（光学专业论文）小鼠皮肤光生物过程的光学显微观察与分析.pdf

福建师范：k 学硕士学位论文 摘要 光与生命的相互作用是人类发展过程中的一个永恒主题，光美容是光与生物组 织相互作用的一个主要的应用，近年来光美肤术风靡整个世界，但是其作用过程及 光与皮肤相互作用的机制至今还没有得到正确地认识，在临床上，时时受到并发症 的困扰，其并发症内部的机理也不为人所知。这也是作者开展这个课题的意义，本 论文结合动物实验与数值模拟，在亚微米数量级上研究非消融性光子嫩肤的作用及 其美容的效果以揭示光与皮肤组织相互作用过程产生的效果。 论文的内容主要包括以下五部分： 夺简要介绍了光美容的历程与现状，提出目前存在的问题，揭示本论文的选 题意义及拟解决的方案，概括其主要研究内容。 夺讨论了光子嫩肤的作用，重点说明了选择性光热解的原理，描述皮肤老化 形成的原因及其病理上的表现，为实验提供了理论基础。 夺简要介绍本论文实验仪器的特点、应用及其在本论文实验中的具体应用， 通过预实验来说明这些仪器在本论文中应用的可行性。 夺丌展使用光子嫩肽仪及e r ：y a g 激光对活体鼠皮相互作用的实验研究。对实 验结果进行总结，分析光子嫩肤仪和e r ：y a g 激光作用下皮肤，特别是真皮 层的改变情况。通过激光共聚焦显微镜、微分相干衬显微镜对作用不同参 数的鼠皮在形态学上进行显微观察，通过对实验组和对照组样品病理切片 进行组织形态学上观察作为辅助比较，用双光子显微镜测量在光作用前后 二次谐波及荧光光谱的变化情况。 夺作为扩展研究，利用皮肤的一些经验值，用蒙特卡罗模拟运算在与实验相 同参数下作一部分近似简化来得到生物组织体内的光能量分布及温度的变 化。 关键词：光子嫩肤；皮肤老化；非消融性；选择性光热解：激光共聚焦显微镜：微 分相干衬显微镜；双光子显微镜：数值模拟 桶建师范大学硕：i ：学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e r a c t i o no fl i g h ta n dl i f ei sap e r m a n e n tt o p i cd u r i n gt h ep r o c e s so fh u m a nb e i n g d e v e l o p m e n t o n eo fw h i c hm a i na p p l i c a t i o ni sp h o t o r e j u v e n a t i o na n dl a s e rc o s m e t o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，p h o t o n r e j u v e n a t i o ni sf a s h i o n a b l ei nt h ew o r l d b u tt h et h e o r e t i c a ls t u d y a n dt h ei n t e r a c t i o no f p h o t os k i nw e r es t i l ls od o o r a n dt h e ns u f i e r e r sa n dp h y s i c i a n sw e r e u n d e r g o n gb yc o m p l i c a t i o ni n c l i n i ca n dt h em e c h a n i s mw a su n k n o w n ，w h i c ha r et h e s i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c tw eh a v e t h i st h e s i sw a sd e v o t e dt os t u d yt h em e c h a n i s mo f t h en o n - a b l a t i o np h o t o r e i u v e n a t i o na n de v a l u a t i n gt h ee f f e c ta f t e rt r e a t m e n t si n s u b m i c r o m e t e ru s i n gt h em e a n so fc o m b i n i n gt h ea n i m a le x p e r i m e n t a la n dn u m e r i e a l a n a l y s i s s oa st od i s c l o s u r et h ep r o c e s so f t h ei n t e r a c t i n gi np h o t o s k i n t h ep a p e rw a sc o m p o n e n t e do f t h ef i v ep a r t sa sf o l l o w s 夺i np a r to n e t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fp h o t o r e j u v e n a t i o nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n g t h eh i s t o r ya n da c t u a l i t y ，w a sd e p i c t e di nb r i e f t h ep r o b l e mi np r e s e n ta l s ow a s p o i n t e do u ta n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a se x p o s e do u t t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t so ft h ep a p e rw e r es u m m a r i z e d 夺i np a r tt w o ，t h em e c h a n i s mo f t h ep h o t o r e j u v e n a t i o nw a sd i s c u s s e d ，t h em a i np a r t o fw h i c hw a st h es e l e c t i v ep h o t o t h e r m o l y s i s ，t h e nt h er e a s o no ft h ef o r m a t i o no f a g i n gs k i na n dt h a td i s p l a yi np a t h o l o g yw a sd e s c r i b e d t h i sp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a l b a s i sf o re x p e r i m e n tr e s e a r c h t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so ft h ea p p a r a t u su s i n gi nt h ee x p e r i m e n tw a s d e p i c t e di nb r i e f a n dt h e na u t h o rh a v ed i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p a r a t u si n t h i st h e s i s se x p e r i m e n tt h r o u g ht h ep r e - e x p e r i m e n t 夺the e x p e r i m e n tr e s e a r c h w h i c hm a j o ri ni n t e r a c t i o no fi n t e n s ep u l s el i g h ts o u r c e a n de r ：y a gl a s c ri n r a t v i v os k i nw e r em a d e t h er e s u l to fc o m p a r e dg r o u pa n d e x p e r i m e n tg r o u pw a sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d i nd e t a i l ，t h er a ts k i na f t e r i n t e r a c t i o nb y i p l ，e s p e c i a l l yt h ec h a n g eo ft h ed e r m a sw a sa n a l y z e d t h e m o r p h o l o g i cc h a n g e so fr a t s k i nw e r eo b s e r v e du s i n gl a s e rs c a n n i n gc o n f o c a l m i c r o s c o p ya f t e ri r r a d i a t e db yi p li nd i f i e r e n tp a r a m e t e r s a n dt h e nt h et i s s u e s e c t i o n i n g w e r em a d e a n ds t a i n e dw i t hh e d y e sa st h ea s s i s t a n tc o m p a r e t w o p h o t o nm i c r o s c o p ya n a l y s i s e st h ec h a n g e s o fs e c o n dh a r m a n i cg e n e r a t i o na n d f l u o r e s c e n c es p e c t r u mb e t w e e np r e a n da f t e rl i g h ti r r a d i a t e d 夺a sas u p p l e m e n t a r ys t u d