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1、激光原理与应用,本章主要内容：,1. 激光与生物体的相互作用2. 激光在临床治疗中的应用3. 激光在生物体检测及诊断中的应用4. 医用激光设备激光应用于医学的未来,激光技术应用于医学诊断和治疗在本质上是利用激光与生物体的相互作用。,1. 假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的吸收物质，那么入射深度为x处的光强度I为：,8.1.1 生物体的光学特性,在不能忽略散射的条件下，上式可用衰减系数at改写为：,图8-1 生物体中的光衰减特性,其中：,2. 如图8-3所示为光与生物体各种相互作用的示意图：,8.1.1 生物体的光学特性,图8-3 生物体与光的各种相互作用的示意图,3. 由
2、图8-4可知，在7001500nm 范围的红外光谱带上吸收比较少，该光谱带称为生物体光谱学之窗。,图8-4 软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系,4. 光渗透长度在近红外附近较大，在3m以上的红外域或300nm以下的紫外域中较小。 组织的种类不同，光渗透长度对波长的依赖性也变化。,8.1.1 生物体的光学特性,图8-5 软组织中各种激光的穿透深度,1. 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
3、光化学作用(photochemical action)。,8.1.2 激光对生物体的作用,2. 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,1. 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；,2. 在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，既可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；,3. 利用激光的高度的方向性，将其会聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测
4、定成为可能；,4. 激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。,小结：,激光对于受照射组织的作用主要包括：即热力作用、 机电作用、激光消融作用、光化学作用。,生物体光谱学之窗：700nm1500nm。,1. 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。,8.2.1 激光临床治疗的种类与现状,2. 激光在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，同时激光的高温还起了杀菌的作用。,激光治疗是适当地调整照射
5、条件,在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。在波长选择上，必须考虑病变细胞的吸收系数与皮肤组织光穿透深度两个因素。,8.2.2 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用,图8-6 皮肤的断面构造示意图,8.2.3 激光在眼科中的应用,图8-7 眼的构造,图8-8 眼睛中光的聚光特性示意图,8.2.3 激光在眼科中的应用,图8-9激光角膜手术的示意图,治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折光率（矫正）的过程。光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nm ArF准分子激光器。由于该波长的激光穿透深度浅，所以容易实现精密切割。,8.2.4 激光在泌尿外科中的应用,8.2.5
6、激光在耳鼻喉科中的应用,8.2.6 最新的技术间质激光光凝术,借助光导纤维将激光能量传递至组织表面或内部，利用激光对组织产生的热力作用或消融作用来实现。,某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性， 因此给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗（PDT）或光化学治疗（PCT）。,8.2.7 光动力学治疗,图8-11 光敏感物质(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光谱,小结：,准分子激光用于治疗近视是利用了该波长穿透深度浅，所以容易实现精密切割的特点。,激光应用于皮肤及整形外科时，在波长选择上必须考虑病变细胞的吸收系数与皮肤组织光穿透深
7、度两个因素。,1. 利用近红外光谱的代谢功能测量,8.3.1 利用激光的生物体光谱测量及诊断,如图8-13所示，血红蛋白被氧化的状态(oxy-Hb)与脱氧化的状态(deoxy-Hb)的吸收光谱具有微妙差别。 在600800nm范围氧化血红蛋白的吸收小而呈鲜红色，而在800nm以上脱氧化血红蛋白的吸收小。,图8-13 血红蛋白的吸收光谱,2. 利用荧光光谱确定病变部位,8.3.1 利用激光的生物体光谱测量及诊断,在生物体组织上照射激光时病变部位显示特有的荧光，根据此荧光就能确定病变部位。 如图8-14所示，采用NPe6做光敏感性物质，在664nm激光的激发下能够产生670nm的荧光。,图8-14
8、 光敏感性物质NPe6的吸收光谱与荧光光谱,8.3.2 激光断层摄影,（1）X射线CT围绕人体旋转小型X射线源，由检测器阵列测定X射线透射量后进行数字化，再对这些数据以特定的算法（CT算法）利用计算机求解后构成断层像（tomography）。（2）图8-15中透射光中包含着三种不同的光线，一种是受到散射后向任意方向散射的成分；第二种是具有较小的散射角且向前传播的成分；第三种是向前透射直线传播的成分。,图8-15 透过生物体（散射介质）中的光示意图,8.3.2 激光断层摄影,（3）其关键在于如何将直线传播的透射光选择出来并进行高灵敏的检测。,图8-16 利用外差法的光学CT检测的实验装置,利用直
9、线传播光比其他成分的光能够更快递到达检测器利用空间滤波器选择识别指向性高的直线传播光线成分利用外差探测法,1. 激光共焦显微镜,8.3.3 激光显微镜,（1）图8-19所示为透射型激光共焦显微镜的原理图。,图8-19 激光共焦显微镜的原理图,（2）图8-20所示为反射型激光共焦显微镜的原理图，实际使用中多采用该结构。,图8-20 反射型激光共焦显微镜的原理图,2. 近场光学显微镜,8.3.3 激光显微镜,图8-21所示的是近场光学显微镜与通常的显微镜的示意图。两者基本结构相似，但近场光学显微镜在离试样表面很近处存在探头，该探头起着实现超分辨率的关键作用。,图8-21近场光学显微镜（a）与通常光
10、学显微镜（b）的示意图,图8-15 透过生物体（散射介质）中的光示意图,小结：,光学CT是利用下图中哪中光线进行断层扫描成像的？,8.4.1 医用激光光源,表8-1 一般医用激光器及其用途,1. 光纤（实心光纤）,8.4.2 医用激光传播用光纤,医用激光的光束直径通常是数十至数百微米，因此一般采用多模光纤。激光以很小的光束直径聚光时，功率密度过高会引起光纤材料的损伤。,图8-22 石英玻璃光纤的损失光谱,2. 空心光纤,8.4.2 医用激光传播用光纤,空心光纤是用空气（或气体）作为芯的细管状的纤维，激光在这种管内壁上边反射边传播。这种空心光纤除了光纤端部以外几乎没有反射损失，因而能得到很高的传播效率。,图8-23 空心光纤的结构,小结：,相对于普通的实心光纤，空心光纤更容易实现较大功率激光的传输，而且能够提供更宽的波长适用性。,目前最新的进展主要集中在间质激光凝固法和间质的光动力学治疗研究中，同时激光美容技术正进入蓬勃发展时期。,8.5.1 医用激光新技术,8.5.2 光动力学治疗的前景,光动力学治疗法具备了许多潜在的治疗靶器官的功能，但其作用机理还未被完全解释清楚，临床应用尚处起步阶段。,