第十八章　激光在神經外科中的應用

第一節　激光基礎知識

激光（laser）為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation首字母的縮寫，激光器發出的激光是一種特殊的、純凈的單色光，亮度高，方向性極好。

一、激光器的基本構造

激光器由幾個基本部分組成，包括工作物質、激勵源或稱泵浦源、諧振腔、控制部分和輸出激光的光學部分。

（一）工作物質

激光在工作物質中發生。激光器的種類一般按照工作物質的不同分類，如紅寶石激光器、氦氖激光器、二氧化碳激光器等。紅寶石、氦、氖、二氧化碳均是激光器使用的工作物質。這些工作物質中實現粒子數反轉的粒子能量級差不同，因此激光器發出的激光頻率不同，用途也不同。

（二）諧振腔

即使在工作物質中實現了粒子數反轉，如果沒有諧振腔，仍然不能實現光的受激放大并產生激光。諧振腔的作用是使一個恰當頻率、恰當方向的光子在工作介質中反復穿過并激發出大量相同頻率、相同方向的光子流，通過諧振腔出口射出。與此同時工作介質中自發輻射出的不同頻率、不同方向的光子則被吸收。

最早的紅寶石激光器（圖18-1-1），其諧振腔是一根紅寶石晶體棒，兩端打磨成相互平行而又同時垂直于紅寶石棒中心軸線的平面，并鍍銀形成兩塊反射鏡，其中一塊是全反射鏡，另一塊為部分反射鏡。紅寶石棒和其中的鉻離子是工作物質，可以在閃光燈的光照下形成粒子數反轉，激發態鉻離子自發躍遷到低能級時輻射出光子，方向與晶棒長軸相同的光子就會在棒兩端的反射鏡間不斷地來回反射，每經過工作物質一次就可以使許多激發態的鉻離子受激輻射出同樣的光子，從而得到雪崩式的放大，那些不是沿著軸向傳播的光子經過幾次反射便很快地被吸收或逸出腔外。當光放大超過棒中的光損耗時（如衍射、吸收、散射等損失），在紅寶石棒中就產生了光振蕩，并在部分反射鏡一端輸出激光。

諧振腔是產生激光的充分條件，諧振腔還起到“選頻”的作用，它只允許某些特定波長的光在腔內形成激光。不同種類的激光器諧振腔有所不同，但基本原理是一樣的。

（三）激勵源（泵浦源）

在諧振腔中產生光振蕩的前提條件是維持工作介質中的粒子數反轉，也就是說需要源源不斷地將回到低能級的粒子重新激勵到高能級上，這就要用外加的能源作用于工作物質。激勵源的作用就是提供能源，使盡可能多的低能級粒子吸收能量，不斷躍遷到激發態。前述第一具紅寶石激光器的激勵源是纏繞在紅寶石棒外的螺旋形氙燈，用氙燈的閃光為紅寶石中的鉻離子提供能量。各種激光器有各自的激勵方式，可以是光能，也可以是電能、化學能，甚至是核能。可以說激光器是一個能量轉換裝置，將某種形式的能量轉換成激光形式。

（四）控制部分

對激光器的激光輸出功率、輸出方式、電源和冷卻系統等進行操控。

（五）光學輸出部分

激光從諧振腔中射出后，要通過適當的光學系統將其導向目標。如二氧化碳激光器發出的紅外激光，可以通過多個鍍金反射鏡構成的同軸反射系統傳輸，由鍺透鏡聚焦后照射到靶目標。波長較短的激光可以通過光纖傳導，使用更為方便。

二、神經外科使用的醫用激光器

（一）二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是一種氣體分子激光器，可以發出波長為10 600nm的遠紅外激光，電能轉換效率高達30%，是外科最常用的激光器，以連續波方式輸出時的穩定輸出功率可以達到上百瓦。此波長的激光在水中有一個吸收峰，0.1mm的水層即可使其能量衰減60%以上。由于軟組織中的水含量一般在70%～80%，因此二氧化碳激光在組織中穿透深度很小，其熱損傷范圍不超過1mm，聚焦后的激光光斑小于1mm，可以做到精確的切割。此外足夠大的功率輸出可以快速氣化病變組織，常用來切除位于重要部位的腫瘤。

二氧化碳激光器有多種結構形式，醫用的多為縱向電激勵水冷內腔式封離型，其核心是石英玻璃制成的長管狀諧振腔，內充二氧化碳及氮、氦、氙等輔助氣體，一端裝有鍍金的凹球面全反射鏡，另一端是平面的單晶鍺半反射鏡，也是激光的輸出窗口。諧振腔的長短與輸出功率有關，越長輸出功率越大，因此醫用大功率二氧化碳激光器的體積一般較大。

至今沒有合適的光導纖維可以傳輸二氧化碳激光器發出的波長10 600nm遠紅外激光，市場上的醫用二氧化碳激光器都是用多個反射鏡組成的關節臂傳輸到手術部位或手術顯微鏡的微操縱器。目前國產的醫用二氧化碳激光器已能滿足臨床外科手術需要。

（二）摻釹釔鋁石榴石（Nd-YAG）激光器

Nd-YAG激光器也是神經外科常用的激光器，其光電轉換效率高，連續波輸出時功率可達100W，發出的紅外激光可以經普通石英光纖傳導，因此可以很方便地將激光能量導向手術部位，并可以通過內鏡進入體腔內，用于燒灼、止血或切割、氣化腫瘤。

