【摘要】 激光作用于生物體會產生物理、化學或生物學的效應，激光正是通過這些效應達到醫學基礎研究、診斷和治療疾病的目的. 本文簡介了激光與生物組織相互作用所產生的生物效應，概述了激光生物效應在生物學和醫學研究中的應用. 【關鍵詞】 激光；生物效應；醫學應用 0引言 1960年梅曼制造了第一臺紅寶石激光器，從而拉開了激光醫學的序幕. 1961年紅寶石激光器首先被應用于眼科疾病治療，開創了激光在醫學上應用的先河. 隨著激光醫學的發展以及激光在各個領域應用的不斷深入，光熱、光化學等激光與生物組織相互作用的基本原理及應用研究就顯得特別重要，并吸引了一大批相關領域專家的關注和參與. 從相關科學工作者探討的議題及研究熱點可以看出，激光與生物組織相互作用的基本原理及應用研究仍是當前的研究重點［1-2］. 1激光的生物效應及醫學應用 當把激光照到生物樣品并相互作用時，除可發生同波段普通光引起的生物效應外，還可引起許多特別的生物效應，如熱作用、光化作用、機械作用、電磁作用以及對生物系統的刺激作用等［3］. 根據這些生物效應，激光在醫學中可用于研究、診斷和治療. 1.1熱效應激光照射生物組織時，激光的光子作用于生物分子，分子運動加劇，與其他分子的碰撞頻率增加，由光轉化為分子的動能后變成熱能. 為此將造成蛋白質變性，生物組織表面收縮、脫水、組織內部因水分蒸發而受到破壞，造成組織凝固壞死，當局部溫度急劇上升達幾百度甚至上千度時，可以造成照射部分碳化或汽化. 在照射生物組織時，不同波長的激光產生熱效應的機制也不盡相同［4］，紅外激光的光子能量小，生物組織吸收后只能增加生物分子的熱運動導致溫度升高，所以它是直接生熱；可見光和紫外光的光子能量大，生物組織吸收了光子能量后引起生物分子電子態躍遷，在它從電子激發態回到基態的馳豫過程中釋放能量，該能量可能引起光化反應，也可能轉化為熱量產生溫度升高，所以它們是間接生熱. 激光熱效應究竟應表現為哪種形式，在激光方面取決于其輸出參數、作用時間，在生物組織方面則取決于其光學、熱學特性等許多因素［5］. 在臨床治療時基本上是用熱致凝固、熱致汽化、熱致碳化、熱致燃燒這四種熱效應，相對低能量的連續激光如CO2激光或Ar+激光，準連續的激光如銅蒸汽激光或KTP激光，通常產生可控的表淺的部分厚度的熱致凝固效應［6］；將脈沖染料激光的特異性作用于微血管治療瘢痕［7］，也應用了熱致凝固效應；采用脈沖CO2激光或Er:YAG激光進行面部疤痕和皺紋的去除［8］，則是利用了使病變皮膚組織汽化的熱致汽化效應，從而獲得理想的美容效果. 隨著半導體激光器波長范圍的擴展，半導體激光已經用于軟組織切除及組織接合、凝固、和汽化，在醫學上獲得廣泛應用. 有時根據情況，也采用多波長激光在空間、時間上的組合使用，比如在激光美容中，通常用CO2激光(10.6 μm)作大面積去皺后，再用鉺激光(2.94 μm)做精細修整，可以產生優于單一波長的醫療效果. 1.2光化學效應當一個處于基態的分子吸收了能量足夠大的光子以后，受激躍遷到激發態，在它從激發態返回到基態，但又不返回其原來分子能量狀態的弛豫過程中，多出來的能量消耗在它自身的化學鍵斷裂或形成新鍵上，其發生的化學反應即為原初光化學反應. 在原初光化學反應過程中形成的產物，大多數極不穩定，它們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，前后兩種反應組成了一個完整的光化反應過程. 這一過程大致可分為光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四種主要類型. 光致敏化效應又包括光動力作用和一般光敏化作用. 應用光敏劑進行的光動力學療法(photodynamic therapy， PDT)是其中典型的應用. 光動力學療法，也稱為光化學療法. 在機體內注射某種光敏物質，由于腫瘤細胞和正常細胞與光敏物質的親和力不同，使病變組織內的光敏物質濃度遠大于鄰近的正常組織. 選擇性存積于腫瘤細胞內的光敏劑經特定波長的光照射激發后，發生光物理化學反應，產生活性氧分子和自由基等其他活性物質［9］，導致腫瘤細胞凋亡或壞死；或通過破壞腫瘤組織內的微血管循環系統，使腫瘤細胞缺氧或營養匱乏而衰竭，從而選擇性地破壞腫瘤組織，對正常組織損傷小，所以它是一種較好的治療方法，尤其對淺表腫瘤療效較好. 