医用激光仪器绪论

null医用激光仪器医用激光仪器郭世俊 guosj@smic.edu.cn 新四大发明之一：激光新四大发明之一：激光激光技术所依据的理论，最早来自爱因斯坦. 1916 年，爱因斯坦提出了受激发射理论:受激发处于高能级的原子，受外来光子的作用，若外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致，就会诱导原子从高能级跳到低能级，发出与外来光子完全相同的另一光子. 新发出的光子不仅频率与外来光子一样，而且发射方向、偏振态、位相也都一样. 如果条件合适，光就可以象雪崩一样得到放大和加强. 这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”. 这年他37 岁. 不过爱因斯坦的理论并没有立即用来实现光的放大. 因为根据玻尔兹曼统计分布，平衡态中低能级的粒子数总是比高能级多，靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的. 因此在爱因斯坦提出受激辐射理论的许多年里，这个理论并没有实际应用.50 年前，1960 年5 月16 日，一名32 岁的工程师Theodore Maiman 按了休斯( Hughes) 实验室里的一个开关，从红宝石晶体里射出了一束光，人类历史上第一束激光就诞生了.经过二次大战之后，微波技术有了很大的发展. 1952 —1953 年，美国哥伦比亚大学的Townes 采用非相干抽运机制，形成原子系统两个能级间的粒子束反转，然后用长柱形介质腔内一对反射镜之间的反射，对共振频率的辐射进行放大，发明了微波激射. 除了工作频率是位于微波波段以外，工作原理已和激光非常接近.nullGordon Gould 提出的发明权问题是激光发展史的一个插曲. 当Townes 和Schawlow 在构思光学激光器之际，Gould 正在 哥伦比亚大学P. Kusch 教授手下当博士研究生，做铊原子束共振实验. 就在这时，Gould 产生了用光泵方法实现粒子数反转的 想法，认为需要用法布里- 珀罗谐振腔，并为光学激射器起了一个名字叫LASER. 他在笔记本上写下了自己的想法和计算， 请人签字旁证后密封. 他曾参加曼哈顿，由于政治观点左倾被解雇. 他想成立公司研制激光器，又被军方认为不符合保密 条件不许他参加. Gould 心中不平，多次向专利局申请专利，遭到拒绝. 于是请律师对专利局打官司，直到1987 年11 月4 日终 于得到胜诉，但时光已经过去快30 年. 他被承认是激光的发明者，1991 年被列入美国发明家名人堂，并得到一大笔专利费，但 80 %付给了律师.接着，大家自然考虑如何把受激发射对电磁波的放大推进到波长更短的可见光. 由于光频远高于微波频率，这是很困难 的一件事. 1957 —1958 年，Townes 和Schawlow 提出了方案，建议采用开放式的法布里- 珀罗谐振腔. Schawlow 是Townes 的 同事和连襟，他由于对激光光谱学的贡献获得1981 年诺贝尔物理学奖. 他们的方案引发了研制激光器的热潮，终于在1960 年 由Maiman 拔得头筹. 同年底，贝尔实验室的A. J avan (伊朗人) 制出首台发射连续激光的氦氖激光器. 还没有发行过J avan 的 邮票. 差不多同时，苏联列别捷夫物理研究所的Prokhorov 和Basov 也独立进行同样的研究工作并获得成功. 他们三人分享了 1964 年的诺贝尔物理学奖.