Nd:YAG 雷 射 特 性 及 其 在 醫 學 的 應 用 雷 射 是 60 年 代 初 出 現 的 一 種 新 型 光 源, 雷 射 以 其 高 亮 度 高 單 色 性 高 方 向 性 和 高 相 干 性, 引 起 普 遍 重 視, 並 很 快 在 工 農 業 生 產 科 學 技 術 醫 療 國 防 等 各 個 領 域 得 到 廣 泛 應 用 雷 射 醫 學 是 雷 射 技 術 與 醫 療 科 學 有 機 結 合 的 產 物, 雷 射 在 70 年 代 開 始 廣 泛 用 於 臨 床 ;90 年 代, 隨 著 新 型 雷 射 的 研 製 成 功, 雷 射 與 醫 療 生 物 組 織 科 學 緊 密 結 合, 研 究 範 圍 日 益 擴 大 Nd:YAG 雷 射 以 其 增 益 高 閾 值 低 量 子 效 率 高 熱 效 應 小 機 械 性 能 良 好 適 合 各 種 工 作 模 式 ( 連 續 脈 衝 ) 等 特 點, 在 當 今 各 種 固 體 雷 射 中 應 用 物 質 相 互 作 用 的 效 果 是 不 同 的, 不 同 波 長 的 Nd:YAG 雷 射 採 用 連 續 脈 衝 等 方 式 工 作 使 雷 射 與 不 同 部 位 的 生 物 組 織 相 互 作 用, 可 以 獲 得 良 好 的 療 效 醫 用 Nd:YAG 雷 射 在 外 科 手 術 眼 科 牙 科 口 腔 科 耳 鼻 喉 科 皮 膚 科 美 容 等 方 面 應 用 廣 泛, 特 別 是 治 療 皮 膚 色 素 性 疾 病, 有 創 傷 小 癒 合 好 無 疤 痕 等 獨 特 優 點, 本 文 主 要 介 紹 Nd:YAG 雷 射 的 特 性 以 及 在 治 療 皮 膚 疾 病 方 面 的 應 用, 使 讀 者 瞭 解 各 種 雷 射 的 性 能 及 不 同 種 類 雷 射 治 療 儀 的 治 療 效 果 一 Nd:YAG 雷 射 的 特 性 能 產 生 雷 射 的 系 統, 稱 為 雷 射 一 台 簡 單 的 雷 射 通 常 由 工 作 物 質 泵 浦 源 和 諧 振 腔 三 部 分 組 成 自 1960 年 第 一 台 雷 射 誕 生 以 來, 已 有 上 百 種 雷 射 問 世 形 形 色 色 的 雷 射 彼 此 之 間 差 異 極 大, 根 據 產 生 雷 射 的 工 作 物 質, 有 氣 體 液 體 固 體 和 半 導 體 雷 射 等 固 體 雷 射 是 以 固 態 基 質 中 摻 入 少 量 啟 動 元 素 為 工 作 物 質 的 雷 射, 工 作 物 質 的 物 理 化 學 性 能 主 要 取 決 於 基 質 材 料, 而 其 光 譜 特 性 主 要 由 發 光 粒 子 的 能 級 結 構 決 定 但 發 光 粒 子 受 基 質 材 料 的 影 響, 其 光 譜 特 性 將 有 所 變 化, 有 的 甚 至 變 化 很 大 用 作 基 質 的 主 要 有 剛 玉 石 榴 石 晶 體 及 各 種 玻 璃 等 發 光 粒 子 稱 為 啟 動 離 子, 最 常 用 的 啟 動 離 子 為 釹 鉻 等 稀 土 元 素 離 子 例 如 世 界 上 第 一 台 雷 射 所 用 工 作 物 質 為 紅 寶 石, 就 是 摻 入 極 少 量 鉻 離 子 的 剛 玉 以 摻 有 一 定 量 釹 離 子 (Nd3 + ) 的 釔 鋁 石 榴 石 ( YAG) 晶 體 為 工 作 物 質 的 雷 射, 稱 為 摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 (Nd:YAG) 雷 射 摻 釹 雷 射 是 當 前 應 用 最 廣 泛 的 固 體 器 件 之 一, 在 雷 射 加 工 醫 療 軍 事 等 領 域 應 用 廣 泛
