激光的特性及激光醫學應用

來源:廣州信筑醫療技術有限公司    關鍵詞:激光醫療, 神經外科, 應用,    發布時間:2019-07-12

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一、概述

激光即由受激輻射而產生放大的光,又稱萊塞(Laser是英語“Light Amplification by stimulatedEmission of Radiation”的幾個前綴的縮寫)。

激光技術的成功被認為是本世紀最重大的四項科學成果之一(即原子能、半導體、計算機、激光)。

激光剛一出現,它的發展前景就引起人們的強烈興趣,不久就相繼出現了數百種能發射不同波長的相干光的激光器。1964年美國卡斯珀(Kasper)制成了第一臺化學激光器。1966年蘭卡德(Lankard)等人首先制成了有機染料激光器,到目前為止,全世界已生產了幾千種類型的激光器,并研制成了高壓氣體激光器、高功率化學激光器、準分子激光器半導體激光器、固體激光器自由電子激光器和X線激光器等新品種。目前激光器輸出功率最大可達1013W,最小為mw

激光問世后,很快受到醫學和生物學界的極大重視。1961年扎雷特(Zaret),以后坎貝爾(Campbell)等人相繼用激光研究視網膜剝離焊接術,并很快被用于臨床。目前激光在臨床上除氣化、凝固、燒灼、光刀、焊接、照射等治療應用外,在診斷和基礎理論研究方面出現了許多新技術,如激光熒光顯微檢查,激光微束照射單細胞顯微檢查技術,激光顯微光譜分析,生物全息攝影及細胞或分子水平的激光檢測和微光手術等充分顯示激光一系列獨特性能。激光配合導光纖維的應用對各種體腔內腫瘤及其他疾患的診治,以及結合各種內窺鏡進行激光光敏療法診治腔內腫瘤新技術提供有利手段。目前已研究利用激光治療心臟疾病和血管內斑塊栓塞,包括冠狀動脈粥樣硬化阻塞后的激光血管再通技術已獲成功。

基于醫用激光的迅速發展,在激光生物醫學領域中形成了一些專門學科,如激光分子生物學激光細胞學激光人體生理學激光診斷學激光治療學醫用激光工藝學激光防護學分子生物激光工程學等。在診治方面,激光已用于每一臨床學科,最近據有人預測到本世紀末,應用激光技術診治疾病的新方法將超過傳統的診治方法,激光技術將引起內外科治療的一場革命。預計在本世紀末的五至十年內,激光技術將廣泛應用于發現和治療癌瘤,進行外科手術以及縫合血管、神經、肌腱和皮膚,治療動脈硬化斑、血管栓塞和內科、皮膚科等的許多疾病。


二、激光產生的原理

白熾燈、日光燈、高壓脈沖氙燈、激光燈的發光現象,都是光源系統中原子(或分子、離子)內部能量變化的結果。原子的能級結構是發光現象的物質基礎,激光的產生,不外乎通過以下幾個過程和步驟:

(一)激發

一般原子系統中,絕大多數的原子不是處于低能級的基態,而是處于高能級的激發狀態的原子數目,相比之下是非常少的。例如:在室溫(2728)的情況下,紅寶石晶體中處于基態的鉻離子數目為激發態的1030倍,因此,紅寶石鉻離子基本上是處于基態的。如果要使這些處于基態的粒子產生輻射作用,首先必須把這些基態上的粒子激發到高能級去,從低能級到高級去的這一過程稱為激發或抽運。這個吸收能量的過程,稱做光的受激吸收(圖4-26-4)。激發的方法很多,主要是給基態粒子外加一定能量,例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等。基態粒子吸收能量后即被激發,例如紅寶石激發器就是脈沖氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從基態激發到高能級的激發態上。又如氦-氖激光器通過電子與氦原子碰撞,使氦原子獲得能量。氦原子通過碰撞又將能量傳給氖原子,氖原子獲得能量后從基態激發到高能級去。化學激發器是用分解或化合的方法作為激發能源。

 

4-26-4 激光(吸收能量)


由于原子內部結構的不同,在相同的外界條件下,原子從基態被激發到各個高能級去的可能性是不一致的。通常把原子從基態激發到某一能級上去的可能性,叫做該能級的激發機率。各能級的激發機率是不同的,有的很大,有的很小,這種機率取決于物質自身的性質。

(二)輻射

原子(或分子、離子)總是力圖使自己的能量狀態處于基態上,被激發到高能級后的粒子,力圖回到基態上去,與此同時放出激發時所吸收的能量。基態是粒子能量最平衡最穩定的狀態,從高級回到低能級去的過程稱為躍遷,躍遷時釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種:

1. 自發躍遷 不受外界能量的影響,只是由于原子內部運動規律所導致的躍遷稱為自發躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩種:一種是變為熱運動釋放能量,叫做無輻射躍遷;另一種是以光的形式將能量輻射出來,叫做自發輻射躍遷(圖4-26-5)。自發輻射出來的光頻率γ,由發生躍遷的兩能級間之能量差所決定。


 圖4-265 自發輻射(釋放能量)


普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過自發躍遷輻射產生光,這種光是非相干光。

2. 受激躍遷 由于入射光子的感應或激勵,導致激發原子從高能級躍遷到低能級去,這個過程稱為受激躍遷或感應躍遷。這種躍遷輻射叫做受激輻射。受激輻射出來的光子與入射光子有著同樣的特征,如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個光子引起一個激發原子受激躍遷,在躍遷過程中,輻射出兩個同樣的光子,這兩個同樣的光子又去激勵其它激發原子發生受激躍遷,因而又獲得4個同樣的光子。如此反應下去,在很短的時間內,輻射出來大量同模樣、同性能的光子,這個過程稱為雪崩。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光,相干光有疊加效應,因此合成光的振幅加大,表現為光的高亮度性(圖4-26-6)。

4-266 受激輻射(釋放能量)


激發壽命與躍遷機率取決于物質種類的不同。處于基態的原子可以長期的存在下去,但原子激發到高能級的激發態上去以后,它會很快地并且自發地躍遷回到低能級去。在高能級上滯留的平均時間,稱為原子在該能級上的平均壽命,通常以符號“τ”表示。一般說,原子處于激發態的時間是非常短的,約為108秒。

激發系統在1秒內躍遷回基態的原子數目稱為躍遷機率,通常以“A”表示。大多數同種原子的平均躍遷機率都有固定的數值。躍遷率A與平均壽命τ的關系:

A1/τ

由于原子內部結構的特殊性,決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短,只有109秒,而E2的壽命比較長,約為數秒。壽命較長的能級稱為亞穩態。具有亞穩態原子、離子或分子的物質,是產生激光的工作物質,因亞穩態能更好地為粒子數反轉創造條件。


(三)粒子數反轉和激光的形成

當光子通過某一介質時,它可能被原子(或離子、分子)所吸收,從而使原子從低能級激發到高能級去,這個過程稱為共振吸收或稱光的受激吸收。另外,入射光也能引起處于高能級的原子發生受激輻射。

在一般情況下,處于低能級的原子數目遠遠超過處于高能級的原子數目。要想得到受激輻射,就必須先使原子(或離子、分子)激發到高能級去。人為地施加一定能量,使高能級上具有較多的粒子數分布,這種狀態稱為粒子數反轉。產生粒子數反轉的物質就稱為活性物質。如何實現粒子數反轉,下面以紅寶石激光器為例加以說明。

紅寶石激光器的激發是通過氙燈輸送能量。E1E2E3是鉻離子相對應的三個能級,使鉻離子從基態E1激發到共振吸收帶E3上去,形成了E3E2粒子數反轉(圖4-26-71))。但是由于E3的壽命很短(即自發躍遷機率很大),因此鉻離子的能級就很快地并且以無輻射躍遷的形式落入E2中,同時放出熱能。E2是壽命較長的亞穩態,躍遷機率較小,因此E2就積聚了大量的鉻離子。當氙燈光足夠時,則E2上的粒子(鉻離子)數就大為增加,此時E2E1來說就出現了粒子數反轉(圖4-26-72))。若用E2E1間躍遷相對應頻率=(E2-E1/h]的光子引發時,上述活性系統就可產生E2E1的受激輻射。受激輻射可以使光放大,這種放大是由于該系統受激發時從外部吸收的能量和引發的能量一舉放出的結果,如圖4-26-8所示。

4-26-7 粒子數反轉


處于粒子數反轉狀態的活性系統,可以產生雪崩。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續進行,必須通過一定的裝置,這種裝置就是光學共振腔。從共振腔中持續發出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。


(四)光學共振腔

激光所以具有良好的單色性、方向性以及較高的亮度,主要是取決于光學共振腔的作用。于工作物質的兩端加上兩快相互平行的反光鏡,其中一塊是全反射鏡,另一塊是半反射鏡,這就是光學共振腔的主要結構(圖4-26-9)。

在光學共振腔中的活性物質,受到外加能量的激勵而產生的光子可以射向各個方向,但其中傳播方向與反射鏡垂直者,則在介質中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中,引發介質中其它活性物質點受激輻射,因此這種輻射的強度越來越大。由于受激輻射反復振蕩產生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向,因此決定了激光具有良好的單色性和準直的定向性。又由于光子來回不斷地進行振蕩,輻射強度借以得到極度的增大,因此又保證了激光的高度性。激光在光學共振腔中形成的過程如圖4-26-10所示。

