百拇医药
(s)
5
0.5
10
2.0
2.0
1.0
5
1.0
1.0
10
0.5
20
, 百拇医药 1.0
1.0
1.0
5
0.5
0.5
对组织厚度3 mm的子宫Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W、每光斑照射2 s为安全；平均功率10 W时，以每光斑照射2 s以下较为安全。见表8。表8 子宫对侧浆膜见白凝及病理见内膜凝固
时间(组织厚度3.0 mm)
Tab.8 Laser doses causing gross serosal coagulation and
microscopic serose degeneration of the uterus (thickness 3.0 mm) 平均功率
, http://www.100md.com
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见内膜
, http://www.100md.com
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
5
0.5
10
-
2.0
1.0
5
-
2.0
, 百拇医药
10
0.5
20
2.0
2.0
1.0
10
1.0
1.0
对组织厚度5 mm的卵巢皮质Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W，每光斑照射1 s以下较为安全，髓质治疗以平均功率5 W，每光斑照射以1～2 s较安全。见表9。表9 病理见卵巢皮质髓质变性时间(组织厚度5.0 mm)
Tab.9 Laser doses causing degeneration of cortex
, http://www.100md.com
and medulla of the ovary (thickness 5.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
病理见变性时间
Microscopic degeneration(s)
, 百拇医药
皮质
Corlex
髓质
Medulla
5
0.5
10
2.0
-
1.0
5
1.0
2.0
, 百拇医药
10
0.5
20
1.0
1.0
1.0
10
1.0
1.0
四、脉冲式Ho∶YAG激光对组织热凝固损伤作用的影响因素
脉冲式Ho∶YAG激光照射组织时，大部分光能被吸收转化为热能，除引起消融作用外，还可传导到邻近组织引起热凝固变性损伤。我们发现，在平均功率为10 W时，H组的热凝固损伤范围小于L组；在20 W，照射时间小于3 s时，H组的热凝固损伤范围也小于L组；当照射时间大于3 s时，两组的热凝固损伤无显著差异。
, http://www.100md.com
对于更高的平均功率(40 W、56 W)，H组与L组的热凝固损伤范围无显著差异。在10 W照射0.5～6.0 s和20 W照射3 s之前，激光能量分配方式相同时，热凝固损伤的范围随着照射时间的增加而加大，呈正相关关系。当平均功率在40 W、56 W时，消融高于10 W、20 W组，而热凝固损伤范围小于10 W、20 W组 。
五、电镜下的损伤表现
热凝固损伤部位，通过透射电镜观察到上皮坏死、崩解，消融处的结构改变表现为组织的坏死脱落，残余结构凝固呈网状。在热凝固损伤作用引起明显的显微结构变化之前，其亚细胞结构已经出现了改变，我们在光镜能见到的热凝固损伤边缘切制超薄切片，可清楚地观察到上皮细胞的细胞核已出现凝固、染色质向核膜靠近，细胞质内空泡形成，线粒体出现空泡变性，粘膜下层的毛细血管内皮细胞凝固，管腔内的红细胞凝固坏死。讨 论
一、脉冲式Ho∶YAG激光的组织表面热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关；
, 百拇医药
二、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；
三、在相同平均功率，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，而热凝固损伤作用小于L组；
四、高功率状态(40 W、56 W)的脉冲式Ho∶YAG激光主要表现出消融作用。
五、Ho∶YAG激光有效消融切割犬食管的剂量为20 W、照射3 s以上较佳；安全的凝固剂量为10 W、每光斑照射3 s以下。
六、厚度3 mm犬膀胱，使用不同平均功率Ho∶YAG激光照射时，每光斑照射以对侧白凝及变性时间以前剂量为安全。即平均功率10 W、以小于每光斑照射5 s较安全。平均功率20 W、以每光斑照射2 s以下较安全。40～60 W要小心使用。
七、厚度3 mm犬结肠Ho∶YAG激光手术以平均功率5 W较合适，每光斑照射以3 s以下较安全。
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八、厚度6 mm犬胃Ho∶YAG激光治疗，以平均功率10 W，每光斑照射小于3 s较安全。
九、厚度4 mm犬皮肤病损Ho∶YAG激光治疗时以平均功率10 W以下较合适，不易引起瘢痕残留。
十、厚度3 mm 犬支气管，Ho∶YAG激光支气管镜下治疗以平均功率5 W，每光斑照射2 s或2 s以下较安全。
十一、厚度1.5 mm犬输卵管Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W、每光斑照射0.5～1 s较安全。
十二、厚度3 mm犬子宫Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W、每光斑照射2 s较安全；10 W以2 s以下较为安全。
十三、厚度5 mm犬卵巢皮质Ho∶YAG激光治疗以平均功率5 W，每光斑照射1 s以下较为安全，髓质治疗以平均功率5 W，每光斑照射1～2 s较安全。
, 百拇医药
作者简介：朱菁(1940- )，女，上海人，教授，学士，主要研究方向激光内镜诊断、光敏诊断及光动力治疗、皮肤疾病的激光治疗等。
参 考 文 献
[1] Hale G.M., Query M.R. Optical constants of water in the 200 nm to 200 μm wavelength region[J]. Appl Opt. 1973, 12:555-563.
