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0431-81702023
光學工程
激光醫療及其原理

      摘要:本文主要介紹激光器的簡要發展及醫用激光的特點。闡述了激光治療的機理,進一步敘述激光技術在多種醫科的應用,又根據激光醫用需求,預示激光醫學將有更大的發展。最后給出了高功率激光器的應用激發展前景。
      關鍵詞:激光;激光器;激光醫學;激光治療機理;激光動力學法;治療應用
      前言
      激光是一種人造特殊的光,它與一般燈光、太陽光同是電磁波,但其產生機理不同,它是工作物質中原子“受激”發射的光,它的光束中所有光線都具有高單色性、高方向性、高亮度性和良好的相干性。在醫學方面主要是利用激光高亮度、高方向性等特點,激光通過透鏡控制聚焦光斑的大小,改變功率密度,使人體某一點上的溫度最高可達200℃-1000℃,在極短時間內(10-2-10-3 秒)使病變組織凝固、分解,以至熔融和氣化。例如在co2激光器的輸出端可獲得聚焦光斑小于0 1 毫米,以一定速度移動代替傳統的外科手術刀對人體各種軟、硬病變組織進行氣化切割,而且精度高、傷口小、隨時融合,基本上無痛、無菌、少出血。又可以根據需要選擇不同波長的激光,調節光斑的大小,覆蓋人體病變區域進行照射,透入不同深度進行治療,或者在計算機與x光等儀器配合下,將激光通過光導纖維導入體內病變器官處進行治療, 等等。目前激光已在心臟、癌癥、眼、耳、鼻、咽、牙、皮膚、婦科、骨科以及美容等方面開展臨床醫療,形成全新的醫學分支———激光醫學。與此同時,各類激光醫療系統設備的設計與制造也日趨勢完善,又推進各醫學專科激光醫療向縱深發展。根據激光治療的特點,確保治療方案正確實施,關鍵在于醫生的治療前的認真準備和治療過程中精心的操作,才能成功。
一、激光治療機理
      激光治療時光對生物體的各種作用結果,由于激光的高強度,他將產生強烈的熱效應, 光化學反應,光壓和電磁場作用,根據這些作用可以進行各種臨床治療。
(一)激光熱效應
      高功率激光可以焊接高熔點材料,切割金屬板,所以對人的肌肉和皮膚進行切割當然不在話下。將100瓦的連續激光用光學鏡頭進行聚焦,在0.1 秒鐘內可以達到1000 度的高溫,使肌肉組織在瞬間汽化。當聚焦光點縮小到微米量級,激光束便等效于光刀,可以進行各種切割手術。當激光用于理療的時候,其低溫熱效應可以起到消炎、止痛和調節人體機能的作用。
(二)光化學反應
      生物有機體吸收激光,是細胞內的某些大分子產生分解,失去再生機能。人提組織內含有大量各種色素,對激光進行有選擇的吸收并產生光化學反應。例如,在細胞質和細胞之間含有大量的黑色素顆粒,吸收一定波長的激光并產生光化學反應,從而破壞整個細胞。如果這些細胞是病變組織,則激光照射變起到抑制或根除病變組織的療效。醫療中總是希望病變組織能大量吸收激光而破壞,而對正常組織不產生影響。
(三)光壓作用
      光具有壓力是一般常識,但普通光源的壓力很小,不為人們所感知。但強激光,特別是強脈沖激光,產生的光壓是明顯的,當用金屬板或紙板阻擋激光時便可以聽到激光光壓發出的聲音,有時還可以使輕微的紙片發生振顫。已通過實驗證明,如果激光能量密度達71080w/cm2,產生的光壓力約為3.4 達因/cm2,相當于3.4 • 10 大氣壓。此壓力作用于人體組織是不可忽略的,它將使人體局部組織發生膨脹、變形等。
(四)電磁場效應
      磁療法現在已人所共知,磁療是靠磁場,人體細胞的原子和分子是按一定的結構和規律構造的,如果由于某種病變或傷害,大量細胞內部結構會產生畸變,會使細胞功能受到障礙,人體便感不適。電磁場能使分子、原子產生極化,從而矯正畸變;交變場還可使原子、分子產生激勵振動,從而恢復細胞的活力。
      目前,關于激光治療機理的研究還有待深入,需要醫學專家和激光專家共同去探討這些問題。

