光电技术临床应用基础

光电技术临床应用基础

1690年荷兰惠更斯在《光论》：光波动说牛顿：微粒说1864年麦克斯韦确认：光是电磁波1905年爱因斯坦：光量子；光量子能量表达式1920年代法国德布罗意创立物质波动学：光具有波动性和微粒性

光的本质光的本质

光的本质是电磁辐射，具有波粒二象性电磁辐射波普激光是怎么回事？1916年爱因斯坦：受激辐射理论20世纪40年代末，量子电子学诞生1951年珀塞尔和庞德实验成功：粒子数反转古尔德在1957年提出：“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)这个词1960年美国物理学家梅曼在迈阿密的研究实验室里造出了“红宝石激光器”1960年长春光机所成功造出了中国第一台激光器激光器的构造图

激光的基本特性高方向性：发散角小，气体＞固体＞半导体高单色性：最好的是单纵模稳频气体激光器高相干性：通过受激辐射产生的每个光子的运动状态都相同；时间相干性和空间相干性高亮度：调Q＞固体＞气体

激光的生物效应一、热效应：光子能量转变成热能，表现为温度对生物组织的影响，促进代谢率、影响血液循环。生物组织的各级热反应水平：

1、温热感觉：温度38-40℃，相当热敷，不会热损伤。

2、热致红斑：温度43-44℃，数秒出现红斑，数分钟有渗出物。

3、热致水泡：温度47-48℃，数秒有渗出物，表皮与真皮分离。

4、热致凝固：温度60-100℃，10S细胞凝固坏死，治疗血管瘤。

5、热致汽化：温度略高于100℃，可使组织液沸腾。

6、热致炭化：温度300-400℃，组织立刻发生干性坏死，炭化。激光的生物效应二、弱激光生物效应：

弱激光：激光照射不直接引起生物组织发生不可逆损伤。具有生物刺激作用，生物效应直接产生于辐射而不是热效应。可产生多种良性生物学效应。其特点：

1、兴奋或抑制：能量密度小表现为兴奋，反之，抑制。

2、累积作用：小剂量有累积，最终效应依赖激光总能量。

3、抛物线效应：照射次数有阈值，效应不随次数增加无限增大。刺激作用一般从第三次开始逐渐增强，到10-17次时达到最强，以后逐渐减弱，并可突变为抑制作用。对免疫功能、血液循环、组织代谢、神经刺激等作用

激光的生物效应三、光动力作用：

光动力疗法：在光敏剂的参与下，经过光激发使得有机体、细胞或生物分子发生功能及形态变化，从而使之受伤或坏死的一种作用。必须有氧的参与，故又称为光敏氧化作用。光动力作用的三要素：光敏剂、光源、氧气。光动力作用四种效应：

1、细胞性损伤：直接作用于亚细胞结构。

2、血管性损伤：

3、调节免疫功能：

4、诱发肿瘤细胞凋亡：选择性光热作用原理1983年Anderson和Parish在《Science》发表选择性光热作用理论：不同的色素对不同波长的激光具有不同的吸收率，不同波长激光在皮肤组织中的穿透性不同，靶色基与周边正常组织对治疗激光的吸收率存在明显差异。热弛豫时间（thermalrelaxtime)使用脉冲激光对皮肤色素性病变进行照射时，激光的脉宽必须短于靶色基的热弛豫时间，方能使靶色基在吸收光能量后受到破坏，并同时最大限度地保护周边正常组织。热弛豫时间：靶色素在被激光照射后，温升释放一半所需要的时间。

如果温度散失50%的时间短于该靶组织的热弛豫时间，能量主要局限在靶组织内部，靶组织被快速加热与破坏。如果温度散失50%的时间长于该靶组织的热弛豫时间，则该靶组织结构就将成为热能转换物，使热能大量向周边组织扩散，最终造成周围组织的损伤。

扩展的选择性光热作用在脱毛和治疗血管病变时，脉宽要适度延长，使激光作用时间长于色基（毛囊或血红蛋白）的热弛豫时间，使色基在选择性光热作用的基础上成为热能转换物，将热量转递到周边组织，造成热损伤而取得疗效。热损伤时间：导致整个靶组织包括色基和周围的靶组织冷却63%的时间。组织对光的反应和激光剂量与参数一、波长：光入射到组织可以发生反射、折射、散射、吸收和透射，不同的组织对不同的波长光的反应均不一样，其中波长是最重要的因素。在临床应用时，首要问题是对激光波长的选择，亦即对治疗工具的选择，选择了波长以后，才是对激光参数的选择。波长对，全对；波长错，全错。光在组织浅层被吸收愈多，透射到组织深层就愈少，反之则愈多。组织对光的吸收主要由水和色素两个因素决定。

