激光與強脈沖光的基本原理和臨床實際應用

1、 激光與強脈沖光的基本原理和臨床實際應用 1960年： Maiman 發(fā)明第一臺紅寶石激光， 獲得諾貝爾物理學獎激光發(fā)展歷史Maiman,T.H.: 1960, Nature, 187, 493. 光的基礎(chǔ)知識：分類電磁輻射是能量的一種基本形式具有波的特性和粒子特性電磁輻射波包括： 無線電、微波、紅外線、可見光、紫外線、X線、和咖瑪線產(chǎn)生激光的基本要素：1. 產(chǎn)生激光的物質(zhì) (激光介質(zhì))2. 激勵源3. 光學放大器激光是一種電磁波常見光源 熱燈絲或煤氣燃燒 寬帶光譜（白色是所有顏色的混合） 向各方向散發(fā) 或許是連續(xù)的或脈沖的（“閃光燈”） 有限聚焦性能激光發(fā)射原理自發(fā)輻射：在一個體系中，熱平衡

2、時低能級的粒子數(shù)總比高能級的粒子數(shù)目多。高能級的粒子總是向低能級躍遷而趨于穩(wěn)定，多余能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾酉蛲廨椛?。受激吸收：低能級的粒子如吸收外來光子的能量可激發(fā)到高能級上去。受激輻射：受激吸收后，高能級粒子向低能級躍遷同時，發(fā)射一個與外來光相同的光子。產(chǎn)生激光的條件：受激輻射受激吸收。 電磁波Cynosure, Inc.波長=顏色振幅= 強度激光的形成Cynosure, Inc.基態(tài)激發(fā)態(tài)激光的形成Cynosure, Inc.激發(fā)態(tài)基態(tài)受激吸收第一步激光的形成過程單個光子受激輻射兩個相干光子第二步 光的類型 波形 波譜濾色光激光Filter白光激光的物理特性高單色性：用于精確測量物體的長度。激光的

3、物理特性高定向性方向性：用于定位、導向、測距等。醫(yī)學上用作普通手術(shù)刀和微手術(shù)刀（直接對DNA等生物大分子進行切割或?qū)樱?。普通光源：光射向四面八方探照燈：光投射到月球上（離地40萬公里），光斑直徑將擴大到1000公里以上。激光：光投射至月球上，光斑的直徑散開只有兩公里多。激光的物理特性相干性：a.時間相干性:從激光器輸出口不同空間發(fā)出的光位相差恒定,方向一致,波長相同,此種相干性稱時間相干性。即從光源不同點發(fā)出的光有相干性稱時間相干性。b.空間相干性:從光源同一點在不同時間發(fā)出的光如有恒定的位相關(guān)系,方向和波長也相同,此種相干性稱空間相干性。激光的相干性用于全息照相、激光衍射 激光的物理特性高

4、亮度性激光是目前世界上最亮的光源二氧化碳激光管比日光燈管亮度高100億倍激光器的亮度可以做到比太陽表面亮度高1010倍醫(yī)學上切割組織、氣化表淺腫瘤都是利用激光的高亮度性所產(chǎn)生的高溫效應。激光的特點_5. 高能量密度能量在空間和時間上高度集中。激光武器；激光切割金屬；炭化和氣化組織。激光的顏色波長決定了激光的顏色，不同波長的激光表現(xiàn)為不同顏色的光為了獲取不同波長的光，需要不同的激光介質(zhì)激光器種類_激光器有很多種，可從不同角度分類：一、工作物質(zhì)1、氣體激光介質(zhì)是氣體，如：CO2, He-Ne, Argon；2、液體激光介質(zhì)是液體，如染料激光；3、固體激光介質(zhì)是固體，如：釹：釔鋁石榴石、紅寶石、紫