[2] Domankevitz Y, Lee MS, Nishioka NS. Effects of irradiance and spot size on pulsed Holmium laser ablation of tissue[J]. Appl Opt. 1993, 32:569-573.
(收稿日期：2000-06-12), http://www.100md.com
单位：朱菁 张慧国 胡国强 施虹敏 张美珏(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 200001)；丁爱华(上海第一医科大学附属妇产科医院)
关键词：Ho∶YAG激光；生物效应
中国激光医学杂志000304摘要
目的 为研究平均功率、照射时间、脉冲能量、脉冲频率等激光参数对Ho∶YAG激光生物效应的影响。
方法 我们以犬作为实验对象，以不同平均功率、不同照射时间及对相同平均功率的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)组照射皮肤、食管、支气管、胃、膀胱粘膜、卵巢、子宫，进行配对研究。
结果 肉眼、光镜、电镜观察不同激光参数消融、热凝固作用结果的差异，各器官Ho∶YAG激光治疗的安全、有效治疗剂量。
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结论 脉冲式Ho∶YAG激光的组织表面热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关；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；在相同平均功率，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，而热凝固损伤作用小于L组。
中图分类号： TN249；R318.51 文献标识码： A 文章编号： 1003-9430(2000)03-0150-05
Biological Effect of Pulsed Ho∶YAG Laser on Canine Organs
ZHU Jing ZHANG Huiguo HU Guoqiang SHI Hongmin ZANG Meijue
Renji Hospital Affiliated to Shanghai Second Medical University. Shanghai 200001, China
, 百拇医药
DING Aihua
Shanghai Medical Centre for Laser Research
ABSTRACT
Objective To evaluate the influence of power, irradiation time, pulse energy and frequency of pulsed Ho∶YAG laser on its biological effects.
Methods The canine skin, esophagus, bronchia, stomach, bladder, ovary and uterus were irradiated by different power and time duration, At a given power, the samples were divided into two groups, one group was irradialed with high energy per pulse and low frequenct(H), another was irradialed with low energy per pulse and high frequency(L).
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Results We compared the ablation and thermal coagulation effects in different laser setting. The gross, miroscopic and ultrastructural alterations were observed and safe effective therapeutical doses to each organ were established.
Conclusions There is a positive correlation between irradiation power and time duration and coagulaton effect. The ablation effect is positively related to the energy per pulse.When an organ is irradiated with the same power, ablation in the high energy group is more pronounced than in the low energy group. However, the thermal coagulation in H group is less than that in the L group.
