激光在醫(yī)學上的應用

1、成都信息工程大學課程調(diào)研報告(CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY)激光在醫(yī)學上的應用 課程: 激 光 原 理 學生： 盧 剛 學號： 2 0 1 2 0 3 1 0 3 5 學院： 光 電 技 術 學 院 班級： 電子科學與技術121班 二零一五 年 五 月 九號目錄摘要21.1 激光與生物體的相互作用31.1.1 生物體的光學特性31.1.2 激光對生物體的作用61.1.3激光對生物體應用的優(yōu)點81.2激光在臨床治療中的應用81.2.1 激光臨床治療的種類與現(xiàn)狀81.2.2 激光在皮膚科及整形外科領域中的應用91.2.3激光在眼科中的應用

2、111.眼底治療112.近視治療中的應用121.2.4 激光在泌尿外科的應用131.經(jīng)尿道激光誘導的前列腺切除術（Transurethral laser-induced prostatectomy,TULIP）142.直視下激光前列腺消融術（Visual laser ablation of the prostate,VLAP）143、間質(zhì)內(nèi)凝固（Interstitial coagulation ,ILC）141.2.5 激光在耳鼻喉科的應用151.2.6 最新的技術間質(zhì)激光光凝術（Interstitial laser photocoagulation）151.2.7 光動力學治療161.3 激

3、光在生物體檢測及診斷中的應用181.3.1 利用激光的生物體光譜測量及診斷181.利用近紅外光譜的代謝功能測量192利用熒光光譜確定病變部位19132 激光斷層攝影201.光學計算機斷層術即光學CT（optical computed tomography）202 光學相干層析術即光學OCT（optical coherence tomography）221.3.3 激光顯微鏡231.激光共焦顯微鏡232.近場光學顯微鏡241.4醫(yī)用激光設備251.4.1 醫(yī)用激光光源251.固體激光器262.氣體激光器261.4.2 醫(yī)用激光傳播用光纖281.光纖（實心光纖）292.空心光纖301.5激光應用于

4、醫(yī)學的未來311.5.1醫(yī)用激光新技術311.5.2 光動力學治療的前景32摘要激光醫(yī)學是激光技術和醫(yī)學相結合的一門新興的邊緣學科。1960年，Maiman發(fā)明第一臺紅寶石激光器，1961年，Campbell首先將紅寶石激光用于眼科的治療，從此開始了激光在醫(yī)學臨床的應用。1963年，Goldman將其應用于皮膚科學。同時，值得關注的是二氧化碳激光器的作為光學手術刀的出現(xiàn)，逐漸在醫(yī)學臨床的各學科確立了自己的地位。1970年，Nath發(fā)明了光導纖維，到1973年通過內(nèi)鏡技術成功地將激光導入動物的胃腸道，自此實現(xiàn)了無創(chuàng)導入技術的飛速發(fā)展。1976年，Hofstetter首先將激光用于泌尿外科。隨著血

5、卟啉及其衍生物在1960年被發(fā)現(xiàn)，Diamond在1972年首先將這種物質(zhì)用于光動力學治療。在醫(yī)學領域中，激光的應用范圍非常廣泛，不僅在臨床上激光作為一種技術手段，被各臨床學科用于疾病的診斷和治療，而且在基礎醫(yī)學中的細胞水平的操作和生物學領域中激光技術也占有重要地位。另外，還可以利用激光顯微加工技術制造醫(yī)用微型儀器。再者，利用全息的生物體信息的記錄及醫(yī)療信息光通信等與信息工程有關的領域，從廣義來講，也屬于激光在醫(yī)學中的應用。本文主要對醫(yī)學臨床，重點是激光對診斷和治療領域中的應用進行論述。關鍵字：激光醫(yī)學，臨床，激光，診斷 1.1 激光與生物體的相互作用1.1.1 生物體的光學特性假設生物體中入

6、射的單色平行光強度為，若生物體是均勻的吸收物質(zhì)，入射深度為處的光強度可用下述關系式表示 (1-1)其中為吸收系數(shù)（參見圖1.1）。但是，由于生物體對光是很強的散射體，因此生物體內(nèi)光的衰減不僅由于吸收，而且取決于散射的影響。在不能忽略散射的條件下，上式可用衰減系數(shù)和散射系數(shù)改寫為 (1-2) (1-3)進一步再考慮生物體表面的光反射的損失。若反射率為（可由菲涅耳公式計算） ，則式（1-1）和式（1-2）的右邊應乘以。后面將會論述，激光在測量、診斷中應用時如何處理散射的影響，對于光學計算機斷層術這是很重要的問題。圖1-1 生物體中的光衰減圖1-2 生物體中散射光的特性如圖1-2（a）所示，單一微粒

7、所引起的光散射在所有方向上都存在。當散射角小于90°時稱為前向散射，大于90°時為后向散射。散射光對角度的依賴性可近似地以各向異性散射參數(shù)來描述，時為純向后散射（散射角180°），時為純向前散射（散射角為0°），時表示各向同性散射。一般在生物體組織中，顯示出很強的前向散射特性。但是如圖1-2（b）所示的多重散射時（反復多次散射），光在生物體內(nèi)擴散，變得近似于各向同性散射。這樣，光在其擴散的范圍內(nèi)與生物體發(fā)生相互作用，從而光能被吸收后轉(zhuǎn)換成熱量，或激勵生物體分子感應出熒光和磷光。圖1-3所示為這些過程的模型。實際上生物體是大小各不相同的組織、器官所組成的不

8、均質(zhì)且多成分的系統(tǒng)，因此，如式（1-2）及式（1-3）所示的簡單描述只能在限定的條件下使用。圖1-3 生物體與光的各種相互作用的示意圖 生物體的主成分是水，此外還有蛋白質(zhì)、脂肪、無機質(zhì)等皮膚、肌肉、內(nèi)臟的軟組織（soft tissue）中的水分，水總共占生物體重量的大約70。水對紅外光有著很強的吸收帶，因此，若在這些軟組織上照射紅外光，可以高效地把光能轉(zhuǎn)換成熱量。在生物體中除了水以外的典型的光吸收體，有血液內(nèi)紅血球中的血紅蛋白。血紅蛋白有被氧化的狀態(tài)與未被氧化的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的吸收光譜是相同的。不論哪種場合，在600nm以下的波長帶中吸收都增大。蛋白質(zhì)在紫外域上表現(xiàn)很強的吸收，匯總這些特性，

