生物組織的選擇性光熱解效應

1、4l卷，第8期2004年8月激光與光電子學進展Vo141NO8Aug2004生物組織的選擇性光熱解效應謝樹森龔瑋李暉(福建師范大學激光與光電子技術研究所，福州350007)提要Anderson和Parrish所描述的選擇性光熱解效應奠定了激光在非消融性皮膚美容外科的應用基礎。隨著相應技術的發(fā)展，非激光系統(tǒng)在美容外科中的應用也Et益廣泛。對生物組織選擇性光熱解效應作了評述，并提示伴隨著研究的深入開展，激光和非激光系統(tǒng)在皮膚美容外科有更加廣

2、闊的應用前景。關鍵詞激光非激光選擇性光熱解效應非消融性SelectivePhotothermolysisinBiologicalTissueXIEShusenG0NGWeiUH(InstituteofLaser＆OptoelectronicsTechnology，F(xiàn)ujianNormalUniversity，F(xiàn)uzhou350007)AbstractTheapp~cationsoflasersinaestheticnonablation

3、surgeryarebasedonselectivephotothermolysisde—scribedbyersonandParrishNonlasersystemsarenowmoreandmoreusedinaestheticsurgeryInthispaper，webrieflyrenewthemechanismsofselectivephotothermolysisTherewillbemoreapplicationspros

4、pestoflaserandnonlasersystemsforaestheticsurgeryinfutureKeywordslasernonlaserselectivephotothermolysisnonablation引言自20世紀80年代以來，激光：皮膚外科尤其是美容外科中的用獲得迅速發(fā)展。但是對于激：器和輻射曝光參數(shù)的選擇是基‘臨床結果的比較而不是對光與：膚組織相互作用機制及皮膚組光熱特性的理解。因此臨床中有造成正常組織的非

5、特異性凝l壞死，產(chǎn)生明顯副作用。患者對術后的低危險以及較短復原時I的需求促進了對激光與皮膚組作用機制的深入研究。1981年，Anderson和Parrish[ll過研究表明通過合理選擇激光I波長、輻射曝光時間和曝光劑量使表皮下的微血管病損被選擇：地破壞而不會造成表皮層和周J正常組織的非特異性凝固壞死次將這種對皮下組織產(chǎn)生的選性熱破壞稱為選擇性光熱解效應(selectivephotothermolysis)圈。選擇性光熱解效應原理奠定了激

6、光在皮膚非消融性美容外科中的應用基礎。激光波長與病損組織的吸收帶精確匹配使其最大限度地吸收能量以獲得最佳效果：脈沖激光的輻射曝光時間小于病損組織的熱弛豫時間使得在對病損組織形成選擇性熱破壞時不損傷表皮層和周圍正常組織：曝光劑量需滿足使病損組織達到所需的熱效應溫度。隨著光、機、電技術進步，基于選擇性光熱解效應激光技術和傳輸系統(tǒng)在美容外科術中獲得了很大的發(fā)展。20世紀末在皮膚美容外科領域中開發(fā)出一項非激光系統(tǒng)的光子嫩膚新技術。它不是采用激光

7、輻射源，而是采用寬光譜(波長在可見到紅外)的強脈沖光源并配有濾光裝置和冷卻系統(tǒng)。光子嫩膚儀的輻收稿日期：2004—05—10基金項目：國家自然科學基金(60178022)資助課題。射波長、能量密度、脈沖數(shù)和脈沖間的延遲在一定范圍內(nèi)可根據(jù)需要組合，因此相對于激光而言，在臨床應用上具有更多的有利因素。2選擇性光熱解效應的機理激光輻照生物組織時有部分被生物組織吸收導致發(fā)生光化學反應或明顯的升溫。激光在生物醫(yī)學中的應用常常用到生物組織的熱效應本

8、質(zhì)上，任何哺乳動物的組織加熱到70～10022都會引起蛋白變性產(chǎn)生“凝固壞死”(coagulationnecrosis)在皮膚美容外科中，通常用到“凝固壞死”這一熱效應，例如在去除皺紋治療中，使真皮層原有膠原蛋白“凝固壞死”，促使合成新膠原蛋白：在治療鮮紅斑痣時使畸形血管“凝固壞死”，減少色素對外觀的影響。如果皮膚中的病損組織對光輻射產(chǎn)生選擇性吸收并將產(chǎn)生的維普資訊第41卷第8期2004年8月激光與光電子學進展如果輻射曝光時間太長，在輻

