激光医学课程激光特性与激光生物效应

1、五、激光的计量五、激光的计量光辐射能量光辐射能量( (光能量光能量) )光辐射功率光辐射功率( (光功率光功率) )光的能量密度光的能量密度( (激光的物理剂量激光的物理剂量) )光的功率密度光的功率密度( (光强度光强度) )对对CWCW激光的计量激光的计量对脉冲激光的计量对脉冲激光的计量医学上使用医学上使用CWCW激光时的计量激光时的计量需知道：激光输出功率（需知道：激光输出功率（ P P） 被照射面积（被照射面积（s s） 被照射时间（被照射时间（t t）给出：功率密度（给出：功率密度（I I）、能量密度（）、能量密度（D D）对脉冲激光的计量对脉冲激光的计量需知道：激光单脉冲能量（需知

2、道：激光单脉冲能量（E E） 脉冲宽度（脉冲宽度（tt） 重复频率（重复频率（f f） 被照射面积（被照射面积（s s） 被照射时间（被照射时间（t t）给出：峰值功率（给出：峰值功率（Peak PowerPeak Power）、脉冲）、脉冲数、功率密度（数、功率密度（I I） 、能量密度（、能量密度（D D）第二章 激光对生物体的作用目的和要求：目的和要求： 1 1掌握激光的基本特性掌握激光的基本特性 2 2掌握激光对生物组织的主要作用掌握激光对生物组织的主要作用 （即激光生物效应）（即激光生物效应）第二章第二章 激光对生物体的作用激光对生物体的作用 激光是一种光源，也是一种电磁激光是一种光

3、源，也是一种电磁波，但它对生物体的作用与普通光源和波，但它对生物体的作用与普通光源和普通电磁波相比有其独特之处。为什么？普通电磁波相比有其独特之处。为什么？这与激光所具有的特性是分不开的。这与激光所具有的特性是分不开的。一、激光的基本特性一、激光的基本特性1 1、单色性好、单色性好2 2、方向性好、方向性好3 3、亮度高强度大、亮度高强度大4 4、相干性好、相干性好1 1、单色性好、单色性好单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中性。性。光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志 KrKr灯：灯：605.7nm, 605.7nm

4、, 谱线宽度谱线宽度=4.7=4.7* *1010-4-4nmnmHeNeHeNe激光：激光：632.8nm, 632.8nm, 谱线宽度谱线宽度=4.7=4.7* *1010-8-8nmnm原因原因: : 受激辐射受激辐射, ,光子一致光子一致; ; 谐振腔选频谐振腔选频. .应用应用: : 光的生物效应强烈地依赖于光的波长光的生物效应强烈地依赖于光的波长, ,因此因此激光良好的单色性在医学上具有重要的应用价值激光良好的单色性在医学上具有重要的应用价值. .2 2、方向性好、方向性好方向性的好坏反映了光能量在空间分布的集中性。方向性的好坏反映了光能量在空间分布的集中性。发散角是衡量光束方向性

5、好坏的标志发散角是衡量光束方向性好坏的标志. .探照灯：探照灯：3838万公里远月亮上，万公里远月亮上， 10001000公里公里. .单模激光：单模激光：=122/D , =122/D , 发散角发散角1 1毫弧度毫弧度(mrad), (mrad), 1 1公里公里. .原因原因: : 受激辐射一致受激辐射一致; ; 谐振腔选模谐振腔选模. .应用应用: : 激光在空间的高度集中激光在空间的高度集中, , 可聚焦成激光手术刀可聚焦成激光手术刀; ; 加上单色性好加上单色性好, , 聚焦时无色散象差聚焦时无色散象差, , 可聚焦成可聚焦成 微米级的激光微束微米级的激光微束, , 能用于对细胞实

6、行打孔和能用于对细胞实行打孔和 融合手术等融合手术等. .3 3、亮度高强度大、亮度高强度大 亮度是光源在单位面积上，向某一方亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率向的单位立体角内发射的功率. . 1 1米长的米长的40W40W日光灯日光灯, ,与与1 1米长的米长的40W 40W COCO2 2激光器激光器 相比亮度相差相比亮度相差10101010=100=100亿倍亿倍. . 红宝石脉冲激光器红宝石脉冲激光器10101616KW/cmKW/cm2 2与太与太阳相差阳相差100100亿倍亿倍. . 激光的输出功率虽然有激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细个限度，但由

7、于其光束细( (发发散特别小散特别小) )，功率密度特别大，功率密度特别大，因而其亮度也特别大因而其亮度也特别大. .把分散把分散在在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0 0.1818范围，亮度提高范围，亮度提高100100万万倍倍. .通过调通过调Q等技术，压缩脉等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高冲宽度，还可以进一步提高亮度亮度. . 亮度是描述光源的参量，医学应用亮度是描述光源的参量，医学应用更关心的是被光辐射处的强度。强度与更关心的是被光辐射处的强度。强度与亮度成正比关系。核聚变，激光碎石机。亮度成正比关系。核聚变，激光碎石机。 辐射亮度辐射亮度, ,与人眼对不同波长的感觉

