激光医学第三章精选文档.ppt
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1、激光医学第三章本讲稿第一页,共八十页医学上使用医学上使用CW激光时的计量激光时的计量需知道:激光输出功率(需知道:激光输出功率(P)被照射面积(被照射面积(s)被照射时间(被照射时间(t)给出:功率密度(给出:功率密度(I)、能量密度()、能量密度(D)本讲稿第二页,共八十页对脉冲激光的计量对脉冲激光的计量需知道:激光单脉冲能量(需知道:激光单脉冲能量(E)脉冲宽度(脉冲宽度(t)重复频率(重复频率(f)被照射面积(被照射面积(s)被照射时间(被照射时间(t)给出:峰值功率(给出:峰值功率(Peak Power)、脉冲数、)、脉冲数、功率密度(功率密度(I)、能量密度(、能量密度(D)本讲稿第
2、三页,共八十页第三章激光对生物体的作用目的和要求:目的和要求:1 1掌握激光的基本特性掌握激光的基本特性 2 2掌握激光对生物组织的主要作用掌握激光对生物组织的主要作用 (即激光生物效应)(即激光生物效应)本讲稿第四页,共八十页激光是一种光源,也是一种电磁波,激光是一种光源,也是一种电磁波,但它对生物体的作用与普通光源和普通电但它对生物体的作用与普通光源和普通电磁波相比有其独特之处。为什么?这与激磁波相比有其独特之处。为什么?这与激光所具有的特性是分不开的。光所具有的特性是分不开的。激光的基本特性激光的基本特性 1 1、单色性好、单色性好 2 2、方向性好、方向性好 3 3、亮度高强度大、亮度
3、高强度大 4 4、相干性好、相干性好本讲稿第五页,共八十页激光的基本特性激光的基本特性激光的上述几个特性都是相互关激光的上述几个特性都是相互关联的,单色性好、方向性好导致亮度联的,单色性好、方向性好导致亮度高强度大。高强度大。本讲稿第六页,共八十页二、激光生物效应二、激光生物效应激光生物效应的概念激光生物效应的概念两类激光生物效应两类激光生物效应两种生物反应水平的激光两种生物反应水平的激光激光生物作用激光生物作用本讲稿第七页,共八十页激光生物效应的概念激光与生物组织相互作用后引起的生物组激光与生物组织相互作用后引起的生物组织的任何变化,都称为激光生物效应。织的任何变化,都称为激光生物效应。本讲
4、稿第八页,共八十页两类激光生物效应两类激光生物效应第一类激光生物效应:激光与生物组织相互第一类激光生物效应:激光与生物组织相互作用的结果,因生物组织的作用,使激光参作用的结果,因生物组织的作用,使激光参量发生改变的现象。是激光诊病的依据。量发生改变的现象。是激光诊病的依据。第二类激光生物效应:第二类激光生物效应:因激光的作用,使生因激光的作用,使生物组织发生形态或机能改变的现象。是激光物组织发生形态或机能改变的现象。是激光治病的基础。治病的基础。本讲稿第九页,共八十页两种生物反应水平的激光两种生物反应水平的激光强激光:用这种生物学剂量水平的激光直强激光:用这种生物学剂量水平的激光直接辐照生物组
5、织时可导致生物组织发生不接辐照生物组织时可导致生物组织发生不可逆性损伤,则定义这种强反应水平的激可逆性损伤,则定义这种强反应水平的激光为强激光。光为强激光。弱激光:用这种生物学剂量水平的激光直弱激光: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,则定义这种反应水平发生不可逆性损伤,则定义这种反应水平的激光为弱激光。的激光为弱激光。本讲稿第十页,共八十页激光生物作用发生激光生物效应的过程叫激光生物作用。发生激光生物效应的过程叫激光生物作用。主要有:主要有:1)光致发光作用)光致发光作用2)光致发热作用)光致发热作用3)光致压
6、强作用)光致压强作用4)光致化学作用)光致化学作用5)弱激光的生物刺激作用。)弱激光的生物刺激作用。本讲稿第十一页,共八十页(一一)光致发光作用光致发光作用光致发光作用:生物组织吸收了激光能量之光致发光作用: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。后又以辐射的方式释放光能的过程。通常有两类发光;一类是热辐射发光,另一类通常有两类发光;一类是热辐射发光,另一类是非热辐射发光。是非热辐射发光。非热辐射发光又称冷光。例:萤火虫的生物发非热辐射发光又称冷光。例:萤火虫的生物发光;高能粒子发光(闪烁计数器)。光;高能粒子发光(闪烁计数器)。本讲稿第十二页,共八十页光致发光作用光致发光作
