医用物理20激光

1、激光激光激光及其医学应用激光及其医学应用Laser and its medical applications一、一、激光发生原理激光发生原理二、二、激光的物理特性和生物效应激光的物理特性和生物效应三、三、激光在医学中的应用激光在医学中的应用 一、激光发生原理一、激光发生原理The basic principle of laser-produced1 1、激光的本质激光的本质2 2、自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收3 3、激光产生的基本原理激光产生的基本原理4 4、激光器激光器1 1、激光的本质、激光的本质The nature of laserl 激光：激光：laser

2、（light amplification by stimulated emission of radiation）l 激光的本质是受激辐射光的放大。激光的本质是受激辐射光的放大。2 2、自发辐射、受激辐射和受激吸收、自发辐射、受激辐射和受激吸收Spontaneous emission, stimulated emission and stimulated absorptionl根据量子理论，各电子根据量子理论，各电子运动轨道代表电子的不运动轨道代表电子的不同运动状态；同运动状态；l通常把电子具有最低能通常把电子具有最低能量的状态称为量的状态称为基态基态，其，其余称为余称为激发态激发态。1238

3、010.1512.1113.53原子能级示意图原子能级示意图 频率频率 传播方向、振动方向、初相位都彼此不相关传播方向、振动方向、初相位都彼此不相关 产生自然光产生自然光A12E2E1 自发辐射自发辐射1221EEhEl自发辐射：自发辐射：处于激发态的原处于激发态的原子自发的从子自发的从高能级跃迁到较低高能级跃迁到较低的能级的能级，把能量以光子的形式，把能量以光子的形式向外发射。向外发射。l特点特点普朗克常量，普朗克常量，6.62610-34Js 诱发光子频率诱发光子频率 发射光子传播方向、振动方向、初相位都和发射光子传播方向、振动方向、初相位都和诱发光子相同诱发光子相同 光束强度增强。光束强

4、度增强。B12E2E1受激辐射受激辐射1221EEhEl受激辐射：频率适当受激辐射：频率适当的光子的光子可诱发处于较高能级的原子发可诱发处于较高能级的原子发射光子而跃迁到较低能级。射光子而跃迁到较低能级。l 特点：特点：l 受激吸收：受激吸收：处于低能级处于低能级E1上的原子，上的原子，在频率为（在频率为（E2- E1）/h的外界光信的外界光信号作用下，吸收号作用下，吸收h 21能量后跃迁到能量后跃迁到激发态激发态E2上，这种过程称为受激吸上，这种过程称为受激吸收。收。C12E2E1受激吸收受激吸收1221EEhE 吸收光子频率吸收光子频率 光束减弱光束减弱l特点：特点：3 3、激光产生的基本

5、原理、激光产生的基本原理 The basic principle of laser-producedl当光束通过原子（或分子、离子）系统时，当光束通过原子（或分子、离子）系统时，同时存在同时存在自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程。受激吸收使入射光束强度减弱，三种过程。受激吸收使入射光束强度减弱，受激辐射使入射光束强度增强。受激辐射使入射光束强度增强。l激光器就是利用激光器就是利用受激辐射使光放大受激辐射使光放大而获得而获得激光的。激光的。激光产生的基本条件激光产生的基本条件The basic conditions for laser-produced（1 1）工作

6、物质工作物质粒子数反转分布粒子数反转分布（2 2）谐振腔谐振腔l正常情况下，能级越高，粒子数越少；正常情况下，能级越高，粒子数越少；（1）工作物质）工作物质粒子数反转分布粒子数反转分布Work material distribution inversionEEjEi0NNjNi正常分布正常分布EEjEi0NNiNj反转分布反转分布l高能级原子容易受激辐射，低能级原子容易受激吸收高能级原子容易受激辐射，低能级原子容易受激吸收l两个能级能实现粒子数反转分布的物质就两个能级能实现粒子数反转分布的物质就叫做激活介质，即通常所说的叫做激活介质，即通常所说的工作物质工作物质，它可以是气体、固体或液体。它可