8、与人眼对不同波长的感觉无关无关. YAG. YAG激光看不见激光看不见, ,但可以切割骨骼、但可以切割骨骼、肿瘤等，肿瘤等，HeNeHeNe激光能看见，但只能做激光能看见，但只能做理疗。理疗。4 4、相干性好、相干性好 若频率相同、振动方向相同的两列波，在若频率相同、振动方向相同的两列波，在相遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。相遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。 激光是受激辐射，受激辐射的光子其频率激光是受激辐射，受激辐射的光子其频率和振动方向均相同，且光子之间又相互关联，和振动方向均相同，且光子之间又相互关联，所以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此，所以在较长时间内位相差可保持恒定的。

9、因此，激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 KrKr灯：相干长度几十厘米灯：相干长度几十厘米 单模稳频单模稳频HeNeHeNe激光：相干长度几十公里。激光：相干长度几十公里。 主要用于医学基础研究和临床疾病的诊断。主要用于医学基础研究和临床疾病的诊断。激光的基本特性激光的基本特性 激光的上述几个特性都是相激光的上述几个特性都是相互关联的，单色性好、方向性好导互关联的，单色性好、方向性好导致亮度高强度大。致亮度高强度大。二、激光生物效应二、激光生物效应 激光生物效应的概念激光生物效应的概念 两类激光生物效应两类激光生物效应 两种生物反应水平的激光两种生物反应水平的激光 激光生物作用激光生

10、物作用 激光生物效应的概念 激光与生物组织相互作用后引起的生物组激光与生物组织相互作用后引起的生物组织的任何变化，都称为激光生物效应。织的任何变化，都称为激光生物效应。两类激光生物效应两类激光生物效应 第一类激光生物效应：激光与生物组织相第一类激光生物效应：激光与生物组织相互作用的结果，因生物组织的作用，使激互作用的结果，因生物组织的作用，使激 光参量发生改变的现象。光参量发生改变的现象。 第二类激光生物效应：第二类激光生物效应： 因激光的作用，使因激光的作用，使生物组织发生形态或机能改变的现象。生物组织发生形态或机能改变的现象。两种生物反应水平的激光两种生物反应水平的激光 强激光：用这种生物

11、学剂量水平的激光直强激光：用这种生物学剂量水平的激光直接辐照生物组织时可导致生物组织发生不接辐照生物组织时可导致生物组织发生不可逆性损伤，则定义这种强反应水平的激可逆性损伤，则定义这种强反应水平的激光为强激光。光为强激光。 弱激光：用这种生物学剂量水平的激光直弱激光：用这种生物学剂量水平的激光直接照射生物组织，不会引起生物组织直接接照射生物组织，不会引起生物组织直接发生不可逆性损伤，则定义这种反应水平发生不可逆性损伤，则定义这种反应水平的激光为弱激光。的激光为弱激光。 激光生物作用 发生激光生物效应的过程叫激光生物作用。发生激光生物效应的过程叫激光生物作用。主要有：主要有：1 1）光致发光作用

12、）光致发光作用2 2）光致发热作用）光致发热作用3 3）光致压强作用）光致压强作用4 4）光致化学作用）光致化学作用5 5）弱激光的生物刺激作用。）弱激光的生物刺激作用。 ( (一一) ) 光致发光作用光致发光作用 光致发光作用：生物组织吸收了激光能量之光致发光作用：生物组织吸收了激光能量之 后又以辐射的方式释放光能的过程。后又以辐射的方式释放光能的过程。通常有两类发光；一类是热辐射发光，另一通常有两类发光；一类是热辐射发光，另一类是非热辐射发光。类是非热辐射发光。 光致发光作用光致发光作用 光致发光作用可用于临床检测与诊断。目光致发光作用可用于临床检测与诊断。目前已用到的有载体荧光法、自体荧

13、光法、前已用到的有载体荧光法、自体荧光法、偏光法等偏光法等 。自然光照自然光照蓝光照蓝光照滤光片观察滤光片观察激光荧光图像诊断激光荧光图像诊断( (二二) ) 光致发热作用光致发热作用1. 1. 定义：生物组织吸收激光能定义：生物组织吸收激光能量后，将光能转变为生物组织量后，将光能转变为生物组织的热能，这个过程称为光致发的热能，这个过程称为光致发热作用（热作用（photoheat effect） 2. 2. 光致发热作用的机制光致发热作用的机制 1 1）吸收生热（也叫直接生热）：生物组织）吸收生热（也叫直接生热）：生物组织吸收了红外激光的光子后，增加生物分子吸收了红外激光的光子后，增加生物分子

14、本身的热运动，使组织的温度升高这种本身的热运动，使组织的温度升高这种生热没有中间过程，故称直接生热。生热没有中间过程，故称直接生热。 2 2）碰撞生热：可见光和紫外激光的光子能）碰撞生热：可见光和紫外激光的光子能量较大，生物组织吸收了这种光子后可量较大，生物组织吸收了这种光子后可引起生物组织的电子态跃迁，在它从电子引起生物组织的电子态跃迁，在它从电子激发态回到基态的过程中释放能量，使其激发态回到基态的过程中释放能量，使其周围分子增加热运动，使组织的温度升周围分子增加热运动，使组织的温度升高高3 3热作用对生物组织的影响热作用对生物组织的影响1) 1) 对蛋白质的影响：对蛋白质的影响：2) 2)

