章现代医学中应用1 ppt课件

2020 2 27 光与现代科技讲座 第四章激光在现代医学中的应用 2020 2 27 光与现代科技讲座 云南大学信息学院通信工程系宗容zongrong第四章激光在现代医学中的应用 光与现代科技 2020 2 27 光与现代科技讲座 第一章绪论2第二章光源与激光器2第三章光纤与光学传感技术4第四章激光在现代医学中的应用4第五章激光在军事技术中的应用4第六章激光在现代工业和加工中的应用4第七章光与信息技术4第八章光通信技术与网络6第九章光学成像 全息与显示技术2第十章光电集成与纳米技术2 2020 2 27 第四章激光在现代医学中的应用 4 1激光与生物体的相互作用4 1 1生物体的光学特性4 1 2激光对生物体的作用 4 2激光临床治疗4 2 1激光治疗的种类4 2 2激光眼科治疗4 2 3皮肤科及整形外科激光治疗4 2 4光化学治疗4 2 5激光在泌尿外科的应用4 2 6激光在耳鼻喉科的应用4 2 7间质激光光凝术 4 3激光在生物体检测及诊断中的应用 4 3 1激光生物体光谱测量及诊断4 3 2激光断层摄影4 3 3激光显微镜4 3 4视网膜检测中的自适应光学技术4 3 5人眼视力CCD测量技术 4 4医用激光装置 4 5医用光纤4 5 1实心光纤4 5 2空心光纤4 5 3成像光纤束 内窥镜 4 6国内外激光医疗技术的现状 2020 2 27 激光医学的发展 激光医学是激光技术和医学相结合的一门新兴的边缘学科 1960年 Maiman发明第一台红宝石激光器 1961年 Campbell首先将红宝石激光用于眼科的治疗 从此开始了激光在医学临床的应用 1963年 Goldman将其应用于皮肤科学 同时 值得关注的是二氧化碳激光器的作为光学手术刀的出现 逐渐在医学临床的各学科确立了自己的地位 1970年 Nath发明了光导纤维 到1973年通过内镜技术成功地将激光导入动物的胃肠道 自此实现了无创导入技术的飞速发展 1976年 Hofstetter首先将激光用于泌尿外科 随着血卟啉及其衍生物在1960年被发现 Diamond在1972年首先将这种物质用于光动力学治疗 2020 2 27 激光医学的应用 在医学领域中 激光的应用范围非常广泛 不仅在临床上激光作为一种技术手段 被各临床学科用于疾病的诊断和治疗 而且在基础医学中的细胞水平的操作和生物学领域中激光技术也占有重要地位 另外 还可以利用激光显微加工技术制造医用微型仪器和利用光造形技术进行生物体模型制造 光敏树脂固化快速成形 SLARP 等领域 再者 利用全息的生物体信息的记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域 从广义来讲 也属于激光在医学中的应用 本章主要对医学临床 重点是激光对诊断和治疗领域中的应用进行论述 2020 2 27 4 1激光与生物体的相互作用 4 1 1生物体的光学特性1 吸收和散射2 光渗透长度4 1 2激光对生物体的作用优点 2020 2 27 4 1 1生物体的光学特性 1 吸收和散射对生物体入射光强度为I0的单色平行光 若生物体是均匀的吸收体 则在入射深度x处的光强度I 由朗伯一贝尔 Lambert Beer 给出了以下关系式 0为吸收系数 但是 由于生物体对光是很强的散射体 因此生物体内光的衰减不仅由于吸收 而且取决于散射的影响 在不能忽略散射的条件下 上式可用衰减系数 t 和散射系数 s改写为 2020 2 27 若考虑生物体表面的光反射 菲涅耳反射 其反射率为R 则上两式的右边应乘以 1 R 激光在测量 诊断中应用时如何处理散射的影响 对于光学计算机断层术这是很重要的问题 图4 1生物体中的光衰减 2020 2 27 如图4 2 a 所示 单一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在 当散射角小于90 时称为前向散射 大于90 时为后向散射 散射光对角度的依赖性可近似地以各向异性散射参数g来描述 g 1时为纯向后散射 散射角130 g 1时为纯向前散射 散射角为0 g 0时表示各向同性散射 一般在生物体组织中g 0 8 0 97 显示出很强的前向散射特性 如图4 2 b 所示的多重散射时 反复多次散射 光在生物体内扩散 变得近似于各向同性散射 这样 光在其扩散的范围内与生物体发生相互作用 从而光能被吸收后转换成热量 或激励生物体分子感应出荧光和磷光 图4 2生物体中散射光的特性 2020 2 27 图4 3所示为这些过程的模型 实际上生物体是大小各不相同的组织 器官所组成的不均质且多成分的系统 因此 如上两式的简单描述只能在限定的条件下使用 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 内脏等软组织的水分约为70 水对红外域有着很强的吸收 因此 若在这些软组织上照射红外光 则可以高效地把光能转换成热量 图4 3生物体与光的各种相互作用的示意图 2020 2 27 血液红血球中的血红蛋白是另一类典型的光吸收体 血红蛋白分为被氧化的状态与未被氧化的状态 这两种状态的吸收光谱稍有差别 但都是在600nm以下的光谱上吸收增大 蛋白质在紫外域上表现很大的吸收 如图4 4所示 由图4 4可知 各种组织在700nm 1500nm的红外光谱带的吸收都比较小 