第十八章　激光在神经外科中的应用

第一节　激光基础知识

激光（laser）为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation首字母的缩写，激光器发出的激光是一种特殊的、纯净的单色光，亮度高，方向性极好。

一、激光器的基本构造

激光器由几个基本部分组成，包括工作物质、激励源或称泵浦源、谐振腔、控制部分和输出激光的光学部分。

（一）工作物质

激光在工作物质中发生。激光器的种类一般按照工作物质的不同分类，如红宝石激光器、氦氖激光器、二氧化碳激光器等。红宝石、氦、氖、二氧化碳均是激光器使用的工作物质。这些工作物质中实现粒子数反转的粒子能量级差不同，因此激光器发出的激光频率不同，用途也不同。

（二）谐振腔

即使在工作物质中实现了粒子数反转，如果没有谐振腔，仍然不能实现光的受激放大并产生激光。谐振腔的作用是使一个恰当频率、恰当方向的光子在工作介质中反复穿过并激发出大量相同频率、相同方向的光子流，通过谐振腔出口射出。与此同时工作介质中自发辐射出的不同频率、不同方向的光子则被吸收。

最早的红宝石激光器（图18-1-1），其谐振腔是一根红宝石晶体棒，两端打磨成相互平行而又同时垂直于红宝石棒中心轴线的平面，并镀银形成两块反射镜，其中一块是全反射镜，另一块为部分反射镜。红宝石棒和其中的铬离子是工作物质，可以在闪光灯的光照下形成粒子数反转，激发态铬离子自发跃迁到低能级时辐射出光子，方向与晶棒长轴相同的光子就会在棒两端的反射镜间不断地来回反射，每经过工作物质一次就可以使许多激发态的铬离子受激辐射出同样的光子，从而得到雪崩式的放大，那些不是沿着轴向传播的光子经过几次反射便很快地被吸收或逸出腔外。当光放大超过棒中的光损耗时（如衍射、吸收、散射等损失），在红宝石棒中就产生了光振荡，并在部分反射镜一端输出激光。

谐振腔是产生激光的充分条件，谐振腔还起到“选频”的作用，它只允许某些特定波长的光在腔内形成激光。不同种类的激光器谐振腔有所不同，但基本原理是一样的。

（三）激励源（泵浦源）

在谐振腔中产生光振荡的前提条件是维持工作介质中的粒子数反转，也就是说需要源源不断地将回到低能级的粒子重新激励到高能级上，这就要用外加的能源作用于工作物质。激励源的作用就是提供能源，使尽可能多的低能级粒子吸收能量，不断跃迁到激发态。前述第一具红宝石激光器的激励源是缠绕在红宝石棒外的螺旋形氙灯，用氙灯的闪光为红宝石中的铬离子提供能量。各种激光器有各自的激励方式，可以是光能，也可以是电能、化学能，甚至是核能。可以说激光器是一个能量转换装置，将某种形式的能量转换成激光形式。

（四）控制部分

对激光器的激光输出功率、输出方式、电源和冷却系统等进行操控。

（五）光学输出部分

激光从谐振腔中射出后，要通过适当的光学系统将其导向目标。如二氧化碳激光器发出的红外激光，可以通过多个镀金反射镜构成的同轴反射系统传输，由锗透镜聚焦后照射到靶目标。波长较短的激光可以通过光纤传导，使用更为方便。

二、神经外科使用的医用激光器

（一）二氧化碳激光器

二氧化碳激光器是一种气体分子激光器，可以发出波长为10 600nm的远红外激光，电能转换效率高达30%，是外科最常用的激光器，以连续波方式输出时的稳定输出功率可以达到上百瓦。此波长的激光在水中有一个吸收峰，0.1mm的水层即可使其能量衰减60%以上。由于软组织中的水含量一般在70%～80%，因此二氧化碳激光在组织中穿透深度很小，其热损伤范围不超过1mm，聚焦后的激光光斑小于1mm，可以做到精确的切割。此外足够大的功率输出可以快速气化病变组织，常用来切除位于重要部位的肿瘤。

二氧化碳激光器有多种结构形式，医用的多为纵向电激励水冷内腔式封离型，其核心是石英玻璃制成的长管状谐振腔，内充二氧化碳及氮、氦、氙等辅助气体，一端装有镀金的凹球面全反射镜，另一端是平面的单晶锗半反射镜，也是激光的输出窗口。谐振腔的长短与输出功率有关，越长输出功率越大，因此医用大功率二氧化碳激光器的体积一般较大。

至今没有合适的光导纤维可以传输二氧化碳激光器发出的波长10 600nm远红外激光，市场上的医用二氧化碳激光器都是用多个反射镜组成的关节臂传输到手术部位或手术显微镜的微操纵器。目前国产的医用二氧化碳激光器已能满足临床外科手术需要。

（二）掺钕钇铝石榴石（Nd-YAG）激光器

Nd-YAG激光器也是神经外科常用的激光器，其光电转换效率高，连续波输出时功率可达100W，发出的红外激光可以经普通石英光纤传导，因此可以很方便地将激光能量导向手术部位，并可以通过内镜进入体腔内，用于烧灼、止血或切割、气化肿瘤。

