激光与强脉冲光基础培训李建钢ppt课件

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 l1960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 l 是能量的一种基本形式 l 具有波的特性和粒子特性 l 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 常见光源常见光源 u 热灯丝或煤气燃烧热灯丝或煤气燃烧 u 宽带光谱（白色是所有颜色的混合）宽带光谱（白色是所有颜色的混合） u 向各方向散发向各方向散发 u 或许是连续的或脉冲的（或许是连续的或脉冲的（ “闪光灯闪光灯 ”） u 有限聚焦性能有限聚焦性能 激光发射原理 l 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。 l 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。 l 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。 l 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 Filter 白光 激光的物理特性 高单色性 ： 用于精确测量物用于精确测量物 体的长度。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（直接对刀（直接对 DNA等生物大分子进行切割或对接）。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： la.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。 lb.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。属；炭化和气化组织。 激光的颜色 l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 l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、一、 工作物质工作物质 1、气体、气体 激光介质是气体，如：激光介质是气体，如： CO2, He-Ne, Argon； 2、 液体液体 激光介质是液体，如染料激光激光介质是液体，如染料激光 ； 3、固体激光、固体激光 介质是固体，如：钕：钇铝石榴石、红宝石、紫介质是固体，如：钕：钇铝石榴石、红宝石、紫 翠翠 石、石、 铒、钬；铒、钬； 4、 半导体激光器半导体激光器 等等 如：如： GaAs。 二、激励方式二、激励方式 电激励、光激励、热激励、化学激励激光器等电激励、光激励、热激励、化学激励激光器等 三、工作方式三、工作方式 连续波、准连续波、脉冲连续波、准连续波、脉冲 (巨脉巨脉 冲冲 )、锁膜、调激光器等、锁膜、调激光器等 四、激光波长四、激光波长 红外、紫外、可见光、射线激光器等红外、紫外、可见光、射线激光器等 激光器类型激光器类型 x-rays cosmic rays 电视和收音机策波 准分子准分子 氩氩 倍频倍频 染料染料 红宝石红宝石 翠绿宝石翠绿宝石 Nd:YAG 铒铒 :YAG CO2 190 - 390 488 - 514 532 577-630 755694 1064 2940 10600 紫外的紫外的 可见的可见的 红外线红外线 400 nm 700 nm 钬钬 2100 常见激光器及其特性 类型 名称 工作物质 波长 (m ) 激励方式 特征 气 体 激 光 器 原子 He-Ne He-Ne 0.6328 气体放电 广泛 分子 CO2 CO2 10.6 气体放电 高功率输出 N2 N2 0.3371 气体放电 无谐振腔 离子 Ar+ Ar+ 0.4880 气体放电 常用作 泵浦源 He-Cd He-Cd 0.4416 气体放电 固体 激光 器 红宝石 Cr3+ Al2O3 0.6943 光泵浦 应用广泛 ，可得到 高功率输 出 Nd3+ YAG Nd3+ YAG 1.06 光泵浦 钕玻璃 Nd3+ 1.06 光泵浦 液体激光器 染料 染料 0.585 激光泵浦 波长可调 半导体 激光器 GaAs/ GaAlAs GaAs 0.85 电流注入 短波长通信 InP/InGaAsP InP 1.30 电流注入 长波长通信 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 KTP 晶体 1064 nm 532 nm 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 1.能量（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。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（单位：焦耳（ J） 相关参数：相关参数： 脉冲幅度脉冲幅度 -脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值 脉冲宽度脉冲宽度 -脉冲的持续时间脉冲的持续时间 脉冲频率脉冲频率 -周期性重复的脉冲每秒出现的个数周期性重复的脉冲每秒出现的个数 脉冲周期脉冲周期 -频率的倒数频率的倒数 峰值功率峰值功率 -脉冲能量与脉冲宽度之比脉冲能量与脉冲宽度之比 平均功率平均功率 -脉冲能量与脉冲能量与 脉冲频率的乘积脉冲频率的乘积 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 2.功率功率 （ P） 概念：概念： 连续输出的激光器在单位时间内所做的功。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（它表征激光器在每秒（ S） 内输出的能量。内输出的能量。 从光子水平上看，功率代表单位时间内通过从光子水平上看，功率代表单位时间内通过 的光子数。