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1、第4章激光在医学中的应用 激光在医学及医疗领域中的应用，可分为在治疗中的应用与在测定、诊断中的应用两大类。细胞操纵等基础医学和生物学领域中的激光应用也占据着重要的地位，另外还有利用激光微细加工技术制造微型医疗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。利用全息技术的生物体信息记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域，从广义上讲也属于激光在医学中的应用。因此，激光在医学及医疗领域中的应用是非常广泛的，并且今后一定会有更大的发展。本章侧重对激光在治疗与测定、诊断领域的应用进行介绍。41激光与生物体的相互作用411生物体的光学特性1吸收和散射对生物体入射光强度为
2、I0的单色平行光，若生物体是均匀的吸收体，则在入射深度z处的光强度J，由朗伯一贝尔(Lambert-Beer)给出了以下关系式： I=I0 exp(一utx) (41)式中：ut为吸收系数，参考图41。 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，而且散射的影响也很大，因此，式(41)可改写为 I=Ioexp(-utx) (42) ut=u0+us (43)式中：ut为衰减系数；us为散射系数。 若考虑生物体表面的光反射(菲涅耳反射)，其反射率为R，则式(42)变为 图41 朗伯一贝尔曲线 I=(1-R)I0exp(-utx) (44) 如图42(a)所示，单一微粒
3、在所有方向上都有散射。当散射角小于90。时称为向前散射，大于90。时称为向后散射。散射状态与角度的关系可以各向异性散射参数g来描述，g=-1时为纯向后散射(散射角为180。)，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。一般在生物组织中g=08097，显示出强的向前散射性，但是反复多次进行散射(多重散射)时，如图42(b)所示，就形成光在生物体内的扩散(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或激励生物分子感应出荧光和磷光等，并将这些现象用模型的形式表示在图43中。但是，生物体是大小各不相同的组织、器管所组成的不均匀且多
4、成分的系统。因此式(42)及式(43)只在限定的条件下才可以使用。 图42散射光的特性 (a)单一粒子所产生的散射光方向；(b)生物体内光的扩散。 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。 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600hm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44所示。图43生物体与光的相互作用图44软组织上各种物质的吸收 系数和
5、波长的关系 在图44中可以看到，各种组织在700nm1500nm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。 2光渗透长度 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渗透长度，它定义为光强度I衰减到入射光强度I0的1e时的深度，则由式(42)得x=1ut (45) 图45是软组织上各种激光的渗透长度。光渗透长度在近红外附近大，在3pxn以上的远红外域和300nm以下的紫外域中小。而组织种类的不同，也会引起光渗透长度的变化。例如在牙齿、骨骼等硬组织中，蓝、绿色波长带上的渗透长度大。图45软组织上各种激光的渗透长度412激光对生物体的作用 光被组织吸收后产生
6、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ua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294umEr：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106um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：Y
7、AG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(6070*C)下就可产生热变形(凝固)。 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42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43中叙述。 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
8、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。42激光临床治疗421激光治疗的种类 如上所述，激光对生物体的作用有光热作用、光音响作用、光化学作用等，激光治疗就是基于这些作用机理，因此可根据NNN作用机理对激光治疗分类。但是应该注意到不论哪种治疗，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
9、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。这里是以主要作用机理为准进行分类的。 (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
10、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。 (2)光音响治疗：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，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
11、反作用，结石上作用压缩波使结石破碎。 (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
12、低侵袭治疗越来越显示出其重要性。422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 图46是眼球的构造，图47是眼球的成像特性。物体通过角膜和晶状体(起透镜作用)在网膜上形成像，并由视神经读出。激光治疗时入射激光在网膜上以点状聚光，具有很高的能量密度，聚焦光斑照射眼底的疾病部位，加热已脱落的网膜组织，使其黏结(凝固)或进行止血。激光所通过的角膜、晶状体、玻璃体等，其主要成分是水，对可见光，特别是对蓝光、
13、绿光的透射率较高。因此光源多采用5145nm的Ar离子激光器。但是最佳波长的选择与治疗目的、病变部位，特别是组织的深度有关。如血管瘤的直接凝固中采用对血红蛋白质吸收率高的577nm的激光；对脉络膜等眼底深部的治疗采用光渗透长度更长的630nm的激光。在这些治疗中利用了可见光对眼睛的透射系数大的特点，因此要防止这些光意外过量地入射进眼球，否则有损伤网膜的危险。对于大于2um的波长，由于水对光的吸收降低了眼球的透射率，因此这类激光器称为人眼安全激光器，在激光雷达等激光束在大气中传播的场合中应用。图46眼球的构造 图47眼球的成像特性 在图47(a)中，物体在有限远，眼球通过调节(眼球变凸)将像成在
14、视网膜上，从而清晰地观察。在图47(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。 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
15、眼镜来矫正，但对于重度近视，则需要作这种角膜手术，如图48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(PhotorefrActive Keratectomy)和将角膜表面辐射状切开的RK(Radial Keratotomy)，目前以副作用小的：PRK方法为主流。 光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nmArF准分子激光器，该波长的光渗透长度小(图45)且能精密烧蚀，又因光子能量大，所以存在光化学的作用，这也是能得到高质量烧蚀表面的原因之一。为了使照射表面上得到均匀的烧蚀，必须均匀地照射激光，因此采用强度分布均匀的大口径光束或用小口径光束进行二维扫描。在实际治疗中，先进行角膜形状的测定，确定烧蚀量后进行激光照射。这种治疗方法不仅应用于近视、远视和散光的矫正，还应用于角膜疾病的治疗，都已在临床上应用。图4.8 423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
