（光学专业论文）基于新型光学成像技术的小鼠皮肤光老化及修复机制的实验研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文 ! j 最弋，一 。f：，v j p j f i i a b s t r a e t a b s t r a c t m u l t i p l e p h o t o n i c se x c i t a t i o nl a s e r s c a n n i n g c o n f o c a l m i c r o s c o p e o v i p e l s c m ) c a np r o v i d em o r ea c c u r a t em e d i c a lb a s i sa b o u tt h ee a d yc l i n i c a l d i a g n o s i s h e r e ，n l ec o l l a g e nr e m o d e l i n gi np h o t o a g i n gw h i c hu s i n gi n t e n s ep u l s e d l i g h t ( i p l ) t r e a t m e n tw i t l ld i f f e r e n te n e r g yd e n s i t i e sw a so b s e r v e di ns u b m i c r o m e t e rt o r e v e a lt h e i n t e r a c t i o no fl i g h tw i mb i o l o g i c a lt i s s u ee f f e c t s w h i l eb e c a u s eo ft h e h i g h - r e s o l u t i o na n dn o n - d e s t r u c t i v ed i a g n o s i s ，o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) c a l l b eu s e dt om e a s u r et h eo p t i c a lp a r a m e t e r sa n dt h es t r u c t u r eo ft i s s u e a n di tw a su s e dt o o b s e r v et h ee f f e c to f i p lt r e a t m e n ta n de r b i u m ：y t t r i u m - a l u m i n u m g a r n e t ( e r ：y a g ) l a s e r t r e a t m e n t n 屺t r e n do ft h em o r p h o l o g ya n do p t i c a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d f i r s t l y , a r li n t r o d u c t i o nt ot h ed i a g n o s t i cm e t h o do fs k i nw a sb r i e f l yr e v i e w e d t h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd i a g n o s i sb a s e do nt w o - p h o t o nm i c r o s c o p y ( t p m ) a n d o c tw e r er e v i e w e d ，t o o f u r t h e rm o r e ，t h ep u r p o s eo fo u rs t u d yw a sa l s op r e s e n t e d b a s e do nt h es k i ns t r u c t u r e ，t h em e c h a n i s mo fp h o t o a g i n ga n dp h o t o r e j u v e n a t i o nw e r e i n t r o d u c e d t h e nc o m b i n i n gt h ei n s t r u m e n tw eu s e d ，t h em e t h o do fo b s e r v a t i o na n d e s t i m a t i o nw a sd i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ep h o t o a g e ds k i nw a si r r a d i a t e db ya ni p la n de r ：y a gl a