激光的生物学效应与治疗作用

三、激光的生物学效应与治疗作用

(一)激光的生物学效应分类

1．两类激光的生物学效应

激光与生物组织相互作用的结果，既可能使激光参数发生改变，亦可能使生物组织形态或功能发生改变，这两类改变均称为激光生物学效应(biology effect)。前者称第一类激光生物学效应，后者称第二类激光生物学效应。它是激光治病的基础。

2．两级激光的生物作用

发生激光生物学效应的过程称为激光的生物作用。激光作用于生物组织时，通常要经过两个过程，才最终引起生物组织形态和功能的改变。

(1)初级激光的生物作用:当组织吸收激光能量后，发生一系列能量转换过程，其中包括光能转热能、化学能、机械能及生命物质内能(生物刺激能)，甚至可能重新辐射光能(光致发光)。其中热能或许进一步转换成机械能(二次压强)或化学能。上述理化过程是导致发生第二类激光生物学效应的初级过程，故称之初级激光生物作用。

(2)次级激光的生物作用:上述足够的理化因子对靶组织进一步作用的结果，可导致生命物质在分子、细胞、组织或系统水平的形态或功能发生改变。这种改变是上述初级激光生物作用的后继过程，故称为次级激光生物作用。

3．两个治疗目标

(1)即时破坏靶组织:通常有直接或间接两种方法。前者是指用较高辐照度且易被靶组织吸收的激光束直接照射，使靶组织即时被破坏。而后者是借助光敏药物，使潴留光敏剂的组织(如癌组织)经激光照射致光敏剂发生光化反应而遭破坏，间接法常称之为PDT。

(2)直接促进组织修复:达到该目的常用激光理疗和激光针灸的方法。前者以激光的光能为物理因子对病灶实施物理治疗;后者则以中医经络理论为指导，用激光束对准有关穴位进行非损伤性照射治疗。

4．两种生物反应水平的激光

(1)低功率激光:用该剂量水平的激光直接照射生物组织，不会使靶组织直接发生不可逆损伤。

(2)高功率激光:用该剂量水平的激光照射生物组织，可致靶组织直接发生不可逆损伤。

(二)激光的生物学效应与治疗作用

激光对生物组织的作用基本类型大致分为五类:光致发热作用、光致化学作用、光致压强作用、光的电磁场效应和光致生物刺激作用。

1．激光的热效应及治疗作用

这种作用在医疗上运用得最多。其表现为生物组织被汽化、切割、凝固、热敷、热化反应和热致压强等。

(1)激光的热效应(heat acting):

1)对皮肤的热效应:皮肤在可见和红外激光照射下，局部温度会升高，当温度升到38～40℃时，相当于理疗的热敷，它可用来治疗关节炎等慢性炎症。而当温度升至43～44℃时，皮下微血管扩张充血，使皮肤几秒内出现红斑，若持续数分钟，则增加血管壁和细胞膜的通透性，从而出现少量渗出物致轻度红肿，称热致红斑;因为肿瘤细胞对温度较正常细胞敏感，照射30分钟以上即可使其坏死，而正常细胞则无此影响。中医的光灸治疗及肿瘤的激光温热疗法，常须达此水平。皮温升至47～48℃时，数秒钟内即有炎性渗出物潴留在皮内而成水疱，此时出现灼热感和痛觉。光灸治疗某些疾病时，有时须达此水平，但以不损伤真皮为限。当温度上升到55～60℃时，短时内即可使该处细胞凝固坏死，称热致凝固;临床上用来治疗血管瘤，或焊接神经和血管及止血等。当皮温在约100℃时，将使皮肤组织中的组织液沸腾，大量气体冲出细胞及组织，这叫热致汽化，这是在用光刀手术时的汽化治疗，实际上的汽化治疗还包括下述热致炭化和燃烧。当皮温达300～400℃时，皮肤组织发生干性坏死，迅速变成棕黑色炭化物，称热致炭化;干性坏死的细胞易脱离原来组织。温度继续升高超过530℃，皮肤组织即会燃烧，可见火光。当皮温瞬时升至573℃，皮肤组织可由固体变成气体，称热致气化;当I进一步提高，可致热致二次压缩作用(更为明显)。若不移动光束，受照处即有组织碎屑、燃烧及汽化形成的水蒸气组成的气流喷出，受照处立即出现一火山口状的坑;若移动光束，则光束所致组织被切开，称热致切割。机体组织接受激光照射做切割、汽化和凝固，都须使表面皮温上升到60℃以上。激光治疗时，有时希望造成的热作用范围大，如激光温热疗法治疗肿瘤，常选热凝范围大的Nd:YAG，且采用多支光纤插入肿瘤组织。有时相反，需要作用范围越集中越好，如激光切割。激光对皮肤的热效应见图7-3。

