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NdYAGKTP激光治疗机推荐书

第8章 激光在医学中的应用

 

激光医学是激光技术和医学相结合的一门新兴的边缘学科。1960年,Maiman发明第一台红宝石激光器,1961年,Campbell首先将红宝石激光用于眼科的治疗,从此开始了激光在医学临床的应用。1963年,Goldman将其应用于皮肤科学。同时,值得关注的是二氧化碳激光器的作为光学手术刀的出现,逐渐在医学临床的各学科确立了自己的地位。1970年,Nath发明了光导纤维,到1973年通过内镜技术成功地将激光导入动物的胃肠道,自此实现了无创导入技术的飞速发展。1976年,Hofstetter首先将激光用于泌尿外科。随着血卟啉及其衍生物在1960年被发现,Diamond在1972年首先将这种物质用于光动力学治疗。在医学领域中,激光的应用范围非常广泛,不仅在临床上激光作为一种技术手段,被各临床学科用于疾病的诊断和治疗,而且在基础医学中的细胞水平的操作和生物学领域中激光技术也占有重要地位。另外,还可以利用激光显微加工技术制造医用微型仪器。再者,利用全息的生物体信息的记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域,从广义来讲,也属于激光在医学中的应用。本章主要对医学临床,重点是激光对诊断和治疗领域中的应用进行论述。

由于诊断和治疗在本质上都是利用激光与生物体的相互作用,因此,有必要首先对这些基础进行介绍。在8.1节中归纳介绍了生物体的光学特性、激光对生物体的作用、激光在生物体中的应用特点等内容;然后在8.2节中通过典型的治疗应用实例,介绍了激光在外科、皮肤科、整形外科、眼科、泌尿外科、耳鼻喉科等领域中的治疗和光动力学治疗等;在8.3节中重点围绕诊断中的应用,介绍了生物体光谱测量、激光计算机断层摄影(光学CT)、激光显微镜等。在8.4节中,对激光在医学中的应用的激光装置与激光转播路线的开发动向进行介绍。最后8.5节对激光医学的前景作了展望。

8.1  激光与生物体的相互作用

8.1.1  生物体的光学特性

假设生物体中入射的单色平行光强度为blob.png,若生物体是均匀的吸收物质,根据1.5节证明的(1-89)式,入射深度为blob.png处的光强度blob.png可用下述关系式表示

blob.png                          (8-1)

其中blob.png为吸收系数(参见图8.1)。但是,由于生物体对光是很强的散射体,因此生物体内光的衰减不仅由于吸收,而且取决于散射的影响。在不能忽略散射的条件下,上式可用衰减系数blob.png和散射系数blob.png改写为

                       blob.png                             (8-2)

                        blob.png                                                        (8-3)

进一步再考虑生物体表面的光反射的损失。若反射率为blob.png(可由菲涅耳公式计算) ,则式(8-1)和式(8-2)的右边应乘以blob.png。后面将会论述,激光在测量、诊断中应用时如何处理散射的影响,对于光学计算机断层术这是很重要的问题。

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图8-1 生物体中的光衰减

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图8-2 生物体中散射光的特性

如图8-2(a)所示,单一微粒所引起的光散射在所有方向上都存在。当散射角小于90°时称为前向散射,大于90°时为后向散射。散射光对角度的依赖性可近似地以各向异性散射参数blob.png来描述,blob.png时为纯向后散射(散射角180°),blob.png时为纯向前散射(散射角为0°),blob.png时表示各向同性散射。一般在生物体组织中blob.png,显示出很强的前向散射特性。但是如图8-2(b)所示的多重散射时(反复多次散射),光在生物体内扩散,变得近似于各向同性散射。这样,光在其扩散的范围内与生物体发生相互作用,从而光能被吸收后转换成热量,或激励生物体分子感应出荧光和磷光。图8-3所示为这些过程的模型。实际上生物体是大小各不相同的组织、器官所组成的不均质且多成分的系统,因此,如式(8-2)及式(8-3)所示的简单描述只能在限定的条件下使用。

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图8-3  生物体与光的各种相互作用的示意图

    生物体的主成分是水,此外还有蛋白质、脂肪、无机质等皮肤、肌肉、内脏的软组织(soft tissue)中的水分,水总共占生物体重量的大约70%。水对红外光有着很强的吸收带,因此,若在这些软组织上照射红外光,可以高效地把光能转换成热量。在生物体中除了水以外的典型的光吸收体,有血液内红血球中的血红蛋白。血红蛋白有被氧化的状态与未被氧化的状态,这两种状态的吸收光谱是相同的。不论哪种场合,在600nm以下的波长带中吸收都增大。蛋白质在紫外域上表现很强的吸收,汇总这些特性,用图8-4[47]表示。由图8-4可知,在700~1500nm范围的红外光谱带上吸收比较少,因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。光受到散射的同时也能到达组织的比较深处。光到达组织的深度称为光穿透深度optical penetration depth),由光的强度blob.png衰减到入射光强度blob.pngblob.png时的深度来定义。根据式(8-2),光穿透深度应为blob.png。图8-5所示的是软组织中各种激光波长的光穿透深度的大致数量。光穿透深度在近红外附近较深,在3μm以上的红外域或300nm以下的紫外域中较浅。组织的种类不同,光穿透深度对波长的依赖性也变化。例如牙齿、骨等硬组织(hard tissue)中,蓝绿色波长的穿透深度深。

 

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图8-4  软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系『1』

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图8-5  软组织中各种激光的穿透深度的大致数量

8.1.2  激光对生物体的作用

激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有四方面的作用,即热力作用(thermal action)、机电作用(electro-mechanical action)、激光消融作用(photoablative action)和光化学作用(photochemical action)。作为一个典型的实例,光被组织吸收后发生热,就对生物体起到光热作用。在软组织上照射激光,在图8-5上所显示的光穿透深度范围内,光能被吸收转换成热量。激光照射强度(W/cm2)与吸收系数blob.png(cm-1)的积表示组织表面的加热速度(W/cm3)。若加热速度远远高于蒸发组织所需的速度,则组织被很快消融汽化(ablation)。用193nmArF准分子激光和2.94μm Er:YAG激光照射,其加热速度能引起组织的充分消融,光穿透深度1μm左右的组织层迅速被加热、汽化,因此亚微米级的精密的组织切除成为可能。另外,为在短时间内照射得到深度的消融,则应选择光穿透深度比较深的波长。光穿透深度20μm的CO2激光适合于此。但是若吸收系数过小,光穿透深度过大时,光能分散到空间,对汽化不利。1.06μ的Nd:YAG激光器不适用于软组织的汽化,就是这个原因所致。Nd:YAG 激光器大多用于凝固(coagulation),是因为蛋白质在较低温度(60~70℃)下受热凝固。另外,只要加热能够充分破坏组织,即使是加热不能够引起组织的充分汽化,把组织放在此处也可以使其坏死。设想利用一个中等功率激光的热效应,瞬间能在组织中产生200~1000℃左右的温度升高,使组织和细胞受到严重的破坏。加上光斑处的能量密度所能产生的机械压力,对蛋白质、水组成的组织在受到高温后迅速膨胀和汽化,使机体组织相互分离。而且,当聚焦的激光束被组织吸收时,瞬间产生组织凝结并在瞬间烧灼、炭化和汽化。因此,当光束以一定的速度移动时,就能连续地切开组织。在切割的同时,小血管被凝固,这样就能够减少出血。一般来说,功率密度为105W/cm2-106W/cm2的时候,已经能使各种硬质难溶的金属和非金属(如陶瓷)熔化或者汽化。当然也足以使生物体的各病变部分(如肿瘤、疣、痔等)迅速汽化或炭化。

