激光医学与激光在医学中的应用

激光医学与激光在医学中的应用

【摘要】 激光在医学上的应用在近半个世纪里突飞猛进，更形成了激光医学这门年轻的学科，促使了医学技术的进一步开展。无论在医学的诊断还是治疗应用方面，激光的作用都举足轻重。激光技术的开展史还较短，这注定了激光的开展前途无穷，随着各方面科学技术的开展，未来激光与医学的结合必将引领医学事业更上一层楼。

【关键词】激光 医学 应用 开展

一、医学与激光

医学是激光的首批应用领域。激光医学是激光技术和医学相结合的一门新兴的边缘学科。1960年，Maiman创造第一台红宝石激光器，1961年，Campbell首先将红宝石激光用于眼科的治疗，从此开场了激光在医学临床的应用。1963年，Goldman将其应用于皮肤科学。同时，值得关注的是二氧化碳激光器的作为光学手术刀的出现，逐渐在医学临床的各学科确立了自己的地位。1970年，Nath创造了光导纤维，到1973年通过内镜技术成功地将激光导入动物的胃肠道，自此实现了无创导入技术的飞速开展。1976年，Hofstetter首先将激光用于泌尿外科。随着血卟啉及其衍生物在1960年被发现，Diamond在1972年首先将这种物质用于光动力学治疗。在医学领域中，激光的应用范围非常广泛，不仅在临床上激光作为一种技术手段，被各临床学科用于疾病的诊断和治疗，而且在根底医学中的细胞水平的操作和生物学领域中激光技术也占有重要地位。另外，还可以利用激光显微加工技术制造医用微型仪器。

目前激光医学包括激光医学根底、临床检测诊断与治疗、医学与生物学用激光器械与技术、激光的危害与防护等四局部内容。

二、激光对生物体的作用及其优点

激光对生物体的作用是医学应用的物理根底。目前认为激光对于受照射的组织有四方面的作用，即热力作用〔thermal action〕、机电作用〔electro-mechanical action〕、激光消融作用〔photoablative action〕和光化学作用〔photochemical action〕。

激光的热效应是医学上使用最广泛而且最早被人们认识的激光组织效应之一。机械效应在医学上较多用于泌尿道或胆道结石的粉碎上。采用脉冲激光，使结石外表有非常高的能量密度，产生自由排列的电子列，并组成“浆〞气泡。这些气泡不断扩大，造成结石亚构造的变化，最后使其裂解而将结石碎裂。光化学效应是基于一种选择性的、光

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激发的特殊药物，在激光的激发下转化成一种毒性成分，在细胞内产生单氧态，造成细胞产生毒性的代谢产物而死亡，而单态氧的作用机理那么是产生氧自由基和过氧化物，对细胞的构造如DNA和线粒体起杀伤作用。激光由于其能量和特殊的波长，是激发这种药物的理想光源。此外，激光还有组织的焊接作用效应，激光将相邻组织连接起来需要把组织加热到70℃左右，在这个温度范围内，组织内胶原的变化引发组织的物理特性改变，组织粘度增加。事实上激光的焊接效应是利用聚焦的激光，对组织器官的构造进展对接和重建。这个能量产生了胶原的交互形的凝结，而对周围组织的损伤减少到最小。

另外，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，可使局部血管扩X，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反响促使炎症吸收好转。

在很多情况下，激光可以通过细软的光导纤维传送，因此使得激光在生物体深部的传导成为可能。对生物体应用激光的优点有以下四个方面：第一，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。第二，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地作用于生物体，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。第四，光与生物体进展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局部，前景十分光明。

三、激光在临床治疗中的应用

临床上激光的用途不外乎切割、别离；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。

压电作用←→B超、压电体外碎石等

光化学作用←→局部照射切割组织、眼科手术中凝固等

光热作用←→①高功率输出的二氧化碳激光，光点具有200℃以上的高温和一定的

压强，不但能熔融而且具有极强的穿透破坏作用。可极其准确切除细小组织。

②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。

③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。 ④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。

