专利名称：激光治疗机的制作方法
技术领域：
本发明的激光治疗机，涉圾激光医疗设备，它是用普通医用光纤传输的波长为1338nm或同时产生1319nm和1338nm双波长激光的两种激光治疗机，它们具有足够高的激光输出功率或能量，可灵活、方便地用于体表和体内内窥治疗。
目前广泛应用于临床的1064nmNd:YAG激光对组织有较深的穿透能力，具有优良的组织凝固和止血效果，但切割组织的能力差。而10600nm激光在组织中的穿透深度极浅，具有良好的组织切割功能但止血效果差。我们测量了蒸馏水对不同波长辐射的吸收系数(见表1.)，发现水对1319nm和1338nm辐射的吸收波长略小于1341.4nm，约为1064nmNd:YAG激光的8.8倍和13.4倍，但较10600nmCO2激光、2800nmEr:YAG激光和2100nmHo:YAG激光小，我们已发现1341.4nm激光在临床治疗中兼具1064nmNd:AG激光良好的凝固、止血效果和10600nm激光切割、气化速度快的优点。由表1．的数据可以看出，1319nm和1338nm激光特别是1338nm激光也具有类似1341.4nm激光的功能，所以也是有临床应用价值的新波段激光治疗机。
表1．蒸馏水对近红外辐射的吸收系数
三价钕离子(Nd3+)在一些无机晶体中4F3/2-4I13/2跃迁处于1300nm波段，表2．中给出了一些钕激光晶体的基本参数，基于我们测得的YAlO3晶体中Nd3+离子的跃迁截面σ和荧光寿命τ的参数(H.Y.Shen,T.Q.Lian,R.R.Zeng,Y.P.Zhou,G.F.Yu,C.H.Huang,and Z.D.Zeng,“Measurement of the Stimulated Emmission Cross section for4F3/2-4I13/2transition of Nd3+in YAlO3Crystal”,IEEEJ.Quantum Electron.,Vol.25,No.2,144(1989))，发现尽管στ的乘积比Nd:YVO4略小，但这种晶体物化性能接近Nd:YAG，能生长出加工尺寸达φ8-10×150-200mm的大尺寸激光棒。我们已用Nd:YAlO3晶体得到了迄今1300nm波段最高输出功率的连续激光-195瓦(H.Y.Shen,Y.P.Zhon,R.R.Zeng,G.F.Yu,C.H.Huang,Z.D.Zeng,W.J.Zhang,W.X.Lin and Q.J.Ye“LaserAction of Nd:YAlO3Crystal At 1300nm”J.Appl.Phys.70(30)1880(1991))和最大输出能量的激光-5.31焦耳(H.Y.Shen,Y.P.Zhon,R.R.Zeng,G.F.Yu,C.H.Huang,Z.D.Zeng,W.J.Zhang,W.X.Lin andQ.J.Ye,Optic & Laser Technology Vol.23,No.6,366(1991))。并发明了这种晶体的激光治疗机，已获得美国发明专利，专利号5910140。申请了中国专利，专利申请号931177197。
九十年代以来，随着LD的飞速发展，Nd:YVO4晶体再次受到人们的重视，但是由于这种晶体，热导率较Nd:YAG小。作为激光治疗机应用时，必须降低热效应对激光输出功率的影响。我们在1999年3月29日向中华人民共和国国家知识产权局申报了掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)激光治疗机发明专利的申请，并于1999年3月29日受理，申请号99102626.8。
表2、一些掺钕激光晶体的基本参数