因此该光谱带称为生物体光谱学窗口 图4 4软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系 2020 2 27 2 光渗透长度 穿透深度 光虽被组织吸收和散射但还能到达组织的深处 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时的深度来定义 则光穿透深度应为1 t 如图所示 光穿透深度在近红外附近较深 在3um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 hardtissue 中 蓝绿色波长的穿透深度深 2020 2 27 4 1 2激光对生物体的作用 光被组织吸收后产生热 即对生物体起光热作用 如对软组织照射激光 在光渗透长度范围内光能被吸收转换成热量 激光照射强度与吸收系数Ia的乘积表示组织表面的加热速度 若加热速度远高于蒸发组织所需的速度 则组织被烧蚀 例如 用足够高的速度对组织照射193nmArF准分子激光和2 94umEr YAG激光 则光渗透长度1um左右的组织层被迅速加热 烧蚀 因此 亚微米级精密的组织切除手术 角膜手术治疗近视眼 就成为可能 如果要烧蚀较深处的组织 则应选择光渗透长度比较大的波长 如光渗透长度20um的CO2激光较为适合 而1 06um的Nd YAG激光器 因吸收系数过小 即光渗透长度过大 光能散射太大 因此对烧蚀不利 Nd YAG激光器一般应用于激光凝固的手术 因为蛋白质在较低温度 60 70 下就可产生热变形 凝固 2020 2 27 激光对生物体的作用 另外 一些烧蚀不足 但加热充分的情况可以使组织坏死 痣的治疗就是属于这种过程 除了以上光热作用以外 激光对生物体也起光音响作用或光化学作用 它们的作用原理与在治疗中的应用将在4 2节中叙述 另外 散射光与透射光的强度和光谱含有重要的生物体信息 因此可以应用在生物体测定和成像上 因激光照射而感应出荧光这种特性 可以用来诊断组织的病变状态或部位 这些内容将在4 3中叙述 2020 2 27 激光应用在治疗和生物体测定时具有以下优点 1 一般情况下 激光治疗和测定对生物体的损害较少 与X射线相比 激光对生物体一般是无侵袭或低侵袭的 对生物体存在某种伤害可能的叫做有侵袭 2 利用激光在大气中直线传播的特点 可非接触地对生物体作用 也可以利用光纤导入到生物体内部进行治疗 3 激光的高聚光性能使微观的治疗和高空间分辨力的测定成为可能 2020 2 27 4 2激光临床治疗 4 2 1激光治疗的种类4 2 2激光眼科治疗眼底治疗在近视眼治疗中的作用4 2 3皮肤科及整形外科激光治疗激光除痣光子嫩肤技术超脉冲CO2激光除皱新型光子嫩肤技术4 2 4光化学治疗4 2 5激光在泌尿外科的应用4 2 6激光在耳鼻喉科的应用4 2 7间质激光光凝术 2020 2 27 4 2 1激光治疗的种类 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作用有光热作用 光音响 压电 作用 光化学作用等 激光治疗就是基于这些作用机理 不论哪种治疗 不一定只是单一的作用机理 例如 利用紫外激光烧蚀时主要的机理是光热作用 但也存在光子能量直接切断组织的分子结构的光化学作用 该种治疗同时利用了光热作用及光化学作用 甚至还有其他作用参与 在所有的治疗中 哪一种机理以多大比例起作用还没有确切的解释 2020 2 27 以主要作用机理为准进行分类 1 光热治疗 激光照射组织光能被组织吸收后产生的热量 可去除组织 凝固组织 也可破坏组织 坏死 去除治疗是利用烧蚀过程 将组织穿孔 切开或二维 面状 地去除 穿孔治疗称为激光TMR transmyocardialrevascularizaton 它是在有拍动的状态下 对心肌梗塞的心脏进行激光照射 在心肌上打穿多个孔 恢复血液循环 对重症心肌梗塞患者有很好的治疗效果 凝固治疗是利用加热时蛋白质成分和血液被凝固的性质 它能使被剥离的组织黏结或止血 例如 把血管的切断面互相贴紧 由激光加热黏结 称为激光吻合手术 破坏组织的例子 像痣的治疗 对有色素的细胞有选择地使其坏死 还有将病变部位全部加热使病变部位坏死的激光热治疗等 目前大部分临床应用的激光治疗是属于这种光热治疗的范畴 2020 2 27 以主要作用机理为准进行分类 2 光音响治疗 压电治疗 其典型例子是在结石上照射激光使其破碎 一种常用的结石治疗方法是体外冲击波结石破碎技术 ESWL ExtracorporealShockWaveLithotripsy 让患者进入水槽中 利用火花放电和振子在水中产生冲击波 并将冲击波聚束到体内的结石 使结石破碎 目前作为无侵袭治疗被普及 但是ESWL不适用于下部尿道结石等 作为ESWL的补充手段之一 激光结石破碎技术也是一种低侵袭治疗方法 如果结石上照射高强度短脉冲激光 结石的急速加热而产生冲击波 膨胀波 作为其反作用 结石上作用压缩波使结石破碎 2020 2 27 以主要作用机理为准进行分类 3 光化学治疗 是在病变部位照射特定波长的激光 产生光化学反应来破坏病变组织 癌症治疗就是一个典型的例子 近来被关注的激光治疗中 还有利用低功率激光缓解痛症 去痛 和促使创伤愈合等 激光针刺的效应很早就被人们认可 但要解明这些低功率激光的作用机理 还需要作进一步的研究 从以上的例子中可知 