Biomed. Opt. Express｜双波长光纤激光器实现无血脑部手术

美国加州大学尔湾分校激光医学研究所和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种用于无血脑组织切除的双波长光纤激光平台。该平台能在临床手术中快速切除脑肿瘤，实现精确的组织切除和切割。该研究目前已发表于Biomed. Opt. Express (10.1364/BOE.449312)。

神经外科手术过程中，血管损伤出血时会阻碍医生视线，影响手术操作。因此，手术中切除组织时的无血环境能够保证使手术更加精确和安全。目前，用于脑外科无血手术的一些常见工具是超声波吸引器和电烙术。但是，使用这些工具非常耗时，会延长手术时间。此外，电灼烧有可能破坏活组织从而损害神经功能。

为了避免上述问题，研究人员提出了使用光纤激光对小鼠进行无血神经外科切除术，并搭建了激光器手术平台。该平台结合了用于成像的显微分辨率光学相干断层扫描 (OCT)、用于凝血的1.07 µm 镱光纤激光器和用于实现无血切割的1.94 µm铥光纤激光器。

镱激光器的峰值功率为 3000 W，具有可调的脉冲重复频率和的脉冲持续时间（50 µs - 200 ms），用于凝固不同尺寸的血管。工作在 1.94 µm 吸水峰的铥激光以 15 W 的平均功率用于组织切除。该团队将两种光纤激光器结合入具有生物相容性二氧化硅光纤，中心波长为 1310±70 nm 的OCT 系统用于手术中的成像。

光纤激光平台：台式系统（左）结合了用于切割的铥 (Tm) 光纤激光和用于凝固的镱 (Yb) 光纤激光，并结合了 OCT 成像系统。右图显示了用于鼠脑手术的生物相容性二氧化硅光纤。

实验中，该团队使用双波长平台对放置在颅骨定位平台上的五只小鼠进行激光手术，进行了点、线和方形血管消融。整个过程涉及了手术前 OCT 成像、成像引导消融、凝血，以及手术后 OCT 成像。实验中每次手术操作前后均进行 OCT 血管造影以验证组织切除情况。

本研究的研究内容和开发的光纤激光平台的重要价值体现在：1）测定了凝固不同尺寸的血管所需的激光剂量。大口径（>250 µm）血管会由于血液流动速度快而无法被激光凝固，本研究提出了激光剂量测定法，并能够凝结直径达 1.5 毫米的血管。2）提出了一种预处理方法，能够在许多组织类型中使用穿透性更深的激光进行可重复的组织消融。 由于激光消融效果取决于组织的机械性能，因此每次切割的结果一致性较低，并有可能会导致手术失败。本研究开发的平台解决了这些问题，并能够对软骨等软组织甚至硬组织进行重复性较高的切割。

实验结果表明，组织切割效果重复性高，手术区域完全没有流血。切口的大小、形状和形态与组织切片定性相关，观察到热损伤很小。研究人员提出，这是第一次使用双波长策略实现脑组织的无血切除，即将脉冲铥光纤激光用于切除，将血管特定波长用于凝血，并将二者组合成单光束。

研究人员目前正在尝试制造一种小型可延展的无血光纤手术刀，其可以以最小的横向热扩散切除神经组织。为此，他们正在使用双波长方法来克服止血和组织切除的要求，他们的想法是将一个波长调谐到血液吸收波长，另一个波长调谐到水吸收波长，从而提高去除组织的效率。