1、激光激光激光及其醫學應用激光及其醫學應用Laser and its medical applications一、一、激光發生原理激光發生原理二、二、激光的物理特性和生物效應激光的物理特性和生物效應三、三、激光在醫學中的應用激光在醫學中的應用 一、激光發生原理一、激光發生原理The basic principle of laser-produced1 1、激光的本質激光的本質2 2、自發輻射、受激輻射和受激吸收自發輻射、受激輻射和受激吸收3 3、激光產生的基本原理激光產生的基本原理4 4、激光器激光器1 1、激光的本質、激光的本質The nature of laserl 激光：激光：laser

2、（light amplification by stimulated emission of radiation）l 激光的本質是受激輻射光的放大。激光的本質是受激輻射光的放大。2 2、自發輻射、受激輻射和受激吸收、自發輻射、受激輻射和受激吸收Spontaneous emission, stimulated emission and stimulated absorptionl根據量子理論，各電子根據量子理論，各電子運動軌道代表電子的不運動軌道代表電子的不同運動狀態；同運動狀態；l通常把電子具有最低能通常把電子具有最低能量的狀態稱為量的狀態稱為基態基態，其，其余稱為余稱為激發態激發態。1238

3、010.1512.1113.53原子能級示意圖原子能級示意圖 頻率頻率 傳播方向、振動方向、初相位都彼此不相關傳播方向、振動方向、初相位都彼此不相關 產生自然光產生自然光A12E2E1 自發輻射自發輻射1221EEhEl自發輻射：自發輻射：處于激發態的原處于激發態的原子自發的從子自發的從高能級躍遷到較低高能級躍遷到較低的能級的能級，把能量以光子的形式，把能量以光子的形式向外發射。向外發射。l特點特點普朗克常量，普朗克常量，6.62610-34Js 誘發光子頻率誘發光子頻率 發射光子傳播方向、振動方向、初相位都和發射光子傳播方向、振動方向、初相位都和誘發光子相同誘發光子相同 光束強度增強。光束強

4、度增強。B12E2E1受激輻射受激輻射1221EEhEl受激輻射：頻率適當受激輻射：頻率適當的光子的光子可誘發處于較高能級的原子發可誘發處于較高能級的原子發射光子而躍遷到較低能級。射光子而躍遷到較低能級。l 特點：特點：l 受激吸收：受激吸收：處于低能級處于低能級E1上的原子，上的原子，在頻率為（在頻率為（E2- E1）/h的外界光信的外界光信號作用下，吸收號作用下，吸收h 21能量后躍遷到能量后躍遷到激發態激發態E2上，這種過程稱為受激吸上，這種過程稱為受激吸收。收。C12E2E1受激吸收受激吸收1221EEhE 吸收光子頻率吸收光子頻率 光束減弱光束減弱l特點：特點：3 3、激光產生的基本

5、原理、激光產生的基本原理 The basic principle of laser-producedl當光束通過原子（或分子、離子）系統時，當光束通過原子（或分子、離子）系統時，同時存在同時存在自發輻射、受激輻射和受激吸收自發輻射、受激輻射和受激吸收三種過程。受激吸收使入射光束強度減弱，三種過程。受激吸收使入射光束強度減弱，受激輻射使入射光束強度增強。受激輻射使入射光束強度增強。l激光器就是利用激光器就是利用受激輻射使光放大受激輻射使光放大而獲得而獲得激光的。激光的。激光產生的基本條件激光產生的基本條件The basic conditions for laser-produced（1 1）工作

6、物質工作物質粒子數反轉分布粒子數反轉分布（2 2）諧振腔諧振腔l正常情況下，能級越高，粒子數越少；正常情況下，能級越高，粒子數越少；（1）工作物質）工作物質粒子數反轉分布粒子數反轉分布Work material distribution inversionEEjEi0NNjNi正常分布正常分布EEjEi0NNiNj反轉分布反轉分布l高能級原子容易受激輻射，低能級原子容易受激吸收高能級原子容易受激輻射，低能級原子容易受激吸收l兩個能級能實現粒子數反轉分布的物質就兩個能級能實現粒子數反轉分布的物質就叫做激活介質，即通常所說的叫做激活介質，即通常所說的工作物質工作物質，它可以是氣體、固體或液體。它可