激光治疗的对象极其广泛 涉及对象有消化系统 呼吸道系统 循环系统 泌尿系统 眼科 耳鼻科 皮肤科及整形外科 妇科 牙科等几乎所有的临床领域 激光治疗正在深入研究和发展中 激光治疗虽不是万能的 但将激光治疗作为第一选择的疾病很多 特别是在高龄社会的今天 激光的无侵袭或低侵袭治疗越来越显示出其重要性 2020 2 27 4 2 2激光眼科治疗 眼睛是光的读出器官 因此不论是测定 诊断或治疗 激光都能起到重要的作用 治疗眼底疾病的激光治疗仪很早就已实用化 它在治疗网膜炎和眼底出血等有失明危险的疾病中发挥了很大的威力 近来使用激光进行近视矫正也受到高度重视1 眼底治疗眼球构造和眼球成像特性图 图4 6眼的构造 2020 2 27 在图4 7 a 中 物体在有限远 眼球通过调节 眼球变凸 将像成在视网膜上 从而清晰地观察 在图4 7 b 中 眼球在放松条件下 无限远的物体成像在视网膜上 被清晰地观察 因此 正常眼观察不同距离的目标时 角膜与晶状体的曲率半径是在不断改变的 如果产生了屈光不正 即出现了近视 远视或散光 就有可能通过角膜手术 改变其曲率半径 实现视力校正 图4 7眼球的成像特性 2020 2 27 2 在近视眼治疗中的应用 治疗近视是利用烧蚀作用对角膜表面进行精密手术 来控制折射状态的过程 矫正 眼睛对光的折射由角膜与晶状体完成 因为晶状体与前房 水 和玻璃体相邻 三者折射率接近 因此折射作用不大 而角膜的两侧分别是大气和前房 水 二者折射率相差较大 因此折射作用大 因而只对角膜手术就能有效地矫正近视 近视一般使用眼镜来矫正 但对于重度近视 则需要作这种角膜手术 如图4 8所示 目前近视矫正有两种方法 对角膜表面进行二维去除手术使其曲率半径增大 使其平坦 的PRK PhotorefrActiveKeratectomy 和将角膜表面辐射状切开的RK RadialKeratotomy 目前以副作用小的 PRK方法为主流 2020 2 27 图4 8激光角膜手术示意图 图4 8用于角膜手术的准分子激光装置 2020 2 27 4 2 3皮肤科及整形外科激光治疗 1 激光除痣以前对痣的治疗多采用外科切除的方法或利用干冰或液态氮将组织冻结坏死的方法 低温雪崩开关冻胶 等 但都因侵袭大而留下疤痕 一般讲 痣是属于正常组织中的病变组织 含色素的细胞 激光治疗应适当地调整照射条件 在不损坏正常组织的情况下有选择地破坏病变组织 但痣的种类和部位 深度 不同 激光照射条件也大不一样 因此 治疗前要进行准确地诊断 2020 2 27 激光除痣 图4 9皮肤的断面构造 2020 2 27 激光除痣 决定皮肤颜色的典型色素有黑色素与血红蛋白质 黑色素是由称为黑素细胞内的小器管 黑素体 产生的 黑痣 蓝痣就是由该黑色素引起的局部增生皮肤病变 可分为表皮上的增生 扁平痣等 与真皮内的增生 太田痣等 红痣也能被肉眼能看到 它是一种位于真皮或皮下组织的血管扩张和增生 血管瘤 因为存在许多红血球呈现红色 因此被称为红痣 激光除痣的机理是照射激光使这些色素和病变细胞有选择地吸收并产生热量 从而使病变组织发生变化以至破坏 但是激光照射后 皮肤色调的变化 退色 需要很长的时间 这是由于被破坏的病变细胞完全消失有一个过程 它们被巨噬细胞 具有吞食作用的大型细胞 也称贪食细胞 所吞食 再送到淋巴结需要很长的时间 2020 2 27 激光除痣 为了有选择地破坏病变细胞 色素 必须选择吸收系数大的激光波长 氧化状态的血红蛋白在418nm 542nm 577nm波段具有吸收峰值 而黑色素是在短波段吸收大 另外 病变部位在组织深处时 必须考虑皮肤组织的光渗透长度 即在波长的选择上 必须兼顾病变细胞的吸收系数与皮肤组织的光渗透长度两个因素 例如 血红蛋白在418nm波段附近吸收系数最大 但考虑光渗透长度后多使用577m波段 甚至使用波长更长的激光 此外 激光照射时间 脉宽 也是重要的参数 即使激光对病变细胞是有选择性的吸收 但如果照射时间太长 则会由于热扩散而使周围组织受到热影响 因此 激光照射要比热扩散时间 热衰减时间 短 2020 2 27 激光除痣 例如 黑素体的热衰减时间为1us左右 根据病变部位的深度可选择脉宽为数纳秒至100ns的红宝石激光器 694nm 金绿宝石激光器 755nm Nd YAG激光器 1064nm 等各种Q开关固体激光器和脉冲染料激光器 但这并不说明脉宽越窄越好 治疗血管瘤 使血管壁同时受热变形效果更好 而吸收主体为红血球 血红蛋白质 因此 若脉宽太窄则只能破坏红血球 对血管壁的热扩张则作用不大 使用窄脉冲激光减小了对正常组织的影响 能做到没有疤痕 但如果激光峰值功率过高 照射时可能会产生冲击波 因此必须对照射条件进行选择 防止发生皮下出血和肿胀 2020 2 27 2 光子嫩肤技术 皮肤衰老是不可抗拒的自然规律 皮肤衰老现象主要缘于新陈代谢衰退 以及日光中的紫外线 UV 对皮肤组织结构如胶原组织和弹力纤维的破坏 随着年龄增长 皮肤逐渐失去弹性 另外 人们的日常生活和野外工作可能在日光下曝露较多 随着臭氧层的变薄和其他因素的影响 受紫外线的影响就会越发严重 致使皮肤出现病变或产生斑点 对于老龄人群和长期曝露在日光下的人群来说 这些病变更为严重 以往 人们尝试了各种方法来保持皮肤光滑 例如 机械磨削换肤法和化学脱皮换肤法 虽然这些方法都能获得较好的效果 但风险较大 首先是深浅程度难以掌握 