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[摘 要]本文论述了YAG激光治疗甲真菌病的基本原理、激光甲真菌病治疗仪的研发设计路线和仪器装置的结构、性能、特点。分析了国内外激光治疗甲真菌病的现状、趋势及研发国产激光甲真菌病治疗仪与进口仪器的优势。
[关键词]YAG激光器；指甲真菌病；治疗仪器；研发设计
中图分类号：TF762.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0391-02
甲真菌病是指甲床和甲板持续性的真菌感染，俗称“灰指甲”病，患病率为2%～14%。该病顽固难治。目前，常用方法主要是口服和局部应用抗真菌药物。然而，局部外用药物很难达到治疗目的，而口服抗真菌药除了有一定的副作用外，治愈率有限，为此给患者身心健康带来很大程度的伤害。
目前，欧美正流行一种新型治疗方法，采用激光治疗。利用激光穿透力强的特点，用激光照射病甲，杀死甲板和甲下的真菌，从而治愈灰指甲。现在 国内多家医院购置国外进口激光医疗设备治疗“灰指甲”，有明显的疗效。但是，由于进口设备价格昂贵，售后维护不便，使这种治疗方法的推广受到了很大的制约。目前，性价比高的国产“灰指甲”激光治疗机设备是国内众多医疗机构的迫切需求。
二、论述
激光治疗甲真菌病的基本原理主要是利用激光生物效应。在激光生物效应中必然涉及两个方面，激光的物理特性和生物组织的特性。表述激光物理特性的参数很多，但对生物医学来说，最有直接关系的参数是：激光波长、输出能量或输出功率、辐照能量密度或辐照功率密度、辐照光斑的大小、照射持续时间或是脉冲宽度。其中，最常用的参数是辐照功率密度或辐照能量密度，即照射功率（能量）除以光斑面积，前者称“辐照度”[W/cm2（瓦/厘米2）]，后者称“辐照量”[J/cm2（焦/厘米2）]，它们是评价任何生物效应的主要参数，也是评价临床治疗效果的主要参数。计算公式是：
功率密度= 辐照功率/光斑面积=P/πr2
能量密度= 辐照能量/光斑面积=E/πr2
式中，P为辐照功率，其单位为瓦（W）；π为圆周率（约为3.14）；R为光斑半径；E为辐照能量，即辐照功率×脉宽，其单位为焦（J）。一般连续激光是用功率密度表示，脉冲激光用能量密度表示。
此外，激光束的波长、偏振及振荡方式、作用时间等特性对激光生物效应起到重要作用。
激光照射到人体的剂量大小不同，引起生物效应也不同，一般说，使组织破坏来达到治病的目的，如烧灼、凝固、切割、汽化的办法，我们称之为高强度激光或高功率激光，常用于外科手术、创伤止血等。非损伤性治疗，如照射皮肤软组织、穴位等。当激光作用于生物组织时，不造成生物组织不可逆的损伤，但利用激光具有的单一波长、单脉冲峰值能量等特性刺激生物机体产生一系列的应答反应起到调节增强或抑制的功能，从而达到治病的目的，这种激光我们称之为低强度激光或低功率激光。低强度激光的能量可调节大小，根据治疗效果需要，小能量可起到刺激作用，大能量则起到抑制作用。激光治疗灰指甲就是选择合适的激光介质波长、平均低强度激光功率和激光单脉冲峰值能量输出的性能作用的生物效应，调节合适的激光能量密度在人体病灶部位作用后达到治疗的效果。
通过国内外大量的临床疗效观察，应用YAG激光器治疗灰指甲疗效显著。治疗过程快速、安全、无痛感，可以有效地治疗真菌导致的不同临床类型的灰指甲。由于用YAG激光机治疗灰指甲时，不需对病甲进行任何处理，只用激光照射病甲就可从内部杀死各种真菌，此方法降低了复发的可能性，其对灰指甲的清除率高达95%以上，患者在治疗期间，无需再服用任何药物，也不会有任何的额外创伤，感觉不到疼痛，丝毫不会影响工作和生活。
三、采用技术方案及技术路线的依据
正常的人体指甲结构如图1所示。灰指甲的甲真菌细胞是通过沾在甲床表皮细胞上萌芽，生长，菌丝在甲基细胞中和细胞间渗透而感染指甲根。黑色素是甲真菌细胞壁的重要组成部分。暗黑色的真菌细胞活力增强，可以抵抗巨噬细胞和丁细胞的攻击，使人体指甲的局部免疫机制失效侵蚀到指甲沟指甲体，从而患上灰指甲。
