生物医学工程-医用激光技术
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入射光
散射
1。皮肤镜 2。偏振光检测
反射
生物组织界面
散射/ 反射
1。共聚焦成像 2。光学相干成像 3。多光子成像
吸收 靶组织 透射
1. 光化学效应 2. 光机械效应 3. 光热效应 4. 非线性效应
激光与生物组织相互作用原理图
入射光
散射
反射
生物组织界面
吸收
1. 光化学效应 2. 光机械效应 3. 光热效应 4. 非线性效应
主要特 点: 柔韧
通过内窥镜接近结石: 可以使用硬镜, 半硬镜或软镜。
W.O.M. U100 激光碎石机可以治疗尿道任何位置的结石，包括肾脏。
柔韧性：W.O.M. U100 激光碎石机的光纤 W.O.M. GF100 的光纤直径：280/730 µm
钬激光的光纤直径： 400/800 µm
（Wolf 9F纤维 输尿管镜）
YAG Rod Power Controller
Red or Green Selection
激光在生物医学领域应用中的特点
做为能量的载体: 治疗
利用激光的单色性, 高能量
做为信息的载体: 成像, 测量, 诊断
利用激光的单色性, 相干性
光纤技术及各种光电子技术的应用 与多领域技术的交叉与应用
激光与生物组织相互作用原理图
Laser
激光的特点：
3. 高能量密度 4. 短脉冲
典 型 固体 激 光 光 路 及 电 路 示 意 图
Red to Green Converter Shutter #2 Power Meter
Power Controller
脉冲电源 连续电源 及相应 控 制电路
(220V/8A)
Shutter #1 Flash lamp Q-Switched
散射
靶组织 透射
生物组织中各种“靶组织” (色基）的吸收光谱
Pure Scattering
软组织的吸收特点：
水的吸收系数从最大到最小相差 1000万倍 (3.0 µm) ————— = 10.000.000 (0.5 µm)
532nm (绿光）不被无血管的软组织所吸收，并且散射 较强， 易造成周边组织损伤！
To Activate New Collagen without Damaging the Dermis
Laser Technology Offers An Effective Means for Collagen Remodeling and Genesis:
Depth of Activity： by Wavelength Selection Mechanism of Activity:
303nm is the superior wavelength for Psoriasis Treatment
T-Cell Apoptosis D3 Production
Excimer Laser
303nm 303nm
Portable LED Device for Home Treatment of Psoriasis and Vertilago
激光发展历史
1960年： Maiman 发明第一台红宝石 激光， 获得诺贝尔物理学奖
Maiman,T.H.: 1960, Nature, 187, 493.
激光的特点：
1. 单色性
激光的产生原理
光子放大 光子 Ordinary Light Laser Light
普通光的产生原理
激光的特点
2. 方向性
QS 1064nm (5ns)
LP 1064nm (0.35ms)
Youthful skin contains a predominance of collagen type Ⅲ, a tensile, flexible, and less fibrous form of collagen. During the aging process, collagen type Ⅲ is gradually replaced by collagen type Ⅰ.
Conclusion:
All laser treated areas show marked increases in fibroblast and collagen genesis Photo-Mechanical effect using Q-switched Nd:YAG laser promotes more effectively the synthesis of collagen type III Photo-thermal effect favored more the formation of collagen type I.
光机械作用
在泌尿外科中的应用：激光碎石
1983: 第一台激光碎石系统： 脉冲染料激光碎石 系统
532nm/1064nm 双波长碎石系统 钬激光碎石系统
Video
泌尿系结石的腔内治 疗（URS）的优点：
直接接触结石。 直视下手术。 直接快速地清除结石碎 粒。 碎石效果好于体外冲击 波碎石（ESWL），尤 其是膀胱结石和输尿管
In 1905, Albert Einstein published the theory of the photoelectric effect.
