激光原理與應用講-第八章

1、激光原理與應用講-第八章本章主要內(nèi)容： 1. 激光與生物體的相互作用2. 激光在臨床治療中的應用3. 激光在生物體檢測及診斷中的應用4. 醫(yī)用激光設備激光應用于醫(yī)學的未來激光技術應用于醫(yī)學診斷和治療在本質(zhì)上是利用激光與生物體的相互作用。1. 假設生物體中入射的單色平行光強度為I0。若生物體是均勻的吸收物質(zhì)，那么入射深度為x處的光強度I為：8.1.1 生物體的光學特性在不能忽略散射的條件下，上式可用衰減系數(shù)at改寫為： 圖8-1 生物體中的光衰減特性 其中： 2. 如圖8-3所示為光與生物體各種相互作用的示意圖：8.1.1 生物體的光學特性圖8-3 生物體與光的各種相互作用的示意圖 3. 由圖8

2、-4可知，在7001500nm 范圍的紅外光譜帶上吸收比較少，該光譜帶稱為生物體光譜學之窗。 圖8-4 軟組織上各種物質(zhì)的吸收系數(shù)與波長的關系 4. 光滲透長度在近紅外附近較大，在3m以上的紅外域或300nm以下的紫外域中較小。 組織的種類不同，光滲透長度對波長的依賴性也變化。 8.1.1 生物體的光學特性圖8-5 軟組織中各種激光的穿透深度 1. 激光對生物體的作用是醫(yī)學應用的物理基礎。激光對于受照射的組織有四方面的作用即熱力作用(thermal action)、 機電作用(electro-mechanical action)、激光消融作用(photoablative action)和光化學

3、作用(photochemical action)。 8.1.2 激光對生物體的作用2. 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)。 8.1.3 激光對生物體應用的優(yōu)點1. 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；2. 在醫(yī)學上利用激光在大氣中直線傳播的特性，既可以非接觸地對生物體應用，又可以利用光導纖維將激光導入到生物體的深部；3. 利用激光的高度的方向性，將其會聚成極小的點，使微觀的、精細的治療和高空間分辨率的測定成為可能；4

4、. 激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。小結(jié)：激光對于受照射組織的作用主要包括：即熱力作用、 機電作用、激光消融作用、光化學作用。生物體光譜學之窗：700nm1500nm。1. 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。 8.2.1 激光臨床治療的種類與現(xiàn)狀2. 激光在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，同時激光的高溫還起了殺菌的作用。 激光治療是適當?shù)卣{(diào)整照射條件,在不損壞正常組織的情

5、況下,有選擇地破壞病變組織的治療方法。在波長選擇上，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。8.2.2 激光在皮膚科及整形外科領域中的應用圖8-6 皮膚的斷面構(gòu)造示意圖 8.2.3 激光在眼科中的應用圖8-7 眼的構(gòu)造 圖8-8 眼睛中光的聚光特性示意圖 8.2.3 激光在眼科中的應用圖8-9激光角膜手術的示意圖 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。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。由于該波長的激光穿透深度淺，所以容易實現(xiàn)精密切割。8.2.4 激光在泌尿外科中的應用8.2.5 激光在耳鼻喉科中的應用8.2.6 最新

6、的技術間質(zhì)激光光凝術 借助光導纖維將激光能量傳遞至組織表面或內(nèi)部，利用激光對組織產(chǎn)生的熱力作用或消融作用來實現(xiàn)。 某些光敏感性物質(zhì)具有腫瘤親和性， 因此給癌癥患者靜脈注射這種光敏感性物質(zhì)，經(jīng)一定時間后，在病變部位照射激光?？梢杂羞x擇地破壞癌癥細胞，這種方法稱為光動力治療（PDT）或光化學治療（PCT）。 8.2.7 光動力學治療圖8-11 光敏感物質(zhì)(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光譜小結(jié)：準分子激光用于治療近視是利用了該波長穿透深度淺，所以容易實現(xiàn)精密切割的特點。激光應用于皮膚及整形外科時，在波長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。1. 利用近紅外光譜的代謝功能測量

