第一部分:激光治疗的发展
光学治疗在古代医学就有不同的记载,埃及最早在公元前1550年已经采用,希腊历史上就有用紫外线治疗天花和结核的方法。
17世纪牛顿发现了光谱,到了19世纪,丹麦医生尼尔斯.里德堡.芬森开始对光疗进行深入研究,并成立了历史上第一个哥本哈根光疗研究所,在光疗领域取得重大突破,因此于1903年获得诺贝尔生理医学奖。在芬森教授的研究成果中,可以看到:红光可以促进天花病毒引起的皮肤损伤,紫外线可以治疗寻常狼疮,这为后续光疗的发展奠定了基础。
爱因斯坦于1916年提出了激光的理论,为光学在各个领域的发展获得了一个广阔的空间。1960年,美国人梅曼(Maiman)制成了世界上第一台红宝石激光器。由于当时没有激光功率计,因而,梅曼用激光照射兔眼的视网膜,通过生物效应对眼的损伤程度来粗略测定激光的功率和能量,这样拉开了激光医学的序幕。
1961年,世界第一台医用激光机——红宝石视网膜凝固机在美国问世,美国医师Campbell、Koester等对剥离的视网膜进行焊接;Sonlon、Zeret、Eichler等人首批发表了“激光的生理作用”、“光脉冲引起眼的损伤”、“相干光源产生的光凝固”以及“激光在生物医学的应用的生理学基础”等论文。
1962年,欧洲的Bessis小组报道了他们用红宝石激光照射细胞器的研究成果。1963年,苏联也开始发表激光生物效应方面的文章。
1966年,渥美和彦等发表了日本第一批激光医学论文。
在我国,1961年制成了第一台国产红宝石激光器,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。到20世纪60年代末,世界有关激光医学方面的论文已有几百篇之多,专著10多部。
从1964年开始,美国、英国、苏联等国相继召开了激光生物医学方面的学术会议。于是,激光医学研究在世界各国兴起,但作为一门学科的形成它仍然处于初级阶段,很不成熟。例如在临床方面,虽然早已做过用激光焊接剥离了的视网膜的实验,但真正用于临床则始于1968年。又如1963年首次做了用红宝石激光消除尸体血管粥样斑块的尝试,但由于缺乏相应的技术和设备,几乎停顿了20多年。可以说,20世纪60年代只是激光医学的基础研究阶段,但“激光医学”作为一门新的学科,正在逐步形成。
激光的临床应用是从眼科开始的,随着医用激光器的改造和发展,20世纪70年代初,激光已广泛地用于临床各科。如1970年波洛尼娜等人应用He-Ne激光治疗高血压等内科疾病。同年CO₂激光问世,促进了激光在外科手术上的应用。据1971年统计,全世界有5万名患者接受了激光手术,治愈率达76%。1972年,Nd:YAG激光已用于胃肠、泌尿外科,并用于内窥镜实验。1975年,用Nd:YAG激光内窥镜凝固出血点和治疗肠道急性出血。1976年,用它切除膀胱肿瘤。1978年,Nd:YAG激光已广泛用于胸外科、皮肤科、五官科、妇科等。
20世纪70年代由于激光广泛用于临床,从而掀起了一场世界范围内的激光医疗热。自1975年在以色列召开的第一届国际激光外科学会议开始,以后每两年召开一次,到1979年为止,参加会议的代表从第一次的8人增加到100人。1979年3月,在美国底特律召开了第一次国际激光医学研讨会,到会代表400余人,代表了16个国家。在这个时期,激光临床应用的论文平均每年发表70余篇。在我国,1970年研究成功激光视网膜凝固机,1971年,上海第六大人民医院发表了第一篇红宝石激光凝固视网膜的临床报道;1973年,上海医科大学附属耳鼻喉医院、中山医科大学等单位用国产的CO₂治疗机在外科、皮肤科、五官科、妇科、肿瘤科等开展了激光手术治疗;1974年,开始研制激光内镜系统;1975年,He-Ne激光被用于治疗头痛、皮肤急慢性溃疡、高血压等病,同时用He-Ne光针做穴位麻醉进行胃、甲状腺、拔牙等手术。1977年在武汉召开了我国首届激光医学学术交流会,宣读了80余篇论文。20世纪70年代末,我国已能制造10多种医用激光器,并用以治疗250多种疾病,有上百万例患者接受了治疗。1980年在东京举行第一次国际激光医学学术交流会,中国激光医学工作者用激光光动力学治疗肿瘤的病例数是最多的,在激光光针的应用和染料激光的临床应用方面,均居领先地位。