1、水：皮肤含水量约60-80%，是影响光吸收的最重要的因素。嫩肤时需要水吸收少的波长，IPL的波段水吸收少。1064nm、532nm水吸收少，甚至不吸收。因为水吸收最大，铒激光的穿透性最差，组织损伤也小。吸收少，则穿透深。

Er:YAG（2940nm）>CO2

(10600nm)>Nd:YAG（1064nm）组织对光的反应和激光剂量与参数2、黑色素：是皮肤基本色素，在250-1200nm的波长范围内波长越短，黑色素吸收越多。1400nm后，黑色素吸收就可以忽略不计了。KTP(532nm)>Ruby>Alex（755nm)>LD>NG:YAG(1064nm)755黑素吸收多，IPL不能用于黄褐斑，对于黄种人雀斑IPL不是一个好工具，但是白种人可一次性去掉雀斑。3、血红蛋白：是血管内的主要色素，在250-1200nm范围内有几个主要吸收峰：280nm、420nm、542nm、577nm。自577nm后，从600nm处吸收峰陡降，至690nm达到最低点，然后又小幅回升。

Dye(585nm)>KTP(532nmn)>Nd:YAG(1064nm)>LD

表层的红血丝则需要用光吸收多的波长，但深层血管瘤则需要穿透性好的。组织对光的反应和激光剂量与参数二、脉宽：

即光照射时间，组织吸收光后热反应时间。临床意义：靶组织加热的时间和范围。选择脉宽的原则：

1、需要多长用多长（效果）。

2、允许多长用多长（安全）。

1µs定律：光作用于靶组织必须超过1微秒（µs）才能产生热传导、热效应和热损伤，低于1µs可以忽略不计。

组织对光的反应和激光剂量与参数三、脉冲个数：对子脉宽不足的补充，治疗量不够时通过调整脉冲次数，使靶组织持续升温而达到治疗效果。子脉宽+子脉宽+…=总脉宽=加热时间（治疗时间）四、间隙时间（延迟时间）：

两个脉冲之间的间隙时间，目的是使靶组织散热以保护非靶组织受到热损伤。组织对光的反应和激光剂量与参数五、能量密度：光计量公式：J/cm²=W/cm²·T·cosθJ/cm²:能量密度

W/cm²：强度

T：总脉宽

θ：光照射的角度，与皮肤成90°时，cos90°=1强脉冲光（intensepulsedlight，IPL）

波长范围在500-1200nm之间的多波长非相干性、以脉冲方式发射的光。在本质上属于普通光，由可见光和红外线组成。不同的病理组织通过选择性吸收不同波段的强脉冲光产生热效应，达到治疗目的。在治疗血管性病变、色素性病变、多毛症、痤疮、瘢痕以及除皱、嫩肤等方面得到了广泛应用。强脉冲光（IPL）产生原理：由高强度的光源经过聚焦和初步滤光形成一束强光，再在其前面放置一种特制的滤光片（滤光晶体），将低于某种波长的光滤掉，最后得到所需要的特殊波段的适合治疗用的强光。射频（radiofrequency,RF）指高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流；医学上把频率在0.5-8MHz的交流高频电磁波称为射频。

1868年首次将射频技术用于人体活组织；1980年代用于人体深部器官手术治疗；1999年美国FDA批准射频技术用于美容治疗；2002年Thermage公司的Thermacool射频技术，获

FDA批准用于皮肤美容领域。

射频的作用原理：人体组织是一个导电体，当射频电流经过人体组织时，组织对射频电波的阻力使组织内的水分子瞬间出现快速振荡，产生热能作用于靶组织，从而达到治疗目的。目前医用射频常采用200-750kHz，射频电能几乎全部集中在电极头的附近，治疗深度是表浅的，但由于热传导作用，电极头附近的高热量可传导到组织深层。温度的高低取决于输出功率和时间。射频的生物效应：生物热效应原理：

1、血管扩张、血循环加快、毛细血管和细胞膜通透性增加。

2、细胞内酶活性提高，新陈代谢加速。

3、增强免疫功能，抑制和杀灭病原微生物。

4、降低感觉神经的兴奋性。

5、降低肌肉和纤维结缔组织的张力，软化瘢痕组织。皮肤美容射频：诱发皮下组织变性，纤维蛋白受热收缩。单极无创射频：射频电流在治疗头与负极板之间流动，治疗头面积较大。双极无创射频：射频电流在同一水平的两个治疗头之间流动，电流经过的深度比单极射频的浅，受两个电极之间距离的制约。