激光在医学上的应用

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激光在医学上的应用(laser in medicine),激光是利用受激发射放大原理产生的高相干性、高强度的单色光。产生激光束的光源称激光器,在医学领域里有广泛的用途。激光医学是一门新兴的边缘学科,其内容包括用激光新技术去研究、诊断、预防和治疗疾病。激光已应用于内、外、妇、儿、眼、耳鼻喉、口腔皮肤肿瘤针灸理疗等临床各科。它不仅为研究生命科学和研究疾病的发生发展开辟了新的研究途径,而且为临床诊治疾病提供了崭新的手段。

目录

激光医学发展简史

1960年第一台红宝石激光器研制成功,1961年即用于眼科进行视网膜光凝固治疗。此后有关激光的生理作用、激光的生物效应等论文相继发表。1966年用CO2激光束切除狗的肝脏,证明术中出血很少,从而开创激光手术;1968年用激光治疗颌面部病变;1969年用激光刀完成胸廓切开术;1971年石英光导纤维研制成功,使氩离子(Ar+)激光和掺钕钇铝石榴石(YAG)激光得以进入体腔内进行治疗;1972年手术显微镜配合CO2激光进行喉部手术成功,从而开始激光显微手术。中国从1973年开始将CO2激光用于临床,以后又陆续将Ar+激光、YAG 激光、红宝石激光引入到临床各科。1965年和1966年动物实验和临床观察证明氦氖 (He-Ne)激光有止痛、消炎、提高免疫功能等作用,将其用于局部照射治疗,从而开创激光理疗。中国在1974年将激光用于理疗。1966年后激光应用于穴位照射,从而开创激光针灸治疗。1970年He-Ne激光穴位照射治疗高血压病,取得良好效果,以后用于治疗支气管炎子宫附件炎也取得良效。1976年制成He-Ne激光光针仪,用于以治疗传统上常用毫针治疗的急慢性病。1960年研制成新的光敏剂血卟啉衍生物(HPD),为用激光光动力学诊断和治疗恶性肿瘤开辟一条途径。在1978年中国引进这项技术,现已用于消化道呼吸道、泌尿道、头颈部、皮肤肿瘤的诊断和治疗。目前医用激光器已与电子计算机、光导纤维、图像分析、摄像、录像、荧光光谱超声技术等新技术结合。

医用激光器的种类

常用的医用激光器有以下几种:①氦氖激光器。输出波长为6328┱的红色激光。特点是结构简单,操作方便,价廉,寿命长,使用万小时以上。用于消炎、镇痛或作激光光针和理疗。②二氧化碳激光器。输出波长为 10.6┢m 的远红外激光。特点是输出功率大,用作激光刀进行烧灼、切割和汽化。③氩离子激光器。输出波长为4880┱和5145┱的蓝绿色激光。特点是功率大,又在可见光范围。用于光凝固治疗,如眼底病和十二指肠胃溃疡的光凝固治疗。④掺钕钇铝石榴石激光器。输出波长为 1.060┢m的近红外激光。特点是输出功率大,对组织作用深而均匀,对红色组织有亲和力,又可用光导纤维传输。常与内窥镜结合进入腔内治疗肿瘤、息肉、出血等,是最常用的激光器之一。

其他准分子激光器、铜蒸气激光器、红宝石固体激光器、半导体激光器等在临床上也经常使用。

激光的生物效应

一般认为激光有五个方面的效应:

①  热作用。主要是在可见光和红外光范围的激光引起的。弱激光不会直接造成不可逆损伤,可促使血管扩张血液流动加强,从而改善局部的营养状态,促进伤口溃疡的愈合,还具有镇痛和缓解肌肉痉挛等作用。强激光直接造成生物组织的不可逆性损伤,故可用以清除各种赘生物,如疣、痣、癌等,或凝固出血点、封闭破孔等。

②  压力作用。激光照射到人体上形成一种压力(光压)。如果激光呈大功率脉冲状态,则产生的压力很强。若激光聚焦功率为108W/cm2则其压力可达40g/cm2。强激光照射到生物组织上时,使组织汽化,产生热膨胀,这时体积剧烈增加而产生巨大的压力,可以大至几百个大气压,破坏性较大。临床上可利用这种压力在眼睛上房角处打孔,以沟通房水,降低眼压,治疗青光眼,还可以利用这种冲击波的力量来治疗后发性白内障玻璃体出血后形成的机化索条等。