经过20多年的基础研究和临床应用,激光医学已趋于成熟。20世纪80年代已形成了一门新兴的边缘学科——“激光医学”。它得到了国际组织的公认,世界卫生组织(WHO)成立了“激光医学咨询委员会”,国内外编辑出版了大量的专业期刊及专著。值得一提的是,1987年由原中山医科大学、河南医科大学和同济医科大学联合编著出版的《激光医学》一书,在第二届国际图书博览会上被公认为“世界第一部最完整的激光医学书籍”。包括我国在内的许多国家,已建立起激光医学教学、科研、医疗的专业队伍,成立了许多国际性的专业学术团体,如国际光动力学会、国际激光外科学会等。国家、省、市级的激光医学会也相继成立,定期进行学术交流、举办学习班、互相参观学习等活动,开展的十分活跃。激光医学的发展使得医用激光器生产产业化,国际上医用激光器已形成大产业,产品40多种,年销量已突破10亿美元。我国有上百个厂家生产医用激光器。国内许多医院多采用国产机器。
我国在20世纪70年代中后期,国家和许多省市已有计划地将激光医学的科技研究分别列入“六五”、“七五”、“八五”直至21世纪的“十一五”规划,许多研究项目还得到了国家自然科学基金的资助,并获得国家级和省部的大奖。这对于我国激光医学的发展无疑是一个巨大的推动。
第二部分:激光光谱
激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展,一门有发展潜力和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。
1.光谱图
波长(nm) 1-200 200-300 300-380 380-420 420-450 450-490 490-560 560-590 590-620 620-780780-15001500-1000010000以上
光区 真空紫外区 远紫外区,紫外区 近紫外区 紫光 蓝光 青光 绿光 黄光 橙光 红光 近红外区 中红外区、红外区 远红外区
2.激光医学
医用激光是指应用于医学领域的激光技术和设备
• 光热效应:激光能量被组织吸收后转化为热能,使组织温度升高,可用于切割、凝固、汽化组织,如激光手术切割组织时,高能量密度的激光使组织瞬间升温至数百度甚至更高,实现精确切割。
• 光化学效应:激光光子能量可引发生物分子的化学反应,如光动力疗法中,特定波长激光激活光敏剂产生单线态氧等活性氧物质,破坏肿瘤细胞和病变组织。
• 光机械效应:短脉冲强激光与组织相互作用产生的光压、冲击波等机械力,能粉碎结石、击碎细胞等,如在眼科的晶状体乳化手术中,利用激光的光机械效应将混浊的晶状体击碎吸出。
• 光生物刺激效应:低强度激光照射可调节细胞代谢、促进组织修复和再生等,如用低能量激光照射伤口,能加速伤口愈合。
3.光生物作用
线粒体在基本每一种细胞内部存在,用来储存能量,是光生物调节作用的关键。线粒体里有种物质叫细胞色素氧化酶,它可以吸收红光和近红外光并把光能量转换成一种叫三磷酸腺苷(ATP)的生物能。什么是三磷酸腺苷?本质上来说,它是一种能使细胞组织自我修复信号分子。这个过程同时产生了轻微程度的氧化剂,叫做活性氧簇(ROS)是另一种信号分子。可以使抄写遗传因素的行动开始,引起组织修复。有些人把这定义为做氧化还原信号分子。这时,当你使用红光和近红外光,身体的自我修复过程就会加速。一氧化氮是细胞功能紊乱的最主要原因。如果它待在细胞内的时间太长,细胞的呼吸链则会被阻塞。什么是呼吸链呢?呼吸链是导致ATP产生的一个过程。它是线粒体的核心,低能量红光和近红外光会释放细胞中的一氧化氮,使呼吸链恢复正常运作。通过使血管壁放松它会产生一系列的效果,改善神经功能和血液循环。