y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo p t i c a le n e r g ya n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nr a ts k i nw e r ec a r r i e do u t ，u s i n gt h eo p t i c a la n dt h e r m a l p a r a m e t e r so ft h es k i nw h i c ho b t a i n e db ye x p e r i e n t i a lv a l u e ，a n dt h e nw h i c hr e s u l t s w a sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ea n i m a le x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：p h o t o r e j u v e n a t i o n ，r a ts k i n ，s e l e c t i v ep h o t o t h e r m o l y s i s ，n o n a b l a t i o n ， l a s e rs c a n n i n gc o n f o c a lm i c r o s c o p y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 福建帅范人学坝一i ：学位论文 中文文摘 光与生物组织相互作用过程的研究一直是生命科学研究中的个热门课题，而 光与皮肤组织相互作用更是在很大程度上与人的生活息息相关。光子嫩肤与激光美 容是近年来发展起来的光学美容技术，其基本作用机制是选择性光热解。随着社会 的进步，光使皮肤年轻化的手术已经发展成为结合收紧皮肤和重建皮肤质地的有效 手段，而非消融性光子嫩肤术的发展有赖于对生物组织光热响应理论的研究。到目 前为止，国内外该研究还没有任何有说服力的文章出现，而且实验结果差异也很大， 即使是相同波长的光辐射及治疗参数也会得出不同的实验结果，同时，也缺乏对各 种波长的光源在光予嫩肤实验中的比较研究，对于动物的实验则鲜有报道，其嫩肤 本身内部的作用也没有一个值得认可的提法。 在第1 章中，首先概述了激光美容和光子嫩肽的研究背景及本论文的选题意义。 其次对激光美容在近几年的研究现状进行说明，a n d e r s o nr r 和p a r r i s hj a 于1 9 8 3 年在( ( s c i e n c e ) ) 发表文章，首次提出了选择性的光热解效应，初步奠定了激光在皮 肤外科手术特别是美容医学中应用的基础。本节分别从消融性的激光皮肤烧灼技术 和非消融的激光技术来论述近年来国际上对激光美容方面的研究情况，总结各种方 法的优缺点。并提出这些研究现状及目前很多美容机构在临床上所存在的问题，提 出本论文研究的出发点，研究方法，拟解决的问题：通过对动物模型观察在不同的 辐射波长、脉宽和能量密度下，i p l 作用前后皮肤中真皮上层的胶原变化情况及实 验具体的情况，得出了i p l 作用的最佳能量密度和方式，并通过数学模拟来验证， 为i p l 技术的临床应用及进一步的研究提供了理论基础。对于配备不同滤波装置的 强脉冲光源在光子嫩肤实验中也进行了比较研究。同时，从光热响应的理论出发， 将计算机模拟和实验结果相结合，研究i p l 光照射皮肤组织的光子分布和组织的温 度分布，得到在一定的参数下i p l 作用的最佳参数，这对i p l 应用于指导临床及光 予嫩肤机制有重要的意义。最后，简要概述本论文主要完成的工作。 在第2 章中，首先介绍了皮肤的结构，论述了老化皮肤与年轻皮肤在形态学上 的区别，主要从i 瞄床上、真皮、表皮和生物物理性质等方面来论述，指出真皮中的 胶原纤维种类的含量是体现皮肤是否老化的标准。其次介绍了光与皮肤的热作用及 其传热模型，主要从光在皮肤中传输的光学性质和热学性质来说明，并建立皮肤组 织的损伤模型。指出胶原纤维在温度达到6 0 一7 5 时就会发生胶原变性，导致凝固 i i 桶建师范大学颁一i ：学位论文 坏死，这也是嫩肤产生效果的底限温度。最后阐述了目前光子嫩肤的基本作用即选 择性光热解，重点讨论选择性光热解产生作用的三个必备条件，即波长要合适一一 选择的光波长决定了选择性光热解作用可以实现的深度；辐射曝光时间的选择( 脉 宽) 一一应小于或等于靶组织的热驰豫时间；辐射曝光剂量的选择( 能量密度) 一一 选择能在靶组织上产生足够温度，使之破坏的合适能量。 在第3 章中，论述了在本论文实验中所使用的探测、观察仪器，即：激光共聚 焦显微镜，双光子荧光显微镜和微分相干衬显微镜三个系统。从仪器的原理、用途 等方面来阐述，并具体应用于本论文的实验中，通过预实验讨论其可行性，利用激 光共聚焦显微镜反射式可以用于活体观察不同时间小白鼠在光的作用后其胶原层的 变化情况，比如：胶原纤维和弹性纤维，该方法到目前还没有看到其他相关的报道。 使用激光共聚焦系统中普通的光学显微镜来观察在h e 染色的切片进行观察，主要 获取胶原纤维的改变情况及定量的分析在不同的能量密度下胶原层增加的量。