9、用圖1-4表示。由圖1-4可知，在7001500nm范圍的紅外光譜帶上吸收比較少，因此該光譜帶稱為生物體光譜學之窗。光受到散射的同時也能到達組織的比較深處。光到達組織的深度稱為光穿透深度（optical penetration depth）,由光的強度衰減到入射光強度的時的深度來定義。根據(jù)式（1-2），光穿透深度應為。圖1-5所示的是軟組織中各種激光波長的光穿透深度的大致數(shù)量。光穿透深度在近紅外附近較深，在3m以上的紅外域或300nm以下的紫外域中較淺。組織的種類不同，光穿透深度對波長的依賴性也變化。例如牙齒、骨等硬組織（hard tissue）中，藍綠色波長的穿透深度深。圖1-4 軟組織上各

10、種物質(zhì)的吸收系數(shù)與波長的關系圖1-5 軟組織中各種激光的穿透深度的大致數(shù)量1.1.2 激光對生物體的作用激光對生物體的作用是醫(yī)學應用的物理基礎。激光對于受照射的組織有四方面的作用，即熱力作用（thermal action）、機電作用（electro-mechanical action）、激光消融作用（photoablative action）和光化學作用（photochemical action）。作為一個典型的實例，光被組織吸收后發(fā)生熱，就對生物體起到光熱作用。在軟組織上照射激光，在圖1-5上所顯示的光穿透深度范圍內(nèi)，光能被吸收轉(zhuǎn)換成熱量。激光照射強度(W/cm2)與吸收系數(shù)（cm-1）的積

11、表示組織表面的加熱速度（W/cm3）。若加熱速度遠遠高于蒸發(fā)組織所需的速度，則組織被很快消融汽化（ablation）。用193nmArF準分子激光和2.94m Er：YAG激光照射，其加熱速度能引起組織的充分消融,光穿透深度1m左右的組織層迅速被加熱、汽化，因此亞微米級的精密的組織切除成為可能。另外，為在短時間內(nèi)照射得到深度的消融，則應選擇光穿透深度比較深的波長。光穿透深度20m的CO2激光適合于此。但是若吸收系數(shù)過小，光穿透深度過大時，光能分散到空間，對汽化不利。1.06的Nd：YAG激光器不適用于軟組織的汽化，就是這個原因所致。Nd：YAG 激光器大多用于凝固（coagulation），是

12、因為蛋白質(zhì)在較低溫度（6070）下受熱凝固。另外，只要加熱能夠充分破壞組織，即使是加熱不能夠引起組織的充分汽化，把組織放在此處也可以使其壞死。設想利用一個中等功率激光的熱效應，瞬間能在組織中產(chǎn)生2001000左右的溫度升高，使組織和細胞受到嚴重的破壞。加上光斑處的能量密度所能產(chǎn)生的機械壓力，對蛋白質(zhì)、水組成的組織在受到高溫后迅速膨脹和汽化，使機體組織相互分離。而且，當聚焦的激光束被組織吸收時，瞬間產(chǎn)生組織凝結并在瞬間燒灼、炭化和汽化。因此，當光束以一定的速度移動時，就能連續(xù)地切開組織。在切割的同時，小血管被凝固，這樣就能夠減少出血。一般來說，功率密度為105W/cm2-106W/cm2的時候，

13、已經(jīng)能使各種硬質(zhì)難溶的金屬和非金屬（如陶瓷）熔化或者汽化。當然也足以使生物體的各病變部分（如腫瘤、疣、痔等）迅速汽化或炭化。激光的熱效應是醫(yī)學上使用最廣泛而且最早被人們認識的激光組織效應之一。機械效應在醫(yī)學上較多用于泌尿道或膽道結石的粉碎上。采用脈沖激光，使結石表面有非常高的能量密度，產(chǎn)生自由排列的電子列，并組成“漿”氣泡。這些氣泡不斷擴大，造成結石亞結構的變化，最后使其裂解而將結石碎裂。光化學效應是基于一種選擇性的、光激發(fā)的特殊藥物，在激光的激發(fā)下轉(zhuǎn)化成一種毒性成分，在細胞內(nèi)產(chǎn)生單氧態(tài)，造成細胞產(chǎn)生毒性的代謝產(chǎn)物而死亡，而單態(tài)氧的作用機理則是產(chǎn)生氧自由基和過氧化物，對細胞的結構如DNA和線粒

14、體起殺傷作用。激光由于其能量和特殊的波長，是激發(fā)這種藥物的理想光源。此外，激光還有組織的焊接作用效應，激光將相鄰組織連接起來需要把組織加熱到70左右，在這個溫度范圍內(nèi)，組織內(nèi)膠原的變化引發(fā)組織的物理特性改變，組織粘度增加。事實上激光的焊接效應是利用聚焦的激光，對組織器官的結構進行對接和重建。這個能量產(chǎn)生了膠原的交互形的凝結，而對周圍組織的損傷減少到最小。另外，各種不同波長的低功率密度的激光照射生物體時，對生物體的刺激作用和提高非特異性免疫功能，可使局部血管擴張，血液循環(huán)改變，改善組織的缺氧狀態(tài)并減輕慢性炎癥反應促使炎癥吸收好轉(zhuǎn)。1.1.3激光對生物體應用的優(yōu)點在很多情況下，激光可以通過細軟的光

15、導纖維傳送，因此使得激光在生物體深部的傳導成為可能。臨床上應用的激光，從使用簡單的二氧化碳激光進行非接觸性切割代替手術刀去除表淺的組織，到使用精確的激發(fā)二聚體激光（308nm紫外光源）作角膜塑形，以及一直到閃爍泵染料激光（Flash lamp pumped dye laser）來閉合胎記的小血管使其達到消退的作用?？傊?，對生物體應用激光的優(yōu)點有以下四個方面：首先，人們?nèi)粘９ぷ魃钤诒憩F(xiàn)為光的電磁場中，除特殊情況外光對生物體的害處是很少的。人們習慣把對生物體的某種傷害叫做侵襲。光對生物體一般無侵襲或低侵襲，這只要通過光與放射光線的對比就能很好理解。其次，在醫(yī)學上利用激光在大氣中直線傳播的特性，可

