1、第三节第三节 激光生物作用机理激光生物作用机理激光医学生工课件1一、光致发热作用一、光致发热作用（一）激光辐射的热效应（一）激光辐射的热效应激光束激光束 波长，照度，时间，光强分布波长，照度，时间，光强分布 光热转换光热转换 反射，吸收，散射反射，吸收，散射 热扩散热扩散 扩散率，时间特性扩散率，时间特性组织变性组织变性 组织感受性组织感受性 组织坏死组织坏死 激光医学生工课件2结果：蛋白质破坏，细胞受损害。结果：蛋白质破坏，细胞受损害。组织在几毫秒内，温升组织在几毫秒内，温升 ；C01000200或持续或持续 1 分钟，组织中温度达分钟，组织中温度达 ；C05045McGuff 用用180J
2、 红宝石激光束照射黑鼠颊囊内红宝石激光束照射黑鼠颊囊内移植性恶性肿瘤移植性恶性肿瘤。结果：肿瘤内温升至少到结果：肿瘤内温升至少到 ，持续，持续 1 分钟分钟C046以上。以上。激光医学生工课件3s701504060101560660温度温度)(0Cminh组织破坏组织破坏热损伤阈值温度与热作用持续时间关系热损伤阈值温度与热作用持续时间关系热引起组织破热引起组织破坏的原因：坏的原因：1.细胞蛋白质变性细胞蛋白质变性2.细胞基础代谢障碍细胞基础代谢障碍3.血循环供应障碍血循环供应障碍激光医学生工课件4正常正常C037生物效应生物效应温度温度表表3.1 3.1 激光辐射的热效应激光辐射的热效应体温过
3、高体温过高C045酶活性减弱，细胞固定酶活性减弱，细胞固定C050蛋白质和胶原蛋白变性（凝结）蛋白质和胶原蛋白变性（凝结）C060生物组织膜通透性生物组织膜通透性C080汽化，热分解（蚀除）汽化，热分解（蚀除）C0100碳化碳化C0100 熔融熔融C0300 激光医学生工课件5（二）热效应对生物组织的影响（二）热效应对生物组织的影响对代谢的影响对代谢的影响对血液循环的影响对血液循环的影响温度变化温度变化 ，代谢率的，代谢率的变化为变化为 。C01%10可改善加热区的血供与营养。可改善加热区的血供与营养。生物组织的各级热反应水平生物组织的各级热反应水平1、温热感觉、温热感觉 C04038皮肤表面
4、温度上升至皮肤表面温度上升至激光医学生工课件63、热致水泡、热致水泡 C04847皮肤温度升至皮肤温度升至4、热致凝固、热致凝固 组织温度达组织温度达C0100605、热致汽化、热致汽化 C0100组织温度升至略超过组织温度升至略超过6、热致炭化、热致炭化 当温度高达当温度高达C04003007、热致燃烧、热致燃烧 C0530温度超过温度超过8、热致切割、热致切割 当功率密度进一步提高，受当功率密度进一步提高，受照处会出现火山口状的坑。照处会出现火山口状的坑。汽化汽化治疗治疗 2、热致红斑、热致红斑 组织温度升至组织温度升至C04443光光致致热热凝凝固固 激光医学生工课件7切切割割区区 汽汽
5、化化区区 凝凝固固区区焦焦点点 原光束原光束 聚焦透镜聚焦透镜 通过聚焦透镜激光的能量分布通过聚焦透镜激光的能量分布激光医学生工课件8（三）光致热作用的应用（三）光致热作用的应用弱激光的热作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。代谢、修复等。改善神经系统功能。强激光的热作用强激光的热作用激光温热疗法、激光诱导间质热疗法（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。葡萄酒色素斑、
6、血管瘤等凝固止血术等。激光医学生工课件9（1）对组织进行切割和分离对组织进行切割和分离 强激光的医学应用强激光的医学应用（2）对组织进行汽化和融解对组织进行汽化和融解 （3）对组织进行烧灼和止血对组织进行烧灼和止血（4）对组织进行凝固和封闭对组织进行凝固和封闭 激光医学生工课件10二、光致生物的非热效应二、光致生物的非热效应光致光致生物生物非热非热效应效应 第一、光化效应第一、光化效应第二、压力和冲击波效应第二、压力和冲击波效应第三、电磁场效应第三、电磁场效应激光医学生工课件11（一）光化效应（一）光化效应光化学反应光化学反应激光与生物组织相互作用时，可激光与生物组织相互作用时，可能会导致若干
