激光在生物医学中的应用.docx
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1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除医学物理学激光在生物医学中的应用激光在生物医学中的应用激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光技术是二十世纪科技领域中的重大新成就,它的出现标志着人们对光的掌握和利用进入一个新技术,有力地促进了物理学、化学和生物学的发展。近年来,激光在生物医学领域中的应用越来越广泛,同时取得了很多令人瞩目的成就。在此,我们就将从以下四方面对激光进行介绍。一、激光的产生和特性,二、激光的生物作用,三、激光在临床医学中的应用,四、激光的危害和防护。一、 激光的产生和特性1.激光的产生激
2、光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。直到,1964年10月,物理学家钱学森建议称之为激光,从此以后,激光则广泛为人使用。1.1 光与物质的相互作用从定义中得知,激光与受激辐射有关。以下,我们将介绍光与物质相互作用时可能出现的三种现象:自发辐射、受激吸收和受激辐射。1.1.1自发辐射自发辐射是指原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1,并且发射一
3、个频率为v,能量为的光子。参看图1-1 对于大量的处于高能级E2的原子来说,它们是各自独立地分别自发发射一个能量相同但彼此无关的光子。这相当于它们各自独立得分别自发发射一类一类频率为 的光波。但各类光波之间的位相完全无关。各类光波可以有不同的偏振方向、并且每个粒子所发的光可以沿着所有可能的方向传播。 图1-11.1.2、受激吸收 当处于低能级E1的原子受到光子能量恰好为的外来入射光照射,原子会由于受到这种入射光的刺激,吸收一个这种光子而跃迁到高能级E2,这个过程称为光的受激吸收。参看图1-2受激吸收与自发辐射是互逆的过程。 图1-21.1.3受激辐射 当处于高能级E2的原子受到光子能量为的光照
4、射时,这个原子也会在这种光的刺激下,发射一个与入射光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E1,也就是受激发射的光与入射光二者的频率都是而且位相、偏振方向和传播方向等都相同。这个过程称为光的受激辐射。参看图1-3.可看到光的受激发射起了增加入射光强度的作用。 而且受激辐射是产生激光的必要条件。 图1-3而受激辐射产生的光子具有其独特的特点: 1)、不会自发发生,须有外来光子的作用。 2)、外来光子能量要满足 3)、辐射的光子和原来入射的光子完全相同,即发射方向、位相、频率、速度完全相同,且处在同一个能量状态。 4)、出射光等于两倍入射光。1.2 激光器的基本结构自从世界上第一台激光器问世后,世界各国
5、先后研制成功的激光器有上百种。虽然它们的工作原理和运转方式不尽相同,所发射激光的波长也从原紫外段分布到远红外段,但每一种激光器的基本组成都是相同的,即都由工作物质、激励能源和光学谐振腔三个基本部分组成。如下图1-4 图1-41.2.1激光工作物质激光工作物质是组成激光器的核心部分,它是一种可以用来实现粒子反转和产生光的受激发射作用的物质体系,本身可以是气体(原子气体、离子气体、分子气体)、固体(晶体、玻璃等)、液体(有机或无机液体)、半导体等材料。1) 、气体工作物质气体激光物质最具代表性的为氦氖(He-Ne)、二氧化碳、氩离子等。气体工作物质的特点:由于气体工作物质的均匀好,使得输出光束质量
6、较高。气体激光的单色性和相干性都较固体激光和半导体激光好,光束发散角也很小。大多数气体工作物质的能量转换效率较高,容易实现大功率连续输出。但是由于气体的泄漏和损耗,气体激光器的工作寿命较固体激光器短。2) 、固体工作物质固体工作物质是将激活离子掺入固体基质中形成的。分为玻璃和晶体两大类。红宝石激光可制作激光器的固体工作物质须有良好的理化性质:热导率大,热光稳定性好、化学性能稳定。3) 、液体工作物质液体工作物质实际上是一些有机或无机化合物(主要是一些染料)溶解在溶剂中形成的。因此,它们成本低,容易制备。液体工作物质的光学均匀性较好,而且输出激光的频带很宽,因而容易实现波长在很宽范围内的连续调谱
7、。虽然液体工作物质中的激活粒子浓度较固体工作物质小3个数量级,但它们的发射截面积一般较固体工作物质大3个数量级。因而液体工作物质的增益很高,与固体工作物质相近,容易获得大功率输出。4) 、半导体工作物质半导体激光器是利用电子在能带间的跃迁来发光,直接通电就可对它进行激励,因而它们的能量转换效率大大超过一般的固体工作物质。可作为激光器的工作物质半导体材料包括砷化镓,硫化镉、铅锡碲等,半导体激光工作物质的优点是体积小,调制方便;缺点是输出功率小,光束发散较大和相干性差。1.2.2 光学谐振腔像电子技术中的振荡器一样,要实现激光振荡,除了有放大元件外,还必须有正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器
8、中,可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件,而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。光学谐振腔不仅是产生激光的重要结构,而且它直接影响激光的输出特性,如输出功率、频率特性、光强分布和光束发散角。光学谐振腔是由工作物质和2块反射镜组成。(如图1-5所示) 这2块反射镜分置于工作物质两端,精确平行并且垂直于工作物质中心轴。其中一块为全反射镜;另一块为部分反射镜(反射率接近于1)。两者严格平行并与增益介质的轴线垂直,这就是一个简单的光学谐振腔平行平面腔。光学谐振腔的作用有两点:1.放大的条件:光在腔内往返一次时放大的量大于损耗的量2.光学谐振腔的作用:提供反馈能量, 选择光波的方向和频率。 图1
