第三章激光生物效應激光生物效應：指在激光輻照下，生物體可能產生的物理、化學或生物化學反應及變化，是研究發展激光生物學、激光醫學和激光防護技術的重要基礎。

普通光對生物體所產生的作用有：

光合作用、生物過程的能量轉移、生物顏色、生物視覺、生物節律、光生物效應以及光在生物進化過程中的作用等。以往知識回顧

激光具有很好的單色性、高亮度等優點，因此激光與生物組織的相互作用將出現一系列新內容和新效應。

在1960年Maiman發明激光后，人們就開始結合各種激光系統與靶組織來研究激光與生物組織相互作用的效應。影響激光與生物體作用效應的因素較為復雜，但大體來源于兩方面：

1.激光參數：包括波長、能量、振蕩方式（連續

或脈沖等）、作用時間、偏振等；

2.生物組織的性質：物理、化學、生物學性質等。激光生物效應大致分為五種：1.激光生物熱效應任何生物組織吸收激光能量后，其震動和轉動加劇，同時也加劇了受激分子和周圍分子的碰撞，進而轉化為熱能，稱為激光生物熱效應。

√具體表現為：

生物組織的汽化、熱凝（如視網膜焊接）、切割（如激光刀）、熱敷（激光治療關節炎）和熱殺（激光治癌等）。

熱效應尤以可見光區和紅外線區的激光所引起的熱效應更為明顯。

37-39℃----熱致溫熱43-45℃----熱致紅斑47-48℃----熱致水皰55-60℃----熱致凝固100℃----熱致沸騰300-400℃----熱致碳化500℃----熱致燃燒

激光熱效應的強弱受激光及生物體自身性質影響?？赏ㄟ^改變功率及照射時間來調節生物組織的熱學性質1.1生物組織的熱（物理）性質

比熱容、密度、熱導率和熱擴散率、色素類型、血管分布等與生物組織溫度的變化相關。

比熱容單位質量的某種物質溫度升高（或降低）1℃時所吸收（或放出）的熱量，叫做這種物質的比熱容。比熱容是反映物質的吸熱（或放熱）本領大小的物理量。國際單位：焦/千克·℃（J/kg·℃)√角質層脂肪真皮層肌肉血液水209321773182360138524187生物組織的比熱容（J/kg·K）含水量越高的組織（比熱容高）越不易升溫；水最大，血液次之....生物組織吸收激光能量升溫后，以傳導方式向周圍組織傳遞能量(熱導率）；還應考慮血管、神經、淋巴管等的導熱性√還與生物組織的熱擴散率有關（熱擴散率值差別不大，數值略）。熱擴散率與溫度有關√生物組織細胞內含有黑色素、血紅蛋白、胡蘿卜素等多種色素，能增加光能的吸收，從而使激光的熱效應更加顯著?！?.2

激光生物熱效應的作用機理

1）碰撞生熱：生物體吸收可見和紫外激光后，受激的生物分子將其獲得的光能通過多次碰撞轉移為鄰近分子的振動能、轉動能、平移能，使生物體溫度升高。2）吸收生熱：生物體吸收紅外光后，光能轉變為生物分子的振動能和轉動能，使溫度升高。1.3

激光生物熱效應對生物組織的影響1.3.1對蛋白質和酶的影響

蛋白質分子結構及特點；蛋白質變性和溫度及作用時間有關。蛋白質分子量很高，組成和結構復雜，但維持分子空間構像的次級鍵的鍵能較低蛋白質分子不穩定，受外界因素影響而使其空間構像破壞、理化性質發生改變，并失去其生物學功能蛋白質變性。

