激光医学第三章.ppt

1、五、激光的计量,光辐射能量(光能量) 光辐射功率(光功率) 光的能量密度(激光的物理剂量) 光的功率密度(光强度) 对CW激光的计量 对脉冲激光的计量,医学上使用CW激光时的计量,需知道：激光输出功率（ P） 被照射面积（s） 被照射时间（t） 给出：功率密度（I）、能量密度（D）,对脉冲激光的计量,需知道：激光单脉冲能量（E） 脉冲宽度（t） 重复频率（f） 被照射面积（s） 被照射时间（t） 给出：峰值功率（Peak Power）、脉冲数、功率密度（I） 、能量密度（D）,第三章 激光对生物体的作用,目的和要求： 1掌握激光的基本特性 2掌握激光对生物组织的主要作用 （即激光生物效应）,激

2、光是一种光源，也是一种电磁波，但它对生物体的作用与普通光源和普通电磁波相比有其独特之处。为什么？这与激光所具有的特性是分不开的。 激光的基本特性 1、单色性好 2、方向性好 3、亮度高强度大 4、相干性好,激光的基本特性,激光的上述几个特性都是相互关联的，单色性好、方向性好导致亮度高强度大。,二、激光生物效应,激光生物效应的概念 两类激光生物效应 两种生物反应水平的激光 激光生物作用,激光生物效应的概念,激光与生物组织相互作用后引起的生物组织的任何变化，都称为激光生物效应。,两类激光生物效应,第一类激光生物效应：激光与生物组织相互作用的结果，因生物组织的作用，使激光参量发生改变的现象。是激光诊

3、病的依据。 第二类激光生物效应： 因激光的作用，使生物组织发生形态或机能改变的现象。是激光治病的基础。,两种生物反应水平的激光,强激光：用这种生物学剂量水平的激光直接辐照生物组织时可导致生物组织发生不可逆性损伤，则定义这种强反应水平的激光为强激光。 弱激光：用这种生物学剂量水平的激光直接照射生物组织，不会引起生物组织直接发生不可逆性损伤，则定义这种反应水平的激光为弱激光。,激光生物作用,发生激光生物效应的过程叫激光生物作用。 主要有： 1）光致发光作用 2）光致发热作用 3）光致压强作用 4）光致化学作用 5）弱激光的生物刺激作用。,(一) 光致发光作用,光致发光作用：生物组织吸收了激光能量之

4、 后又以辐射的方式释放光能的过程。 通常有两类发光；一类是热辐射发光，另一类是非热辐射发光。 非热辐射发光又称冷光。例：萤火虫的生物发光；高能粒子发光（闪烁计数器）。,光致发光作用,光致发光作用可用于临床检测与诊断。目前已用到的有载体荧光法、自体荧光法、偏光法等 。,载体荧光法,给体内注入易于潴留在癌组织内的的荧光素药物后若干小时，再用较短波长的激光照射待检处，若能发现荧光素药物发出的荧光，则该处可能为病灶，并以此定位。由于此法的光致发光光源是外来药物，所以成为载体荧光。,自体荧光法,组织发生良性病变或恶变时，会发生结构或生物物理学参量改变，用较短波长的激光照射这些组织时可发出带有病变信息的特

5、征荧光。 例如：用波长为365nm的氙离子激光照射，若出现肿瘤特有的630nm波峰的特异荧光，则提示肿瘤阳性反应。,荧光产生原理当紫外光或波长较短的可见光照射到某些物质时，这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当光源停止照射时，这种光线随之消失。这种在激发光诱导下产生的光称为荧光，能发出荧光的物质称为荧光物质。,几乎所有物质分子都有吸收光谱，但不是所有物质都会发荧光。 产生荧光必须具备以下条件:1.该物质分子必须具有与所照射的光线相同的频率,这与分子的结构密切相关。2.吸收了与本身特征频率相同的能量之后的物质分子,必须具有高的荧光效率。 许多吸光物质并不产生荧光，主要是因为它们将所吸收

6、能量消耗于与溶剂分子或其它分子之间的相互碰撞中，还可能消耗于一次光化学反应中，因而无法发射荧光，即荧光效率很低。,由荧光的发光原理可知，分子荧光光谱与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以，可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性分析鉴别。 照射光越强，被激发到激发态的分子数越多，因而产生的荧光强度越强，测量时灵敏度越高。一般由激光诱导荧光测量物质的特性比由一般光源诱导荧光所测的灵敏度提高2-10倍。,生物组织的自体荧光属于分子荧光。在能量释放过程中,生物组织通过三种方式消耗能量：热消耗、荧光发射、在一个光化学反应中被利用。在热消耗过程中，光线仅仅被吸收而无荧光产生；在光诱发的光化

