第四章 激光在現(xiàn)代醫(yī)學中的應(yīng)用課件

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1第四章激光在現(xiàn)代醫(yī)學中的應(yīng)用光與現(xiàn)代科技2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1光與現(xiàn)代科技講座第一章緒論2第二章光源與激光器2第三章光纖與光學傳感技術(shù)4第四章激光在現(xiàn)代醫(yī)學中的應(yīng)用4第五章激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用4第六章激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用4第七章光與信息技術(shù)4第八章光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)6第九章光學成像、全息與顯示技術(shù)2第十章光電集成與納米技術(shù)22024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1第四章激光在現(xiàn)代醫(yī)學中的應(yīng)用§4.1激光與生物體的相互作用4.1.1生物體的光學特性4.1.2激光對生物體的作用§

4.2激光臨床治療4.2.1激光治療的種類4.2.2激光眼科治療4.2.3皮膚科及整形外科激光治療4.2.4光化學治療4.2.5激光在泌尿外科的應(yīng)用4.2.6激光在耳鼻喉科的應(yīng)用4.2.7間質(zhì)激光光凝術(shù)§

4.3激光在生物體檢測及診斷中的應(yīng)用4.3.1激光生物體光譜測量及診斷4.3.2激光斷層攝影4.3.3激光顯微鏡4.3.4視網(wǎng)膜檢測中的自適應(yīng)光學技術(shù)4.3.5人眼視力CCD測量技術(shù)§4.4醫(yī)用激光裝置§4.5醫(yī)用光纖4.5.1實心光纖4.5.2空心光纖4.5.3成像光纖束（內(nèi)窺鏡）§4.6國內(nèi)外激光醫(yī)療技術(shù)的現(xiàn)狀2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光醫(yī)學的發(fā)展激光醫(yī)學是激光技術(shù)和醫(yī)學相結(jié)合的一門新興的邊緣學科。1960年，Maiman發(fā)明第一臺紅寶石激光器，1961年，Campbell首先將紅寶石激光用于眼科的治療，從此開始了激光在醫(yī)學臨床的應(yīng)用。1963年，Goldman將其應(yīng)用于皮膚科學。同時，值得關(guān)注的是二氧化碳激光器的作為光學手術(shù)刀的出現(xiàn)，逐漸在醫(yī)學臨床的各學科確立了自己的地位。1970年，Nath發(fā)明了光導纖維，到1973年通過內(nèi)鏡技術(shù)成功地將激光導入動物的胃腸道，自此實現(xiàn)了無創(chuàng)導入技術(shù)的飛速發(fā)展。1976年，Hofstetter首先將激光用于泌尿外科。隨著血卟啉及其衍生物在1960年被發(fā)現(xiàn)，Diamond在1972年首先將這種物質(zhì)用于光動力學治療。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光醫(yī)學的應(yīng)用在醫(yī)學領(lǐng)域中，激光的應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅在臨床上激光作為一種技術(shù)手段，被各臨床學科用于疾病的診斷和治療，而且在基礎(chǔ)醫(yī)學中的細胞水平的操作和生物學領(lǐng)域中激光技術(shù)也占有重要地位。另外，還可以利用激光顯微加工技術(shù)制造醫(yī)用微型儀器和利用光造形技術(shù)進行生物體模型制造(光敏樹脂固化快速成形——SLARP)等領(lǐng)域。再者，利用全息的生物體信息的記錄及醫(yī)療信息光通信等與信息工程有關(guān)的領(lǐng)域，從廣義來講，也屬于激光在醫(yī)學中的應(yīng)用。本章主要對醫(yī)學臨床，重點是激光對診斷和治療領(lǐng)域中的應(yīng)用進行論述。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1§4.1激光與生物體的相互作用4.1.1生物體的光學特性1．吸收和散射2.光滲透長度4.1.2激光對生物體的作用優(yōu)點2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.1.1生物體的光學特性1．吸收和散射對生物體入射光強度為I0的單色平行光，若生物體是均勻的吸收體，則在入射深度x處的光強度I，由朗伯一貝爾(Lambert-Beer)給出了以下關(guān)系式：α0為吸收系數(shù)，但是，由于生物體對光是很強的散射體，因此生物體內(nèi)光的衰減不僅由于吸收，而且取決于散射的影響。在不能忽略散射的條件下，上式可用衰減系數(shù)αt，和散射系數(shù)αs改寫為：2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1若考慮生物體表面的光反射(菲涅耳反射)，其反射率為R，則上兩式的右邊應(yīng)乘以(1-R)。激光在測量、診斷中應(yīng)用時如何處理散射的影響，對于光學計算機斷層術(shù)這是很重要的問題。圖4-1生物體中的光衰減2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1如圖4-2(a)所示，單一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在。當散射角小于90。時稱為前向散射，大于90。時為后向散射。散射光對角度的依賴性可近似地以各向異性散射參數(shù)g來描述，g=-1時為純向后散射(散射角130。)，g=+1時為純向前散射(散射角為0。)，g=0時表示各向同性散射。一般在生物體組織中g(shù)=0.8～0.97，顯示出很強的前向散射特性。如圖4-2(b)所示的多重散射時(反復(fù)多次散射)，光在生物體內(nèi)擴散，變得近似于各向同性散射。這樣，光在其擴散的范圍內(nèi)與生物體發(fā)生相互作用，從而光能被吸收后轉(zhuǎn)換成熱量，或激勵生物體分子感應(yīng)出熒光和磷光。圖4-2生物體中散射光的特性2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1圖4-3所示為這些過程的模型。實際上生物體是大小各不相同的組織、器官所組成的不均質(zhì)且多成分的系統(tǒng)，因此，如上兩式的簡單描述只能在限定的條件下使用。生物體的主成分是水，此外還有蛋白質(zhì)、脂肪、無機質(zhì)等。皮膚、肌肉、內(nèi)臟等軟組織的水分約為70％。水對紅外域有著很強的吸收，因此，若在這些軟組織上照射紅外光，則可以高效地把光能轉(zhuǎn)換成熱量。圖4-3生物體與光的各種相互作用的示意圖2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1血液紅血球中的血紅蛋白是另一類典型的光吸收體。血紅蛋白分為被氧化的狀態(tài)與未被氧化的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)的吸收光譜稍有差別，但都是在600nm以下的光譜上吸收增大。蛋白質(zhì)在紫外域上表現(xiàn)很大的吸收，如圖4.4所示由圖4-4可知，各種組織在700nm～1500nm的紅外光譜帶的吸收都比較小，因此該光譜帶稱為生物體光譜學窗口。圖4-4軟組織上各種物質(zhì)的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12．光滲透長度（穿透深度）光雖被組織吸收和散射但還能到達組織的深處