Nd-YAG激光器是固体激光器，其谐振腔是掺钕钇铝石榴石单晶棒，在泵浦光源照射下，钇铝石榴石晶格上掺入的钕离子可以受激发出多种波长的激光，其中1064nm的激光最易产生并经谐振腔筛选形成振荡和激光输出，目前也有输出波长1320nm的Nd-YAG激光器。波长1064nm的Nd-YAG激光在组织中的穿透能力大约是二氧化碳激光的100倍，可以使数毫米厚较深层组织中的血管受热凝固，因此在切割气化组织的同时有很好的止血效果。但从另一方面看，其组织损伤范围大，损伤深度不好掌握，在重要功能区的使用受到限制。波长1320nm的激光在水中的吸收特性与波长10 600nm的CO2激光类似，动物实验和临床使用的经验表明，1.32μm波长Nd-YAG激光对生物组织的热损伤范围与CO2激光大致相同，但可以经光导纤维传输，因此使用较CO2激光方便。

为了克服波长1064nm的Nd-YAG激光热凝固范围大且不易控制的缺点，美国Surgical Laser Technologies（SLT）公司设计生产了接触式蓝宝石激光刀头。这是在石英光纤的末端连接一个能吸收激光能量并将其转化为热的蓝宝石刀头，利用激光能量将宝石刀头加热到1000℃以上，当刀头接触组织时，高温使接触的薄层组织直接气化，组织深部受传导热波及形成的热凝固层不超过0.2mm。接触式激光刀头有钝圆、圆锥形等多种形状和大小型号，可以根据需要选用。

接触式激光刀头的另一优点是在水中也可以迅速加热到足以气化组织的温度，因此可以和脑室镜配合使用，在脑室内充满脑脊液的环境里气化切除肿瘤，或切除囊肿的囊壁。

（三）半导体激光器

半导体激光器是利用正向电压加在半导体的P-N结上，当大量电子和空穴相结合时，剩余的能量以光子的形式发出（图18-1-2）。当电流达到一定阈值时，散乱发出的光子可以转为受激发射，发出的激光频率与P-N结中能级间隙有关（图18-1-3）。

目前铝砷化镓的半导体激光器已在临床应用，该激光器的波长是805nm，可以经石英光纤传输。因单个晶片的激光输出功率有限，大功率的半导体激光器采用多个晶片的矩阵，将发出的激光用光学器件会聚在一起，输出功率已可达5瓦，已有用于腰椎间盘突出激光消融减压手术的临床报告。

半导体激光器能量转换率高，体积小，坚固耐用，还可以用做其他激光器的泵浦光源。

（四）其他激光器

1.钬（Ho-YAG）激光器

Ho-YAG激光器与Nd-YAG激光器同为固体激光器，谐振腔都使用YAG晶棒，不同的是Ho-YAG激光器在钇铝石榴石晶体中掺入的激活物质是钬（Homium）离子，发出的激光波长为2100nm，在水中有一个能量吸收高峰，吸收系数接近二氧化碳激光。由于生物组织均含有水分，因此Ho-YAG激光在组织中的穿透深度不超过0.4mm，并可以经石英光纤传输。

现有连续波输出的Ho-YAG激光器功率太小，不能满足外科手术需要。目前临床使用的大功率Ho-YAG激光器都是脉冲式，脉冲宽度250～350ms，频率一般低于20Hz，输出功率可以达到15～25W左右。Ho-YAG激光器在气化切除质地坚硬、有钙化的肿瘤时效果优于Nd-YAG激光器，伴随激光脉冲产生的冲击波可以击碎肿瘤，有助于提高切除效率。然而，冲击波可能对周围脑组织造成损伤，因此不适于切除邻近重要结构的胶质瘤。

美国FDA已批准在牙科、眼科、普外科、关节镜等专业领域使用Ho-YAG激光器，神经外科临床的应用仍在探索。匈牙利人将钬激光和钕激光组合在一台激光器中，通过一条光纤输出，可以方便地分别输出波长1064nm的钕激光或2100nm的钬激光，或同时输出两种波长的激光。经动物实验和临床使用，新型激光器兼备两种波长的优点，在切割和止血两方面表现良好。

2.KTP（potassium titanyl phosphate）激光器

KTP激光器与Nd-YAG激光器基本相同，其激活物质都是Nd+++，但不是掺入YAG晶棒，而是掺入化学成分为KTP的晶棒。当用波长为1064nm的Nd-YAG激光作为泵浦源照射KTP晶棒时，可以发出频率恰为其2倍，波长532nm的绿色激光。

KTP／YAG两种晶棒组装在一台激光器内，通过简单的机械转换，可以发出1064nm和532nm两种波长的激光。其中1064nm的YAG激光为连续波，输出功率可达100瓦，532nm的KTP激光为频率高达每秒数千次的脉冲激光，实际组织效果等同于连续波照射，输出功率10～20W。KTP激光的波长与氩离子激光波长基本相同，在组织中的穿透能力和热效应接近二氧化碳激光，但凝血效果优于二氧化碳激光，可以用于组织的切割和气化。

3.染料激光器

某些染料溶液中的有机染料分子，在一定条件下也可以产生能级反转，在从高能级向低能级跃迁时发出激光。染料激光器的谐振腔是装有染料溶液的管状容器，染料溶液在谐振腔中高速流动，在泵浦光源的照射下发出连续波或脉冲波激光。泵浦光源通常是另一激光器（氩离子激光器，Nd-YAG／KTP激光器），也可以是高压闪光灯。染料激光器的最大优点是波长在400～700nm可见光范围内可调。使用氩离子激光或Nd-YAG／KTP激光器泵浦的染料激光器可以发出630nm的红色可见激光，用于脑肿瘤的光动力治疗（PDT）。

