04第二章 激光在医学上的应用(一)
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散射系数：组织中单位长度上一个光子被散射的概率。 衰减系数：也称为消光系数，是吸收系数与散射系数之和。
（二）生物组织的光学特性
设计：李波
3.生物组织的光学特性—散射
引起散射的原因：生物组织的电磁性质及折射Leabharlann Baidu分布的不 均匀性。
生物体中散射光的特性
一般向前散射很强，而经过多重散射后，光在生物体内扩 散，变得近似于各向同性散射。
§1 激光治疗的作用机制
设计：李波
二、影响激光生物效应的主要因素
（一）激光的主要参量
波长、频率：与应用目的直接关联的参量，是影响生 物效应的主要参量之一。
光子的能量：光子的频率越高，其能量也越大。 功率：实际应用中最重要、最基本的参量。 功率密度：垂直照射到受照组织单位面积上的功率。 能量：激光器输出的能量。 照射剂量：受照处功率密度与照射时间的积，即能量
设计：李波
生物组织主成分是水，还有蛋白质、脂肪、无机质 等，软组织(皮肤、肌肉、内脏)中含水约60%—80％。
水是世界上比热容 最高的物质
含水量越高、比热容越大， 越不容易升温
生物组织的比热容(Jkg-1K-1) 角质层 生发层 真皮层 脂肪 肌肉 血液 水 2093 2931 3182 2177 3601 3852 4187
（二）生物组织的光学特性
设计：李波
2.生物组织光学特性的几个基本概念
反射率：入射光照射到组织表面产生的反射光和入射光的强 度之比。
透射率：入射光照射到组织表面产生的透射光和入射光的强 度之比。
将光能转换成其他形式的能量过程称为吸收，侧向传播称为 散射；衰减后的光束沿原方向继续传播称为透射。
吸收系数：组织中单位长度上一个光子被吸收的概率。取决 于组织中的水分子、蛋白质和色素，以及入射激光波长。
设计：李波
激光医学
临床治疗
激光手术刀、治疗视网膜裂 孔、眼底病变、矫正屈光不正， 清除血管堵塞物，激光结合光 敏药物治疗恶性肿瘤，激光美 容等。
医学测量和诊断
激光多普勒流速计可以非接触地法测 量血流速度；激光流式细胞计技术能 对大量细胞的多项指标进行快速测定； 激光光谱分析法大大提高了分辨率、 灵敏度；激光全息、激光透照等有独 特的检查效果。
光
作物质较贵，结构制造复杂。
器
半导体激光器
半导体激光器的种类很多。不同类型的工作
物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不
染料激光器
同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱 结构复杂,单色性差，但其重量轻、耗电省。
利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围 内连续可调的激光。
激光医学的应用范围 应用前景巨大
激光生物作用有5种：热、光化、压强、电磁、生物刺激。
§1 激光治疗的作用机制
设计：李波
3.两种生物反应水平的激光 医学中以激光与生物组织作用后产生的生物效应强弱区分.
• 强激光：用这种生物学剂量水平的激光直接辐照生物 组织时可导致生物组织发生不可逆性损伤的激光。
用途：治疗（切割、汽化、凝固等）。
• 弱激光：用这种生物学剂量水平的激光直接照射生物 组织,不会引起生物组织直接发生不可逆性损伤的激光. 用途：理疗、针灸。
水对1.06m的Nd：YAG激光吸 收很少，而对10.6m的CO2激光 吸收很多.因此Nd：YAG激光穿 透很深，而CO2激光穿透很浅。
Er：YAG激光（2.9um)的穿透 深度比CO2激光还要浅。
激光作用于组织时，会导致生物组织发生形态或者机能的改 变的现象——治疗疾病的基础。
2.两类激光生物作用
1)初级激光生物作用：组织吸收激光能量后，可能发生一系列 的能量转换过程，它是导致发生第二类激光生物效应的初级 过程。
2)次级激光生物作用：初级激光生物作用的理化因子，可能导 致生命分子在分子、细胞、组织或者系统水平上发生形态或 机能生物学改变，这种变化称为次级激光生物作用。
（二）生物组织的光学特性
设计：李波
3.生物组织的光学特性—散射
激光在生物组织中的几种作用：
强前散射
多重散射－光扩散--近 似各向同性散射
生物体与光的各种相互作用
光能被吸收后转换成热和激励生物分子感应出荧光和磷光
3.生物组织的光学特性—吸收
设计：李波
设生物体中入射的单色平行光强度为I0，生物体为均匀吸 收体（ a0：吸收系数），入射深度为x处的光强度I为
复习：激光器的分类（按工作物质分）
设计：李波
气体激光器