16、以非接觸地作用于生物體，又可以利用光導纖維將激光導入到生物體的深部；第三，利用激光的高度的方向性，將其匯聚成極小的點，使微觀的、精細的治療和高空間分辨率的測定成為可能。激光的單色性和高能量的可利用性是普通光所不能相比的。最后，光與生物體進行著極其多種多樣的相互作用，至今被利用的還只是很少的一部分，還需要今后開發(fā)更加多種多樣的新的應用。1.2激光在臨床治療中的應用1.2.1 激光臨床治療的種類與現(xiàn)狀臨床上激光的用途不外乎切割、分離；汽化、融解；燒灼、止血；凝固、封閉；壓電碎石；局部照射等，這些治療種類就是利用激光對生物體的光熱作用、壓電作用和光化學作用。但是，在實際上，無論哪種治療，不一定只利用

17、單一作用。例如在利用紫外激光的燒灼時，主要起作用的是光熱作用，但在光子能切斷組織的分子結構時，光化學作用也參與其中。此時，在該燒灼治療中光熱和光化學都起作用。激光在聚焦平面上的光點最小，激光能量最集中。激光束經(jīng)聚焦后形成極小的光點，由于能量或功率的高度集中，人們把它當作手術刀用來切割組織。如二氧化碳連續(xù)波的激光器，不僅能夠切開皮膚、脂肪、肌肉、筋膜、軟骨，在20秒之內(nèi)還可以切開肋骨。激光光點處巨大的能量和很高的溫度在切開的同時能夠封閉凝結暴露于切口邊緣的小血管。由于激光的光點極小，所以切緣是銳利的，對于周圍組織的破壞很小。盡管激光器產(chǎn)生的功率密度很高，但是由于光點極小，而且作用的時間往往也極短

18、，故以周圍區(qū)域作為散熱器能使受熱面積迅速冷卻。激光手術刀切割組織的深度與寬度和激光器輸出功率的大小、波長及移動光束的快慢有關。二氧化碳激光易被水分吸收，而水分可以有效地散熱，可以使激光切口以外的組織不受侵襲。此外，激光的高溫還起了殺菌的作用。高功率輸出的二氧化碳激光，光點具有200攝氏度以上的高溫和一定的壓強，不但能熔融而且具有極強的穿透破壞作用。機體皮膚粘膜的表淺病變以及經(jīng)過手術暴露的深部腫瘤，經(jīng)過短暫的照射治療，病變的表層立即汽化消失，周圍的健康組織界限清楚，反復的汽化融解，可使大塊的實體組織蒸發(fā)消融。激光的光點聚焦后異常細小的組織可以極精確地消除。對于病變組織面積較大的部位，也可分期治療

19、。機體某些含色素較深的組織如黑色素瘤、疣狀新生物對激光特別敏感，因而療效好，愈合后疤痕光滑。通常用激光融解治療的病變有：表淺局限性毛細管瘤、色素痔、疣狀新生物、乳頭狀瘤、疤痕疙瘩、炎性肉芽腫、表淺血管纖維瘤、黑色素瘤等。機體組織被激光能量照射之后，照射的光點部位在幾毫秒的時間內(nèi)引起局部高溫（2001000），使組織凝固、脫水和細胞破壞。特別是激光經(jīng)過聚焦后會產(chǎn)生極大的功率密度，是一種很好的燒灼工具。用于治療肥大型性鼻炎和痔瘡療效明顯。激光止血效果也很令人滿意，激光止血方法比目前所應用的電烙法快60倍，可使失血量大大減少。動物試驗證明，激光胃鏡可將胃粘膜出血在數(shù)秒內(nèi)止住。在肝臟部分切除或者肝外傷

20、試用激光治療，也能達到同樣快速的止血。激光是非?？煽康酿ぶぞ?，眼科利用激光凝結視網(wǎng)膜剝離癥和眼內(nèi)封閉止血已經(jīng)有幾十年的歷史。激光用于眼科的臨床特點是，照射后溫度升高局限于照射區(qū)內(nèi)，不引起擴散性熱傷害。二氧化碳激光凝結可引起結疤、血管和淋巴管的封閉和阻塞，還可以引起組織萎縮。臨床證明，使用激光切割和封閉淋巴管和血管之后，腫瘤體積明顯縮小，豐富的淋巴管和毛細血管被封閉萎縮，管腔被黏著結疤，不易復發(fā)。與激光聚焦形成細小的光點治療相反，臨床上還可應用激光的散射來進行治療。如二氧化碳激光連續(xù)波散射可治療下肢潰瘍、慢性鼻炎和副鼻竇炎；氦氖激光散射治療具有的止癢、鎮(zhèn)痛、消腫和促進創(chuàng)面愈合等作用。而且氦氖激

21、光具有無痛感的特點。離焦或者散焦照射治療，對于神經(jīng)性皮炎、濕疹、神經(jīng)性水腫、過敏性鼻炎、外傷性腫脹、慢性潰瘍等具有一定的療效。1.2.2 激光在皮膚科及整形外科領域中的應用以前對痣的治療多采用外科切除的方法和利用干冰或液態(tài)氮將組織凍結壞死的方法等,但都創(chuàng)傷大且有遺留疤痕的問題。激光治療是適當?shù)卣{(diào)整照射條件,在不損壞正常組織的情況下,有選擇地破壞病變組織的治療方法。痣的種類和部位（深度）不同時，激光照射條件也大不一樣，因此治療前準確地進行診斷是很重要的問題。圖8-6所示為皮膚組織。決定皮膚顏色的典型色素有黑色的黑色素與紅色的血紅蛋白。黑色素是由稱為黑素細胞的黑色素生成細胞內(nèi)的小器官（黑素體）產(chǎn)生

22、的。所謂黑痣、藍痣是該黑色素在局部區(qū)域增加的皮膚病變，可分為表皮上增加的情況（扁平痣等）與在真皮內(nèi)增加的情況（太田痣等）。稱為紅痣的是一般用肉眼能看到的在真皮或者皮下組織內(nèi)血管的擴張和增生（血管瘤），并且因為存在較多紅血球，看似紅色的皮膚病變?？梢岳眉す馐惯@些色素和病變細胞有選擇地吸收熱量，而使病變組織產(chǎn)生變形以致破壞。但是激光照射后，皮膚色調(diào)的變化（退色）需要很長的時間。圖1-6 皮膚的斷面構造為了有選擇地破壞病變細胞（色素），必須利用吸收系數(shù)大的波長的激光。血紅蛋白被氧化時在418nm、542nm、577nm波段具有吸收峰值，而黑色素是在短波段中吸收被增大（參見圖1-4）。病變部位在組織

