浅谈激光技术在生物医疗中的应用

浅谈激光技术在生物医疗中的应用摘要激光技术的产生和发展不仅为生命科学开辟了新的研究途径，给生物医学技术的研究带来了新的机遇和活力，而且为疾病的临床诊断与治疗提供了全新的手段，已经广泛应用于医学各领域。总结了激光技术在生物医疗中的主要应用和发展现状，介绍了激光扫描共聚焦显微镜的成像原理和应用，对激光在医学中的应用进行了展望。关键词强激光；弱激光；激光动力学；激光扫描共聚焦显微镜成像；激光诱导荧光；AbstractTheemergenceanddevelopmentoflasertechnology,notonlyopensupnewavenuesofresearchforthelifescience,butalsohasbroughtnewopportunitiesandvitalitytotheresearchofbiomedicaltechnologyandoffersanewmeansofclinicaldiagnosisandtreatmentofdisease.Ithasbeenwidelyusedineveryfieldofmedicine.Themainapplicationsanddevelopmentoflasertechnologyinbiomedicaltreatmentaresummarized.Theimagingprincipleandapplicationoflaserscanningconfocalmicroscopeareintroduced.Andmadeanprospectionontheapplicationoflaserinmedicine.Keywordshighpowerlaser;lowpowerlaser;laserscanningconfocalmicroscope;laserinducedfluorescence;一、引言1960年，TheoderoMaiman发明世界上第一台红宝石激光器，随后激光就开始应用于医学的基础研究和临床诊断治疗。激光是物质受激辐射产生的一种相干光，它具有方向性好、亮度高、强度大、单色性好、相干性好、偏振性好的特点，这些特点使激光非常适合于疾病的诊断、监测和高精度的定位治疗。激光用来治疗疾病时，主要是利用激光照射人体组织时产生的生物效应，包括热效应、压强效应、光化效应、电磁效应、生物刺激效应等，使得许多疾病的繁难治疗过程变得简单而疗效显著。对生物组织能直接造成不可逆性损伤者称为强激光，不能直接造成不可逆性损伤者称为弱激光。随着激光技术的进步，激光和生物医学的结合越来越紧密，形成了包括强激光治疗、弱激光治疗、光动力学治疗和激光诊断的临床诊疗模式以及应用于军事的生物战剂激光探测技术。弱激光治疗不再局限于体表的照射，光针穴位照射和血管内照射在临床应用已很多。强激光手术刀，由表面的切割气化进入内窥镜手术，使病员免受常规手术的痛苦；激光光敏诊断及光动力学治疗为肿瘤的诊治开辟了新的途径；激光角膜成形术、激光血管成形术、激光心肌打孔术成为当前重要的研究应用课题；中红外激光的医学应用，以及用Ｘ波段光的发展来揭示人类生命奥秘，高速定序ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）分子结构，将掀起一场体视和显微成像的革命。以下简要介绍激光临床诊疗技术的发展以及对激光在生物医学中的应用进行展望。二、激光在临床医学中的应用2.1强激光治疗强激光在临床的应用主要是手术治疗，即用较高功率密度的激光束对病灶施行凝固、汽化和切割等各级水平的手术。与传统的解剖刀比，激光刀多不出血或少出血；与传统的冷刀、超声刀和高频电刀比，激光刀的切割能力强，切口锋利，损伤少；激光刀还能通过光导纤维进人体内施行手术而不用剖腹等开腔手术，能透过眼屈光介质对眼底施行手术而不用切开任何部位，这对于任何其他传统手术是做不到的。强激光治疗是利用激光的热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而达到治疗疾病的目的。