激光与强脉冲光基础培训

激光与强脉冲光的基本原理及临床应用1960年：Maiman发明第一台红宝石激光，获得诺贝尔物理学奖激光发展历史Maiman,T.H.:1960,Nature,187,493.光的基础知识：分类电磁辐射是能量的一种基本形式具有波的特性和粒子特性电磁辐射波包括：无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X线、和咖玛线产生激光的基本要素：1.产生激光的物质(激光介质)2.激励源3.光学放大器激光是一种电磁波常见光源热灯丝或煤气燃烧宽带光谱（白色是所有颜色的混合）向各方向散发或许是连续的或脉冲的（“闪光灯”）有限聚焦性能激光发射原理自发辐射：在一个体系中，热平衡时低能级的粒子数总比高能级的粒子数目多。高能级的粒子总是向低能级跃迁而趋于稳定，多余能量转变为光子向外辐射。受激吸收：低能级的粒子如吸收外来光子的能量可激发到高能级上去。受激辐射：受激吸收后，高能级粒子向低能级跃迁同时，发射一个与外来光相同的光子。产生激光的条件：受激辐射＞受激吸收。电磁波Cynosure,Inc.波长=颜色振幅=强度激光的形成Cynosure,Inc.基态激发态激光的形成Cynosure,Inc.激发态基态受激吸收第一步激光的形成过程单个光子受激辐射两个相干光子第二步光的类型波形波谱滤色光激光白光激光的物理特性－高单色性：用于精确测量物体的长度。激光的物理特性－高定向性方向性：用于定位、导向、测距等。医学上用作普通手术刀和微手术刀（直接对DNA等生物大分子进行切割或对接）。普通光源：光射向四面八方探照灯：光投射到月球上（离地40万公里），光斑直径将扩大到1000公里以上。激光：光投射至月球上，光斑的直径散开只有两公里多。激光的物理特性－相干性：a.时间相干性:从激光器输出口不同空间发出的光位相差恒定,方向一致,波长相同,此种相干性称时间相干性。即从光源不同点发出的光有相干性称时间相干性。b.空间相干性:从光源同一点在不同时间发出的光如有恒定的位相关系,方向和波长也相同,此种相干性称空间相干性。激光的相干性用于全息照相、激光衍射激光的物理特性－高亮度性激光是目前世界上最亮的光源二氧化碳激光管比日光灯管亮度高100亿倍激光器的亮度可以做到比太阳表面亮度高1010倍医学上切割组织、气化表浅肿瘤都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。激光的特点___5.高能量密度能量在空间和时间上高度集中。激光武器；激光切割金属；炭化和气化组织。激光的颜色波长决定了激光的颜色，不同波长的激光表现为不同颜色的光为了获取不同波长的光，需要不同的激光介质激光器种类_激光器有很多种，可从不同角度分类：一、工作物质——1、气体激光介质是气体，如：CO2,He-Ne,Argon；2、液体激光介质是液体，如染料激光；3、固体激光介质是固体，如：钕：钇铝石榴石、红宝石、紫翠石、铒、钬；4、半导体激光器等如：GaAs。二、激励方式——电激励、光激励、热激励、化学激励激光器等三、工作方式——连续波、准连续波、脉冲(巨脉冲)、锁膜、调Ｑ激光器等四、激光波长——红外、紫外、可见光、射线激光器等激光器类型x-rayscosmicrays电视和收音机策波准分子倍频Nd:YAG铒:YAG190-390488-514532577-6307556941064294010600紫外的可见的红外线400nm700nm钬2100常见激光器及其特性类型名称工作物质波长(μm)激励方式特征气体激光器原子He-NeHe-Ne0.6328气体放电广泛分子CO2CO210.6气体放电高功率输出N2N20.3371气体放电无谐振腔离子Ar+Ar+0.4880气体放电常用作泵浦源He-CdHe-Cd0.4416气体放电固体激光器红宝石Cr3+－Al2O30.6943光泵浦应用广泛，可得到高功率输出Nd3+－YAGNd3+－YAG1.06光泵浦钕玻璃Nd3+1.06光泵浦液体激光器染料染料0.585激光泵浦波长可调半导体激光器GaAs/GaAlAsGaAs0.85电流注入短波长通信InP/InGaAsPInP1.30电流注入长波长通信激光的工作方式图连续激光准脉冲激光脉冲激光产生不同激光的方法：2.