第二节　激光照射的组织效应

激光照射在组织上，一部分会被组织表面反射，离开组织。进入组织的激光会有3种不同的情况：①吸收：部分光线会被组织吸收，转换成热或其他能量形式；②透射：部分光线可以穿透一定厚度的组织后逸出体外；③折射：部分光线被组织中的细胞膜等各种界面改变方向，发生折射和漫射，最后可能被组织吸收，或逸出体外。

（一）激光的热效应

神经外科常用的大功率激光器发出的能量被组织吸收后基本转化为热，使温度升高。当一般软组织的温度升高到60℃时，组织中的蛋白质将发生凝固，超过100℃时，组织中的水会沸腾而迅速蒸发，300～400℃时组织会脱水炭化，变成黑色焦痂，如果瞬间温度升高到1500℃，组织成分会直接气化。神经外科在使用激光进行切割、止血、气化切除肿瘤时，主要是通过激光的热效应使局部组织的温度瞬间升高，使血管收缩，血液凝固，组织气化。

组织温度改变的大小、范围和速度与以下因素有关：

1.组织对激光能量的吸收

组织吸收激光能量的多少（吸收系数）和允许激光穿透的深度（透射系数）都与激光波长有关。一般来说在可见光波长范围内，组织对光的透射和折射远大于吸收，波长增加则穿透深度也增加。而在远红外波段，水对某些远红外波长激光能量有很强的吸收。含水量多的组织如大脑对激光的吸收特性大体与水相近，对波长10 600nm的二氧化碳激光有一个很强的吸收峰值，穿透深度仅0.2mm（入射能量衰减至1／e）。

组织中的色素（如血红素，黑色素颗粒等）则对某些波长的激光有吸收峰值。不同的组织对激光的吸收系数有很大区别，脑灰质与白质对激光的反射、吸收和散射有显著的差别。大脑皮层灰质微血管丰富，较少含脂质的髓鞘，光反射比白质低得多，光能的吸收明显高于白质。

2.激光的强度

单位面积内激光辐照的功率用辐照度（irradiance，单位是W／cm2）表示。辐照度越大，组织吸收的激光能量就越多，温度就越高。临床使用中，聚焦光斑面积的大小会直接影响对肿瘤组织的切割气化效果。以医用二氧化碳激光器为例，切割气化脑瘤时，输出功率不变（如10瓦），光斑直径增加1倍，面积增加4倍，激光辐照度下降到原来的1／4，组织升温速度下降，切割气化效果不好。但如果此时将输出功率增加到40瓦，则可以使大光斑里的激光辐照强度恢复到小光斑的水平，使较大体积的组织同时快速升温，气化肿瘤的速度加快。因此在切割组织时，要尽量缩小光斑直径，在气化肿瘤时要尽量使用大功率激光输出。

3.激光照射的时间

组织接受激光辐照的量除了与辐照强度有关外，还与辐照时间有关，用辐射能量密度（radiant fluence，单位是W·s／cm2）表示。同样的激光辐照强度，照射时间增加1倍，组织接受的激光能量也增加1倍，产生的组织热效应也相应增加。从另一角度讲，短时间接受高强度辐照和较长时间内接受低强度辐照产生的组织效应是不一样的，前者产生的热效应在组织间来不及扩散，因此照射局部表层的瞬间温度更高。

4.组织的热传导能力

一般来说，生物组织不是热的良好导体，但组织内血液的流动可以增加热传导。由于组织间的热传导，理论上激光照射的时间越长，照射部位的血液循环越丰富，受激光热效应影响的组织范围越大。

5.激光器工作模式的影响

激光能量输出方式对组织产生的热效应可以有很大不同。脉冲式输出的激光能量集中在一个个波峰上，组织在相对短的时间内接受较大的激光能量辐照，而在两个波峰之间有短暂的间歇，因此和连续波激光相比，局部的温度升高快，热效应影响范围则相对较小。同时，瞬间高强度激光产生的压力效应和声波冲击效应相对较大。连续波激光输出的能量是以选定的强度持续作用在组织上，照射时间的长短由操作者决定，对组织的影响由辐照强度和照射时间决定，热效应影响的范围与激光波长有关。

波长1064nm的Nd-YAG激光组织穿透力较强，照射时间长则热效应影响范围会相应增加，动物实验发现，Nd-YAG激光光纤距兔脑皮层1mm，用40W输出功率照射4秒钟，脑组织气化深度1.75mm，凝固坏死层1.38mm，血脑屏障破坏（伊文氏蓝染色）1.5mm，总的影响深度4.53mm；照射16秒，脑组织气化深度4mm，凝固坏死层3mm，伊文氏蓝染色3.5mm，总的影响深度10.5mm。

波长为10 600nm的二氧化碳激光在组织中的穿透力弱，激光能量在不到0.2mm厚的组织层内迅速衰减，转化为热，当足够辐照强度的激光连续照射时，表层组织迅速气化，而在组织中遗留的热凝固层则始终不超过1mm，因此更适用于在重要功能部位的精确气化切割。

