CN105011974A - 一种用混合光束激光焊接生物组织的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用混合光束激光焊接生物组织的方法及装置。将两个或者两个以上具有不同波长的激光耦合为一束焊接光束后照射至待焊接组织表面，不同波长的激光在组织厚度方向上被选择性吸收并产生光热效应；使用调焦***调整所述焊接光束在待焊接组织表面的光斑直径；使用扫描***控制焊接光束在待焊接组织表面的移动路径和速度；使用光电探测器采集焊接区域的温度，根据所述温度调整焊接光束的移动速度。本发明可以根据生物体不同组织或同一组织不同部位的光学特性差异，匹配两种或者多种波长的激光并使之合成一束照射生物组织表面，实现组织切口全层深度的缝合焊接，还可选择不同输出模式的混合激光照射切口或创面组织，有效减小不可逆的热损伤组织面积。

Description

一种用混合光束激光焊接生物组织的方法及其装置

技术领域

本发明属于激光医学领域，具体涉及一种用混合光束激光焊接生物组织的方法及装置。

背景技术

最近几十年，科研人员在研发高效缝合材料及缝合器械方面取得了显著成果，相继开发了可降解及含抗菌剂的缝合线、可简化拆线和缩短缝合时间的机械式吻合器、组织粘合剂等。同时缝合器械已开始向微创化、自动化方向发展，但是这类器械存在一定的缺点，如价格昂贵，容易在体内残留金属钉等；组织粘合剂则在粘结强度、生物相容性、可降解性等方面还有待进一步提高。

随着激光技术的发展，其在医疗领域的应用也不断拓展。激光生物组织焊接作为一种微创手术具有手术时间短、伤口愈合快、炎症反应小、疤痕不明显等优点，是一种很具潜力的组织缝合替代技术，其一些临床应用已经得到人们的认可。利用激光作用于生物组织产生光热效应原理的生物组织吻合焊接技术具有大量临床需求，但目前激光生物组织焊接技术主要集中于单一波长的试验研究和临床应用。在单一波长激光生物组织焊接装置中，输出的大多是固定尺寸的光斑，难以满足不同大小切口或创面的照射与治愈要求。同时，生物组织的光学特性因类别和部位不同，而差异较大，如980nm激光主要被皮肤表层吸收，较少部分被深层组织吸收，而1064nm激光可深入皮肤深层组织，故单一波长激光束在实现生物组织的吻合焊接具有明显的局限性，易导致切口在深度方向上的不连续性吻合。目前也有双光束激光生物组织焊接技术，但其两束激光是分离的，具有聚焦复杂的缺点，且难以协同控制两束激光在切口或创面上的照射剂量和移动路径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用混合光束激光焊接生物组织的方法及装置，可以根据生物体不同组织或同一组织不同部位的光学特性差异，匹配两种或者多种波长的激光并使之合成一束焊接激光照射生物组织，实现生物组织切口或创面全层深度的吻合焊接目的；本发明还可选择不同输出模式的混合激光照射切口或创面组织，可有效减小不可逆 的热损伤组织面积。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用混合光束激光焊接生物组织的方法，将两个或者两个以上具有不同波长的激光耦合为一束焊接光束后照射至待焊接组织表面，不同波长的激光在组织厚度方向上被选择性吸收并产生光热效应。