實驗表明：當溫度

55℃時，可觀察到蛋白質變性，當溫度

60℃時，就會發生永久性的凝固變性。55-60℃----熱致凝固定義60℃熱波進入組織的深度為熱組織損傷深度蛋白質不可逆變性對正常組織的危害：

會使蛋白質部分或全部失去原有的生理功能，使細胞和組織受到破壞。酶的本質：

是活細胞產生的具有催化性能的物質。在生物體的新陳代謝過程中，每一步生物化學反應都是由一定的酶來催化完成。

酶催化特點：高效、溫和、專一性等；

酶活性與溫度的關系：激光加熱若使酶升溫到60℃時，酶將失去催化活性；如若繼續升溫，蛋白質和酶都會因過熱而死去，完全喪失其生理功能。1.3.2對DNA的影響

DNA是生物遺傳基因的載體，它的耐熱性要比蛋白質強。

在80℃、1h作用下，DNA活性基本不變過強的激光輻照也勢必對其遺傳特性產生影響。因此可利用這種效應進行激光誘變育種、激光轉化（基因工程）等。1.3.3

對神經細胞的影響

神經細胞對溫度變化很敏感，溫度稍有變化就會影響它們的正?；顒?。神經細胞的傳導速度隨溫度上升而加快，但當溫度在40

℃以上時，神經細胞的興奮性下降，傳導速率變慢；當溫度超過或低于正常體溫4

℃時，中樞神經細胞就不能正常工作。1.3.4對血液循環的影響

弱激光照射時血液的拉曼散射吸收

當頻率為的弱激光在血管內照射時，由于血液中各種分子的運動加劇，使血液粘度下降，血液處于低凝態。

血漿（55%-60%）血液

血細胞（40%-45%）紅細胞、白細胞、血小板三種90%水、蛋白質、酶、激素以及葡萄糖、脂肪、膽固醇、維生素等物質1.紅細胞

呈雙面凹陷的圓盤狀，直徑約為7.5微米，沒有細胞核、細胞器，紅細胞里含有血紅蛋白，使紅細胞看起來是紅色的。血細胞具有與氧(血液變得鮮紅)和二氧化碳(血液變得暗紅)結合的能力，供給全身組織所需要的氧，并帶走組織內所產生的二氧化碳2.白細胞在血液中呈圓球形，比紅細胞大得多，能產生抗體，抵抗細菌、病毒等外來物質引起的感染。白細胞有五種，按照體積從小到大分別是：淋巴細胞、嗜堿粒細胞、中性粒細胞、單核細胞和嗜酸細胞。血細胞白細胞數目少，細胞核明顯，有炎癥時，血中的白細胞數目明顯增加

通過吞噬和產生抗體等方式來抵抗和消滅入侵病原體血細胞1個白細胞處理5-25個細菌后本身也就死亡。死亡的白細胞和細菌構成膿液3.血小板也稱血栓細胞，直徑2-4微米。當我們外傷后，血小板就聚集起來，粘附在傷口周圍，產生啟動凝血機制的化學物質。

血細胞

在機體的生命過程中，血細胞不斷地新陳代謝：紅細胞的平均壽命約120天、顆粒白細胞和血小板的生存期限一般不超過10天、淋巴細胞的生存期長短不等，從幾個小時直到幾年。

血液的重要功能：

向機體各種組織和器官輸送氧和營養物質，同時清除體內代謝廢物，以維持細胞的正常代謝。紅細胞是氧的攜帶者，是重要氣體交換單元

如：

血液中的葡萄糖的某些分子鍵在光子作用下斷裂，啟動葡萄糖醇解的化學過程，產生ATP能量；

小劑量弱激光照射時，酶與底物碰撞結合的幾率增加，蛋白質底物和酶結合的速率加快，血液中多種酶的活性被激活，這些酶可以消融、分解血液中過多的脂肪，從而起到降低血脂的作用。

紅細胞獲得足夠的能量，其變形能力

隨之增加。降低紅細胞及血小板的凝聚性，使得血粘度及血流變指標明顯好轉等。紅細胞變形性：一般是指紅細胞在流動中改變其形狀的能力，是一種十分重要的流變現象。

為什么要變形？人紅細胞直徑為7~8μm，毛細血管的平均直徑為6μm。在一定的壓差推動下，紅細胞通過自身變形能夠自由通過毛細血管，通過后恢復原形。

紅細胞變形性是調節血液粘度的關鍵因素，是影響紅細胞的釋放和壽命及保障微循環的重要因素。

此外，加熱作用引起毛細管擴張、血流速度加快、血流量增多；

局部的適當升溫可改善該區組織的供血和營養等。1.3.5對細胞組織中水和其它成分的影響2.激光生物光化效應

生物光化效應是指在激光作用下生物體所產生的生物化學反應，簡稱光化反應或光化作用。

√光化反應是生物化學反應的一部分，其機制很復雜。普通光的光化反應有：光合作用、光敏作用、合成維生素D、視覺作用等。

一般來說，激光和普通光的光化反應機制是一樣的，由于激光單色光的特點，因此1.以激光作為光源的光化反應更方便、易控、有效實現特定的光化反應；普通光波長范圍較寬，當用普通光照射進行光化反應時，可同時引起多種光化反應。

2.生物組織吸收激光后的光化反應明顯強于普通光。2.1光化作用過程

大致由原初光化反應、繼發光化反應組成一個完整過程。原初光化反應：

處于基態的分子吸收光子能量后躍遷到激發態，在其返回基態時，多余的能量將消耗于自身化學鍵的斷裂或形成新鍵上，此發生的化學反應即為原初光化反應。繼發光化反應：

通常在原初光化反應過程中形成的產物，大多是中間產物（如自由基、離子或其它不穩定產物），這些極不穩定的產物繼續進行化學反應，直至形成穩定的產物，這種光化反應稱為繼發光化反應。2.2光化反應類型：

光化作用分為光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化四種類型。2.3光化作用規律1.光化學吸收定律（光化學第一定律）