圖 1 Nd:YAG 的 能 級 圖 Nd:YAG 雷 射 為 四 能 級 系 統, 室 溫 下 有 多 條 熒 光 譜 線, 正 常 工 作 條 件 下 ( 室 溫 ) 1064 奈 米 波 長 雷 射 振 盪 最 強, 簡 化 能 級 如 圖 1 所 示 如 果 在 諧 振 腔 中 插 入 標 準 具 或 色 散 棱 鏡, 或 以 特 殊 設 計 的 諧 振 腔 反 射 鏡 作 為 輸 出 鏡 使 用 鍍 有 高 度 選 擇 性 介 質 膜 的 反 射 鏡, 抑 制 不 需 要 的 波 長 的 雷 射 振 盪, 可 獲 得 所 需 波 長 的 雷 射 躍 遷, 如 1319 奈 米 1338 奈 米 946 奈 米 等 輸 出 波 長 為 1064 奈 米 的 Nd:YAG 雷 射, 經 過 倍 頻 ( KTP) 晶 體 後 可 產 生 波 長 為 532 奈 米 的 雷 射 輸 出 光 有 連 續 准 連 續 等 形 式 Nd:YAG 中 摻 入 Nd3 + 濃 度 應 合 理, 摻 雜 濃 度 高, 則 吸 收 率 高 反 轉 粒 子 數 高 雷 射 的 效 率 高, 但 是 摻 雜 濃 度 太 高 時, 轉 換 效 率 不 僅 不 會 增 高, 反 而 會 下 降, 甚 至 出 現 濃 度 淬 滅 現 象 Nd 原 子 濃 度 一 般 在 015%~115% 以 內, 濃 度 較 高 會 縮 短 螢 光 壽 命, 使 展 寬 線 變 寬, 在 晶 體 中 引 起 應 變, 最 終 導 致 光 學 品 質 變 差 效 率 降 低 應 用 中, 可 根 據 需 要 選 擇 合 適 的 摻 雜 濃 度, 從 而 提 高 雷 射 的 性 能, 對 於 Q 開 關 3 運 轉, 選 擇 高 濃 度 的 摻 劑 (112%), 以 產 生 高 儲 能 ; 對 於 連 續 運 轉, 通 常 選 擇 低 濃 度 的 摻 劑 (015%~018%), 以 獲 得 優 良 的 光 束 品 質 增 益 介 質 的 尺 寸 通 常 根 據 雷 射 的 增 益 選 擇, 高 增 益 的 雷 射 選 擇 大 尺 寸 的 YAG 棒, 長 度 可 達 150 毫 米, 低 增 益 的 雷 射 通 常 選 擇 短 的 雷 射 棒, 有 幾 毫 米 或 十 幾 毫 米, 太 長 的 雷 射 棒 不 僅 不 能 提 高 增 益, 反 而 會 因 為 吸 收 損 耗 等 因 素 而 降 低 效 率 Nd:YAG 雷 射 採 用 雷 射 二 極 體 (LD) 作 為 泵 浦 源, 體 積 小 重 量 輕 效 率 高 壽 命 長, 不 需 要 冷 卻 系 統, 為 雷 射 系 統 小 型 化 提 供 了 有 利 條 件 LD 泵 浦 Nd:YAG 雷 射 的 結 構 形 式 有 端 面 泵 浦 和 側 面 泵 浦 兩 種 端 面 泵 浦 方 式 靈 活 方 便, 通 過 光 纖 耦 合 的 泵 浦 光 發 散 角 小, 可 與 固 體 雷 射 的 基 模 相 匹 配 側 面 泵 浦 可 採 用 多 個 LD 陣 列, 散 熱 效 果 好, 可 提 供 較 強 的
