激光醫(yī)學(xué)生工

1、一、光致發(fā)熱作用,（一）激光輻射的熱效應(yīng),激光束,,波長(zhǎng)，照度，時(shí)間，光強(qiáng)分布,,,,光熱轉(zhuǎn)換,,反射，吸收，散射,,,,熱擴(kuò)散,,擴(kuò)散率，時(shí)間特性,,,,組織變性,,組織感受性,,,,組織壞死,,結(jié)果：蛋白質(zhì)破壞，細(xì)胞受損害。,組織在幾毫秒內(nèi)，溫升 ；,或持續(xù) 1 分鐘，組織中溫度達(dá) ；,McGuff 用180J 紅寶石激光束照射黑鼠頰囊內(nèi)移植性惡

2、性腫瘤 。,結(jié)果：腫瘤內(nèi)溫升至少到 ，持續(xù) 1 分鐘,以上。,熱損傷閾值溫度與熱作用持續(xù)時(shí)間關(guān)系,熱引起組織破壞的原因：,1. 細(xì)胞蛋白質(zhì)變性,2. 細(xì)胞基礎(chǔ)代謝障礙,3. 血循環(huán)供應(yīng)障礙,正常,生物效應(yīng),溫度,,,,表3.1 激光輻射的熱效應(yīng),體溫過高,酶活性減弱，細(xì)胞固定,蛋白質(zhì)和膠原蛋白變性（凝結(jié)）,生物組織膜通透性,汽化，熱分解（蝕除）,碳化,熔融,（二）熱效應(yīng)對(duì)生物組織的影響,對(duì)代謝的影響,對(duì)血液循環(huán)的影

3、響,溫度變化 ，代謝率的變化為 。,可改善加熱區(qū)的血供與營(yíng)養(yǎng)。,生物組織的各級(jí)熱反應(yīng)水平,1、溫?zé)岣杏X,皮膚表面溫度上升至,3、熱致水泡,皮膚溫度升至,4、熱致凝固,組織溫度達(dá),5、熱致汽化,組織溫度升至略超過,6、熱致炭化,當(dāng)溫度高達(dá),7、熱致燃燒,溫度超過,8、熱致切割,當(dāng)功率密度進(jìn)一步提高，受照處會(huì)出現(xiàn)火山口狀的坑。,汽化治療,2、熱致紅斑,組織溫度升至,光致熱凝固,,,,,,切割區(qū),汽化區(qū),凝

4、固區(qū),焦點(diǎn),原光束,聚焦透鏡,通過聚焦透鏡激光的能量分布,（三）光致熱作用的應(yīng)用,弱激光的熱作用,理療。改善局部血液循環(huán)，改善組織營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)代謝、修復(fù)等。改善神經(jīng)系統(tǒng)功能。,強(qiáng)激光的熱作用,激光溫?zé)岑煼?、激光誘導(dǎo)間質(zhì)熱療法（LITT）、激光組織融合術(shù)、眼科視網(wǎng)膜焊接術(shù)、皮膚科的葡萄酒色素斑、血管瘤等凝固止血術(shù)等。,（1） 對(duì)組織進(jìn)行切割和分離,強(qiáng)激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,（2） 對(duì)組織進(jìn)行汽化和融解,（3） 對(duì)組織進(jìn)行燒灼和止血,（4） 對(duì)組織進(jìn)

5、行凝固和封閉,二、光致生物的非熱效應(yīng),光致生物非熱效應(yīng),第一、光化效應(yīng),第二、壓力和沖擊波效應(yīng),第三、電磁場(chǎng)效應(yīng),（一）光化效應(yīng),光化學(xué)反應(yīng),激光與生物組織相互作用時(shí)，可,能會(huì)導(dǎo)致若干鍵斷裂與鍵形成的化學(xué)反應(yīng)，即,舊鍵被完全破壞或新鍵形成的過程。,光化學(xué)吸收定律,特定的光化反應(yīng)要由特定波,長(zhǎng)的光子來引發(fā)。,簡(jiǎn)言之：光化反應(yīng)具有波長(zhǎng)選擇性。,引起光化反應(yīng)的波譜范圍通常是,紅外激光以熱效應(yīng)為主；,紫外激光以光化效應(yīng)為主。,例如：含有大量色素

