光学医疗应用

激光技术在医疗领域的应用MedicalApplicationofLaserTechnology2013年4月提纲123激光相关概念原理介绍激光介质相互作用的效应激光在医疗科研中的应用近红外脑功能成像准分子激光角膜切削术光动力疗法光子嫩肤美国点火装置激光LaserLaserLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激发射光放大激光产生原理外界泵浦源激光谐振腔增益介质世界第一台激光器：红宝石激光器1960年5月15日，在美国加州休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太阳表面的4倍。激光和激光器的问世，被称为20世纪最重大的科学发现之一。激光：高斯光束220000002(,,)exp()()()wxyExyzAEwzwz激光应用领域工业医疗商业科研信息军事激光应用光和介质的相互作用光热效应光蚀除效应等离子体诱导蚀除激光生物效应光化学效应光机械作用分子吸收了外来光子的能量后激发的化学反应，如光合作用热量达到温热，凝结，汽化，碳化和熔融效应。紫外光产生的切除作用，高能量的紫外激光打断分子键的作用。（准分子激光治疗屈光不正高功率激光产生等离子蚀除高功率激光产生机械分裂和切割不同温度处组织的光热效应100度150度300度60度45度体温过高：当组织体温度处于42-50范围内的一种状态，此温度持续几分钟大部分组织将坏死凝结：体温达到60，蛋白质和胶原蛋白产生变性作用，组织凝结细胞坏死，宏观上组织变暗。临床应用：治疗肿瘤的激光诱导间质热疗法。很少出血。汽化：水开始汽化并形成气泡，引起组织基团的机械破裂和热分解。可带走热，防止温度大量升高。碳化:组织开始释放碳，组织体变黑。熔融：局部温度达到300度，此事组织表面产生熔融物质和气泡。激光的两个参数IntensityLaserSpectrum组织的光学窗口OpticalWindowinTissueNearIRLightinthe700-900nmwavelengthrange(NearInfrared)canpenetrateintotissueupto5-6cmLightsourcesworkingwithinthisrangecanbeusedininvestigatingtheopticalpropertiesoftissue800nmSource:DetectschangesinBloodVolume850nmSource:Detectschangesinoxygenated-Hb([HbO2])750nmSource:Detectschangesindeoxygenated-Hb([Hb])近红外脑功能成像认识我们的大脑2.5～3.0毫米大脑•约140亿个细胞•重约1400克•大脑皮层厚度约为2--3毫米•总面积约为2200平方厘米•人脑中的主要成分是水，占80%•占人体体重的2%•耗氧量达全身耗氧量的25%•血流量占心脏输出血量的15%•一天内流经大脑的血液为2000升•大脑消耗的能量若用电功率表示大约相当于25瓦神经系统科学•语言认知的研究•运动区研究•老年性痴呆的研究脑功能研究对象心理学视觉刺激研究精神病学•抑郁及精神分裂等的研究新生儿科学•新生儿听觉、视觉及语言等成长障碍的早期发现与治疗•儿科学ADHD及智障的研究教育学44名地震幸存者虽毫发无损但脑部已产生异变四川大地震44名幸存者脑中控制情感的几个节点，如前扣带回、岛叶、尾状核、杏仁核、海马等区域，功能活动普遍比常人活跃。大脑外界刺激行为已有脑功能成像手段•目前，作为脑功能研究的手段主要有脑电图、fMRI（功能性磁共振成像）、PET、MEG等。•fNIRS：（functionalNearInfraredSpectroscopy）功能性近红外光学成像技术，通过生物体穿透性高的近红外光谱对脑功能进行无侵袭性测量。•其原理是通过三个特定波长的近红外光来测量大脑皮层的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白以及总血红蛋白的含量，从而表征大脑在接受外界刺激或思维过程中不同区域的反应和功能表达•大脑在思考的时候，血流量增加，当停止思考时，大脑血流量减小。fMRIPET血红蛋白血红细胞血红蛋白氧分子脑功能成像扩散光学层析(DOT:DiffuseOpticalTomography)实验布局图实验实例diffuseopticaltomography光学在眼科中的应用-激光治疗近视眼睛结构HowtheeyeworkCornea=LensCoverIrisandPupil=ApertureofCameraLens=Camera’sLensesRetina=Camera’sFilm角膜：镜头盖虹膜：光阑晶状体：透镜视网膜：探测器Howeyeworks?近视远视散光老花眼激光治疗区光不正原理Cornea角膜DesiredCornealsurface理想曲面Tissuetoberemoved需去除组织部分近视MyopicablationCornea角膜DesiredCornealsurface理想曲面Tissuetoberemoved需去除组织远视Hyperopicablation激光治疗区光不正原理准分子激光角膜切削术激光脉冲吸环装置LASIK:Laser-AssistedInSituKeratomileusis得到美国FDA认证•准分激光是一种气体脉冲激光•波长为193nm•此波长的吸收范围窄，能量几乎完全被角膜上皮细胞和基质吸收，超过这个范围的组织不会吸收到激光•每一个激光脉冲可以切削0.2到0.25um厚度的生物组织•光化反应：分子之间的结合键断裂，将组织直接分离成挥发性的碎片而消散无踪，对周围组织则没有影响，达到对角膜的重塑目的，能精确消融人眼角膜预计去除的部分空间精确度达细胞水平，不损伤周围组织。