激光与生物组织相互作用课程综述讲解

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激光与生物医学技术的结合

激光与生物医学技术的结合随着科技的不断发展，激光技术越来越成为生物医学研究和治疗的重要手段。

激光技术凭借其高能量、精确控制和非接触性等特点，在生物医学领域中得到了广泛应用。

本文将从激光在生物医学技术中的应用、激光治疗方法和风险以及激光技术在未来的前景等几个方面展开论述。

一、激光在生物医学技术中的应用激光技术在生物医学中的应用涉及到许多领域，如医学诊断、生物成像、治疗和外科手术等。

其中，激光成像技术是应用最为广泛的一个方面。

激光成像技术包括荧光成像、光学相干层析成像（OCT）、多光子显微镜和荧光共振能量转移（FRET）成像等。

荧光成像技术是通过特定的荧光探针将靶分子标记出来，通过激光扫描来获得他们在细胞或组织中的分布情况。

这一技术被广泛应用于细胞信号通路的研究中，以及对癌症和神经退行性疾病等领域的研究中。

OCT则是通过测量光波在样品中反射、散射、折射和吸收等影响来获得样品横向分辨率和深度分辨率的三维成像技术。

它不仅可用于眼科、皮肤和口腔等结构的检查，还可以在动脉撕裂、癌症和白内障等方面有较好的应用前景。

多光子显微镜则是能够通过激光聚焦实现细胞器、细胞器组装、蛋白质复合物等高分辨率成像的技术。

FRET成像则是利用特定的纳米探针或蛋白质将激发光能量传递到接受者分子，并据此获得分子间距离的技术。

除了成像技术外，激光在治疗和外科手术中也有广泛的应用。

主要包括光动力疗法、激光切割、激光焊接和激光切割等。

二、激光治疗方法和风险在生物医学领域中，激光治疗是一个非常重要的领域。

激光治疗包括的方法有很多，包括光动力疗法、激光切割、激光焊接和激光切割等。

光动力疗法是通过特定的光敏剂使一些细胞或组织对激光敏感，然后经过激光照射后就可以达到治疗的效果。

这个方法主要应用在癌症治疗中，但是由于光动力疗法存在一定的副作用，所以还需要进一步的测试和改进。

激光切割技术主要是将激光扫描到需要切割的组织上，因为激光具有特定的能量，所以它可以切割掉这些组织。

激光与生物组织的相互作用原理及应用

激光与生物组织的相互作用原理及应用激光与生物组织的相互作用是指激光能量与生物体内的组织相互作用的过程。

激光通过选择性地被吸收或穿透生物组织，从而对组织产生一系列的生物学效应。

其作用原理与激光的特性以及生物组织的光学特性密切相关。

激光在与生物组织相互作用时，主要表现出以下几种相互作用方式：1.吸收：激光能量被生物组织吸收，产生热效应。

组织中的色素如黑色素、血红蛋白等，可以吸收激光的能量并转化为热能，从而使组织发生损伤。

2.穿透：激光能量可以穿透生物组织，造成组织的光损伤。

不同波长的激光在组织中的穿透能力不同，通常红外激光能够深入组织更远，而紫外激光则能够较浅层地穿透组织。

3.散射：激光在组织中发生散射，形成了照明效应。

散射使光线的传播路径变得随机，使组织内部的分子与激光发生更多的相互作用，从而影响光照射的深度和效果。

激光与生物组织的相互作用在医学和生物科学的许多领域中有广泛的应用：1.医学领域：激光在医学领域中被广泛用于诊断和治疗。

例如，激光可以用于照射血管、肿瘤和其他异常组织，达到止血、切割、烧灼等治疗的效果。

同时，激光还可以用于眼科手术、皮肤整形等领域。

2.生物科学研究：激光在生物科学研究中也有重要应用。

例如，激光可以用于显微镜成像，通过激光的荧光激发和发射，实现对生物组织或细胞的高分辨率成像。

此外，激光还可以用于高通量测序技术、单细胞分析等前沿研究领域。

3.激光切割和焊接：激光切割和焊接技术在工业领域有重要应用。

激光切割能够实现高精度、高效率的金属和非金属材料的切割；激光焊接则可以实现无接触、高质量的焊接，广泛应用于汽车、航空航天等工业部门。

总之，激光与生物组织的相互作用原理决定了其在医学、生物科学和工业等领域的广泛应用。

随着技术的不断进步，激光在生物组织中的应用前景将会更加广阔。

激光与生物组织的相互作用及主要应用

学科综述激光与生物组织的相互作用及主要应用李新华,怀素芳(河北大学物理科学与技术学院,河北保定　071002) 摘　要:激光在生物学和医学中应用的主要机理是激光的能量必须转化为其他形式,构成生物组织的分子和原子能够吸收激光的能量,而最终把它转化成其他能量形式.简介了激光与生物组织相互作用所产生的激光生物效应,概述了激光在生物学和医学研究中的最新进展和发展动向.关键词:激光;生物组织;相互作用;应用中图分类号:Q 631 文献标识码:A 文章编号:1000-1565(2003)02-0198-06光是地球上一切生命的主要能量来源,没有光不可能产生和存在生命物质.光在生命的起源与进化,生物结构形态变异和功能发展中起着不可缺少的作用.由于激光具有其他任何光源所不可能有的优异特性,自然和生命物质结下了不解之缘.由于激光的出现大大改变了人类对自然界的认识能力,为人们认识和改造自然,特别是为探索生命物质提供了一种强有力而又特别精确灵敏的工具,并使生命科学的许多领域取得了突破性的进展,甚至派生出新的学科或学科分支.1　激光生物效应激光生物效应一般是指激光作用于生物物质可能产生的物理的、化学的或生物的反应,激光生物效应的不同,既取决于激光本身,也取决于生物体的特性,大致可分为以下几种:1.1　激光生物热效应激光作用于生物体会使其局部温度升高,称为激光生物热效应.