激光醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)

激光醫(yī)學(xué)在皮膚科的應(yīng)用光與激光基礎(chǔ)物理光與激光束都是磁的輻射形式，它們涉及從伽馬射線到無(wú)線電波。光在空間的傳播可通過(guò)波動(dòng)理論或粒子理論來(lái)描述的波長(zhǎng)。光的性質(zhì)TheWaveTheory頻率(uor|)μ(Hz)無(wú)波長(zhǎng)1波長(zhǎng)——納米nm或微米短波長(zhǎng)高頻率長(zhǎng)波長(zhǎng)低頻率每個(gè)光子都攜帶了一個(gè)“量子”能量的（E）:E=hu

(h–普郎克常數(shù))

短波長(zhǎng)

高頻率

高能光子長(zhǎng)波

低頻率

低能光子

粒子理論光粒子——“光子”電磁光譜x-rayscosmicraysMicrowavesTVandradiowavesUVVISIBLEINFRARED400nm700nm常見(jiàn)光源熱燈絲或煤氣燃燒寬帶光譜（白色是所有顏色的混合）向各方向散發(fā)或許是連續(xù)的或脈沖的（“閃光燈”）有限聚焦性能

Light

AmplificationbytheStimulated

EmissionofRadiation基礎(chǔ)于以下原理:激光源激光發(fā)射原理自發(fā)輻射：在一個(gè)體系中，熱平衡時(shí)低能級(jí)的粒子數(shù)總比高能級(jí)的粒子數(shù)目多。高能級(jí)的粒子總是向低能級(jí)躍遷而趨于穩(wěn)定，多余能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾酉蛲廨椛?。受激吸收：低能?jí)的粒子如吸收外來(lái)光子的能量可激發(fā)到高能級(jí)上去。受激輻射：受激吸收后，高能級(jí)粒子向低能級(jí)躍遷同時(shí)，發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光相同的光子。產(chǎn)生激光的條件：受激輻射＞受激吸收。

受激輻射光放大h'1光子受激發(fā)的原子h'h'2個(gè)光子激光器基本工作原理激光器的基本結(jié)構(gòu)：

工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和光學(xué)諧振腔。

激光器的基本工作原理：?jiǎn)?dòng)泵浦源粒子數(shù)反轉(zhuǎn)輻射幾率＞吸收幾率光學(xué)諧振腔定向、單色輻射場(chǎng)不斷加強(qiáng)受激輻射場(chǎng)激光

激光示意圖激光介質(zhì)泵浦能量后反射鏡R~100%前反射鏡R~90%激光束激光的特性單色性好

用于精確測(cè)量物體的長(zhǎng)度。相干性好a.時(shí)間相干性；b.空間相干性。用于全息照相、激光衍射儀。方向性好

用于定位、導(dǎo)向、測(cè)距等。醫(yī)學(xué)上用作普通手術(shù)刀和微手術(shù)刀（直接對(duì)DNA等生物大分子進(jìn)行切割或?qū)樱?。亮度?/p>

能量在空間和時(shí)間上高度集中。激光武器；激光切割金屬；炭化和氣化組織。激光脈沖類型C.W.連續(xù)

(CO2,Nd:YAG,Diode)

電脈沖

(CO2,Nd:Yag,Diode)

自由輸出

(Ruby,Er,Ho,Alex)Q開(kāi)關(guān)

(Ruby,Nd:YAG)脈沖寬度連續(xù)波10微秒-1秒0.25-2毫秒5-40納秒激光束強(qiáng)度功率表示連續(xù)光束——瓦特（功率單位）指示一秒鐘傳輸?shù)目偰芰浚湫头秶鸀閙W至

100W（瓦）電脈沖光——相同，對(duì)于小于毫秒級(jí)脈沖光可以是毫焦耳級(jí)的能量。自由輸出及Q開(kāi)關(guān)——焦耳（能量單位）指單脈沖總的能量。以瓦特表示的能量等于每次脈沖（用焦耳表示）乘以頻率（赫茲）

激光計(jì)量及有關(guān)參數(shù)1.能量（E）

概念：脈沖輸出的激光器，其每一脈沖所具有的做功能力。單位：焦耳（J）

相關(guān)參數(shù)：

脈沖幅度--脈沖可有多種形狀，脈沖所能達(dá)到的最大值脈沖寬度--脈沖的持續(xù)時(shí)間脈沖頻率--周期性重復(fù)的脈沖每秒出現(xiàn)的個(gè)數(shù)脈沖周期--頻率的倒數(shù)峰值功率--脈沖能量與脈沖寬度之比平均功率--脈沖能量與脈沖頻率的乘積激光計(jì)量及有關(guān)參數(shù)2.功率（P）