其次是术中出血多 术后炎症反应及色素沉着显著 另外 某些化学剥脱剂 如石炭酸 对人体尚有一定的毒副作用 因而 在国外这些方法的使用已经受到限制 2020 2 27 3 超脉冲CO2激光除皱 高能量超脉冲CO2激光磨皮术是美容外科领域开拓的一项崭新技术 它利用高能量 极短脉冲 作用时间极短 的激光对组织的汽化作用 使老化 损伤的皮肤组织在瞬间 在向周围正常组织传导热能之前 汽化 而不伤及健康组织 每照射一次激光就有几十微米厚的皮肤表层蒸发掉 每次扫描后可以像擦灰尘一样把皱纹皮肤除去 术后能使皮肤表层下胶原蛋白大量再生 聚集 从而使皮肤变嫩 变得更加丰腴光滑 因此超脉冲CO2激光用来去除皱纹及痤疮斑痕的效果较好 甚至对中度和重度皱纹也能有明显改善 2020 2 27 超脉冲CO2激光除皱 超脉冲CO2激光换肤术疗效显著 恢复快 对白种人来说 除了较长时间的红斑反应外 一般无其他副作用 因而近年来国外风行该项技术 然而 对于黄种人的皮肤类型 大部分患者治疗后存在明显的色素沉着 往往持续2 12个月左右 通常还需要一段时间停止工作 许多人往往难以忍受上述手术带来的疼痛 潜在的副作用和因停工造成的收入损失 因而超脉冲CO2激光磨皮除皱术难以在我国推广 2020 2 27 4 新型光子嫩肤技术 近来已经证实了一种非相干强脉冲光 IPLTMQueen 皇后光子嫩肤仪 奇致激光技术有限公司出品 对于各类型的血管性及色素性疾病有极好的疗效 研究结果表明光老化的许多表现 如细小皱纹 皮肤粗糙 不规则色素沉着 粗大毛孔和毛细血管扩张等 在治疗后出现明显的改善 该光子嫩肤技术是使用强脉冲光子技术 IPLTM 在低能量密度下的非剥脱性 非侵入性嫩肤治疗 强脉冲光经过紫外滤波 可发射的光谱范围为550nm 1200nm 其中较短的波长用来治疗血管性病变和色素性病变 斑点 而较长的波长则可实现光子嫩肤的目的 2020 2 27 4 新型光子嫩肤技术 只要参数设置合理 如可调脉宽 脉冲延迟及脉冲次数等 让表皮等非治疗组织充分散热 就可做到基本无副作用 患者甚至无需停工 术后可立即恢复正常活动 光子嫩肤要求能量密度在30 45J cm2之间 能量密度太低 虽然热刺激对皮肤可以起到一定的保养作用 但并不能从根本上祛除皮肤瑕疵 能量密度太高 造成皮肤损伤的可能性将会大大提高 2020 2 27 4 2 4光化学治疗 血卟啉 HpD 就是这样的光敏物质 它在紫外域上具有称为Soret带的强吸收带 在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带 如图4 10所示 I0为入射光强度 I为透射光强度 从吸收的角度看使用紫光激光 如波长为410nm的Kr离子激光 是有利的 但这个带域与血红蛋白的吸收带重合 因此不适于对组织深处照射 为此使用光渗透性更好 波长为630nm的染料激光器或金蒸气激光器 某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性 容易聚留在生物体内的肿瘤处 癌症患者静脉注射了这种光敏感性物质 经一定时间后 就可显示出病变部位 再照射激光 可以有选择地破坏癌细胞 被称为光化学治疗或光动力学治疗 PhotodynamicTherapy PDT 图4 10光敏感物质血卟啉衍生物 HpD 的吸收光谱 2020 2 27 机制I的解释是 光敏性分子1M吸收激光 首先跃迁到单重态激发态1M 后又跃迁到三重态激发态3M 这种活泼游离基3M 作用于基质 肿瘤组织 可破坏肿瘤细胞 机制lI的解释是 3M 可使周围的氧分子产生能量转移而生成氧化性非常强的单重态氧分子 活性氧 破坏肿瘤细胞 无论哪一种作用机理 都是经过三重态激发态的 因此该激发态的寿命对PDT的作用有着很大的影响 PDT的作用机理尚未完全解析清楚 一般认为有光敏性分子的直接作用 类型I 与活性氧的作用 类型II 两类机制 如图4 11所示 图4 11光动力治疗的反应机制图 2020 2 27 在经过PDT的癌细胞中可以观察到线粒体内膜的损失和粗面小胞体的膨胀化 所以可以认为是上述游离基和活性氧直接作用于癌细胞使其坏死 最近对血管肿瘤的研究发现闭塞肿瘤血管 形成血栓 就能卡断对癌细胞的供氧和营养供给 可以达到治疗血管肿瘤的目的 光敏感性物质在正常组织中代谢 排泄 是比较快的 但体内若有残留则会引起光过敏症 因此患者术后必须在一段时间内在避光环境下生活 HpD的避光时间比较长 数十日 因此希望开发出代谢快的光敏感性材料 2020 2 27 另外 为了治疗深部的癌组织 希望利用吸收带处于长波长一侧的光敏感性物质 一种新的光敏感性物质NPe6 mono Laspartylchlo rine6 不仅代谢快 而且在Q带的650nm附近具有大的吸收峰值 如图4 12所示 对应的激光器可选择半导体激光器和可调谐激光器 另外 现已明确脉冲光的治疗效果比连续光好 因此脉冲光的应用已成为主流 图4 12NPe6的吸收光谱与荧光光谱 2020 2 27 4 2 5激光在泌尿外科的应用 良性前列腺增生 Benignprostatichypertrophy 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 Transurethralprostaticresection TURP 几乎是唯一的治疗选择 