[发明专利]一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法

说明书

本发明涉及一种基于1μm飞秒激光与骨材料相互作用产生的光信号监测进行激光骨加工定位和加工的方法，通过二次谐波绿光信号实现精确定位，并根据加工过程光信号变化快速优化飞秒激光加工参数，实现一种集定位、加工和监测一体的低损伤和无碳化骨加工。本发明基于光信号监测的飞秒激光骨钻孔定位和加工的方法按以下步骤实现：一、对骨组织做清洁和冷冻处理，二、基于低功率密度飞秒激光照射产生的二次谐波绿光信号指示定位，三、调整和优化激光加工参数使光信号处于绿光信号相对降低的状态，并根据光信号变化快速调整激光加工参数，完成飞秒激光骨加工。本发明有望应用于体外人造骨和动物骨加工以及骨外科临床治疗领域。

技术领域

本发明属于激光定位和加工技术在医疗领域的应用，特别涉及一种基于光信号监测的飞秒激光骨加工定位和加工方法。有望应用于骨外科手术治疗，并为体外人造骨和动物骨加工提供一种的新的思路和技术支持。本发明在骨加工定位和骨缺损治疗领域具有较好的应用前景。

技术背景

近年来，随着社会和生活方式的发展变化以及人口老龄化逐渐突出，关节炎和骨折等骨科疾病发病率逐年增高，而骨加工是骨科治疗最常用技术手段之一。传统骨加工方式采用的是机械加工方式，骨组织由于受机械作用和加工过程积累的热效应而出现机械损伤和热损伤，不利于术后愈合，病人手术体验差。以骨钻孔为例，机械钻孔通过高速旋转的碳化物或金刚石钻头实现，除了由于挤压等造成的机械损伤外，由于短时间内钻头与骨头高速摩擦产生大量摩擦热，造成骨头及周围组织碳化等多种形式的热损伤，而且碎骨组织难以清理。

激光骨加工技术是一种新的加工技术手段，具有降低流血、避免感染、无机械损伤、降低术后疼痛和水肿等诸多优势，和现有的骨科机器人和骨加工先验模型等技术手段结合，有望进一步提升其加工效果。目前报道的用于骨加工的激光器主要为连续波或脉宽在纳秒以上的中远红外激光器，包括CO₂激光器、Er:YAG激光器和Cr:CdSe激光器等，其中心波长分别为10.6μm、2.8μm和2.25-3.08μm。其激光去除骨组织的机理是利用骨组织中的水和羟磷灰石等成分对于中远红外光的强烈吸收而产生的热机械作用，通过热机械作用实现骨组织的快速去除。由于去除过程热效应明显，需要采用惰性气体或者水冷却以避免热损伤，故而如何确定最佳的冷却工艺参数成为亟待解决的问题。更为复杂的是，骨组织具有分层结构且每层的组织、成分和结构不同，因而需要对应调整不同的加工和冷却参数以优化加工过程，但如何去精确调整仍亟需解决。同时，目前激光加工中的定位问题基本通过辅助红光定位或者CCD相机图像定位解决，如何实现精确定位而不增加操作复杂性和系统成本，同样是一个值得研究的课题。

而飞秒激光加工技术是一种低热效应和高精度的加工技术，而且对于目标物质的材料无选择性，基本可加工任何材料。通常认为飞秒激光脉冲宽度为1-1000fs，而电子-声子耦合，能量传递至晶格与晶格达到热平衡的时间尺度在几个到几十ps量级，热扩散、材料熔融的时间大致在几十到几百ps量级，材料表面烧蚀形成的时间尺度在几百ps到ns量级，因而当飞秒激光脉冲辐照在物质上时，飞秒激光能量未及扩散，辐照就结束了，故而飞秒激光被认为是一种“冷”加工技术，有利于降低骨加工的热损伤。同时，由于热影响区小，加工区域被限制在光斑尺寸范围内，并且飞秒激光与物质相互作用主要过程是多光子吸收，可进一步增强空间分辨率，故而飞秒激光有望实现亚衍射极限的空间分辨率。同时，由于飞秒激光具有极高的峰值功率，在与骨组织相互作用时可引发各类光信号产生，尤其是骨组织中的羟磷灰石具有高的二阶电极化率，在1μm飞秒激光与骨相互作用时可产生二次谐波绿光信号，在去除过程中可产生白光和骨组成元素激发光信号。

针对简化定位系统和实时精确调整激光加工参数的需求，本项目提出利用1μm飞秒激光进行天然骨组织加工，降低热损伤，并基于1μm飞秒激光与骨组织中羟磷灰石等无机物相互作用产生的二次谐波，白光和组成元素激发光信号进行精确定位和在线监测，给出一种基于同一个飞秒光源的定位、加工和监测一体化的骨加工方案。

发明内容