9、激光诱导击穿光谱结合人工神经网络用于激光骨切开术中碳化前检测

激光诱导击穿光谱结合人工神经网络用于激光骨切开术中碳化前检测

1. 激光骨切开术概述

激光骨切开术相较于传统方法，具有高精度、愈合快和组织损失少的优势，同时由于是非接触式操作，还能降低细菌污染的风险。为实现高效的激光消融，人们采用了多种激光源，如800nm的Ti:sapphire激光、10.4µm的二氧化碳（CO₂）激光、532nm和1064nm的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光谐波、2.1µm的钬（Ho:YAG）激光以及2.94µm的铒（Er:YAG）激光等。不同的激光脉冲持续时间会导致不同的激光 - 组织相互作用机制，进而影响周围组织的损伤风险和组织去除率。相对较长的脉冲持续时间（微秒范围）会引发光热相互作用，可实现大量组织去除，但也会使周围组织升温。

为避免周围组织的热损伤，通常会采用水基灌溉系统。然而，这带来了一个优化问题：一方面，水在3µm左右吸收较强，样品表面积水会阻挡激光束；另一方面，骨表面缺水可能会损伤消融区域或周围组织，最常见的损伤是碳化，这会延迟愈合。因此，需要一个反馈系统来检测骨样品的早期碳化或脱水情况，并调整表面的水量或停止消融激光。

2. 实验设置

• 消融实验 ：使用闪光灯泵浦的Er:YAG激光，产生280µs、波长为2.94µm的脉冲，重复频率可在1 - 20Hz之间调整，1Hz时输出能量高达900mJ。激光束无聚焦光学元件，直接照射样品，仅造成脱水或碳化，不进行消融，光束直径为4mm。
• 检测系统 ：采用倍频Nd:YAG激光，产生5ns、波长为532nm的脉冲，诱导样品表面产生等离子体光。输出能量在0.2 - 20H