（二）压力效应

一般光线照射产生的压力很小，可以忽略不计，但脉冲激光器可以在极短暂的时间内发出极高亮度的激光，如果是聚焦在很小的面积上，即瞬间的辐照能量密度极大，可以产生很高的光压。据测用钕激光250～950J聚焦脉冲照射大鼠移植肿瘤，产生的辐射压强可以高达21～56kg／cm2。

除激光直接产生的光压外，激光能量被组织吸收后局部产生高温，组织高速气化，其热膨胀和气流的冲击会产生很大的压力和声波冲击。作者在动物实验中曾用每个脉冲2J能量的Ho-YAG激光照射家兔的脑皮层，在显微镜下可以清楚看到照射部位脑组织的震动以及四面飞溅的脑组织碎屑，局部形成直径1mm（光斑直径）炸弹坑样的缺损，并伴随着清晰的爆鸣声。这种高度集中的激光脉冲能量产生的高温、高压和冲击波可能有助于切割质地较硬的肿瘤或组织，但对脑组织会产生超出热效应范围之外的损伤。用于切除肿瘤时，飞溅的肿瘤碎屑可能仍有活力并形成种植性转移。

（三）光化学效应

特定波长的激光照射，可以影响组织细胞中的生物化学反应。许多生物大分子（蛋白质、氨基酸、DNA、RNA等）的最大吸收波长是在300nm波长以下的紫外波段，在光能的作用下，可以导致一些稳定的分子激活，发生分解、聚合、或改变分子的结构。

血卟啉衍生物（hematoporphyrin derivative，HPD）在630nm波长的激光照射下，可以将吸收的光能传递给附近的氧分子，产生具有生物毒性的活性氧离子，导致组织坏死，被称为光致敏剂。临床上给脑肿瘤患者注射HPD后，肿瘤细胞摄入HDP，在激光照射下引发光化学反应，可以使肿瘤坏死，又称为光动力治疗（photo dynamic therapy，PDT）。

（四）生物刺激作用

动物实验和临床应用均有证据表明，小功率的激光照射（常用毫瓦级的He-Ne激光）对生物组织有一定的刺激作用，可以有止痛、增强机体免疫能力、促进组织愈合等效应。激光生物刺激作用机制有许多假说，至今有争论，但在许多医院仍广泛应用于慢性疼痛等疾病的治疗上。

（五）电磁场效应

激光是电磁波，高强度激光也可以产生高强度的电磁场变化，作用在生物组织上可以导致谐波产生、自由基形成、布里渊散射、喇曼散射、电致伸缩等效应。这些电磁场效应可以对组织细胞产生损害，但通常是瞬间高能量密度的强脉冲激光照射才能达到足够的强度。与临床外科使用激光做切割气化等操作时的热效应相比，电磁场效应对周围组织附加的损害可以忽略不计。

（六）激光照射对脑组织的影响

聚焦的高强度激光照射脑组织，被照射部位的典型改变呈火山口样病灶，表层部分脑组织瞬间气化消失，形成中央凹陷的组织缺损，其下的病灶由浅入深形成以下数层：①依激光波长和能量密度不同，照射区域的组织表面可形成一层或薄或厚的炭化层。二氧化碳激光组织穿透浅，焦点能量密度高时，此层可以缺如，而散焦低能量密度照射时更容易形成炭化层。②在炭化层之下是热凝固层。二氧化碳激光照射形成的热凝固层厚度在0.25～1.0mm左右，Nd-YAG激光照射的热凝固层可以达数毫米厚。在病理切片中可见热凝固层内细胞组织结构消失，呈均匀一致的凝固性坏死。③热凝固层之下是脑水肿层，用台盼蓝或伊文兰灌注染色时可见此层有兰染，证明有血脑屏障的破坏。层内可见毛细血管部分闭塞、扩张或破裂，有散在的小出血灶。此层的厚度约为1～2mm，逐渐过渡到正常脑组织。

第三节　激光在神经外科临床的应用

一、切除神经系统肿瘤

1.脑胶质瘤手术

大功率医用激光器出现后，很快就在神经外科的手术中得到应用。欧美一些国家60年代就已开始尝试用激光切除脑肿瘤，国内陈公白1983年报告了20例脑胶质瘤，用二氧化碳激光辅助手术，认为富于血管的肿瘤不能直接用二氧化碳激光气化。须阻断供血，常规切除大部分肿瘤后再用二氧化碳激光气化残留部分。

经过20余年临床实践，在常规的脑胶质瘤切除术中，使用显微外科器械、双极电凝器和吸引器的传统手术技术已很成熟，用激光辅助胶质瘤切除手术并未显示出不可或缺的优越性。二氧化碳激光刀有较好的精确度，热损伤范围容易控制，但止血效果较差；Nd-YAG激光则相反，止血效果较好，但热损伤范围大，且不易控制。激光气化切除肿瘤的速度也不能令人满意，因为每克组织气化都要消耗大量能量，现有大功率激光刀也不能在短时间内将大量瘤组织气化，对于体积大的胶质瘤，通常需要先用常规方法切除大部肿瘤，再用激光清扫切除残余肿瘤。由于动物实验和临床均未见激光切除胶质瘤能延长患者的生存期，因此在多数医院中激光刀已淡出胶质瘤切除手术。