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Key words Ho∶YAG laser; Biological effect
前 言
脉冲式固体激光-钬激光(Ho∶YAG)波长2 120 nm，非常接近水的另一吸收峰1 950 nm，其吸收系数为24 cm-1[1]，能很好地被生物组织吸收，热弛豫时间为310 ms[2]，采用脉冲式输出且脉冲宽度短于热弛豫时间时，对照射组织周围的热凝固损伤较小，可以起到精细雕刻的作用。同时，Ho∶YAG激光便于由低OH-的石英光纤传输，可与内镜配合应用，能安全地用于临床各科，不但用于体表病变的手术，对内镜激光手术更能体现它的优越性。其汽化切割作用不如CO2激光，但优于半导体激光、Nd∶YAG激光；凝固、止血作用优于 CO2 激光，不如半导体激光、Nd∶YAG激光。且因是脉冲式激光，峰值能量高，手术时能将光纤端面的污染物汽化，不会因光纤端面污染而损伤端面，不需要特殊的光纤做接触治疗手术。
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研究的目的和意义
波长2.1 μm的脉冲式Ho∶YAG激光现已较多用于消化道、呼吸道、膀胱、皮肤、子宫、卵巢、输卵管等器官的治疗。以往治疗用的钬激光平均功率仅5～15 W、脉冲频率15～20 Hz、脉冲能量1～1.5 J。随着产品的升级换代，新一代的Ho∶YAG激光器的平均功率可达60～80 W，脉冲频率40 Hz，脉冲能量2.8 J，后者的生物效应，对深部及周围组织的损伤与前者有明显的不同，而且对于同一平均功率，低脉冲能量、高脉冲频率；高脉冲能量、低脉冲频率的不同组合，其生物效应也不尽相同。因而有必要进一步研究不同平均功率、照射时间或同一平均功率低脉冲能量、高脉冲频率与高脉冲能量、低脉冲频率的不同组合对各类器官的生物效应，以指导目前各种体表及内镜治疗及开发新的治疗项目，正确掌握不同疾病治疗中应采用不同的剂量、不同的脉冲能量及脉冲频率的组合。本实验还对消融作用、热凝固作用与平均功率、照射时间的关系进行研究，比较相同平均功率、不同能量分配形式照射犬各器官时产生的生物学效应差异，同时从组织学和超微结构方面观察Ho∶YAG激光引起的形态改变，并试图寻找出作用于犬各器官的最佳激光参数，以指导临床工作。
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材料与方法
一、实验材料和仪器
1.实验动物 健康杂种犬，体重12～15 kg，平均13.6 kg，雌雄不限。实验前12 h禁食。
2.激光器和光纤 脉冲式Ho∶YAG激光器平均功率2.5～60 W，分级可调，波长2.1 μm，脉冲能量0.5～2.8 J，脉冲频率范围5～40 Hz，脉冲宽度250 μs，低OH-石英光纤长3.0 m，芯径500 μm，距光纤头端5 mm处光斑直径450 μm。
3.其他仪器和设备 电子定时开关：调节范围0.1～999.9 s，精确度0.1 s。病理切片机。图像分析仪由以下装置组成：①图象放大装置， ②CCD摄像机，③KS400图象分析系统。透射电镜。游标卡尺：精确度0.01 mm。UFX-IIA型倒置显微镜。
, 百拇医药 二、实验方法
2.5%硫贲妥钠腹腔注射麻醉动物(剂量为每公斤体重0.015 g)，经腹白线取出膀胱，腹中线开腹取出卵巢、子宫、胃、肠，于第四肋间开胸，在后纵隔内寻找出食管，胸腔内找出支气管，分别向上、向下游离20～25 cm，切断取出，沿长轴剖开，粘膜面向上平放于弯手术盘中，立即实验(膀胱实验在水中进行)。光纤末端与粘膜表面距离5 mm作垂直照射，照射时间由电子定时开关控制。首先选一段器官采用0.5～1.0 J脉冲能量、5～10 Hz的激光参数照射0.5 s，立即全层取下，固定于2%戊二醛中，送上海第二医科大学电镜室，切制超薄切片透射电镜观察。
对以上各脏器采用平均功率10 W、20 W、40 W、56 W进行照射；对每一平均功率，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×20 Hz、1.4 J×40 Hz)。每一激光参数，照射时间分别为0.5 s、1.0 s、2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s。如实验中发现某一照射时间已将脏器全层击穿，则不再采用更长的照射时间。
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激光照射后，肉眼观察粘膜面及对侧外膜或浆膜层的改变，用游标卡尺测量组织损伤的范围。
将各激光剂量照射后的以上各脏器用手术刀全层取下，固定于10%福尔马林溶液中，切制成厚度为5 um的病理切片，苏木素-伊红染色。光镜下观察脏器损伤的结构形态改变和损伤程度，其中食管病理切片用放大装置放大、CCD相机转换为电信号、KS400图像分析仪测定消融深度及热凝固损伤厚度。每组实验重复5次。
统计分析：用Statpal统计软件和Slide绘图软件进行统计分析。
结 果
一、肉眼观察
较小剂量的Ho∶YAG激光照射后，粘膜面出现乳白色的凝固斑，质地变硬，随着激光剂量的增加，照射处凝固斑增大，并在中央出现消融凹陷，凹陷表面有黑色的炭化层；当激光剂量增加到一定范围(大功率或长时间照射)时，对侧的肌肉组织和外膜或浆膜也出现乳白色的凝固斑，甚至被消融击穿。
