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0431-81702023
光学工程
激光医疗及其原理

      摘要:本文主要介绍激光器的简要发展及医用激光的特点。阐述了激光治疗的机理,进一步叙述激光技术在多种医科的应用,又根据激光医用需求,预示激光医学将有更大的发展。最后给出了高功率激光器的应用激发展前景。
      关键词:激光;激光器;激光医学;激光治疗机理;激光动力学法;治疗应用
      前言
      激光是一种人造特殊的光,它与一般灯光、太阳光同是电磁波,但其产生机理不同,它是工作物质中原子“受激”发射的光,它的光束中所有光线都具有高单色性、高方向性、高亮度性和良好的相干性。在医学方面主要是利用激光高亮度、高方向性等特点,激光通过透镜控制聚焦光斑的大小,改变功率密度,使人体某一点上的温度最高可达200℃-1000℃,在极短时间内(10-2-10-3 秒)使病变组织凝固、分解,以至熔融和气化。例如在co2激光器的输出端可获得聚焦光斑小于0 1 毫米,以一定速度移动代替传统的外科手术刀对人体各种软、硬病变组织进行气化切割,而且精度高、伤口小、随时融合,基本上无痛、无菌、少出血。又可以根据需要选择不同波长的激光,调节光斑的大小,覆盖人体病变区域进行照射,透入不同深度进行治疗,或者在计算机与x光等仪器配合下,将激光通过光导纤维导入体内病变器官处进行治疗, 等等。目前激光已在心脏、癌症、眼、耳、鼻、咽、牙、皮肤、妇科、骨科以及美容等方面开展临床医疗,形成全新的医学分支———激光医学。与此同时,各类激光医疗系统设备的设计与制造也日趋势完善,又推进各医学专科激光医疗向纵深发展。根据激光治疗的特点,确保治疗方案正确实施,关键在于医生的治疗前的认真准备和治疗过程中精心的操作,才能成功。
一、激光治疗机理
      激光治疗时光对生物体的各种作用结果,由于激光的高强度,他将产生强烈的热效应, 光化学反应,光压和电磁场作用,根据这些作用可以进行各种临床治疗。
(一)激光热效应
      高功率激光可以焊接高熔点材料,切割金属板,所以对人的肌肉和皮肤进行切割当然不在话下。将100瓦的连续激光用光学镜头进行聚焦,在0.1 秒钟内可以达到1000 度的高温,使肌肉组织在瞬间汽化。当聚焦光点缩小到微米量级,激光束便等效于光刀,可以进行各种切割手术。当激光用于理疗的时候,其低温热效应可以起到消炎、止痛和调节人体机能的作用。
(二)光化学反应
      生物有机体吸收激光,是细胞内的某些大分子产生分解,失去再生机能。人提组织内含有大量各种色素,对激光进行有选择的吸收并产生光化学反应。例如,在细胞质和细胞之间含有大量的黑色素颗粒,吸收一定波长的激光并产生光化学反应,从而破坏整个细胞。如果这些细胞是病变组织,则激光照射变起到抑制或根除病变组织的疗效。医疗中总是希望病变组织能大量吸收激光而破坏,而对正常组织不产生影响。
(三)光压作用
      光具有压力是一般常识,但普通光源的压力很小,不为人们所感知。但强激光,特别是强脉冲激光,产生的光压是明显的,当用金属板或纸板阻挡激光时便可以听到激光光压发出的声音,有时还可以使轻微的纸片发生振颤。已通过实验证明,如果激光能量密度达71080w/cm2,产生的光压力约为3.4 达因/cm2,相当于3.4 • 10 大气压。此压力作用于人体组织是不可忽略的,它将使人体局部组织发生膨胀、变形等。
(四)电磁场效应
      磁疗法现在已人所共知,磁疗是靠磁场,人体细胞的原子和分子是按一定的结构和规律构造的,如果由于某种病变或伤害,大量细胞内部结构会产生畸变,会使细胞功能受到障碍,人体便感不适。电磁场能使分子、原子产生极化,从而矫正畸变;交变场还可使原子、分子产生激励振动,从而恢复细胞的活力。
      目前,关于激光治疗机理的研究还有待深入,需要医学专家和激光专家共同去探讨这些问题。

