激光原理与技术--第八章-激光在医学中的应用

激光在医学中的应用目录激光医学的形成组织吸收光的波长激光的效应激光医学应用领域一般医用激光器及其用途一、激光医学的形成1961年,Campbell首先将红宝石激光用于眼科学,被用来治疗视网膜脱落,1963年,Goldmann将其应用于皮肤科学,利用激光刀切割肿瘤,1964年,匈牙利医生Mester首先将红宝石激光用于生物刺激。1965年,Polanyi和Kaplan将二氧化碳激光作为光学手术刀成功地进行了实验,此后,二氧化碳激光逐渐在医学各个领域确立了自己的地位。1971年,Nath发明了一种光纤,利用这种光纤,他和Kiefhaber在1973年通过内镜技术成功地把激光导入动物的胃肠道。自此以后,无创导入技术飞速进展。1975年,美国的Dwyer和德国的Fruhmorgen分别利用氩离子激光成功地为患者治疗了胃出血。1976年,Hofstetter激光用于泌尿科学。1979年,Choy申请了利用激光治疗动脉硬化的专利。一、激光医学的形成由于激光器具有切割、凝固、汽化、打孔、截骨等功能,70年代医学激光治疗机在临床各科得到广泛应用。激光以其特有的优越性解决了许多传统医学的难题。医用激光器作为手术治疗的器械,已充分显示了它的优越性。1981年,联合国世界卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支。二、组织吸收光的波长组织对光的吸收与组织的分子结构和吸收光谱有关,但主要依赖于激光的波长紫外光主要被蛋白质吸收可见光被血色素、黑色素和其它的色素吸收,700～900nm被称作生物组织光学窗口,在此波段范围,组织对光的吸收最少。而红外光主要是被水吸收。三、激光的效应1热效应强激光照射生物组织时,瞬间可产生几百度甚至上千度高温,其热效应可使生物组织的蛋白质变性凝固,甚至组织炭化或气化。2机械效应由激光照射产生的机械作用可分为两部分：一次压强，即激光本身的辐射压力对生物组织产生的压强。因为激光能量密度高,因而会产生很大辐射压力即光压,激光产生的压强可达104～105帕斯卡;二次压强生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强。在临床上,利用激光引起的压强作用可治疗多种疾病,如眼科中的压力打孔等。激光的效应3光效应色系组织(特别是黑色)对激光的吸收作用是选择性的,由此引起的破坏作用很大,利用这一效应,可在需破坏的组织上先进行组织染色,然后再进行激光组织照射,即可获得最佳效果。4电磁场效应激光是一种电磁波,因此激光产生电场、磁场,当激光光功率密度为5×1014W/cm2时,产生的电场强度可达4×1010V/m,在此强电场作用下,生物组织会产生电离,使该处的组织细胞受到破坏。激光的效应5光化学效应是指物质的分子吸收了外来光子的能量后激发的化学反应。激光作为一种能量高度集中、单色性极好的光源,它还可以发生一些普通光不能引起的光化学效应。光致化学反应大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化4种主要类型。激光的效应6生物刺激效应当低功率激光(lowleverlaser)照射生物组织时,不对生物组织直接造成不可逆性的损伤,而是产生某种与超声波、针灸、艾灸等机械的和热的物理因子所获得的生物刺激相类似的效应,称为激光生物刺激效应。利用激光的特性,以及它与生物组织相互作用过程中的特异规律,可以用于研究、诊断和治疗疾病。例如,自20世纪70年代起,医生就已经利用激光干涉术、激光透照术和激光偏振技术等,来测量血液、尿液和人体其他组织的成分、微量元素的含量,以及识别和分辨细胞是否病变或癌变;用强激光束,可对病灶施行凝固、汽化和切割等手术,与传统的解剖刀比,激光刀不出血或少出血;用弱激光照射人体组织,可达到理疗照射治疗或光针灸治疗的作用,与传统理疗中的光疗比,激光的疗效显著提高,且适应证更加广泛。