激光在皮肤病治疗及美容方面的应用

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短脉宽 以照射时间(治疗时间)短于靶的热弛 豫时间(TRT),使热损失局限在治疗靶上,不 会因热传导造成邻近周围组织的损伤。TRT与生 物组织性质、个体大小相关,如黑素小体的TRT 为1微秒,皮肤组织TRT为1毫秒,管径不同的血 管TRT也不相同,直径为50um,TRT为1~2毫秒
时吗,在皮肤内由于胶原而散射,结果反射大大 地减少。在紫外线波长小于320nm,在角质层或 表皮的吸收量大。从紫外线280nm至红外线 1000nm,波长越长,进入皮肤组织(贯穿)也越 深。
a.反射:是由于一种介质进入另一种介质在界面 上折射系数的改变而引起的。因为空气和皮肤的 折射系数不同,垂直的入射光5%-7%在角质层被 反射了。在可见光中这个表面反射系数相对不变。
激光在皮肤病治疗与美容方面的应用
激光的概念
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱 塞”,是它的英文名称LASER的音译,是 取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单 词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过 受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完 全表达了制造激光的主要过程。1964年按 照我国著名科学家钱学森建议将“光受激 发射”改称“激光”。。
(1)激光的皮肤生物学效应 激光与皮肤组织 的生物学效应取决于激光与皮肤组织两方面:一 方面与激光的波长、输出功率(能量)、输出方 法、作用的剂量等因素有关;另一方面与皮肤组 织的色泽、含水量、导热系数、厚度、致密性有 关。
1)激光对皮肤组织的作用 皮肤的毛发、 汗腺与皮脂腺等具有不同的光学性质,当 辐射进入皮肤组织各层中,部分被传送, 部分被吸收,部分在细胞层内继续透射, 直至入射光能量被吸收,较长的波长吸收 后有非常少地折射,被重新发射出来(即 荧光)。一般地说,以皮肤颜色的影响最 大,如浅色的高加索皮肤在照射可见光和 近红外光
0
角 0.3 A 10 81 85 66 20 13 22

