激光医疗器械介绍

激光医疗设备,回顾:激光产业一览,从1960年发明激光到20世纪70年代中期，激光产业尚未形成规模。这一阶段，人们主要在研究激光器的基础现论，主要是军事应用，那时的激光产业很小，1975年全球激光产业仅为0.617亿美元。20世纪70年代后期，各类激光器的性能在迅速提高，特别是固体激光器、CO2激光器、 He-Ne激光器、半导体激光器的寿命、模式、稳定性等性能大大改善，使它们不仅在军事领域，而且在其他领域获得了广泛应用。到1999年，全球激光器的销售额将达46亿美元。现在，这些激光器件正在激光通信、光学存储、材料加工、激光医学、图像记录、打印和印刷、检测、传感等领域发挥独特作用，对人类生活产生了不可估量的影响。,1、 材料加工仍为主要应用：材料加工主要包括用激光对金属、 塑料、陶瓷等材料进行切割、焊接、表面处理、打标、打孔等，此外还包括激光微加工和激光快速成型等。 2、 医用激光发展迅速：1996，1997年医用激光一直在以20%-30%的速度增长。 3、 研究领域有不断的需求：在这一领域，LD泵浦固体激光器，特别在超快领域，增长最快。 4、 分析及生物医学仪器应用：在这一领域主要应用气体和离子激光器。,5、 成像记录：成像记录包括商业印刷系统、医用成像仪器、台式计算机用的打印机、传真机、复印机等。 6、 遥感应用：遥感应用包括大气化学元素浓度、空气流动、森林植被调查等的激光测量系统。此外，还包括采用半导体激光器的自动防撞系统。 7、 检查、测量和控制：这一领域的激光应用在整个激光应用中所占的份额很小，约为1%，但包含的内容较多，如用于建筑业和农业的准直激光系统，用于非破坏测量或机器视觉中激光器。 8、 娱乐：该领域包括激光娱乐、激光束显示、激光指示器、全息显示。 9、 光存储：用于光存储的激光器大部分是半导体激光器。,10、 光通信：光通信用的激光器差不多全部是半导体激光器，只有少量的CATV系统采用1310纳米或1550纳米LD泵浦固体激光器。通信用的激光器主要有两类：光纤放大器用的泵浦光源和发射机用的信号光源。1998年，全部激光器在通信领域的销售额高达14亿美元. 11、 条码扫描：条形码扫描器主要采用半导体激光器，只有一些老的系统还在使用 He-Ne激光器（大约30000只/年）。 12、 正在出现的新应用：该领域包括航空、军事、区域网、计算机应用等。航空和军事又包括商用导航、军事演习系统、测距仪、卫星和激光冷却等。区域网包括计算机区域互连网。,光的本性,古希腊哲学家们认为光是高速运动的粒子流 科学家牛顿 牛顿提出著名的光微粒说光是由极小的高速运动微粒组 成的；不同色光有不同的微粒，其中紫光微粒的质量最大，红光微粒的质量最小。利用这种学说牛顿解释了光的折射、反射和上面描述的色散现象。爱因斯坦于1905年提出光量子说来解释光电效应实验。认为光是一束束以光速运动的粒子 流，每一个光粒子都携带着一份能量。爱因斯坦则进 一步认为光在传播过程中也具有粒子性。,荷兰人惠更斯 1678年提出波动理论来解释光的本性。 他认为光的微粒理论无法解释光线可以相互交叉通过 而互不影响，但这却是波的基本性质。利用光的波动理论也很容易解释光的反射与折射现象。 到1863年麦克斯韦 发表著名的电磁理论，揭示了光波其实是电磁波的一种，电磁波的传播 不需要媒质。用麦克斯韦理论无法解释光电效应实验 光电效应实验使传统的光学理论受到严峻考验,光到底是什么？ 光一方面具有波动的性质，如干涉、偏振等；另一方面又具有粒子的性质，如光电效应等。这两方面 的综合说明光不是单纯的波，也不是单纯的粒子，而是具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。,激光日常生活中，我们常常接触到激光.,日常生活中，我们常常接触到激光.,课堂上我们所用的激光指示器 电脑或音响组合中用来读取光碟资料的光碟机 工业上，激光常用于切割或微细加工 军事上，激光被用来拦截导弹 科学家也利用激光非常准确地测量了地球和月球的距离，涉及的误差只有几厘米激光的用途那么广泛，究竟它是如何产生的呢？,了解激光产生原理，我们必先了解物质的结构，与激光的辐射和吸收的原理。,通过这个简单的模型可以帮助我们说明激光的基本原理,能阶跃迁 ? 