6、的黑色素瘤，能量密度1000J/cm2，嚴(yán)重破壞。,透明組織，能量密度5000~60000J/cm2， 沒有明顯破壞。,,,,光化致色素沉著作用光譜,光化殺菌作用光譜,光化合成維生素D作用光譜,光化效應(yīng)作用光譜,光化殺菌,光化合成維生素D,色素沉著,最有效波長(zhǎng),非線性吸收,一個(gè)分子可能吸收多個(gè)光子的現(xiàn)象。,條件：強(qiáng)度大的激光束照射。,例如： 的釹激光照射組織,,,光化學(xué)量子定律,任何原初光化反應(yīng)中，每個(gè),光子只

7、和一個(gè)分子反應(yīng)。,簡(jiǎn)言之：光化效應(yīng)決定于光的總能量。,光化反應(yīng)的類型,光致分解,光致氧化,將原來物質(zhì)分解成為更簡(jiǎn)單的物質(zhì)。,如：紫外光照射H2S,凡激光致反應(yīng)物失去電子的過程。,光致聚合,光子很易將一些穩(wěn)定的分子激發(fā)成,自由基，可使之形成二聚體或三聚體等簡(jiǎn)單分子，也可促成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成大分子。,光致敏化,在光敏劑的參與下，由光照射到生物,組織而發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。,另一類有氧參加，如光敏劑HpD（血卟啉衍生物）;,一類無氧參加，如補(bǔ)骨脂素

8、，加365 nm 的激光照射可治療白癜風(fēng)或牛皮癬。,( X , Y , Z , S ),Photodynamic Therapy(PDT) 是指某些生物染料，能被惡性腫瘤選擇性吸收和滯留，在有O2條件下，接受波長(zhǎng)與吸收峰相一致的光照射時(shí)，其光化效應(yīng)破壞它所在的組織，這一系列化學(xué)反應(yīng)過程，被稱為光敏反應(yīng)，利用這種效應(yīng)治療惡性腫瘤稱為光動(dòng)力學(xué)療法。,單態(tài)氧的瞬時(shí)強(qiáng)烈氧化作用，使細(xì)胞質(zhì)受到破壞。,光動(dòng)力作用的要素,（1）基質(zhì)

9、—— 受作用的物質(zhì)（主要生物物質(zhì)：,（2）敏化劑 —— 主要有血卟啉衍生物,（3）光源 —— 主要有Ar+激光,（4）氧（O2）—— 是啟動(dòng)光動(dòng)力作用的前提，,蛋白質(zhì)、酶和核酸等）,各組織細(xì)胞中均含有。,光化作用的應(yīng)用,（2）對(duì)各種不同組織類型惡性腫瘤都起作用；,用光動(dòng)力學(xué)作用治療惡性腫瘤、皮膚鮮紅斑痣、,消除血制品中的病毒等。,（1）有選擇性破壞惡性腫瘤細(xì)胞，對(duì)正常細(xì)胞損,PDT治癌的優(yōu)點(diǎn),（3）位于體表或內(nèi)鏡可以到達(dá)的內(nèi)腔表淺惡性腫

10、,傷小，或無損傷;,瘤、散在分布或復(fù)發(fā)性小腫瘤均可作根治；,（二）壓力和沖擊波效應(yīng),一次壓強(qiáng),直接由光子碰撞引起的光壓。,二次壓強(qiáng),激光作用生物組織后繼發(fā)作用而產(chǎn)生的一系列壓強(qiáng)。,光致壓強(qiáng)作用,陽光對(duì)地球上一個(gè)黑點(diǎn)的光壓是,能量密度為 1J/cm2 、脈寬為 的激光束的光壓是,氣流反沖壓,生物組織表面受激光照射引起汽化,內(nèi)部氣化壓,時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)。,能量密度為 1J/cm2 、脈寬為