23、深處時，必須考慮皮膚組織的光穿透深度。在波長的選擇上，必須考慮病變細胞的吸收系數(shù)與皮膚組織光穿透深度兩個因素。例如，血紅蛋白的情況，吸收強度在418nm附近時最大，但考慮光穿透深度后多半利用577nm或者根據(jù)情況采用波長更長的激光。此外，激光照射時間（脈寬）也是重要的參數(shù)。即使激光在病變細胞中有選擇性地被吸收，若照射時間長，由于熱擴散而周圍組織受到熱影響。因此導入了利用比熱擴散時間（熱衰減時間）短的時間進行激光照射的概念（稱為selective photothermolysis）。例如黑素體的熱衰減時間為1s左右，因此要破壞它，根據(jù)病變部位的深度采用脈沖寬為數(shù)納秒至100ns的紅寶石激光器（6

24、94nm）、金綠寶石激光器（755nm）、Nd：YAG激光器（1064nm）等的各種Q開關固體激光器或脈沖染料激光器。但這并不說明脈寬愈短愈好。治療血管瘤的時候，有必要使血管壁也受熱變形，但吸收主體為紅血球（血紅蛋白），因此，若脈寬太短則只破壞紅血球，對血管壁不起作用。這樣，因為使用短脈沖激光器減小了對正常組織的影響，從而能做到不留疤痕的痣治療。但是用高峰值功率激光器照射時會發(fā)生沖擊波，必須注意選擇好照射條件，防止發(fā)生皮下出血和水腫。1.2.3激光在眼科中的應用眼睛是接收光信號產(chǎn)生圖象的器官，因此不論測定、診斷或治療哪一種情況下，光（激光）所起的作用都是非常重要的。治療眼底疾病的激光治療儀很早

25、已用于臨床。在網(wǎng)膜炎和眼底出血等有失明危險的疾病的治療中，激光治療顯示了很大的優(yōu)勢。近來用激光進行近視矯正治療也非常受到重視。1.眼底治療圖1-7 眼的構造圖1-7所示的是眼構造，圖1-8中所示的是眼睛對光的聚光特性。通常我們所看到的物體是實物通過角膜和晶狀體的透鏡作用在網(wǎng)膜上成的物體的實象，再由視神經(jīng)讀出的非相干光成像。激光（相干光）入射到眼中時，在網(wǎng)膜上會聚成光點。利用這種原理可在眼底的疾病部位上照射激光并加熱被剝離的網(wǎng)膜組織，使其黏合（凝固）或進行出血部位的止血。光所通過的角膜、晶狀體、玻璃體等組織的主要成分是水，對可見光，特別是對藍光、綠光的透射率高。因此黏合光源多采用514.5nm的

26、氬離子激光器。但是利用的最佳波長依賴于治療目的與病變部位和深度。如血管瘤的直接凝固中采用對血紅蛋白吸收率高的577nm激光；又像脈絡膜等眼底深部的治療中采用光滲透長度更長的630nm的激光。在這些治療中利用可見激光對眼睛的透射系數(shù)大的特點。若不小心，這些光意外入射到眼睛網(wǎng)膜，則有損傷網(wǎng)膜的危險，必須引起注意。如果波長比2m長，則由水的吸收減小了眼睛的透射系數(shù)，因此利用這種波長的激光器稱為眼睛保險激光器（eyesate laser），被應用在激光雷達等把激光束傳播到大氣中的場合。圖1-8 眼睛中光的聚光特性的示意圖2.近視治療中的應用治療近視是利用燒蝕對角膜表面進行精密加工，控制折光率（矯正）的

27、過程。眼睛對光的折射由角膜與晶狀體完成，因為晶狀體與前房和玻璃體連接，而角膜的一側(cè)則與大氣接觸，角膜折射作用比晶狀體要大。因而只對角膜作手術可以有效地矯正近視。近視本身一般不認為是疾病，但用眼鏡或隱形眼鏡所矯正不了的重度近視的情況，需要做這種角膜手術。圖1-9所示的是其示意圖。目前近視矯正有對角膜表面進行二維切削手術使其曲率半徑增大（作成平坦的）的PRK（photorefractive keratectomy）方法和將角膜表面放射狀切開的RK(radial keratotomy)方法兩種。但目前以副作用小的PRK方法為主流。光源一般采用能得到高質(zhì)量燒蝕表面的193nmArF準分子激光器。這是由

28、于該波長上能得到光穿透深度淺（參見圖1.5）且可精密燒蝕的緣故。又因光子能量大，所以同時存在光化學的燒蝕過程，這也是能得到高質(zhì)量燒蝕表面的一個原因。激光是通過可變口徑的小孔照射到角膜的。為了照射表面上得到均勻的燒蝕，必須均勻地照射激光。因此有采用強度分布均勻的大口徑光束和用小口徑光束進行二維掃描的兩種方法。在實際治療中，先進行角膜形狀的測定，確定燒蝕量后進行激光照射。這種治療方法不僅應用于近視、遠視和散光的矯正，還應用于角膜疾病的治療。目前已有很多商品化裝置出售（圖1-10）。盡管如此，這項手術的隨訪時間還比較短，目前的治療結果還沒有經(jīng)過長期的考驗。因此要嚴格掌握此項手術的適應癥，并且要在手術

29、前將手術的局限性和風險等告知患者以取得他們的知情同意。圖1-9 利用激光角膜手術的示意圖圖1-10用于角膜手術的準分子激光裝置1.2.4 激光在泌尿外科的應用良性前列腺增生（Benign prostatic hypertrophy, BPH）是一種僅在老年男性中普遍發(fā)生，以進行性排尿困難為特征的疾病，其發(fā)病率隨年齡的增長而明顯上升，近50年來，經(jīng)尿道前列腺切除術（Transurethral prostatic resection, TURP）幾乎是唯一的治療選擇，其療效高（80%以上有效）、死亡率低（0.2%）。 盡管TURP仍是治療BPH的“黃金標準”，但是它有18的并發(fā)癥的發(fā)生率，并且費用

