生物組織的選擇性光熱解效應(yīng)

1、4l卷，第8期2004年8月激光與光電子學(xué)進(jìn)展Vo141NO8Aug2004生物組織的選擇性光熱解效應(yīng)謝樹森龔瑋李暉(福建師范大學(xué)激光與光電子技術(shù)研究所，福州350007)提要Anderson和Parrish所描述的選擇性光熱解效應(yīng)奠定了激光在非消融性皮膚美容外科的應(yīng)用基礎(chǔ)。隨著相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，非激光系統(tǒng)在美容外科中的應(yīng)用也Et益廣泛。對(duì)生物組織選擇性光熱解效應(yīng)作了評(píng)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(yīng)用前景。關(guān)鍵詞激光非激光選擇性光熱解效應(yīng)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(jì)80年代以來(lái)，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(duì)于激：器和輻射曝光參數(shù)的選擇是基‘臨床結(jié)果的比較而不是對(duì)光與：膚組織相互作用機(jī)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(duì)術(shù)后的低危險(xiǎn)以及較短復(fù)原時(shí)I的需求促進(jìn)了對(duì)激光與皮膚組作用機(jī)制的深入研究。1981年，Anderson和Parrish[ll過(guò)研究表明通過(guò)合理選擇激光I波長(zhǎng)、輻射曝光時(shí)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(huì)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(duì)皮下組織產(chǎn)生的選性熱破壞稱為選擇性光熱解效應(yīng)(selectivephotothermolysis)圈。選擇性光熱解效應(yīng)原理奠定了激

6、光在皮膚非消融性美容外科中的應(yīng)用基礎(chǔ)。激光波長(zhǎng)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(shí)間小于病損組織的熱弛豫時(shí)間使得在對(duì)病損組織形成選擇性熱破壞時(shí)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(dá)到所需的熱效應(yīng)溫度。隨著光、機(jī)、電技術(shù)進(jìn)步，基于選擇性光熱解效應(yīng)激光技術(shù)和傳輸系統(tǒng)在美容外科術(shù)中獲得了很大的發(fā)展。20世紀(jì)末在皮膚美容外科領(lǐng)域中開發(fā)出一項(xiàng)非激光系統(tǒng)的光子嫩膚新技術(shù)。它不是采用激光

7、輻射源，而是采用寬光譜(波長(zhǎng)在可見(jiàn)到紅外)的強(qiáng)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60178022)資助課題。射波長(zhǎng)、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(duì)于激光而言，在臨床應(yīng)用上具有更多的有利因素。2選擇性光熱解效應(yīng)的機(jī)理激光輻照生物組織時(shí)有部分被生物組織吸收導(dǎo)致發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)或明顯的升溫。激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用常常用到生物組織的熱效應(yīng)本

8、質(zhì)上，任何哺乳動(dòng)物的組織加熱到70～10022都會(huì)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(yīng)，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(shí)使畸形血管“凝固壞死”，減少色素對(duì)外觀的影響。如果皮膚中的病損組織對(duì)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(xué)進(jìn)展如果輻射曝光時(shí)間太長(zhǎng)，在輻

9、射曝光過(guò)程中正常組織的溫升可能超過(guò)熱破壞的閾值而造成損傷。因此，選擇輻射曝光時(shí)間時(shí)不僅要考慮生物組織的光學(xué)特性，還必須考慮其光熱轉(zhuǎn)換和傳輸特性如果曝光時(shí)問(wèn)小于病損組織的熱弛豫時(shí)間，那么在熱能傳遞給周圍正常組織之前已經(jīng)結(jié)束熱源其結(jié)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(duì)于均勻吸收的具有對(duì)稱性的病損組織，從熱傳導(dǎo)方程可以求出溫度作為位置與時(shí)問(wèn)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(shí)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(shí)間，對(duì)于直徑為d，熱擴(kuò)散率為的球形和圓柱形病損組織熱弛豫時(shí)問(wèn)分別為d7x和~／16x。常見(jiàn)的微血管病損，結(jié)構(gòu)類似圓柱形，直徑一般在30～150m，熱擴(kuò)散率約為13~10一scm2／s，它們的熱弛豫時(shí)間在1～lOms之間Dierickx等閻對(duì)病損微血管的實(shí)驗(yàn)研究證明了這一理論推導(dǎo)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(yīng)使病損組織升溫到7

11、0～I(xiàn)O0~C達(dá)到“凝固壞死”效應(yīng)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(jì)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(dá)病損靶組織的輻射曝光劑量可以通過(guò)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(yīng)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(jié)束時(shí)(病損組織升溫致破壞)；：輻射曝光后1個(gè)熱弛豫時(shí)間(病損組織降溫，正常組織升溫)；：輻射曝光后5個(gè)熱弛豫時(shí)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(shí)是“光學(xué)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(qiáng)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(shù)可以保證在治療時(shí)不損傷表皮的前提下采用最大的光劑量，使療效達(dá)到最佳的水平。22擴(kuò)展的選擇性光熱解效應(yīng)2001年前后，Altshuler等閻對(duì)非均勻吸收病損組織的選擇性光熱解效應(yīng)進(jìn)行研究。離體實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)非均勻吸收的病損組織，光波長(zhǎng)的選擇與經(jīng)典的選擇性光熱解效應(yīng)原理一樣，但在曝光時(shí)間的選擇上則不同。他們將這種理論稱為擴(kuò)展的選擇性光熱解效應(yīng)原理(exte

14、ndedtheoryofselectivephotothermolysis)。對(duì)于非均勻吸收的病損組織，各部分的光學(xué)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(shí)問(wèn)內(nèi)溫度明顯升高，達(dá)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(shí)間內(nèi)不能達(dá)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(kuò)散的形式從吸收較強(qiáng)的部分?jǐn)U散到吸收較弱的部分。對(duì)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(qiáng)的部分為中心的對(duì)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(qiáng)吸收體擴(kuò)散到較弱吸收體的時(shí)間定義為熱破壞時(shí)問(wèn)。研究表明對(duì)于非均勻吸收的病損組織，曝光時(shí)間要小于熱破壞時(shí)間；但是，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)典理論所描述的熱弛豫時(shí)問(wèn)3臨床前的實(shí)驗(yàn)31去皺紋傳統(tǒng)上用磨削術(shù)或化學(xué)脫皮術(shù)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(jì)80年代，激光開始用于換膚(r