4-26-8 光的吸收與放大


4-26-9 光學共振腔示意圖


三、激光的物理特性

激光本質上和普遍光線沒有什么區別,它也可受光的反射、折射、吸收、透射等物理規律的制約。但是由于激光的產生形式不同于一般光線,故它具有一些特點。


(一)激光的高亮度性

一般規律認為,光源在單位面積上向某一方向的單位立體角內發射的功率,就稱為光源在該方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光線在發射方向上的高度集中。激光的發射角極小(一般用毫弧度表示),它幾乎是高度平等準直的光束,能實現定向集中發射。因此,激光有高亮度性。

另外,激光的亮度也取決于它的相干性。相干性是一切波動現象的屬性。光有波動性,因此也有相干性。

一般光源發射出來的光是非相干光,它是波長不等、雜亂無序的混合光束。由于非相干光的波長、相位、振幅極不一致。因此它們的合成波也是一條雜亂無章、毫無規律的曲線(圖4-26-1),從中不易找出它的周期性來。普通光源如日光、燈光等所輻射的就是這非相干光線。

 

 圖4-26-1 非相干輻射


發光系統中,處于激發狀態的原子(或分子、離子)受相應的外界能量(例如入射光子)激勵時,它就從高能級躍遷到低能級,同時釋放出一個光子,這個被釋放的光子和入射的光子是完全一樣的。它們兩者的波長、傳播方向、振輻及相位都完全一樣。這樣的輻射波具有相干性,它們的譜線很窄。

根據波的迭加原理,如果兩列波同時作用于某一點上,則該點的振動等于每列波單獨作用時所起的振動代數和。因此,相干光的合成波就是迭加效應的結果(圖4-26-2)。合成波的相位、波長、傳播方向皆不改變,只是振幅急劇地增加了。因此,通過迭加后的光色不變,只光的強度極大地增加了。激光所以有高亮度的特點也是由于相干光迭加效應的結果。激光的亮度可以比太陽表面亮高1010倍。

一束激光經過聚焦后,由于其高亮度性的特點,能產生強烈的熱效應,其焦點范圍內的溫度可達數千度或數萬度,能熔化甚至于氣化對激光有吸收能力的生物組織或非生物材料。如工業上精密器件的焊接、燈孔、切割;醫學上切割組織(光刀)、氣化表淺腫瘤以及顯微光譜分析等這些新技術都是利用激光的高亮度性所產生的高溫效應。

激光功率密度的單位為mw/cm2W/cm2,能量密度為焦爾/厘米2


(二)激光的高單色性

4-26-2 相干輻射


一般理療上常用光源,有熱光源(如白熾燈、紅外線燈)和氣體放電發光光源(如紫外線燈)。這類光源的發光物質比較復雜,以自發輻射形式產生光子,發出的光線很不純,它們的譜線范圍是連線的或是帶狀的光譜。 

一般單色光被分光鏡分解后,它也不是連續的色帶,而是一條條獨立的、并且具有特定位置的亮光,通常稱這為譜線。臨床上所謂的單色光也并非是單一波長的光,而是有一定波長的譜線。波長范圍越小,譜線寬度越窄,其單色性也越好。因此,譜線的寬度是衡量光線單色性好壞的標志。

激光是物質中原子(或分子、離子)受激輻射產生的光子流,它依靠發光物質內部的規律性,使光能在光譜上高度地集中起來。在激光的發光形式中,可以得到單一能級間所產生的輻射能,因此,這種光是同波長(或同頻率)的單色光。光譜高度集中時,其純度甚至接近單一波長的光線,例如氦-氖激光就是6328的單色紅光。


(三)激光的高度定向性

激光的散射角非常小,通常以毫弧計算。例如紅寶石激光的散射角是0.18°,氦-氖激光只有1毫弧度。因此,激光幾乎是平等準直的光束,在其傳播的進程中有高度的定向性。手電筒照明時,由于光的散射角大,遠達數十米后,光散開并形成大而暗淡的光盤。激光由于散射角小,可以準直地射向遠距離目的物。1962年,將激光發射向月球,經過40多萬公里的進程后,其散開的光斑的直徑也不過只有兩公里多。利用激光的準直性進行測距,從地球到月球之間的誤差不超過1.5m