7、以是气体、固体或液体。l在外界激励的作用下，粒子从低能级跃迁在外界激励的作用下，粒子从低能级跃迁到高能级，从而实现粒子数反转分布的过到高能级，从而实现粒子数反转分布的过程称为程称为抽运抽运。抽运的方法主要有两种：。抽运的方法主要有两种：光光激励和电激励激励和电激励。 AB工作物质工作物质谐振腔谐振腔R1R2l特点：特点：u多次放大多次放大u单一方向单一方向（2 2）谐振腔）谐振腔Optical resonating cavityl 谐振腔是由谐振腔是由相互平行相互平行而又同时而又同时垂直垂直于工作物质于工作物质轴轴线线的两块反射镜组成的两块反射镜组成 l 谐振腔使受激辐射的光在腔中谐振腔使受激

8、辐射的光在腔中往返反射往返反射，每经过，每经过一次工作物质就得到一次放大。当光被放大到等一次工作物质就得到一次放大。当光被放大到等于或超过光损耗时，就产生于或超过光损耗时，就产生激光振荡激光振荡，并在部分，并在部分反射镜一端产生激光输出。反射镜一端产生激光输出。 B工作物质工作物质谐振腔谐振腔R1R2l产生激光的装置称为激光器。激光器主产生激光的装置称为激光器。激光器主要由三部分组成：要由三部分组成：激光工作物质、谐振激光工作物质、谐振腔和激励源腔和激励源。 激光器的组成激光器的组成Composition of laser激光器的种类激光器的种类Types of lasers 按工作物质按工作

9、物质固体激光器（如红宝石激光器）固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦氖激光器）气体激光器（如氦氖激光器）液体激光器（如染料激光器）液体激光器（如染料激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）自由电子激光器自由电子激光器化学激光器（如氟化氢激光器）化学激光器（如氟化氢激光器） 按运转方式按运转方式连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器 按工作波段按工作波段红外和远红外激光器红外和远红外激光器可见光激光器可见光激光器紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器X X射线激光器射线激光器 激光器的种类激光器的种类Types of lasers 固体激光器固体激光器So

10、lid-state laser：以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃为工作物质。最常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石常采用的是红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等三种。等三种。特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固率高（连续功率可达数千瓦），结构紧凑牢固耐用。耐用。激光器的种类激光器的种类Types of lasers 气体激光器气体激光器Gas laser：以气体或蒸汽为工作物质。由于气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质。由于气体激光器是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工利用

11、气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的，所以它的跃迁谱线及相应的激光波长范作的，所以它的跃迁谱线及相应的激光波长范围较宽，目前已观测到激光谱线不下万余条，围较宽，目前已观测到激光谱线不下万余条，遍及从紫外到远红外整个光谱区。遍及从紫外到远红外整个光谱区。特点：输出光束的质量好（单色性、相干性、特点：输出光束的质量好（单色性、相干性、光束方向性和稳定性等）。光束方向性和稳定性等）。激光器的种类激光器的种类Types of lasers 燃料激光器燃料激光器Fuel laser：19661966年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激年，人们第一次利用巨脉冲红宝石激光器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得

12、光器泵浦氯化铝酞化菁和花菁类燃料，获得了受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速了受激辐射。此后，染料激光器得到了迅速的发展。的发展。特点：输出激光波长可调谐，某些染料波特点：输出激光波长可调谐，某些染料波长的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽长的可调节宽度达上百纳米；激光脉冲的宽度可以很窄（可达度可以很窄（可达10-1510-15秒量级）；输出功秒量级）；输出功率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜。率大，可与固体激光器比拟，并且价格便宜。激光器的种类激光器的种类Types of lasers 半导体激光器半导体激光器Semiconductor lasers：以半导体材料为工作物质。以半导体材料

