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1、第8章 激光在医学中的应用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19
2、72年首先将这种物质用于光动力学治疗。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。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。由于诊断和治疗在本质上都是利用激光与生物体的相互作用，因此，有必要首先对这些基础进行介绍。在8.1节中归纳介绍了生物体的光学特性、激光对生物体的作用、激光在生物体
3、中的应用特点等内容；然后在8.2节中通过典型的治疗应用实例，介绍了激光在外科、皮肤科、整形外科、眼科、泌尿外科、耳鼻喉科等领域中的治疗和光动力学治疗等；在8.3节中重点围绕诊断中的应用，介绍了生物体光谱测量、激光计算机断层摄影（光学CT）、激光显微镜等。在8.4节中，对激光在医学中的应用的激光装置与激光转播路线的开发动向进行介绍。最后8.5节对激光医学的前景作了展望。8.1 激光与生物体的相互作用8.1.1 生物体的光学特性假设生物体中入射的单色平行光强度为，若生物体是均匀的吸收物质，根据1.5节证明的(1-89)式,入射深度为处的光强度可用下述关系式表示 (8-1)其中为吸收系数（参见图8.
4、1）。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，上式可用衰减系数和散射系数改写为 (8-2) (8-3)进一步再考虑生物体表面的光反射的损失。若反射率为（可由菲涅耳公式计算） ，则式（8-1）和式（8-2）的右边应乘以。后面将会论述，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8-1 生物体中的光衰减图8-2 生物体中散射光的特性如图8-2（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
5、性散射参数来描述，时为纯向后散射（散射角180），时为纯向前散射（散射角为0），时表示各向同性散射。一般在生物体组织中，显示出很强的前向散射特性。但是如图8-2（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8-3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，如式（8-2）及式（8-3）所示的简单描述只能在限定的条件下使用。图8-3 生物体与光的各种相互作用的示意图 生物体的主成分是水，此外还有蛋白质、
6、脂肪、无机质等皮肤、肌肉、内脏的软组织（soft tissue）中的水分，水总共占生物体重量的大约70。水对红外光有着很强的吸收带，因此，若在这些软组织上照射红外光，可以高效地把光能转换成热量。在生物体中除了水以外的典型的光吸收体，有血液内红血球中的血红蛋白。血红蛋白有被氧化的状态与未被氧化的状态，这两种状态的吸收光谱是相同的。不论哪种场合，在600nm以下的波长带中吸收都增大。蛋白质在紫外域上表现很强的吸收，汇总这些特性，用图8-447表示。由图8-4可知，在7001500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。光受到散射的同时也能到达组织的比较深处。光到达组织的
7、深度称为光穿透深度（optical penetration depth）,由光的强度衰减到入射光强度的时的深度来定义。根据式（8-2），光穿透深度应为。图8-5所示的是软组织中各种激光波长的光穿透深度的大致数量。光穿透深度在近红外附近较深，在3m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（hard tissue）中，蓝绿色波长的穿透深度深。图8-4 软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系1图8-5 软组织中各种激光的穿透深度的大致数量8.1.2 激光对生物体的作用激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有
8、四方面的作用，即热力作用（thermal action）、机电作用（electro-mechanical action）、激光消融作用（photoablative action）和光化学作用（photochemical action）。作为一个典型的实例，光被组织吸收后发生热，就对生物体起到光热作用。在软组织上照射激光，在图8-5上所显示的光穿透深度范围内，光能被吸收转换成热量。激光照射强度(W/cm2)与吸收系数（cm-1）的积表示组织表面的加热速度（W/cm3）。若加热速度远远高于蒸发组织所需的速度，则组织被很快消融汽化（ablation）。用193nmArF准分子激光和2.94m Er：