用双 光子显微镜的l a m b d a 模式得出在i p l 和e r ：y a g 激光作用前后胶原层的自体荧光和 二次谐波光谱的情况，并得出荧光和二次谐波的光谱图并初步分析其变化。而d i c 系统，主要是定性的分析在i p l 和e r ：y a g 激光作用下无染色切片的形态变化与密 度和折射率的变化情况。 在第4 章中，就活体小鼠皮肤进行实验研究，丌展使用光子嫩肤仪和e r ：y a g 激光对活体鼠皮相互作用的实验研究。使用了i p l 中5 6 0 1 2 0 0 n m 、5 8 5 1 2 0 0 n m 、 6 4 0 1 2 0 0 n m 三个治疗头和e r ：y a g 激光进行实验，包含了非消融性和消融性两种仪 器，并对实验的结果进行统计并分析总结，分析光美肽后皮肤的变化，特别是真皮 层的改变情况。通过激光共聚焦显微镜对作用不同参数的鼠皮的形态学上进行显微 观察，通过对实验样品做病理切片进行组织形态学上观察作为辅助比较。得出在i p l 作用下，较佳的波长是5 6 0 1 2 0 0 n m ，而较合适的能量密度为2 2 - - 2 6 j c m 2 之间。对 于非消融性的光子嫩肤术与消融性的e r ：y a g 激光美容相比较，e r ：y a g 激光美容的 效果比光子嫩肤术要好，因为e r ：y a g 的吸收波长为2 9 4 0 n m ，是在胶原蛋白吸收的 波段中，所以在该波长所吸收的能量也较多，当然e r ：y a g 对皮肤的损伤也是最严 重的，出现了出血现象，并发症也严重得多。 第5 章，作为扩展的辅助研究，利用以往前人实验所得出小白鼠皮肤的一些光 学参数，用蒙特卡罗进行模拟，模拟在与实验相同条件下生物组织体内的光能量分 福建师范火学坝：l ：学位论文 布及温度的变化。光子嫩肤与激光美容的效果主要是体现在真皮层中的胶原纤维达 到定的温度以后，破坏胶原蛋白，使胶原凝固坏死引起变性，这个过程主要是热 效应过程，忽略其他因素的影响，把到达组织吸收的光能全部转换为热能，则吸收 的功率密度分布就是组织中热源部分的来源，组织产热的量可以利用边界条件、对 流及传导过程，计算组织中的温度场，而把光子传输问题转换成热学问题。在本章 中，首先用m o n t e c a r l o 方法模拟得出了在i p l 表面照射下皮肤组织内的光能量分布， 并将光能量看作组织内唯一的热源，忽略其他作用。其次，基于p e n n e s 生物传热方 程用m a t hc a d 数值模拟计算得出在不同的参数下组织内的温度分布情况。最后， 结合实验结果，分析实验与模拟的区别，得出结论。在光子嫩肤的温度模拟中，5 6 0 1 2 0 0 n m 波长的治疗头所得的结果中，可以看出1 4 j c m 2 的能量密度中，表面温度 上升大约2 t c ，而在距离表面2 0 0um 处总温度只有5 5 c 左右，其嫩肤的效果不明 显，而当能量密度为2 4 j c m 2 时，表面温度上升到11 2 。c ，在2 0 0 u m 处的总温度达到 9 0 。c 左右。其效果与实验结果基本一致，敝对实验一k v , j 操作具有指导意义。 第6 章，对本论文的内容进行总结，并提出下一步研究的方向和内容。 总之，本论文是作者利用小白鼠作为动物模型来对光与皮肤组织相互作用的初 步探讨，利用多利一实验手段来研究不同的光与小白鼠皮肤作用效应的一些结果，同 时也l d ( 得了初步的成果，i ：与模拟做比较，这些初步的实验结果将为光美容术内部 机理的进一步研究提供参考与借鉴，并有待于进一步的改进与完善。 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 圣经故事中，上帝即创造了光，又创造了人。史前以来，人类都在不断地追问 光与生命的相互关系，产生了历久弥新的光生物医学学科，特别是6 0 年代第一台激 光器问世并应用于生物医学后，光生物医学已成为一门蓬勃发展的学科。激光技术 不仅渗透到生物学的研究中，而且越来越广泛地应用于基础医学和临床医学。随 着人们生活水平的不断提高，医学激光器发挥了激光器的最大潜力，而美容保健、 整形术等更是越来越占据着重要的地位“1 。 皮肤是人体与外界接触面积最大的一种器官，头颈部和四肢色素性病损和血管 性病变、皮肤过早的衰老等时常影响人们的容貌，它不但是生理的问题，而且常常 还会引起患者严重的心理障碍，所以才会有“美容皮肤科学心理学基础”这一学科 的出现。激光诞生后，使一些美容整形外科中颇感棘手的病损，如血管瘤，太田痣 等成为可能，并实现了人体皮肤的“返老还童”( r e j u v e n a t i o n ) 。 随着光医学领域的广泛应用，强脉冲光和激光与组织的相互作用领域已经取得 越来越多的成果。在光与组织的相互作用中，利用选择性光热对细胞的结构进行重 组已经在激光外科术中占据越来越重要的地位。利用光使皮肤年轻化的手术己发展 成为结合收紧皮肤和重建皮肤质地的有效手段，虽然使老化的皮肤年轻化的愿望可 以追溯到古代( c l e o p a t r a 用皮肤磨削技术和化学剥脱液来维持自身的美丽) ，但是利 用光重建老化皮肤也是数千年来的一个全新的换肤技术。 光美容医学研究始于2 0 世纪8 0 年代初，该领域能迅速发展主要得益于“选择 性光热解作用”的理论。