激光原理与技术--第八章激光在医学中的应用.ppt

激光在医学中的应用,目录,激光医学的形成 组织吸收光的波长 激光的效应 激光医学应用领域 一般医用激光器及其用途,一、激光医学的形成,1961年 , Campbell首先将红宝石激光用于眼科学 ,被用来治疗视网膜脱落 , 1963年 , Goldmann将其应用于皮肤科学 ,利用激光刀切割肿瘤 , 1964年 ,匈牙利医生 Mester首先将红宝石激光用于生物刺激。1965年 ,Polanyi和 Kap lan将二氧化碳激光作为光学手术刀成功地进行了实验 ,此后 ,二氧化碳激光逐渐在医学各个领域确立了自己的地位。1971年 ,Nath发明了一种光纤 ,利用这种光纤 ,他和Kiefhaber在 1973年通过内镜技术成功地把激光导入动物的胃肠道。自此以后 , 无创导入技术飞速进展。 1975年 ,美国的 Dwyer和德国的 Fruhmorgen分别利用氩离子激光成功地为患者治疗了胃出血。1976年 , Hofstetter激光用于泌尿科学。1979年 , Choy申请了利用激光治疗动脉硬化的专利。,一、激光医学的形成,由于激光器具有切割、 凝固、 汽化、 打孔、 截骨等功能 ,70年代医学激光治疗机在临床各科得到广泛应用。激光以其特有的优越性解决了许多传统医学的难题。医用激光器作为手术治疗的器械 , 已充分显示了它的优越性。 1981年 ,联合国世界卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支。,二、组织吸收光的波长,组织对光的吸收与组织的分子结构和吸收光谱有关,但主要依赖于激光的波长 紫外光主要被蛋白质吸收 可见光被血色素、黑色素和其它的色素吸收,700900nm被称作生物组织光学窗口 ,在此波段范围,组织对光的吸收最少。而红外光主要是被水吸收。,三、激光的效应,1 热效应 强激光照射生物组织时 ,瞬间可产生几百度甚至上千度高温 ,其热效应可使生物组织的蛋白质变性凝固 ,甚至组织炭化或气化。 2 机械效应 由激光照射产生的机械作用可分为两部分 ：一次压强，即激光本身的辐射压力对生物组织产生的压强。因为激光能量密度高 ,因而会产生很大辐射压力即光压 ,激光产生的压强可达 104105帕斯卡;二次压强生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、 冲击波、 电致伸缩等引起的压强 。在临床上 ,利用激光引起的压强作用可治疗多种疾病 ,如眼科中的压力打孔等。,激光的效应,3 光效应 色系组织 (特别是黑色 )对激光的吸收作用是选择性的,由此引起的破坏作用很大 ,利用这一效应 ,可在需破坏的组织上先进行组织染色 ,然后再进行激光组织照射 ,即可获得最佳效果。 4 电磁场效应 激光是一种电磁波 ,因此激光产生电场、 磁场 ,当激光光功率密度为 5 1014W / cm2时 ,产生的电场强度可达 4 1010V /m,在此强电场作用下 ,生物组织会产生电离 ,使该处的组织细胞受到破坏。,激光的效应,5 光化学效应 是指物质的分子吸收了外来光子的能量后激发的化学反应。激光作为一种能量高度集中、 单色性极好的光源 ,它还可以发生一些普通光不能引起的光化学效应。光致化学反应大致可分为光致分解、 光致氧化、 光致聚合及光致敏化4种主要类型。