气体激光器，按工作物质的性质又分为 原子激光器、分子激光器和离子激光器。 波谱范围广，能连续输出，单色性、方向 性比其它类型的激光器好。且制造方便、 成本低、可靠性高。
常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇
激
固体激光器
铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工
I I0 exp a0x
x
在不能忽略散射的条件下，上式可 用衰减系数at和散射系数as改写为:
I I0 exp at x
at as a0
生物体中的光衰减
3.生物组织的光学特性—吸收
设计：李波
影响吸收系数的主要因素 生物组织的成分
激光的波长
在红外波段,水是主要的吸收体,且
随着波长的增加组织 对光的吸收增加。
第二章 激光在医学上的应用
§2.1 激光医学基础理论 §2.2 强激光的临床应用 §2.3 激光光动力学疗法 §2.4 弱激光治疗 §2.5 激光在生物体检测及诊断中的应用 §2.6 常用的医用激光装置 §2.7 国内外激光医疗技术的发展方向
§2.1 激光医学基础理论
设计：李波
一、概述
1.激光的生物效应
密度。
二、影响激光生物效应的主要因素
（二）生物组织的光学特性 1.生物组织的各种特性
设计：李波
光学性质：反射、透射、散射、吸收等； 热学：比热容、热导率、热扩散等； 机械：密度、弹性等； 电学：阻抗、极化率等； 声学：声阻、声吸收等； 其他：水量、血流量、色素类型及含量等。
生物组织的热学性质
生物组织的热学性质
设计：李波
• 生物组织的热导率（10-1W/mK) 生物组织的热导率随含水量增加而增加
生物组织的热学性质 • 生物组织的热扩散率（室温，m2/s)
设计：李波
主动脉 心肌 1.27 1.48
脂肪 1.31
脑 血浆 肺 肝 1.38 1.24 1.31 1.14
生物组织的热扩散率与温度有关，差别不大
（二）生物组织的光学特性
设计：李波
3.生物组织的光学特性—散射
引起散射的原因：生物组织的电磁性质及折射Leabharlann Baidu分布的不 均匀性。
生物体中散射光的特性
一般向前散射很强，而经过多重散射后，光在生物体内扩 散，变得近似于各向同性散射。
§1 激光治疗的作用机制
设计：李波
二、影响激光生物效应的主要因素
（一）激光的主要参量
波长、频率：与应用目的直接关联的参量，是影响生 物效应的主要参量之一。
光子的能量：光子的频率越高，其能量也越大。 功率：实际应用中最重要、最基本的参量。 功率密度：垂直照射到受照组织单位面积上的功率。 能量：激光器输出的能量。 照射剂量：受照处功率密度与照射时间的积，即能量
设计：李波
生物组织主成分是水，还有蛋白质、脂肪、无机质 等，软组织(皮肤、肌肉、内脏)中含水约60%—80％。
水是世界上比热容 最高的物质
含水量越高、比热容越大， 越不容易升温
生物组织的比热容(Jkg-1K-1) 角质层 生发层 真皮层 脂肪 肌肉 血液 水 2093 2931 3182 2177 3601 3852 4187
（二）生物组织的光学特性
设计：李波
2.生物组织光学特性的几个基本概念
反射率：入射光照射到组织表面产生的反射光和入射光的强 度之比。
透射率：入射光照射到组织表面产生的透射光和入射光的强 度之比。
将光能转换成其他形式的能量过程称为吸收，侧向传播称为 散射；衰减后的光束沿原方向继续传播称为透射。
吸收系数：组织中单位长度上一个光子被吸收的概率。取决 于组织中的水分子、蛋白质和色素，以及入射激光波长。
设计：李波
激光医学
临床治疗
激光手术刀、治疗视网膜裂 孔、眼底病变、矫正屈光不正， 清除血管堵塞物，激光结合光 敏药物治疗恶性肿瘤，激光美 容等。
医学测量和诊断
激光多普勒流速计可以非接触地法测 量血流速度；激光流式细胞计技术能 对大量细胞的多项指标进行快速测定； 激光光谱分析法大大提高了分辨率、 灵敏度；激光全息、激光透照等有独 特的检查效果。
光
作物质较贵，结构制造复杂。
器
半导体激光器
半导体激光器的种类很多。不同类型的工作
物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不
染料激光器
同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱 结构复杂,单色性差，但其重量轻、耗电省。
利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围 内连续可调的激光。
激光医学的应用范围 应用前景巨大
激光生物作用有5种：热、光化、压强、电磁、生物刺激。
§1 激光治疗的作用机制
设计：李波
3.两种生物反应水平的激光 医学中以激光与生物组织作用后产生的生物效应强弱区分.
