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1、1.假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的吸收物质（ a0为吸收系数，见图8-1 ），入射深度为x处的光强度I为,8.1.1 生物体的光学特性,在不能忽略散射的条件下，上式可用衰减系数at和散射系数as改写为,图8-1 生物体中的光衰减特性,1.假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的,2.如图8-2（a）所示，单一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在。但是如图8.2（b）所示的多重散射时（反复多次散射），光在生物体内扩散，变得近似于各向同性散射。,图8-2 生物体中散射光的特性,2.如图8-2（a）所示，单一微粒所引起的光散射在所有方向上,3.如图8-3所示
2、为生物体与光的各种相互作用的示意图,图8-3 生物体与光的各种相互作用的示意图,3.如图8-3所示为生物体与光的各种相互作用的示意图图8-3,4. 由图8-4可知，在7001500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。,图8-4 软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系,水,光穿透深度 深,4. 由图8-4可知，在7001500nm范围的红外光谱带,5.图8-5所示的是软组织中各种激光波长的光渗透长度的大致数量。光渗透长度在近红外附近较大，在3m以上的红外域或300nm以下的紫外域中较小。组织的种类不同，光渗透长度对波长的依赖性也变化。,图8-5 软组织中各种激光的
3、穿透深度,5.图8-5所示的是软组织中各种激光波长的光渗透长度的大致数,1.激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有四方面的作用即,8.1.2 激光对生物体的作用,光化学作用(photochemical action),激光消融作用(photoablative action),机电作用(electro-mechanical action),热力作用(thermal action),光热转换,产生机械压力,条件,1.激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。8.1.2 激光,2.各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管
4、扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。,2.各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺,8.1.3 激光对生物体的作用,首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；第三，利用激光的高度的方向性，将其会聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能。最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需要今后开发更加多种多样的新的应用。,对生物体应用激
5、光的优点有以下四个方面：,8.1.3 激光对生物体的作用首先，人们日常工作生活在表现为,1.临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类就是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。,8.2.1 激光临床治疗的种类与现状,2. 激光在焦平面上的光点最小，激光能量最集中。激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高度集中，人们把它当作手术刀用来切割组织。激光的高温还起了杀菌的作用。,连续输出的二氧化碳激光,1.临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血,3.高功率输出的二氧化碳激光，光点具有200摄氏度以上的高