激光发展历史
激光的产生机理由爱因斯坦在1917年预言 L A S E R Light Amplificati on Stimulated Emission Radiation
Y. Dang et. al.: Experimental Dermatology 14 (12), 876-882, 2006 H. Liu, et. al: : Lasers in Surgery and Medicine 40:13-19, 2008
Portable Narrow-Band High Intensity LED System for Psoriasis and Vertilago
by Pulse Duration Selection
500－600nm Or >2300nm 600－ 700nm 700－ 1000nm 1064nm
Degree of Activity: by Fluence Selection
Material and Method
Animal model Depilated Kuming (KM) mice Four Laser Treatment Modalities
Material and Method
Skin samples were taken and analyzed post-operatively at:
1 hr, 1 day, 1 wk, 3 wk, 4wk and 8wk Histological changes
H-E Stain ( Thickness of Dermis and No. of Fibroblast) Sirius Red Stain (Collagen Type I and III)
光化学作用
Photo Dynamic Therapy （PDT） 光动力学 光敏剂：血卟啉衍生物 (Hemtoporphyrin Derivative, HPD) 在实验及临床应用发现，光敏剂 注入有机体后，患有肿瘤细胞时 吸收最多，而正常细胞吸收极微。
光化学作用
Photo Dynamic Therapy （PDT） 光动力学 治疗膀胱肿瘤及前列腺癌： 光敏剂：血卟啉衍生物（HPD）
光热作用
激光与光子生物医学研究小组 的研究工作
Non-ablative Collagen Remodeling Initiated by Different Laser Effects:
A Comparative Study on Mouse Model
Goal for Anti-Aging Treatment
Peng Xi and Qiushi Ren*
Institute for Laser Medicine & Bio-Photonics Department of Biomedical Engineering Shanghai Jiaotong University
Clinical Responses of the Skin to the Narrow Band UVB Treatment
Hydroxyproline Content Assay: Amount of New Collagen Formation at 4 wk and 8 wk
Results
Relative Increase Percentages of Type I and III
Conclusion:
QS 1064-nm laser promotes most synthesis of collagen type Ⅲ
极易弯曲的软镜配合插入 W.O.M. 的特细光纤，使得深部结石的治疗 变得更加容易。
尿路结石– 新的 治疗方法
膀 胱 结 石 输 尿 管 结 石 肾 结 石
体 外 冲 击 波 碎 石 腔 内 碎 石
W.O.M. U100 激光碎石机
光热作用
产生的机理：
激光与组织的作用时间（激光脉宽）大 于组织吸收激光能量后的传导时间
HPD＋hv → 3（HPD） 3（HPD）＋3-O2 → 1O2＋HPD 1O2＋A →AOX＋３O２
有待研究的课题：
效率高， 避光要求低 注射光敏剂后最佳的激光照射时间 最佳的治疗波长和治疗参数
光机械作用
产生的机理：
激光的脉宽（与组织的作用 时间）小于组织吸收激光能 量后的传导时间
Q-Switch Nd:YAG Pulse Laser: 激光波长： 1064 nm 激光能量： 6mJ 激光脉宽： 5ns
595-nm pulsed dye laser (10 ms) 1320-nm Nd:YAG laser (0.35 ms) 1064-nm Nd:YAG lasers long-pulsed (0.3 ms) 1064-nm Nd:YAG lasers Q-switched (5 ns)
医用激光技术
生物医学工程系
任 秋 实 博士
renqsh@coe.pku.edu.cn
Fra Baidu bibliotek
北京大学工学院讲席教授 教育部长江学者特聘教授
嘿嘿~~
http://clendening.kumc.edu/dc/
U.S. Library of Congress - Famous People
The first indication that light might be quantized came from Max Planck in 1899 when he correctly modelled blackbody radiation.
