【激光科普】激光的臨床應用-激光生物效應簡介(二)

激光的生物學效應與治療作用

激光對生物組織作用的基本類型大致分為五類:光致發熱作用、光致化學作用、光致壓強作用、光的電磁場效應和光致生物刺激作用。

(一)激光的熱效應與治療作用

這種作用在醫療上用得最多。其表現為生物組織被氣化、切割、凝固、熱敷,熱化反應和熱致壓強等。

(1)激光的熱效應(heat acting)

(1)對皮膚的熱效應(圖1):皮膚在可見光和紅外線激光照射下,局部溫度會升高。1.當溫度升到38~40℃時,相當于理療的熱敷,它可用來治療關節炎等慢性炎癥。2.當溫度升至43~44℃時,皮下微血管擴張充血,使皮膚幾秒內出現紅斑,若持續數分鐘,則增加了血管壁和細胞膜的通透性,出現少量滲出物導致皮膚輕度紅腫,稱為熱致紅斑。腫瘤細胞對溫度較正常敏感,在此溫度照射30分鐘以上即可使其壞死,而正常細胞則無此影響。中醫的光灸治療及腫瘤的激光溫熱療法,常須達此水平。3.當皮膚溫度升至47~48℃時,數秒內即有炎性滲出物潴留在皮內而形成水皰,此時出現灼熱感和痛覺。光灸治療某些疾病時,有時須達此水平,但以不損傷真皮為限。4.當溫度上升到55~60℃時,短時間內就可使該處細胞凝固壞死,稱為光致凝固。臨床上用來治療血管瘤,或焊接神經和血管及止血等。5.當皮溫在100℃時,將使皮膚組織中的組織液沸騰,大量氣體沖出細胞及組織,稱為熱致氣化,這是用光刀手術時的氣化治療,實際上的氣化治療還包括熱致炭化和燃燒。當皮溫達300~400℃時,皮膚組織發生干性壞死,迅速變成棕黑色碳化物,稱為熱致炭化,干性壞死的細胞易脫離原來組織;溫度繼續升高超過530℃,皮膚組織即會燃燒,可見火光;當皮溫瞬時升至573℃時,皮膚組織可由固體變成氣體,即為熱致氣化。當溫度(照射強度)進一步提高,可致熱至二次壓縮作用更為明顯。若不移動光束,受照處即有包含組織碎屑和燃燒及氣化形成的水蒸氣組成的氣流噴出,受照處立即出現一火山口狀的坑;若移動光束,則光束所致組織被切開,稱為熱致切割。機體組織接受激光照射做切割、氣化和凝固,都須使表面皮溫上升到60℃以上。激光治療時,有時需要造成的熱作用范圍大,如激光溫熱療法治療腫瘤,通常選熱凝范圍大的Nd:YAG,且采用多支光纖插入腫瘤組織。而有時相反,需要作用范圍越集中越好,如激光切割。

圖 1 激光對皮膚的熱效應

提起激光的熱效應,就必然要涉及熱弛豫時間(Tr)和選擇性的激光光-熱作用。組織的熱弛豫時間為受熱的組織通過熱擴散將自身的熱量降低50%所需的時間。若激光脈沖的作用時間小于組織的熱弛豫時間,則熱傳導過程不會發生,組織的熱損傷也最低。激光選擇得到,就能利用選擇性激光光-熱作用原理破壞成千上萬的微米級的目標組織,而無需將激光對準每一個微粒。

另外,利用聚焦的激光束加熱焊件接縫,使其熔化,然后冷卻、凝固,結合在一起,可獲得高質量、精確的良好外形,特別適用于口腔科使用較多的Ti、Ni等合金的焊接。

(2)對酶和神經細胞的熱效應:

酶和神經細胞對溫度最敏感,其溫度不能超過正常溫度4℃,小范圍溫度升高,可致酶促反應加快,但過高至60℃以上時,酶蛋白變性,其活性反而下降,甚至完全消失。另外,即使溫度不太高,只要持續時間長,亦會使酶失活;反之,若溫度升高持續時間短,酶的活性雖可明顯降低,但當溫度迅速正常時,其活性可部分恢復。所以在治療時,激光照射持續時間亦很重要,這也是脈沖激光對周圍組織損傷小的原因。神經傳導速度隨溫度升高而加快,但當溫度升至40℃以上時,神經興奮性下降。

