第三章 激光生物效应解析

热效应尤以可见光区和红外线区
的激光所引起的热效应更为明显。
37-39℃----热致温热 43-45℃----热致红斑 47-48℃----热致水疱
55-60℃ ----热致凝固
100℃ ---- 热致沸腾 300-400℃----热致碳化
500℃ ---- 热致燃烧
可通过改变 功率及照射 时间来调节
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。
血液
90% 水、蛋白质、酶、 激素以及葡萄糖、脂 肪、胆固醇、维生素 等物质
血浆（55%-60%）
血细胞（40%-45%）
红细胞、白细胞、 血小板三种
血细胞
1.红细胞
呈双面凹陷的圆盘状，直径约为7.5微米， 没有细胞核、细胞器，红细胞里含有血红蛋白， 使红细胞看起来是红色的。
血细胞
白细胞数目少，细胞核明显，有炎症时，血中 的白细胞数目明显增加
1个白细胞处理 5-25个细菌后本 身也就死亡。死 亡的白细胞和细
菌构成脓液
通过吞噬和产生抗体等方式来抵抗和消灭入侵 病原体
血细胞
3.血小板 也称血栓细胞，直径2-4微米。当我们外伤
后，血小板就聚集起来，粘附在伤口周围，产生 启动凝血机制的化学物质。
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。
影响激光与生物体作用效应的因素较为 复杂，但大体来源于两方面：
1.激光参数：包括波长、能量、振荡方式（连续 或脉冲等）、作用时间、偏振等；
在机体的生命过程中，血细胞不断地新陈代 谢：红细胞的平均寿命约120天、颗粒白细胞和血 小板的生存期限一般不超过10天、淋巴细胞的生 存期长短不等，从几个小时直到几年。
第三章 激光生பைடு நூலகம்效应
激光生物效应： 指在激光辐照下，生物体可能产生的
物理、化学或生物化学反应及变化，是研 究发展激光生物学、激光医学和激光防护 技术的重要基础。
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。
2.生物组织的性质：物理、化学、生物学性质等。
激光生物效应大致分为五种：
√1.激光生物热效应
任何生物组织吸收激光能量后，其震动 和转动加剧，同时也加剧了受激分子和周 围分子的碰撞，进而转化为热能，称为激 光生物热效应。
具体表现为：
生物组织的汽化、热凝（如视网膜 焊接）、切割（如激光刀）、热敷（激光 治疗关节炎）和热杀（激光治癌等）。
1.3.3 对神经细胞的影响
神经细胞对温度变化很敏感，温度 稍有变化就会影响它们的正常活动。
神经细胞的传导速度随温度上升而加快，但 当温度在40 ℃以上时，神经细胞的兴奋性下降， 传导速率变慢；
当温度超过或低于正常体温 4 ℃时，中枢神 经细胞就不能正常工作。
1.3.4 对血液循环的影响
弱激光照射时血液的拉曼散射吸收
定义60℃热波进 入组织的深度为热
组织损伤深度
蛋白质不可逆变性对正常组织的危害：
会使蛋白质部分或全部失去原有的生理功 能，使细胞和组织受到破坏。
酶的本质：
是活细胞产生的具有催化性能的物质。 在生物体的新陈代谢过程中，每一步生物化学 反应都是由一定的酶来催化完成。
酶催化特点：高效、温和、专一性等； 酶活性与温度的关系：
生物分子将其获得的光能通过多次碰撞转 移为邻近分子的振动能、转动能、平移能， 使生物体温度升高。
2）吸收生热： 生物体吸收红外光后，光能转变为生物
分子的振动能和转动能，使温度升高。
1.3 激光生物热效应对生物组织的影响
1.3.1 对蛋白质和酶的影响
蛋白质分子结构及特点；蛋白质变性和温度及 作用时间有关。
激光热效应的强弱受激光及生物体自 身性质影响。
生物组织的 热学性质
1.1 生物组织的热（物理）性质
比热容、密度、热导率和热扩散率、 色素类型、血管分布等与生物组织温度的 变化相关。
√ 比热容
单位质量的某种物质温度升高（或降低） 1℃时所吸收（或放出）的热量，叫做这种 物质的比热容。比热容是反映物质的吸热 （或放热）本领大小的物理量。
具有与氧(血液变得鲜红) 和二氧化碳(血液变得暗红) 结合的能力，供给全身组 织所需要的氧，并带走组
织内所产生的二氧化碳
血细胞
2.白细胞 在血液中呈圆球形，比红细胞大得多，能产生
抗体，抵抗细菌、病毒等外来物质引起的感染。 白细胞有五种，按照体积从小到大分别是：淋
巴细胞、嗜碱粒细胞、中性粒细胞、单核细胞和 嗜酸细胞。
蛋白质分子量很高，组成和结构复杂，但维持 分子空间构像的次级键的键能较低
蛋白质分子不稳定，受外界因素影响而使其空间构
像破坏、理化性质发生改变，并失去其生物学功
能
蛋白质变性。
55-60℃----热致凝固
实验表明：当温度 55 ℃时，可观察到蛋白质 变性，当温度 60 ℃时，就会发生永久性的凝固变 性。
激光加热若使酶升温到 60 ℃时，酶将失 去催化活性；如若继续升温，蛋白质和酶都 会因过热而死去，完全丧失其生理功能。
1.3.2 对DNA的影响
DNA是生物遗传基因的载体，它的 耐热性要比蛋白质强。
在 80 ℃、1h 作 用下，DNA 活
性基本不变
过强的激光辐照也势必对其遗传特性 产生影响。因此可利用这种效应进行激光 诱变育种、激光转化（基因工程）等。
国际单位： 焦/千克·℃（J/kg·℃)
生物组织的比热容（J/kg·K） 角质层 脂肪 真皮层 肌肉 血液 水
2093 2177 3182 3601 3852 4187
含水量越高的组织（比热容高）越不
易升温；
水最大，血液 次之....
生物组织吸收激光能量升温后，以传 导方式向周围组织传递能量(热导率√）；
还应考虑血管、神经、 淋巴管等的导热性
热扩散率与温 度有关
还与生物组织的√热扩散率有关（热扩 散率值差别不大，数值略）。
生物组织细胞内含有黑色素、血红蛋白、胡萝卜 素等多√种色素 ，能增加光能的吸收，从而使激光的 热效应更加显著。
1.2 激光生物热效应的作用机理
1）碰撞生热： 生物体吸收可见和紫外激光后，受激的