对于位置深在，体积不大的胶质瘤，可以通过立体定向技术导入专门的牵开器和内镜，并用激光气化切除肿瘤。此时激光气化在狭小的手术操作空间可以显示出独具的优点。Kelly在20世纪80年代开始在CT定位下，用立体定向头架准确地将特制的管状牵开器插到深部肿瘤部位，在手术显微镜下用微操纵器控制二氧化碳激光，气化切除肿瘤，并取得很好的效果。此后其他作者也有成功报告。

2.颅底脑膜瘤

颅底脑膜瘤不易显露，常侵蚀颅骨，与重要血管神经相邻，部分患者的肿瘤质地较硬，或血运丰富，手术切除困难。在常规显微手术基础上使用激光气化，可以切除粘连在重要结构上难以切除的部分。

多数颅底脑膜瘤发现时体积已很大，直接用激光气化肿瘤费时费力，故常用显微手术方法截断肿瘤血液供应，切除大部肿瘤后，再用连接在手术显微镜上的二氧化碳激光器，仔细地气化残余的肿瘤和照射烧灼肿瘤附着的颅骨、无法切除的硬脑膜静脉窦壁等。激光功率可以调节到10瓦左右，采用连续波输出方式，光斑直径在1～2mm左右，烧灼肿瘤附着点时可以用较大光斑和大输出功率。照射时要使激光光斑以适宜的速度在肿瘤或要烧灼的组织上缓缓移动，同时在显微镜下密切观察气化切除的深度，照射时间用脚闸直接控制，要避免让激光光斑长时间停留在一个部位，使气化烧灼过深，损伤重要血管神经。

使用Nd-YAG激光和美国SLT（surgical laser technologies）生产的接触式激光刀头，像手术刀一样操作，用高温刀头接触气化肿瘤，可以精确地切除粘连在重要血管神经上的肿瘤，比非接触式的二氧化碳激光更容易控制切除范围，特别适用于切除包绕在颈内动脉和视神经周围的蝶骨嵴内侧和鞍区的脑膜瘤。

3.听神经瘤

激光也可以用于听神经瘤切除手术。在常规显微外科手术显露肿瘤后，可以用激光气化切除肿瘤。附着在肿瘤包膜上的面神经在用常规器械剥离切除肿瘤时很容易受到牵拉损伤。在显微镜下用较小功率的二氧化碳激光或Nd-YAG接触式激光气化粘连的肿瘤包膜，可以不牵拉面神经，这是其他方法难以做到的。内听道内的肿瘤也可以用激光气化切除，此时要特别注意保护位于深部的面神经。接触式激光刀可以精确控制气化范围，更适用于切除粘连在面神经上的肿瘤，但要随时用盐水冲洗降温，避免对面神经的热损伤。

也有一些神经外科医师不主张用激光气化粘连在面神经上的肿瘤，认为灼伤面神经的风险太大，不如常规手术方法快捷安全。目前仍然使用激光切除听神经瘤的医师不多。

4.脑室内肿瘤

以往治疗脑室内肿瘤，需要经脑皮层造瘘进入脑室手术切除，对正常脑组织的损伤较大。近年来经脑室镜切除脑室内肿瘤已成为主流，激光则成为不可或缺的有力武器。

脑室镜下的脑室内手术，小的出血就可以使脑脊液浑浊不清，严重影响能见度，甚至使手术无法进行。使用接触式激光刀头切除脑室内肿瘤，在气化肿瘤的同时可以有很好的止血效果。小而尖的宝石刀头可以用来切割和游离肿瘤，钝圆的刀头可以气化肿瘤的包膜。体积较小且游离在脑室内的脉络丛乳头状瘤、第三脑室胶样囊肿等病变最适合激光手术切除。

5.脑干及脊髓肿瘤切除

常规显微手术切除脑干及脊髓内肿瘤，器械对肿瘤周围的传导束可以造成牵拉或挤压损伤。用二氧化碳激光气化肿瘤没有直接接触，其热传导损伤非常局限，很适合切除脑干和脊髓内肿瘤。Nd-YAG接触式激光的宝石刀头由于温度极高，接触的瘤组织即刻气化，不会对周围组织形成挤压，其热传导损伤深度不超过0.2～0.3mm，较手术刀片或双极电凝损伤的范围还小，也是切除脑干和脊髓肿瘤的有力武器。1986年Tobler用CO2激光成功切除1例中脑转移瘤，随访18个月未见复发。1987年杨炯达用CO2激光显微手术气化脑干肿瘤3例均获得成功。90年代引入Nd-YAG接触式激光器后，很快被用于脑干和脊髓肿瘤手术并取得很好效果。

二、经皮激光椎间盘减压术

或称激光髓核消融术。1986年，Peter Ascher和Daniel Choy在奥地利首次用18号穿刺针经皮穿刺椎间盘，导入直径0.4mm光纤，使用波长1064nm的Nd-YAG激光烧灼气化椎间盘。1987年Choy报告用PLDD方法治疗腰椎间盘脱出12例，9例症状改善，其中4例随访7～16个月无症状，5例疼痛复发并接受了开放手术治疗。到1992年，他们做了333例，最长随访62个月，261例（78.4%）有效，160例疼痛术中即刻缓解。Choy等经动物实验证实，用激光气化部分髓核就可以使椎间隙内的压力显著下降，由2000mmHg下降到1000mmHg，被膨出椎间盘压迫的神经根受到的压力也得以减轻，因此患者疼痛症状常可即刻缓解。