。光到達組織的深度稱為光穿透深度由光的強度I衰減到入射光強度I0的1／e時的深度來定義，則光穿透深度應(yīng)為1／αt。如圖所示。光穿透深度在近紅外附近較深，在3um以上的紅外域或300nm以下的紫外域中較淺。組織的種類不同，光穿透深度對波長的依賴性也變化。例如牙齒、骨等硬組織(hardtissue)中，藍綠色波長的穿透深度深。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.1.2激光對生物體的作用光被組織吸收后產(chǎn)生熱，即對生物體起光熱作用。如對軟組織照射激光，在光滲透長度范圍內(nèi)光能被吸收轉(zhuǎn)換成熱量。激光照射強度與吸收系數(shù)Ia的乘積表示組織表面的加熱速度。若加熱速度遠高于蒸發(fā)組織所需的速度，則組織被燒蝕。例如，用足夠高的速度對組織照射193nmArF準分子激光和2.94umEr：YAG激光，則光滲透長度1um左右的組織層被迅速加熱、燒蝕，因此，亞微米級精密的組織切除手術(shù)(角膜手術(shù)治療近視眼)就成為可能。如果要燒蝕較深處的組織，則應(yīng)選擇光滲透長度比較大的波長，如光滲透長度20um的CO2激光較為適合。而1.06um的Nd：YAG激光器，因吸收系數(shù)過小，即光滲透長度過大，光能散射太大，因此對燒蝕不利。Nd：YAG激光器一般應(yīng)用于激光凝固的手術(shù)，因為蛋白質(zhì)在較低溫度(60℃～70℃)下就可產(chǎn)生熱變形(凝固)。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光對生物體的作用另外，一些燒蝕不足，但加熱充分的情況可以使組織壞死，痣的治療就是屬于這種過程。除了以上光熱作用以外，激光對生物體也起光音響作用或光化學作用。它們的作用原理與在治療中的應(yīng)用將在4.2節(jié)中敘述。另外，散射光與透射光的強度和光譜含有重要的生物體信息，因此可以應(yīng)用在生物體測定和成像上。因激光照射而感應(yīng)出熒光這種特性，可以用來診斷組織的病變狀態(tài)或部位，這些內(nèi)容將在4.3中敘述。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光應(yīng)用在治療和生物體測定時具有以下優(yōu)點：(1)一般情況下，激光治療和測定對生物體的損害較少，與X射線相比，激光對生物體一般是無侵襲或低侵襲的。對生物體存在某種傷害可能的叫做有侵襲。(2)利用激光在大氣中直線傳播的特點，可非接觸地對生物體作用，也可以利用光纖導入到生物體內(nèi)部進行治療。(3)激光的高聚光性能使微觀的治療和高空間分辨力的測定成為可能。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1§4.2激光臨床治療4.2.1激光治療的種類4.2.2激光眼科治療眼底治療在近視眼治療中的作用4.2.3皮膚科及整形外科激光治療激光除痣光子嫩膚技術(shù)超脈沖CO2激光除皺新型光子嫩膚技術(shù)4.2.4光化學治療4.2.5激光在泌尿外科的應(yīng)用4.2.6激光在耳鼻喉科的應(yīng)用4.2.7間質(zhì)激光光凝術(shù)2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.1激光治療的種類臨床上激光的用途不外乎切割、分離；汽化、融解；燒灼、止血；凝固、封閉；壓電碎石；局部照射等，這些治療種類就是利用激光對生物體的作用有光熱作用、光音響（壓電）作用、光化學作用等，激光治療就是基于這些作用機理，不論哪種治療，不一定只是單一的作用機理。例如，利用紫外激光燒蝕時主要的機理是光熱作用，但也存在光子能量直接切斷組織的分子結(jié)構(gòu)的光化學作用，該種治療同時利用了光熱作用及光化學作用，甚至還有其他作用參與。在所有的治療中，哪一種機理以多大比例起作用還沒有確切的解釋。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1以主要作用機理為準進行分類

(1)光熱治療：激光照射組織光能被組織吸收后產(chǎn)生的熱量，可去除組織、凝固組織，也可破壞組織(壞死)。去除治療是利用燒蝕過程，將組織穿孔、切開或二維(面狀)地去除。穿孔治療稱為激光TMR(transmyocardialrevascularizaton)，它是在有拍動的狀態(tài)下，對心肌梗塞的心臟進行激光照射，在心肌上打穿多個孔，恢復(fù)血液循環(huán)，對重癥心肌梗塞患者有很好的治療效果。凝固治療是利用加熱時蛋白質(zhì)成分和血液被凝固的性質(zhì)，它能使被剝離的組織黏結(jié)或止血。例如，把血管的切斷面互相貼緊，由激光加熱黏結(jié)，稱為激光吻合手術(shù)。破壞組織的例子，像痣的治療，對有色素的細胞有選擇地使其壞死。還有將病變部位全部加熱使病變部位壞死的激光熱治療等。目前大部分臨床應(yīng)用的激光治療是屬于這種光熱治療的范疇。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1以主要作用機理為準進行分類(2)光音響治療（壓電治療）其典型例子是在結(jié)石上照射激光使其破碎。一種常用的結(jié)石治療方法是體外沖擊波結(jié)石破碎技術(shù)（ESWL—ExtracorporealShockWaveLithotripsy），讓患者進入水槽中，利用火花放電和振子在水中產(chǎn)生沖擊波，并將沖擊波聚束到體內(nèi)的結(jié)石，使結(jié)石破碎，目前作為無侵襲治療被普及，但是ESWL不適用于下部尿道結(jié)石等。作為ESWL的補充手段之一，激光結(jié)石破碎技術(shù)也是一種低侵襲治療方法。如果結(jié)石上照射高強度短脈沖激光，結(jié)石的急速加熱而產(chǎn)生沖擊波(膨脹波)，作為其反作用，結(jié)石上作用壓縮波使結(jié)石破碎。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1以主要作用機理為準進行分類

(3)光化學治療：是在病變部位照射特定波長的激光，產(chǎn)生光化學反應(yīng)來破壞病變組織，癌癥治療就是一個典型的例子。近來被關(guān)注的激光治療中，還有利用低功率激光緩解痛癥(去痛)和促使創(chuàng)傷愈合等。激光針刺的效應(yīng)很早就被人們認可，但要解明這些低功率激光的作用機理，還需要作進一步的研究。從以上的例子中可知，激光治療的對象極其廣泛。涉及對象有消化系統(tǒng)、呼吸道系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、眼科、耳鼻科、皮膚科及整形外科、婦科、牙科等幾乎所有的臨床領(lǐng)域。激光治療正在深入研究和發(fā)展中，激光治療雖不是萬能的，但將激光治療作為第一選擇的疾病很多，特別是在高齡社會的今天，激光的無侵襲或低侵襲治療越來越顯示出其重要性。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.2激光眼科治療眼睛是光的讀出器官，因此不論是測定、診斷或治療，激光都能起到重要的作用。治療眼底疾病的激光治療儀很早就已實用化，它在治療網(wǎng)膜炎和眼底出血等有失明危險的疾病中發(fā)揮了很大的威力，近來使用激光進行近視矯正也受到高度重視1．眼底治療眼球構(gòu)造和眼球成像特性圖圖4.6眼的構(gòu)造2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1在圖4.7(a)中，物體在有限遠，眼球通過調(diào)節(jié)(眼球變凸)將像成在視網(wǎng)膜上，從而清晰地觀察。在圖4.7(b)中，眼球在放松條件下，無限遠的物體成像在視網(wǎng)膜上，被清晰地觀察。因此，正常眼觀察不同距離的目標時，角膜與晶狀體的曲率半徑是在不斷改變的。如果產(chǎn)生了屈光不正，即出現(xiàn)了近視、遠視或散光，就有可能通過角膜手術(shù)，改變其曲率半徑，實現(xiàn)視力校正。圖4.7眼球的成像特性2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12．在近視眼治療中的應(yīng)用治療近視是利用燒蝕作用對角膜表面進行精密手術(shù)，來控制折射狀態(tài)的過程(矯正)。眼睛對光的折射由角膜與晶狀體完成，因為晶狀體與前房(水)和玻璃體相鄰，三者折射率接近，因此折射作用不大。而角膜的兩側(cè)分別是大氣和前房(水)，二者折射率相差較大，因此折射作用大，因而只對角膜手術(shù)就能有效地矯正近視。近視一般使用眼鏡來矯正，但對于重度近視，則需要作這種角膜手術(shù)，如圖4.8所示。目前近視矯正有兩種方法：對角膜表面進行二維去除手術(shù)使其曲率半徑增大(使其平坦)的PRK(Photorefr

