激光的生物效应

关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学”（Tissue optics）作为研究生物组织光学性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基础性的理论问题，也是进一步发展光医学（包含光诊断和光治疗）的前提。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。当前的主要研究任务是：研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。前者涉及由测量的光分布和一定的光传播模型确定组织体的光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组织体的光学基本参数和光传播模型出发导出组织体内光分布，属于“逆”问题。当前结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：光在生物组织中传输理论研究目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。光传输的蒙特卡罗模拟计算蒙特卡罗（MonteCarlo）计算模拟方法，已在许多领域发挥了不可替代的作用。已经有一些比较成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。组织光学参数的测量方法和技术在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是确定组织体，尤其是人体的光学性质基本参数，即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散射余弦g以及折射率n等。一旦已知这些光与组织的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件下，光能流率或其它参量全反射率R全透过率T等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。生物组织折射率及色散关系人们在各种情况下使用假设的折射率数据（1.33-1.38），但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度上被忽视了。至今人们还未在概念上对生物组织折射率做深入的辨析，也还没有完全掌握活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。业已证明生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。鉴于此，应将生物组织的折射率与色散参数的测量及方法作为重点之一开展研究。　激光的生物效应是由许多杂因素决定的，它与激光的性能、生物组织的性质以及作用时间和方式有关。 1、热作用　　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，热能先储存在直接受照射的部分组织中，然后逐渐传给周围组织，可在几毫秒甚至更短的时间内使局部组织温度升高200~1000°C，而且温度为45~50°C左右的状态持续一分钟左右。为此将造成蛋白质变性，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，可以造成照射部分炭化或汽化。 2、压强作用　　由激光照射产生的压强作用可由激光本身的辐射压力形成的压强和由热能引起的汽化压力，当高能量激光作用于生物组织时，其光能瞬时转化为热能，使局部组织出现瞬时高热和急剧温升，引起组织蒸发、膨胀和汽化，局部体积剧增，从而使细胞和组织内部的压强迅速增加，引起微型爆炸，压强破坏力很强，可以轻易地将组织撕裂　　激光在临床的应用，就是利用激光引起的压强作用，如眼科中的压力打孔。 3、光化学作用　　当激光剂量还没有高到破坏生物物质时，激光诱发的光化学作用就可能成为重要的生物学效应之一。激光诱发的光化学反应可导致酶、氨基酸、蛋白质和核酸等变性失活，分子高级结构会有不同程度的变化，从而产生相应的生物效应，如杀菌作用。根据光化学反应过程不同可分为光介质、光氧化、光聚合、光敏导构和光敏化间接作用等。 4、电磁场作用　　激光是一种电磁波，可聚焦成强大电场，这种高强度电场可以产生很多生物效应 5、生物刺激作用　　低能量弱激光对生物组织产生一种生物刺激作用，它不破坏或损伤组织和细胞，而是对损伤的组织和细胞的修复或愈合含有促进作用。激光治疗方法 1、光凝固作用：光能转化为热能使细胞内水分蒸发，组织蛋白凝固。 2、烧灼：中等能量，一般适用于浅表肿瘤治疗 3、气化：组织高热而气化，用于切割组织称“光刀” 4、散焦照射：括束器，使局部组织充血，反射性引起深部组织血运增加，加快新陈代谢，从而产生消炎镇痛作用。 5、光敏疗法：先用光敏剂，是肿瘤细胞致敏，再用激光照射，观察肿瘤的荧光来诊断和治疗肿瘤。