由于激光的單色性和方向性好,通過透鏡可以把光束集中(聚焦)到非常小的面積上,焦點的直徑甚至可以接近激光本身的波長,這是普通光源所不及的。因為從普通光源中發射出來的光束向各個方向傳播,它們是互不平行的光,所以通過透鏡只能看到某種尺寸的物相(圖4-26-31))。另外,從普通光源中發射出來的光含有很多波長不等的光成份,當通過透鏡時,由于不同波長光的折射率不同,所以不同波長光的焦點不在一個平面上(圖4-26-32))。只有激光才能輻射出幾乎是平行的光束,并且波長一致(單色性好),因此可以聚焦成為很小的光點(圖4-26-33))。聚焦激光光束的能量密度可以達到很高的程度,這種特點是臨床外科和細胞外科使用光刀的決定條件。

 

4-263 普通光與激光聚焦效果的不同


1)互為不平行的光束,不能集中到一點上

2)互為不同波長光束,不能集中到一點上

3)嚴格平行的等波長光束,能集中到一點上

光點的直徑是由透鏡的焦距和光束的發散角所決定,如果我們知道焦距的發散角的數值,就可以用下列公式計算光點的直徑大小。

df·θ

上式中,f為透鏡的焦距(m),d為光點的直徑(m),θ為光束的發射角(弧度)。例如,選擇焦距為5cm的透鏡,光束發散角為104弧度,求光點直徑。

根據上述公式從理論上推算:

d0.05×104

實際,常常由于激光器的質量不好(單色性程度差),影響到光點的高度集中,達不到理論上的效果。


四、激光的生物學作用基礎

目前認為激光生物學作用的生物物理學基礎主要雖光效應、電磁場效應、熱效應、壓力與沖擊波效應。

(一)光效應 激光照射生物組織所引起的光效應中主要決定于組織對于不同波長激光的透過系數(T)和吸收系數(A)。不同的組織及組織中的不同物質對于不同波長的激光的透過系數和吸收系數是不同的,對組織的光效應大小由TA的乘積決定。T·A的積愈大,則此種激光對該組織的光效應也愈大,例如:用于視網膜凝固,波長為6943的紅寶石激光作用于視網膜時,T·A71%,這個數值比較大,故光凝固效果好,但對視網膜乃是波長為5750的激光的TA的乘積最大,即光效應最佳。

組織吸收了激光的量子之后可產生光化學反應、光電效應、電子躍遷、繼發其它波長的輻射(如熒光)、熱能、自由基、細胞超微發光(生物化學發光自由基重新結合時釋放出來的),可造成組織分解和電離,最終影響受照射組織的結構和功能,甚至導致損傷。

光化學反應在光效應中有重要的作用,普通光所引起的各種類型的光化學反應,激光也都可引起。

激光作用于活組織的光效應大小,除激光本身的各種性能外,組織的著色程度或稱感光體(色素)的類型起著重要的作用,互補色或近互補色的作用效果最明顯。不同顏色的皮膚,不同顏色的臟器或組織結構對激光的吸收可有顯著差異。

在醫療和基礎研究中,為增強激光對組織的光效應,可采用局部染色法,并充分利用互補色作用最佳這一特點。另一方面,也可利用此法限制和減少組織對激光的吸收。


(二)熱效應 激光傳播的頻率與組織分子等的振動頻率相等或相近,就將增強其振動,這種分子振動即產生熱的機理,故也稱熱振動。在一定的條件下作用于組織的激光能量多轉變為熱能,故熱效應是激光對組織作用的重要因素。分子熱運動波長主要表現在紅外線波段附近,因此二氧化碳激光器輸出的紅外激光對組織的熱作用甚強烈,一定類型和功率的激光照射生物組織時,在幾毫秒內可產生2001000以上的高溫,這是因為激光,特別是聚焦激光能夠在微細的光束內集中極大的能量,例如:數十焦耳的紅寶石激光或釹玻璃激光聚焦于組織微區,能在數毫秒內使該區產生數百度的高溫,以致破壞該部位的蛋白質,造成燒傷或氣化,而數十焦耳的普通光是根本無此作用的。此外,還發現激光引起的升溫,當停止照射后,其下降的速度比任何方式引起的升溫下降速度慢,例如:數十焦耳紅寶石或釹玻璃脈沖激光引起的升溫要下降到原正常溫度,約需數十分鐘。


(三)壓強效應 當一束光輻射到某一物體時,在物體上產生輻射壓力,激光比普通光的輻射壓力強的多。若焦點處的能量密度為108/平方厘米,其壓力為40/平方厘米;當激光束聚焦到0.2毫米以下的光點時,壓力可達200/平方厘米;用107瓦巨脈沖紅寶石激光照射人體或動物的皮膚標本時,產生的壓力實際測定為175.8公斤/平方厘米。