电子可以透过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶。 1. 自发吸收 跃迁又可分为三种形式 2. 自发辐射 3. 受激辐射,1.自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶 (图 a)。 2.自发辐射 - 电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 (图 b)。 3.受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子 (图 c)。,电子处于可能的最低能阶时 ,称之为基态.电子处于较高的能阶时 ,称之为受激态.激光基本上就是由第三种(受激辐射)跃迁机制所产生的。,原子激发的几种基本方式,气体放电激发原子间碰撞激发光激发,以红宝石激光 为例,它由一枝闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原 子。,在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。 而释放出的光子会被射于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜 子则会把大部分光子反射，并让余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。,粒子数反转,产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例 ，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约10-7 秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子停留在亚稳态的时间很长，大约是10-3秒 或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。 粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受 激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。,普通灯光与激光的比较,激光透过受激辐射产生，有以下三大特性 :,1. 激光是单色的，在整个产生的机制中，只会产生一种波长的光。这与普通的光不同，例如阳光和灯光都是由多种波长的光合成的，接近白光。2. 激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它们迭加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光，它们的相和偏振是随机的，相对于激光，这些光就弱得多了。3. 激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以有很强的威力。相反，灯光分散向各个方向转播，所以强度很低。,小结1:产生激光的 5个条件,受激幅射是产生激光的首要条件 要形成激光，工作物质必须具有亚稳态能级。这是产生激光的第二个条件 选择适当的物质，使其在亚能级上的电子比低能级上的电子还多，即形成粒子数反转，使受激发射多于吸收。这是产生激光的第三个条件 激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个振荡腔。这是产生激光的第四个条件 只有使光子在腔中振荡一次产生的光子数比损耗掉的光子多得多时，才能有放大作用，这是产生激光的第五个条件,小结2: 以能量划分，激光可大致可分为三类,第一类是低能量激光，这类激光通常以气体为激光介质，例如在超级市场中常用的条形码扫描仪，就是用氦气和氖气作为激光介 质的；第二类是中能量激光，例如在课堂上用的激光指示器；最后一类为高能量激光.,一般用半导体作为激光介质，输出的功率可高达 500 mW。用于热核聚变实验的激光可发射出时间极短但能量极高的激光脉冲，其脉冲功率竟可达1014 W！