s e rs y s t e mi n v i v ou n d e rc e r t a i nw a v e l e n g t h sw i t hd i f f e r e n te n e r g yd e n s i t i e s m e a n w h i l e ，t h es k i n i n j u r yr e c o v e r yp r o c e s sw a so b s e r v e db ym p e l s c m b y s o m ei m a g ea n a l y s i sm e t h o d s ， t h em o r p h o l o g i c a lm i c r o s t r u c t u r eo fc o l l a g e nc a nb ep a r t i c u l a r l ya c h i e v e d f i n a l l y , ，n l ee x p e r i m e n tr e s e a r c hw h i c hm a j o ri ni n t e r a c t i o no fi p la n de r ：y a g l a s e ri np h o t o a g e ds k i ni nv i v ow e r em a d e a n dt h es k i ni n j u r yr e c o v e r yp r o c e s sw a s o b s e r v e db yo c t t h er e a s o n sc o n c e r n i n gs o m ec o m p l i c a t i o n sw e r ea n a l y z e db yt h e o p t i c a lp a r a n a e t e r s c h a n g e s k e y w o r d s ：s e l e c t i v ep h o t o t h e r m o l y s i s ，m p e l s c m ，o c t , p h o t o a g i n g ，i p l ，e r ：y a g l a s e r , s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n i i i 福建师范大学硕士学位论文 一_ - i _ _ - i _ _ - _ _ l - l - _ _ _ _ - - - l _ i l _ - - - _ _ _ - _ _ - l _ i v 中文文摘 中文文摘 本文利用多光子显微成像技术的先进手段，在亚微米尺度观察光老化皮肤在不 同光源作用下的皮肤胶原改变情况，得到一定参数下i p l 作用的最佳能量值，首次成 功使用非线性光学显微成像技术在亚微米尺度对活体光老化皮肤的胶原重构和修复 过程进行跟踪。同时利用o c t 的高分辨率和无损i 贝 l 量的特点，对i p l 和e r ：y a g 激光 的嫩肤效果进行初步比较，得到光老化皮肤在嫩肤过程中的结构改变和散射系数的 变化情况，并本文主要研究内容如下： 在绪论中，论述了光美容技术发展的历史和现状，分析了光美容治疗过程中的 疗效评价手段以及o c t 技术、多光子显微技术在光美容诊断上的应用及发展，阐述 了本课题的研究意义。 在第一章中，对皮肤的结构进行简要的介绍，讨论了光子嫩肤的作用机理、剂 量选择的基本规则。本章重点介绍了皮肤解剖学的组织结构，阐述了光老化及光子 嫩肤术的作用机制：分析了光老化与自然老化的组织学和形态学上的区别，并对其 作用光谱及诊断、防治手段进行阐述，为此后的实验造模及监测建立基础；光子嫩 肤方面，首先对皮肤的光热性质进行阐述，并结合实验所需的i p l 系统，对于如何 选择合理的辐射波长、脉宽及曝光剂量等参数进行详细的分析，并确定最佳参数值。 在第二章中，结合本文实际使用的仪器，从原理及实际应用出发，探讨仪器应 用的可行性和使用方式。光学相干层析成像( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y , o c t ) ， 是依靠宽带光源的时间相干性，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的 后向散射信号，从而得到组织二维或三维结构图像的一种技术。它具有快速、 分辨率高、成像深度大、非侵入式的独特优点。系统总体可分为光路部分、电路 部分及图像处理部分。核心部件主要有三个部分，即光源、迈克尔逊干涉仪和扫描 装置。而双光子显微镜是激光共焦扫描显微镜( 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 e ， l s c m ) 和双光子荧光结合产生的，双光子荧光显微镜具有穿透深度深、光毒性 小、光漂白区域小等优点。 