,激光的效应,6 生物刺激效应 当低功率激光 ( l ow lever laser)照射生物组织时 ,不对生物组织直接造成不可逆性的损伤 ,而是产生某种与超声波、 针灸、 艾灸等机械的和热的物理因子所获得的生物刺激相类似的效应 ,称为激光生物刺激效应。利用激光的特性 ,以及它与生物组织相互作用过程中的特异规律 ,可以用于研究、 诊断和治疗疾病。例如 ,自 20世纪 70年代起 ,医生就已经利用激光干涉术、 激光透照术和激光偏振技术等 ,来测量血液、 尿液和人体其他组织的成分、 微量元素的含量 ,以及识别和分辨细胞是否病变或癌变;用强激光束 ,可对病灶施行凝固、 汽化和切割等手术 ,与传统的解剖刀比 ,激光刀不出血或少出血;用弱激光照射人体组织 ,可达到理疗照射治疗或光针灸治疗的作用 ,与传统理疗中的光疗比 ,激光的疗效显著提高 ,且适应证更加广泛。,激光医学应用领域,激光医学在临床上的应用主要分为三大部分 ,包括: 激光在基础医学研究中的应用 ,主要是通过激光与人体器官组织、 细胞和生物分子的相互作用来研究激光的生物效应。 激光诊断 ,是以激光作为信息载体 ,利用激光单色性好的特点 , 对组织病理形态、 病理情况下的功能及找出某些致病因素等方面进行光谱分析。 激光治疗 , 是以激光作为能量载体 , 利用激光对组织的生物学效应进行治疗 ,多年来 ,激光技术已成为临床治疗的有效手段 ,也成为发展医学诊断的关键技术。,激光医学应用领域,1 弱激光治疗 弱激光以其特有的生物作用被用于治疗几十种疾病。 其方法又分为 3种 ,即激光理疗 (以弱激光为物理因子进行原光束、 扩束、 光纤与腔内照射的物理疗法 ) 、 激光针灸(以弱激光光束直接照射穴位 , 兼有针与灸的作用 ) 与弱激光血管内照射疗法 (以弱激光光针插入静脉照射循环血液的疗法 ) 。,2. 激光纤维内窥镜,借助于光纤，可以把激光引入人体内部用激光施行手术，避免一些剖腹的大手术。,低功率激光的应用,弱激光对生物组织有刺激、镇痛、消炎、扩张血管等作用，用弱激光照射病灶，有治疗效果。利用弱激光照射穴位，可产生类似针炙的效果。,激光医学应用领域,2 高强度激光手术 以激光束代替金属的常规手术器械对组织进行分离、 切割、 切除、 凝固、 焊接、 打孔、 截骨等以去除病灶以及吻合组织、 血管、 淋巴管、 神经等。手术用激光治疗机统称光刀。激光手术具有不出血或出血少、 感染机会少、 手术时间短、 精确度高等优点 ,在处理外科疾病中 ,已经开始部分地用激光刀代替钢刀进行手术。激光刀还能通过光导纤维进入人体内施行手术而不用剖腹等开腔手术 ,能透过眼屈光介质对眼底施行手术而不用切开任何部位 ,这是传统手术做不到的。,1. 激光刀,是用光学系统聚焦的激光束作用于生物体组织，在短时间内使之烧灼和气化。当光束以一定速度移动时，能把组织切开，起到手术刀的作用。激光的能量还能烧结封闭组织中的血管、淋巴管，减少出血量，在做肿瘤手术时也可防止肿瘤扩散。脉冲激光作用时间短（小于千分之一秒），可以用作精细的眼科手术，病人的眼睛还来不及转动，“刀”已经下去了，不会伤及其它部位。同时激光刀与手术部位是非接触性作用，因而是自身消毒的手术。,激光医学应用领域,2 . 1 激光心肌血管重建术。激光心肌血管重建术是目前代替常规治疗的一种有效手段。利用激光与心肌组织产生的热效应 ,用高强度激光束在缺血的心肌区内打数个微孔 ,通过这些微孔把心腔内的血液引回到心肌区域 ,改善心肌血液微循环来达到治疗的目的。 2 . 2 激光碎石术。肾结石和胆结石激光碎石法原理是利用光纤将脉冲激光引入到体内结石的部位 , 对着结石发射脉冲激光 , 结石吸收了激光的能量之后 ,产生冲击波 , 将结石震碎。