的光子数。 单位：单位： 瓦（瓦（ W） 或毫瓦（或毫瓦（ mW） W=J/s mW=mJ/s 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 3.光斑面积光斑面积 （ A） 概念：概念： 通常指激光束落在受照组织表面的光斑的面积。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（单位：平方厘米（ m2） 测量方法：测量方法： 可 见 激光 直接 测 量 不可 见 激光 用特殊的 转换 材料， 显 示其光斑大小 高斯光斑 取 强 度 为 幅 值 1/e2的两点 间 距离定 义为 光斑的直径 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 4.照射时间（照射时间（ T） 概念：概念： 激光束照射于组织表面所持续的时间激光束照射于组织表面所持续的时间 。 单位：秒（单位：秒（ S） 相关参数：相关参数： 功率密度（功率密度（ P/A） -即幅照度，这是表示激光光强度即幅照度，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。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。面积的光子数。 单位：单位： 瓦瓦 /平方厘米平方厘米 (W/cm2) 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 5.激光计量（激光计量（ D） 概念：幅照到组织上能量密度的多少概念：幅照到组织上能量密度的多少 。 单位：焦耳单位：焦耳 /平方厘米（平方厘米（ J/cm2） 以以 连续激光垂直照射，则：连续激光垂直照射，则： D=P/AT 以以 单位脉冲激光垂直照射，则：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如果激光束并非垂直而是以入射角 照射组织，则：照射组织，则： D=P/AT cos D= E /Ascos 上式表明，入射角上式表明，入射角 越大，生物体所接受的激光剂量越小。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。时间。 激光激光 / 光组织影响光组织影响 反射反射 散射散射 传输传输 吸收吸收 组织内部光的吸收组织内部光的吸收 波长（微米）波长（微米） ) 1.00.2 10 20 100,000 10,000 1,000 100 10 1.0 0.1 0.01 0.001 0.0001 水 黑色素 血色素 氧合血红素 吸收系数吸收系数 (每厘米每厘米 ) CO2 铒铒 :YAG 3.0 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 Argon 488 色素 Pigment Lesions Doubled Nd:Yag 532 色素，血管 Vascular, Pigmented Lesions Cu Vapor 578 血管 Vascular Lesions Pulsed Dye 585-600 血管 Vascular Lesions Ruby 694 色素 Hair, Pigmented, Tattoos Alexandrite 755 色素，血管 Hair, Pigmented, Tattoos Diode 800-810 色素，血管 Hair, Vascular Nd:Yag 1060 色素 Hair, Pigmented, Tattoo Erbium 2940 水 Epidermal Ablation 白色肤的光学穿透白色肤的光学穿透 (50% 吸收深度吸收深度 单位单位 mm) (nm) 532 585 694 755 1060 2100 2940 10,600 穿透穿透 600 1200 1300 1600 800 20 180 激光激光 倍频倍频 YAG 脉冲染料脉冲染料 红宝石红宝石 翠绿宝石翠绿宝石 Nd:YAG 钬钬 铒铒 CO2 吸收体吸收体 黑色素黑色素 , 血液血液 血液血液 , 黑色素黑色素 黑色素黑色素 黑色素黑色素 黑色素黑色素 ,血液血液 水水 水水 水水 激光器指标 l波长 : 激光的颜色 (nm) l重复频率 : 每秒钟的脉冲数 (Hz) l脉冲宽度 : 激光脉冲持续作用的时间 (ns,us,ms) l激光功率 : 激光脉冲传输的能量值 (mj,jouls) 组织吸收的热量组织吸收的热量 烟烟100 OC 及及 隐含热量隐含热量 汽化汽化 碳化碳化 皱纹皱纹90O-100OC 空泡化空泡化 白白 /灰灰65O-90OC 组织组织 变性变性 漂白漂白60O-70OC 凝结凝结 (坏死坏死 )开端开端 无无50O-60OC 温度温度 视觉变化视觉变化 生物学变化生物学变化 热热 皮肤组织各级水平热致作用表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 38 40 长时间 温热感觉 热致红斑 43 44 长时间 微血管充血扩张见红斑反应 热致水疱 47 48 数秒 炎性渗出物潴留皮内 ,表真皮分离 热致凝固 55 60 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 300 400 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 l 靶组织对激光的吸收系数应大于正常组织 l 脉冲延迟时间小于靶组织热驰豫（即温度降至一 半）时间 l 激光能量足够大 激光的生物效应激光的生物效应 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：，包括： u 光热效应组织吸收光以后，光能转化为热能，使局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。应用部温度升高。应用 :在手术治疗及非手术治疗上。