當激光束照射活組織時,由于單位面積上的壓力很大,故活體組織表面的壓力傳入到組織內部,即組織上輻射的部分激光的能量變為機械壓縮波,出現壓力梯度。如果激光束壓力大到能使照射的組織表面粒子蒸發的程度,則噴出活組織粒子,并導致同噴出的粒子運動方向相反的機械脈沖波(反沖擊)——沖擊波出現,這種沖擊波可使活組織逐層噴出不同數量的粒子,最后形成圓錐形火山口狀的空陷。

除上述由于強大的輻射壓引起的反沖擊壓而形成的沖擊波外,組織的熱膨脹也可能產生沖擊波。由于在短時間內(毫秒或更短)溫度急劇上升,瞬間釋放出來的熱來不及擴散,因而產生加速的體熱膨脹,例如:用60焦耳的紅寶石激光照射小鼠腹壁,在幾毫秒內腹壁形成半圓形突起,此即被照射的皮下組織處產生了爆炸性的體熱膨脹。

因體熱膨脹而在組織內形成的壓力以及反沖壓,都可產生彈性波向其它部位傳播,最初是形成超聲波,逐漸因減速而變為聲波,進而變為亞聲波形式的機械波,最后停止傳播。

在組織的微腔液體層內,因超聲波聽傳播同時可出現空穴現象,因空穴的積聚可造成明顯的組織塌陷現象,有時又可產生數值較大的壓縮沖擊波,這一系列的反應均可造成損傷。

彈性波對組織的影響可遠離受照射的部位,例如:用極微弱的紅寶石激光照射人和動物的眼部時,在頭皮層均可記錄到聲波和超聲波。

在強激光束造成的極強的電場中,組織的電致伸縮現象也可產生沖擊波和其它彈性波。


(四)電磁場效應 在一般強度的激光作用下,電磁場效應不明顯;只有當激光強度級大時,電磁場效應才較明顯。將激光聚焦后,焦點上的光能量密度達106/平方厘米時,相當于105/平方厘米的電場強度。電磁場效應可引起或改變生物組織分子及原子的量子化運動,可使體內的原子、分子、分子集團等產生激勵、振蕩、熱效應、電離,對生化反應有催化作用,生成自由基,破壞細胞,改變組織的電化學特性等;激光照射后究竟引起哪一種或哪幾種反應,與其頻率和劑量有重要的關系,例如:電場強度只有高到1010/厘米以上時,才能形成自由基。激光照射腫瘤時,只是直接照射一部分組織,但對全部腫瘤可有良好的作用,其中可能的作用機理之一,有人認為就是電磁場作用的結果。


五、激光的治療作用

(一)激光的生物刺激和調節作用

激光與其它各種物理因子對組織器官機體的基本作用規律是相同的,即小劑量作用時具有刺激(加強)作用和調節作用。原則上不論使用哪一種激光均符合這一概念。以小功率激光為例介紹如下:

小功率的激光照射具有明顯的生物刺激作用和調節作用。目前認為:小功率的激光照射的治療作用基礎不是溫熱效應,而是光的生物化學反應。

小功率的激光照射皮膚時,在光生物化學反應的基礎上,可影響細胞膜的通透性,影響組織中一些酶的活性,如激化過氧化氫酶,進而可調節或增強代謝,可加強組織細胞中核糖核酸的合成和活性,加強蛋白質的合成;可使被照射的部位中糖原含量繒加;可使肝細胞線粒體合成三磷酸腺苷(ATP)的功能增強。

小功率的激光照射具有消炎、鎮痛、脫敏、止癢、收斂、消腫、促進肉芽生長、加速傷口、潰瘍、燒傷的愈合等作用。

小功率的激光照射可使成纖維細胞的數目增加,因而增加膠原的形成,可加快血管的新生和新生細胞的繁殖過程,基于其對代謝和組織修復過程的良好影響,可促進傷口愈合,加快再植皮瓣生長,促進斷離神經再生,加速管狀骨骨折愈合,促進毛發生長等。

小功率的激光照射不能直接殺滅細菌,但可加強機體的細胞和體液免疫機能,如可加強白細胞的吞噬功能,可使吞噬細胞增加或增強巨噬細胞的活性,可使γ-球蛋白及補體滴度增加;此外,微生物檢查發現:激光照射可改變傷口部葡萄球菌對抗菌素的敏感性。

小功率的激光照射可影響內分泌腺的功能,如加強甲狀腺、腎上腺等的功能,因而可調節整個體內的代謝過程;此外,并可引起周圍血液和凝血系列的改變,其基本規律是具有調節作用。