激光的热效应是医学上使用最广泛而且最早被人们认识的激光组织效应之一。机械效应在医学上较多用于泌尿道或胆道结石的粉碎上。采用脉冲激光,使结石表面有非常高的能量密度,产生自由排列的电子列,并组成“浆”气泡。这些气泡不断扩大,造成结石亚结构的变化,最后使其裂解而将结石碎裂。光化学效应是基于一种选择性的、光激发的特殊药物,在激光的激发下转化成一种毒性成分,在细胞内产生单氧态,造成细胞产生毒性的代谢产物而死亡,而单态氧的作用机理则是产生氧自由基和过氧化物,对细胞的结构如DNA和线粒体起杀伤作用。激光由于其能量和特殊的波长,是激发这种药物的理想光源。此外,激光还有组织的焊接作用效应,激光将相邻组织连接起来需要把组织加热到70℃左右,在这个温度范围内,组织内胶原的变化引发组织的物理特性改变,组织粘度增加。事实上激光的焊接效应是利用聚焦的激光,对组织器官的结构进行对接和重建。这个能量产生了胶原的交互形的凝结,而对周围组织的损伤减少到最小。

另外,各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时,对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能,可使局部血管扩张,血液循环改变,改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。

8.1.3激光对生物体应用的优点

在很多情况下,激光可以通过细软的光导纤维传送,因此使得激光在生物体深部的传导成为可能。临床上应用的激光,从使用简单的二氧化碳激光进行非接触性切割代替手术刀去除表浅的组织,到使用精确的激发二聚体激光(308nm紫外光源)作角膜塑形,以及一直到闪烁泵染料激光(Flash lamp pumped dye laser)来闭合胎记的小血管使其达到消退的作用。总之,对生物体应用激光的优点有以下四个方面:首先,人们日常工作生活在表现为光的电磁场中,除特殊情况外光对生物体的害处是很少的。人们习惯把对生物体的某种伤害叫做侵袭。光对生物体一般无侵袭或低侵袭,这只要通过光与放射光线的对比就能很好理解。其次,在医学上利用激光在大气中直线传播的特性,可以非接触地作用于生物体,又可以利用光导纤维将激光导入到生物体的深部;第三,利用激光的高度的方向性,将其汇聚成极小的点,使微观的、精细的治疗和高空间分辨率的测定成为可能。激光的单色性和高能量的可利用性是普通光所不能相比的。最后,光与生物体进行着极其多种多样的相互作用,至今被利用的还只是很少的一部分,还需要今后开发更加多种多样的新的应用。

 

8.2激光在临床治疗中的应用

8.2.1 激光临床治疗的种类与现状

临床上激光的用途不外乎切割、分离;汽化、融解;烧灼、止血;凝固、封闭;压电碎石;局部照射等,这些治疗种类就是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。但是,在实际上,无论哪种治疗,不一定只利用单一作用。例如在利用紫外激光的烧灼时,主要起作用的是光热作用,但在光子能切断组织的分子结构时,光化学作用也参与其中。此时,在该烧灼治疗中光热和光化学都起作用。

激光在聚焦平面上的光点最小,激光能量最集中。激光束经聚焦后形成极小的光点,由于能量或功率的高度集中,人们把它当作手术刀用来切割组织。如二氧化碳连续波的激光器,不仅能够切开皮肤、脂肪、肌肉、筋膜、软骨,在20秒之内还可以切开肋骨。激光光点处巨大的能量和很高的温度在切开的同时能够封闭凝结暴露于切口边缘的小血管。由于激光的光点极小,所以切缘是锐利的,对于周围组织的破坏很小。尽管激光器产生的功率密度很高,但是由于光点极小,而且作用的时间往往也极短,故以周围区域作为散热器能使受热面积迅速冷却。激光手术刀切割组织的深度与宽度和激光器输出功率的大小、波长及移动光束的快慢有关。二氧化碳激光易被水分吸收,而水分可以有效地散热,可以使激光切口以外的组织不受侵袭。此外,激光的高温还起了杀菌的作用。

高功率输出的二氧化碳激光,光点具有200摄氏度以上的高温和一定的压强,不但能熔融而且具有极强的穿透破坏作用。机体皮肤粘膜的表浅病变以及经过手术暴露的深部肿瘤,经过短暂的照射治疗,病变的表层立即汽化消失,周围的健康组织界限清楚,反复的汽化融解,可使大块的实体组织蒸发消融。激光的光点聚焦后异常细小的组织可以极精确地消除。对于病变组织面积较大的部位,也可分期治疗。机体某些含色素较深的组织如黑色素瘤、疣状新生物对激光特别敏感,因而疗效好,愈合后疤痕光滑。通常用激光融解治疗的病变有:表浅局限性毛细管瘤、色素痔、疣状新生物、乳头状瘤、疤痕疙瘩、炎性肉芽肿、表浅血管纤维瘤、黑色素瘤等。

机体组织被激光能量照射之后,照射的光点部位在几毫秒的时间内引起局部高温(200-1000℃),使组织凝固、脱水和细胞破坏。特别是激光经过聚焦后会产生极大的功率密度,是一种很好的烧灼工具。用于治疗肥大型性鼻炎和痔疮疗效明显。

激光止血效果也很令人满意,激光止血方法比目前所应用的电烙法快60倍,可使失血量大大减少。动物试验证明,激光胃镜可将胃粘膜出血在数秒内止住。在肝脏部分切除或者肝外伤试用激光治疗,也能达到同样快速的止血。

激光是非常可靠的黏着工具,眼科利用激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。激光用于眼科的临床特点是,照射后温度升高局限于照射区内,不引起扩散性热伤害。二氧化碳激光凝结可引起结疤、血管和淋巴管的封闭和阻塞,还可以引起组织萎缩。临床证明,使用激光切割和封闭淋巴管和血管之后,肿瘤体积明显缩小,丰富的淋巴管和毛细血管被封闭萎缩,管腔被黏着结疤,不易复发。

与激光聚焦形成细小的光点治疗相反,临床上还可应用激光的散射来进行治疗。如二氧化碳激光连续波散射可治疗下肢溃疡、慢性鼻炎和副鼻窦炎;氦氖激光散射治疗具有的止痒、镇痛、消肿和促进创面愈合等作用。而且氦氖激光具有无痛感的特点。离焦或者散焦照射治疗,对于神经性皮炎、湿疹、神经性水肿、过敏性鼻炎、外伤性肿胀、慢性溃疡等具有一定的疗效。

8.2.2 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用

以前对痣的治疗多采用外科切除的方法和利用干冰或液态氮将组织冻结坏死的方法等,但都创伤大且有遗留疤痕的问题。激光治疗是适当地调整照射条件,在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。痣的种类和部位(深度)不同时,激光照射条件也大不一样,因此治疗前准确地进行诊断是很重要的问题。

图8-6所示为皮肤组织。决定皮肤颜色的典型色素有黑色的黑色素与红色的血红蛋白。黑色素是由称为黑素细胞的黑色素生成细胞内的小器官(黑素体)产生的。所谓黑痣、蓝痣是该黑色素在局部区域增加的皮肤病变,可分为表皮上增加的情况(扁平痣等)与在真皮内增加的情况(太田痣等)。称为红痣的是一般用肉眼能看到的在真皮或者皮下组织内血管的扩张和增生(血管瘤),并且因为存在较多红血球,看似红色的皮肤病变。可以利用激光使这些色素和病变细胞有选择地吸收热量,而使病变组织产生变形以致破坏。但是激光照射后,皮肤色调的变化(退色)需要很长的时间。