6、温和一定的压强，不但能熔融而且具有极强的穿透破坏作用。激光的光点聚焦后异常细小的组织可以极精确地消除。,4.激光经过聚焦后会产生极大的功率密度，是一种很好的烧灼工具。,5.激光止血效果也很令人满意，激光止血方法比目前所应用的电烙法快60倍，失血量大大减少。,6.激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。,3.高功率输出的二氧化碳激光，光点具有200摄氏度以上的高温,1.激光治疗是适当地调整照射条件,在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。痣的种类和部位（深度）不同时，激光照射条件也大不一样，因此治疗前准确地进行诊断是很重要的问题。
7、图8-6所示为皮肤组织。,8.2.2 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用,图8-6 皮肤的断面构造示意图,痣,1.激光治疗是适当地调整照射条件,在不损坏正常组织的情况下,太田痣治疗前,太田痣治疗后,Q开关激光，它摧毁病损组织时具有高度的选择性，在摧毁病损的同时不会引起周围正常组织误伤，因此，治疗后不会引起疤痕。 这种激光能“识别”正常的皮肤，所以它能非常顺利地穿透病损上正常的皮肤，直达病损，病损部位的色素颗粒则在强大的激光照射下被碎裂、破坏，这些被碎裂的色素再由体内吞噬细胞吞噬消除，因而太田痣得以治愈。所以即便太田痣很深，同样能被Q开关激光摧毁，而正常皮肤并不受损害。,太田痣治疗前太田痣治疗后
8、 Q开关激光，它摧毁病损组织时具有,1. 眼底治疗,8.2.3 激光在眼科中的应用,图8-7 眼的构造,图8-7所示的是眼构造，图8-8中所示的是眼睛对光的聚光特性。,图8-8 眼睛中光的聚光特性示意图,1. 眼底治疗 8.2.3 激光在眼科中的应用图8-7 眼的,2. 近视治疗中的应用,图8-9激光角膜手术的示意图,治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折光率（矫正）的过程。图8-9所示为采用激光角膜手术的示意图。,2. 近视治疗中的应用 图8-9激光角膜手术的示意图治疗近视,将角膜表面放射状切开的RK(radial keratotomy)方法,目前近视矫正有三种方法：,对角膜表面进
9、行二维切削手术使其曲率半径增大的PRK（Photo Refractive Keratectomy）方法,激光原位角膜磨镶术LASIK (Laser in situ Keratomileusis),光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nmArF准分子激光器。,主流,将角膜表面放射状切开的RK(radial keratotom,LASIK近视治疗手术,先在角膜表面切开直径约8.5mm，厚度约160微米的角膜瓣；然后用准分子激光对中间角膜基质进行切削；之后再将切开的角膜瓣复位。,基本操作方法:,LASIK近视治疗手术先在角膜表面切开直径约8.5mm，厚度,1. 1986年首先报道了激光前列腺切除
10、术，但真正广泛的应用是在1990年后角度光导纤维的发明后。自此，各种光导纤维和激光设备都被尝试用来进行此项手术。最常用的激光是Nd：YAG激光，当然其他激光如KTP:YAG激光、半导体二极管激光和最近的Ho：YAG激光都可用来治疗BPH。,8.2.4 激光在泌尿外科中的应用,2.有以下三种技术用来切除前列腺,（1）经尿道激光诱导的前列腺切除术（Transurethral laser-induced prostatectomy,TULIP）,该系统包括经尿道进入的激光探针(偏屈的光束可以达到90)，一个7.5MHz适时超声换能器以及一个Nd：YAG激光发生器。,1. 1986年首先报道了激光前列
11、腺切除术，但真正广泛的应用,（2）直视下激光前列腺消融术（Visual laser ablation of the prostate,VLAP）,（3）间质内凝固（Interstitial coagulation ,ILC）,该方法使用特殊的光导纤维，能够反复、直接地刺入前列腺，照射后能够产生大范围的凝固性的坏死及其后的萎缩，而且组织不会发生腐烂现象,使用侧面发射光导纤维，以造成有效的凝固性坏死和组织汽化。Nd：YAG激光通过几种不同的光导纤维传送均有报道。UrolaseTM是目前使用和评价最多的非接触性纤维，它能够在预先设定的点上通过照射造成组织的凝固。,（2）直视下激光前列腺消融术（Vis