小功率激光照射可改善全身狀況,調節一些系統和器官的功能。用小功率的激光照射咽峽粘膜或皮膚潰瘍面,神經節段部位,交感神經節、穴位等不同部位,與某些局部癥狀改善的同時,可出現全身癥狀的改善,如精神好轉、全身乏力減輕、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉減慢等。據報導:高血壓患者經小功率激光照射治療后,不僅可使血壓降低,一療程照射后還可使血液的凝固性降低,使血清中總蛋白的含量升高,血漿及紅細胞內鉀的含量升高。此外,據動物實驗:用1.5mw的激光照射兔或狗的皮膚,對全身代謝有刺激作用;用11.5mw的激光照射兔眼,可引起全身性的血液動力學變化。

小劑量激光多次照射過程中可有累積效應,在臨床工作中我們體會到:在激光照射的前兩次往往不出現效果,而在三、四次照射后即可出現療效,因此要呈現激光照射的療效,需經過一定作用的累積過程。當然,也有一次照射后即出現療效的情況,但這往往是局部癥狀的改善。

小功率的激光多次照射的生物學作用和治療作用具有拋物線特性,即在照射劑量不變的條件下,機體的反應從第34天起逐漸增強,至第1017天達到最大的限度,此后,作用效果逐漸減弱,若繼續照射下去,到一定的次數后可出現抑制作用。根據上述的基本規律,我們認為,小功率的激光照射同一部位的次數,在一般情況下不宜超過1215次,如需作第二療程照射,則兩療程應有兩周左右的間距。

對于小功率的激光的生物學作用機理,有人用А.Гурвич所提出的生物場的理論來解釋,即機體的各項組織與器官之間除了神經控制和體液調節,還包含有復雜的能量關系,細胞和組織被生物場所包圍,各種內外環境的不利因素可以破壞這種能量關系,導致病理過程的產生和發展。在1923Гурвич的實驗研究發現:細胞絲狀分裂期所輻射的極微弱的紫外線(現今可以用光子計數器記錄下來),可以刺激其它細胞的分裂,并認為這就是生物場存在的一個證明。西方學者的研究也證實了這一點。

1973年蘇聯學者在實驗中發現鏡映細胞病理效應,其要點是一個組織培養物的細胞在損傷和死亡時,與它同隔著一片石英的另一組織培養物里也發生了相應的損傷癥狀,從而生物場的理論又得到了一個新的論據。

在七十年代,有的學者以生物場概念為基礎,又進一步提出:由于生物結構帶有半導體的特性(特別是細胞內的膜),把機體可看成是一個巨大的晶體,有錯綜地組成的傳導帶。由于在膜的傳導帶里的代謝過程,保持著確定的自由電荷密度(生物等離子體);在各種不利的內、外環境因素的影響下,生物等離子體的內穩態被擾亂,因而引起病理過程的發展。若激光的能量參數比較接近于代謝過程的能量的頻率,當激光照射,通過共振作用可使生物等離子體恢復穩定,保持正常的能量級;氦氖激光的能量參數——波長6328,量子能量1.9電子伏特,接近物體的能量參數,當照射機體時,在傳導帶里發生量子移動,隨著機體的能量平衡的改變,能促使恢復正常生理狀態。

小功率的激光照射穴位時,通過對經絡的影響,改善臟腑功能,從而起到治療作用。在臨床應用中我們體會到:激光穴位照射的效果如何,關鍵是在醫學理論觀點指導下,辯證論治,選經取穴的水平和經驗,處理得當者,全身狀況、臟腑征象、舌象脈象等均可效明顯的好轉。


(二)激光手術

激光手術是用一束細而準直的大能量激光束,經聚焦后,利用焦點的高能、高溫、高壓作用和燒灼作用,對病變組織進行切割、凝固合、氣化。實驗確定,切割人體組織所需的功率密度為103105/平方厘米。激光器所輸出的光束的焦點功率密度達到上述要求,其光能幾乎完全被大部分生物組織吸收到表層200μ內,因此易于控制切割深度不僅用于體表病變的手術切割,而且70年代在蘇聯和西德先后用以給病人做了心臟手術,在捷克用以成功地做了心血管外科的動物實驗和手術,76年在澳大利亞用以成功地切除了大腦腫瘤。新近利用激光導管對冠狀動脈或肢體血管斑塊、血栓阻塞患者進行血管再通術獲得成功。

激光手術的優點和經驗如下:

1.只要功率掌握適當,軟硬組織均可切割,在一般情況下使用時。動物實驗結果表明:80100瓦切割后可一期愈合,病理切片檢查結果損傷較輕;

2.出血量少,可在切面形成一層均勻的、粘合性良好的干性凝固區,因此對于直徑1毫米以內的動脈,和直徑2mm以內的靜脈有封閉作用;適用于切割血管豐富的實質性器官,易于出血的或年老體弱的患者;清除燒傷創面的焦痂,可使其氣化而無出血;

