1、五、激光的計(jì)量五、激光的計(jì)量光輻射能量光輻射能量( (光能量光能量) )光輻射功率光輻射功率( (光功率光功率) )光的能量密度光的能量密度( (激光的物理劑量激光的物理劑量) )光的功率密度光的功率密度( (光強(qiáng)度光強(qiáng)度) )對(duì)對(duì)CWCW激光的計(jì)量激光的計(jì)量對(duì)脈沖激光的計(jì)量對(duì)脈沖激光的計(jì)量醫(yī)學(xué)上使用醫(yī)學(xué)上使用CWCW激光時(shí)的計(jì)量激光時(shí)的計(jì)量需知道：激光輸出功率（需知道：激光輸出功率（ P P） 被照射面積（被照射面積（s s） 被照射時(shí)間（被照射時(shí)間（t t）給出：功率密度（給出：功率密度（I I）、能量密度（）、能量密度（D D）對(duì)脈沖激光的計(jì)量對(duì)脈沖激光的計(jì)量需知道：激光單脈沖能量（需知

2、道：激光單脈沖能量（E E） 脈沖寬度（脈沖寬度（tt） 重復(fù)頻率（重復(fù)頻率（f f） 被照射面積（被照射面積（s s） 被照射時(shí)間（被照射時(shí)間（t t）給出：峰值功率（給出：峰值功率（Peak PowerPeak Power）、脈沖）、脈沖數(shù)、功率密度（數(shù)、功率密度（I I） 、能量密度（、能量密度（D D）第二章 激光對(duì)生物體的作用目的和要求：目的和要求： 1 1掌握激光的基本特性掌握激光的基本特性 2 2掌握激光對(duì)生物組織的主要作用掌握激光對(duì)生物組織的主要作用 （即激光生物效應(yīng)）（即激光生物效應(yīng)）第二章第二章 激光對(duì)生物體的作用激光對(duì)生物體的作用 激光是一種光源，也是一種電磁激光是一種光

3、源，也是一種電磁波，但它對(duì)生物體的作用與普通光源和波，但它對(duì)生物體的作用與普通光源和普通電磁波相比有其獨(dú)特之處。為什么？普通電磁波相比有其獨(dú)特之處。為什么？這與激光所具有的特性是分不開的。這與激光所具有的特性是分不開的。一、激光的基本特性一、激光的基本特性1 1、單色性好、單色性好2 2、方向性好、方向性好3 3、亮度高強(qiáng)度大、亮度高強(qiáng)度大4 4、相干性好、相干性好1 1、單色性好、單色性好單色性的好壞反映了光能量在頻譜上分布的集中單色性的好壞反映了光能量在頻譜上分布的集中性。性。光譜線寬度是衡量單色性好壞的標(biāo)志光譜線寬度是衡量單色性好壞的標(biāo)志 KrKr燈：燈：605.7nm, 605.7nm

4、, 譜線寬度譜線寬度=4.7=4.7* *1010-4-4nmnmHeNeHeNe激光：激光：632.8nm, 632.8nm, 譜線寬度譜線寬度=4.7=4.7* *1010-8-8nmnm原因原因: : 受激輻射受激輻射, ,光子一致光子一致; ; 諧振腔選頻諧振腔選頻. .應(yīng)用應(yīng)用: : 光的生物效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于光的波長(zhǎng)光的生物效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于光的波長(zhǎng), ,因此因此激光良好的單色性在醫(yī)學(xué)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值激光良好的單色性在醫(yī)學(xué)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值. .2 2、方向性好、方向性好方向性的好壞反映了光能量在空間分布的集中性。方向性的好壞反映了光能量在空間分布的集中性。發(fā)散角是衡量光束方向性

5、好壞的標(biāo)志發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標(biāo)志. .探照燈：探照燈：3838萬公里遠(yuǎn)月亮上，萬公里遠(yuǎn)月亮上， 10001000公里公里. .單模激光：?jiǎn)文＜す猓?122/D , =122/D , 發(fā)散角發(fā)散角1 1毫弧度毫弧度(mrad), (mrad), 1 1公里公里. .原因原因: : 受激輻射一致受激輻射一致; ; 諧振腔選模諧振腔選模. .應(yīng)用應(yīng)用: : 激光在空間的高度集中激光在空間的高度集中, , 可聚焦成激光手術(shù)刀可聚焦成激光手術(shù)刀; ; 加上單色性好加上單色性好, , 聚焦時(shí)無色散象差聚焦時(shí)無色散象差, , 可聚焦成可聚焦成 微米級(jí)的激光微束微米級(jí)的激光微束, , 能用于對(duì)細(xì)胞實(shí)