生物体生热机制视光子能量而定,低能量光子可引起生物体直接生热,而高能量光子多经过一些中间过程使生物体生热,故生热的途径有2种,其一为吸收生热,生物分子吸收激光特别是红外激光光能,本身运动动能增加,温度升高.其二为碰撞生热,生物分子吸收激光光能跃迁到某一激发态,在返回到原来的能态或其他低能态时与周围其他生物分子发生多次碰撞,同样使周围分子运动动能增加温度升高.激光生物热效应的对外表现为生物体局部温度升高、汽化、切开、凝固等.1.2　激光生物光化效应激光生物光化效应又称激光生物光化反应,是指在激光的作用下,使生物物质产生理化反应,或使其反应定向及加剧等.生物物质所以能生长发育、修复和繁育等,其中生化反应是主要因素之一.激光生物光化反应可分为原初光化反应和继发光化反应两个阶段,当生物分子吸收一个或多个光子能量以后,受激跃迁到某一激发状态,在它返回到基态又不返回到原来的能量状态的驰豫过程中,多出来的能量消耗在本身化学键断裂或形成新键上所发生的化学反应称为原初光化反应.通常在此过程中形成大多具有高度化学活性的中间产物,这些极不稳定的中间产物继而进行化学反应直至形成稳定产物,这种光化反应称为继发光化反应.　收稿日期:2002-12-10　作者简介:李新华(1944-),男,河北宁晋人,河北大学副教授,主要从事激光与物理方面研究.第23卷　第2期2003年　6月河北大学学报(自然科学版)Journal of Hebei University (Natural Science Edition )Vol.23No.2J un.20031.3　激光生物机械效应当生物组织吸收激光能量时,可近似地把生物组织当作单相水样溶液,可能发生2种现象:如果能量密度超过某一阈值,就会产生蒸发并伴有机械波;若能量密度低于该阈值,就只产生机械波而无蒸发.另外激光可通过电场与生物物质起作用,可产生电致伸缩,自聚集,自俘获及受激布里渊散射等现象.这些现象可伴生机械作用.1.4　激光生物电磁场效应高功率密度激光作用于生物组织会引起生物组织变化,这是因为激光是电磁波.激光与生物组织相互作用实质上是电磁场与生物组织相互作用,在这种作用中主要是电场起作用.激光的电场强度与激光的功率密度有关.高功率密度激光作用于生物组织,有可能在生物组织内产生光学谐波,发生电致伸缩,导致喇曼散射等,可使生物组织电系统发生变化.1.5　激光生物刺激效应激光作用于生物组织,在不引起不可逆损伤时,会引起生物体的某些应答性反应,这种效应叫作激光生物刺激效应.生物体对这种刺激的某些应答性反应可能是兴奋,也可能是抑制,由激光和生物体两者性质而定.由实验得知,这种刺激可引起机体的免疫功能,血液循环、血红蛋白合成、糜蛋白酶活性及白细胞噬菌作用等的应答性反应,在合适的条件下,这种应答性反应是有益的,它有利于生物的生存和延续.激光作用于生物组织可产生多种效应,严格地说各种效应没有明确的界限,哪种效应为主,由激光和生物体两者决定,它可能是单一的,更多的则是综合的.就效应的分类来说也并非绝对的,大致可分为以上5种.2　激光生物技术生物技术是个相当广泛的概念,一般认为构成生物技术的主体是基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等.激光生物技术起步较晚,但发展很快,已取得了不少成果.2.1　基因工程基因工程是指基因转移,DNA 裁剪和基因定位等.激光问世以后,无疑为这些研究提供了一种特别精确灵敏的工具.由于激光是高相干光,它可以聚集成微米甚至纳米的激光束,所以激光问世不久就进入了细胞遗传研究领域,人们开始考虑用激光微束对组织或细胞打孔,导入外源DNA ,称为激光微束外源基因导入法.实践证明这种方法是行之有效的.付道林等[1]对这种方法作了详细介绍,将激光束聚集到微米光斑,并保持适当强度,脉冲微束激光与生物肌体作用时间很短,热效应小,冲击效应大,在肌体被作用瞬间可形成自愈合的孔,与此同时采用一定技术可使外源基因进入细胞内,并随机整合到动植物基因组DNA 上,如辅以光镊技术,可实现真正意义上的目的基因或目标染色体导入.此法体现出操作简便,对细胞损伤小,成活率高、速度快和实验重复性好等优点.早在1970著名学者Berns 等[2]就指出,激光有希望用于探索生命现象,揭示细胞及器官的结构与功能.到了20世纪80年代人们开始考虑应用聚焦到微束级的激光微束对生物靶体如植物细胞,花粉等进行穿刺,引起膜的可逆性穿孔[3,4],将外源基因导入受体细胞以获得转基因动物、植物和微生物.Weber 等[5]证明,激光微束能够将外原DNA 导入植物细胞内,甚至能够导入细胞器叶绿素中,以实现植物转化.中国科技大学谭石慈等[6]于1988年报道了用激光在蚕卵上打孔植入染色质引起蚕变异的成功实验,开创了我国激光基因工程的新途径.中国科学院遗传研究所刘桂珍等[7]采用激光微束穿刺法将外源基因导入小麦、油菜、苹果等植物成功地获得了转基因植株,又采用激光微束穿刺法,将含有β-1,3-葡聚糖酶及几丁质酶基因的双价植物表达载体pBL GC 成功地导入棉花幼胚获得转基因抗病棉,抗病效果比较明显,对棉花抗病育种起到了较大推动作用.激光切割染色体与微克隆和细胞培养相结合,有可能为基因定位,基因分离开辟出一条新途径.王兰凤等[8]人进行了激光微束显微切割植物染色体的研究工作,他们选用蚕豆、小麦、玉米等农作物为研究对象,・991・第2期李新华等:激光与生物组织的相互作用及主要应用用A +r 激光作光源,完成了多种农作物染色体切割并获得了成功,他们的研究成果建立了激光微束显微切割高等植物染色体技术,为进一步应用植物染色体工程,基因定位及植物染色体片断DNA 克隆提供了可能性.