针对灰指甲病原真菌的以上特点，利用Nd：YAG激光对病原真菌所具有的光裂解、光生物学反应和光化学反应、杀菌作用，来对抗灰指甲这种顽疾。
Nd：YAG激光治疗仪利用了真菌细胞的光裂解原理，使用长脉冲光能量技术，穿透指甲盖，在指甲床、指甲根上的坏死细胞和真菌细胞上产生热能，从而杀灭真菌细胞。
Nd：YAG激光治疗仪还有直接的杀菌作用，甲真菌的颜色对波长为1064nm的Nd：YAG激光能量有高吸收性，能引起局部高温气化反应，瓦解指甲内部微生物细胞，激活甲部修复机制。波长为1064nm的Nd：YAG激光的光能量主要被黑色吸收。当光强和光照时间达到条件时，主要成分为黑色素的真菌细胞壁会发生破裂。
利用Nd：YAG激光的光生物学反应和光化学反应也会攻击病原体细胞，并激起免疫反应。Nd：YAG激光的照射会使暗黑色的真菌细胞失活，能使人体的免疫机制有效发挥作用，攻击病原体。
用Nd：YAG激光治疗机照射2 到3 分钟就可使甲床温度升高至43 ℃～51 ℃之间，从而使99 %的真菌组织失去活性，这个剂量在瞬间杀死大部分菌落的同时产生细胞凋亡机制，真菌无法繁殖和生存。借助Nd：YAG激光治疗机发射的1Hz频率的长脉冲光能量，整个指甲盖仅需15秒就能达到理想的灭菌温度，从而杀死病菌恢复指（趾）甲正常形态。
Nd：YAG激光为治疗甲真菌病提供了一种更为安全、快捷、有效的方法。通过疗效观察，证明此技术优势明显，值得临床推广。
根据有关国外文献、专刊和临床实践的报道， YAG激光器治疗灰指甲的装置的主要技术指标如下：
激光器： Nd：YAG
激光波长： 1064nm； 最大连续输出功率： 60W；
可调节脉宽时间： 0.1～300ms；
可调节脉冲频率： 1Hz-50Hz
单脉冲能量： 20-2000Jm
光斑大小： 2～10mm
瞄准光波长： 605nm（红光）
激光腔冷却方式： 自动恒温水冷却
四、设计研发特点
实践证明；我们研发的国产YAG激光灰指甲治疗仪在技术指标、临床使用功能和治疗效果方面已达到国外设备先进水平。在安全性、稳定性、智能化、人性化等方面有所提升和创新。性价比优势明显，值得临床推广。见图2所示。
A：Nd：YAG激光器。
B：计算机显示器。
C：计算机主机和数控系统。
D：治疗台和数控平移装置。
E：吸尘装置。
F：激光聚焦和瞄准装置。
G：CCD视觉成像装置。
H：激光器数控升降装置。
1、安全性和稳定性
由于这种设备是应用于人体，所以对设备的安全性、稳定性要求非常严格。因为这种激光治疗仪是通过激光束照射病甲，促使真菌死亡，所以光束能量必须控制在只攻击感染细胞，而不伤害正常细胞。如果激光能量太强，患者指趾甲会有烧灼感；如果激光能量太弱，就起不到杀灭真菌的作用。激光的能量等参数必须调节准确，输出稳定。准确的调节参数使病甲在激光照射后温度保持在43℃-51℃之间，这样真菌就会失去复制和繁殖的能力，进而被完全杀灭，使指趾甲恢复到正常形态。输出参数的稳定可以保证医务人员为患者制定有效治疗周期和准确掌握和调整周期治疗方案。
2、设计的智能化和人性化
目前，国外激光灰指甲治疗仪在方便医护人员使用和患者治疗的智能化和人性化的功能欠缺。第一，大多治疗仪采用手持激光枪（枪内装置YAG激光器、光学聚焦和冷却水循环系统），医护人员近距离在患者的病灶部位进行照射治疗。第二，对治疗仪设置的治疗参数仅有显示功能，缺少针对个例病案使相关治疗参数进行分类存储、备份。无法进行患者病历档案电子信息的互通。为后续的治疗带来了不便。因此，激光治疗甲真菌病仪器装置的研发设计了以下功能：
⑴CCD视觉成像装置；
采用CCD视觉成像装置不但可以避免激光对眼睛的伤害，还能够通过计算机显示器观察、操作数控治疗台和激光器三维方向移动，精确对准治疗位置。见图示2。同时，通过CCD可对治疗过程生成静态图像和动态视频文件进行备份。