概念：連續(xù)輸出的激光器在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。它表征激光器在每秒（S）內(nèi)輸出的能量。從光子水平上看，功率代表單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的光子數(shù)。

單位：瓦（W）或毫瓦（mW）

W=J/s

mW=mJ/s

激光計(jì)量及有關(guān)參數(shù)3.光斑面積（A）

概念：通常指激光束落在受照組織表面的光斑的面積。單位：平方厘米（m2）測(cè)量方法：

可見(jiàn)激光直接測(cè)量不可見(jiàn)激光用特殊的轉(zhuǎn)換材料，顯示其光斑大小高斯光斑取強(qiáng)度為幅值1/e2的兩點(diǎn)間距離定義為光斑的直徑激光計(jì)量及有關(guān)參數(shù)4.照射時(shí)間（T）

概念：激光束照射于組織表面所持續(xù)的時(shí)間。單位：秒（S）相關(guān)參數(shù)：功率密度（P/A）---即幅照度，這是表示激光光強(qiáng)度的重要參數(shù)，表征單位面積受照組織所接受的光功率。從光子水平看，功率密度代表單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的光子數(shù)。

單位：瓦/平方厘米(W/cm2)

激光計(jì)量及有關(guān)參數(shù)5.激光計(jì)量（D）

概念：幅照到組織上能量密度的多少。

單位：焦耳/平方厘米（J/cm2）以

連續(xù)激光垂直照射，則：D=P/A·T

以

單位脈沖激光垂直照射，則：D=E/A

如果激光束并非垂直而是以入射角θ照射組織，則：

D=P/A·T·cosθ

D=E/As·cosθ

上式表明，入射角θ越大，生物體所接受的激光劑量越小。由此可見(jiàn)，我們?cè)谟眉す庾鲋委煏r(shí)，在一般情況下應(yīng)盡量使光束與組織表面垂直。臨床用激光做穴位照射或其他非損傷性照射治療時(shí)，調(diào)節(jié)激光射劑量的最簡(jiǎn)便的方法是改變激光的照射時(shí)間。激光

/光組織影響反射散射傳輸吸收組織內(nèi)部光的吸收波長(zhǎng)（微米）)1.00.21020100,00010,0001,000100101.00.10.010.0010.0001水黑色素血色素氧合血紅素吸收系數(shù)(每厘米)CO2鉺:YAG3.0白色膚的光學(xué)穿透

(50%吸收深度單位mm)(nm)53258569475510602100294010,600穿透600120013001600800－20180激光倍頻YAG脈沖染料紅寶石翠綠寶石Nd:YAG鈥鉺CO2吸收體黑色素,血液血液,黑色素黑色素黑色素黑色素,血液水水水組織吸收的熱量煙100OC及隱含熱量汽化碳化皺紋90O-100OC空泡化白/灰65O-90OC組織變性漂白60O-70OC凝結(jié)(壞死)開(kāi)端無(wú)50O-60OC溫度視覺(jué)變化生物學(xué)變化熱

皮膚組織各級(jí)水平熱致作用表

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

熱致水平熱致溫度持續(xù)時(shí)間臨床表現(xiàn)────熱敷38～40℃長(zhǎng)時(shí)間溫?zé)岣杏X(jué)熱致紅斑43～44℃長(zhǎng)時(shí)間微血管充血擴(kuò)張見(jiàn)紅斑反應(yīng)熱致水皰47～48℃數(shù)秒炎性滲出物潴留皮內(nèi),表真皮分離熱致凝固55～60℃約10秒受照處皮膚組織凝固壞死熱致沸騰100℃以上數(shù)秒皮膚組織中的組織液沸騰熱致炭化300～400℃瞬間可見(jiàn)呈棕黑色干性壞死組織,

伴有水蒸氣白煙熱致燃燒530℃以上瞬間可見(jiàn)火光,伴有水蒸氣白煙熱致汽化5730℃瞬間皮膚由固體立即變成氣體,并以極高的速度射出,留下一個(gè)凹陷,