其疗效高 30 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13 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 包括电气化 激光 微波 电磁 超声 的基本原则是使用热力破坏前列腺的腺体 2020 2 27 4 2 5激光在泌尿外科的应用 1936年首先报道了激光前列腺切除术 但真正广泛的应用是在1990年角度光导纤维的发明后 自此 各种光导纤维和激光设备都被尝试用来进行此项手术 最常用的激光是Nd YAG激光 当然其他激光如KTP YAG激光 半导体二极管激光和最近的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 C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 C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 激光能量的传递则由光导纤维的特性而决定 2020 2 27 有以下三种技术用来切除前列腺 1 经尿道激光诱导的前列腺切除术 Transurethrallaser inducedprostatectomy TULIP 该系统包括经尿道进入的激光探针 偏屈的光束可以达到90 一个7 5MHz适时超声换能器以及一个Nd YAG激光发生器 通过超声的引导 该系统进入 描绘 painting 模式 该系统目前已经少用 原因是存在一些缺陷 它排除了视觉控制 需要特殊的训练和专业知识 并且在所有的激光治疗系统当中是最为昂贵的 2 直视下激光前列腺消融术 Visuallaserablationoftheprostate VLAP 使用侧面发射光导纤维 以造成有效的凝固性坏死和组织汽化 Nd YAG激光通过几种不同的光导纤维传送均有报道 2020 2 27 2 直视下激光前列腺消融术 Uro1aseTM是目前使用和评价最多的非接触性纤维 它能够在预先设定的点上通过照射造成组织的凝固 该技术因为时间一效益比较良好 以及清晰的操作界面而颇具吸引力 但是术后导尿管引流时间需要加长而且在引流期间膀胱刺激症状非常严重 如果增加激光能量 缩小光斑 就能造成汽化 汽化可以在前列腺组织和光导纤维的直接接触的时候实现 在描绘模式下通过对于前列腺叶的接触性照射 能够在瞬间立即产生一个空洞 能够做到 见到什么就能烧什么 在接触模式下 使用侧发射或者末端发射的蓝宝石光纤头得到最大的功率密度 使组织得到汽化 但是与常规电切手术相比 该汽化技术的最大缺陷是速度慢 只能切除小于40毫升的前列腺 2020 2 27 3 间质内凝固 Interstitialcoagulation ILC 该方法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及随后的前列腺组织萎缩 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 手术之后也减少了尿路刺激症状和尿路感染 Ho YAG激光是最近才发展起来的一种碎石方法 尽管其能量通过脉冲的方式传递 其主要的机制可能是通过热力作用而产生的 特别的是 激光能量加热了光导纤维头端的水分 微气化产生了气泡 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 2020 2 27 间质内凝固 使用钬激光能够碎裂各种成分的结石 报道碎石的成功率大于90 同时 H0 YAG激光产生的碎片比其他的方法要小 所以形成 石街 的可能性就相对小 使用侧孔发射光导纤维治疗集合系统和膀胱内结石的话 还可以加速结石的破裂 与脉冲染料激光和绿宝石激光相比较 这个设备更大的优点是采取保护眼睛的措施时 手术医师的视觉改变不明显 总之 使用激光装置进行体内碎石不失为有吸引力的方法 其效果最显著而又最安全 所以作为一线治疗方法 缺陷是设备的最初购置价格昂贵 当然 这可以通过使用多功能 多用途的Ho YAG激光器的应用来降低治疗成本 2020 2 27 4 2 6激光在耳鼻喉科的应用 1965年Stahle试用巨脉冲红宝石激光照射鸽的内耳 Goldman等通过石英棒和纤维光学装置对乳突进行钻孔 1967年以后逐步开始研究在耳鼻喉科的应用激光 目前 激光在耳鼻喉科领域的研究 主要包括两个方面 内耳耳蜗方面的显微外科和气管激光手术 热力效应能够进行的治疗包括以下一些方面 激光治疗慢性肥大性鼻炎 激光治疗鼻出血 氦氖激光在耳鼻喉科的应用 耳鼻喉科中的激光手术 扁桃体激光切除术 激光气化和切除耳鼻咽喉部血管瘤 上颌窦根治术和耳道内乳突根治术 激光切除耳鼻咽喉部乳头状瘤等 2020 2 27 4 2 7最新的技术 间质激光光凝术 Interstitiallaserphotocoagulation 这项技术是在影像学设施的导引下 通过经皮穿刺针将置于其内的光导纤维送到实质性器官的病损中心 并通过此设备传导激光 在低剂量下 通常是3w左右 因此与60W一30W的内镜照射相比 没有组织的汽化 单个照射过程持续几分钟 病损组织被缓和地凝固 此后坏死的部分可以被周围组织通过愈合过程而逐渐吸收 而并不需要进一步干预 2020 2 27 间质激光光凝术 