激光在医学中的应用

激光在医学中的应用

摘要:激光自诞生以来，就给我们的各行各业带来了具大的飞跃，其中在医学方面的应用更是促进了医学的进一步发展，使某些疾病得到了更好的治疗。未来激光一定会在医学上得到更进一步的应用。 关键字：激光，医学，应用 一、 激光

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又非常非常重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光在医学上的应用主要分三类：激光生命科学研究、激光诊断、激光治疗，其中激光治疗又分为：激光手术治疗、弱激光生物刺激作用的非手术治疗和激光的光动力治疗。

二、 激光与生物体的相互作用 1、 生物体的光学特性

假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的吸收物质（ a0为吸收系数，见图1 ），入射深度为X处的光强度I为

II0expa0x

在不能忽略散射的条件下，上式可用衰减系数at和散射系数as改写为 II0expatx

atas

a0

图1 生物体中的光衰减特性

如图2（a）所示，单一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在。但是如图2（b）所示的多重散射时（反复多次散射），光在生物体内扩散，变得近似于各向同性散射。

图2

如图3所示的是软组织中各种激光波长的光穿透长度的大致数量。光穿透长度在近红外附近较大，在3μm以上的红外域或300nm以下的紫外域中较小。组织的种类不同，光穿透长度对波长的依赖性也变化。

图3 软组织中各种激光的穿透深度

如图4所示为生物体与光的各种相互作用的示意图

由图5可知，在700～1500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。

图4生物体与光的各种相互作用的示意图

图5软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系

2、

激光对生物体的作用

如图6所示，激光对受照生物体的作用有热力作用、激光消融、化学作用、机电作用。

图6激光对受照射生物体作用

其好处有：局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。

对生物体应用激光的优点：人们生活在光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处很少；利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；高度的方向性使其聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能；光与生物体的相互作用丰富，至今被利用的只是很少的一部分，前景光明。 三、 激光在临床治疗中的应用 1、 激光临床治疗的种类与现状

临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类就是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。

2、 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用

激光治疗是适当地调整照射条件,在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。痔的种类和部位（深度）不同时，激光照射条件也大不一样，

因此治疗前准确地进行诊断是很重要的问题。图7所示为皮肤组织。

图7 皮肤的断面构造示意图

3、 激光在眼科中的应用 1）眼底治疗

图8所示的是眼构造，图9中所示的是眼睛对光的聚光特性

图8眼的构造

图9 眼睛中光的聚光特性示意图

2）近视治疗中的应用

治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折光率（矫正）的过程。图10所示为采用激光角膜手术的示意图。

目前近视矫正有对角膜表面进行二维切削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRK方法和将角膜表

面放射状切开 图10激光角膜手术的示意图

的RK方法两种。但目前以副作用小的 PRK方法为主流。光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nmArF准分子激光器。 4、 激光在耳鼻喉科中的应用

目前，激光在耳鼻喉科领域的研究，主要包括两个方面：内耳 耳蜗方面的显微外科和气管激光手术。 5、 激光在泌尿外科中的应用

在1990年后角度光导纤维的发明后，各种光导纤维和激光设备都被尝试用来进行激光前列腺切除术。最常用的激光是Nd：YAG激光，当然其他激光如KTP:YAG激光、半导体二极管激光和最近的Ho：YAG激光都可用来治疗BPH。 6、 有以下三种技术用来切除前列腺 1）经尿道激光诱导的前列腺切除术

该系统包括经尿道进入的激光探针(偏屈的光束可以达到90°)，一个7.5MHz适时超声换能器以及一个Nd：YAG激光发生器。 2）直视下激光前列腺消融术

使用侧面发射光导纤维，以造成有效的凝固性坏死和组织汽化。UrolaseTM是目前使用和评价最多的非接触性纤维，它能够在预先设定的点上通过照射造成组织的凝固。 3）间质内凝固

该方法使用特殊的光导纤维，能够反复、直接地刺入前列腺，

照射后能够产

生大范围的凝固性的坏死及其后的萎缩，而且组织不会发生腐烂现象。 7、 最新的技术－间质激光光凝术

在影像学设施的导引下，通过经皮穿刺针将光导纤维送到器官的病损中心，并通过此设备传导激光。本治疗方法的关键在于将光导纤维放置到正确的部位，恰到好处地将治疗的部位和所使用激光造成坏死的程度进行严格匹配，并确认正常和不正常的区域都能够安全地愈合。所以整个过程取决于显像。

乳房癌是一种潜在的应用领域。对于小的乳房癌使用间质激光光凝技术可以取代肿块切除术，这样不会留下疤痕或者外观畸形，同时因为方法简单，可以作为门诊手术在局麻下进行。

间质激光光凝术主要应用于任何实质性器官的明确定性的病损，而且该技术可以被良好地定位，对于周围正常组织也没有任何不良损害。 8、 光动力学治疗

某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，因此给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗（PDT:photodynamic therapy）或光化学治疗。

使用的光敏感性物质有血卟啉衍生物（HpD），如图11所示，它在紫外域上具有称为Soret带的强的吸收带，又在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带。

图11 光敏感物质(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光谱

图12中所示的是光动力治疗的反应机制的示意图。

图12 光动力治疗的反应机制的示意图

四、 激光在生物体检测及诊断中的应用 1、 利用激光的生物体光谱测量及诊断 1） 利用近红外光谱的代谢功能测量

如图13所示，血红蛋白被氧化的状态(oxy-Hb)与脱氧化的状态(deoxy-Hb)的吸收光谱具有微妙差别。在600～800nm范围氧化血红蛋白的吸收小而呈鲜红色，而在800nm以上脱氧化血红蛋白的吸收小，从测量它们各自吸收率的不同可以知道组织的氧化程度。

