激光醫(yī)學基礎

1、激光醫(yī)學在皮膚科的應用,,光與激光基礎物理,光與激光束都是磁的輻射形式，它們涉及從伽馬射線到無線電波。 光在空間的傳播可通過波動理論或粒子理論來描述的波長。,光的性質(zhì),,,The Wave Theory,,波長——納米nm或微米,短波長高頻率,長波長低頻率,,,,,每個光子都攜帶了一個“量子”能量的（E）: E = hu (h – 普郎克常數(shù))

2、 短波長 高頻率 高能光子 長波 低頻率 低能光子,粒子理論,,光粒子——“光子”,,,,,電磁光譜,,常見光源,,熱燈絲或煤氣燃燒 寬帶光譜（白色是所有顏色的混合） 向各方向散發(fā) 或許是連續(xù)的或脈沖的（“閃光燈”） 有限聚焦性能,Light Ampli

3、ficationby the Stimulated Emission of Radiation,基礎于以下原理:,激 光 源,,激光發(fā)射原理,自發(fā)輻射：在一個體系中，熱平衡時低能級的粒子數(shù)總比高能級的粒子數(shù)目多。高能級的粒子總是向低能級躍遷而趨于穩(wěn)定，多余能量轉變?yōu)楣庾酉蛲廨椛?。受激吸收：低能級的粒子如吸收外來光子的能量可激發(fā)到高能級上去。受激輻射：受激吸收后，高能級粒子向低能級躍遷同

4、時，發(fā)射一個與外來光相同的光子。產(chǎn)生激光的條件：受激輻射＞受激吸收。,受激輻射光放大,,h ',,,1 光子,受激發(fā)的,原子,激光器基本工作原理,激光器的基本結構：　　工作物質(zhì)、激勵能源和光學諧振腔。 激光器的基本工作原理： 　啟動泵浦源　　　粒子數(shù)反轉　　輻射幾率＞吸收幾率　　光學諧振腔　　定向、單色輻射場不斷加強　　受激輻射場　　激光,,,,,,,激光示意圖,,激光的特性,單色性好　用于精確測量

5、物體的長度。相干性好 a.時間相干性；b.空間相干性?！∮糜谌⒄障?、激光衍射儀。方向性好　用于定位、導向、測距等。醫(yī)學上用作普通手術刀和微手術刀（直接對DNA等生物大分子進行切割或對接）。亮度高 能量在空間和時間上高度集中。激光武器；激光切割金屬；炭化和氣化組織。,激光脈沖,,類型C.W.連續(xù) (CO2, Nd:YAG, Diode)電脈沖(CO2, Nd:Yag, Diode)自由輸出(Ruby, Er

6、, Ho, Alex)Q 開關(Ruby, Nd:YAG),脈沖寬度連續(xù)波10 微秒 - 1 秒0.25 - 2 毫秒5 - 40 納秒,激光束強度功率表示,,連續(xù)光束——瓦特（功率單位） 指示一秒鐘傳輸?shù)目偰芰?，典型范圍為mW至 100W（瓦）電脈沖光——相同，對于小于毫秒級脈沖光可以是毫焦耳級的能量。自由輸出及Q開關——焦耳（能量單位）指單脈沖總的能量。以瓦特表示的能量等于每次脈沖（

7、用焦耳表示）乘以頻率（赫茲）,激光計量及有關參數(shù),,1.能量（E） 概念：脈沖輸出的激光器，其每一脈沖所具有的做功能力。 單位：焦耳（J） 相關參數(shù)： 脈沖幅度--脈沖可有多種形狀，脈沖所能達到的最大值 脈沖寬度--脈沖的持續(xù)時間 脈沖頻率--周期性重復的脈沖每秒出現(xiàn)的個數(shù) 脈沖周期--頻率的倒數(shù) 峰值功率--脈沖能量與脈沖寬度之比 平均功率-

8、-脈沖能量與脈沖頻率的乘積,激光計量及有關參數(shù),,2.功率（P） 概念： 連續(xù)輸出的激光器在單位時間內(nèi)所做的功。 它表征激光器在每秒（S）內(nèi)輸出的能量。 從光子水平上看，功率代表單位時間內(nèi)通過 的光子數(shù)。 單位： 瓦（W）或毫瓦（mW） W=

9、J/s mW=mJ/s,激光計量及有關參數(shù),,3.光斑面積（A） 概念： 通常指激光束落在受照組織表面的光斑的面積。 單位：平方厘米（m2） 測量方法：,激光計量及有關參數(shù),,4.照射時間（T） 概念： 激光束照射于組織表面所持續(xù)的時間。 單位：秒（S） 相關參數(shù)： 功率密度（P/A）---即幅照度，這是表示激光光強度的重要參數(shù)，表

10、征單位面積受照組織所接受的光功率。從光子水平看，功率密度代表單位時間內(nèi)通過單位面積的光子數(shù)。 單位： 瓦/平方厘米 (W/cm2),激光計量及有關參數(shù),,5.激光計量（D） 概念：幅照到組織上能量密度的多少。 單位：焦耳/平方厘米（J/cm2） 以 連續(xù)激光垂直照射，則： D=P/A·T 以 單位脈沖激光垂直照

