激光医学生工课件

1、第三节 激光生物作用机理一、光致发热作用二、光致生物的非热效应三、光致生物的刺激作用激光医学生工课件1第三节 激光生物作用机理一、光致发热作用二、光致生物的非一、光致发热作用（一）激光辐射的热效应激光束 波长，照度，时间，光强分布 光热转换 反射，吸收，散射 热扩散 扩散率，时间特性组织变性 组织感受性 组织坏死 激光医学生工课件2一、光致发热作用（一）激光辐射的热效应激光束 波长，照度，时结果：蛋白质破坏，细胞受损害。组织在几毫秒内，温升 ；或持续 1 分钟，组织中温度达 ；McGuff 用180J 红宝石激光束照射黑鼠颊囊内移植性恶性肿瘤 。结果：肿瘤内温升至少到 ，持续 1 分钟以上。激

2、光医学生工课件3结果：蛋白质破坏，细胞受损害。组织在几毫秒内，温升 s701504060101560660温度minh组织破坏热损伤阈值温度与热作用持续时间关系热引起组织破坏的原因：1. 细胞蛋白质变性2. 细胞基础代谢障碍3. 血循环供应障碍激光医学生工课件4s701504060101560660温度minh组织破坏热正常生物效应温度表3.1 激光辐射的热效应体温过高酶活性减弱，细胞固定蛋白质和胶原蛋白变性（凝结）生物组织膜通透性汽化，热分解（蚀除）碳化熔融激光医学生工课件5正常生物效应温度表3.1 激光辐射的热效应体温过高酶活性减弱（二）热效应对生物组织的影响对代谢的影响对血液循环的影响温

3、度变化 ，代谢率的变化为 。可改善加热区的血供与营养。生物组织的各级热反应水平1、温热感觉 皮肤表面温度上升至激光医学生工课件6（二）热效应对生物组织的影响对代谢的影响对血液循环的影响温度3、热致水泡 皮肤温度升至4、热致凝固 组织温度达5、热致汽化 组织温度升至略超过6、热致炭化 当温度高达7、热致燃烧 温度超过8、热致切割 当功率密度进一步提高，受照处会出现火山口状的坑。汽化治疗2、热致红斑 组织温度升至光致热凝固 激光医学生工课件73、热致水泡 皮肤温度升至4、热致凝固 切割区 汽化区 凝固区焦点 原光束 聚焦透镜 通过聚焦透镜激光的能量分布激光医学生工课件8切割区 汽化区 凝固区焦点

4、原光束 聚焦透镜 通过聚焦透镜激（三）光致热作用的应用弱激光的热作用理疗。改善局部血液循环，改善组织营养，促进代谢、修复等。改善神经系统功能。强激光的热作用激光温热疗法、激光诱导间质热疗法（LITT）、激光组织融合术、眼科视网膜焊接术、皮肤科的葡萄酒色素斑、血管瘤等凝固止血术等。激光医学生工课件9（三）光致热作用的应用弱激光的热作用理疗。改善局部血液循环，（1） 对组织进行切割和分离 强激光的医学应用（2） 对组织进行汽化和融解 （3） 对组织进行烧灼和止血（4） 对组织进行凝固和封闭 激光医学生工课件10（1） 对组织进行切割和分离 强激光的二、光致生物的非热效应光致生物非热效应第一、光化效

5、应第二、压力和冲击波效应第三、电磁场效应激光医学生工课件11二、光致生物的非热效应光致生物非热效应第一、光化效应第二、压（一）光化效应光化学反应激光与生物组织相互作用时，可能会导致若干键断裂与键形成的化学反应，即旧键被完全破坏或新键形成的过程。光化学吸收定律特定的光化反应要由特定波长的光子来引发。简言之：光化反应具有波长选择性。引起光化反应的波谱范围通常是激光医学生工课件12（一）光化效应光化学反应激光与生物组织相互作用时，可能会导致红外激光以热效应为主；紫外激光以光化效应为主。例如：含有大量色素的黑色素瘤，能量密度1000J/cm2，严重破坏。透明组织，能量密度500060000J/cm2，

6、 没有明显破坏。激光医学生工课件13红外激光以热效应为主；紫外激光以光化效应为主。例如：含有大量光化致色素沉着作用光谱光化杀菌作用光谱光化合成维生素D作用光谱601000.280400.30.4波长(mm)20相对值光化效应作用光谱光化杀菌光化合成维生素D色素沉着最有效波长激光医学生工课件14光化致色素沉着作用光谱光化杀菌作用光谱光化合成维生素D作用光非线性吸收一个分子可能吸收多个光子的现象。条件：强度大的激光束照射。例如： 的钕激光照射组织 光化学量子定律任何原初光化反应中，每个光子只和一个分子反应。简言之：光化效应决定于光的总能量。激光医学生工课件15非线性吸收一个分子可能吸收多个光子的现