Nd-YAG激光器是固體激光器，其諧振腔是摻釹釔鋁石榴石單晶棒，在泵浦光源照射下，釔鋁石榴石晶格上摻入的釹離子可以受激發出多種波長的激光，其中1064nm的激光最易產生并經諧振腔篩選形成振蕩和激光輸出，目前也有輸出波長1320nm的Nd-YAG激光器。波長1064nm的Nd-YAG激光在組織中的穿透能力大約是二氧化碳激光的100倍，可以使數毫米厚較深層組織中的血管受熱凝固，因此在切割氣化組織的同時有很好的止血效果。但從另一方面看，其組織損傷范圍大，損傷深度不好掌握，在重要功能區的使用受到限制。波長1320nm的激光在水中的吸收特性與波長10 600nm的CO2激光類似，動物實驗和臨床使用的經驗表明，1.32μm波長Nd-YAG激光對生物組織的熱損傷范圍與CO2激光大致相同，但可以經光導纖維傳輸，因此使用較CO2激光方便。

為了克服波長1064nm的Nd-YAG激光熱凝固范圍大且不易控制的缺點，美國Surgical Laser Technologies（SLT）公司設計生產了接觸式藍寶石激光刀頭。這是在石英光纖的末端連接一個能吸收激光能量并將其轉化為熱的藍寶石刀頭，利用激光能量將寶石刀頭加熱到1000℃以上，當刀頭接觸組織時，高溫使接觸的薄層組織直接氣化，組織深部受傳導熱波及形成的熱凝固層不超過0.2mm。接觸式激光刀頭有鈍圓、圓錐形等多種形狀和大小型號，可以根據需要選用。

接觸式激光刀頭的另一優點是在水中也可以迅速加熱到足以氣化組織的溫度，因此可以和腦室鏡配合使用，在腦室內充滿腦脊液的環境里氣化切除腫瘤，或切除囊腫的囊壁。

（三）半導體激光器

半導體激光器是利用正向電壓加在半導體的P-N結上，當大量電子和空穴相結合時，剩余的能量以光子的形式發出（圖18-1-2）。當電流達到一定閾值時，散亂發出的光子可以轉為受激發射，發出的激光頻率與P-N結中能級間隙有關（圖18-1-3）。

目前鋁砷化鎵的半導體激光器已在臨床應用，該激光器的波長是805nm，可以經石英光纖傳輸。因單個晶片的激光輸出功率有限，大功率的半導體激光器采用多個晶片的矩陣，將發出的激光用光學器件會聚在一起，輸出功率已可達5瓦，已有用于腰椎間盤突出激光消融減壓手術的臨床報告。

半導體激光器能量轉換率高，體積小，堅固耐用，還可以用做其他激光器的泵浦光源。

（四）其他激光器

1.鈥（Ho-YAG）激光器

Ho-YAG激光器與Nd-YAG激光器同為固體激光器，諧振腔都使用YAG晶棒，不同的是Ho-YAG激光器在釔鋁石榴石晶體中摻入的激活物質是鈥（Homium）離子，發出的激光波長為2100nm，在水中有一個能量吸收高峰，吸收系數接近二氧化碳激光。由于生物組織均含有水分，因此Ho-YAG激光在組織中的穿透深度不超過0.4mm，并可以經石英光纖傳輸。

現有連續波輸出的Ho-YAG激光器功率太小，不能滿足外科手術需要。目前臨床使用的大功率Ho-YAG激光器都是脈沖式，脈沖寬度250～350ms，頻率一般低于20Hz，輸出功率可以達到15～25W左右。Ho-YAG激光器在氣化切除質地堅硬、有鈣化的腫瘤時效果優于Nd-YAG激光器，伴隨激光脈沖產生的沖擊波可以擊碎腫瘤，有助于提高切除效率。然而，沖擊波可能對周圍腦組織造成損傷，因此不適于切除鄰近重要結構的膠質瘤。

美國FDA已批準在牙科、眼科、普外科、關節鏡等專業領域使用Ho-YAG激光器，神經外科臨床的應用仍在探索。匈牙利人將鈥激光和釹激光組合在一臺激光器中，通過一條光纖輸出，可以方便地分別輸出波長1064nm的釹激光或2100nm的鈥激光，或同時輸出兩種波長的激光。經動物實驗和臨床使用，新型激光器兼備兩種波長的優點，在切割和止血兩方面表現良好。

2.KTP（potassium titanyl phosphate）激光器

KTP激光器與Nd-YAG激光器基本相同，其激活物質都是Nd+++，但不是摻入YAG晶棒，而是摻入化學成分為KTP的晶棒。當用波長為1064nm的Nd-YAG激光作為泵浦源照射KTP晶棒時，可以發出頻率恰為其2倍，波長532nm的綠色激光。

KTP／YAG兩種晶棒組裝在一臺激光器內，通過簡單的機械轉換，可以發出1064nm和532nm兩種波長的激光。其中1064nm的YAG激光為連續波，輸出功率可達100瓦，532nm的KTP激光為頻率高達每秒數千次的脈沖激光，實際組織效果等同于連續波照射，輸出功率10～20W。KTP激光的波長與氬離子激光波長基本相同，在組織中的穿透能力和熱效應接近二氧化碳激光，但凝血效果優于二氧化碳激光，可以用于組織的切割和氣化。

3.染料激光器

某些染料溶液中的有機染料分子，在一定條件下也可以產生能級反轉，在從高能級向低能級躍遷時發出激光。染料激光器的諧振腔是裝有染料溶液的管狀容器，染料溶液在諧振腔中高速流動，在泵浦光源的照射下發出連續波或脈沖波激光。泵浦光源通常是另一激光器（氬離子激光器，Nd-YAG／KTP激光器），也可以是高壓閃光燈。染料激光器的最大優點是波長在400～700nm可見光范圍內可調。使用氬離子激光或Nd-YAG／KTP激光器泵浦的染料激光器可以發出630nm的紅色可見激光，用于腦腫瘤的光動力治療（PDT）。