T 0 19 15 34 80 87 78
棘 0.5 A

T


86 11 9
18 23 10 13 16 57 77 65
真 2.0 A

T

11 9 00
16 56 72 44 0 1 0 21
皮 25 A

T

5 21 00
1000
29 71 6 65
(b)吸收生热:当红外光光子被偶极分子(如水 分子)吸收时,光能转变为该分子的振动能和 转动能,使温度升高。皮肤组织含有75%-95% 水分,因而皮肤对红外光的吸收升温与水分子 有关。
(c)皮肤组织热作用:皮肤吸收光能后温度上 升,导致皮肤组织损伤,其破坏作用与温度高 低有关
如当温度为37-39℃时,皮肤有温热感;4344℃时,皮肤出现潮红;45℃为皮肤的痛阈; 47-48℃时,4-9秒皮肤在表皮和真皮之间有炎 性渗出物,形成水泡;45-60℃时,皮肤内蛋白 质凝固;50℃时,传导热的神经纤维被破坏; 55-60℃时,受照射部位皮肤出现凝固性坏死; 100℃时,细胞内外的水沸腾,水蒸气将细胞膜 和皮肤组织破坏;300-400℃时,皮肤组织碳化 (血液和血浆蛋白发生干性坏死),皮肤呈现 棕黑色;530℃以上,皮肤组织燃烧;当温度继 续升高,照射处皮肤组织气化。
激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人 类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、
“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮 度为太阳光的100亿倍。
激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱Biblioteka Baidu
因斯坦发现,但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激
光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生
的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发
展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导
致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前
所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成果,从
而促进了生产力的发展。
激光除具有与一般光相同的性质外,还具有高亮 度(高功率)、单色性、方向性、相干性好等特 点。利用激光在皮肤组织上所产生的特殊生物效 应,可以治疗多种皮肤病。
治疗的激光剂量能够在靶上有足够的能量。简而 言之,即对治疗靶造成坏死。临床上选择的高功
率短脉冲激光器,如调Q红宝石激光、调Q Nd:YAG激光、脉冲染料激光等在靶上功率可达 10^9~10^12W,产生的热可达10^7℃。可见该类 激光对靶的破坏是充分的,是以往使用的连续激 光器件所不可比拟的。
水分中产生布里渊散射,其脉冲频率可达兆赫, 这种脉冲将造成细胞损伤乃至细胞破裂。
d.光化学反应:是指光生物学改变所产生的反 应。它有两种基本的类型:直接的和间接的 (敏化的)。直接的光化学反应是生物分子吸 收光发生了化学改变,或与不同的分子产生反 应,如光合作用、光异构作用、光分解作用、 光聚合作用等;间接的光化学反应是指某种能 吸收光的物质进入生物系统后,在光的照射下 引起后者对光的敏感性,从而导致生物体的一 系列反应,该反应有称光动力学作用,如血卟 啉光敏治疗皮肤恶性
时间(thermal relaxation time,TRT)。一般说体积小 的组织TRT小于体积大的。如黑素小体0.12~1.0um, TRT=1微秒,而直径为10~50um的毛细血管其TRT=1 毫秒;而血管直径为400um,TRT=100毫秒。
组织热效应由最初作用在色基(色基靶基)上的激光 能量,和来自继发的邻近组织的热传导所引起的。影响 热损伤的程度和范围,主要是靶上获得的温度高低决定 了它受损伤的程度,其次是由热传导影响了在靶上驻留 的时间。总之,组织损伤程度由能量密度(治疗剂量)、 脉宽(脉冲持续时间,即治疗照射时间)和热传导所决 定的。
(b)机械作用:激光在组织上的生物学效应主要可分
为热作用和非热作用两种。非热作用可由激光直接或热
作用继发而形成。非热作用主要包括机械作用 (photomechanical effects)、电磁场作用和光化学作
用。光机械作用在高功率短脉宽治疗中尤为突出。它在
皮肤组织中产生的热膨胀热动力学作用,光声学作用都
不可忽视的能量,同时会聚在很小一点上的光能瞬时转
化为热能,使组织由液体到气体,甚至由固体的生物组
织直接气化,在细胞组织内产生微型爆炸,压强急剧增 高,以超音速迸发出来
产生极大的反冲力,可高达几百千克,压强可达几十至 几百个大气压。这种压强叫做激光二次压强,它比光压 大得多,对皮肤组织的破坏力也是很严重的。