与Nd:YAlO3和Nd:YVO4比较，YAG晶体中Nd3+离子4F3/2能级R2组态到4I13/2能级X1和X3组态的激光跃迁截面较小，分别是Nd:YAlO3同一能级跃迁截面的0.418、0.409倍，和Nd:YVO4同一能级跃迁截面的0.153、0.150倍，στ的乘积也比这两种晶体小。所以1319nm和1338nmNd:YAG激光的阈值较高，激光效率较低，激光输出较小。Jack Marling,“1.05-1.44μm Tunability and performanceof the CW Nd3+:YAG Laser”,IEEEJ.Quantum Electronics,Vol.QE-14,No.1,56(1978)报道，在输入5KW时得到了37瓦1319nm激光。张秀荣，吴光照，“连续1.32μm Nd3+:YAG激光器的单模与调谐运转”，中国激光，Vol.12,No.7,440(1985)报道，在输入6.2KW时得到了30瓦1.32μm激光。我们在输入6KW时，已得到了47W1319nm激光(林文雄，周玉平，曾瑞荣，沈鸿元，“单一谱线1319nmNd:YAGTEM00模激光器的研制”，中国激光，Vol.A23,No.5,444(1996))。采用适当脉冲宽度的重复率泵浦源，增加灯发光功率中超过激光阈值部分在灯发光功率中的比例，使灯发射的平均功率中有更多的部分转换成激光的平均功率，能有效地提高激光的转换效率，从而提高激光输出的平均功率。
从表1看到水对1338nm的吸收系数是1319nm的1.53倍，更接近1341.4nm的吸收系数，其在临床中的治疗效果与1341.4nm更接近。由于1319nm和1338nm谱线的跃迁相近，只需适当增加输出镜中1319nm的透过率就能使Nd:YAG激光器工作在1338nm的单一谱线上。
另外，由于1319nm和1338nm谱线的跃迁截面相近，所以这两条谱线的阈值非常接近，按照我们建立的理论(沈鸿元，“多波长激光的振荡条件”，Chinese Physics Letter Vol.7,No.4,174(1990))，这两条谱线非常容易实现同时起振，实现同时双波长运转。由于在谐振腔中这两条谱线的波幅处在工作物质棒轴的不同部位，所以这两条谱线的双波长激光比单波长激光能更充分地利用工作物质中反转储能，从而获得较单谱线激光更大的输出功率。
基于以上考虑，本发明提出的1338nm和同时1319nm和1338nm双波长Nd:YAG等两种激光治疗机是可能的。
本发明的目的是利用目前广泛使用的Nd:YAG激光晶体，基于Nd3+离子4F3/2能级R2组态到4I13/2能级X1和X3组态跃迁的1319nm和1338nm谱线，发展1338nm和同时1319nm和1338nm双波长等两种新波长Nd:YAG激光治疗机，用于照射、凝固、止血、炭化、气化、切割等手术治疗。近期可用氪灯和氙灯泵浦，待作为泵浦的808nm激光二极管价格下降后，可用激光二极管作为泵浦。
以下以1338nm激光治疗机为例，提供实现本发明的具体方案(同时1319nm和1338nm双波长激光治疗机只需将输出镜改为对1319nm和1338nm透过率接近相等的双色介质镜代换1338nm激光器的输出镜，将反射镜换成对1319nm和1338nm同时全反射的介质镜。对ns和ps激光，只需在腔内插入调Q或锁模元件)。
1338nm和同时输出1319nm和1338nm的两种掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光治疗机，是由Nd:YAG晶体和用于泵浦所述晶体以及使所述晶体形成激活离子(Nd3+离子)粒子数反转分布的泵浦系统，以及相应的光学谐振腔组成。在泵浦激励下，聚集在Nd3+离子4F3/2亚稳能级R2组态的粒子跃迁到4I13/2能级的X1组态和X3组态产生1319和1338nm辐射，在相应的谐振腔中产生1338nm激光或同时产生1319nm和1338nm双波长激光。