二、激光技术在多种医科上的应用
(一)光验血与麻醉
      验血是治疗病人之前常用的诊断方法之一,传统的方法是抽血化验,既费时间又不精确。美国桑迪亚国家实验室科学家最近发明一种激光测量的血细胞形态的仪器,它可在几分种内测出血细胞的多种数据。该仪器只有邮票大小,可产生上千条极细激光,激光发射器的下面放置内径只有头发丝1/10 粗的血液试样的细管,经上千条激光照射的血样管的周围激光传感器采集血细胞反射和折射的激光,再经放大转变为电信号输入到一台便携式计算机中,计算机则根据这些信号显示出合成血细胞的图像,并测量出大量血细胞的精确数据。过去医院长期存在病人惧怕打针和注射麻 醉 药物,以及废弃针头也常有伤人事故,为此,近年来美国科研人员开发一种无痛微型激光麻醉器,它以红色激光脉冲在病人皮肤的上层表皮上烧掉一个直径2 毫米深20 微米的小 洞,不伤及神经组织,不会有任何痛感,使用利多卡因一类液体麻 醉 药直接进入体内,皮肤在3 分种内完全麻醉,在6 分钟内可麻醉2 5 厘米深处的组织。这一新的打针和麻醉方法深受医护和病人的欢迎。
(二)激光眼病治疗激光自1961 年首先在眼科医疗应用。

       例如老年白内障是因眼球透明晶体表面蒙上一层云雾状的膜,传统医疗方法是更换晶体,用人眼 角 膜或人造角膜移植手术使患者重见光明。现用低功率红外激光照射,可迅速将其一层云雾状膜气化剥离,还原透明晶体,恢复视力;又如青光眼症状是眼内流动液体通道堵塞,内部液压过大,以致损坏视觉神经,引起视力模糊失明,现在采用适当波长与能量的激 光 气化方法,可以打开一个微细通道,使眼内液体获得流动,恢复视力;又如视网膜脱离,同样可以用很细的激光束从瞳孔射入眼内,使病变部分的细胞和蛋白质熔融成胶体状,从而将视网膜重新“焊固”在眼底上,恢复正常视力。以上三种激光治疗, 在80 年代国外先进国家已临床应用。近几年来,欧美等国用激光矫正近视、远视与散光又取得新进展。如近视眼因角膜凸起或眼球过长,结果光线聚焦成像在视网膜之前,现用激光将角膜中央凸起部分“刮平”,使光线成像恢复在视网膜上;对远视眼则因角膜中央过于平坦,使光线聚焦在视网膜之后,这用激光去除角膜周边组织,中央部分相对凸起,成像正好在视网膜之上;对于散光眼因其角膜表面一些细小的凹凸结构使入射光线向各个方向无规则偏折,致视网膜上无法形成对比度强的清晰图像,这样用激光使角膜“平整化”,达到恢复视力。
      现在眼科医生常规仪器是放在眼睛之上的接触式透镜,或是座式透镜,从外部检查患者眼睛内部病情,这只是初略的了解。据国外最新报告:近来由加拿大安大略省眼科技术学院研制出一种新型眼部内窥镜,其体积直径小于1/3 毫米,配以微型数字相机和监视器,医生将窥镜穿过眼白在眼内详细的了解眼内病情。该镜有三组光纤,一组是观察纤维,将窥镜图像送到相机, 并由监视器显示;二是提供强氙或卤素光纤“照亮”眼睛内部;三是特制空管输送激光,用于治疗眼内疾病。术后抽出窥镜,留下小孔,也可用激光愈合。这是一部集检查、治疗和修复各种眼病于一体的专用设备。
(三)激光焊接与愈合迅速止住创伤或肝脏手术大出血是传统医学的难题。

      现采用激光瞬时照射的热效应,控制照射人体的创伤口或血管刚好达到熔融状态而未气化,可以代替传统外科缝合手术而“焊接”,且不易发炎,术后恢复又快。近年来美国医学专家格里高利,又在激光焊接基础上创造出激光愈合技术成功。他是用一台手提式红外激光器和一种“弹性蛋白”的止血材料(从生物体中提取的并加工成一种新型止血材料),手术时将激光照射弹性蛋白直接融入伤口或手术切口处的皮肤组织,从而达到患处迅速愈合,手术过程简单易行。