5、翠石、 鉺、鈥；4、半導體激光器等如：GaAs。二、激勵方式電激勵、光激勵、熱激勵、化學激勵激光器等三、工作方式連續(xù)波、準連續(xù)波、脈沖(巨脈 沖)、鎖膜、調(diào)激光器等四、激光波長紅外、紫外、可見光、射線激光器等激光器類型x-rayscosmic rays電視和收音機策波準分子氬倍頻染料紅寶石翠綠寶石Nd:YAG鉺:YAGCO2190 - 390488 - 514532577-6307556941064294010600紫外的可見的紅外線400 nm700 nm鈥2100常見激光器及其特性類型名稱工作物質(zhì)波長(m )激勵方式特征氣體激光器原子He-NeHe-Ne0.6328氣體放電廣泛分子CO2C

6、O210.6氣體放電高功率輸出N2N20.3371氣體放電無諧振腔離子Ar+Ar+0.4880氣體放電常用作泵浦源He-CdHe-Cd0.4416氣體放電固體激光器紅寶石Cr3+Al2O30.6943光泵浦應用廣泛，可得到高功率輸出Nd3+YAGNd3+YAG1.06光泵浦釹玻璃Nd3+1.06光泵浦液體激光器染料染料0.585激光泵浦波長可調(diào)半導體激光器GaAs/ GaAlAsGaAs0.85電流注入短波長通信InP/InGaAsPInP1.30電流注入長波長通信激光的工作方式圖連續(xù)激光準脈沖激光脈沖激光產(chǎn)生不同激光的方法：2. 通過激光波長轉(zhuǎn)換方法: 1） 應用非線性光學:倍頻 (SHG)

7、; 3HG, 4HG, 5HG, OPO 等 2）固體染料波長轉(zhuǎn)換片 KTP 晶體1064 nm532 nm激光計量及有關(guān)參數(shù)1.能量（E） 概念：脈沖輸出的激光器，其每一脈沖所具有的做功能力。 單位：焦耳（J） 相關(guān)參數(shù)： 脈沖幅度-脈沖可有多種形狀，脈沖所能達到的最大值 脈沖寬度-脈沖的持續(xù)時間 脈沖頻率-周期性重復的脈沖每秒出現(xiàn)的個數(shù) 脈沖周期-頻率的倒數(shù) 峰值功率-脈沖能量與脈沖寬度之比 平均功率-脈沖能量與脈沖頻率的乘積激光計量及有關(guān)參數(shù)2.功率（P） 概念： 連續(xù)輸出的激光器在單位時間內(nèi)所做的功。 它表征激光器在每秒（S）內(nèi)輸出的能量。 從光子水平上看，功率代表單位時間內(nèi)通過 的光

8、子數(shù)。 單位： 瓦（W）或毫瓦（mW） W=J/s mW=mJ/s 激光計量及有關(guān)參數(shù)3.光斑面積（A） 概念： 通常指激光束落在受照組織表面的光斑的面積。 單位：平方厘米（m2） 測量方法： 可見激光直接測量不可見激光用特殊的轉(zhuǎn)換材料，顯示其光斑大小高斯光斑取強度為幅值1/e2的兩點間距離定義為光斑的直徑激光計量及有關(guān)參數(shù)4.照射時間（T） 概念： 激光束照射于組織表面所持續(xù)的時間。 單位：秒（S） 相關(guān)參數(shù)： 功率密度（P/A）-即幅照度，這是表示激光光強度的重要參數(shù)，表征單位面積受照組織所接受的光功率。從光子水平看，功率密度代表單位時間內(nèi)通過單位面積的光子數(shù)。 單位： 瓦/平方厘米 (W

9、/cm2) 激光計量及有關(guān)參數(shù)5.激光計量（D） 概念：幅照到組織上能量密度的多少。 單位：焦耳/平方厘米（J/cm2） 以 連續(xù)激光垂直照射，則： D=P/AT 以 單位脈沖激光垂直照射，則： D=E/A 如果激光束并非垂直而是以入射角照射組織，則： D=P/AT cos D= E /Ascos 上式表明，入射角越大，生物體所接受的激光劑量越小。由此可見，我們在用激光做治療時，在一般情況下應盡量使光束與組織表面垂直。臨床用激光做穴位照射或其他非損傷性照射治療時，調(diào)節(jié)激光射劑量的最簡便的方法是改變激光的照射時間。激光 / 光組織影響反射散射傳輸吸收組織內(nèi)部光的吸收波長（微米）)1.00.210