T-Cell Apoptosis: Local Immunosuppression Vitamin D Production: Melanocyte Stimulation: Reaches Basal Layer Mast Cell Apoptosis: Relieves Itching Antibacterial: Kills Exposed Bacteria
Effect
Thermal Effect Thermal Effect Thermal Effect Non-Thermal (Mechanical)
Material and Method
Laser Parameters
determined by skin reaction of mice
80% of the Fluence that induces skin erythema
Non-Invasive Multi-Modality Cellulite Reduction
Extra-Cellulite Accumulation under the Skin
Multi-Modality Non-Invasive Cellulite Reduction Probe
5 9 1 6
7
8
Selective and Targeted Photo-Therapy for Skin Cancer Using Dendrimer-Coated Gold Nano-Rods Conjugated By RGD peptide
散射
1。皮肤镜 2。偏振光检测
反射
生物组织界面
散射/ 反射
1。共聚焦成像 2。光学相干成像 3。多光子成像
吸收 靶组织 透射
1. 光化学效应 2. 光机械效应 3. 光热效应 4. 非线性效应
激光与生物组织相互作用原理图
入射光
散射
反射
生物组织界面
吸收
1. 光化学效应 2. 光机械效应 3. 光热效应 4. 非线性效应
主要特 点: 柔韧
通过内窥镜接近结石: 可以使用硬镜, 半硬镜或软镜。
W.O.M. U100 激光碎石机可以治疗尿道任何位置的结石，包括肾脏。
柔韧性：W.O.M. U100 激光碎石机的光纤 W.O.M. GF100 的光纤直径：280/730 µm
钬激光的光纤直径： 400/800 µm
（Wolf 9F纤维 输尿管镜）
YAG Rod Power Controller
Red or Green Selection
激光在生物医学领域应用中的特点
做为能量的载体: 治疗
利用激光的单色性, 高能量
做为信息的载体: 成像, 测量, 诊断
利用激光的单色性, 相干性
光纤技术及各种光电子技术的应用 与多领域技术的交叉与应用
激光与生物组织相互作用原理图
Laser
激光的特点：
3. 高能量密度 4. 短脉冲
典 型 固体 激 光 光 路 及 电 路 示 意 图
Red to Green Converter Shutter #2 Power Meter
Power Controller
脉冲电源 连续电源 及相应 控 制电路
(220V/8A)
Shutter #1 Flash lamp Q-Switched
散射
靶组织 透射
生物组织中各种“靶组织” (色基）的吸收光谱
Pure Scattering
软组织的吸收特点：
水的吸收系数从最大到最小相差 1000万倍 (3.0 µm) ————— = 10.000.000 (0.5 µm)
532nm (绿光）不被无血管的软组织所吸收，并且散射 较强， 易造成周边组织损伤！
To Activate New Collagen without Damaging the Dermis
Laser Technology Offers An Effective Means for Collagen Remodeling and Genesis:
Depth of Activity： by Wavelength Selection Mechanism of Activity:
303nm is the superior wavelength for Psoriasis Treatment
T-Cell Apoptosis D3 Production
Excimer Laser
303nm 303nm
Portable LED Device for Home Treatment of Psoriasis and Vertilago
激光发展历史
1960年： Maiman 发明第一台红宝石 激光， 获得诺贝尔物理学奖
Maiman,T.H.: 1960, Nature, 187, 493.
激光的特点：
1. 单色性
激光的产生原理
光子放大 光子 Ordinary Light Laser Light
普通光的产生原理
激光的特点
2. 方向性
QS 1064nm (5ns)
LP 1064nm (0.35ms)
Youthful skin contains a predominance of collagen type Ⅲ, a tensile, flexible, and less fibrous form of collagen. During the aging process, collagen type Ⅲ is gradually replaced by collagen type Ⅰ.
Conclusion:
All laser treated areas show marked increases in fibroblast and collagen genesis Photo-Mechanical effect using Q-switched Nd:YAG laser promotes more effectively the synthesis of collagen type III Photo-thermal effect favored more the formation of collagen type I.
光机械作用
在泌尿外科中的应用：激光碎石
1983: 第一台激光碎石系统： 脉冲染料激光碎石 系统
532nm/1064nm 双波长碎石系统 钬激光碎石系统
Video
泌尿系结石的腔内治 疗（URS）的优点：
直接接触结石。 直视下手术。 直接快速地清除结石碎 粒。 碎石效果好于体外冲击 波碎石（ESWL），尤 其是膀胱结石和输尿管
In 1905, Albert Einstein published the theory of the photoelectric effect.