激光医学应用领域激光医学在临床上的应用主要分为三大部分,包括:①激光在基础医学研究中的应用,主要是通过激光与人体器官组织、细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。②激光诊断,是以激光作为信息载体,利用激光单色性好的特点,对组织病理形态、病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。③激光治疗,是以激光作为能量载体,利用激光对组织的生物学效应进行治疗,多年来,激光技术已成为临床治疗的有效手段,也成为发展医学诊断的关键技术。激光医学应用领域1弱激光治疗弱激光以其特有的生物作用被用于治疗几十种疾病。其方法又分为3种,即激光理疗(以弱激光为物理因子进行原光束、扩束、光纤与腔内照射的物理疗法)、激光针灸(以弱激光光束直接照射穴位,兼有针与灸的作用)与弱激光血管内照射疗法(以弱激光光针插入静脉照射循环血液的疗法)。2.激光纤维内窥镜借助于光纤，可以把激光引入人体内部用激光施行手术，避免一些剖腹的大手术。低功率激光的应用弱激光对生物组织有刺激、镇痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位，可产生类似针炙的效果。激光医学应用领域2高强度激光手术以激光束代替金属的常规手术器械对组织进行分离、切割、切除、凝固、焊接、打孔、截骨等以去除病灶以及吻合组织、血管、淋巴管、神经等。手术用激光治疗机统称光刀。激光手术具有不出血或出血少、感染机会少、手术时间短、精确度高等优点,在处理外科疾病中,已经开始部分地用激光刀代替钢刀进行手术。激光刀还能通过光导纤维进入人体内施行手术而不用剖腹等开腔手术,能透过眼屈光介质对眼底施行手术而不用切开任何部位,这是传统手术做不到的。1.激光刀是用光学系统聚焦的激光束作用于生物体组织，在短时间内使之烧灼和气化。当光束以一定速度移动时，能把组织切开，起到手术刀的作用。激光的能量还能烧结封闭组织中的血管、淋巴管，减少出血量，在做肿瘤手术时也可防止肿瘤扩散。脉冲激光作用时间短（小于千分之一秒），可以用作精细的眼科手术，病人的眼睛还来不及转动，“刀”已经下去了，不会伤及其它部位。同时激光刀与手术部位是非接触性作用，因而是自身消毒的手术。激光医学应用领域2.1激光心肌血管重建术。激光心肌血管重建术是目前代替常规治疗的一种有效手段。利用激光与心肌组织产生的热效应,用高强度激光束在缺血的心肌区内打数个微孔,通过这些微孔把心腔内的血液引回到心肌区域,改善心肌血液微循环来达到治疗的目的。2.2激光碎石术。肾结石和胆结石激光碎石法原理是利用光纤将脉冲激光引入到体内结石的部位,对着结石发射脉冲激光,结石吸收了激光的能量之后,产生冲击波,将结石震碎。激光医学应用领域2.3激光眼科手术。眼科是激光应用到医学上最早的,也是最成熟的学科,而且还在迅速发展着。目前,激光已经应用于屈光性角膜切除术（PRK）、角膜原位磨镶术（LASIK）、虹膜切除术、巩膜切除术和眼底组织凝固术等领域。用于治疗眼科疾患的激光有氩离子激光、氪离子激光、染料激光、调Q的YAG激光、半导体激光(diodeLaser)、氟化氩(ArF)准分子激光、钬激光(Holmium:YAGLaser)等。PRK是利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内的分子链,造成非热致汽化来改变角膜的厚度和曲率,以治疗近视、远视和散光。该疗法损伤小、切割精细安全,对近视曲光度在600°以下、散光度不大于500°的患者有较好的疗效。LASIK是先于手术刀在角膜前部区域内切开一皮瓣层,然后用准分子激光切削角膜瓣下的角膜基质层,永久性地改变角膜形状。切割完毕后,将切开的角膜恢复到原位,不需缝合,术后角膜自然愈合,且颇光滑。LASIK是一种效果稳定的屈光矫正治疗方法,这种方法较PRK更安全,效果也更好。近年来,该方法已成为美国治疗近视的主要手术方法。近年,由美国加利福尼亚Intralase公司开发研制的飞秒激光刀是一种新型眼科设备,主要用于LASIK手术,是继准分子手术后的又一次革命。