③  光化学作用。利用激光能量激活体内某些化学反应。其中包括光致分解(吸收光能而导致化学分解的过程)、光致氧化(光作用下,反应物失去电子的过程)、光致聚合(光作用下,小分子聚合成大分子的过程)、光致敏化(在光敏剂的参与下,用特定波长的光作用而产生的化学反应)等四种主要类型。光敏化治疗是以血卟啉衍生物为代表的光动力学疗法,用以破坏癌细胞,需要氧分子参加才能起反应。另一类光敏剂如补骨脂素不需氧分子参加。局部涂补骨酯酊后,再用紫外激光局部照射,可以治疗白癜风银屑病等疾病。

④  电磁场作用。高功率激光所产生的强电磁场,可以使生物组织发生明显的变化。

⑤  刺激作用。主要指功率较低的He-Ne激光对机体的作用。可促进神经再生毛发生长,降低的血细胞回升,使骨痂生长迅速而使骨折愈合,还可抑制细菌生长从而消炎止痛。

以上五种效应中,压力效应和电磁场效应主要为大功率或中等功率激光所具有。而光化学反应和光刺激作用主要由小功率激光引起,热效应则大、中、小三种功率的激光均有。

激光手术

即利用功率密度较高的激光束,对病灶进行汽化、凝固、切割。特点是:①出血少或不出血。激光有热凝固作用,能封闭直径小于1mm的动脉和2mm的静脉,因此术中可以少出血或不出血,术中或术后可以不输血或少输血。②减少感染机会。激光对组织无机械接触,而且激光的高温还可以杀菌,故可以减少伤口感染率。③防止肿瘤转移。连续激光手术时封闭了小血管淋巴管,又不压迫肿瘤,从而防止肿瘤转移。④精确度高。由激光器发射出的激光束是以定向的方式几乎毫不发散地沿空间极小的立体角范围传播,能量集中,故可以精确地切除很小的病变,其切口边缘锐利,对不足1mm 的病变亦可进行手术。⑤手术时间短。术中多数小血管不出血,不需结扎;出血量少,手术清晰,病变和正常组织易于分辨,故激光手术时间短。⑥可做腔内精细手术。借助各种内窥镜(如喉镜气管镜食管镜、胃镜膀胱镜等)或外科显微镜,通过光导纤维将激光束导入脏器腔或血管内,可进行凝固止血或汽化切割病变组织(息肉、癌肿等),也可以粉碎结石、清除血管内血栓等。⑦术后反应轻,副作用小。

激光手术常采用凝固止血术、切割术和汽化术三种方式(见手术)。

①  激光凝固止血术。激光原光束或聚焦后的光束照射到病变处,使组织温度达到55~100℃,病变组织凝固、坏死,随后结痂,自行脱落而痊愈,这种方法主要用以治疗眼底病,如视网膜裂孔视网膜劈裂症中心性浆液性视网膜病变、出血性黄斑盘状变性、出血性富克斯氏斑、视网膜静脉分支阻塞症、视网膜静脉周围炎糖尿病性视网膜病变等,也用于消化道出血(如十二指肠、胃溃疡、食管静脉曲张的出血)、鼻出血、皮肤各种血管病的治疗。

② 激光切割术。50W以上的CO2激光和 30W以上的Nd-YAG激光聚焦以后对组织进行切割手术,切割的组织包括皮肤、皮下脂肪、筋膜肌肉硬脑膜、脑、脊髓周围神经心脏、肝、肾、胃、肺和肿瘤组织等,用激光手术切割,切口光滑不出血或极少出血。对不同组织需要不同的激光功率。激光切割对切口周围组织的损伤并不严重。临床常用激光切除肝脏,切除烧伤焦痂骨板痔核、肿瘤等。已研制成“激光石英石刀”和“激光蓝宝石刀”,可以一边切开组织,一边使血管凝固、封闭,手术中出血量比电刀减少2/3以上。