激光与人体组织相互作用的热效应主要取决于激光的波长和组织的特性，这也是确定激光器应用范围的重要依据。强激光在医学上的应用已经非常普遍。从体表各种疣、痣、赘生物及良恶性肿瘤的气化切割，到内腔疾病的治疗。从最早的二氧化碳、Ｎｄ：ＹＡＧ（掺钕钇铝石榴石）激光到准分子激光、高能超脉冲二氧化碳激光、调Ｑ的翠绿宝石、ＨＯ：ＹＡＧ（掺钬钇铝石榴石）激光以及高功率半导体激光的应用，激光器逐步趋向于小型化、轻便化。柔韧的光纤可选择性地输出较高功率的激光。特别是近几年出现的ＨＯ：ＹＡＧ和高功率半导体激光使激光外科技术获得重大进展，在普外、泌尿、妇科、耳鼻喉科等多个领域推广使用。2.2弱激光治疗弱激光对生物组织不能直接造成不可逆性损伤，但可以刺激机体产生一系列生理生化反应，对组织或机体起到调节、增强或抑制作用，从而达到治疗疾病的目的。国内外学者多认为，弱激光是一种强有力的生理刺激源，利用弱激光的生物刺激作用具有改善血液循环，促进细胞再生、毛发生长、伤口愈合、组织修复，调整神经功能和免疫功能，提高肌体的抗病能力等功能。弱激光治疗是利用激光的生物刺激作用来达到治疗的目的。为了解释弱激光的生物效应，人们曾经提出多种设想和假说，如生物电场假设、偏振刺激假设、细胞受体假设等，但还没有形成学术界普遍接受的理论。弱激光治疗在临床上的应用主要有：激光理疗、激光针灸、弱激光血管内照射等。激光理疗是以激光为物理因子，利用弱激光生物刺激作用进行物理治疗的一种治疗方法。红外激光对机体的作用是温热效应，由此引起的生理和治疗作用有改善局部血液循环和改善神经系统功能两方面。可见激光，例如应用最普遍的是He-Ne激光，由于它的生物刺激作用而具有更广泛和更有效的生理和治疗作用，主要表现在消炎作用、促进组织再生作用和镇痛作用３方面。紫外激光的生物效应主要是光化效应，小剂量可增加细胞内RNA（核糖核酸）和DNA的活性，有利于伤口的愈合；中剂量可抑制细胞内RNA和DNA的活性，能用于治疗增殖性皮肤病；大剂量能使RNA和DNA功能丧失导致细胞死亡，可用来杀菌清创。此外，还具有调节机体免疫功能、调节神经系统及内分泌功能、促进维生素Ｄ形成和消炎、脱敏作用。但是大剂量特定波长的紫外激光能引起基因突变而致癌，故在紫外激光理疗时应注意这点。针灸医学是祖国医学的重要组成部分，针法以机械刺激施于穴位，灸法以热灼刺激施于穴位。利用低强度的激光束作为刺激源进行针灸治疗称为激光针灸。针灸对生物的刺激作用能缓解疼痛，用低能量激光束聚焦和扩束照射穴位代替针具和灸具，不会损坏病人的神经和血管，也不会留下灼伤或其他伤痕，对表面溃烂部位亦可施行治疗。与传统的针灸相比，激光针灸有无痛、无菌、安全、剂量可调等优点，因此在国际上也受到普遍重视。治疗范围包括炎症、损伤、免疫性疾病、甲状腺功能亢进、高血脂、高血压以及神经系统的病变。弱激光血管内照射治疗国内外学者进行了诸多的基础和临床研究。虽未能解释其疗效的详细机理，但已发现和证明这种疗法具有改善血液流变学性质；调节体内免疫状态、改善机体中毒状态、提高红细胞内SOD（超氧化物歧化酶）活力、提高酶活性等作用；能清除体内自由基，降低体内中分子物质及减少其他有毒物质的堆积，并能退热和消炎；对精神分裂症、昏迷等病人有治疗作用；能与某些药物合用，提高疗效，这可能与激光激活药物活性并直达病所有关，等等。然而，激光血管内照射等激光治疗方法的安全性问题仍需要深入研究。2.3激光动力学治疗光动力学治疗（photodynamictherapy,PDT）是利用激光的光化学效应，其原理是通过病灶局部的选择性光敏化作用来破坏肿瘤和其他病理性靶组织。吸收了光敏剂的病变部位在有氧条件下经适当波长的激光照射后，发生一系列光化学反应，在病变组织内产生大量具有细胞毒性的活性氧，通过氧化损伤作用破坏细胞器的结构和功能，引起靶细胞的凋亡和坏死，从而损伤靶组织达到治疗的目的。光敏剂根据来源和结构可笼统地分为血卟啉、叶绿素和染料３大类。血卟啉衍生物（HPD）是目前常用的用来治疗癌症的光敏剂。