由于对病损组织表面的正常组织并没有作用 也没有积累的毒性 所以在需要的时候可以重复治疗 也没有伤口 因此恢复迅速 不过 这种治疗方法成功的关键在于将光导纤维放置到正确的部位 恰到好处地将治疗的部位和所使用激光造成坏死的程度进行严格匹配 并确认正常和不正常的区域都能够安全地愈合 2020 2 27 间质激光光凝术 所以整个过程取决于显像 目前一致认为本方法还适合于治疗那些转移性肝癌中不能够手术的 小的 孤立的肝癌转移灶 通常来源于已经切除盼原发肿瘤 具体做法是 在局部麻醉和镇静下 通过CT的引导下 经皮肝穿刺进行治疗 其结果由24小时后 造影剂增强的CT来评价 这种方法比经皮肝穿刺的酒精注射更容易控制 而比冷冻疗法更简单 2020 2 27 间质激光光凝术 乳房癌是一种潜在的应用领域 最吸引人的是 对于小的乳房癌使用间质激光光凝技术可以取代肿块切除术 这样不会留下疤痕或者外观畸形 同时因为方法简单 可以作为门诊手术在局麻下进行 造影剂增强的核磁共振 MRI 对于这类肿瘤是绝好的显影方式 能够在决定进一步外科手术前的几天内确定肿瘤的边界和激光造成的坏死的边界 此外 如果激光照射是在MRI的引导下进行的话 激光造成的变化能够同时在显像上明确地显示 所以如果激光的位置错误还可以进行调整 2020 2 27 间质激光光凝术 当然 在成为常规治疗之前 还需要有关此种技术的进一步研究 因为在治疗上特别重要的是 必须确认激光照射造成了所有肿瘤的破坏 这样才能放心地让照射过的坏死组织留在原位 而不去行肿瘤根治手术 这项技术可能在不久将来用于治疗乳房的良性纤维腺瘤 尽管其中许多的病例并不需要处理 但是一旦需要 间质激光凝固技术就不失为简单有效地选择 尤其是对那些特别重视纤维瘤形成的病人 早期的临床试验的结果令人鼓舞 同样 人们正在研究该技术对于小的 无症状性子宫肌瘤的切除以及应用于良性前列腺增生症处理 总之 间质激光光凝术主要应用于任何实质性器官的明确定性的病损 而且该技术可以被良好地定位 对于周围正常组织也没有任何不良损害 2020 2 27 4 3激光在生物体检测及诊断中的应用 4 3 1激光生物体光谱测量及诊断如果测出激光照射生物体时的吸收 散射 荧光等光谱 则各种各样的生物体信息invivo测定 活的状态的测量 就成为可能 进而疾病的诊断 病理诊断 也成为可能 这种诊断称为光学生检 正受到世人的注目 传统的生检 是指将组织的一部分切下并作切片 利用显微镜等对它的病理进行诊断 若用光谱测量的方法进行无侵袭的诊断 则称为光学生检 这种方法不仅能得到单纯的解剖学 有关生物体构造 的信息 而且还能像下面所述的脑功能测定一样 得到生理学 生化学信息 这种利用激光的生物体光谱测量及诊断呈现出巨大的发展空间 在这里介绍近红外吸收光谱及荧光光谱的两个应用实例 2020 2 27 1 利用近红外吸收光谱测量代谢功能 含氧丰富的动脉血呈鲜红色 相反 缺氧的静脉血则呈暗红色 这是因为氧化血红蛋白质脱氧血红蛋白质的吸收光谱存在微小差别所致 即在600nni 800nto范围氧化血红蛋白质的吸收小而呈鲜红色 而在800nm以上脱氧血红蛋白质的吸收小而呈暗红色 如图4 13所示 测出两者不同的吸收率就可以知道组织的氧化程度 图4 13血红蛋白质的吸收光谱 2020 2 27 利用近红外吸收光谱测量代谢功能 因为这些波长带的光渗透长度长 因而激光从体外照射 测得其透射光或反射光 散射光 的光谱强度 就可无侵袭地监视一定深度的体内组织的氧化程度 目前 脑氧监视装置 称为脉冲测氧计 已经实用化 若在多点进行这样的测定 就能得到肢体活动与脑部活动对应关系等空间功能信息 因而备受人们的注目 但是如前所述 因为生物体对光来说是很强的散射体 特别是对于深处组织 信号光变得很微弱 因而信号检测比较困难 2020 2 27 2 利用荧光光谱确定病变部位 治疗时需要准确地确定病变部位 但是在很多情况下又难以做到 如果在生物体组织上照射激光时病变部位能显示出特有的荧光 那么就能准确地确定病变部位 摄取光敏感性物质的荧光图像 对癌组织和动脉硬化部位的确定十分有效 所用的光敏感性物质是NPe6 NPe6I及收峰在662nm处 在670nm处出现峰值荧光 如图4 12所示 2020 2 27 利用荧光光谱确定病变部位 如前所述 NPe6易聚积于肿瘤及脂肪组织上 对这些病变组织以662nm的光来激励 因此很容易确定病变部位 荧光测定的方法是先在静脉注射所需量的NPe6 数小时后 NPe6从正常组织中排出 但在病变组织处滞留 半导体激光照射的功率密度约为1mW cm2 使用CCD摄像机对荧光范围摄影 经过图像处理就可确定病变部位 利用内窥镜则可进行生物体深处病变部位的观察 内窥镜可以与前述的PDT组合使用 2020 2 27 4 3 2激光断层摄影 1 光CT opticalcomputedtomography x射线CT是一种典型的生物体断层成像手段 已经实用化 在身体周围旋转小型x射线源 由检测器阵列测定x射线透射量后进行数字化 再以特定的算法 CT算法 利用计算机求数学解后构成断层像 CT算法不受信号传输方向的影响 如以激光代替X射线 使用组织渗透长度长的激光波长 则可以同样的方法得到断层信息 光CT方法可以无侵袭地得到生理学 生化学信息的图像 但是X射线在生物体内是直线传播的 而光在生物体内散射十分严重 因此如何从透射光中消除散射噪声是很重要的问题 