c、电磁场效应:激光比太阳光亮100万倍,因此,激光 是非常强的电磁波。如果将激光光束聚集为几个微米时, 功率密度可达10^13W/cm^2,此时可产生高压、高温、 高电磁场强度(可达10^8V/cm^2),在生物体内引起 一系列的创伤。在组织内产生谐波,组织内正负电荷在 电场作用下振动而产生谐波,导致生物细胞的损伤;产 生自由基,在组织内可导致细胞水肿、损伤;产生双光 子、多光子吸收致使组织内发生化学效应和自由基的形 成,造成生物细胞损伤;产生布里渊散射,激光的强电 场在皮肤组织
激光的生物学作用形式
热效应 压强作用 电磁场效应 光化学反应 选择性光热作用 a.热效应 其产生方式主要是碰撞生热和吸收生热 (a)碰撞生热:当可见光、紫外线与生物分子相
互作用时,光子被吸收,生物分子被激活,被激 活
的生物分子可通过与周围分子的多次碰撞逐渐 失去它所获得的光能,周围分子则获得平移能 (振动能和移动能),生物组织温度上升变热。
(c)选择性光热作用(selective photothermalysis effets):选择性光热作用是激 光被组织吸收后的相互作用的过程,也是指作用 对特定靶的产生预期希望达到的目的。因为选择 性光热作用最终是将激光能量直接作用在皮肤治 疗靶上,如黑色素小体、血红蛋白、水分子,造 成靶的坏死,而对邻近正常组织不引起损伤。
(d)皮肤组织的热化作用 当皮肤组织吸收光 能后会发生某些吸热的化学反应,即热化作用。 热化作用和光化作用有两点区别:1.热化作用 其反应与温度成正比,因为温度增加分子间碰 撞频率和使分子所获得的能量有所增加,而光 化作用几乎与温度变化没关系;2.光化作用产 生受激分子、原子和自由基,而这些在热化作 用时是不会产生的。因此低功率激光照射时, 它们往往不直接造成组织的坏死,而是通过皮 肤组织内的核酸、蛋白质、类固醇、黑素、尿 素等,吸收不同的光谱进行热传导,导致组织 的损伤。
b.压强作用:当光照在皮肤上,光子与皮肤碰撞形成辐
射压力,一般称光压。产生光压很微小,一般可以忽略 不计。但激光的能量密度极高,如将1瓦的氩激光光斑 聚集于半径为0.5nm的微粒时(质量约10^12g),其辐 射压力为10^15N,微粒将获得10^5克的加速度,为地 面重力加速度的10万倍。这种激光辐射压在皮肤上将是
b.散射:由于分子、粒子、细胞器和细胞而引起 的方向性改变。
C.吸收:是指光能在组织内转化成热能、化学能, 变成荧光、磷光等能量方式。透射通过皮肤层而 光能未被衰减。
2)不同波长激光在皮肤组织上的吸收与透射 不 同波长激光在皮肤组织上的吸收与透射是不同的。 为了达到预期的目的,可选择相应的激光波长, 达到一定的组织深度,被生物组织吸收而产生预
期的生物学效应,因此不同波长的光在皮 肤各层的吸收和透射是很重要的。1931年 A.Bachem对皮肤各层次的吸收与透射的研 究至今仍被大家所引用,见表
皮肤各层次的吸收度(A)和透射度(T)
皮 厚度 A/ 肤 (m T
波 长(nm)
层 次
m) % 200 250 280 300 48 550 750
吸收作用,但它有三个吸收峰值,即418nm、 577nm、542nm,临床上除418nm波长因其在组 织上作用甚为表浅,故很少应用之外,577nm、 542nm这两个波长使用较多,因577nm波长含氧 血红蛋白的吸收率高于542nm波长外,其波长作
用深度也较之更深些,所以临床上常选用 578.2nm(铜蒸汽激光),585nm(染料激光) 波长的光治疗位于真皮中的鲜红斑痣;542nm或 532nm波长的光治疗浅表的毛细血管扩张。
(d)选择性光热作用包括三个方面内容:根据不 同靶基对作用波长有选择性吸收的。
靶基对波长的选择有两个因素:首先,该波长 对靶基有较高的吸收率(此相对于邻近组织而 言),以避免对周围组织因吸收而导致热损伤。 其次,不同波长的光对皮肤组织吸收与透射是各 不相同的。在可见光范围内,随着波长的增加, 其在皮肤组织内透射作用也加深,为了对不同深 度的靶基治疗,选择相应透射深度的波长也是重 要的,如含氧血红蛋白在可见光光谱中虽然都有
肿瘤。 e.选择性光热作用 (a)热效应:激光光能被生物组织吸收主要被转换为
热能,其生物学作用与组织上产生温度直接相关。当温 度高于60℃,大多数蛋白质发生变性;温度高于 70℃DNA变性;温度在100℃以下大分子发生变性,如 Van der Waals键断裂;温度超过100℃细胞内水分超过 沸点发生气化。水蒸发体积发生急速增大产生的压力作 用导致细胞、血管损伤,当温度进一步升高导致组织凝 固坏死、炭化。组织吸收热的同时热向邻近组织传导而 使组织温度下降,热向四周传导叫作热弛豫,不同组织 的热弛豫速度不相同。当组织因热传导温度下降二分之 一所需的时间叫作热弛豫
48 17
17 0
1400
56 44 16 28
20 8
8 0
3)光吸收与皮肤组织的关系 人的皮肤颜 色是由表皮下包括细胞和其他一些因素决 定的。在近紫外线、可见光、近红外线中, 黑色皮肤的吸收比白色皮肤大,至于有多 少,即取决于黑素的多少,又与激光波长 有关,但对于波长小于300nm和大于 2000nm的激光,肤色的影响便不起作用 了,吸收率都一样,大约为95%。
将对治疗靶造成毁灭性损伤。如作用在红细胞上的脉冲 染料激光,可产生100万℃的高温,爆炸形成的冲击波 将毛细血管击破;在色素增生类皮肤病的治疗中,调Q 开关的一些激光器,如调Q红宝石激光、调QNd:YAD激 光、调Q蓝宝石激光,在黑色素小体上产生的等离子体 温爆炸式所产生的
的冲击波,对黑色细胞的破坏,也是光机械作用 的结果。
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