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1,激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,,2,我們怕什么呀？,早起，買地溝油炸油條,切個(gè)蘇丹紅咸蛋,沖杯三聚氰氨奶，上班。中午，在食堂要一瘦肉精豬肉吃炒農(nóng)藥韭菜和雙匯香腸，來碗翻新陳米飯，泡壺香精茶葉。下班，買條避孕藥魚，尿素豆芽，膨大西紅柿，開瓶甲醇酒，吃個(gè)硫磺饅頭。飯后地?cái)傎I本盜版小說，晚上鉆進(jìn)黑心棉被窩美美的睡上。,,,,3,激光在醫(yī)療中的用途,4,生物體的主成分是水，此外還有蛋白質(zhì)、脂肪、無機(jī)質(zhì)等皮膚、肌肉、內(nèi)臟的軟組織（soft tissue）中的水分，水總共占生物體重量的大約70％。水對(duì)紅外光有著很強(qiáng)的吸收帶，因此，若在這些軟組織上照射紅外光，可以高效地把光能轉(zhuǎn)換成熱量。在生物體中除了水以外的典型的光吸收體，有血液內(nèi)紅血球中的血紅蛋白。血紅蛋白有被氧化的狀態(tài)與未被氧化的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的吸收光譜是相同的。不論哪種場(chǎng)合，在600nm以下的波長(zhǎng)帶中吸收都增大。蛋白質(zhì)在紫外域上表現(xiàn)很強(qiáng)的吸收.,5,在700～1500nm范圍的紅外光譜帶上吸收比較少，因此該光譜帶稱為生物體光譜學(xué)之窗。,6,光到達(dá)組織的深度稱為光穿透深度,由光的強(qiáng)度I衰減到入射光強(qiáng)度 I0的1/e的深度來定義,軟組織中，光穿透深度在近紅外附近較深，在3μm以上的紅外域或300nm以下的紫外域中較淺。組織的種類不同，光穿透深度對(duì)波長(zhǎng)的依賴性也變化。例如牙齒、骨等硬組織中，藍(lán)綠色波長(zhǎng)的穿透深度深。,7,激光對(duì)生物體的作用,激光的熱效應(yīng)是醫(yī)學(xué)上使用最廣泛而且最早被人們認(rèn)識(shí)的激光組織效應(yīng)之一。只要加熱能夠充分破壞組織，即使是加熱不能夠引起組織的充分汽化，把組織放在此處也可以使其壞死。設(shè)想利用一個(gè)中等功率激光的熱效應(yīng)，瞬間能在組織中產(chǎn)生200～1000℃左右的溫度升高，使組織和細(xì)胞受到嚴(yán)重的破壞。加上光斑處的能量密度所能產(chǎn)生的機(jī)械壓力，對(duì)蛋白質(zhì)、水組成的組織在受到高溫后迅速膨脹和汽化，使機(jī)體組織相互分離。而且，當(dāng)聚焦的激光束被組織吸收時(shí)，瞬間產(chǎn)生組織凝結(jié)并在瞬間燒灼、炭化和汽化。因此，當(dāng)光束以一定的速度移動(dòng)時(shí)，就能連續(xù)地切開組織。在切割的同時(shí)，小血管被凝固，這樣就能夠減少出血。一般來說，功率密度為105W/cm2-106W/cm2的時(shí)候，已經(jīng)能使各種硬質(zhì)難溶的金屬和非金屬（如陶瓷）熔化或者汽化。當(dāng)然也足以使生物體的各病變部分（如腫瘤、疣、痔等）迅速汽化或炭化。,8,激光的機(jī)械效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上較多用于泌尿道或膽道結(jié)石的粉碎上。采用脈沖激光，使結(jié)石表面有非常高的能量密度，最后使其裂解而將結(jié)石碎裂。 此外，激光還有組織的焊接作用效應(yīng)，激光將相鄰組織連接起來需要把組織加熱到70℃左右，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，組織內(nèi)膠原的變化引發(fā)組織的物理特性改變，組織粘度增加。