课程的主要内容课程的主要内容激光原理； 激光与生物组织相互作用及生物学效应； 常用医用激光仪器的原理、结构及一般的使用方法，概括介绍了一些当前临床中激光的具体应用； 医用激光安全与防护 本课程的特点是理论密切联系仪器与临床实际应用，结合物理学、临床医学等相关知识，是一门典型的交叉学科课程。null激光 Laser 光受激辐射放大的简称 light amplification by stimulated emission of radiation 字面的意思是“通过辐射的受激发射实现光放大”，实质是光的受激放大。l964年经钱学森教授建议取名为“激光”，而港澳台至今仍用译名“镭射”。 nullnull激光是一个沿着一个方向传播、发散角极小的光束，振幅、频率、相位都是非常整齐而有序的，具有单色性好、方向性强、相干性高等特点。nullnullnull激光与医学 回顾医学科学的每一步进展，无不是由于各时期的新兴的科学新技术的介入。医学科学进展的标志之一是科学新技术与医学科学相结合衍生出新的边缘学科。 当代一个最重大的科技新成就激光技术，不仅为研究生命科学和研究疾病的发生发展开辟了新的研究途径，而且为临床诊治疾病提供了崭新的手段，现在已经形成了又一门新兴的边缘医学科学—激光医学。 null（一）与普通医学比较其特点 1．激光医学是一门技术性很强的学科 首先，激光技术本身包含了现代光学技术、电子技术和机械技术等多种学科的技术。 其次，在医用时常需光纤内窥镜技术和电子计算机等技术配合。一、激光医学的特点 null2．激光医学是一门建立在现代医学基础上的学科 激光医学在不少领域比普通医学更具优越性，但在很多领域，前者有局限性，并常作为后者的一个进展或补充。 3．激光医学是一门中西医相结合的学科 激光医学不但包括了现代医学也包括了祖国医学。null（二）与其他边缘学科比较其特点 1、作为应用科学，激光医学用途比较全面 冷冻医学多用于治疗，医用计算机科学多用于诊断，核医学多用于肿瘤，电子医学和超声医学各自的用途也非常有限。激光医学既可用于西医也可用于中医，既可用于研究生命科学也可用于诊断、预防和治疗疾病。null2、作为生物医学工程的一个成员，激光医学的工程技术涉及面较广 激光医学不但涉及到一整套现代光学体系，包括辐射度学、光谱学、成像光学、信息光学、量子光学、分子光学、非线性光学、纤维光学、显微光学、光学传输和光学计量，而且都离不开电子技术，有时还需要超声技术和计算机技术配合。 null（三）与普通光的光医学比较其特点 光与生物组织相互作用后的一些主要的原初级效应如热效应和光化效应都与光量子能量大小有关。小能量的光量子主要引起——热效应较大能量的光量于则主要引起——光化效应null1、激光与普通光源的相同处 （1）从光量子能量大小而言，激光因其光谱都在普通光的波谱范围之内，所以与普通光的光量子一样。 因此，普通光所致的光生物效应，治病作用，以及对生物组织的有害作用，激光都能引起。 （2）目前医学上常用的激光和普通光的光量子都不是高能粒子，因而都不能电离气体分子，所以都称之为非电离辐射。 null2、激光与普通光源的不同处： 激光技术能使光量子在空间上、时间上和波长上高度集中，致使激光的光功率密度之高比普通光所能达到的最高值还要高出10个以上数量级。因此，激光可使光生物作用大大提高了有效性和针对性，从而使得普通光所不显示的生物效应在用激光后变得明显起来，普通光所无能为力的特异诊治，激光却能大显身手。 null（四）与X光的放射医学比较其特点 1、X光跟激光、普遍光一样也是一种光，也具有波粒二象性：是电磁波，也是光粒子。 