图7-3　激光对皮肤的热效应

提起激光的热效应，就必然要涉及热弛豫时间(T r)和选择性的激光光-热作用。组织的热弛豫时间为受热的组织通过热扩散将其自身的热量降低50%所需的时间。若激光脉冲的作用时间小于组织的热弛豫时间，则热传导过程不会发生，组织的热损伤也最低。激光选择得当，就能利用选择性激光光热作用原理破坏成千上万的微米级的目标组织而无需将激光对准每一个微粒。

另外，利用聚焦的激光束加热焊件接缝，使其熔化，然后冷却、凝固结合在一起，可获得高质量的、精确的良好外形，特别适于口腔使用较多的Ti、Ni等合金的焊接。

2)对酶和神经细胞的热效应:酶和神经细胞对温度最敏感，其温度不能超过正常温度4℃，小范围温度升高，可致酶促反应加快，但过高至60℃以上时，酶蛋白变性，其活性反而下降，甚至完全消失。另外，即使温度不太高，只要持续时间长，亦会使酶失活;反之，若温度升高持续时间短，酶的活性虽可大大降低，但当温度迅速正常时，其活性可部分恢复。所以在治疗时，激光照射持续时间亦很重要，这也是脉冲激光对周围组织损伤小的原因。神经传导速度随温度升高而加快，但当温度升至40℃以上时，神经兴奋性下降。

3)对蛋白质的效应:蛋白质分子不稳定，易受理化因子影响而遭破坏，这可用来消毒和杀菌。

4)对血液循环的热效应:激光的温热作用可使毛细血管扩张，为了使发热处冷却，被照射处的血流会自动加速，以带走热量，这样就改善了被照射区的供血和营养。

(2)激光热效应的治疗作用:临床上低功率激光可用于理疗，Ar⁺、Nd:YAG、半导体、铜蒸汽、KTP激光等可用于热凝固疗法治疗，CO₂、脉冲Er:YAG、Ho:YAG、CTH:YAG等激光可用于汽化和切割手术，对骨组织及钙化粥样硬化斑块均能很好切除，切口平滑无炭化。波长为193～351nm的几种脉冲准分子激光器也已用于临床切除手术，可以非常精确地逐层切除组织，造成的热损伤极小，因而又称为冷光刀切除。不同波长的准分子激光已分别用于激光血管成形术、切骨术等。

2．激光的光化效应与治疗作用

(1)激光的光化效应(actinicity acting):利用光能作为激活能，在组织和细胞内引起的化学反应叫光化反应，包括光致分解、氧化、聚合和光致敏化，这种作用即光化效应。激光比普通光的光化效应更迅速、有效、广泛。光化效应可见和紫外激光均可引起，红外激光主要是热效应，但若用高I的调Q激光时，亦能导致光化效应。光致敏化按有无O₂参与分成两类:第一类无须O₂参与，常用的敏化剂为呋喃香豆素类，其中最常用的是补骨脂素。内部摄入高效光敏化剂呋喃香豆素类后用紫外线照射，可治疗白癜风等。有该敏化剂存在时，用365 nm的光照射会迅速把细菌杀死，且温度对它的光敏化反应速度几乎无影响，可显著提高细菌和酵母的突变频率，使某些病毒完全钝化。另一类一定要有O₂，这种光敏化作用称光动力学作用(photodynamics)。这种敏化剂有四百多种，常用来治疗肿瘤的有血卟啉(HpD)。光动力学治疗简称PDT。HpD在恶性肿瘤中的聚集多于(或长于)其四周正常组织或良性肿瘤，当用适当波长的光线(主要是可见光线)照射已有HpD聚集的肿瘤时，HpD与O₂作用，氧化杀死癌细胞。

(2)激光光化效应的治疗作用:光化效应在临床上最主要的应用是利用光动力学作用治疗恶性肿瘤，这是激光可治疗肿瘤的主要生物学效应之一。光动力学作用还用于治疗皮肤PWS等。

3．激光的光压效应与治疗作用

(1)激光的光压效应(pressure acting):医用激光照射生物组织时，一次压强能常很小，但当用调Q脉冲激光聚焦照射生物组织时，该处组织因为吸收光能而急剧升温，使体液沸腾，从受照处喷发出一股气流，使之反冲，产生的压力却相当大。另外，亦使组织内部气化并在瞬间引起蒸发，使气泡迅速膨胀，导致定域损伤。还有生物组织吸收激光能后，局部会出现短促的变热，体积膨胀，结果在其边区产生超声频率的弹性振动，该振动在生物体内传播，可在远处造成损伤。若激光的Tp很小而生物组织的吸收系数很大，就会产生很大的温度梯度和很强的超声波，其压力在激光参数相同时比上述气流反冲压大两个数量级。激光是电磁波，激光束的电场作用于物质(如晶体)时，可使晶体中的离子发生位移，产生极化，进而产生应力，间接引起形变，这就是激光所致的电磁伸缩。