15、 对酶的影响：对酶的影响：3) 3) 对神经细胞的影响：对神经细胞的影响：4) 4) 对皮肤等组织的影响：对皮肤等组织的影响：生物组织的热反应水平生物组织的热反应水平 1 1）温热感觉）温热感觉 383840 40 2 2）热致红斑）热致红斑 434344 44 3 3）热致水泡）热致水泡 474748 48 4 4）热致凝固）热致凝固 6060100 100 5 5）热致汽化）热致汽化 100 100 530 530 6 6）热致炭化）热致炭化 300 300 400 400 7 7）热致燃烧）热致燃烧 530 530 8 8）热致切割）热致切割 530 530 4 4影响热作用的因素影响热

16、作用的因素1 1）激光热作用与激光参数有关）激光热作用与激光参数有关 2 2）激光热作用与生物组织特性有关）激光热作用与生物组织特性有关 3 3）激光热作用与作用持续时间有关）激光热作用与作用持续时间有关 ( (三三) ) 光致压强作用光致压强作用 一个著名实验一个著名实验 光子能量为光子能量为E=h，光子动量为，光子动量为P=h/c 单位面积单位时间的光子数是单位面积单位时间的光子数是n=Ih 总动量总动量 P=（Ih）（h/c）=I/c 一次压强一次压强 二次压强二次压强光致压强作用的二次压强光致压强作用的二次压强主要有：主要有： 气流反冲压强气流反冲压强 内部汽化压强内部汽化压强 热膨胀

17、超声压强热膨胀超声压强 等离子体膨胀压强（等离子体膨胀压强（I 10I 109 9WWcmcm2 2） 电致伸缩压强电致伸缩压强 等等气流反冲压强气流反冲压强 气流反冲压强是指生物组织表面受激光照射引起汽化时产生的反冲压。 内部汽化压强内部汽化压强 内部汽化压为激光聚焦于组内部汽化压为激光聚焦于组织内部引起汽化时存在的压强。织内部引起汽化时存在的压强。 ( (四四) ) 光致化学作用光致化学作用 1 1）定义：激光与生物组织相互作用）定义：激光与生物组织相互作用时，可直接引起化学反应，这种作时，可直接引起化学反应，这种作用称为光致化学作用，简称光化作用称为光致化学作用，简称光化作用用 2 2）

18、光化学吸收定律）光化学吸收定律 3 3）光化学量子定律）光化学量子定律 4 4）光化反应的类型）光化反应的类型光化学吸收定律光化学吸收定律 表述表述 ：（又称光化学第一定律）只有：（又称光化学第一定律）只有 被分子吸收的光子，才能在系统中导致被分子吸收的光子，才能在系统中导致化学反应化学反应 推论推论 ：光化学反应具有波长选择性。：光化学反应具有波长选择性。 光化学量子定律光化学量子定律 表述表述：（：（ 又称光化学第二定律）在任何光又称光化学第二定律）在任何光化反应中，每个光子只和一个分子（离子化反应中，每个光子只和一个分子（离子或原子）反应。或原子）反应。 推论推论 ：对于确定波长的激光，

19、其光化效应：对于确定波长的激光，其光化效应只决定于光的总能量，而不决定于光的功只决定于光的总能量，而不决定于光的功率。率。 （E=P t） 注意：实际上激光生物效应是有功率阈值注意：实际上激光生物效应是有功率阈值的，不完全相同。的，不完全相同。 光化反应的类型光化反应的类型 主要有四种类型：主要有四种类型： 1 1）光致分解）光致分解 2 2）光致氧化）光致氧化 HCHOHCHOOO2 22CO2COCOCO2 2HH2 2OOHC00HHC00H 3 3）光致聚合）光致聚合 4 4）光致敏化）光致敏化 （X X，Y Y，S S）（X X，P P，S S） 光动力学作用光动力学作用（photo

20、dynamic effectphotodynamic effect） 激光医学中的光敏化反应一般指需要分子激光医学中的光敏化反应一般指需要分子氧参与的光敏化反应。氧参与的光敏化反应。 此类光敏化反应称此类光敏化反应称为光动力学作用。为光动力学作用。 光动力学作用需三个基本条件：光动力学作用需三个基本条件： 即光、氧、敏化剂即光、氧、敏化剂 血卟啉衍生物（血卟啉衍生物（hemotoporphyrin derivativehemotoporphyrin derivative， HpDHpD） ( (五五) ) 弱激光的生物刺激作用弱激光的生物刺激作用主要有三个方面：主要有三个方面：对血液系统的作用对血液系统的作用 对神经系统的作用对神经系统的作用 对淋巴系统的作用对淋巴系统的作用 对血液系统的作用对血液系统的作用 对血液的有形成分（白细胞对血液的有形成分（白细胞white white cellcell、红细胞、红细胞 red cellred cell、血小板）和无形、血小板）和无形成分（血浆中的葡萄糖