第二節　激光照射的組織效應

激光照射在組織上，一部分會被組織表面反射，離開組織。進入組織的激光會有3種不同的情況：①吸收：部分光線會被組織吸收，轉換成熱或其他能量形式；②透射：部分光線可以穿透一定厚度的組織后逸出體外；③折射：部分光線被組織中的細胞膜等各種界面改變方向，發生折射和漫射，最后可能被組織吸收，或逸出體外。

（一）激光的熱效應

神經外科常用的大功率激光器發出的能量被組織吸收后基本轉化為熱，使溫度升高。當一般軟組織的溫度升高到60℃時，組織中的蛋白質將發生凝固，超過100℃時，組織中的水會沸騰而迅速蒸發，300～400℃時組織會脫水炭化，變成黑色焦痂，如果瞬間溫度升高到1500℃，組織成分會直接氣化。神經外科在使用激光進行切割、止血、氣化切除腫瘤時，主要是通過激光的熱效應使局部組織的溫度瞬間升高，使血管收縮，血液凝固，組織氣化。

組織溫度改變的大小、范圍和速度與以下因素有關：

1.組織對激光能量的吸收

組織吸收激光能量的多少（吸收系數）和允許激光穿透的深度（透射系數）都與激光波長有關。一般來說在可見光波長范圍內，組織對光的透射和折射遠大于吸收，波長增加則穿透深度也增加。而在遠紅外波段，水對某些遠紅外波長激光能量有很強的吸收。含水量多的組織如大腦對激光的吸收特性大體與水相近，對波長10 600nm的二氧化碳激光有一個很強的吸收峰值，穿透深度僅0.2mm（入射能量衰減至1／e）。

組織中的色素（如血紅素，黑色素顆粒等）則對某些波長的激光有吸收峰值。不同的組織對激光的吸收系數有很大區別，腦灰質與白質對激光的反射、吸收和散射有顯著的差別。大腦皮層灰質微血管豐富，較少含脂質的髓鞘，光反射比白質低得多，光能的吸收明顯高于白質。

2.激光的強度

單位面積內激光輻照的功率用輻照度（irradiance，單位是W／cm2）表示。輻照度越大，組織吸收的激光能量就越多，溫度就越高。臨床使用中，聚焦光斑面積的大小會直接影響對腫瘤組織的切割氣化效果。以醫用二氧化碳激光器為例，切割氣化腦瘤時，輸出功率不變（如10瓦），光斑直徑增加1倍，面積增加4倍，激光輻照度下降到原來的1／4，組織升溫速度下降，切割氣化效果不好。但如果此時將輸出功率增加到40瓦，則可以使大光斑里的激光輻照強度恢復到小光斑的水平，使較大體積的組織同時快速升溫，氣化腫瘤的速度加快。因此在切割組織時，要盡量縮小光斑直徑，在氣化腫瘤時要盡量使用大功率激光輸出。

3.激光照射的時間

組織接受激光輻照的量除了與輻照強度有關外，還與輻照時間有關，用輻射能量密度（radiant fluence，單位是W·s／cm2）表示。同樣的激光輻照強度，照射時間增加1倍，組織接受的激光能量也增加1倍，產生的組織熱效應也相應增加。從另一角度講，短時間接受高強度輻照和較長時間內接受低強度輻照產生的組織效應是不一樣的，前者產生的熱效應在組織間來不及擴散，因此照射局部表層的瞬間溫度更高。

4.組織的熱傳導能力

一般來說，生物組織不是熱的良好導體，但組織內血液的流動可以增加熱傳導。由于組織間的熱傳導，理論上激光照射的時間越長，照射部位的血液循環越豐富，受激光熱效應影響的組織范圍越大。

5.激光器工作模式的影響

激光能量輸出方式對組織產生的熱效應可以有很大不同。脈沖式輸出的激光能量集中在一個個波峰上，組織在相對短的時間內接受較大的激光能量輻照，而在兩個波峰之間有短暫的間歇，因此和連續波激光相比，局部的溫度升高快，熱效應影響范圍則相對較小。同時，瞬間高強度激光產生的壓力效應和聲波沖擊效應相對較大。連續波激光輸出的能量是以選定的強度持續作用在組織上，照射時間的長短由操作者決定，對組織的影響由輻照強度和照射時間決定，熱效應影響的范圍與激光波長有關。

波長1064nm的Nd-YAG激光組織穿透力較強，照射時間長則熱效應影響范圍會相應增加，動物實驗發現，Nd-YAG激光光纖距兔腦皮層1mm，用40W輸出功率照射4秒鐘，腦組織氣化深度1.75mm，凝固壞死層1.38mm，血腦屏障破壞（伊文氏藍染色）1.5mm，總的影響深度4.53mm；照射16秒，腦組織氣化深度4mm，凝固壞死層3mm，伊文氏藍染色3.5mm，總的影響深度10.5mm。

波長為10 600nm的二氧化碳激光在組織中的穿透力弱，激光能量在不到0.2mm厚的組織層內迅速衰減，轉化為熱，當足夠輻照強度的激光連續照射時，表層組織迅速氣化，而在組織中遺留的熱凝固層則始終不超過1mm，因此更適用于在重要功能部位的精確氣化切割。