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图8-6  皮肤的断面构造

为了有选择地破坏病变细胞(色素),必须利用吸收系数大的波长的激光。血红蛋白被氧化时在418nm、542nm、577nm波段具有吸收峰值,而黑色素是在短波段中吸收被增大(参见图8-4)。病变部位在组织深处时,必须考虑皮肤组织的光穿透深度。在波长的选择上,必须考虑病变细胞的吸收系数与皮肤组织光穿透深度两个因素。例如,血红蛋白的情况,吸收强度在418nm附近时最大,但考虑光穿透深度后多半利用577nm或者根据情况采用波长更长的激光。此外,激光照射时间(脉宽)也是重要的参数。即使激光在病变细胞中有选择性地被吸收,若照射时间长,由于热扩散而周围组织受到热影响。因此导入了利用比热扩散时间(热衰减时间)短的时间进行激光照射的概念(称为selective photothermolysis)。例如黑素体的热衰减时间为1μs左右,因此要破坏它,根据病变部位的深度采用脉冲宽为数纳秒至100ns的红宝石激光器(694nm)、金绿宝石激光器(755nm)、Nd:YAG激光器(1064nm)等的各种Q开关固体激光器或脉冲染料激光器。但这并不说明脉宽愈短愈好。治疗血管瘤的时候,有必要使血管壁也受热变形,但吸收主体为红血球(血红蛋白),因此,若脉宽太短则只破坏红血球,对血管壁不起作用。

这样,因为使用短脉冲激光器减小了对正常组织的影响,从而能做到不留疤痕的痣治疗。但是用高峰值功率激光器照射时会发生冲击波,必须注意选择好照射条件,防止发生皮下出血和水肿。

8.2.3激光在眼科中的应用

眼睛是接收光信号产生图象的器官,因此不论测定、诊断或治疗哪一种情况下,光(激光)所起的作用都是非常重要的。治疗眼底疾病的激光治疗仪很早已用于临床。在网膜炎和眼底出血等有失明危险的疾病的治疗中,激光治疗显示了很大的优势。近来用激光进行近视矫正治疗也非常受到重视。

1.眼底治疗

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图8-7 眼的构造

图8-7所示的是眼构造,图8-8中所示的是眼睛对光的聚光特性。通常我们所看到的物体是实物通过角膜和晶状体的透镜作用在网膜上成的物体的实象,再由视神经读出的非相干光成像。激光(相干光)入射到眼中时,在网膜上会聚成光点。利用这种原理可在眼底的疾病部位上照射激光并加热被剥离的网膜组织,使其黏合(凝固)或进行出血部位的止血。光所通过的角膜、晶状体、玻璃体等组织的主要成分是水,对可见光,特别是对蓝光、绿光的透射率高。因此黏合光源多采用514.5nm的氩离子激光器。但是利用的最佳波长依赖于治疗目的与病变部位和深度。如血管瘤的直接凝固中采用对血红蛋白吸收率高的577nm激光;又像脉络膜等眼底深部的治疗中采用光渗透长度更长的630nm的激光。在这些治疗中利用可见激光对眼睛的透射系数大的特点。若不小心,这些光意外入射到眼睛网膜,则有损伤网膜的危险,必须引起注意。如果波长比2μm长,则由水的吸收减小了眼睛的透射系数,因此利用这种波长的激光器称为眼睛保险激光器(eyesate laser),被应用在激光雷达等把激光束传播到大气中的场合。

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图8-8  眼睛中光的聚光特性的示意图

2.近视治疗中的应用

治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工,控制折光率(矫正)的过程。眼睛对光的折射由角膜与晶状体完成,因为晶状体与前房和玻璃体连接,而角膜的一侧则与大气接触,角膜折射作用比晶状体要大。因而只对角膜作手术可以有效地矫正近视。近视本身一般不认为是疾病,但用眼镜或隐形眼镜所矫正不了的重度近视的情况,需要做这种角膜手术。图8-9所示的是其示意图。目前近视矫正有对角膜表面进行二维切削手术使其曲率半径增大(作成平坦的)的PRK(photorefractive keratectomy)方法和将角膜表面放射状切开的RK(radial keratotomy)方法两种。但目前以副作用小的PRK方法为主流。

光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nmArF准分子激光器。这是由于该波长上能得到光穿透深度浅(参见图8.5)且可精密烧蚀的缘故。又因光子能量大,所以同时存在光化学的烧蚀过程,这也是能得到高质量烧蚀表面的一个原因。激光是通过可变口径的小孔照射到角膜的。为了照射表面上得到均匀的烧蚀,必须均匀地照射激光。因此有采用强度分布均匀的大口径光束和用小口径光束进行二维扫描的两种方法。在实际治疗中,先进行角膜形状的测定,确定烧蚀量后进行激光照射。这种治疗方法不仅应用于近视、远视和散光的矫正,还应用于角膜疾病的治疗。目前已有很多商品化装置出售(图8-10)。

尽管如此,这项手术的随访时间还比较短,目前的治疗结果还没有经过长期的考验。因此要严格掌握此项手术的适应症,并且要在手术前将手术的局限性和风险等告知患者以取得他们的知情同意。

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图8-9  利用激光角膜手术的示意图

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图8-10用于角膜手术的准分子激光装置

8.2.4  激光在泌尿外科的应用

良性前列腺增生(Benign prostatic hypertrophy, BPH)是一种仅在老年男性中普遍发生,以进行性排尿困难为特征的疾病,其发病率随年龄的增长而明显上升,近50年来,经尿道前列腺切除术(Transurethral prostatic resection, TURP)几乎是唯一的治疗选择,其疗效高(80%以上有效)、死亡率低(0.2%)。  尽管TURP仍是治疗BPH的“黄金标准”,但是它有18%的并发症的发生率,并且费用高昂『48』。因此,目前的有关良性前列腺增生症的研究集中在药物治疗以及微创手术的研究。后者(包括电气化、激光、微波、电磁、超声)的基本原则是使用热力破坏前列腺的腺体。1986年首先报道了激光前列腺切除术,但真正广泛的应用是在1990年角度光导纤维的发明后『49』。自此,各种光导纤维和激光设备都被尝试用来进行此项手术。最常用的激光是Nd:YAG激光,当然其他激光如KTP:YAG激光、半导体二极管激光和最近的Ho:YAG激光都可用来治疗BPH。激光对腺体的作用包括凝固和汽化两种完全不同的效应。凝固时,到达100℃的高温的蛋白质组织变性和坏死。前列腺腺体逐渐有腐肉形成而达到治疗效果。而在汽化时,组织能够到达300℃的高温,组织中的水分发生汽化,造成照射区瞬间的变化。能量效应取决于激光波长、能量密度和照射时间。激光能量的传递则由光导纤维的特性而决定。

有以下三种技术用来切除前列腺[50]

1.经尿道激光诱导的前列腺切除术(Transurethral laser-induced prostatectomy,TULIP)

该系统包括经尿道进入的激光探针(偏屈的光束可以达到90°),一个7.5MHz适时超声换能器以及一个Nd:YAG激光发生器。通过超声的引导,该系统进入“描绘”(painting)模式。该系统目前已经少用,原因是存在一些缺陷,它排除了视觉控制、需要特殊的训练和专业知识、并且在所有的激光治疗系统当中是最为昂贵的。

2.直视下激光前列腺消融术(Visual laser ablation of the prostate,VLAP)

使用侧面发射光导纤维,以造成有效的凝固性坏死和组织汽化。Nd:YAG激光通过几种不同的光导纤维传送均有报道『51』。UrolaseTM是目前使用和评价最多的非接触性纤维,它能够在预先设定的点上通过照射造成组织的凝固。该技术因为时间-效益比较良好、以及清晰的操作界面而颇具吸引力,但是术后导尿管引流时间需要加长而且在引流期间膀胱刺激症状非常严重。如果增加激光能量、缩小光斑,就能造成汽化。汽化可以在前列腺组织和光导纤维的直接接触的时候实现。在描绘模式下通过对于前列腺叶的接触性照射,能够在瞬间立即产生一个空洞,能够做到“见到什么就能烧什么”。在接触模式下,使用侧发射或者末端发射的蓝宝石光纤头得到最大的功率密度,使组织得到汽化。但是与常规电切手术相比,该汽化技术的最大缺陷是速度慢,只能切除小于40毫升的前列腺。

3、间质内凝固(Interstitial coagulation ,ILC)

该方法使用特殊的光导纤维,通过反复、直接地刺入前列腺,照射后能够产生大范围的凝固性的坏死及随后的前列腺组织萎缩,而且组织不会发生腐烂现象『52』。Nd:YAG激光和半导体二极管激光是这种方法的光源。该技术的优点是治疗的部位能够进行精确的控制,在治疗的同时能够保护泌尿道粘膜不受损伤,手术之后也减少了尿路刺激症状和尿路感染。

