第二章激光与生物组织相互作用机理

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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。

激光与生物组织险乎作用原理及应用读后感

<<激光与生物组织险乎作用原理及应用>>读后感1.介绍激光器的基本常识以及医用激光系统的发展与应用“激光”一词是“LASER”的意译。

LASER原是Light amplification by stimulated emission of radiation取字头组合而成的专门名词，激光器在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。

1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

它是利用受激辐射原理使光在某些受激发的工作物质中放大或发射的器件。

用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使其中一部分粒子激发到能量较高的状态中去，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射作用，该工作物质就能对某一定波长的光辐射产生放大作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就会射出强度被放大而又与入射光波位相一致、频率一致、方向一致的光辐射，这种情况便称为光放大。

激光器一般由三个部分组成：(1)能实现粒子数反转的工作物质。

例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；(2)光泵：通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。

例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转。

造成了产生激光的条件；(3)光学共振腔：最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。

当一些氖原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。

这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近100%，即完全反射。

另一个反射率约为98%，激光就是从后一个反射镜射出的。

激光器的种类很多，如氦氖激光器、二氧化碳激光器，红宝石激光器、钇铝石榴石激光器，砷化镓激光器，染料激光器，氟化氢激光器和氩离子激光器等等。

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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可能引起的症状：
感染、欠矫或过矫、角膜穿通、医源性角膜散光、继发性圆锥角膜、角膜瓣不规则、瓣游离、上皮植入、夜间眩光、眼压升高，可能引起青光眼等等矫正视力下降、夜间眩光、视光质量下降，夜间视力下降等弊端也较为常见。国外资料表明，LASIK术后夜间驾驶困难的患者竟高达30%！
• 该仪器为一体式多功能眼前节分析诊断系统，除可以用于角膜厚度的测量外，主要用于分析角膜形态，特别是角膜的前表面和后表面高度，是目前较先进、功能较全面，最具有临床参考价值的角膜形态检查分析系统。它采用光学裂隙扫描装置，对眼角膜进行摄像扫描，使用5000个数据点来显示整个角膜的厚度图，可以比较准确地测量出整个角膜的厚度，而无需与角膜接触。 • Orbscan Ⅱz系统测得的角膜厚度较超声角膜测厚仪得出的数值要大23—28微米（美国FDA数据），可能是Orbscan Ⅱz系统测得的角膜厚度，包含了覆盖角膜表面的7—40微米的泪膜厚度。
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LASIK是什么？
• LASIK（全名「 Laser-Assisted in Situ Keratomileusis」），是一種透過雷射改變眼角膜的弧度，以改善視力的手術。LASIK手術由眼科醫生施行，被認為是比其他同類手術如PRK更適合一般病人，相比同類手術，LASIK所需的復原時間較短，病人所感受的痛楚亦較少。LASIK可矯正近視、遠視、散光等屈光不正，最高可矯正的度數受制於患者的角膜厚度，一般最高可矯正的近視度數達-12D（1200度）。

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。

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。

生物医学光子学_scy-2光和生物组织体相互作用的基本形式20151111.

光和组织相互作用过程的能级表示
§2.1 Interaction forms between light and bio-tissue
光辐射入射到组织体，电子向上跃迁到不同电子激发态的不同振动能级上，或实现不同振动能级之间的跃迁——吸收
过程、吸收光谱
电子从高能级向低能级的衰变过程中可分别以无辐射跃迁的方式向周围发出热而将多余的能量消耗掉——光热、光声、
§2.2 Absorption
2.2 Absorption 2.2.1 吸收效应和吸收系数 2.2.2 分子吸收种类 2.2.3 生物组织中的吸收物质
2.2.4 朗伯-比尔定理
§2.2 Absorption
光的吸收:光在通过生物组织体时由于部分光能转换成热运动或分子的某种振动从而导致光强度的衰减。
§2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 1.光与生物组织体相互作用的表现形式或现象
图2.1 光与组织体的相互作用
§2.1 Interaction forms between light and bio-tissue 吸收—光强随着光在组织体中的传播距离的增加而不断减小，未被吸收的光经组织体边界出射。反射、折射和散射—组织体的宏观或微观的不均匀性导致光传播方向的改变
Absorption coefficient： Unit: 1/cm,1/mm

a sa
3
吸收粒子密度 cm
吸收截面 cm
2
The absorption coefficient is essentially the cross-sectional area for absorption per unit volume of medium. 单位程长上一个光子被吸收的概率

超短脉冲激光与生物软组织相互作用机理研究

超短脉冲激光与生物软组织相互作用机理研究
超短脉冲激光与生物软组织相互作用机理研究
详细研究了超短脉冲激光与生物组织相互作用的机理,建立了生物软组织中激光诱导光学击穿模型;结果表明,对于纳秒或亚纳秒脉冲激光,强吸收介质的热电子发射对电子雪崩电离过程有很大影响,等离子体光学击穿阈值随生物组织吸收的增加而降低;在激光脉宽为亚皮秒量级时,多光子电离成为光学击穿的主要机制,介质的击穿阈值几乎与线性吸收系数无关.
作者：刘莉李正佳作者单位：华中科技大学激光技术研究院,湖北,武汉,430074 刊名：中国激光 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LASERS 年，卷(期)：2004 31(z1) 分类号：O437 关键词：超短脉冲激光生物软组织等离子体光学击穿蚀除。