2、X光与普通光的不同之处：是光量子能量不同（相差悬殊） 如：X光的光量子能量比黄色普通光的光量子能量高出5个数量级，几十万倍！因此，用X光照射人体组织有很强的穿透能力，可用来诊断疾病，但它的高光量子能量可使蛋白质肽链的碳原子发生电离，可致细胞受损甚至癌变。当然因此也可用来杀死癌细胞。 3、激光与普通光的不同之处：激光的光量子数量可以在单位面积、单位时间和单位波长上高度集中。 null二、激光医学的研究内容研究、诊断和治疗疾病 （一）用激光新技术研究生命现象和规律 2、借助激光拉曼光谱技术，研究生物大分子的结构及其变化。 1、借助激光微束仪把激光束直径聚焦到0.5～1μm ，用以切割或焊接细胞，研究生物遗传规律。 null 3、借助于红外吸收光谱仪，通过对唇部的测定，能测定人血液内所存在的元素。 4、借助于激光多普勒测速技术测量皮肤、肠粘膜、胃粘膜的血流特征，可瞬时或连续地直接测量任何使光束可到达之处的组织的毛细血管的血流等。null（二）激光诊断 用于检验和诊断的激光技术主要有，激光荧光光谱术，激光喇曼光谱分析术，激光全息术，激光散斑分析术，激光多普勒测速术，激光流动式细胞分析术，激光干涉术，激光透照术和激光偏振技术等等，分别用来测量血液、尿液和人体其他组织的成份、微量元素的含量等，以及识别和分辨细胞是否病变或癌变。null（三）激光治疗 1．激光手术治疗用强激光 较高功率密度的激光束对病灶施行凝固、汽化和切割等各级水平的手术。 (1)与传统的解剖刀比，激光刀多不出血或少出血null (2)与传统的冷刀、超声刀和高频电刀比，激光刀的切割能力强，切口锋利，损伤少 (3)激光刀还能通过光导纤维进人体内施行手术而不用剖腹等开腔手术；能透过眼屈光介质对眼底施行手术而不用切开任何部位，这对于任何其他传统手术是做不到的。null2．激光非手术治疗用弱激光 用较低功率密度的激光照射人体组织不会直接损伤组织和细胞。 与传统理疗中的光疗比 激光的疗效显著地提高，且适应症更广泛得多 与传统毫针比 激光光针无菌、无痛，不会断针、晕针，却能治疗毫针的所有适应症 激光医学发展简史激光医学发展简史 激光的历史年代可以追溯到1917年，那年爱因斯坦在他的经典著作《关于辐射的量子理论》中第一次提出了受激发射的概念，论证了受激发射、自发发射和光吸收之间的关系。这些基本理论为以后的激光发展提供了理论基础。 1960年7月7日，Maiman宣布了世界上第一台激光器的诞生，即第一台红宝石激光器，在694.4nm波长处获得了400mJ相干脉冲光，虽然仅仅持续了几百微秒，但意义是巨大的。人类从此开创了一个新的技术领域—激光技术诞生了。 激光医学发展简史激光医学发展简史激光第一个被应用的领域是医学，激光医学的基本理论在60年代就完成了。 第一阶段 20世纪60年代为基础研究阶段 自第一台激光器问世后，被称为“激光医学奠基人”的Goldman L（著名皮肤病学专家）等就开始在皮肤上研究了激光与生物组织的相互作用； 1961年有人将红宝石激光试用于对剥离的视网膜进行焊接； 1963年，Goldman L开始将红宝石激光应用于良性皮肤损害和文身治疗并取得成功，开创了激光医学应用的先河。 60年代中后期还相继研制出氩离子（Ar＋）激光、低功率CO2激光和钕玻璃激光，但临床应用不多。 我国在激光器研究的初期走在了世界前列，1961年长春光机所研制了我国的首台红宝石激光器， 1965年北京同仁医院开始了红宝石激光视网膜凝固的动物实验，1968年上海研制出Nd：YAG（掺钕钇铝石榴石）激光。 null1961年，红宝石视网膜凝固机在美国问世，这是世界上第一台医用激光机，也是目前眼科常用的激光机。 