ActiveKeratectomy)和將角膜表面輻射狀切開的RK(RadialKeratotomy)目前以副作用小的：PRK方法為主流。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1圖4.8激光角膜手術(shù)示意圖圖4.8用于角膜手術(shù)的準分子激光裝置2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.3皮膚科及整形外科激光治療

1．激光除痣以前對痣的治療多采用外科切除的方法或利用干冰或液態(tài)氮將組織凍結(jié)壞死的方法(低溫雪崩開關(guān)凍膠)等，但都因侵襲大而留下疤痕。一般講，痣是屬于正常組織中的病變組織(含色素的細胞)，激光治療應(yīng)適當?shù)卣{(diào)整照射條件，在不損壞正常組織的情況下有選擇地破壞病變組織。但痣的種類和部位(深度)不同，激光照射條件也大不一樣，因此，治療前要進行準確地診斷。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光除痣圖4.9皮膚的斷面構(gòu)造

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光除痣決定皮膚顏色的典型色素有黑色素與血紅蛋白質(zhì)。黑色素是由稱為黑素細胞內(nèi)的小器管(黑素體)產(chǎn)生的，黑痣、藍痣就是由該黑色素引起的局部增生皮膚病變，可分為表皮上的增生(扁平痣等)與真皮內(nèi)的增生(太田痣等)。紅痣也能被肉眼能看到，它是一種位于真皮或皮下組織的血管擴張和增生(血管瘤)，因為存在許多紅血球呈現(xiàn)紅色，因此被稱為紅痣。激光除痣的機理是照射激光使這些色素和病變細胞有選擇地吸收并產(chǎn)生熱量，從而使病變組織發(fā)生變化以至破壞。但是激光照射后，皮膚色調(diào)的變化(退色)需要很長的時間.這是由于被破壞的病變細胞完全消失有一個過程，它們被巨噬細胞(具有吞食作用的大型細胞，也稱貪食細胞)所吞食，再送到淋巴結(jié)需要很長的時間。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光除痣為了有選擇地破壞病變細胞(色素)，必須選擇吸收系數(shù)大的激光波長。氧化狀態(tài)的血紅蛋白在418nm、542nm、577nm波段具有吸收峰值，而黑色素是在短波段吸收大。另外，病變部位在組織深處時，必須考慮皮膚組織的光滲透長度，即在波長的選擇上，必須兼顧病變細胞的吸收系數(shù)與皮膚組織的光滲透長度兩個因素。例如，血紅蛋白在418nm波段附近吸收系數(shù)最大，但考慮光滲透長度后多使用577m波段，甚至使用波長更長的激光。此外，激光照射時間(脈寬)也是重要的參數(shù)，即使激光對病變細胞是有選擇性的吸收，但如果照射時間太長，則會由于熱擴散而使周圍組織受到熱影響。因此，激光照射要比熱擴散時間(熱衰減時間)短。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光除痣例如，黑素體的熱衰減時間為1us左右，根據(jù)病變部位的深度可選擇脈寬為數(shù)納秒至100ns的紅寶石激光器(694nm)、金綠寶石激光器(755nm)、Nd：YAG激光器：(1064nm)等各種Q開關(guān)固體激光器和脈沖染料激光器。但這并不說明脈寬越窄越好，治療血管瘤，使血管壁同時受熱變形效果更好，而吸收主體為紅血球(血紅蛋白質(zhì))，因此，若脈寬太窄則只能破壞紅血球，對血管壁的熱擴張則作用不大。使用窄脈沖激光減小了對正常組織的影響，能做到?jīng)]有疤痕，但如果激光峰值功率過高，照射時可能會產(chǎn)生沖擊波，因此必須對照射條件進行選擇，防止發(fā)生皮下出血和腫脹。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12．光子嫩膚技術(shù)皮膚衰老是不可抗拒的自然規(guī)律，皮膚衰老現(xiàn)象主要緣于新陳代謝衰退，以及日光中的紫外線(UV)對皮膚組織結(jié)構(gòu)如膠原組織和彈力纖維的破壞。隨著年齡增長，皮膚逐漸失去彈性。另外，人們的日常生活和野外工作可能在日光下曝露較多，隨著臭氧層的變薄和其他因素的影響，受紫外線的影響就會越發(fā)嚴重，致使皮膚出現(xiàn)病變或產(chǎn)生斑點。對于老齡人群和長期曝露在日光下的人群來說，這些病變更為嚴重。以往，人們嘗試了各種方法來保持皮膚光滑，例如，機械磨削換膚法和化學脫皮換膚法。雖然這些方法都能獲得較好的效果，但風險較大。首先是深淺程度難以掌握；其次是術(shù)中出血多，術(shù)后炎癥反應(yīng)及色素沉著顯著；另外，某些化學剝脫劑(如石炭酸)對人體尚有一定的毒副作用。因而，在國外這些方法的使用已經(jīng)受到限制。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用13.超脈沖CO2激光除皺高能量超脈沖CO2激光磨皮術(shù)是美容外科領(lǐng)域開拓的一項嶄新技術(shù)，它利用高能量、極短脈沖(作用時間極短)的激光對組織的汽化作用，使老化、損傷的皮膚組織在瞬間(在向周圍正常組織傳導熱能之前)汽化，而不傷及健康組織。每照射一次激光就有幾十微米厚的皮膚表層蒸發(fā)掉，每次掃描后可以像擦灰塵一樣把皺紋皮膚除去。術(shù)后能使皮膚表層下膠原蛋白大量再生、聚集，從而使皮膚變嫩，變得更加豐腴光滑。因此超脈沖CO2激光用來去除皺紋及痤瘡斑痕的效果較好，甚至對中度和重度皺紋也能有明顯改善。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1超脈沖CO2激光除皺超脈沖CO2激光換膚術(shù)療效顯著，恢復(fù)快。對白種人來說，除了較長時間的紅斑反應(yīng)外，一般無其他副作用，因而近年來國外風行該項技術(shù)。然而，對于黃種人的皮膚類型，大部分患者治療后存在明顯的色素沉著，往往持續(xù)2～12個月左右，通常還需要一段時間停止工作，許多人往往難以忍受上述手術(shù)帶來的疼痛、潛在的副作用和因停工造成的收入損失，因而超脈沖CO2激光磨皮除皺術(shù)難以在我國推廣。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14．新型光子嫩膚技術(shù)近來已經(jīng)證實了一種非相干強脈沖光(IPLTMQueen，皇后光子嫩膚儀，奇致激光技術(shù)有限公司出品)對于各類型的血管性及色素性疾病有極好的療效。研究結(jié)果表明光老化的許多表現(xiàn)，如細小皺紋、皮膚粗糙、不規(guī)則色素沉著、粗大毛孔和毛細血管擴張等，在治療后出現(xiàn)明顯的改善。該光子嫩膚技術(shù)是使用強脈沖光子技術(shù)(IPLTM)，在低能量密度下的非剝脫性、非侵入性嫩膚治療。強脈沖光經(jīng)過紫外濾波，可發(fā)射的光譜范圍為550nm～1200nm，其中較短的波長用來治療血管性病變和色素性病變(斑點)，而較長的波長則可實現(xiàn)光子嫩膚的目的。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14．新型光子嫩膚技術(shù)只要參數(shù)設(shè)置合理，如可調(diào)脈寬、脈沖延遲及脈沖次數(shù)等，讓表皮等非治療組織充分散熱，就可做到基本無副作用，患者甚至無需停工，術(shù)后可立即恢復(fù)正?；顒?。光子嫩膚要求能量密度在30~45J／cm2之間，能量密度太低，雖然熱刺激對皮膚可以起到一定的保養(yǎng)作用，但并不能從根本上祛除皮膚瑕疵；能量密度太高，造成皮膚損傷的可能性將會大大提高。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.4光化學治療血卟啉(HpD)就是這樣的光敏物質(zhì)，它在紫外域上具有稱為Soret帶的強吸收帶，在可見域中具有稱為Q帶的弱的吸收帶，如圖4.10所示。I0為入射光強度；I為透射光強度.從吸收的角度看使用紫光激光(如波長為410nm的Kr離子激光)是有利的，但這個帶域與血紅蛋白的吸收帶重合，因此不適于對組織深處照射，為此使用光滲透性更好，波長為630nm的染料激光器或金蒸氣激光器。某些光敏感性物質(zhì)具有腫瘤親和性，容易聚留在生物體內(nèi)的腫瘤處。癌癥患者靜脈注射了這種光敏感性物質(zhì)，經(jīng)一定時間后，就可顯示出病變部位，再照射激光，可以有選擇地破壞癌細胞，被稱為光化學治療或光動力學治療(PhotodynamicTherapy，PDT)。圖4.10光敏感物質(zhì)血卟啉衍生物(HpD)的吸收光譜2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1機制I的解釋是：光敏性分子1M吸收激光，首先躍遷到單重態(tài)激發(fā)態(tài)1M*，后又躍遷到三重態(tài)激發(fā)態(tài)3M*，這種活潑游離基3M*作用于基質(zhì)(腫瘤組織)可破壞腫瘤細胞。機制lI的解釋是：3M*可使周圍的氧分子產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移而生成氧化性非常強的單重態(tài)氧分子(活性氧)破壞腫瘤細胞。無論哪一種作用機理，都是經(jīng)過三重態(tài)激發(fā)態(tài)的，因此該激發(fā)態(tài)的壽命對PDT的作用有著很大的影響。PDT的作用機理尚未完全解析清楚，一般認為有光敏性分子的直接作用(類型I)與活性氧的作用(類型II)兩類機制，如圖4.11所示。圖4.11光動力治療的反應(yīng)機制圖2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1在經(jīng)過PDT的癌細胞中可以觀察到線粒體內(nèi)膜的損失和粗面小胞體的膨脹化，所以可以認為是上述游離基和活性氧直接作用于癌細胞使其壞死。最近對血管腫瘤的研究發(fā)現(xiàn)閉塞腫瘤血管(形成血栓)就能卡斷對癌細胞的供氧和營養(yǎng)供給，可以達到治療血管腫瘤的目的。光敏感性物質(zhì)在正常組織中代謝(排泄)是比較快的，但體內(nèi)若有殘留則會引起光過敏癥，因此患者術(shù)后必須在一段時間內(nèi)在避光環(huán)境下生活。HpD的避光時間比較長(數(shù)十日)，因此希望開發(fā)出代謝快的光敏感性材料。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1另外，為了治療深部的癌組織，希望利用吸收帶處于長波長一側(cè)的光敏感性物質(zhì)。一種新的光敏感性物質(zhì)NPe6(mono—Laspartylchlo—rine6)不僅代謝快，而且在Q帶的650nm附近具有大的吸收峰值，如圖4.12所示。對應(yīng)的激光器可選擇半導體激光器和可調(diào)諧激光器。另外，現(xiàn)已明確脈沖光的治療效果比連續(xù)光好，因此脈沖光的應(yīng)用已成為主流圖4.12NPe6的吸收光譜與熒光光譜