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断开其弱键所需的能量时 ,就会发生化学反应就会发生化学反应 . 光热效应光热效应 光子能量光子能量 E=hC/ (h:普朗克常数普朗克常数 ; C:光速光速 ; :光波长光波长 ) 产热机制：产热机制： 长波长光子长波长光子 -直接生热直接生热 短波长光子短波长光子 -激发态电子以无辐射跃迁返回低能态时激发态电子以无辐射跃迁返回低能态时 ,所释放所释放 的能量使周围分子增加热运动的能量使周围分子增加热运动 ,以及激发态电子以及激发态电子 并非直接返回基态并非直接返回基态 ,而是在众多复杂的能量差不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大的能级之间分次逐级向下弛豫 ,每次只能释放每次只能释放 较低的能量较低的能量 ,而使周围的分子增加热运动而使周围的分子增加热运动 . 激光在手术方面的应用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（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 皮肤血管病 皮肤色素病 皮肤 肿 瘤 感染性皮病 其它皮肤病 美容治疗 鲜红 斑痣 草莓状血管 瘤 毛 细 血管 扩 张 蜘蛛痣 酒渣鼻 化 脓 性肉芽 肿 血管角皮瘤 血管炎 银 屑病 太田痣 伊滕痣 色素痣 先天性色痣 蓝 痣 文身 异物色沉 雀斑 样 痣 雀斑 咖啡斑 Beckers痣 红 斑黑 变 病 汗管瘤 粟丘疹 表皮痣 皮脂腺痣 脂溢角化病 鲍 温病 基底 细 胞 癌 瘢痕疙瘩 结节 硬化 症 着色干皮病 息肉 综 合 征 黄瘤病 皮 赘 皮角 寻 常疣 扁平疣 尖 锐 湿疣 传 染性 软 疣疱疹 丹毒 疖肿 腋臭 鸡 眼 胼胝 汗管角化病 神 经 性皮 炎皮肤黄疣 祛除 皱 纹 祛除 瘢痕祛 除眼袋 永久脱 毛 光子去 痘 光子嫩 肤 Nd:YAG 激光器激光器 u YAG 钇铝石榴石钇铝石榴石 u 波长波长 - 1.06 微米微米 , 接近红外光束接近红外光束 u 连续连续 Nd:YAG 持续泵浦持续泵浦 灯灯 (例如例如 Kr氪灯氪灯 ) u 脉冲脉冲 Nd:YAG 脉冲泵浦脉冲泵浦 灯灯 (闪光泵浦灯闪光泵浦灯 - 例如氙例如氙 ) Nd:YAG 激光棒激光棒 泵浦灯泵浦灯 镀金泵浦镀金泵浦 腔镜腔镜 镜镜 镜镜Mirror Q开关 Nd3+:YAG 激光机 l Q开关技术 l 波长： 1064/532nm l 能量： 500mJ/250mJ l 脉宽： 10ns l 频率： 1-5Hz l 导光方式：七关节导光臂 ，三自由度 l 指示光： 5mw半导体激光 l 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 l 波长： 10600ms l 导光系统：六关节导 光臂，五种刀头 l 功率： 1-30W l 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：波长： 10600ms 导光系统：直接输出导光系统：直接输出 功率：功率： 1-10W 冷却方式：内置水冷循环冷却方式：内置水冷循环 半导体激光半导体激光 laserSmile便携式高速牙齿便携式高速牙齿 漂白系统漂白系统 最大输出功率：最大输出功率： 10w 光纤长度：光纤长度： 191cm 用途：平行输出的半导体用途：平行输出的半导体 激光高速激发涂抹在牙齿激光高速激发涂抹在牙齿 表面的专利漂白凝胶，催表面的专利漂白凝胶，催 化凝胶与色素的反应，从化凝胶与色素的反应，从 而快速的美白牙齿。而快速的美白牙齿。 脉冲染料激光脉冲染料激光 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开关红宝石激光机开关红宝石激光机 Q开关脉冲激光开关脉冲激光 波长：波长： 694nm 能量：调能量：调 Q10J 非调非调 Q40J 脉宽：调脉宽：调 Q7ns 用途：调用途：调 Q 皮肤色素皮肤色素 病非调病非调 Q 脱毛脱毛 Q开关翠绿宝石激光开关翠绿宝石激光 波长：波长： 755nm 能量：能量： 4-10J/cm2 脉宽：脉宽： 50-90ns 用途：皮肤色素病用途：皮肤色素病 ALEXlazr短短 脉冲激光系统脉冲激光系统 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 l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。 l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 I型光子嫩肤 II 型光子嫩肤 适 应 症 良性血管病 变 ，包括： 毛 细 血管 扩张 Telangiectasias 红 斑痤 疮 Symptoms of Rosacea 红脸 Flushing 皮肤色素改 变 Dyschromia 激光磨削后 红 斑 阳光性色素斑 Pigmentary sun damage 色素斑 Mottled pigmentation 色素沉着 Hyperpigmentation 光老化 Photoaging 痣 Lentigines 表皮及真皮 结 构改 变 皱纹 Rhytides 皮肤 弹 性改 变 Elastotic changes 胶原和 结缔组织 改 变 毛孔粗大 Large pores 通通 过过 光光 热热 效效 应应 刺激真皮胶原刺激真皮胶原 纤维纤维 增生和重增生和重 新分布，以改善皮肤新分布，以改善皮肤 弹弹 性和瘢痕，并消除性和瘢痕，并消除 使皮肤表面的色斑，毛使皮肤表面的色斑，毛 细细 血管血管 扩张扩张 等。等。 光子嫩肤的目的：光子嫩肤的目的： 光光 热热 效效 应应 强 脉冲光能 转 化 为热 量，影响皮肤表面深部 的胶原 纤维 和 弹 力 纤维 ，使之重新排列，并恢 复 弹 性，从而达到消除 皱纹 ， 缩 小毛孔的治 疗 效果 Energy Penetration of Commonly Used Cutaneous La