激光与生物组织的作用基础与特性

激光与生物组织相互作用后引起的生物组织的形态或功能等的任何变化,均称为激光的生物效应。发生激光生物效应的过程称为激光的生物作用。在此过程中激光可以使生命物质在系统、组织、细胞或分子等水平发生形态或功能的改变。激光与生物组织的相互作用是激光在临床应用的基础。

激光与生物组织的相互作用涉及两方面,一方面是激光性能参数,另一方面是生物组织自身性质即特性。由于激光参数的不同,各类生物组织特性不同,对激光生物效应的影响规律也会有所差异。当激光作为主要手段应用于诊断和治疗时,由于激光直接作用于组织,因此了解和掌握各种激光参数和各类生物组织特性对激光生物效应的影响规律是有效地使用激光诊治疾病的关键。

光学特性

不同生物组织其对光的反射率、透射率、吸收参数、散射系数等均不同,可直接影响激光进入组织的深度和作用范围。就眼睛而言,光从外进入眼球,需经过角膜、房水、晶状体和玻璃体等屈光介质。在此过程中,光线会发生反射、折射、散射与吸收,最终投射到视网膜上。

眼对光的反射特性

眼对光的反射主要发生在角膜与空气的界面上。角膜的反射以镜式反射为主,镜式反射率随入射角的增大而增大。入射角在0°~40°时,反射率变化不大,但当入射角>60°时,反射率随入射角的增大明显增加。就光的正入射来讲,反射系数

r=[(n2-n1)/(n2+n1)]2

式中,n2和n1为界面两边介质的折射率。如果光由空气照射到角膜,空气的折射率n1为1,而角膜的折射率n2为1. 376,得出角膜的反射率为2. 4%左右,如果角膜基质的折射率为1. 55,则其反射率≈5%。在角膜-房水-晶状体-玻璃体之间各界面虽有反射,但由于各界面之间的折射率差别很小,故反射系数更小。加之角膜前泪膜层类似透镜有消反射的作用,故通常情况下,眼的反射光常少于5%,常被忽略不计。此外,由于不同的种族、不同肤色的皮肤对波长300~2000nm的近紫外线可见光和近红外线反射率变化较大,因此眼睑皮肤对激光的反射也会有所不同。

眼对光的折射特性

眼睛的折射特性对光学系统成像起非常重要的作用。眼睛相关折射指数归纳见下表。

眼睛相关折射指数

  1. 角膜:是光进入眼球的第一个屈光介质,也是眼睛最重要的折光介质,承担眼睛约2/3折光度。光线由外界空气介质进入角膜,由于两者折射率不同,光线必然发生折射。角膜的折射率为1. 376,空气的折射率为1. 0003。
  2. 房水:房水的折射率为1. 337,由于其与前面角膜及后面的晶状体折射率接近,故有时忽略不计。
  3. 晶状体:是眼睛重要的屈光间质。由于晶状体皮质和核的密度不同,其折射率也不相同。皮质折射率为1. 386,核部为1. 406,平均为1. 42。随着年龄增加或病理改变的出现,其折射率会发生变化。
  4. 玻璃体:其折射率为1. 336,接近晶状体,其生理作用不仅是对晶状体、视网膜等周围组织有支撑减震和提供代谢等作用,还在屈光成像时为晶状体和视网膜之间提供一定像距,以使在视网膜上清晰成像。

眼对光的散射特性

光线通过不均匀光学介质时,出现偏离原传播方向而沿侧向传播的光称为光的散射。不同于反射,眼睛的散射不可忽略。根据散射发生的粒子的线度的大小,散射分为:

  1. 瑞利(Rayleigh)散射:瑞利散射又称分子散射,为小粒子物质产生的散射。当散射粒子的线度≤1/10波长时,就产生此类散射,高空大气分子对日光的散射属于此类。
  2. 延德尔(Tyadall)散射:也称丁达尔散射。散射粒子线度的数量级等同于光波长时,则发生延德尔散射。散射强度与波长成反比。烟雾悬浮物等属于此类现象。眼科临床上裂隙灯检查前房细胞和炎性渗出时出现的现象就为此类现象,被称作Tyadall现象。
  3. 米(Mie)氏散射:当散射粒子线度远大于光波长时,出现的散射称为Mie散射。该种散射不依赖于光的波长,且前向散射的量大于后向散射。天空行云属于此类现象。

人眼的散射不可忽略。正常情况下,约10%的入射光发生散射。其来源可以来自于角膜、晶状体、虹膜、玻璃体、眼底等。角膜、晶状体约各占散射来源的1/3,其余占剩余来源的1/3。这些比例会随着年龄、色素及产生病理改变而发生变化。不同的病理变化,如角膜水肿、白内障等,散射的类型不同。有时并非单一类型,为多种散射类型同时存在。

眼对光的吸收特性

  1. 角膜:波长短于295nm的紫外光主要为角膜吸收,对295~315nm的远紫外光角膜吸收也很好,但有所减少,对可见光至波长1400nm的远红外光几乎不吸收,是透明的。对波长1400~1900nm的红外线基本为角膜及房水吸收。对长于1900nm以上的中远红外光又几乎全部吸收,且在眼部角膜是此类光的主要吸收体。
  2. 房水:对可见激光几乎不吸收,对340~400nm和780~1400nm的激光有少量吸收,与水接近。
  3. 晶状体:是波长780~1400nm的近红外激光的主要吸收体,也吸收340~400nm的激光。对可见光几乎不吸收,而对400~1000nm的光仅吸收百分之几,大部分透过。
  4. 玻璃体:与角膜和晶状体一样,对可见光是透明体,对450~900nm的激光几乎不吸收。
  5. 眼底的吸收特性:到达眼底的可见光及近红外光,除小部分被眼底反射(5%)外,大部分被眼底吸收。光通过视网膜透明薄层后,通过感光细胞层进入视网膜色素上皮层并被吸收,部分未被吸收则被脉络膜乃至巩膜吸收。激光对眼底的作用效率取决于屈光介质的透射率(T)和眼底对光的吸收率(A)两者的乘积。透射-吸收积率TA的值越大,作用越有效。

热学特性

生物组织吸收激光后可产生热作用。与生物组织温度变化有关的热学性质主要是比热、热导率、热容量和热扩散率等。

  1. 比热:是生物组织含水量和固态内含物(蛋白、脂肪)含量的函数,直接与温度变化有关。
  2. 热导率:指传热的快慢,反映热传导能力,热导率越大,热传导越快,一方面不易保持高温度,同时生热也慢。人体组织是不良的导热体,有利于保持体温的恒定。
  3. 热容量:单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的热量。热容量越大,上升的温度越少。

声学及其他特性

声学特征有声阻、声吸收率等。其他特征有生物组织的电学特性,例如:阻抗、介电常数、极化率等。

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