进一步，使用调焦***调整所述焊接光束照射在待焊接组织表面的光斑直径。

进一步，使用扫描***控制焊接光束在待焊接组织表面的移动路径和速度。

进一步，使用光电探测器采集焊接区域的温度，根据所述温度控制焊接光束的移动速度，使焊接区域温度始终保持在合理区间内。

进一步，将指示光与所述不同波长的激光耦合为一束焊接光束，所述指示光用于指示所述焊接光束的照射位置。

进一步，根据待焊接生物组织的物理特性和光学特性，确定各激光的波长以及激光输出模式；根据待焊接组织切口或创面的大小和深度，设定各激光的功率、重复频率、脉宽以及焊接光束的移动速度等。本发明根据待焊接生物组织的光学特性，匹配可输出特定波长光束的激光器；根据待焊接生物组织的切口或创面的大小和深度，在已知生物组织比热容、密度等物理特性下，粗略估算生物组织达到60～70℃所需的总热输入量，然后调节激光器的峰值功率、脉宽和重复频率和焊接光束的移动速度，以获得所需热输入量，使待焊接组织变性和凝结以达到吻合目的。脉宽长短主要影响脉冲光束对生物组织的热作用效果，峰值功率和光斑直径一定时，不同脉宽使生物组织升温至最高温度所需时间不同。重复频率为单位时间内输出光束的脉冲次数，影响脉冲的间隔时间，若脉冲间隔较短，相邻光束脉冲对组织的热效应具有叠加贡献和相关性；若脉冲的间隔足够长，在脉冲间隔期间，考察点的温度将下降至初始温度，那么下一个光束脉冲引起的温度变化与上一个光束脉冲的作用几乎相同。在其他参数一定情况下，移动速度愈快，生物组织的吸收的热能量愈少。激光器的输出模式有连续激光和脉冲激光输出之分，比如选择脉冲激光和连续激光的混合模式，连续激光器保证光束在生物组织内提供连续热输入量，使生物组织温度提高10～20℃，减弱生物组织酶活性，固定细胞组织；脉冲激光器通过调节脉宽和重复频率可进一步精确控制光束在生物组织内的热作用，使生物组织温度升高至60～70℃，蛋白质和胶原蛋白发生变性和凝结，在脉冲间隔合理控制下，生物组织可得到短时间冷却，而不是持续升温导致组织膜穿透或汽化分解，因此脉冲激光和连续激光的混合焊接模式具有减少不可逆热损伤生物组织面积的治疗效果。

进一步，根据待焊接组织的切口或创面延展方向形成所述焊接光束的移动路径，由 扫描***按照移动路径将焊接光束作用于生物组织待焊接部位。

本发明还提供一种用混合光束激光焊接生物组织的装置，包括激光发生器***、激光合束器、激光准直器、调焦***和扫描***；所述激光发生器***包含两个或者两个以上的激光器，用于发射不同波长的激光；所述激光合束器用于将所述不同波长的激光耦合为一束焊接光束；所述调焦***用于调整所述焊接光束照射在待焊接组织表面的光斑直径；所述扫描***用于控制焊接光束在待焊接组织表面的移动路径和速度。

进一步，在所述激光发生器***中，其中一个激光器为微型激光器，用于输出指示光，指示焊接光束的照射位置。

进一步，所述装置还包括光电探测器和控制***，所述光电探测器用于采集焊接区域的温度信号，所述控制***根据所述温度信号控制焊接光束的移动速度。

激光发生器***输出若干特定波长激光束，激光合束器可使多束激光耦合于一束，然后通过调焦***与扫描***将一定尺寸光斑照射到生物组织的切口或创面，光电探测器采集切口或创面组织焊接区域的温度信号反馈于控制***，在线调节移动速度，最终达到热损伤小、吻合连续性高和恢复性快的优质焊接效果。此外，多束激光耦合于一束后，相比在空间上分别控制两束激光，更易调焦，更易操作光束在切口或创面组织上的移动路径和速度，缩短了焊接时间。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明将不同波长的光束耦合成一束激光，照射切口或创面组织时，满足生物组织不同光学特性的差异要求，可使不同波长的激光与组织的不同深度部位相互作用产生光热效应，以实现深度方向的连续吻合；

(2)本发明可选择不同激光输出模式的混合模式，脉冲激光相比连续激光具有减少不可逆热损伤生物组织面积的治疗效果；

(3)在本发明中，混合多束激光耦合于一束后，相比用多束分离的激光照射生物组织，易于保持不同波长的光束同时集中在切口或创面组织表面的同一位置上，使得混合光束移动路径的控制简单易行；

(4)本发明引入微型激光发生器发射指示光，指示光与主要激光束合成，便于寻找照射于生物组织的切口或创面的光斑起始位置，缩短焊接时间，指示红光波长λ为650nm，输出功率小于6mW，对试验或术后结果的影响可忽略不计，且焊接过程可关闭该激光器电源；

(5)聚焦***可调整混合光束的光斑直径，实现0.5～5mm内连续可调，满足不同 大小切口的焊接目的，相比两束分离的激光照射组织，减少了一个聚焦***且调节便捷；

(6)扫描***在控制***控制下可实现直线、圆、多边形等基础图形，基本满足不同形状与空间的切口或创面组织的焊接目的，并可集成到控制***中，在线快速调节光束移动速度；

(7)生物组织到达一定温度时，胶原或蛋白等结构开始变性和凝固，使两断端组织黏合连接，本发明使用光电探测器采集焊接区域的光学信号，转换成温度信号，反馈给控制***，调整驱动电路改变光束移动速度，使生物组织焊接的温度处于最佳范围，保证基本焊接温度的同时减少焊接区域高温停留时间，最终实现吻合连续性高和不可逆热损伤面积小的焊接效果。