其表述為：光必須被吸收才能提供化學反應和生物學反應的能量----只有被分子吸收的光子能量才能在系統中導致化學反應。

2.Einstein-Stark光化學量子定律(光化學第二定律)

表述為：在任何初級光化學反應中，每個分子（原子、離子）只能從入射光束中吸收一個光子。

2.4

光化反應實例2.4.1光合作用

CO2+H2O(CH2O)n+O2

基本過程為利用光能將H2O光化分解成氫和放出氧（光反應），把能量儲存于ATP和NADPH(還原型輔酶)中；在碳反應中(暗反應)將CO2固定還原為(CH2O)n的需能過程.hυ

光反應和碳反應構成光化反應的一個整體,二者緊密聯系:光反應是碳反應的基礎,光反應階段為碳反應階段提供能量(ATP和NADPH)和還原劑(NADPH),碳反應產生的ADP和Pi為光反應合成ATP提供原料.在活體植物中,各種色素(葉綠素B和C，類胡蘿卜素、藻紅蛋白等）吸收波長峰值在400-650nm。2.4.2

光(致)敏化作用光致敏化是生物系統所特有的由光引起的在敏化劑幫助下發生的一種化學反應。

凡有氧參加的光敏化作用稱為光動力作用；凡不需要氧分子參加的光敏化作用一般叫做光敏化效應。皮膚的光敏現象光過敏反應（光變態反應）不是任何人都會發生的，據測定：人群中約有30%的人會對紫外線產生過敏。導致光過敏的致病光譜主要是長波紫外線。與日曬不同的是：日曬是由短波長紫外線（290-320nm)輻照引起；皮膚的光敏反應是由長波紫外線或紫光引起。另外，泥螺、莧菜、薺菜、萵苣、馬齒莧、薺麥、無花果、蘿卜纓等食物含光敏性物質較多；一些如磺胺、四環素、非那根等藥物也是對紫外線敏感度高的物質。

光動力作用可使生物細胞、組織或機體在光的作用下發生機能或形態變化，甚至可使生物組織損傷或壞死因此，現在在醫學癌癥的治療中已得到廣泛應用。氧是啟動光動力作用的前提

“光動力學療法”實施如下：

將血卟啉衍生物（HpD，光敏劑）靜脈注入病人體內，幾小時后，HpD分布于腦以外的所有軟組織中，48-72h后，健康組織中的大部分HpD已被清除，而腫瘤細胞對HpD顯示出很強的親和力，大約三天后，腫瘤細胞中HpD的濃度大約是健康細胞中的30倍，通常在注射3~7天內進行激光照射，這時腫瘤細胞很敏感，因此可以選擇性地殺死腫瘤細胞。光敏劑選擇性積聚于腫瘤組織內的機制尚不完全清楚，一般認為主要與腫瘤本身的特性有關：1）腫瘤長期缺氧、缺血、血管通透性高、糖酵解活躍、PH值低光敏劑易跨膜進入細胞；2）快速增長的腫瘤細胞含大量的低密度脂蛋白受體

能與低密度脂蛋白結合的光敏劑能進入細胞；通過受體介導3）腫瘤細胞內含有大量巨噬細胞，巨噬細胞介導部分親水性光敏劑進入腫瘤細胞溶酶體內；4）腫瘤細胞相對多的膠原纖維等成分及組織結構不健全等也是導致光敏劑容易滯留的原因。小結：

某些光敏物質具有腫瘤親和性，給癌癥患者靜脈注射這種光敏物質，經過一定時間后，在病變部位照射激光，可以選擇性的破壞癌細胞。照射方法1.體表或淺表層腫瘤（如表皮、口腔、耳、鼻、眼、子宮頸等）直接照射；2.對于巨大腫瘤需將光纖插入腫瘤體內進行組織間照射；3.對內臟器官（如呼吸道、消化道、泌尿道等）采取內窺式照射。注意

光敏物質在正常組織中代謝較快，若有殘留物則引起光線過敏反應?；颊咴谥委熀蟮囊欢螘r間內必須在避光下生活。2.4.3

視覺作用照相機成像人眼視覺成像

人感知到達視網膜的光子，是因為生色團分子吸收可見光的光子后受激，產生光化反應，這種反應改變了光感受器的電位，傳遞給與之相連的下面各層，直至神經細胞層，經加工并編譯成生物電脈沖信號由神經纖維送到大腦中樞。吸收大部分可見光和5%左右的近紅外線；其余被反射出眼球或被鞏膜、脈絡膜吸收視覺的形成過程進入眼球內的光線，經過折光系統后，在視網膜上形成物像，同時感光細胞受到光線的刺激，產生興奮，神經沖動沿著視神經傳到大腦，在大腦皮層的視覺中樞形成視覺。

正常眼物體反射的光線經過晶狀體的折射后形成的物像落在視網膜上近視眼晶狀體曲度過大或眼球前后徑過長使物像落在視網膜的前方遠視眼晶狀體曲