三、激光的生物學(xué)效應(yīng)與治療作用

(一)激光的生物學(xué)效應(yīng)分類

1．兩類激光的生物學(xué)效應(yīng)

激光與生物組織相互作用的結(jié)果，既可能使激光參數(shù)發(fā)生改變，亦可能使生物組織形態(tài)或功能發(fā)生改變，這兩類改變均稱為激光生物學(xué)效應(yīng)(biology effect)。前者稱第一類激光生物學(xué)效應(yīng)，后者稱第二類激光生物學(xué)效應(yīng)。它是激光治病的基礎(chǔ)。

2．兩級(jí)激光的生物作用

發(fā)生激光生物學(xué)效應(yīng)的過程稱為激光的生物作用。激光作用于生物組織時(shí)，通常要經(jīng)過兩個(gè)過程，才最終引起生物組織形態(tài)和功能的改變。

(1)初級(jí)激光的生物作用:當(dāng)組織吸收激光能量后，發(fā)生一系列能量轉(zhuǎn)換過程，其中包括光能轉(zhuǎn)熱能、化學(xué)能、機(jī)械能及生命物質(zhì)內(nèi)能(生物刺激能)，甚至可能重新輻射光能(光致發(fā)光)。其中熱能或許進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(二次壓強(qiáng))或化學(xué)能。上述理化過程是導(dǎo)致發(fā)生第二類激光生物學(xué)效應(yīng)的初級(jí)過程，故稱之初級(jí)激光生物作用。

(2)次級(jí)激光的生物作用:上述足夠的理化因子對(duì)靶組織進(jìn)一步作用的結(jié)果，可導(dǎo)致生命物質(zhì)在分子、細(xì)胞、組織或系統(tǒng)水平的形態(tài)或功能發(fā)生改變。這種改變是上述初級(jí)激光生物作用的后繼過程，故稱為次級(jí)激光生物作用。

3．兩個(gè)治療目標(biāo)

(1)即時(shí)破壞靶組織:通常有直接或間接兩種方法。前者是指用較高輻照度且易被靶組織吸收的激光束直接照射，使靶組織即時(shí)被破壞。而后者是借助光敏藥物，使潴留光敏劑的組織(如癌組織)經(jīng)激光照射致光敏劑發(fā)生光化反應(yīng)而遭破壞，間接法常稱之為PDT。

(2)直接促進(jìn)組織修復(fù):達(dá)到該目的常用激光理療和激光針灸的方法。前者以激光的光能為物理因子對(duì)病灶實(shí)施物理治療;后者則以中醫(yī)經(jīng)絡(luò)理論為指導(dǎo)，用激光束對(duì)準(zhǔn)有關(guān)穴位進(jìn)行非損傷性照射治療。

4．兩種生物反應(yīng)水平的激光

(1)低功率激光:用該劑量水平的激光直接照射生物組織，不會(huì)使靶組織直接發(fā)生不可逆損傷。

(2)高功率激光:用該劑量水平的激光照射生物組織，可致靶組織直接發(fā)生不可逆損傷。

(二)激光的生物學(xué)效應(yīng)與治療作用

激光對(duì)生物組織的作用基本類型大致分為五類:光致發(fā)熱作用、光致化學(xué)作用、光致壓強(qiáng)作用、光的電磁場效應(yīng)和光致生物刺激作用。

1．激光的熱效應(yīng)及治療作用

這種作用在醫(yī)療上運(yùn)用得最多。其表現(xiàn)為生物組織被汽化、切割、凝固、熱敷、熱化反應(yīng)和熱致壓強(qiáng)等。

(1)激光的熱效應(yīng)(heat acting):