,激光医学应用领域,2 . 3 激光眼科手术。眼科是激光应用到医学上最早的 ,也是最成熟的学科 ,而且还在迅速发展着。目前,激光已经应用于屈光性角膜切除术（ PRK ）、角膜原位磨镶术（ LASIK ）、虹膜切除术、巩膜切除术和眼底组织凝固术等领域。用于治疗眼科疾患的激光有氩离子激光、 氪离子激光、 染料激光、 调 Q的 YA G激光、 半导体激光 ( di ode Laser) 、 氟化氩 (Ar F)准分子激光、 钬激光 (Hol mium : YAGLase r) 等。PRK是利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内的分子链 , 造成非热致汽化来改变角膜的厚度和曲率 , 以治疗近视、 远视和散光。 该疗法损伤小、 切割精细安全 , 对近视曲光度在 600 以下、 散光度不大于 500 的患者有较好的疗效。LASIK是先于手术刀在角膜前部区域内切开一皮瓣层 , 然后用准分子激光切削角膜瓣下的角膜基质层 , 永久性地改变角膜形状。切割完毕后 , 将切开的角膜恢复到原位 ,不需缝合 , 术后角膜自然愈合 , 且颇光滑。LASIK是一种效果稳定的屈光矫正治疗方法 , 这种方法较 PRK更安全 , 效果也更好。近年来 , 该方法已成为美国治疗近视的主要手术方法。近年 , 由美国加利福尼亚 I ntralase公司开发研制的飞秒激光刀 是一种新型眼科设备 ,主要用于 LASIK手术 , 是继准分子手术后的又一次革命。,飞秒激光低能量、小损伤以及严格的空间定位特点，就像一把锐利而精密的手术刀，非常适合于生物组织的超精细切割。1999年，密歇根大学超快科学研究中心的科研人员发展了一种利用超快激光对人眼角膜进行清洁、高精度眼科手术切割的新方法。在视觉折射率修正手术中，他们采用工作波长为1060nm、脉宽为800fs、脉冲重复率为2kHz、最高脉冲能量40J的飞秒激光，代替传统的机械刀来对角膜覆盖物实施更加精密的切割，如下图所示。这种技术减少了不均匀切割的机会，也减少了相关边缘组织破坏的机会，降低了传统手术的危险性，改进了医疗安全。现在科学家们正在努力将这种系统用于青光眼及白内障等手术中。,飞秒激光对角膜覆盖物实现精密切割,激光医学应用领域,2 . 4 激光修复牙齿。铒激光器依工作性质不同可发出波长分别是 2.194 m和 2.178 m的红外激光 ,它能切割牙釉质、 牙本质、 龋坏组织和软组织。此波长接近水吸收曲线及羟基磷灰石吸收红外线峰值。这类激光可以被水强烈吸收 ,产生光电解效应 ,使水温急剧上升 ,蒸汽压从组织分子中放出产生微小的爆炸 ,结果升温的靶组织被爆裂性的去除。,无痛和无损伤医疗,与长脉冲激光相比，飞秒激光能量高度集中，作用期间几乎没有热量传输效应，因此也不会引起周围环境温度的上升，这在激光手术医疗应用方面非常重要。数度的温度上升一方面会在瞬间变成压力波传到神经细胞产生痛感，另一方面可能会对生物体组织造成致命伤害。因此，飞秒激光可以实现无痛和无损伤的安全治疗。对于人体中质地坚硬的钙化组织的治疗，如牙齿等，一般采用机械钻孔或Er: YAG激光烧蚀方法。这两种方法容易造成钙化组织破损或者产生裂纹，为牙齿进一步腐烂提供了条件，而且必须避免长时间的连续接受治疗。飞秒激光不会带来任何损伤，如下图所示。,长脉冲激光（a）和飞秒激光（b）在牙科治疗中的比较,激光医学应用领域,2 . 