激光引起染色体畸变效应已有许多报导[9],实验表明,激光辐照生物细胞染色体可引起畸变,并随激光剂量的增大染色体畸变率升高.研究表明,激光辐照不仅能使染色体单体之间互相交换形成多桥结构,还能使其中双键的DNA 氢键断裂或通过激活DNA 合成体系酶的活性,从而解开DNA 的双键,诱发非常规的DNA 合成.朱苏文[10]等用低功率He -Ne 激光辐照离体质粒DNA ,并用离子束和紫外线对照发现,He -Ne 激光辐照可引起质粒DNA 断裂,其断裂频率随激光辐照剂量增大而提高.分析He -Ne 激光、氮离子束和紫外线辐照诱发DNA 断裂效应,为激光诱发DNA 变异提供了分子依据.2.2　细胞工程细胞融合是遗传工程的重要手段.动物植物和微生物的细胞都可以融合,实现体细胞杂交.目前常用化学融合法和磁电融合法.1987年德国海德堡理化研究所首次报导了用激光诱导哺乳动物细胞融合和植物原生质融合[27].他们先将大鼠β-细胞成对相连形成预杂交种,但这种成对细胞的紧贴程度不足以促成融合,而后在显微条件下,把激光微束照射在预杂交膜上的一点,使两相分开的膜消失,骨髓瘤的胞质与β-淋巴细胞混合,最后形成杂交细胞.与其他促融剂相比,激光法的优点是无毒性,对融合点或融合对象有选择性,还可监视全过程.由于激光诱导融合选择性高-它可能是快速生产医用单克隆抗体的适宜方法.激光辐照线粒体也会造成某些损伤,使功能或形态发生变化,由于线粒体是细胞贮能的地方,线粒体受伤乃至崩溃必然导致细胞畸变或死亡.江苏淡水水产研究所徐在宽等[11]用红宝石脉冲激光微束仪分不同剂量照射黑蟾蜍受精卵,发现被照射受精卵各部位都能产生畸变胚胎,在孵化阶段残废率较高,有些发育成畸形蝌蚪,观察这些畸形蝌蚪尾部表质细胞,发现线粒体明显增大,甚至崩溃,线粒体似有并合之势.激光对细胞微核率也有影响.微核是诱发因子诱发染色体无着点或环,出现微核说明染色体受到损伤,因此可用微核出现率来评价理化因子诱发细胞染色体损伤程度.张百雯等[12]测量了He -Ne 激光照射人体外周淋巴细胞出现的微核率,测试结果表明,接受激光照射的人均有不同程度微核率出现,激光照射时间越长微核率出现越高.另外发现激光对细胞质、细胞核以及中心粒等都有影响.总之,用激光微束原则上可对单个细胞或细胞的各个组分进行辐照.用来研究细胞各组分的功能和相互制约关系以及引起的各种变异,对了解生命现象探索病因学具有重大意义.2.3　发酵工程发酵工程一般包括催陈技术和提取技术,激光技术的发展无疑对这两项技术注入了新的生命力.为了提高酿酒的经济效益,近年来迅速开展了人工陈化酒的研究,据报导已有15种人工催陈方法,其中激光陈化酒是一种新颖有效的方法.自1987年以来,已有数十家进行了这项研究工作,结果证明,激光催陈酒1min ,其质量相当于自然陈化半年以上的酒,且不改变原来酒的风味.激光陈化酒已经过小试和中试阶段,取得了比较好的结果,但要想得到长期陈化结果而不返生的酒,还要做大量的研究工作.另外,激光催陈食醋也得到了明显的陈化效果.激光用于从微生物中提取有用物质,是激光在发酵工程中的又一应用.据报导已有用激光从微生物中提取胰导素、氨基酸、核糖核酸等的研究成果,也有报导用激光从猪脑中提取维生素以及用激光提高果胶酶产量等的研究成果.胡卫红等[13,14]等对He -Ne 激光辐照酿酒酵母菌的生物效应作了研究.经过适当处理把酿酒酵母菌制成酵母菌细胞液,用不同剂量辐照,结果发现小剂量照射可提高细胞生理活性,促进酵母菌生长繁殖加快,其中以10min 为最好,其细胞增长率为20%～27%.而大剂量对细胞繁殖有抑制作用甚至使其致死,并发现激光辐照对酵母菌存活率、菌落形态以及生理代谢也有不同程度影响,并可引起酵母菌变异,现已选出2株优良变异菌株,他们的研究为工业上利用He -Ne 激光对酿酒酵母菌进行诱变育种展现了新的前景.果胶酶广泛用于食品工业,为了提高果胶酶产生菌ASP 3.396的产酶性能,杨天波等[15]用CO 2激光对该菌种发酵周期进行了辐照,结果发现,CO 2激光辐照对ASP 3.396菌体生长发育有显著影响.影响之一可使孢子由黑色变为浅褐色,从而使酶液色泽浅,可减少果胶酶制剂生产工艺过程中脱色的繁杂步骤,另外激光辐照可使菌体酶活力增加,与对照组比可提高48.5%.核黄素又称维生素B 2,是人体和动物生长必需的・002・河北大学学报(自然科学版)2003年成分,在食品工业和医药工业中有广泛的应用.杨树红等[16,27]进行了He -Ne 激光辐照诱发棉病囊酶突变产生核黄素的实验研究.结果表明,激光辐照可引起A G 菌突变,A G 菌突变能诱导生成核黄素,和传统方法相比,此法原料广泛,产品价格便宜,有商业竞争价值.总之,还有其他许多研究都表明,激光在发酵工业中有广泛的应用前景.3　激光医疗激光医疗是激光应用于生命科学最早,发展最快也最有成效的领域,它既可以用于检测和诊断,又可用于疾病的预防与治疗,几乎涉及治疗各科.其治疗方法分为激光光针和扩束治疗.激光烧灼、切割和汽化治疗,激光光敏治疗和激光内窥镜治疗等,所用的激光器已达40种以上,有些激光器已成为现代医疗中不可缺少的工具.近年来激光在医学上的应用已发展成为一门新的边缘学科.大量临床资料证明,激光对某些疾病的治疗方法及其效果是某些常规方法所不可比拟的,如激光血管成形及吻合术,激光角膜矫正术,激光美容换肤术以及激光无痛除龋补牙术等等.探索和临床应用同等重要.在积极开展临床应用的同时,人们正在深入研究治病机理特别是为开创激光医疗的新方法和新途径而在潜心工作.