7、学反应表现为褪色。所以，生物组织的自体荧光是与热消耗和光化学反应相互竞争的结果，哪一种情况的发生率高，则哪一种情况占主导地位。荧光光谱较宽。 实际上，探测器接收到的生物组织发出的自体荧光是激发光特性（功率、波长、激发光输出端的几何结构）、组织内荧光物质的含量与特性、其它物质对荧光的吸收与散射特性、荧光接收端的几何与光学特性等等诸多因素的综合效果。,研究癌患者血清自体荧光光谱的特征,建立简便快速的癌筛查方法,为实现肺癌,肠癌的早期发现提供辅助手段。 方法用常规的荧光分光光度计,在405nm激发下, 测量癌患者和正常人血清的自体荧光发射光谱,分析研究二者的荧光光谱差异。结果与正常人的血清自体荧光相

8、比,肺癌,肠癌和乳腺癌患者在518nm的荧光峰明显增强。肺癌和肠癌患者血清在622nm荧光峰的相对强度T与背景荧光I612(612nm处荧光强度)有关。当I612在6I6129范围,癌患者的T指标显著高于对照组的。根据上述特性建立了癌诊断判据，对肺癌和肠癌的阳性率分别为87%和83%.,为了提高早期肺癌的检出率,近年来采用血卟啉衍生物(HpD)这类荧光肿瘤显示剂,进行荧光分析诊断,但这种技术并不理想,要求受检者在检查之后避光生活1个月左右,难以被接受。 单独用自体荧光检测肺和其它人体器官肿瘤的设想引起了研究者的兴趣.世界上已有几个小组研究肺组织的自体荧光.得到一个基本一致的结果:肿瘤组织与正常

9、组织的自体荧光谱形状相似,而相对强度有明显的差异.研究者正在继续探索,企图使它发展成为一项实用的诊断技术。 使用的激光为氩离子连续激光和NdYAG脉冲激光及其泵浦的染料激光作激发光源,用光学多道分析仪作为荧光谱的检测记录和显示系统。,355、514.5和532nm脉冲激光及488和514.5nm2种连续激光激发离体人肺的鳞癌和腺癌组织,测量了这2种组织学类型的癌组织和同一样品非癌组织的自发荧光发射光谱。数据处理结果表明：人肺肿瘤组织的自体荧光表现与肿瘤病理学类型有关。无论是利用脉冲激光还是连续激光激发，鳞癌组织的荧光强度均低于正常组织的荧光强度，而腺癌组织的荧光强度均高于正常组织的荧光强度，二

10、者相反。 这一结果可以解释长期以来存在的肿瘤组织荧光有强于、也有弱于正常组织荧光的相反的实验研究报道。这一规律如能进一步证实，对自体荧光法诊断肺癌应该是有意义的。,自然光照,蓝光照,滤光片观察,激光荧光图像诊断,(二) 光致发热作用,1. 定义：生物组织吸收激光能量后，将光能转变为生物组织的热能，这个过程称为光致发热作用（photoheat effect） 是激光治病的主要依据,2. 光致发热作用的机制,1）吸收生热（也叫直接生热）：生物组织吸收了红外激光的光子后，增加生物分子本身的热运动，使组织的温度升高这种生热没有中间过程，故称直接生热。 2）碰撞生热：可见光和紫外激光的光子能量较大，生物

11、组织吸收了这种光子后可引起生物组织的电子态跃迁，在它从电子激发态回到基态的过程中释放能量，使其周围分子增加热运动,使组织的温度升高.,3热作用对生物组织的影响,1) 对蛋白质的影响： 2) 对酶的影响： 3) 对神经细胞的影响： 4) 对皮肤等组织的影响：,生物组织的热反应水平,1）温热感觉 3840 2）热致红斑 4344 3）热致水泡 4748 4）热致凝固 60100 5）热致汽化 100 530 6）热致炭化 300 400 7）热致燃烧 530 8）热致切割 530 ,4影响热作用的因素,1）激光热作用与激光参数有关 2）激光热作用与生物组织特性有关 3）激光热作用与作用持续时间有关