1、 激光美容与整形的临床应用

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图1 皮肤组织

图1为皮肤组织。决定皮肤颜色的典型色素有黑色的黑色素与红色的血红蛋白。黑色素是由称为黑素细胞的黑色素生成细胞内的小器官〔黑素体〕产生的。所谓黑痣、蓝痣是该黑色素在局部区域增加的皮肤病变，可分为表皮上增加的情况〔扁平痣等〕与在真皮内增加的情况〔太田痣等〕。称为红痣的是一般用肉眼能看到的在真皮或者皮下组织内血管的扩X和增生〔血管瘤〕，并且因为存在较多红血球，看似红色的皮肤病变。可以利用激光使这些色素和病变细胞有选择地吸收热量，而使病变组织产生变形以致破坏。但是激光照射后，皮肤色调的变化〔退色〕需要很长的时间。

为了有选择地破坏病变细胞〔色素〕，必须利用吸收系数大的波长的激光。血红蛋白被氧化时在418nm、542nm、577nm波段具有吸收峰值，而黑色素是在短波段中吸收被增大。病变部位在组织深处时，必须考虑皮肤组织的光穿透深度。在波长的选择上，必须考虑病变细胞的吸收系数与皮肤组织光穿透深度两个因素。例如，血红蛋白的情况，吸收强度在418nm附近时最大，但考虑光穿透深度后多半利用577nm或者根据情况采用波长更长的激光。此外，激光照射时间〔脉宽〕也是重要的参数。即使激光在病变细胞中有选择性地被吸收，假设照射时间长，由于热扩散而周围组织受到热影响。治疗血管瘤的时候，有必要使血管壁也受热变形，但吸收主体为红血球〔血红蛋白〕，因此，假设脉宽太短那么只破坏红血球，对血管壁不起作用。这样，因为使用短脉冲激光器减小了对正常组织的影响，从而能做到不留疤痕的痣治疗。但是用顶峰值功率激光器照射时会发生冲击波，必须注意选择好照射条件，防止发生皮下出血和水肿。

激光器的开展已有40余年，各种激光器不下6000余种，但只有极少数适合应用于整形美容外科临床。

①CO2激光器：二氧化碳激光器，波长为10.6 um，处于红外波段，水中吸收率为98%，组织穿透深度为2 mm。包括高能超脉冲、单脉冲、重复脉冲及可转换类型激光器。计算机控制的的激光发生器，这些年也开场用于临床。光导纤维的应用，还出现了光纤传导的CO2激光器。CO2激光器通过对生物体的热效应使组织蛋白变性、凝固坏死、汽化。这种激光的汽化作用、可靠的凝血作用成为整形美容外科常用的工具之一。超脉冲CO2

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激光器最常用于激光除皱、光化皮肤的治疗，对痤疮瘢痕的治疗也被认为很有效。其次，可在一些手术中替代手术刀，如用于激光毛发移植、耳软骨支架雕刻、皮瓣的表皮祛除等。该激光器在用于治疗血管纤维瘤、瘢痕瘤、血管瘤及各种浅表皮损。还有报道用于治疗皮脂腺囊肿等。

②YAG〔YTTRIUMALUMINUMGARNET〕激光器：Nd：YAG掺钕钇铝石榴激光器。组织穿透能力强，可达8—10mm，在水中的穿透深度为70mm，又可以用光纤传输，临床上用途较广泛。治疗各种皮肤良、恶性肿瘤、外源性色素沉着，还可以辅助脂肪抽接触型Nd：YAG 可以作为手术刀使用，手术后反响小、术中出血少、术后愈合良好。Er：YAG激光器功率较小，主要用于浅表皱纹的治疗，类似于CO2 激光除皱，但炎性反响较小，色素沉着轻。Q开关的YAG激光器，目前应用的多种Q开关YAG激光广泛的应用于整形美容临床，它能祛除色素沉着，减少对周围组织的损伤。Ho：YAG激光主要优点是可以通过光导纤维来传输。它发出2.1um 的波长，可作用于液态环境，可准确的切割。 ③氩激光： 波长在450—515nm 之间，为可见光。在水中又很好的穿透性。在人体中，由于被血红蛋白吸收，因此具有良好的选择吸收特性，穿透性被限制在0.2 mm 左右。整形美容外科用于葡萄酒色斑、血管瘤、海绵状血管瘤和太田痣[13]。氩激光还被用在血管再造及激光指示光。

