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紅光獎專欄

深圳技術大學
入圍:黑科技技術創新獎

來源:激光制造網2021-04-09

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摻銩光纖激光泌尿系統治療儀


主要用途:

增生組織切除,泌尿系統碎石。


研發背景介紹:

泌尿系統結石是最常見的疾病之一,也是泌尿外科疾病中較復雜較難以處理的疾病。近年來泌尿系統結石發病率逐漸提高,且呈年輕化趨勢,結石的防治工作任重道遠。相比傳統的體外震波碎石、氣壓彈道碎石,鈥激光碎石具有傷口愈合快、止血效果好、手術無滲血、視野清晰、激光可用光纖傳輸、可實現微創或無創手術、安全性高等優勢。但目前普遍使用的鈥激光碎石效率較低,且激光維護成本較高。相比于波長為2120nm的鈥激光,波長為1940nm的摻銩光纖激光,其更接近于水的吸收峰,并且重復頻率可調諧范圍大、光束質量高,近年來國外研究發現,其可提升碎石的效率,有望成為下一代臨床碎石用激光光源。國內此波段激光光源技術發展滯后,商業化產品單一,在此種激光碎石方面研究處于空白。因此,基于摻銩光纖激光碎石技術已開始成為國際研究及應用的熱點。本技術基于自行開發的高功率摻銩光纖激光器,設計了可以用于泌尿系統碎石的治療儀,為高效、免維護的激光碎石提供新技術途徑。同時可運行在連續模式,可進行前列腺等增生組織的切除。



技術參數:

工作模式

連續/準連續

輸出功率

100 W(連續)/50?W(準連續)

中心波長

1940±1 nm

脈沖頻率

0-2000Hz

脈沖寬度

100μs-1ms

功率穩定性

<3%

光纖口徑

100μm,200μm,365μm,550μm

工作電壓

220V



“?!保?/strong>

本項目產品涉及到激光醫療領域,尤其是激光泌尿系統碎石及增生組織切除,目前臨床使用的均為固體摻鈥激光器,技術較為成熟,但其碎石效率較低、光斑大導致耦合光纖芯徑大、后期維護成本高且具有一定的術后并發癥,比如輸尿管狹窄、粘連等。相比于波長為2120nm的鈥激光,波長為1940nm的摻銩光纖激光更接近于水的吸收峰,并且脈寬、重復頻率可調諧范圍大、光束質量高,近年來國外研究發現,其可提升碎石的效率,有望成為下一代臨床碎石用激光光源。


但目前用于碎石研究的摻銩激光主要集中在低重復頻率、大脈沖寬度范圍。國內此波段激光光源技術發展相對滯后,商業化產品單一,僅有連續和低功率脈沖摻銩光纖激光器產品推出,在摻銩光纖激光碎石方面的研究及應用仍處于空白。本項目結合課題組在摻銩光纖激光器方面的研究基礎,采用了脈寬、重復頻率大范圍可調摻銩光纖激光器,對碎石機制及熱效應進行了分析,優化了摻銩光纖激光碎石方案,旨在解決激光碎石用激光光源及安全、高效碎石的關鍵技術瓶頸。


本項目通過開發新型激光光源,進行碎石機理研究,促進安全、高效激光碎石技術的發展,促使基礎研究成果早日應用,對推動我國激光碎石手術的普及以及中紅外光纖激光器的發展,均具有一定的基礎研究意義和潛在應用價值。



“精”:

本項目前期已經投入研發經費約150萬元,解決了大功率793nm泵浦半導體激光器同步高速調制問題、摻銩光纖的低損耗熔接問題以及輸出激光與小芯徑醫用光纖的低損耗空間耦合問題。同時已經進行了初步的體外碎石實驗,搭建了兩套摻銩光纖激光泌尿系統治療儀樣機。