12、,光致热作用的应用,在临床上可用于激光理疗，激光凝固、汽化和切割手术。 弱激光的热作用 可改善局部血液循环，改善组织营养，促进代谢、修复等，还可改善神经系统功能。,强激光的热作用,光致热凝固 包含生物组织热致红斑、热致水泡及热致凝固三种水平。 肿瘤的激光温热疗法、激光组织凝合术、视网膜焊接术、血管瘤等凝固止血术。 光切除：激光汽化与切割 对骨组织机钙化粥样硬化斑块表现出很好的切除作用，切口平滑无炭化。,(三) 光致压强作用,一个著名实验 光子能量为E=h，光子动量为P=h/c 单位面积单位时间的光子数是n=Ih 总动量 P=（Ih）（h/c）=I/c 一次压强 二次压强,光压，是射在物体上的光

13、所产生的压力。如阳光照在身体上，不仅会感觉发暖，亦有压力，只是因为感觉器官的限制而感觉不到。光压的发现源于俄国和美国。19 世纪，英国物理学家麦克斯韦创立了电磁理论，指出光的本质是电磁波。麦克斯韦还预言：光射到物质表面时，将对这一表面施加压力。彗星尾巴背着太阳就是太阳的光压造成的。,测量光压的实验,列别捷夫所用仪器的主要部分是一用细线悬挂起来的极轻的悬体R，其上固定有小翼a及b，其中一个涂黑，另一个是光亮的。将悬体R置于真空容器G内。借助透镜及平面镜系统将由弧光灯B发出的光线射向小翼中的一个。由于作用在小翼上的光压力，使悬体R转动。转动的大小，可借助望远镜及固定在轴线上的小镜观察到。移动双镜能

14、使光射在涂黑的小翼上。比较两种情况下悬体转动的大小，列别捷夫测得，涂黑表面所受的光压力比反射表面所受的光压力小一半，与理论完全符合。 借助薄片P1使光流的一部分射到温差电池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以对理论作出定量的验证。,光致压强作用的二次压强,主要有： 气流反冲压强 内部汽化压强 热膨胀超声压强 等离子体膨胀压强（I 109Wcm2） 电致伸缩压强 等,气流反冲压强,气流反冲压强是指生物组织表面受激光照射引起汽化时产生的反冲压。,内部汽化压强,内部汽化压为激光聚焦于组织内部引起汽化时存在的压强。,等离子体膨胀压强,等离子体膨胀产生的冲击波可用于激光碎石术及激光眼科手术。,(四)

15、光致化学作用,1）定义：激光与生物组织相互作用时，可直接引起化学反应，这种作用称为光致化学作用，简称光化作用 2）光化学吸收定律 3）光化学量子定律 4）光化反应的类型,光化学吸收定律,表述 ：（又称光化学第一定律）只有 被分子吸收的光子，才能在系统中导致化学反应 推论 ：光化学反应具有波长选择性。,光化学量子定律,表述：（ 又称光化学第二定律）在任何光化反应中，每个光子只和一个分子（离子或原子）反应。 推论 ：对于确定波长的激光，其光化效应只决定于光的总能量，而不决定于光的功率。 （E=P t） 注意：实际上激光生物效应是有功率阈值的，不完全相同。,光化反应的类型,主要有四种类型： 1）光致

16、分解 2）光致氧化 HCHOO22COCO2H2OHC00H 3）光致聚合 4）光致敏化 （X，Y，S）（X，P，S）,光致敏化的类型,不需分子氧参与的光致敏化 常用呋喃香豆素类物质 吸收约为365nm的光（处于可见光与紫外光边缘） 可用于治疗白斑病和牛皮癣。,光动力学作用（photodynamic effect）,激光医学中的光敏化反应一般指需要分子氧参与的光敏化反应。 此类光敏化反应称为光动力学作用。 光动力学作用需三个基本条件： 即光、氧、敏化剂 血卟啉衍生物（hemotoporphyrin derivative， HpD）,(五) 弱激光的生物刺激作用,主要有三个方面： 对血液系统的作

17、用 对神经系统的作用 对淋巴系统的作用,对血液系统的作用,对血液的有形成分（白细胞white cell、红细胞 red cell、血小板）和无形成分（血浆中的葡萄糖、酶、激素、补体等）产生多方面的刺激和调节作用。从而可激活血液细胞免疫活性物质，改善血液流变学指标，促进血循环，恢复血流的生理功能（输送营养、氧气，带走废物、废气）。,对神经系统的作用,激光照射到神经细胞，进而刺激中枢神经，起动神经体液调节机制，提高生物活性物质内阿片肽的含量，对镇痛、调节代谢和免疫活性等功能有重要作用。,对淋巴系统的作用,激光照射到淋巴细胞（组织或液），可以调节机体的免疫功能，防止感染，消除炎症等，维持自身稳定和免