这激光可产生达一亿度的高温，引发微粒状的氘-氚燃料进行热核聚变,激光医疗设备及其应用机理,不同类型的激光治疗范围不同下面例举几种激光应用:,宝石激光系波长6943的单色红光，脉冲式输出（焦尔级）或连续式输出（毫瓦级），主要用于治疗眼科疾病。,氮分子激光系波长3371的单色长波紫外光，脉冲输出，功率0.12.0毫焦耳，可用于治疗较表浅的局限的化脓性炎症，感染创面、头癣、手、足癣、湿疹、神经性皮炎、皮肤皲裂、结节性痒疹、白癜风、外耳道疖肿、扁桃腺炎等；也可用做穴位照射，治疗气管炎、支气管哮喘、神经衰弱等内科和神经科的病症；此外，氮分子激光还可做为荧光检查的光源，诊断早期肿瘤。,氩离子激光系波长4880、5140与5145的兰青绿光，连续输出，应用功率12瓦的氩激光穴位照射可治疗外伤性截瘫、脑炎后遗症、蛛网膜炎、小儿麻痹后遗症、神经衰弱、支气管哮喘、慢性肝炎、糖尿症、遗尿症等。,掺钕钇铝石榴石激光系波长10600的近红外光、脉冲输出或连续输出，应用功率数百焦耳的掺钕钇铝石榴石激光，可治疗血管瘤、面部斑痣、皮脂腺瘤、淋巴管瘤、粘液囊肿、唇部白斑等，增加输出功率还可做皮肤及肌肉的手术切割以及喉癌、胃肠癌的手术切除。,钕玻璃激光系波长10600 的近红外光，脉冲输出或连续输出，治疗时需用氦氖激光作标定瞄准，应用输出功率1520焦耳的钕玻璃激光可治疗慢性伤口，慢性溃疡以及软组织外伤等。应用功率为100以上焦耳的钕玻璃激光，可治疗血管瘤、蜘蛛痣、乳头状瘤、色素痣、寻常疣、鸡眼、外阴白斑、基底细胞癌等。,氦镉激光系波长4416和3250的紫光和长波紫外光，连续式输出用功率为316毫瓦的氦镉激光穴位照射可治疗高血压、痛经、急性喉炎、急性声带炎等；局部照射可治疗神经性皮炎、皮肤搔痒症、结节性痒疹等。,具体我们介绍以下三种激光治疗仪,1、氦氖激光多功能治疗仪 仪器特点：仪器整机由全固化封装激光电源、铝筒激光器支架、微电脑控制板及高效光纤耦合器组成。具有安全性好，可靠性高，安装更换方便等优点。本仪器可方便地互换笔杆式、磁光弯头吸盘式、 KX-3型等多种光纤耦合器，使用 本仪器可对血管内、体外和多穴位配 合照射治疗。其中，双管机同时可供 12人进行血管内照射治疗，还可以 进行多路光功率合成、作体表照射等 多项功能。, 仪器采用电脑控制，各项功能齐全，操作简便。 电源采用开关电源设计，85V265V，50/60Hz电源通用。 本系列仪器设有连续、脉冲两种工作模式可供选择，更利于不同疾病进行治疗。 适用范围：脑梗塞、脑出血和脑外伤后遗症、血管性头痛、顽固性失眠、精神分裂症、神经痛、癌痛、冠心病、心绞痛、心律失常、高脂血症、支气管哮喘、银屑病、血管性突发性耳聋等。,治疗机理：采用波长为632.8nm的低强度氦氖激光通过光纤针经静脉留置针导入血管内，对循环血液进行照射，激光可使血液中的蛋白质（酶和其他功能蛋白质）分子构象发生改变，通过换能性的光化作用使机体产生一系列的生物效应,、CO2激光治疗机 治 疗 原 理 CO2激光的发散角极小， 能量密度高，经聚焦后， 可达每平方厘米几千瓦 的功率,医疗上可用于对 病灶组织的汽化，烧灼或切割病灶组织，所以CO2激光治疗仪也称谓激光刀。而未经聚焦的原光束照射病灶组织,可产生凝固作用。CO2激光是波长10.6nM的红外光，穿透组织较深，经扩束后照射,能对深部组织加热理疗。,、YAG激光治疗仪 治 疗 原 理 YAG激光治疗仪，激光源采用掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）晶体，由石英导光纤维输出激光，YAG激光治疗仪带有一个屈曲自如的导光纤维的传送系统，利用各种内窥镜把激光送到人体各个腔室器官，进行汽化、烧灼、切割,溃疡照射，止血和消灭肿瘤。治疗过程一般只需要几分钟到十几分钟，不必住院，免除麻醉、开刀.,技术参数 光纤功率：60W 激光波长：1.06m 激光接口：国际标准SMA905 光导纤维：0.7mm 长3M， 指示激光：2mW 红色激光， 工作电源：220V 25A 50Hz 冷却方式：风冷或自来水 外形尺寸：6205001150mm,适用范围： YAG激光治疗仪可以配合使用的各种内窥镜有：食道镜、胃镜、十二指肠镜、支气管镜、胆道镜、腹腔镜、直肠镜、膀胱镜、结肠镜等。 