事實(shí)上激光的焊接效應(yīng)是利用聚焦的激光，對(duì)組織器官的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接和重建。這個(gè)能量產(chǎn)生了膠原的交互形的凝結(jié)，而對(duì)周圍組織的損傷減少到最小。 另外，各種不同波長(zhǎng)的低功率密度的激光照射生物體時(shí)，對(duì)生物體的刺激作用和提高非特異性免疫功能，可使局部血管擴(kuò)張，血液循環(huán)改變，改善組織的缺氧狀態(tài)并減輕慢性炎癥反應(yīng)促使炎癥吸收好轉(zhuǎn)。,百歲鐵丹激光治療儀,9,激光對(duì)生物體應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn),首先，人們?nèi)粘９ぷ魃钤诒憩F(xiàn)為光的電磁場(chǎng)中，除特殊情況外光對(duì)生物體的害處是很少的。光對(duì)生物體一般無侵襲或低侵襲。其次，在醫(yī)學(xué)上利用激光在大氣中直線傳播的特性，可以非接觸地作用于生物體，又可以利用光導(dǎo)纖維將激光導(dǎo)入到生物體的深部；第三，利用激光的高度的方向性，將其匯聚成極小的點(diǎn)，使微觀的、精細(xì)的治療和高空間分辨率的測(cè)定成為可能。激光的單色性和高能量的可利用性是普通光所不能相比的。最后，光與生物體進(jìn)行著極其多種多樣的相互作用，至今被利用的還只是很少的一部分，還需要今后開發(fā)更加多種多樣的新的應(yīng)用。,10,激光在眼科治療中的應(yīng)用,治療近視是利用燒蝕對(duì)角膜表面進(jìn)行精密加工，控制折光率（矯正）的過程。眼睛對(duì)光的折射由角膜與晶狀體完成，角膜折射作用比晶狀體要大，因而只對(duì)角膜作手術(shù)可以有效地矯正近視。近視本身一般不認(rèn)為是疾病，但用眼鏡或隱形眼鏡所矯正不了的重度近視的情況，需要做這種角膜手術(shù)。,11,激光在眼科治療中的應(yīng)用,光源一般采用能得到高質(zhì)量燒蝕表面的193nm ArF準(zhǔn)分子激光器。該波長(zhǎng)光穿透深度淺且可精密燒蝕。又因光子能量大，所以同時(shí)存在光化學(xué)作用，可保證獲得銳利整齊的切口，且切口邊緣的熱損傷最小。 所采用的照射方法有兩種：強(qiáng)度分布均勻的大口徑光束掃描切削和可變小口徑光束的光斑切削。在實(shí)際治療中，先進(jìn)行角膜形狀的測(cè)定，確定燒蝕量后進(jìn)行激光照射。這種治療方法不僅應(yīng)用于近視、遠(yuǎn)視和散光的矯正，還應(yīng)用于角膜疾病的治療。,激光近視手術(shù)是怎樣一個(gè)過程？,12,激光在泌尿外科治療中的應(yīng)用,良性前列腺增生(BPH)是一種僅在老年男性中普遍發(fā)生，以進(jìn)行性排尿困難為特征的疾病，其發(fā)病率隨年齡的增長(zhǎng)而明顯上升，近50年來，經(jīng)尿道前列腺切除術(shù)(TURP )幾乎是唯一的治療選擇，其療效高（80%以上有效）、死亡率低（0.2%）。 盡管TURP仍是治療BPH的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，但是它有18％的并發(fā)癥的發(fā)生率，并且費(fèi)用高昂。因此，目前的有關(guān)良性前列腺增生癥的研究集中在藥物治療以及微創(chuàng)手術(shù)的研究。后者（包括激光、微波、超聲）的基本原則是使用熱力破壞前列腺的腺體。最常用的激光是Nd：YAG激光，半導(dǎo)體二極管激光和Ho：YAG激光都可用來治療BPH。激光對(duì)腺體的作用包括凝固和汽化兩種完全不同的效應(yīng)。凝固時(shí)，到達(dá)100℃的高溫的蛋白質(zhì)組織變性和壞死。前列腺腺體逐漸有腐肉形成而達(dá)到治療效果。