18、疫监视作用。,思考题,1激光碎石术属于什么激光生物效应？ 2烧蚀光分解作用属于什么激光生物效应？ 3血管吻合术属于什么激光生物效应？ 4一束光对被照射物面的总动量P与这束光的光能量密度D的关系式是什么？ 5弱激光生物刺激效应主要有哪几个方面？,血管吻合术,新华网甘肃频道7月14日消息 兰州日报讯 近日，兰大二院神经外科实施颞浅动脉大脑中动脉血管吻合术，成功救治了3名因颈内动脉完全闭塞导致偏瘫、失语、意识障碍的患者（其中有一名烟雾病患者），均取得了良好的效果。据了解，该项技术的开展在甘肃省尚属首次，在全国也不多见。,血管端端吻合术,1.拉出血管外膜 2.切除血管外膜 3.冲洗断端管腔 血管吻合前

19、处理 1.分离血管断端：动脉两端需先适当分离，并将邻近关节保持于半屈位，以减少张力。有时可以切断某些不重要的侧支，以增加主要动脉的长度。年轻伤员健全的动脉可拉长-，以弥补缺损间隙，进行直接吻合,2.检查血流状况：按清创时预定的血管切除范围剪除损伤部分时，动脉近端应有活动性喷血。如喷血不旺，应考虑近段仍有阻塞，可用塑料管插入动脉内吸引冲洗。如仍不见效，则须再次切除一段。如喷血旺盛，再用血管夹阻断血流。同样暂时开放远端血管夹，检查动脉逆流是否良好。远段如有血栓也须加以吸除，通畅后才可吻合。,3.剥除血管外膜：用血管镊夹住血管断端外膜向外牵拉后剪去，以免在缝合时将外膜带入管腔而引起血栓形成；或用小剪

20、刀细致剥离、剪除血管断端的外膜，慎勿损伤血管壁。一般每侧断端剥离外膜各0.5-1长 4.冲洗断端管腔：将两侧断端修剪整齐后，用0.1肝素生理盐水（也可用0.5普鲁卡因）冲洗两断端的管腔，冲出凝血块以防止吻合口处血栓形成。,吻合后处理,1.松开血管夹：吻合完毕后，先松远端血管夹。如吻合口有少许漏血，一般用纱布轻压几分钟即可停止，必要时可在漏血较多处补缝针，但应尽量避免发生此类事情，以防止血栓形成。吻合时应力求完善。如已无漏血，随即开放近端血管夹。 2.处理动脉痉挛：检查吻合口上、下方动脉的搏动情况和肢体远端的颜色、温度、脉搏。如动脉有痉挛现象，可敷以2.5罂粟硷液纱布。如伤肢的血运不佳，可用普鲁

21、卡因液作交感神经节或血管周围神经阻滞。 3.处理并行静脉：并行静脉（尤其是股静脉和髂外静脉）如有损伤，应加以修复，以减少静脉郁滞。如不便进行，则可于结扎后切断。,缝合伤口,1.覆盖吻合口：缝合好的动脉和静脉不可裸露，必须用周围组织（最好用肌肉，也可用皮肤或皮下组织）很好地覆盖，可起保护和供给营养的作用。缝合处附近有骨折时，要用肌肉将血管与骨折端隔开，以防骨痂形成而压迫血管。 2.避免死腔：缝合时应避免遗留死腔，以防血浆潴留导致感染。 3.引流、缝合：若伤口清洁新鲜，可行一期缝合，并从另一小切口放置引流条，但不可直接接触血管吻合处。引流条须早日取出。若伤口污染较重，皮肤必须敞开，5-10日后作延

22、期缝合。,拉出血管外膜,切除血管外膜,血管吻合前处理,冲洗断端管腔,血管吻合法,定点线间加针缝合,缝上、下定点缝线,翻转缝合后壁,均匀缝合前壁,作三针定点缝合,连续缝合前1/3边,第三军医大学西南医院整形美容外科，首次运用血管吻合术，成功地使一面积巨大的头皮撕脱伤患者头发获得再生。 48岁的患者陈女士家住重庆南岸区。陈女士在车间工作时，一头秀发不慎被卷入运行的机器内，整个头皮从双眼上睑处掀起至颈后发际处，创伤面积巨大。一般的手术方法是将患者头皮回植，该手术愈后时间长，并且患者的头发不会再生长，将永远成为秃头。如果采用血管吻合术，愈后时间短，头发也能自然生长，但是，该手术面临着巨大的风险。 患者

