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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,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,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: 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 ),Photodynamic 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,
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