激光与强脉冲光基础李建钢

激光与强脉冲光的基本原理及临床应用,天使之翼皮肤美容中心李建刚,1960年： Maiman 发明第一台红宝石激光， 获得诺贝尔物理学奖,激光发展历史,Maiman,T.H.: 1960, Nature, 187, 493.,光的基础知识：分类,电磁辐射,是能量的一种基本形式具有波的特性和粒子特性电磁辐射波包括： 无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X线、和咖玛线,产生激光的基本要素：,1. 产生激光的物质 (激光介质)2. 激励源3. 光学放大器,激光是一种电磁波,常见光源,热灯丝或煤气燃烧 宽带光谱（白色是所有颜色的混合） 向各方向散发 或许是连续的或脉冲的（“闪光灯”） 有限聚焦性能,激光发射原理,自发辐射：在一个体系中，热平衡时低能级的粒子数总比高能级的粒子数目多。高能级的粒子总是向低能级跃迁而趋于稳定，多余能量转变为光子向外辐射。受激吸收：低能级的粒子如吸收外来光子的能量可激发到高能级上去。受激辐射：受激吸收后，高能级粒子向低能级跃迁同时，发射一个与外来光相同的光子。产生激光的条件：受激辐射受激吸收。,电磁波,Cynosure, Inc.,波长=颜色,振幅= 强度,激光的形成,Cynosure, Inc.,基态,激发态,激光的形成,Cynosure, Inc.,激发态,基态,受激吸收,第一步,激光的形成过程,单个光子,受激辐射,两个相干光子,第二步,光的类型 波形 波谱,滤色光,激光,白光,激光的物理特性高单色性：用于精确测量物体的长度。,激光的物理特性高定向性方向性：用于定位、导向、测距等。医学上用作普通手术刀和微手术刀（直接对DNA等生物大分子进行切割或对接）。,普通光源：光射向四面八方探照灯：光投射到月球上（离地40万公里），光斑直径将扩大到1000公里以上。激光：光投射至月球上，光斑的直径散开只有两公里多。,激光的物理特性相干性：,a.时间相干性:从激光器输出口不同空间发出的光位相差恒定,方向一致,波长相同,此种相干性称时间相干性。即从光源不同点发出的光有相干性称时间相干性。b.空间相干性:从光源同一点在不同时间发出的光如有恒定的位相关系,方向和波长也相同,此种相干性称空间相干性。激光的相干性用于全息照相、激光衍射,激光的物理特性高亮度性,激光是目前世界上最亮的光源,二氧化碳激光管比日光灯管亮度高100亿倍,激光器的亮度可以做到比太阳表面亮度高1010倍,医学上切割组织、气化表浅肿瘤都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。,激光的特点_,5. 高能量密度,能量在空间和时间上高度集中。激光武器；激光切割金属；炭化和气化组织。,激光的颜色,波长决定了激光的颜色，不同波长的激光表现为不同颜色的光为了获取不同波长的光，需要不同的激光介质,激光器种类_激光器有很多种，可从不同角度分类：,一、工作物质1、气体激光介质是气体，如：CO2, He-Ne, Argon；2、液体激光介质是液体，如染料激光；3、固体激光介质是固体，如：钕：钇铝石榴石、红宝石、紫 翠石、 铒、钬；4、半导体激光器等如：GaAs。二、激励方式电激励、光激励、热激励、化学激励激光器等三、工作方式连续波、准连续波、脉冲(巨脉 冲)、锁膜、调激光器等四、激光波长红外、紫外、可见光、射线激光器等,激光器类型,常见激光器及其特性,激光的工作方式图,连续激光,准脉冲激光,脉冲激光,产生不同激光的方法：,2. 通过激光波长转换方法: 1） 应用非线性光学:倍频 (SHG); 3HG, 4HG, 5HG, OPO 等 2）固体染料波长转换片,激光计量及有关参数,1.能量（E） 概念：脉冲输出的激光器，其每一脉冲所具有的做功能力。 单位：焦耳（J） 相关参数： 脉冲幅度-脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值 脉冲宽度-脉冲的持续时间 脉冲频率-周期性重复的脉冲每秒出现的个数 脉冲周期-频率的倒数 峰值功率-脉冲能量与脉冲宽度之比 平均功率-脉冲能量与脉冲频率的乘积,激光计量及有关参数,2.功率（P） 概念： 连续输出的激光器在单位时间内所做的功。 它表征激光器在每秒（S）内输出的能量。 从光子水平上看，功率代表单位时间内通过 的光子数。 