探討 Nd:YAG 雷射極小光斑在去除雀斑的應用 Investigate the Effect of Nd:YAG Laser Small Spot on Freckle Removal

(國科會計畫編號：DY-01-01-04-98) 李炅璘 Jiong-Lin Li1 洪一中 I-Chung Hung2 黃致豪 Chih-Hao Huang3

郭奕谷 I-Ku Kuo4 黃承好 Cheng-Hao Huang4 鍾高基 Kao-Chi Chung1 1國立成功大學醫學工程研究所 Institute of Biomedical Engineering, National Cheng Kung University

2南台科技大學電機工程系 Department of Electrical Engineering, Southern Taiwan University 3大葉大學分子生物科技學系 Department of Molecular Biotechnology, Da-Yeh University

4成果科技股份有限公司 Kera Harvest Incorporation

一、中文摘要

隨著光電技術的進步與發展，雷射技術逐漸

的在各方面被廣泛使用包括醫療美容，尤其是雷

射除斑。在目前的雷射去除斑點，當治療小面積

類型的斑點時，雷射光斑過大會傷害到斑點以外

的正常組織，此外雷射的能量過高會導致術後的

紅腫與疤痕等等的副作用，因此發展極小光斑及

低能量將成為趨勢。

本研究目的為探討 Nd：YAG 雷射極小光斑

去除雀斑的可行性。分為：(1) 蒙地卡羅模擬單一

光子在皮膚組織內的傳遞，基於此方法模擬一束

雷射在組織中的能量分佈，並探討不同光斑大小

穿透皮膚組織後的能量分佈。(2) 不同雷射光斑大

小穿透豬皮組織後的能量衰減實驗 (3) Nd：YAG雷射小光斑除斑實驗，以灰階值分佈與影像辨識的

分式做處理。模擬結果顯示，不論雷射光斑大小，

在相同組織深度其能量百分比相當接近，且各組

穿透豬皮組織後的能量差異很小，雷射除斑實驗

結果顯示，小光斑在除斑上是可行的。 關鍵詞：蒙地卡羅模擬、影像辨識 Abstract

Laser technique shows wide application in many directions with the development of photoelectric theory. Especially the laser technique used in medical beauty for spot removal. When the laser technique is used in small spot removal, normal tissue around the small spot will be damaged. Because the laser spot size is too large and the laser pulse energy is too high. Therefore, the development of small spot size and low pulse energy for medical beauty laser will reduce the occurrence of swells and scars.

There are three parts to test and verify the feasibility of freckle removal by a Nd:YAG laser with small spot size and low pulse energy in this study. First, the Monte Carlo simulation of single photon transmission in skin tissue, simulation laser

energy distribution in tissue to the same way, and investigate laser energy distribution in skin tissue for different spot size. Second, recording the attenuation of energy after penetrating the pig tissue with different spot sizes. Third, The experiment of Nd：YAG small spot size laser spot removal, gray level distribution and image recognize was used to spot image. The results of Monte Carlo simulation, the same laser energy attenuation rate in same tissue depth for different laser spot size, and small variety of laser energy for different laser spot size. The results of Nd：YAG small spot size laser spot removal, the effective use of spot removal for small laser spot size and low energy. Keywords : Monte Carlo Simulation、Image Recognize 二、緣由與目的