(3)對蛋白質的熱效應:

蛋白質分子不穩定,易受理化因子影響而遭破壞,這可用來消毒和殺菌。

(4)對血液循環的熱效應:

激光的溫熱作用可使毛細管擴張,為了使發熱區冷卻,被照射處的血流會自動加速,以帶走熱量,這樣就改善了被照射區的供血和營養。

2.激光熱效應的治療作用臨床上低功率激光可用于理療,如Ar+、Nd:YAG、半導體、銅蒸汽、KTP激光等可用于熱凝固療法治療;CO2、脈沖Er:YAG 、Ho:YAG、CTH:YAG等激光可用于氣化和切割手術,對骨組織及鈣化粥樣硬化斑塊均能很好切除,且切口平滑無炭化。波長為193~351nm的幾種脈沖準分子激光器也已用于臨床切除手術,可非常精確地逐層切除組織,造成的熱損傷極小,故準分子激光切除又稱為冷光刀切除。不同波長的準分子激光已分別用于激光血管成形術、切骨術等。

(二)激光的光化效應與治療作用

1.激光的光化效應(actinicity acting)利用光能作為激活能,在組織和細胞內引起的化學反應稱為光化反應,包括光致分解、氧化、聚合和光致敏化。激光比普通光的光化作用更迅速、有效、廣泛。光化作用可見光和紫外線激光均可引起,而紅外線激光主要是熱效應,但若用高I的調Q激光時,亦能導致光化反應。在低功率(典型1W/cm2)和長時間曝光下(秒以上或者連續波),光化效應就會發生。光致敏化按有無O2參與分成兩類:第一類無需O2參與,常用的光敏劑為呋喃香豆素類,其中最常用的是補骨脂素。內部攝入高效光敏劑呋喃香豆素后用紫外線照射,可治療白癜風等。在該光敏劑存在時,用365nm的光照射會迅速把細菌殺死,且溫度對它的光敏化反應速度幾乎無影響,可顯著提高細菌和酵母的突變頻率,使某些病毒完全鈍化。另一類需要有O2參與,這種光敏化作用稱為光動力學作用(photodynamics)。這種光敏劑有400多種,常用來治療腫瘤的有血卟啉衍生物(HpD)。光動力療法簡稱PDT。HpD在惡性腫瘤中的聚集多于(或長于)其四周正常組織或良性腫瘤,當適當波長的光(主要是可見光)照射已有HpD聚集的腫瘤后,HpD與O2作用,氧化殺死癌細胞。

2.激光光化效應的治療作用光化效應在臨床上最主要的是利用光動力學作用治療惡性腫瘤,這是激光治療腫瘤的主要方法之一。光動力學作用還可用于治療皮膚鮮紅斑痣(PWS)等。

(三)激光的光壓效應與治療作用

1.激光的光壓效應(pressure acting)醫用激光照射生物組織時,一次壓強能常很小,但當用調Q脈沖激光聚焦照射生物組織時,該處組織因為吸收光能而急劇升溫,使液體沸騰,從受照處噴發出一股氣流,使之反沖,產生的壓力卻相當大。另外,亦使組織內部氣化足以在瞬間引起蒸發,使氣泡迅速膨脹,可致定域損傷。再有生物組織吸收激光能后,局部會出現短促的變熱,體積膨脹,結果在其邊區產生超聲頻率的彈性振動,在生物體內傳播,可在遠處造成損傷。若激光的Tp很小而生物組織的吸收系數很大,就會產生很大的溫度梯度和很強的超聲波,其壓力在激光參數相同時比上述氣流反沖壓大兩個數量級。激光是電磁波,激光束的電場作用于物體(例如晶體)時,可是晶體中的離子發生位移,產生極化,進而產生應力,間接引起形變,這就是激光所致的電磁伸縮。

2.激光的光壓效應的治療作用用脈沖激光照射骨、皮膚、角膜、粥樣硬化斑塊等時,均可觀察到激光切除的過程包含壓強作用。這種作用可用于激光眼科手術及激光碎石等。

(四)激光的強電磁場效應(electromagnecticfield acting)