11、 的激光束照射組織產(chǎn)生的反沖壓是,激光聚焦于生物組織內(nèi)部引起汽化,時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)。,多發(fā)生于眼球和頭顱這些密閉的腔內(nèi)。,產(chǎn)生瞬時(shí)汽化壓高達(dá) 200 多個(gè)atm 。,膨脹超聲壓,強(qiáng)激光照射生物組織后，溫度迅速,上升，形成氣化，體積膨脹，在其邊緣產(chǎn)生超聲,頻率的彈性振動(dòng)波。,能量密度為 1J/cm2 、脈寬為 的調(diào)Q激光束，可產(chǎn)生超聲壓強(qiáng),電致伸縮壓,激光是電磁波，照射到生物組織上,時(shí)可產(chǎn)生極化應(yīng)力，應(yīng)

12、力引起電致伸縮壓。,能量密度為 2J/cm2 、脈寬為 的釹玻璃鎖模激光照射，電致伸縮壓可達(dá),等離子體膨脹產(chǎn)生壓強(qiáng),高功率密度的脈沖激光,照射生物組織，可形成等離子體。,等離子體( Plasma )：,分子、原子發(fā)生電離作用，,形成等量電子和離子的電中性的集合體。,宇宙中90％物質(zhì)處于等離子體態(tài),天然等離子體存在于遠(yuǎn)離人群的地方，如閃電、,極光等。,等離子體是幾乎所有可見物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電

13、離層、日地空間的太陽風(fēng)、太陽日冕、星云及星團(tuán)，毫無例外的都是等離子體。,日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏等,激光,,靶組織的分子或原子發(fā)生電離作用,,等離子體形成,,,微小爆炸,,沖擊波,,聲波,機(jī)械擴(kuò)張作用，組織裂解,等離子體強(qiáng)烈吸收入射激光，引起它本身迅速膨脹，形成沖擊波產(chǎn)生的壓強(qiáng)或等離子體形成空腔崩潰產(chǎn)生的壓強(qiáng)。,等離子體具有氣體的機(jī)械性和金屬的導(dǎo)電性。,Fox 等用100J寬脈沖紅寶石激光束照射鼷鼠頭部，有頭蓋與去頭蓋的

14、鼷鼠作比較。,Fine等用紅寶石激光束照射小鼠頭部 。,壓力效應(yīng)的特點(diǎn),它所引起的組織損傷可遠(yuǎn)離,直接照射部位。,激光照射腹部可在腹內(nèi)深部產(chǎn)生損害。,在造成視網(wǎng)膜損傷上，激光器的有效性：,鎖膜激光器,Q開關(guān)激光器,脈沖激光器,連續(xù)激光器,,,,光致壓強(qiáng)作用的應(yīng)用,青光眼的前房角打孔、激光碎石術(shù)。,注意：壓強(qiáng)可以使腫瘤碎屑發(fā)生飛濺，有些濺落在 2.4 米以外還存活。,（三）電磁場(chǎng)效應(yīng),產(chǎn)生光學(xué)諧波,生命過程中物質(zhì)的物理狀態(tài)很,大程度上是液

15、晶態(tài)，所有顯示旋光性的有機(jī)物其,分子結(jié)構(gòu)都是不對(duì)稱的，在強(qiáng)脈沖激光作用下，可使生物組織產(chǎn)生光學(xué)諧波。,當(dāng)激光功率密度 > 108 W/cm2，,高強(qiáng)度電場(chǎng)( 1010V/ cm2 )作用下可,自由基形成,以產(chǎn)生自由基即帶電基團(tuán)。,當(dāng)強(qiáng)電場(chǎng)激光束作用于生物組織,受激拉曼散射,受激布里淵散射,時(shí)，拉曼散射光突然變強(qiáng)，光譜變窄，出現(xiàn)受激輻射的特點(diǎn)。,特點(diǎn)：相干光。,作用：被色素顆粒吸收可引起熱損傷。還可導(dǎo)致細(xì)胞損傷。,生物分子在激光束的