雷射在醫療美容治療上日漸顯得重要，尤其

是在治療令人煩惱的斑點問題，不論是淺層斑與

深層斑等等，越來越多的醫生與病人選用了雷射

治療方式，然而在目前的雷射除斑治療方式上光

斑的大小與雷射能量高低的選用較令使用者所遲

疑，因為光斑過大會傷害到斑點以外的正常組織

造成傷害，另外雷射的能量過高會導致術後的紅

腫與疤痕等等的副作用[1]。 在光學特性上，由於雷射光對於標的物會有

熱破壞與選擇性光熱分解的兩大特性，故可以選

擇性的破壞某些特定標的物，另外在現有雷射除

斑技術中，其 Nd:YAG 雷射除斑被使用於治療淺

層斑及深層斑，Nd:YAG 波長為 1,064 nm，然而

經由兩倍頻的技術(倍頻晶體 KTP)可將波長調變

成 532 nm，在目前 Nd:YAG 技術上，由於波長

1,064 nm 的穿透深度比波長 532 nm 深，相較之 下

大多以波長 532 nm 治療淺層斑，波長 1,064 nm治療深層斑[2]。

本研究目的為探討 Nd：YAG 雷射極小光斑

去除雀斑的可行性。特定目標：(1)蒙地卡羅模擬

不同光斑與能量穿透皮膚組織後的能量分佈，(2)應用動物實驗，探討雷射光斑大小穿透豬皮組織

後的能量衰減，(3)應用天竺鼠動物實驗，探討Nd：YAG 雷射小光斑在除斑的可行性。

三、材料與方法

本研究利用蒙地卡羅模擬不同光斑與能量穿

透皮膚組織後的能量分佈及衰減，接著利用雷射

光斑大小穿透固定厚度豬皮組織後的能量分佈與

衰減實驗來驗證模擬的結果，最後利用天竺鼠動

物實驗，探討 Nd：YAG 雷射小光斑除斑的可行

性。本研究整體流程圖如下：

圖 1 整體架構流程圖

首先以蒙地卡羅模擬不同光斑與能量穿透組

織後的能量分佈，第一階段為模擬單一光子在組

織內的傳遞，設定組織吸收係數 44 cm-1，散射係

數 600 cm-1，非均向散射係數 0.77[3]，散射次數

為 500，當模擬過程中光子跑出範圍外則顯示當時

模擬結果並終止模擬，如果模擬過程中光子皆未

超過範圍，完成模擬次數，顯示模擬結果並終止

模擬。第二階段為基於模擬單一光子的方法，進

而模擬不同雷射光班在組織內的能量分佈[4]。 雷射光斑大小穿透豬皮組織後的能量衰減實

驗，實驗分為五組：Group 1 雷射光斑直徑為 0.5 mm；Group 2 雷射光斑直徑為 1.0 mm；Group 3雷射光斑直徑為 1.5 mm；Group 4 雷射光斑直徑

