飞秒激光连接离体皮肤组织工艺及热损伤评估试验研究

作     者：夏胜男 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄俊

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 1002[医学-临床医学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 100215[医学-康复医学与理疗学] 10[医学] 

主      题：飞秒激光 纹理特征 热损伤 蛋白质变性 皮肤组织 

摘      要：飞秒激光作为现代医疗的新兴手段,具有精确度高、副作用小等优势,利用其产生的能量可以诱导被连接皮肤组织的蛋白质分子结构发生变化,实现组织断端连接。然而,利用飞秒激光连接皮肤组织的方法尚存在机理不明确、工艺不稳定、热损伤严重等问题,限制了其在生物组织连接方面的进一步应用。 论文采用单因子试验和响应面法设计试验,研究激光功率、扫描速度、扫描次数、离焦量、扫描路径、激光脉冲频率6个工艺参数对离体皮肤组织切口抗拉强度及峰值温度的影响规律,获得了合适的工艺参数范围。 采用响应面法设计试验,利用图像纹理特征提取方法,提取了离体皮肤显微组织纹理的角二阶矩、熵、对比度和相关性4个特征参数,用显微组织特征参数评估离体皮肤热损伤程度,分析飞秒激光工艺参数对离体皮肤显微组织4个特征值的影响。结果表明,激光功率和扫描速度对皮肤显微组织的角二阶矩和熵值有显著影响,激光功率、扫描速度和扫描次数均对对比度有显著影响,激光功率对相关性的影响显著;除了单因子影响外,扫描速度和扫描次数的交互作用对角二阶矩影响显著,激光功率和扫描速度的交互作用对对比度有显著的影响。 以连接后的组织热变性度作为评估皮肤组织热损伤程度的参数,分析飞秒激光工艺参数对皮肤组织热变性度的影响规律。结果表明,激光功率、激光功率和扫描速度的交互作用对组织的热变性度有显著影响,得出了组织热变性度与显微组织特征参数之间的对应关系——热变性度较大时,角二阶矩较大,熵值和对比度小。 从皮肤组织拉曼光谱特征峰的峰强变化来分析连接后皮肤组织内部蛋白质变性程度。结果表明,在激光作用下,拉曼光谱峰强下移,皮肤组织中的蛋白质分子转变为无序和热稳定性较差的结构。随着温度升高,皮肤组织内蛋白质分子链解和重连的数量增多,对提高连接后皮肤切口抗拉强度有一定促进作用。但温度过高时,蛋白质结构呈现极不稳定的状态,蛋白质变性程度加剧,造成严重的热损伤。 综合分析离体皮肤组织纹理特征参数、热变性度以及蛋白质变性程度之间的对应关系,可以得出,当使用激光功率为18 W,扫描速度为40 mm/s,扫描次数为75次的飞秒激光工艺参数连接离体皮肤时,离体皮肤组织切口抗拉强度较大,达到0.212 MPa,对应的拉曼光谱显示酰胺Ⅰ带的峰强较小,蛋白质变性程度较高。皮肤组织显微组织纹理特征参数、组织热变性度、蛋白质变性程度表征的热损伤程度一致。