飞秒激光低能量、小损伤以及严格的空间定位特点，就像一把锐利而精密的手术刀，非常适合于生物组织的超精细切割。1999年，密歇根大学超快科学研究中心的科研人员发展了一种利用超快激光对人眼角膜进行清洁、高精度眼科手术切割的新方法。在视觉折射率修正手术中，他们采用工作波长为1060nm、脉宽为800fs、脉冲重复率为2kHz、最高脉冲能量40μJ的飞秒激光，代替传统的机械刀来对角膜覆盖物实施更加精密的切割，如下图所示。这种技术减少了不均匀切割的机会，也减少了相关边缘组织破坏的机会，降低了传统手术的危险性，改进了医疗安全。现在科学家们正在努力将这种系统用于青光眼及白内障等手术中。飞秒激光对角膜覆盖物实现精密切割激光医学应用领域2.4激光修复牙齿。铒激光器依工作性质不同可发出波长分别是2.194μm和2.178μm的红外激光,它能切割牙釉质、牙本质、龋坏组织和软组织。此波长接近水吸收曲线及羟基磷灰石吸收红外线峰值。这类激光可以被水强烈吸收,产生光电解效应,使水温急剧上升,蒸汽压从组织分子中放出产生微小的爆炸,结果升温的靶组织被爆裂性的去除。无痛和无损伤医疗与长脉冲激光相比，飞秒激光能量高度集中，作用期间几乎没有热量传输效应，因此也不会引起周围环境温度的上升，这在激光手术医疗应用方面非常重要。数度的温度上升一方面会在瞬间变成压力波传到神经细胞产生痛感，另一方面可能会对生物体组织造成致命伤害。因此，飞秒激光可以实现无痛和无损伤的安全治疗。对于人体中质地坚硬的钙化组织的治疗，如牙齿等，一般采用机械钻孔或Er:YAG激光烧蚀方法。这两种方法容易造成钙化组织破损或者产生裂纹，为牙齿进一步腐烂提供了条件，而且必须避免长时间的连续接受治疗。飞秒激光不会带来任何损伤，如下图所示。长脉冲激光（a）和飞秒激光（b）在牙科治疗中的比较激光医学应用领域2.5激光美容。光纤激光美容术是近几年来发展较快的一种激光医疗新技术,激光可去除和改善影响美观的瑕疵或缺陷,如激光治疗鲜红斑痣,激光治疗纹身及激光去皱等。激光医学应用领域3激光动力学疗法(光化学疗法)已经应用于神经系统肿瘤、消化系统肿瘤、呼吸系统肿瘤、颅内肿瘤和妇科肿瘤的诊断和治疗中。由于激光的光动力疗法和激光荧光光谱在肿瘤的诊疗中显著优点,正在逐步取代传统的治疗方法。在机体内注射某种光敏物质,由于肿瘤和正常细胞与光敏物质的亲和力不同,使光敏物质只集中在肿瘤组织中,然后用高功率激光照射肿瘤区域,通过光化学作用杀死肿瘤细胞,杀伤具有选择性,对正常组织损伤小。该疗法最大的优点是经过光动力作用后,肿瘤组织坏死、脱落,而肿瘤周围的正常组织不受影响而保留下来,所以是较好的治疗方法。目前这方法已用于早期肺癌和食道癌的治疗。激光医学应用领域4激光诊断1964年,Mcnary和Lithwick等分别报道了用激光微区发生光谱测量表皮及骨组织中的元素含量。1965年低功率气体激光器在视网膜产生干涉环来测量视网膜的视敏度。1966年,Knoll用激光散斑现象测定人眼屈光不正。上世纪70年代,激光多普勒技术、激光荧光光谱法及激光拉曼光谱法开始用于医学。随着激光技术与计算机技术的发展与结合,出现了许多令人瞩目的新诊断方法及诊断仪器。激光诊断技术为诊断学向非侵入性、微量化、自动化及快速化开辟了新途径。日本研制的一种激光仪器,采用很弱的近红外激光照射患者头部以获得大脑皮层的二维图像,分析这些图像可以了解癫痫期大脑活动类型,有助于发现病灶。利用激光进行基础医学和疾病的检测诊断可以利用相应的激光仪器，研究细胞、亚细胞和大分子的结构以及一些特殊细胞的生物学过程，例如可以借助于激光微束仪，把激光束聚焦到0.5μm-1.0μm，用以切割和焊接细胞，研究生物的遗传规律激光医学应用领域5激光在中医治疗学中的应用传统的中医学与激光技术和其它先进科学技术相结合,将形成一门新兴的交叉学科——光子中医学。根据激光对生物组织的弱刺激作用和生物组织的超微发光特性,在利用激光针灸、激光血管内照射和对生物超微发光的检测来诊断和治疗疾病方面,已经取得了许多的成果临床应用表明,利用半导体激光穴位照射与针刺对血管性痴呆症的治疗有很好的疗效,对患者的智能及症状有明显的改善作用。低能量激光穴位照