③  激光汽化术。激光对病变组织作用,使温度超过 100℃时,组织可以蒸发出水蒸气,汽化术因而得名。激光手术多采用这种方法,如对赘生物、烧伤创面褥疮的溃疡、色素痣尖锐湿疣寻常疣、蹠疣、汗管角化瘤、肉芽肿声带息肉神经性皮炎胼胝腋臭乳头状瘤纤维瘤等均用汽化术清除。用激光汽化良性肿瘤,一般一次治愈率可达100%。对恶性肿瘤(如皮肤癌喉癌、上腭癌、鼻腔癌、唇癌外阴癌阴茎癌等) 汽化治疗效果也是满意的。对皮肤癌效果最好,一般一次治愈率可达100%,5年复发率基底细胞癌约为8%,鳞状上皮癌复发率10%。为了减少心室壁的厚度,可用Ar+激光对预定除去的心肌组织进行汽化。用激光作瓣膜狭窄的分离术,可避免常规手术时出现的分离不彻底、分离过多或出现瓣膜破裂等缺点。“激光血管成形术”是用激光治疗心血管栓塞,可用Ar+激光把沉积物汽化。用不产生热效应的准分子激光进行这种手术,效果更好。用激光汽化动脉内斑块后产生的是 CO2、水和极少的余灰,所以不会产生新的栓子,余灰最终为机体的防御系统所清除。又可利用激光进行吻合,即用一定剂量的激光照射血管、神经、肠的吻合部位,使受照处的蛋白质融熔,随即固化、凝结,从而使该部位产生紧密的粘合。

激光针灸

用弱激光照射穴位进行治疗的方法。是中国传统医学与新技术相结合的产物,与传统针灸相比较互有长短。最常使用的是He-Ne激光,它具有无痛、无感染、无损伤、治疗时间短等优点。

激光光动力学治疗(PDT)

指在光敏剂血卟啉衍生物的参与下,激光照射到病变组织处(如肿瘤),病毒霉菌感染等处,病变组织发生破坏、坏死,而正常组织则不受影响的一种治疗技术。这种作用必须有氧的参与才能发挥,所以又称光敏化氧化作用,是一种光敏化治疗。

1976年研究激光光动力学治疗的机理时,发现用波长 620~640nm的激光照射含有血卟啉衍生物(HPD)的癌组织时,在能量转移过程中产生的单态氧达到一定浓度时,可以破坏癌细胞。HPD是目前诊断和治疗恶性肿瘤的最佳光敏剂。对肿瘤的亲和力比正常组织大2~10倍,从肿瘤组织排出体外的时间也比正常组织晚72小时。使用HPD后,再用630nm波长的激光照射肿瘤,就可以使肿瘤细胞氧化、坏死。在405nm波长的激光照射下,HPD能产生橘红色的荧光,可借此早期诊断恶性肿瘤,在约5个癌细胞的厚度时即可以检测出其荧光。

PDT对表浅的癌肿治疗效果较好,但不能杀灭深部的癌细胞。这种治疗方法已应用于治疗皮肤癌(基底细胞癌、鳞状上皮癌等)和配合内窥镜进行腔内肿瘤(肺癌食道癌胃癌直肠癌膀胱癌等)的治疗,其有效率可达85%。主要副作用是产生皮肤光敏反应,产生光敏性皮炎,只要在治疗期间防止直接阳光照射,不看电视,即可以防止光敏性皮炎的发生。