, 百拇医药
脉冲式Ho∶YAG激光照射后，其表面的粘膜组织受热凝固损伤而出现的乳白色凝固斑范围与激光的平均功率和照射时间关系密切，凝固斑的直径与平均功率及照射时间呈正比，即乳白色凝固斑的直径随着平均功率和照射时间的增大而增大。
二、Ho∶YAG激光照射组织损伤层次与激光照射总能量的关系
我们通过光学显微镜观察发现，Ho∶YAG激光引起的组织损伤总的范围(包括消融和热凝固损伤)与激光的照射总能量有密切关系，在时间恒定时，组织损伤的层次随着平均功率的加大而加深；同样，当平均功率恒定时，损伤的层次也随着照射时间的增加而加深。
三、平均功率相同时，不同能量分配方式对消融深度的影响
我们在实验中，发现在同一照射时间、相同平均功率，即给予的激光能量相同时，高脉冲能量低脉冲频率组(H组)的消融作用与低脉冲能量高脉冲频率组(L组)有显著差异，表现为H组的消融深度大于L组。
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使用不同平均功率时，每光斑照射时间以对侧白凝及变性时间以前剂量为安全。Ho∶YAG激光有效消融切割犬食管的剂量为平均功率20 W、每光斑照射3 s以上较佳；食管壁厚度6 mm时，凝固剂量为平均功率10 W、每光斑照射3 s以下较安全。见表1。
表1 食管浆膜肉眼见白凝固，病理见变性
剂量(食管壁厚度6.0 mm)
Tab.1 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
degeneration of the esophagus(organ thickness 6.0 mm) 平均功率
Power
(W)
, 百拇医药
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见浆膜
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见浆膜
变性时间
, 百拇医药
Microscopic
degeneration
(s)
10 W
0.5
10
4
3
1.0
10
3
3
20 W
, 百拇医药
1.0
20
2
2
2.0
10
2
2
膀胱壁厚度3 mm的Ho∶YAG激光膀胱手术，以平均功率10 W、每光斑照射小于5 s较安全；平均功率20 W时、以每光斑照射2 s以下较安全。40～60 W要小心使用。见表2。表2 膀胱外膜肉眼见白凝，病理见变性
剂量(膀胱壁厚度3.0 mm)
Tab.2 Laser doses causing gross pale coagulation and
, 百拇医药
microscopic degeneration of the bladder (thickness
3.0 mm). The experiment was performed in water 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
对侧肉眼见
, 百拇医药
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
对侧病理
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
10 W
0.5
20
0
, 百拇医药
6
10 W
1.0
10
0
5
20 W
1.0
20
3
4
20 W
2.0
10
, 百拇医药
2
4
40 W
1.0
40
1
2
40 W
2.0
20
1
2
56 W
1.4
, 百拇医药
40
1
1
56 W
2.8
20
1
1
结肠壁厚度4 mm的结肠Ho∶YAG激光手术以平均功率5 W，每光斑照射时间3 s以下较安全。见表3。表3 结肠浆膜肉眼见白凝，病理见变性
剂量(结肠壁厚度4.0 mm)
Tab.3 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
, 百拇医药
degeneration of the colon serosa (colon thickness 4.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见浆膜
白凝时间
, http://www.100md.com Gross
coagulation
(s)
病理见浆膜
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
5 W
0.5
10
4
4
, http://www.100md.com
1.0
5
3
3
10 W
0.5
10
2
3
1.0
10
2
3
20 W
, 百拇医药
1.0
20
0.5
0.5
2.0
10
0.5
0.5
胃壁厚度6 mm的Ho∶YAG激光胃手术，以平均功率10 W，每光斑照射小于3 s较安全。见表4。表4 胃浆膜肉眼变性及病理变性时间(胃壁厚度6.0 mm)
Tab.4 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
, 百拇医药
degeneration of the stomach serosa (organ thickness 6.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见对侧