6、行打孔和能用于對(duì)細(xì)胞實(shí)行打孔和 融合手術(shù)等融合手術(shù)等. .3 3、亮度高強(qiáng)度大、亮度高強(qiáng)度大 亮度是光源在單位面積上，向某一方亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率. . 1 1米長(zhǎng)的米長(zhǎng)的40W40W日光燈日光燈, ,與與1 1米長(zhǎng)的米長(zhǎng)的40W 40W COCO2 2激光器激光器 相比亮度相差相比亮度相差10101010=100=100億倍億倍. . 紅寶石脈沖激光器紅寶石脈沖激光器10101616KW/cmKW/cm2 2與太與太陽相差陽相差100100億倍億倍. . 激光的輸出功率雖然有激光的輸出功率雖然有個(gè)限度，但由于其光束細(xì)個(gè)限度，但由

7、于其光束細(xì)( (發(fā)發(fā)散特別小散特別小) )，功率密度特別大，功率密度特別大，因而其亮度也特別大因而其亮度也特別大. .把分散把分散在在180180范圍內(nèi)的光集中到范圍內(nèi)的光集中到0 0.1818范圍，亮度提高范圍，亮度提高100100萬萬倍倍. .通過調(diào)通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一步提高沖寬度，還可以進(jìn)一步提高亮度亮度. . 亮度是描述光源的參量，醫(yī)學(xué)應(yīng)用亮度是描述光源的參量，醫(yī)學(xué)應(yīng)用更關(guān)心的是被光輻射處的強(qiáng)度。強(qiáng)度與更關(guān)心的是被光輻射處的強(qiáng)度。強(qiáng)度與亮度成正比關(guān)系。核聚變，激光碎石機(jī)。亮度成正比關(guān)系。核聚變，激光碎石機(jī)。 輻射亮度輻射亮度, ,與人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感覺

8、與人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的感覺無關(guān)無關(guān). YAG. YAG激光看不見激光看不見, ,但可以切割骨骼、但可以切割骨骼、腫瘤等，腫瘤等，HeNeHeNe激光能看見，但只能做激光能看見，但只能做理療。理療。4 4、相干性好、相干性好 若頻率相同、振動(dòng)方向相同的兩列波，在若頻率相同、振動(dòng)方向相同的兩列波，在相遇處位相差恒定，這兩列波就是相干的。相遇處位相差恒定，這兩列波就是相干的。 激光是受激輻射，受激輻射的光子其頻率激光是受激輻射，受激輻射的光子其頻率和振動(dòng)方向均相同，且光子之間又相互關(guān)聯(lián)，和振動(dòng)方向均相同，且光子之間又相互關(guān)聯(lián)，所以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)位相差可保持恒定的。因此，所以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)位相差可保持恒定的。

9、因此，激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 KrKr燈：相干長(zhǎng)度幾十厘米燈：相干長(zhǎng)度幾十厘米 單模穩(wěn)頻單模穩(wěn)頻HeNeHeNe激光：相干長(zhǎng)度幾十公里。激光：相干長(zhǎng)度幾十公里。 主要用于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床疾病的診斷。主要用于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床疾病的診斷。激光的基本特性激光的基本特性 激光的上述幾個(gè)特性都是相激光的上述幾個(gè)特性都是相互關(guān)聯(lián)的，單色性好、方向性好導(dǎo)互關(guān)聯(lián)的，單色性好、方向性好導(dǎo)致亮度高強(qiáng)度大。致亮度高強(qiáng)度大。二、激光生物效應(yīng)二、激光生物效應(yīng) 激光生物效應(yīng)的概念激光生物效應(yīng)的概念 兩類激光生物效應(yīng)兩類激光生物效應(yīng) 兩種生物反應(yīng)水平的激光兩種生物反應(yīng)水平的激光 激光生物作用激光生