1992年，美国佛罗里达的Davis报告用波长532nm的KTP激光行PLDD，40例患者中34例有效，无效的6例中2例又行开放手术治疗。与此同时Quigley等人尝试用Ho-YAG激光行类似手术，并认为Ho-YAG激光优于Nd-YAG激光。1995年Casper等报告用侧向照射的Ho-YAG激光烧灼椎间盘，成功率达到84%。近年来半导体激光器也被用于PLDD。国内齐强等于1994年首先报告10例腰4～5椎间盘突出PLDD治疗结果，10年来已有很多医院引进此项技术，文献报告的病例数已超过千人，术后1年的有效率约为75%～87%。

动物实验表明，髓核经激光烧灼后脱水炭化，部分气化形成空洞，周围组织可有水肿。此后有炎性细胞浸润，肉芽组织增生填充空腔。8～12周后，椎间空腔内的纤维结缔组织逐渐被软骨组织取代。

PLDD的适应证为椎间盘膨出，有神经根压迫症状并经保守治疗无效的年轻人，膨出的椎间盘一般不超过椎体直径的1／3。主要用于腰椎间盘膨出，近来也有报告用于颈椎间盘膨出导致的神经根性疼痛和颈性眩晕。

巨大椎间盘突出，纤维环已破裂、髓核脱入椎管的患者，骨性椎管狭窄的患者不适合行PLDD，还是以开放手术为宜。50岁以上的患者因髓核脱水失去弹性，PLDD的治疗效果明显下降。

可用于PLDD的激光器种类有Nd-YAG、Ho-YAG、KTP、半导体激光器等。其中半导体激光器体积小，能量转换效率高，使用方便，有逐渐取代Nd-YAG激光器的趋势。

经皮穿刺在X线监视下或CT导引下进行，局部麻醉，穿刺针头自椎旁成45°角穿入两椎体间中心略偏后的位置，准确进入椎间盘中心的髓核内。确定穿刺针头端位置后，导入激光光导纤维。激光输出功率10～20W，连续或脉冲方式照射，每次照射1～2秒，间歇数秒。术中要反复讯问患者感觉，如有明显的灼热、胀痛，应暂停照射。每照射200～300J后应暂停几分钟，调整光纤头端位置，吸出椎间隙内的气、液。总的照射能量视椎间盘大小和患者的反应而不同，治疗腰椎间盘膨出需要的总激光辐照量为1000J左右，颈椎间盘膨出600J左右。症状如已明显缓解，即可停止治疗。也有人在照射完毕后经穿刺针注入局麻药，激素及抗生素等药物。术后卧床休息数小时后即可下地活动。

PLDD相当安全，创伤小，并发症少。个别患者可以发生穿刺损伤、神经根灼伤、侧隐窝狭窄、局部感染等并发症，大宗病例报告并发症的发生率低于1%。严格掌握适应证可以提高患者的满意率，但仍有约10%的患者PLDD治疗无效，需要开放手术。

三、光动力学治疗脑胶质瘤

光动力学治疗（photo dynamic therapy，PDT）是利用激光的光化学作用治疗恶性肿瘤，其基本原理已如上述，早在1972即已开始临床使用，并在某些肿瘤治疗领域（如肺癌、食道癌等）获得较好的效果，但在神经外科仍处于实验和试用阶段，主要用于恶性脑胶质瘤、转移瘤等恶性肿瘤手术切除后的辅助治疗。

目前神经外科用于PDT的光敏剂仍然是以血卟啉衍生物（HPD）为主。HPD不易透过正常的血脑屏障，而肿瘤通常会破坏血脑屏障，故肿瘤内的HPD浓度会高于正常脑组织。静脉注射5mg／kg后，肿瘤内的HPD浓度在6小时后达到高峰，可以高于正常脑组织2倍，持续24小时，增加剂量不能显著增加肿瘤内HPD浓度。HPD的吸收量在脑胶质母细胞瘤，少支胶质瘤和星形细胞瘤之间也有不同，与血脑屏障破坏程度不同有关。

HPD在脑肿瘤内选择性浓聚的程度还是不能令人满意，而且代谢时间长，给药后患者需要避光30天，否则会发生皮肤过敏和色素沉着，使患者感到很不方便。多年来研究人员一直在致力于寻找新的光敏剂，以提高PDT的特异性，降低其对身体正常组织的影响。

血卟啉单甲醚是一种新型血卟啉衍生物，代谢速度快，30分钟即可达到药物浓度高峰，1小时左右肿瘤与正常脑组织间即可有理想的药物浓度差，治疗后仅需避光3天，国内已有成功应用报告。

5-Aminolevulinic acid（ALA）5-氨基乙酰丙酸可以选择性诱导肿瘤细胞产生原卟啉IX（protoporphyrin IX），是目前很有希望的新型光敏剂。据上海复旦大学研究，ALA诱导大鼠C6胶质瘤细胞和接种的人胶质母细胞瘤产生原卟啉，在用药9小时后达到饱和，肿瘤细胞内原卟啉浓度可以高于正常大鼠小脑颗粒细胞内10倍。