而在汽化時(shí)，組織能夠到達(dá)300℃的高溫，組織中的水分發(fā)生汽化，造成照射區(qū)瞬間的變化。能量效應(yīng)取決于激光波長(zhǎng)、能量密度和照射時(shí)間。,前列腺綠激光治療，男性朋友的福音,13,激光治療前列腺增生時(shí)，使用特殊的光導(dǎo)纖維，通過反復(fù)、直接地刺入前列腺，照射后能夠產(chǎn)生大范圍的凝固性的壞死,隨后,前列腺組織萎縮，而且組織不會(huì)發(fā)生腐爛現(xiàn)象。Nd：YAG激光和半導(dǎo)體二極管激光是這種方法的光源。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是治療的部位能夠進(jìn)行精確的控制，在治療的同時(shí)能夠保護(hù)泌尿道粘膜不受損傷，減少了尿路刺激癥狀和尿路感染。,綠激光前列腺汽化,14,激光治療泌尿系統(tǒng)結(jié)石,Ho：YAG激光是最近發(fā)展起來的一種碎石方法。其主要的機(jī)制可能是通過熱力作用而產(chǎn)生的。激光能量加熱了光導(dǎo)纖維頭端的水分，產(chǎn)生了氣泡,迅速爆裂的氣泡產(chǎn)生的震波擊碎結(jié)石。由于鈥激光的能量是通過最表層的0.5mm吸收的，將光導(dǎo)纖維的頭端精確地對(duì)準(zhǔn)結(jié)石就能防止泌尿道粘膜的損傷。使用鈥激光能夠碎裂各種成分的結(jié)石，碎石的成功率大于90％。同時(shí)，Ho：YAG激光產(chǎn)生的碎片比其他的方法要小。,鈥激光治療泌尿系統(tǒng)結(jié)石,15,激光在皮膚科治療中的應(yīng)用,為了有選擇地破壞病變細(xì)胞（色素），必須利用吸收系數(shù)大的波長(zhǎng)的激光。血紅蛋白被氧化時(shí)在418nm、542nm、577nm波段具有吸收峰值，而黑色素是在短波段中吸收被增大。病變部位在組織深處時(shí)，必須考慮皮膚組織的光穿透深度。在波長(zhǎng)的選擇上，必須考慮病變細(xì)胞的吸收系數(shù)與皮膚組織光穿透深度兩個(gè)因素。例如，血紅蛋白的情況，吸收強(qiáng)度在418nm附近時(shí)最大，但考慮光穿透深度后多半利用577nm或者根據(jù)情況采用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的激光。此外，激光照射時(shí)間（脈寬）也是重要的參數(shù)。即使激光在病變細(xì)胞中有選擇性地被吸收，若照射時(shí)間長(zhǎng)，由于熱擴(kuò)散而周圍組織受到熱影響。因此導(dǎo)入了利用比熱擴(kuò)散時(shí)間（熱衰減時(shí)間）短的時(shí)間進(jìn)行激光照射的概念。例如黑素體的熱衰減時(shí)間為1μs左右，因此要破壞它，根據(jù)病變部位的深度采用脈沖寬為數(shù)納秒至100ns的紅寶石激光器（694nm）、金綠寶石激光器（755nm）、Nd：YAG激光器（1064nm）等的各種Q開關(guān)固體激光器或脈沖染料激光器。但這并不說明脈寬愈短愈好。治療血管瘤的時(shí)候，有必要使血管壁也受熱變形，但吸收主體為紅血球（血紅蛋白），因此，若脈寬太短則只破壞紅血球，對(duì)血管壁不起作用。 這樣，因?yàn)槭褂枚堂}沖激光器減小了對(duì)正常組織的影響，從而能做到不留疤痕的痣治療。但是用高峰值功率激光器照射時(shí)會(huì)發(fā)生沖擊波，必須注意選擇好照射條件，防止發(fā)生皮下出血和水腫。,16,激光在醫(yī)學(xué)中的其他應(yīng)用,臨床上激光的用途不外乎切割、分離；汽化、融解；燒灼、止血；凝固、封閉；壓電碎石；局部照射等，這些治療種類就是利用激光對(duì)生物體的光熱作用、壓電作用和光化學(xué)作用。但是，在實(shí)際上，無論哪種治療，不一定只利用單一作用。