30、高昂。因此，目前的有關良性前列腺增生癥的研究集中在藥物治療以及微創(chuàng)手術的研究。后者（包括電氣化、激光、微波、電磁、超聲）的基本原則是使用熱力破壞前列腺的腺體。1986年首先報道了激光前列腺切除術，但真正廣泛的應用是在1990年角度光導纖維的發(fā)明后。自此，各種光導纖維和激光設備都被嘗試用來進行此項手術。最常用的激光是Nd：YAG激光，當然其他激光如KTP:YAG激光、半導體二極管激光和最近的Ho：YAG激光都可用來治療BPH。激光對腺體的作用包括凝固和汽化兩種完全不同的效應。凝固時，到達100的高溫的蛋白質(zhì)組織變性和壞死。前列腺腺體逐漸有腐肉形成而達到治療效果。而在汽化時，組織能夠到達300的高

31、溫，組織中的水分發(fā)生汽化，造成照射區(qū)瞬間的變化。能量效應取決于激光波長、能量密度和照射時間。激光能量的傳遞則由光導纖維的特性而決定。有以下三種技術用來切除前列腺501.經(jīng)尿道激光誘導的前列腺切除術（Transurethral laser-induced prostatectomy,TULIP）該系統(tǒng)包括經(jīng)尿道進入的激光探針(偏屈的光束可以達到90°)，一個7.5MHz適時超聲換能器以及一個Nd：YAG激光發(fā)生器。通過超聲的引導，該系統(tǒng)進入“描繪”（painting）模式。該系統(tǒng)目前已經(jīng)少用，原因是存在一些缺陷，它排除了視覺控制、需要特殊的訓練和專業(yè)知識、并且在所有的激光治療系統(tǒng)當中是

32、最為昂貴的。2.直視下激光前列腺消融術（Visual laser ablation of the prostate,VLAP）使用側(cè)面發(fā)射光導纖維，以造成有效的凝固性壞死和組織汽化。Nd：YAG激光通過幾種不同的光導纖維傳送均有報道。UrolaseTM是目前使用和評價最多的非接觸性纖維，它能夠在預先設定的點上通過照射造成組織的凝固。該技術因為時間效益比較良好、以及清晰的操作界面而頗具吸引力，但是術后導尿管引流時間需要加長而且在引流期間膀胱刺激癥狀非常嚴重。如果增加激光能量、縮小光斑，就能造成汽化。汽化可以在前列腺組織和光導纖維的直接接觸的時候?qū)崿F(xiàn)。在描繪模式下通過對于前列腺葉的接觸性照射，能夠

33、在瞬間立即產(chǎn)生一個空洞，能夠做到“見到什么就能燒什么”。在接觸模式下，使用側(cè)發(fā)射或者末端發(fā)射的藍寶石光纖頭得到最大的功率密度，使組織得到汽化。但是與常規(guī)電切手術相比，該汽化技術的最大缺陷是速度慢，只能切除小于40毫升的前列腺。3、間質(zhì)內(nèi)凝固（Interstitial coagulation ,ILC）該方法使用特殊的光導纖維，通過反復、直接地刺入前列腺，照射后能夠產(chǎn)生大范圍的凝固性的壞死及隨后的前列腺組織萎縮，而且組織不會發(fā)生腐爛現(xiàn)象。Nd：YAG激光和半導體二極管激光是這種方法的光源。該技術的優(yōu)點是治療的部位能夠進行精確的控制，在治療的同時能夠保護泌尿道粘膜不受損傷，手術之后也減少了尿路刺激

34、癥狀和尿路感染。Ho：YAG激光是最近才發(fā)展起來的一種碎石方法。盡管其能量通過脈沖的方式傳遞，其主要的機制可能是通過熱力作用而產(chǎn)生的。特別的是，激光能量加熱了光導纖維頭端的水分，微氣化產(chǎn)生了氣泡,迅速爆裂的氣泡產(chǎn)生的震波擊碎結石。由于鈥激光的能量是通過最表層的0.5mm吸收的，將光導纖維的頭端精確地對準結石就能防止泌尿道粘膜的損傷。使用鈥激光能夠碎裂各種成分的結石，報道碎石的成功率大于90。同時，Ho：YAG激光產(chǎn)生的碎片比其他的方法要小，所以形成“石街”的可能性就相對小。使用側(cè)孔發(fā)射光導纖維治療集合系統(tǒng)和膀胱內(nèi)結石的話，還可以加速結石的破裂。與脈沖染料激光和綠寶石激光相比較, 這個設備更大的

35、優(yōu)點是采取保護眼睛的措施時，手術醫(yī)師的視覺改變不明顯。總之，使用激光裝置進行體內(nèi)碎石不失為有吸引力的方法，其效果最顯著而又最安全，所以作為一線治療方法。缺陷是設備的最初購置價格昂貴，當然，這可以通過使用多功能、多用途的Ho：YAG激光器的應用來降低治療成本。1.2.5 激光在耳鼻喉科的應用1965年Stahle試用巨脈沖紅寶石激光照射鴿的內(nèi)耳，Goldman等通過石英棒和纖維光學裝置對乳突進行鉆孔，1967年以后逐步開始研究在耳鼻喉科的應用激光。目前，激光在耳鼻喉科領域的研究，主要包括兩個方面：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光手術。熱力效應能夠進行的治療包括以下一些方面：激光治療慢性肥大性鼻炎

36、、激光治療鼻出血、氦氖激光在耳鼻喉科的應用、耳鼻喉科中的激光手術、扁桃體激光切除術、激光氣化和切除耳鼻咽喉部血管瘤、上頜竇根治術和耳道內(nèi)乳突根治術、激光切除耳鼻咽喉部乳頭狀瘤等。1.2.6 最新的技術間質(zhì)激光光凝術（Interstitial laser photocoagulation）這項技術是在影像學設施的導引下，通過經(jīng)皮穿刺針將置于其內(nèi)的光導纖維送到實質(zhì)性器官的病損中心，并通過此設備傳導激光。在低劑量下（通常是3W左右，因此與60W80W的內(nèi)鏡照射相比，沒有組織的汽化），單個照射過程持續(xù)幾分鐘。病損組織被緩和地凝固，此后壞死的部分可以被周圍組織通過愈合過程而逐漸吸收，而并不需要進一步干預