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.5激光在泌尿外科的應(yīng)用良性前列腺增生(Benignprostatichypertrophy，BPH)是一種僅在老年男性中普遍發(fā)生，以進行性排尿困難為特征的疾病，其發(fā)病率隨年齡的增長而明顯上升，近50年來，經(jīng)尿道前列腺切除術(shù)(Transurethralprostaticresection，TURP)幾乎是唯一的治療選擇，其療效高(30％以上有效)、死亡率低(0.2％)。盡管TURP仍是治療BPH的“黃金標準”，但是它有13％的并發(fā)癥的發(fā)生率，并且費用高昂。因此，目前的有關(guān)良性前列腺增生癥的研究集中在藥物治療以及微創(chuàng)手術(shù)的研究。后者(包括電氣化、激光、微波、電磁、超聲)的基本原則是使用熱力破壞前列腺的腺體。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.5激光在泌尿外科的應(yīng)用1936年首先報道了激光前列腺切除術(shù)，但真正廣泛的應(yīng)用是在1990年角度光導纖維的發(fā)明后。自此，各種光導纖維和激光設(shè)備都被嘗試用來進行此項手術(shù)。最常用的激光是Nd：YAG激光，當然其他激光如KTP：YAG激光、半導體二極管激光和最近的Ho：YAG激光都可用來治療BPH。激光對腺體的作用包括凝固和汽化兩種完全不同的效應(yīng)。凝固時，到達100°C的高溫的蛋白質(zhì)組織變性和壞死。前列腺腺體逐漸有腐肉形成而達到治療效果。而在汽化時，組織能夠到達300°C的高溫，組織中的水分發(fā)生汽化，造成照射區(qū)瞬間的變化。能量效應(yīng)取決于激光波長、能量密度和照射時間。激光能量的傳遞則由光導纖維的特性而決定。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1有以下三種技術(shù)用來切除前列腺1．經(jīng)尿道激光誘導的前列腺切除術(shù)(Transurethrallaser-inducedprostatectomy，TULIP)

