第一章 激光與光組織相互作用

第一章激光與光組織相互作用第1頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月激光的概念和特征激光除了亮度以外，激光還具有以下不同于普通光源發(fā)出光的特征：（1）單色性：被激發(fā)的原子或分子本身決定了所產(chǎn)生輻射光的波長，更準(zhǔn)確地說，在激光的特征性波長周圍是一個正態(tài)分布的狹窄帶。氬離子激光不同尋常之處在于它釋放雙波長的光（488nm和514nm）。其原因是在激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間有中間軌道。（2）相干性：光可以被看作是正弦波，由激光發(fā)出的光具有時間相干性和空間相干性，也就是說光波是同相的、同時的和同空間的。第2頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）平行性：這是相干性的直接結(jié)果。因光的直線性和能量保護(hù)特征，光是平行的。它意味著，除非經(jīng)過透鏡，光經(jīng)過長距離傳播，光束彌散及少（圖1-2）

圖1-2平行光束示意圖第3頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月各類激光1、激光通常以介質(zhì)的成分（激光介質(zhì)）來命名（圖1-3）介質(zhì)可以是氣體(如氬氣、CO2和準(zhǔn)分子激光）、液體（如脈沖染料激光）、固體<如翠綠寶石、半導(dǎo)體激光、鉺：釔-鋁石榴子石激光(Er:YAGlaser)、Nd:YAG和紅寶石激光>或固態(tài)（半導(dǎo)體激光），它們能被外部的能源，諸如閃光燈激勵。2、激光介質(zhì)放在光學(xué)諧振腔（或共振器）內(nèi)，決定受激輻射光的波長。3.一個反射鏡是全反射鏡，另一個是部分反射鏡。4、傳輸系統(tǒng)可以是光纖或關(guān)節(jié)臂，通過這些系統(tǒng)光被反射鏡反射。光纖優(yōu)點在于輕便，利于操作和保管，然而，當(dāng)光纖在操作、移動或清潔時被彎曲、扭轉(zhuǎn)超過限度時會折斷，這會增加使用成本，因為更換一根光纖要幾千美元，且通常不在制造商保修或服務(wù)合同范圍內(nèi)。光纖質(zhì)量不足以傳輸從諸如CO2、Er:YAG或短脈沖Q-開關(guān)激光中釋放的光，這類激光需要含多個反射鏡片的關(guān)節(jié)臂來傳輸。第4頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月5、激光也根據(jù)光束的脈沖特征來分類。這可以是連續(xù)的、脈沖的或者質(zhì)量開關(guān)的（qualityswitched）(Q-開關(guān))（圖1-4A、B、C）。圖1-3顯示外部能源的激光，諧振腔內(nèi)的激光介質(zhì)，全反射鏡和部分反射系統(tǒng)圖1-4脈沖類型的簡單演示第5頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月組織光學(xué)照射到皮膚上光的結(jié)局，可以從四個方面來討論（圖1-5）（1）反射：有4%—6%的光在角質(zhì)層被反射掉。（2）吸收：光子的吸收遵守比爾定律（Beer’slaw）。通過組織（理想的均勻介質(zhì)）的特定的波長的光，其強度狀態(tài)依賴于它的初始的光強度、穿透深度和消失距離（超過90%的光被吸收的距離）。沒有光的吸收，就不可能有對組織的作用。當(dāng)一個光子被靶分子或靶色基吸收，它的所有能量就被轉(zhuǎn)移到那個分子上。選擇性皮膚激光手術(shù)的原理在于能夠根據(jù)波長、能量和脈沖寬度來操作激光，使特定的靶色基吸收光被損傷或毀壞，而別的色基沒有受影響。（3）散射：在皮膚，這主要是由于真皮膠原的原因，因為膠原分子的尺寸和近紅外線的可見光的波長相似。散射主要是向前的，在某些部位大量的反射光，使真皮上部的能量密度增加，超過了入射位置的強度。散射很重要，因為它迅速減少能量密度，使靶色基的吸收成為可能，因此在組織上產(chǎn)生臨床效果。波長增加，散射減弱，使其成為理想的媒介指向深層的皮膚結(jié)構(gòu)，如毛囊。600-1200nm的波長是通向皮膚的光窗，因為它們不僅散射少，而且在這個波長范圍內(nèi)限制了被生物體內(nèi)的色素吸收。第6頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）投射：殘余的光傳輸?shù)狡は陆M織，這主要依賴于波長，波長短的光（300-400nm）被散射，穿透不超過0.1mm。600-1200nm波長的光穿透得更深一點，因為它們散射的少。圖1-5皮膚上入射光的結(jié)局第7頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月光-組織相互作用一、如果光能量要改變靶組織的結(jié)構(gòu)，除了被吸收，還必須有充足的能量。能量以焦（J）為單位，但它通常更適用于描述“流量”或能量密度（J/CM2）。功率是發(fā)射能量的速率，測量的單位是瓦。二、光可以通過以下途徑影響組織：（1）光刺激：有模糊證據(jù)表明低能量激光加速傷口愈合，其機制不清楚。（2）光動力反應(yīng)：它構(gòu)成了光動力療法（photodynamictherapy）的基礎(chǔ)，包括一種光敏性藥物或其前體的局部或系統(tǒng)應(yīng)用。適宜的光源可誘發(fā)兩種反應(yīng)，光氧化反應(yīng)和即刻細(xì)胞毒素反應(yīng)。光動力療法也可以適用于生物體內(nèi)的色基，諸如在痤瘡丙酸桿菌中發(fā)現(xiàn)的色基，用藍(lán)光殺滅痤瘡丙酸桿菌，痤瘡在臨床上就得到了改善。（3）光熱和光機械作用：選擇性光熱作用理論已經(jīng)用于祛除皮膚的血管畸形、文身、某些良性的色素沉著病變和脫毛。該理論假定，如果所選定的波長其在靶組織和周圍組織之間的吸收系數(shù)差異盡可能大，能量密度足夠高以破壞靶組織，而且脈沖寬度低于或等于熱馳豫時間（TRT），那么光可以用來選擇性損傷或毀壞靶色基。熱馳豫時間是指靶組織用于釋放約63%的熱量所需的時間，下面將詳述。波長：重要組織色基的吸收光譜與皮膚科常用的激光波長的關(guān)系如圖1-6所示。血紅蛋白有許多不同的吸收峰值，而黑色素的吸收隨著光波長的增加而逐漸減少。必須考慮靶組織的深度，因為真皮中的散射受到波長的強烈影響，波長越長，吸收相對減少。波長越短，吸收相對越多。在某些情況下，特別在黑色素中，單純的波長不是必需的，可能更需要閃光燈，因為它們具有較寬的發(fā)射光譜（500-1200nm）,比激光制造起來更廉價，可以用于濾光器（515-755nm）熱豫時間（TRT）：熱馳豫時間只與靶色基的大小有關(guān)，與靶色基大小的平方成正比。變化時間從幾納秒（文身離子）到幾百毫秒或更長（腿小靜脈）不等。在脫毛過程中，毛干的黑色素和毛基質(zhì)細(xì)胞充當(dāng)光吸收物質(zhì)，而峽部的干細(xì)胞（可能和乳頭部的血管）就是遠(yuǎn)處的靶組織。