,17,激光在醫(yī)學(xué)中的其他應(yīng)用-激光手術(shù)刀,激光在聚焦平面上的光點(diǎn)最小，激光能量最集中。激光束經(jīng)聚焦后形成極小的光點(diǎn)，由于能量或功率的高度集中，人們把它當(dāng)作手術(shù)刀用來切割組織。如二氧化碳連續(xù)波的激光器，不僅能夠切開皮膚、脂肪、肌肉、筋膜、軟骨，在20秒之內(nèi)還可以切開肋骨。激光光點(diǎn)處巨大的能量和很高的溫度在切開的同時(shí)能夠封閉凝結(jié)暴露于切口邊緣的小血管。由于激光的光點(diǎn)極小，所以切緣是銳利的，對(duì)于周圍組織的破壞很小。,激光手術(shù)刀,18,激光止血效果也很令人滿意，激光止血方法比目前所應(yīng)用的電烙法快60倍，可使失血量大大減少。動(dòng)物試驗(yàn)證明，激光胃鏡可將胃粘膜出血在數(shù)秒內(nèi)止住。在肝臟部分切除或者肝外傷試用激光治療，也能達(dá)到同樣快速的止血。 激光是非常可靠的黏著工具，眼科利用激光凝結(jié)視網(wǎng)膜剝離癥和眼內(nèi)封閉止血已經(jīng)有幾十年的歷史。激光用于眼科的臨床特點(diǎn)是，照射后溫度升高局限于照射區(qū)內(nèi)，不引起擴(kuò)散性熱傷害。二氧化碳激光凝結(jié)可引起結(jié)疤、血管和淋巴管的封閉和阻塞，還可以引起組織萎縮。,激光在醫(yī)學(xué)中的其他應(yīng)用-激光止血、焊接,19,激光在醫(yī)學(xué)中的其他應(yīng)用,與激光聚焦形成細(xì)小的光點(diǎn)治療相反，臨床上還可應(yīng)用激光的散射來進(jìn)行治療。如二氧化碳激光連續(xù)波散射可治療下肢潰瘍、慢性鼻炎和副鼻竇炎；氦氖激光散射治療具有的止癢、鎮(zhèn)痛、消腫和促進(jìn)創(chuàng)面愈合等作用。而且氦氖激光具有無痛感的特點(diǎn)。離焦或者散焦照射治療，對(duì)于神經(jīng)性皮炎、濕疹、神經(jīng)性水腫、過敏性鼻炎、外傷性腫脹、慢性潰瘍等具有一定的療效。,20,激光在臨床診斷中的應(yīng)用-光學(xué)CT,作為典型的生物體斷層成像手段，X射線CT（computed tomography）已被實(shí)用化。X射線CT圍繞人體旋轉(zhuǎn)小型X射線源，由檢測(cè)器陣列測(cè)定X射線透射量后進(jìn)行數(shù)字化，再對(duì)這些數(shù)據(jù)以特定的算法（CT算法）利用計(jì)算機(jī)求解后構(gòu)成斷層像（tomography）。若利用組織穿透深度較深的波長(zhǎng)段的光來代替X射線，以同樣的方法也可得到斷層信息。這種方法（光CT）以無侵襲地實(shí)現(xiàn)生理學(xué)、生化學(xué)信息的圖像化而引起廣泛地注意。與X射線在生物體內(nèi)直線傳播不同，由于散射，激光在生物體內(nèi)會(huì)被擴(kuò)散掉。散射光沒有確定的光路，得到的信號(hào)也沒有確定的物理意義，因此從透射光中消除散射的影響是很重要的。,21,光從A點(diǎn)入射到生物體內(nèi)，在點(diǎn)B上觀察透射光，此時(shí)透射光中包含著三種不同的光線，一種是受到散射后向任意方向散射的成分；第二種是具有較小的散射角且向前傳播的成分；第三種是向前透射直線傳播的成分。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)CT必須檢測(cè)出第三種直線傳播的透射成分的光。 一種方法是利用直線傳播光比其他成分的光能更快地到達(dá)檢測(cè)器的高速時(shí)間分解法（時(shí)間選通法），它是組合皮秒或飛秒超短脈沖激光與高速掃描照相機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。 另外，還可用空間濾波器，在空間上只選擇識(shí)別指向性高的直線傳播光成分的方法。,