Ho:YAG激光是最近才发展起来的一种碎石方法。尽管其能量通过脉冲的方式传递,其主要的机制可能是通过热力作用而产生的。特别的是,激光能量加热了光导纤维头端的水分,微气化产生了气泡,迅速爆裂的气泡产生的震波击碎结石。由于钬激光的能量是通过最表层的0.5mm吸收的,将光导纤维的头端精确地对准结石就能防止泌尿道粘膜的损伤。使用钬激光能够碎裂各种成分的结石,报道碎石的成功率大于90%。同时,Ho:YAG激光产生的碎片比其他的方法要小,所以形成“石街”的可能性就相对小。使用侧孔发射光导纤维治疗集合系统和膀胱内结石的话,还可以加速结石的破裂。与脉冲染料激光和绿宝石激光相比较, 这个设备更大的优点是采取保护眼睛的措施时,手术医师的视觉改变不明显。

总之,使用激光装置进行体内碎石不失为有吸引力的方法,其效果最显著而又最安全,所以作为一线治疗方法。缺陷是设备的最初购置价格昂贵,当然,这可以通过使用多功能、多用途的Ho:YAG激光器的应用来降低治疗成本。

8.2.5  激光在耳鼻喉科的应用

1965年Stahle试用巨脉冲红宝石激光照射鸽的内耳,Goldman等通过石英棒和纤维光学装置对乳突进行钻孔,1967年以后逐步开始研究在耳鼻喉科的应用激光。目前,激光在耳鼻喉科领域的研究,主要包括两个方面:内耳耳蜗方面的显微外科和气管激光手术。热力效应能够进行的治疗包括以下一些方面:激光治疗慢性肥大性鼻炎、激光治疗鼻出血、氦氖激光在耳鼻喉科的应用、耳鼻喉科中的激光手术、扁桃体激光切除术、激光气化和切除耳鼻咽喉部血管瘤、上颌窦根治术和耳道内乳突根治术、激光切除耳鼻咽喉部乳头状瘤等。

8.2.6 最新的技术-间质激光光凝术(Interstitial laser photocoagulation)

这项技术是在影像学设施的导引下,通过经皮穿刺针将置于其内的光导纤维送到实质性器官的病损中心,并通过此设备传导激光。在低剂量下(通常是3W左右,因此与60W-80W的内镜照射相比,没有组织的汽化),单个照射过程持续几分钟。病损组织被缓和地凝固,此后坏死的部分可以被周围组织通过愈合过程而逐渐吸收,而并不需要进一步干预。由于对病损组织表面的正常组织并没有作用,也没有积累的毒性,所以在需要的时候可以重复治疗,也没有伤口,因此恢复迅速。不过,这种治疗方法成功的关键在于将光导纤维放置到正确的部位,恰到好处地将治疗的部位和所使用激光造成坏死的程度进行严格匹配,并确认正常和不正常的区域都能够安全地愈合。所以整个过程取决于显像。目前一致认为本方法还适合于治疗那些转移性肝癌中不能够手术的、小的、孤立的肝癌转移灶(通常来源于已经切除的原发肿瘤)『53』。具体做法是:在局部麻醉和镇静下,通过CT的引导下,经皮肝穿刺进行治疗,其结果由24小时后,造影剂增强的CT来评价。这种方法比经皮肝穿刺的酒精注射更容易控制,而比冷冻疗法更简单。

乳房癌是一种潜在的应用领域。最吸引人的是,对于小的乳房癌使用间质激光光凝技术可以取代肿块切除术,这样不会留下疤痕或者外观畸形,同时因为方法简单,可以作为门诊手术在局麻下进行。造影剂增强的核磁共振(MRI)对于这类肿瘤是绝好的显影方式,能够在决定进一步外科手术前的几天内确定肿瘤的边界和激光造成的坏死的边界。此外,如果激光照射是在MRI的引导下进行的话,激光造成的变化能够同时在显像上明确地显示,所以如果激光的位置错误还可以进行调整。当然,在成为常规治疗之前,还需要有关此种技术的进一步研究,因为在治疗上特别重要的是,必须确认激光照射造成了所有肿瘤的破坏,这样才能放心地让照射过的坏死组织留在原位,而不去行肿瘤根治手术。这项技术可能在不久将来用于治疗乳房的良性纤维腺瘤。尽管其中许多的病例并不需要处理,但是一旦需要,间质激光凝固技术就不失为简单有效地选择,尤其是对那些特别重视纤维瘤形成的病人。早期的临床试验的结果令人鼓舞。同样,人们正在研究该技术对于小的、无症状性子宫肌瘤的切除以及应用于良性前列腺增生症处理【54】

总之,间质激光光凝术主要应用于任何实质性器官的明确定性的病损,而且该技术可以被良好地定位,对于周围正常组织也没有任何不良损害。

8.2.7  光动力学治疗

某些光敏感性物质具有对肿瘤的亲和性,临床上称为光敏剂。因此事先经过给药途径,让光敏剂进入癌症患者的体内,经过一定时间后使光敏剂和肿瘤细胞特异地或高效地结合,然后通过内窥镜和光导纤维,使用与光敏剂相匹配的激光波长在病变部位照射,可以有选择地破坏癌症细胞,这种方法称为光动力学治疗(Photodynamic therapy, PDT),原来称光辐射疗法(Photoradiation therapy, PRT)或光化学治疗(Photochemical therapy, PCT)。使用的光敏性物质为血卟啉衍生物(Hematoporphyrin derivative,HpD),其吸收光谱如图8-11所示,它在紫外域上具有称为Soret带的强的吸收带,又在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带。从吸收强度的观点使用紫外激光(如波长约410nm的Kr离子激光)是有利的。但是这个带域与血红蛋白的吸收带重合,因此不适于对组织深度照射。为此利用光穿透性更大的波长约630nm的染料激光器或金蒸汽激光器。PDT的作用机理尚未被完全解析清楚,但一般认为有光敏性分子的直接作用(类型I)与活性氧的作用(类型II)两种。图8-12中所示的是反应机制的示意图。光敏感性分子吸收激光,从单重态跃迁成为三重态,三重态分子作用于基质(肿瘤组织)产生的反应性高的游离基破坏肿瘤细胞,这是I类反应机制。另外,三重态分子使周围的氧分子产生能量的移动而生成的氧化性非常强的单重态氧分子(活性氧)破坏肿瘤细胞,这属于类型II。无论哪一种都经历三重态,因此三重态的寿命对PDT的作用给予很大的影响,这一点是可以理解的。以前认为,因为经过PDT的癌细胞中可以观察到线粒体内膜的损失和粗面小胞体的膨胀化,所以上述的游离基和活性氧直接作用于癌细胞使其坏死。但是最近人们关注的是对血管肿瘤的作用,发现闭塞肿瘤血管(形成血栓)就能卡断对癌细胞的供氧和营养供给的作用。

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图8-11光敏感性物质血卟啉衍生物(HpD)的吸收光谱

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图8-12 光动力治疗的反应机制图

光敏感性物质,在正常组织中代谢(排泄)是比较快的。但若有残留物则引起光线过敏症,因此患者在治疗后必须在一定时间内在遮光环境下生活。HpD就是有代谢时间比较长(数十日)的缺点,因此希望开发出代谢快的光敏感性物质。为了治疗深部的癌组织,希望利用吸收带处于长波长一侧的光敏感性物质,因此目前正积极地进行满足这些要求的新的光敏感性物质的研究开发。这样的光敏感性物质称为第二代光敏感性物质。