附图说明

图1为本发明用混合光束激光焊接生物组织的装置结构示意图。

图2为本发明所述装置中的扫描***结构示意图。

图3为本发明用混合光束激光焊接生物组织的方法流程图。

图4为本发明实施例中的光束移动路径示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明用混合光束激光焊接生物组织的方法及装置的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1，本实施例混合光束激光焊接生物组织装置，主要包括激光发生器***1，输出光纤2，3×1激光合束器3，激光准直器4，调焦***5，扫描***6，光电探测器10，控制***11。

激光发生器***1搭载三台激光器，其中第一激光器1-1和第二激光器1-2输出不同波长的激光，可采用不同波长的脉冲激光器或连续激光器实现；第三激光器1-3为微型激光器用于输出红光，指示焊接光束照射在目标切口或创面的位置。激光发生器***1发射的激光通过输出光纤2送给激光合束器3。

激光合束器3用于将上述三台激光器发射的激光耦合成一束激光，在准直器4和调焦***5的共同作用下输出具有一定直径且发散角小的光束，然后该光束进入扫描*** 6。

扫描***6的结构如图2所示，主要由两个光学扫描镜、X-扫描电机、Y-扫描电机、X-驱动电路和Y-驱动电路构成，控制***11通过X-驱动电路和Y-驱动电路分别驱动X-扫描电机、Y-扫描电机，从而在X-Y平面内控制激光束的偏转，完成光束在二维平面上的移动路径，该扫描***在控制***11控制下可实现直线、圆、多边形等基础图形，满足不同形状与空间的切口或创面组织的吻合焊接目的。

控制***11用于预设光束的移动路径和速度，并控制扫描***6按照所述移动路径和速度将焊接光束7作用于生物组织8的目标切口或创面。

光电探测器10用于采集焊接过程中生物组织焊接区域的光信号并转化为温度信号，控制***11对温度信号进行分析，若焊接区域温度未达到预设值，则通过驱动电路减慢焊接光束7的移动速度，若超出预设值，则通过驱动电路加快焊接光束7的移动速度。

结合图3，结合上述装置，本发明用混合光束激光焊接生物组织的方法为：

步骤1、根据不同生物组织的物理特性和光学特性，匹配特定波长的激光发生器发射焊接光束，并选择激光器的输出模式，混合激光输出模式包括连续和脉冲混合输出模式、连续和连续混合输出模式、脉冲和脉冲混合输出模式等。生物组织不同部位的光学特性差异较大，例如，对于皮肤组织，980nm和1064nm激光分别易于被皮肤表皮层和真皮层(或深层)吸收，因此可选择980nm连续激光器和1064nm脉冲激光器，将此两种波长的激光合成一束照射组织，分别主要作用于皮肤的表皮层和真皮层(或深层)，产生光热效应使组织变性和凝结，则可实现皮肤切口全层深度的吻合焊接目的。980nm连续激光器参数主要是功率，1064nm脉冲激光器参数主要是峰值功率、脉宽和重复频率等。连续激光器保证光束在组织内提供连续热输入量，使组织温度提高10～20℃，减弱组织酶活性，固定细胞组织；脉冲激光器通过调节脉宽和重复频率可进一步精确控制光束在组织内的热作用，使组织温度升高至60～70℃，蛋白质和胶原蛋白发生变性和凝结，在脉冲间隔合理控制下，组织可得到短时间冷却，而不是持续升温导致组织膜穿透或汽化分解，因此脉冲激光和连续激光的混合焊接模式具有减少不可逆热损伤生物组织面积的治疗效果。

步骤2、根据组织的切口或创面组织的大小、深度和面积等外观表现，在已知组织的比热容、密度等物理特性下，粗略估算组织达到60～70℃所需的总热输入量，对第一激光器1-1和第二激光器1-2的参数进行预设，输出使组织变性凝结的焊接光束，并预估焊接光束的移动速度。连续激光器参数主要为功率，脉冲激光器参数主要包括峰值功 率、脉宽和重复频率等。功率对热输入发挥着最重要的影响，功率高，组织温升快；功率低，则反之。脉宽长短主要影响本脉冲光束对组织的热作用效果，峰值功率和光斑直径一定时，不同脉宽使组织升温至最高温度所需时间不同。重复频率为单位时间内输出光束的脉冲次数，影响脉冲的间隔时间，若脉冲间隔较短，相邻光束脉冲对组织的热效应具有叠加贡献和相关性；若脉冲的间隔足够长，在脉冲间隔期间，考察点的温度将下降至初始温度，那么下一个光束脉冲引起的温度变化与上一个光束脉冲的作用几乎相同。在其他参数一定情况下，移动速度愈快，生物组织的吸收的热能量愈少；移动速度愈慢，则组织高温停留时间长，产生的不可逆热损伤面积可能愈大。