13、为工作物质。特点：具有超小型、高效率、结构简单、特点：具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜，以及可以高速工作等一系列优点。价格便宜，以及可以高速工作等一系列优点。2020世纪世纪8080年代以来发展极为迅速，是目前光年代以来发展极为迅速，是目前光通讯系统的最重要光源，并且在媒体播放机、通讯系统的最重要光源，并且在媒体播放机、光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光测距及医疗等许多方面得到了重要应用。测距及医疗等许多方面得到了重要应用。激光器的种类激光器的种类Types of lasers红宝石激光器红宝石激光器Ruby laser二、激光的物理特性和生物效

14、应二、激光的物理特性和生物效应Lasers physical properties and biological effectsl 物理特性物理特性Lasers physical properties 高强度性：高强度性：亮度为太阳表面亮度的亮度为太阳表面亮度的10101010倍，倍，能产生强烈的热效应。能产生强烈的热效应。 高单色性：高单色性：谱线宽度很窄：谱线宽度很窄：8 8 10nm10nm 高定向性：高定向性：可以聚焦成小于可以聚焦成小于1um1um的光斑；的光斑；可探测到从月球反射的激光。可探测到从月球反射的激光。 高相干性：高相干性：用于全息照相和精密测量。用于全息照相和精密测量。

15、激光和生物体组织的相互作用激光和生物体组织的相互作用the interaction of body tissues反射反射入射入射激光激光散射散射吸收吸收激励激励 (发光) 发热发热l生物效应生物效应Lasers biological effects 光效应：光效应：一定波长的光子被吸收，跃迁一定波长的光子被吸收，跃迁到一定能级，引起生物分子变异。到一定能级，引起生物分子变异。 热效应：热效应：引起酶失活，蛋白质变性，导引起酶失活，蛋白质变性，导致生物的生理、遗传变异。致生物的生理、遗传变异。 电磁场效应：电磁场效应：产生的产生的自由基自由基导致导致DNADNA损伤，损伤，引起突变。引起突变。

16、 压力效应：压力效应：使组织变形、破坏引起生理使组织变形、破坏引起生理及遗传变异。及遗传变异。三、三、 激光在医学中的应用激光在医学中的应用Application of Laser in Medicine1、光凝结术（、光凝结术（photocoagulation） 2、光蒸发术（、光蒸发术（photovaporization） 3、生物体的光谱测量和诊断、生物体的光谱测量和诊断 4、光学计算机断层成像（、光学计算机断层成像（optical computed tomography） 5、光学相干层析术（、光学相干层析术（optical coherence tomography）光凝结术（光凝结术

17、（photocoagulation） 由于加热导致的蛋白质结构的紊乱称为凝结，由于加热导致的蛋白质结构的紊乱称为凝结，如果该效应是通过激光加热产生的则称为激如果该效应是通过激光加热产生的则称为激光凝结术。光凝结术。蛋清加热后会出现凝结、变脆并且由透明变为蛋清加热后会出现凝结、变脆并且由透明变为白色。白色。当激光用于光凝结手术时，被照组织实质上是当激光用于光凝结手术时，被照组织实质上是被煮熟了。高温加热的部分组织将改变颜色并被煮熟了。高温加热的部分组织将改变颜色并失去和周围组织结合的机械完整性，使其易于失去和周围组织结合的机械完整性，使其易于分离。分离。 光凝结术（光凝结术（photocoagu

18、lation） 激光手术过程中很好的止血能力也是由于其激光手术过程中很好的止血能力也是由于其光凝特性造成的。光凝特性造成的。 血管由于凝结作用，管壁上的蛋白质收缩，加血管由于凝结作用，管壁上的蛋白质收缩，加上受损的血细胞产生凝块从而封闭出血点。上受损的血细胞产生凝块从而封闭出血点。 光凝结治疗主要用于眼底病的治疗。光凝结治疗主要用于眼底病的治疗。 氩离子激光是目前眼底病光凝固治疗的主要光氩离子激光是目前眼底病光凝固治疗的主要光源，其治疗主要适应症是视网膜裂孔、视网膜源，其治疗主要适应症是视网膜裂孔、视网膜血管瘤、脉络膜血管瘤、糖尿病视网膜病变、血管瘤、脉络膜血管瘤、糖尿病视网膜病变、外层渗出性