（二）壓力效應

一般光線照射產生的壓力很小，可以忽略不計，但脈沖激光器可以在極短暫的時間內發出極高亮度的激光，如果是聚焦在很小的面積上，即瞬間的輻照能量密度極大，可以產生很高的光壓。據測用釹激光250～950J聚焦脈沖照射大鼠移植腫瘤，產生的輻射壓強可以高達21～56kg／cm2。

除激光直接產生的光壓外，激光能量被組織吸收后局部產生高溫，組織高速氣化，其熱膨脹和氣流的沖擊會產生很大的壓力和聲波沖擊。作者在動物實驗中曾用每個脈沖2J能量的Ho-YAG激光照射家兔的腦皮層，在顯微鏡下可以清楚看到照射部位腦組織的震動以及四面飛濺的腦組織碎屑，局部形成直徑1mm（光斑直徑）炸彈坑樣的缺損，并伴隨著清晰的爆鳴聲。這種高度集中的激光脈沖能量產生的高溫、高壓和沖擊波可能有助于切割質地較硬的腫瘤或組織，但對腦組織會產生超出熱效應范圍之外的損傷。用于切除腫瘤時，飛濺的腫瘤碎屑可能仍有活力并形成種植性轉移。

（三）光化學效應

特定波長的激光照射，可以影響組織細胞中的生物化學反應。許多生物大分子（蛋白質、氨基酸、DNA、RNA等）的最大吸收波長是在300nm波長以下的紫外波段，在光能的作用下，可以導致一些穩定的分子激活，發生分解、聚合、或改變分子的結構。

血卟啉衍生物（hematoporphyrin derivative，HPD）在630nm波長的激光照射下，可以將吸收的光能傳遞給附近的氧分子，產生具有生物毒性的活性氧離子，導致組織壞死，被稱為光致敏劑。臨床上給腦腫瘤患者注射HPD后，腫瘤細胞攝入HDP，在激光照射下引發光化學反應，可以使腫瘤壞死，又稱為光動力治療（photo dynamic therapy，PDT）。

（四）生物刺激作用

動物實驗和臨床應用均有證據表明，小功率的激光照射（常用毫瓦級的He-Ne激光）對生物組織有一定的刺激作用，可以有止痛、增強機體免疫能力、促進組織愈合等效應。激光生物刺激作用機制有許多假說，至今有爭論，但在許多醫院仍廣泛應用于慢性疼痛等疾病的治療上。

（五）電磁場效應

激光是電磁波，高強度激光也可以產生高強度的電磁場變化，作用在生物組織上可以導致諧波產生、自由基形成、布里淵散射、喇曼散射、電致伸縮等效應。這些電磁場效應可以對組織細胞產生損害，但通常是瞬間高能量密度的強脈沖激光照射才能達到足夠的強度。與臨床外科使用激光做切割氣化等操作時的熱效應相比，電磁場效應對周圍組織附加的損害可以忽略不計。

（六）激光照射對腦組織的影響

聚焦的高強度激光照射腦組織，被照射部位的典型改變呈火山口樣病灶，表層部分腦組織瞬間氣化消失，形成中央凹陷的組織缺損，其下的病灶由淺入深形成以下數層：①依激光波長和能量密度不同，照射區域的組織表面可形成一層或薄或厚的炭化層。二氧化碳激光組織穿透淺，焦點能量密度高時，此層可以缺如，而散焦低能量密度照射時更容易形成炭化層。②在炭化層之下是熱凝固層。二氧化碳激光照射形成的熱凝固層厚度在0.25～1.0mm左右，Nd-YAG激光照射的熱凝固層可以達數毫米厚。在病理切片中可見熱凝固層內細胞組織結構消失，呈均勻一致的凝固性壞死。③熱凝固層之下是腦水腫層，用臺盼藍或伊文蘭灌注染色時可見此層有蘭染，證明有血腦屏障的破壞。層內可見毛細血管部分閉塞、擴張或破裂，有散在的小出血灶。此層的厚度約為1～2mm，逐漸過渡到正常腦組織。

第三節　激光在神經外科臨床的應用

一、切除神經系統腫瘤

1.腦膠質瘤手術

大功率醫用激光器出現后，很快就在神經外科的手術中得到應用。歐美一些國家60年代就已開始嘗試用激光切除腦腫瘤，國內陳公白1983年報告了20例腦膠質瘤，用二氧化碳激光輔助手術，認為富于血管的腫瘤不能直接用二氧化碳激光氣化。須阻斷供血，常規切除大部分腫瘤后再用二氧化碳激光氣化殘留部分。

經過20余年臨床實踐，在常規的腦膠質瘤切除術中，使用顯微外科器械、雙極電凝器和吸引器的傳統手術技術已很成熟，用激光輔助膠質瘤切除手術并未顯示出不可或缺的優越性。二氧化碳激光刀有較好的精確度，熱損傷范圍容易控制，但止血效果較差；Nd-YAG激光則相反，止血效果較好，但熱損傷范圍大，且不易控制。激光氣化切除腫瘤的速度也不能令人滿意，因為每克組織氣化都要消耗大量能量，現有大功率激光刀也不能在短時間內將大量瘤組織氣化，對于體積大的膠質瘤，通常需要先用常規方法切除大部腫瘤，再用激光清掃切除殘余腫瘤。由于動物實驗和臨床均未見激光切除膠質瘤能延長患者的生存期，因此在多數醫院中激光刀已淡出膠質瘤切除手術。

