第一章 激光與光-組織相互作用課件

第一章激光與光—組織相互作用一、激光的概念與特征二、各類激光三、組織光學(xué)四、光—組織相互作用五、組織冷卻六、光與組織相互作用的臨床相關(guān)性七、文身和良性色素皮損八、脫毛九、皮膚重建（ResurfaciMg）第一章激光與光—組織相互作用激光的概念和特征激光除了亮度以外，激光還具有以下不同于普通光源發(fā)出光的特征：（1）單色性：被激發(fā)的原子或分子本身決定了所產(chǎn)生輻射光的波長(zhǎng)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，在激光的特征性波長(zhǎng)周?chē)且粋€(gè)正態(tài)分布的狹窄帶。氬離子激光不同尋常之處在于它釋放雙波長(zhǎng)的光（488nm和514nm）。其原因是在激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間有中間軌道。（2）相干性：光可以被看作是正弦波，由激光發(fā)出的光具有時(shí)間相干性和空間相干性，也就是說(shuō)光波是同相的、同時(shí)的和同空間的。第一章激光與光—組織相互作用（3）平行性：這是相干性的直接結(jié)果。因光的直線性和能量保護(hù)特征，光是平行的。它意味著，除非經(jīng)過(guò)透鏡，光經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播，光束彌散及少（圖1-2）

