激光知识半导体激光与医疗

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激光基本知识
激光的最初的中文名叫做
“镭射”、“莱塞”,
它的英文名称LASER的音译,
是取自英文Light
Amplification by Stimulated
Emission of Radiation的各
单词头一个字母组成的缩
写词。意思是"通过受激发
射光扩大"。激光的英文全
名已经完全表达了制造激
光的主要过程。1964年按
照我国著名科学家钱学森
建议将“光受激发射”改
称“激光”。
• 光与物质的相互作用,实
质上是组成物质的微观粒
子吸收或辐射光子,同时
改变自身运动状况的表现。
•
微观粒子都具有特定
的一套能级(通常这些能
级是分立的)。任一时刻
粒子只能处在与某一能级
相对应的状态(或者简单
地表述为处在某一个能级
上)。与光子相互作用时,
粒子从一个能级跃迁到另
一个能级,并相应地吸收
或辐射光子。光子的能量
值为此两能级的能量差△E,
频率为=△E/h(h为普朗克
常量)。
激光波长与视觉关系
激光的特性
• (一)单色性好
•
单色性好
• 光的颜色由光的不同波
长决定,不同的颜色,
是不同波长的光作用于
人的视觉的不同而反映
出来。激光的波长基本
一致,谱线宽度很窄,
颜色很纯,单色性很好。
由于这个特性,激光在
通信技术中应用很广。
• (二)相干性好
• 相干性是所有波的
共性,但由于各种
光波的品质不同,
导致它们的相干性
也有高低之分。普
通光是自发辐射光,
不会产生干涉现象。
激光不同于普通光
源,它是受激辐射
光,具有极强的相
干性,所以称为相
干光。
• (三)方向性好
• 激光发射后发散角非常小,激光射出20公
里,光斑直径只有20——30厘米,激光射到
38万公里的月球上,其光斑直径还不到2公
里。
• (四)亮度高
• 由于激光的发射能力
强和能量的高度集中,
所以亮度很高,它比
普通光源高亿万倍,
比太阳表面的亮度高
几百亿倍。亮度是衡
量一个光源质量的重
要指标,若将中等强
度的激光束经过会聚,
可在焦点出产生几千
到几万度的高温。
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•
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•
•
激光分类
激光分类:
激光器的分类基本上是根据其可达发射极限AEL(Accessible Emission Limit)
来划分的,而可达发射极限定义:在确定的危害类别内,允许激光器发射的
最大辐射功率和能量,一个激光器可能发射4类激光,但在该激光产品被定为
4类之前,其辐射必须真正超过3B类激光发射极限:
I类激光(class 1 Laser product)是无危险不需要进行危害控制的激光产品,
在设计的最大发射持续时间内,可达到的发射极限低于照射限值,即使通过
光学放大仪器进行光束内视,也不会引起眼损伤。
II类激光(class 2 Laser product)是低危险低功率的可见激光产品,输出功
率大于I类,但小于或等于1mw的连续激光产品或在设计的最大发射持续时间
内,输出功率超过相应光束内视照射极限,但不超过0.25s照射时间的眼照射
限值的重复频率脉冲激光产品。
IIIA类激光产品(class 3A Laser product)是低危险中功率的激光产品,输出
功率为1-5mw,辐照度不大25w/m^2的可见光连续波或重复频率脉冲激光产
品.
IIIB类激光产品(class 3B Laser product)是中等危险,中功率的激光产品,这类
激光产品包括:辐照量超过相应极限,但小于或等于10j/m^2的脉冲激光产品,辐
射功率超过相应眼照射限值,但小于或等于0.5w的连续波或重复频率脉冲激光
产品。
IV类激光产品(class 4 Laser product)是高功率的激光产品,即辐射功率超过
0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品或辐射量。
激光的生物学作用原理
(1)激光生物热效应
激光照射生物组织时,激光的光子作用于生物分子,分子运
动加剧,与其他分子的碰撞频率增加,由光转化为分子的动能后
变成热能,可能会引起蛋白质变性,生物组织表面收缩、脱水、
组织内部因水分蒸发而受到破坏,造成组织凝固坏死。当局部温
度急剧上升达几百度甚至上千度时,可以造成照射部分碳化或汽
化。在照射生物组织时,不同波长的激光产生热效应的机制也不
尽同。红外激光的光子能量小,生物组织吸收后只能增加生物分
子的热运动导致温度升高,所以它是直接生热可见光和紫外光的
光子能量大,生物组织吸收了光子能量后引起生物分子电子态跃
迁,在它从电子激发态回到基态的驰豫过程中释放能量,该能量
可能引起光化反应,也可能转化为热量产生温度升高,所以它们
是间接生热。
• 激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方
面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织
方面则取决于其光学、热学特性等诸多因
素。
热效应是激光致伤的最重要因素。激光损
伤区与正常组织的界缘十分清楚,这是由于激
光脉冲时程短,生物组织的导热性差,瞬间放
热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照
后,由于继变化,如炎症、出血、再生等,会
使原初清楚的损伤界缘逐渐变得模糊。