1)對(duì)皮膚的熱效應(yīng):皮膚在可見和紅外激光照射下，局部溫度會(huì)升高，當(dāng)溫度升到38～40℃時(shí)，相當(dāng)于理療的熱敷，它可用來治療關(guān)節(jié)炎等慢性炎癥。而當(dāng)溫度升至43～44℃時(shí)，皮下微血管擴(kuò)張充血，使皮膚幾秒內(nèi)出現(xiàn)紅斑，若持續(xù)數(shù)分鐘，則增加血管壁和細(xì)胞膜的通透性，從而出現(xiàn)少量滲出物致輕度紅腫，稱熱致紅斑;因?yàn)槟[瘤細(xì)胞對(duì)溫度較正常細(xì)胞敏感，照射30分鐘以上即可使其壞死，而正常細(xì)胞則無此影響。中醫(yī)的光灸治療及腫瘤的激光溫?zé)岑煼ǎｍ氝_(dá)此水平。皮溫升至47～48℃時(shí)，數(shù)秒鐘內(nèi)即有炎性滲出物潴留在皮內(nèi)而成水皰，此時(shí)出現(xiàn)灼熱感和痛覺。光灸治療某些疾病時(shí)，有時(shí)須達(dá)此水平，但以不損傷真皮為限。當(dāng)溫度上升到55～60℃時(shí)，短時(shí)內(nèi)即可使該處細(xì)胞凝固壞死，稱熱致凝固;臨床上用來治療血管瘤，或焊接神經(jīng)和血管及止血等。當(dāng)皮溫在約100℃時(shí)，將使皮膚組織中的組織液沸騰，大量氣體沖出細(xì)胞及組織，這叫熱致汽化，這是在用光刀手術(shù)時(shí)的汽化治療，實(shí)際上的汽化治療還包括下述熱致炭化和燃燒。當(dāng)皮溫達(dá)300～400℃時(shí)，皮膚組織發(fā)生干性壞死，迅速變成棕黑色炭化物，稱熱致炭化;干性壞死的細(xì)胞易脫離原來組織。溫度繼續(xù)升高超過530℃，皮膚組織即會(huì)燃燒，可見火光。當(dāng)皮溫瞬時(shí)升至573℃，皮膚組織可由固體變成氣體，稱熱致氣化;當(dāng)I進(jìn)一步提高，可致熱致二次壓縮作用(更為明顯)。若不移動(dòng)光束，受照處即有組織碎屑、燃燒及汽化形成的水蒸氣組成的氣流噴出，受照處立即出現(xiàn)一火山口狀的坑;若移動(dòng)光束，則光束所致組織被切開，稱熱致切割。機(jī)體組織接受激光照射做切割、汽化和凝固，都須使表面皮溫上升到60℃以上。激光治療時(shí)，有時(shí)希望造成的熱作用范圍大，如激光溫?zé)岑煼ㄖ委熌[瘤，常選熱凝范圍大的Nd:YAG，且采用多支光纖插入腫瘤組織。有時(shí)相反，需要作用范圍越集中越好，如激光切割。激光對(duì)皮膚的熱效應(yīng)見圖7-3。

圖7-3　激光對(duì)皮膚的熱效應(yīng)

提起激光的熱效應(yīng)，就必然要涉及熱弛豫時(shí)間(T r)和選擇性的激光光-熱作用。組織的熱弛豫時(shí)間為受熱的組織通過熱擴(kuò)散將其自身的熱量降低50%所需的時(shí)間。若激光脈沖的作用時(shí)間小于組織的熱弛豫時(shí)間，則熱傳導(dǎo)過程不會(huì)發(fā)生，組織的熱損傷也最低。激光選擇得當(dāng)，就能利用選擇性激光光熱作用原理破壞成千上萬的微米級(jí)的目標(biāo)組織而無需將激光對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)微粒。

另外，利用聚焦的激光束加熱焊件接縫，使其熔化，然后冷卻、凝固結(jié)合在一起，可獲得高質(zhì)量的、精確的良好外形，特別適于口腔使用較多的Ti、Ni等合金的焊接。

