1,激光在生物醫(yī)學中的應用,2,我們怕什么呀？,早起，買地溝油炸油條,切個蘇丹紅咸蛋,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，吃個硫磺饅頭。飯后地攤買本盜版小說，晚上鉆進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。水對紅外光有著很強的吸收帶，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。不論哪種場合，在600nm以下的波長帶中吸收都增大。蛋白質(zhì)在紫外域上表現(xiàn)很強的吸收.,5,在7001500nm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之窗。,6,光到達組織的深度稱為光穿透深度,由光的強度I衰減到入射光強度 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3m以上的紅外域或300nm以下的紫外域中較淺。組織的種類不同，光穿透深度對波長的依賴性也變化。例如牙齒、骨等硬組織中，藍綠色波長的穿透深度深。,7,激光對生物體的作用,激光的熱效應是醫(yī)學上使用最廣泛而且最早被人們認識的激光組織效應之一。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。設想利用一個中等功率激光的熱效應，瞬間能在組織中產(chǎn)生2001000左右的溫度升高，使組織和細胞受到嚴重的破壞。加上光斑處的能量密度所能產(chǎn)生的機械壓力，對蛋白質(zhì)、水組成的組織在受到高溫后迅速膨脹和汽化，使機體組織相互分離。而且，當聚焦的激光束被組織吸收時，瞬間產(chǎn)生組織凝結并在瞬間燒灼、炭化和汽化。因此，當光束以一定的速度移動時，就能連續(xù)地切開組織。在切割的同時，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,激光的機械效應在醫(yī)學上較多用于泌尿道或膽道結石的粉碎上。采用脈沖激光，使結石表面有非常高的能量密度，最后使其裂解而將結石碎裂。 此外，激光還有組織的焊接作用效應，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。事實上激光的焊接效應是利用聚焦的激光，對組織器官的結構進行對接和重建。這個能量產(chǎn)生了膠原的交互形的凝結，而對周圍組織的損傷減少到最小。 另外，各種不同波長的低功率密度的激光照射生物體時，對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促使炎癥吸收好轉(zhuǎn)。,百歲鐵丹激光治療儀,9,激光對生物體應用的優(yōu)點,首先，人們?nèi)粘９ぷ魃钤诒憩F(xiàn)為光的電磁場中，除特殊情況外光對生物體的害處是很少的。光對生物體一般無侵襲或低侵襲。其次，在醫(yī)學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，又可以利用光導纖維將激光導入到生物體的深部；第三，利用激光的高度的方向性，將其匯聚成極小的點，使微觀的、精細的治療和高空間分辨率的測定成為可能。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用。,10,激光在眼科治療中的應用,治療近視是利用燒蝕對角膜表面進行精密加工，控制折光率（矯正）的過程。眼睛對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，因而只對角膜作手術可以有效地矯正近視。近視本身一般不認為是疾病，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。,11,激光在眼科治療中的應用,光源一般采用能得到高質(zhì)量燒蝕表面的193nm ArF準分子激光器。該波長光穿透深度淺且可精密燒蝕。又因光子能量大，所以同時存在光化學作用，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。在實際治療中，先進行角膜形狀的測定，確定燒蝕量后進行激光照射。這種治療方法不僅應用于近視、遠視和散光的矯正，還應用于角膜疾病的治療。,激光近視手術是怎樣一個過程？,12,激光在泌尿外科治療中的應用,良性前列腺增生(BPH)是一種僅在老年男性中普遍發(fā)生，以進行性排尿困難為特征的疾病，其發(fā)病率隨年齡的增長而明顯上升，近50年來，經(jīng)尿道前列腺切除術(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“黃金標準”，但是它有18的并發(fā)癥的發(fā)生率，并且費用高昂。因此，目前的有關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，半導體二極管激光和Ho：YAG激光都可用來治療BPH。激光對腺體的作用包括凝固和汽化兩種完全不同的效應。凝固時，到達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到治療效果。而在汽化時，組織能夠到達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。能量效應取決于激光波長、能量密度和照射時間。,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，使用特殊的光導纖維，通過反復、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，而且組織不會發(fā)生腐爛現(xiàn)象。