新激光課件第十二章激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1、第十二章 激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,12.1 激光與生物體的相互作用,1.假設(shè)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)（ a0為吸收系數(shù)，如圖，入射深度為x處的光強度I為,12.1.1 生物體的光學(xué)特性,在不能忽略散射的條件下，上式可用衰減系數(shù)at和散射系數(shù)as改寫為,生物體中的光衰減特性,2.如圖（a）所示，單一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在。但是如圖（b）所示的多重散射時（反復(fù)多次散射），光在生物體內(nèi)擴散，變得近似于各向同性散射。,生物體中散射光的特性,3.如圖8-3所示為生物體與光的各種相互作用的示意圖,圖8-3 生物體與光的各種相互作用的示意圖,4. 由圖8-4可知

2、，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(xué)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(guān)系,5.圖8-5所示的是軟組織中各種激光波長的光滲透長度的大致數(shù)量。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。,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(xué)應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。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 ac

3、tion)和光化學(xué)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(yīng)促使炎癥吸收好轉(zhuǎn)。,8.1.3 激光對生物體的作用,對生物體應(yīng)用激光的優(yōu)點有以下四個方面：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。其次，在醫(yī)學(xué)上利用激光在大氣中直線傳播的特性，可以非接觸地對生物體應(yīng)用，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，將其會聚成極小的點，使

4、微觀的、精細的治療和高空間分辨率的測定成為可能。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(yīng)用。,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(xué)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，人們把它當(dāng)作手術(shù)刀用來切割組織。激光的高溫還起了殺菌的作用。,3.高功率輸出的二氧化碳激光，光點具有200攝氏度以上的高溫和一定

5、的壓強，不但能熔融而且具有極強的穿透破壞作用。激光的光點聚焦后異常細小的組織可以極精確地消除。,4.激光經(jīng)過聚焦后會產(chǎn)生極大的功率密度，是一種很好的燒灼工具。,5.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，失血量大大減少。,6.激光是非?？煽康酿ぶぞ撸劭评眉す饽Y(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。,12。2激光在臨床治療中的應(yīng)用,1.激光治療是適當(dāng)?shù)卣{(diào)整照射條件,在不損壞正常組織的情況下,有選擇地破壞病變組織的治療方法。痔的種類和部位（深度）不同時，激光照射條件也大不一樣，因此治療前準確地進行診斷是很重要的問題。圖8-6所示為皮膚組織。,8.2.2

6、激光在皮膚科及整形外科領(lǐng)域中的應(yīng)用,圖8-6 皮膚的斷面構(gòu)造示意圖,1. 眼底治療,8.2.3 激光在眼科中的應(yīng)用,圖8-7 眼的構(gòu)造,圖8-7所示的是眼構(gòu)造，圖8-8中所示的是眼睛對光的聚光特性。,圖8-8 眼睛中光的聚光特性示意圖,2. 近視治療中的應(yīng)用,8.2.3 激光在眼科中的應(yīng)用,圖8-9激光角膜手術(shù)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。圖8-9所示為采用激光角膜手術(shù)的示意圖。,目前近視矯正有對角膜表面進行二維切削手術(shù)使其曲率半徑增大（作成平坦的）的PRK（photorefractive keratectomy）方法和將角膜表面放射狀切開的RK

7、(radial keratotomy)方法兩種。但目前以副作用小的PRK方法為主流。光源一般采用能得到高質(zhì)量燒蝕表面的193nmArF準分子激光器。,1. 1986年首先報道了激光前列腺切除術(shù)，但真正廣泛的應(yīng)用是在1990年后角度光導(dǎo)纖維的發(fā)明后。自此，各種光導(dǎo)纖維和激光設(shè)備都被嘗試用來進行此項手術(shù)。最常用的激光是Nd：YAG激光，當(dāng)然其他激光如KTP:YAG激光、半導(dǎo)體二極管激光和最近的Ho：YAG激光都可用來治療BPH。,8.2.4 激光在泌尿外科中的應(yīng)用,2.有以下三種技術(shù)用來切除前列腺,（1）經(jīng)尿道激光誘導(dǎo)的前列腺切除術(shù)（Transurethral laser-induced pros

8、tatectomy,TULIP）,（2）直視下激光前列腺消融術(shù)（Visual laser ablation of the prostate,VLAP）,（3）間質(zhì)內(nèi)凝固（Interstitial coagulation ,ILC）,該方法使用特殊的光導(dǎo)纖維，能夠反復(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及其后的萎縮，而且組織不會發(fā)生腐爛現(xiàn)象,使用側(cè)面發(fā)射光導(dǎo)纖維，以造成有效的凝固性壞死和組織汽化。Nd：YAG激光通過幾種不同的光導(dǎo)纖維傳送均有報道。UrolaseTM是目前使用和評價最多的非接觸性纖維，它能夠在預(yù)先設(shè)定的點上通過照射造成組織的凝固。,該系統(tǒng)包括經(jīng)尿道進入的激光探針