单位： 瓦（W）或毫瓦（mW） W=J/s mW=mJ/s,激光计量及有关参数,3.光斑面积（A） 概念： 通常指激光束落在受照组织表面的光斑的面积。 单位：平方厘米（m2） 测量方法：,激光计量及有关参数,4.照射时间（T） 概念： 激光束照射于组织表面所持续的时间。 单位：秒（S） 相关参数： 功率密度（P/A）-即幅照度，这是表示激光光强度的重要参数，表征单位面积受照组织所接受的光功率。从光子水平看，功率密度代表单位时间内通过单位面积的光子数。 单位： 瓦/平方厘米 (W/cm2),激光计量及有关参数,5.激光计量（D） 概念：幅照到组织上能量密度的多少。 单位：焦耳/平方厘米（J/cm2） 以 连续激光垂直照射，则： D=P/AT 以 单位脉冲激光垂直照射，则： D=E/A 如果激光束并非垂直而是以入射角照射组织，则： D=P/AT cos D= E /Ascos 上式表明，入射角越大，生物体所接受的激光剂量越小。由此可见，我们在用激光做治疗时，在一般情况下应尽量使光束与组织表面垂直。临床用激光做穴位照射或其他非损伤性照射治疗时，调节激光射剂量的最简便的方法是改变激光的照射时间。,激光 / 光组织影响,反射,组织内部光的吸收,组织光学(吸收光谱),皮肤色团光谱 血红蛋白(Hb)，氧合血红蛋白(HbO2), 正铁血红蛋白(Met-Hb)都在585nm波长处有吸收峰. 水(Water)在此波长的吸收小很多量级. 色素(Melanin)是唯一的干扰因素.,?,组织光吸收曲线图,中红外1100-2600nm被水完全吸收,而不被黑色素和血红蛋白吸收,激光波长对应不同的目标靶基,激光r 工作波长皮肤靶基治疗类型Argon488色素Pigment LesionsDoubled Nd:Yag532色素，血管Vascular, Pigmented LesionsCu Vapor578血管Vascular LesionsPulsed Dye585-600血管Vascular LesionsRuby694色素Hair, Pigmented, TattoosAlexandrite755色素，血管Hair, Pigmented, TattoosDiode800-810色素，血管Hair, VascularNd:Yag1060色素Hair, Pigmented, TattooErbium2940水Epidermal Ablation,白色肤的光学穿透 (50% 吸收深度 单位mm),激光器指标,波长: 激光的颜色(nm)重复频率: 每秒钟的脉冲数 (Hz)脉冲宽度: 激光脉冲持续作用的时间(ns,us,ms)激光功率: 激光脉冲传输的能量值(mj,jouls),组织吸收的热量,烟,100OC 及,隐含热量,汽化,碳化,皱纹,90O-100OC,空泡化,白/灰,65O-90OC,漂白,60O-70OC,凝结 (坏死),开端,无,50O-60OC,温度,视觉变化,生物学变化,热,皮肤组织各级水平热致作用表 热致水平 热致温度 持续时间 临床表现 热 敷 3840 长时间 温热感觉 热致红斑 4344 长时间 微血管充血扩张见红斑反应 热致水疱 4748 数秒 炎性渗出物潴留皮内,表真皮分离 热致凝固 5560 约10秒 受照处皮肤组织凝固坏死 热致沸腾 100以上 数秒 皮肤组织中的组织液沸腾 热致炭化 300400 瞬间 可见呈棕黑色干性坏死组织, 伴有水蒸气白烟 热致燃烧 530以上 瞬间 可见火光,伴有水蒸气白烟 热致汽化 5730 瞬间 皮肤由固体立即变成气体, 并以极 高的速度射出, 留下一个凹陷, ,“选择性光热作用”工作模式,靶组织对激光的吸收系数应大于正常组织脉冲延迟时间小于靶组织热驰豫（即温度降至一半）时间激光能量足够大,激光的生物效应,激光照射于生物组织时，因其波长、强度、工作方式、曝光时间等参数的不同，可以表现出不同的生物学作用，就生物组织而言，则因其光学特性和热学特性不一，在不同参数的激光作用下可以产生不同的生物效应，包括：光热效应组织吸收光以后，光能转化为热能，使局部温度升高。应用:在手术治疗及非手术治疗上。 光化学效应当光子给予生物大分子的能量，大于断开其弱键所需的能量时,就会发生化学反应.,光热效应,光子能量E=hC/ (h:普朗克常数; C:光速; :光波长 ) 产热机制： 长波长光子-直接生热 短波长光子-激发态电子以无辐射跃迁返回低能态时,所释放 的能量使周围分子增加热运动,以及激发态电子 并非直接返回基态,而是在众多复杂的能量差不 大的能级之间分次逐级向下弛豫,每次只能释放 较低的能量,而使周围的分子增加热运动.,激光在手术方面的应用,根据激光功率密度的不同:1.