⑵治疗台和激光器三轴数控运动装置；
采用三轴数控装置可以将医生从手持激光枪装置的繁重治疗过程中解脱出来，由治疗人员通过计算机和显示器操作界面上有关数控按键进行自动或手动操作治疗。
⑶自动调焦装置及阵列自动照射治疗；
治疗人员帮助患者将病甲部位放置在治疗台中部并适当固定。经过CCD视觉成像装置观察、治疗台和激光器三轴数控装置调整，计算机显示器内图像达到清晰且十字叉线对准病甲治疗部位，即自动形成激光束焦点的焦距治疗范围。根据病甲的激光治疗面积，设置、选择合适的激光点射的阵列参数进行阵列自动照射治疗。
（4）激光治疗甲真菌病仪器智能化软件系统界面友好；
我们设计了专业智能化操作系统界面，在治疗参数设置、治疗操作过程、影像观察备份等方面使医生操作起來直观、方便、简单，治疗更加轻松。
五、结束语
临床实验表明：激光治疗甲真菌病还适用于不能耐受常规药物治疗的特殊人群，如儿童、老人、肝病或全身性疾病的患者；耐药菌株感染及抗真菌药物难以穿透的甲下真菌瘤；依从性差、吸收差、免疫抑制和甲生长为零的患者。该激光装置治疗甲真菌病简单迅速，费用低、无明显疼痛及其它副作用、疗程短、无发症；治疗过程高效、无不适感、安全可靠等特点。与传统治疗方式相比具有明显的技术和疗效优势。该疗法有望成为甲真菌病治疗的新手段。
参考文献
[1]Nd：YAG 1064nm激光治疗28例甲真菌病疗效评估；首都医科大学附属北京友谊医院：禚风麟？ 张蕊娜？？段晓涵？ 王东坤？？赵俊英 《中华皮肤科杂志2012年12期
[2]1064nm？Nd：YAG激光对5种甲真菌病重要致病菌的作用； 上海长征医院皮肤病与真菌病研究所，全军真菌病重点实验室，第二军医大学附属长征医院皮肤科：陈丽华？朱红梅？皇幼明？胡禅？谭宏月？钟彬？李平？温海？《中国真菌学杂志》？2013年4期
[3]Laser treatment of onychomycosis using a novel 0.65-millisecond pulsed Nd：YAG 1064-nm laserHochman LG Journal of Cosmetic and Laser Therapy 2011（01）
[关键词]YAG激光器；指甲真菌病；治疗仪器；研发设计
中图分类号：TF762.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0391-02
甲真菌病是指甲床和甲板持续性的真菌感染，俗称“灰指甲”病，患病率为2%～14%。该病顽固难治。目前，常用方法主要是口服和局部应用抗真菌药物。然而，局部外用药物很难达到治疗目的，而口服抗真菌药除了有一定的副作用外，治愈率有限，为此给患者身心健康带来很大程度的伤害。
目前，欧美正流行一种新型治疗方法，采用激光治疗。利用激光穿透力强的特点，用激光照射病甲，杀死甲板和甲下的真菌，从而治愈灰指甲。现在 国内多家医院购置国外进口激光医疗设备治疗“灰指甲”，有明显的疗效。但是，由于进口设备价格昂贵，售后维护不便，使这种治疗方法的推广受到了很大的制约。目前，性价比高的国产“灰指甲”激光治疗机设备是国内众多医疗机构的迫切需求。
二、论述
激光治疗甲真菌病的基本原理主要是利用激光生物效应。在激光生物效应中必然涉及两个方面，激光的物理特性和生物组织的特性。表述激光物理特性的参数很多，但对生物医学来说，最有直接关系的参数是：激光波长、输出能量或输出功率、辐照能量密度或辐照功率密度、辐照光斑的大小、照射持续时间或是脉冲宽度。其中，最常用的参数是辐照功率密度或辐照能量密度，即照射功率（能量）除以光斑面积，前者称“辐照度”[W/cm2（瓦/厘米2）]，后者称“辐照量”[J/cm2（焦/厘米2）]，它们是评价任何生物效应的主要参数，也是评价临床治疗效果的主要参数。计算公式是：
功率密度= 辐照功率/光斑面积=P/πr2
能量密度= 辐照能量/光斑面积=E/πr2