10、物作用 激光生物效應(yīng)的概念 激光與生物組織相互作用后引起的生物組激光與生物組織相互作用后引起的生物組織的任何變化，都稱為激光生物效應(yīng)?？椀娜魏巫兓?，都稱為激光生物效應(yīng)。兩類激光生物效應(yīng)兩類激光生物效應(yīng) 第一類激光生物效應(yīng)：激光與生物組織相第一類激光生物效應(yīng)：激光與生物組織相互作用的結(jié)果，因生物組織的作用，使激互作用的結(jié)果，因生物組織的作用，使激 光參量發(fā)生改變的現(xiàn)象。光參量發(fā)生改變的現(xiàn)象。 第二類激光生物效應(yīng)：第二類激光生物效應(yīng)： 因激光的作用，使因激光的作用，使生物組織發(fā)生形態(tài)或機(jī)能改變的現(xiàn)象。生物組織發(fā)生形態(tài)或機(jī)能改變的現(xiàn)象。兩種生物反應(yīng)水平的激光兩種生物反應(yīng)水平的激光 強(qiáng)激光：用這種生物

11、學(xué)劑量水平的激光直強(qiáng)激光：用這種生物學(xué)劑量水平的激光直接輻照生物組織時(shí)可導(dǎo)致生物組織發(fā)生不接輻照生物組織時(shí)可導(dǎo)致生物組織發(fā)生不可逆性損傷，則定義這種強(qiáng)反應(yīng)水平的激可逆性損傷，則定義這種強(qiáng)反應(yīng)水平的激光為強(qiáng)激光。光為強(qiáng)激光。 弱激光：用這種生物學(xué)劑量水平的激光直弱激光：用這種生物學(xué)劑量水平的激光直接照射生物組織，不會(huì)引起生物組織直接接照射生物組織，不會(huì)引起生物組織直接發(fā)生不可逆性損傷，則定義這種反應(yīng)水平發(fā)生不可逆性損傷，則定義這種反應(yīng)水平的激光為弱激光。的激光為弱激光。 激光生物作用 發(fā)生激光生物效應(yīng)的過程叫激光生物作用。發(fā)生激光生物效應(yīng)的過程叫激光生物作用。主要有：主要有：1 1）光致發(fā)光作用

12、）光致發(fā)光作用2 2）光致發(fā)熱作用）光致發(fā)熱作用3 3）光致壓強(qiáng)作用）光致壓強(qiáng)作用4 4）光致化學(xué)作用）光致化學(xué)作用5 5）弱激光的生物刺激作用。）弱激光的生物刺激作用。 ( (一一) ) 光致發(fā)光作用光致發(fā)光作用 光致發(fā)光作用：生物組織吸收了激光能量之光致發(fā)光作用：生物組織吸收了激光能量之 后又以輻射的方式釋放光能的過程。后又以輻射的方式釋放光能的過程。通常有兩類發(fā)光；一類是熱輻射發(fā)光，另一通常有兩類發(fā)光；一類是熱輻射發(fā)光，另一類是非熱輻射發(fā)光。類是非熱輻射發(fā)光。 光致發(fā)光作用光致發(fā)光作用 光致發(fā)光作用可用于臨床檢測(cè)與診斷。目光致發(fā)光作用可用于臨床檢測(cè)與診斷。目前已用到的有載體熒光法、自體熒

13、光法、前已用到的有載體熒光法、自體熒光法、偏光法等偏光法等 。自然光照自然光照藍(lán)光照藍(lán)光照濾光片觀察濾光片觀察激光熒光圖像診斷激光熒光圖像診斷( (二二) ) 光致發(fā)熱作用光致發(fā)熱作用1. 1. 定義：生物組織吸收激光能定義：生物組織吸收激光能量后，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锝M織量后，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)樯锝M織的熱能，這個(gè)過程稱為光致發(fā)的熱能，這個(gè)過程稱為光致發(fā)熱作用（熱作用（photoheat effect） 2. 2. 光致發(fā)熱作用的機(jī)制光致發(fā)熱作用的機(jī)制 1 1）吸收生熱（也叫直接生熱）：生物組織）吸收生熱（也叫直接生熱）：生物組織吸收了紅外激光的光子后，增加生物分子吸收了紅外激光的光子后，增加生物分子