在激光照射下可以有效产生细胞毒作用，使肿瘤细胞凋亡。

用于PDT的激光器有用氩激光泵浦的染料激光器，波长630nm，输出功率500mW，功率较小，术中照射时间较长。金蒸汽激光器（波长628nm，功率400～750mW），倍频Nd：YAG泵浦的染料激光，普通的He-Ne激光器等也可用于PDT。近年来特制的半导体激光器也开始用于PDT。

脑恶性胶质瘤的PDT治疗步骤如下：

术前需先行HPD过敏试验，在前臂皮肤划痕处滴0.1ml HPD，观察30分钟，无过敏现象者方可行PDT治疗。

如果是使用HPD作为光敏剂，通常在手术前一天静脉注射或滴注HPD 5mg／kg，同时开始避光4周，室内仅用小功率电灯照明，6～8周内仍要避免阳光直射皮肤，否则会导致色素沉着。如果使用血卟啉单甲醚，则可以在手术切除肿瘤前2～3小时静脉注射，剂量同HPD，手术后避光3天。

手术应尽可能完全切除肿瘤，瘤床彻底止血，清洗干净，大致估计瘤床面积，计算照射剂量。一般使用光导纤维散焦直接照射，剂量约为100～300J／cm2，测定激光末端输出功率以计算照射时间。过去认为，照射剂量小则不足以杀灭残留的肿瘤细胞，但近年来有体外实验显示，低光照量（25mW／cm2）可以诱发胶质瘤细胞的凋亡，且与放射治疗有协同作用，高光照量反而不出现凋亡现象。

在照射过程中可用生理盐水冲洗降温，避免热损伤。照射完毕后常规关颅，术后应给予甘露醇减轻反应性水肿，并继续避光。

1990年朱树干用PDT辅助手术治疗脑肿瘤30例，与对照组相比，存活时间显著延长。2001年胡韶山报告30例用血卟啉单甲醚作光敏剂的PDT辅助手术治疗脑胶质瘤，12例恶性胶质瘤1年生存率75%。目前PDT仅在少数医院使用，国内报告的病例数不多，缺乏严格的随机双盲临床对照试验，在光敏剂、激光器和照射剂量的选择上也有待于进一步深入研究。

四、其他应用及未来的展望

40年来，人们不断地探索激光在神经外科中各种应用的可能性，进行了多方面的尝试。

利用激光的热效应，人们曾试图用激光融合方法来吻合微血管，利用激光使断端血管壁中层的胶原蛋白受热溶解而融合连接，像焊接一样，希望能取代传统的缝合法，简化操作，缩短时间。1984年Jain在完成522个鼠颈动脉无缝合激光吻合（通畅率90%）的基础上，首先对5例脑血管阻塞患者用Nd：YAG激光作颅外-颅内吻合术治疗。随访6～9个月，全部造影证明通畅；无动脉瘤形成。作者1986年用二氧化碳激光行兔隐动脉自体移植血管吻合，共80个端端吻合口，比较了传统间断缝合、固定线加激光、单纯激光三种吻合法，通畅率分别为93%、93%、100%。激光吻合口能耐受25kPa动脉内压，但仍有4例激光吻合口在4周后形成动脉瘤。其他作者的动物实验也有动脉瘤形成的报道。虽然激光吻合血管操作容易，速度快，用时仅为间断缝合法的1／3～1／2，可以缩短血流阻断时间，减少脑缺血损害，且无异物残留，通畅率达95%左右，但吻合口动脉瘤形成的可能性妨碍了临床应用。

激光也曾被个别作者用于切除脑血管畸形，凝固颅内动脉瘤，但因出血和周围组织损伤的危险太大而未能获得多数人的认同。

此外，激光还曾被用于制作脊髓的脊神经后根进入区毁损灶，或行脊髓前联合切开，治疗某些顽固性疼痛。接触式激光刀也被用于癫痫外科治疗，切除癫痫病灶或行胼胝体切开术，具有出血少，术野清晰，创伤小的优点。

第四节　近年来神经外科激光应用的进展

本书第1版发行前后的近十年中，激光外科技术在中国神经外科的应用一度较为沉寂。昂贵的激光器设备和光纤、宝石刀头等消耗品提升了手术成本，而获得的好处（方便病灶切除、提高手术精确程度）难以抵消增加的费用带给患者的负担，激光手术独有的优势尚未能得到普遍的推广使用。

然而经济条件的限制会随着社会发展而改变，神经外科医生对手术技术和完美治疗效果的追求没有停止，在技术人员合作下，不断改进激光应用技术。

首先，二氧化碳激光的传输问题近几年得到了突破性的解决。美国麻省的一家公司发明了一种中空的纤维，利用光的带隙镜面反射理论，使二氧化碳激光在空心的纤维管道中反复反射向前传输，这种中空的光带隙镜面纤维（hollow-core photonic bandgap mirror fiber）像其他激光光纤一样细小而可弯曲，又避免了波长10 600nm的二氧化碳激光能量在一般光纤中传输的损耗。

二氧化碳激光器摆脱了笨重的关节臂传输方式，大大方便了在神经外科手术中的使用。美国凤凰城的一组神经外科医生2010年报告了使用此种新型二氧化碳激光器手术的经验，手持的激光刀头类似一只吸引器头，以非接触方式气化切除病灶。连续治疗的45例患者包括海绵状血管瘤、脑膜瘤、脊髓内室管膜瘤、转移瘤等，在切除超声吸引器无法吸除的富纤维化的脑膜瘤，以及黏附在重要血管神经结构上的肿瘤时最为有效。