2)對(duì)酶和神經(jīng)細(xì)胞的熱效應(yīng):酶和神經(jīng)細(xì)胞對(duì)溫度最敏感，其溫度不能超過正常溫度4℃，小范圍溫度升高，可致酶促反應(yīng)加快，但過高至60℃以上時(shí)，酶蛋白變性，其活性反而下降，甚至完全消失。另外，即使溫度不太高，只要持續(xù)時(shí)間長，亦會(huì)使酶失活;反之，若溫度升高持續(xù)時(shí)間短，酶的活性雖可大大降低，但當(dāng)溫度迅速正常時(shí)，其活性可部分恢復(fù)。所以在治療時(shí)，激光照射持續(xù)時(shí)間亦很重要，這也是脈沖激光對(duì)周圍組織損傷小的原因。神經(jīng)傳導(dǎo)速度隨溫度升高而加快，但當(dāng)溫度升至40℃以上時(shí)，神經(jīng)興奮性下降。

3)對(duì)蛋白質(zhì)的效應(yīng):蛋白質(zhì)分子不穩(wěn)定，易受理化因子影響而遭破壞，這可用來消毒和殺菌。

4)對(duì)血液循環(huán)的熱效應(yīng):激光的溫?zé)嶙饔每墒姑?xì)血管擴(kuò)張，為了使發(fā)熱處冷卻，被照射處的血流會(huì)自動(dòng)加速，以帶走熱量，這樣就改善了被照射區(qū)的供血和營養(yǎng)。

(2)激光熱效應(yīng)的治療作用:臨床上低功率激光可用于理療，Ar⁺、Nd:YAG、半導(dǎo)體、銅蒸汽、KTP激光等可用于熱凝固療法治療，CO₂、脈沖Er:YAG、Ho:YAG、CTH:YAG等激光可用于汽化和切割手術(shù)，對(duì)骨組織及鈣化粥樣硬化斑塊均能很好切除，切口平滑無炭化。波長為193～351nm的幾種脈沖準(zhǔn)分子激光器也已用于臨床切除手術(shù)，可以非常精確地逐層切除組織，造成的熱損傷極小，因而又稱為冷光刀切除。不同波長的準(zhǔn)分子激光已分別用于激光血管成形術(shù)、切骨術(shù)等。

2．激光的光化效應(yīng)與治療作用

(1)激光的光化效應(yīng)(actinicity acting):利用光能作為激活能，在組織和細(xì)胞內(nèi)引起的化學(xué)反應(yīng)叫光化反應(yīng)，包括光致分解、氧化、聚合和光致敏化，這種作用即光化效應(yīng)。激光比普通光的光化效應(yīng)更迅速、有效、廣泛。光化效應(yīng)可見和紫外激光均可引起，紅外激光主要是熱效應(yīng)，但若用高I的調(diào)Q激光時(shí)，亦能導(dǎo)致光化效應(yīng)。光致敏化按有無O₂參與分成兩類:第一類無須O₂參與，常用的敏化劑為呋喃香豆素類，其中最常用的是補(bǔ)骨脂素。內(nèi)部攝入高效光敏化劑呋喃香豆素類后用紫外線照射，可治療白癜風(fēng)等。有該敏化劑存在時(shí)，用365 nm的光照射會(huì)迅速把細(xì)菌殺死，且溫度對(duì)它的光敏化反應(yīng)速度幾乎無影響，可顯著提高細(xì)菌和酵母的突變頻率，使某些病毒完全鈍化。另一類一定要有O₂，這種光敏化作用稱光動(dòng)力學(xué)作用(photodynamics)。這種敏化劑有四百多種，常用來治療腫瘤的有血卟啉(HpD)。光動(dòng)力學(xué)治療簡稱PDT。HpD在惡性腫瘤中的聚集多于(或長于)其四周正常組織或良性腫瘤，當(dāng)用適當(dāng)波長的光線(主要是可見光線)照射已有HpD聚集的腫瘤時(shí)，HpD與O₂作用，氧化殺死癌細(xì)胞。