圖1-2平行光束示意圖第一章激光與光—組織相互作用各類激光1、激光通常以介質(zhì)的成分（激光介質(zhì)）來(lái)命名（圖1-3）介質(zhì)可以是氣體(如氬氣、CO2和準(zhǔn)分子激光）、液體（如脈沖染料激光）、固體<如翠綠寶石、半導(dǎo)體激光、鉺：釔-鋁石榴子石激光(Er:YAGlaser)、Nd:YAG和紅寶石激光>或固態(tài)（半導(dǎo)體激光），它們能被外部的能源，諸如閃光燈激勵(lì)。2、激光介質(zhì)放在光學(xué)諧振腔（或共振器）內(nèi)，決定受激輻射光的波長(zhǎng)。3.一個(gè)反射鏡是全反射鏡，另一個(gè)是部分反射鏡。4、傳輸系統(tǒng)可以是光纖或關(guān)節(jié)臂，通過(guò)這些系統(tǒng)光被反射鏡反射。光纖優(yōu)點(diǎn)在于輕便，利于操作和保管，然而，當(dāng)光纖在操作、移動(dòng)或清潔時(shí)被彎曲、扭轉(zhuǎn)超過(guò)限度時(shí)會(huì)折斷，這會(huì)增加使用成本，因?yàn)楦鼡Q一根光纖要幾千美元，且通常不在制造商保修或服務(wù)合同范圍內(nèi)。光纖質(zhì)量不足以傳輸從諸如CO2、Er:YAG或短脈沖Q-開(kāi)關(guān)激光中釋放的光，這類激光需要含多個(gè)反射鏡片的關(guān)節(jié)臂來(lái)傳輸。第一章激光與光—組織相互作用5、激光也根據(jù)光束的脈沖特征來(lái)分類。這可以是連續(xù)的、脈沖的或者質(zhì)量開(kāi)關(guān)的（qualityswitched）(Q-開(kāi)關(guān))（圖1-4A、B、C）。圖1-3顯示外部能源的激光，諧振腔內(nèi)的激光介質(zhì)，全反射鏡和部分反射系統(tǒng)圖1-4脈沖類型的簡(jiǎn)單演示第一章激光與光—組織相互作用組織光學(xué)照射到皮膚上光的結(jié)局，可以從四個(gè)方面來(lái)討論（圖1-5）（1）反射：有4%—6%的光在角質(zhì)層被反射掉。（2）吸收：光子的吸收遵守比爾定律（Beer’slaw）。通過(guò)組織（理想的均勻介質(zhì)）的特定的波長(zhǎng)的光，其強(qiáng)度狀態(tài)依賴于它的初始的光強(qiáng)度、穿透深度和消失距離（超過(guò)90%的光被吸收的距離）。沒(méi)有光的吸收，就不可能有對(duì)組織的作用。當(dāng)一個(gè)光子被靶分子或靶色基吸收，它的所有能量就被轉(zhuǎn)移到那個(gè)分子上。選擇性皮膚激光手術(shù)的原理在于能夠根據(jù)波長(zhǎng)、能量和脈沖寬度來(lái)操作激光，使特定的靶色基吸收光被損傷或毀壞，而別的色基沒(méi)有受影響。（3）散射：在皮膚，這主要是由于真皮膠原的原因，因?yàn)槟z原分子的尺寸和近紅外線的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)相似。散射主要是向前的，在某些部位大量的反射光，使真皮上部的能量密度增加，超過(guò)了入射位置的強(qiáng)度。散射很重要，因?yàn)樗杆贉p少能量密度，使靶色基的吸收成為可能，因此在組織上產(chǎn)生臨床效果。波長(zhǎng)增加，散射減弱，使其成為理想的媒介指向深層的皮膚結(jié)構(gòu)，如毛囊。600-1200nm的波長(zhǎng)是通向皮膚的光窗，因?yàn)樗鼈儾粌H散射少，而且在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)限制了被生物體內(nèi)的色素吸收。第一章激光與光—組織相互作用（4）投射：殘余的光傳輸?shù)狡は陆M織，這主要依賴于波長(zhǎng)，波長(zhǎng)短的光（300-400nm）被散射，穿透不超過(guò)0.1mm。600-1200nm波長(zhǎng)的光穿透得更深一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兩⑸涞纳?。圖1-5皮膚上入射光的結(jié)局第一章激光與光—組織相互作用光-組織相互作用一、如果光能量要改變靶組織的結(jié)構(gòu)，除了被吸收，還必須有充足的能量。能量以焦（J）為單位，但它通常更適用于描述“流量”或能量密度（J/CM2）。功率是發(fā)射能量的速率，測(cè)量的單位是瓦。二、光可以通過(guò)以下途徑影響組織：（1）光刺激：有模糊證據(jù)表明低能量激光加速傷口愈合，其機(jī)制不清楚。（2）光動(dòng)力反應(yīng)：它構(gòu)成了光動(dòng)力療法（photodynamictherapy）的基礎(chǔ)，包括一種光敏性藥物或其前體的局部或系統(tǒng)應(yīng)用。適宜的光源可誘發(fā)兩種反應(yīng)，光氧化反應(yīng)和即刻細(xì)胞毒素反應(yīng)。光動(dòng)力療法也可以適用于生物體內(nèi)的色基，諸如在痤瘡丙酸桿菌中發(fā)現(xiàn)的色基，用藍(lán)光殺滅痤瘡丙酸桿菌，痤瘡在臨床上就得到了改善。（3）光熱和光機(jī)械作用：選擇性光熱作用理論已經(jīng)用于祛除皮膚的血管畸形、文身、某些良性的色素沉著病變和脫毛。該理論假定，如果所選定的波長(zhǎng)其在靶組織和周?chē)M織之間的吸收系數(shù)差異盡可能大，能量密度足夠高以破壞靶組織，而且脈沖寬度低于或等于熱馳豫時(shí)間（

TRT），那么光可以用來(lái)選擇性損傷或毀壞靶色基。熱馳豫時(shí)間是指靶組織用于釋放約63%的熱量所需的時(shí)間，下面將詳述。波長(zhǎng)：重要組織色基的吸收光譜與皮膚科常用的激光波長(zhǎng)的關(guān)系如圖1-6所示。血紅蛋白有許多不同的吸收峰值，而黑色素的吸收隨著光波長(zhǎng)的增加而逐漸減少。必須考慮靶組織的深度，因?yàn)檎嫫ぶ械纳⑸涫艿讲ㄩL(zhǎng)的強(qiáng)烈影響，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，吸收相對(duì)減少。波長(zhǎng)越短，吸收相對(duì)越多。在某些情況下，特別在黑色素中，單純的波長(zhǎng)不是必需的，可能更需要閃光燈，因?yàn)樗鼈兙哂休^寬的發(fā)射光譜（500-1200nm）,比激光制造起來(lái)更廉價(jià)，可以用于濾光器（515-755nm）熱豫時(shí)間（TRT）：熱馳豫時(shí)間只與靶色基的大小有關(guān)，與靶色基大小的平方成正比。變化時(shí)間從幾納秒（文身離子）到幾百毫秒或更長(zhǎng)（腿小靜脈）不等。在脫毛過(guò)程中，毛干的黑色素和毛基質(zhì)細(xì)胞充當(dāng)光吸收物質(zhì)，而峽部的干細(xì)胞（可能和乳頭部的血管）就是遠(yuǎn)處的靶組織。