在第三章中，采用多光子显成像技术，从亚微米尺度分别观察能量密度设置为 3 6j c m 2 ，3 8j c m 2 ，4 0j c m 2 ，4 2 j c m 的i p l 以及能量密度为8 8j c m 2 ，1 2 5 j c m 2 的e r ：y a g 激光对光老化皮肤的作用效果，分析真皮层胶原纤维的变化情况，并结合 v 福建师范大学硕士学位论文 h e 染色切片观察，发现不同光源的作用效果与它们的能量密度的大小有密切的关 系，能量密度越大，对真皮层胶原纤维的生成影响越明显。实验结果表明：i p l 嫩 肤的最佳能量密度范围为3 8 - 4 2 j c m 2 ，超过该范围的能量密度设置，对表皮的伤害 大，小于该范围的能量密度设置，对真皮层作用效果甚微。随着能量密度的增加， 皮肤表面所受到的损伤程度逐渐加重，因此在治疗过程中要结合冷却头进行治疗： e r ：y a g 激光对真皮层的胶原生成作用明显，但是对表皮层损伤却不容忽视；在选择 最佳治疗剂量时，还要根据光老化程度和季节进行调整。 本实验利用二次谐波技术监测光老化皮肤的胶原重构情况，结果表明该技术可 以作为跟踪观察i p l 作用前后的损伤处胶原的修复和改变情况的有力监测工具。同 时，首次使用非线性光学显微成像技术在亚微米尺度对e r ：y a g 激光作用下的活体光 老化皮肤的胶原重构和修复过程进行跟踪，获得s h g 图像，观察胶原纤维的显微结 构和光谱特性用来判断e r ：y a g 激光对光老化皮肤的嫩肤效果，其结果准确，可以 作为评价临床治疗效果的有力工具。 在第四章中，采用o c t 系统比较非消融性的i p l 和消融性的e r ：y a g 激光的作 用效果。发现不同光源及不同能量密度作用下的生物组织体现的散射光强以及散射 系数之间存在着明显变化和区别，体现了这一系列过程中散射系数变化的整体趋势。 通过比较还发现两者之间，i p l 作用下的皮肤修复较快，损伤较小。 在第五章中，总结了本论文的成果，并提出今后拟进一步开展的研究工作。 t ， 譬 ： 1 冀 - 面 = 目录 中文摘要 目录 l a b s t r a c t h i 中文文摘。v 目j 录： 耋蕾论。1 第一章皮肤的光老化及嫩肤机制7 第一节引言- 7 第二节皮肤的光老化。7 第三节光子嫩肤。 第四节小结1 6 一 第二章新型光成像技术及皮肤无损测量原理1 7 - 第一节引言- 1 7 - 第二节光学相干层析成像系统1 7 第三节双光子显微镜的基本原理一2 2 一 第四节小结。一2 6 一 第三章基于多光子显微成像技术的嫩肤实验观察。矿2 7 一 第一节引言- 2 7 一 第二节材料与方法。一2 7 一 第三节结果与讨论2 9 - 第四节小结。一3 7 - 第四章基于o c t 成像技术的嫩肤实验观察j 。一3 9 - 第一节引言- 一3 9 - 第二节材料与方法。一3 9 一 第三节结果与讨论。一4 0 - 第四节小论一4 4 一 第五章结论。一4 7 - 参考文献。4 9 一 v i i 福建师范大学硕士学位论文 _l - _ _ _ l _ l _ _ _ _ _ _ l _ _ - _ _ l l i _ i _ - _ _ _ - l _ 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果。5 9 - 致谢：- 6 1 - 个人简历- 6 3 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明- - 6 5 - v i l l 亡 p - 躬 备 i 一 绪论 绪论 一、引言 健康长寿、青春永驻是千百年来人类追求的梦想。虽然衰老是不可抗拒的自然 规律，但是这并不能阻挡人类对美的深深的追求和渴望。皮肤作为人体最大的器官， 不仅是一道重要的免疫防线，而且是衡量一个人健康貌美的标准，皮肤的状态和美 丽更是息息相关。随着科技的发展，人类企图利用各种各样的方式来挽留岁月的脚 步，减缓皮肤老化程度。美容保健、整形术在人们的生活中占据着越来越重要的地 位。 什么是皮肤老化呢? 皮肤老化是指由自然因素或者非自然因素引起的皮肤衰老 现象。而紫外线辐射无疑是非自然皮肤老化的主要因素之一。皮肤因长期并反复受 到紫外线辐射而引起损害，又称为皮肤的光老化。光老化皮肤在组织学上的表现主 要为真皮结缔组织胶原纤维数量的减少和弹性纤维的蓬乱增生、异样沉积【2 一】。 在临床上表现为皮肤弹性下降，呈现松弛和肥厚状态，有深而粗的皱纹，出现色素 沉着，毛孔粗大，毛细血管扩张等。皮肤的光老化相对自然老化而言，容易引起各 种皮肤的良、恶性肿瘤，如：日光角化病、鳞状细胞癌、黑色素细胞瘤等。由于紫 外线导致的皮肤衰老和病变给人们的生理和心理带来了极大的困扰，皮肤光老化的 治疗受到广泛的重视，各个领域相关的研究和技术手段得到了飞速发展。 在生物医学光子学领域，光美容主要分为消融性和非消融性技术。光子嫩肤是 近几年新发展起来的用于治疗光老化皮肤的非消融性技术n 一】。