2020 2 27 如图4 14所示 光从A点入射到生物体内 在点B处观察透射光 透射光中包含着以下几种成分 1 受到散射后在任意方向扩散的成分 2 具有较小的散射角且向前传播的成分 为了确定光程长度必须检出接近于直线传播的透射光成分 但是以直线传播的透射光强很小 因此如何将这种信号有选择地且高灵敏地检测出来就成为技术关键 图4 14生物体 散射介质 中的透射光示意图1一任意方向扩散的成分 2一具有小散射角而向前传播的成分 3一向前散射 以直线传播的成分 近似于直线传播的成分 2020 2 27 有一种方法是利用直线传播成分比其他成分更快到达检测器的高速时间分解法 时间选通法 它是组合了皮秒或飞秒超短脉冲激光技术与克尔盒 电光效应介质 以及快扫描照相技术来实现的 另外 还有用针孔限光 通过分割空间识别出直线传播的成分 但是这些方法的灵敏度都不够高 一种更有效的方法是光外差探测方法 光外差探测法 一般是对两个不同频率的信号 信号波和参照波 进行混合后检测其差频 它可以得到很高的检测灵敏度 2020 2 27 将激光束分为两部分 入射到生物体试样的信号光与参照光 参照光作一定频移 声光调制 后与信号光混合 就能高灵敏度测量微弱的透射光 图4 15 非直线传输的散射光与参考光的极化面不一致 使信号幅度下降 因此就能分辨出直线传播的成分 测量时平移并旋转试样 再利用CT算法得到断层图像 图像的空间分辨力为数百微米 与入射光束的直径有关 光源一般采用近红外激光器 而在硬组织中蓝光的透射率高 因此采用Ar离子激光器可得到清晰的牙齿断层图像 图4 15利用外差法的光学CT检测实验装置 2020 2 27 2 OCT 以上是利用了透射光 向前散射光 但是反射光或向后散射光也在其迟滞时间 飞行时间 中包含着组织分布的位置信息 利用反射光和基于低相干原理的OCT OpticalCoherenceT13mography 技术 可以得到高分辨力的断层图像 它的原理类似于超声波测量 因此不需要CT算法为图像重构进行复杂的计算 这种断层图像技术是非常新的技术 因而其称谓还未统一 上述光CT英语缩写也可以用OCT pticalComputedTomography 与此处的OpticalCoherenceTomography容易混淆 在这里将数据处理中利用CT算法的称为 光CT 基于低相干方法的称为 OCT 以示区别 2020 2 27 OCT OCT的原理 利用迈克耳逊干涉仪把光分成两束 信号光与参照光 再把信号光聚光后照射到组织内而得到向后散射光 与全反射镜反射的参照光 由压电元件来调制 混合后用外差法检测 通过全反射镜在光轴方向的移动来实现组织深度方向的扫描 生物体与干涉仪之间的相对位移可实现横向扫描 从而可二维地测出向后散射光的强度与迟滞时间 如前所述 由于迟滞时间含有位置信息 而反射信号强度是它的函数 因此就可以得到断层信息 图4 16OCT的原理图 2020 2 27 这里使用的光源是低相干度的 干涉信号在信号光与参照光的迟滞时间几乎一致即光程差几乎为零时才观测得到 光的相干长度短 信号强度随时间迟滞急速下降 组织深度方向的空间分辨率取决与光的相干长度 因而不可使用相干长度长的光源 例如 使用相干长度介于半导体激光器与发光二极管中间的超级发光二极管 SLD 其空间分辨率约为10um 另一方面 OCT的横向分辨率取决于会聚光点的直径 一般也能得到10um以内的空间分辨率 因此 整体来讲OCT能得到空间分辨率10um左右的生物体断层图像 可利用图4 17所示的石英光纤传光的干涉仪 用导管深入到生物体内部组织 得到其断层图像 而x射线CT 磁共振图像 MRI 超声波回波等以往的断层图像的分辨率只为100um 1mm 甚至更差 因此利用OCT的高分辨率有望能够早期发现各种病变 图4 17利用光纤干涉仪的OCT的装置原理 2020 2 27 4 3 3激光显微镜 1 激光共焦点显微镜为了以细胞级 微米级 的空间分辨力来观察生物体 通常先做组织切片标本 再利用光学显微镜观察 如果利用激光共焦点显微镜 则不需要做切片标本也能以同样的高分辨力来观察 1950年 脑神经学者Minsky首次提出共焦点显微镜的设想 当时由于没有高亮度的光源 未能得到满意的结果 它的实用化是在激光技术取得巨大发展的20世纪80年代以后 按观察对象来优选最佳激光波长 对深层组织观测适合使用渗透长度大的近红外光 它可以实现皮下组织细胞级的实时观察 共焦点显微镜技术目前还不能像OCT一样用于内窥镜上 2020 2 27 激光共焦点显微镜 激光共焦点显微镜的原理 激光光束经针孔并经透镜聚光后照射到试样的观察点上 在试样内形成针孔的一次像 再经物镜和空间滤波器在检测器上成二次像 空间滤波器置于与针孔共轭的位置上 起着滤波降噪的作用 由于在生物体观测点前后受到散射 一部分成像光束 图中用虚线表示 所成的二次像位于空间滤波器的前或后 这些成像光束被滤波器阻挡 从而在检测器上可得到对比度高的观测点的像 为了得到二维图像 可对试样进行扫描 这是透射模型的工作原理 图4 18激光共焦点显微镜的原理图 2020 2 27 采用如图4 19所示的反射型激光共焦点显微镜 成像光束是在组织内部所产生的反射或向后散射光 这一点与上述OCT相同 但是OCT的空间分辨力 深度方向 取决于光源的相干长度 而激光共焦点显微镜的分辨力 横向 