激光对生物组织的光致破裂作用

光致破裂作用(photodisruption)也称为光学击穿(optical breakdown)作用。指从相互作用的原理来说,等离子体诱导的蚀除作用和光致破裂作用都是通过等离子体的产生将组织分开的,但光致破裂作用还包括机械作用分裂和切割组织。在20世纪70年代和80年代,人们将所有由超短脉冲激光作用于组织产生的效应都称为光致破裂作用,只是等离子体诱导的蚀除作用和光致破裂作用发生的阶段不同,当激光的能量密度达到一定高度时,等离子效应就会产生机械方面的效应。所以,后来的研究将这两者区分开来,一个是由于电离而将组织蚀除,而另一个是通过机械力导致组织破裂。光致击穿效应分为等离子体的形成和冲击波的产生。如果击穿发生在软组织和流体中,会附加产生空化和产生射流。当脉冲能量较高时(等离子体的能量很高),冲击波和其他机械方面的效应就会变的更严重。

下图是两张PMMA板曝光于飞秒激光后产生的破裂效应,当飞秒激光束聚焦于组织内部时,由局部的等离子体的能量很高,产生的冲击波的机械效应将PMMA板裂开。

飞秒激光聚焦于PMMA板表面下200μm处时发生的破裂作用

上图用飞秒激光脉冲(脉冲持续时间174fs,脉冲功率为150mW,频率为1. 08MHz)聚焦于PMMA板表面下200μm处时发生的破裂作用(A)和机械副作用(B)(CCD图像)

在超短脉冲激光产生光致破裂作用的过程中,将会经历等离子体的形成。冲击波的产生、空穴作用和在软组织和流体中射流的形成。这几个过程发生在不同的时间尺度上。一般等离子体的产生是发生在激光脉冲的开始,通常只持续几纳秒的时间,也就是自由电子扩散到周围介质所需要的时间。在自由电子向周围扩散的时候,同时也就产生了冲击波,冲击波以超声速向邻近的组织传播,离开聚焦区域。一般30~50纳秒就会降到普通的声波。在脉冲产生50~150纳秒时,将会看到宏观上的汽化现象,在组织内部产生气泡,气泡迅速膨胀将组织撑开。通常,空化气泡可经过几次膨胀和闭合,且每次闭合均会伴冲击波的产生。

下图是通过光致破裂作用产生的机械力从猪眼角膜中分离出的角膜组织片,中央为一较大能量产生的气泡压痕,下图为飞秒激光在纵向切割角膜组织时,在角膜基质深部形成的空化气泡,这些气泡将板层角膜基质分开。

眼角膜组织在飞秒激光聚焦后发生空化作用产生的超大气泡压痕

上图:角膜组织在飞秒激光(脉冲持续时间220~580fs,脉冲功率为190mW,频率为500kHz)聚焦后发生空化作用产生的超大气泡压痕。

飞秒激光在角膜基质深部形成的空化气泡,这些气泡将板层角膜基质分开

上图:飞秒激光(脉冲持续时间220~580fs,脉冲功率为190mW,频率为500kHz)在角膜基质深部形成的空化气泡,这些气泡将板层角膜基质分开。

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