• (2)激光生物光化效应
当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后,
受激跃迁到激发态,在它从激发态返回到基态,但又不返回
其原来分子能量状态的弛豫过程中,多出来的能量消耗在它
自身的化学键断裂或形成新键上,其发生的化学反应即为原
初光化学反应,在原初光化学反应过程中形成的产物,大多
数极不稳定,它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物,
这种光化反应称为继发光化反应,前后两种反应组成了一个
完整的光化反应过程,这一过程大致可分为光致分解、光致
氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型,光致敏化效应又
包括光动力作用和一般光敏化作用。
• 生物的光化效应产生的根本是生物的而组织有
一定的色度,能选择性地吸收300~1000nm光
谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血
红蛋白、胡萝卜素、铁质等,其中黑色素对激
光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556nm,氧
合血红蛋白在415、542、575nm处有清楚的吸
收带,胡萝卜素吸收带在480nm处,黑色素和类
黑色素在400~450nm波段吸收最强。无论是
正常细胞还是肿瘤细胞,在细胞质和细胞间有
许多黑色素颗粒,它们吸收激光能量使能量在
色素颗粒上积聚而成为一个热源,其能量向周
围传导和扩散,从而引起周围组织细胞损伤。
• (3)激光生物压力效应
由激光照射产生的机械作用可分为两部分:激光
本身的辐射压力对生物组织产生的压强,即光压,称
作一次压强;生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相
变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强,叫
二次压强。由激光导致的生物细胞的压强的变化可以
改变生物细胞、组织的形状,使得生物细胞、组织内
部或之间产生机械力,从而对生物细胞、组织产生巨
大的影响。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另
一原因。冲击波在组织中以超声速运动,在组织中产
生空穴现象,引起组织破坏。戈尔德曼指出:脉冲时
程50毫微秒的Q开关激光产生的冲击波压力,可大于
10个大气压。实际上,激光热效应影响范围十分局限,
而由压力效应引起的组织损伤,则可波及到远离受照
区的部位。例如,用红宝石激光照射小鼠头部时,发
现头皮轻度损伤,颅骨和大脑硬膜并无损伤,而大脑
本身却大面积出血,甚至造成死亡。
光束发散角与光斑直径关系
不同位置不同光斑
发散角
不同的导光介质会有不同的发散角;
不同的发散角在距离光源距离相同处会产生不同的光斑;
不同的光斑对患者病灶部位的治疗效果也是不同;
所以选择一个合适的发散角对于疗效好坏至关重要。
我们会对不同的病症匹配最合适的发散角。
半导体激光微创手术优势
• 微创治疗损伤小,手术精度高
因半导体激光手术刀的作用介质为光纤,光纤直径从400µm800µ m可选配,能灵活伸入深部病灶部位进行手术,避免常
规开创手术中的组织、器官被牵拉、分离的机械性损伤。
• 红光导航,术野清晰
已获国家专利的同光路红光指示光,保证手术视野的解剖层
次更清晰,定位 更准确,手术更精细。
•
临床效果好,操作简便
980nm激光波长具有对水及氧合血红蛋白的最佳吸收率,对
病变组织有更优越的气化、切割性能,凝固、止血效果极佳,
操控灵活易掌握。
• 复发、转移率低
980nm激光对肿瘤病变组织有极佳的血管、淋巴管封闭作用。
阻断了扩散途径,复发、转移率极低。
• 患者接受度高,恢复快
避免常规外科手术大切口、大范围切除,因980nm激光其光
学烧灼而非热烧灼的优点,可使周围组织产生极少的损伤,
并能维持较长时间的止血效果
北京协和医院自1995年起采用新型高功率半导体激光
(作妇科腹腔镜手术),与该院以往使用的Nd:YAG激光
手术比较,体会到半导体激光有以下优点:
①半导体激光的光电转换率较高,为Nd:YAG激光的30倍,
因此功率消耗和产热极少,可采用普通220V电源,机器
内无高压,故使用寿命长,而Nd:YAG激光采用380V电源,
需要装冷却水装置或风冷以消除发热,消耗水电较多,
且容易损坏。
②半导体激光器体积小巧,携带方便,配备一台机器,
可供多种手术适用。
③半导体激光术前准备快,效率高,透热最深为2mm,
故临床使用安全,可减少对病灶深处脏器的损伤。而
Nd:YAG激光透热最深达4mm,且温度下降较慢。
④半导体激光手术操作时止血好,出血少,产生烟雾较
Nd:YAG激光少,术中视野较清晰,可避免误伤周围脏器。
半导体激光与Nd:YAG激光的区别
半导体激光安全性高:
半导体激光平均透射深度为3mm左右,是1064nm波长Nd:
YAG激光透射深度的一半,切割速度更快。
半导体激光切割速度快:
在组织表面,半导体激光产生的温度为150℃,而Nd:YAG
激光是95℃,能量更集中。
半导体激光的凝固作用佳:
组织深度加强,温度比Nd:YAG激光下降速度快。
半导体激光吸收效果好:
手术所需功率低,手术时间短,吸收比Nd:YAG激光高3倍。
------《激光医学》 上海科学技术出版社 2003.9

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