(2)激光光化效應(yīng)的治療作用:光化效應(yīng)在臨床上最主要的應(yīng)用是利用光動(dòng)力學(xué)作用治療惡性腫瘤，這是激光可治療腫瘤的主要生物學(xué)效應(yīng)之一。光動(dòng)力學(xué)作用還用于治療皮膚PWS等。

3．激光的光壓效應(yīng)與治療作用

(1)激光的光壓效應(yīng)(pressure acting):醫(yī)用激光照射生物組織時(shí)，一次壓強(qiáng)能常很小，但當(dāng)用調(diào)Q脈沖激光聚焦照射生物組織時(shí)，該處組織因?yàn)槲展饽芏眲∩郎?，使體液沸騰，從受照處噴發(fā)出一股氣流，使之反沖，產(chǎn)生的壓力卻相當(dāng)大。另外，亦使組織內(nèi)部氣化并在瞬間引起蒸發(fā)，使氣泡迅速膨脹，導(dǎo)致定域損傷。還有生物組織吸收激光能后，局部會(huì)出現(xiàn)短促的變熱，體積膨脹，結(jié)果在其邊區(qū)產(chǎn)生超聲頻率的彈性振動(dòng)，該振動(dòng)在生物體內(nèi)傳播，可在遠(yuǎn)處造成損傷。若激光的Tp很小而生物組織的吸收系數(shù)很大，就會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度和很強(qiáng)的超聲波，其壓力在激光參數(shù)相同時(shí)比上述氣流反沖壓大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。激光是電磁波，激光束的電場作用于物質(zhì)(如晶體)時(shí)，可使晶體中的離子發(fā)生位移，產(chǎn)生極化，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力，間接引起形變，這就是激光所致的電磁伸縮。

(2)激光光壓效應(yīng)的治療作用:用脈沖激光照射骨、皮膚、角膜、粥樣硬化斑塊等時(shí)，均可觀察到激光切除的過程包含了壓強(qiáng)作用。這種作用可用于激光眼科手術(shù)及激光碎石等。

4．激光的強(qiáng)電磁場效應(yīng)

聲波的最低頻率為基頻，波的頻率是基頻整數(shù)倍的稱為諧頻，具有這種頻率的波稱為諧波。有強(qiáng)大的激光照射，就可能引起光學(xué)諧波。激光的二次諧波一般均為紫外線。蛋白質(zhì)和核酸能強(qiáng)烈吸收紫外線而受損。當(dāng)光通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)時(shí)，除了發(fā)生與入射光頻率相同的散射光外，還發(fā)生拉曼散射(raman scattering)，即光子與物質(zhì)分子非彈性碰撞，改變光傳播方向的同時(shí)，增加或減少光頻。極強(qiáng)的激光脈沖聚焦于組織時(shí)，可能發(fā)生受激拉曼散射，可致細(xì)胞損傷。而當(dāng)足夠強(qiáng)的激光聚焦于晶體或某些液體標(biāo)本時(shí)，在介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波，這種聲波在傳播時(shí)使介質(zhì)發(fā)生疏密的變化。光波在其中傳播會(huì)發(fā)生散射，頻率亦會(huì)變化(即頻移)，此過程稱受激布里淵散射。只有在10⁶～10⁹W/m²范圍時(shí)，才會(huì)發(fā)生受激布里淵散射，這種散射可致細(xì)胞破裂而出現(xiàn)水腫。激光的電磁場效應(yīng)(electromagnetic field acting)在一般醫(yī)用激光器范圍可不加考慮。實(shí)際上單一脈沖激光作用于組織時(shí)，從焦點(diǎn)往周圍可分別出現(xiàn)熱、聲、光化作用區(qū)，甚至出現(xiàn)低功率激光的生物刺激作用。