11、射，則： D=E/A 如果激光束并非垂直而是以入射角θ照射組織，則： D=P/A·T ·cosθ D= E /As·cosθ 上式表明，入射角θ越大，生物體所接受的激光劑量越小。由此可見，我們在用激光做治療時，在一般情況下應盡量使光束與組織表面垂直。臨床用激光做穴位照射或其他非損傷性照射治療時，調(diào)節(jié)激光射

12、劑量的最簡便的方法是改變激光的照射時間。,激光 / 光組織影響,,,,,反射,,組織內(nèi)部光的吸收,,白色膚的光學穿透 (50% 吸收深度 單位mm),,組織吸收的熱量,,,,,煙,100OC 及,隱含熱量,汽化,碳化,皺紋,90O-100OC,空泡化,白/灰,65O-90OC,漂白,60O-70OC,凝結 (壞死),開端,無,50O-60OC,溫度,視覺變化,生物學變化,熱,,,,,,,,,,,皮膚組織各級水平熱致作用表　 ━━━━

13、━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 熱致水平 熱致溫度 持續(xù)時間 臨床表現(xiàn)　 ────　　熱 敷 38～40℃ 長時間 溫熱感覺 熱致紅斑 43～44℃

14、 長時間 微血管充血擴張見紅斑反應 熱致水皰 47～48℃ 數(shù)秒 炎性滲出物潴留皮內(nèi),表真皮分離 熱致凝固 55～60℃ 約10秒 受照處皮膚組織凝固壞死 熱致沸騰 100℃以上 數(shù)秒 皮膚組織中的

15、組織液沸騰 熱致炭化 300～400℃ 瞬間 可見呈棕黑色干性壞死組織, 伴有水蒸氣白煙 熱致燃燒 530℃以上 瞬間 可見火光,伴有水蒸氣白煙

16、 熱致汽化 5730℃ 瞬間 皮膚由固體立即變成氣體, 并以極 高的速度射出, 留下一個凹陷, ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━,熱量釋放時間

17、 ( ),,t,,該時間表示通過熱傳導從一個結構擴散至周圍 結構消耗熱量所需的時間。當脈沖寬度小 ，熱 損傷將被限制于目標上。當脈沖寬度大于 ， 熱量將被從目標上傳導到 周圍結構。,t,t,“選擇性光熱作用”工作模式,靶組織對激光的吸收系數(shù)應大于正常組織脈沖延遲時間小于靶組織熱馳豫（即溫度降至一半）時間激光能量足夠大,激光的生物效應,,激光照射于生物組織時，因其波長、強度、工作方

18、式、曝光時間等參數(shù)的不同，可以表現(xiàn)出不同的生物學作用，就生物組織而言，則因其光學特性和熱學特性不一，在不同參數(shù)的激光作用下可以產(chǎn)生不同的生物效應，包括：光熱效應－－組織吸收光以后，光能轉化為熱能，使局部溫度升高。 應用:在手術治療及非手術治療上。 光化學效應－－當光子給予生物大分子的能量，大于斷開其弱鍵所需

19、 的能量時,就會發(fā)生化學反應.,光熱效應,,光子能量E=hC/λ (h:普朗克常數(shù); C:光速; λ :光波長 ) 產(chǎn)熱機制： 長波長光子---直接生熱 短波長光子---激發(fā)態(tài)電子以無輻射躍遷返回低能態(tài)時,所釋放 的能量使周圍分子增加熱運動,以及激發(fā)態(tài)電子

20、 并非直接返回基態(tài),而是在眾多復雜的能量差不 大的能級之間分次逐級向下弛豫,每次只能釋放 較低的能量,而使周圍的分子增加熱運動.,激光在手術方面的應用,,,根據(jù)激光功率密度的不同:1.切割術—組織中水汽化導致的體積擴大壓力增加,以及組

21、織固有的張力而被分開而形成切口.2.氣化術—組織中水分在瞬間被蒸發(fā),干燥,凝固了的組織也 隨即燃燒而一并被蒸發(fā)去除.3.碳化術—以焦點以外一定大小的光斑,在一定的時間內(nèi)連 續(xù)的照射組織,使受照組織發(fā)生干性壞死和炭化, 外觀呈綜黑色.,激光在手術方面的應用,,,4.凝固術—以焦點以外相應大小的光斑,把功率降

22、低至適當 水平,連續(xù)的照射組織,使受照組織在保持上皮 完整,不產(chǎn)生缺損和碳化的基礎上沙出現(xiàn)熱凝固 壞死.外觀由灰白色漸變?yōu)榛液稚?.激光組織間熱療法—讓激光通過插入組織內(nèi)的光纖維對 組織進行加熱，使組織內(nèi)溫度升至

23、 60°C以上，并持續(xù)照射一定時間， 使該組織凝固壞死。已應用于治療 腫瘤。6.光熱敷—利用功率密度約為150-800mW/cm2的低強度激 光對病灶局部產(chǎn)生一種溫熱的感覺，猶如熱敷。

