激光对生物组织的热相互作用

生物组织吸收激光能量后,将光能转变为生物组织的热能,这个过程称为热相互作用(thermal interaction),也称光致发热作用(photoheat effect)。热相互作用是激光与生物组织作用常见的一种类型,其中局部温度的升高是最重要的参数变化。它的基本过程是热产生、热传输和热效应三个过程。热产生是由激光参数(如辐照度、曝光时间,及激光波长的吸收特性等)和生物组织的光学特性两方面决定的;热传输主要依赖于由生物组织的热特性,例如热导率、热容量、比热、血容量等;而最终的热效应产生则主要取决于生物组织类型和到达其内部的温度等。

光致发热作用的机制有吸收生热和碰撞生热两类。吸收生热是生物组织吸收了红外激光的光子后,因其光子能量较小,不能产生电子能级的跃迁,只能转变成生物分子振动和转动能,即增加生物分子的热运动,使被照处组织的温度升高。这种生热没有中间过程,故也称直接生热。碰撞生热是当可见激光和紫外激光的光子能量较大时,当它辐照生物组织时,生物组织吸收了这种光子能量(hν)后,生物分子则被激活,可引起生物组织的电子从基态向激发态跃迁,使分子处于受激状态(A*),受激分子与周围环境中的介质(M)发生非弹性碰撞,这样就导致分子A*的失活,同时增加了M的动能(包括振动和转移能),即被激活的生物分子可能通过和其周围分子的多次碰撞而逐渐失去其所获得的光能,四周分子则得到平移能量,这样受照体就会产热,进而组织就会温度升高。因此,从微观来看温度的升高是由于光能转化为动能的过程。

  1. 吸收:A+hν→A*
  2. 失活:A*+M(Ekin)→A+M(Ekin+△Ekin

热作用的结果使生物组织的局部温度升高,因此热作用对生物组织的影响主要体现为温度对生物组织的影响。临床上一方面,激光治疗常采用不同的激光种类,利用控制受照处的激光功率密度和持续时间等来获得治疗所需的各级热反应水平,以达到不同的治疗目的。另一方面,热作用的结果也会产生一些特殊的热相互作用结果。例如,温度对人体生化过程会产生很大影响,酶的催化作用就对温度有很大依赖关系,温度的微小变化即可引起化学反应速率和代谢的较大变化。温度变化1℃,则代谢率的变化为10%。当体温超过40℃时,神经兴奋下降。体温超过正常值4℃时中枢神经就不能正常工作了。对于其他细胞,若温度超过8~9℃,短时间即可造成细胞损伤。温度超过50℃时,酶的活性开始下降,可使细胞内传递的能量减少,细胞活性下降。高温可使蛋白质分子空间构象的次级键断裂而变性。温度在60℃以上蛋白质和胶原蛋白可发生变性,组织凝结和组织坏死。因此温度较高对正常人体生物组织有害,但可利用高温杀灭微小生物,故高温可杀菌。

根据温度升高的程度和产生的生物组织的反应,常将其分为温热感觉、热致红斑、热致水疱、热致凝固、热致汽化、热致炭化、热致燃烧、热致切割等不同效应,见下表。

激光辐射的生物热效应

实际上,根据激光参数,激光束照射到生物组织并非出现单一的热反应水平,往往在光束照射的不同区域及周围相邻组织热反应水平是不同的。而我们在应用激光时,通常是希望达到一个特定的效应。所以应该认真选择所需要的激光参数来减少其他热效应的发生。体温过高可在机体内产生可逆和不可逆过程,一般凝固、汽化、炭化等过程为不可逆的过程。图3-2为当激光束辐射生物组织时,在辐射区周围不同区域发生的不同的生物热效应。

影响激光热相互作用的因素有生物组织本身的,如吸收系数、散射系数、比热、热容量、热导率、热扩散率等;也有激光方面的,如波长、照射的激光功率密度、工作方式、脉冲宽度及脉冲峰值功率等。

激光热作用还与热作用持续时间有关:热作用持续的时间长,则造成热损伤的阈值温度低;若热作用持续时间短,则造成热损伤需要的温度较高。实验证明,组织蛋白的温度在50℃时持续1分钟,则会发生不可逆性变性,但同样的组织蛋白在70℃时,只要持续时间不超过1秒则不会受损。热作用持续时间与损伤阈值温度呈对数关系说明热作用持续时间越短,则生物组织的耐受温度越高。

激光在生物组织中不同区域的热效应

激光在生物组织中不同区域的热效应

在医学领域里有时以激光本身的物理参量(功率能量等)来衡量激光的强与弱,而有时还以它与生物组织作用后产生的生物效应的强弱来区分被称作弱激光和强激光。如果激光照射生物组织后若不直接造成生物组织的不可逆损伤,则此受照射表面处的激光称为弱激光;若直接造成生物组织的不可逆损伤者,则被称为强激光。弱激光的热作用的意义在于给予生命物质以能量,从而改变机体的病理状态,恢复健康。主要应用于激光理疗,促进伤口愈合、促进神经修复、消炎等。而强激光热作用的意义在于有目的地造成生物组织的局部热损伤,以达到组织焊接或凝固、汽化和切除病变组织等治病目的。故临床上也称之为激光刀。此外也用于杀菌,破坏恶性细胞等用。

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