9、YAG激光照射，其加热速度能引起组织的充分消融,光穿透深度1m左右的组织层迅速被加热、汽化，因此亚微米级的精密的组织切除成为可能。另外，为在短时间内照射得到深度的消融，则应选择光穿透深度比较深的波长。光穿透深度20m的CO2激光适合于此。但是若吸收系数过小，光穿透深度过大时，光能分散到空间，对汽化不利。1.06的Nd：YAG激光器不适用于软组织的汽化，就是这个原因所致。Nd：YAG 激光器大多用于凝固（coagulation），是因为蛋白质在较低温度（6070）下受热凝固。另外，只要加热能够充分破坏组织，即使是加热不能够引起组织的充分汽化，把组织放在此处也可以使其坏死。设想利用一个中等功率激光
10、的热效应，瞬间能在组织中产生2001000左右的温度升高，使组织和细胞受到严重的破坏。加上光斑处的能量密度所能产生的机械压力，对蛋白质、水组成的组织在受到高温后迅速膨胀和汽化，使机体组织相互分离。而且，当聚焦的激光束被组织吸收时，瞬间产生组织凝结并在瞬间烧灼、炭化和汽化。因此，当光束以一定的速度移动时，就能连续地切开组织。在切割的同时，小血管被凝固，这样就能够减少出血。一般来说，功率密度为105W/cm2-106W/cm2的时候，已经能使各种硬质难溶的金属和非金属（如陶瓷）熔化或者汽化。当然也足以使生物体的各病变部分（如肿瘤、疣、痔等）迅速汽化或炭化。激光的热效应是医学上使用最广泛而且最早被人
11、们认识的激光组织效应之一。机械效应在医学上较多用于泌尿道或胆道结石的粉碎上。采用脉冲激光，使结石表面有非常高的能量密度，产生自由排列的电子列，并组成“浆”气泡。这些气泡不断扩大，造成结石亚结构的变化，最后使其裂解而将结石碎裂。光化学效应是基于一种选择性的、光激发的特殊药物，在激光的激发下转化成一种毒性成分，在细胞内产生单氧态，造成细胞产生毒性的代谢产物而死亡，而单态氧的作用机理则是产生氧自由基和过氧化物，对细胞的结构如DNA和线粒体起杀伤作用。激光由于其能量和特殊的波长，是激发这种药物的理想光源。此外，激光还有组织的焊接作用效应，激光将相邻组织连接起来需要把组织加热到70左右，在这个温度范围内
12、，组织内胶原的变化引发组织的物理特性改变，组织粘度增加。事实上激光的焊接效应是利用聚焦的激光，对组织器官的结构进行对接和重建。这个能量产生了胶原的交互形的凝结，而对周围组织的损伤减少到最小。另外，各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。8.1.3激光对生物体应用的优点在很多情况下，激光可以通过细软的光导纤维传送，因此使得激光在生物体深部的传导成为可能。临床上应用的激光，从使用简单的二氧化碳激光进行非接触性切割代替手术刀去除表浅的组织，到使用精确的激发二聚体激光（3
13、08nm紫外光源）作角膜塑形，以及一直到闪烁泵染料激光（Flash lamp pumped dye laser）来闭合胎记的小血管使其达到消退的作用。总之，对生物体应用激光的优点有以下四个方面：首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。人们习惯把对生物体的某种伤害叫做侵袭。光对生物体一般无侵袭或低侵袭，这只要通过光与放射光线的对比就能很好理解。其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地作用于生物体，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；第三，利用激光的高度的方向性，将其汇聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能
14、。激光的单色性和高能量的可利用性是普通光所不能相比的。最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需要今后开发更加多种多样的新的应用。8.2激光在临床治疗中的应用8.2.1 激光临床治疗的种类与现状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光热作用、压电作用和光化学作用。但是，在实际上，无论哪种治疗，不一定只利用单一作用。例如在利用紫外激光的烧灼时，主要起作用的是光热作用，但在光子能切断组织的分子结构时，光化学作用也参与其中。此时，在该烧灼治疗中光热和光化学都起作用。激光在聚
15、焦平面上的光点最小，激光能量最集中。激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高度集中，人们把它当作手术刀用来切割组织。如二氧化碳连续波的激光器，不仅能够切开皮肤、脂肪、肌肉、筋膜、软骨，在20秒之内还可以切开肋骨。激光光点处巨大的能量和很高的温度在切开的同时能够封闭凝结暴露于切口边缘的小血管。由于激光的光点极小，所以切缘是锐利的，对于周围组织的破坏很小。尽管激光器产生的功率密度很高，但是由于光点极小，而且作用的时间往往也极短，故以周围区域作为散热器能使受热面积迅速冷却。激光手术刀切割组织的深度与宽度和激光器输出功率的大小、波长及移动光束的快慢有关。二氧化碳激光易被水分吸收，而水分可以有效地散热，可以使激光切口以外的组织不受侵袭。此外，激光的高温还起了杀菌的作用。高功率输出的二氧化碳激光，光点具有200摄氏度以上的高温和一定的压强，不但能熔融而且具有极强的穿透破坏作用。机体皮肤粘膜的表浅病变以及经过手术暴露的深部肿瘤，经过短暂的照射治疗，病变的表层立即汽化消失，周围的健康组织界限清楚，反复的汽化融解，可使大块的实体组织蒸发消融。激光的光点聚焦后异常细小的组织可以极精确地消除。对于病变组织面积较大的部位，也可分期治疗。机体某些含色素较深的组织如黑色素瘤、疣状