白凝时间
, 百拇医药 Gross
coagulation
(s)
病理见对侧
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
10 W
0.5
10
4
4
, 百拇医药
1.0
5
3
3
20 W
1.0
20
3
3
2.0
10
1.0
1.0
40 W
, 百拇医药
1.0
40
1.0
1.0
2.0
40
0.5
0.5
Ho∶YAG激光治疗皮肤损害，以平均功率10 W以下较合适，不易引起疤痕残留。见表5。表5 引起皮肤、皮下组织变性剂量 (组织厚度4.0 mm)
Tab.5 Laser doses causing dermal and subcutaneous
, 百拇医药 degeneration (skin thickness 4.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
病理见变化时间
Microscopic degeneration
(s)
, 百拇医药
10
0.5
20
0.5
1.0
10
0.5
20
1.0
20
0.5
2.0
10
, http://www.100md.com 0.5
40
1.0
40
0.5
2.0
20
0.5
对组织厚度3 mm的支气管，Ho∶YAG激光支气管镜下治疗，以平均功率5 W、每光斑照射2 s或2 s以下较安全。见表6。表6 支气管纤维膜肉眼见白凝及病理见变性
时间(组织厚度3.0 mm)
Tab.6 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
, 百拇医药
degeneration of fibrous membrane of the bronchus
serosa (bronchus thickness 3.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见对侧
, 百拇医药
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见外膜
变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
5
0.5
10
4
, 百拇医药
3
1.0
5
4
2
10
0.5
20
3
1
1.0
10
1
0.5
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对组织厚度1.5 mm输卵管的Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W，每光斑照射0.5～1.0 s为安全。见表7。表7 输卵管对侧内膜见白凝及病理见凝固
时间(组织厚度1.5 mm)
Tab.7 Laser doses causing gross coagulation and microscopic
degeneration of the fallopian tube (thickness 1.5 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
, http://www.100md.com
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见
白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见内膜
变性时间
Microscopic
degeneration
, 百拇医药
(s)
5
0.5
10
2.0
2.0
1.0
5
1.0
1.0
10
0.5
20
, 百拇医药 1.0
1.0
1.0
5
0.5
0.5
对组织厚度3 mm的子宫Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W、每光斑照射2 s为安全；平均功率10 W时，以每光斑照射2 s以下较为安全。见表8。表8 子宫对侧浆膜见白凝及病理见内膜凝固
时间(组织厚度3.0 mm)
Tab.8 Laser doses causing gross serosal coagulation and
microscopic serose degeneration of the uterus (thickness 3.0 mm) 平均功率
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Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
肉眼见白凝时间
Gross
coagulation
(s)
病理见内膜
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变性时间
Microscopic
degeneration
(s)
5
0.5
10
-
2.0
1.0
5
-
2.0
, 百拇医药
10
0.5
20
2.0
2.0
1.0
10
1.0
1.0
对组织厚度5 mm的卵巢皮质Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W，每光斑照射1 s以下较为安全，髓质治疗以平均功率5 W，每光斑照射以1～2 s较安全。见表9。表9 病理见卵巢皮质髓质变性时间(组织厚度5.0 mm)