該系統(tǒng)包括經(jīng)尿道進入的激光探針(偏屈的光束可以達到90°)，一個7.5MHz適時超聲換能器以及一個Nd：YAG激光發(fā)生器。通過超聲的引導，該系統(tǒng)進入“描繪”(painting)模式。該系統(tǒng)目前已經(jīng)少用，原因是存在一些缺陷，它排除了視覺控制、需要特殊的訓練和專業(yè)知識、并且在所有的激光治療系統(tǒng)當中是最為昂貴的。2．直視下激光前列腺消融術(shù)(Visuallaserablationoftheprostate。VLAP)使用側(cè)面發(fā)射光導纖維，以造成有效的凝固性壞死和組織汽化。Nd：YAG激光通過幾種不同的光導纖維傳送均有報道。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12．直視下激光前列腺消融術(shù)Uro1aseTM是目前使用和評價最多的非接觸性纖維，它能夠在預(yù)先設(shè)定的點上通過照射造成組織的凝固。該技術(shù)因為時間一效益比較良好、以及清晰的操作界面而頗具吸引力，但是術(shù)后導尿管引流時間需要加長而且在引流期間膀胱刺激癥狀非常嚴重。如果增加激光能量、縮小光斑，就能造成汽化。汽化可以在前列腺組織和光導纖維的直接接觸的時候?qū)崿F(xiàn)。在描繪模式下通過對于前列腺葉的接觸性照射，能夠在瞬間立即產(chǎn)生一個空洞，能夠做到“見到什么就能燒什么”。在接觸模式下，使用側(cè)發(fā)射或者末端發(fā)射的藍寶石光纖頭得到最大的功率密度，使組織得到汽化。但是與常規(guī)電切手術(shù)相比，該汽化技術(shù)的最大缺陷是速度慢，只能切除小于40毫升的前列腺2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用13、間質(zhì)內(nèi)凝固(Interstitialcoagulation，ILC)該方法使用特殊的光導纖維，通過反復(fù)、直接地刺入前列腺，照射后能夠產(chǎn)生大范圍的凝固性的壞死及隨后的前列腺組織萎縮，而且組織不會發(fā)生腐爛現(xiàn)象。Nd：YAG激光和半導體二極管激光是這種方法的光源。該技術(shù)的優(yōu)點是治療的部位能夠進行精確的控制，在治療的同時能夠保護泌尿道粘膜不受損傷，手術(shù)之后也減少了尿路刺激癥狀和尿路感染。Ho：YAG激光是最近才發(fā)展起來的一種碎石方法。盡管其能量通過脈沖的方式傳遞，其主要的機制可能是通過熱力作用而產(chǎn)生的。特別的是，激光能量加熱了光導纖維頭端的水分，微氣化產(chǎn)生了氣泡，迅速爆裂的氣泡產(chǎn)生的震波擊碎結(jié)石。由于鈥激光的能量是通過最表層的0.5mm吸收的，將光導纖維的頭端精確地對準結(jié)石就能防止泌尿道粘膜的損傷。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1間質(zhì)內(nèi)凝固使用鈥激光能夠碎裂各種成分的結(jié)石，報道碎石的成功率大于90％。同時，H0：YAG激光產(chǎn)生的碎片比其他的方法要小，所以形成“石街”的可能性就相對小。使用側(cè)孔發(fā)射光導纖維治療集合系統(tǒng)和膀胱內(nèi)結(jié)石的話，還可以加速結(jié)石的破裂。與脈沖染料激光和綠寶石激光相比較，這個設(shè)備更大的優(yōu)點是采取保護眼睛的措施時，手術(shù)醫(yī)師的視覺改變不明顯?？傊?，使用激光裝置進行體內(nèi)碎石不失為有吸引力的方法，其效果最顯著而又最安全，所以作為一線治療方法。缺陷是設(shè)備的最初購置價格昂貴，當然，這可以通過使用多功能、多用途的Ho：YAG激光器的應(yīng)用來降低治療成本。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.6激光在耳鼻喉科的應(yīng)用1965年Stahle試用巨脈沖紅寶石激光照射鴿的內(nèi)耳，Goldman等通過石英棒和纖維光學裝置對乳突進行鉆孔，1967年以后逐步開始研究在耳鼻喉科的應(yīng)用激光。目前，激光在耳鼻喉科領(lǐng)域的研究，主要包括兩個方面：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光手術(shù)。熱力效應(yīng)能夠進行的治療包括以下一些方面：激光治療慢性肥大性鼻炎、激光治療鼻出血、氦氖激光在耳鼻喉科的應(yīng)用、耳鼻喉科中的激光手術(shù)、扁桃體激光切除術(shù)、激光氣化和切除耳鼻咽喉部血管瘤、上頜竇根治術(shù)和耳道內(nèi)乳突根治術(shù)、激光切除耳鼻咽喉部乳頭狀瘤等。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.2.7最新的技術(shù)：間質(zhì)激光光凝術(shù)(Interstitiallaserphotocoagulation)這項技術(shù)是在影像學設(shè)施的導引下，通過經(jīng)皮穿刺針將置于其內(nèi)的光導纖維送到實質(zhì)性器官的病損中心，并通過此設(shè)備傳導激光。在低劑量下(通常是3w左右，因此與60W一30W的內(nèi)鏡照射相比，沒有組織的汽化)，單個照射過程持續(xù)幾分鐘。病損組織被緩和地凝固，此后壞死的部分可以被周圍組織通過愈合過程而逐漸吸收，而并不需要進一步干預(yù)。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1間質(zhì)激光光凝術(shù)由于對病損組織表面的正常組織并沒有作用，也沒有積累的毒性，所以在需要的時候可以重復(fù)治療，也沒有傷口，因此恢復(fù)迅速。不過，這種治療方法成功的關(guān)鍵在于將光導纖維放置到正確的部位，恰到好處地將治療的部位和所使用激光造成壞死的程度進行嚴格匹配，并確認正常和不正常的區(qū)域都能夠安全地愈合。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1間質(zhì)激光光凝術(shù)所以整個過程取決于顯像。目前一致認為本方法還適合于治療那些轉(zhuǎn)移性肝癌中不能夠手術(shù)的、小的、孤立的肝癌轉(zhuǎn)移灶(通常來源于已經(jīng)切除盼原發(fā)腫瘤)。具體做法是：在局部麻醉和鎮(zhèn)靜下，通過CT的引導下，經(jīng)皮肝穿刺進行治療，其結(jié)果由24小時后，造影劑增強的CT來評價。這種方法比經(jīng)皮肝穿刺的酒精注射更容易控制，而比冷凍療法更簡單。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1間質(zhì)激光光凝術(shù)乳房癌是一種潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。最吸引人的是，對于小的乳房癌使用間質(zhì)激光光凝技術(shù)可以取代腫塊切除術(shù)，這樣不會留下疤痕或者外觀畸形，同時因為方法簡單，可以作為門診手術(shù)在局麻下進行。造影劑增強的核磁共振(MRI)對于這類腫瘤是絕好的顯影方式，能夠在決定進一步外科手術(shù)前的幾天內(nèi)確定腫瘤的邊界和激光造成的壞死的邊界。此外，如果激光照射是在MRI的引導下進行的話，激光造成的變化能夠同時在顯像上明確地顯示，所以如果激光的位置錯誤還可以進行調(diào)整。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1間質(zhì)激光光凝術(shù)當然，在成為常規(guī)治療之前，還需要有關(guān)此種技術(shù)的進一步研究，因為在治療上特別重要的是，必須確認激光照射造成了所有腫瘤的破壞，這樣才能放心地讓照射過的壞死組織留在原位，而不去行腫瘤根治手術(shù)。這項技術(shù)可能在不久將來用于治療乳房的良性纖維腺瘤。盡管其中許多的病例并不需要處理，但是一旦需要，間質(zhì)激光凝固技術(shù)就不失為簡單有效地選擇，尤其是對那些特別重視纖維瘤形成的病人。早期的臨床試驗的結(jié)果令人鼓舞。同樣，人們正在研究該技術(shù)對于小的、無癥狀性子宮肌瘤的切除以及應(yīng)用于良性前列腺增生癥處理。總之，間質(zhì)激光光凝術(shù)主要應(yīng)用于任何實質(zhì)性器官的明確定性的病損，而且該技術(shù)可以被良好地定位，對于周圍正常組織也沒有任何不良損害。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.3激光在生物體檢測及診斷中的應(yīng)用4.3.1激光生物體光譜測量及診斷如果測出激光照射生物體時的吸收、散射、熒光等光譜，則各種各樣的生物體信息invivo測定(活的狀態(tài)的測量)就成為可能，進而疾病的診斷(病理診斷)也成為可能，這種診斷稱為光學生檢，正受到世人的注目。傳統(tǒng)的生檢，是指將組織的一部分切下并作切片，利用顯微鏡等對它的病理進行診斷。若用光譜測量的方法進行無侵襲的診斷，則稱為光學生檢.這種方法不僅能得到單純的解剖學(有關(guān)生物體構(gòu)造)的信息，而且還能像下面所述的腦功能測定一樣，得到生理學、生化學信息。這種利用激光的生物體光譜測量及診斷呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間。在這里介紹近紅外吸收光譜及熒光光譜的兩個應(yīng)用實例。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用11．利用近紅外吸收光譜測量代謝功能含氧豐富的動脈血呈鮮紅色，相反，缺氧的靜脈血則呈暗紅色，這是因為氧化血紅蛋白質(zhì)脫氧血紅蛋白質(zhì)的吸收光譜存在微小差別所致，即在600nni～800nto范圍氧化血紅蛋白質(zhì)的吸收小而呈鮮紅色，而在800nm以上脫氧血紅蛋白質(zhì)的吸收小而呈暗紅色，如圖4.13所示。測出兩者不同的吸收率就可以知道組織的氧化程度。圖4.13血紅蛋白質(zhì)的吸收光譜2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1利用近紅外吸收光譜測量代謝功能因為這些波長帶的光滲透長度長，因而激光從體外照射，測得其透射光或反射光(散射光)的光譜強度，就可無侵襲地監(jiān)視一定深度的體內(nèi)組織的氧化程度。目前，腦氧監(jiān)視裝置(稱為脈沖測氧計)已經(jīng)實用化。若在多點進行這樣的測定，就能得到肢體活動與腦部活動對應(yīng)關(guān)系等空間功能信息，因而備受人們的注目。但是如前所述，因為生物體對光來說是很強的散射體，特別是對于深處組織，信號光變得很微弱，因而信號檢測比較困難。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1

