[发明专利]一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法

说明书

一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法属于激光加工技术在医疗领域的应用，采用的合适激光脉冲串调制控制激光作用于骨组织表面的空化位置和强度，有效控制激光空化现象的发生，通过增强空泡溃灭产生的脉冲压力增强液体介质激光钻切骨的能力。此方法突破传统激光钻切中热量积累的局限性，实现骨组织的“冷切割、冷消融”，保证激光切割面区域内骨骼组织的完好和生物活性，大幅提高钻切效率并改善钻切截面的形态。

技术领域

本发明属于激光加工技术在医疗领域的应用，特别涉及一种液体介质空化增强效应辅助激光钻切骨方法。

背景技术

目前临床骨科手术中常用的电钻打孔、电锯切割等传统机械式钻切操作会由于手术工具与组织之间的物理接触而产生机械刀具和组织界面之间的摩擦导致极大的热量积累或微裂纹，极大降低组织的生物活性和愈合能力，严重时导致骨组织直接彻底坏死。钻切可控性差且刀具退化率高。激光消融效应用于骨组织的切割和磨削已多有尝试，在减少机械式刀具钻切接触式等方面体现出其独特的优点。采用激光钻切骨组织可有效减少对组织的应力损伤、减少手术器械磨损等，然而，传统的激光与骨组织直接钻切骨的作用当时由于其以热烧蚀为主要的去除机理，光能量注入而导致的热效应乃至热损伤一直阻碍着激光骨科手术的发展。激光空化效应是指激光与液体介质相互作用中产生的空泡、冲击波、射流等现象，尤其是空泡脉动和溃灭会产生的强压力冲击波，当冲击压强大于作用材料的屈服强度时，在冲击力的作用下实现材料的去除。

中国发明专利申请201910508756.X公布了一种测量激光诱导空泡溃灭冲击力的装置及方法，通过调节激光聚焦点至工件的距离(即调整激光的功率密度)，来调节空泡溃灭阶段冲击力的大小。E.D.Jansen等人(Lasers Ser Surg Med，1996，18:278-293)发现激光的脉冲宽度能够影响空泡脉动行为，然而其采用单一不变的激光参数，对液体介质进行恒幅循环加载，无法有效控制空化的脉动过程，也就无法有效调控脉动冲击波的强弱。福建师范大学张先增等人(Lasers Med Sci，2016，31:891-898)研究了液膜层厚度对空泡形态和蚀坑形貌的影响，然而其采用单一不变的激光参数，使得空泡的脉动过程无法连续循环，空泡构型保持不变，空泡效应得不到最大限度的发挥，骨组织表面蚀坑宽度0.9～1.4mm、深度仅有0.2～0.5mm，无法满足骨科钻切尺寸的实际需求。已有研究和专利大多专注于通过调节单一的工艺参数，研究激光能量和激光聚焦点对空泡演化过程的影响，但是关于脉冲串调制方法对空泡构型、空化强度的调控作用目前尚未见报道。

为了克服上述问题，本发明首次提出了引入合适激光脉冲串调制的方法控制空泡作用于骨组织表面的空化位置、空泡构型和冲击强度。利用脉冲激光工作特点，通过激光脉冲串的调制，采用不同脉冲频率和脉冲宽度的激光脉冲串的组合，实现不同模式的变幅循环加载，在钻切过程中有效控制空化脉动现象，增强空泡溃灭产生的脉冲压力和射流速度，从而提高液体介质激光钻切骨的效率和效果。

发明内容

本发明的目的所要解决的技术问题是，采用的合适激光脉冲串调制控制激光作用于骨组织表面的空化位置和强度，有效控制激光空化现象的发生，通过增强空泡溃灭产生的脉冲压力增强液体介质激光钻切骨的能力。此方法突破传统激光钻切中热量积累的局限性，实现骨组织的“冷切割、冷消融”，保证激光切割面区域内骨骼组织的完好和生物活性，大幅提高钻切效率并改善钻切截面的形态。

本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：

采用多频率/高低频组合循环激光脉冲串调制的方法增加激光液体介质空化效应的强度，产生更大的机械冲击力。

包括如下步骤：