9、射曝光過程中正常組織的溫升可能超過熱破壞的閾值而造成損傷。因此，選擇輻射曝光時間時不僅要考慮生物組織的光學特性，還必須考慮其光熱轉換和傳輸特性如果曝光時問小于病損組織的熱弛豫時間，那么在熱能傳遞給周圍正常組織之前已經(jīng)結束熱源其結果是病損組織迅速升溫形成熱破壞，而周嗣正常組織的溫升不足以形成熱破壞。對于均勻吸收的具有對稱性的病損組織，從熱傳導方程可以求出溫度作為位置與時問的函數(shù)。輻射曝光前后病損組織和周圍正常組織的溫度變化情況如圖3所示。

10、定義熱弛豫時間為具有高斯溫度分布的病損組織的中心溫度降低50％的時間，對于直徑為d，熱擴散率為的球形和圓柱形病損組織熱弛豫時問分別為d7x和~／16x。常見的微血管病損，結構類似圓柱形，直徑一般在30～150m，熱擴散率約為13~10一scm2／s，它們的熱弛豫時間在1～lOms之間Dierickx等閻對病損微血管的實驗研究證明了這一理論推導13輻射曝光劑量的選擇病損組織吸收熱能后引起溫度升高。在皮膚美容外科的治療中應使病損組織升溫到7

11、0～IO0~C達到“凝固壞死”效應輻射曝光劑量定義為人射到空間一給定小球上的總輻射能除以該球的橫截面積【6】。病損靶組織吸收能量后升高的溫度可由下式AT=AE／V~pc計算出。上式中為病損靶組織吸收的能量，P為密度，C為比熱，為體積。因此，到達病損靶組織的輻射曝光劑量可以通過選擇性熱破壞病損組織所需的溫度增量△及病損靶組織的橫截面積求出由于如前所述，表皮層中的黑田氫75Vo14l_NO8Aug2004一‘一一：：。凝固壞死一’’‘‘一l

12、=：：二圖3選擇性光熱解效應中生物組織的溫度分布。：輻射曝光前(室溫下組織體溫度)；。：輻射曝光結束時(病損組織升溫致破壞)；：輻射曝光后1個熱弛豫時間(病損組織降溫，正常組織升溫)；：輻射曝光后5個熱弛豫時間(病損組織溫度趨向正常組織溫度)色素在治療皮下病損時是“光學屏障”，而使表皮層受到熱破壞。為了使病損組織得到最大的光輻射劑量而不損傷表皮層，1982年GilchrestBA等【7】首先使用了皮膚冷卻系統(tǒng)，以減少皮膚表皮損傷。目前使

13、用的非相干強脈沖光系統(tǒng)便采用了接觸冷卻裝置，治療靶位的溫度保持在0℃上下采用這種冷卻技術可以保證在治療時不損傷表皮的前提下采用最大的光劑量，使療效達到最佳的水平。22擴展的選擇性光熱解效應2001年前后，Altshuler等閻對非均勻吸收病損組織的選擇性光熱解效應進行研究。離體實驗表明，對非均勻吸收的病損組織，光波長的選擇與經(jīng)典的選擇性光熱解效應原理一樣，但在曝光時間的選擇上則不同。他們將這種理論稱為擴展的選擇性光熱解效應原理(exte

14、ndedtheoryofselectivephotothermolysis)。對于非均勻吸收的病損組織，各部分的光學吸收系數(shù)不相同吸收系數(shù)較大的部分獲得更多的熱能，在病損組織的熱弛豫時問內(nèi)溫度明顯升高，達到熱破壞所需的溫度；而吸收系數(shù)較低的部分獲得的熱能不足，在熱弛豫時間內(nèi)不能達到熱破壞所需的溫度，造成病損靶組織不能完全破壞。要使光與吸收系數(shù)較小的病損組織也被熱破壞必須使熱能以熱擴散的形式從吸收較強的部分擴散到吸收較弱的部分。對于非均勻

15、的病損組織如果吸收較弱的部分是以吸收較強的部分為中心的對稱體(例如毛囊和血管)，那么，病損組織可以被選擇性地破壞。他們將熱能從較強吸收體擴散到較弱吸收體的時間定義為熱破壞時問。研究表明對于非均勻吸收的病損組織，曝光時間要小于熱破壞時間；但是，遠遠大于經(jīng)典理論所描述的熱弛豫時問3臨床前的實驗31去皺紋傳統(tǒng)上用磨削術或化學脫皮術治療皮膚皺紋，但是這兩種療法的操作不易控制，療效亦不穩(wěn)定，而且有明顯的副作用20世紀80年代，激光開始用于換膚(r