步骤3、根据组织的切口或创面大小，调制聚焦***5，设定焊接光束7的光斑直径；

步骤4、放置生物组织样本于工作平台9，利用微型激光发生器1-3输出指示红光，利用控制***11寻找照射目标组织的光斑的起始位置；

步骤5、根据组织的切口或创面延展方向，在红光的引导下，控制***11使用编程软件预设焊接光束的移动路径；

步骤6、上述所有参数设置完毕后，关闭微型激光发生器1-3，打开第一激光器1-1和第二激光器1-2的电源，运行控制***11，焊接光束7开始对目标组织切口或创面8进行激光焊接；

步骤7、激光焊接过程中，光电探测器10采集焊接区域光信号，在控制***11下转换成温度信号，并判断是否达到预设值，若未达到，控制驱动电路减慢焊接光束的移动速度；超出预设值一定范围，则加快移动速度；

步骤8、焊接过程完毕，关闭***电源，移开目标组织。

上述步骤3中的激光准直器4和调焦***5，可对合束器3耦合后的光束进行整形，输出直径在0.5～5mm范围连续可调的光束，且光束的发散角尽可能小。上述步骤4中的微型激光发生器1-3输出红光波长λ为650nm，输出功率小于6mW，焊接过程对结果影响可忽略不计。上述步骤5中，扫描***6可实现光束的“点扫描”和“线扫描”两种模式，对于面积较小的创面组织，可选择“点扫描”模式；对于较长组织切口，可选择“线扫描”模式。

下面结合实验，对本发明做进一步的描述。

实验1

以带全层皮肤的新鲜离体猪肉为例，样本尺寸100×100×10mm，用手术刀制备3条 间隔20mm的50mm长切口，深度过全皮层(包括表皮和真皮，约1.5mm厚)。每条切口焊接面上，3针等距缝线以牵引切口避免张开过大影响激光焊接。

设计焊接光束的基本参数，激光发生器***中，1064nm脉冲激光器1-1峰值功率设置5W，脉宽10ms，重复频率20HZ，输出功率则为1W，980nm连续激光器1-2输出功率设置为1W。调节聚焦***5，使输出光斑直径达到2mm。

设计光束移动路径和速度，将样本组织放置于工作台9上并固定，打开微型激光发生器1-3电源，输出红光，寻找光束在切口的起始位置。运行控制***11的计算机控制软件，根据切口延展方向，编辑焊接光束的移动路径和速度，如图4，实线部分为光束在切口表面的移动路径，速度2mm/s；虚线部分为光束在组织正常部位表面的移动路径，速度30mm/s，鉴于此区域光束移动速度很快，因此对实际结果影响可以忽略。移动路径和速度设定后，关闭微型激光发生器1-3的电源，启动第一激光器1-1和第二激光器1-2，运行控制***11，焊接光束7开始对目标组织切口8进行激光焊接。

在焊接过程中，光电探测器10采集焊接区域光信号，在控制***下转换成温度信号，并判断是否达到60～70℃，若未达到，进行补偿计算，控制驱动电路减慢光束移动速度；若超出60～70℃，则加快光束移动速度，整个过程保持目标区域温度在60～70℃范围内。

焊接完毕后，关闭***所有电源，移走样本组织。

实验2

以活体大白鼠的坐骨神经为例。

设计焊接光束的基本参数，激光发生器***中，匹配波长为514.5nm的氩离子激光器1-1和波长为633nm的He-Ne激光器1-2，两台激光器均输出连续激光。氩离子激光器1-1功率设置500mW，He-Ne激光器1-2功率设置200mW。调节聚焦***5，使输出光斑直径达到1mm。

对活体大白鼠麻醉后，脱毛，常规消毒，切开皮肤和肌肉层，游离坐骨神经，在其中段整齐切断神经干，然后在手术显微镜下作神经段端对合，并用从鼠尾取得的少量血液滴于吻合端。白鼠于专用的笼架内固定，并放置在工作台9上，打开微型激光发生器1-3电源，输出红光，调整光斑位置使之准确照射在神经干上的目标点。运行控制***11的计算机控制软件，编辑焊接光束的速度为0(即点扫描)。关闭微型激光发生器1-3电源，启动第一激光器1-1和第二激光器1-2，运行控制***11，焊接光束7开始对组织切口8进行激光焊接。