本选题主要比较强脉 冲光( 疋l ) 和e r ：y a g 激光对光老化的活体鼠皮进行嫩肤治疗效果，并用光学显微 成像技术进行观察研究。 二、消融性和非消融性光美容技术 1 9 8 3 年a n d e r s o n 和p a r r i s h 在 s c i e n c e ) ) 杂志上发表了选择性光热作用原理的 概念，这个理论为光在美容外科领域的使用奠定了坚实的基础帆7 1 ，从而使皮肤科激 光治疗出现了革命性的改变。医生利用皮肤靶色基对特定波段光的选择性吸收的特 点，选择具有合适的波长、脉宽的光来治疗各种临床皮肤病。 目前，已经用于光美容的技术共分两类：消融性激光美容、非消融性技术。 福建师范大学硕士学位论文 消融性激光美容技术，就是指利用激光消融效应将表皮层汽化，促进新表皮层 和真皮层的胶原蛋白的再生，从而对生物组织进行“换肤 治疗。而所谓的“激光 消融 效应，就是利用低功率的激光作用于生物组织，使组织发生汽化、碳化、高 温分解、燃烧等物理化学反应，导致靶向组织的去耐巩们。从2 0 世纪9 0 年代初期， 超脉冲的c 0 2 激光( 1 0 6 um ) 和e r ：y a g 激光( 2 9 4 pm ) 被广泛用于消融性激光 换肤手术。这主要是由于这些波长的光辐射能被水大量吸收，具有在生物组织中的 穿透深度较小的特点。水对e r ：y a g 激光的光辐射的吸收比对c o ，激光的光辐射的 吸收高1 6 倍，因此这一波长激光对正常组织所造成的热损伤更小n 町。t e i k e m e i e r 等人首次用e r ：y a g 激光器对患者进行美容治疗，发现对皮肤有一定的改善作用【2 1 】， g o l d b e r g d 等人成功地将e r ：y a g 激光器用于治疗f i t z p a t r i c k l i i 皮肤，取得理想的疗 效啤】。陈艳清等人用e r ：y a g 激光修复面部浅表瘢痕，发现术后并发症少、色素沉 着发生的程度比传统的皮肤磨削术少渊但是消融性激光美容存在的普遍问题，就是 对表皮损伤较为严重，容易引起感染、色素沉着等并发症，而且需要较长时间的恢 复。其具体的作用机制目前还在探索研究中n 钉。 非消融性技术，是指利用光诱导的选择性光热解效应( s e l e c t i v ep h o t o t h e r m o l y s i s ) 的作用机制，光辐照下的生物组织吸收光子，将光能转化为热能，使得自身温度明 显升高，达到蛋白变性，从而导致组织凝固坏死，实现治疗目的盯，悖删。1 9 9 7 年， n e l s o n 等率先提出了非消融性激光嫩肤的概念d 帕。应用于非消融性技术，主要有倍 频n d ：y a g 激光器( 5 3 2 n m ) 、长脉冲n d ：y a g 激光器( 7 5 0 n m 、8 1 0 n m ) 、脉冲染料 激光器( 5 8 5 n m 、5 9 5 n m ) 、卜开关n d ：y a g 激光器、近红外线激光器( 9 8 0 n m 、1 0 6 4 n m ) 、 e r ：g l a s s 激光器、强脉冲光、电外科学系统、l e d 光线疗法等。 最先被应用于嫩肤的非消融性激光器就是n d ：y a g 激光器。相较于c 0 2 激光和 e r ：y a g 激光，n d ：y a g 激光的波长较短，穿透深度更深脚1 。n d ：y a g 激光器是一种 广泛应用于非消融性嫩肤治疗的光源。g o l d b e r g 等多次利用n d ：y a g 激光器对患者 进行面部除皱，发现皱纹有明显改善，组织切片也显示皮肤真皮层形成新的胶原质 瞄i 舶删。2 0 0 4 年，n d ：y a g 激光器被f u l e h i e r o 等人用于治疗脸部痤疮，结果发现有 一定的疗效嘲。n d ：y a g 激光器作用后引起的皮肤发红症状较少，2 0 0 8 年b e r l i na l 等人用q 一开关n d ：y a g 激光器治疗光损伤的面部皮肤，发现n d ：y a g 激光器能从 不同程度改善患者皮肤，术后并发症较小，组织学观察有新的胶原沉积出现旧1 。 l p 竹 二 磊 p 绪论 近几年，随着光子嫩肤在美容界的影响力日益增强，强脉冲光( i n t e n s ep i u s e d l i g h t ，i p l ) 成为非消融性嫩肤治疗中应用最广泛的广谱光源。光子嫩肤是一种非剥 落性、非侵入性的新型美容技术。它主要根据的是生物组织的选择性光热解效应 1 7 】。在强脉冲光的作用下，皮肤对特定波长的光子能量进行选择性的吸收、分解， 皮肤的胶原纤维和弹力纤维重新排列，使皮下的胶原组织增厚，同时增强血管组织 功能，起到增强皮肤弹性、消除细小皱纹或减轻、毛孔缩小的作用；强脉冲光还 能够被组织中的色素团及其血管选择性吸收，使血液凝固，色素团和色素细胞被破 坏、分解，从而达到治疗血管性病变、消除或减淡皮肤各种色素斑的效果。1 9 9 5 年，b i t t e r 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 e i a l 技术概念。