37、。由于對病損組織表面的正常組織并沒有作用，也沒有積累的毒性，所以在需要的時候可以重復治療，也沒有傷口，因此恢復迅速。不過，這種治療方法成功的關鍵在于將光導纖維放置到正確的部位，恰到好處地將治療的部位和所使用激光造成壞死的程度進行嚴格匹配，并確認正常和不正常的區(qū)域都能夠安全地愈合。所以整個過程取決于顯像。目前一致認為本方法還適合于治療那些轉(zhuǎn)移性肝癌中不能夠手術的、小的、孤立的肝癌轉(zhuǎn)移灶（通常來源于已經(jīng)切除的原發(fā)腫瘤）。具體做法是：在局部麻醉和鎮(zhèn)靜下，通過CT的引導下，經(jīng)皮肝穿刺進行治療，其結果由24小時后，造影劑增強的CT來評價。這種方法比經(jīng)皮肝穿刺的酒精注射更容易控制，而比冷凍療法更簡單。乳房

38、癌是一種潛在的應用領域。最吸引人的是，對于小的乳房癌使用間質(zhì)激光光凝技術可以取代腫塊切除術，這樣不會留下疤痕或者外觀畸形，同時因為方法簡單，可以作為門診手術在局麻下進行。造影劑增強的核磁共振（MRI）對于這類腫瘤是絕好的顯影方式，能夠在決定進一步外科手術前的幾天內(nèi)確定腫瘤的邊界和激光造成的壞死的邊界。此外，如果激光照射是在MRI的引導下進行的話，激光造成的變化能夠同時在顯像上明確地顯示，所以如果激光的位置錯誤還可以進行調(diào)整。當然，在成為常規(guī)治療之前，還需要有關此種技術的進一步研究，因為在治療上特別重要的是，必須確認激光照射造成了所有腫瘤的破壞，這樣才能放心地讓照射過的壞死組織留在原位，而不去行

39、腫瘤根治手術。這項技術可能在不久將來用于治療乳房的良性纖維腺瘤。盡管其中許多的病例并不需要處理，但是一旦需要，間質(zhì)激光凝固技術就不失為簡單有效地選擇，尤其是對那些特別重視纖維瘤形成的病人。早期的臨床試驗的結果令人鼓舞。同樣，人們正在研究該技術對于小的、無癥狀性子宮肌瘤的切除以及應用于良性前列腺增生癥處理【54】。總之，間質(zhì)激光光凝術主要應用于任何實質(zhì)性器官的明確定性的病損，而且該技術可以被良好地定位，對于周圍正常組織也沒有任何不良損害。1.2.7 光動力學治療某些光敏感性物質(zhì)具有對腫瘤的親和性，臨床上稱為光敏劑。因此事先經(jīng)過給藥途徑，讓光敏劑進入癌癥患者的體內(nèi)，經(jīng)過一定時間后使光敏劑和腫瘤細胞

40、特異地或高效地結合，然后通過內(nèi)窺鏡和光導纖維，使用與光敏劑相匹配的激光波長在病變部位照射，可以有選擇地破壞癌癥細胞，這種方法稱為光動力學治療（Photodynamic therapy, PDT），原來稱光輻射療法（Photoradiation therapy, PRT）或光化學治療（Photochemical therapy, PCT）。使用的光敏性物質(zhì)為血卟啉衍生物（Hematoporphyrin derivative,HpD），其吸收光譜如圖1-11所示，它在紫外域上具有稱為Soret帶的強的吸收帶，又在可見域中具有稱為Q帶的弱的吸收帶。從吸收強度的觀點使用紫外激光（如波長約410nm的K

41、r離子激光）是有利的。但是這個帶域與血紅蛋白的吸收帶重合，因此不適于對組織深度照射。為此利用光穿透性更大的波長約630nm的染料激光器或金蒸汽激光器。PDT的作用機理尚未被完全解析清楚，但一般認為有光敏性分子的直接作用（類型I）與活性氧的作用（類型II）兩種。圖1-12中所示的是反應機制的示意圖。光敏感性分子吸收激光，從單重態(tài)躍遷成為三重態(tài)，三重態(tài)分子作用于基質(zhì)（腫瘤組織）產(chǎn)生的反應性高的游離基破壞腫瘤細胞，這是I類反應機制。另外，三重態(tài)分子使周圍的氧分子產(chǎn)生能量的移動而生成的氧化性非常強的單重態(tài)氧分子（活性氧）破壞腫瘤細胞,這屬于類型II。無論哪一種都經(jīng)歷三重態(tài)，因此三重態(tài)的壽命對PDT的作

42、用給予很大的影響，這一點是可以理解的。以前認為，因為經(jīng)過PDT的癌細胞中可以觀察到線粒體內(nèi)膜的損失和粗面小胞體的膨脹化，所以上述的游離基和活性氧直接作用于癌細胞使其壞死。但是最近人們關注的是對血管腫瘤的作用，發(fā)現(xiàn)閉塞腫瘤血管（形成血栓）就能卡斷對癌細胞的供氧和營養(yǎng)供給的作用。 圖1-11光敏感性物質(zhì)血卟啉衍生物（HpD）的吸收光譜圖1-12 光動力治療的反應機制圖光敏感性物質(zhì)，在正常組織中代謝（排泄）是比較快的。但若有殘留物則引起光線過敏癥，因此患者在治療后必須在一定時間內(nèi)在遮光環(huán)境下生活。HpD就是有代謝時間比較長（數(shù)十日）的缺點，因此希望開發(fā)出代謝快的光敏感性物質(zhì)。為了治療深部的癌組織，希

43、望利用吸收帶處于長波長一側(cè)的光敏感性物質(zhì)，因此目前正積極地進行滿足這些要求的新的光敏感性物質(zhì)的研究開發(fā)。這樣的光敏感性物質(zhì)稱為第二代光敏感性物質(zhì)。PhotofrinII是一種新型的血卟啉衍生物，曾一度是PDT治療的主流用藥，并獲得美國FDA的批準，其最大的優(yōu)點是不需要嚴格避光。由于其使用相對成熟，有關的研究也在相對規(guī)范化。對膀胱癌的PDT研究，Nseyo等發(fā)表了一些文章，他們提出的推薦劑量如下：Photofrin的用量為：1.52.0mg/kg、通常和630nm激光合用，其推薦的激光能量為1025J/cm2。但是Photofrin的腫瘤結合特異性并不十分理想，所以有待于進一步的研究和開發(fā)。從長