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━熱量釋放時(shí)間()t該時(shí)間表示通過(guò)熱傳導(dǎo)從一個(gè)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散至周圍結(jié)構(gòu)消耗熱量所需的時(shí)間。當(dāng)脈沖寬度小，熱損傷將被限制于目標(biāo)上。當(dāng)脈沖寬度大于，熱量將被從目標(biāo)上傳導(dǎo)到周圍結(jié)構(gòu)。tttP<

tP>

“選擇性光熱作用”工作模式靶組織對(duì)激光的吸收系數(shù)應(yīng)大于正常組織脈沖延遲時(shí)間小于靶組織熱馳豫（即溫度降至一半）時(shí)間激光能量足夠大激光的生物效應(yīng)

激光照射于生物組織時(shí)，因其波長(zhǎng)、強(qiáng)度、工作方式、曝光時(shí)間等參數(shù)的不同，可以表現(xiàn)出不同的生物學(xué)作用，就生物組織而言，則因其光學(xué)特性和熱學(xué)特性不一，在不同參數(shù)的激光作用下可以產(chǎn)生不同的生物效應(yīng)，包括：光熱效應(yīng)－－組織吸收光以后，光能轉(zhuǎn)化為熱能，使局部溫度升高。應(yīng)用:在手術(shù)治療及非手術(shù)治療上。光化學(xué)效應(yīng)－－當(dāng)光子給予生物大分子的能量，大于斷開(kāi)其弱鍵所需的能量時(shí),就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng).光熱效應(yīng)光子能量E=hC/λ(h:普朗克常數(shù);C:光速;λ:光波長(zhǎng)

)

產(chǎn)熱機(jī)制：長(zhǎng)波長(zhǎng)光子---直接生熱短波長(zhǎng)光子---激發(fā)態(tài)電子以無(wú)輻射躍遷返回低能態(tài)時(shí),所釋放的能量使周圍分子增加熱運(yùn)動(dòng),以及激發(fā)態(tài)電子并非直接返回基態(tài),而是在眾多復(fù)雜的能量差不大的能級(jí)之間分次逐級(jí)向下弛豫,每次只能釋放較低的能量,而使周圍的分子增加熱運(yùn)動(dòng).激光在手術(shù)方面的應(yīng)用

根據(jù)激光功率密度的不同:1.切割術(shù)—組織中水汽化導(dǎo)致的體積擴(kuò)大壓力增加,以及組織固有的張力而被分開(kāi)而形成切口.2.氣化術(shù)—組織中水分在瞬間被蒸發(fā),干燥,凝固了的組織也隨即燃燒而一并被蒸發(fā)去除.3.碳化術(shù)—以焦點(diǎn)以外一定大小的光斑,在一定的時(shí)間內(nèi)連續(xù)的照射組織,使受照組織發(fā)生干性壞死和炭化,

外觀呈綜黑色.激光在手術(shù)方面的應(yīng)用

4.凝固術(shù)—以焦點(diǎn)以外相應(yīng)大小的光斑,把功率降低至適當(dāng)水平,連續(xù)的照射組織,使受照組織在保持上皮完整,不產(chǎn)生缺損和碳化的基礎(chǔ)上沙出現(xiàn)熱凝固壞死.外觀由灰白色漸變?yōu)榛液稚?.激光組織間熱療法—讓激光通過(guò)插入組織內(nèi)的光纖維對(duì)組織進(jìn)行加熱，使組織內(nèi)溫度升至

60°C以上，并持續(xù)照射一定時(shí)間，使該組織凝固壞死。已應(yīng)用于治療腫瘤。6.光熱敷—利用功率密度約為150-800mW/cm2的低強(qiáng)度激光對(duì)病灶局部產(chǎn)生一種溫?zé)岬母杏X(jué)，猶如熱敷。光化學(xué)作用

產(chǎn)生條件：光子給予生物大分子的能量>斷開(kāi)其弱鍵所需的能量全過(guò)程：生物分子吸收相應(yīng)能量的光子

→外層價(jià)電子被激發(fā)躍遷至電子激發(fā)態(tài)

→在其馳豫返回基態(tài)時(shí)釋放出的能量消耗在某一化學(xué)鍵的斷裂和新鍵的形成上

→生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物光動(dòng)力療法（PDT）

原理：光敏劑進(jìn)入靶組織→受到接近光敏劑發(fā)射光譜峰值波長(zhǎng)的光照射→光敏劑被激發(fā)→光敏劑把能量轉(zhuǎn)移給靶組織中的分子氧→靶組織中的分子氧被激發(fā)為強(qiáng)氧化劑（單態(tài)氧）→單態(tài)氧使靶組織的生物膜產(chǎn)生過(guò)氧化損傷→靶組織破壞常用光敏劑