7、用光致发光作用可用于临床检测与诊断。目前光致发光作用可用于临床检测与诊断。目前已用到的有载体荧光法、自体荧光法、偏已用到的有载体荧光法、自体荧光法、偏光法等光法等。本讲稿第十三页,共八十页载体荧光法给体内注入易于潴留在癌组织内的的荧光素药物后若干小时,再用较短波长的激光照射待检处,若能发现荧光素药物发出的荧光,则该处可能为病灶,并以此定位。由于此法的光致发光光源是外来药物,所以成为载体荧光。本讲稿第十四页,共八十页自体荧光法组织发生良性病变或恶变时,会发生结构或生物物理学参量改变,用较短波长的激光照射这些组织时可发出带有病变信息的特征荧光。例如:用波长为365nm的氙离子激光照射,若出现肿瘤特
8、有的630nm波峰的特异荧光,则提示肿瘤阳性反应。本讲稿第十五页,共八十页荧光产生原理当紫外光或波长较短的可见光照射到某些物质时,这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光,而当光源停止照射时,这种光线随之消失。这种在激发光诱导下产生的光称为荧光,能发出荧光的物质称为荧光物质。本讲稿第十六页,共八十页几乎所有物质分子都有吸收光谱,但不是所有物质都会发荧光。产生荧光必须具备以下条件:1.该物质分子必须具有与所照射的光线相同的频率,这与分子的结构密切相关。2.吸收了与本身特征频率相同的能量之后的物质分子,必须具有高的荧光效率。许多吸光物质并不产生荧光,主要是因为它们将所吸收能量消耗于与溶剂分子或其
9、它分子之间的相互碰撞中,还可能消耗于一次光化学反应中,因而无法发射荧光,即荧光效率很低。本讲稿第十七页,共八十页由荧光的发光原理可知,分子荧光光谱与激发光源的波长无关,只与荧光物质本身的能级结构有关,所以,可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性分析鉴别。照射光越强,被激发到激发态的分子数越多,因而产生的荧光强度越强,测量时灵敏度越高。一般由激光诱导荧光测量物质的特性比由一般光源诱导荧光所测的灵敏度提高2-10倍。本讲稿第十八页,共八十页生物组织的自体荧光属于分子荧光。在能量释放过程中,生物组织通过三种方式消耗能量:热消耗、荧光发射、在一个光化学反应中被利用。在热消耗过程中,光线仅仅被吸收而无荧光产
10、生;在光诱发的光化学反应表现为褪色。所以,生物组织的自体荧光是与热消耗和光化学反应相互竞争的结果,哪一种情况的发生率高,则哪一种情况占主导地位。荧光光谱较宽。实际上,探测器接收到的生物组织发出的自体荧光是激发光特性(功率、波长、激发光输出端的几何结构)、组织内荧光物质的含量与特性、其它物质对荧光的吸收与散射特性、荧光接收端的几何与光学特性等等诸多因素的综合效果。本讲稿第十九页,共八十页研究癌患者血清自体荧光光谱的特征,建立简便快速的癌筛查方法,为实现肺癌,肠癌的早期发现提供辅助手段。方法用常规的荧光分光光度计,在405nm激发下,测量癌患者和正常人血清的自体荧光发射光谱,分析研究二者的荧光光谱
11、差异。结果与正常人的血清自体荧光相比,肺癌,肠癌和乳腺癌患者在518nm的荧光峰明显增强。肺癌和肠癌患者血清在622nm荧光峰的相对强度T与背景荧光I612(612nm处荧光强度)有关。当I612在6I612 530 本讲稿第二十七页,共八十页4影响热作用的因素影响热作用的因素1)激光热作用与激光参数有关)激光热作用与激光参数有关 2)激光热作用与生物组织特性有关)激光热作用与生物组织特性有关 3)激光热作用与作用持续时间有关)激光热作用与作用持续时间有关 本讲稿第二十八页,共八十页光致热作用的应用在临床上可用于激光理疗,激光凝固、汽化和切割手术。弱激光的热作用可改善局部血液循环,改善组织营养
12、,促进代谢、修复等,还可改善神经系统功能。本讲稿第二十九页,共八十页强激光的热作用光致热凝固包含生物组织热致红斑、热致水泡及热致凝固三种水平。肿瘤的激光温热疗法、激光组织凝合术、视网膜焊接术、血管瘤等凝固止血术。光切除:激光汽化与切割对骨组织机钙化粥样硬化斑块表现出很好的切除作用,切口平滑无炭化。本讲稿第三十页,共八十页(三三)光致压强作用光致压强作用一个著名实验一个著名实验光子能量为光子能量为E=h,光子动量为,光子动量为P=h/c 单位面积单位时间的光子数是单位面积单位时间的光子数是n=Ih总动量总动量 P=(Ih)(h/c)=I/c 一次压强一次压强二次压强二次压强本讲稿第三十一页,共八