2．利用熒光光譜確定病變部位治療時需要準確地確定病變部位，但是在很多情況下又難以做到，如果在生物體組織上照射激光時病變部位能顯示出特有的熒光，那么就能準確地確定病變部位。攝取光敏感性物質(zhì)的熒光圖像，對癌組織和動脈硬化部位的確定十分有效。所用的光敏感性物質(zhì)是NPe6，NPe6I及收峰在662nm處，在670nm處出現(xiàn)峰值熒光，如圖4.12所示。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1利用熒光光譜確定病變部位如前所述，NPe6易聚積于腫瘤及脂肪組織上，對這些病變組織以662nm的光來激勵，因此很容易確定病變部位。熒光測定的方法是先在靜脈注射所需量的NPe6，數(shù)小時后,NPe6從正常組織中排出，但在病變組織處滯留，半導體激光照射的功率密度約為1mW／cm2。使用CCD攝像機對熒光范圍攝影，經(jīng)過圖像處理就可確定病變部位。利用內(nèi)窺鏡則可進行生物體深處病變部位的觀察。內(nèi)窺鏡可以與前述的PDT組合使用。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.3.2激光斷層攝影1．光CT(opticalcomputedtomography)x射線CT是一種典型的生物體斷層成像手段，已經(jīng)實用化。在身體周圍旋轉(zhuǎn)小型x射線源，由檢測器陣列測定x射線透射量后進行數(shù)字化，再以特定的算法(CT算法)利用計算機求數(shù)學解后構(gòu)成斷層像。CT算法不受信號傳輸方向的影響。如以激光代替X射線，使用組織滲透長度長的激光波長，則可以同樣的方法得到斷層信息。光CT方法可以無侵襲地得到生理學、生化學信息的圖像。但是X射線在生物體內(nèi)是直線傳播的，而光在生物體內(nèi)散射十分嚴重，因此如何從透射光中消除散射噪聲是很重要的問題。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1如圖4.14所示，光從A點入射到生物體內(nèi)，在點B處觀察透射光。透射光中包含著以下幾種成分：

(1)受到散射后在任意方向擴散的成分；

(2)具有較小的散射角且向前傳播的成分；為了確定光程長度必須檢出接近于直線傳播的透射光成分。但是以直線傳播的透射光強很小，因此如何將這種信號有選擇地且高靈敏地檢測出來就成為技術(shù)關(guān)鍵。圖4.14生物體(散射介質(zhì))中的透射光示意圖

1一任意方向擴散的成分；2一具有小散射角而向前傳播的成分；3一向前散射，以直線傳播的成分(近似于直線傳播的成分)。

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1有一種方法是利用直線傳播成分比其他成分更快到達檢測器的高速時間分解法(時間選通法)，它是組合了皮秒或飛秒超短脈沖激光技術(shù)與克爾盒(電光效應(yīng)介質(zhì))以及快掃描照相技術(shù)來實現(xiàn)的。另外，還有用針孔限光，通過分割空間識別出直線傳播的成分。但是這些方法的靈敏度都不夠高。一種更有效的方法是光外差探測方法。光外差探測法，一般是對兩個不同頻率的信號(信號波和參照波)進行混合后檢測其差頻，它可以得到很高的檢測靈敏度。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1將激光束分為兩部分：入射到生物體試樣的信號光與參照光，參照光作一定頻移(聲光調(diào)制)后與信號光混合，就能高靈敏度測量微弱的透射光(圖4.15)。非直線傳輸?shù)纳⑸涔馀c參考光的極化面不一致，使信號幅度下降，因此就能分辨出直線傳播的成分。測量時平移并旋轉(zhuǎn)試樣，再利用CT算法得到斷層圖像。圖像的空間分辨力為數(shù)百微米，與入射光束的直徑有關(guān)。光源一般采用近紅外激光器，而在硬組織中藍光的透射率高，因此采用Ar離子激光器可得到清晰的牙齒斷層圖像。圖4.15利用外差法的光學CT檢測實驗裝置2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12．OCT以上是利用了透射光(向前散射光)，但是反射光或向后散射光也在其遲滯時間(飛行時間)中包含著組織分布的位置信息。利用反射光和基于低相干原理的OCT(OpticalCoherenceT13mography)技術(shù)，可以得到高分辨力的斷層圖像。它的原理類似于超聲波測量，因此不需要CT算法為圖像重構(gòu)進行復(fù)雜的計算。這種斷層圖像技術(shù)是非常新的技術(shù)，因而其稱謂還未統(tǒng)一。上述光CT英語縮寫也可以用OCT(()pticalComputedTomography)，與此處的OpticalCoherenceTomography容易混淆，在這里將數(shù)據(jù)處理中利用CT算法的稱為“光CT”，基于低相干方法的稱為“OCT”，以示區(qū)別。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1OCTOCT的原理:利用邁克耳遜干涉儀把光分成兩束(信號光與參照光)再把信號光聚光后照射到組織內(nèi)而得到向后散射光，與全反射鏡反射的參照光(由壓電元件來調(diào)制)混合后用外差法檢測。通過全反射鏡在光軸方向的移動來實現(xiàn)組織深度方向的掃描，生物體與干涉儀之間的相對位移可實現(xiàn)橫向掃描，從而可二維地測出向后散射光的強度與遲滯時間。如前所述，由于遲滯時間含有位置信息，而反射信號強度是它的函數(shù)，因此就可以得到斷層信息。圖4.16OCT的原理圖2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1這里使用的光源是低相干度的。干涉信號在信號光與參照光的遲滯時間幾乎一致即光程差幾乎為零時才觀測得到。光的相干長度短，信號強度隨時間遲滯急速下降，組織深度方向的空間分辨率取決與光的相干長度，因而不可使用相干長度長的光源。例如，使用相干長度介于半導體激光器與發(fā)光二極管中間的超級發(fā)光二極管(SLD)，其空間分辨率約為10um。另一方面，OCT的橫向分辨率取決于會聚光點的直徑，一般也能得到10um以內(nèi)的空間分辨率。因此，整體來講OCT能得到空間分辨率10um左右的生物體斷層圖像?？衫脠D4.17所示的石英光纖傳光的干涉儀，用導管深入到生物體內(nèi)部組織，得到其斷層圖像。而x射線CT，磁共振圖像(MRI)，超聲波回波等以往的斷層圖像的分辨率只為100um～1mm,甚至更差。因此利用OCT的高分辨率有望能夠早期發(fā)現(xiàn)各種病變。圖4.17利用光纖干涉儀的OCT的裝置原理2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.3.3激光顯微鏡1．激光共焦點顯微鏡為了以細胞級(微米級)的空間分辨力來觀察生物體，通常先做組織切片標本，再利用光學顯微鏡觀察。如果利用激光共焦點顯微鏡，則不需要做切片標本也能以同樣的高分辨力來觀察。1950年，腦神經(jīng)學者Minsky首次提出共焦點顯微鏡的設(shè)想，當時由于沒有高亮度的光源，未能得到滿意的結(jié)果。它的實用化是在激光技術(shù)取得巨大發(fā)展的20世紀80年代以后。按觀察對象來優(yōu)選最佳激光波長，對深層組織觀測適合使用滲透長度大的近紅外光，它可以實現(xiàn)皮下組織細胞級的實時觀察。共焦點顯微鏡技術(shù)目前還不能像OCT一樣用于內(nèi)窺鏡上。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1激光共焦點顯微鏡激光共焦點顯微鏡的原理：激光光束經(jīng)針孔并經(jīng)透鏡聚光后照射到試樣的觀察點上，在試樣內(nèi)形成針孔的一次像，再經(jīng)物鏡和空間濾波器在檢測器上成二次像?？臻g濾波器置于與針孔共軛的位置上，起著濾波降噪的作用。由于在生物體觀測點前后受到散射，一部分成像光束(圖中用虛線表示)所成的二次像位于空間濾波器的前或后，這些成像光束被濾波器阻擋，從而在檢測器上可得到對比度高的觀測點的像。為了得到二維圖像，可對試樣進行掃描，這是透射模型的工作原理。圖4.18激光共焦點顯微鏡的原理圖2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1采用如圖4.19所示的反射型激光共焦點顯微鏡，成像光束是在組織內(nèi)部所產(chǎn)生的反射或向后散射光，這一點與上述OCT相同。但是OCT的空間分辨力(深度方向)取決于光源的相干長度，而激光共焦點顯微鏡的分辨力(橫向)取決于光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑與波長。OCT是觀察組織深度方向的斷面，而激光共焦點顯微鏡則是得到某一特定深度下的橫向圖像。圖4.19反射型激光共焦點顯微鏡