對于位置深在，體積不大的膠質瘤，可以通過立體定向技術導入專門的牽開器和內鏡，并用激光氣化切除腫瘤。此時激光氣化在狹小的手術操作空間可以顯示出獨具的優點。Kelly在20世紀80年代開始在CT定位下，用立體定向頭架準確地將特制的管狀牽開器插到深部腫瘤部位，在手術顯微鏡下用微操縱器控制二氧化碳激光，氣化切除腫瘤，并取得很好的效果。此后其他作者也有成功報告。

2.顱底腦膜瘤

顱底腦膜瘤不易顯露，常侵蝕顱骨，與重要血管神經相鄰，部分患者的腫瘤質地較硬，或血運豐富，手術切除困難。在常規顯微手術基礎上使用激光氣化，可以切除粘連在重要結構上難以切除的部分。

多數顱底腦膜瘤發現時體積已很大，直接用激光氣化腫瘤費時費力，故常用顯微手術方法截斷腫瘤血液供應，切除大部腫瘤后，再用連接在手術顯微鏡上的二氧化碳激光器，仔細地氣化殘余的腫瘤和照射燒灼腫瘤附著的顱骨、無法切除的硬腦膜靜脈竇壁等。激光功率可以調節到10瓦左右，采用連續波輸出方式，光斑直徑在1～2mm左右，燒灼腫瘤附著點時可以用較大光斑和大輸出功率。照射時要使激光光斑以適宜的速度在腫瘤或要燒灼的組織上緩緩移動，同時在顯微鏡下密切觀察氣化切除的深度，照射時間用腳閘直接控制，要避免讓激光光斑長時間停留在一個部位，使氣化燒灼過深，損傷重要血管神經。

使用Nd-YAG激光和美國SLT（surgical laser technologies）生產的接觸式激光刀頭，像手術刀一樣操作，用高溫刀頭接觸氣化腫瘤，可以精確地切除粘連在重要血管神經上的腫瘤，比非接觸式的二氧化碳激光更容易控制切除范圍，特別適用于切除包繞在頸內動脈和視神經周圍的蝶骨嵴內側和鞍區的腦膜瘤。

3.聽神經瘤

激光也可以用于聽神經瘤切除手術。在常規顯微外科手術顯露腫瘤后，可以用激光氣化切除腫瘤。附著在腫瘤包膜上的面神經在用常規器械剝離切除腫瘤時很容易受到牽拉損傷。在顯微鏡下用較小功率的二氧化碳激光或Nd-YAG接觸式激光氣化粘連的腫瘤包膜，可以不牽拉面神經，這是其他方法難以做到的。內聽道內的腫瘤也可以用激光氣化切除，此時要特別注意保護位于深部的面神經。接觸式激光刀可以精確控制氣化范圍，更適用于切除粘連在面神經上的腫瘤，但要隨時用鹽水沖洗降溫，避免對面神經的熱損傷。

也有一些神經外科醫師不主張用激光氣化粘連在面神經上的腫瘤，認為灼傷面神經的風險太大，不如常規手術方法快捷安全。目前仍然使用激光切除聽神經瘤的醫師不多。

4.腦室內腫瘤

以往治療腦室內腫瘤，需要經腦皮層造瘺進入腦室手術切除，對正常腦組織的損傷較大。近年來經腦室鏡切除腦室內腫瘤已成為主流，激光則成為不可或缺的有力武器。

腦室鏡下的腦室內手術，小的出血就可以使腦脊液渾濁不清，嚴重影響能見度，甚至使手術無法進行。使用接觸式激光刀頭切除腦室內腫瘤，在氣化腫瘤的同時可以有很好的止血效果。小而尖的寶石刀頭可以用來切割和游離腫瘤，鈍圓的刀頭可以氣化腫瘤的包膜。體積較小且游離在腦室內的脈絡叢乳頭狀瘤、第三腦室膠樣囊腫等病變最適合激光手術切除。

5.腦干及脊髓腫瘤切除

常規顯微手術切除腦干及脊髓內腫瘤，器械對腫瘤周圍的傳導束可以造成牽拉或擠壓損傷。用二氧化碳激光氣化腫瘤沒有直接接觸，其熱傳導損傷非常局限，很適合切除腦干和脊髓內腫瘤。Nd-YAG接觸式激光的寶石刀頭由于溫度極高，接觸的瘤組織即刻氣化，不會對周圍組織形成擠壓，其熱傳導損傷深度不超過0.2～0.3mm，較手術刀片或雙極電凝損傷的范圍還小，也是切除腦干和脊髓腫瘤的有力武器。1986年Tobler用CO2激光成功切除1例中腦轉移瘤，隨訪18個月未見復發。1987年楊炯達用CO2激光顯微手術氣化腦干腫瘤3例均獲得成功。90年代引入Nd-YAG接觸式激光器后，很快被用于腦干和脊髓腫瘤手術并取得很好效果。

二、經皮激光椎間盤減壓術

或稱激光髓核消融術。1986年，Peter Ascher和Daniel Choy在奧地利首次用18號穿刺針經皮穿刺椎間盤，導入直徑0.4mm光纖，使用波長1064nm的Nd-YAG激光燒灼氣化椎間盤。1987年Choy報告用PLDD方法治療腰椎間盤脫出12例，9例癥狀改善，其中4例隨訪7～16個月無癥狀，5例疼痛復發并接受了開放手術治療。到1992年，他們做了333例，最長隨訪62個月，261例（78.4%）有效，160例疼痛術中即刻緩解。Choy等經動物實驗證實，用激光氣化部分髓核就可以使椎間隙內的壓力顯著下降，由2000mmHg下降到1000mmHg，被膨出椎間盤壓迫的神經根受到的壓力也得以減輕，因此患者疼痛癥狀常可即刻緩解。