HPD（血卟啉衍生物）DHE（雙血卟啉酯）酞花菁染料脫鎂葉綠環(huán)類癌光啉（PSD-007）光敏素ⅡmTHPC（間四羥基氯苯酚）卟啉合成物的母體ALA（5氨基-γ-酮戊酸）進(jìn)入靶組織方式：

靜脈給藥動(dòng)脈給藥組織內(nèi)注射局部敷貼光化學(xué)效應(yīng)的臨床應(yīng)用

產(chǎn)生條件：

?低光功率密度（低強(qiáng)度）

?較長(zhǎng)曝光時(shí)間典型應(yīng)用：

◆光動(dòng)力療法（PDT）◆低強(qiáng)度激光血管內(nèi)照射

◆激光局部照射激光器種類激光器有很多種，可從不同角度分類：

工作物質(zhì)——?dú)怏w、液體、固體、半導(dǎo)體激光器等激勵(lì)方式——電激勵(lì)、光激勵(lì)、熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)激光器等工作方式——連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波、脈沖(巨脈沖)、鎖膜、調(diào)Ｑ激光器等激光波長(zhǎng)——紅外、紫外、可見(jiàn)、射線激光器等

激光技術(shù)氣體激光: 激光介質(zhì)是氣體

CO2,He-Ne,Argon固體激光: 激光介質(zhì)是固體釹：釔鋁石榴石、紅寶石、紫翠石、鉺、鈥其它激光: 半導(dǎo)體,染料激光器類型x-rayscosmicrays電視和收音機(jī)策波準(zhǔn)分子氬倍頻染料紅寶石翠綠寶石Nd:YAG鉺:YAGCO2190-390488-514532577-6307556941064294010600紫外的可見(jiàn)的紅外線400nm700nm鈥2100常用激光器簡(jiǎn)介Nd:YAG激光器YAG–釔鋁石榴石波長(zhǎng)-1.06微米,接近紅外光束連續(xù)Nd:YAG–持續(xù)泵浦燈(例如Kr氪燈)脈沖Nd:YAG–脈沖泵浦燈(閃光泵浦燈-

例如氙)Nd:YAG激光棒泵浦燈鍍金泵浦腔鏡鏡鏡MirrorQ開(kāi)關(guān)Nd3+:YAG

激光機(jī)Q開(kāi)關(guān)技術(shù)波長(zhǎng)：1064/532nm能量：500mJ/250mJ脈寬：<10ns頻率：1-5Hz導(dǎo)光方式：七關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂，三自由度指示光：5mw半導(dǎo)體激光用途：各類皮膚色素病和血管病超脈沖CO2激光機(jī)波長(zhǎng)：10600ms導(dǎo)光系統(tǒng)：六關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂，五種刀頭功率：1-30W用途：皮膚外科，整形外科五官科，肛腸科等各科手術(shù)

便攜式CO2激光機(jī)波長(zhǎng)：10600ms導(dǎo)光系統(tǒng)：直接輸出功率：1-10W冷卻方式：內(nèi)置水冷循環(huán)半導(dǎo)體激光laserSmile便攜式高速牙齒漂白系統(tǒng)最大輸出功率：10w光纖長(zhǎng)度：191cm用途：平行輸出的半導(dǎo)體激光高速激發(fā)涂抹在牙齒表面的專利漂白凝膠，催化凝膠與色素的反應(yīng)，從而快速的美白牙齒。脈沖染料激光波長(zhǎng)：585nm脈寬：350us輸出光斑直徑：5mm重復(fù)頻率：2Hz輸出系統(tǒng)：柔性光纖＋手柄Q開(kāi)關(guān)紅寶石激光機(jī)Q開(kāi)關(guān)脈沖激光波長(zhǎng)：694nm能量：調(diào)Q—10J

非調(diào)Q—40J脈寬：調(diào)Q—7ns用途：調(diào)Q—皮膚色素病非調(diào)Q—脫毛Q開(kāi)關(guān)翠綠寶石激光波長(zhǎng)：755nm能量：4-10J/cm2脈寬：50-90ns用途：皮膚色素病ALEXlazr短脈沖激光系統(tǒng)絲柔光子脫毛/痤瘡治療儀光源：光熱脈沖輸出方式：直接耦合能量密度：2-7.5J/c