可用作手术中封闭肿瘤组织、血管、淋巴腺、减少流血，可有效防止肿瘤扩散和引起新肿瘤的可能性。,氦镉激光器氦镉激光器是一种金属蒸气离子激光器。其中产生激光跃迁的是镉离子（Cd+)，氦气（He）作为辅助气体。它与氦氖激光器类似，可以在直流放电的条件下连续工作。它比氦氖激光有更高的输出功率（一般为几十毫瓦），发射波长较短，为441.6nm（蓝紫色）和325nm（紫外），因此，是一种更适用于光敏材料曝光和全息印刷制版的较理想的光源。 一、氦镉激光器结构和激发机理1氦镉激光器结构。图1913为一种常用的氦镉激光器结构示意图。激光管用硬料玻璃或石英玻璃制作。阳极为直径2mm的钨杆，阴极为铝质圆筒状，毛细管长60-100cm，孔径为1.5-3mm。 图1913 1镉池 2电泳限制段 3冷凝镉,阳极端附近有一镉池，内装有光谱纯金属镉。镉在室温下为固体，熔点321，在真空中升华温度为164。通过热源可使金属镉升华成蒸气。阳极与镉池之间有一电泳限制段，用以阻止镉蒸气扩散到阳极端，避免污染窗片。 固态镉在真空中加热到164时，即升华为蒸气。镉蒸气源源不断地从镉池向放电管扩散。随着镉池温度的升高，镉蒸气密度越来越大。在放电区域，镉原子被氦亚稳态原子电离并激发。在电场作用下，（Cd+）从阳极向阴极流动，这个过程称为电泳效应。为使Cd+在电泳传输过程中，不致冷凝在毛细管内壁上，毛细管内壁的温度须高于镉蒸气的冷凝温度，一般使用外套管结构，依靠放电加热作用（因放电流大于60mA），即可使放电管温度保持在镉的冷凝温度以上。通过放电区以后，镉蒸气便凝结在温度较低的管壳上，以防止金属蒸气污染窗片。一般He-Cd激光器在正常运转时，镉蒸气从阳极向阴极的流动速度约为1-2mg/h。 激光器一般为全外腔结构，便于更换反射镜，既能产生441.6nm的激光，又能产生325nm的激光。 2激发机理。氦镉激光器的激发机理，普遍认为是彭宁效应所致。图1914为He和Cd+的部分能级图，由图可见，He亚稳态原子的能量约为20ev，而Cd的电离电位为8.99ev，镉原子很容易通过与亚稳态氦原子的碰撞而被电离，同时被激发成激发态镉离子（Cd+）*。,图1914彭宁效应的过程为：放电管中高速电子与氦原子碰撞，将氦原子从基态激发到21S0和23S1亚稳态，即 e-+HeHe*+e-+E然后，亚稳态氦原子He*与中性Cd原子碰撞，使之电离，并激发到Cd+的激发态5s22D5/2和5s22D3/2（即激光上能级）。 这种碰撞称彭宁碰撞，即 He*+Cd（Cd+）*+He+e-+E其中的剩余能量，将由电子带走。,另外，从能级寿命看，亚稳态He*寿命长，约为10-6s，这对于激发Cd有利。（Cd+）*的5S22D5/2能级寿命约为7.810-7s，而5P2P03/2（激光下能级）的寿命为2.210-9s。因而可形成粒子数反转分布。441.6nm和325nm对应的跃迁分别为： 441.6nm Cd+5S22D5/25P2P03/2 325.0nm Cd+5S22D3/25P2P01/2 二、氦镉激光器工作特性1氦气压强对输出功率的影响。氦气最佳气压值由下式近似估计： d=10-12Torrmm,2镉源温度对输出功率的影响。当镉源温度升高时，镉原子密度增加，使参与激光过程的Cd+粒子数增多，有利于提高输出功率。但是另一方面由于镉的电离电位和激发电位都较低，自由电子容易与其发生碰撞而失去能量。因此镉蒸气密度过大时，将导致管内的温度下降，使亚稳态氦原子数减少，从而使输出功率下降。所以存在一个最佳镉蒸气压强的最佳镉源温度。 最佳温度随激光管结构的不同而不同，约为200-250。当最佳镉蒸气压约为10-3Torr，镉原子密度约为31014cm-3。 三、空心阴极氦镉激光器,图1915为空心阴极氦镉激光器的示意图。 空心阴极为采用内径为3.5mm，外径为6mm的无氧铜管制成，铜管分为两段，每段长31cm，上面开5个直径为3.5mm的边孔，孔距为6mm，在玻璃管相对于每个孔的位置上，各封接一钨杆作为阳极。两根铜管之间有镉池，镉池两边的结构相同且对称。管壳用GG17玻璃烧制。激光管外包上3-4层石棉带保温。辅助阳极可防止布氏窗因镉蒸气沉积而污染。此种激光器激光作用区在阴极位降区，它的激光机制为电荷转移效应。