1 9 8 3 年，a n d e r s o n r r 和p a r r i s hj a 提出了选择性光热解作 用，即所谓的“光热分离”概念，其含义：根据不同组织的生物学特性，选择合适的 波长、能量、脉冲持续时间，以保证对病变组织进行有效治疗的同时，尽量避免对 周围的正常组织造成损伤，选择性光热解理论，奠定了光应用于皮肤外科的基础。“。 美容医学中的光除皱术( r e s u r f a c i n g ) 始于1 9 8 9 年，s p a d o n i d 及c a i n c l 以普通脉 冲c 0 2 激光为1 3 0 例病人进行除皱治疗并取得了满意的疗效”：1 9 9 5 年b i r e r p h 博 士提出了强脉冲光( i n t e n s ep u l s e dl i g h t ) 的p h o t o f a c i a l 技术概念并于1 9 9 8 年首先报 道了光子嫩肤技术“1 ；1 9 9 7 年，n e l s o nj s 等人最先提出了非消融性激光嫩肤的概念 ”1 ；1 9 9 7 年，调q 的n d ：y a g 激光首次用于光嫩肤除皱”1 。1 9 9 9 年，z e l i c k s o n 等首 次用5 8 5 n m 的脉冲染料激光治疗中、重度的面部皱纹”1 。2 0 0 0 年，a l o r a 等人创造 了“s u b s u r f a c i n g ”这一新词汇，专门用于描述这种非消融性光美肤的方法”：多种 福建师范大学硕| ：学位论文 光随后被用于这一问题的研究中。 1 2 光美容的研究现状 a n d e r s o nr r 和p a r r i s hj a ”1 于1 9 8 3 年在( ( s c i e n c e ) ) 发表文章，首次提出了选择 性的光热解效应，初步奠定了光在皮肤外科手术特别是美容医学中应用的基础。激 光皮肤换肤开始于2 0 世纪8 0 年代，最先使用的是连续波长的c 0 2 激光系统，到目 前，已用于换肤的系统有： 夺消融性激光皮肤烧灼技术：1 0 61 a m 的c 0 2 激光器“”和e r ：y a g 激光，当然， 损伤性的烧灼技术带来了该种治疗的缺陷，需要长时间的恢复时间和严重 的副作用与并发症。 夺非消融性激光技术：如5 3 2n m 倍频n d ：y a g “2 1 激光涨t p 激光) 5 8 5n l n 脉 冲染料激光( p d l 激光) 1 0 6 4 n m q “3 1 开关n d ：y a g 激光“4 11 3 2 0 n m 长脉宽 n d ：y a g 激光“9e r ：g l a s s 激光器，i p l “”( i n t e n s ep u l s e dl i g h t ) ，电外科学系 统“7 。1 、l e d 光线疗法“”等。 以下分别简要介绍各种消融性与非消融性的换肤仪器： 1 ) c 0 2 激光器 c 0 2 激光激发波长为1 0 6 9 m ，为组织中水强烈吸收，此过程中大部分光能转化 为局部的热，所以c 0 2 激光具有较浅的组织穿透力。皮肤浅层组织上的水在激光能 量穿入更深的部位前将其吸收。许多作者认为用c 0 2 激光治疗颈部皮肤是安全的”o ， 而f i t z d a t r i c 姘n g 0 1 d m a n 则报道用c 0 2 激光器治疗后形成瘢痕的发生率很高。”1 。 2 ) e r ：y a g 激光器 e r ：y a g 激光器发射波长为2 9 4 0 n m 的光，水的最大吸收峰正处于这个波长上， 由于它在组织水中的吸收量增加，所以e r ：y a g 激光能产生极浅的清除坑，热损伤很 小。而该激光器的波长和最佳的胶原吸收峰( 3 0 0 0 r i m ) 一致，这表明它可被胶原选 择性地吸收。当然，该e r ：y a g 激光器治疗会有皮肤过量出血的现象，它的最大限制 是要求多层的治疗改善，特别是痤疮和深层皱纹忆2 。 t e i k e m e i e r 和g o l d b e r g 等在世界上首先用e r ：y a g 激光器对患者进行表面的皮肤 整容，他们的结果显示经过两个月的治疗，所有的患者皮肤都有一定程度的改善”“。 g o l d b e r ge ta l 用e r ：y a g 激光器x , - j f i t z p a t r i c k l i i 皮肤进行治疗，6 个月以后取得预期的 效果，得出结论：e r ：y a g 激光器能成功的治疗f i t z p a t r i c k i i i 皮肤”。 3 ) 联合c 0 2 和e r ：y a g 型的激光器 g o l d m a n 等利用了联合瞬时低能流率的c 0 2 激光和短脉冲的e r ：y a g 激光“”1 ，这 样的激光器结合可以得到程度更深的热损伤和更大量的胶原重组。m a n u s k i a t t ie ta l 第1 章绪论 最早评估了c 0 2 和e r ：y a g 激光联合治疗的效果”。其报道表明，用c 0 2 和e r ：y a g 激 光联合的方法比其中任意单独的方法都要好，而且出现的并发症也非常少。 4 ) n d ：y a g 激光器 n d ：y a g 激光器足第一个被应用于嫩肤的非消融激光器。