1992年，美國佛羅里達的Davis報告用波長532nm的KTP激光行PLDD，40例患者中34例有效，無效的6例中2例又行開放手術治療。與此同時Quigley等人嘗試用Ho-YAG激光行類似手術，并認為Ho-YAG激光優于Nd-YAG激光。1995年Casper等報告用側向照射的Ho-YAG激光燒灼椎間盤，成功率達到84%。近年來半導體激光器也被用于PLDD。國內齊強等于1994年首先報告10例腰4～5椎間盤突出PLDD治療結果，10年來已有很多醫院引進此項技術，文獻報告的病例數已超過千人，術后1年的有效率約為75%～87%。

動物實驗表明，髓核經激光燒灼后脫水炭化，部分氣化形成空洞，周圍組織可有水腫。此后有炎性細胞浸潤，肉芽組織增生填充空腔。8～12周后，椎間空腔內的纖維結締組織逐漸被軟骨組織取代。

PLDD的適應證為椎間盤膨出，有神經根壓迫癥狀并經保守治療無效的年輕人，膨出的椎間盤一般不超過椎體直徑的1／3。主要用于腰椎間盤膨出，近來也有報告用于頸椎間盤膨出導致的神經根性疼痛和頸性眩暈。

巨大椎間盤突出，纖維環已破裂、髓核脫入椎管的患者，骨性椎管狹窄的患者不適合行PLDD，還是以開放手術為宜。50歲以上的患者因髓核脫水失去彈性，PLDD的治療效果明顯下降。

可用于PLDD的激光器種類有Nd-YAG、Ho-YAG、KTP、半導體激光器等。其中半導體激光器體積小，能量轉換效率高，使用方便，有逐漸取代Nd-YAG激光器的趨勢。

經皮穿刺在X線監視下或CT導引下進行，局部麻醉，穿刺針頭自椎旁成45°角穿入兩椎體間中心略偏后的位置，準確進入椎間盤中心的髓核內。確定穿刺針頭端位置后，導入激光光導纖維。激光輸出功率10～20W，連續或脈沖方式照射，每次照射1～2秒，間歇數秒。術中要反復訊問患者感覺，如有明顯的灼熱、脹痛，應暫停照射。每照射200～300J后應暫停幾分鐘，調整光纖頭端位置，吸出椎間隙內的氣、液。總的照射能量視椎間盤大小和患者的反應而不同，治療腰椎間盤膨出需要的總激光輻照量為1000J左右，頸椎間盤膨出600J左右。癥狀如已明顯緩解，即可停止治療。也有人在照射完畢后經穿刺針注入局麻藥，激素及抗生素等藥物。術后臥床休息數小時后即可下地活動。

PLDD相當安全，創傷小，并發癥少。個別患者可以發生穿刺損傷、神經根灼傷、側隱窩狹窄、局部感染等并發癥，大宗病例報告并發癥的發生率低于1%。嚴格掌握適應證可以提高患者的滿意率，但仍有約10%的患者PLDD治療無效，需要開放手術。

三、光動力學治療腦膠質瘤

光動力學治療（photo dynamic therapy，PDT）是利用激光的光化學作用治療惡性腫瘤，其基本原理已如上述，早在1972即已開始臨床使用，并在某些腫瘤治療領域（如肺癌、食道癌等）獲得較好的效果，但在神經外科仍處于實驗和試用階段，主要用于惡性腦膠質瘤、轉移瘤等惡性腫瘤手術切除后的輔助治療。

目前神經外科用于PDT的光敏劑仍然是以血卟啉衍生物（HPD）為主。HPD不易透過正常的血腦屏障，而腫瘤通常會破壞血腦屏障，故腫瘤內的HPD濃度會高于正常腦組織。靜脈注射5mg／kg后，腫瘤內的HPD濃度在6小時后達到高峰，可以高于正常腦組織2倍，持續24小時，增加劑量不能顯著增加腫瘤內HPD濃度。HPD的吸收量在腦膠質母細胞瘤，少支膠質瘤和星形細胞瘤之間也有不同，與血腦屏障破壞程度不同有關。

HPD在腦腫瘤內選擇性濃聚的程度還是不能令人滿意，而且代謝時間長，給藥后患者需要避光30天，否則會發生皮膚過敏和色素沉著，使患者感到很不方便。多年來研究人員一直在致力于尋找新的光敏劑，以提高PDT的特異性，降低其對身體正常組織的影響。

血卟啉單甲醚是一種新型血卟啉衍生物，代謝速度快，30分鐘即可達到藥物濃度高峰，1小時左右腫瘤與正常腦組織間即可有理想的藥物濃度差，治療后僅需避光3天，國內已有成功應用報告。

5-Aminolevulinic acid（ALA）5-氨基乙酰丙酸可以選擇性誘導腫瘤細胞產生原卟啉IX（protoporphyrin IX），是目前很有希望的新型光敏劑。據上海復旦大學研究，ALA誘導大鼠C6膠質瘤細胞和接種的人膠質母細胞瘤產生原卟啉，在用藥9小時后達到飽和，腫瘤細胞內原卟啉濃度可以高于正常大鼠小腦顆粒細胞內10倍。

在激光照射下可以有效產生細胞毒作用，使腫瘤細胞凋亡。

用于PDT的激光器有用氬激光泵浦的染料激光器，波長630nm，輸出功率500mW，功率較小，術中照射時間較長。金蒸汽激光器（波長628nm，功率400～750mW），倍頻Nd：YAG泵浦的染料激光，普通的He-Ne激光器等也可用于PDT。近年來特制的半導體激光器也開始用于PDT。

