激光在生物医学中的应用

1 激光在生物医学中的应用 2 我们怕什么呀？ 早起，买地沟油炸油条 ,切个苏丹红咸蛋 ,冲 杯三聚氰氨奶，上班。中午，在食堂要一 瘦肉精猪肉吃炒农药韭菜和双汇香肠，来 碗翻新陈米饭，泡壶香精茶叶。下班，买 条避孕药鱼，尿素豆芽，膨大西红柿，开 瓶甲醇酒，吃个硫磺馒头。饭后地摊买本 盗版小说，晚上钻进黑心棉被窝美美的睡 上。 3 激光在医疗中的用途 波长 /nm 激光器种类 工作模式 用途 紫外光 193 ArF准分子激光器 脉冲 角膜手术（近视的治疗等） 可见光 488， 515 Ar离子激光器 CW 眼底治疗、痣治疗 511， 578 Cu蒸气激光器 脉冲 痣治疗 510 染料激光器（罗丹明） 脉冲 痣治疗、结石破碎 532 倍频 Nd： YAG激光器 脉冲 一般外科（内窥镜下） 570 590 染料激光器（罗丹明） 脉冲 痣治疗 630 染料激光器（罗丹明） CW、脉冲 癌 光动力学治疗法 （ PDT） 632.8 He-Ne激光器 CW 去痛、血流计 620670 OPO(光参量振荡器 ) 脉冲 癌 光动力学治疗法 （ PDT） 650 670 半导体激光器 CW 癌 光动力学治疗法 （ PDT） 694 Cr： Al2O3（红宝石）激光器 脉冲 痣治疗 红外光 780 910 半导体激光器 CW 去痛、脑内氧监视（低功率）一般外科 （高功率） 1064 Nd： YAG激光器 CW 凝固、止血、一般外科（内窥镜下）激 光热 脉冲 痣治疗 2080 Ho： YAG激光器 脉冲 一般外科（内窥镜下） 2940 Er： YAG激光器 脉冲 牙科治疗 10600 CO2激光器 CW，脉冲 一般外科、心肌梗塞治疗 4 生物体的主成分是水，此外还有蛋白质、脂肪、无机质 等皮肤、肌肉、内脏的软组织（ soft tissue）中的水分， 水总共占生物体重量的大约 70。 水对红外光 有着很强的 吸收带，因此，若在这些软组织上照射红外光，可以高效 地把光能转换成热量。在生物体中除了水以外的典型的光 吸收体，有血液内红血球中的血红蛋白。血红蛋白有被氧 化的状态与未被氧化的状态，这两种状态的吸收光谱是相 同的。不论哪种场合，在 600nm以下的波长带中吸收都增 大。 蛋白质在紫外域 上表现很强的吸收 . 5 在 700 1500nm 范围的红外光谱 带上吸收比较少 ，因此该光谱带 称为生物体光谱 学之窗。 6 光到达组织的深 度称为 光穿透 深度 ,由光的 强度 I衰减到 入射光强度 I0 的 1/e的深度 来定义 软组织中，光穿透深度在近红外附近较深，在 3m以 上的红外域或 300nm以下的紫外域中较浅。组织的种 类不同，光穿透深度对波长的依赖性也变化。例如牙 齿、骨等硬组织中，蓝绿色波长的穿透深度深。 7 激光对生物体的作用 激光的 热效应 是医学上使用最广泛而且最早被人们认识 的激光组织效应之一。 只要加热能够充分破坏组织，即使是加热不能够引起组 织的充分汽化，把组织放在此处也可以使其坏死。设想利用 一个中等功率激光的热效应，瞬间能在组织中产生 200 1000 左右的温度升高，使组织和细胞受到严重的破坏。 加上光斑处的能量密度所能产生的机械压力，对蛋白质、水 组成的组织在受到高温后迅速膨胀和汽化，使机体组织相互 分离。而且，当聚焦的激光束被组织吸收时，瞬间产生组织 凝结并在瞬间烧灼、炭化和汽化。因此，当光束以一定的速 度移动时，就能连续地切开组织。在切割的同时，小血管被 凝固，这样就能够减少出血。一般来说，功率密度为 105W/cm2-106W/cm2的时候，已经能使各种硬质难溶的金属 和非金属（如陶瓷）熔化或者汽化。当然也足以使生物体的 各病变部分（如肿瘤、疣、痔等）迅速汽化或炭化。 8 激光的 机械效应 在医学上较多用于泌尿道或胆道结石的粉 碎上。采用脉冲激光，使结石表面有非常高的能量密度， 最后使其裂解而将结石碎裂。 此外，激光还有组织的 焊接作用 效应，激光将相邻组织连 接起来需要把组织加热到 70 左右，在这个温度范围内， 组织内胶原的变化引发组织的物理特性改变，组织粘度增 加。事实上激光的焊接效应是利用聚焦的激光，对组织器 官的结构进行对接和重建。这个能量产生了胶原的交互形 的凝结，而对周围组织的损伤减少到最小。 另外，各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时， 对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部 血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢 性炎症反应促使炎症吸收好转。 