二、激光技術在多種醫科上的應用
(一)光驗血與麻醉
      驗血是治療病人之前常用的診斷方法之一,傳統的方法是抽血化驗,既費時間又不精確。美國桑迪亞國家實驗室科學家最近發明一種激光測量的血細胞形態的儀器,它可在幾分種內測出血細胞的多種數據。該儀器只有郵票大小,可產生上千條極細激光,激光發射器的下面放置內徑只有頭發絲1/10 粗的血液試樣的細管,經上千條激光照射的血樣管的周圍激光傳感器采集血細胞反射和折射的激光,再經放大轉變為電信號輸入到一臺便攜式計算機中,計算機則根據這些信號顯示出合成血細胞的圖像,并測量出大量血細胞的精確數據。過去醫院長期存在病人懼怕打針和注射麻 醉 藥物,以及廢棄針頭也常有傷人事故,為此,近年來美國科研人員開發一種無痛微型激光麻醉器,它以紅色激光脈沖在病人皮膚的上層表皮上燒掉一個直徑2 毫米深20 微米的小 洞,不傷及神經組織,不會有任何痛感,使用利多卡因一類液體麻 醉 藥直接進入體內,皮膚在3 分種內完全麻醉,在6 分鐘內可麻醉2 5 厘米深處的組織。這一新的打針和麻醉方法深受醫護和病人的歡迎。
(二)激光眼病治療激光自1961 年首先在眼科醫療應用。

       例如老年白內障是因眼球透明晶體表面蒙上一層云霧狀的膜,傳統醫療方法是更換晶體,用人眼 角 膜或人造角膜移植手術使患者重見光明。現用低功率紅外激光照射,可迅速將其一層云霧狀膜氣化剝離,還原透明晶體,恢復視力;又如青光眼癥狀是眼內流動液體通道堵塞,內部液壓過大,以致損壞視覺神經,引起視力模糊失明,現在采用適當波長與能量的激 光 氣化方法,可以打開一個微細通道,使眼內液體獲得流動,恢復視力;又如視網膜脫離,同樣可以用很細的激光束從瞳孔射入眼內,使病變部分的細胞和蛋白質熔融成膠體狀,從而將視網膜重新“焊固”在眼底上,恢復正常視力。以上三種激光治療, 在80 年代國外先進國家已臨床應用。近幾年來,歐美等國用激光矯正近視、遠視與散光又取得新進展。如近視眼因角膜凸起或眼球過長,結果光線聚焦成像在視網膜之前,現用激光將角膜中央凸起部分“刮平”,使光線成像恢復在視網膜上;對遠視眼則因角膜中央過于平坦,使光線聚焦在視網膜之后,這用激光去除角膜周邊組織,中央部分相對凸起,成像正好在視網膜之上;對于散光眼因其角膜表面一些細小的凹凸結構使入射光線向各個方向無規則偏折,致視網膜上無法形成對比度強的清晰圖像,這樣用激光使角膜“平整化”,達到恢復視力。
      現在眼科醫生常規儀器是放在眼睛之上的接觸式透鏡,或是座式透鏡,從外部檢查患者眼睛內部病情,這只是初略的了解。據國外最新報告:近來由加拿大安大略省眼科技術學院研制出一種新型眼部內窺鏡,其體積直徑小于1/3 毫米,配以微型數字相機和監視器,醫生將窺鏡穿過眼白在眼內詳細的了解眼內病情。該鏡有三組光纖,一組是觀察纖維,將窺鏡圖像送到相機, 并由監視器顯示;二是提供強氙或鹵素光纖“照亮”眼睛內部;三是特制空管輸送激光,用于治療眼內疾病。術后抽出窺鏡,留下小孔,也可用激光愈合。這是一部集檢查、治療和修復各種眼病于一體的專用設備。
(三)激光焊接與愈合迅速止住創傷或肝臟手術大出血是傳統醫學的難題。

      現采用激光瞬時照射的熱效應,控制照射人體的創傷口或血管剛好達到熔融狀態而未氣化,可以代替傳統外科縫合手術而“焊接”,且不易發炎,術后恢復又快。近年來美國醫學專家格里高利,又在激光焊接基礎上創造出激光愈合技術成功。他是用一臺手提式紅外激光器和一種“彈性蛋白”的止血材料(從生物體中提取的并加工成一種新型止血材料),手術時將激光照射彈性蛋白直接融入傷口或手術切口處的皮膚組織,從而達到患處迅速愈合,手術過程簡單易行。

      激光治牙病
      人們常由于不注意口腔衛生,牙縫中長期存留食物殘渣發酵致酸液、微生物和細菌,侵蝕牙齒表面釉質被破壞,在牙齦上出現通向神經的小孔或空洞的齲齒,導致對冷、熱、酸、甜食物過敏,出現牙痛、牙齦腫脹及出血等病狀。傳統的方法是用補牙、拔牙等手術,難于消除。現在用激光刮除術,即運用激光照射使病牙齦氣化,并殺死病變的細胞。對齲齒孔洞用激光切割整形并用陶瓷材料填補。另一種較好方法,是利用激光將牙釉質加熱約1000℃左右,使釉質熔融,重新固化釉質,整舊如新。最近新加坡國立大學開發出一種低能量短脈沖激光,溫度為400℃熔化牙齒表面的有機基質以填塞釉質結構之間的空隙,形成更好的保護層,防齲效果達到98%。
      另外,還有應用激光鑲牙,即在脫牙的牙基上,用激光打一個洞,擰進一個不銹鋼螺絲,其上固定一條鈦合金金屬棍代替牙基,再用激光把金屬假牙焊接在金屬棍上, 這樣安裝假牙速度快、牢固可靠,顯著提高了鑲牙技術和品質。