7、键断裂与键形成的化学反应，即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。旧键被完全破坏或新键形成的过程。光化学吸收定律光化学吸收定律特定的光化反应要由特定波特定的光化反应要由特定波长的光子来引发。长的光子来引发。简言之：光化反应具有波长选择性。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引起光化反应的波谱范围通常是nm700350激光医学生工课件12红外激光以热效应为主；红外激光以热效应为主；紫外激光以光化效应为主。紫外激光以光化效应为主。例如：含有大量色素的黑色素瘤，能量密度例如：含有大量色素的黑色素瘤，能量密度1000J/cm2，严重破坏。严重破
8、坏。透明组织，能量密度透明组织，能量密度500060000J/cm2，没有没有明显破坏。明显破坏。激光医学生工课件13光化致色素沉着作用光谱光化致色素沉着作用光谱光化杀菌作用光谱光化杀菌作用光谱光化合成维生素光化合成维生素D作用光谱作用光谱601000.280400.30.4波长波长(m mm)20相相对对值值光化效应作用光谱光化效应作用光谱光化杀菌光化杀菌nm265光化合成维生素光化合成维生素Dnm285色素沉着色素沉着nm350最有效波长最有效波长激光医学生工课件14非线性吸收非线性吸收一个分子可能吸收多个光子的现象。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。条件：强度大的
9、激光束照射。例如：例如：的钕激光照射组织的钕激光照射组织 nm1060nm1060nm530 h2nm265 h4光化学量子定律光化学量子定律任何原初光化反应中，每个任何原初光化反应中，每个光子只和一个分子反应。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。简言之：光化效应决定于光的总能量。激光医学生工课件15光化反应的类型光化反应的类型 光致分解光致分解 光致氧化光致氧化 将原来物质分解将原来物质分解成为更简单的物质。成为更简单的物质。如：紫外光照射如：紫外光照射H2S 凡激光致反应物失去电子凡激光致反应物失去电子的过程。的过程。光致聚合光致聚合光子很易将一些稳定的分子激发光子很易
10、将一些稳定的分子激发成成自由基，可使之形成二聚体或三聚自由基，可使之形成二聚体或三聚体等简单分子，也可促成链式反应体等简单分子，也可促成链式反应形成大分子。形成大分子。激光医学生工课件16光致敏化光致敏化在光敏剂的参与下，由光照射到生物在光敏剂的参与下，由光照射到生物组织而发生的一种化学反应。组织而发生的一种化学反应。另一类有氧参加，如光敏剂另一类有氧参加，如光敏剂HpD（血卟啉衍生物）（血卟啉衍生物）;一类无氧参加，如补一类无氧参加，如补骨骨脂素，加脂素，加365 nm 的激光照的激光照射可治疗白癜风或牛皮癣。射可治疗白癜风或牛皮癣。(X,Y,Z,S)(X,Y,P,S)h激光医学生工课件17
11、 Photodynamic Therapy(PDT)是指某些生物染料，能被恶性肿瘤选择性吸是指某些生物染料，能被恶性肿瘤选择性吸收和滞留，在有收和滞留，在有O2条件下，接受波长与吸收峰相条件下，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，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。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。单态氧的瞬时强烈氧化作用，使细胞质受到破坏。激光医学生工课件18光动力作用的要素光动力作用的要素
12、（1）基质）基质 受作用的物质（主要生物物质：受作用的物质（主要生物物质：（2）敏化剂）敏化剂 主要有血卟啉衍生物主要有血卟啉衍生物（3）光源）光源 主要有主要有Ar+激光激光（4）氧（）氧（O2）是启动光动力作用的前提，是启动光动力作用的前提，蛋白质、酶和核酸等）蛋白质、酶和核酸等）各组织细胞中均含有。各组织细胞中均含有。激光医学生工课件19光化作用的应用光化作用的应用 （2）对各种不同组织类型恶性肿瘤都起作用；）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、用光动力学作用治疗恶性肿瘤、皮肤鲜红斑痣、消除血制品中的病毒等。消除血制品中的病毒等。（1）有选择性破