13、十页光压,是射在物体上的光所产生的压光压,是射在物体上的光所产生的压力。如阳光照在身体上,不仅会感觉力。如阳光照在身体上,不仅会感觉发暖,亦有压力,只是因为感觉器官发暖,亦有压力,只是因为感觉器官的限制而感觉不到。光压的发现源于的限制而感觉不到。光压的发现源于俄国和美国。俄国和美国。19 世纪,英国物理学家麦世纪,英国物理学家麦克斯韦创立了电磁理论,指出光的本质克斯韦创立了电磁理论,指出光的本质是电磁波。麦克斯韦还预言:光射到物是电磁波。麦克斯韦还预言:光射到物质表面时,将对这一表面施加压力。彗质表面时,将对这一表面施加压力。彗星尾巴背着太阳就是太阳的光压造成的。星尾巴背着太阳就是太阳的光压造
14、成的。本讲稿第三十二页,共八十页本讲稿第三十三页,共八十页测量光压的实验测量光压的实验列别捷夫所用仪器的主要部分是一用细线悬挂起来的极轻的悬体R,其上固定有小翼a及b,其中一个涂黑,另一个是光亮的。将悬体R置于真空容器G内。借助透镜及平面镜系统将由弧光灯B发出的光线射向小翼中的一个。由于作用在小翼上的光压力,使悬体R转动。转动的大小,可借助望远镜及固定在轴线上的小镜观察到。移动双镜能使光射在涂黑的小翼上。比较两种情况下悬体转动的大小,列别捷夫测得,涂黑表面所受的光压力比反射表面所受的光压力小一半,与理论完全符合。借助薄片P1使光流的一部分射到温差电池T上可以度量入射光能量的大小,因而可以对理论
15、作出定量的验证。本讲稿第三十四页,共八十页光致压强作用的二次压强光致压强作用的二次压强主要有:主要有:气流反冲压强气流反冲压强内部汽化压强内部汽化压强热膨胀超声压强热膨胀超声压强等离子体膨胀压强(等离子体膨胀压强(I 109Wcm2)电致伸缩压强电致伸缩压强等等本讲稿第三十五页,共八十页气流反冲压强气流反冲压强气流反冲压强是指生物组织表面受激光照射引起汽化时产生的反冲压。本讲稿第三十六页,共八十页内部汽化压强内部汽化压强 内部汽化压为激光聚焦于组织内部内部汽化压为激光聚焦于组织内部引起汽化时存在的压强。引起汽化时存在的压强。本讲稿第三十七页,共八十页等离子体膨胀压强等离子体膨胀压强等离子体膨胀
16、产生的冲击波可用于激光等离子体膨胀产生的冲击波可用于激光碎石术及激光眼科手术。碎石术及激光眼科手术。本讲稿第三十八页,共八十页(四四)光致化学作用光致化学作用1)定义:激光与生物组织相互作用时,)定义:激光与生物组织相互作用时,可直接引起化学反应,这种作用称为光可直接引起化学反应,这种作用称为光致化学作用,简称光化作用致化学作用,简称光化作用2)光化学吸收定律)光化学吸收定律3)光化学量子定律)光化学量子定律 4)光化反应的类型)光化反应的类型本讲稿第三十九页,共八十页光化学吸收定律光化学吸收定律表述表述:(又称光化学第一定律)只有:(又称光化学第一定律)只有 被分被分子吸收的光子,才能在系统
17、中导致化学反应子吸收的光子,才能在系统中导致化学反应推论推论:光化学反应具有波长选择性。:光化学反应具有波长选择性。本讲稿第四十页,共八十页光化学量子定律光化学量子定律表述表述:(:(又称光化学第二定律)在任何光又称光化学第二定律)在任何光化反应中,每个光子只和一个分子(离子或化反应中,每个光子只和一个分子(离子或原子)反应。原子)反应。推论推论:对于确定波长的激光,其光化效应:对于确定波长的激光,其光化效应只决定于光的总能量,而不决定于光的功率。只决定于光的总能量,而不决定于光的功率。(E=P t)注意:实际上激光生物效应是有功率阈值的,注意:实际上激光生物效应是有功率阈值的,不完全相同。不
18、完全相同。本讲稿第四十一页,共八十页光化反应的类型光化反应的类型主要有四种类型:主要有四种类型:1)光致分解)光致分解 2)光致氧化)光致氧化 HCHOO22COCO2H2OHC00H 3)光致聚合)光致聚合 4)光致敏化)光致敏化 (X,Y,S)(X,P,S)本讲稿第四十二页,共八十页光致敏化的类型光致敏化的类型不需分子氧参与的光致敏化光致敏化常用呋喃香豆素类物质常用呋喃香豆素类物质吸收约为吸收约为365nm的光(处于可见光与紫的光(处于可见光与紫外光边缘)外光边缘)可用于治疗白斑病和牛皮癣。可用于治疗白斑病和牛皮癣。本讲稿第四十三页,共八十页光动力学作用光动力学作用(photodynami
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