(四)激光治療心臟病因心臟病患者由于動脈血管內有膽固醇或有鈣質晶體(晚期)的沉積而使血液受阻,以致心肌得不到新陳代謝必須的富氧血液,從而使心肌局部缺血,梗塞以至壞死。現有治療方法有內科藥物治療及外科手術治療,外科手術則是冠狀動脈搭橋和氣囊血管形成法,前者是切除人體下肢一段靜脈血管移植到心臟主動脈與狹窄血管之間進行搭橋連接。后者則是把空的微形氣囊,經過靜脈管緩慢地推到已經堵塞冠狀動脈處,再給氣囊充氣,將血斑推向動脈壁,以恢復血液流通。這兩種技術在國內外醫院已臨床應用,但是有些病人不適應上述治療,故近10 年來又有采用光纖傳導激光束到動脈管內將堵塞部位“打孔”形成血管或同時消融血管內血栓的技術。后又進一步發展成為一種治冠心病的血管再造技術,即用激光直接在左心室壁上打孔, “再造”出數十條直徑1 毫米的血管通道,讓左心室的富氧血液直接流經再造血管內,直接改善缺血區的供血狀況。還有將上兩種技術兼用,例如,在國內于1996 年北京郵電總醫院,對一位47 歲的冠心病人施行了“打孔+搭橋”手術,術后病狀消除,心功能明顯改善,兩周后痊愈出院。
(五)激光治癌癥
      當人體內確診是患惡性腫瘤(癌癥),傳統的治療方法之一是注入帶有放射性化學物質,用放射性射線殺死癌細胞,缺點是將腫瘤周圍的好組織細胞也一起殺死了。現用激光手術刀直接切除腫瘤外,還可以用激光動力學療法。它是將病人先注入一種“血卟啉衍生物”光敏藥物,它與癌細胞親合力強,而與正常細胞親合力弱,12-24 小時后藥物便附著在腫瘤上,這時用一種準分子激光器輸出的激光, 通過一根極細光纖進入腫瘤部位,當激光一遇到藥物,即被吸收引起藥物光化學反應,生出單態氧,使接觸組織內的細胞產生強烈氧化反應,使生物分子鏈發生斷裂,即切斷腫瘤供血并將其分裂成碎片氣化。這種療法同樣可應用到婦科的宮頸癌、膀胱癌、食道癌、直腸癌和支氣管癌等的治療中,成功率達70%-80%, 這一醫療法在美國1996 年約有400 家醫院采用,年治療約130 萬人次。另外還可用以激光動力學方法進行癌癥檢查, 根據血卟啉衍生物在激光的照射下會發出橙紅色熒光,故病人注入此藥后,用適當波長的激光掃描人體,用人眼直觀或通過內窺鏡觀察是否有橙紅色熒光,如有橙紅色,則說明該部位有癌細胞,這種檢查可靠性高。
(六)激光美容
      長期以來人們希望面部皮膚上皺紋、傷疤、疣、痣等缺陷得到真實的消除,增進面部形態美,傳統的醫法是多種多樣的。有的收效不明顯,有的惡化。自80 年代美國和澳大利亞等國先后用激光美容。針對皺紋成因是皮膚表層膠原質變長或斷裂導致皮膚皺褶失去彈性,一般是用脈沖式co2 高能量激光照射,可以消除產生缺陷的極薄的外層皮膚,以及使表層膠原質的長度縮短1/3 恢復皮膚彈性,修復傷痕,并使膠原質碎片加熱熔融在一起,形成新的膠原質, 重新塑造皮膚外表層。據一項900 人臨床試驗中,有90%人消除了臉部75%的皺紋。目前國內一些城鎮醫療單位都設有這種美容診所,據稱這種美容診所使用皮膚科激光設備,開展治療大田痣、鮮紅斑痣、血管瘤、胎記、雀斑,祛皺紋、祛除紋身、紋眉、紋眼線、多毛癥等,能做到安全可靠,敏捷美容,無后遺癥。
      激光技術在醫學上的應用,除了以上介紹的醫科以外,還有用激光技術在治療膽結石、骨科、婦科、消化道以及激光滅菌等方面不斷有新的應用成果和發展。此外,激光器件和各類激光專用或多用的醫療設備, 也都在迅速發展,再加上未來世界經濟一體化的促進,各國科研人員與醫生合作創新,可以相信在人類對于激光醫療更大需求下,一個以治病救人的激光醫學正是方興未艾,蓬勃發展。
三、高功率激光的應用與發展前景
       高功率激光在醫學上的應用已經非常普遍。從體表各種疣、痣、贅生物及良惡性腫瘤的氣化切割,到內腔疾病的治療。從最早的二氧化碳、nd:yag激光到準分子激光、高能超脈沖二氧化碳激光、調Q的翠綠寶石、ho:yag激光以及高功率半導體激光的應用,激光器逐步趨向于小型化、輕便化。柔韌的光纖可選擇性地輸出較高功率的激光。特別是近幾年出現的ho:yag和高功率半導體激光使激光外科技術獲得重大進展,在普外、泌尿、婦科、耳鼻喉科等多個領域推廣使用。