上述激光处于普通医用光纤的透明波长范围内，将谐振腔输出的相应波长激光通过注入透镜(或将谐振腔输出镜与会聚透镜合二为一的能将输出激光会聚到所述医用光纤一端的谐振腔输出镜)会聚到传输1338nm和传输所述同时1319nm和1338nm双波长激光的医用光纤一端，经过光纤导光，通过与所述医用光纤另一端相连的将所述相应波长激光照射到所需治疗病灶部位的光纤笔或含有光刀头的光纤笔将激光照射到病灶，对病灶进行治疗。由于水对上述波长激光的吸收系数适中，所以在人体组织的穿透深度适中。
用与激光同光路的红色半导体激光将治疗用激光通过光纤引导到病灶，作为病灶治疗的指示光源。
上述治疗用激光的泵浦源包括能连续改变输入功率或能量的连续驱动源或脉冲宽度适当的重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯。
上述治疗用激光也可以用激光二极管及其驱动源作为泵浦源。
上述激光装置用自循环冷却冷却系统冷却。
以下结合附图对本发明作进一步说明
图1是本发明灯泵浦1338nmNd:YAG激光治疗机实例的构成图。
图2是本发明激光二极管侧面泵浦1338nmNd:YAG激光治疗机实例的构成图。
图3是本发明激光二极管端面泵浦1338nmNd:YAG激光治疗机实例构成图。
图1中(1)为Nd:YAG晶体，(2)是泵浦用氪灯或氙灯，(3)是滤去泵浦灯紫外辐射的滤光管，(4)紧包式椭圆型或圆型聚光腔，腔内充满介质冷却液，冷却工作物质和泵浦灯，(5)是对激光波长全反射的介质镜，(6)为激光的输出镜，其特征是一平凸镜，平面端镀介质膜与全反射镜形成激光共振腔，凸面起聚焦作用，将输出激光聚焦注入光纤，(7)是自循环冷却器，(8)为电源，可以是输出电流从0连续增加到30安培的连续电源，或输出平均电流从0增加到30安培的脉冲宽度适当的重复率电流，或者输出能量可变的脉冲电源，(9)为与激光同光路指示的红色激光二极管作为指示被治疗病灶用，(10)为内径为200μm-600μm的医用光导纤维，(11)为配有合适刀头的光纤笔。
启动激光后，改变灯的工作电流或电源的储能，从光纤输出对病灶实施照射、凝固、炭化、气化和切割所需的激光功率或能量，对病灶进行治疗。
图2中(1)是Nd:YAG晶体、用多个LD(12)侧向泵浦，在与泵浦光垂直方向上用半导体致冷器致冷的热沉(图中没画出)，抽取工作物质运转过程产生的热量，(5)、(6)是与图1相似的全反射介质镜和输出介质镜，(13)是LD和指示用红色半导体激光器的驱动源，(10)、(11)是光纤和配有合适刀头的光纤笔，其作用与图1相似。
图3中(1)是与图1中相同的Nd:YAG晶体棒，棒用半导体致冷器冷却(图中没画出)，(5)是镀在Nd:YAG晶体棒端面上的介质膜，它对所述激光波长全反射，对泵浦的808nm半导体激光二极管发出的泵浦光增透，(6)为平凸输出-聚焦镜，作用与图1中的(6)相同，(15)是Raymond J.Beach在Applied Optics Vol.35,No.2,2005(1996)提出的透镜导管，它将高功率或高平均功率的连续或准连续多条LD发出的激光聚到Nd:YAG晶体棒端面附近，(16)为高功率或高平均功率准连续多条LD，(10)和(11)与图1中的(10)、(11)相同。
如上所述1319nm和1338nm同时双波长激光治疗机只需将图1、2、3中(5)全反射镜和(6)输出聚焦镜上的介质镜换上相应波长的介质镜即可。(图3中LD端面泵浦实例的全反射镜直接用镀在棒端面上的全反介质膜代替，该全反射镜介质膜对808nm泵浦光增透。)实施本发明的典型方案以灯泵浦的1338nm激光治疗机为例(其它波长如上所述只需变换谐振腔相应的介质镜即可)。接通电源(8)后，自循环冷却器(7)即将水箱中的去离子水泵入含有Nd:YAG棒(1)和泵浦用氪灯或氙灯(2)的密封聚光腔中，视需要可在自循环冷却器中通过二次冷却水(通常用自来水)或用电冰箱压缩机冷却自循环水箱中的去离子水。