PhotofrinII是一种新型的血卟啉衍生物,曾一度是PDT治疗的主流用药,并获得美国FDA的批准,其最大的优点是不需要严格避光。由于其使用相对成熟,有关的研究也在相对规范化。对膀胱癌的PDT研究,Nseyo等发表了一些文章,他们提出的推荐剂量如下:Photofrin的用量为:1.5-2.0mg/kg、通常和630nm激光合用,其推荐的激光能量为10-25J/cm2。但是Photofrin的肿瘤结合特异性并不十分理想,所以有待于进一步的研究和开发。从长远的观点来看,Nseyo等的研究思路和观点对于PDT以及光敏感剂研究的发展是有益的。

内源性光敏剂的代表是ALA(5-氨基乙酰丙酸)。ALA在血液中吸收后进入细胞由相应细胞内转化酶转化为卟啉IX(PplX)[55][56]。ALA本身并不是光敏剂,但是它的代谢产物PplX却是具有光敏性的。它是PplX生物合成的第一个,也是主要的限速酶。在暴露于大量ALA的肿瘤细胞中,这种抑制性控制能够被短路,导致了PplX的大量产生。腺癌具有增高的胆色素原脱氨基酶活力,最终产生大量的PplX。同时它的亚铁鳌合酶活力降低,不能及时将PplX转化为血红素,所以造成PplX的大量堆积。另外,肝源性的ALA转化为PplX也很充分,而且看来血液中也有很多的PplX的载体。

以膀胱为例,动物试验注射ALA  4小时后,PplX在肿瘤和正常膀胱壁的分布比为2:1。荧光显微镜的检测证实,PplX在肿瘤细胞的分布远远大于肿瘤基质的分布,原位膀胱癌动物模型的体内试验也证实,注射了ALA  4小时后,用630nm的150J/cm2(此激光能量属于较大剂量)的激光照射时,光敏性造成了明显的肿瘤细胞坏死。同样,体外试验的结果表明,单从细胞形态上观察,电镜显示,无论分化良好(J82)、或者分化不良(RT4)的肿瘤细胞,其细胞的线粒体在治疗后发生了明显的损坏,同时伴有分化良好的肿瘤细胞明显减少,代谢旺盛的肿瘤细胞几乎绝迹的现象。从正常细胞分化出来的HCV29细胞在PDT治疗后,几乎与未照射的细胞无异,这充分表明了ALA的肿瘤细胞选择性,这个现象是非常令人鼓舞的。

总之,临床上对于光敏剂的要求,除了应具有一般药物的安全性外,还有三个方面:一、能够人工合成,最好是化学纯制剂;二、无延迟性的光敏性,也就是说不需要避光;三、有明显的效果,换句话说,就是要有很好的光敏性,同时也应当有非常理想的肿瘤选择特异性。具体而言,首先要求该光敏剂有良好的、特定波长的吸收峰,该吸收峰最好是650nm波长的激光。因为在650nm以上激光对皮肤的穿透就小,少有或者没有光敏性。体外试验的结果表明,在效率为60%的前提下,635nm波长的激光显然优于630nm波长的激光。与此同时,光敏剂与肿瘤细胞的结合应当是特异性或者高选择性的,这样才能确保PDT治疗过程中在损伤肿瘤细胞的同时,不损伤、或者尽量少损伤周围的正常组织以减少并发症的发生并增强疗效。上述条件缺一不可。

 

8.3  激光在生物体检测及诊断中的应用

8.3.1  利用激光的生物体光谱测量及诊断

测定激光照射在生物体时的吸收、散射、荧光等光谱,可以测定活着的各种各样的生物体的信息。这种测定进一步发展就能成为疾病的诊断(病理诊断)的方法。这种诊断称为光学活检技术(optical biopsy),正日益受到世人的注目。所谓活检 (biopsy),是指将组织的一部分切取出来作成切片,利用显微镜等对它进行的病理诊断。而用光谱测量的方法进行无侵袭的诊断,就称为光学活检即optical biopsy。这种方法不仅能得到单纯的解剖学(生体构造有关的)信息,而且还能像下面论述的脑功能测定一样,得到生理学、生化学信息。这种利用激光的生物体光谱测量及诊断上的应用呈现出无限潜在的发展空间。这里介绍两个近红外吸收光谱及荧光光谱的应用实例。

1.利用近红外光谱的代谢功能测量

众所周知,含有丰富的氧的动脉血呈鲜红色,相反缺乏氧的静脉血则呈暗红色。如图8-13所示,血红蛋白被氧化的状态(oxy-Hb)与脱氧化的状态(deoxy-Hb)的吸收光谱具有微妙差别。在600~800nm范围氧化血红蛋白的吸收小而呈鲜红色,而在800nm以上脱氧化血红蛋白的吸收小,从测量它们各自吸收率的不同可以知道组织的氧化程度。这些波长带的光的穿透深度深,根据从体外照射光后其透射光或反射光(散射光)的测定,可无侵袭地监视一定深度的体内组织的氧化程度。目前为止脑的氧监视装置(称为脉冲测氧计)已被实用化。若在多点进行这样的测定,能得到运动身体的哪个部位时脑的哪个部分的活动增大等等空间功能信息,因而倍受人们的注目。但是如前所述,生物体对光来说是很强的散射体,因此在这种吸收或反射光谱中很难固定光路长度,并且存在着进行绝对测量困难的问题。特别是如果组织较深(厚),信号光变得很微弱,出现信号的检测困难的问题。

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8-13   血红蛋白的吸收光谱,oxy-Hb表示氧化血红蛋白;

deoxy-Hb表示脱氧化血红蛋白

2.利用荧光光谱确定病变部位

在治疗时准确地知道病变部位是很重要的,但是在很多情况下没有准确诊断的有效手段。在生物体组织上照射激光时病变部位显示特有的荧光,根据此荧光就能确定病变部位。最近开发出的光敏感性物质的荧光图像法,对确定癌组织和动脉硬化部位十分有效,因而受到广泛重视。

采用NPe6做光敏感性物质。如图8-14所示,利用符合它的吸收带范围的光来激发,则发生在662nm处出现峰值的荧光(磷酸溶液中)。如前所述,该物质易聚集于肿瘤及脂肪组织上,对这些病变组织以664nm的光来激发,则发生在670nm处出现峰值的荧光。如果把这些曲线用图来表示,那么很容易确定病变部位。实际的荧光测定是在静脉注射所需量的NPe6并经一定时间后进行的。经过数小时后从正常组织中排出NPe6。此时照射功率密度约为1mW/cm2的激光,因此可使用半导体激光器作为光源。利用CCD摄像机拍摄荧光范围后,输入到计算机中,经过图像处理可确定病变部位。利用内窥镜,则可进行生物体深处病变部位的观察。内窥镜可以与前述的PDT组合使用,有望成为临床应用的诊断技术。

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8-14  光敏感性物质NPe6mono-L-aspartyl chlorine 6)的吸收光谱与荧光光谱

 

8.3.2  激光断层摄影

1.光学计算机断层术即光学CT(optical computed tomography)

作为典型的生物体断层成像手段,X射线CTcomputed tomography)已被实用化。X射线CT围绕人体旋转小型X射线源,由检测器阵列测定X射线透射量后进行数字化,再对这些数据以特定的算法(CT算法)利用计算机求解后构成断层像(tomography)。CT算法的条件是信号的传输方向相反时也能得到同样输出信号。在这里若代替X射线,利用组织穿透深度长的波长段的光,以同样的方法也可得到断层信息。这种方法(光CT)以无侵袭地实现生理学、生化学信息的图像化而引起广泛地注意。与X射线在生物体内直线传播不同,由于散射,激光在生物体内会被扩散掉。散射光没有确定的光路,得到的信号也没有确定的物理意义,因此从透射光中消除散射的影响是很重要的。