光動力學療法治療原位鱗狀細胞癌(Bowen)早有報道［10］，現在除了療效較好的淺表腫瘤，已經用于早期肺癌和食道癌［11］，深部的甚至大體積的實體瘤治療［12］. 隨著各國衛生組織的先后批準，PDT已逐漸成為臨床常用的備選治療方式［13］，包括晚期癌的姑息性治療和早期癌及癌前病變的根治性治療［14］. 1.3機械效應由激光照射產生的機械作用可分為兩部分：激光本身的輻射壓力對生物組織產生的壓強，即光壓，稱作一次壓強；生物組織吸收強激光造成的熱膨脹和相變以及超聲波、沖擊波、電致伸縮等引起的壓強，叫二次壓強. 由激光導致的生物細胞的壓強的變化可以改變生物細胞、組織的形狀，使得生物細胞、組織內部或之間產生機械力，從而對生物細胞、組織產生巨大的影響. 在臨床上，利用激光引起的壓強作用可治療多種疾病，如眼科中的壓力打孔等. 1.4電磁場效應從電磁學角度看，激光也是一種電磁波，其電場強度E和入射激光功率密度I的關系為：E=27.4I. 在一般的激光作用下，電磁場效應不明顯，只有當激光強度極大時，才出現明顯的電磁場效應. 當聚集Q開關或鎖膜脈沖激光器的功率密度為109~1015W/cm2，其電場強度可高達106~1015V/cm［15］. 所以，當激光照射人體組織時，相當于將人體置于強大的電場中. 而人體類似于電介質電容器，電介質中整個分子呈中性，但中性分子的電荷分布不均衡，正負電荷的電中心重合的為非極性分子，正負電荷的電中心不重合的為極性分子. 在電場作用下，非極性分子的正負電荷分別朝相反方向運動，使分子發生極化，被極化的分子在電場作用下將重新排列，在重排過程中與周圍分子（粒子）發生碰撞摩擦而產生大量的熱. 這種電磁場效應引起或改變生物組織分子及原子的量子化運動，引起生物組織發生一系列的變化，據此可用于多種生物醫學作用. 1.5生物刺激效應當低功率激光(low lever laser)照射生物組織時，不對生物組織直接造成不可逆性的損傷，而是產生某種與超聲波、針灸、艾灸等機械的和熱的物理因子所獲得的生物刺激相類似的效應，稱為激光生物刺激效應. 這種生物刺激效應是低功率激光作用的結果，為了解釋低功率激光的生物效應，人們提出了種種設想和假說，有生物電場假設、偏振刺激假設、細胞膜受體假設、色素調節設想等數種［16］，到目前還沒有形成為學術界普遍接受的理論. 雖然低功率激光的作用過程和作用原理尚不很清楚，有待于進一步的探討，但其生物刺激效應在醫學研究和臨床工作中確有廣泛應用且取得了一定成果. 低功率激光對肌體有多種生物刺激效應，涉及到肌體各個部分和器官. 并可激活巨噬細胞活性，激活后可產生多種活性物質，增強肌體抗感染、抗腫瘤及免疫調節作用［17-18］. 低能量HeNe激光血管內照射在輔助化療惡性腫瘤時可以緩解化療引起的免疫抑制［19］. 任明姬等［20］研究了HeNe激光穴位照射對小鼠腹腔巨噬細胞功能的影響，實驗得出適當劑量照射小鼠神闕穴能活化其巨噬細胞從而提高機體免疫功能的結論. 此外，低功率激光照射還對血液循環和組織代謝等系統有一定的調整作用，使其病理狀態恢復正常. GrocottMason等［21］采用60.5 J/cm2的HeNe激光照射大鼠心前區，可使心肌內層、外層的毛細血管開放率增加，從而有可能在血壓變化不大的情況下，增加局部心肌組織的血液灌注量，提高心肌細胞的供血、供氧能力和新陳代謝狀況，有效改善心肌微循環. Shefer等［22］實驗研究發現低強度激光照射可使處于靜止狀態的骨骼肌衛星細胞進入細胞分裂周期，并促進它們的增生，從而促進骨骼肌的再生. 2結束語 激光與生物組織相互作用的各種效應分類沒有嚴格的界限，如在光化學效應中光熱效應也起了很大的作用. 激光熱作用、光化學作用和機械作用通常是同時發生，并不是孤立存在的，對許多疾病的治療和診斷都是綜合效應的結果，只不過在特定的條件下，以某一生物效應為主要表現而已. 激光生物效應與激光的特性和組織的特性都有關系，要想利用激光治療和診斷疾病，首要的任務是認識并理解激光與生物組織的相互作用機制. 經過激光醫學工作者的不懈努力，激光在臨床各科的應用逐漸成熟. 但是激光在臨床更廣泛的應用尚有賴于對激光與生物組織的作用機制深入全面的了解，尚待更深入的理論和精細的實驗研究.

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