7、以是氣體、固體或液體。l在外界激勵的作用下，粒子從低能級躍遷在外界激勵的作用下，粒子從低能級躍遷到高能級，從而實現粒子數反轉分布的過到高能級，從而實現粒子數反轉分布的過程稱為程稱為抽運抽運。抽運的方法主要有兩種：。抽運的方法主要有兩種：光光激勵和電激勵激勵和電激勵。 AB工作物質工作物質諧振腔諧振腔R1R2l特點：特點：u多次放大多次放大u單一方向單一方向（2 2）諧振腔）諧振腔Optical resonating cavityl 諧振腔是由諧振腔是由相互平行相互平行而又同時而又同時垂直垂直于工作物質于工作物質軸軸線線的兩塊反射鏡組成的兩塊反射鏡組成 l 諧振腔使受激輻射的光在腔中諧振腔使受激

8、輻射的光在腔中往返反射往返反射，每經過，每經過一次工作物質就得到一次放大。當光被放大到等一次工作物質就得到一次放大。當光被放大到等于或超過光損耗時，就產生于或超過光損耗時，就產生激光振蕩激光振蕩，并在部分，并在部分反射鏡一端產生激光輸出。反射鏡一端產生激光輸出。 B工作物質工作物質諧振腔諧振腔R1R2l產生激光的裝置稱為激光器。激光器主產生激光的裝置稱為激光器。激光器主要由三部分組成：要由三部分組成：激光工作物質、諧振激光工作物質、諧振腔和激勵源腔和激勵源。 激光器的組成激光器的組成Composition of laser激光器的種類激光器的種類Types of lasers 按工作物質按工作

9、物質固體激光器（如紅寶石激光器）固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦氖激光器）氣體激光器（如氦氖激光器）液體激光器（如染料激光器）液體激光器（如染料激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）自由電子激光器自由電子激光器化學激光器（如氟化氫激光器）化學激光器（如氟化氫激光器） 按運轉方式按運轉方式連續激光器連續激光器脈沖激光器脈沖激光器 按工作波段按工作波段紅外和遠紅外激光器紅外和遠紅外激光器可見光激光器可見光激光器紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器X X射線激光器射線激光器 激光器的種類激光器的種類Types of lasers 固體激光器固體激光器So

10、lid-state laser：以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃為工作物質。最以摻雜離子的絕緣晶體或玻璃為工作物質。最常采用的是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石常采用的是紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石等三種。等三種。特點：輸出能量大（可達數萬焦耳），峰值功特點：輸出能量大（可達數萬焦耳），峰值功率高（連續功率可達數千瓦），結構緊湊牢固率高（連續功率可達數千瓦），結構緊湊牢固耐用。耐用。激光器的種類激光器的種類Types of lasers 氣體激光器氣體激光器Gas laser：以氣體或蒸汽為工作物質。由于氣體激光器是以氣體或蒸汽為工作物質。由于氣體激光器是利用氣體原子、分子或離子的分離能級進行工利用

11、氣體原子、分子或離子的分離能級進行工作的，所以它的躍遷譜線及相應的激光波長范作的，所以它的躍遷譜線及相應的激光波長范圍較寬，目前已觀測到激光譜線不下萬余條，圍較寬，目前已觀測到激光譜線不下萬余條，遍及從紫外到遠紅外整個光譜區。遍及從紫外到遠紅外整個光譜區。特點：輸出光束的質量好（單色性、相干性、特點：輸出光束的質量好（單色性、相干性、光束方向性和穩定性等）。光束方向性和穩定性等）。激光器的種類激光器的種類Types of lasers 燃料激光器燃料激光器Fuel laser：19661966年，人們第一次利用巨脈沖紅寶石激年，人們第一次利用巨脈沖紅寶石激光器泵浦氯化鋁酞化菁和花菁類燃料，獲得

12、光器泵浦氯化鋁酞化菁和花菁類燃料，獲得了受激輻射。此后，染料激光器得到了迅速了受激輻射。此后，染料激光器得到了迅速的發展。的發展。特點：輸出激光波長可調諧，某些染料波特點：輸出激光波長可調諧，某些染料波長的可調節寬度達上百納米；激光脈沖的寬長的可調節寬度達上百納米；激光脈沖的寬度可以很窄（可達度可以很窄（可達10-1510-15秒量級）；輸出功秒量級）；輸出功率大，可與固體激光器比擬，并且價格便宜。率大，可與固體激光器比擬，并且價格便宜。激光器的種類激光器的種類Types of lasers 半導體激光器半導體激光器Semiconductor lasers：以半導體材料為工作物質。以半導體材料