10、20100,00010,0001,000100101.00.10.010.0010.0001水黑色素血色素氧合血紅素吸收系數(shù)(每厘米)CO2鉺:YAG3.0 組織光學(吸收光譜) 皮膚色團光譜 血紅蛋白(Hb)，氧合血紅蛋白(HbO2), 正鐵血紅蛋白(Met-Hb)都在585nm波長處有吸收峰. 水(Water)在此波長的吸收小很多量級. 色素(Melanin)是唯一的干擾因素.?組織光吸收曲線圖中紅外1100-2600nm被水完全吸收,而不被黑色素和血紅蛋白吸收激光波長對應不同的目標靶基激光r 工作波長皮膚靶基治療類型Argon488色素Pigment LesionsDoubled Nd:

11、Yag532色素，血管Vascular, Pigmented LesionsCu Vapor578血管Vascular LesionsPulsed Dye585-600血管Vascular LesionsRuby694色素Hair, Pigmented, TattoosAlexandrite755色素，血管Hair, Pigmented, TattoosDiode800-810色素，血管Hair, VascularNd:Yag1060色素Hair, Pigmented, TattooErbium2940水Epidermal Ablation白色膚的光學穿透 (50% 吸收深度 單位mm)(nm

12、)53258569475510602100294010,600穿透60012001300160080020180激光倍頻YAG脈沖染料紅寶石翠綠寶石Nd:YAG鈥鉺CO2吸收體黑色素, 血液血液, 黑色素黑色素黑色素黑色素,血液水水水激光器指標波長: 激光的顏色(nm)重復頻率: 每秒鐘的脈沖數(shù) (Hz)脈沖寬度: 激光脈沖持續(xù)作用的時間(ns,us,ms)激光功率: 激光脈沖傳輸?shù)哪芰恐?mj,jouls)組織吸收的熱量煙100OC 及隱含熱量汽化碳化皺紋90O-100OC空泡化白/灰65O-90OC組織變性漂白60O-70OC凝結(jié) (壞死)開端無50O-60OC溫度視覺變化生物學變化熱 皮

13、膚組織各級水平熱致作用表 熱致水平 熱致溫度 持續(xù)時間 臨床表現(xiàn) 熱 敷 3840 長時間 溫熱感覺 熱致紅斑 4344 長時間 微血管充血擴張見紅斑反應 熱致水皰 4748 數(shù)秒 炎性滲出物潴留皮內(nèi),表真皮分離 熱致凝固 5560 約10秒 受照處皮膚組織凝固壞死 熱致沸騰 100以上 數(shù)秒 皮膚組織中的組織液沸騰 熱致炭化 300400 瞬間 可見呈棕黑色干性壞死組織, 伴有水蒸氣白煙 熱致燃燒 530以上 瞬間 可見火光,伴有水蒸氣白煙 熱致汽化 5730 瞬間 皮膚由固體立即變成氣體, 并以極 高的速度射出, 留下一個凹陷, “選擇性光熱作用”工作模式靶組織對激光的吸收系數(shù)應大于正常組

14、織脈沖延遲時間小于靶組織熱馳豫（即溫度降至一半）時間激光能量足夠大激光的生物效應 激光照射于生物組織時，因其波長、強度、工作方式、曝光時間等參數(shù)的不同，可以表現(xiàn)出不同的生物學作用，就生物組織而言，則因其光學特性和熱學特性不一，在不同參數(shù)的激光作用下可以產(chǎn)生不同的生物效應，包括：光熱效應組織吸收光以后，光能轉(zhuǎn)化為熱能，使局部溫度升高。應用:在手術(shù)治療及非手術(shù)治療上。 光化學效應當光子給予生物大分子的能量，大于斷開其弱鍵所需的能量時,就會發(fā)生化學反應.光熱效應 光子能量E=hC/ (h:普朗克常數(shù); C:光速; :光波長 ) 產(chǎn)熱機制： 長波長光子-直接生熱 短波長光子-激發(fā)態(tài)電子以無輻射躍遷返回

