Desıgn and development of thulıum laser system for medıcal applıcatıons

Abstract

Tulyum (Tm:YAP) laseri su tarafından iyi soğrulduğundan dolayı medikal uygulamalar için uygundur.Bu tezde, bilgisayar kontrollü 1 W güçlerinde ve 1980 nm dalgaboyunda ışıyan Tm:YAP laser sistemi geliştirilmiştir. Laser sistemi kararlı hale getirildikten sonra, çıkış gücü, spot büyüklüğü ve ışık yoğunluğu ölçümleri yapılmıştır. Laser sisteminin beyin, karaciğer, kalp, ve böbrek dokuları üzerindeki ısısal etkileri canlı doku üzerinde yapılacak gelecek çalışmalar öncesinde fotoğraflar ile analiz edilmiştir. Laser sisteminin ablasyon verimi canlı beyin dokusu üzerinde deneysel olarak test edilmiştir. En yüksek ablasyon verimi 200 mW gücünde ve 10 saniye süresi (69 W/cm2) için elde edilmiştir. Deri dokusu üzerinde ablasyon uygulamaları için laser sisteminin ışınım etkisi Wistar sıçanlarının deri dokusu üzerinde 4 günlük iyileşme süresi boyunca histoloji çalışması ile analiz edilmiştir. Termal kamera ve ısılçiftler ile deri üstünden ve altından sıcaklık ölçümleri yapılarak, Tm:YAP laser sisteminin sürekli dalga ve darbeli operasyon modlarındaki ısıl etkisi incelenmiştir. Sürekli operasyon modunda sıcaklık artışı daha hızlı, sıcaklık düşüşü ise daha yavaştır. Çalışmanın ana amacı sürekli dalga ve darbeli operasyon modlarındaki Tm:YAP laserinin Wistar sıçan derisi üzerinde 21 günlük iyileşme süresi boyunca doku kaynağı özelliklerin ortaya çıkarılmasıdır. Tam-kalınlıklı kesilere 100 mW ve 5 saniye süresince (34.6 W/cm2) doku kaynağı yapılmıştır. Sonuçlar histoloji ve çekme testi ölçümleri yapılarak göreneksel dikiş yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Laser modlarında 4. günden sonra tam kapanma sağlanmıştır, oysaki dikiş yapılan grupta 4. güne kadar tam kapanma gözlemlenmemiştir. Çekme testi analizlerinde, darbeli ve sürekli operasyon modlarındaki çekme güçleri, dikiş tekniği ile elde edilen güçlere göre yüksek bulunmuştur. Tm:YAP laseri ile doku kaynağı geleneksel dikiş yöntemine göre güçlü kapamalar sağlamıştır.

The Thulium (Tm:YAP) laser is suitable for medical applications due to strongabsorption in water. In this thesis, a computer controlled Tm:YAP laser system witha power output up to 1 W and emission wavelength of 1980 nm were established.Once the laser system was stabilized, its output power, spot size, and light intensitymeasurements were performed. The thermal effects of the laser system on brain, liver,heart, and kidney tissues were macroscopically analyzed. The ablation efficiency ofthe laser system was experimentally tested on ex-vivo brain tissue. The maximumablation efficiency was obtained at a power level of 200 mW with a duration of 10seconds (69 W/cm2). The fluence effect for skin ablation was analyzed by histology onWistar rat skin tissues during a 4-day healing period. Temperature measurements bythermal camera and thermocouples were investigated to see the temperature effect ofCW and modulated mode of the Tm:YAP laser under skin and on skin surface. Thetemperature increase was faster and the temperature decrease was found slower in CWmode. The main aim of the study is to explore the welding capabilities of Tm:YAPlaser in modulated and CW modes of operation on Wistar rat skin during 21-dayhealing period. Full-thickness incisions were welded at 100 mW and 5 s (34.6 W/cm2).The results were compared to conventional suture techniques by both histology andtensile strength measurements. After day 4, full closure was obtained for both lasermodes, whereas, full closure was not observed till day 4 in suture group. In tensilestrength analysis, tensile forces found for both modulated and CW modes of operationwere significantly higher than the tensile force values found for conventional suturetechnique. Tm:YAP laser tissue welding possessed significantly stronger closure thanconventional suture technique.