q 丌关n d ：y a g 激光包 含有1 0 6 4 n m 和倍频5 3 2 n m 两种波长。q 一开关n d ：y a g 激光能够穿透更深的皮肤组织， 它所期望的组织反应是皮肤立即变白“1 。g o l d b e r gdj 对该激光器的治疗进行了2 次的 研究，第一次g o l d b e r g 报道t 9 7 患者的皱纹得到轻微的改善“；第二次他报道了 有7 5 的患者的皱纹得到相当好的改善。g o l d b e r g 于2 0 0 1 年对非消融的i p l 和 1 0 6 4 n mn d ：y a g 进行对比性治疗，结果指出对于全面部的整形治疗，n d ：y a g 激光 优于i p l 。 1 3 2 0 n m n d ：y a g 激光也属于非消融性激光，g o l d b e r gd j 。”等对1 0 位女性的 f i t z p a t r i c ki - i i 型皮肤进行了全面部的治疗，患者的皮肤都有很大的改善，并有新 的胶原蛋白产生。k e l l y 等对1 3 2 0 姗的n d ：y a g 激光进行实验研究，对中轻患者取 得不错的效果；而对于严重患者则成效差，l e v ye ta l 也对此做过实验研究。，综合 众多的结论表明1 3 2 0 n m n d ：y a g 激光是非消融性的技术。 5 ) e r ：g l a s s 激光器 1 5 4 0 n m 的e r ：g l a s s 激光器和1 3 2 0 n m n d ：y a g 激光器相似，都是新型的、中红外 波长的激光器，黑色素的最小吸收能量是在这个波长上，可较安全的治疗较黑的皮 肤。早在1 9 9 9 年r o s s 已经用e r ：g l a s s 激光器来进行非消融性的皮肤重组，但是由于不 充分的参数设置导致了太多的热损伤的破坏o “1 。采用该波长但是不同的发射参数， m o r d o n 等在动物上模拟这种激光可以使胶原紧缩同时合成新的胶原，并保存了表皮 的覆盖层”。j a s o n 等在2 0 0 2 年研究了这种新兴的1 5 4 0 n m e r ：g l a s s 激光器对于脸部换 肤的临床和组织效应，对于轻度到中度的口周和眼周用e r ：g l a s s 结合冷凝设置进行3 个月的一系列的治疗，结果表明该激光对于该症状的治疗可取得良好的效果，并把 可能出现的严重后遗症减d , n 最低程度”。 6 ) 脉冲染料激光器( p u l s e dd y el a s e rp d l ) z e l i c k s o n 是第一个用脉冲染料激光器治疗光老化皮肤的，临床结果显示1 0 个人 当中有9 人获得5 0 以上的中、轻微改善；有3 人得到7 5 的大改善，同时存在较多 的并发症5 。b i e r r i n g 等系统报道用染料激光器的换肤状况，由于他用的能量较低， 所得的结果与z e l i c k s o n 不同，基本没有并发症记录“0 1 。 祸建师范大学硕：i ：学位论文 7 ) 强脉冲光( i n t e n s ep u l s e dl i g h ti p l ) 强脉冲光是一种非激光光源，它由单脉冲或者多脉冲序列的非相干、频率范围 较宽的高能量密度光脉冲构成。利用滤光片滤去波长较短的紫外光之后，它以宽光 谱的强脉冲光源( i p l s ) ( 5 6 0 一1 2 0 0 n m ) 应用其高能光子源能提供稳定的能量输 出，将广谱的强光辐射至皮肤的深层，有效作用于目标组织，它利用皮肤组织对不 同波长的光选择吸收和光热解的原理，作用于不同的靶组织，使皮肤组织中的胶原 纤维和弹性纤维重新排列，刺激胶原蛋白的增生，产生新的胶原蛋白，从而达到皮 肤年轻化的效果“。 作为无损伤皮肤光子美容技术，强脉冲光美容和传统激光美容相比，特点如表 1 1 所示： 表i 1 ：i p l 与激光的区别”1 ： t a b l 1 ：d i f f e r e n c e sb e t w e e ni p la n dl a s e r 。 l p l激光 非连续光连续光非连续光 多波段( 多乜) 光单色光( 单波段) 非平行光 平行光 非激光但效果相似于激光波k 5 6 0 - 1 2 0 0 n m不同激光不同波长 到目前为止，使用强脉冲光设备治疗面部皱纹的效果比激光治疗的效果差”“， 但对于血管病变的光子美容治疗表明在不产生皮肤紫癜等副作用的能量水平下强脉 冲光治疗能够比激光治疗取得更好的效果“。最近b i e r r i n g 等人对强脉冲光系统采 用两种不同的频率段的光谱对光子美容的效果作了研究。他对同一台光子嫩肤仪装 置采用两种具有不同截止频率的双模式滤光技术，使得实际输出光波长分别为 5 5 5 n m - - 9 5 0 n m 和5 3 0 n m - - 7 5 0 n m ，分别对毛细血管扩张、红斑、色素沉着进行了比 较治疗研究。结果显示两种不同频段光谱的强脉冲光均能对上述病症产生良好的效 果“。i p l 相对于传统的治疗方法，如损伤性的物理磨削技术、化学剥脱技术、c 0 2 激光或铒激光烧灼技术等具有非创伤性、非烧灼性，以及术后并发症少，恢复时间 短等优点：相比非损伤性的倍频n d ：y a g 激光器( k t p 激光器) 、1 0 6 4 n m q 开关 n d ：y a g 激光以及1 3 2 0 n m 长脉宽n d ：y a g 激光等单一波长的激光治疗方法，同样具 有更广泛的治疗适应性的优势。 