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12．鄰近場光學顯微鏡無論是相干光還是非相干光，圖像分辨力總是受系統(tǒng)衍射與波長的限制，可見光的極限分辨力為0．5urn，但是利用鄰近場光學顯微鏡或光量子掃描隧道顯微鏡，就可以得到遠遠超過極限分辨力的結(jié)果(超分辨力)。照明光因試樣的物質(zhì)特性受到衍射、散射、吸收等，但散射(熒光)的光場中插入探頭后光場就被擾亂，對這些被擾亂的光場用探頭進行二維掃描，接收到光子并獲得圖像。當探頭與試樣之間的距離大于波長時不能成像，在比波長短的范圍(鄰近場)內(nèi)存在著稱為損耗場的局部電磁場，損耗場與探頭相互作用而得到物質(zhì)構(gòu)造的超高分辨力圖像。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1圖4.20是鄰近場光學顯微鏡與普通顯微鏡的示意圖，它們的基本結(jié)構(gòu)相似，但鄰近場光學顯微鏡在離試樣表面很近處有一微小散射體(探頭)，該探頭在本質(zhì)上起著關(guān)鍵的作用。圖4.20鄰近場光學顯微鏡與普通光學顯微鏡

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1這里存在光子的隧道效應(yīng)，透鏡不起成像作用而起光子的換向器作用，即不將信號作為光波而是作為光子來讀出，這就是能夠得到高于衍射極限的高分辨力的原因。分辨力與探頭的大小及其與試樣之間的距離有關(guān)，因此技術(shù)上如何制造微小探頭，并能保持它的距離是一個難題。光源用得較多的是Ar離子激光器，能得到10nm左右的分辨力。原子顯微鏡(ATM)和電子掃描隧道顯微鏡(STM)也能得到10nm左右的分辨力，它們可提供物質(zhì)表面形態(tài)的信息，而鄰近場光學顯微鏡是提供有關(guān)物質(zhì)分布狀態(tài)的信息。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.3.4視網(wǎng)膜檢測中的自適應(yīng)光學技術(shù)對臨床醫(yī)療而言，通過在細胞分辨尺度上觀測活體人眼視網(wǎng)膜細胞或眼底毛細血管，并與其他現(xiàn)有先進的醫(yī)學眼底檢查手段相結(jié)合，分析研究人體眼底疾病和全身相關(guān)性疾病與視細胞或毛細血管變異的關(guān)系。從而實現(xiàn)對嚴重影響人眼視力及致盲疾病(如視網(wǎng)膜血管病、黃斑疾病、視網(wǎng)膜脫離等眼底自身病變，以及高血壓、動脈硬化、糖尿病等全身相關(guān)性疾病)的更早期診斷，及時進行治療，減少患者失明的風險。同時，視網(wǎng)膜檢測自適應(yīng)光學技術(shù)作為一種嶄新的研究和診斷技術(shù)，可在眼科疾病發(fā)病機理的研究、對不同治療手段和藥物療效的臨床評價等各個方面發(fā)揮其獨特的作用，為眼科工作者對視覺研究和眼科疾病診斷提供了一種新的高分辨力成像觀察手段。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1自適應(yīng)光學技術(shù)是一種具有實時校正光學系統(tǒng)隨機誤差的新技術(shù)，它使光學系統(tǒng)能適應(yīng)使用條件的變化而保持良好性能。采用自適應(yīng)光學技術(shù)進行持續(xù)監(jiān)測可以有效消除監(jiān)測目標失真，消除人眼像差，從而可以獲得高分辨力視網(wǎng)膜層析圖像和眼底毛細血管圖像，提高視網(wǎng)膜成像的質(zhì)量。人眼視網(wǎng)膜是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人體組織，不僅眼睛本身的疾病而且人體的其他疾病也可以在眼底得到反應(yīng)，因此眼底也是人體健康的一個窗口，視網(wǎng)膜是可以實現(xiàn)無損觀察的少數(shù)人體結(jié)構(gòu)之一。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1圖4.21為各種視網(wǎng)膜圖像，糖尿病患者的眼底比正常人眼多出3倍的血凝塊，血凝塊阻擋血液流到視網(wǎng)膜，造成眼睛逐漸失明。圖中的白點顯示血液滲漏出微血管后形成的沉淀物，也可能是視網(wǎng)膜微動脈瘤、出血斑點、硬性滲出、棉絨斑、靜脈串球狀、視網(wǎng)膜內(nèi)微循環(huán)異常等。高血壓視網(wǎng)膜病變以視網(wǎng)膜灰色水腫、小動脈中心反射增強、動靜脈交叉癥、鮮紅色火焰狀出血、棉絮狀白斑、黃白色發(fā)亮的硬性滲出及黃斑星狀圖譜為主要特征。動脈硬化視網(wǎng)膜病變的眼底視網(wǎng)膜動脈變細、變直，呈銅絲或銀絲樣改變，與靜脈交叉處可見硬化的動脈壓迫靜脈。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1如同望遠鏡一樣，人眼本質(zhì)上也是一個光學系統(tǒng)，因為角膜和晶狀體的微小缺陷使進人人眼的光波發(fā)生畸變，所以即使是視力好的人也存在光學像差。這雖對視覺影響不大，但對想獲得高清晰度視網(wǎng)膜圖像來說卻是一個大問題。眼底鏡早已是常用的醫(yī)學檢查儀器，由于人眼本身的像差，通常的眼底鏡很難實現(xiàn)視網(wǎng)膜細胞層次精細結(jié)構(gòu)的高分辨力觀察。自適應(yīng)光學技術(shù)具有實時校正動態(tài)波前誤差的能力，用于人眼誤差的校正，就有可能克服這一限制，實現(xiàn)接近衍射極限的活體人眼高分辨力觀察。4.21視網(wǎng)膜圖像