在我国，1961年在长春制成我国第一台红宝石激光器。红宝石激光器第二阶段 20世纪70年代为临床试用阶段第二阶段 20世纪70年代为临床试用阶段 1970年Goldman L等人首次用连续CO2激光治疗基底细胞癌和皮肤血管瘤，由于连续地提供有效的激光功率和能量密度，克服了早期脉冲激光功率低、效率低的缺点，从而掀起了国内外首次激光医疗热潮，连续CO2激光被广泛地用于外科、皮肤科、五官科、妇科、理疗料、针灸科和肿瘤科等，并取得了较满意的效果。 70年代应用于皮肤美容的连续激光还有Ar+、Cu蒸气和Nd：YAG等激光。这些连续激光对组织的热损伤属非选择性的，治疗后常伴随皮肤瘢痕色素减退等副作用，尚达不到良好的美容效果。 null 1983年，Anderson RR和Parrish JA提出了选择性光热作用理论—即“光热分离”理论，其含意为根据不同组织的生物学特性，选择合适的波长、能量、脉冲持续时间，以保证对病变组织进行有效治疗之同时，尽量避免对周围的正常组织造成损伤。该理论实现了激光的有效性和安全性的完美统一，是激光医学特别是激光美容医学发展史上的里程碑。 根据选择性光热作用的脉冲激光机在80年代有很大进步。相继出现了铒激光、准分子激光、以及不断完善的CO2激光和脉冲染料激光，激光新技术已经比较成熟地用于研究、诊治疾病和美容治疗，并且已经形成了一支庞大的专业化队伍，这是激光医学学科形成的重要标志之一。 第三阶段 20世纪90年代为发展成熟阶段第四阶段 20世纪90年代为发展成熟阶段 第四阶段 20世纪90年代为发展成熟阶段 进入20世纪90年代后，医用激光领域尤其是美容激光领域，研制出更新的高能超脉冲整形激光产品，以满足临床治疗疾病和美容业的需要。 医用激光器朝着高性能、智能化、微型化及专科化方向发展。 国外激光医学的现状国外激光医学的现状美国和德国，日本在激光器生产技术及其实用化方面居世界领先地位，故激光医疗设备不仅在这些国家获得广泛应用，而且大量出口海外市场，仅CO2激光美容器械和准分子激光视力矫正器2类产品即带来数亿美元的销售收入。 日本从1960年代开始激光器研究。自1990年代以来，日本在激光医疗设备研制与生产上急追美国。日本现已生产出Ar激光眼底凝固器（治疗视网膜剥离等常见眼病）、外科用CO2激光手术刀、内科用Nd、YAG激光内窥镜等一系列新型激光医疗设备，不仅能满足国内临床需求，而且已出口至欧美国家市场。 国外激光医学的现状 激光医疗设备早在20年前已在国外各大医院普及。2005年全球民用激光器产品总销售额大约为586亿美元，其中医疗激光器产品约占1/10（50多亿美元）。近几年来，医用激光器的一大进展是它在心血管病手术中的新应用，如在世界第一冠心病大国——美国每年平均有数百万人需做动脉搭桥手术，但有些病人不宜开刀（易引起大出血）。利用“激光刀”做动脉搭桥手术，不仅能迅速止血，而且可用激光疏通动脉中沉积的脂类物质（使其气化并被血液带走），从而彻底清除掉动脉中的隐患。为了更好地发挥和利用激光的这一优势，美国一家公司首创的医用管状激光器已获准上市。管状激光器具有细长而柔韧的专用探头，可用于诊断和治疗包括冠状动脉粥样硬化在内的常见心血管病和其它血管性疾病。美国加州大学开发的纳米金颗粒/激光器联合应用新技术可用于治疗实体肿瘤疾病，即首先设法将纳米金颗粒附着于癌细胞上，再用特定激光照射，从而使金颗粒瞬间气化并杀死癌细胞。 国外激光医学的现状国内激光医学的现状国内激光医学的现状中国在激光医疗的服务对象和相关设备市场方面都是世界上最大的。