13、坏恶性肿瘤细胞，对正常细胞损）有选择性破坏恶性肿瘤细胞，对正常细胞损PDT治癌的优点治癌的优点（3）位于体表或内镜可以到达的内腔表浅恶性肿）位于体表或内镜可以到达的内腔表浅恶性肿伤小，或无损伤伤小，或无损伤;瘤、散在分布或复发性小肿瘤均可作根治；瘤、散在分布或复发性小肿瘤均可作根治；激光医学生工课件20（二）压力和冲击波效应（二）压力和冲击波效应一次压强一次压强直接由光子碰撞引起的光压。直接由光子碰撞引起的光压。二次压强二次压强激光作用生物组织后继发作激光作用生物组织后继发作用而产生的一系列压强。用而产生的一系列压强。光光致致压压强强作作用用 阳光对地球上一个黑点的光压是阳光对地球上一个黑点的
14、光压是atm12104 atm3106.6 能量密度为能量密度为 1J/cm2、脉宽为、脉宽为 的激光的激光束的光压是束的光压是s8105 激光医学生工课件21气流反冲压气流反冲压生物组织表面受激光照射引起汽化生物组织表面受激光照射引起汽化内部气化压内部气化压时产生的压强。时产生的压强。能量密度为能量密度为 1J/cm2、脉宽为、脉宽为 的激光的激光束照射组织产生的反冲压是束照射组织产生的反冲压是s8105 atm6.6激光聚焦于生物组织内部引起汽化激光聚焦于生物组织内部引起汽化时产生的压强。时产生的压强。多发生于眼球和头颅这些密闭的腔内。多发生于眼球和头颅这些密闭的腔内。产生瞬时汽化压高达产
15、生瞬时汽化压高达 200 多个多个atm。激光医学生工课件22膨胀超声压膨胀超声压强激光照射生物组织后，温度迅速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。频率的弹性振动波。能量密度为能量密度为 1J/cm2、脉宽为、脉宽为 的调的调Q激光激光束，可产生超声压强束，可产生超声压强s8105 atm51072.2 电致伸缩压电致伸缩压激光是电磁波，照射到生物组织上激光是电磁波，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。时可产生极化应力，应力引起电致伸缩压。能量密度为能量密度为 2J/cm2、脉宽为
16、、脉宽为 的钕玻的钕玻璃锁模激光照射，电致伸缩压可达璃锁模激光照射，电致伸缩压可达s121025 atm80激光医学生工课件23等离子体膨胀产生压强等离子体膨胀产生压强高功率密度的脉冲激光高功率密度的脉冲激光照射生物组织，可形成等离子体。照射生物组织，可形成等离子体。等离子体等离子体(Plasma)：分子、原子发生电离作用，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。形成等量电子和离子的电中性的集合体。宇宙中宇宙中90物质处于等离子体态物质处于等离子体态天然等离子体存在于远离人群的地方，如天然等离子体存在于远离人群的地方，如闪电闪电、极光极光等。等。激光医学生工课件24 等离子
17、体是几乎所有可见物质的存在形式，大等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的气外侧的电离层电离层、日地空间的、日地空间的太阳风太阳风、太阳日太阳日冕冕、星云及星团星云及星团，毫无例外的都是等离子体。，毫无例外的都是等离子体。日常生活中：日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏等日光灯、电弧、等离子体显示屏等激光医学生工课件25激光激光靶组织的分子或原靶组织的分子或原子发生电离作用子发生电离作用等离子体形成等离子体形成微小爆炸微小爆炸冲击波冲击波声波声波机械扩张作用，组织裂解机械扩张作用，组织裂解等离子体强烈吸收入射激光，引起它本身迅速膨等离子体强烈吸收入射激光，引起它本身迅速膨胀，形成冲