如图8-15所示,光从A点入射到生物体内,在点B上观察透射光,此时透射光中包含着三种不同的光线,一种是受到散射后向任意方向散射的成分;第二种是具有较小的散射角且向前传播的成分;第三种是向前透射直线传播的成分。为了实现光学CT必须检测出第三种直线传播的透射成分的光。这样的直线传播光的透射光强非常小,因此问题在于如何将这样的信号选择出来进行高灵敏的检测。一种方法是利用直线传播光比其他成分的光能更快地到达检测器的高速时间分解法(时间选通法),它是组合皮[10-12]秒或飞[10-15]秒超短脉冲激光与克尔盒(二阶电光效应光调制器)及高速扫描照相机来实现的。另外,还有用空间滤波器,在空间上只选择识别指向性高的直线传播光成分的方法。这些方法的灵敏度都不够高。目前最有效的方法是下述的光外差探测方法。

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8-15  透过生体(散射介质)中的光示意图

 所谓的外差探测法,一般是对两个不同频率的光波(信号波与参考波)进行混合后检测拍频信号的方法。它可以得到很高的检测灵敏度。为此将激光束分为参考光与入射到生物体试样的信号光。给予参考光一定的频移后与信号光混合(参见图8-15),多次散射得到的光与参考光偏振方向不一致,不会产生拍频信号,因此检测出的拍频信号是直线传播光与参考光干涉的结果。如图所示,将试样旋转并进行信号光的检测,可利用如前所述的CT计算法得出断层图像。空间分辨率依赖于入射光束的直径,能小到数百微米程度。光源一般采用近红外激光器,但在硬组织中采用Ar离子激光器,因为在硬组织中蓝光的透射率高。目前已有人用这种方法得到了牙齿的断层图像。

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8-16  利用外差法的光学CT检测的实验装置

2. 光学相干层析术即光学OCT(optical coherence tomography)

在前面的例子中利用的是透射光,反射光或散射光的迟滞时间(飞行时间)也包含着组织分布的位置信息,因此也可以在断层图像中加以利用。其中利用低相干度的干涉方法称为光学相干层析术即OCToptical coherence tomography)。这种方法比较容易得到高分辨率的断层图像。光学相干层析术得到图像的原理非常类似于超声波回音波,不需要以CT算法为基础的图像重构所需的复杂计算。利用光的断层图像术是还处于研究阶段的新技术,因而其术语还未统一。上一小段中讲述的光学CT用英语缩写也是OCToptical computed tomography),与光学相干层析术(optical coherence tomography)易混淆。在这里将数据处理中利用CT算法的称为光学CT,用低相干度干涉方法的称为OCT,以示二者的区别。

光学相干层析术的原理如图8-17所示,其基本结构为迈克耳逊干涉仪。OCT把光分成两束——信号光与参考光,其中信号光聚焦后照射到组织内得到向后散射光,参考光在压电陶瓷等器件调制的反射镜上反射回来得到光程调制。两束光进行干涉后用外差探测法检测。通过反射镜在光轴方向大范围移动改变参照光的光程来实现组织深度方向的扫描。在反射镜移动到光轴上的某一位置后再用压电陶瓷器件进行光程调制实现外差探测法检测,得到信号光聚焦点的后向散射光的强度与迟滞时间。再加上横向二维扫描可测定出在某一断层平面上后向散射光的强度与迟滞时间的分布。如前所述,由于信号光的迟滞时间含有位置信息,与参考光相干涉后,干涉信号强度反映出这一位置信息,从而得到断层信息。在这里重要的是,使用的光源必须是低相干度的。干涉信号在信号光与参照光的迟滞时间几乎一致即光程差几乎为零时才观测得到。光的相干长度短,信号强度随时间迟滞急速下降,组织深度方向的空间分辨率取决与光的相干长度,因而不可使用相干长度长的光源。例如,可使用相干长度介于半导体激光器与发光二极管中间的超级发光二极管(SLD),其空间分辨率约为10μ。另一方面,OCT的横向分辨率取决于会聚光点的直径,一般也能得到10μ以内的空间分辨率。因此,整体来讲OCT能得到空间分辨率10μ左右的生物体断层图像。利用如图8-18所示的石英光纤传光的干涉仪,还有可能用导管等得到生物体内部组织的断层图像。X射线CT,磁共振图像(MRI),超声波回波等以往的断层图像的分辨率只为100μ~1mm甚至更差。因此利用OCT的高分辨率有望能够早期发现各种病变。

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图8-17 OCToptical coherence tomography)原理图

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8-18 利用光纤干涉仪的OCToptical coherence tomography)的装置原理

 

8.3.3  激光显微镜

1.激光共焦显微镜

为了以细胞级即以微米级的空间分辨率来观察生物体,通常先做组织切片标本,再利用光学显微镜观察。如果利用激光共焦显微镜,可不做切片标本也能以同样的高分辨率观察生物体的活体。

8-19所示为激光共焦显微镜(laser confocal microscope)的原理图。从点光源(激光)发出的光经过透镜聚光后照射到试样内的观察点上,此时在试样内形成照射光的斑点,利用物镜通过空间滤波器使这些斑点在检测器上成像。这时空间滤波器的针孔置于与光源的针孔共轭的位置上。该针孔作为空间滤波器起重要的作用。观测点上会聚光的一部分,由于其前后的物体而受到散射,在原来的像前后成像(图中用虚线表示)。针孔能够消除掉成为噪声的这些像,因而提高了所得到像的对比度。为了得到二维的像,对照射斑点或试样还要进行扫描。以上用透射型模型说明了其原理,但实际上采用如图8-20所示的反射型结构。与上述的OCT相同,被观测的光子是在组织内部结构所引起的反射或向后散射光。但是OCT的空间分辨率(深度方向)取决于光源的相干长度,而激光共焦显微镜的分辨率(横向)取决于光路系统的数值孔径与波长。作为基本方法,OCT是观察组织的深度方向的断面,而激光共焦点显微镜则得到某一特定深度(通常100μm)下的横向图像。

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8-19  激光共焦显微镜的原理图

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8-20  反射型激光共焦显微镜的原理图

1950年脑神经学者Minsky首次提出共焦显微镜的设想。当时由于没有高亮度的光源,未能做到满意的观测。该显微镜被实用化是激光技术发展起来的20世纪80年代以后的事情。最佳激光波长因观察对象而不同,深层组织的观察时适合于利用渗透长度大的近红外。已叙述过活体观察的可能性,但是目前还不能像OCT那样用于内视镜。对皮下组织中的细胞级的实时观察已经可能。

2.近场光学显微镜

无论是相干光还是其他光,只要是光,图像分辨率就被衍射与波长所限制。可见光的最高分辨率大约为0.5μm。但是利用近场光学显微镜(near field optical microscope)或光子扫描隧道显微镜(photon scanning tunneling microscope),就可以得到超极限的分辨率(超分辨率)。图8-21所示的是近场光学显微镜与通常的显微镜的示意图。两者基本结构相似,但近场光学显微镜在离试样表面很近处存在探头,该探头起着实现超分辨率的关键作用。

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8-21  近场光学显微镜(a)与通常光学显微镜(b)的示意图

试样上照射的照明光根据试样的物质结构受到衍射、散射、吸收等,但散射的光场中插入探头,光场就被扰乱。对这些被扰乱的光场用探头进行扫描,并把被扰乱的光作为光子进行二维探测得到图像。但是探头与物质构造之间的距离比光波长更长时,会得不到所要的图像。离物质构造的距离比波长短的范围内存在着称为隐失场又叫倐逝波场(evanescent field)的局部电磁场。隐失场与探头互相作用而得到物质构造的超高分辨图像。隐失场存在于原子周围,产生光子遂道效应。在这里透镜不起成像作用,不将信号作为光波而是作为光子来读出,这就是得到超过衍射极限的高分辨率的原因。分辨率依赖于探头尖端的大小及其试样之间的距离。因此技术上如何制造微小的探头,并能保持它不变形是一个难题。光源用得较多的是Ar离子激光器,能得到10nm左右的分辨能力。能得到同等分辨率的显微镜有ATM(原子间力显微镜)和STM(电子扫描型遂道显微镜),它们提供物质表面形态的信息,而近场光学显微镜是提供物质分布状态有关的信息。

 