激光发展历史
激光的产生机理由爱因斯坦在1917年预言 L A S E R Light Amplificati on Stimulated Emission Radiation
Y. Dang et. al.: Experimental Dermatology 14 (12), 876-882, 2006 H. Liu, et. al: : Lasers in Surgery and Medicine 40:13-19, 2008
Portable Narrow-Band High Intensity LED System for Psoriasis and Vertilago
by Pulse Duration Selection
500－600nm Or >2300nm 600－ 700nm 700－ 1000nm 1064nm
Degree of Activity: by Fluence Selection
Material and Method
Animal model Depilated Kuming (KM) mice Four Laser Treatment Modalities
Material and Method
Skin samples were taken and analyzed post-operatively at:
1 hr, 1 day, 1 wk, 3 wk, 4wk and 8wk Histological changes
H-E Stain ( Thickness of Dermis and No. of Fibroblast) Sirius Red Stain (Collagen Type I and III)
光化学作用
Photo Dynamic Therapy （PDT） 光动力学 光敏剂：血卟啉衍生物 (Hemtoporphyrin Derivative, HPD) 在实验及临床应用发现，光敏剂 注入有机体后，患有肿瘤细胞时 吸收最多，而正常细胞吸收极微。
光化学作用
Photo Dynamic Therapy （PDT） 光动力学 治疗膀胱肿瘤及前列腺癌： 光敏剂：血卟啉衍生物（HPD）
光热作用
激光与光子生物医学研究小组 的研究工作
Non-ablative Collagen Remodeling Initiated by Different Laser Effects:
A Comparative Study on Mouse Model
Goal for Anti-Aging Treatment
Peng Xi and Qiushi Ren*
Institute for Laser Medicine & Bio-Photonics Department of Biomedical Engineering Shanghai Jiaotong University
Clinical Responses of the Skin to the Narrow Band UVB Treatment
Hydroxyproline Content Assay: Amount of New Collagen Formation at 4 wk and 8 wk
Results
Relative Increase Percentages of Type I and III
Conclusion:
QS 1064-nm laser promotes most synthesis of collagen type Ⅲ
极易弯曲的软镜配合插入 W.O.M. 的特细光纤，使得深部结石的治疗 变得更加容易。
尿路结石– 新的 治疗方法
膀 胱 结 石 输 尿 管 结 石 肾 结 石
体 外 冲 击 波 碎 石 腔 内 碎 石
W.O.M. U100 激光碎石机
光热作用
产生的机理：
激光与组织的作用时间（激光脉宽）大 于组织吸收激光能量后的传导时间
HPD＋hv → 3（HPD） 3（HPD）＋3-O2 → 1O2＋HPD 1O2＋A →AOX＋３O２
有待研究的课题：
效率高， 避光要求低 注射光敏剂后最佳的激光照射时间 最佳的治疗波长和治疗参数
光机械作用
产生的机理：
激光的脉宽（与组织的作用 时间）小于组织吸收激光能 量后的传导时间
Q-Switch Nd:YAG Pulse Laser: 激光波长： 1064 nm 激光能量： 6mJ 激光脉宽： 5ns
595-nm pulsed dye laser (10 ms) 1320-nm Nd:YAG laser (0.35 ms) 1064-nm Nd:YAG lasers long-pulsed (0.3 ms) 1064-nm Nd:YAG lasers Q-switched (5 ns)
医用激光技术
生物医学工程系
任 秋 实 博士
renqsh@coe.pku.edu.cn
Fra Baidu bibliotek
北京大学工学院讲席教授 教育部长江学者特聘教授
嘿嘿~~
http://clendening.kumc.edu/dc/
U.S. Library of Congress - Famous People
The first indication that light might be quantized came from Max Planck in 1899 when he correctly modelled blackbody radiation.
T-Cell Apoptosis: Local Immunosuppression Vitamin D Production: Melanocyte Stimulation: Reaches Basal Layer Mast Cell Apoptosis: Relieves Itching Antibacterial: Kills Exposed Bacteria
Effect
Thermal Effect Thermal Effect Thermal Effect Non-Thermal (Mechanical)
Material and Method
Laser Parameters
determined by skin reaction of mice
80% of the Fluence that induces skin erythema
Non-Invasive Multi-Modality Cellulite Reduction
Extra-Cellulite Accumulation under the Skin
Multi-Modality Non-Invasive Cellulite Reduction Probe
5 9 1 6
7
8
Selective and Targeted Photo-Therapy for Skin Cancer Using Dendrimer-Coated Gold Nano-Rods Conjugated By RGD peptide