泵 浦 光, 適 合 大 功 率 運 轉 LD 泵 浦 的 全 固 態 調 Q 雷 射 是 把 能 量 以 啟 動 離 子 的 形 式 存 儲 在 增 益 介 質 的 雷 射 高 能 級 上, 集 中 在 一 個 很 短 的 時 間 內 釋 放 出 來, 可 產 生 高 重 複 頻 率 高 峰 值 功 率 脈 寬 可 調 節 等 特 性, 在 光 學 檢 測 原 子 分 子 物 理 光 譜 學 非 線 性 光 學 雷 射 醫 療 雷 射 雷 達 和 光 電 對 抗 等 領 域 具 有 重 大 應 用 價 值 Q 開 關 雷 射 脈 衝 短 峰 值 功 率 高, 熱 效 應 小,Q 開 關 雷 射 聚 集 在 靶 點 組 織 時 會 產 生 衝 擊 波, 靶 點 組 織 受 到 機 械 性 的 微 爆 破 作 用 國 內 外 已 有 很 多 關 於 Q 開 關 Nd YAG 雷 射 在 醫 學 領 域 中 各 個 方 面 的 應 用 報 導, 如 外 科 手 術 眼 科 牙 科 口 腔 科 耳 鼻 科 皮 膚 科 等 調 Q 雷 射 的 工 作 方 式 多 種 多 樣, 分 為 主 動 式 調 Q 被 動 式 調 Q 轉 鏡 調 Q 等 主 動 式 調 Q 雷 射 主 要 有 聲 光 調 Q 電 光 調 Q, 可 飽 和 吸 收 調 Q 雷 射 是 被 動 式 調 Q 雷 射 聲 光 Q 雷 射 具 有 插 入 損 耗 小 調 製 電 壓 低 易 與 連 續 雷 射 配 合 獲 得 高 重 複 率 巨 脈 衝 穩 定 性 好 等 優 點, 但 對 高 能 量 雷 射 的 開 關 能 力 較 差, 只 能 用 於 低 增 益 的 連 續 雷 射 電 光 Q 開 關 雷 射 具 有 開 關 時 間 短 (10-9 秒 ) 輸 出 脈 寬 較 窄 (10~20 奈 米 ) 效 率 高 調 Q 時 刻 可 精 確 控 制 峰 值 功 率 高 ( 幾 十 兆 瓦 以 上 ) 等 優 點, 缺 點 是 半 波 電 壓 較 高, 需 要 幾 千 伏 的 高 壓 脈 衝 被 動 式 可 飽 和 吸 收 調 Q 雷 射 適 於 高 重 複 頻 率 高 功 率 的 雷 射, 產 生 窄 脈 寬 巨 脈 衝 的 同 時, 譜 線 變 窄, 達 到 選 擇 相 同 能 量 和 動 量 光 子 的 作 用, 但 它 是 一 種 被 動 式 Q 開 關, 不 能 人 為 控 制 調 Q 脈 衝 的 產 生 時 刻 轉 鏡 調 Q 雷 射 屬 於 慢 開 關 型, 無 插 入 損 耗 無 光 損 傷, 用 於 能 量 較 大 的 脈 衝 雷 射, 可 獲 得 峰 值 功 率 在 幾 十 兆 瓦 以 上 脈 寬 為 納 秒 級 的 巨 脈 衝, 主 要 缺 點 是 高 轉 速 下 的 機 械 磨 損 影 響 其 使 用 壽 命, 且 裝 配 工 藝 要 求 高, 目 前 已 基 本 不 用 二 Nd YAG 雷 射 在 醫 療 方 面 的 應 用 雷 射 治 療 皮 膚 色 素 疾 病 以 及 雷 射 美 容 的 理 論 依 據 是 1983 年 美 國 的 安 德 森 (Anderson RR. ) 和 帕 裡 什 (Parrish JA. ) 醫 生 提 出 的 選 擇 性 光 熱 解 理 論 選 擇 性 光 熱 解 作 用 就 是 雷 射 能 量 有 選 擇 地 被 某 些 特 定 組 織 成 分 吸 收, 熱 效 應 產 生 的 熱 量 破 壞 這 些 特 定 的 組 織 成 分 人 體 自 身 的 