激光特别是低功率激光对肌体有多种生物刺激效应,涉及到肌体各个部分和器官,并可激活巨噬细胞活性,激活后可产生多种活性物质,增强肌体抗感染、抗肿瘤及免疫调节作用[17,18].为了说明激光对人体某些穴位照射可调节或增强机体免疫功能等,任明姬等[19]研究了He -Ne 激光穴位照射对小鼠腹腔巨噬细胞功能的影响.用能量密度为63～95J /cm 2He -Ne 激光照射小鼠神阙穴,时间分别为3,5,7和10d ,每天照射1次,每次10min ,激光照射结束后取小鼠腹腔内巨噬细胞,经测试分析发现,各激光穴位照射组小鼠腹腔巨噬细胞对白色念球菌的吞噬率、吞噬指数及非特异性脂酶的各项参数与对照组相比,差异均有非常显著意义,照射天数增加,各项指标也随之增加.各照射组比较,差异也有非常显著意义,另外照射10d 组巨噬细胞的超微结构成活化状态,由此可得出,适当剂量照射小鼠神阙穴能活化其巨噬细胞,从而提高机体免疫功能.孙东信等[20]用He -Ne 激光穴位照射对带状疱疹患者T 细胞亚群的影响作了研究.结果表明,激光穴位照射可纠正带状疱疹患者T 细胞亚群异常,恢复其维持机体免疫功能的作用,因而显著缩短了带状疱疹患者的治疗疗程,为带状疱疹激光临床治疗提供了理论依据.光敏治疗即光动力学疗法,是利用某些光敏材料与癌细胞具有特殊亲合力这一特点,在激光的作用下发生光动力学反应,产生单态氧及其他自由基杀死癌细胞达到治癌目的.常用的光敏剂有血卟啉衍生物(HPD )等.Bowen 病又称原位鳞状细胞癌,以往常采用手术,激光、电灼、冷冻、放疗等破坏性的治疗方法,有一定痛苦和付作用,由于部位或皮肤损坏面积过大给治疗带来一定困难.用新一代光敏剂5—氨基同戊酸(5—ALA )光动力学疗法(PD T )治疗Bowen 病已有报道[21],它的最大特点是选择性杀死肿瘤细胞,而对正常组织无明显影响,明显优于以上各种疗法.王秀丽等[22]采用ALA —PD T 对治疗Bowen 病进行了研究,治疗结果显示,患者在敷药过程中无任何不适,只有在激光照射时有微热感,其中一例一次治愈,4例4次治愈,随访一年后无复发现象,认为ALA -PD T 治疗Bowen 病疗效可靠,无副作用,为大面积Bowen 病治疗提供了新的思路.王钺等[23])对HPD 静脉注射后在皮肤中的分布进行了研究,找出了最佳注射剂量和激光最佳照射时间,为高效选择治疗鲜红斑提供了临床依据.帕金森病是中老年人中常见的一种慢性神经系统变性病,它是由于黑至多巴胺能神经元变性造成纹状体系统DA 含量下降,伴随5-羟色胺能,去甲肾上腺素能等神经原减少,导致震颤,肌强直和运动减少等临床症状.高惠珍等[24]研究了低强度激光照射对小鼠脑组织单胺类递质含量的影响.结果表明,低强度He -Ne 激光照射小鼠脑组织,多巴胺(DA ),5-羟色胺(5-HT ),去甲肾上腺素(N F )含量增加.为激光治疗帕金森病提供了初步的实验依据.另外,类似地研究或更深入地研究还有很多,如陈杰等人[25]的He -Ne 激光照射对豚鼠表皮Langerhans 细胞的影响;杨群等人[26]的脉冲激光对细菌视紫红质的瞬态光电荷转移动力学的研究以及范志明等人[31]的Nd :YA G 激光兔心脏和颈外动脉内照射对血液学指标的影响的研究等等,都为激光医疗在临床上的应用及相关技术或理论提供了科学依据并推动了激光医学的发展.相信在今后会有・102・第2期李新华等:激光与生物组织的相互作用及主要应用更多的新理论,新技术和新方法用于临床,为人类和社会的进步做出应有的贡献.4　结束语激光与生物组织相互作用的现象和理论正在研究和发展之中,其应用也会越来越广泛和深入,除以上简述之外,比较成熟,有许多成果的还有激光育种和繁育,以及医学上的检测和诊断,都取得了可喜成果,某些新的领域正在探索之中.激光生物效应是激光生物学和激光医学应用的理论指导,今后激光生物效应仍是一个重要研究课题,随着激光新波段的扩展和激光新器件的出现,激光生物学的内容将更加丰富,X 光激光器的出现与应用,将会引起生物学和医学的技术革命和飞跃发展,目前的重要任务是紫外激光,中红外激光和超短脉冲激光对生物组织的作用及机理研究,由于这类激光热损伤小,避免了对生物体和在某些疾病的治疗中带来不必要的热损伤,因而应用前景广大,近来激光医学在临床上的应用有了引人注目的进展,如激光血管成形及吻合术,角膜矫正术等,但对激光医学整体来说仍有许多临床应用中的基础理论问题和技术性问题有待解决.另外,激光治疗新病种新理论和新方法也是研究的重要内容之一.激光生物学目前仍处在初期发展阶段,但前景深远,相信随着相关理论的发展和技术进步,激光生物学必将绽放出绚丽之花.参考文献:[1]付道林,王兰风.微束激光转基因技术研究进展[J ].激光生物学报,1999(1):70-74.[2]BERNS M W ,DONALD E R.Cell surgery by Laser[J ].Scientific American ,1970,222(2):99-104.[3]BERNS M W ,AIST I ,EDWARDS J ,et ser microsurgery in cell and development [J ].Biology Science ,1980,213:505-513.[4]WEBER G ,MONAJ EMBASHI S ,GREUL ICH K O ,et al.In jection of DNA into plant cells with a Uv -laser microbeam[J 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激光生物医学工程课程介绍