44、遠的觀點來看，Nseyo等的研究思路和觀點對于PDT以及光敏感劑研究的發(fā)展是有益的。內(nèi)源性光敏劑的代表是ALA（5氨基乙酰丙酸）。ALA在血液中吸收后進入細胞由相應細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化酶轉(zhuǎn)化為卟啉IX（PplX）5556。ALA本身并不是光敏劑，但是它的代謝產(chǎn)物PplX卻是具有光敏性的。它是PplX生物合成的第一個，也是主要的限速酶。在暴露于大量ALA的腫瘤細胞中，這種抑制性控制能夠被短路，導致了PplX的大量產(chǎn)生。腺癌具有增高的膽色素原脫氨基酶活力，最終產(chǎn)生大量的PplX。同時它的亞鐵鰲合酶活力降低，不能及時將PplX轉(zhuǎn)化為血紅素，所以造成PplX的大量堆積。另外，肝源性的ALA轉(zhuǎn)化為PplX也很充分

45、，而且看來血液中也有很多的PplX的載體。以膀胱為例，動物試驗注射ALA 4小時后，PplX在腫瘤和正常膀胱壁的分布比為2：1。熒光顯微鏡的檢測證實，PplX在腫瘤細胞的分布遠遠大于腫瘤基質(zhì)的分布，原位膀胱癌動物模型的體內(nèi)試驗也證實，注射了ALA 4小時后，用630nm的150J/cm2(此激光能量屬于較大劑量)的激光照射時，光敏性造成了明顯的腫瘤細胞壞死。同樣，體外試驗的結果表明，單從細胞形態(tài)上觀察，電鏡顯示，無論分化良好（J82）、或者分化不良（RT4）的腫瘤細胞，其細胞的線粒體在治療后發(fā)生了明顯的損壞，同時伴有分化良好的腫瘤細胞明顯減少，代謝旺盛的腫瘤細胞幾乎絕跡的現(xiàn)象。從正常細胞分化出

46、來的HCV29細胞在PDT治療后，幾乎與未照射的細胞無異，這充分表明了ALA的腫瘤細胞選擇性，這個現(xiàn)象是非常令人鼓舞的?？傊R床上對于光敏劑的要求，除了應具有一般藥物的安全性外，還有三個方面：一、能夠人工合成，最好是化學純制劑；二、無延遲性的光敏性，也就是說不需要避光；三、有明顯的效果，換句話說，就是要有很好的光敏性，同時也應當有非常理想的腫瘤選擇特異性。具體而言，首先要求該光敏劑有良好的、特定波長的吸收峰，該吸收峰最好是650nm波長的激光。因為在650nm以上激光對皮膚的穿透就小，少有或者沒有光敏性。體外試驗的結果表明，在效率為60的前提下，635nm波長的激光顯然優(yōu)于630nm波長的激

47、光。與此同時，光敏劑與腫瘤細胞的結合應當是特異性或者高選擇性的，這樣才能確保PDT治療過程中在損傷腫瘤細胞的同時，不損傷、或者盡量少損傷周圍的正常組織以減少并發(fā)癥的發(fā)生并增強療效。上述條件缺一不可。1.3 激光在生物體檢測及診斷中的應用1.3.1 利用激光的生物體光譜測量及診斷測定激光照射在生物體時的吸收、散射、熒光等光譜,可以測定活著的各種各樣的生物體的信息。這種測定進一步發(fā)展就能成為疾病的診斷（病理診斷）的方法。這種診斷稱為光學活檢技術（optical biopsy），正日益受到世人的注目。所謂活檢 (biopsy)，是指將組織的一部分切取出來作成切片，利用顯微鏡等對它進行的病理診斷。而用

48、光譜測量的方法進行無侵襲的診斷，就稱為光學活檢即optical biopsy。這種方法不僅能得到單純的解剖學（生體構造有關的）信息，而且還能像下面論述的腦功能測定一樣，得到生理學、生化學信息。這種利用激光的生物體光譜測量及診斷上的應用呈現(xiàn)出無限潛在的發(fā)展空間。這里介紹兩個近紅外吸收光譜及熒光光譜的應用實例。1.利用近紅外光譜的代謝功能測量眾所周知，含有豐富的氧的動脈血呈鮮紅色，相反缺乏氧的靜脈血則呈暗紅色。如圖1-13所示，血紅蛋白被氧化的狀態(tài)(oxy-Hb)與脫氧化的狀態(tài)(deoxy-Hb)的吸收光譜具有微妙差別。在600800nm范圍氧化血紅蛋白的吸收小而呈鮮紅色，而在800nm以上脫氧化

49、血紅蛋白的吸收小，從測量它們各自吸收率的不同可以知道組織的氧化程度。這些波長帶的光的穿透深度深，根據(jù)從體外照射光后其透射光或反射光（散射光）的測定，可無侵襲地監(jiān)視一定深度的體內(nèi)組織的氧化程度。目前為止腦的氧監(jiān)視裝置（稱為脈沖測氧計）已被實用化。若在多點進行這樣的測定，能得到運動身體的哪個部位時腦的哪個部分的活動增大等等空間功能信息，因而倍受人們的注目。但是如前所述，生物體對光來說是很強的散射體，因此在這種吸收或反射光譜中很難固定光路長度，并且存在著進行絕對測量困難的問題。特別是如果組織較深（厚），信號光變得很微弱，出現(xiàn)信號的檢測困難的問題。圖1-13 血紅蛋白的吸收光譜，oxy-Hb表示氧化血

50、紅蛋白；deoxy-Hb表示脫氧化血紅蛋白2利用熒光光譜確定病變部位在治療時準確地知道病變部位是很重要的，但是在很多情況下沒有準確診斷的有效手段。在生物體組織上照射激光時病變部位顯示特有的熒光，根據(jù)此熒光就能確定病變部位。最近開發(fā)出的光敏感性物質(zhì)的熒光圖像法，對確定癌組織和動脈硬化部位十分有效，因而受到廣泛重視。采用NPe6做光敏感性物質(zhì)。如圖1-14所示，利用符合它的吸收帶范圍的光來激發(fā)，則發(fā)生在662nm處出現(xiàn)峰值的熒光（磷酸溶液中）。如前所述，該物質(zhì)易聚集于腫瘤及脂肪組織上，對這些病變組織以664nm的光來激發(fā)，則發(fā)生在670nm處出現(xiàn)峰值的熒光。如果把這些曲線用圖來表示，那么很容易確定

