《激光医学生工》PPT课件.ppt

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1、第三节 激光生物作用机理,一、光致发热作用,二、光致生物的非热效应,三、光致生物的刺激作用,一、光致发热作用,（一）激光辐射的热效应,激光束,波长，照度，时间，光强分布,光热转换,反射，吸收，散射,热扩散,扩散率，时间特性,组织变性,组织感受性,组织坏死,结果：蛋白质破坏，细胞受损害。,组织在几毫秒内，温升；,或持续 1 分钟，组织中温度达；,McGuff 用180J 红宝石激光束照射黑鼠颊囊内移植性恶性肿瘤。,结果：肿瘤内温升至少到，持续 1 分钟,以上。,热损伤阈值温度与热作用持续时间关系,热引起组织破坏的原因：,1.细胞蛋白质变性,2.细胞基础代谢障碍,3.血循环供应障碍,正常,生物效应

2、,温度,表3.1 激光辐射的热效应,体温过高,酶活性减弱，细胞固定,蛋白质和胶原蛋白变性（凝结）,生物组织膜通透性,汽化，热分解（蚀除）,碳化,熔融,（二）热效应对生物组织的影响,对代谢的影响,对血液循环的影响,温度变化，代谢率的变化为。,可改善加热区的血供与营养。,生物组织的各级热反应水平,1、温热感觉,皮肤表面温度上升至,3、热致水泡,皮肤温度升至,4、热致凝固,组织温度达,5、热致汽化,组织温度升至略超过,6、热致炭化,当温度高达,7、热致燃烧,温度超过,8、热致切割,当功率密度进一步提高，受照处会出现火山口状的坑。,汽化治疗,2、热致红斑,组织温度升至,光致热凝固,切割区,汽化区,凝固

3、区,焦点,原光束,聚焦透镜,通过聚焦透镜激光的能量分布,（三）光致热作用的应用,弱激光的热作用,理疗。改善局部血液循环，改善组织营养，促进代谢、修复等。改善神经系统功能。,强激光的热作用,激光温热疗法、激光诱导间质热疗法（LITT）、激光组织融合术、眼科视网膜焊接术、皮肤科的葡萄酒色素斑、血管瘤等凝固止血术等。,（1）对组织进行切割和分离,强激光的医学应用,（2）对组织进行汽化和融解,（3）对组织进行烧灼和止血,（4）对组织进行凝固和封闭,二、光致生物的非热效应,光致生物非热效应,第一、光化效应,第二、压力和冲击波效应,第三、电磁场效应,（一）光化效应,光化学反应,激光与生物组织相互作用时，可

4、,能会导致若干键断裂与键形成的化学反应，即,旧键被完全破坏或新键形成的过程。,光化学吸收定律,特定的光化反应要由特定波,长的光子来引发。,简言之：光化反应具有波长选择性。,引起光化反应的波谱范围通常是,红外激光以热效应为主；,紫外激光以光化效应为主。,例如：含有大量色素的黑色素瘤，能量密度1000J/cm2，严重破坏。,透明组织，能量密度500060000J/cm2，没有明显破坏。,光化致色素沉着作用光谱,光化杀菌作用光谱,光化合成维生素D作用光谱,光化效应作用光谱,光化杀菌,光化合成维生素D,色素沉着,最有效波长,非线性吸收,一个分子可能吸收多个光子的现象。,条件：强度大的激光束照射。,例如

5、：的钕激光照射组织,光化学量子定律,任何原初光化反应中，每个,光子只和一个分子反应。,简言之：光化效应决定于光的总能量。,光化反应的类型,光致分解,光致氧化,将原来物质分解成为更简单的物质。,如：紫外光照射H2S,凡激光致反应物失去电子的过程。,光致聚合,光子很易将一些稳定的分子激发成,自由基，可使之形成二聚体或三聚体等简单分子，也可促成链式反应形成大分子。,光致敏化,在光敏剂的参与下，由光照射到生物,组织而发生的一种化学反应。,另一类有氧参加，如光敏剂HpD（血卟啉衍生物）;,一类无氧参加，如补骨脂素，加365 nm 的激光照射可治疗白癜风或牛皮癣。,(X,Y,Z,S),Photodynam

