精密腦外科手術(shù)（如神經(jīng)腫瘤手術(shù)）要求手術(shù)工具能夠精確切割腫瘤組織并完成止血，同時(shí)盡可能避免損傷周邊腦組織。目前的手術(shù)流程需要頻繁切換切割、凝血工具，電烙術(shù)凝血會(huì)造成毫米級(jí)的非特異性熱損傷。本文設(shè)計(jì)并搭建了一套集成雙波長(zhǎng)光纖激光、光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的手術(shù)平臺(tái)，在OCT引導(dǎo)下同步進(jìn)行激光切割、激光凝血，保證切割效果的同時(shí)簡(jiǎn)化了手術(shù)流程、減小了手術(shù)熱損傷[1]。

該平臺(tái)利用波長(zhǎng)在1.07 m的準(zhǔn)連續(xù)Yb光纖激光，基于血液組織的特異性吸收實(shí)現(xiàn)特異性凝血。如圖1所示，在1微米波長(zhǎng)附近，兩種血紅蛋白（Hb和HbO）的吸收系數(shù)大于水的吸收系數(shù)，因此血液對(duì)該波長(zhǎng)激光的吸收強(qiáng)于其他身體組織。工作在該波長(zhǎng)的連續(xù)波（CW）或準(zhǔn)連續(xù)（QCW）激光器加熱血液組織，使血細(xì)胞蛋白質(zhì)變性、血管壁收縮形成血栓，實(shí)現(xiàn)特異性凝血。凝血激光穿透深度、光斑大小都應(yīng)大于切割激光，以保證凝血效果。因此本文選擇吸收系數(shù)較低、穿透深度較大的近紅外波段，而非吸收系數(shù)更高的可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)凝血。

圖1 人體內(nèi)各組分吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化[2]， 血紅蛋白吸收峰（紅），水分子吸收峰（綠）

波長(zhǎng)在1.94 m的脈沖Tm光纖激光在短時(shí)間內(nèi)向組織釋放大量能量，汽化組織內(nèi)的水分，形成快速膨脹的空泡，實(shí)現(xiàn)組織消融。用于組織消融的激光波長(zhǎng)一般選擇在水分子的吸收峰（如1.94 m）附近。由于脈寬小于熱弛豫時(shí)間，熱量來(lái)不及向周邊組織擴(kuò)散，脈沖激光能夠精確消融目標(biāo)組織、減小附帶損傷。

一套OCT設(shè)備用于手術(shù)引導(dǎo)和效果評(píng)估，光源波長(zhǎng)范圍為1310  70 nm。OCT基于低相干干涉原理，利用近紅外低相干光源照射組織，通過(guò)邁克爾遜干涉儀將反射光與參考光干涉，僅當(dāng)光程差小于相干長(zhǎng)度時(shí)產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)傅里葉變換生成高分辨率斷層圖像。OCT的軸向分辨率取決于光譜寬度，最高可達(dá)微米級(jí)。根據(jù)靜止散射體和運(yùn)動(dòng)散射體的信號(hào)差異，OCT還能在無(wú)需造影劑的前提下實(shí)現(xiàn)血管成像（OCT Angiography, OCTA）。然而OCT毫米級(jí)的穿透深度使其只適用于成像淺表組織（如視網(wǎng)膜、皮膚）。

本文搭建了一套基于空間光路的手術(shù)平臺(tái)，兩臺(tái)光纖激光分別經(jīng)過(guò)雙色鏡與OCT光源合束，隨后經(jīng)過(guò)一套雙軸掃描振鏡，由焦距為50 mm的透鏡聚焦在組織上，實(shí)現(xiàn)掃描成像、凝血和消融（圖2 A）。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步將雙波長(zhǎng)激光集成在一根生物相容性光纖內(nèi)。兩束激光通過(guò)一個(gè)凹面反射鏡，耦合進(jìn)同一根多模光纖（芯徑230 m）。該光纖具有生物相容性，光纖遠(yuǎn)端固定在三軸平移臺(tái)上，在OCT視場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)精密手術(shù)（圖2 B、C）。