目前全国各大医院均已建立了激光医疗中心，80%的中小型医院成立了激光医疗科室，国内医疗界对激光医疗设备的需求大大增加，激光医疗器械市场前景广阔。 我国激光技术的发展经过50年的艰苦努力，在技术与应用上均取得了重大突破。激光已成为我国最活跃的工业技术研究领域之一。目前国内已有5个国家级激光技术研究中心，十几个产品研发机构，至少有160家公司在生产和销售激光器和激光配套产品。这些公司主要分布在武汉、上海、江苏、北京、西安等省市。 在研究水平上，我国激光技术与国外相比并不落后多少，在某些方面甚至超过国外现有水平。但目前存在的问题是，激光新技术产品的转化率不如西方高。其次，在一些高端激光产品（如半导体激光器、半导体泵浦固体激光器等）开发方面仍处于初步阶段。国内激光医学的现状国内激光医学的现状 我国的激光医疗器械生产从1990年代初以来，发展速度异常迅猛。据有关方面报道，国产激光医疗设备在国产激光器销售中已上升至第三位，年增长率高达20~30%。目前全国各大医院均已建立了激光医疗中心，80%的中小型医院成立了激光医疗科室，国内医疗界对激光医疗设备的需求大大增加。可以预料，今后几年国产医用激光器的销售额有望大幅上升。 此前几十年各国开发的医用激光器多为大型设备，价格昂贵，随着半导体激光器的问世，医用激光器已趋向于小型化、经济化和家用化。 武汉已成立了中国最大激光器生产群体，武汉光谷的这些企业除生产工业用激光焊接机外，还生产数百种激光美容与激光医疗产品。武汉现已成为国内（也是亚洲）最大的医用激光器械生产基地，年销售额达17亿元人民币。 我国已拥有从激光技术研究到产品开发和激光器零配件生产等完整的产业链，且激光在医疗领域的应用逐渐扩大，因此今后10年，我国激光医疗器械市场将迎来一个新的繁荣期。null5、激光医学发展展望 激光医学并不限于一个或几个学科，它几乎与所有的学科都有关，可以预期将来有更大的应用前景。 对激光医学的新进展应谨慎看待。原因是：并不是每一个激光治疗疾病的报道都能在其他的医疗机构重现；同样的效应对某种疾病的治疗是有效的，而对另一种疾病的治疗则可能是灾难性的。 国内外激光医学领域开始对激光医疗过程及其相应的治疗机理进行研究，试图从理论上对各种治疗过程及相应的治疗效应进行解释，因而形成了激光与生物组织相互作用机理研究的学科，进而发展成为生物医学光子学学科领域。激光在医学各科室的应用激光在医学各科室的应用null 利用激光杀死病人鼻癌细胞 把装着光纤维的导管插入病人鼻腔内，靠光纤维所发射的激光，与一种化学物质起作用，杀死癌细胞。 激光在理疗科中的应用激光在理疗科中的应用 高效快速消炎镇痛，照射后产生“光封闭”效应。超过任何其它理疗设备及药物止痛，可迅速减轻病人痛苦。激光在理疗科中的应用激光在理疗科中的应用应用经络穴位的治病原理进行激光穴位照射治疗，可用于针灸能治疗的所有疾病非接触性照射（用于创面、溃疡面照射）接触性照射（用于痛点、穴位、肌肉附着点、神经节照射）null 3．激光光敏治疗 通常情况下，视细胞以外的绝大多数生物细胞不易被可见光直接引起光化效应。但是，当人体组织摄入了某些光敏化剂时，敏化剂分子吸收较低功率的激光能量后，就会发生一系列化学反应，这种反应就叫光敏化反应（分两类）。 null（1）一类是光敏化反应有分子氧参加 这种有分子氧参加的光敏作用叫光动力作用。这类光敏化反应往往不消耗敏化剂，敏化剂可被反复不断地使用，直致该处的生物细胞被杀死。 目前国内外普遍应用这一类光动力作用治疗癌，所用的敏化剂多为血卟啉衍生物，所用的敏化光源多为波长为630毫微米的红色可见光激光。