目前存在问题： 1 ) 从以上的说明，我们可以看出大量调查研究都是在换肤手术后的，许多实验 第l 章绪论 都没有重复性，许多地方还需要继续研究，特别是一些“度”与“标准”的问题， 如果对于同一参数的设定治疗，对于解释术后的改变必须要有可比性，所以还需要 做不断的努力。各种方法都存在它自身的缺陷和实际操作的困难，比如在用i p l 进行 换肤前要定的指标“，所以各种技术的使用都需要操作人员对患者各种类型的皮 肤、各种不同的适应症采用何种方法，如何设置参数等具有相当的经验。 2 ) 现有的激光美容与光子嫩肤术中，用来评判手术是否成功和术后疗效只有一 种方法：就是术前、术后照片的对比，也就是纯粹靠人眼来鉴别，根据表面的效果 和光泽度进行比较而已，只有一报道是说明p h o t o g r a p h s 、s i l i c o n ei m p r i n t s 、u l t r a s o u n d i m a g i n g 、b i o p s i e s 来评判”还没有进一步深入研究其细胞内部结构改变的情况。 3 ) 尽管激光美容与光子嫩肤技术在近年来取得很大的成功，但是并发症始终都 没有停止过，而且有些并发症”1 ”是不能预料的，其病理也是不为人所知的。如： 在央视2 0 0 6 年4 月2 号的焦点访谈”“中报道了河南省南阳市的一位女士在3 年前做 的光子嫩肤术，导致她现在的毁容事件。这就更迫切需要对光与生物组织特别是激 光和强脉冲光与皮肤组织的相互作用过程的进行研究认识，同时，也需要对治疗过 程进行精密控制，对一些并发症的现象要有深入的了解。 非消融性光子嫩肤术的发展有赖于对生物组织光热响应理论的研究。现在国外 从事该研究的主要有美国的n e l s o n ，r o s s ，a l o r a d x 组$ 1 1 g o l d b e r g d 、组等人，但是迄 今为止还没有任何有况服力的文章出现。在各种实验中，波长为5 8 5 n m ，5 9 5 n m ， 1 0 6 4 n m ，1 3 2 0 n m ，1 4 5 0 n m 的激光和配备不同波长滤波装置的强脉冲光源也先后用 于非消融性的光子嫩肤治疗中，但实验结果差异很大，即使是相同波长的光辐射及 治疗参数也会得出不同的实验结果，同时，也缺乏对各种波长的光源在光子嫩肤实 验中的比较研究”。以上所列举的都是直接在人体做的临床研究跟踪，而对于动物 的实验则鲜有报道，其嫩肤本身内部的机理也没有一个值得认可的提法。在国内起 步比较晚，到目前为止几乎没有对选择性光热解的机理进行研究的报道。 针对上述情况，在本论文中我们通过对动物模型观察在不同的辐射波长、脉宽 和能量密度下，i p l 作用前后皮肤中真皮上层的胶原变化情况及实验具体的情况，得 出了i p l f l ；) j 的最佳能量密度和方式，并通过数学模拟来评估，为i p l 技术的临床应 用及进一步的研究提供了理沦基础。对于配备不同滤波装置的强脉冲光源在光子嫩 肤实验中也进行了比较研究。同时，我们从光热响应的理论出发，将计算机模拟和 实验结果相结合，研究i p l 光照射皮肤组织的光子分布和组织的温度分柑，得到在一 定参数下i p l 作用的最佳能量值，这对i p l 应用于指导临床及光子嫩肤机制有重要的 福建师范大学硕士学位论文 意义。 我们以设计和开发更科学、更适应市场的光治疗设备，为皮肤美容外科术提供 一种安全、副作用小、恢复时间短的非消融性光疗方法，从而促进光医疗产业的发 展。我们拟使用多种显微技术来综合建立一个嫩肤的标准，以此来评判是否真正达 到嫩肤的效果。 1 3 本论文完成的主要工作 本论文分别利用l s c m 、t p e l s m 和d i c 三种显微技术以亚微米尺度长时间地 定点跟踪观测皮下组织细胞在治疗和修复过程中的变化情况，( 还没有在国内外见到 相关的报道) 从而更深入地研究光与皮肤组织的相互作用。 主要完成如下工作： 首先，对光谱技术以及生物组织的光热响应的基础理论研究。并研究光子嫩肤 的原理一一选择性光热解，并说明光美容的研究现状，并给出老化皮肤和年轻皮肤 在显微镜下的标准，为实验研究提供理论基础。 其次，对l s c m 、t p e l s m 及d i c 三种显微系统基本结构、基本原理、基本功 能的区别及应用等进行系统总结，并针对本论文实验的客观条件，选择合适的显微 镜来观察相关的内容，并通过预实验论述其可行性。 再次，研究i p l 的不同参数( 波长、强度、脉宽、作用时间) 等对皮肤组织的 作用效果。山于我们所做的是基础研究，人体样品的获得对我们来说有较大的困难， 故我们拟使用昆明小白鼠作为动物模型( 当然鼠皮与人皮还是有一些区别的，但是 这并不影响我们实验的可行性及实验意义) ，通过肉眼观察，激光共聚焦显微镜，进 行活体观察，对不同参数的治疗及修复进行显微跟踪，分析所产生的不同现象，并 研究其机理：再用普通光学显微镜、微分相干衬显微镜对其切片进行观察；最后用 双光子荧光显微镜对其美肤前后做相关的荧光光谱分析。