线粒体基本存在于每一种细胞内,用来存储能量,是光生物作用的关键。
光生物调节作用中的重要物质:
①细胞色素氧化酶,可以吸收光的物质 ;
②三磷酸腺苷(ATP生物能),用于细胞自我修复的信号分子;
③活性氧簇(ROS),轻微程度的氧化剂,发出细胞修复的信号 ;
④一氧化氮,使呼吸链恢复正常运作。通过使血管壁放松它会产生一系列的效果,改善神经功能和血液循环。
当细胞功能在标准以下或不在内稳态时,它们会对光子产生反应。
4.常见类型
• 二氧化碳激光:波长10.6μm,属中红外光,组织吸收率高,热效应强,常用于皮肤科、耳鼻喉科等的浅表病变组织汽化、切割和凝固。
• 钕:钇铝石榴石激光(Nd:YAG激光):波长1.06μm,穿透力强,可用于深部组织治疗,如在泌尿外科治疗膀胱肿瘤、前列腺增生等。
• 准分子激光:波长在紫外波段,具有高能量、短脉冲特性,利用光化学效应精确切削组织,常用于眼科屈光不正矫正手术。
• 半导体激光:波长范围广,如810nm、980nm等,具有体积小、效率高、寿命长等优点,在医学多领域应用,如用于血管内照射治疗、激光美容等。
在医学中的作用
• 治疗作用:可治疗多种疾病,除上述提及的应用外,还用于治疗静脉曲张、痔疮等。在肿瘤治疗中,可进行激光消融、光动力治疗等。
• 诊断作用:基于激光诱导荧光、拉曼散射等原理的技术,可对生物组织进行光谱分析,辅助疾病诊断,如检测组织癌变早期的细微变化。
• 美容作用:用于去除色斑、纹身、皱纹,以及嫩肤、脱毛等美容项目。如调Q激光可有效击碎色素颗粒,达到祛斑效果。
第三部分:半导体激光仪
使用半导体作为介质激发的治疗仪称为“半导体激光治疗仪”,其每次激发将原子的电子抽运到更远更高的能级,在原来的能级留下一个空穴,随后电子和空穴重合,用同样的模式激发其它电子,使其获得放大的、相干的、单一的波长。
易光半导体激光治疗仪系列,作用机理是光生物调节作用(photobiomodulation , PBM);光生物调节作用是激光或单色光( laser irradiation ormonochromatic light , LI)包括红光和近红外光,对生物系统的一种调节作用, 它刺激或抑制生物功能,但不会产生不可逆损伤。
1、655nm半导体激光治疗仪
适应症:慢性鼻炎、高粘血症、高脂血症
作用机理:
A、降低血黏度:655nm光量子可提高红细胞变形能力,提高携氧能力、使异常红细胞回复正常的负电荷,从而降低血黏度。
B、降血脂:655nm光量子可以激活血液中机体歧化酶(脂蛋白酶、卵磷脂胆固醇转移酶等),分解血液中过多的脂类物质;
C、激活SOD:655nm光量子可以激活红细胞增加超氧化物歧化酶(SOD)含量,清除体内自由基,避免脂质过氧化作用的损伤。
D、激光照射鼻腔:鼻腔内有丰富的毛细血管和副交感神经网,655nm光量子的照射可以引起血管扩张,局部血流加快,局部组织营养得以改善,促进炎症吸收,消除鼻黏膜水肿,减少渗出达到鼻炎的治疗作用。
E、655nm 局部刺激在一定程度上可以刺激特异性和非特异性免疫,增加抗体水平。
2、810nm半导体激光治疗仪
适应症:高血压
A、具有与655nm 相似的红细胞作用,特别是在改变血液流变学、血液动力学,改善微循环。
B、【核心】810nm具有更好的组织穿透性,刺激鼻腔黏膜副交感神经网,同时可以刺激到脑桥内的副交感神经核,调节肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS),激肽-缓激肽系统,下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴等的正常化。特别是RAAS系统,直接影响血压调节。
C、由于良好的组织穿透性,刺激脑垂体部位,可以促进褪黑素分泌,改善睡眠。
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