23、被推进手术室。患者静脉血管已断裂，手术由此开始。首先，在这两根直径分别为1毫米左右的血管断裂处进行修整，随后，用比头发丝还细的血管吻合线将血管分别对接。动脉血管缝合8针、静脉血管缝合10针后，历经两小时均告成功。而后对患者头皮进行了缝合，缝合的针数不低于150针。整台手术在历时6小时后顺利完成.如不出意外，患者的头皮将恢复到从前一样，并重新拥有一头秀发。,激光血管吻合术,80年代初,激光血管吻合术出现.尽管人们进行实验研究的技术装备,实验设计,研究对象,观察检测手段及结果各不相同,但得到的认识是一致的,即激光血管吻合术速度快,通畅率高,组织缺血时间短,技术容易掌握.随着激光血管吻合术的进一步成

24、熟和完善,必将给显微外科及创伤外科带来新的生机. 近30年来,显微外科得到迅速发展,它已渗透到外科的各个领域,得到了日益广泛的应用.由于血管吻合的传统方法是缝合法,特别是要缝合微小血管,难度大,出血量多,费时，且异物反应增加，官腔内径减少,大大影响了手术的成功率和更广泛的应用.人们对能简化手术过程,缩短手术时间的器械装备和技术方法很感兴趣.,激光血管吻合,主要是基于激光辐射的热效应,即组织对聚焦激光束光能的吸收,引起待吻合血管断端的热损伤,造成部分蛋白质凝固粘连,从而保持了血管的连续性.组织热损伤的程度主要取决于组织的热特性(比热,热传导等),光特性(随激光波长而改变的光的吸收,散射等)及激光

25、辐射参数(波长,功率,光束直径,辐照时间等).因而选择台适的激光器及辐照参数和血管吻合的技术方法是十分必要的.,Nd:YAG，CO2 ， Ar+三种激光器被用于血管吻合的实验研究或临床实践 激光吻合血管最大的缺点是粘结力量不够，因而假性动脉瘤形成和吻合口的破裂的发生率很高。为了增加激光粘合血管的强度，可在120点留置缝针，然后在两针之间用激光焊接。,对吻合血管的技术方法目前大量的激光血管吻合几乎都是先用传统的缝针在吻合口处缝24针,使血管对合,固定,便于牵拉翻面,然后再用激光焊接缝线间的区域.但这样无法充分体现激光血管吻台操作快,机械操纵手术结果恒定,对血管壁损伤较少,易于在颅腔等狭窄深处应用

26、等优点,也无法摆脱传统缝合法带来的费时,技术不易掌握等不足.,激光碎石术,肾结石是潜伏在人体的隐形炸弹，少数患者长期没有症状，往往在体检时偶然发现。此时，肾结石也早就积聚成大块，成型显现了。因此，对于肾结石一定要早发现、早诊断、早治疗，将结石扼杀在摇篮之中。,肾结石的典型症状： 1）绞痛。40%-50%的病人都有间隙发作的疼痛史。多表现为突然发作的阵发性刀割样疼痛,疼痛剧烈难忍,病人辗转不安,疼痛从腰部或侧腹部向下放射至膀胱区,外阴部及大腿内侧,有时有大汗、恶心呕吐。 2）血尿。血尿是肾结石的另一主要症状。疼痛时,往往伴发肉眼血尿或镜下血尿,以后者居多,大量肉眼血尿并不多见,体力活动后血尿可加

27、重。结石并发感染时,尿中出现脓细胞,有尿频、尿痛症状。 3）其他症状：当继发急性肾盂肾炎或肾积脓时,可有发热、畏寒、寒颤等全身症状。双侧上尿路结石或肾结石完全梗阻时,可导致无尿.,结石形成根源的四大因素 （一）流行病学因素：包括年龄、性别、职业、社会经济地位、饮食成份和结构、水分摄入量、气候、代谢和遗传等因素。实验证明,饮食中动物蛋白、精制糖增多,纤维素减少,促使上尿路结石形成。大量饮水使尿液稀释,能减少尿中晶体形成。相等高温环境及活动减少等亦为影响因素,但职业、气候等不是单一决定因素。,（二）尿液因素：1、形成结石物质排出过多：尿液中钙、草酸、尿酸排出量增加。2、尿量减少，使盐类和有机物质的浓度增高。3 尿中抑制晶体形成物质含量减少，如枸橼酸、焦磷酸盐、镁、酸性粘多糖、某些微量元素等。,（三）解剖结构异常：如尿路梗阻,导致晶体或基质在引流较差部位沉积,尿液滞留继发尿路感染,有利于结石形成。 （四）尿路感染：大多数草酸钙结石原因不明。磷酸钙和磷酸镁铵结石与感染和梗阻有关。尿酸结石与痛风等有关。胱氨酸结石是罕见的家族性遗传性疾病,尿中排出大量胱氨酸所致。,肾结石的三大危害：,1）局部