5 激光美容。光纤激光美容术是近几年来发展较快的一种激光医疗新技术 , 激光可去除和改善影响美观的瑕疵或缺陷 , 如激光治疗鲜红斑痣 , 激光治疗纹身及激光去皱等。,激光医学应用领域,3 激光动力学疗法 (光化学疗法 ) 已经应用于神经系统肿瘤、消化系统肿瘤、呼吸系统肿瘤、颅内肿瘤和妇科肿瘤的诊断和治疗中。由于激光的光动力疗法和激光荧光光谱在肿瘤的诊疗中显著优点,正在逐步取代传统的治疗方法。在机体内注射某种光敏物质 ,由于肿瘤和正常细胞与光敏物质的亲和力不同 ,使光敏物质只集中在肿瘤组织中 ,然后用高功率激光照射肿瘤区域 ,通过光化学作用杀死肿瘤细胞 ,杀伤具有选择性 ,对正常组织损伤小。该疗法最大的优点是经过光动力作用后 ,肿瘤组织坏死、 脱落 ,而肿瘤周围的正常组织不受影响而保留下来 ,所以是较好的治疗方法。目前这方法已用于早期肺癌和食道癌的治疗。,激光医学应用领域,4 激光诊断 1964年 ,Mcnary和 L ithwick等分别报道了用激光微区发生光谱测量表皮及骨组织中的元素含量。1965年低功率气体激光器在视网膜产生干涉环来测量视网膜的视敏度。1966年 , Knoll用激光散斑现象测定人眼屈光不正。上世纪 70年代 ,激光多普勒技术、 激光荧光光谱法及激光拉曼光谱法开始用于医学。随着激光技术与计算机技术的发展与结合 ,出现了许多令人瞩目的新诊断方法及诊断仪器。激光诊断技术为诊断学向非侵入性、 微量化、 自动化及快速化开辟了新途径。日本研制的一种激光仪器 , 采用很弱的近红外激光照射患者头部以获得大脑皮层的二维图像 , 分析这些图像可以了解癫痫期大脑活动类型 , 有助于发现病灶。,利用激光进行基础医学和疾病的检测诊断,可以利用相应的激光仪器，研究细胞、亚细胞和大分子的结构以及一些特殊细胞的生物学过程，例如可以借助于激光微束仪，把激光束聚焦到0.5m-1.0m，用以切割和焊接细胞，研究生物的遗传规律,激光医学应用领域,5 激光在中医治疗学中的应用 传统的中医学与激光技术和其它先进科学技术相结合,将形成一门新兴的交叉学科 光子中医学。根据激光对生物组织的弱刺激作用和生物组织的超微发光特性 ,在利用激光针灸、激光血管内照射和对生物超微发光的检测来诊断和治疗疾病方面 ,已经取得了许多的成果 临床应用表明,利用 半导体激光穴位照射与针刺对血管性痴呆症的治疗有很好的疗效,对患者的智能及症状有明显的改善作用。低能量激光穴位照射对疼痛证、风寒证、气滞血癖证和气血两虚证等都有较好的疗效。而激光血管内照射在中医治疗中有活血化癖、扶正固本、清热解毒等作用。近年,在激光针灸的计算机辅助诊断方面,已经研究出了相关的硬件和软件系统。,激光医学应用领域小结,神经外科 (CO2激光 ,Nd YAG 激光 ) 眼科学 (Ar+激光 , Kr-激光 ,脉冲 Nd YAG激光 ) 牙科、 耳鼻喉科 (Nd YAG激光 , CO2激光 ,Ar+激光 ) 血管吻合术、 血管再成形 (CO2激光 ,Ar+激光 ,准分子激光激光 ,脉冲 Nd YAG激光 ) 肠胃病学 (Ar+激光 , Nd Y AG激光 ) 泌尿学 (Nd YAG激光 )、 妇科学 (Nd YAG激光 , CO2激光 ) 肿瘤治疗 (CO2激光 ,Nd YAG激光 ,Ar+激光 ) 皮肤科学和创伤恢复 (Ar+激光 , CO2 激光 , He2 Ne激光 , GaAs激光 ),一般医用激光器及其用途,1 He-Ne激光器以632.8nm的波长连续工作 用于治疗皮炎 