其后 经过几年的实验研究，发现i p l 对皮肤的光老化现象皱纹、皮肤粗糙、不规则 色素沉着、粗大毛孔和毛细血管扩张等有一定的治疗作用，并于1 9 9 8 年首先报道了 光子嫩肤技术h 2 0 0 0 年，g o l d b e r g 等人首次报道用i p l 技术治疗面部皱纹，其 后还用1 0 6 4 n m n d ：y a g 激光同i p l 进行了比较性的研究，发现n d ：y a g 激光对于面 部整形治疗的效果由于i p l 口一幻。2 0 0 4 年，b j e r r i n g 等人经研究发现，在治疗毛细血 管扩张和扩散性红斑疾病方面，5 3 0 - 5 7 0 n m 波段的i p l 治疗效果优于5 5 5 9 5 0 n m 波 段的i p l ，而在治疗色素异常疾病方面，则5 5 5 - 9 5 0 n m 波段的i p l 效果更好( 3 3 o t r e l l e s 等人将i p l 和n d ：y a g 激光两种光源混合进行非消融性嫩肤治疗，结果表明采用混 合治疗效果比采用单一光源治疗效果理想嘲1 。2 0 0 8 年，p a r k 等人结合i p l 和调q 开关红宝石激光器治疗亚洲患者的综合性色素异常疾病，认为这是一个安全有效的 治疗方法嘲。 三、各种疗效评估手段 在嫩肤疗效的评估手段上，目前采用的方法主要分为侵入性和非侵入性检测。 侵入性检测主要是指病理组织学切片检查。 病理组织学切片检查，就是指从治疗部位取出小块组织，进行组织切片， 通过h e 染色、特殊染色和免疫组化染色，利用显微镜观察细胞和组织的形态 结构变化，从形态学和组织学角度对生物组织进行分析比对，其中h e 染色是 最常见的手段。免疫组化染色也开始用来检测，2 0 0 5 年王明利等人用免疫组 化染色法研究强脉冲光对皮肤热休克蛋白7 0 表达、t i m p 一1 表达的影响，发现强脉 冲光照射可引起热休克蛋白7 0 表达的增加，提示热休克蛋白7 0 在光子嫩肤过程中 起一定作用；强脉冲光也可引起t i i d p 一1 表达的增加，提示t 工m p 一1 在光子嫩肤过程 福建师范大学硕士学位论文 中对皮肤的重塑起重要作用：定量分析了强脉冲光对大鼠皮肤胶原蛋白影响，进一 步验证了强脉冲光治疗大鼠皮肤后可引起胶原含量的增加娜埘棚棚。 非侵入性检测主要有视诊、超声诊断、光学相干层析成像术、多光子显微术。 视诊，就是指利用视觉对治疗的生物组织的性质、大小、分布、颜色、形态、 硬度等等进行辨认检查嘲。该方法主要靠肉眼观察和经验判断，很大程度上取决于 操作人员的主观判断，结果不够准确 超声诊断，是利用超声在人体各种组织内的传播特性不同而形成的影像，根据 图像的特征对生理、病理情况作出判别的诊断方法。2 0 0 4 年，d a h a n 等人通过超声 成像术测量6 r ：g l a s s 激光器作用前后的皮肤的真皮层厚度，以此评估该嫩肤方法的 安全性和疗效h 町2 0 0 6 年章跃滨以高频超声检测方法获得不同性别、不同年龄儿童 的不同部位的皮肤厚度值，证实了1 3 m h z 的高频超声能使皮肤各层结构清晰显像， 具有应用- t j i , 童皮肤厚度的检测的可行性【4 1 】 光学相干层析成像术( 0 砸c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) ，是依靠宽带光源 的时间相干性，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的后向散射信号， 通过扫描，得到生物组织二维或三维结构图像的一种技术。它具有快速、分辨 率高、成像深度大、非侵入式的独特优点，因此也被用于皮肤的临床诊断与基 础研究中。2 0 0 2 年，r u i k a n gw a n g 等利用o c t 系统，实现了小鼠皮肤和人体胃肠 道的高分辨率活体成像n 刿。2 0 0 3 年，w o o n g g y uj u n g 采用o c t 检测激光照射前后 的皮肤，并监控皮肤的修复过程，结果显示o c t 图像能清晰描绘出胶原损伤情况和 无损监控伤口愈合过程。2 0 0 4 年，w e l z e l 等用高分辨率的o c t 对人体健康皮肤 的表皮层、真皮层、附属器和血管进行检测m 。 多光子显微术( t w o p h o t o nm i c r o s c o p y ，t p m ) ，是利用生物组织原发信号，以 双光子激发荧光( t w o p h o t o ne x c f f e df l u o r e s c e n c e ，t p e f ) 和二次谐波产生( s e c o n d h a r m o n i cg e n e r a t i o n ，s h g ) 作为信号源进行显微成像。通过t p e f s h g 的复合成像 能直接显示细胞及细胞间质的结构。此外，除了生物组织的结构成像，自体荧光光 谱能提供一些互补的功能信息。