13、為工作物質。特點：具有超小型、高效率、結構簡單、特點：具有超小型、高效率、結構簡單、價格便宜，以及可以高速工作等一系列優點。價格便宜，以及可以高速工作等一系列優點。2020世紀世紀8080年代以來發展極為迅速，是目前光年代以來發展極為迅速，是目前光通訊系統的最重要光源，并且在媒體播放機、通訊系統的最重要光源，并且在媒體播放機、光盤驅動器、激光打印機、全息照相、激光光盤驅動器、激光打印機、全息照相、激光測距及醫療等許多方面得到了重要應用。測距及醫療等許多方面得到了重要應用。激光器的種類激光器的種類Types of lasers紅寶石激光器紅寶石激光器Ruby laser二、激光的物理特性和生物效

14、應二、激光的物理特性和生物效應Lasers physical properties and biological effectsl 物理特性物理特性Lasers physical properties 高強度性：高強度性：亮度為太陽表面亮度的亮度為太陽表面亮度的10101010倍，倍，能產生強烈的熱效應。能產生強烈的熱效應。 高單色性：高單色性：譜線寬度很窄：譜線寬度很窄：8 8 10nm10nm 高定向性：高定向性：可以聚焦成小于可以聚焦成小于1um1um的光斑；的光斑；可探測到從月球反射的激光?？商綔y到從月球反射的激光。 高相干性：高相干性：用于全息照相和精密測量。用于全息照相和精密測量。

15、激光和生物體組織的相互作用激光和生物體組織的相互作用the interaction of body tissues反射反射入射入射激光激光散射散射吸收吸收激勵激勵 (發光) 發熱發熱l生物效應生物效應Lasers biological effects 光效應：光效應：一定波長的光子被吸收，躍遷一定波長的光子被吸收，躍遷到一定能級，引起生物分子變異。到一定能級，引起生物分子變異。 熱效應：熱效應：引起酶失活，蛋白質變性，導引起酶失活，蛋白質變性，導致生物的生理、遺傳變異。致生物的生理、遺傳變異。 電磁場效應：電磁場效應：產生的產生的自由基自由基導致導致DNADNA損傷，損傷，引起突變。引起突變。

16、 壓力效應：壓力效應：使組織變形、破壞引起生理使組織變形、破壞引起生理及遺傳變異。及遺傳變異。三、三、 激光在醫學中的應用激光在醫學中的應用Application of Laser in Medicine1、光凝結術（、光凝結術（photocoagulation） 2、光蒸發術（、光蒸發術（photovaporization） 3、生物體的光譜測量和診斷、生物體的光譜測量和診斷 4、光學計算機斷層成像（、光學計算機斷層成像（optical computed tomography） 5、光學相干層析術（、光學相干層析術（optical coherence tomography）光凝結術（光凝結術

17、（photocoagulation） 由于加熱導致的蛋白質結構的紊亂稱為凝結，由于加熱導致的蛋白質結構的紊亂稱為凝結，如果該效應是通過激光加熱產生的則稱為激如果該效應是通過激光加熱產生的則稱為激光凝結術。光凝結術。蛋清加熱后會出現凝結、變脆并且由透明變為蛋清加熱后會出現凝結、變脆并且由透明變為白色。白色。當激光用于光凝結手術時，被照組織實質上是當激光用于光凝結手術時，被照組織實質上是被煮熟了。高溫加熱的部分組織將改變顏色并被煮熟了。高溫加熱的部分組織將改變顏色并失去和周圍組織結合的機械完整性，使其易于失去和周圍組織結合的機械完整性，使其易于分離。分離。 光凝結術（光凝結術（photocoagu