在激光辐照前48h，静脉注射HPD，刚开始所有细胞都会吸收，但正常细胞随后将其释放，肿瘤细胞则将其储留。而后用特定波长的激光辐照，HPD将产生光化作用，释放出单原子氧，杀死储留HPD的肿瘤细胞。选择性杀伤癌细胞的特定波长是治疗肿瘤病变的关键，激光的单色性使得照射能量集中在光敏剂的吸收峰上，光敏剂激发效率高，作用强。波长为630nm和532nm的激光都能有效地激活血卟啉衍生物，红色激光(630nm）对大多数组织的穿透深度大于绿色激光（532nm），但532nm的激光对于治疗浅表性的、多中心的肿瘤，如膀胱肿瘤等取得明显疗效。叶绿素ａ的最大吸收峰630-650nm，叶绿素ｂ位于650-680nm，细菌叶绿素位于750-800nm，基于这些植物或细菌叶绿素类的光敏剂从人体排除较HPD快，最大吸收峰均有不同程度的红移，激发光的组织穿透深度因此而增加，可提高肿瘤消融的深度和体积。PDT是一种局部治疗方法，组织选择性好，作用精确，对微血管组织的损伤作用强，全身毒副作用小，可以多次重复进行。高强度的激光能大大增加PDT的作用深度；同时，激光具有良好的单色性又使得照射能量集中在光敏剂的吸收峰上，光敏剂激发效率高，作用强。PDT在临床上主要采用体表治疗、内腔治疗和介入治疗等方式。在体表恶性肿瘤方面，光动力学疗法是皮肤基底细胞癌、鳞状细胞癌治疗的重要备选方法，治愈率高，痊愈后外表可获得较好修复，能保持正常容貌。内窥镜下光动力学疗法可治疗腔道恶性肿瘤，具有安全、有效、痛苦小、费用低等特点，是不适宜手术或拒绝手术的患者，尤其是体弱多病老年患者的首选治疗方法。对于瘤体较大的体表肿瘤、内脏肿瘤，可在CT、B超等影像引导下进行介入PDT。此外，外科手术中，特别是腹腔、胸腔的肿瘤手术后，对手术部位可进行光动力学照射杀灭残留肿瘤组织，增加手术的彻底性。2.4激光诱导荧光探测技术组成物质的分子都具有一系列紧密相隔的能级，称为电子能级，每个电子能级中又包含一系列振动能级和转动能级。在常温条件下，绝大部分分子都处于基态，即能量最低的电子能级。当分子受到适当波长的激光照射时，基态上的部分分子吸收光子，并在很短的时间（约10-15s）内跃迁到激发态上。处于激发态的分子不稳定，会通过多种途径释放能量回到基态[10]。这种分子从激发态向基态跃迁的过程称为弛豫过程，包括振动弛豫、内转换、外转换、系间跨跃等非辐射过程和荧光发射等辐射过程。当激发态分子通过振动弛豫、内转换等非辐射过程跃迁到第一激发态的最低振动能级时，短暂停留后（10-9~10-8s）向基态跃迁，以发射出光子的形式释放出能量，这一过程称为荧光发射[11]。处于某一分子环境的荧光基团，其荧光特性可由激发波长（excitationwavelength，λex）、发射波长（emissionwavelength，λem）和量子产率3个参数表征。通常，荧光基团的激发谱较宽、发射谱较窄。因为荧光发射总是从振动弛豫后的第一激发态的最低振动能级跃迁的，因此荧光的特征之一就是λem＞λex，而且λem与λex无关。但荧光基团在不同波长激发光激发下，量子产率不同，荧光强度也就不同。对于复杂混合物，如细菌、真菌、花粉等，它们的荧光光谱是由各类荧光基团的荧光光谱叠加而成的。研究表明，生物粒子中各种荧光基团的荧光光谱主要集中在300~800nm。生物粒子中各种荧光基团的含量不同，在激光诱导下的荧光量子产率也不同，相应的荧光强度就不同，而非生物粒子在300~800nm范围内几乎没有荧光。因此，利用不同粒子总荧光强度及荧光光谱的差异来区分生物粒子和非生物粒子，可以实现生物战剂气溶胶的精确预警。激光诱导荧光探测技术具有非接触式、远距离、反应迅速、预警时间长和三维实时监控等优点。而对生物战剂的远程探测和威胁报警是发现敌方使用生物武器并及时采取防护措施、减少人员伤亡的关键。如今，许多国家都在致力于研究和发展性能可靠的、灵敏度高的、预警准确的生物战剂激光诱导荧光探测技术和装备。2.4激光扫描共聚焦显微镜激光扫描共聚焦显微镜是近代最先进的细胞生物医学分析