醫用激光歷史
隨著激光技術的發展,壹門嶄新的應用學科——激光醫學逐步形成,激光的獨特優點,解決了傳統醫學在基礎研究和臨川應用中不能解決的許多難題,引起國內外醫學界的重視。
1960年Maiman研究出第壹臺紅寶石激光器後,在1961年Zaret、1963年Campbell、1964年Zweng等用於眼視網膜剝離的焊接技術,隨後1964年Goodman,1964年Stern用於口腔科領域。在眼科,激光應用最早,而且也是最成熟的學科,在某些眼科疾病中,激光治療被列為首選。如眼底病中的視網膜裂孔,中心性漿液性視網膜病變,糖尿病性視網膜病變Coats病,視網膜劈裂癥,視網膜血管瘤,還有原發性青光眼,激光角膜成形術治療近視眼,這種治療方法是計算機技術應用於屈光醫學的壹項新技術,是屈光性角膜領域中的壹次革命。現已開展激光角膜切割術(PRK),激光原位角膜磨鑲術還有激光上皮下角膜磨鑲術,最後壹種是最新的手術方式。
激光在其它科的發展也是迅猛的,如經尿道前列腺激光切除凝固術,激光心肌血運重建術,激光碎石術等。
激光可通過各種內窺鏡進行手術,如鈥激光通過關節鏡進行半月板切除術,通過腹腔鏡進行膽囊切除術,子宮內膜異位癥,通過胃鏡、支氣管鏡對消化道的疾患,如出血息、息肉良惡性腫瘤等,呼吸道內的瘢痕狹窄、炎性肉芽及息肉、良惡性腫瘤等進行激光治療,通過腸鏡同樣可以治療直腸,乙狀結腸和結腸的出血,息肉,良惡性腫瘤。
用激光咽成形術已成為治療阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥的常規手段。
激光的傳輸工具,如轉動式導光關節臂和光導纖維得以迅速發展,如1971年西德Nath制成可傳輸高能Ar+激光的單根石英光纖後,1973年第壹臺具有光纖傳輸的激光內鏡問世,現已發展到做成各種形狀的光纖頭(球狀、粒狀等)為激光進入內腔打開了道路。1977年美國研制成溴化鉈等多結晶核心新型遠紅外光纖以後,1981年日本也研制成功CO2激光光纖應用於臨床。
特別是光動力治療,即光敏藥物配合激光照射治療,激光光源也由單壹的He-Ne激光器(已不常用)發展到染料激光器,金蒸汽激光器,氪(Kr+)激光器和半導體激光器。
光敏劑已由血卟啉衍生物(HPD)發展成多種多樣,效果更好的激光光敏劑,如血卟啉但單甲西迷(HMME),合成燃料酞菁中的磺化鋅酞菁(ZR-PeS4)。磺酞菁(SPs),二氫卟吩衍生物中的L-單天冬氨酰二氫卟吩(Npe6)和葉綠素衍生物4號(CPD4)還有5-氨基酮塢酸(ALA)
光動力學治療的範圍,從惡性腫瘤,如皮膚癌、肺癌、消化道腫瘤、膀胱癌等,也擴展到治療良性病變,如鮮紅斑痣,年齡相關性黃斑性變性等。
關於激光美容以往僅限於皮膚色素痣,血管性病變等,現已發展到美容激光醫學,這主要是得益於20世紀80年代安德森的“選擇性光熱作用”理論,即根據不同組織的生物學特性,選擇合適的波長、能量,脈沖持續時間,以保證對病變組織進行有效治療的同時,盡量避免對周圍的正常組織造成損傷。
20世紀80年代初,用氬離子治療血管性病變,到80年代末用黃色脈沖燃料激光(PDL)得到了發展,到90年代中,由YAG倍頻,產生的532nm的綠光治療鮮紅斑痣,小血管擴張取得了明顯的改善;對黑色素的病變,在80年代開始應用Q開關的紅寶石激光治療太田痣取得較好的效果,到90年代也發展到雙頻Q開關Nd:YAG激光治療色素性疾病獲得了近乎完美的效果,在除皺方面,也由脈沖CO2激光發展到1994年的超脈沖CO2激光治療(在白種人效果較好),在1996年又發展到用2940nm的餌激光進行治療,使黃色皮膚用激光除皺得以實現,脫毛從90年代初的紅寶石激光,Nd:YAG開始,已發展到90年代末的半導體激光脫毛,取得更好的療效。
以上所談到的是屬於高強度激光的發展,對患者病變進行汽化,切割,凝固和燒灼,發展到能選擇性對病變進行破壞,而不損傷正常組織,達到治療目的。
在激光治療機,還配套生產如特殊用的光導纖維,激光內鏡和介入性治療的各類導管。激光用的裂隙燈,激光手術顯微鏡等,以及各類激光醫療設備所需的配套設備,均有專門生產的廠家供應。
另外,關於生物醫學基礎研究和臨床診斷的激光設備也是國內外發展的重點領域,如激光熒光技術,激光喇曼技術,激光細胞分析技術,激光微束技術等,及其相應的激光設備,有的已形成產品,有的已在實驗室中得以應用。
激光的性能參數