51、病變部位。實際的熒光測定是在靜脈注射所需量的NPe6并經(jīng)一定時間后進行的。經(jīng)過數(shù)小時后從正常組織中排出NPe6。此時照射功率密度約為1mW/cm2的激光，因此可使用半導體激光器作為光源。利用CCD攝像機拍攝熒光范圍后，輸入到計算機中，經(jīng)過圖像處理可確定病變部位。利用內(nèi)窺鏡，則可進行生物體深處病變部位的觀察。內(nèi)窺鏡可以與前述的PDT組合使用，有望成為臨床應用的診斷技術。圖1-14 光敏感性物質(zhì)NPe6（mono-L-aspartyl chlorine 6）的吸收光譜與熒光光譜132 激光斷層攝影1.光學計算機斷層術即光學CT（optical computed tomography）作為典型的生物

52、體斷層成像手段，X射線CT（computed tomography）已被實用化。X射線CT圍繞人體旋轉(zhuǎn)小型X射線源，由檢測器陣列測定X射線透射量后進行數(shù)字化，再對這些數(shù)據(jù)以特定的算法（CT算法）利用計算機求解后構成斷層像（tomography）。CT算法的條件是信號的傳輸方向相反時也能得到同樣輸出信號。在這里若代替X射線，利用組織穿透深度長的波長段的光，以同樣的方法也可得到斷層信息。這種方法（光CT）以無侵襲地實現(xiàn)生理學、生化學信息的圖像化而引起廣泛地注意。與X射線在生物體內(nèi)直線傳播不同，由于散射，激光在生物體內(nèi)會被擴散掉。散射光沒有確定的光路，得到的信號也沒有確定的物理意義，因此從透射光中消

53、除散射的影響是很重要的。如圖1-15所示，光從A點入射到生物體內(nèi)，在點B上觀察透射光，此時透射光中包含著三種不同的光線，一種是受到散射后向任意方向散射的成分；第二種是具有較小的散射角且向前傳播的成分；第三種是向前透射直線傳播的成分。為了實現(xiàn)光學CT必須檢測出第三種直線傳播的透射成分的光。這樣的直線傳播光的透射光強非常小，因此問題在于如何將這樣的信號選擇出來進行高靈敏的檢測。一種方法是利用直線傳播光比其他成分的光能更快地到達檢測器的高速時間分解法（時間選通法），它是組合皮10-12秒或飛10-15秒超短脈沖激光與克爾盒（二階電光效應光調(diào)制器）及高速掃描照相機來實現(xiàn)的。另外，還有用空間濾波器，在空

54、間上只選擇識別指向性高的直線傳播光成分的方法。這些方法的靈敏度都不夠高。目前最有效的方法是下述的光外差探測方法。圖1-15 透過生體（散射介質(zhì)）中的光示意圖 所謂的外差探測法，一般是對兩個不同頻率的光波（信號波與參考波）進行混合后檢測拍頻信號的方法。它可以得到很高的檢測靈敏度。為此將激光束分為參考光與入射到生物體試樣的信號光。給予參考光一定的頻移后與信號光混合（參見圖1-15），多次散射得到的光與參考光偏振方向不一致，不會產(chǎn)生拍頻信號，因此檢測出的拍頻信號是直線傳播光與參考光干涉的結果。如圖所示，將試樣旋轉(zhuǎn)并進行信號光的檢測，可利用如前所述的CT計算法得出斷層圖像。空間分辨率依賴于入射光束的直

55、徑，能小到數(shù)百微米程度。光源一般采用近紅外激光器，但在硬組織中采用Ar離子激光器，因為在硬組織中藍光的透射率高。目前已有人用這種方法得到了牙齒的斷層圖像。圖1-16 利用外差法的光學CT檢測的實驗裝置2 光學相干層析術即光學OCT（optical coherence tomography）在前面的例子中利用的是透射光，反射光或散射光的遲滯時間（飛行時間）也包含著組織分布的位置信息，因此也可以在斷層圖像中加以利用。其中利用低相干度的干涉方法稱為光學相干層析術即OCT（optical coherence tomography）。這種方法比較容易得到高分辨率的斷層圖像。光學相干層析術得到圖像的原理非

56、常類似于超聲波回音波，不需要以CT算法為基礎的圖像重構所需的復雜計算。利用光的斷層圖像術是還處于研究階段的新技術，因而其術語還未統(tǒng)一。上一小段中講述的光學CT用英語縮寫也是OCT（optical computed tomography），與光學相干層析術（optical coherence tomography）易混淆。在這里將數(shù)據(jù)處理中利用CT算法的稱為光學CT，用低相干度干涉方法的稱為OCT，以示二者的區(qū)別。光學相干層析術的原理如圖1-17所示，其基本結構為邁克耳遜干涉儀。OCT把光分成兩束信號光與參考光，其中信號光聚焦后照射到組織內(nèi)得到向后散射光，參考光在壓電陶瓷等器件調(diào)制的反射鏡上反射

57、回來得到光程調(diào)制。兩束光進行干涉后用外差探測法檢測。通過反射鏡在光軸方向大范圍移動改變參照光的光程來實現(xiàn)組織深度方向的掃描。在反射鏡移動到光軸上的某一位置后再用壓電陶瓷器件進行光程調(diào)制實現(xiàn)外差探測法檢測，得到信號光聚焦點的后向散射光的強度與遲滯時間。再加上橫向二維掃描可測定出在某一斷層平面上后向散射光的強度與遲滯時間的分布。如前所述，由于信號光的遲滯時間含有位置信息，與參考光相干涉后，干涉信號強度反映出這一位置信息，從而得到斷層信息。在這里重要的是，使用的光源必須是低相干度的。干涉信號在信號光與參照光的遲滯時間幾乎一致即光程差幾乎為零時才觀測得到。光的相干長度短，信號強度隨時間遲滯急速下降，組織深度方向的空間分辨率取決與光的相干長度，因而不可使用相干長度長的光源。例如，可使用相干長度介于半導體激光器與發(fā)光二極管中間的超級發(fā)光二極管（SLD），其空間分辨率約為10。另一方面，OCT的橫向分辨率取決于會聚光點的直徑，一般也能得到10以內(nèi)的空間分辨率。因此，整體來講OCT