免 疫 和 代 謝 系 統 可 將 這 些 被 破 壞 的 組 織 碎 屑 吸 收 並 排 出 體 外, 從 而 達 到 治 療 色 素 疾 病 的 目 的 該 理 論 指 出 了 皮 膚 組 織 對 不 同 波 長 雷 射 吸 收 的 差 異, 以 及 不 同 脈 寬 的 雷 射 脈 衝 對 各 種 皮 膚 疾 病 的 影 響 該 理 論 是 雷 射 治 療 皮 膚 類 疾 病 的 基 礎, 為 雷 射 醫 學 的 發 展 指 引 了 方 向, 推 動 了 醫 用 雷 射 的 迅 速 發 展 在 隨 後 十 幾 年 裡, 醫 學 領 域 湧 現 了 大 量 不 同 波 長 的 雷 射 這 些 雷 射 在 治 療 色 素 類 疾 病 ( 如 太 田 痣 胎 記 雀 斑 黃 褐 斑 老 年 斑 ) 以 及 血 管 類 疾 病 ( 如 鮮 紅 斑 痣 血 管 瘤 毛 細 血 管 擴 張 ) 等 方 面 都 取 得 了 較 好 效 果 雷 射 利 用 選 擇 性 光 熱 解 作 用 原 理 治 療 皮 膚 疾 病, 可 對 目 標 群 組 織 產 生 局 部 的 高 度 破 壞, 而 對 周 圍 組 織 的 傷 害 很 小 為 了 達 到 選 擇 性 光 熱 解 作 用, 必 須 選 用 恰 當 的 波 長 脈 衝 寬 度 以 及 能 量 密 度, 不 同 組 織 吸 收 不 同 波 長 的 雷 射, 我 們 通 常 希 望 雷 射 光 子 能 量 的 絕 大 部 分 能 夠 被 目 標 群 組 織 吸 收, 而 被 周 圍 組 織 吸 收 的 較 少
Nd:YAG 主 要 的 三 條 熒 光 譜 線 中, 中 心 波 長 1064 奈 米 的 雷 射 最 容 易 形 成 振 盪, 譜 線 螢 光 最 強, 約 占 整 個 譜 線 能 量 的 60 %, 它 可 以 較 深 地 穿 透 皮 膚, 被 深 色 素 細 胞 高 度 吸 收, 能 更 有 效 地 清 除 較 暗 色 或 發 炎 的 組 織 根 據 選 擇 性 光 熱 解 作 用 原 理, 可 用 於 治 療 皮 膚 深 層 的 色 素 疾 病, 當 今 醫 用 Nd:YAG 雷 射 的 輸 出 波 長 多 是 1064 奈 米 面 部 色 素 性 病 變 傳 統 的 治 療 方 法 有 冷 凍 術 皮 膚 磨 削 術 化 學 剝 脫 術 及 二 氧 化 碳 雷 射 治 療 術 等, 現 在 已 逐 漸 被 全 固 態 雷 射 治 療 所 取 代 用 1064 奈 米 Nd:YAG 調 Q 雷 射 治 療 面 部 色 素 性 病 變 時, 應 根 據 病 變 的 性 質 病 灶 的 部 位 患 者 的 年 齡 及 性 別 等 因 素 合 理 判 別 治 療 參 數, 並 在 治 療 過 程 中 進 行 適 時 調 整, 找 出 具 體 的 最 佳 治 療 參 數 標 準, 病 變 組 織 選 擇 性 吸 收 雷 射 的 能 量 後 即 被 粉 碎, 並 逐 漸 被 自 身 吞 噬 細 胞 清 除, 最 終 達 到 祛 除 病 灶 且 不 留 斑 痕 的 目 的 1064 奈 米 波 長 的 雷 射 穿 透 力 深, 可 被 皮 膚 深 層 的 黑 色 素 細 胞 選 擇 吸 收, 治 療 太 田 痣 時 對 其 周 圍 組 織 熱 損 傷 小 而 Q 開 關 則 利 用 其 衝 擊 波 的 脈 衝 波 將 色 素 細 胞 擊 碎, 再 通 過 吞 噬 細 胞 將 