图13 血红蛋白的吸收光谱

2）利用荧光光谱确定病变部位

在生物体组织上照射激光时病变部位显示特有的荧光，根据此荧光就能确定病变部位。采用NPe6做光敏感性物质。如图14

所示，利用符合它的吸收带范

围的光来激励，则发出在662nm处出现峰值的荧光（磷酸溶液中）。

图14 光敏感性物质NPe6（mono-L-aspartyl chlorine 6）的吸收光谱与荧光光谱 2、 激光断层摄影

1）光学计算机断层术即光学CT

直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信号选择出来进行高灵敏的检测。目前最有效的方法是光外差探测方法。

所谓的外差探测法，一般是对两个不同频率的光波（信号波与参考波）进行混合后检测拍频信号的方法。将激光束分为参考光与入射到生物体试样的信号光。给予参考光一定的频移后与信号光混合，多次散射得到的光与参考光偏振方向不一致，不会产生拍频信号，因此检测出的拍频信号是直线传播光与参考光干涉的结果。利用外差法的光学CT检测的实验装置如图

2）光学相干层析术即光学OCT（optical coherence tomography）

光学相干层析术的原理如图15所示，其基本结构为迈克耳孙干涉仪。OCT把光分成两束——信号光与参考光，其中信号光聚焦后照射到组织内得到向后散射光，参考光在压电陶瓷等器件调制的反射镜上反射回来得到光程调制。两束光进行干涉后用外差探测法检测。

图15 光学相干层析术OCT原理图

利用如图16所示的石英光纤传光的干涉仪，还有可能用导管等得到生物体内部组织的断层图像。

图16 利用光纤干涉仪的OCT（optical coherence tomography）的装置示意图

3、 激光显微镜

1）激光共焦显微镜

图17所示为激光共焦显微镜（laser confocal microscope）的原理图。从点光源（激光）发出的光经过透镜聚光后照射到试样内的观察点上，此时在试样内形成照射光的斑点，利用物镜通过空间滤波器使这些斑点在检测器上成像。

图17 激光共焦显微镜的原理图

以上用透射型模型说明了其原理，但实际上采用如图18所示的反射型结构。

图18 反射型激光共焦显微镜的原理图

2）近场光学显微镜

图19所示的是近场光学显微镜与通常的显微镜的示意图。两者基本结构相似，但近场光学显微镜在离试样表面很近处存在探头，该探头起着实现超分辨率的关键作用。

图19近场光学显微镜（a）与通常光学显微镜（b）的示意图

五、 医用激光设备

1、激光器

1）固体激光器

固体激光器所使用的是晶体和非晶体类型的工作物质，大体上可分为氟化物、盐类和氧化物三大类。临床上常用的是红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG），可用作手术刀和照射治疗等方面。

2）气体激光器

惰性原子气体激光器

分子气体激光器

离子气体激光器

3）半导体激光器

半导体激光器的工作物质是半导体，作为半导体激光的材料有几十种，医学上常用的是砷化镓、铝砷化镓等。

4）液体激光器

液体激光器主要是指有机液体激光器，常用的是染料激光，输出波长连续可调（通过变换工作物质的成分、浓度等方法）、工作物质多（已有一百多种染料中得到受激发射），而且可以得到连续或者高重复频率的振荡，所以用途相当广泛。

2、医用激光传播用光纤

1）实心光纤

医用激光的光束直径通常是数十至数百微米，因此一般采用多模光纤。激光以很小的光束直径聚光时，功率密度过高会引起光纤材料的损伤。由于这种限制，常常不能使用细光纤。

实用上，目前最广泛使用的是石英玻璃光纤，如图20所示1μm附近损失最低，适合用于Nd：YAG激光器等的近红外激光的传播。

图20石英玻璃光纤的损失光谱

2）空心光纤

空心光纤是用空气（或气体）作为芯的细管状的纤维，激光在这种管内壁上边反射边传播。这种空心光纤除了光纤端部没有反射损失，因而能得到很高的传播效率。

空心光纤的典型结构如图21表示。图21（a）为金属矩形空心波导，它的研究历史最长。目前作为高功率激光传播光路，有望的是图21（b）及图21（c）的形状。图21（b）为单晶Al2O3空心波导。图21（c）为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤，光纤的支撑管可采用金属或玻璃。

图21空心光纤的结构

六、 激光应用于医学的未来

1、 医用激光新技术

目前最新的进展是间质激光凝固法和间质的光动力学 治疗。间质激光凝固法能够用于实质性器官内病损的治疗，治疗方法有效而且手术后并发症少，激光手术发展前景看好。

激光冷却装置在皮肤科应用广泛。可将皮肤的热损伤减小到最小，并且降低治疗的疼痛！

光动力学治疗和激光焊接技术在实验室研究已进入实质性阶段，相信将在不久的将来能走向临床治疗！

2、 光动力学治疗（PDT）的前景

光动力学疗法作为一微创疗法，主要用于治疗癌前病变、早期癌或不能手术的癌肿。

在欧美以及日本等一些发达国家，PDT已经陆续被批准应用于临床治疗。 这一涉及相关药物、设备制造业和医疗服务业的新的肿瘤治疗方法，将为我国在这一领域里开展光敏药物研究、医学基础研究与临床应用研究提供了广阔的探索空间，而且有很大的学术上意义和社会效益，其将会产生的经济价值也相当可观。

参考文献：

1、邓开发，激光技术与应用 ，国防科技大学出版社，2002/1/1 。

2、周炜，眼科激光治疗学 ，郑州大学出版社，1998/5/1

3、陈明哲，现代实用激光医学 科技文献出版社，2006/11

4、激光医学，上海科学技术出版社 ，2003 /9