第一章激光與光—組織相互作用

舉一個(gè)脫毛的例子，光脫毛時(shí)毛囊所含黑色素所用的脈沖時(shí)間（30-100ms）比表皮所含黑色素的熱損傷時(shí)間要長(zhǎng)（1ms）。脈沖寬度為5-50ms的激光或光源能夠使能量積聚，熱凝固毛囊，即使能量被擴(kuò)散，但表皮因冷卻而被保護(hù)，其溫度因此低于熱凝固的閾值。光-組織相互作用

圖1-6重要組織色基的吸收光譜第一章激光與光—組織相互作用組織冷卻1、表皮熱損傷可以引起水皰、色素脫失、瘢痕，尤其在色素性皮膚上易于發(fā)生。2、表皮冷卻的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于使高能量密度治療成為可能，并且被認(rèn)為是安全的，因此提高了治療效果，使治療次數(shù)減少。冷卻也使安全地治療各種皮膚類型的病人成為可能，而且，冷卻減輕了治療引起的疼痛，減少了局麻藥的使用。然而，如果冷卻過(guò)度會(huì)引起凍傷。第一章激光與光—組織相互作用光與組織相互作用的臨床相關(guān)性表淺血管損傷：閃光燈有較大的光斑，聯(lián)合使用接觸冷卻，這樣治療速度就快，也有減少紫癜的可能性第一章激光與光—組織相互作用文身和良性色素性皮損一、Q-開(kāi)關(guān)是一種光電元件，用于產(chǎn)生只有幾納秒的脈沖，這些脈沖時(shí)間被設(shè)計(jì)在黑素體估計(jì)的熱馳豫時(shí)間內(nèi)（0.5-1μs）,但是比文身染料的熱馳豫時(shí)間要長(zhǎng)，文身染料的熱馳豫時(shí)間在較低的納秒范圍內(nèi)。閃光燈的脈沖時(shí)間在毫秒范圍內(nèi)，相對(duì)長(zhǎng)一些，不適合這種治療。由于逐漸的分解，淋巴系統(tǒng)活化的巨噬細(xì)胞吞噬破碎的染料，大部分變淡，一部分也可以隨表皮移行至體表被清除。二、綠色色素最適于Q-開(kāi)關(guān)紅寶石激光（694nm）和Q-開(kāi)關(guān)翠綠寶石激光（755nm），但經(jīng)常難以祛除。相反的，紅色色素最適于倍頻ND：

YAG（532nm）激光發(fā)出的綠光。ND：YAG激光對(duì)藍(lán)黑色文身有效，但是綠色色素相對(duì)較差，ND：YAG激光曾被成功地用于治療深色皮膚的文身。含有鐵或二氧化鈦的紅色、棕色、白色或膚色的染料在激光的治療中能夠發(fā)生化學(xué)變化，成為持久的灰白色或黑顏色，這可以在隨后的治療中逐漸減弱。由于這些色素可以用于美容修飾文身，在大面積治療前做一小塊試驗(yàn)很重要。黃色和清淡柔和色彩難以治療，很難完全去除，業(yè)余文身比專業(yè)文身治療起來(lái)容易一些。第一章激光與光—組織相互作用脫毛激光脫毛的機(jī)制不完全清楚，可能是選擇性熱作用理論。然而，作用的靶位置可能是干細(xì)胞（主要在較低的峽部）和乳頭部的血管，而吸收色基的是毛干的黑色素和毛基質(zhì)細(xì)胞。因此，金黃色的或白色的頭發(fā)難以治療。600-1200nm光譜的輻射光被黑色素吸收。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透皮膚越深。能量密度為20-60J/cm2

的普通紅寶石激光（694nm）、翠綠寶石激光（755nm）、半導(dǎo)體激光（800nm）和Nd：YAG(1