百岁铁丹激光治疗仪 9 激光对生物体应用的优点 首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场 中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。 光对生物体一般无侵袭或低侵袭。 其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的 特性，可以非接触地作用于生物体，又可以利用 光导纤维将激光导入到生物体的深部； 第三，利用激光的高度的方向性，将其汇聚成 极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨 率的测定成为可能。激光的单色性和高能量的可 利用性是普通光所不能相比的。 最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互 作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需 要今后开发更加多种多样的新的应用。 10 激光在眼科治疗中的应用 治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精 密加工，控制折光率（矫正）的过程。眼 睛对光的折射由角膜与晶状体完成，角膜 折射作用比晶状体要大，因而只对角膜作 手术可以有效地矫正近视。近视本身一般 不认为是疾病，但用眼镜或隐形眼镜所矫 正不了的重度近视的情况，需要做这种角 膜手术。 11 激光在眼科治疗中的应用 光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的 193nm ArF准分子激光器。该波长光穿透深度浅且可精 密烧蚀。又因光子能量大，所以同时存在光化学 作用，可保证获得锐利整齐的切口，且切口边缘 的热损伤最小。 所采用的照射方法有两种：强度分布均匀的大口 径光束扫描切削和可变小口径光束的光斑切削。 在实际治疗中，先进行角膜形状的测定，确定烧 蚀量后进行激光照射。这种治疗方法不仅应用于 近视、远视和散光的矫正，还应用于角膜疾病的 治疗。 激光近视手术是怎样一个过程？ 12 激光在泌尿外科治疗中的应用 良性前列腺增生 (BPH)是一种仅在老年男性中普遍发生， 以进行性排尿困难为特征的疾病，其发病率随年龄的增长而 明显上升，近 50年来， 经尿道前列腺切除术 (TURP )几乎是唯 一的治疗选择，其疗效高（ 80%以上有效）、死亡率低（ 0.2%）。 尽管 TURP仍是治疗 BPH的 “黄金标准 ”，但是它有 18的并发症的发生率，并且费用高昂。因此，目前的有关 良性前列腺增生症的研究集中在药物治疗以及微创手术的研 究。后者（包括激光、微波、超声）的基本原则是使用热力 破坏前列腺的腺体。最常用的激光是 Nd： YAG激光，半导体 二极管激光和 Ho： YAG激光都可用来治疗 BPH。激光对腺体 的作用包括凝固和汽化两种完全不同的效应。凝固时，到达 100 的高温的蛋白质组织变性和坏死。前列腺腺体逐渐有腐 肉形成而达到治疗效果。而在汽化时，组织能够到达 300 的 高温，组织中的水分发生汽化，造成照射区瞬间的变化。能 量效应取决于激光波长、能量密度和照射时间。 前列腺绿激光治疗，男性朋友的福音 13 激光治疗前列腺增生时，使用特殊的光导 纤维，通过反复、直接地刺入前列腺，照 射后能够产生大范围的凝固性的坏死 ,随后 , 前列腺组织萎缩，而且组织不会发生腐烂 现象。 Nd： YAG激光和半导体二极管激光 是这种方法的光源。该技术的优点是治疗 的部位能够进行精确的控制，在治疗的同 时能够保护泌尿道粘膜不受损伤，减少了 尿路刺激症状和尿路感染。 绿激光前列腺汽化 14 激光治疗泌尿系统结石 Ho： YAG激光是最近发展起来的一种碎石方法。 其主要的机制可能是通过热力作用而产生的。激 光能量加热了光导纤维头端的水分，产生了气泡 , 迅速爆裂的气泡产生的震波击碎结石。由于钬激 光的能量是通过最表层的 0.5mm吸收的，将光导 纤维的头端精确地对准结石就能防止泌尿道粘膜 的损伤。使用钬激光能够碎裂各种成分的结石， 碎石的成功率大于 90。