荧光光谱能作为一种有效的、非侵入式的工具，能 探测生物组织形态和生物化学的变化。多光子显微技术具有自发性的光层析、较低 的光漂白与光损伤、较佳的成像对比度以及较深的成像深度的特点。基于双光子的 光学组织切片是一种非入侵式的过程，对组织的破坏要小的多。早在1 9 9 7 年b r m a s t e r s 等人就利用双光显微技术对人和老鼠的皮肤和皮下组织结构进行成像，成功 h 。 p ， 响 ， 绪论 的检测了人体皮肤结构，成像深度达到1 5 0 1 x m ，并且可以分辨出表皮和真皮中的四 种不同结构体h 置彻。卓双木等利用多模式的双光子显微术对皮肤进行观察，高分辨、 高对比地直接显示细胞间质的主要结构蛋白，同时组织的内在成分及分析相应的光 谱进行识别m 触帕1 。 四、本论文完成的主要工作 1 、采用多光子显微镜，从亚微米水平观察不同光源对光老化皮肤作用的效果， 分析真皮层胶原纤维的变化情况，并结合h e 染色切片观察，选择并确定老化皮肤 嫩肤治疗的最佳剂量。使用非线性光学显微成像技术在亚微米尺度对活体光老化皮 肤的胶原重构和修复过程进行跟踪，获得s h g 图像，观察胶原纤维的显微结构和光 谱特性用来判断嫩肤效果。 2 、采用o c t 系统比较非消融性的i p l 和消融性的e r ：y a g 激光的作用效果。 比较不同光源及不同能量密度作用下的生物组织体现的散射光强以及散射系数之间 存在的变化和区别，体现实验跟踪观察过程中散射系数变化的整体趋势，为进一步 对二者的作用效果评价提供可靠依据。 福建师范大学硕士学位论文 _l _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ _ _ l _ _ l _ _ i _ - _ - _ _ l _ i _ _ _ l _ - - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ 6 - * 晓 - o 啊 k 第一章皮肤的光老化及嫩肤机制 第一章皮肤的光老化及嫩肤机制 第一节引言 在科技高速发展的当今时代，延缓衰老不再是“东方夜谭”，由于人们的对美 得不懈追求，皮肤的老化机理得以探寻，除皱嫩肤的各种技术得以实现和发展。在 生物医学光学领域，随着选择性光热解效应的提出，激光在美容外科中的应用得到 了大力推广和发展。本章旨在阐述与激光美容密切相关的光老化与光予嫩肤，并阐 述光子嫩肤的作用机制。 一 第二节皮肤的光老化 一、皮肤的结构 皮肤作为人体的最大器官，具有其不容忽视的重要作用，是人体抵御外界侵害 的重要防御线之一。 皮肤主要由三个部分组成：表皮、真皮和皮下层，详见图1 - 1 。 表皮是最外层的皮肤，主要包括角质形成细胞( k e r a t i n o c y t e ) 和非角质形成细 胞。角质形成细胞是表皮的主要细胞，约占表皮细胞的9 0 左右，它的作用是产生 角蛋白。非角质形成细胞主要包括黑色素细胞( m e l a n o c y t e ) 、朗格罕氏细胞 ( l a n g e r h a n sc e l l ) 和梅克尔细胞( m e r k e lc e i l ) 。其中黑色素细胞约占表皮细胞的8 左右，它的作用是产生黑色素。而朗格罕氏细胞是抗原呈递细胞，有重要的免疫功 能。 表皮根据细胞发展的不同阶段和形态特点，由表面向深部可以分为五层：角质 层、透明层、颗粒层、棘层、基底层( 图1 - 1 ) 。角质层充满角蛋白的死亡细胞，它 们之间互相连接紧密。透明层由2 3 层趋于死亡的无核扁平透明细胞组成。颗粒层 由3 - 5 层的扁平梭形细胞组成，含有大量嗜碱性透明角质颗粒。棘层由4 1 0 层的多角形的棘细胞组成。基底层由一层排列呈栅状的立方形细胞组成。细胞 从基底层分裂后到颗粒层最上层过程历时约为1 4 天，而后形成角质层约为1 4 天，最终脱落或摩擦分离n 卫】。 真皮位于表皮与皮下组织之间，主要分布着各种各样的结缔组织细胞和大量的 胶原纤维、弹性纤维。其中，结缔组织细胞主要包括成纤维细胞、组织细胞和肥大 细胞。其中，成纤维细胞分泌产生真皮的主要结构成分，如胶原纤维、弹性纤维和 基质n 2 】。 福建师范大学硕士学位论文 真皮是一层结缔组织，主要由胶原纤维、弹性纤维、网状纤维和基质组成。胶 原纤维是该结缔组织中数量最为丰富的成分( 约占9 5 ) ，在真皮组织中排列成柬并 相互交织吻合，在真皮中越往浅层越细，越深层越粗。韧性强，嗜酸性，h e 染色后 呈粉红色n j ) 。胶原纤维是皮肤中的主要散射介质一1 。弹性纤维缠绕在胶原束中， 较胶原纤维细，弹性好，不易通过h e 染色辨认。网状纤维可以看做是新生的胶原纤 维，非常纤细稀少，排列成网状。基质则存在于纤维和细胞的间隙中，是大分子的 无定形物质。 图1 - 1 皮肤结构图 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fs k i n 二、皮肤的光老化 皮肤老化分为内源性老化和外源性老化两大类。 