15、低能態(tài)時,所釋放 的能量使周圍分子增加熱運動,以及激發(fā)態(tài)電子 并非直接返回基態(tài),而是在眾多復雜的能量差不 大的能級之間分次逐級向下弛豫,每次只能釋放 較低的能量,而使周圍的分子增加熱運動.激光在手術(shù)方面的應用 根據(jù)激光功率密度的不同:1.切割術(shù)組織中水汽化導致的體積擴大壓力增加,以及組 織固有的張力而被分開而形成切口.2.氣化術(shù)組織中水分在瞬間被蒸發(fā),干燥,凝固了的組織也 隨即燃燒而一并被蒸發(fā)去除.3.碳化術(shù)以焦點以外一定大小的光斑,在一定的時間內(nèi)連 續(xù)的照射組織,使受照組織發(fā)生干性壞死和炭化, 外觀呈綜黑色.激光在手術(shù)方面的應用 4.凝固術(shù)以焦點以外相應大小的光斑,把功率降低至適當 水平,連

16、續(xù)的照射組織,使受照組織在保持上皮 完整,不產(chǎn)生缺損和碳化的基礎(chǔ)上出現(xiàn)熱凝固 壞死.外觀由灰白色漸變?yōu)榛液稚?.激光組織間熱療法 讓激光通過插入組織內(nèi)的光纖維對 組織進行加熱，使組織內(nèi)溫度升至60C以上，并持續(xù)照射一定時間, 使該組織凝固壞死。已應用于治療腫瘤。6.光熱敷利用功率密度約為150-800mW/cm2的低強度激光對病灶局部產(chǎn)生一種溫熱的感覺，猶如熱敷。光化學作用 產(chǎn)生條件： 光子給予生物大分子的能量斷開其弱鍵所需的能量全過程： 生物分子吸收相應能量的光子 外層價電子被激發(fā)躍遷至電子激發(fā)態(tài) 在其馳豫返回基態(tài)時釋放出的能量消耗在某一化學 鍵的斷裂和新鍵的形成上 生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物光動

17、力療法（PDT） 原理： 光敏劑進入靶組織受到接近光敏劑發(fā)射光譜峰值波長的光照射光敏劑被激發(fā)光敏劑把能量轉(zhuǎn)移給靶組織中的分子氧靶組織中的分子氧被激發(fā)為強氧化劑（單態(tài) 氧）單態(tài)氧使靶組織的生物膜產(chǎn)生過氧化損傷靶組織破壞常用光敏劑 HPD（血卟啉衍生物）DHE（雙血卟啉酯）酞花菁染料脫鎂葉綠環(huán)類癌光啉（PSD-007）光敏素 mTHPC（間四羥基氯苯酚）卟啉合成物的母體ALA（5氨基-酮戊酸）進入靶組織方式： 靜脈給藥 動脈給藥 組織內(nèi)注射 局部敷貼光化學效應的臨床應用 產(chǎn)生條件： 低光功率密度（低強度） 較長曝光時間典型應用： 光動力療法（PDT） 低強度激光血管內(nèi)照射 激光局部照射常用激光器簡

18、介激光在皮膚科的應用皮膚血管病皮膚色素病皮膚腫瘤感染性皮病其它皮膚病美容治療鮮紅斑痣草莓狀血管瘤毛細血管擴張蜘蛛痣酒渣鼻化膿性肉芽腫血管角皮瘤血管炎銀屑病太田痣伊滕痣色素痣先天性色痣藍痣文身異物色沉雀斑樣痣雀斑咖啡斑Beckers痣紅斑黑變病汗管瘤粟丘疹表皮痣皮脂腺痣脂溢角化病鮑溫病基底細胞癌瘢痕疙瘩結(jié)節(jié)硬化癥著色干皮病息肉綜合征黃瘤病皮贅皮角尋常疣 扁平疣 尖銳濕疣 傳染性軟疣皰疹 丹毒 癤腫腋臭 雞眼 胼胝 汗管角化病神經(jīng)性皮炎皮膚黃疣祛除皺紋祛除瘢痕祛除眼袋永久脫毛光子去痘光子嫩膚Nd:YAG 激光器YAG 釔鋁石榴石波長 - 1.06 微米, 接近紅外光束連續(xù)Nd:YAG 持續(xù)泵浦燈