色 素 顆 粒 吞 噬, 使 色 素 減 退 且 不 留 疤 痕, 具 有 高 選 擇 性 高 效 性 安 全 可 靠 操 作 簡 便 的 優 點 由 紋 眉 所 致 異 物 反 應 屢 見 不 鮮, 紋 眉 液 色 素 物 質 殘 留 於 局 部, 出 現 紅 腫 浸 潤 鱗 屑 瘙 癢 以 往 通 過 外 用 或 局 部 注 射 皮 質 類 固 醇 僅 能 緩 解 症 狀 不 能 清 除 病 變, 局 部 炎 症 還 會 復 發 採 用 1064 奈 米 雷 射 治 療 時, 紋 眉 液 中 色 素 顆 粒 選 擇 性 吸 收 雷 射 能 量 後 被 擊 碎, 網 狀 內 皮 系 統 會 將 其 吞 噬 排 泄, 從 而 祛 除 病 因 另 外, 由 於 該 儀 器 採 用 Q 開 關 技 術, 光 能 量 在 5~10 秒 內 釋 放 出 來, 作 用 時 間 短, 對 周 圍 組 織 熱 損 傷 小, 可 避 免 疤 痕 萎 縮 或 皮 紋 改 變 等 現 象, 且 無 色 素 減 退 或 沉 著 1064 奈 米 經 倍 頻 晶 體 產 生 532 奈 米 雷 射 輸 出, 對 褐 色 紅 色 的 皮 損 和 色 素 有 效, 皮 膚 中 的 色 素 顆 粒 吸 收 雷 射 後 破 裂, 而 細 胞 框 架 則 被 完 整 保 留, 皮 膚 能 很 快 康 復 這 一 波 長 的 雷 射 用 於 治 療 雀 斑, 副 作 用 小 操 作 方 便 無 疤 痕, 且 術 後 護 理 要 求 低 1064 奈 米 Nd YAG 雷 射 切 除 人 工 晶 體 前 膜 安 全 有 效, 患 者 沒 有 不 適 感, 不 需 要 全 身 麻 醉, 減 小 了 手 術 風 險, 已 替 代 傳 統 的 手 術 切 除 虹 膜, 成 為 青 光 眼 的 首 選 治 療 方 法 雷 射 手 術 溫 度 高, 有 很 好 的 殺 菌 作 用, 術 後 很 少 感 染 ; 雷 射 治 療 安 全, 基 本 上 沒 有 併 發 症, 手 術 時 間 短 止 血 效 果 好 傷 口 癒 合 快 ; 雷 射 光 束 能 量 高, 能 到 達 普 通 手 術 刀 無 法 進 入 的 部 位, 並 且 位 置 精 確, 可 以 做 顯 微 手 術, 減 少 了 對 病 變 以 外 組 織 的 傷 害 1064 奈 米 Nd YAG 調 Q 雷 射 還 可 用 於 治 療 喉 和 喉 咽 部 血 管 瘤 後 發 性 白 內 障 牙 周 病 等 疾 病 性 能 獨 特 的 Nd YAG 雷 射 必 將 越 來 越 廣 泛 地 用 於 醫 療 領 域 文 章 注 釋 : Q 稱 為 品 質 因 數, 它 與 諧 振 腔 的 損 耗 成 反 比, 如 果 改 變 損 耗, 就 可 以 使 Q 值 發 生 相 應 變 化, 這 種 技 術 稱 為 調 Q 技 術 在 泵 浦 開 始 時 使 諧 振 腔 高 損 耗 低 Q 值, 不 能 形 成 振 盪 ( 即 不 能 產 生 雷 射 ), 使 高 能 級 的 反 轉 粒 子 數 大 量 積 累, 到 最 大 值 時, 損 耗 突 然 減 小,Q 值 突
增, 雷 射 振 盪 建 立, 產 生 峰 值 功 率 很 高 的 巨 脈 衝 雷 射 用 不 同 的 方 法 控 制 不 同 類 型 的 損 耗, 就 形 成 不 同 的 調 Q 技 術, 由 此 可 做 成 不 同 類 型 的 Q 開 關 (end