在焊接过程中，光电探测器10采集焊接区域光信号，在控制***下转换成温度信号，并显示在控制***11的显示屏，人工观察显示屏，若达到60～70℃，则调制笼子或坐骨神经干的位置，使焊接光束7照射在神经干切口的下一点，最终照射4个点，每个点间隔90°。

焊接完毕后，关闭***所有电源，移走实验样本。

实验3

以普通家犬的肝脏为例。

对普通的活体家犬麻醉后剖腹，暴露肝脏，用手术刀在其表面沿直线切取1条长30mm，深5mm的切口，切口焊接面上，在中间缝合一针以牵引切口避免张开过大而影响激光焊接。

设计焊接光束的基本参数，激光发生器***中，匹配波长为1064nm的Nd:YAG脉冲激光器1-1和波长为1350nm的连续激光器1-2。激光器1-1峰值功率设置10W，脉宽20ms，重复频率20HZ，输出功率则为4W，激光器1-2输出功率设置为2W。调节聚焦***5，使输出光斑直径达到3mm。

设计光束移动路径和速度，将家犬连同肝脏组织放置于工作台9上并固定，打开微型激光发生器1-3电源，输出红光，寻找光束在切口的起始位置。运行控制***11的计算机控制软件，根据切口延展方向，编辑焊接光束的移动路径和速度，焊接光束对切口施行“点扫描”，两点之间重叠1mm，每点的照射时间为10s，光束从前一个点移动到下一个点的速度为10mm/s。移动路径和速度设定后，关闭微型激光发生器1-3的电源，启动第一激光器1-1和第二激光器1-2，运行控制***11，焊接光束7开始对目标组织切口8进行激光焊接。

在焊接过程中，光电探测器10采集焊接区域光信号，在控制***下转换成温度信号，并判断是否达到60～70℃，若未达到，进行补偿计算，控制驱动电路减慢光束移动速度；若超出60～70℃，则加快光束移动速度，整个过程保持目标区域温度在60～70℃范围内。

焊接完毕后，关闭***所有电源，移走实验样本。

Claims (10)

1.一种用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，将两个或者两个以上具有不同波长的激光耦合为一束焊接光束后照射至待焊接组织表面，不同波长的激光在组织厚度方向上被选择性吸收并产生光热效应。

2.如权利要求1所述用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，使用调焦***调整所述焊接光束照射在待焊接组织表面的光斑直径。

3.如权利要求1所述用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，使用扫描***控制所述焊接光束在待焊接组织表面的移动路径和速度。

4.如权利要求1所述用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，使用光电探测器采集焊接区域的温度，根据所述温度调整焊接光束的移动速度，使焊接区域温度始终保持在合理区间内。

5.如权利要求1、2、3或者4所述用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，将指示光与所述不同波长的激光耦合为一束焊接光束，所述指示光用于指示所述焊接光束的照射位置。

6.如权利要求5所述用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，根据待焊接生物组织的物理特性和光学特性，确定各激光的波长以及激光输出模式；根据待焊接组织切口或创面的大小和深度，设定各激光的功率、重复频率、脉宽以及焊接光束的移动速度等。

7.如权利要求5所述用混合光束激光焊接生物组织的方法，其特征在于，根据待焊接组织的切口或创面延展方向形成所述焊接光束的移动路径，由扫描***按照移动路径将焊接光束作用于生物组织待焊接部位。

8.一种用混合光束激光焊接生物组织的装置，其特征在于，包括激光发生器***、激光合束器、激光准直器、调焦***和扫描***；

所述激光发生器***包含两个或者两个以上的激光器，用于发射不同波长的激光；

所述激光合束器用于将所述不同波长的激光耦合为一束焊接光束；

所述调焦***用于调整所述焊接光束照射在待焊接组织表面的光斑直径；

所述扫描***用于控制焊接光束在待焊接组织表面的移动路径和速度。

9.如权利要求1所述装置，其特征在于，在所述激光发生器***中，其中一个激光器为微型激光器，用于输出指示光，指示焊接光束的照射位置。

10.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括光电探测器和控制***，所述光电探测器用于采集焊接区域的温度信号，所述控制***根据所述温度信号控制焊接光束的移动速度。