3.高能的激光束有直接殺死細菌的作用,故術后感染率顯著降低;可用于切除壞死組織、疤痕組織,甚至死骨等;感染的創面術前無需準備即可手術;

4.皮下注射生理鹽水造成人為的水腫,可減少組織損傷,因為水分對紅外波長激光吸收性好,可防止熱量迅速向周圍傳播,可減輕切面兩側組織的損傷;

5.激光切割時術者的熟練程度甚為重要,因為切面的深淺、組織損傷的輕重均與激光光斑停留的時間有關,時間長則組織損傷大,時間短則切割深度不夠;

6.激光切割術疼痛較輕,甚至不痛,因為手術區的神經被熱凝固;術后形成的疤痕也較柔軟。


(三)激光治療腫瘤

激光治癌主要是基于其生物物理學方面的特殊作用,即激光的高熱作用可使被照射部位的溫度升至500,當溫度升至300時,腫瘤即被破壞,激光照射后的1分鐘內可保持4550的溫度,繼續對腫瘤起作用;激光的強光壓作用(機械能作用)可使腫瘤表面組織揮發,使腫瘤組織腫脹、撕裂、萎縮,并可產生二次壓力作用。激光治癌可能與其對免疫功能的影響有關;激光可使癌細胞膜變形,故可能將整個腫瘤作為一個導體來標志,從而引起免疫反應,這種理論的證據是:激光治療惡性眼黑色素瘤時,三周后才觀察到明顯的好轉,三周就是抗原抗體反應所需要的時間。釹玻璃激光(10002000焦耳/平方厘米)照射小白鼠的黑色素瘤,34小時后血清噬菌活性升高,14天后血清中白蛋白減少,α—γ—球蛋白增加;同時受照射動物脾內與形成抗體有關的細胞的數量顯著增加(達7%)黑色素瘤動物是3%,正常動物是0.5),同時血清中出現正常動物或未經照射的患癌動物血清中所沒有的抗腫瘤抗體。

輸出量為20焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤后,取受照射部位附近11.5毫米的腫瘤組織,電子顯微鏡檢查發現:細胞的核和核仁似無改變;內質網、高爾基復合體和線粒體腫脹或發生空泡。輸出能量為200焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤后,用顯微分光光度法測定DNA含量的結果表明:在照后1小時細胞核內DNA含量增加,以后逐漸下降,至56天時,細胞核完全溶解。

近年激光與光敏藥物綜合應用診治腫瘤有了顯著發展,當前使用的光敏藥物主要為血卟啉衍生物(HPD),使用的激光主要是以氬激光為泵浦的有機染料激光(紅光),氬激光,氪激光,結合內窺鏡和光導纖維等技術,用以診治腔內及體表的癌癥。


(四)激光在心血管疾病方面的應用

由于些激光可以通過光導纖維傳輸,激光的能量可以通過各種內窺鏡,包括血管鏡或導管進入血管內治療各種疾病。低能量的激光血管內照射血液其有抗缺氧、抗脂質過氧化、改善血液流變學性質和微循環障礙,增強免疫等功能。

在心臟及血管方面,激光治療周圍血管、冠狀動脈,以至頸動脈等的血栓動脈粥樣斑塊等此外治療糖尿病、心肌炎、肺炎及急性胰腺炎等均有報道。激光可作心臟節律點的消隔而治療難治、危重的心律失常;心瓣膜粘連的治療房間隔造孔矯治先天性心臟病治療等。激光心肌打孔,則是用激光從心包面向心內膜面擊穿許多微孔,使心腔與心壁肌肉間有微血竇相能,因而能直接改善心肌供血,此法很有實際意義。激光血管吻合則使得血管吻合比以前快速、可靠,在許多外科手術中有著很大的潛在意義。


(五)激光在外科以及耳鼻喉科方面的應用

激光在皮膚、外科方面的應用最早、最廣,自不用贅述。近幾年的發展,接觸激光的應用,使激光外科的應用更快捷方便。根據接觸激光的創始人Joffe報告,最近又有新一代的接觸激光研制成功,利用腹腔鏡內窺鏡,激光可以作膽囊切開術,迷走神經切除術、幽門肌切開術等等,激光膽道吻合術、激光大腸吻合術以及輸精管吻合術。開腹手術中利用激光熱止血效應,對肝癌等容易出血的肝組織作激光切除與消融等等的研究報告亦很多。對于骨的手術,有人報告用Er:YAGHo:YAG作消融術,亦有人報告用自由電子激光(2.9μm3.1μm)作骨的切除。利用激光的止血功能,有人報告在完全抗凝情況下的病人作激光手術取得成功,為抗凝不能手術而又必須手術搶救者提供了一條生路。