切割术组织中水汽化导致的体积扩大压力增加,以及组 织固有的张力而被分开而形成切口.2.气化术组织中水分在瞬间被蒸发,干燥,凝固了的组织也 随即燃烧而一并被蒸发去除.3.碳化术以焦点以外一定大小的光斑,在一定的时间内连 续的照射组织,使受照组织发生干性坏死和炭化, 外观呈综黑色.,激光在手术方面的应用,4.凝固术以焦点以外相应大小的光斑,把功率降低至适当 水平,连续的照射组织,使受照组织在保持上皮 完整,不产生缺损和碳化的基础上出现热凝固 坏死.外观由灰白色渐变为灰褐色。5.激光组织间热疗法 让激光通过插入组织内的光纤维对 组织进行加热，使组织内温度升至60C以上，并持续照射一定时间, 使该组织凝固坏死。已应用于治疗肿瘤。6.光热敷利用功率密度约为150-800mW/cm2的低强度激光对病灶局部产生一种温热的感觉，犹如热敷。,光化学作用,产生条件： 光子给予生物大分子的能量断开其弱键所需的能量全过程： 生物分子吸收相应能量的光子 外层价电子被激发跃迁至电子激发态 在其驰豫返回基态时释放出的能量消耗在某一化学 键的断裂和新键的形成上 生成稳定的最终产物,光动力疗法（PDT）,原理： 光敏剂进入靶组织受到接近光敏剂发射光谱峰值波长的光照射光敏剂被激发光敏剂把能量转移给靶组织中的分子氧靶组织中的分子氧被激发为强氧化剂（单态 氧）单态氧使靶组织的生物膜产生过氧化损伤靶组织破坏,常用光敏剂,HPD（血卟啉衍生物）DHE（双血卟啉酯）酞花菁染料脱镁叶绿环类癌光啉（PSD-007）光敏素 mTHPC（间四羟基氯苯酚）卟啉合成物的母体ALA（5氨基-酮戊酸）进入靶组织方式： 静脉给药 动脉给药 组织内注射 局部敷贴,光化学效应的临床应用,产生条件： 低光功率密度（低强度） 较长曝光时间典型应用： 光动力疗法（PDT） 低强度激光血管内照射 激光局部照射,常用激光器简介,激光在皮肤科的应用,Nd:YAG 激光器,YAG 钇铝石榴石波长 - 1.06 微米, 接近红外光束连续Nd:YAG 持续泵浦灯 (例如Kr氪灯)脉冲Nd:YAG 脉冲泵浦灯 (闪光泵浦灯- 例如氙),Nd:YAG 激光棒,泵浦灯,镀金泵浦 腔镜,镜,镜,Mirror,Q开关Nd3+:YAG 激光机,Q开关技术波长：1064/532nm能量：500mJ/250mJ脉宽： 10ns频率：1-5Hz导光方式：七关节导光臂，三自由度指示光：5mw半导体激光用途：各类皮肤色素病和血管病,均匀的光束特性,高斯分布模式,平帽模式,*传统的Q开关Nd:YAG激光的峰值能量密度位于中央- 暂时性色素沉着的风险增加,*Spectra VRM平帽模式能量均匀分布Image profiled by Spiricon Beam Profiler,超脉冲CO2激光机,波长：10600ms导光系统：六关节导光臂，五种刀头功率：1-30W用途： 皮肤外科，整形外科五官科，肛肠科等各科手术,便携式CO2激光机,波长：10600ms导光系统：直接输出功率：1-10W冷却方式：内置水冷循环,半导体激光,laserSmile便携式高速牙齿 漂白系统最大输出功率：10w光纤长度：191cm用途：平行输出的半导体激光高速激发涂抹在牙齿表面的专利漂白凝胶，催化凝胶与色素的反应，从而快速的美白牙齿。,脉冲染料激光,波长：585nm脉宽：350us输出光斑直径：5mm重复频率：2Hz输出系统：柔性光纤手柄,Q开关红宝石激光机,Q开关脉冲激光波长：694nm能量：调Q10J 非调Q40J脉宽：调Q7ns用途：调Q皮肤色素病非调Q脱毛,Q开关翠绿宝石激光波长：755nm能量：4-10J/cm2脉宽：50-90ns用途：皮肤色素病,ALEXlazr短脉冲激光系统,IPL强脉冲光技术,英 国Energist ULTRA VPL 可变脉冲光脱毛嫩肤系统,强脉冲光技术Intense Pulsed Light (IPL),反射镜,氙闪光灯柱,过滤膜,导光晶体,激光与强光的输出对比,激光 所有的输出能量通过不同大小的光斑输出；光斑越小，输出的能量密度越大。强光小光斑的能量输出更小，但能量密度保持一致,光子嫩肤,通过光热效应刺激真皮胶原纤维增生和重新分布，以改善皮肤弹性和瘢痕