7、象。条件：强度大的激光光化反应的类型 光致分解 光致氧化 将原来物质分解成为更简单的物质。 如：紫外光照射H2S 凡激光致反应物失去电子的过程。 光致聚合光子很易将一些稳定的分子激发成自由基，可使之形成二聚体或三聚体等简单分子，也可促成链式反应形成大分子。 激光医学生工课件16光化反应的类型 光致分解 光致氧化 将原来物质分光致敏化在光敏剂的参与下，由光照射到生物组织而发生的一种化学反应。另一类有氧参加，如光敏剂HpD（血卟啉衍生物）;一类无氧参加，如补骨脂素，加365 nm 的激光照射可治疗白癜风或牛皮癣。( X , Y , Z , S )( X , Y , P , S )激光医学生工课件1

8、7光致敏化在光敏剂的参与下，由光照射到生物组织而发生的一种化学 Photodynamic Therapy(PDT) 是指某些生物染料，能被恶性肿瘤选择性吸收和滞留，在有O2条件下，接受波长与吸收峰相一致的光照射时，其光化效应破坏它所在的组织，这一系列化学反应过程，被称为光敏反应，利用这种效应治疗恶性肿瘤称为光动力学疗法。单态氧的瞬时强烈氧化作用，使细胞质受到破坏。激光医学生工课件18 Photodynamic Therapy(PDT)单态氧的光动力作用的要素 （1）基质 受作用的物质（主要生物物质：（2）敏化剂 主要有血卟啉衍生物（3）光源 主要有Ar+激光（4）氧（O2） 是启动光动力作用的

9、前提，蛋白质、酶和核酸等）各组织细胞中均含有。激光医学生工课件19光动力作用的要素 （1）基质 受作用的物质（主要生物物光化作用的应用 （2）对各种不同组织类型恶性肿瘤都起作用；用光动力学作用治疗恶性肿瘤、皮肤鲜红斑痣、消除血制品中的病毒等。（1）有选择性破坏恶性肿瘤细胞，对正常细胞损PDT治癌的优点（3）位于体表或内镜可以到达的内腔表浅恶性肿伤小，或无损伤;瘤、散在分布或复发性小肿瘤均可作根治；激光医学生工课件20光化作用的应用 （2）对各种不同组织类型恶性肿瘤都起作用（二）压力和冲击波效应一次压强直接由光子碰撞引起的光压。二次压强激光作用生物组织后继发作用而产生的一系列压强。光致压强作用阳

10、光对地球上一个黑点的光压是能量密度为 1J/cm2 、脉宽为 的激光束的光压是激光医学生工课件21（二）压力和冲击波效应一次压强直接由光子碰撞引起的光压。二次气流反冲压生物组织表面受激光照射引起汽化内部气化压时产生的压强。能量密度为 1J/cm2 、脉宽为 的激光束照射组织产生的反冲压是激光聚焦于生物组织内部引起汽化时产生的压强。多发生于眼球和头颅这些密闭的腔内。产生瞬时汽化压高达 200 多个atm 。激光医学生工课件22气流反冲压生物组织表面受激光照射引起汽化内部气化压时产生的压膨胀超声压强激光照射生物组织后，温度迅速上升，形成气化，体积膨胀，在其边缘产生超声频率的弹性振动波。能量密度为

11、1J/cm2 、脉宽为 的调Q激光束，可产生超声压强电致伸缩压激光是电磁波，照射到生物组织上时可产生极化应力，应力引起电致伸缩压。能量密度为 2J/cm2 、脉宽为 的钕玻璃锁模激光照射，电致伸缩压可达激光医学生工课件23膨胀超声压强激光照射生物组织后，温度迅速上升，形成气化，体积等离子体膨胀产生压强高功率密度的脉冲激光照射生物组织，可形成等离子体。等离子体( Plasma )：分子、原子发生电离作用，形成等量电子和离子的电中性的集合体。宇宙中90物质处于等离子体态天然等离子体存在于远离人群的地方，如闪电、极光等。激光医学生工课件24等离子体膨胀产生压强高功率密度的脉冲激光照射生物组织，可形成

12、 等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏等激光医学生工课件25 等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离激光靶组织的分子或原子发生电离作用等离子体形成微小爆炸冲击波声波机械扩张作用，组织裂解等离子体强烈吸收入射激光，引起它本身迅速膨胀，形成冲击波产生的压强或等离子体形成空腔崩溃产生的压强。等离子体具有气体的机械性和金属的导电性。激光医学生工课件26激光靶组织的分子或原子发生电离作用等离子体形成微小爆炸冲击波Fox 等用100J宽脉冲红宝石激光束照射鼷鼠头部，有头

13、盖与去头盖的鼷鼠作比较。Fine等用红宝石激光束照射小鼠头部 。压力效应的特点它所引起的组织损伤可远离直接照射部位。激光照射腹部可在腹内深部产生损害。在造成视网膜损伤上，激光器的有效性：锁膜激光器Q开关激光器脉冲激光器连续激光器激光医学生工课件27Fox 等用100J宽脉冲红宝石激光束照射鼷鼠头部，有头盖与光致压强作用的应用青光眼的前房角打孔、激光碎石术。注意：压强可以使肿瘤碎屑发生飞溅，有些溅落在 2.4 米以外还存活。激光医学生工课件28光致压强作用的应用青光眼的前房角打孔、激光碎石术。注意：压强（三）电磁场效应产生光学谐波生命过程中物质的物理状态很大程度上是液晶态，所有显示旋光性的有机物