④染料激光： 固体染料激光用于治疗色素性皮肤病。气体染料激光用于治疗血管性皮肤病，其中氩泵可调染料激光广泛应用于浅表性血管病变和色素性病变，使用计算机扫描装置，平安性得到进一步提高，反复治疗屡次可是病变颜色减退而无瘢痕和其它并发症。脉冲染料激光，主要用于血管曲X及弥散性蜘蛛痣的治疗，可获得较为满意的效果，但还有少数患者又色素减退现象。对幼儿血管瘤的治疗效果较差。连续可调染料激光，主要用于葡萄酒色斑。

⑤红宝石激光：包括普通红宝石激光，Q 开关控制的红宝石激光，倍频红宝石激光。临床上多用于治疗文身

2、激光治疗近视眼

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图2 人眼球构造

治疗近视是利用烧蚀对角膜外表进展精细加工，控制折光率〔矫正〕的过程。眼睛对光的折射由角膜与晶状体完成，因为晶状体与前房和玻璃体连接，而角膜的一侧那么与大气接触，角膜折射作用比晶状体要大。因而只对角膜作手术可以有效地矫正近视。近视本身一般不认为是疾病，但用眼镜或隐形眼镜所矫正不了的重度近视的情况，需要做这种角膜手术。下列图所示的是其示意图。目前近视矫正有对角膜外表进展二维切削手术使其曲率半径增大〔作成平坦的〕的PRK〔photorefractive keratectomy〕方法和将角膜外表放射状切开的RK(radial keratotomy)方法两种。但目前以副作用小的PRK方法为主流。

图3 激光角膜手术的示意图

光源一般采用能得到高质量烧蚀外表的193nmArF准分子激光器。这是由于该波长上能得到光穿透深度浅且可精细烧蚀的缘故。又因光子能量大，所以同时存在光化学的烧蚀过程，这也是能得到高质量烧蚀外表的一个原因。激光是通过可变口径的小孔照射到角膜的。为了照射外表上得到均匀的烧蚀，必须均匀地照射激光。因此有采用强度分布均匀的大口径光束和用小口径光束进展二维扫描的两种方法。在实际治疗中，先进展角膜形状的测定，确定烧蚀量后进展激光照射。

准分子激光是氟氩两种气体混合后经激发而产生的一种人眼看不见的紫外光，其波长仅193纳米，不会穿入眼内，属冷激光，无热效应，能以“照射〞 方式对人眼角膜组织进展准确气化，到达“切削〞和“雕琢〞角膜的目的而不损伤周围组织和其他器官，

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其独特性质是最适合角膜屈光手术。

激光治疗近视(准分子激光手术)的原理是用一种特殊的极其精细的微型角膜板层切割系统(简称角膜刀)将角膜表层组织制作成一个带蒂的圆形角膜 瓣，翻转角膜瓣后， 在计算机控制下，用准分子激光对瓣下的角膜基质层拟去除的局部组织予以准确气化，然后于瓣下冲洗并将角膜瓣复位，以此改变角膜前外表的形态，调整角膜的屈光力，到达矫正近视、远视或散光的目的。

激光治疗近视优势：

①适应范围广：可矫正100-3000度的近视，还可矫治高度散光和高度远视。 ②术后反响轻：LASIK完整保存了角膜表层的“屏障〞组织，故术后无疼痛，不住院不包眼，仅有短暂的怕光，流泪和眼内异物感。

③视力恢复快：术后即刻便能用眼，几小时后恢复正常视力。

④效果稳定好：可一劳永逸地矫治屈光不正，通俗讲即一次性治疗，永久性效果。 ⑤快捷而方便：术前检查约1小时，术前准备约10余分钟，手术仅需几分钟，其中激光治疗过程仅需几秒钟至几十秒钟，术后当天即可正常活动，不影响生活和工作。

3、激光在泌尿外科中的应用

在1990年后角度光导纤维的创造后，各种光导纤维和激光设备都被尝试用来进展激光前列腺切除术。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。

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(偏屈的光束可以到达90°)，一个7.5MHz适时超声换能器以及一个Nd：YAG激光发生器。通过超声的引导，该系统进入“描绘〞〔painting〕模式。该系统目前已经少用，原因是存在一些缺陷，它排除了视觉控制、需要特殊的训练和专业知识、并且在所有的激光治疗系统当中是最为昂贵的。