12、ual laser ab,1.目前，激光在耳鼻喉科领域的研究，主要包括两个方面：内耳耳蜗方面的显微外科和气管激光手术。,8.2.5 激光在耳鼻喉科中的应用,激光治疗慢性肥大性鼻炎、激光治疗鼻出血；扁桃体激光切除术、激光汽化和切除咽喉部血管瘤；激光切除耳鼻喉咽喉部乳头状瘤、耳道内乳突根治术等。,1.目前，激光在耳鼻喉科领域的研究，主要包括两个方面：内耳耳,2.间质激光光凝术主要应用于任何实质性器官的明确定性的病损，而且该技术可以被良好地定位，对于周围正常组织也没有任何不良损害。,1.在影像学设施的导引下，通过经皮穿刺针将置于其内的光导纤维送到实质性器官的病损中心，并通过此设备传导激光。本治疗方法
13、成功的关键在于将光导纤维放置到正确的部位，恰到好处地将治疗的部位和所使用激光造成坏死的程度进行严格匹配，并确认正常和不正常的区域都能够安全地愈合。所以整个过程取决于显像。,8.2.6 最新的技术间质激光光凝术,2.间质激光光凝术主要应用于任何实质性器官的明确定性的病损，,1.某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，因此给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗（PDT:photodynamic therapy）或光化学治疗。,8.2.7 光动力学治疗,1.某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，因此给癌症患者静脉注射这,2.使用的光敏
14、感性物质有血卟啉衍生物（HpD），如图8-11所示，它在紫外域上具有称为Soret带的强的吸收带，又在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带。,图8-11 光敏感物质(血卟啉衍生物（HpD）的吸收光谱,2.使用的光敏感性物质有血卟啉衍生物（HpD），如图8-11,3.图8-12中所示的是光动力治疗的反应机制的示意图。,图8-12 光动力治疗的反应机制的示意图,直接作用,活性氧作用,游离基,活性氧,3.图8-12中所示的是光动力治疗的反应机制的示意图。 图8,1. 利用近红外光谱的代谢功能测量,8.3.1 利用激光的生物体光谱测量及诊断,如图8-13所示，血红蛋白被氧化的状态(oxy-Hb)与脱氧化的
15、状态(deoxy-Hb)的吸收光谱具有微妙差别。在600800nm范围氧化血红蛋白的吸收小而呈鲜红色，而在800nm以上脱氧化血红蛋白的吸收小，从测量它们各自吸收率的不同可以知道组织的氧化程度。,图8-13 血红蛋白的吸收光谱,1. 利用近红外光谱的代谢功能测量 8.3.1 利用激光的生,2. 利用荧光光谱确定病变部位,在生物体组织上照射激光时病变部位显示特有的荧光，根据此荧光就能确定病变部位。采用NPe6做光敏感性物质。如图8-14所示，利用符合它的吸收带范围的光来激励，则发出在662nm处出现峰值的荧光（磷酸溶液中）。,图8-14 光敏感性物质NPe6（mono-L-aspartyl ch
16、lorine 6）的吸收光谱与荧光光谱,2. 利用荧光光谱确定病变部位 在生物体组织上照射激光时病变,1. 光学计算机断层术即光学CT（optical computed tomography）,8.3.2 激光断层摄影,（1）X射线CT围绕人体旋转小型X射线源，由检测器阵列测定X射线透射量后进行数字化，再对这些数据以特定的算法（CT算法）利用计算机求解后构成断层像（tomography）。,1. 光学计算机断层术即光学CT（optical compu,图8-15 透过生物体（散射介质）中的光示意图,如图8-15所示，光从A点入射到生物体内，在点B上观察透射光，此时透射光中包含着三种不同的光线，
17、一种是受到散射后向任意方向散射的成分；第二种是具有较小的散射角且向前传播的成分；第三种是向前透射直线传播的成分。为了实现光学CT必须检测出第三种直线传播的透射成分的光。,图8-15 透过生物体（散射介质）中的光示意图 如图8-15,（2）直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信号选择出来进行高灵敏的检测。目前最有效的方法是光外差探测方法。,（2）直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信,图8-16 利用外差法的光学CT检测的实验装置,（3）所谓的外差探测法，一般是对两个不同频率的光波（信号波与参考波）进行混合后检测拍频信号的方法。将激光束分为参考光与入射到生物体试样