腦惡性膠質瘤的PDT治療步驟如下：

術前需先行HPD過敏試驗，在前臂皮膚劃痕處滴0.1ml HPD，觀察30分鐘，無過敏現象者方可行PDT治療。

如果是使用HPD作為光敏劑，通常在手術前一天靜脈注射或滴注HPD 5mg／kg，同時開始避光4周，室內僅用小功率電燈照明，6～8周內仍要避免陽光直射皮膚，否則會導致色素沉著。如果使用血卟啉單甲醚，則可以在手術切除腫瘤前2～3小時靜脈注射，劑量同HPD，手術后避光3天。

手術應盡可能完全切除腫瘤，瘤床徹底止血，清洗干凈，大致估計瘤床面積，計算照射劑量。一般使用光導纖維散焦直接照射，劑量約為100～300J／cm2，測定激光末端輸出功率以計算照射時間。過去認為，照射劑量小則不足以殺滅殘留的腫瘤細胞，但近年來有體外實驗顯示，低光照量（25mW／cm2）可以誘發膠質瘤細胞的凋亡，且與放射治療有協同作用，高光照量反而不出現凋亡現象。

在照射過程中可用生理鹽水沖洗降溫，避免熱損傷。照射完畢后常規關顱，術后應給予甘露醇減輕反應性水腫，并繼續避光。

1990年朱樹干用PDT輔助手術治療腦腫瘤30例，與對照組相比，存活時間顯著延長。2001年胡韶山報告30例用血卟啉單甲醚作光敏劑的PDT輔助手術治療腦膠質瘤，12例惡性膠質瘤1年生存率75%。目前PDT僅在少數醫院使用，國內報告的病例數不多，缺乏嚴格的隨機雙盲臨床對照試驗，在光敏劑、激光器和照射劑量的選擇上也有待于進一步深入研究。

四、其他應用及未來的展望

40年來，人們不斷地探索激光在神經外科中各種應用的可能性，進行了多方面的嘗試。

利用激光的熱效應，人們曾試圖用激光融合方法來吻合微血管，利用激光使斷端血管壁中層的膠原蛋白受熱溶解而融合連接，像焊接一樣，希望能取代傳統的縫合法，簡化操作，縮短時間。1984年Jain在完成522個鼠頸動脈無縫合激光吻合（通暢率90%）的基礎上，首先對5例腦血管阻塞患者用Nd：YAG激光作顱外-顱內吻合術治療。隨訪6～9個月，全部造影證明通暢；無動脈瘤形成。作者1986年用二氧化碳激光行兔隱動脈自體移植血管吻合，共80個端端吻合口，比較了傳統間斷縫合、固定線加激光、單純激光三種吻合法，通暢率分別為93%、93%、100%。激光吻合口能耐受25kPa動脈內壓，但仍有4例激光吻合口在4周后形成動脈瘤。其他作者的動物實驗也有動脈瘤形成的報道。雖然激光吻合血管操作容易，速度快，用時僅為間斷縫合法的1／3～1／2，可以縮短血流阻斷時間，減少腦缺血損害，且無異物殘留，通暢率達95%左右，但吻合口動脈瘤形成的可能性妨礙了臨床應用。

激光也曾被個別作者用于切除腦血管畸形，凝固顱內動脈瘤，但因出血和周圍組織損傷的危險太大而未能獲得多數人的認同。

此外，激光還曾被用于制作脊髓的脊神經后根進入區毀損灶，或行脊髓前聯合切開，治療某些頑固性疼痛。接觸式激光刀也被用于癲癇外科治療，切除癲癇病灶或行胼胝體切開術，具有出血少，術野清晰，創傷小的優點。

第四節　近年來神經外科激光應用的進展

本書第1版發行前后的近十年中，激光外科技術在中國神經外科的應用一度較為沉寂。昂貴的激光器設備和光纖、寶石刀頭等消耗品提升了手術成本，而獲得的好處（方便病灶切除、提高手術精確程度）難以抵消增加的費用帶給患者的負擔，激光手術獨有的優勢尚未能得到普遍的推廣使用。

然而經濟條件的限制會隨著社會發展而改變，神經外科醫生對手術技術和完美治療效果的追求沒有停止，在技術人員合作下，不斷改進激光應用技術。

首先，二氧化碳激光的傳輸問題近幾年得到了突破性的解決。美國麻省的一家公司發明了一種中空的纖維，利用光的帶隙鏡面反射理論，使二氧化碳激光在空心的纖維管道中反復反射向前傳輸，這種中空的光帶隙鏡面纖維（hollow-core photonic bandgap mirror fiber）像其他激光光纖一樣細小而可彎曲，又避免了波長10 600nm的二氧化碳激光能量在一般光纖中傳輸的損耗。

二氧化碳激光器擺脫了笨重的關節臂傳輸方式，大大方便了在神經外科手術中的使用。美國鳳凰城的一組神經外科醫生2010年報告了使用此種新型二氧化碳激光器手術的經驗，手持的激光刀頭類似一只吸引器頭，以非接觸方式氣化切除病灶。連續治療的45例患者包括海綿狀血管瘤、腦膜瘤、脊髓內室管膜瘤、轉移瘤等，在切除超聲吸引器無法吸除的富纖維化的腦膜瘤，以及黏附在重要血管神經結構上的腫瘤時最為有效。