14、其分子结构都是不对称的，在强脉冲激光作用下，可使生物组织产生光学谐波。当激光功率密度 108 W/cm2，高强度电场( 1010V/ cm2 )作用下可自由基形成以产生自由基即带电基团。激光医学生工课件29（三）电磁场效应产生光学谐波生命过程中物质的物理状态很大程度当强电场激光束作用于生物组织受激拉曼散射受激布里渊散射时，拉曼散射光突然变强，光谱变窄，出现受激辐射的特点。特点：相干光。作用：被色素颗粒吸收可引起热损伤。还可导致细胞损伤。生物分子在激光束的强电场作用下导致电致伸缩，使生物物质密度发生变化，形成弹性波。入射激光被此弹性波散射，产生很强相干散射光的过程。激光医学生工课件30当强电场激

15、光束作用于生物组织受激拉曼散射受激布里渊散射时，拉激光功率密度达 1010 1015 W/cm2 。电击穿与等离子体产生应用：粉碎结石。作用：可致细胞破裂，从而产生水肿。激光医学生工课件31激光功率密度达 1010 1015 W/cm2 。电三、光致生物的刺激作用光致生物刺激作用第一、光致生物刺激作用机理第二、光致生物刺激作用规律第三、应用激光医学生工课件32三、光致生物的刺激作用光致生物刺激作用第一、光致生物刺激作用（一）光致生物刺激作用机理生物分子吸收光子激光只有被生物分子吸收生物刺激作用生物分子吸收了激光的能量后生物反应对机体产生兴奋或抑制作用。后才能引起刺激作用。会发生能态的改变。引起

16、生物刺激作用所需的激光剂量处于刺激阈值与损伤阈值之间。的活性等。使蛋白质合成活化、提高酶激光医学生工课件33（一）光致生物刺激作用机理生物分子吸收光子激光只有被生物分子（二）激光生物刺激作用规律刺激效应的相变规律激光的刺激作用有累积效应A激光刺激效应的相变规律BCDE兴奋剂量抑制激光医学生工课件34（二）激光生物刺激作用规律刺激效应的相变规律激光的刺激作用有疗效的抛物线规律A疗效照射次数BC弱激光疗效的抛物线规律治疗需采用疗程间隔激光医学生工课件35疗效的抛物线规律A疗效照射次数BC弱激光疗效的抛物线规律治疗（三）激光生物刺激作用的应用激光理疗对组织进行离焦照射 刺激机体产生一系列的应答反应、

17、起到调节增强或抑制的作用，不造成生物组织不可逆的损伤。 若将激光不予聚焦，而进行散射。当散射到适当距离时，再进行照射，这种方法适用于治疗下肢溃疡，慢性鼻炎等。激光医学生工课件36（三）激光生物刺激作用的应用激光理疗对组织进行离焦照射 He-Ne 激光麦粒肿、睑缘炎、黄斑出血、外耳道炎、耳软骨膜炎、慢性鼻炎、过敏性鼻炎、腮腺炎、三叉神经痛、慢性前列腺炎、骨折、慢性盆腔炎等。适应于慢性、亚急性炎症的治疗。腰肌劳损、肩关节周围炎、骨髓炎、风湿关节炎、支气管哮喘、慢性气管炎、神经性皮炎等。CO2 激光激光医学生工课件37He-Ne 激光麦粒肿、睑缘炎、黄斑出血、外耳道炎、耳软骨膜激光针灸治疗对穴位进行

18、照射He-Ne 激光针、CO2 激光针、其它激光针激光针灸的优点：无痛、无菌、无损伤、照射剂量可用照射时间来调节、仪器简单，操作方便。 临床表明，利用激光进行穴位照射，一方面给穴位以刺激，另一方面给穴位也输入一定的能量，故激光照射具有针刺和炙法洪的作用。 激光医学生工课件38激光针灸治疗对穴位进行照射He-Ne 激光针、CO2 激半导体激光器Nd：YAG激光器N2 激光器Ar+ 激光器表浅镇痛头痛恶性肿瘤截瘫激光医学生工课件39半导体激光器Nd：YAG激光器N2 激光器Ar+ 激光器表浅思 考 题一、选择题：1. 一束激光从空气入射到角膜组织时，发 生折射。入射角为 ，下列选项中哪个角度 可能是折射角激光医学生工课件40思 考 题一、选择题：1. 一束激光从空气入射到角膜组织时2. 一生物组织的光漫反照率 ，它的吸收和散射系数分别为 ，下列哪个选项是正确的激光医学生工课件412. 一生物组织的光漫反照率 ，它3. 朗伯定律描述的是由于下列哪一项造成的光强的损失4. 如果 g 是各向异性系数，那么