(六)激光在神經外科方面的應用

用激光治療腦及脊髓腫瘤的報告很多。以激光照射腦組織對損傷區超微結亦做出了較好的研究結果。這項治療主要是利用激光熱作用氣化腫瘤,比手術刀切除腦組織方便、出血少。近又有人報告在核磁共振控制下以Nd:YAG激光按立體排列方式作組織間熱治療腦腫瘤(Stereotacticalinterstital thermo-therapy),這是一種新的嘗試。PDT治療腦瘤或以PDT作腦瘤手術后照射以防止癌灶的遺留復發都已有了一定的經驗。目前以較低功率激光的熱作用神經的吻合正在許多單位中進行研究,一旦成功又能解除很多人的痛苦。

激光神經吻合術:采用低中功率聚焦后微束激光在神經斷面對接良好的情況下進行。對神經再生具有對位好,恢復快不產生吻合處神經纖維瘤等特點。


(九)激光在婦科的應用

CO2激光、Nd:YAG激光及PDT治療外陰及宮頸病變診斷早期癌變已是眾所周知。在腹腔鏡的直接觀察下,用CO2激光或Nd:YAG激光作卵巢囊腫、腫瘤、子宮內膜異位、子宮肌瘤的切除及輸卵管吻合,輸卵管粘連的解除等手術以取代常規的剖腹手術,這類手術簡便、經濟、痛苦少。


六、激光治療法分類

(一)激光療法分類

1. 原光束照射 可用于照射病變局部、體穴、耳穴、植物神經節段部位、交感神經節、體表或頭皮感應區等。

2. 原光束或聚焦燒灼 可使被照射的病變組織凝固、碳化、氣化。

3. 聚焦切割(即激光刀)用于手術切割。

4. 散焦照射 用于照射面積較大的病變部位。

為使激光聚焦或散焦常用鍺透鏡,激光束通過鍺透鏡后即聚焦,離開焦點后擴散呈離焦效應,距焦點愈遠,激光的功率密度愈減弱,在焦點部可用于手術切割。


(二)激光治癌方法

1. 合理選擇波長 腫瘤細胞對不同波長激光的選擇性極明顯,因此在激光治療時應選擇適宜波長的激光。如果激光照射須透過正常組織的透過率為T,須治療的腫瘤組織的吸收率為A,則選用激光的波長應使T·A的積盡可能大。

2. 確定適宜的劑量 根據腫瘤的性質、部位、大小、色素沉著程度、血管分布和激光的性質而定。激光治癌一般不宜也不需要一次破壞,多采用反復多次治療,隨時間的延長腫瘤可縮小或消失,因此治療劑量總比破壞劑量小。

3.激光治癌時,有人提出由于強光壓產生的機械能,有可能造成癌細胞游離并轉移到周圍或更深的組織及血管和淋巴管中去,因此應盡可能避免使用大功率短脈沖的激光束,以采用連續輻射或長脈沖輻射的激光為宜。

4.為防止激光治癌時的癌細胞游離轉移,在照射病變組織之前可先照射其周圍(約5毫米左右)的健康組織。

5.激光束應聚焦于腫瘤中心,垂直照射腫瘤表面。

6.開腹照射腫瘤組織時,應盡可能使光斑覆蓋全部瘤體。


附:使用激光器的注意事項

1.激光器須合理放置,避免激光束射向人員走行頻繁的區域,在激光輻射的方向上應安置必要的遮光板或屏風。

2.操作人員須穿白色工作服,戴白色工作帽;操作人員與接受面部治療的患者均須戴防護眼鏡。

3.無關人員不準進入激光室,更不得直視激光束。

4.操作人員應做定期健康檢查,特別是眼底視網膜檢查。


附:防護措施

1. 室內四壁勿涂光滑白色油漆,因其反射率可達80%以上。根據激光受其補色物體的吸收最大,因此宜選其補色,如波長為6943的紅色激光(紅寶石激光)的補色是藍色,使用紅寶石激光時,用藍色顏料粉刷四壁為宜。從理論上講,以黑色為最好,因為它可以最大限度的吸收射向它的各色激光。

2.門窗玻璃反光性能強,應采用黑色幕布遮蔽,或涂色,或換有色玻璃。

3.裝備通風、抽氣設備,以防止污染的空氣對人員的傷害。

4.室內燈光應充分明亮,因光線較暗時瞳孔散大,受激光照射進入眼內的光能增多;尚由于眼球的高倍聚光作用,對眼的損傷加重。

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