取决于光学系统的数值孔径与波长 OCT是观察组织深度方向的断面 而激光共焦点显微镜则是得到某一特定深度下的横向图像 图4 19反射型激光共焦点显微镜 2020 2 27 2 邻近场光学显微镜 无论是相干光还是非相干光 图像分辨力总是受系统衍射与波长的限制 可见光的极限分辨力为0 5urn 但是利用邻近场光学显微镜或光量子扫描隧道显微镜 就可以得到远远超过极限分辨力的结果 超分辨力 照明光因试样的物质特性受到衍射 散射 吸收等 但散射 荧光 的光场中插入探头后光场就被扰乱 对这些被扰乱的光场用探头进行二维扫描 接收到光子并获得图像 当探头与试样之间的距离大于波长时不能成像 在比波长短的范围 邻近场 内存在着称为损耗场的局部电磁场 损耗场与探头相互作用而得到物质构造的超高分辨力图像 2020 2 27 图4 20是邻近场光学显微镜与普通显微镜的示意图 它们的基本结构相似 但邻近场光学显微镜在离试样表面很近处有一微小散射体 探头 该探头在本质上起着关键的作用 图4 20邻近场光学显微镜与普通光学显微镜 2020 2 27 这里存在光子的隧道效应 透镜不起成像作用而起光子的换向器作用 即不将信号作为光波而是作为光子来读出 这就是能够得到高于衍射极限的高分辨力的原因 分辨力与探头的大小及其与试样之间的距离有关 因此技术上如何制造微小探头 并能保持它的距离是一个难题 光源用得较多的是Ar离子激光器 能得到10nm左右的分辨力 原子显微镜 ATM 和电子扫描隧道显微镜 STM 也能得到10nm左右的分辨力 它们可提供物质表面形态的信息 而邻近场光学显微镜是提供有关物质分布状态的信息 2020 2 27 4 3 4视网膜检测中的自适应光学技术 对临床医疗而言 通过在细胞分辨尺度上观测活体人眼视网膜细胞或眼底毛细血管 并与其他现有先进的医学眼底检查手段相结合 分析研究人体眼底疾病和全身相关性疾病与视细胞或毛细血管变异的关系 从而实现对严重影响人眼视力及致盲疾病 如视网膜血管病 黄斑疾病 视网膜脱离等眼底自身病变 以及高血压 动脉硬化 糖尿病等全身相关性疾病 的更早期诊断 及时进行治疗 减少患者失明的风险 同时 视网膜检测自适应光学技术作为一种崭新的研究和诊断技术 可在眼科疾病发病机理的研究 对不同治疗手段和药物疗效的临床评价等各个方面发挥其独特的作用 为眼科工作者对视觉研究和眼科疾病诊断提供了一种新的高分辨力成像观察手段 2020 2 27 自适应光学技术是一种具有实时校正光学系统随机误差的新技术 它使光学系统能适应使用条件的变化而保持良好性能 采用自适应光学技术进行持续监测可以有效消除监测目标失真 消除人眼像差 从而可以获得高分辨力视网膜层析图像和眼底毛细血管图像 提高视网膜成像的质量 人眼视网膜是结构复杂的人体组织 不仅眼睛本身的疾病而且人体的其他疾病也可以在眼底得到反应 因此眼底也是人体健康的一个窗口 视网膜是可以实现无损观察的少数人体结构之一 2020 2 27 图4 21为各种视网膜图像 糖尿病患者的眼底比正常人眼多出3倍的血凝块 血凝块阻挡血液流到视网膜 造成眼睛逐渐失明 图中的白点显示血液渗漏出微血管后形成的沉淀物 也可能是视网膜微动脉瘤 出血斑点 硬性渗出 棉绒斑 静脉串球状 视网膜内微循环异常等 高血压视网膜病变以视网膜灰色水肿 小动脉中心反射增强 动静脉交叉症 鲜红色火焰状出血 棉絮状白斑 黄白色发亮的硬性渗出及黄斑星状图谱为主要特征 动脉硬化视网膜病变的眼底视网膜动脉变细 变直 呈铜丝或银丝样改变 与静脉交叉处可见硬化的动脉压迫静脉 2020 2 27 如同望远镜一样 人眼本质上也是一个光学系统 因为角膜和晶状体的微小缺陷使进人人眼的光波发生畸变 所以即使是视力好的人也存在光学像差 这虽对视觉影响不大 但对想获得高清晰度视网膜图像来说却是一个大问题 眼底镜早已是常用的医学检查仪器 由于人眼本身的像差 通常的眼底镜很难实现视网膜细胞层次精细结构的高分辨力观察 自适应光学技术具有实时校正动态波前误差的能力 用于人眼误差的校正 就有可能克服这一限制 实现接近衍射极限的活体人眼高分辨力观察 4 21视网膜图像 a 正常的视网膜 b 糖尿病 c 高血压 d 动脉硬化 2020 2 27 中国科学院光电技术研究所所瞄准国际最新发展趋势 1997年开始在国内首先开展了人眼视网膜高分辨力成像自适应光学技术研究工作 先后突破了微小变形反射镜原理及制造 人眼像差波前传感器原理与人眼像差测量和重构等关键技术 2000年该所凌宁和张雨东等研制出基于19单元微变形反射镜的国内第一套人眼视网膜高分辨力观察自适应光学系统 图4 22 获得了视细胞和眼底微血管的高分辨力图像 在此基础上于2004年开发出采用37单元微变形反射镜的第二套系统 图4 23 与第一套系统相比 像差校正能力和灵敏度都有较大的提高 并且添加了靶板 使获取视网膜不同横向位置的图像成为可能 2020 2 27 测量人眼波前误差 必须在眼底形成一个发光点 信标 从这一发光点发出经瞳孔出射的光束的波前误差即是被测人眼的像差 用半导体激光器 LD 产生这一信标 激光光束经空间滤波器和扩束镜后准直成平行光 再经反射镜和分光镜后人射进被测人眼 经人眼聚焦后在眼底形成信标光点 经眼底视网膜后向反射的信标光再由瞳孔出射 带有眼睛像差的信息 经分光镜 扩束望远镜 变形反射镜 13M 缩束望远镜 再经分光镜反射后 进入哈特曼一夏克波前传感器 哈特曼 夏