18、的信号光。给予参考光一定的频移后与信号光混合（参见图8.15），多次散射得到的光与参考光偏振方向不一致，不会产生拍频信号，因此检测出的拍频信号是直线传播光与参考光干涉的结果。利用外差法的光学CT检测的实验装置如图8-16,图8-16 利用外差法的光学CT检测的实验装置 （3）所谓的,2. 光学相干层析术即光学OCT（optical coherence tomography）,（1）光学相干层析术的原理如图8-17所示，其基本结构为迈克耳孙干涉仪。OCT把光分成两束信号光与参考光，其中信号光聚焦后照射到组织内得到向后散射光，参考光在压电陶瓷等器件调制的反射镜上反射回来得到光程调制。两束光进行干涉
19、后用外差探测法检测。,图8-17 光学相干层析术OCT原理图,2. 光学相干层析术即光学OCT（optical coher,（2）利用如图8-18所示的石英光纤传光的干涉仪，还有可能用导管等得到生物体内部组织的断层图像。,图8-18 利用光纤干涉仪的OCT（optical coherence tomography）的装置示意图,（2）利用如图8-18所示的石英光纤传光的干涉仪，还有可能用,1. 激光共焦显微镜,8.3.3 激光显微镜,（1）图8-19所示为激光共焦显微镜（laser confocal microscope）的原理图。从点光源（激光）发出的光经过透镜聚光后照射到试样内的观察点上，
20、此时在试样内形成照射光的斑点，利用物镜通过空间滤波器使这些斑点在检测器上成像。,图8-19 激光共焦显微镜的原理图,1. 激光共焦显微镜 8.3.3 激光显微镜（1）图8-19,（2）以上用透射型模型说明了其原理，但实际上采用如图8-20所示的反射型结构。,图8-20 反射型激光共焦显微镜的原理图,（2）以上用透射型模型说明了其原理，但实际上采用如图8-20,2. 近场光学显微镜,（1）图8-21所示的是近场光学显微镜与通常的显微镜的示意图。两者基本结构相似，但近场光学显微镜在离试样表面很近处存在探头，该探头起着实现超分辨率的关键作用。,图8-21近场光学显微镜（a）与通常光学显微镜（b）的示
21、意图,2. 近场光学显微镜 （1）图8-21所示的是近场光学显微镜,1.固体激光器,8.4.1 医用激光光源,固体激光器所使用的是晶体和非晶体类型的工作物质，大体上可分为氟化物、盐类和氧化物三大类。临床上常用的是红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG），可用作手术刀和照射治疗等方面。,2.气体激光器,(1)惰性原子气体激光器,(2)分子气体激光器,（3）离子气体激光器,1.固体激光器 8.4.1 医用激光光源固体激光器所使用的是,3.半导体激光器,半导体激光器的工作物质是半导体，作为半导体激光的材料有几十种，医学上常用的是砷化镓、铝砷化镓等。,4.液体激光器,液体激光器主要是指有机液
22、体激光器，常用的是染料激光，输出波长连续可调（通过变换工作物质的成分、浓度等方法）、工作物质多（已有一百多种染料中得到受激发射），而且可以得到连续或者高重复频率的振荡，所以用途相当广泛。,3.半导体激光器 半导体激光器的工作物质是半导体，作为半导体,1.光纤（实心光纤）,8.4.2 医用激光传播用光纤,（1）医用激光的光束直径通常是数十至数百微米，因此一般采用多模光纤。激光以很小的光束直径聚光时，功率密度过高会引起光纤材料的损伤。由于这种限制，常常不能使用细光纤。,1.光纤（实心光纤） 8.4.2 医用激光传播用光纤（1）医,（2）实用上，目前最广泛使用的是石英玻璃光纤，如图8-22所示1m附
23、近损失最低，适合用于Nd：YAG激光器等的近红外激光的传播。,图8-22 石英玻璃光纤的损失光谱,（2）实用上，目前最广泛使用的是石英玻璃光纤，如图8-22所,1.空心光纤,（1）空心光纤是用空气（或气体）作为芯的细管状的纤维，激光在这种管内壁上边反射边传播。这种空心光纤除了光纤端部没有反射损失，因而能得到很高的传播效率。,1.空心光纤 （1）空心光纤是用空气（或气体）作为芯的细管状,（2）空心光纤的典型结构如图8-23表示。图8-23（a）为金属矩形空心波导，它的研究历史最长。目前作为高功率激光传播光路，有望的是图8-23（b）及图8-23（c）的形状。图8-23（b）为单晶Al2O3空心波导。图7-23（c）为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤，光纤的支撑管可采用金属或玻璃。,图8-23 空心光纤的结构,（2）空心光纤的典型结构如图8-23表示。图8-23（a）为,docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu,更多精品资源请访问,docin/sanshengshiyuan 更多精品,