通过锁式开关启动电源中的时序控制电路自动完成泵浦灯的预燃，使泵浦灯工作在维持电流状态。根据医生需要将治疗机预置在所需激光功率相应的泵浦灯工作电流上，用指示用红色激光二极管(9)输出的与治疗激光同光路的红色激光将光纤笔(11)对准需治疗的病灶，踩下脚踏开关，泵浦灯(2)即工作在治疗所需的激光功率相应的电流上，此时泵浦灯发出的光在聚光腔中集中到Nd:YAG晶体上，YAG晶体中的Nd3+离子吸收泵浦光后在谐振腔(5)(6)中产生相应波长的激光，通过与输出镜一体的聚焦透镜将激光注入芯径为200-600μm的医用光纤中，由对准病灶的光纤笔(11)将激光照射在病灶上对病灶进行照射、凝固、炭化、气化或切割治疗，视需要光纤笔可配上适当的刀头以配合临床手术的需要。
权利要求
1．一种激光治疗机，包括Nd:YAG晶体；用于泵浦所述晶体以及使所述晶体形成激活离子(Nd3+离子)粒子数反转分布的泵浦系统以及光学谐振腔，其特征在于利用Nd:YAG晶体中Nd3+离子4F3/2能级的R2组态到4I13/2能级的X3组态跃迁产生的1338nm辐射，在特殊的光学谐振腔中产生1338nm振荡，并输出1338nm激光，所述波长激光处于医用光纤的透明波长范围内，上述波长激光在人体组织的穿透深度适中。
2．一种激光治疗机，包括Nd:YAG晶体；用于泵浦所述晶体以及使所述晶体形成激活离子(Nd3+离子)粒子数反转分布的泵浦系统；以及光学谐振腔，其特征在于利用Nd:YAG晶体中Nd3+离子4F3/2能级的R2组态到4I13/2能级的X1组态和X3组态跃迁产生的1319nm和1338nm辐射，在特殊的光学谐振腔中同时产生1319nm和1338nm振荡，并同时输出1319nm和1338nm双波长激光，所述双波长激光处于医用光纤的透明波长范围内，上述波长激光在人体组织的穿透深度适中。
3．如权利要求1或2所述的两种激光治疗机，其特征在于它们还包括传输1338nm或同时传输1319nm和1338nm双波长激光的医用光纤；将谐振腔输出的相应波长激光会聚到所述医用光纤一端的注入透镜，或将谐振腔输出镜与会聚透镜合二为一的能将输出激光会聚到所述医用光纤一端的谐振腔输出镜；与所述医用光纤另一端相连的将所述相应波长激光照射到所需治疗病灶部位的光纤笔或含有特殊光刀头的光纤笔。
4．如权利要求1或2所述的两种激光治疗机，其特征在于它还包括与所述治疗激光同光路指示的半导体激光器，该半导体激光器发出的红色可见激光用于被治疗病灶的指示。
5．如权利要求1或2所述的激光治疗机其特征在于泵浦系统的泵浦源包括能连续改变输入功率或能量的连续、脉冲或重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯。
6．如权利要求1或2所述的两种激光治疗机其特征在于包括调Q和锁模元件，产生ns和ps的调Q和锁模激光。
7．如权利要求5所述的两种激光治疗机其特征在于所述泵浦系统的泵浦源为激光二极管及其驱动源。
8．如权利要求1所述的两种激光治疗机其特征在于它还包括所述激光装置的冷却系统。
全文摘要
1338nm或同时1319nm和1338nm双波长Nd:YAG激光治疗机属医疗设备。它由Nd:YAG晶体、特殊光学谐振腔、泵浦光源和电源、石英光纤、光纤笔以及引导光等部分组成。所用特殊光学谐振腔能实现1338nm振荡或同时实现1319nm和1338nm双波长振荡,产生1338nm激光或1319nm和1338nm双波长激光,在临床治疗中兼具汽化、切割速度快和止血效果好等功能,是一种具有临床应用价值的新波段激光治疗机。
文档编号A61N5/067GK1314132SQ00103958
公开日2001年9月26日 申请日期2000年3月16日 优先权日2000年3月16日
发明者沈鸿元, 曾瑞荣, 黄呈辉, 林文雄, 黄文 , 黄见洪, 张戈 申请人:中国科学院福建物质结构研究所