激光理疗

即利用弱激光对病变部位进行局部照射治疗。常用的激光是扩束的CO2激光和He-Ne激光二种。

扩束CO2激光治疗的原理是:CO2激光发出10600nm的远红外线作用到机体,使生物分子振动加剧,局部组织温度上升,血管扩张,血流速度加快,组织代谢加快,新陈代谢旺盛,加强组织营养和组织再生能力,增强组织细胞活性,加速代谢产物的吸收。它对机体的作用包括以下三个主要方面:①扩张血管,改善血液循环。这主要通过神经反射体液而产生。②解除平滑肌骨骼肌痉挛。CO2激光扩束照射腹壁浅层,通过反射使胃肠平滑肌松弛和蠕动减慢。远红外线作用在皮肤上,血管内血液温度上升,流到肌肉,使肌肉温度也上升,作用在γ纤维上,使其兴奋性下降,于是骨骼肌的痉挛缓解。③镇痛作用。远红外线的加热作用降低感觉神经的兴奋性,另外,加热本身作为一种新的刺激与疼痛刺激的冲动同时传到中枢神经系统,在中枢神经系统内形成干扰,减弱痛的感觉。在热的作用下,渗出物吸收加速,组织张力下降,肿胀减退,而使疼痛减弱。加热作用下肌张力也下降,肌肉痉挛减轻,疼痛也减轻。CO2激光扩束治疗主要依靠热效应,故对慢性炎症风湿性关节炎类风湿性关节炎支气管哮喘骨性关节炎、纤维组织炎、肌肉劳损盆腔炎、慢性子宫附件炎皮肤溃疡、神经性皮炎、颞颌关节紊乱、肩关节周围炎腰肌劳损网球肘腱鞘炎滑囊炎湿疹外阴瘙痒症慢性喉炎等效果明显。

He-Ne激光治疗原理有生物电场假说、光调节假说、细胞膜受体假说和偏振刺激假说等。 He-Ne激光对机体主要产生刺激作用,可促进神经再生,加速骨折愈合,促使白细胞恢复正常,促进毛发生长,促进免疫功能加强,促使炎症消退等。对急性炎症有效,如睑腺炎疱疹角膜炎睑缘炎急性泪囊炎黄斑出血、中心性浆液性视网膜病变,外耳道疖鼻疖牙龈炎冠周炎、根尖周围炎、原发性白细胞减少症急性乳腺炎肛门皲裂外痔血栓形成、甲沟炎慢性前列腺炎斑秃外阴白斑、外阴瘙痒症等。

激光诊断和检测

可用于临床诊断和科学研究,激光全息技术在医学上更有广泛的发展前途。

①  激光全息术。利用激光相干原理将物体在空间存在情况的全部信息记录下来的技术。全息照相记录物体反射光波的振幅和相位值,不需透镜聚焦,所以也称无透镜照相;全息照片是三维的,有立体感,如看到实物一样,当观察角度改变时,甚至可绕过障碍物看到被挡住的物体;全息照片每一部分都能再现整个图像,取其中任何一块,都可以再现一个完整的图像;同一底片上,可多次连续曝光,重复记录几个图像,而且每个图像不受其他图像的干扰而单独显示。

全息照相包括的物体的信息比较完整,如一张眼底全息照片可以记录眼内各层较为完整的信息。可以分别研究角膜晶状体玻璃体和视网膜各层,可以测出视盘凹陷黑色素瘤体、玻璃体内的新生血管的立体尺寸、眼内异物、玻璃体索条的生长、白内障的发展、视网膜水肿的改变。全息滤片矫治白内障已取得实验性成功。在牙科用激光全息术测量低水平力引起的微小动度,如研究给牙加力后,观察牙在轴向或水平方向的位移。

超声波和激光配合应用的激光超声全息摄影术,利用超声波产生全息图像,而用激光使之再现,这种方法可以分辨1mm大小的乳腺癌,还能拍摄出心脏的形态和运动,肺的形态和运动,胃肠蠕动情况,胃的轮廓、软组织和骨骼结构等。

②  自体荧光检测法。是常用的激光诊断方法。不同分子结构能产生不同的自体荧光光谱,病变组织或恶性肿瘤与正常组织分子结构不同,用激光照射后,高灵敏度光谱分析器可以区分出它们差异。

用4765┱的Ar+激光作为激发光源,照射疑为癌症的组织,若是癌症,则在6300~6800┱和7000┱处将出现峰值,而非癌组织中则不出现峰值,故上述激光的频谱可以作为癌的特征光谱。

