医用光学技术之二用于精密脑外科手术的光纤激光平台

2025-05-15 15:29

精密脑外科手术（如神经肿瘤手术）要求手术工具能够精确切割肿瘤组织并完成止血，同时尽可能避免损伤周边脑组织。目前的手术流程需要频繁切换切割、凝血工具，电烙术凝血会造成毫米级的非特异性热损伤。本文设计并搭建了一套集成双波长光纤激光、光学相干断层扫描（OCT）的手术平台，在OCT引导下同步进行激光切割、激光凝血，保证切割效果的同时简化了手术流程、减小了手术热损伤[1]。

该平台利用波长在1.07 m的准连续Yb光纤激光，基于血液组织的特异性吸收实现特异性凝血。如图1所示，在1微米波长附近，两种血红蛋白（Hb和HbO）的吸收系数大于水的吸收系数，因此血液对该波长激光的吸收强于其他身体组织。工作在该波长的连续波（CW）或准连续（QCW）激光器加热血液组织，使血细胞蛋白质变性、血管壁收缩形成血栓，实现特异性凝血。凝血激光穿透深度、光斑大小都应大于切割激光，以保证凝血效果。因此本文选择吸收系数较低、穿透深度较大的近红外波段，而非吸收系数更高的可见光波段实现凝血。

图1 人体内各组分吸收系数随波长的变化[2]，血红蛋白吸收峰（红），水分子吸收峰（绿）

波长在1.94 m的脉冲Tm光纤激光在短时间内向组织释放大量能量，汽化组织内的水分，形成快速膨胀的空泡，实现组织消融。用于组织消融的激光波长一般选择在水分子的吸收峰（如1.94 m）附近。由于脉宽小于热弛豫时间，热量来不及向周边组织扩散，脉冲激光能够精确消融目标组织、减小附带损伤。

一套OCT设备用于手术引导和效果评估，光源波长范围为1310 70 nm。OCT基于低相干干涉原理，利用近红外低相干光源照射组织，通过迈克尔逊干涉仪将反射光与参考光干涉，仅当光程差小于相干长度时产生信号，经傅里叶变换生成高分辨率断层图像。OCT的轴向分辨率取决于光谱宽度，最高可达微米级。根据静止散射体和运动散射体的信号差异，OCT还能在无需造影剂的前提下实现血管成像（OCT Angiography, OCTA）。然而OCT毫米级的穿透深度使其只适用于成像浅表组织（如视网膜、皮肤）。

本文搭建了一套基于空间光路的手术平台，两台光纤激光分别经过双色镜与OCT光源合束，随后经过一套双轴扫描振镜，由焦距为50 mm的透镜聚焦在组织上，实现扫描成像、凝血和消融（图2 A）。在此基础上，本文进一步将双波长激光集成在一根生物相容性光纤内。两束激光通过一个凹面反射镜，耦合进同一根多模光纤（芯径230 m）。该光纤具有生物相容性，光纤远端固定在三轴平移台上，在OCT视场内实现精密手术（图2 B、C）。

图2 基于空间光的手术平台（A），多模光纤集成手术平台（B、C）[1]

本文基于空间光手术平台对小鼠实施了激光凝血和组织消融手术。首先利用OCTA成像观察小鼠大脑血管（图3 A），随后Yb激光照射凝血，凝血后再次成像（图3 B）。可观察到清晰的凝血边界，表明凝血成功。随后Tm激光在OCT引导下消融组织（平均功率为15 W，脉宽为100 ns，重复频率为50 kHz，运行5 ms），Yb激光同步触发实现切割后凝血（平均功率为75 W，脉宽为100 s，重复频率为1 kHz，运行10 ms）。手术完成后，OCT对横截面成像以评估手术结果（图3 C），与组织学切片（图3 D）显示的结果相似。