• 强激光：用这种生物学剂量水平的激光直接辐照生物 组织时可导致生物组织发生不可逆性损伤的激光。
用途：治疗（切割、汽化、凝固等）。
• 弱激光：用这种生物学剂量水平的激光直接照射生物 组织,不会引起生物组织直接发生不可逆性损伤的激光. 用途：理疗、针灸。
水对1.06m的Nd：YAG激光吸 收很少，而对10.6m的CO2激光 吸收很多.因此Nd：YAG激光穿 透很深，而CO2激光穿透很浅。
Er：YAG激光（2.9um)的穿透 深度比CO2激光还要浅。
激光作用于组织时，会导致生物组织发生形态或者机能的改 变的现象——治疗疾病的基础。
2.两类激光生物作用
1)初级激光生物作用：组织吸收激光能量后，可能发生一系列 的能量转换过程，它是导致发生第二类激光生物效应的初级 过程。
2)次级激光生物作用：初级激光生物作用的理化因子，可能导 致生命分子在分子、细胞、组织或者系统水平上发生形态或 机能生物学改变，这种变化称为次级激光生物作用。
（二）生物组织的光学特性
设计：李波
3.生物组织的光学特性—散射
激光在生物组织中的几种作用：
强前散射
多重散射－光扩散--近 似各向同性散射
生物体与光的各种相互作用
光能被吸收后转换成热和激励生物分子感应出荧光和磷光
3.生物组织的光学特性—吸收
设计：李波
设生物体中入射的单色平行光强度为I0，生物体为均匀吸 收体（ a0：吸收系数），入射深度为x处的光强度I为
复习：激光器的分类（按工作物质分）
设计：李波
气体激光器
气体激光器，按工作物质的性质又分为 原子激光器、分子激光器和离子激光器。 波谱范围广，能连续输出，单色性、方向 性比其它类型的激光器好。且制造方便、 成本低、可靠性高。
常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇
激
固体激光器
铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工
I I0 exp a0x
x
在不能忽略散射的条件下，上式可 用衰减系数at和散射系数as改写为:
I I0 exp at x
at as a0
生物体中的光衰减
3.生物组织的光学特性—吸收
设计：李波
影响吸收系数的主要因素 生物组织的成分
激光的波长
在红外波段,水是主要的吸收体,且
随着波长的增加组织 对光的吸收增加。
第二章 激光在医学上的应用
§2.1 激光医学基础理论 §2.2 强激光的临床应用 §2.3 激光光动力学疗法 §2.4 弱激光治疗 §2.5 激光在生物体检测及诊断中的应用 §2.6 常用的医用激光装置 §2.7 国内外激光医疗技术的发展方向
§2.1 激光医学基础理论
设计：李波
一、概述
1.激光的生物效应
密度。
二、影响激光生物效应的主要因素
（二）生物组织的光学特性 1.生物组织的各种特性
设计：李波
光学性质：反射、透射、散射、吸收等； 热学：比热容、热导率、热扩散等； 机械：密度、弹性等； 电学：阻抗、极化率等； 声学：声阻、声吸收等； 其他：水量、血流量、色素类型及含量等。
生物组织的热学性质
生物组织的热学性质
设计：李波
• 生物组织的热导率（10-1W/mK) 生物组织的热导率随含水量增加而增加
生物组织的热学性质 • 生物组织的热扩散率（室温，m2/s)
设计：李波
主动脉 心肌 1.27 1.48
脂肪 1.31
脑 血浆 肺 肝 1.38 1.24 1.31 1.14
生物组织的热扩散率与温度有关，差别不大