本項目團隊長期從事高功率近中紅外光纖激光器及激光應用方面的研究,密切關注本領域的研究發展動態,項目團隊已經實現百瓦量級連續、納秒及皮秒摻銩光纖激光輸出,300W皮秒近紅外固體激光輸出,100W皮秒紫外激光輸出。項目團隊共12人,其中教授3人、高級工程師1人、專職研究員2人、助理教授2人、中級工程師1人、實驗員1人、博士后1人、實驗室秘書1人,具有博士學位10人,碩士學位2人。團隊成員涉及光學工程專業、機械設計專業、電路與控制、多物理場有限元仿真、泌尿外科碎石專家等。本項目組合作團隊,深圳市人民醫院泌尿外科,結合深圳地域結石病的高發和多發,重點發展了泌尿系結石該亞???,治療手段和方法的進展迅速,目前經皮腎鏡取石術、輸尿管鏡手術是臨床常規手術,年經皮腎鏡和輸尿管鏡手術例數均超過300例,針對不同的結石采用彈道碎石、鈥激光碎石、超聲碎石等多種治療方法,手術水平、臨床治療效果均處于國內領先地位。為本項目碎石實驗研究提供了豐富的經驗指導。


本項目依托項目組所在的深圳技術大學“先進光學精密制造技術廣東普通高校重點實驗室”和深圳市人民醫院泌尿外科?!跋冗M光學精密制造技術廣東普通高校重點實驗室”擁有項目所需的光譜儀、功率計、光束質量分析儀、光纖熔接機、光纖涂覆機、頻譜儀、示波器、高速相機、高分辨率顯微鏡、紅外溫度探測器、光纖研磨機等摻銩光纖激光器制作及測試設備;項目組與原屬單位深圳大學“深圳市激光工程重點實驗室”仍保持著親密的合作關系,在資源方面實施共享,其擁有的掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀等,可為破碎結石微觀形貌、成分分析等提供必要的支持;深圳市人民醫院泌尿外科是深圳市優勢醫學重點學科(群),擁有輸尿管硬鏡和輸尿管軟鏡、多尼爾小王子碎石機、鈥激光碎石機、氣壓彈道碎石機、OEC Uroview 2800X線成像系統等泌尿系統結石治療設備,在激光碎石方面的手術水平及臨床治療效果處于國內領先地位,可與本項目脈沖摻銩光纖激光進行對比性實驗研究,同時可為本項目提供后期的臨床實驗研究。為本項目樣機的實用化奠定了良好的基礎。



“新”:

對于摻銩光纖激光泌尿系統治療儀,目前市場上只有連續輸出的用,且只用于增生組織切除,尚無碎石用治療儀相關產品推出。結石是泌尿系統最常見的疾病之一,也是泌尿外科疾病中較復雜較難以處理的疾病之一。譬如腎結石是泌尿系統結石中最為常見的一種,未得到及時治療的腎結石會給人的腎臟功能造成一系列危害,引起尿路梗阻,給患者帶來相當程度的疼痛感,同時還會影響人機體的其他功能,諸如腎功能喪失,嚴重者可引發尿毒癥,長期得不到治療的腎結石最終可發展為腎功能衰竭,危及患者生命。此外,結石通常帶有多種病原體,其長期存在易引發腎臟感染、腎積水、腎積膿,嚴重者引發敗血病,嚴重影響人們的健康和生活質量。中國人口眾多,腎結石患者的數量龐大,由廣州醫科大學附屬第一醫院曾國華教授領銜完成的一項覆蓋全國的橫斷面流行病學研究表明:中國成人腎結石患病率為5.8%,其中男性患病率為 6.5%,女性患病率為 5.1%;并指出由于氣候原因,華南及西南地區的腎結石患病率明顯高于華北及西北地區,且華南地區患病率最高,為7.2% 。據深圳市相關醫院泌尿外科醫生介紹,在泌尿系疾病患者中,有60%是腎結石病人。發病人群一般在20-50歲之間,而且男性發病比女性高。近年來腎結石發病率逐漸提高,且呈年輕化發病趨勢。有證據表明,兒童發病率也在逐年提升。由此可見,腎結石的防治工作任重道遠。


目前激光碎石相關設備成本較高,鈥激光進口產品售價約250萬,國內普及率較低,僅有少數三甲醫院擁有此類設備,多數碎石仍采用超聲波碎石和氣壓彈道碎石,碎石不完全且容易復發。本項目研制的摻銩光纖激光治療儀,具有高峰值功率、高的調制頻率,可實現碎石的粉末化,同時可大幅度提高碎石效率,激光器采用了全光纖結構,更加穩定緊湊,降低了后期的維護成本。成熟后,預計售價可控制在100萬以內,屆時國內多數醫院可承受此價格,將具有極大的經濟和社會效益。




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