18、lation） 激光手術過程中很好的止血能力也是由于其激光手術過程中很好的止血能力也是由于其光凝特性造成的。光凝特性造成的。 血管由于凝結作用，管壁上的蛋白質收縮，加血管由于凝結作用，管壁上的蛋白質收縮，加上受損的血細胞產生凝塊從而封閉出血點。上受損的血細胞產生凝塊從而封閉出血點。 光凝結治療主要用于眼底病的治療。光凝結治療主要用于眼底病的治療。 氬離子激光是目前眼底病光凝固治療的主要光氬離子激光是目前眼底病光凝固治療的主要光源，其治療主要適應癥是視網膜裂孔、視網膜源，其治療主要適應癥是視網膜裂孔、視網膜血管瘤、脈絡膜血管瘤、糖尿病視網膜病變、血管瘤、脈絡膜血管瘤、糖尿病視網膜病變、外層滲出性

19、視網膜病變等。外層滲出性視網膜病變等。光凝結術（光凝結術（photocoagulation） 激光手術過程中很好的止血能力也是由于其光凝特激光手術過程中很好的止血能力也是由于其光凝特性造成的。性造成的。 光凝結治療主要用于眼底病的治療。光凝結治療主要用于眼底病的治療。 近年來，正在探索用低功率密度激光束做組織的修近年來，正在探索用低功率密度激光束做組織的修復治療，如微血管吻合術、外周神經吻合術、輸精復治療，如微血管吻合術、外周神經吻合術、輸精管吻合術和皮膚的吻合等。管吻合術和皮膚的吻合等。光蒸發術（光蒸發術（photovaporization） 光蒸發實際上是實現光切割的物理過程。光蒸發實際上

20、是實現光切割的物理過程。 用能量密度極高的聚焦激光束照射組織時，瞬用能量密度極高的聚焦激光束照射組織時，瞬間可使被照射組織局部溫度升高。間可使被照射組織局部溫度升高。 組織液體被超過組織液體被超過100的激光加熱時蒸發出水蒸氣的激光加熱時蒸發出水蒸氣 溫度再升高到溫度再升高到300400時，組織則炭化，使組織變時，組織則炭化，使組織變成棕黑色，用消毒棉花即可將之擦掉成棕黑色，用消毒棉花即可將之擦掉 溫度再上升超過溫度再上升超過530以上，則受照組織除了水分急以上，則受照組織除了水分急劇蒸發外，其他成分亦發生劇烈燒傷，使受照組織在劇蒸發外，其他成分亦發生劇烈燒傷，使受照組織在瞬間由固態變為氣態并

21、被吸除瞬間由固態變為氣態并被吸除 這個手術過程稱為光致蒸發術。這個手術過程稱為光致蒸發術。 生物體的光譜測量和診斷生物體的光譜測量和診斷Spectral measurement and diagnosis of organisms 通過測定激光照射在生物體時的吸收、散射和熒光通過測定激光照射在生物體時的吸收、散射和熒光等光譜，可以測定有生命的各種各樣的生物體信息，等光譜，可以測定有生命的各種各樣的生物體信息，進一步發展就能成為對疾病的病理診斷的方法進一步發展就能成為對疾病的病理診斷的方法 臨床病理診斷的活檢（臨床病理診斷的活檢（biopsy） 將組織的一部分切片在顯微鏡下進行病理診斷。將組織的

22、一部分切片在顯微鏡下進行病理診斷。 光學活檢（光學活檢（optical biopsy） 生物體的光譜測量和診斷生物體的光譜測量和診斷Spectral measurement and diagnosis of organisms 臨床病理診斷的活檢（臨床病理診斷的活檢（biopsy） 將組織的一部分切片在顯微鏡下進行病理診斷。將組織的一部分切片在顯微鏡下進行病理診斷。 光學活檢（光學活檢（optical biopsy） 用光譜測量的方法進行無侵襲的診斷。用光譜測量的方法進行無侵襲的診斷。 不僅能得到單純的解剖學信息，而且還能得到生理學和不僅能得到單純的解剖學信息，而且還能得到生理學和生化學信息。

23、生化學信息。 根據血紅素在氧化和脫氧化狀態下吸收光譜的差別，通根據血紅素在氧化和脫氧化狀態下吸收光譜的差別，通過測量血紅素吸收率的不同可以知道組織的氧化程度。過測量血紅素吸收率的不同可以知道組織的氧化程度。 目前腦的氧監視裝置已經實用化。目前腦的氧監視裝置已經實用化。 光學計算機斷層成像光學計算機斷層成像(optical computed tomography) 用組織穿透深度較深波段的激光來代替用組織穿透深度較深波段的激光來代替X X射線，用射線，用CTCT同樣的方法也可得到斷層信息。同樣的方法也可得到斷層信息。 但是與但是與X X射線在生物體內的直線傳播不同，由于散射線在生物體內的直線傳播