即： He+CdHe+（Cd+）*+E,由于He的能量（电离能）约为25ev，比亚稳态He原子的能量（约20ev）高出许多，所以，由转荷效应所造成的Cd+的能级比由彭宁碰撞所造成的Cd+的能级高出许多。目前，已发现由转荷效应所激发而产生的Cd+的激光谱线有十多条，其中有两条绿色（533.7nm和537.8nm）和两条红色（635.5nm和636.0nm）谱线较强。 同时，由于在空心阴极中仍有一定量的亚稳态He原子，仍可获得蓝色（441.6nm）的振荡输出。若将管内He气压强和加热温度调至最佳，并使用宽带反射镜，可获得红、绿、蓝三色激光同时输出。三种颜色配合而成白色激光，所以又称为“白光激光器”。 空心阴极氦镉激光器不仅能够同时产生三种颜色的激光，且可调节各色激光的相对输出。因此，在彩色记录、彩色全息照相和彩色激光电视等方面，比其它多色光源更能够使色彩准确地再现。,小结,激光的种类分为：、固体激光、气体激光、燃料激光,固体激光,如：双波长激光治疗系统采用（钕钇铝石榴石）Nd：YAG激光器及先进的激光Q开关技术和激光倍频技术，利用瞬间光致爆破原理，使激光在极短的时间（约10ns）内被释放出来，形成能量密度很高的巨脉冲。色素组织被激光冲击和加热后极速膨胀，碎裂成细小的颗粒，这些细小颗粒能够被人体内的巨噬细胞吞噬和吸收。同时，各种不同色素的最佳吸收波长也不同，045Q型双波长激光治疗系统输出的1064nm和532nm激光能够被黑色素和血红蛋白强烈地吸收，而人体其他组织对激光的吸收极小，因此，该设备能够在不损伤周围组织的前提下十分有效地祛除病变的色素和血管组织，这就是医学中的激光的选择性热吸收原理。,半导体激光治疗仪输出功率较大，波长较长，穿透力强，可将高激光能量输入人体深部组织，作用于经络穴位及病变部位，产生如镇痛、消炎、抗感染、促进组织修复、调整肌体内平衡、刺激再生、促进创面愈合等良好的作用。 其输出功率为0500mW连续可调，激光输出功率稳定。,弱激光治疗原理所谓弱激光是指用这种激光直接照射时不会对靶组织造成不可逆性损伤的弱反应水平的激光。弱激光是一种强有力的生理刺激源，利用弱激光的生物刺激作用具有改善血液循环，促进细胞再生、毛发生长、伤口愈合、组织修复、调节神经功能，提高机体的抗病能力等功能。,（一）生物刺激作用当用弱激光照射生物机体时，激光是一种刺激源，生物机体对这种刺激源的应答反应可能是兴奋，也可能是抑制。（二）对机体免疫功能的影响激光照射具有增强机体免役功能的作用。 （三）对溃疡愈合的影响弱激光对溃疡部位进行适度剂量的照射，溃疡都能逐渐愈合，新生上皮覆盖，无瘢痕形成。,（四）对软组织创口的影响激光对肉芽组织及上皮再生的刺激是促进伤口愈合的关键。 （五）对神经和肌纤维再生的影响临床证明，低功率激光照射对周围神经损伤的再生和肌纤维再生修复有刺激作用。 （六）对骨折愈合的影响激光照射骨折部位,有促进骨照射再生分化及骨痂形成作用。,（七）对植皮片及皮瓣成活的影响利用0.1J/cm2HeNe激光照射与免疫抑制治疗相结合，可以延长异体皮肤移植存活时间，改善皮肤血供，加速血管生长，促进皮片长合。 （八）对细胞和微生物的影响用0.1J/cm2 的HeNe激光照射培养的大肠杆菌，和对照组比较，其细菌明显。但当激光能量密度增大到120J/cm2 时，细菌存活率则继之减少，此时细菌形成许多小菌落，菌落数则随剂量的增加而减少。,（九）消炎止痛作用激光照射能控制葡萄球菌感染性炎症，其主要机制是一方面刺激机体的防御能力，表现免疫功能的加强，交感贤上腺系统活动增加；另一方面是皮肤和肌肉内核糖核酸与糖元含量明显增多有关系。,激光安全管理,激光器按波长分各种类型，由于不同波长的激光对人体组织器官伤害不同。因而在各类型的激光器中按其功率输出大小及对人体伤害分以下四级。,第一级激光器：即无害免控激光器。这一级激光器发射的激光，在使用过程中对人体无任何危险，即使用眼睛直视也不会损害眼睛。对这类激光器不需任何控制。第二级激光器：即低功率激光器。输出激光功率虽低，用眼睛偶尔看一下不至造成眼损伤，但不可长时间直视激光束。否则，眼底细胞受光子作用而损害视网膜。但这类激光对人体皮肤无热损伤。,第三级激光器：即中功率激光器。这种激光器的输出功率如聚焦时，直视光束会造成眼损伤，但将光改