Nd：YAG激光和半導體二極管激光是這種方法的光源。該技術的優(yōu)點是治療的部位能夠進行精確的控制，在治療的同時能夠保護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。其主要的機制可能是通過熱力作用而產(chǎn)生的。激光能量加熱了光導纖維頭端的水分，產(chǎn)生了氣泡,迅速爆裂的氣泡產(chǎn)生的震波擊碎結石。由于鈥激光的能量是通過最表層的0.5mm吸收的，將光導纖維的頭端精確地對準結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石，碎石的成功率大于90。同時，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)結石,15,激光在皮膚科治療中的應用,為了有選擇地破壞病變細胞（色素），必須利用吸收系數(shù)大的波長的激光。血紅蛋白被氧化時在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，必須考慮皮膚組織的光穿透深度。在波長的選擇上，必須考慮病變細胞的吸收系數(shù)與皮膚組織光穿透深度兩個因素。例如，血紅蛋白的情況，吸收強度在418nm附近時最大，但考慮光穿透深度后多半利用577nm或者根據(jù)情況采用波長更長的激光。此外，激光照射時間（脈寬）也是重要的參數(shù)。即使激光在病變細胞中有選擇性地被吸收，若照射時間長，由于熱擴散而周圍組織受到熱影響。因此導入了利用比熱擴散時間（熱衰減時間）短的時間進行激光照射的概念。例如黑素體的熱衰減時間為1s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，對血管壁不起作用。 這樣，因為使用短脈沖激光器減小了對正常組織的影響，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會發(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)學中的其他應用,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生物體的光熱作用、壓電作用和光化學作用。但是，在實際上，無論哪種治療，不一定只利用單一作用。,17,激光在醫(yī)學中的其他應用-激光手術刀,激光在聚焦平面上的光點最小，激光能量最集中。激光束經(jīng)聚焦后形成極小的光點，由于能量或功率的高度集中，人們把它當作手術刀用來切割組織。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。激光光點處巨大的能量和很高的溫度在切開的同時能夠封閉凝結暴露于切口邊緣的小血管。由于激光的光點極小，所以切緣是銳利的，對于周圍組織的破壞很小。,激光手術刀,18,激光止血效果也很令人滿意，激光止血方法比目前所應用的電烙法快60倍，可使失血量大大減少。動物試驗證明，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，也能達到同樣快速的止血。 激光是非?？煽康酿ぶぞ?，眼科利用激光凝結視網(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是，照射后溫度升高局限于照射區(qū)內(nèi)，不引起擴散性熱傷害。二氧化碳激光凝結可引起結疤、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)學中的其他應用-激光止血、焊接,19,激光在醫(yī)學中的其他應用,與激光聚焦形成細小的光點治療相反，臨床上還可應用激光的散射來進行治療。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、消腫和促進創(chuàng)面愈合等作用。而且氦氖激光具有無痛感的特點。離焦或者散焦照射治療，對于神經(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用-光學CT,作為典型的生物體斷層成像手段，X射線CT（computed tomography）已被實用化。X射線CT圍繞人體旋轉(zhuǎn)小型X射線源，由檢測器陣列測定X射線透射量后進行數(shù)字化，再對這些數(shù)據(jù)以特定的算法（CT算法）利用計算機求解后構成斷層像（tomography）。若利用組織穿透深度較深的波長段的光來代替X射線，以同樣的方法也可得到斷層信息。這種方法（光CT）以無侵襲地實現(xiàn)生理學、生化學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)會被擴散掉。散射光沒有確定的光路，得到的信號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點入射到生物體內(nèi)，在點B上觀察透射光，此時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。為了實現(xiàn)光學CT必須檢測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檢測器的高速時間分解法（時間選通法），它是組合皮秒或飛秒超短脈沖激光與高速掃描照相機來實現(xiàn)的。 另外，還可用空間濾波器，在空間上只選擇識別指向性高的直線傳播光成分的方法。,