通过激光波长转换方法:1）应用非线性光学:倍频(SHG);3HG,4HG,5HG,OPO等2）固体染料波长转换片KTP晶体1064nm532nm激光计量及有关参数1.能量（E）概念：脉冲输出的激光器，其每一脉冲所具有的做功能力。单位：焦耳（J）相关参数：脉冲幅度--脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值脉冲宽度--脉冲的持续时间脉冲频率--周期性重复的脉冲每秒出现的个数脉冲周期--频率的倒数峰值功率--脉冲能量与脉冲宽度之比平均功率--脉冲能量与脉冲频率的乘积激光计量及有关参数2.功率（P）概念：连续输出的激光器在单位时间内所做的功。它表征激光器在每秒（S）内输出的能量。从光子水平上看，功率代表单位时间内通过的光子数。单位：瓦（W）或毫瓦（mW）W=J/smW=mJ/s激光计量及有关参数3.光斑面积（A）概念：通常指激光束落在受照组织表面的光斑的面积。单位：平方厘米（m2）测量方法：可见激光直接测量不可见激光用特殊的转换材料，显示其光斑大小高斯光斑取强度为幅值1/e2的两点间距离定义为光斑的直径激光计量及有关参数4.照射时间（T）概念：激光束照射于组织表面所持续的时间。单位：秒（S）相关参数：功率密度（P/A）---即幅照度，这是表示激光光强度的重要参数，表征单位面积受照组织所接受的光功率。从光子水平看，功率密度代表单位时间内通过单位面积的光子数。单位：瓦/平方厘米(W/cm2)激光计量及有关参数5.激光计量（D）概念：幅照到组织上能量密度的多少。单位：焦耳/平方厘米（J/cm2）以连续激光垂直照射，则：D=P/A·T以单位脉冲激光垂直照射，则：D=E/A如果激光束并非垂直而是以入射角θ照射组织，则：D=P/A·T·cosθD=E/As·cosθ上式表明，入射角θ越大，生物体所接受的激光剂量越小。由此可见，我们在用激光做治疗时，在一般情况下应尽量使光束与组织表面垂直。临床用激光做穴位照射或其他非损伤性照射治疗时，调节激光射剂量的最简便的方法是改变激光的照射时间。激光/光组织影响反射散射传输吸收组织内部光的吸收波长（微米）)1.00.21020100,00010,0001,000100101.00.10.010.0010.0001水黑色素血色素氧合血红素吸收系数(每厘米)CO2铒:YAG3.0组织光学(吸收光谱)皮肤色团光谱•血红蛋白(Hb)，氧合血红蛋白(HbO2),正铁血红蛋白(Met-Hb)都在585nm波长处有吸收峰.•水(Water)在此波长的吸收小很多量级.•色素(Melanin)是唯一的干扰因素.?组织光吸收曲线图中红外1100-2600nm被水完全吸收,而不被黑色素和血红蛋白吸收激光波长对应不同的目标靶基激光r工作波长皮肤靶基治疗类型Argon488色素PigmentLesionsDoubledNd:Yag532色素，血管Vascular,PigmentedLesionsCuVapor578血管VascularLesionsPulsedDye585-600血管VascularLesionsRuby694色素Hair,Pigmented,TattoosAlexandrite755色素，血管Hair,Pigmented,TattoosDiode800-810色素，血管Hair,VascularNd:Yag1060色素Hair,Pigmented,TattooErbium2940水EpidermalAblation白色肤的光学穿透(50%吸收深度单位mm)(nm)53258569475510602100294010,600穿透600120013001600800－20180激光倍频YAG脉冲染料红宝石翠绿宝石Nd:YAG钬铒CO2吸收体黑色素,血液血液,黑色素黑色素黑色素黑色素,血液水水水激光器指标波长:激光的颜色(nm)重复频率:每秒钟的脉冲数(Hz)脉冲宽度:激光脉冲持续作用的时间(ns,us,ms)激光功率:激光脉冲传输的能量值(mj,jouls)组织吸收的热量烟100OC及隐含热量汽化碳化皱纹90O-100OC空泡化白/灰65O-90OC组织变性漂白60O-70OC凝结(坏死)开端无50O-60OC温度视觉变化生物学变化热皮肤组织各级水平热致作用表━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━热致水平热致温度持续时间临床表现──────────────────────────────────热敷38～40℃长时间温热感觉热致红斑43～44℃长时间微血管充血扩张见红斑反应热致水疱47～48℃数秒炎性渗出物潴留皮内,表真皮分离热致凝固55～60℃约10秒受照处皮肤组织凝固坏死热致沸腾100℃以上数秒皮肤组织中的组织液沸腾热致炭化300～400℃瞬间可见呈棕黑色干性坏死组织,伴有水蒸气白烟热致燃烧530℃以上瞬间可见火光,伴有水蒸气白烟热致汽化5730℃瞬间皮肤由固体立即变成气体,并以极高的速度射出,留下一个凹陷,━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━“选择性光热作用”工作模式靶组织对激光的吸收系数应大于正常组织脉冲延迟时间小于靶组织热驰豫（即温度降至一半）时间激光能量足够大激光的生物效应激光照射于生物组织时，因其波长、强度、工作方式、曝光时间等参数的不同，可以表现出不同的生物学作用，就生物组织而言，则因其光学特性和热学特性不一，在不同参数的激光作用下可以产生不同的生物效应，包括：光热效应－－组织吸收光以后，光能转化为热能，使局部温度升高。应用:在手术治疗及非手术治疗上。◆光化学效应－－当光子给予生物大分子的能量，大于断开其弱键所需的能量时,就会发生化学反应.光热效应光子能量E=hC/λ(h:普朗克常数;C:光速;λ:光波长)产热机制：长波长光子---直接生热短波长光子---激发态电子以无辐射跃迁返回低能态时,所释放的能量使周围分子增加热运动,以及激发态电子并非直接返回基态,而是在众多复杂的能量差不大的能级之间分次逐级向下弛豫,每次只能释放较低的能量,而使周围的分子增加热运动.激光在手术方面的应用根据激光功率密度的不同:1.切割术—组织中水汽化导致的体积扩大压力增加,以及组织固有的张力而被分开而形成切口.2.气化术—组织中水分在瞬间被蒸发,干燥,凝固了的组织也随即燃烧而一并被蒸发去除.3.碳化术—以焦点以外一定大小的光斑,在一定的时间内连续的照射组织,使受照组织发生干性坏死和炭化,外观呈综黑色.激光在手术方面的应用4.凝固术—以焦点以外相应大小的光斑,把功率降低至适当水平,连续的照射组织,使受照组织在保持上皮完整,不产生缺损和碳化的基础上出现热凝固坏死.外观由灰白色渐变为灰褐色。5.激光组织间热疗法—让激光通过插入组织内的光纤维对组织进行加热，使组织内温度升至60°C以上，并持续照射一定时间,使该组织凝固坏死。已应用于治疗肿瘤。6.光热敷—利用功率密度约为150-800mW/cm2的低强度激光对病灶局部产生一种温热的感觉，犹如热敷。光化学作用产生条件：光子给予生物大分子的能量断开其弱键所需的能量全过程：生物分子吸收相应能量的光子→外层价电子被激发跃迁至电子激发态→在其驰豫返回基态时释放出的能量消耗在某一化学键的断裂和新键的形成上→生成稳定的最终产物光动力疗法（PDT）原理：光敏剂进入靶组织→受到接近光敏剂发射光谱峰值波长的光照射→光敏剂被激发→光敏剂把能量转移给靶组织中的分子氧→靶组织中的分子氧被激发为强氧化剂（单态氧）→单态氧使靶组织的生物膜产生过氧化损伤→靶组织破坏常用光敏剂HPD（血卟啉衍生物）DHE（双血卟啉酯）酞花菁染料脱镁叶绿环类癌光啉（PSD-007）光敏素ⅡmTHPC（间四羟基氯苯酚）卟啉合成物的母体ALA（5氨基-γ-酮戊酸）进入靶组织方式：静脉给药动脉给药组织内注射局部敷贴光化学效应的临床应用产生条件：•低光