24、,光化學作用,,,產(chǎn)生條件： 光子給予生物大分子的能量>斷開其弱鍵所需的能量全過程： 生物分子吸收相應能量的光子 →外層價電子被激發(fā)躍遷至電子激發(fā)態(tài) →在其馳豫返回基態(tài)時釋放出的能量消耗在某一化學 鍵的斷裂和新鍵的形成上 →生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物,光動力療法（PDT）,,,原理： 光敏劑進入靶組織→受到接近光敏劑發(fā)射光譜峰值波長的光照射

25、→光敏劑被激發(fā)→光敏劑把能量轉移給靶組織中的分子氧→靶組織中的分子氧被激發(fā)為強氧化劑（單態(tài)氧）→單態(tài)氧使靶組織的生物膜產(chǎn)生過氧化損傷→靶組織破壞,常用光敏劑,,,HPD（血卟啉衍生物）DHE（雙血卟啉酯）酞花菁染料脫鎂葉綠環(huán)類癌光啉（PSD-007）光敏素Ⅱ mTHPC（間四羥基氯苯酚）卟啉合成物的母體ALA（5氨基-γ-酮戊酸）進入靶組織方式： 靜脈給藥

26、 動脈給藥 組織內(nèi)注射 局部敷貼,光化學效應的臨床應用,,,產(chǎn)生條件： ? 低光功率密度（低強度） ? 較長曝光時間典型應用： ◆光動力療法（PDT） ◆低強度激光血管內(nèi)照射 ◆ 激光局部照射,激光器種類,激光器有很多種，

27、可從不同角度分類： 工作物質(zhì)——氣體、液體、固體、半導體激光器等 激勵方式——電激勵、光激勵、熱激勵、化學激勵 激光器等 工作方式——連續(xù)波、準連續(xù)波、脈沖(巨脈沖)、 鎖膜、調(diào)Ｑ激光器等 激光波長——紅外、紫外、可見、射線激光器等,激光技術,,氣體激光: 激光介質(zhì)是氣體 CO2, He-Ne, Argon固體激光: 激光介質(zhì)是固

28、體釹：釔鋁 石榴石、紅寶石、紫翠石、 鉺、鈥其它激光: 半導體, 染料,激光器類型,,常用激光器簡介,Nd:YAG 激光器,,YAG – 釔鋁石榴石波長 - 1.06 微米, 接近紅外光束連續(xù)Nd:YAG – 持續(xù)泵浦燈 (例如Kr氪燈)脈沖Nd:YAG – 脈沖泵浦燈

29、 (閃光泵浦燈- 例如氙),Nd:YAG 激光棒,泵浦燈,鍍金泵浦 腔鏡,鏡,鏡,,,,Mirror,,,,Q開關Nd3+:YAG 激光機,Q開關技術波長：1064/532nm能量：500mJ/250mJ脈寬： <10ns頻率：1-5Hz導光方式：七關節(jié)導光臂，三自由度指示光：5mw半導體激光用途：各類皮膚色素病和血管病,超脈沖CO2激光機,波長：10600ms導光系統(tǒng)：六關節(jié)導光臂，五種

30、刀頭功率：1-30W用途： 皮膚外科，整形外科五官科，肛腸科等各科手術,便攜式CO2激光機,,波長：10600ms導光系統(tǒng)：直接輸出功率：1-10W冷卻方式：內(nèi)置水冷循環(huán),半導體激光,laserSmile便攜式高速牙齒 漂白系統(tǒng)最大輸出功率：10w光纖長度：191cm用途：平行輸出的半導體激光高速激發(fā)涂抹在牙齒表面的專利漂白凝膠，催化凝膠與色素的反應，從而快速的美白牙齒。,,脈沖染料激光,

31、波長：585nm脈寬：350us輸出光斑直徑：5mm重復頻率：2Hz輸出系統(tǒng)：柔性光纖＋手柄,Q開關紅寶石激光機,Q開關脈沖激光波長：694nm能量：調(diào)Q—10J 非調(diào)Q—40J脈寬：調(diào)Q—7ns用途：調(diào)Q—皮膚色素病非調(diào)Q—脫毛,Q開關翠綠寶石激光波長：755nm能量：4-10J/cm2脈寬：50-90ns用途：皮膚色素病,ALEXlazr短脈沖激光系統(tǒng),,絲柔光子脫毛/痤瘡治療儀,光源：光熱脈沖

32、輸出方式：直接耦合能量密度：2-7.5J/cm輸出波長：400-1200nm2脈寬：35ms光斑尺寸：22×55mm2,,雙用途：光子嫩膚 光子脫毛,光子嫩膚/脫毛儀,強脈沖光子專利技術的原理,光熱效應,強脈沖光能轉化為熱量，影響皮膚表面深部的膠原纖維和彈力纖維，使之重新排列，并恢復彈性，從而達到消除皺紋，縮小毛孔的治療效果,臨床適應癥（一）,一類光嫩膚： 良性血管性病變 毛細血管擴張 （酒渣鼻