9、(偏屈的光束可以達到90)，一個7.5MHz適時超聲換能器以及一個Nd：YAG激光發(fā)生器。,1.目前，激光在耳鼻喉科領(lǐng)域的研究，主要包括兩個方面：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光手術(shù)。,8.2.5 激光在耳鼻喉科中的應(yīng)用,1.在影像學(xué)設(shè)施的導(dǎo)引下，通過經(jīng)皮穿刺針將置于其內(nèi)的光導(dǎo)纖維送到實質(zhì)性器官的病損中心，并通過此設(shè)備傳導(dǎo)激光。本治療方法成功的關(guān)鍵在于將光導(dǎo)纖維放置到正確的部位，恰到好處地將治療的部位和所使用激光造成壞死的程度進行嚴格匹配，并確認正常和不正常的區(qū)域都能夠安全地愈合。所以整個過程取決于顯像。,8.2.6 最新的技術(shù)間質(zhì)激光光凝術(shù),2.乳房癌是一種潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。最吸引人的是，對于

10、小的乳房癌使用間質(zhì)激光光凝技術(shù)可以取代腫塊切除術(shù)，這樣不會留下疤痕或者外觀畸形，同時因為方法簡單，可以作為門診手術(shù)在局麻下進行。,3.間質(zhì)激光光凝術(shù)主要應(yīng)用于任何實質(zhì)性器官的明確定性的病損，而且該技術(shù)可以被良好地定位，對于周圍正常組織也沒有任何不良損害。,1.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:photodynamic therapy）或光化學(xué)治療。,8.2.7 光動力學(xué)治療,2.使用的光敏感性物質(zhì)有血卟啉衍生物（HpD），如圖8-11所示，它在紫外域上具有稱為Sor

11、et帶的強的吸收帶，又在可見域中具有稱為Q帶的弱的吸收帶。,圖8-11 光敏感物質(zhì)(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光譜,3.圖8-12中所示的是光動力治療的反應(yīng)機制的示意圖。,8.2.7 光動力學(xué)治療,圖8-12 光動力治療的反應(yīng)機制的示意圖,1. 利用近紅外光譜的代謝功能測量,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，從測量它們各自吸收率的不同可以知道組織的氧化程度。,圖8-13 血紅蛋

12、白的吸收光譜,12。3激光在生物體檢測及診斷中的應(yīng)用,2. 利用熒光光譜確定病變部位,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。采用NPe6做光敏感性物質(zhì)。如圖8-14所示，利用符合它的吸收帶范圍的光來激勵，則發(fā)出在662nm處出現(xiàn)峰值的熒光（磷酸溶液中）。,圖8-14 光敏感性物質(zhì)NPe6（mono-L-aspartyl chlorine 6）的吸收光譜與熒光光譜,1. 光學(xué)計算機斷層術(shù)即光學(xué)CT（optical computed tomography）,8.3.2 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)

13、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）。如圖8-15所示，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(xué)CT必須檢測出第三種直線傳播的透射成分的光。,圖8-15 透過生物體（散射介質(zhì)）中的光示意圖,1. 光學(xué)計算機斷層術(shù)即光學(xué)CT（optical computed tomography）,8.3.2 激光斷層攝影,（2）直線傳播光的透射光強非常小，因此問題在于如何將這樣的信號選擇出來進行

14、高靈敏的檢測。目前最有效的方法是光外差探測方法。,圖8-16 利用外差法的光學(xué)CT檢測的實驗裝置,（3）所謂的外差探測法，一般是對兩個不同頻率的光波（信號波與參考波）進行混合后檢測拍頻信號的方法。將激光束分為參考光與入射到生物體試樣的信號光。給予參考光一定的頻移后與信號光混合（參見圖8.15），多次散射得到的光與參考光偏振方向不一致，不會產(chǎn)生拍頻信號，因此檢測出的拍頻信號是直線傳播光與參考光干涉的結(jié)果。利用外差法的光學(xué)CT檢測的實驗裝置如圖8-16,2. 光學(xué)相干層析術(shù)即光學(xué)OCT（optical coherence tomography）,（1）光學(xué)相干層析術(shù)的原理如圖8-17所示，其基本結(jié)

15、構(gòu)為邁克耳孫干涉儀。OCT把光分成兩束信號光與參考光，其中信號光聚焦后照射到組織內(nèi)得到向后散射光，參考光在壓電陶瓷等器件調(diào)制的反射鏡上反射回來得到光程調(diào)制。兩束光進行干涉后用外差探測法檢測。,圖8-17 光學(xué)相干層析術(shù)OCT原理圖,2. 光學(xué)相干層析術(shù)即光學(xué)OCT（optical coherence tomography）,（2）利用如圖8-18所示的石英光纖傳光的干涉儀，還有可能用導(dǎo)管等得到生物體內(nèi)部組織的斷層圖像。,圖8-18 利用光纖干涉儀的OCT（optical coherence tomography）的裝置示意圖,1. 激光共焦顯微鏡,8.3.3 激光顯微鏡,（1）圖8-19所示為

16、激光共焦顯微鏡（laser confocal microscope）的原理圖。從點光源（激光）發(fā)出的光經(jīng)過透鏡聚光后照射到試樣內(nèi)的觀察點上，此時在試樣內(nèi)形成照射光的斑點，利用物鏡通過空間濾波器使這些斑點在檢測器上成像。,圖8-19 激光共焦顯微鏡的原理圖,（2）以上用透射型模型說明了其原理，但實際上采用如圖8-20所示的反射型結(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(xué)顯微鏡,8.3.3 激光顯微鏡,（1）圖8-21所示的是近場光學(xué)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(xué)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(guān)鍵作用。,圖8-21近場光學(xué)顯微鏡（a）與通常光學(xué)顯微鏡（b）的示意圖,1.空心光纖,8.4.2 醫(yī)用激光傳播用光