16、強(qiáng)電場(chǎng),作用下導(dǎo)致電致伸縮，使生物物質(zhì)密度發(fā)生變化，形成彈性波。入射激光被此彈性波散射，產(chǎn)生很強(qiáng)相干散射光的過程。,激光功率密度達(dá) 1010 ~ 1015 W/cm2 。,電擊穿與等離子體產(chǎn)生,應(yīng)用：粉碎結(jié)石。,作用：可致細(xì)胞破裂，從而產(chǎn)生水腫。,三、光致生物的刺激作用,光致生物刺激作用,第一、光致生物刺激作用機(jī)理,第二、光致生物刺激作用規(guī)律,第三、應(yīng)用,（一）光致生物刺激作用機(jī)理,生物分子吸收光子,激光只有被生物分子吸收,生物刺激

17、作用,生物分子吸收了激光的能量后,生物反應(yīng),對(duì)機(jī)體產(chǎn)生興奮或抑制作用。,后才能引起刺激作用。,會(huì)發(fā)生能態(tài)的改變。,引起生物刺激作用所需的激光劑量,處于刺激閾值與損傷閾值之間。,的活性等。,使蛋白質(zhì)合成活化、提高酶,（二）激光生物刺激作用規(guī)律,刺激效應(yīng)的相變規(guī)律,激光的刺激作用有累積效應(yīng),A,激光刺激效應(yīng)的相變規(guī)律,B,C,D,E,療效的拋物線規(guī)律,A,B,C,弱激光療效的拋物線規(guī)律,治療需采用療程間隔,（三）激光生物刺激作用的應(yīng)用,激光

18、理療——對(duì)組織進(jìn)行離焦照射,刺激機(jī)體產(chǎn)生一系列的應(yīng)答反應(yīng)、起到調(diào)節(jié)增強(qiáng)或抑制的作用，不造成生物組織不可逆的損傷。,若將激光不予聚焦，而進(jìn)行散射。當(dāng)散射到適當(dāng)距離時(shí)，再進(jìn)行照射，這種方法適用于治療下肢潰瘍，慢性鼻炎等。,He-Ne 激光,麥粒腫、瞼緣炎、黃斑出血、外耳道炎、耳軟骨膜炎、慢性鼻炎、過敏性鼻炎、腮腺炎、三叉神經(jīng)痛、慢性前列腺炎、骨折、慢性盆腔炎等。,適應(yīng)于慢性、亞急性炎癥的治療。腰肌勞損、肩關(guān)節(jié)周圍炎、骨髓炎、風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、支氣

19、管哮喘、慢性氣管炎、神經(jīng)性皮炎等。,CO2 激光,激光針灸治療——對(duì)穴位進(jìn)行照射,He-Ne 激光針、CO2 激光針、其它激光針,激光針灸的優(yōu)點(diǎn)：,無痛、無菌、無損傷、照射劑量可用照射時(shí)間來調(diào)節(jié)、儀器簡(jiǎn)單，操作方便。,臨床表明，利用激光進(jìn)行穴位照射，一方面給穴位以刺激，另一方面給穴位也輸入一定的能量，故激光照射具有針刺和炙法洪的作用。,半導(dǎo)體激光器,Nd：YAG激光器,N2 激光器,Ar+ 激光器,思 考 題,一、選擇題：,1.,一束激

20、光從空氣入射到角膜組織時(shí)，發(fā) 生折射。入射角為 ，下列選項(xiàng)中哪個(gè)角度 可能是折射角,2.,一生物組織的光漫反照率 ，它的吸收和散射系數(shù)分別為 ，下列哪個(gè)選項(xiàng)是正確的,3.,朗伯定律描述的是由于下列哪一項(xiàng)造成的光強(qiáng)的損失,5.,流式細(xì)胞儀的英文簡(jiǎn)稱是,6.,下列哪一種儀器被人們稱為顯微“CT”,7.,在生物組織中，若吸收系數(shù)和散射系數(shù)相等，則光漫反照射率 a =（