19、(例如Kr氪燈)脈沖Nd:YAG 脈沖泵浦燈 (閃光泵浦燈- 例如氙)Nd:YAG 激光棒泵浦燈鍍金泵浦 腔鏡鏡鏡MirrorQ開關(guān)Nd3+:YAG 激光機Q開關(guān)技術(shù)波長：1064/532nm能量：500mJ/250mJ脈寬： 10ns頻率：1-5Hz導光方式：七關(guān)節(jié)導光臂，三自由度指示光：5mw半導體激光用途：各類皮膚色素病和血管病均勻的光束特性高斯分布模式平帽模式*傳統(tǒng)的Q開關(guān)Nd:YAG激光的峰值能量密度位于中央- 暫時性色素沉著的風險增加*Spectra VRM平帽模式能量均勻分布Image profiled by Spiricon Beam Profiler超脈沖CO2激光機波長：1

20、0600ms導光系統(tǒng)：六關(guān)節(jié)導光臂，五種刀頭功率：1-30W用途： 皮膚外科，整形外科五官科，肛腸科等各科手術(shù) 便攜式CO2激光機波長：10600ms導光系統(tǒng)：直接輸出功率：1-10W冷卻方式：內(nèi)置水冷循環(huán)半導體激光laserSmile便攜式高速牙齒 漂白系統(tǒng)最大輸出功率：10w光纖長度：191cm用途：平行輸出的半導體激光高速激發(fā)涂抹在牙齒表面的專利漂白凝膠，催化凝膠與色素的反應，從而快速的美白牙齒。脈沖染料激光波長：585nm脈寬：350us輸出光斑直徑：5mm重復頻率：2Hz輸出系統(tǒng)：柔性光纖手柄Q開關(guān)紅寶石激光機Q開關(guān)脈沖激光波長：694nm能量：調(diào)Q10J 非調(diào)Q40J脈寬：調(diào)Q7n

21、s用途：調(diào)Q皮膚色素病非調(diào)Q脫毛Q開關(guān)翠綠寶石激光波長：755nm能量：4-10J/cm2脈寬：50-90ns用途：皮膚色素病ALEXlazr短脈沖激光系統(tǒng)IPL強脈沖光技術(shù)英 國Energist ULTRA VPL 可變脈沖光脫毛嫩膚系統(tǒng)強脈沖光技術(shù)Intense Pulsed Light (IPL)反射鏡氙閃光燈柱過濾膜導光晶體激光與強光的輸出對比激光 所有的輸出能量通過不同大小的光斑輸出；光斑越小，輸出的能量密度越大。強光小光斑的能量輸出更小，但能量密度保持一致光子嫩膚I型光子嫩膚II 型光子嫩膚適應癥良性血管病變，包括：毛細血管擴張Telangiectasias紅斑痤瘡Symptoms

22、 of Rosacea紅臉Flushing皮膚色素改變Dyschromia激光磨削后紅斑陽光性色素斑Pigmentary sun damage色素斑Mottled pigmentation色素沉著Hyperpigmentation光老化Photoaging痣Lentigines表皮及真皮結(jié)構(gòu)改變皺紋Rhytides皮膚彈性改變Elastotic changes膠原和結(jié)締組織改變毛孔粗大Large pores通過光熱效應刺激真皮膠原纖維增生和重新分布，以改善皮膚彈性和瘢痕，并消除使皮膚表面的色斑，毛細血管擴張等。 光子嫩膚的目的： 光熱效應 強脈沖光能轉(zhuǎn)化為熱量，影響皮膚表面深部的膠原纖維和彈力纖維，使之重新排列，并恢復彈性，從而達到消除皺紋，縮小毛孔的治療效果 Energy Penetration of Commonly Used Cutaneous LasersIPL