      激光治牙病
      人们常由于不注意口腔卫生,牙缝中长期存留食物残渣发酵致酸液、微生物和细菌,侵蚀牙齿表面釉质被破坏,在牙龈上出现通向神经的小孔或空洞的龋齿,导致对冷、热、酸、甜食物过敏,出现牙痛、牙龈肿胀及出血等病状。传统的方法是用补牙、拔牙等手术,难于消除。现在用激光刮除术,即运用激光照射使病牙龈气化,并杀死病变的细胞。对龋齿孔洞用激光切割整形并用陶瓷材料填补。另一种较好方法,是利用激光将牙釉质加热约1000℃左右,使釉质熔融,重新固化釉质,整旧如新。最近新加坡国立大学开发出一种低能量短脉冲激光,温度为400℃熔化牙齿表面的有机基质以填塞釉质结构之间的空隙,形成更好的保护层,防龋效果达到98%。
      另外,还有应用激光镶牙,即在脱牙的牙基上,用激光打一个洞,拧进一个不锈钢螺丝,其上固定一条钛合金金属棍代替牙基,再用激光把金属假牙焊接在金属棍上, 这样安装假牙速度快、牢固可靠,显著提高了镶牙技术和品质。

(四)激光治疗心脏病因心脏病患者由于动脉血管内有胆固醇或有钙质晶体(晚期)的沉积而使血液受阻,以致心肌得不到新陈代谢必须的富氧血液,从而使心肌局部缺血,梗塞以至坏死。现有治疗方法有内科药物治疗及外科手术治疗,外科手术则是冠状动脉搭桥和气囊血管形成法,前者是切除人体下肢一段静脉血管移植到心脏主动脉与狭窄血管之间进行搭桥连接。后者则是把空的微形气囊,经过静脉管缓慢地推到已经堵塞冠状动脉处,再给气囊充气,将血斑推向动脉壁,以恢复血液流通。这两种技术在国内外医院已临床应用,但是有些病人不适应上述治疗,故近10 年来又有采用光纤传导激光束到动脉管内将堵塞部位“打孔”形成血管或同时消融血管内血栓的技术。后又进一步发展成为一种治冠心病的血管再造技术,即用激光直接在左心室壁上打孔, “再造”出数十条直径1 毫米的血管通道,让左心室的富氧血液直接流经再造血管内,直接改善缺血区的供血状况。还有将上两种技术兼用,例如,在国内于1996 年北京邮电总医院,对一位47 岁的冠心病人施行了“打孔+搭桥”手术,术后病状消除,心功能明显改善,两周后痊愈出院。
(五)激光治癌症
      当人体内确诊是患恶性肿瘤(癌症),传统的治疗方法之一是注入带有放射性化学物质,用放射性射线杀死癌细胞,缺点是将肿瘤周围的好组织细胞也一起杀死了。现用激光手术刀直接切除肿瘤外,还可以用激光动力学疗法。它是将病人先注入一种“血卟啉衍生物”光敏药物,它与癌细胞亲合力强,而与正常细胞亲合力弱,12-24 小时后药物便附着在肿瘤上,这时用一种准分子激光器输出的激光, 通过一根极细光纤进入肿瘤部位,当激光一遇到药物,即被吸收引起药物光化学反应,生出单态氧,使接触组织内的细胞产生强烈氧化反应,使生物分子链发生断裂,即切断肿瘤供血并将其分裂成碎片气化。这种疗法同样可应用到妇科的宫颈癌、膀胱癌、食道癌、直肠癌和支气管癌等的治疗中,成功率达70%-80%, 这一医疗法在美国1996 年约有400 家医院采用,年治疗约130 万人次。另外还可用以激光动力学方法进行癌症检查, 根据血卟啉衍生物在激光的照射下会发出橙红色荧光,故病人注入此药后,用适当波长的激光扫描人体,用人眼直观或通过内窥镜观察是否有橙红色荧光,如有橙红色,则说明该部位有癌细胞,这种检查可靠性高。
(六)激光美容
      长期以来人们希望面部皮肤上皱纹、伤疤、疣、痣等缺陷得到真实的消除,增进面部形态美,传统的医法是多种多样的。有的收效不明显,有的恶化。自80 年代美国和澳大利亚等国先后用激光美容。针对皱纹成因是皮肤表层胶原质变长或断裂导致皮肤皱褶失去弹性,一般是用脉冲式co2 高能量激光照射,可以消除产生缺陷的极薄的外层皮肤,以及使表层胶原质的长度缩短1/3 恢复皮肤弹性,修复伤痕,并使胶原质碎片加热熔融在一起,形成新的胶原质, 重新塑造皮肤外表层。据一项900 人临床试验中,有90%人消除了脸部75%的皱纹。目前国内一些城镇医疗单位都设有这种美容诊所,据称这种美容诊所使用皮肤科激光设备,开展治疗大田痣、鲜红斑痣、血管瘤、胎记、雀斑,祛皱纹、祛除纹身、纹眉、纹眼线、多毛症等,能做到安全可靠,敏捷美容,无后遗症。
      激光技术在医学上的应用,除了以上介绍的医科以外,还有用激光技术在治疗胆结石、骨科、妇科、消化道以及激光灭菌等方面不断有新的应用成果和发展。此外,激光器件和各类激光专用或多用的医疗设备, 也都在迅速发展,再加上未来世界经济一体化的促进,各国科研人员与医生合作创新,可以相信在人类对于激光医疗更大需求下,一个以治病救人的激光医学正是方兴未艾,蓬勃发展。
三、高功率激光的应用与发展前景
       高功率激光在医学上的应用已经非常普遍。从体表各种疣、痣、赘生物及良恶性肿瘤的气化切割,到内腔疾病的治疗。从最早的二氧化碳、nd:yag激光到准分子激光、高能超脉冲二氧化碳激光、调Q的翠绿宝石、ho:yag激光以及高功率半导体激光的应用,激光器逐步趋向于小型化、轻便化。柔韧的光纤可选择性地输出较高功率的激光。特别是近几年出现的ho:yag和高功率半导体激光使激光外科技术获得重大进展,在普外、泌尿、妇科、耳鼻喉科等多个领域推广使用。