准分子激光对近视的矫治就是用准分子激光切削角膜中央前面，即去除角膜基质层，使角膜表面变得比原来平坦一些，弯曲度减少、使眼部成像的焦点落在视网膜上，以达到矫正近视的效果，这就如同把隐形眼镜的度数精确地刻在角膜上一样。所谓远视是指在无调节状态下，平行光线经眼屈光系统的曲折后，焦点聚在视网膜之后，没有形成清晰物像，导致看近处模糊，易疲劳。那么，准分子激光对远视的矫治就是用准分子激光切削角膜中心区周围基质层，使角膜表面变得比原来突起一些，弯曲度增加，使眼部的成像焦点落在视网膜上，以达到矫正远视的效果。手术原理是先采用自动微型角膜板层系统在角膜表面制作一带蒂的板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用准分子激光电脑控制多步分区进行角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。这种方法保留了角膜上皮和前弹力层的完整性，用193纳米准分子激光切削角膜基质，避免了术后雾状混浊的发生Step1.负压环吸引固定眼球，放角膜上方AsuctionringiscenteredoverthecorneaoftheeyeLASIK工作步骤Step2:自动式微型角膜刀沿轨道旋转推进，制作角膜瓣ThemicrokeratomecreatesapartialflapinthecorneaofuniformthicknessStep3:翻开角膜瓣，暴露角膜基质Thecornealflapisfoldedbackonthehingeexposingthemiddleportionofthecornea.Step4:应用准分子激光照射角膜中央区。Theexcimerlaseristhenusedtoremovetissueandreshapethecenterofthecornea.Step5:角膜瓣复位，无需缝合Inthefinalstep,thehingedflapisfoldedbackintoitsoriginalposition.LASIK工作视频光动力疗法（photodynamictherapy）光敏剂：一类分子，只吸收光子并将能量传递给那些不能吸收光子的分子，促使其发生化学反应，而本身则不参与化学反应，恢复到原先的状态。光动力反应:有氧分子参与的伴随生物效应的光敏反应原理是：病变细胞与光敏剂结合，在外界光激发后产生氧自由基、单态氧等物质，损伤细胞膜和血管内皮细胞，选择性的杀伤病变细胞而达到治疗目的。光动力疗法光动力作用三大要素作用原理S1光敏剂基态GroundstateT13O21O2激发光光敏物质受到光激发时，吸收光子能量，由基态变成激发态，处于激发态的光敏物质很不稳定，化学退激过程生成大量活性氧，其中最主要的是单线态氧，活性氧能与多种生物大分子相互作用，损伤细胞结构或影响细胞功能。光敏剂光敏剂的三个条件：(1)自己能首先被光照射激活；(2)在体系中有足够的浓度，且能吸收足够量的光子；(3)必须能把自己的能量传递给反应物。光敏试剂一般是芳香族酮类和安息香醚类①对生物体安全无毒；②药物能被癌组织特异性吸收和贮存；③荧光效应强，皮肤光毒作用少；④易排泄无积累，副作用小。国际：photofrin，photosan，ALA国内：HpD（血卟啉衍生物）制剂，ALA激光光源研究开发光敏剂和相应的特定波长的光源是推广应用光动力疗法的两个主要任务。在光动力疗法应用初期，人们利用有各种灯泡或加装滤色片的灯来获得所需的光源。随着激光技术的发展，多种激光器被用做光动力疗法的光源。倍频Nd:YAG激光器泵浦染料激光器氩离子激光器泵浦染料激光器铜蒸汽激光器泵浦染料激光器金蒸汽激光器氦氖激光器半导体激光器光动力疗法临床例子色素性皮肤病：鲜红斑痣（PWS)，有很好的治疗效果。光敏剂：HMME(hematoporphyrinmonomethylether)血卟啉单甲醚要求：500nm-580nm光源creamisappliedtotheskinforabout1hourexposedtoBlue,RedorPulsedyellowlightabnormalskincellsisremoved光动力疗法临床例子完全褪色(CR)光动力疗法临床例子大部褪色(ER)光动力疗法临床例子光动力疗法治疗黄斑病黄斑介绍1黄斑：在眼底视神经盘的颞侧0.35cm处并稍下方，处于人眼的光学中心区，是视力轴线的投影点。由于黄斑处于人眼的光学中心，因此眼睛所注视的目标则投影于黄斑区的中央凹处。2•人眼的视力检查，就是查黄斑区的视觉能力。•黄斑区以外的视网膜视力是极其低下的。3当人体死亡或眼球脱离人体后，黄斑区呈现为淡黄色，因此而被命名为黄斑黄斑视频老年性黄斑退化症(AMD:Age-RelatedMacularDegeneration)老年性黄斑病变：发生在眼底视网膜黄斑部的一种病变，视网膜色素上皮的代谢功能衰退引发，常一眼先发病，最终双眼受累。随年龄增加而发病率上升并导致视力明显下降的疾病，具有致盲性。与黄斑区长期慢性光损伤，脉络膜血管硬化，视网膜色素上皮细胞老化有关。临床上分为：萎缩性（干性）(90%病人)和渗出性（湿性）两种类型MacularDegenerationWetMacularDegenerationDry光动力治疗过程将光敏剂Visudyne注入血管，当其在眼内积累到一定量时，用一种特定的激光将光敏剂激活，激活的光敏剂释放大量的自由基和单态氧，破坏细胞结构，导致细胞的死亡，从而导致新生血管的萎缩，减少出血和液体的渗漏，达到稳定视力的目的。演示视频