6、ic Therapy(PDT)是指某些生物染料，能被恶性肿瘤选择性吸收和滞留，在有O2条件下，接受波长与吸收峰相一致的光照射时，其光化效应破坏它所在的组织，这一系列化学反应过程，被称为光敏反应，利用这种效应治疗恶性肿瘤称为光动力学疗法。,单态氧的瞬时强烈氧化作用，使细胞质受到破坏。,光动力作用的要素,（1）基质 受作用的物质（主要生物物质：,（2）敏化剂 主要有血卟啉衍生物,（3）光源 主要有Ar+激光,（4）氧（O2）是启动光动力作用的前提，,蛋白质、酶和核酸等）,各组织细胞中均含有。,光化作用的应用,（2）对各种不同组织类型恶性肿瘤都起作用；,用光动力学作用治疗恶性肿瘤、皮肤鲜红斑痣、,消

7、除血制品中的病毒等。,（1）有选择性破坏恶性肿瘤细胞，对正常细胞损,PDT治癌的优点,（3）位于体表或内镜可以到达的内腔表浅恶性肿,伤小，或无损伤;,瘤、散在分布或复发性小肿瘤均可作根治；,（二）压力和冲击波效应,一次压强,直接由光子碰撞引起的光压。,二次压强,激光作用生物组织后继发作用而产生的一系列压强。,光致压强作用,阳光对地球上一个黑点的光压是,能量密度为 1J/cm2、脉宽为 的激光束的光压是,气流反冲压,生物组织表面受激光照射引起汽化,内部气化压,时产生的压强。,能量密度为 1J/cm2、脉宽为 的激光束照射组织产生的反冲压是,激光聚焦于生物组织内部引起汽化,时产生的压强。,多发生于

8、眼球和头颅这些密闭的腔内。,产生瞬时汽化压高达 200 多个atm。,膨胀超声压,强激光照射生物组织后，温度迅速,上升，形成气化，体积膨胀，在其边缘产生超声,频率的弹性振动波。,能量密度为 1J/cm2、脉宽为 的调Q激光束，可产生超声压强,电致伸缩压,激光是电磁波，照射到生物组织上,时可产生极化应力，应力引起电致伸缩压。,能量密度为 2J/cm2、脉宽为 的钕玻璃锁模激光照射，电致伸缩压可达,等离子体膨胀产生压强,高功率密度的脉冲激光,照射生物组织，可形成等离子体。,等离子体(Plasma)：,分子、原子发生电离作用，,形成等量电子和离子的电中性的集合体。,宇宙中90物质处于等离子体态,天然

9、等离子体存在于远离人群的地方，如闪电、,极光等。,等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏等,激光,靶组织的分子或原子发生电离作用,等离子体形成,微小爆炸,冲击波,声波,机械扩张作用，组织裂解,等离子体强烈吸收入射激光，引起它本身迅速膨胀，形成冲击波产生的压强或等离子体形成空腔崩溃产生的压强。,等离子体具有气体的机械性和金属的导电性。,Fox 等用100J宽脉冲红宝石激光束照射鼷鼠头部，有头盖与去头盖的鼷鼠作比较。,Fine等用红宝石激光束照射小鼠头部。,压力效应的特点,它

