精密腦外科手術（如神經腫瘤手術）要求手術工具能夠精確切割腫瘤組織并完成止血，同時盡可能避免損傷周邊腦組織。目前的手術流程需要頻繁切換切割、凝血工具，電烙術凝血會造成毫米級的非特異性熱損傷。本文設計并搭建了一套集成雙波長光纖激光、光學相干斷層掃描（OCT）的手術平臺，在OCT引導下同步進行激光切割、激光凝血，保證切割效果的同時簡化了手術流程、減小了手術熱損傷[1]。

該平臺利用波長在1.07 m的準連續(xù)Yb光纖激光，基于血液組織的特異性吸收實現(xiàn)特異性凝血。如圖1所示，在1微米波長附近，兩種血紅蛋白（Hb和HbO）的吸收系數(shù)大于水的吸收系數(shù)，因此血液對該波長激光的吸收強于其他身體組織。工作在該波長的連續(xù)波（CW）或準連續(xù)（QCW）激光器加熱血液組織，使血細胞蛋白質變性、血管壁收縮形成血栓，實現(xiàn)特異性凝血。凝血激光穿透深度、光斑大小都應大于切割激光，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)更高的可見光波段實現(xiàn)凝血。

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

波長在1.94 m的脈沖Tm光纖激光在短時間內向組織釋放大量能量，汽化組織內的水分，形成快速膨脹的空泡，實現(xiàn)組織消融。用于組織消融的激光波長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間，熱量來不及向周邊組織擴散，脈沖激光能夠精確消融目標組織、減小附帶損傷。

一套OCT設備用于手術引導和效果評估，光源波長范圍為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，通過邁克爾遜干涉儀將反射光與參考光干涉，僅當光程差小于相干長度時產生信號，經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，最高可達微米級。根據(jù)靜止散射體和運動散射體的信號差異，OCT還能在無需造影劑的前提下實現(xiàn)血管成像（OCT Angiography, OCTA）。然而OCT毫米級的穿透深度使其只適用于成像淺表組織（如視網膜、皮膚）。

本文搭建了一套基于空間光路的手術平臺，兩臺光纖激光分別經過雙色鏡與OCT光源合束，隨后經過一套雙軸掃描振鏡，由焦距為50 mm的透鏡聚焦在組織上，實現(xiàn)掃描成像、凝血和消融（圖2 A）。在此基礎上，本文進一步將雙波長激光集成在一根生物相容性光纖內。兩束激光通過一個凹面反射鏡，耦合進同一根多模光纖（芯徑230 m）。該光纖具有生物相容性，光纖遠端固定在三軸平移臺上，在OCT視場內實現(xiàn)精密手術（圖2 B、C）。

圖2 基于空間光的手術平臺（A），多模光纖集成手術平臺（B、C）[1]

本文基于空間光手術平臺對小鼠實施了激光凝血和組織消融手術。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引導下消融組織（平均功率為15 W，脈寬為100 ns，重復頻率為50 kHz，運行5 ms），Yb激光同步觸發(fā)實現(xiàn)切割后凝血（平均功率為75 W，脈寬為100 s，重復頻率為1 kHz，運行10 ms）。手術完成后，OCT對橫截面成像以評估手術結果（圖3 C），與組織學切片（圖3 D） 顯示的結果相似。

圖3 凝血前后OCTA成像（A、B），術后OCT成像（C）和組織學切片（D）[1]

對比術后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用于手術引導與結果評估的可行性，如圖4所示。手術產生的消融坑呈圓錐形，計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100 m。

圖4 術后OCT成像（左）和HE染色組織切片（右）對比[1]

圖5 手術區(qū)域存在大血管，手術前后OCTA成像（A、B），術后OCT成像（C）[1]

嘗試在存在大血管的區(qū)域實施手術，術前、術后OCTA成像結果如圖5 A、B所示，術后OCT掃描圖像如圖5 C所示，觀察到成功凝血和圓錐形切口，實驗證明該手術平臺能夠在存在大血管的區(qū)域實施無血手術。

圖6 集成光纖平臺手術前后OCTA成像（A、B），術后OCT成像（C）[1]

最后，利用集成光纖平臺實施手術，術前、術后OCTA成像結果如圖6 A、B所示，術后OCT掃描圖像如圖6 C所示。由于光纖耦合損耗等因素，手術中光通量有所降低，仍成功實現(xiàn)無血切割，證明了該光纖平臺可應用于腦科精密手術。

本文通過雙波長方法克服止血和切割之間的相互競爭需求，使用特定激光波長快速凝血，降低熱損傷，保持無血手術視野，將雙波長激光集成到生物相容性光纖中，為精密腦外科手術提供了效率更高、損傷更低的手術工具。

參考文獻：

[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.

       原文標題 : 醫(yī)用光學技術之二 用于精密腦外科手術的光纖激光平臺