聲波的最低頻率為基頻,波的頻率是基頻整數倍的稱為諧頻,這種波被稱為諧波。有強大的激光照射,就可能引起光學諧波。激光的二次諧波一般均為紫外線。蛋白質和核酸能強烈吸收紫外線而受損。當光通過光學性質不均勻的介質時,除了發生于入射光頻率相同的散射光外,還發生拉曼散射(Raman scattering),即光子與物質分子非彈性碰撞,改變光傳播方向的同事,光頻亦發生增加或減少。極強的激光脈沖聚焦于組織時,可能發生受激拉曼散射,致使細胞損傷。而當足夠強的激光聚焦于晶體或某些液體標本時,在介質中產生超聲波,這種聲波在傳播時使介質發生疏密的變化。光波在其中傳播會發生散射,頻率亦會變化(即頻移),此過程稱為受激布里淵散射。只有在106~109W/cm2范圍內,才會發生受激布里淵散射,這種散射可致細胞破裂而出現水腫。激光的電磁場效應在一般醫用激光器范圍可不加考慮。實際上單一脈沖激光作用于組織時,從焦點往周圍可分別出現熱、聲、光化作用區,甚至出現低功率激光的生物刺激作用。

(五)低功率激光的生物刺激效應與治療作用

功率小于500mW激光被稱為低功率激光,由于臨床應用的低功率激光波長接近紅外光譜區,故能穿透到深部組織而不會被照射區域內的血紅素吸收。接受低功率激光照射時,組織表面溫度升高一般在0.1~0.5℃,激光能量沒有達到破壞生物組織的程度,熱效應和壓強效應不占主導地位。低功率激光加速血液循環、調整功能、促進細胞生長和組織修復的作用主要是依靠光的生物調節和刺激效應。

低功率激光作為一種刺激源作用于機體時,可以引起一系列的生理生化改變,改善血液循環,刺激細胞再生、毛發生長等,通過體表的眼和皮膚的刺激神經,可以止痛、止癢、抗過敏等,進一步還可作用于內分泌器官,例如松果體,可間接控制黑色素的合成,從而調節機體功能,達到治病效果。它又被稱為低強度、低能量、低水平、弱激光等。其生物學效應主要是源于輻射而非熱效應。臨床上常用的低功率激光主要是He-Ne和半導體激光(630~670nm),P≤50mW,當然亦有達上百毫瓦的,這與機體代謝過程的能量特征十分相近,頻率上產生共振,使體內的能量平衡發生變化,恢復生理狀態。

低功率激光的生物效應是指激光與組織作用會產生一系列效應,機制尚不完全清楚。低功率激光的生物學效應的治療作用主要有以下幾種:

1.消炎抗感染作用低功率激光能改變血管通透性,減低炎性滲出的速度和程度,使充血和水腫減輕;舒張血管,加速血流,促進炎性滲出物的吸收及炎性細胞浸潤的消散;通過人體免疫作用,增強機體局部抗感染能力。

2.組織修復作用低功率激光能促進新生血管的形成、生長發育、促進毛發生長,促進皮膚和肌肉RNA與糖尿含量的增加,加速成纖維細胞形成、肉芽組織增生、上皮細胞再生、加速創傷、潰瘍的愈合等。

3.鎮痛作用低功率激光能降低5-羥色胺含量,提高痛閥,引起嗎啡樣物質釋放,從而減少局部刺激反應,起到鎮痛作用。

4.刺激作用低功率激光可以刺激各種酶增加其活性,引起周圍血液和凝血系統的變化,提高血液中紅細胞和血紅蛋白的含量,增加細胞溶質內鈣產生鈣信號,從而調控細胞功能,引起細胞內一系列生理和生化反應,刺激非特異性免疫功能和特異性免疫功能,活躍交感腎上腺系統,刺激巨噬細胞的吞噬作用,加速丙種球蛋白合成,直接刺激神經末梢以及由于生物體酶活性的影響,促進神經沖動傳導加快,激發總的代謝方面的變化。

低功率激光的治療的方法有激光束照射病灶局部(激光理療)、穴位(激光針灸或麻醉)、體腔內(低功率激光內鏡照射),靜脈內照射和PDT等多種。