皮肤的内源性老化是由于时间的推移和内在遗传因素所导致，所以又称之为自 然老化。在组织学上的表现为表皮厚度变薄，表皮中的朗格罕氏细胞、黑色素细胞 数量减少。真皮中，胶原纤维再生速度减缓，弹性纤维裂变，导致二者数量减少， 皮肤附属器和血管网减少。在临床上的表现是皮肤萎缩变薄，皱纹细密，弹性降低 【5 8 7 】 o 皮肤的外源性老化是由外界的因素所导致的，比如紫外线照射、风吹雨淋、精 神因素、生活习惯等。其中，紫外线辐射式导致皮肤外源性老化的最主要因素，因 此，皮肤的外源性老化又常常被称为光老化。在组织学上的表现为表皮厚度不均匀， 表皮由于弹性物质的累积而变厚，真皮和表皮连接处界限明显。中波紫外线( u v b ， 第一章皮肤的光老化及嫩肤机制 2 8 0 h m 3 2 0 n m ) $ 1 1 长波紫外线( o v a ，3 2 0 h m 4 0 0 h m ) 可以使细胞内的光敏感剂和吸色 团发生反应，导致中性粒细胞炎性浸润，刺激蛋白酶分泌，产生严重的氧化应激反 应，出现基因损伤，使细胞和结缔组织受损。胶原纤维减少和弹性纤维出现异样沉 积，皮肤附属器( 毛发、皮脂腺、汗腺等) 异常阮吼7 1 。在临床上的表现是皮肤松弛， 皱纹粗大，呈沟槽样，外观呈现皮革样。毛细血管扩张，出现色素沉着。皮肤脆性 增加，损伤修复能力降低。光老化皮肤会引起多种皮肤的良性、恶性肿瘤，自然老 化皮肤则不会引起肿瘤5 】。这主要是因为紫外线作用下的皮肤容易产生高浓度的活 性氧和自由基，损伤细胞中的遗传物质( d n a ) 和改变细胞结构，从而引发肿瘤产 生眠刀。 由于皮肤老化是一个复杂的生物现象，自然老化和光老化是各自独立却又存在 着密切的联系的两个过程，它们在时间上是相互叠加的，因此对于光老化的诊断和 治疗是要基于自然老化的基础上进行的。自然老化是人体新成代谢的自然规律，无 法逆转，而光老化症状却是可以采取一定的预防和治疗措施来减缓甚至修复的。 三、皮肤光老化的治疗 由于不可避免地要接受日光中紫外线的辐射，光老化所导致的皮肤衰老和病变， 特别是脸部皮肤出现的过早衰老、色素性病变和血管性病变等问题影响人们的容貌， 给人们的生理和心理带来了极大的困扰，因此对于光老化的治疗受到广泛的重视， 各个领域相关的研究和技术手段得到了飞速发展。目前主要的防治方法主要有以下 几种g ( 1 ) 局部治疗：包括维甲酸类、雌激素类、抗氧化剂、维生素类、抗坏血酸、 生长因子和细胞因子以及一些微量元素及抗炎化合物等等氓帕。 ( 2 ) 皮肤外科复平技术：包括化学剥脱术、皮肤磨削术、消融性激光美容术、 非消融性嫩肤术。 本文主要对紫外线辐照后的光老化皮肤进行非消融性嫩肤治疗，并探寻非侵入 式的诊断评估手段。此部分将在此后章节详细介绍。 福建师范大学硕士学位论文 第三节光子嫩肤 1 9 8 3 年a n d e r s o n 和p a r r i s h 提出了“选择性光热分离”理论，从此人们更清楚 地了解和掌握激光对组织的作用机制，激光美容得到了更加广泛的应用和发展。人 们利用不同靶组织对不同波长光的选择性吸收原理，将激光广泛应用于整形美 容领域，更好地治疗各种皮肤问题，如除皱、治疗血管性病变及色素沉着等。 各式各样的激光器被广泛应用，如：高能超脉冲c 0 2 激光，e r ：y a g 激光等， 取得了良好的疗效，为激光美容开辟了越来越广阔的领域。 如今，随着激光美容技术的不断发展，以及社会需求的日益强烈，过去有创的 消融性的激光治疗( 如激光磨削) 逐渐被冷落，而无创的非消融性的治疗( 如强脉 冲光、射频等) 被更广泛地应用于临床治疗。本节主要介绍激光美容的嫩肤机制。 一、皮肤的光学特性d 玎 在皮肤组织中，由于皮肤特殊的多层结构，会导致皮肤折射率的不均匀性n 射， 表现出高散射和高吸收的特性。皮肤与光相互作用可以表示如图l 一2 n 订所示： 入射激光 、，_ 。 反射 0 0 篇譬 _ h ，二一jj ：1 j - j 墩收。_ j 二：军容蠢曲酗 甲? ，f 激励二版发癌) ： 发：。i 。+ 、- 7 。一 图卜2 皮肤与光的各种相互作用的示意图 f i g 1 - 2 t h ei n t e r a c t i o n so fl i g h tw i t ht i s s u e 激光入射到皮肤组织将经历吸收、多次散射、反射和透射等过程，其中被吸收 的光子能量能使组织分子中的电子处于激发态，产生光生物效应。在组织光学中， 一般用散射系数、吸收系数、散射位相函数和平均折射率来描述生物组织与光的相 互作用。 图卜3 t 显示了单一微粒所引起的光散射方向，由图可以看出光散射存在于各 个方向，其中散射角小于9 0 。时称为前向散射，大于9 0 0 时称为后向散射。 第一章皮肤的光老化及嫩肤机制 后向敞射前向散射 龇一筇一 散射t 救j 盹 图1 - 3 单一微粒所产生的散射光方向 f i g 1 - 3s c a t t e rd i r e c t i o ng e n e r a t eb ys i n g l es p e c k 皮肤是不均匀的光学介质，这种不均匀的空间密度分布必然导致折射率的各向 异性，从而表现出高的散射系数，光子在皮肤组织中会发生强散射，而且真皮的散 射比表皮强。