null 首先给患者注射光敏剂，然后是对病灶区进行激光照射。目前临床上常用的光敏剂是光卟啉 （PHOTOFRIN），患者注射后通常需等待40至50小时才进行激光照射。 此时病变组织中的光敏剂浓度仍保持在较高水平，而周边正常组织中的光敏剂浓度已降到低水平。选择这个时机照光，既可有效杀伤病变组织，又可减少对周边正常组织的损伤，争取获得最佳的选择性杀伤效果。 激光光敏治疗 null（2）另一类光敏化反应不需要分子氧参加 此类敏化反应可消耗敏化剂，这一类较典型的敏化剂如呋喃香豆素。 临床上先使病灶处局部摄入呋喃香豆素，再用波长长于290毫微米的紫外激光照射，可治疗牛皮癣；也可使白癫风的白色永久性变暗。但用这类光敏治疗时需控制剂量，并密切注意随访，因为有报导用补骨脂素光敏化动物实验导致了皮肤癌。激光在耳鼻喉科的应用----DCR激光在耳鼻喉科的应用----DCR口腔科应用----扁桃体切除口腔科应用----扁桃体切除nullnullnullnullnull激光在血管性疾病的应用激光在血管性疾病的应用脉冲染料激光－Cbeam，Vbeam 最佳波长 脉宽可调： 光斑设计独特 专利DCD适应症适应症鲜红斑痣、血管瘤、血管痣、蜘蛛痣、毛细血管扩张、酒糟鼻、静脉扩张、疤痕、妊娠纹等 null 术前准备 清洁患处 常规照相 麻醉 保护眼睛 治疗方法 （参数） 光斑 7mm 频率 1.5Hz 能量密度 10～15J/cm2 脉宽3～30ms 动态冷却 : 喷射40ms 间隔20ms 皮损厚的部位 : 两个脉宽 两次扫描 null 术后反应和 有程度不同的红肿、发紫，偶见小水泡，一般2～7天可消退。术后可冷敷15分钟左右。应避免皮肤护理、化妆、搓擦、剧烈活动、饮酒、辛辣刺激性食物、抗凝药和活血药，注意防晒， 治疗间隔为1～3月。null 影响疗效的因素 1. 患者年龄 2.皮损部位 耳廓、颈部、眼睑疗效优于其他部位，面中线部位疗效较差，肢体末端疗效最差 3.皮损颜色 鲜红 > 粉红 > 紫红 4.肤色     5.治疗间隔时间 6.治疗次数  鲜红斑痣治疗两次鲜红斑痣治疗两次治疗参数：7.0/3/11.5，40/40（12）01/03/1401/01/0500/10/20null毛 细 血 管 扩 张激 光 治 疗 一 次 后 的 效 果null毛 细 血 管 扩 张正 面鲜红斑痣 第四次治疗后一个月 治疗参数：波长585nm，532nm，光斑2mm，3mm，频率2-10Hz， 能量密度9.5-13J/cm2，1.7-2.1J/cm2) 鲜红斑痣null激光其它领域的一些应用 人造卫星激光测距（SLR） 是六十年代中期出现的一种高精度空间测量技术，其原理是通过测定激光脉冲至带有反射器的激光卫星往返飞行时间，从而精确测定卫星的位置和轨道，进而计算测站地心坐标、测站间基线长度、地球自转参数、地球重力场系数和引力常数等，为建立全球地面参考系、监测现代地壳运动提供高精度观测数据。 上海天文台60厘米卫星激光望远镜，建立于1986年，主要由60厘米口径的望远镜、自滤波锁模激光器、高精度时间间隔计数器和时频系统等部分组成。目前这台仪器可测量的最大距离是二万公里，精确度为1.5~2厘米。null 激光雕刻 ——地形印章盒 激光雕刻地形印章盒，采用激光雕刻工艺，在高级胡桃木、花梨木上进行雕刻加工而成。 内部镂空雕刻，边角细腻圆润。 null 激光水幕电影 激光水幕电影是将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图案及色彩，照射在晶莹透明的水膜上 ， 形成斑斓夺目的奇异效果 。