9、-52.激光的特性激光束有着许多普通光无法比拟的特性,归纳起来主要有4个:即方向性强、单色性好、亮度高,强度大、相干性好。这也正是因为激光束的这些特性,才是得它在医学和其他学科领域得到越来越广泛的应用。2.1方向性强激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上,光斑直径将扩大到1 000公里以上。 激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中,从而可将激光束制成激光手术刀。另外,由几何光学可知,平行性越好的光束
10、经聚焦得到的焦斑尺寸越小,再加之激光单色性好,经聚焦后无色散像差,使光斑尺寸进一步缩小,可达微米级以下,甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。2.2单色性好普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。 由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。2.3单色性好、亮度高大量光子集中在一个极小的空间范围内射出,能量密度自然极高。激光亮度极高的主要原因是定向发光。能量密度自然极高 。
11、激光的亮度可比普通光源高出10121019倍,是目前最亮的光源,强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。2.4相干性好所谓光的相干性,是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。普通广源发光都是自发辐射过程,每个发光原子都是一个独立的发光体,相互之间没有关系,光子发射杂乱无章,因此相干性很低。激光是受激辐射产生的,发射光子具有相同的频率、位相和方向,因而相干性很强。激光的相干性主要分为时间相干性和空间性干性。2.4.1时间性干性如一光源在不大于 的两个不同时刻发出的光,经过不同路程后在空间
12、会和,尚能发生干涉,则称这两部分光具有时间相干性, 称为相干时间。时间相干性是在同一光源形成的光场中,同一地点不同时刻的光之间的相干性。在这类问题的讨论中,相干时间是光波频率宽度v的倒数。对理想的单色光,v =0,因为它具有精确的频率值,于是它的相干时间为无穷大,具有最好的时间相干性。频率宽度愈大,光的单色性愈差,相干时间愈小,时间相干性也就愈差。一般单色性较好的激光器,相干时间为10-210-3 s;热光源约为10-810-9 s。光在相干时间内传播的距离称为相干长度,相干长度可以理解为光源所发光的波列的几何长度2.4.2空间相干性空间相干性是在同一光源形成的光场中,不同地点同一时刻的光之间
13、的相干性。这个概念适用于扩展光源,可用相干面积来量度。若扩展光源的面积为(L)2,此面积内各点所发出的波长为 的光通过与光源相距为R 并与光传播方向垂直的平面上的两点,如果这两点位于相干面积A = (R L)2内,则称通过该两点的光是相干的。当R 确定时,光源的横向尺寸越小,相干面积就越大,因而空间相干性也就越好。严格地说,空间相干性是指垂直于光传播方向的截面上的任意两点间的相干性。二、 激光的生物作用激光与生物组织相互作用后,激光的参数(如波长、功率、能量、相干、偏振等)可能会改变,生物组织的性质(如理化性质、形态和机能等)也可能会改变。从广义上说,凡激光与生物组织相互作用后引起的生物组织的
14、任何变化,都称为激光生物效应。在生物组织方面的生物效应,最终表现为激光照射科室组织、细胞或生物分子在形态和机能方面发生改变。一般认为,这些效应是激光的热作用、压强作用、光化作用、电磁场作用和生物刺激作用所致。接下来将重点讲述激光的热作用和光化作用。两种生物反应水平的激光:强激光、弱激光。并不以激光本身的物理量(如功率或能量)来衡量,而以其对生物组织作用后的生物效应的强弱来区分。强激光:用这种生物学剂量水平的激光直接辐照生物组织时可导致生物组织发生不可逆性损伤,则定义这种强反应水平的激光为强激光。弱激光:用这种生物学剂量水平的激光直接照射生物组织,不会引起生物组织直接发生不可逆性损伤,则定义这种
15、反应水平的激光为弱激光。2.1热作用生物组织材料在吸收光能以后,光能可转变为其分子的振动能和转动能,或通过热弛豫使周围的分子获得平移能(包括振动能和转动能),从而产生热量使温度升高,这就是光的热作用。2.1.1热作用的意义强激光和弱激光都可能对生物组织产生热作用,只是产生热作用的意义和机制都不同。弱激光热作用的意义在于用人工的方法给予生命物质以能量,使之在生命过程中增加做功的本领,从而有力去改变病理状态,使之恢复健康。强激光热作用的意义在于有目的地故意造成生物组织的局部损伤,以达到所希望的组织之间的诸如机化粘连焊接、清除各种赘生物以及汽化、凝固和切除癌灶等病变组织的治疗目的。2.1.2热作用在
16、皮肤上的各种反应(1)温热感觉使皮肤表面温度上升至3840 而不再上升时,此时有温热感觉,相当于理疗上的热敷。皮肤对这种温热水平,无论照多长时间都不会引起热致损伤。(2)热致红斑 当皮肤表面温度到4344时,几分钟即可出现红斑,这是因为此温度可使微血管扩张充血所致。只要温度恢复正常时,可自行消退。 中医的光炎多需达热致红斑。(3)热致水泡 当皮肤表面温度到4748 时,数秒之内即有炎性渗出物潴留在皮内,致使表皮和真皮分离而形成水疱,出现灼热感和痛感 。(4)热致凝固 当皮肤表面温度到5560 时,约10秒钟之内可致该处细胞热凝固坏死。 临床上治疗血管瘤或治眼底病变,或焊接神经和血管,常需热致凝
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- 激光 生物医学 中的 应用
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