激光生物医学工程课程介绍课程名称：激光生物医学学时与学分：32 学时/2学分课程教学目标：本课程通过介绍及讲解激光与人体组织相互作用和激光临床应用，使同学们掌握激光与人体组织相互作用类别与机理、激光在临床医学中的实际应用与机理、医用激光器的特点和激光在相关领域中应用的最新成果。

通过本课程的学习，将使同学们在激光生物医学理论研究和医用激光医疗设备的研制开发两方面打下一定的基础，帮助同学们解决“激光在实际工作用到底能干什么”这一问题，把课本上学到的理论知识与实际应用联系起来，在课本知识和实际应用之间建立一座桥梁，为同学们以后的实际工作打下一定的基础。

主要内容：第一章激光生物医学工程的研究与应用1.1 激光技术在生物医学工程中应用概述1.2 激光生物医学工程的展望第二章激光与生物组织相互作用机理（14学时）2.1 组织光学基础2.2 激光与生物组织的光化学作用2.3 激光与生物组织的热作用2.4 激光与生物组织的光蚀除作用2.5 激光与生物组织的等离子体诱导蚀除作用2.6 激光与生物组织的光致破裂作用第三章激光在临床中的应用（8学时）3.1 激光在眼科中的应用3.2 激光在牙科中的应用3.3 激光在妇科中的应用3.3 激光在泌尿科中的应用3.5 激光在神经外科中的应用3.6 激光在血管成形术及心脏病学中的应用3.7 激光在皮肤病中的应用3.8 激光在矫形学中的应用3.9 激光在胃肠病学中的应用3.10 激光在耳鼻喉科及肺科中的应用第四章典型医用激光器及其应用4.1 红宝石激光器4.2 Nd:YAG激光器4.3 CTH:YAG激光器4.4 Er:YAG激光器4.4 可调谐固体激光器4.6 He.Ne激光器4.7 CO2激光器4.8 氩离子激光器4.9 准分子激光器第五章激光安全（2学时）5.1 简介5.2 激光危害性5.3 对眼睛危害5.4 对皮肤危害5.5 高功率激光的危害5.5 激光安全的标准和危害分类5.7 激光辐射的观察5.8 眼睛的防护5.9 激光的计算与测量教材及参考书：教材：《激光生物医学工程基础》，李正佳等，国防工业出版社考核方式：开卷考试。

激光与生物组织的相互作用

激光与生物组织的相互作用
激光是一种密度非常大的电磁辐射，可以用来调节生物组织中的分子
和细胞的活动。

激光照射生物组织的作用具有多方面的作用，可以激活细
胞代谢，恢复细胞功能，减少炎症，低温和抑制病毒繁殖。

首先，激光可以影响生物组织中细胞的代谢活动。

研究发现，1064
nm激光辐射可以提高固有代谢的效率，可以改善细胞的新陈代谢，增加
细胞的存活率，有助于细胞的再生和修复，从而使损伤的组织得到修复；
其次，激光可以改善细胞的功能，激光照射可以提高神经细胞的功能，加
速肾小球细胞的凋亡，对神经、肌肉和免疫系统的功能有直接的改善作用；再者，激光照射可以抑制炎症，激光可以减少周围的炎症反应，增加血液
和淋巴液的流动，消除炎症的症状，有助于组织的修复；此外，激光可以
提高组织的耐热性，激光照射可以提高细胞的耐热性，从而减少烫伤时细
胞的损伤；此外，激光还可以抑制病毒繁殖，激光照射可以抑制病毒的繁殖，减少病毒在细胞外的滋生，对抵抗病毒有很大的帮助。

总之，射对生物组织的作用是多方面的，可以激活细胞代谢，恢复细
胞功能，减少炎症，低温和抑制病毒繁殖。

8-1激光在医学中的应用-激光与生物体的相互作用(精)

§
8 1 激光与生物体的相互作用 .
图8-2 生物体中散射光的特性
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第八章激光在医学中的应用
8.1.1 生物体的光学特性
3.如图8-3所示为生物体与光的各种相互作用的示意图
§
8 1 激光与生物体的相互作用 .
第八章激光在医学中的应用
8.1.2 激光对生物体的作用
1.激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有四方面的作用即热力作用(thermal action)、机电作用(electro-mechanical action)、激光消融作用(photoablative action)和光化学作用(photochemical action)。
图8-3 生物体与光的各种相互作用的示意图
4. 由图8-4可知，在700～1500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。
图8-4 软组织上页回末页回目录
第八章激光在医学中的应用
8.1.1 生物体的光学特性
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2.各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。
8.1.3 激光对生物体的作用
§
8 1 激光与生物体的相互作用 .
对生物体应用激光的优点有以下四个方面：首先，人们日常工作生活在表现为光的电磁场中，除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。其次，在医学上利用激光在大气中直线传播的特性，可以非接触地对生物体应用，又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部；第三，利用激光的高度的方向性，将其会聚成极小的点，使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能。最后，光与生物体进行着极其多种多样的相互作用，至今被利用的还只是很少的一部分，还需要今后开发更加多种多样的新的应用。

激光与组织的相互作用

激光与组织的相互作用嘿，朋友们！今天咱来聊聊激光与组织的相互作用，这可真是个神奇又有趣的事儿啊！你想啊，激光就像一把超级厉害的小魔杖，那能量可强啦！当它照到组织上的时候，那可就像一场奇妙的冒险开始了。