神經外科醫生也嘗試了Thulium-YAG激光器。這種固體激光器的激發介質是銩（thulium）原子，可以發出2μm波長的連續波激光，通過光纖傳輸，組織穿透能力介于二氧化碳激光和釹激光之間，2006年首先用于泌尿外科領域。動物實驗顯示，銩激光導致的組織熱傳導損傷深度小于2mm，因此氣化切割組織的精確度高于非接觸式的釹激光，但低于二氧化碳激光和接觸式激光刀，同時止血效果則優于二氧化碳激光。已經有多篇使用thulium-YAG激光器切除腦膜瘤的報告，在氣化切除腫瘤時有良好的止血作用。

在第1版中曾提到，數字化模擬技術和計算機控制飛速發展的今天，用機械手代替人手進行高度精確的神經外科手術已不再是夢想。手術導航系統已經可以將顱內病變和正常解剖結構在三維空間中精確定位，在隨后的切除病變時激光可以成為強有力的工具。用機械手控制激光進行切割、氣化、毀損要比控制手術刀容易地多。可以預期，在未來的神經外科手術中激光將成為不可替代的工具。

近年來，東京大學的研究人員整合腫瘤熒光染色和激光消融技術，研制了一種新型激光手術系統。利用5-aminolevulinic acid（5-ALA）可以被膠質細胞瘤濃集并在藍光照射下發出淡紅色熒光，在MRI導航下，使用集成為一體的光學系統，通過熒光光譜照相機收集分析腫瘤熒光的三維空間位置，指導機械臂控制激光光纖頭自動聚焦在腫瘤部位，氣化腫瘤的激光是2.8μm的半導體激光。該系統的原型機已經在動物實驗中獲得成功，展示了未來膠質瘤精準切除手術的新模式。在機器人輔助手術中，激光將成為切除或消融病灶的有力手段之一。

第五節　激光神經外科手術需要注意的若干問題

一、激光器的選擇

目前醫用激光器種類繁多，神經外科常用的大功率激光器有二氧化碳激光器，Nd-YAG激光器，Ho-YAG激光器，KTP激光器，半導體激光器等，各有其特點，應根據手術需要選用。

選擇激光器應從使用目的、激光波長、輸出功率、輸出方式、是否方便使用等幾方面考慮。

切除腫瘤，可以選用能與顯微鏡相連接，帶有微操作器的二氧化碳激光器及配有寶石刀頭的接觸式Nd-YAG激光器。激光椎間盤減壓術（PLDD）不使用二氧化碳激光器，幾種常用的固體激光器均有用于PLDD的報告，效果大致相同。用于光化學治療的激光器發出的激光波長要與光敏劑的最佳激發波長一致，多選用染料激光或半導體激光。配合腦室鏡進行深部手術時多選用接觸式Nd-YAG激光器，也可以考慮使用Ho-YAG激光器。

二、掌握切割氣化范圍，避免誤傷

使用非接觸式激光束（如二氧化碳激光）切割組織時，要選擇小光斑、高輻照能量密度，以便提高切割效率。氣化腫瘤時則可以選用略大的光斑并使用大功率輸出，可以加快氣化速度。光斑大小可以通過改變光束焦點與照射部位的距離而調節。

注意掌握切割氣化的深度。光斑在同一位置停留時間長，激光輸出功率大，切割或氣化就深；光斑移動快，激光輸出功率小，切割就淺。為避免誤傷深部的重要結構，可以先設定較小的輸出功率，在非重要區域試驗性照射一下，再逐步將輸出參數調整到需要的大小。

三、水對激光作用的影響

中樞神經組織浸泡在腦脊液中，因此在神經外科手術時到處會碰到水。如前所述，水對二氧化碳激光的吸收極佳。當組織表面有薄層水時，激光能量首先被水吸收，將水氣化后方可到達組織。因此在切割氣化腫瘤時，必須先將其表面的水吸干，方可有效切割氣化腫瘤。Nd-YAG激光則有很大不同，薄層的水盡管能部分吸收其能量，大部分激光能量仍可以穿透數毫米厚的水層到達組織。

接觸式激光的寶石刀頭可以將大部分光能轉換為熱，即便是在腦脊液中激光也可以在數秒鐘內將刀頭加熱到足以氣化腫瘤的溫度，但仍會有一種滯后的感覺。產生的氣體可以迅速溶解在腦脊液中，同時腦脊液的溫度不可避免地會升高，因此切割時間不能過長，同時要不斷用乳酸鈉林格氏液沖洗置換腦室內的腦脊液，維持腦室內環境的穩定。

四、激光的防護和操作者培訓

神經外科使用的醫用激光器屬于大功率激光器，按照分級管理規定，其危險程度為4級（最危險類），操作不當可以導致使用者和接受者兩方面的意外損傷。激光的直接照射可以導致眼和皮膚的損傷，足夠功率的反射激光也可以造成損傷。為防止意外損傷的發生，使用者一定要接受有關激光基本知識和防護措施的培訓后方可上崗。

在進行激光手術時，手術間外應有激光警示標識，無關人員不應進入。所有室內人員均應佩戴防護眼罩并穿隔離衣，減少皮膚的暴露。激光照射產生的煙霧和組織碎屑應及時吸除。不得使用易燃易爆的麻醉劑。

美國和歐洲有專門的考試機構，提供教育課程和考試服務，并為通過考試的醫用激光維修和使用人員頒發合格證書，持證者方可上崗。目前我國相應規定尚不完備，因此各醫院在購買使用外科激光設備時，應將相關工作人員的培訓納入計劃。

（郭京）

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