      ho:yag-中紅外激光波長為2.15μm左右ho:yag激光,目前脈沖能量可達0.5~2.8j/脈沖;脈沖頻率5~40 次/s;平均功率1.25~80w。人體組織水吸收率在2.0、3.0 μm光的波長附近有兩個尖銳的吸收峰,此波段與組織作用時,光易被體液吸收,對鄰近組織熱擴散作用小,比其它可見光及近紅外激光的熱損傷小,光作用點吸收強[8] 。現已成功地應用于各內窺鏡手術:經喉鏡治療聲帶息肉;經纖維支氣管鏡治療肺癌;經食道、胃、腸鏡治療息肉、惡性腫瘤;腹腔鏡下治療卵巢囊腫、子宮內膜移位癥;膀胱鏡、輸尿管鏡下進行前列腺肥大、碎石、膀胱癌等手術。氣化切割作用優于nd:yag激光。
      半導體激光早期的半導體激光因不能輸出高功率激光而受到限制。關鍵在于微型大功率半導體芯片的生產技術。隨著高功率半導體激光陣列技術、可兼容的光導纖維以及參量計算精密控制技術的出現,醫學多科應用的前景十分可觀。英國研制的805nm波長的砷化鎵鋁半導體激光,不需水冷卻,體積很小,能同時完成氣化和凝固作用。它具有五種工作模式:①)接觸式手術:非常適合在內窺鏡下進行最小侵入式手術,如膀胱腫瘤、前列腺切除、懸雍垂及鼻息肉切除。②非接觸式手術:主要通過其脈沖模式和熱效應進行骨科手術,包括關節鏡手術、椎間盤切除等。③插入式或光凝固手術:激光束從光纖末端的探頭刺入組織中,由縱向傳導轉變為徑向散射,使周圍組織升溫,引起變性、凝固壞死,用于腫瘤的治療。④光動力療法:隨著新的光敏劑的開發使用,波長在630~980nm的半導體激光對光動力學療法極為有效。⑤組織焊接:波長808nm的半導體激光產生損傷較小的,有選擇的組織反應,從而使組織粘連。半導體激光生物效應介于nd:yag及ho:yag之間,氣化作用優于nd:yag激光,凝固止血作用優于ho:yag激光,發展前景非常廣泛。
      新型高能超脈沖二氧化碳激光美國的高能超脈沖二氧化碳激光近兩年進入我國。它具有精美的觸摸式熒屏控制臺,有多種可調光斑手具,光束精細得像手術刀樣在紙上劃過而不留痕跡,又可通過電腦圖形發生器,變換多圖形大光斑,發生均勻注入式輸出。脈沖能量大于200mj,脈沖頻率及峰值能量高,激光波型呈矩形,波峰均在有效范圍內,間隙對周圍組織無損傷, 在去除皮膚皺紋和色素斑塊、整復眼袋、重瞼成形等美容手術方面療效顯著。
      多功能多波長的“維納斯”多功能多波長的“維納斯”激光美容系統,它是集755nm翠綠寶石、1064nmnd:yag、可調脈寬532nm和倍頻yag為一體,在去除色素性病變如:太田痣、錯誤紋眉、紋身、血管瘤、鮮紅斑痣的治療中能發揮很好的作用。它配有藍寶石冷卻頭,對周圍組織的熱損傷較小,疤痕發生機率明顯下降。在醫學的診斷與治療中,小型微型化、多波段、長壽命、可靠性和高效率的激光已成為激光醫療技術發展的方向。激光的發明者tmaiman 博士曾預言,下世紀每個醫生都應有一臺激光。激光技術已深入到生命科學的各領域,成為解決臨床治療難題的有力武器。

 


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