比如说吧，激光可以用来治病呢！就像医生拿着一把精准的手术刀，把那些坏的东西给干掉。

就好比我们家里有了小虫子，我们就得想办法把它们赶跑或者灭掉，激光就像是专门对付疾病小虫子的秘密武器。

有时候激光还能帮我们美容呢！它能把脸上那些不想要的斑斑点点给弄掉，让我们的脸蛋变得干干净净、漂漂亮亮的。

这多神奇呀，就好像给脸来了个魔法变身。

但是呢，这激光也不是能随便乱用的哦，要是用不好，那可就糟糕啦！就像你有一把很锋利的刀，你得小心使用，不然可能会伤到自己或者别人。

而且不同的激光，那效果也是不一样的哟！有的激光温柔一点，就像轻轻抚摸；有的激光可厉害啦，像一阵猛风。

这就得看我们需要什么样的效果啦，得找对合适的激光才行。

你说激光这么厉害，它到底是怎么和组织产生作用的呢？其实啊，就像是一场你情我愿的舞蹈。

激光发出能量，组织呢就接收这些能量，然后它们就一起产生了各种反应。

有时候是把不好的组织消灭掉，有时候是刺激组织变得更好。

咱再想想，如果激光能量太强了，那不就像用力过猛，会把组织给伤着啦？要是太弱了呢，又好像没使上劲，达不到效果呀！所以说呀，控制好这个度可太重要啦。

那在实际应用中，医生和科学家们可得好好研究，怎么让激光和组织完美配合。

这可不是一件简单的事儿啊，得经过无数次的尝试和改进呢。

大家想想，要是我们能把激光与组织的相互作用研究得透透的，那以后能解决多少问题呀！能治好更多的病，能让大家变得更美更健康。

这难道不是一件超级棒的事情吗？总之呢，激光与组织的相互作用就像是一个充满奥秘和惊喜的宝藏，等着我们去挖掘和探索。

我们要带着好奇的心，去了解它，去利用它，让它为我们的生活带来更多的好处。

让我们一起期待激光在未来能发挥更大的作用吧！。

激光的生物学效应讲解

论文关键词：激光激光生物效应激光与生物分子论文摘要：本文主要简介了激光与生物组织相互作用所产生的生物效应，概述激光与生物分子相互作用机理研究现状。

为提高和发展激光技术在此领域的应用，有必要对激光的生物学效应及生物物理机理进行研究。

一、激光的发光原理及其生物学效应1激光发光原理把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜构成的光学谐振腔中，处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。

其中，非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外，轴向传播的光波却能在腔内往返传播，当它在激光物质中传播时，光强不断增强。

如果谐振腔内单程小信号增益G0l 大于单程损耗δ，则可产生自激振荡。

原子的运动状态可以分为不同的能级，当原子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的光子即自发辐射。

同样的，当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话，会导致原子从低能级向高能级跃迁即受激激吸收。

然后，部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子即受激辐射。

这些运动不是孤立的，而往往是同时进行的。

当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，就会有光子射出，从而产生激光。

2激光生物学效应由于激光具有能量和动量，激光作用于生物分子，就有可能使生物分子产生物理、化学或生物反应，这就是激光生物效应。

目前，学术界认识比较一致的激光生物效应大致有五类：. 激光生物热效应、激光生物光华效应、激光生物压力效应、激光生物电磁效应和激光生物刺激效应。

生物组织内的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。

激光生物效应，目前已经在激光医疗、激光育种方面得到广泛、有效的应用。

（1）激光生物热效应激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运动加剧，与其他分子的碰撞频率增加，由光转化为分子的动能后变成热能，可能会引起蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死。

激光对生物组织的热相互作用-概述说明以及解释

激光对生物组织的热相互作用-概述说明以及解释1.引言1.1 概述激光技术作为一种高度专业化的光学技术，不仅在工业领域得到广泛应用，也在生物医学领域有着重要的意义。

激光与生物组织之间的热相互作用是一个密切相关且具有挑战性的研究领域。

本文将探讨激光在生物组织中产生的热效应，并对其在生物医学领域的应用进行深入研究和讨论。

通过对激光热相互作用的深入探讨，我们可以更好地理解激光与生物组织之间的相互作用机制，为未来在医学诊断、治疗和疾病研究方面提供更多的启示和可能性。

1.2 文章结构文章结构部分将介绍本文的整体组织架构，包括各个章节的内容概要，旨在帮助读者更好地理解本文的主要内容和逻辑流程。

具体内容如下：本文主要分为三个部分，分别为引言、正文和结论。

在引言部分，将通过概述激光对生物组织的热相互作用、介绍文章的结构和阐明本文的主要目的来引入主题。

在正文部分，将详细介绍激光的定义与原理、生物组织对激光的反应以及激光在生物医学中的应用情况。

最后，在结论部分，将总结研究发现，讨论激光热相互作用的意义，并展望未来研究方向。

通过这样清晰的结构安排，读者可以更好地了解本文的组织结构，把握全文思路，更好地理解文章的内容和意义。

1.3 目的:本文旨在系统探讨激光对生物组织的热相互作用，通过对激光的定义与原理、生物组织对激光的反应以及激光在生物医学中的应用等方面进行深入的分析和论证。

通过本文的研究，旨在增进对激光与生物组织之间相互作用关系的了解，为生物医学领域的激光技术应用提供理论指导和实践参考。

同时，本文还将总结目前研究的进展和成果，探讨激光热相互作用在生物医学领域的意义，并展望未来的研究方向，为相关领域的学术研究和临床实践提供借鉴和启示。

通过对激光在生物组织中的热作用机制的深入探讨，有望为生物医学领域的激光治疗、生物成像、组织工程等方面的发展提供新的理论支撑和技术支持。

2.正文2.1 激光的定义与原理激光是一种特殊的光束，具有以下特点：单色性、相干性和高亮度。

激光的生物作用机理及生物效应

激光的生物作用机理及生物效应激光也是一种光，从本质上讲它和普通光源如太阳、白炽灯、火焰等所发出的光没有什么区别，因此它具有普通光所具有的性质。

由于它是一种电磁波，所以又具有波粒二象性。

它遵守反射、折射的定律，在传播中会出现干涉、衍射、偏振等现象。

但是，激光又有着和普通光显著不同的特点，如它的单色性、相干性、方向性极好，亮度极高等。

因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病的原因之一。

激光美容的原理激光也是一种光，从本质上讲它和普通光源如太阳、白炽灯、火焰等所发出的光没有什么区别，因此它具有普通光所具有的性质。

由于它是一种电磁波，所以又具有波粒二象性。

它遵守反射、折射的定律，在传播中会出现干涉、衍射、偏振等现象。

但是，激光又有着和普通光显著不同的特点，如它的单色性、相干性、方向性极好，亮度极高等。

因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病的原因之一。

激光美容的原理是通过组织吸收高能量的激光后所产生的光热反应，使局部温度在数秒内骤然升高到数百度或更高，组织发生凝固性坏死，甚至碳化或汽化，与此同时，由于急剧发热，组织的水分突然剧烈丧失，聚焦后，可用以切割或烧灼病变组织。