      ho:yag-中红外激光波长为2.15μm左右ho:yag激光,目前脉冲能量可达0.5~2.8j/脉冲;脉冲频率5~40 次/s;平均功率1.25~80w。人体组织水吸收率在2.0、3.0 μm光的波长附近有两个尖锐的吸收峰,此波段与组织作用时,光易被体液吸收,对邻近组织热扩散作用小,比其它可见光及近红外激光的热损伤小,光作用点吸收强[8] 。现已成功地应用于各内窥镜手术:经喉镜治疗声带息肉;经纤维支气管镜治疗肺癌;经食道、胃、肠镜治疗息肉、恶性肿瘤;腹腔镜下治疗卵巢囊肿、子宫内膜移位症;膀胱镜、输尿管镜下进行前列腺肥大、碎石、膀胱癌等手术。气化切割作用优于nd:yag激光。
      半导体激光早期的半导体激光因不能输出高功率激光而受到限制。关键在于微型大功率半导体芯片的生产技术。随着高功率半导体激光阵列技术、可兼容的光导纤维以及参量计算精密控制技术的出现,医学多科应用的前景十分可观。英国研制的805nm波长的砷化镓铝半导体激光,不需水冷却,体积很小,能同时完成气化和凝固作用。它具有五种工作模式:①)接触式手术:非常适合在内窥镜下进行最小侵入式手术,如膀胱肿瘤、前列腺切除、悬雍垂及鼻息肉切除。②非接触式手术:主要通过其脉冲模式和热效应进行骨科手术,包括关节镜手术、椎间盘切除等。③插入式或光凝固手术:激光束从光纤末端的探头刺入组织中,由纵向传导转变为径向散射,使周围组织升温,引起变性、凝固坏死,用于肿瘤的治疗。④光动力疗法:随着新的光敏剂的开发使用,波长在630~980nm的半导体激光对光动力学疗法极为有效。⑤组织焊接:波长808nm的半导体激光产生损伤较小的,有选择的组织反应,从而使组织粘连。半导体激光生物效应介于nd:yag及ho:yag之间,气化作用优于nd:yag激光,凝固止血作用优于ho:yag激光,发展前景非常广泛。
      新型高能超脉冲二氧化碳激光美国的高能超脉冲二氧化碳激光近两年进入我国。它具有精美的触摸式荧屏控制台,有多种可调光斑手具,光束精细得像手术刀样在纸上划过而不留痕迹,又可通过电脑图形发生器,变换多图形大光斑,发生均匀注入式输出。脉冲能量大于200mj,脉冲频率及峰值能量高,激光波型呈矩形,波峰均在有效范围内,间隙对周围组织无损伤, 在去除皮肤皱纹和色素斑块、整复眼袋、重睑成形等美容手术方面疗效显著。
      多功能多波长的“维纳斯”多功能多波长的“维纳斯”激光美容系统,它是集755nm翠绿宝石、1064nmnd:yag、可调脉宽532nm和倍频yag为一体,在去除色素性病变如:太田痣、错误纹眉、纹身、血管瘤、鲜红斑痣的治疗中能发挥很好的作用。它配有蓝宝石冷却头,对周围组织的热损伤较小,疤痕发生机率明显下降。在医学的诊断与治疗中,小型微型化、多波段、长寿命、可靠性和高效率的激光已成为激光医疗技术发展的方向。激光的发明者tmaiman 博士曾预言,下世纪每个医生都应有一台激光。激光技术已深入到生命科学的各领域,成为解决临床治疗难题的有力武器。

 


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