②直视下激光前列腺消融术〔Visual laser ablation of the prostate,VLAP〕 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。该技术因为时间－效益比拟良好、以及清晰的操作界面而颇具吸引力，但是术后导尿管引流时间需要加长而且在引流期间膀胱刺激病症非常严重。如果增加激光能量、缩小光斑，就能造成汽化。汽化可以在前列腺组织和光导纤维的直接接触的时候实现。在描绘模式下通过对于前列腺叶的接触性照射，能够在瞬间立即产生一个空洞，能够做到“见到什么就能烧什么〞。在接触模式下，使用侧发射或者末端发射的蓝宝石光纤头得到最大的功率密度，使组织得到汽化。

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但是与常规电切手术相比，该汽化技术的最大缺陷是速度慢，只能切除小于40毫升的前列腺。

③间质内凝固〔Interstitial coagulation ,ILC〕

该方法使用特殊的光导纤维，通过反复、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随后的前列腺组织萎缩，而且组织不会发生腐烂现象。Nd：YAG激光和半导体二极管激光是这种方法的光源。该技术的优点是治疗的部位能够进展准确的控制，在治疗的同时能够保护泌尿道粘膜不受损伤，手术之后也减少了尿路刺激病症和尿路感染。

Ho：YAG激光是最近才开展起来的一种碎石方法。尽管其能量通过脉冲的方式传递，其主要的机制可能是通过热力作用而产生的。特别的是，激光能量加热了光导纤维头端的水分，微气化产生了气泡,迅速爆裂的气泡产生的震波击碎结石。由于钬激光的能量是通过最表层的0.5mm吸收的，将光导纤维的头端准确地对准结石就能防止泌尿道粘膜的损伤。使用钬激光能够碎裂各种成分的结石，报道碎石的成功率大于90％。同时，Ho：YAG激光产生的碎片比其他的方法要小，所以形成“石街〞的可能性就相对小。使用侧孔发射光导纤维治疗集合系统和膀胱内结石的话，还可以加速结石的破裂。与脉冲染料激光和绿宝石激光相比拟, 这个设备更大的优点是采取保护眼睛的措施时，手术医师的视觉改变不明显。

总之，使用激光装置进展体内碎石不失为有吸引力的方法，其效果最显著而又最平安，所以作为一线治疗方法。缺陷是设备的最初购置价格昂贵，当然，这可以通过使用多功能、多用途的Ho：YAG激光器的应用来降低治疗本钱。

四、激光在生物体检测及诊断中的应用

测定激光照射在生物体时的吸收、散射、荧光等光谱,可以测定活着的各种各样的生物体的信息。这种测定进一步开展就能成为疾病的诊断〔病理诊断〕的方法。这种诊断称为光学活检技术〔optical biopsy〕，正日益受到世人的注目。所谓活检 (biopsy)，是指将组织的一局部切取出来作成切片，利用显微镜等对它进展的病理诊断。而用光谱测量的方法进展无侵袭的诊断，就称为光学活检即optical biopsy。这种方法不仅能得到单纯的解剖学〔生体构造有关的〕信息，而且还能像下面论述的脑功能测定一样，得到生理学、生化学信息。这种利用激光的生物体光谱测量及诊断上的应用呈现出无限潜在的开展空间。以下为两个近红外吸收光谱及荧光光谱的应用实例。

1.利用近红外光谱的代谢功能测量

众所周知，含有丰富的氧的动脉血呈鲜红色，相反缺乏氧的静脉血那么呈暗红色。如下图，血红蛋白被氧化的状态(oxy-Hb)与脱氧化的状态(deoxy-Hb)的吸收光谱具有微妙差异。在600～800nm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

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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。这些波长带的光的穿透深度深，根据从体外照射光后其透射光或反射光〔散射光〕的测定，可无侵袭地监视一定深度的体内组织的氧化程度。目前为止脑的氧监视装置〔称为脉冲测氧计〕已被实用化。假设在多点进展这样的测定，能得到运动身体的哪个部位时脑的哪个局部的活动增大等等空间功能信息，因而倍受人们的注目。但是如前所述，生物体对光来说是很强的散射体，因此在这种吸收或反射光谱中很难固定光路长度，并且存在着进展绝对测量困难的问题。特别是如果组织较深〔厚〕，信号光变得很微弱，出现信号的检测困难的问题。

图4血红蛋白的吸收光谱

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5所示，利用符合它的吸收带范围的光来鼓励，那么发出在662nm处出现峰值的荧光〔磷酸溶液中〕。