(a)正常的視網(wǎng)膜；(b)糖尿?。?c)高血壓；(d)動脈硬化

2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1中國科學院光電技術(shù)研究所所瞄準國際最新發(fā)展趨勢，1997年開始在國內(nèi)首先開展了人眼視網(wǎng)膜高分辨力成像自適應(yīng)光學技術(shù)研究工作，先后突破了微小變形反射鏡原理及制造、人眼像差波前傳感器原理與人眼像差測量和重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。2000年該所凌寧和張雨東等研制出基于19單元微變形反射鏡的國內(nèi)第一套人眼視網(wǎng)膜高分辨力觀察自適應(yīng)光學系統(tǒng)(圖4.22)，獲得了視細胞和眼底微血管的高分辨力圖像。在此基礎(chǔ)上于2004年開發(fā)出采用37單元微變形反射鏡的第二套系統(tǒng)(圖4.23)，與第一套系統(tǒng)相比，像差校正能力和靈敏度都有較大的提高，并且添加了靶板，使獲取視網(wǎng)膜不同橫向位置的圖像成為可能。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1測量人眼波前誤差，必須在眼底形成一個發(fā)光點(信標)，從這一發(fā)光點發(fā)出經(jīng)瞳孔出射的光束的波前誤差即是被測人眼的像差。用半導體激光器(LD)產(chǎn)生這一信標，激光光束經(jīng)空間濾波器和擴束鏡后準直成平行光，再經(jīng)反射鏡和分光鏡后人射進被測人眼，經(jīng)人眼聚焦后在眼底形成信標光點。經(jīng)眼底視網(wǎng)膜后向反射的信標光再由瞳孔出射，帶有眼睛像差的信息，經(jīng)分光鏡、擴束望遠鏡、變形反射鏡(13M)、縮束望遠鏡，再經(jīng)分光鏡反射后，進入哈特曼一夏克波前傳感器。哈特曼—夏克波前傳感器由微透鏡陣列將孔徑分割成許多子孔徑并將子孔徑內(nèi)光束聚焦到CCD相機的像面上。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1子孔徑焦斑中心相對于用標準平行光標定的焦斑中心基準位置的位移正比于波前斜率。波前傳感器的CCD相機測量出子孔徑光斑位置，由計算機采集并計算出每一子孔徑的波前斜率，再經(jīng)波前復(fù)原和控制算法的計算，得到變形反射鏡每一驅(qū)動器的控制信號。這一控制信號由高壓放大器放大后驅(qū)動變形反射鏡實現(xiàn)波前校正的閉環(huán)控制。經(jīng)過20次～30次迭代，殘余波前誤差經(jīng)校正達到極小，系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定校正。此時計算機觸發(fā)閃光燈(Xe燈)經(jīng)光學系統(tǒng)照明視網(wǎng)膜成像區(qū)域。視網(wǎng)膜后向反射的照明光沿信標光同一光路并通過分光鏡到達成像CCr)相機，攝取視網(wǎng)膜圖像。視網(wǎng)膜是由多層組織構(gòu)成的，厚度為幾百微米，為獲取不同層次組織的圖像，CCD相機可沿軸向調(diào)焦，使CCD相機成像面共軛于不同深度的視網(wǎng)膜組織。同時，為獲取離人眼視網(wǎng)膜中心凹不同橫向距離的視網(wǎng)膜圖像，設(shè)置了一塊帶有小孔陣列的靶板(圖4.23)，不同位置的小孔可以單獨照明，被測者凝視被照明小孔時，中心凹對準此小孔，眼球產(chǎn)生對儀器光軸不同的偏轉(zhuǎn)，而CCD相機拍攝的是光軸區(qū)域，這樣就可以獲取視網(wǎng)膜不同橫向位置的圖像。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用14.3.5人眼視力CCD測量技術(shù)1．遠視、近視、散光度測量人眼作為一種生物光學系統(tǒng)，因人而異具有不同的視力，表現(xiàn)為正視、遠視、近視、散光等多種狀況。遠視、近視、散光都會影響人眼視物的清晰度，稱之為視力不正(也稱屈光度異常)。解決視力不正的途徑，除了外科、激光手術(shù)和藥物治療以外，一般是通過驗光配鏡給予矯正。近二十幾年來，隨著光電技術(shù)和單片機技術(shù)的發(fā)展，客觀式(自動)驗光技術(shù)日趨成熟，它完全排除了被驗者的主觀因素，更準確、快速地獲得各種配鏡參數(shù)。2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1測量系統(tǒng)光路圖如圖4.24所示。紅外發(fā)光二極管(101)發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡(102)聚光后，照亮視標環(huán)(103)，由測量透鏡(104)、析光鏡(105)、物鏡(108)投影到受檢眼的視網(wǎng)膜上，形成圓環(huán)狀圖形。視標環(huán)和視網(wǎng)膜處于共軛位置，受檢眼視網(wǎng)膜后向反射的光經(jīng)物鏡和析光鏡(105)，由反射鏡(109)反射，再經(jīng)測量透鏡(110)、接力透鏡(111)、攝像透鏡(112)成像到檢測CCD(113)上。系統(tǒng)中視網(wǎng)膜與檢測CCD處于共軛位置，通過調(diào)整線框內(nèi)補償系統(tǒng)(101、102、103)，可使不同屈光度人眼的視網(wǎng)膜與視標環(huán)共軛，從而在CC[)上成清晰的像。4.24測量系統(tǒng)光學圖2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用12024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1圖4.26電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2024/8/274章現(xiàn)代醫(yī)學中應(yīng)用1電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.26所示，其中CCD1用于眼球監(jiān)視和瞳孔對準，顯示屏用于顯示眼球、瞳孔、測量狀態(tài)、測量結(jié)果等；CCD2測量人眼視網(wǎng)膜反射出來的視標環(huán)圖像，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后保存到圖像存儲器中。步進電機用于推動補償系統(tǒng)沿光軸方向的往復(fù)移動。紅外發(fā)光二極管LED1作為測量光源，LED2是眼球照明光源，使CRT清晰顯示眼球圖像。PD是用來測量人眼瞳距的電位器。測量結(jié)果不僅可以顯示，也可打印。其測量過程是：點亮LED2并調(diào)整眼球與光學系統(tǒng)的相對位置，當CRT上顯示的眼球像清晰時，按測量鍵；LEDl紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)光學系統(tǒng)射入眼睛，在視網(wǎng)膜反射后經(jīng)光學系統(tǒng)成像在CCD2上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)在圖像存儲器中保存；CPU判別像是否清晰，如果成的像不清晰，則CPU控