常用于皮肤的激光有二氧化碳激光、红宝石激光、染料激光等。

激光美容的优势是显而易见的：操作简便、省时、可同时止血，对于有些大面积斑、痣无须手术切除，自体植皮，可以起到美容和保留原有皮肤功能的双重效果。

但是它同其他治疗方法一样，也会有一些副作用，在清除病变组织的同时，对正常组织也有不同程度伤害，最常见的是遗留表浅疤痕、色素减退或沉着斑。

激光的生物作用机理及生物效应激光对生物体的作用有五种：热作用、光化作用、机械作用、电磁场作用和生物刺激作用。

激光和生物体相互作用以后所引起生物组织方面的任何改变都称为“激光的生物效应”。

激光与生物体作用后，不仅会引起生物效应，而且激光本身的参数（波长、功率、能量等）也可能会改变。

2. 激光与生物体的相互作用

cycles/cm 2850-2960 [cm-1] 1340-1465 700-1250 1620-1680 2100-2260 1410-1450 1350-1420 1230-1250 1080-1130 3590-3650 164来自-1780 3200-3500
wavelength 3.378-3.509 [µm] 6.826-7.462 8.000-14.29 5.952-6.173 4.425-4.762 6.897-7.092 7.042-7.407 8.000-8.130 8.850-9.259 2.740-2.786 5.618-6.098 2.857-3.12513
20
激光与细胞的相互作用

细胞细胞是生命活动的基本单元，也是构成生命体结构与功能的基本单元。它是由诸多分子和高聚物构成的功能团，具有极其复杂的化学成分及结构 .
21
细胞形状与尺寸
多数细胞：m 肌肉细胞：mm 神经细胞：m

22
光与细胞的相互作用

研究光与细胞的相互作用时，常把细胞看作是粒子：
O O N N O
N N
N N N
O
O O
N N O
12
振动能级的跃迁

红外光谱学领域

bond C-H stretch C-H bend C-C stretch,bend C=C stretch C=C stretch CO32NO3NO2SO42O-H stretch C=O stretch N-H
29
生物组织的平均折射率
生物组织当作是由许多嵌入在纤维网络中的细胞及组织间液组成的。在微观结构中，生物组织并没有明显的边界特性，因此可以被认为是一种在空间上包含不同折射率的连续介质。要定义这样一个混合体的折射率，就必须采用统计的方法。

激光在生物医学领域的应用讲解

激光在生物医学领域的应用激光由于其良好的一致性，单色性、准直性等特点，自从其出现以来就一直对生物医学的发展起着十分重要的作用。

在医学领域，激光技术已经渗透到基础和临床的许多学科和专业之中，并对医学的发展起着重大的促进作用。

特别是近年来，激光医学在国内外取得了长足的发展，利用激光对生物组织的作用机制在医学上的应用十分广泛，如：光凝固（）、光消融（）、生物刺激（）、激光碎石（）、诊疗肿瘤（）等。

◆激光在心血管中的应用激光在心血管中的应用主要体现在两个方面，即血管的选择性破坏和血管重建术。

激光用于血管的选择性破坏在理论和应用方面已经取得一些突破性进展，美国激光于血管曲张治疗中心研究得知940的激光具有较深的穿透性，以及对血红素较好的吸收特性，对水的最佳吸收特性以及对黑色素最小的吸收。

利用该波长的激光器对血管曲张的治疗达到了很好的疗效。

激光心肌血管重建术是目前替代常规方法治疗心脏病的一种有效手段，它利用激光于心肌组织作用产生的热效应，用高强度激光束在缺血的心区域内打数个微孔，通过这些微孔把心腔中的血液引向缺血的心肌区域，改善心肌血液微循环以达到治疗的目的。

◆激光在肿瘤中的应用激光刻章机激光雕刻机利用激光的光动力学法来治疗肿瘤是世界各国科学家研究的一个热门课题，在英国已经获得初步的成功。

它是将病人先注入某种光敏药物，它与癌细胞亲合力强，而与正常细胞亲合力弱，当激光一遇到药物，即被吸收引起药物光化学反应，生出单质氧，是肿瘤组织内的细胞产生强烈的氧化反应，使生物分子链发生断裂，切断肿瘤供血并将其分裂成碎片气化。

此方法可以大大减少正常细胞遭破坏的危险。

◆激光在眼科中的应用激光手术是理想的治疗近视的高科技手段，其集计算机、激光、生物医学工程技术于一体，利用准分子激光束能量高，穿透性极弱，切削准确，重复性好的特点，准确地切削角膜前层组织，降低屈光度以达到矫正近视的目的，该手术对周围组织及深层眼内结构无影响，具有切削整齐光洁、精确性高、预测性强、稳定性好、合并症极少等特点，患者手术中无痛苦，不需住院，不影响正常的工作、生活，是治疗近视理想的手术方法。

第三章激光生物效应

弱激光照射时血液的拉曼散射吸收
当频率为的弱激光在血管内
照射时，由于血液中各种分子的
运动加剧，使血液粘度下降，血液处于低凝态。
90% 水、蛋白质、
血浆（55%--60%）
血液
血细胞（40%--45%）
红细胞、白细胞、血小板三种
如：
血液中的葡萄糖的某些分子键在光子作用下断裂，启动葡萄糖醇解的化学过程，产生ATP 能量；
小剂量弱激光照射时，酶与底物碰撞结合的几率增加，蛋白质底物和酶结合的速率加快，血液中多种酶的活性被激活，这
些酶可以消融、分解血液中过多的脂肪，从而起到降低血脂的作用。
红细胞获得足够的能量，其变形能力随之增加，降低红细胞及血小
第三章激光生物效应
以往知识回顾
普通光对生物体所产生的作用有：光合作用、生物过程的能量转移、生物颜色、生物视觉、生物节律、光生物效应以及光在生物进化过程中的作用等。
激光具有很好的单色性、高亮度等优点，因此激光与生物组织的相互作用将出现一系列新内容和新效应。
在 1960 年Maiman发明激光后，人们就开始结合各种激光系统与靶组织来研究激光与生物组织相互作用的效应。
3. 激光的生物机械效应
激光被吸收后，可在生物体内产生机械力，也称光压。
任何电磁波都对物体有压力，激光也不例外，但光压小（约几个大气压）。当生物组织吸收激光后不足以汽化时，将会导致体膨胀而产生超声波。由此可见，热致体膨胀所产生的超声压是激光在生物组织中产生机械力的主要因素。
光钳技术
光的辐射压力：激光辐射产生的皮牛量级的微小力恰好适于移动细胞和生物大分子。
激光器
显微镜聚焦镜样品池
激光光钳示意图