图5光敏感性物质NPe6〔mono-L-aspartyl chlorine 6〕的吸收光谱与荧光光谱

五、医用激光设备

1.固体激光器

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〕，

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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 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。

表一般医用激光器及其用途

波长/nm 紫外光 193 激光器种类 ArF准分子激光器 工作模式 用途 脉冲 CW 脉冲 脉冲 脉冲 脉冲 角膜手术〔近视的治疗等〕 眼底治疗、痣治疗 痣治疗 痣治疗、结石破碎 一般外科〔内窥镜下〕 痣治疗 可见光488，515 Ar离子激光器 511，578 Cu蒸气激光器 ～510 532 染料激光器〔罗丹明〕 倍频Nd：YAG激光器 570～590 染料激光器〔罗丹明〕 630 632.8 620~670 染料激光器〔罗丹明〕 He-Ne激光器 OPO(光参量振荡器) CW、脉冲 癌光动力学治疗法〔PDT〕 CW 脉冲 CW 脉冲 CW 去痛、血流计 癌光动力学治疗法〔PDT〕 癌光动力学治疗法〔PDT〕 痣治疗 去痛、脑内氧监视〔低功率〕一般外科〔高功率〕 650～670 半导体激光器 694 Cr：Al2O3〔红宝石〕激光器 红外光780～910 半导体激光器 1064 Nd：YAG激光器 CW

凝固、止血、一般外科〔内窥镜下〕激光热 - -可修编-

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脉冲 2080 2940 10600

Ho：YAG激光器 Er：YAG激光器 CO2激光器 脉冲 脉冲 痣治疗 一般外科〔内窥镜下〕 牙科治疗 CW，脉冲 一般外科、心肌堵塞治疗 六、激光运用于医学的未来开展

目前的最新的进展是间质激光凝固法和间质的光动力学治疗。对于广泛类型的肿瘤，影像学制导的激光治疗法能进展有效的杀灭，而且创伤性最小。间质激光凝固法〔interstitial laser photocoagulation〕能够用于实质性器官内病损的治疗，此外，对于一些潜在的应用器官如良性前列腺增生等，对于肝脏、乳房、子宫和其他器官的微小病变〔或者良性病变〕进展治疗。

近二十年来激光技术在皮肤科有着飞速的进步，许多皮肤病理和先天性的疾病如血管性疾病、色素、纹身、疤痕、多毛可以被成功地根治。此项治疗方法有效而术后并发症少，因此对于激光手术的需求越来越高。

强大的冷却装置通过降低皮肤外表的热能积累而能够将皮肤的热损伤减少到最小。表皮的冷却系统能够使用更高的频率治疗〔高频率增加了病损的反响〕，这一点在治疗皮色较黑的病人时特别有效，因为皮肤色素的增加往往导致治疗后皮肤色素的改变，冷却的另外一个优点是降低治疗时的疼痛。

近几年的皮肤激光平复术进展迅速。尽管二氧化碳激光和铒：YAG激光还在大规模地使用，非融解性的激光平复术也在使用。

随着研究的进一步加深，加上激光技术的革新以及对于激光－组织之间的相互作用的认识的进一步深入，一些设计良好、减少偏见、一丝不苟的临床试验都在对于各种激光手段在治疗和诊断中的真正意义进展探索。从已经发表的文献来看，对于泌尿道结石、泌尿道肿瘤和BPH使用激光治疗的疗效已经为很多人承受。而光动力学治疗和激光焊接技术也将在不久的将来从实验室研究走向临床的正式应用。

总的来说，激光技术的运用，让医学许多学科领域的开展有了质的飞跃。激光在医学上的广泛应用，以更平安更简便的方法为千万患者解除了病痛。展望未来，激光运用于医学方面的前景还十分广阔，我们新一代祖国未来的建立者们，应从诸如激光医学等的穿插学科中寻求灵感和开展，为未来医学的开展做出自己的奉献。

参考文献：

[1] 陈家璧 主编. 激光原理及应用〔第二版〕，电子工业，2021/08

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[2] 陈明哲 主编. 现代实用激光医学，科技文献，2006/11 [3] 邓开发 主编. 激光技术与运用，国防科技大学，2002/2 [4] 胡新珉 主编. 医学物理学〔第七版〕，人民卫生，2021/06

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