同时， Ho： YAG激光产 生的碎片比其他的方法要小。 钬激光治疗泌尿系统结石 15 激光在皮肤科治疗中的应用 为了有选择地破坏病变细胞（色素），必须利用吸收系数大的波长的 激光。血红蛋白被氧化时在 418nm、 542nm、 577nm波段具有吸收峰 值，而黑色素是在短波段中吸收被增大。病变部位在组织深处时，必 须考虑皮肤组织的光穿透深度。在波长的选择上，必须考虑病变细胞 的吸收系数与皮肤组织光穿透深度两个因素。例如，血红蛋白的情况 ，吸收强度在 418nm附近时最大，但考虑光穿透深度后多半利用 577nm或者根据情况采用波长更长的激光。此外，激光照射时间（脉 宽）也是重要的参数。即使激光在病变细胞中有选择性地被吸收，若 照射时间长，由于热扩散而周围组织受到热影响。因此导入了利用比 热扩散时间（热衰减时间）短的时间进行激光照射的概念。例如黑素 体的热衰减时间为 1s左右，因此要破坏它，根据病变部位的深度采 用脉冲宽为数纳秒至 100ns的红宝石激光器（ 694nm）、金绿宝石激 光器（ 755nm）、 Nd： YAG激光器（ 1064nm）等的各种 Q开关固体 激光器或脉冲染料激光器。但这并不说明脉宽愈短愈好。治疗血管瘤 的时候，有必要使血管壁也受热变形，但吸收主体为红血球（血红蛋 白），因此，若脉宽太短则只破坏红血球，对血管壁不起作用。 这样，因为使用短脉冲激光器减小了对正常组织的影响，从而能做到 不留疤痕的痣治疗。但是用高峰值功率激光器照射时会发生冲击波， 必须注意选择好照射条件，防止发生皮下出血和水肿。 16 激光在医学中的其他应用 临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽 化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压 电碎石；局部照射等，这些治疗种类就是 利用激光对生物体的光热作用、压电作用 和光化学作用。但是，在实际上，无论哪 种治疗，不一定只利用单一作用。 17 激光在医学中的其他应用 -激光手术刀 激光在聚焦平面上的光点最小，激光能量最集中 。激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或 功率的高度集中，人们把它当作手术刀用来切割 组织。如二氧化碳连续波的激光器，不仅能够切 开皮肤、脂肪、肌肉、筋膜、软骨，在 20秒之内 还可以切开肋骨。激光光点处巨大的能量和很高 的温度在切开的同时能够封闭凝结暴露于切口边 缘的小血管。由于激光的光点极小，所以切缘是 锐利的，对于周围组织的破坏很小。 激光手术刀 18 激光止血 效果也很令人满意，激光止血方法比目 前所应用的电烙法快 60倍，可使失血量大大减少 。动物试验证明，激光胃镜可将胃粘膜出血在数 秒内止住。在肝脏部分切除或者肝外伤试用激光 治疗，也能达到同样快速的止血。 激光是非常可靠的 黏着 工具，眼科利用激光凝结 视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历 史。激光用于眼科的临床特点是，照射后温度升 高局限于照射区内，不引起扩散性热伤害。二氧 化碳激光凝结可引起结疤、血管和淋巴管的封闭 和阻塞，还可以引起组织萎缩。 激光在医学中的其他应用 -激光止血、焊接 19 激光在医学中的其他应用 与激光聚焦形成细小的光点治疗相反，临 床上还可应用激光的散射来进行治疗。如 二氧化碳激光连续波散射可治疗下肢溃疡 、慢性鼻炎和副鼻窦炎；氦氖激光散射治 疗具有的止痒、镇痛、消肿和促进创面愈 合等作用。而且氦氖激光具有无痛感的特 点。离焦或者散焦照射治疗，对于神经性 皮炎、湿疹、神经性水肿、过敏性鼻炎、 外伤性肿胀、慢性溃疡等具有一定的疗效 。 20 激光在临床诊断中的应用 -光学 CT 作为典型的生物体断层成像手段， X射线 CT（ computed tomography）已被实用化。 X射线 CT围绕人体旋转小型 X射线源，由检测器阵列测 定 X射线透射量后进行数字化，再对这些数据以 特定的算法（ CT算法）利用计算机求解后构成断 层像（ tomography）。若利用组织穿透深度较 深的波长段的光来代替 X射线，以同样的方法也 可得到断层信息。这种方法（光 CT）以无侵袭地 实现生理学、生化学信息的图像化而引起广泛地 注意。与 X射线在生物体内直线传播不同，由于 散射，激光在生物体内会被扩散掉。散射光没有 确定的光路，得到的信号也没有确定的物理意义 ，