激光的生物学效应及生物物理机理

激光的生物学效应及生物物理机理摘要：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。

当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽化。

高中物理光与组织的相互作用

Therapeutic applications: Absorption of energy is the primary mechanism that allows light form a source (laser) to produce physical effects on tissue for treatment purpose Lasik (Laser Assisted in situ Keratomileusis) Eye Surgery, Tatoo Removal, PDT
Pabs sa Io
area = A - sa
Metrics for Absorption
Assumptions
Cross section is independent of relative orientation of the impinging light and absorber uniform distribution of identical absorbing particles
Absorption Coefficient, ma [1/m]
m a N a sa
Absorption cross-sectional area per unit volume of medium Absorption mean free path, la [m]
Represents the average distance a photon travels before being absorbed
Lambert-Beer Law
s= absorption cross-sectional area = s a
What is Tissue Optics? Definitions from dictionary

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。

第二章光生物物理-激光基本知识与应用

受激吸收自发辐射
受激辐射、激光
1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
利用光的干涉设计精密测量仪衍射光栅则是重要的分光仪器
利用光谱认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等) 激光在精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业的应用
二十世纪以来的重大发明
原子能（核能）
1947年肖克利发明晶体管
1946年2月14日世界第一台计算机诞生，由莫奇来和爱克特发明
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。
按工作波段分类：红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射线激光器。
按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激
光器。
氦-氖激光器的构造
氩离子激光器的构造
激光器的种类 - 按工作物质分类
气体激光器 Gas Laser
– 工作物质是气体或金属蒸气。
– 常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8 nm（红光）。另一种典型代表是氩离子激光器 Ar+(488 nm,514.5 nm) ，另外还包括有N2(337.1nm, 357.7nm, 315.9nm) /CO2(10.6 μm)
自发辐射粒子受到激发而进入的高能态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，既使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级（ E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率 =（E2E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。

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。

激光与光-组织相互作用

组织光学
投射：残余的光传输到皮下组织，这主要依赖于波长，波长短的光（300-400nm）被散射，穿透不超过0.1mm。600-1200nm波长的光穿透得更深一点，因为它们散射的少。图1-5 皮肤上入射光的结局
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）光动力反应：它构成了光动力疗法（photodynamic therapy）的基础，包括一种光敏性药物或其前体的局部或系统应用。适宜的光源可诱发两种反应，光氧化反应和即刻细胞毒素反应。光动力疗法也可以适用于生物体内的色基，诸如在痤疮丙酸杆菌中发现的色基，用蓝光杀灭痤疮丙酸杆菌，痤疮在临床上就得到了改善。（3）光热和光机械作用：选择性光热作用理论已经用于祛除皮肤的血管畸形、文身、某些良性的色素沉着病变和脱毛。该理论假定，如果所选定的波长其在靶组织和周围组织之间的吸收系数差异尽可能大，能量密度足够高以破坏靶组织，而且脉冲宽度低于或等于热驰豫时间（ TRT），那么光可以用来选择性损伤或毁坏靶色基。热驰豫时间是指靶组织用于释放约63%的热量所需的时间，下面将详述。波长：重要组织色基的吸收光谱与皮肤科常用的激光波长的关系如图1-6所示。血红蛋白有许多不同的吸收峰值，而黑色素的吸收随着光波长的增加而逐渐减少。必须考虑靶组织的深度，因为真皮中的散射受到波长的强烈影响，波长越长，吸收相对减少。波长越短，吸收相对越多。在某些情况下，特别在黑色素中，单纯的波长不是必需的，可能更需要闪光灯，因为它们具有较宽的发射光谱（500-1200nm）,比激光制造起来更廉价，可以用于滤光器（515-755nm）热豫时间（TRT）：热驰豫时间只与靶色基的大小有关，与靶色基大小的平方成正比。变化时间从几纳秒（文身离子）到几百毫秒或更长（腿小静脉）不等。在脱毛过程中，毛干的黑色素和毛基质细胞充当光吸收物质，而峡部的干细胞（可能和乳头部的血管）就是远处的靶组织。

激光医学课程激光特性与激光生物效应优选PPT

方向性的好坏反映了光能量在空间分布的集中性。发散角是衡量光束方向性好坏的标志. 探照灯：38万公里远月亮上， 1000公里. 单模激光：α=122λ/D , 发散角1毫弧度(mrad),
1公里. 原因: 受激辐射一致; 谐振腔选模. 应用: 激光在空间的高度集中, 可聚焦成激光手术刀;
加上单色性好, 聚焦时无色散象差, 可聚焦成微米级的激光微束, 能用于对细胞实行打孔和融合手术等.
3、亮度高强度大
亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率.
1米长的40W日光灯,与1米长的40W CO2激光器相比亮度相差1010=100亿倍.
红宝石脉冲激光器1016KW/cm2与太阳相差100亿倍.
激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细(发散特别小)，功率密度特别大，因而其亮度也特别大.把分散在180°范围内的光集中到 0.18°范围，亮度提高100万倍.通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度.
表述：（又称光化学第一定律）只有被分子吸收的光子，才能在系统中导致化学反应．
血卟啉衍生物（hemotoporphyrin derivative， HpD）
辐射亮度,与人眼对不同波长的感觉给出：功率密度（I）、能量密度（D）
主要用于医学基础研究和临床疾病的诊断。
4) 对皮肤等组织的影响：
无关. YAG激光看不见,但可以切割骨骼、 1．掌握激光的基本特性
激光生物作用
发生激光生物效应的过程叫激光生物作用。主要有： 1）光致发光作用 2）光致发热作用 3）光致压强作用 4）光致化学作用 5）弱激光的生物刺激作用。
(一) 光致发光作用
光致发光作用：生物组织吸收了激光能量之后又以辐射的方式释放光能的过程。