18、击波产生的压强或等离子体形成空腔胀，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。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。等离子体具有气体的机械性和金属的导电性。激光医学生工课件26Fox 等用等用100J宽脉冲红宝石激光束照射鼷鼠头部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。，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等用红宝石激光束照射小鼠头部。压力效应的特点压力效应的特点它所引起的组织损伤可远离它所引起的组织损伤可远离直接照射部位。直接照射部位。激光照射腹部可在腹内深部产生损害。激光照射腹部可在腹内深部产生损害。在造成视网膜
19、损伤上，激光器的有效性：在造成视网膜损伤上，激光器的有效性：锁膜激光器锁膜激光器Q开关激光器开关激光器脉冲激光器脉冲激光器连续激光器连续激光器倍倍5倍倍10倍倍10激光医学生工课件27光致压强作用的应用光致压强作用的应用青光眼的前房角打孔、激光碎石术。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，有些溅落注意：压强可以使肿瘤碎屑发生飞溅，有些溅落在在 2.4 米以外还存活。米以外还存活。激光医学生工课件28（三）电磁场效应（三）电磁场效应产生光学谐波产生光学谐波生命过程中物质的物理状态很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大程度上是液晶态，所
20、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，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。可使生物组织产生光学谐波。当激光功率密度当激光功率密度 108 W/cm2，高强度电场高强度电场(1010V/cm2)作用下可作用下可自由基形成自由基形成以产生自由基即带电基团。以产生自由基即带电基团。激光医学生工课件29当强电场激光束作用于生物组织当强电场激光束作用于生物组织受激拉曼散射受激拉曼散射受激布里渊散射受激布里渊散射时，拉曼散射光突然变强，光谱变窄，出现受激时，拉曼散射光突然变强，光谱变窄，出现受激辐射的特点。辐射的特点。特点：相干光。特点：相干光。作
21、用：被色素颗粒吸收可引起热损伤。还可导致作用：被色素颗粒吸收可引起热损伤。还可导致细胞损伤。细胞损伤。生物分子在激光束的强电场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，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。很强相干散射光的过程。激光医学生工课件30激光功率密度达激光功率密度达 1010 1015 W/cm2 。电击穿与等离子体产生电击穿与等离子体产生应用：粉碎结石。应用：粉碎结石。作用：可致细胞破裂，从而产生水肿。作用：可致细胞破裂，从而产生水肿。激光医学生工课
22、件31三、光致生物的刺激作用三、光致生物的刺激作用光致光致生物生物刺激刺激作用作用 第一、光致生物刺激作用机理第一、光致生物刺激作用机理第二、光致生物刺激作用规律第二、光致生物刺激作用规律第三、应用第三、应用激光医学生工课件32（一）光致生物刺激作用机理（一）光致生物刺激作用机理生物分子吸收光子生物分子吸收光子激光只有被生物分子吸收激光只有被生物分子吸收生物刺激作用生物刺激作用生物分子吸收了激光的能量后生物分子吸收了激光的能量后生物反应生物反应对机体产生兴奋或抑制作用。对机体产生兴奋或抑制作用。后才能引起刺激作用。后才能引起刺激作用。会发生能态的改变。会发生能态的改变。引起生物刺激作用所需的激