24、不同，由于散射，激光在生物體內會被擴散掉。射，激光在生物體內會被擴散掉。 擴散光沒有確定的光路，得到的信號也沒有確定的擴散光沒有確定的光路，得到的信號也沒有確定的物理意義，因此從透射光中消除散射的影響，正確物理意義，因此從透射光中消除散射的影響，正確檢測出直線傳播的光成分很重要。檢測出直線傳播的光成分很重要。 目前有很多檢測方法，其中最有效的是采用光外差目前有很多檢測方法，其中最有效的是采用光外差探測法。探測法。 光學相干層析術光學相干層析術(optical coherence tomography) 光學相干層析術（光學相干層析術（OCT）是類似超聲回波成）是類似超聲回波成像方式，像方式，

25、利用反射光或散射光的遲滯時間得到高分辯率的利用反射光或散射光的遲滯時間得到高分辯率的斷層圖像斷層圖像 OCT是近幾十年迅速發展起來的一種成像技術，是近幾十年迅速發展起來的一種成像技術，它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結構圖像。三維結構圖像。 光學相干層析術光學相干層析術(optical coherence tomography) 1991年，年，Science上首次報導了美

26、國上首次報導了美國MIT的研的研究小組在究小組在OCT上的開創性工作。上的開創性工作。 1997年，我國清華大學就研究成功了光學相年，我國清華大學就研究成功了光學相干層析術干層析術 對物質的分辨率可達到對物質的分辨率可達到1個微米，個微米， 利用利用OCT可以在疾病的極早期，如癌癥在只有可以在疾病的極早期，如癌癥在只有幾個細胞那么大小時就可以診斷出來，將疾病幾個細胞那么大小時就可以診斷出來，將疾病消滅于萌芽，而且不會傷害人體。消滅于萌芽，而且不會傷害人體。 優點：優點： 利用對人體無害的紅外光作光源，不接觸，利用對人體無害的紅外光作光源，不接觸，無損傷；無損傷； 具有很高的分辨率具有很高的分辨

27、率(微米級微米級)； 整個系統可以采用光纖化技術做成小型化和整個系統可以采用光纖化技術做成小型化和便攜式的設備；便攜式的設備； 不需要復雜的數學計算和圖像重建，可實現不需要復雜的數學計算和圖像重建，可實現快速成像和實時監測。快速成像和實時監測。 光學相干層析術光學相干層析術(optical coherence tomography) 受激輻射：受激輻射：頻率適當頻率適當的光子可誘發處于較高能級的原子發射的光子可誘發處于較高能級的原子發射光子而躍遷到較低能級光子而躍遷到較低能級1221EEhEB12E2E1 特點：（特點：（1）誘發光子：誘發光子：頻率頻率 （2）發射光子：發射光子：傳播方向、振

28、動方向、頻率、初相傳播方向、振動方向、頻率、初相 位都和誘發光子相同位都和誘發光子相同 。 （3 3）光束強度增強光束強度增強一、一、簡述受激輻射的特點簡述受激輻射的特點以及激光的發生原理。以及激光的發生原理。 1.受激輻射的特點受激輻射的特點(1)(1) 在光激勵或電激勵作用下，激光工作物質通過抽運，實現在光激勵或電激勵作用下，激光工作物質通過抽運，實現粒子數反轉分布。處于高能級的粒子數多于處于低能級的粒子數反轉分布。處于高能級的粒子數多于處于低能級的粒子數，從而使受激輻射占支配地位。它是激光產生的必粒子數，從而使受激輻射占支配地位。它是激光產生的必要條件。要條件。(2)(2) 產生激光的另一個條件是諧振腔。諧振腔是由相互平行而產生激光的另一個條件是諧振腔。諧振腔是由相互平行而又同時垂直于工作物質軸線的兩塊反射鏡組成。它使受激又同時垂直于工作物質軸線的兩塊反射鏡組成。它使受激輻射的光在腔中往返反射，每經過一次工作物質就得到一輻射的光在腔中往返反射，每經過一次工作物質就得