8.4医用激光设备

自世界上第一台红宝石激光器以来,已经发展出数百种的激光器。各种比较成熟的激光器在医学上都获得了不同程度的应用。一般来说医用激光器必须是小型、可移动、操作性好、容易检修的,比工业用激光器要求更严。固体激光器和半导体激光器容易满足这些要求,预计今后会成为医疗用激光器的主流。

8.4.1  医用激光光源

1.固体激光器

我国于1961年研制的第一台激光器就是固体激光器,也是最早应用于医疗上的一种激光器(红宝石激光器,1970年上海)。固体激光器所使用的是晶体和非晶体类型的工作物质,大体上可分为氟化物、盐类和氧化物三大类。目前实际使用的只限于红宝石、钇铝石榴石、铝酸钇等几种。固体激光的工作物质的振荡波长范围大约为0.55μ2.69μ。与气体激光器相比,其优点为体积小、输出大,使用方便,但是设备较复杂,价格昂贵。临床上常用的是红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石激光器(NdYAG),可用作手术刀和照射治疗等方面。它与CO2气体激光相比,止血效果更好、切割骨骼速度更快、切缝更细、对机体组织有较强的凝固作用等特点。

此外,ErYAG2.94μm),HoYAG2.09μm),TmYAG2.01μm)等以YAG晶体为基体的新的激光器也逐渐实用化。ErYAG激光器对牙齿等硬组织也显示很高的消融汽化能力。HoYAGTmYAG激光器比ErYAG激光器消融汽化能力低,但具有可用石英光纤传光的优点。TiAl2O3激光器可替代可调谐染料激光器。目前这些激光器主要用于研究,但将来会在治疗和计量等两方面广为利用。随着半导体激光器的高功率化,用其做为激励能源的全固体激光器的开发也正在进行中。例如10W的连续绿光(532nm)全固体倍频NdYVO4激光器也已产品化。

2.气体激光器

主要分为惰性原子气体激光器、离子气体激光器和分子气体激光器三类。

(1)惰性原子气体激光器

    医学上最常用的是氦氖激光器, 输出波长是0.6328μ。它最初于1961年成功运转。目前的最大连续输出功率为100毫瓦,使用寿命超过十万小时。氦氖激光器可以同时有连续和脉冲方式工作。氦氖激光器在临床上主要应用于照射,有刺激、消炎、镇痛和扩张血管的作用。

(2)分子气体激光器

分子气体激光器在临床上主要有二氧化碳激光器(CO2)和氮(N2)分子激光器。二氧化碳激光器的工作物质是二氧化碳,可以连续工作或者脉冲工作。二氧化碳激光器输出功率较大,输出波长一般是中红外的10.6μ。在医疗上应用的主要是低气压,直流轴向放电,封离型内腔式连续输出CO2激光器,临床上用来照射和切割。作为切割用手术刀的CO2激光器要求机件转动部分灵活,能适合人体各部位的手术,在任何位置均能无阻挡出光;接触病变的部件能够清洗和消毒;便于调控。CO2激光手术刀的特点是切割时出血少、视野清楚,适合各种良恶性肿瘤的切割或气化、炭化,能够广泛用于外科、耳鼻喉科、皮肤科、妇科、肿瘤、口腔等各科。

(3)离子气体激光器

    医疗上常用的有氩离子激光器和氦镉激光器。氩离子气体激光器输出谱线分布在蓝绿区,其中以0.5145μ0.488μ为最强,是可见光范围内连续输出功率最强的气体激光器。临床上主要用于外科手术、眼科凝固和综合治疗(如皮肤照射等)。由于氩激光的聚焦特性比红宝石激光好,又是连续输出,在眼科上易于调节被凝固的视网膜区域的大小。其肌肉切割的深度较其他种类的激光大,止血效果也好。

氦镉(He-Cd)激光器是一种金属蒸气离子激光器,可以连续工作,输出功率也较大,输出的波长范围在0.325μ0.636μ之间。在临床上主要用于诊断和照射治疗。病人口服荧光素钠盐片之后,加用氦-镉激光器照射,就能激发黄色荧光,便于诊断。

    3.半导体激光器

    半导体激光器的工作物质是半导体,作为半导体激光的材料有几十种,医学上常用的是砷化镓、铝砷化镓等。半导体激光的优点是重量和体积小、效率高、结构简单、可直接调制,但是它的发散角大、受温度影响较明显,连续输出功率较小。半导体激光器一直被限制在低功率使用,由于它的高功率化与短波长化的进展很快,其利用范围也飞速地扩大。目前已可廉价购到数十瓦的半导体激光器阵列,可望今后广泛用于各种外科治疗中。

4.液体激光器

    液体激光器主要是指有机液体激光器,常用的是染料激光,输出波长连续可调(通过变换工作物质的成分、浓度等方法)、工作物质多(已有一百多种染料中得到受激发射),而且可以得到连续或者高重复频率的振荡,所以用途相当广泛。

用于医学领域的激光器主要有以下几种:(见表8.1


 

                  8.1  一般医用激光器及其用途

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8.4.2  医用激光传播用光纤
 

    为在生物体内深处导入激光,细且柔软(易弯曲)的传播光路是不可缺少的。在生物体的外表面上照射激光的场合,如果利用这样的传播光路,就可以得到很方便的操作性。最适合于这些目的的传播光路就是石英玻璃光纤等。用空心光纤传播激光的光路,最近发展很快。不能利用光纤的场合,激光的传播只好依赖于反射镜。目前利用的是多关节型操作装置的各关节部位上配置反射镜的传播光路(多关节镜)。但是由于传播线路的口径大,因此不可能导入生物体内深处。在本节中介绍医用光纤、空心光纤的种类、结构及传播特性。相对于空心光纤,不是空心的通常光纤称实心光纤,下面提到光纤的地方,是指实心光纤。

1.光纤(实心光纤)

    光纤可分为单模光纤(single-mode fiber)与多模光纤(multi-mode fiber)。后者按折射率的分布再分为阶梯折射率(step indexSI)型与梯度折射率(graded indexGI)型。单模光纤芯径为数微米,多模光纤为数十至数百微米。由于医用激光的光束直径通常是数十至数百微米,因此一般采用多模光纤。激光以很小的光束直径聚光时,功率密度过高会引起光纤材料的损伤。由于这种限制,常常不能使用细光纤。

传播高功率激光时,若吸收损失大,不仅减低传播效率,还会由光纤材料发热引起损伤。一般透射光学材料中有微小的折射率波动而引起的瑞利散射、由电子能级间的跃迁而产生的吸收、由分子振动引起的吸收(红外吸收)等原因产生的固有损失。单位长度的全固有损失用下式表示:

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其中A、B1、B2、C1、C2为正的常数;右边第一项为瑞利散射;第二项为电子转移吸收;第三项为分子振动吸收。实用上,目前最广泛使用的是石英玻璃光纤,如图8-22所示1μ附近损失最低,适合用于Nd:YAG激光器等的近红外激光的传播。可见光与紫外光的传播功率受限制。在长波一侧,如前所述Ho:YAG激光器的2.1μ附近是传播的上限。用于波长更长的(中红外)激光的传播,目前已开发出卤化物玻璃、硫硒碲玻璃、重金属氧化物玻璃等光纤。2.94μ的Er:YAG激光可以用氟化物玻璃光纤来传播,并且开始应用于牙科等医疗领域。目前还未能开发出传播10.6μCO2激光的实用光纤。采用空心光纤传播这样长波长的激光是主流。

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图8-22 石英玻璃光纤的损失光谱

2.空心光纤

    空心光纤是用空气(或气体)作为芯的细管状的纤维,激光在这种管内壁上边反射边传播。这种空心光纤除了光纤端部没有反射损失,因而能得到很高的传播效率。它能用金属等高强度材料构成,还具有在其内部能流动冷却气体或工作气体、在原理上可传播任何波长激光等很多特点。