式中，P为辐照功率，其单位为瓦（W）；π为圆周率（约为3.14）；R为光斑半径；E为辐照能量，即辐照功率×脉宽，其单位为焦（J）。一般连续激光是用功率密度表示，脉冲激光用能量密度表示。
此外，激光束的波长、偏振及振荡方式、作用时间等特性对激光生物效应起到重要作用。
激光照射到人体的剂量大小不同，引起生物效应也不同，一般说，使组织破坏来达到治病的目的，如烧灼、凝固、切割、汽化的办法，我们称之为高强度激光或高功率激光，常用于外科手术、创伤止血等。非损伤性治疗，如照射皮肤软组织、穴位等。当激光作用于生物组织时，不造成生物组织不可逆的损伤，但利用激光具有的单一波长、单脉冲峰值能量等特性刺激生物机体产生一系列的应答反应起到调节增强或抑制的功能，从而达到治病的目的，这种激光我们称之为低强度激光或低功率激光。低强度激光的能量可调节大小，根据治疗效果需要，小能量可起到刺激作用，大能量则起到抑制作用。激光治疗灰指甲就是选择合适的激光介质波长、平均低强度激光功率和激光单脉冲峰值能量输出的性能作用的生物效应，调节合适的激光能量密度在人体病灶部位作用后达到治疗的效果。
通过国内外大量的临床疗效观察，应用YAG激光器治疗灰指甲疗效显著。治疗过程快速、安全、无痛感，可以有效地治疗真菌导致的不同临床类型的灰指甲。由于用YAG激光机治疗灰指甲时，不需对病甲进行任何处理，只用激光照射病甲就可从内部杀死各种真菌，此方法降低了复发的可能性，其对灰指甲的清除率高达95%以上，患者在治疗期间，无需再服用任何药物，也不会有任何的额外创伤，感觉不到疼痛，丝毫不会影响工作和生活。
三、采用技术方案及技术路线的依据
正常的人体指甲结构如图1所示。灰指甲的甲真菌细胞是通过沾在甲床表皮细胞上萌芽，生长，菌丝在甲基细胞中和细胞间渗透而感染指甲根。黑色素是甲真菌细胞壁的重要组成部分。暗黑色的真菌细胞活力增强，可以抵抗巨噬细胞和丁细胞的攻击，使人体指甲的局部免疫机制失效侵蚀到指甲沟指甲体，从而患上灰指甲。
针对灰指甲病原真菌的以上特点，利用Nd：YAG激光对病原真菌所具有的光裂解、光生物学反应和光化学反应、杀菌作用，来对抗灰指甲这种顽疾。
Nd：YAG激光治疗仪利用了真菌细胞的光裂解原理，使用长脉冲光能量技术，穿透指甲盖，在指甲床、指甲根上的坏死细胞和真菌细胞上产生热能，从而杀灭真菌细胞。
Nd：YAG激光治疗仪还有直接的杀菌作用，甲真菌的颜色对波长为1064nm的Nd：YAG激光能量有高吸收性，能引起局部高温气化反应，瓦解指甲内部微生物细胞，激活甲部修复机制。波长为1064nm的Nd：YAG激光的光能量主要被黑色吸收。当光强和光照时间达到条件时，主要成分为黑色素的真菌细胞壁会发生破裂。
利用Nd：YAG激光的光生物学反应和光化学反应也会攻击病原体细胞，并激起免疫反应。Nd：YAG激光的照射会使暗黑色的真菌细胞失活，能使人体的免疫机制有效发挥作用，攻击病原体。
用Nd：YAG激光治疗机照射2 到3 分钟就可使甲床温度升高至43 ℃～51 ℃之间，从而使99 %的真菌组织失去活性，这个剂量在瞬间杀死大部分菌落的同时产生细胞凋亡机制，真菌无法繁殖和生存。借助Nd：YAG激光治疗机发射的1Hz频率的长脉冲光能量，整个指甲盖仅需15秒就能达到理想的灭菌温度，从而杀死病菌恢复指（趾）甲正常形态。
Nd：YAG激光为治疗甲真菌病提供了一种更为安全、快捷、有效的方法。通过疗效观察，证明此技术优势明显，值得临床推广。
根据有关国外文献、专刊和临床实践的报道， YAG激光器治疗灰指甲的装置的主要技术指标如下：
激光器： Nd：YAG
激光波长： 1064nm； 最大连续输出功率： 60W；
可调节脉宽时间： 0.1～300ms；
可调节脉冲频率： 1Hz-50Hz
单脉冲能量： 20-2000Jm
光斑大小： 2～10mm
瞄准光波长： 605nm（红光）
激光腔冷却方式： 自动恒温水冷却
四、设计研发特点
实践证明；我们研发的国产YAG激光灰指甲治疗仪在技术指标、临床使用功能和治疗效果方面已达到国外设备先进水平。在安全性、稳定性、智能化、人性化等方面有所提升和创新。性价比优势明显，值得临床推广。见图2所示。