丹毒湿疹 溃疡等皮肤病 具有止痒 消肿 促进创面愈合等作用 另外 He-Ne血管内照射仪在治疗心脑血管疾病方面 也有良好的效果 2 Nd YAG激光器以1064nm的波长连续工作 用于皮肤科 妇科 耳鼻喉科 普外科 肿瘤科等 电光脉冲调Q YAG用于祛除色素 洗眉 脱毛等 声光调Q YAG倍频光 波长为532nm 用于泌尿科,治疗前列腺增生和前列腺肥大,一般医用激光器及其用途,3 红宝石激光器输出波长 694nm 工作模式 调Q脉冲模式 用于祛除纹身 脱毛等 4 ArF准分子激光器输出波长 193nm 用于近视 远视 散光矫正及角膜疾病的治疗 5 半导体激光器以 780910 nm的波长连续工作,用于牙科治疗 6 Ho YAG激光器以2.08 m的波长脉冲工作,用于体内碎石 7 Er YAG激光器以2.94 m的波长脉冲工作,用于牙科和美容外科,一般医用激光器及其用途,8 Ar 离子激光器以488nm/515nm的波长连续工作,用于眼底病变 痣的治疗 9 Cu蒸气激光器以511nm/578nm的波长脉冲工作 用于治疗血管瘤 10 染料激光器 诺丹明以510nm/630nm的波长连续或脉冲工作 用于结石破碎及光动力学 PDT 治疗恶性肿瘤 11 CO2 激光器以10.6 m的波长连续工作 用于普外科 妇科 耳鼻喉科 超脉冲CO2 激光器用于美容科,激光的生物应用,生物育种上可以采用“诱发育种”方法培育良种，诱发育种也有化学诱变、核辐射诱变、光诱变等，激光照射属光诱变。生物组织吸收激光能量后，将会使生物体发生光-生物热效应、生物光压效应、生物光化学效应、生物电磁效应和生物刺激效应，由此引起生物遗传异变。我国已用激光照射种子培育新品种，改善品质。,激光在眼科中的应用,激光由于其良好的一致性,单色性、准直性等特点,自从其出现以来就一直对生物医学的发展起着十分重要的作用。在眼科领域,激光技术已经渗透到基础和临床的许多学科和专业之中,并对眼科医学的发展起着重大的促进作用。特别是近年来,激光眼科技术在国内外取得了长足的发展。,一、激光在眼科中的应用主要包括:,1.泪道激光技术 2.激光治疗青光眼 3.激光眼袋整形 4.激光乳化摘除白内障 5.激光治疗屈光不正,1.泪道激光技术,泪道阻塞和慢性泪囊炎是眼科常见病和多发病。以前对泪道狭窄和泪道阻塞的治疗,只能依赖泪道探通、穿线留置等方法,但效果均不理想。而对于慢性泪囊炎,若施行鼻腔泪囊吻合术,不仅痛苦大、创伤大,还会在脸面留下疤痕;若施行泪囊摘除术,则无法逃避终身流泪的后果。,泪道激光治疗技术，是今年来兴起的治疗泪道堵塞和慢性泪囊炎的新突破。该技术应用脉冲KTP 激光与组织作用的瞬间高温,通过激光光纤气化泪道腔内瘢痕、息肉等阻塞物,达到疏通泪道的目的。多项研究数据均表明泪道激光治疗技术不仅一次成功率高,并且无需从皮肤切口,具有不留疤痕,安全性高,就诊时间短,创伤小,经济等优点。泪道激光的问世给泪道疾病患者带来了福音。,2.激光治疗青光眼,（1）激光虹膜切除术 激光虹膜切除术是一种简单而安全的方法,其应用开始于20 世60年代,随着技术的改进和仪器的更新,几乎所有病例均可获得成功,现已成为治急性闭角型青光眼早期和临床前期的首选术式。目前国内应用的激光器有:氩激光、染料激光、Nd :YA G激光及半导体激光。尤以氩激光和Nd : YA G激光的应用更普遍。但单独用氩激光或Nd : YA G激光作虹膜切除虽可获得成功,但使用的能量均较大,术后并发症发生率高,且一次透切成功率低,特别是“炭黑虹膜”一次透切均较困难。