激光对生物组织的基本作用类型

激光照射后,受照射区域可能会发生一系列复杂的生化和形态的变化过程,因此,激光与生物组织的相互作用类型也是复杂的、多种多样的,这种多样性主要来自于生物组织的特殊性和激光的参数以及它们之间的相互作用,不同靶组织的不同光学特性和其他生物学特性如热学特性可能会产生不同强弱甚至不同种类的激光生物效应。而且,还可能包含发生在前的早期变化及发生在后的可能的潜在变化,但通常是以一种主要的变化为特征。随着人们对激光生物医学的不断应用和研究,可能会有新的认识。目前,将激光对生物组织的作用划分为以下五种类型:光化学相互作用、热相互作用、光蚀除作用、等离子体诱导蚀除作用及光致破裂作用。

下图为激光生物组织相互作用类型的对数曲线图。纵坐标为所用功率密度或者是辐照度(功率密度是指垂直照射到受照处单位面积上的功率),单位是W/cm2。横坐标为曝光时间,单位是秒(s)。当曝光持续时间在1秒以上或1秒左右时,表现为光化学作用;当曝光持续时间在1微秒作用时,表现为光热作用;当曝光时间持续时间从1微秒降到1纳秒时,表现为光蚀除作用;而对于等离子体诱导蚀除作用和光致爆破作用,曝光持续时间均小于1纳秒,不同在于这两种作用的功率密度不同,光致爆破作用的功率密度更高。等离子体诱导蚀除作用主要基于电离作用,而光致爆破作用主要为机械效应。在图3-1中,通过功率密度与曝光时间之间的相互作用可以看出,对于任何目的的相互作用类型都需要大致相同的能量密度。所以造成激光与生物组织不同相互作用机制的主要参数为曝光时间。而相邻的两个相互作用类型在曝光时间上有部分重合,因此不能将两个相邻的作用类型严格的区分开来。例如,在光动力疗法中发生光化学作用时,同时也可能产生热效应。但是在某些情况下,即使脉冲持续时间非常短,甚至短于100皮秒的超短激光脉冲,它们的单脉冲一般不会产生热效应,但是当重复频率极高时(10~20Hz),它们的温度会明显的增加,并产生热效应。所以我们就需要综合的分析和理解每个激光与组织相互作用和作用原理。

激光与生物组织相互作用关系示意图

激光与生物组织相互作用关系示意图

下面将分别做几篇文章对其做分别介绍:

  1. 光刺激、光至化学作用
  2. 热相互作用
  3. 光蚀除作用
  4. 等离子体诱导蚀除作用
  5. 光致破裂作用

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