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舉一個脫毛的例子，光脫毛時毛囊所含黑色素所用的脈沖時間（30-100ms）比表皮所含黑色素的熱損傷時間要長（1ms）。脈沖寬度為5-50ms的激光或光源能夠使能量積聚，熱凝固毛囊，即使能量被擴散，但表皮因冷卻而被保護(hù)，其溫度因此低于熱凝固的閾值。光-組織相互作用

圖1-6重要組織色基的吸收光譜第9頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月組織冷卻1、表皮熱損傷可以引起水皰、色素脫失、瘢痕，尤其在色素性皮膚上易于發(fā)生。2、表皮冷卻的一個重要優(yōu)點在于使高能量密度治療成為可能，并且被認(rèn)為是安全的，因此提高了治療效果，使治療次數(shù)減少。冷卻也使安全地治療各種皮膚類型的病人成為可能，而且，冷卻減輕了治療引起的疼痛，減少了局麻藥的使用。然而，如果冷卻過度會引起凍傷。第10頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月光與組織相互作用的臨床相關(guān)性表淺血管損傷：閃光燈有較大的光斑，聯(lián)合使用接觸冷卻，這樣治療速度就快，也有減少紫癜的可能性第11頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月文身和良性色素性皮損一、Q-開關(guān)是一種光電元件，用于產(chǎn)生只有幾納秒的脈沖，這些脈沖時間被設(shè)計在黑素體估計的熱馳豫時間內(nèi)（0.5-1μs）,但是比文身染料的熱馳豫時間要長，文身染料的熱馳豫時間在較低的納秒范圍內(nèi)。閃光燈的脈沖時間在毫秒范圍內(nèi)，相對長一些，不適合這種治療。由于逐漸的分解，淋巴系統(tǒng)活化的巨噬細(xì)胞吞噬破碎的染料，大部分變淡，一部分也可以隨表皮移行至體表被清除。二、綠色色素最適于Q-開關(guān)紅寶石激光（694nm）和Q-開關(guān)翠綠寶石激光（755nm），但經(jīng)常難以祛除。相反的，紅色色素最適于倍頻ND：YAG（532nm）激光發(fā)出的綠光。ND：YAG激光對藍(lán)黑色文身有效，但是綠色色素相對較差，ND：YAG激光曾被成功地用于治療深色皮膚的文身。含有鐵或二氧化鈦的紅色、棕色、白色或膚色的染料在激光的治療中能夠發(fā)生化學(xué)變化，成為持久的灰白色或黑顏色，這可以在隨后的治療中逐漸減弱。由于這些色素可以用于美容修飾文身，在大面積治療前做一小塊試驗很重要。黃色和清淡柔和色彩難以治療，很難完全去除，業(yè)余文身比專業(yè)文身治療起來容易一些。第12頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月脫毛激光脫毛的機制不完全清楚，可能是選擇性熱作用理論。然而，作用的靶位置可能是干細(xì)胞（主要在較低的峽部）和乳頭部的血管，而吸收色基的是毛干的黑色素和毛基質(zhì)細(xì)胞。因此，金黃色的或白色的頭發(fā)難以治療。600-1200nm光譜的輻射光被黑色素吸收。波長越長，穿透皮膚越深。能量密度為20-60J/cm2的普通紅寶石激光（694nm）、翠綠寶石激光（755nm）、半導(dǎo)體激光（800nm）和Nd