激光原理與應(yīng)用講第八章

激光原理與應(yīng)用講第八章第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一本章主要內(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(yīng)用3.激光在生物體檢測(cè)及診斷中的應(yīng)用4.醫(yī)用激光設(shè)備激光應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的未來激光技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和治療在本質(zhì)上是利用激光與生物體的相互作用。第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一1.假設(shè)生物體中入射的單色平行光強(qiáng)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(qiáng)度I為：8.1.1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改寫為：

圖8-1生物體中的光衰減特性其中：第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一2.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(xué)特性圖8-3生物體與光的各種相互作用的示意圖3.

由圖8-4可知，在700～1500nm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(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)系第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一4.光滲透長度在近紅外附近較大，在3μm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(duì)波長的依賴性也變化。

8.1.1生物體的光學(xué)特性圖8-5軟組織中各種激光的穿透深度第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一1.激光對(duì)生物體的作用是醫(yī)學(xué)應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。激光對(duì)于受照射的組織有四方面的作用即熱力作用(thermalaction)、

機(jī)電作用(electro-mechanicalaction)、激光消融作用(photoablativeaction)和光化學(xué)作用(photochemicalaction)。

8.1.2激光對(duì)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(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)。

第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.1.3激光對(duì)生物體應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)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(duì)生物體的害處是很少的；2.在醫(yī)學(xué)上利用激光在大氣中直線傳播的特性，既可以非接觸地對(duì)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；3.利用激光的高度的方向性，將其會(huì)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；4.激光與生物體進(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。第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一小結(jié)：激光對(duì)于受照射組織的作用主要包括：即熱力作用、機(jī)電作用、激光消融作用、光化學(xué)作用。生物體光譜學(xué)之窗：700nm~1500nm。第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一1.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(duì)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(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，同時(shí)激光的高溫還起了殺菌的作用。

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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。在波長選擇上，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。8.2.2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)造示意圖第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.2.3激光在眼科中的應(yīng)用圖8-7眼的構(gòu)造圖8-8眼睛中光的聚光特性示意圖第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.2.3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(duì)角膜表面進(jìn)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193nmArF準(zhǔn)分子激光器。由于該波長的激光穿透深度淺，所以容易實(shí)現(xiàn)精密切割。第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.2.4激光在泌尿外科中的應(yīng)用8.2.5激光在耳鼻喉科中的應(yīng)用8.2.6最新的技術(shù)－間質(zhì)激光光凝術(shù)借助光導(dǎo)纖維將激光能量傳遞至組織表面或內(nèi)部，利用激光對(duì)組織產(chǎn)生的熱力作用或消融作用來實(shí)現(xiàn)。第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一

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(shí)間后，在病變部位照射激光。可以有選擇地破壞癌癥細(xì)胞，這種方法稱為光動(dòng)力治療（PDT）或光化學(xué)治療（PCT）。8.2.7光動(dòng)力學(xué)治療圖8-11光敏感物質(zhì)(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光譜第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一小結(jié)：準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)精密切割的特點(diǎn)。激光應(yīng)用于皮膚及整形外科時(shí)，在波長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。第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一1.利用近紅外光譜的代謝功能測(cè)量

8.3.1利用激光的生物體光譜測(cè)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600～800nm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

第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一2.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(cè)量及診斷在生物體組織上照射激光時(shí)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第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.3.2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(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）。（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)）中的光示意圖第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.3.2激光斷層攝影（3）其關(guān)鍵在于如何將直線傳播的透射光選擇出來并進(jìn)行高靈敏的檢測(cè)。圖8-16利用外差法的光學(xué)CT檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置利用直線傳播光比其他成分的光能夠更快遞到達(dá)檢測(cè)器利用空間濾波器選擇識(shí)別指向性高的直線傳播光線成分利用外差探測(cè)法

第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一1.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(shí)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第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一2.近場光學(xué)顯微鏡8.3.3激光顯微鏡圖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(shí)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）的示意圖第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一圖8-15透過生物體（散射介質(zhì)）中的光示意圖小結(jié)：光學(xué)CT是利用下圖中哪中光線進(jìn)行斷層掃描成像的？第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一8.4.1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(zhǔn)分子激光器脈沖角膜手術(shù)（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）570~590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(dòng)力學(xué)治療法（PDT）632.8He-Ne激光器連續(xù)去痛、血流計(jì)620~670OPO（光參量振蕩器）脈沖癌光動(dòng)力學(xué)治療法（PDT）650~670半導(dǎo)體激光器連續(xù)癌光動(dòng)力學(xué)治療法（PDT）694Cr:Al2O3（紅寶石）激光器脈沖痣治療紅外光780~910半導(dǎo)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)用激光器及其用途第二十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一1.光纖（實(shí)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(shí)，功率密度過高會(huì)引起光纖材料的損傷。圖8-22石英玻璃光纖的損失光譜第二十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期一2.空心