A：Nd：YAG激光器。
B：计算机显示器。
C：计算机主机和数控系统。
D：治疗台和数控平移装置。
E：吸尘装置。
F：激光聚焦和瞄准装置。
G：CCD视觉成像装置。
H：激光器数控升降装置。
1、安全性和稳定性
由于这种设备是应用于人体，所以对设备的安全性、稳定性要求非常严格。因为这种激光治疗仪是通过激光束照射病甲，促使真菌死亡，所以光束能量必须控制在只攻击感染细胞，而不伤害正常细胞。如果激光能量太强，患者指趾甲会有烧灼感；如果激光能量太弱，就起不到杀灭真菌的作用。激光的能量等参数必须调节准确，输出稳定。准确的调节参数使病甲在激光照射后温度保持在43℃-51℃之间，这样真菌就会失去复制和繁殖的能力，进而被完全杀灭，使指趾甲恢复到正常形态。输出参数的稳定可以保证医务人员为患者制定有效治疗周期和准确掌握和调整周期治疗方案。
2、设计的智能化和人性化
目前，国外激光灰指甲治疗仪在方便医护人员使用和患者治疗的智能化和人性化的功能欠缺。第一，大多治疗仪采用手持激光枪（枪内装置YAG激光器、光学聚焦和冷却水循环系统），医护人员近距离在患者的病灶部位进行照射治疗。第二，对治疗仪设置的治疗参数仅有显示功能，缺少针对个例病案使相关治疗参数进行分类存储、备份。无法进行患者病历档案电子信息的互通。为后续的治疗带来了不便。因此，激光治疗甲真菌病仪器装置的研发设计了以下功能：
⑴CCD视觉成像装置；
采用CCD视觉成像装置不但可以避免激光对眼睛的伤害，还能够通过计算机显示器观察、操作数控治疗台和激光器三维方向移动，精确对准治疗位置。见图示2。同时，通过CCD可对治疗过程生成静态图像和动态视频文件进行备份。
⑵治疗台和激光器三轴数控运动装置；
采用三轴数控装置可以将医生从手持激光枪装置的繁重治疗过程中解脱出来，由治疗人员通过计算机和显示器操作界面上有关数控按键进行自动或手动操作治疗。
⑶自动调焦装置及阵列自动照射治疗；
治疗人员帮助患者将病甲部位放置在治疗台中部并适当固定。经过CCD视觉成像装置观察、治疗台和激光器三轴数控装置调整，计算机显示器内图像达到清晰且十字叉线对准病甲治疗部位，即自动形成激光束焦点的焦距治疗范围。根据病甲的激光治疗面积，设置、选择合适的激光点射的阵列参数进行阵列自动照射治疗。
（4）激光治疗甲真菌病仪器智能化软件系统界面友好；
我们设计了专业智能化操作系统界面，在治疗参数设置、治疗操作过程、影像观察备份等方面使医生操作起來直观、方便、简单，治疗更加轻松。
五、结束语
临床实验表明：激光治疗甲真菌病还适用于不能耐受常规药物治疗的特殊人群，如儿童、老人、肝病或全身性疾病的患者；耐药菌株感染及抗真菌药物难以穿透的甲下真菌瘤；依从性差、吸收差、免疫抑制和甲生长为零的患者。该激光装置治疗甲真菌病简单迅速，费用低、无明显疼痛及其它副作用、疗程短、无发症；治疗过程高效、无不适感、安全可靠等特点。与传统治疗方式相比具有明显的技术和疗效优势。该疗法有望成为甲真菌病治疗的新手段。
参考文献
[1]Nd：YAG 1064nm激光治疗28例甲真菌病疗效评估；首都医科大学附属北京友谊医院：禚风麟？ 张蕊娜？？段晓涵？ 王东坤？？赵俊英 《中华皮肤科杂志2012年12期
[2]1064nm？Nd：YAG激光对5种甲真菌病重要致病菌的作用； 上海长征医院皮肤病与真菌病研究所，全军真菌病重点实验室，第二军医大学附属长征医院皮肤科：陈丽华？朱红梅？皇幼明？胡禅？谭宏月？钟彬？李平？温海？《中国真菌学杂志》？2013年4期
[3]Laser treatment of onychomycosis using a novel 0.65-millisecond pulsed Nd：YAG 1064-nm laserHochman LG Journal of Cosmetic and Laser Therapy 2011（01）