23、光剂量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。处于刺激阈值与损伤阈值之间。的活性等。的活性等。使蛋白质合成活化、提高酶使蛋白质合成活化、提高酶激光医学生工课件33（二）激光生物刺激作用规律（二）激光生物刺激作用规律刺激效应的相变规律刺激效应的相变规律激光的刺激作激光的刺激作用有累积效应用有累积效应A激光刺激效应的相变规律激光刺激效应的相变规律BCDE兴兴奋奋剂量剂量抑抑制制激光医学生工课件34疗效的抛物线规律疗效的抛物线规律A疗疗效效照射次数照射次数BC弱激光疗效的抛物线规律弱激光疗效的抛物线规律治疗需采用疗程间隔治疗需采用疗程间隔激光医学生工课件35（三）激光生物刺激作用的
24、应用（三）激光生物刺激作用的应用激光理疗激光理疗对组织进行离焦照射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。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。当散射到若将激光不予聚焦，而进行散射。当散射到适当距离时，再进行照射，这种方法适用于治疗适当距离时，再进行照射，这种方法适用于治疗下肢溃疡，慢性鼻炎等下肢溃疡，慢性鼻炎等。激光医学生工课件36He-Ne 激光激光麦粒肿、睑缘炎、黄斑出血、外耳道炎、耳软骨麦粒肿、睑缘炎、黄斑出血、外耳道炎、耳软骨膜炎、慢性鼻炎、过敏
25、性鼻炎、腮腺炎、三叉神膜炎、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。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、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。哮喘、慢性气管炎、神经性皮炎等。CO2 激光激光激光医学生工课件37激光针灸治疗激光针灸治疗对穴位进行照射对穴位进行照射He-Ne 激光针、激光针、CO2 激光针、其它激光针激光针、其它激光针激光针灸的优点：激光针灸的优点：无痛、无菌、无损伤、照射剂量可用照射时间
26、来无痛、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。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。量，故激光照射具有针刺和炙法洪的作用。激光医学生工课件38半导体激光器半导体激光器Nd：YAG激光器激光器N2 激光器激光器Ar+激光器激光器表浅镇痛表浅镇痛头痛头痛恶性肿瘤恶性肿瘤截瘫截瘫激光医学生工课件39思思 考考 题题一、选择题：选择题：1.B .A .C一束激光从空气入射到角膜组织时，发一束激光
27、从空气入射到角膜组织时，发 生折射。入射角为生折射。入射角为 ，下列选项中哪个，下列选项中哪个角度角度 可能是折射角可能是折射角 激光医学生工课件402.9.0a一生物组织的光漫反照率一生物组织的光漫反照率 ，它的，它的吸收和散射系数分别为吸收和散射系数分别为 ，下列哪，下列哪个选项是正确的个选项是正确的s和sA 9.0.sB 9.sC 9.激光医学生工课件413.朗伯定律描述的是由于下列哪一项造成朗伯定律描述的是由于下列哪一项造成的光强的损失的光强的损失吸收吸收.A散射散射.B全衰减全衰减.C4.如果如果 g 是各向异性系数，那么下列哪一是各向异性系数，那么下列哪一项代表了各向同性散射的特征
28、项代表了各向同性散射的特征0.gA5.0.gB1.gC激光医学生工课件425.流式细胞仪的英文简称是流式细胞仪的英文简称是FCMA.LCSMB.SNOMC.6.下列哪一种仪器被人们称为显微下列哪一种仪器被人们称为显微“CT”STMD.FCMA.LCSMB.SNOMC.STMD.激光医学生工课件437.在生物组织中，若吸收系数和散射系数在生物组织中，若吸收系数和散射系数相等，则光漫反照射率相等，则光漫反照射率 a=（）21.A0.B1.C8.如果以超短激光脉冲照射生物组织体，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其中哪一种光是完全非相干光2.D漫散射光漫散射光.A入射光入射光.B弹道光弹道光.C蛇形光蛇形光.D激光医学生工课件449.吸收和散射同时存在的介质称为吸收和散射同时存在的介质称为透明介质透明介质.A混沌介质混沌介质.B均匀介质均匀介质.C纯净水纯净水.D激光医学生工课件45