(2)激光光压效应的治疗作用:用脉冲激光照射骨、皮肤、角膜、粥样硬化斑块等时，均可观察到激光切除的过程包含了压强作用。这种作用可用于激光眼科手术及激光碎石等。

4．激光的强电磁场效应

声波的最低频率为基频，波的频率是基频整数倍的称为谐频，具有这种频率的波称为谐波。有强大的激光照射，就可能引起光学谐波。激光的二次谐波一般均为紫外线。蛋白质和核酸能强烈吸收紫外线而受损。当光通过光学性质不均匀的介质时，除了发生与入射光频率相同的散射光外，还发生拉曼散射(raman scattering)，即光子与物质分子非弹性碰撞，改变光传播方向的同时，增加或减少光频。极强的激光脉冲聚焦于组织时，可能发生受激拉曼散射，可致细胞损伤。而当足够强的激光聚焦于晶体或某些液体标本时，在介质中产生超声波，这种声波在传播时使介质发生疏密的变化。光波在其中传播会发生散射，频率亦会变化(即频移)，此过程称受激布里渊散射。只有在10⁶～10⁹W/m²范围时，才会发生受激布里渊散射，这种散射可致细胞破裂而出现水肿。激光的电磁场效应(electromagnetic field acting)在一般医用激光器范围可不加考虑。实际上单一脉冲激光作用于组织时，从焦点往周围可分别出现热、声、光化作用区，甚至出现低功率激光的生物刺激作用。

5．低功率激光的生物刺激效应与治疗作用

功率小于500mW的激光被称为低功率激光，由于临床应用的低功率激光波长接近红外线光谱区，故能穿透到深部组织而不会被照射区域内血红素吸收。接受低功率激光照射时，组织表面温度升高一般在0.1～0.5℃，激光能量没有达到破坏生物组织的程度，热效应和压强效应不占主导地位，低功率激光加速血液循环、调整功能、促进细胞生长和组织修复的作用主要是依靠光的生物调节和刺激效应。

低功率激光作为一种刺激源作用于机体时，可以引起一系列的生理生化改变，改善血液循环，促进细胞再生、毛发生长等，通过人体表的眼和皮肤刺激神经，可止痛、止痒、抗过敏等，进一步还可作用于内分泌器官，如松果体，间接控制黑色素的合成，从而调节机体功能，达到治病效果。它又称低强度、低能量、低水平、弱激光等。其生物学效应主要是来源于辐射而非热效应。临床上常用的低功率激光主要是He-Ne和半导体激光(630～670 nm)，P≤50mW，当然亦有达上百毫瓦的，这与机体代谢过程的能量特征十分相近，频率上产生共振，使体内的能量平衡发生变化，恢复生理状态。

低功率激光的生物学效应:激光与组织作用会产生一系列效应，机制尚不完全清楚。低功率激光的生物学效应主要有以下几种。

(1)消炎抗感染作用。低功率激光能改变血管通透性，减低炎性渗出的速度和程度，使充血和水肿减轻;舒张血管，加速血流，促进炎性渗出物的吸收及炎性细胞浸润消散;通过人体免疫作用，增强机体局部抗感染能力。

(2)组织修复作用。低功率激光能促进新生血管的形成、生长发育，促进毛发生长、促进皮肤和肌肉RNA与糖原含量增加，加速成纤维细胞形成，肉芽组织增生，上皮细胞再生，加速创伤、溃疡的愈合等。

(3)镇痛作用。低功率激光能降低5-羟色胺含量，提高痛阈，引起吗啡样物质释放，从而减少局部刺激反应，起到镇痛作用。

(4)刺激作用。低功率激光可以刺激各种酶增加其活性，引起周围血液和凝血系统的变化，提高血液中红细胞和血红蛋白的含量，增加细胞溶质内钙信号的产生，从而调控细胞功能，引起细胞内一系列生理和生化反应。低功率激光能刺激非特异免疫功能和特异性免疫功能，活跃交感肾上腺系统，刺激巨噬细胞的吞噬作用，加速丙种球蛋白合成，直接刺激神经末梢以及由于生物体酶活性的影响，促进神经冲动传导加快，激发总的代谢方面的变化。

低功率激光治疗的方法有激光束照射病灶局部(激光理疗)、穴位(激光针灸或麻醉)、体腔内(低功率激光内镜照射)，静脉内照射法和PDT等多种。