圖2 基于空間光的手術(shù)平臺(tái)（A），多模光纖集成手術(shù)平臺(tái)（B、C）[1]

本文基于空間光手術(shù)平臺(tái)對(duì)小鼠實(shí)施了激光凝血和組織消融手術(shù)。首先利用OCTA成像觀察小鼠大腦血管（圖3 A），隨后Yb激光照射凝血，凝血后再次成像（圖3 B）�？捎^察到清晰的凝血邊界，表明凝血成功。隨后Tm激光在OCT引導(dǎo)下消融組織（平均功率為15 W，脈寬為100 ns，重復(fù)頻率為50 kHz，運(yùn)行5 ms），Yb激光同步觸發(fā)實(shí)現(xiàn)切割后凝血（平均功率為75 W，脈寬為100 s，重復(fù)頻率為1 kHz，運(yùn)行10 ms）。手術(shù)完成后，OCT對(duì)橫截面成像以評(píng)估手術(shù)結(jié)果（圖3 C），與組織學(xué)切片（圖3 D） 顯示的結(jié)果相似。

圖3 凝血前后OCTA成像（A、B），術(shù)后OCT成像（C）和組織學(xué)切片（D）[1]

對(duì)比術(shù)后OCT成像與HE染色組織切片，觀察到二者顯示的消融坑形狀、尺寸相似，證明了OCT用于手術(shù)引導(dǎo)與結(jié)果評(píng)估的可行性，如圖4所示。手術(shù)產(chǎn)生的消融坑呈圓錐形，計(jì)算得到的組織消融速率為5 mm/s，OCT影像顯示熱損傷范圍不超過(guò)100 m。

圖4 術(shù)后OCT成像（左）和HE染色組織切片（右）對(duì)比[1]

圖5 手術(shù)區(qū)域存在大血管，手術(shù)前后OCTA成像（A、B），術(shù)后OCT成像（C）[1]

嘗試在存在大血管的區(qū)域?qū)嵤┦中g(shù)，術(shù)前、術(shù)后OCTA成像結(jié)果如圖5 A、B所示，術(shù)后OCT掃描圖像如圖5 C所示，觀察到成功凝血和圓錐形切口，實(shí)驗(yàn)證明該手術(shù)平臺(tái)能夠在存在大血管的區(qū)域?qū)嵤�無(wú)血手術(shù)。

圖6 集成光纖平臺(tái)手術(shù)前后OCTA成像（A、B），術(shù)后OCT成像（C）[1]

最后，利用集成光纖平臺(tái)實(shí)施手術(shù)，術(shù)前、術(shù)后OCTA成像結(jié)果如圖6 A、B所示，術(shù)后OCT掃描圖像如圖6 C所示。由于光纖耦合損耗等因素，手術(shù)中光通量有所降低，仍成功實(shí)現(xiàn)無(wú)血切割，證明了該光纖平臺(tái)可應(yīng)用于腦科精密手術(shù)。

本文通過(guò)雙波長(zhǎng)方法克服止血和切割之間的相互競(jìng)爭(zhēng)需求，使用特定激光波長(zhǎng)快速凝血，降低熱損傷，保持無(wú)血手術(shù)視野，將雙波長(zhǎng)激光集成到生物相容性光纖中，為精密腦外科手術(shù)提供了效率更高、損傷更低的手術(shù)工具。

參考文獻(xiàn)：

[1] Katta N, Estrada AD, McErloy AB, Milner TE. Fiber-laser platform for precision brain surgery. Biomed Opt Express. 2022 Mar 9;13(4):1985-1994.

[2] Vogel A, Venugopalan V. Mechanisms of pulsed laser ablation of biological tissues. Chem Rev. 2003 Feb;103(2):577-644.

       原文標(biāo)題 : 醫(yī)用光學(xué)技術(shù)之二 用于精密腦外科手術(shù)的光纖激光平臺(tái)