19、视网膜病变等。外层渗出性视网膜病变等。光凝结术（光凝结术（photocoagulation） 激光手术过程中很好的止血能力也是由于其光凝特激光手术过程中很好的止血能力也是由于其光凝特性造成的。性造成的。 光凝结治疗主要用于眼底病的治疗。光凝结治疗主要用于眼底病的治疗。 近年来，正在探索用低功率密度激光束做组织的修近年来，正在探索用低功率密度激光束做组织的修复治疗，如微血管吻合术、外周神经吻合术、输精复治疗，如微血管吻合术、外周神经吻合术、输精管吻合术和皮肤的吻合等。管吻合术和皮肤的吻合等。光蒸发术（光蒸发术（photovaporization） 光蒸发实际上是实现光切割的物理过程。光蒸发实际上

20、是实现光切割的物理过程。 用能量密度极高的聚焦激光束照射组织时，瞬用能量密度极高的聚焦激光束照射组织时，瞬间可使被照射组织局部温度升高。间可使被照射组织局部温度升高。 组织液体被超过组织液体被超过100的激光加热时蒸发出水蒸气的激光加热时蒸发出水蒸气 温度再升高到温度再升高到300400时，组织则炭化，使组织变时，组织则炭化，使组织变成棕黑色，用消毒棉花即可将之擦掉成棕黑色，用消毒棉花即可将之擦掉 温度再上升超过温度再上升超过530以上，则受照组织除了水分急以上，则受照组织除了水分急剧蒸发外，其他成分亦发生剧烈烧伤，使受照组织在剧蒸发外，其他成分亦发生剧烈烧伤，使受照组织在瞬间由固态变为气态并

21、被吸除瞬间由固态变为气态并被吸除 这个手术过程称为光致蒸发术。这个手术过程称为光致蒸发术。 生物体的光谱测量和诊断生物体的光谱测量和诊断Spectral measurement and diagnosis of organisms 通过测定激光照射在生物体时的吸收、散射和荧光通过测定激光照射在生物体时的吸收、散射和荧光等光谱，可以测定有生命的各种各样的生物体信息，等光谱，可以测定有生命的各种各样的生物体信息，进一步发展就能成为对疾病的病理诊断的方法进一步发展就能成为对疾病的病理诊断的方法 临床病理诊断的活检（临床病理诊断的活检（biopsy） 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。将组织的

22、一部分切片在显微镜下进行病理诊断。 光学活检（光学活检（optical biopsy） 生物体的光谱测量和诊断生物体的光谱测量和诊断Spectral measurement and diagnosis of organisms 临床病理诊断的活检（临床病理诊断的活检（biopsy） 将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。将组织的一部分切片在显微镜下进行病理诊断。 光学活检（光学活检（optical biopsy） 用光谱测量的方法进行无侵袭的诊断。用光谱测量的方法进行无侵袭的诊断。 不仅能得到单纯的解剖学信息，而且还能得到生理学和不仅能得到单纯的解剖学信息，而且还能得到生理学和生化学信息。

23、生化学信息。 根据血红素在氧化和脱氧化状态下吸收光谱的差别，通根据血红素在氧化和脱氧化状态下吸收光谱的差别，通过测量血红素吸收率的不同可以知道组织的氧化程度。过测量血红素吸收率的不同可以知道组织的氧化程度。 目前脑的氧监视装置已经实用化。目前脑的氧监视装置已经实用化。 光学计算机断层成像光学计算机断层成像(optical computed tomography) 用组织穿透深度较深波段的激光来代替用组织穿透深度较深波段的激光来代替X X射线，用射线，用CTCT同样的方法也可得到断层信息。同样的方法也可得到断层信息。 但是与但是与X X射线在生物体内的直线传播不同，由于散射线在生物体内的直线传播