空心光纤的典型结构如图8-23表示。图8-23(a)为金属矩形空心波导,它的研究历史最长。使用断面形状7mm×0.5mm的波导,200W以上的CO2激光传播损失仅0.2dB/m[57]。由于它是全金属结构,机械强度大,但也有不能各向同性地弯曲、传播光束的偏振光特性受到制约等缺点。目前作为高功率激光传播光路,有望的是图8-23(b)及图8-23(c)的形状。图8-23(b)为单晶Al2O3空心波导。1.5kW的CO2激光经过内径1mm的单晶Al2O3空心波导时,传播损失为0.4dB/m[58]。图8-23(c)为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤,光纤的支撑管可采用金属或玻璃。金属层用Ag为最理想。涂覆介质Ge的内径1.7mm,长度2m的光纤(Ge/Ag光纤)能传播2.6kW功率的CO2激光[59]。近来利用各种聚合物的空心光纤也在研制中。石英细管的内壁上由银镜反应形成Ag层,此后用送液法涂覆聚酰亚胺或氟化乙烯树脂等有机树脂。由于制造比较容易,因此实用化是很有希望的。

 

 

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图8-23   空心光纤的结构

    以往医疗用激光器的功率最高也在100W左右,但近来利用功率非常大的激光器。如TMR(心肌梗塞治疗)中利用的激光器(CO2激光)的平均输出功率达1kW。这样,空心光纤能传播实心光纤所不能传播的激光。虽在提高光纤长度上需要进一步研究,但在医疗上一般使用数米长的场合较多,因此利用现有技术也完全可以制造医用空心光纤。

    以上对医学和医疗领域中利用的激光光源与激光传播光路进行了概述。理想的医用激光装置应该是在紫外至红外波段都能够改变波长;在任意的波长上不管是连续波或脉冲(任意脉宽)都能得到高输出,并且可以用光纤传播。激光技术正在此方向上发展,在医学领域利用激光的人们对这样的激光器寄于厚望。

8.5激光应用于医学的未来

8.5.1医用激光新技术

    目前的最新的进展是间质激光凝固法和间质的光动力学治疗。对于广泛类型的肿瘤,影像学制导的激光治疗法能进行有效的杀灭,而且创伤性最小。间质激光凝固法(interstitial laser photocoagulation)能够用于实质性器官内病损的治疗,此外,对于一些潜在的应用器官如良性前列腺增生等,对于肝脏、乳房、子宫和其他器官的微小病变(或者良性病变)进行治疗。

    近二十年来激光技术在皮肤科有着飞速的进步,许多皮肤病理和先天性的疾病如血管性疾病、色素、纹身、疤痕、多毛可以被成功地根治。此项治疗方法有效而术后并发症少,因此对于激光手术的需求越来越高。

强大的冷却装置通过降低皮肤表面的热能积累而能够将皮肤的热损伤减少到最小。表皮的冷却系统能够使用更高的频率治疗(高频率增加了病损的反应),这一点在治疗皮色较黑的病人时特别有效,因为皮肤色素的增加往往导致治疗后皮肤色素的改变,冷却的另外一个优点是降低治疗时的疼痛。

    近几年的皮肤激光平复术进展迅速。尽管二氧化碳激光和铒:YAG激光还在大规模地使用,非融解性的激光平复术也在使用。

    随着研究的进一步加深,加上激光技术的革新以及对于激光-组织之间的相互作用的认识的进一步深入,一些设计良好、减少偏见、一丝不苟的临床试验都在对于各种激光手段在治疗和诊断中的真正意义进行探索。从已经发表的文献来看,对于泌尿道结石、泌尿道肿瘤和BPH使用激光治疗的疗效已经为很多人接受。而光动力学治疗和激光焊接技术也将在不久的将来从实验室研究走向临床的正式应用。

8.5.2  光动力学治疗的前景

    不断扩展应用的光动力学治疗法(photodynamic therapy)具备许多潜在的治疗靶器官如皮肤、口腔、食道、主支气管、膀胱和女性外阴等器官的萎缩和局灶性肿瘤等。其他光动力学治疗法的应用包括:防止气囊血管成型术或支架后的再狭窄、作为肿瘤外科手术后的附属治疗方法、消除尿路中的子宫内膜,治疗斑状退化(macular degeneration)以及耐药性的细菌造成的局部感染。

    PDT已经被加拿大批准用于膀胱乳头状癌复发的预防性治疗和食道癌梗阻或者接近梗阻症状的缓解。PDT在荷兰也被批准用于早期和梗阻性的肺癌和食道癌。在日本,PDT被批准用于早期的肺癌、胃癌、宫颈癌以及宫颈的不典型增生。而在美国的FDA则批准了Photofrin无法用热疗缓解的部分或完全梗阻性食道癌的症状缓解,以及早期肺癌。欧洲的其他11个国家正在考虑批准使用PDT。

    临床使用PDT仍在萌芽阶段。使用不同的光敏剂,肿瘤坏死的深度也有所不同。这源于PDT的众多的影响因子:光敏剂的部位、组织聚集、血流氧含量、靶组织的光学特性、激发光的波长、能量密度、光源、肿瘤深度和治疗范围[60]。大多数的有关PDT的报道往往是初步的结果,所报道的肿瘤也是种类不一、临床分期不同,并且都是常规方法失败了的。而且,许多的疗效判断指标之间没有可比性,体现在许多不同的光敏剂剂量、激光剂量、激光技术和照射的时间。尽管大量的文献报道PDT可以造成明显的肿瘤破坏,近来PDT临床研究倾向是将它作为根治性手术的辅助治疗,以减少肿瘤的局部复发。

    下一代的经济又可靠的激光设备将使上述技术在所有大型医疗中心中的使用成为现实。从前的临床激光设备是庞大、昂贵、不稳定和操作复杂的。现在,多数已经可以装在一个行李箱内,能够接上标准插座并且移动方便,可以在任何一个地方使用。随着需求量的增加,其价格也有可能继续下降。由于某些低能量激光的治疗并不需要光导纤维的传送(如皮肤的光动力学治疗;而口腔、子宫内膜等处就可以使用传送截面更宽的装置进行激光的传导),加上能够使用价格低廉的非激光光源如发光二极管(emitting diodes,LEDs)的光和氙灯的滤过光束等,所以未来的许多激光治疗能够在绝大多数的医院里进行。那些继续在治疗中心的激光设备,仅限于需要复杂显像和导引仪器配套的激光治疗设备,如乳腺、前列腺和胰腺的激光治疗设备。本文中描述的一些激光新应用大多已经进入早期临床试验的阶段。其他的一些则比较更接近实验和推理阶段,但是总的来说,其基本生物学效应已经明确。接下来的工作无非是明确哪些可以发展成临床常规方法、以及这些方法同其他方法之间的比较。尽管如此,事实已经证明在一些情况下,激光治疗方法比其他方法有着明显的优势。

 

思考练习题8

1、 激光对生物体的作用有那几个方面?激光用于生物及医学上有什么优点?试举例予以说明。

2、 试说明近视矫正的PRK(photorefractive keratectomy)方法的原理。PRK方法矫正近视眼使用什么激光器?为什么要使用这种激光器?

3、 试论激光在皮肤科和整形外科的应用现状和优势。应用中要注意那些问题?请举例说明。

4、 激光碎石的机理使什么?什么部位的结石可以使用激光碎石的方法?目前在医学上应用于碎石的激光器有哪些?

5、 对良性前列腺增生症的激光治疗,目前有什么方法,试论它们分别的优缺点。

6、 试简述光动力学治疗的原理。光动力学治疗的优点是什么?当前还存在的问题、它的应用前景怎样?

7、 目前在医学上常用的激光器有哪几种?请分别说明它们的应用范围。

8、 激光用于生物体的诊断是依据什么原理?目前已经在医学上应用的情况如何?有哪些特点?

9、 激光通过光纤来传输的原理是什么?光纤的出现的激光医学的发展起怎样的作用?请举例加以说明。

10、试述激光原理、激光技术、医用激光器对未来医学的发展作用和前景。当前最需要解决的关键是什么?  --------------------