1.激光的能量和輸出功率。在激光生物效應中必然涉及兩個方面,激光的特性和生物組織的特性。表述激光特性的參數很多,但對生物醫學來說,最有直接關系的參數是:激光波長、輸出能量或輸出功率、輻照能量密度或輻照功率密度、輻照光斑的大小、照射持續時間或是脈沖寬度。其中,最常用的參數是輻照功率密度或輻照能量密度,即照射功率(能量)除以光斑面積,前者稱“輻照度”[W/cm2(瓦/厘米2)],後者稱“輻照量”[J/cm2(焦/厘米2)],它們是評價任何生物效應的主要參數,也是評價臨床治療效果的主要參數。計算公式是:
功率密度= 輻照功率/光斑面積=P/πr2
能量密度= 輻照能量/光斑面積=E/πr2
式中,P為輻照功率,其單位為瓦(W);π為圓周率(約為3.14);R為光斑半徑;E為輻照能量,即輻照功率×脈寬,其單位為焦(J)。
壹般連續激光是用功率密度表示,脈沖激光用能量密度表示。
激光照射到人體的劑量大小不同,引起生物效應也不同,壹般說,使組織破壞來達到治病的目的,如燒灼、凝固、切割、汽化的辦法,我們稱之為強激光,或高功率激光;非損傷性治療,即激光作用於生物組織時,不造成生物組織不可逆的損傷,但刺激機體產生壹系列的應答反應起到調節增強或抑制的功能,從而達到治病的目的,這種激光我們稱之為低強度激光,或低功率激光,低強度激光,低能量激光。低強度激光又分為大、中、小劑量,小劑量可起到刺激作用,大劑量則起到抑制作用。
2.激光振蕩方式。其中包括連續、脈沖和調Q等。連續激光對機體的主要作用是熱作用,而脈沖激光對生物體的作用在熱作用的同時,有不可忽視的壓力作用,如果用調Q的激光,可以提高脈沖峰值功率。
3.激光波長。不同波長對機體作用不同,如紅外激光對機體的作用是熱效應;紅光和近紅外線能更深地透射到組織深處,紫外波段對機體作用則是光化作用,各種不同波長激光對生物體作用有明顯的不同效應。
激光模式:激光有多模和單模之分,其功率密度的斷面圖屬於高斯型,即光斑中部的功率密度比邊緣大得多,這種模式具有最好的相幹性,又具有最好的方向性,故可以用作激光手術刀和全息照相。多模激光由於在工藝過程制造上容易,故制造出機器功率較大,在醫療上只用於局部照射。
4.激光偏振。因為光波是壹種電磁波,光振動矢量偏重某些方向的現象叫偏振,具有偏振現象的光叫偏振光,激光器所發射的激光,由於其發光機理的特殊性,發出的光可能是偏振光,壹般具有布儒斯特窗(Brewster window)的激光器所發出的激光就是完全偏振光,在醫療上可以用之診斷腫瘤,因為癌細胞和正常細胞的偏振角度不同,故可以區別癌細胞和正常細胞。另外,Mester證明只要是偏振光,不管其是不是相幹光,對生物均有刺激作用,這是由於偏振的電場強度改變了細胞膜類脂雙分子層的構象。從而影響膜表面特性如電荷分布的變化,繼而可能影響與細胞膜有關的每壹個過程,如細胞能量,免疫和酶的改變等。
5.作用時間。壹般講,激光對機體的照射時間越長,機體反應越強烈,照射時間越短,熱向四周傳遞的機會越少,受熱體積就越小,對四周組織的影響也越小。
激光生物效應
(1)生物組織的機械性質(密度,彈性等):組織密度高,則激光對它作用強度降低。
(2)熱學性質(比熱、熱導率、熱擴散率):組織的熱導率越高,則激光對它的作用也越大;組織的熱擴散率高,則激光對它的損傷越小;電容量越大,皮膚溫度上升越慢。
(3)電學性質:阻抗,極化率。
(4)光學性質(反射率、吸收率、透射、散射):激光對組織的吸收率越高,則反應越大;反射率、透射率越高,對組織的作用越小。
(5)聲學性質:聲阻、聲吸收率。
(6)生物特性:組織的色素、含水量、血流量、不均勻性,層次結構等。組織色素越多,激光對它的作用越強。
由此可見,激光對生物組織的作用是由許多復雜因素所決定的,特別是生物組織的層次結構,使因素變得更為復雜。但激光照射生物組織中影響生物反應程度的主要因素是:激光的波長;入射光的強度和激光發散角的大小;輻射面積和輻射持續時間;靶組織的吸收特性;含水量和色素含量。
紫外光由於光子能量太大,不能為分子所吸收或儲存,但能破壞酶,誘發基因突變等。對於紅外光,則由於光子能量太小,只能使分子發生振動,轉動,對生物組織加溫。對於近紫外線,可見光直到近紅外線,則可引起大部分在生命過程中至關重要的光化學過程。激光對細胞內生化過程的作用最重要的是闡明***振吸收的實際價值,以及當細胞內代謝物的最大吸收與所用激光波長壹致時,則產生選擇性損傷,這裏就不詳述了。
當激光照射體表和軟組織時,從紫外到近紅外波段,波長越長,透入越深,在紅色和近紅外時透入深度達到最大值,考慮激光生物作用時,生物組織的吸收系統和激光實際的透入深度有兩個參數都需加以考慮,根據壹些實驗,可有下述結論:①有色組織比無色組織吸收大;②有色組織的吸收有選擇性;③激光透過軟組織易於透過皮膚。