本论文主要是对组织非消 融性进行不同角度的分析，获得光与皮肤的作用即嫩肤的效果。通过使用e r ：y a g 激光对鼠皮的作用作为比较，初步对比消融性与非消融组织的在细胞显微结果上的 区别，以此来进一步地论证不同的光源与皮肤组织相互作用取得的不同效果。 最后，作为辅助研究，我们应用前人所取得的实验经验，结合蒙特卡罗光传输 模拟对宽光谱的强脉冲光源进行模拟，得出光在皮肤中的传输光谱。并建立热损伤 动态模型，应用m a t h c a d 软件编程对结合冷却条件下的激光辐照生物组织光热响 应进行数值模拟，以作为动物实验结果的参考并比较。 第2 章光予嫩肤的作用与评价 第2 章光子嫩肤的作用与评价 2 1 引言 光子嫩肽是近年来迅速发展起来的一种非消融性光学美肤方法，研究它与皮肤 组织的一些作用必须首先要认识理解皮肤的组成结构。本章首先介绍皮肽组织的结 构，论述了老化皮肤的在临床上、表皮、真皮和生物物理上的改变；其次简要说明 光与皮肤热作用及其生物传热模型，主要从光学性质和热学性质上来讨论；最后重 点论述现有光子嫩肤的作用，并总结提出光子嫩肤的评价标准。 2 2 皮肤结构 2 2 1 皮肤结构介绍 人体皮肤是人体中面积最大的器官，其质量大约是人体总质量的1 5 ，成人的 皮肤面积人约为1 5 m ：。皮肤由表皮( 角质层，厚度约1 0u m 、含水量3 0 ：表皮下层， 厚度约1 0 0u m 、含水量7 0 ) 、真皮层( 厚度约1 0 0 0 4 0 0 0 um ，含水量7 0 ) 和皮下脂 肪构成如图2 1 ) 。主要包括神经、血管、腺体和毛囊。皮肤是体外侵害的屏障，其 功能包括保护人体免受外界侵害、抑制人体水分的损失、外部辐射的吸收和抑制、 温度调节、感知器官和免疫监测”一”。 图2 1 皮肤的结构 f i g2 - 1t h es t r u c t u r eo f s k i n 真皮层一般不含黑色素。胶原和弹性纤维的直径一般与可见光和紫外光波长相 当或略大，因此它们是真皮层主要的散射体。胶原组织的质量约占脱水皮肤质量的 福建师范火学硕：i ：学位论文 7 5 ，是皮肤弹性张力的主要来源。二个胶原链便形成一个胶原分子。胶原分子之 间在细胞外交叉边结形成胶原纤维。小纤维会形成小的纤维群或纤维，这种纤维群 或纤维可用光显微镜来观察。纤维再形成较大的纤维束。弹力纤维的质量约占真皮 蛋白质的4 ，它编织成一个网格，并与胶原束相邻，增强了皮肤的弹性力o 4 1 。 2 2 2 老化皮肤 2 2 2 1 皮肤老化人类皮肤的老化是一种多环节的生物学过程，是机体成熟期以后 皮肤结构和功能发生退化的综合表现。皮肤老化的机理到目前为止还未完全阐明， 总的来说有遗传学说( 程序的) 和环境因素( 随机的) 学说，皮肤老化主要体现在 下列： 1 、内源性：自然衰老的过程，又称固有性老化与遗传因素、年龄有关 2 、外源性：外界刺激、紫外线、地心引力等比如：臭氧层的破坏、太阳风暴。 2 2 2 2 皮肤衰老在形态学上的改变 皮肤老化组织的变化一一主要从表皮和真皮两部分来分析皮肤衰老的机理如图 2 2 ”1 所示，而真皮层中对皮肤老化起决定性作用的是胶原纤维和弹力纤维，如下并 从生物物理的改变上详细说明“1 ： 1 、临床上总体的表现：衰老的皮肤薄而且多皱纹，水分减少，只有年轻时的 5 0 一6 0 ，直观的表现是：皮肤松弛粗糙干燥，皱纹增加，弹性减少，萎缩，色 素沉着，角化等。 2 、表皮的表现：稍为扁平，细胞数量减少。但各层细胞数量的减少不一致，变 异较大。基底细胞的形状、大小差异亦较大，排列凌乱；棘层细胞的大小、形状不 一，并有许多透明细胞。由镜检观察到老年人暴露部位的表皮变化与某些癌前期疾 病如老年性角化病的改变等很相似。老化皮肤构型( 皮沟错综复杂分割的几何图形) 不规则，甚至消失，而年轻皮肤存在很好的规则：老化表皮变薄，表面增生能力减 退，表皮突消失：胞质浓缩，胞核皱缩，角蛋白细丝聚集。 3 、真皮的表现： 夺胶原纤维：真皮显示胶原蛋白束的收缩弹性纤维变性，胶原变硬，部分纤 维束有散丌现象。 夺弹力纤维：乳头上部的弓形和树枝状终末纤维消失或变粗而凌乱，网状层 内弹力纤维改变。弹力纤维的化学组成在变异，真皮的这些变化是外观上 皮肤老化现象的基础，而且也是表皮老化的由来。 夺成纤维细胞和肥大细胞数目减少。 第2 章光予嫩肤的作用与评价 4 、在生物物理改变 夺胶原纤维抗张强度增加，这是因为交联增加以及纤维变直，更难以伸展。 夺皮面构型改变或消失，角质层应变能力减退，承受机械应力能力减弱，更 易产生龟裂。 夺真皮、表皮接界面变平，表皮上表面凹凸不平，皮肤对切变力抗力减退， 外伤时较易被撕裂。 夺真皮弹力纤维网破坏，弹性回复力减低。 夺水肿产生能力减退，这可能由于血管减少和血管反应性下降。 幽2 - 2 镜检下老化皮肤与年轻皮肤 f i 9 2 2o l d e rs k i na n dy o n g e rs k i nu n d e rm i c r o s c o p y 2 3 光与皮肤热作用及其传热模型 2 3 1 皮肤的光学性质“3 2 3 1 1 光在皮肤中传输的物理过程 由皮肤的多层结构导致其光学性质类似 于高吸收、高散射性的混浊介质，如图2 3 ”， 给出了光在皮肤组织中传播的原理图。当光 束照射皮肤时，部分光将会被皮肤表面直接 反射，其余光经皮肤折射穿透皮肤。直