24、不同，由于散射，激光在生物体内会被扩散掉。射，激光在生物体内会被扩散掉。 扩散光没有确定的光路，得到的信号也没有确定的扩散光没有确定的光路，得到的信号也没有确定的物理意义，因此从透射光中消除散射的影响，正确物理意义，因此从透射光中消除散射的影响，正确检测出直线传播的光成分很重要。检测出直线传播的光成分很重要。 目前有很多检测方法，其中最有效的是采用光外差目前有很多检测方法，其中最有效的是采用光外差探测法。探测法。 光学相干层析术光学相干层析术(optical coherence tomography) 光学相干层析术（光学相干层析术（OCT）是类似超声回波成）是类似超声回波成像方式，像方式，

25、利用反射光或散射光的迟滞时间得到高分辩率的利用反射光或散射光的迟滞时间得到高分辩率的断层图像断层图像 OCT是近几十年迅速发展起来的一种成像技术，是近几十年迅速发展起来的一种成像技术，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。三维结构图像。 光学相干层析术光学相干层析术(optical coherence tomography) 1991年，年，Science上首次报导了美

26、国上首次报导了美国MIT的研的研究小组在究小组在OCT上的开创性工作。上的开创性工作。 1997年，我国清华大学就研究成功了光学相年，我国清华大学就研究成功了光学相干层析术干层析术 对物质的分辨率可达到对物质的分辨率可达到1个微米，个微米， 利用利用OCT可以在疾病的极早期，如癌症在只有可以在疾病的极早期，如癌症在只有几个细胞那么大小时就可以诊断出来，将疾病几个细胞那么大小时就可以诊断出来，将疾病消灭于萌芽，而且不会伤害人体。消灭于萌芽，而且不会伤害人体。 优点：优点： 利用对人体无害的红外光作光源，不接触，利用对人体无害的红外光作光源，不接触，无损伤；无损伤； 具有很高的分辨率具有很高的分辨

27、率(微米级微米级)； 整个系统可以采用光纤化技术做成小型化和整个系统可以采用光纤化技术做成小型化和便携式的设备；便携式的设备； 不需要复杂的数学计算和图像重建，可实现不需要复杂的数学计算和图像重建，可实现快速成像和实时监测。快速成像和实时监测。 光学相干层析术光学相干层析术(optical coherence tomography) 受激辐射：受激辐射：频率适当频率适当的光子可诱发处于较高能级的原子发射的光子可诱发处于较高能级的原子发射光子而跃迁到较低能级光子而跃迁到较低能级1221EEhEB12E2E1 特点：（特点：（1）诱发光子：诱发光子：频率频率 （2）发射光子：发射光子：传播方向、振

28、动方向、频率、初相传播方向、振动方向、频率、初相 位都和诱发光子相同位都和诱发光子相同 。 （3 3）光束强度增强光束强度增强一、一、简述受激辐射的特点简述受激辐射的特点以及激光的发生原理。以及激光的发生原理。 1.受激辐射的特点受激辐射的特点(1)(1) 在光激励或电激励作用下，激光工作物质通过抽运，实现在光激励或电激励作用下，激光工作物质通过抽运，实现粒子数反转分布。处于高能级的粒子数多于处于低能级的粒子数反转分布。处于高能级的粒子数多于处于低能级的粒子数，从而使受激辐射占支配地位。它是激光产生的必粒子数，从而使受激辐射占支配地位。它是激光产生的必要条件。要条件。(2)(2) 产生激光的另一个条件是谐振腔。谐振腔是由相互平行而产生激光的另一个条件是谐振腔。谐振腔是由相互平行而又同时垂直于工作物质轴线的两块反射镜组成。它使受激又同时垂直于工作物质轴线的两块反射镜组成。它使受激辐射的光在腔中往返反射，每经过一次工作物质就得到一辐射的光在腔中往返反射，每经过一次工作物质就得