7、8.3.1 利用激光的生物體光譜測量及診斷 如圖8-13所示，血紅蛋白被氧化的狀態(tài)(oxy-Hb)與脫氧化的狀態(tài)(deoxy-Hb)的吸收光譜具有微妙差別。 在600800nm范圍氧化血紅蛋白的吸收小而呈鮮紅色，而在800nm以上脫氧化血紅蛋白的吸收小。 圖8-13 血紅蛋白的吸收光譜 2. 利用熒光光譜確定病變部位 8.3.1 利用激光的生物體光譜測量及診斷 在生物體組織上照射激光時病變部位顯示特有的熒光，根據(jù)此熒光就能確定病變部位。 如圖8-14所示，采用NPe6做光敏感性物質(zhì)，在664nm激光的激發(fā)下能夠產(chǎn)生670nm的熒光。 圖8-14 光敏感性物質(zhì)NPe6的吸收光譜與熒光光譜 8.3

8、.2 激光斷層攝影（1）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(gòu)成斷層像（tomography）。（2）圖8-15中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。圖8-15 透過生物體（散射介質(zhì)）中的光示意圖 8.3.2 激光斷層攝影（3）其關鍵在于如何將直線傳播的透射光選擇出來并進行高靈敏的檢測。圖8-16 利用外差法的光學CT檢測的實驗裝置 利用直線傳播光比其他成分的光能夠更快遞到達檢測器利用空間濾波器選

9、擇識別指向性高的直線傳播光線成分利用外差探測法 1. 激光共焦顯微鏡 8.3.3 激光顯微鏡（1）圖8-19所示為透射型激光共焦顯微鏡的原理圖。圖8-19 激光共焦顯微鏡的原理圖 （2）圖8-20所示為反射型激光共焦顯微鏡的原理圖，實際使用中多采用該結(jié)構(gòu)。圖8-20 反射型激光共焦顯微鏡的原理圖 2. 近場光學顯微鏡 8.3.3 激光顯微鏡 圖8-21所示的是近場光學顯微鏡與通常的顯微鏡的示意圖。兩者基本結(jié)構(gòu)相似，但近場光學顯微鏡在離試樣表面很近處存在探頭，該探頭起著實現(xiàn)超分辨率的關鍵作用。 圖8-21近場光學顯微鏡（a）與通常光學顯微鏡（b）的示意圖 圖8-15 透過生物體（散射介質(zhì)）中的光

10、示意圖 小結(jié)：光學CT是利用下圖中哪中光線進行斷層掃描成像的？8.4.1 醫(yī)用激光光源波長（nm）激光器種類工作模式用途紫外光193ArF準分子激光器脈沖角膜手術（近視的治療等）可見光488.515Ar離子激光器連續(xù)眼底治療、痣治療511.578Cu蒸氣激光器脈沖痣治療510染料激光器（羅丹明）脈沖痣治療、解釋破碎532倍頻Nd:YAG激光器脈沖一般外科（內(nèi)窺鏡下）570590染料激光器（羅丹明）脈沖痣治療630染料激光器（羅丹明）脈沖、連續(xù)癌光動力學治療法（PDT）632.8He-Ne激光器連續(xù)去痛、血流計620670OPO（光參量振蕩器）脈沖癌光動力學治療法（PDT）650670半導體激光

11、器連續(xù)癌光動力學治療法（PDT）694Cr:Al2O3（紅寶石）激光器脈沖痣治療紅外光780910半導體激光器連續(xù)去痛、腦內(nèi)氧監(jiān)視、一般外科1064Nd:YAG激光器連續(xù)凝固、止血、一般外殼激光燒灼脈沖痣治療2080Ho:YAG激光器脈沖一般外科（內(nèi)窺鏡下）2940Er: YAG激光器脈沖牙科治療10600CO2激光器連續(xù)、脈沖一般外科、心肌梗塞治療表8-1 一般醫(yī)用激光器及其用途1. 光纖（實心光纖） 8.4.2 醫(yī)用激光傳播用光纖 醫(yī)用激光的光束直徑通常是數(shù)十至數(shù)百微米，因此一般采用多模光纖。激光以很小的光束直徑聚光時，功率密度過高會引起光纖材料的損傷。圖8-22 石英玻璃光纖的損失光譜 2. 空心光纖 8.4.2 醫(yī)用激光傳播用光纖 空心光纖是用空氣（或氣體）作為芯的細管狀的纖維，激光在這種管內(nèi)壁上邊反射邊傳播。這種空心光纖除了光纖端部以外幾乎沒有反射損失，因而能得到很高的傳播效率。 圖8-23 空心光纖的結(jié)構(gòu) 小結(jié)