当入射到生物组织中的单色平行光强度为i o ，入射深度为z 处的光强 度i 的关系可表示为： i ( z ) = i o e x p ( 一p t z ) ( 1 1 ) 其中衰减系数“f _ p 。+ p 。 ， 当激光作用于靶组织时，应选择靶组织所吸收到的辐射呈最大的波长：而正常 组织对该波长辐射的吸收应达到最小，这就需要了解生物组织对不同波长光的特异 性吸收性质。皮肤中主要的光吸收体包括水、血液中的血红蛋白和黑色素。水对红 外光有很强的吸收带，血红蛋白和黑色素的对不同波长光的吸收详见图1 纠脚。根 据研究表明“4 1 ，在6 0 0 1 3 0 0 n t o 范围的红外光谱带上的吸收比较小，该光谱带被称 为“光学治疗窗 。血红蛋白在在该窗的短波界的附近有两个吸收峰，分别在5 2 4 n m 和5 7 7 n m 处；而黑色素在整个可见光波段都可以吸收。 3 孵州i 细i “玲蜊l 舯辩 w - 州q 酌睡 ( a ) ( b ) 图1 。4a 血红蛋白和黑色素的光学吸收；b 人体皮肤主要色素的光学吸收，1 黑色素：2 氧合血红蛋白：3 血红蛋白：4 胆红素 ：6 “。 叠譬l五置。lv 福建师范大学硕士学位论文 - - _ _ - l _ _ _ _ _ - _ i _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ ii 自i - - - _ - _ - _ - _ - - l - _ _ - l - _ _ _ - _ i - - - i _ _ _ - _ _ - _ _ f i g 1 - 4a - o p t i c a la b s o r p t i o no fh e m a t o g l o b i na n dm e l a n i n ；b o p t i c a la b s o r p t i o no f s k i n p i g m e n t ，1 - m e l a n i n ；2 - o x y h e m o g l o b i n ；3 - h e m o g l o b i n ；4 一b i l i r u b i n 二、皮肤受辐照后的热效应 光与皮肤组织之间的相互作用，会产生光热作用。图1 - 5 是组织吸收激光能量 后因温度上升而伴随的反应。 图l 一5生物组织的光热反应 f i g 1 5 t h et h e r m a lr e s p o n s eo fl a s e ri r r a d i a t e dt i s s u e 由图可见，当组织温度在6 0 - 8 0 度，会出现细胞凝固坏死，蛋白质和胶原蛋白 出现变性。 皮肤组织吸收激光能量后出现的热响应还和热作用的持续时间密切相关，图 i - 6 “耵表示的就是组织温度和热作用持续时间之间的关系： 7 0 p 菩 瘸 6 0 4 0 图i - 6热损伤阈值温度与热作用持续时间关系 f i g 1 6 r e l a t i o no f t h e r m a ld a m a g et h r e s h o l dt e m p e r a t u r ea n di n t e r a c t i o nt i m e 三、光子嫩肤的作用机制 光对生物体的作用是在传输物理和生物效应。光对受辐照组织体具体有4 个方 面的作用，即机电作用( e l e c t r o m e c h a n i c a la c t i o n ) 、光化学作用( p h o t o c h e m i c a l a c t i o n ) 、激光消融作用( p h o t o a b l a t i v ea c t i o n ) 和热力作用( t h e r m a la c t i o n ) i t l , 1 8 。 一 ： ：国f - 1 2 ? ? ? j 。_ ： 第一章皮肤的光老化及嫩肤机制 而生物效应的主要作用机理就是光热解效应( p h o t o t h e r m o l y s i s ) ，即当光与生物 组织相互作用时，光的能量被生物组织吸收，被激活的生物组织分子在与其他分子 碰撞的过程中逐渐失去能量，并将之转化为热能，从而出现组织的凝固、碳化和气 化等热效应u 们。事实上，当加热到7 0 1 0 0 0 c 时，任何哺乳动物的组织都会产生蛋 白变性出现“凝固坏死”( c o a g u l a t i o nn e c r o s i s ) 。在皮肤美容外科中，“凝固坏死” 这一热效应经常会被提及，如在除皱治疗中，通过使真皮层原有胶原蛋白“凝固坏 死 ，达到促进新胶原蛋白合成的目的；在鲜红斑痣治疗中，让病变血管“凝固坏死”， 可以最大程度地减少色素对外观的影响n 刀。 光美容换肤技术(