第4章激光在医学中的应用

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1、第4章激光在医学中的应用激光在医学及医疗领域中的应用，可分为在治疗中的应用与在测定、诊断中的应用两大类。细胞操纵等基础医学和生物学领域中的激光应用也占据着重要的地位，另外还有利用激光微细加工技术制造微型医疗仪器和利用光造形技术进行生物体模型制造(光敏树脂固化快速成形——SLARP)等领域。利用全息技术的生物体信息记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域，从广义上讲也属于激光在医学中的应用。因此，激光在医学及医疗领域中的应用是非常广泛的，并且今后一定会有更大的发展。本章侧重对激光在治疗与测定、诊断领域的应用进行介绍。4．1激光与生物体的相互作用4．1．1生物体的光学特性1．吸收和散射对生物

2、体入射光强度为I0的单色平行光，若生物体是均匀的吸收体，则在入射深度z处的光强度J，由朗伯一贝尔(Lambert-Beer)给出了以下关系式：I=I0exp(一utx)(4．1)式中：ut为吸收系数，参考图4．1。但是，由于生物体对光是很强的散射体，因此生物体内光的衰减，不仅由于吸收，而且散射的影响也很大，因此，式(4．1)可改写为I=Ioexp(-utx)(4．2)ut=u0+us(4．3)式中：ut为衰减系数；us为散射系数。若考虑生物体表面的光反射(菲涅耳反射)，其反射率为R，则式(4．2)变为图4·1朗伯一贝尔曲线I=(1-R)I0exp(-utx)(4．4)如图4．2(a)所示，

3、单一微粒在所有方向上都有散射。当散射角小于90。时称为向前散射，大于90。时称为向后散射。散射状态与角度的关系可以各向异性散射参数g来描述，g=-1时为纯向后散射(散射角为180。)，g=+1时为纯向前散射(散射角为0。)，g=0时表示各向同性散射。一般在生物组织中g=0．8～0．97，显示出强的向前散射性，但是反复多次进行散射(多重散射)时，如图4．2(b)所示，就形成光在生物体内的扩散(近似于各向同性散射)。这样，光在其扩散的范围内与生物体发生相互作用，从而光能被吸收后转换成热或激励生物分子感应出荧光和磷光等，并将这些现象用模型的形式表示在图4．3中。但是，生物体是大小各不相同的组织、

4、器管所组成的不均匀且多成分的系统。因此式(4．2)及式(4．3)只在限定的条件下才可以使用。图4．2散射光的特性(a)单一粒子所产生的散射光方向；(b)生物体内光的扩散。生物体的主成分是水，此外还有蛋白质、脂肪、无机质等。皮肤、肌肉、内脏等软组织的水分约为70％。水对红外域有着很强的吸收，因此，若在这些软组织上照射红外光，则可以高效地把光能转换成热量。血液红血球中的血红蛋白是另一类典型的光吸收体。血红蛋白分为被氧化的状态与未被氧化的状态，这两种状态的吸收光谱稍有差别，但都是在600hm以下的光谱上吸收增大。蛋白质在紫外域上表现很大的吸收，如图4．4所示。图4．3生物体与光的相互作用图4．4

5、软组织上各种物质的吸收系数和波长的关系在图4．4中可以看到，各种组织在700nm～1500nm的红外光谱带的吸收都比较小，因此该光谱带称为生物体光谱学窗口。2．光渗透长度光虽被组织吸收和散射但还能到达组织的深处，光到达组织的深度称为光渗透长度，它定义为光强度I衰减到入射光强度I0的1／e时的深度，则由式(4．2)得x=1／ut(4．5)图4．5是软组织上各种激光的渗透长度。光渗透长度在近红外附近大，在3pxn以上的远红外域和300nm以下的紫外域中小。而组织种类的不同，也会引起光渗透长度的变化。例如在牙齿、骨骼等硬组织中，蓝、绿色波长带上的渗透长度大。图4．5软组织上各种激光的渗透长度4．

6、1．2激光对生物体的作用光被组织吸收后产生热，即对生物体起光热作用。如对软组织照射激光，在光渗透长度范围内光能被吸收转换成热量。激光照射强度与吸收系数ua的乘积表示组织表面的加热速度。若加热速度远高于蒸发组织所需的速度，则组织被烧蚀。例如，用足够高的速度对组织照射193nmArF准分子激光和2．94umEr：YAG激光，则光渗透长度1um左右的组织层被迅速加热、烧蚀，因此，亚微米级精密的组织切除手术(角膜手术治疗近视眼)就成为可能。如果要烧蚀较深处的组织，则应选择光渗透长度比较大的波长，如光渗透长度20um的CO2激光较为适合。而1．06um的Nd：YAG激光器，因吸收系数过小，即光渗透长

7、度过大，光能散射太大，因此对烧蚀不利。Nd：YAG激光器一般应用于激光凝固的手术，因为蛋白质在较低温度(60℃～70*C)下就可产生热变形(凝固)。另外，一些烧蚀不足，但加热充分的情况可以使组织坏死，痣的治疗就是属于这种过程。除了以上光热作用以外，激光对生物体也起光音响作用或光化学作用。它们的作用原理与在治疗中的应用将在4．2节中叙述。另外，散射光与透射光的强度和光谱含有重要的生物体信息，因此可以应用在生物体测定和成像上