第一章激光与光―组织相互作用(精)

光与组织相互作用的临床相关性表浅血管损伤：闪光灯有较大的光斑，联合使用接触冷却，这样治疗速度就快，也有减少紫癜的可能性文身和良性色素性皮损一、Q-开关是一种光电元件，用于产生只有几纳秒的脉冲，这些脉冲时间被设计在黑素体估计的热驰豫时间内（0.5-1 μs）,但是比文身染料的热驰豫时间要长，文身染料的热驰豫时间在较低的纳秒范围内。

闪光灯的脉冲时间在毫秒范围内，相对长一些，不适合这种治疗。

由于逐渐的分解，淋巴系统活化的巨噬细胞吞噬破碎的染料，大部分变淡，一部分也可以随表皮移行至体表被清除。

二、绿色色素最适于Q-开关红宝石激光（694nm）和Q-开关翠绿宝石激光（755nm），但经常难以祛除。

相反的，红色色素最适于倍频ND：YAG （532nm）激光发出的绿光。

ND：YAG激光对蓝黑色文身有效，但是绿色色素相对较差，ND：YAG激光曾被成功地用于治疗深色皮肤的文身。

含有铁或二氧化钛的红色、棕色、白色或肤色的染料在激光的治疗中能够发生化学变化，成为持久的灰白色或黑颜色，这可以在随后的治疗中逐渐减弱。

由于这些色素可以用于美容修饰文身，在大面积治疗前做一小块试验很重要。

黄色和清淡柔和色彩难以治疗，很难完全去除，业余文身比专业文身治疗起来容易一些。

脱毛激光脱毛的机制不完全清楚，可能是选择性热作用理论。

然而，作用的靶位置可能是干细胞（主要在较低的峡部）和乳头部的血管，而吸收色基的是毛干的黑色素和毛基质细胞。

因此，金黄色的或白色的头发难以治疗。

600-1200nm光谱的辐射光被黑色素吸收。

波长越长，穿透皮肤越深。

能量密度为20-60J/cm2 的普通红宝石激光（694nm）、翠绿宝石激光（755nm）、半导体激光（800nm）和Nd：YAG(1064nm激光，依据光斑大小都曾经使用过。

皮肤重建（ResurfaciMg） (1因为现在认为汽化是不受欢迎的，它会产生一些并发症：在作用层面来看就是二度面部烧伤。

（2）非剥脱性皮肤重建：这种治疗的目的在于损伤上层真皮而不破坏表皮，先决条件是表皮冷却系统和足以穿透损伤真皮的波长，已经研究出了一系列包括一开始用于其他目的的激光和光源。

激光与光—组织相互作用

整理课件
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皮肤重建（ResurfaciMg）
(1)因为现在认为汽化是不受欢迎的，它会产生一些并发症：在作用层面来看就是二度面部烧伤。
（2）非剥脱性皮肤重建：这种治疗的目的在于损伤上层真皮而不破坏表皮，先决条件是表皮冷却系统和足以穿透损伤真皮的波长，已经研究出了一系列包括一开始用于其他目的的激光和光源。
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图1-5 皮肤上入射光的结局
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光-组织相互作用
一、如果光能量要改变靶组织的结构，除了被吸收，还必须有充足的能量。能量以焦（J）为单位，但它通常更适用于描述“流量”或能量密度（J/CM2）。功率是发射能量的速率，测量的单位是瓦。
二、光可以通过以下途径影响组织：
（1）光刺激：有模糊证据表明低能量激光加速伤口愈合，其机制不清楚。
2、激光介质放在光学谐振腔（或共振器）内，决定受激辐射光的波长。
3.一个反射镜是全反射镜，另一个是部分反射镜。
4、传输系统可以是光纤或关节臂，通过这些系统光被反
射镜反射。光纤优点在于轻便，利于操作和保管，然而，
当光纤在操作、移动或清洁时被弯曲、扭转超过限度时会
折断，这会增加使用成本，因为更换一根光纤要几千美元，
整理课件
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脱毛
激光脱毛的机制不完全清楚，可能是选择性热作用理论。然而，作用的靶位置可能是干细胞（主要在较低的峡部）和乳头部的血管，而吸收色基的是毛干的黑色素和毛基质细胞。因此，金黄色的或白色的头发难以治疗。600-1200nm光谱的辐射光被黑色素吸收。波长越长，穿透皮肤越深。能量密度为20-60J/cm2 的普通红宝石激光（694nm）、翠绿宝石激光（755nm）、半导体激光（800nm）和Nd：YAG(1064nm)激光，依据光斑大小都曾经使用过。

《激光与生物组织的相互作用原理及应用》(原书第三版)介绍

《激光与生物组织的相互作用原理及应用》(原书第三版)介绍科学出版社
【期刊名称】《激光生物学报》
【年(卷),期】2005(014)004
【摘要】本书由MH尼姆兹[德]著，张镇西等译，蒋大宗校。

全书系统地描述了激光与生物组织的相互作用原理及在相关领域的应用，详细论述了组织的光和热特性、组织蚀除的各种类型、光致破裂效应的基本概念以及使用的数学工具如MonteCarlo模拟、Kube墩a—Munk理论和光动力学疗法、激光诱导组织间质热疗法等。

【总页数】1页(P282)
【作者】科学出版社
【作者单位】科学出版社
【正文语种】中文
【中图分类】Q631
【相关文献】
1.激光与生物组织的相互作用及主要应用 [J], 李新华;怀素芳
2.激光与生物组织相互作用：光子迁移与生物传热理论 [J], 朱(艹丹);曾绍群;骆清铭
3.激光-生物组织热相互作用研究 [J], 赵友全;范世福;李昀
4.高功率激光与生物组织热相互作用的传热模型 [J], 周静伟;尹招琴;徐旭;李希靖
5.He-Ne激光与生物组织相互作用的信息传递机理研究 [J], 李恩新;王佐臣
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