Tab.9 Laser doses causing degeneration of cortex
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and medulla of the ovary (thickness 5.0 mm) 平均功率
Power
(W)
能量
Energy
(J)
频率
Freqrency
(Hz)
病理见变性时间
Microscopic degeneration(s)
, 百拇医药
皮质
Corlex
髓质
Medulla
5
0.5
10
2.0
-
1.0
5
1.0
2.0
, 百拇医药
10
0.5
20
1.0
1.0
1.0
10
1.0
1.0
四、脉冲式Ho∶YAG激光对组织热凝固损伤作用的影响因素
脉冲式Ho∶YAG激光照射组织时，大部分光能被吸收转化为热能，除引起消融作用外，还可传导到邻近组织引起热凝固变性损伤。我们发现，在平均功率为10 W时，H组的热凝固损伤范围小于L组；在20 W，照射时间小于3 s时，H组的热凝固损伤范围也小于L组；当照射时间大于3 s时，两组的热凝固损伤无显著差异。
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对于更高的平均功率(40 W、56 W)，H组与L组的热凝固损伤范围无显著差异。在10 W照射0.5～6.0 s和20 W照射3 s之前，激光能量分配方式相同时，热凝固损伤的范围随着照射时间的增加而加大，呈正相关关系。当平均功率在40 W、56 W时，消融高于10 W、20 W组，而热凝固损伤范围小于10 W、20 W组 。
五、电镜下的损伤表现
热凝固损伤部位，通过透射电镜观察到上皮坏死、崩解，消融处的结构改变表现为组织的坏死脱落，残余结构凝固呈网状。在热凝固损伤作用引起明显的显微结构变化之前，其亚细胞结构已经出现了改变，我们在光镜能见到的热凝固损伤边缘切制超薄切片，可清楚地观察到上皮细胞的细胞核已出现凝固、染色质向核膜靠近，细胞质内空泡形成，线粒体出现空泡变性，粘膜下层的毛细血管内皮细胞凝固，管腔内的红细胞凝固坏死。讨 论
一、脉冲式Ho∶YAG激光的组织表面热凝固作用与平均功率、照射时间成正相关；
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二、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；
三、在相同平均功率，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，而热凝固损伤作用小于L组；
四、高功率状态(40 W、56 W)的脉冲式Ho∶YAG激光主要表现出消融作用。
五、Ho∶YAG激光有效消融切割犬食管的剂量为20 W、照射3 s以上较佳；安全的凝固剂量为10 W、每光斑照射3 s以下。
六、厚度3 mm犬膀胱，使用不同平均功率Ho∶YAG激光照射时，每光斑照射以对侧白凝及变性时间以前剂量为安全。即平均功率10 W、以小于每光斑照射5 s较安全。平均功率20 W、以每光斑照射2 s以下较安全。40～60 W要小心使用。
七、厚度3 mm犬结肠Ho∶YAG激光手术以平均功率5 W较合适，每光斑照射以3 s以下较安全。
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八、厚度6 mm犬胃Ho∶YAG激光治疗，以平均功率10 W，每光斑照射小于3 s较安全。
九、厚度4 mm犬皮肤病损Ho∶YAG激光治疗时以平均功率10 W以下较合适，不易引起瘢痕残留。
十、厚度3 mm 犬支气管，Ho∶YAG激光支气管镜下治疗以平均功率5 W，每光斑照射2 s或2 s以下较安全。
十一、厚度1.5 mm犬输卵管Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W、每光斑照射0.5～1 s较安全。
十二、厚度3 mm犬子宫Ho∶YAG激光治疗，以平均功率5 W、每光斑照射2 s较安全；10 W以2 s以下较为安全。
十三、厚度5 mm犬卵巢皮质Ho∶YAG激光治疗以平均功率5 W，每光斑照射1 s以下较为安全，髓质治疗以平均功率5 W，每光斑照射1～2 s较安全。
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作者简介：朱菁(1940- )，女，上海人，教授，学士，主要研究方向激光内镜诊断、光敏诊断及光动力治疗、皮肤疾病的激光治疗等。
参 考 文 献
[1] Hale G.M., Query M.R. Optical constants of water in the 200 nm to 200 μm wavelength region[J]. Appl Opt. 1973, 12:555-563.
[2] Domankevitz Y, Lee MS, Nishioka NS. Effects of irradiance and spot size on pulsed Holmium laser ablation of tissue[J]. Appl Opt. 1993, 32:569-573.
(收稿日期：2000-06-12), http://www.100md.com