10、所引起的组织损伤可远离,直接照射部位。,激光照射腹部可在腹内深部产生损害。,在造成视网膜损伤上，激光器的有效性：,锁膜激光器,Q开关激光器,脉冲激光器,连续激光器,光致压强作用的应用,青光眼的前房角打孔、激光碎石术。,注意：压强可以使肿瘤碎屑发生飞溅，有些溅落在 2.4 米以外还存活。,（三）电磁场效应,产生光学谐波,生命过程中物质的物理状态很,大程度上是液晶态，所有显示旋光性的有机物其,分子结构都是不对称的，在强脉冲激光作用下，可使生物组织产生光学谐波。,当激光功率密度 108 W/cm2，,高强度电场(1010V/cm2)作用下可,自由基形成,以产生自由基即带电基团。,当强电场激光束作用于

11、生物组织,受激拉曼散射,受激布里渊散射,时，拉曼散射光突然变强，光谱变窄，出现受激辐射的特点。,特点：相干光。,作用：被色素颗粒吸收可引起热损伤。还可导致细胞损伤。,生物分子在激光束的强电场,作用下导致电致伸缩，使生物物质密度发生变化，形成弹性波。入射激光被此弹性波散射，产生很强相干散射光的过程。,激光功率密度达 1010 1015 W/cm2。,电击穿与等离子体产生,应用：粉碎结石。,作用：可致细胞破裂，从而产生水肿。,三、光致生物的刺激作用,光致生物刺激作用,第一、光致生物刺激作用机理,第二、光致生物刺激作用规律,第三、应用,（一）光致生物刺激作用机理,生物分子吸收光子,激光只有被生物分子

12、吸收,生物刺激作用,生物分子吸收了激光的能量后,生物反应,对机体产生兴奋或抑制作用。,后才能引起刺激作用。,会发生能态的改变。,引起生物刺激作用所需的激光剂量,处于刺激阈值与损伤阈值之间。,的活性等。,使蛋白质合成活化、提高酶,（二）激光生物刺激作用规律,刺激效应的相变规律,激光的刺激作用有累积效应,A,激光刺激效应的相变规律,B,C,D,E,疗效的抛物线规律,A,B,C,弱激光疗效的抛物线规律,治疗需采用疗程间隔,（三）激光生物刺激作用的应用,激光理疗对组织进行离焦照射,刺激机体产生一系列的应答反应、起到调节增强或抑制的作用，不造成生物组织不可逆的损伤。,若将激光不予聚焦，而进行散射。当散射

13、到适当距离时，再进行照射，这种方法适用于治疗下肢溃疡，慢性鼻炎等。,He-Ne 激光,麦粒肿、睑缘炎、黄斑出血、外耳道炎、耳软骨膜炎、慢性鼻炎、过敏性鼻炎、腮腺炎、三叉神经痛、慢性前列腺炎、骨折、慢性盆腔炎等。,适应于慢性、亚急性炎症的治疗。腰肌劳损、肩关节周围炎、骨髓炎、风湿关节炎、支气管哮喘、慢性气管炎、神经性皮炎等。,CO2 激光,激光针灸治疗对穴位进行照射,He-Ne 激光针、CO2 激光针、其它激光针,激光针灸的优点：,无痛、无菌、无损伤、照射剂量可用照射时间来调节、仪器简单，操作方便。,临床表明，利用激光进行穴位照射，一方面给穴位以刺激，另一方面给穴位也输入一定的能量，故激光照射具有针刺和炙法洪的作用。,半导体激光器,Nd：YAG激光器,N2 激光器,Ar+激光器,思 考 题,一、选择题：,1.,一束激光从空气入射到角膜组织时，发 生折射。入射角为，下列选项中哪个角度 可能是折射角,2.,一生物组织的光漫反照率，它的吸收和散射系数分别为，下列哪个选项是正确的,3.,朗伯定律描述的是由于下列哪一项造成的光强的损失,5.,流式细胞仪的英文简称是,6.,下列哪一种仪器被人们称为显微“CT”,7.,在生物组织中，若吸收系数和散射系数相等，则光漫反照射率 a=（）,8.,如果以超短激光脉冲照射生物组织体，其中哪一种光是完全非相干光,9.,吸收和散射同时存在的介质称为,