為 2.0 mm；Group 5 雷射光斑直徑為 2.5 mm。由

上述的實驗分組，在相同單一能量脈衝 20mJ 與相

同厚度 1 mm 豬皮樣本條件下，施打於豬皮組織

樣本上的六個位置，使用 Laser Energy Meter 與

Pyroelectric Joulemeter 量測穿透樣本後的能量，將

所得的能量資料使用 SPSS 軟體進行統計分析。 Nd:YAG 雷射小光斑除斑實驗，本實驗分為

Group 1 雷射光斑直徑 1 mm，單一脈衝能量 7.85 mJ，能量密度 1 J/cm2施打雷射；Group 2 以雷射

光斑直徑 2 mm，單一脈衝能量 31.4 mJ，能量密

度 1 J/cm2施打雷射；Group 3 以雷射光斑直徑 1 mm，單一脈衝能量 15.7 mJ，能量密度 2 J/cm2施

打雷射；Group 4 以雷射光斑直徑 2 mm，單一脈

衝能量 62.8 mJ，能量密度 2 J/cm2施打雷射。擷

取黑色斑點皮膚的影像資本資料，再由上述的實

驗分組施打於皮膚黑色斑點的不同位置，接著擷

取施打完雷射後的黑色斑點影像，最後以灰階值

分佈與影像辨識的方式分析。 四、結果與討論

單一光子在皮膚組織內的傳遞情況有兩種，

一種為如果在還未完成所設定的散射次數時，光

子就已經超出模擬的組織範圍外則終止模擬，顯

示當時模擬結果如圖 2 所示。

圖 2 未完成 500 次散射而光子超出組織範圍結果

另一種傳遞結果，如果傳遞過程中光子皆未

超出模擬範圍外，並完成設定的 500 次散射，顯

示傳遞結果如圖 3 所示，圖中圓圈處為光子完成

500 次散射。

圖 3 完成 500 次散射結果

蒙地卡羅模擬雷射光斑直徑 0.5、1.0、1.5、

2.0、2.5mm 及雷射能量 20 mJ 進入皮膚組織內能

量分佈的結果，模擬結果雷射能量隨組織深度越

深而逐漸衰減，如圖 4～8 所示。

圖 4 光斑直徑 0.5 mm，雷射能量 20 mJ 結果

圖 5 光斑直徑 1.0 mm，雷射能量 20 mJ 結果

圖 6 光斑直徑 1.5 mm，雷射能量 20 mJ 結果

圖 7 光斑直徑 2.0 mm，雷射能量 20 mJ 結果

圖 8 光斑直徑 2.5 mm，雷射能量 20 mJ 結果

雷射光斑直徑 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm，

在不同組織深度時的能量百分比(圖 9)，由結果顯

示得知，當相同組織深度，不同光斑大小的能量

百分比之間差異很小。

圖 9 各種光斑在不同深度下的能量百分比

單一脈衝雷射能量 20 mJ，以雷射光斑直徑

為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm，施打於 1 mm 厚

度豬皮組織上六個位置，各位置的穿透後雷射能

量紀錄(表 1)，並計算各光斑的能量衰減(圖 10)，其各光斑直徑大小衰減百分比差異很小，與先前

模擬的結果相近。

表 1 雷射穿透樣本後能量紀錄

圖 10 各光斑的雷射能量衰減百分比

雷射光斑直徑 1 mm，能量密度 1 J/cm2

施打於

天竺鼠皮膚上的結果(圖 11)，並利用影像處理辨

識結果(圖 12)，由辨識結果得知灰階值分佈在施

打雷射前後有明顯的變化。

圖 11 雷射光斑直徑 1 mm，能量密度 1J/cm2

圖 12 實驗前後灰階值分佈與二值化結果

雷射光斑直徑 1 mm，能量密度 2 J/cm2

施打於

天竺鼠皮膚上的結果(圖 13)，並利用影像處理辨

識結果(圖 14)，由辨識結果得知灰階值分佈在施

打雷射前後有明顯的變化。

圖 13 雷射光斑直徑 1 mm，能量密度 2 J/cm2

圖 14 實驗前後灰階值分佈與二值化結果

雷射光斑直徑 2 mm，能量密度 1 J/cm2

施打於

天竺鼠皮膚上的結果(圖 15)，並利用影像處理辨

識結果(圖 16)，由辨識結果得知灰階值分佈在施

打雷射前後有明顯的變化。

圖 15 雷射光斑直徑 2 mm，能量密度 1 J/cm2

圖 16 實驗前後灰階值分佈與二值化結果

雷射光斑直徑 2 mm，能量密度 2 J/cm2

施打於

天竺鼠皮膚上的結果(圖 17)，並利用影像處理辨

識結果(圖 18)，由辨識結果得知灰階值分佈在施

打雷射前後有明顯的變化。

圖 17 雷射光斑直徑 2 mm，能量密度 2 J/cm2

圖 18 實驗前後灰階值分佈與二值化結果

五、結論

由本研究的結果可得以下結論：(1)蒙地卡羅

模擬結果顯示，雷射光斑的大小對於雷射能量在

皮膚組織內的能量分佈與衰減影響很小，因此小

光斑能量所能達到的深度與大光斑相同。(2)雷射

穿透豬皮組織後能量衰減實驗結果顯示，光斑大

小與雷射穿透後的能量並沒有統計上的顯著差異

由能量資料顯示，各組光斑之間的能量衰減比例

差異很小，模擬與實驗結果相同。(3)除斑實驗結

果顯示，以較高能量密度且大光斑來除斑相較於

低能量密度且小光斑的效用更佳，雖然小光斑及

低能量密度在除斑效用沒那麼顯著，卻還是有去

除斑點效用，因此小光斑在除斑是可行的。 六、致謝 本 研 究 承 蒙 國 科 會 研 究 計 畫 編 號

DY-01-01-04-98補助，在此致謝。 七、參考文獻 [1]蔡仁雨，“皮膚美容外科學”，武陵出版社，2000 [2]國家科學委員會光電小組，“雷射醫學：原理及

臨床應用”，民國90年 [3]Wai-Fung Cheong,Scott A.Prahl, Ashley J. Welch,“A Review of the Optical Properties of Biological Tissues” IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 26. NO. 12, DECEMBER 1990 [4] S. A. Prahl, M. Keijzer, S. L. Jacques, A. J. Welch,“A Monte Carlo Model of Light Propagation in Tissue”, SPIE Institute Series Vol. IS 5 (1989)