5．低功率激光的生物刺激效應(yīng)與治療作用

功率小于500mW的激光被稱為低功率激光，由于臨床應(yīng)用的低功率激光波長接近紅外線光譜區(qū)，故能穿透到深部組織而不會(huì)被照射區(qū)域內(nèi)血紅素吸收。接受低功率激光照射時(shí)，組織表面溫度升高一般在0.1～0.5℃，激光能量沒有達(dá)到破壞生物組織的程度，熱效應(yīng)和壓強(qiáng)效應(yīng)不占主導(dǎo)地位，低功率激光加速血液循環(huán)、調(diào)整功能、促進(jìn)細(xì)胞生長和組織修復(fù)的作用主要是依靠光的生物調(diào)節(jié)和刺激效應(yīng)。

低功率激光作為一種刺激源作用于機(jī)體時(shí)，可以引起一系列的生理生化改變，改善血液循環(huán)，促進(jìn)細(xì)胞再生、毛發(fā)生長等，通過人體表的眼和皮膚刺激神經(jīng)，可止痛、止癢、抗過敏等，進(jìn)一步還可作用于內(nèi)分泌器官，如松果體，間接控制黑色素的合成，從而調(diào)節(jié)機(jī)體功能，達(dá)到治病效果。它又稱低強(qiáng)度、低能量、低水平、弱激光等。其生物學(xué)效應(yīng)主要是來源于輻射而非熱效應(yīng)。臨床上常用的低功率激光主要是He-Ne和半導(dǎo)體激光(630～670 nm)，P≤50mW，當(dāng)然亦有達(dá)上百毫瓦的，這與機(jī)體代謝過程的能量特征十分相近，頻率上產(chǎn)生共振，使體內(nèi)的能量平衡發(fā)生變化，恢復(fù)生理狀態(tài)。

低功率激光的生物學(xué)效應(yīng):激光與組織作用會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，機(jī)制尚不完全清楚。低功率激光的生物學(xué)效應(yīng)主要有以下幾種。

(1)消炎抗感染作用。低功率激光能改變血管通透性，減低炎性滲出的速度和程度，使充血和水腫減輕;舒張血管，加速血流，促進(jìn)炎性滲出物的吸收及炎性細(xì)胞浸潤消散;通過人體免疫作用，增強(qiáng)機(jī)體局部抗感染能力。

(2)組織修復(fù)作用。低功率激光能促進(jìn)新生血管的形成、生長發(fā)育，促進(jìn)毛發(fā)生長、促進(jìn)皮膚和肌肉RNA與糖原含量增加，加速成纖維細(xì)胞形成，肉芽組織增生，上皮細(xì)胞再生，加速創(chuàng)傷、潰瘍的愈合等。

(3)鎮(zhèn)痛作用。低功率激光能降低5-羥色胺含量，提高痛閾，引起嗎啡樣物質(zhì)釋放，從而減少局部刺激反應(yīng)，起到鎮(zhèn)痛作用。

(4)刺激作用。低功率激光可以刺激各種酶增加其活性，引起周圍血液和凝血系統(tǒng)的變化，提高血液中紅細(xì)胞和血紅蛋白的含量，增加細(xì)胞溶質(zhì)內(nèi)鈣信號(hào)的產(chǎn)生，從而調(diào)控細(xì)胞功能，引起細(xì)胞內(nèi)一系列生理和生化反應(yīng)。低功率激光能刺激非特異免疫功能和特異性免疫功能，活躍交感腎上腺系統(tǒng)，刺激巨噬細(xì)胞的吞噬作用，加速丙種球蛋白合成，直接刺激神經(jīng)末梢以及由于生物體酶活性的影響，促進(jìn)神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)加快，激發(fā)總的代謝方面的變化。

低功率激光治療的方法有激光束照射病灶局部(激光理療)、穴位(激光針灸或麻醉)、體腔內(nèi)(低功率激光內(nèi)鏡照射)，靜脈內(nèi)照射法和PDT等多種。