近年来一些学者根据我国人虹膜色素多、基质厚、组织致密等特点采用了氩/ Nd : YA G 联合激光虹膜切除术,取得了总能量低,一次透切成功率高、术后反应轻、并发症少等优点。,（2）激光睫状体光凝术 睫状体光凝术是利用激光对睫状体进行凝固、破坏,使其失去或减少房水生成的功能,降低眼压。由于其疗效肯定,并发症比热凝和冷凝少,而在有条件的医院已取代热凝和冷凝成为治疗各种无视力眼眼压难以控制的青光眼的有效方法 （3）激光巩膜切除术 激光巩膜切除术是近年来才开展的一种激光治疗青光眼的新术式,目前国内未见文献报道。其具有操作简易、安全有效、切除精确易控制手术量、术后反应轻、并发症少、应用范围广等优点。被眼科激光工作者认为是一种具有开发潜能的激光治疗青光眼的新术式。使用的激光器有HO : YA G激光、Er :YA G激光、Diode 激光、连续波Nd : YA G激光及准分子激光等激光器,目前外国常用的是HO : YA G和Er : YA G激光二种激光器。,3 激光眼袋整形,眼袋也称为睑袋,通常是指眶隔脂肪堆积较多、下睑皮肤松弛所造成的下睑皮肤下垂而且臃肿的征象。通常发生于40 岁以后的中老年人,男女均可发生。眼袋的产生是由于中老年人眶内脂肪、眶隔筋膜、眼轮匝肌及下睑皮肤等组织退行性变化松弛的结果。对于眼袋的治疗,不同的临床类型应采取不同的手术方法。激光眼袋整形术是一种新型的手术方法,同传统的手术相比,手术效果好、出血少、并发症少、恢复快。激光眼袋系采用现代激光点粘溶脂高新技术,方便、快捷、周围组织热损伤小、不出血,对皮肤松弛、下睑轻度细密皱纹及眼角鱼尾纹的病例也很适合,可方便的去除细小皱纹,免除了切开、缝线和遗留疤痕等常规手术方法的弊端。运用在双眼皮成形中,真正彻底解决了非手术双眼皮不牢固这个难题,使双眼皮不开刀、不蒙眼、不红肿、永久牢固、可修可改成为可能。,4.激光乳化摘除白内障,激光乳化常采用Er : YA G 激光,其波长为2.94m ,最接近水的吸收峰值2. 9m ,在水中最易被吸收,故对含水量很高的眼内组织具有很高的安全性。当激光器发射激光后,其迅速被晶状体组织中的水分子吸收,在光气化作用下,迅速蒸发膨胀,形成一个微小空穴泡,并发生微小爆破。当空穴泡塌陷后可使晶状体核组织乳化成微小颗粒,对5 级核在内的白内障硬核均有乳化作用。被乳化的晶状体核碎屑可通过手术仪的注吸系统吸除。白内障激光乳化吸出术是近年在国外刚开展的一种最新的白内障摘出手术方法。在完成机器研制和动物实验后,美国Colvard 等于1992 年开始逐步进行白内障激光乳化术的临床应用研究,与此同时,巴西Martinez 等也在临床施行了此手术。1997 年7 月美国FDA 批准Er : YA G 激光手术系统应用于临床白内障摘出手术。目前在美国仍是为数不多的有经验的眼科医生在进行白内障激光乳化吸出术。,5.激光治疗屈光不正,准分子激光是波长很短的紫外光,它与生物组织发生的是光化学效应而不是热效应,因此,不会产生热损伤,更谈不上烧焦。现今角膜屈光手术的原理是通过改变角膜弯曲度,从而改变其屈光能力,达到矫治近视、散光和远视的目的。准分子激光是一种“冷激光”,它通过光切作用切开组织,而对附近组织不产生热损伤。因此,在计算机控制下,可根据所需矫正的屈光度,利用准分子激光对角膜组织进行精确切削,改变角膜弯曲度。这就是准分子激光手术的基本原理。,准分子激光角膜切削术(简称PRK) 治疗近视在八十年代末开始应用于临床。近