用波长为4880┱的Ar+激光照射牙齿,龋齿会发出长于5400┱波长的荧光。故用此法可以早期发现和治疗龋齿。

也可用调Q的Nd-YAG激光照射血清样品,使之成等离子体化,再测其荧光光谱,借此可以测出含量低至50ng/ml的痕量元素

用337nm的氮分子激光作激发光源,可测定心、脑、肝、肾之类器官的氢气供给和消耗之间的不平衡状态。

③  激光荧光检测。使用一定荧光药物后,再用特定波长的激光进行照射。若是癌症,则发出特有的荧光,故可用来早期诊断癌症。

如将血卟啉衍生物静脉注入人体后,再用405nm波长的氪分子激光局部检测,癌细胞会发出橘红色荧光,而正常组织不会。

荧光素钠静脉注射、口服或灌肠后再用441.6nm波长的氦镉(He-Cd)激光进行局部照射,癌症组织会发出黄色荧光,正常组织不发荧光或荧光很弱。

④  激光散斑分析法。指激光束被粗糙表面反射或不均匀介质散射而形成的斑纹。此法可用于激光散斑验光,视网膜功能检查,血液、尿液分析和血流测量等。

激光散斑验光是一种新的验光方法,比传统方法简便、迅速和准确。其原理是利用单色性很好的He-Ne激光,照在漫射屏后产生看得见的斑纹图样,当观察者与漫射屏间有相对运动时,观察到的斑纹运动能反映出观察者的屈光状态。斑点向下运动,则为近视;向上运动则为远视;斜动或滚动,则为散光;没有明显运动,则为正常。

散斑分析血液和尿液是使He-Ne激光透过血液或尿液后,照到毛玻璃片上,从毛玻璃散斑情况可分析血液或尿液有无异常,若透过尿液的激光在毛玻璃上除产生光源亮斑以外,未见其他亮点,则尿液正常。若光斑周围有很密的亮点,则可诊断为炎症(如膀胱炎前列腺炎)。

⑤ 激光多普勒效应。即当激光照射运动着的流体时,跟随流体运动的粒子将激光散射,散射的激光的频率发生变化,这频率与入射激光频率之差,称为多普勒频移或拍频,这频移正比于粒子速度(即流速),故测出频移就可测得流体速度,用这种方法可测量微循环的血流速度和测量电泳迁移率和扩散系数等。利用激光多普勒效应可以观察人体末梢血管的血液动力学改变。观察甲皱、耳垂口唇等部位的毛细血管的血液动力学变化有助于诊断动脉硬化冠心病、各种休克、血管内弥漫性凝血等。

⑥ 激光流动细胞分析法。能快速分析各种生物细胞,绘出细胞数随细胞核DNA含量变化的直方图,让待测的已染色的细胞在特定的样品管内处于稳定的液体流动之中,经过直径 50~100┢m的小孔,从而使细胞排列成单行,恒速通过激光束的焦斑区,细胞受激光照射后辐射荧光。若细胞核被染色,则荧光与该核的DNA含量成正比,若细胞质被染色,则荧光与细胞质DNA含量成正比,若细胞核与细胞质分别染色,则可以获得双色荧光。这种细胞分析法以每称钟1000个细胞以上的速度一个一个地对单细胞进行分析。这种方法可以筛选肿瘤细胞,因为恶性细胞中DNA含量高,而且细胞核荧光也强。这种方法还可以用来进行血细胞计数,测定入侵病毒,用来区分白细胞、红细胞血小板等用途。

⑦  激光拉曼光谱法。是1980年代发展起来的新的诊断法。用强单色光源照射试样时,会发生散射。在散射光中,除了有与入射光频率相同的瑞利光以外,还有一系列其他频率的光。这些光对称地分布于瑞利光的两侧,但强度比瑞利光弱得多,通常只有瑞利光的10-6~10-9。这种在瑞利光以外存在着其他频率的散射光现象称为拉曼效应或并合散射,这种散射光谱称为拉曼光谱。

拉曼光谱虽然其频率随入射光的频率变化而变化,但它与瑞利光的频率之差(即拉曼位移)与入射光频率无关,与试样物质分子的振动和转动能级有关,故可用拉曼位移对待测物质进行定性分析。

这种诊断方法与传统方法比较,有以下优点:是无损伤测量;可在各种物态(固体、液体、气体)下进行测量;既可定性,又可定量分析;方法简便、快速、准确。拉曼光谱法可用来鉴别癌症;早期诊断白内障;分析呼出气体的成分及其含量。癌症患者、败血症肝炎患者血液的拉曼谱线全部出现异常的光谱。因此激光拉曼光谱法是一种很有前途的新的诊断方法。

参考书目

徐国祥、史宏敏编著:《激光医学》,人民卫生出版社,北京,1989。

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