神经外科医生也尝试了Thulium-YAG激光器。这种固体激光器的激发介质是铥（thulium）原子，可以发出2μm波长的连续波激光，通过光纤传输，组织穿透能力介于二氧化碳激光和钕激光之间，2006年首先用于泌尿外科领域。动物实验显示，铥激光导致的组织热传导损伤深度小于2mm，因此气化切割组织的精确度高于非接触式的钕激光，但低于二氧化碳激光和接触式激光刀，同时止血效果则优于二氧化碳激光。已经有多篇使用thulium-YAG激光器切除脑膜瘤的报告，在气化切除肿瘤时有良好的止血作用。

在第1版中曾提到，数字化模拟技术和计算机控制飞速发展的今天，用机械手代替人手进行高度精确的神经外科手术已不再是梦想。手术导航系统已经可以将颅内病变和正常解剖结构在三维空间中精确定位，在随后的切除病变时激光可以成为强有力的工具。用机械手控制激光进行切割、气化、毁损要比控制手术刀容易地多。可以预期，在未来的神经外科手术中激光将成为不可替代的工具。

近年来，东京大学的研究人员整合肿瘤荧光染色和激光消融技术，研制了一种新型激光手术系统。利用5-aminolevulinic acid（5-ALA）可以被胶质细胞瘤浓集并在蓝光照射下发出淡红色荧光，在MRI导航下，使用集成为一体的光学系统，通过荧光光谱照相机收集分析肿瘤荧光的三维空间位置，指导机械臂控制激光光纤头自动聚焦在肿瘤部位，气化肿瘤的激光是2.8μm的半导体激光。该系统的原型机已经在动物实验中获得成功，展示了未来胶质瘤精准切除手术的新模式。在机器人辅助手术中，激光将成为切除或消融病灶的有力手段之一。

第五节　激光神经外科手术需要注意的若干问题

一、激光器的选择

目前医用激光器种类繁多，神经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，半导体激光器等，各有其特点，应根据手术需要选用。

选择激光器应从使用目的、激光波长、输出功率、输出方式、是否方便使用等几方面考虑。

切除肿瘤，可以选用能与显微镜相连接，带有微操作器的二氧化碳激光器及配有宝石刀头的接触式Nd-YAG激光器。激光椎间盘减压术（PLDD）不使用二氧化碳激光器，几种常用的固体激光器均有用于PLDD的报告，效果大致相同。用于光化学治疗的激光器发出的激光波长要与光敏剂的最佳激发波长一致，多选用染料激光或半导体激光。配合脑室镜进行深部手术时多选用接触式Nd-YAG激光器，也可以考虑使用Ho-YAG激光器。

二、掌握切割气化范围，避免误伤

使用非接触式激光束（如二氧化碳激光）切割组织时，要选择小光斑、高辐照能量密度，以便提高切割效率。气化肿瘤时则可以选用略大的光斑并使用大功率输出，可以加快气化速度。光斑大小可以通过改变光束焦点与照射部位的距离而调节。

注意掌握切割气化的深度。光斑在同一位置停留时间长，激光输出功率大，切割或气化就深；光斑移动快，激光输出功率小，切割就浅。为避免误伤深部的重要结构，可以先设定较小的输出功率，在非重要区域试验性照射一下，再逐步将输出参数调整到需要的大小。

三、水对激光作用的影响

中枢神经组织浸泡在脑脊液中，因此在神经外科手术时到处会碰到水。如前所述，水对二氧化碳激光的吸收极佳。当组织表面有薄层水时，激光能量首先被水吸收，将水气化后方可到达组织。因此在切割气化肿瘤时，必须先将其表面的水吸干，方可有效切割气化肿瘤。Nd-YAG激光则有很大不同，薄层的水尽管能部分吸收其能量，大部分激光能量仍可以穿透数毫米厚的水层到达组织。

接触式激光的宝石刀头可以将大部分光能转换为热，即便是在脑脊液中激光也可以在数秒钟内将刀头加热到足以气化肿瘤的温度，但仍会有一种滞后的感觉。产生的气体可以迅速溶解在脑脊液中，同时脑脊液的温度不可避免地会升高，因此切割时间不能过长，同时要不断用乳酸钠林格氏液冲洗置换脑室内的脑脊液，维持脑室内环境的稳定。

四、激光的防护和操作者培训

神经外科使用的医用激光器属于大功率激光器，按照分级管理规定，其危险程度为4级（最危险类），操作不当可以导致使用者和接受者两方面的意外损伤。激光的直接照射可以导致眼和皮肤的损伤，足够功率的反射激光也可以造成损伤。为防止意外损伤的发生，使用者一定要接受有关激光基本知识和防护措施的培训后方可上岗。

在进行激光手术时，手术间外应有激光警示标识，无关人员不应进入。所有室内人员均应佩戴防护眼罩并穿隔离衣，减少皮肤的暴露。激光照射产生的烟雾和组织碎屑应及时吸除。不得使用易燃易爆的麻醉剂。

美国和欧洲有专门的考试机构，提供教育课程和考试服务，并为通过考试的医用激光维修和使用人员颁发合格证书，持证者方可上岗。目前我国相应规定尚不完备，因此各医院在购买使用外科激光设备时，应将相关工作人员的培训纳入计划。

（郭京）

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