14、本身的熱運(yùn)動(dòng)，使組織的溫度升高這種本身的熱運(yùn)動(dòng)，使組織的溫度升高這種生熱沒有中間過程，故稱直接生熱。生熱沒有中間過程，故稱直接生熱。 2 2）碰撞生熱：可見光和紫外激光的光子能）碰撞生熱：可見光和紫外激光的光子能量較大，生物組織吸收了這種光子后可量較大，生物組織吸收了這種光子后可引起生物組織的電子態(tài)躍遷，在它從電子引起生物組織的電子態(tài)躍遷，在它從電子激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過程中釋放能量，使其激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過程中釋放能量，使其周圍分子增加熱運(yùn)動(dòng)，使組織的溫度升周圍分子增加熱運(yùn)動(dòng)，使組織的溫度升高高3 3熱作用對(duì)生物組織的影響熱作用對(duì)生物組織的影響1) 1) 對(duì)蛋白質(zhì)的影響：對(duì)蛋白質(zhì)的影響：2) 2)

15、 對(duì)酶的影響：對(duì)酶的影響：3) 3) 對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響：對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響：4) 4) 對(duì)皮膚等組織的影響：對(duì)皮膚等組織的影響：生物組織的熱反應(yīng)水平生物組織的熱反應(yīng)水平 1 1）溫?zé)岣杏X）溫?zé)岣杏X 383840 40 2 2）熱致紅斑）熱致紅斑 434344 44 3 3）熱致水泡）熱致水泡 474748 48 4 4）熱致凝固）熱致凝固 6060100 100 5 5）熱致汽化）熱致汽化 100 100 530 530 6 6）熱致炭化）熱致炭化 300 300 400 400 7 7）熱致燃燒）熱致燃燒 530 530 8 8）熱致切割）熱致切割 530 530 4 4影響熱作用的因素影響熱

16、作用的因素1 1）激光熱作用與激光參數(shù)有關(guān)）激光熱作用與激光參數(shù)有關(guān) 2 2）激光熱作用與生物組織特性有關(guān)）激光熱作用與生物組織特性有關(guān) 3 3）激光熱作用與作用持續(xù)時(shí)間有關(guān)）激光熱作用與作用持續(xù)時(shí)間有關(guān) ( (三三) ) 光致壓強(qiáng)作用光致壓強(qiáng)作用 一個(gè)著名實(shí)驗(yàn)一個(gè)著名實(shí)驗(yàn) 光子能量為光子能量為E=h，光子動(dòng)量為，光子動(dòng)量為P=h/c 單位面積單位時(shí)間的光子數(shù)是單位面積單位時(shí)間的光子數(shù)是n=Ih 總動(dòng)量總動(dòng)量 P=（Ih）（h/c）=I/c 一次壓強(qiáng)一次壓強(qiáng) 二次壓強(qiáng)二次壓強(qiáng)光致壓強(qiáng)作用的二次壓強(qiáng)光致壓強(qiáng)作用的二次壓強(qiáng)主要有：主要有： 氣流反沖壓強(qiáng)氣流反沖壓強(qiáng) 內(nèi)部汽化壓強(qiáng)內(nèi)部汽化壓強(qiáng) 熱膨脹

17、超聲壓強(qiáng)熱膨脹超聲壓強(qiáng) 等離子體膨脹壓強(qiáng)（等離子體膨脹壓強(qiáng)（I 10I 109 9WWcmcm2 2） 電致伸縮壓強(qiáng)電致伸縮壓強(qiáng) 等等氣流反沖壓強(qiáng)氣流反沖壓強(qiáng) 氣流反沖壓強(qiáng)是指生物組織表面受激光照射引起汽化時(shí)產(chǎn)生的反沖壓。 內(nèi)部汽化壓強(qiáng)內(nèi)部汽化壓強(qiáng) 內(nèi)部汽化壓為激光聚焦于組內(nèi)部汽化壓為激光聚焦于組織內(nèi)部引起汽化時(shí)存在的壓強(qiáng)。織內(nèi)部引起汽化時(shí)存在的壓強(qiáng)。 ( (四四) ) 光致化學(xué)作用光致化學(xué)作用 1 1）定義：激光與生物組織相互作用）定義：激光與生物組織相互作用時(shí)，可直接引起化學(xué)反應(yīng)，這種作時(shí)，可直接引起化學(xué)反應(yīng)，這種作用稱為光致化學(xué)作用，簡(jiǎn)稱光化作用稱為光致化學(xué)作用，簡(jiǎn)稱光化作用用 2 2）

18、光化學(xué)吸收定律）光化學(xué)吸收定律 3 3）光化學(xué)量子定律）光化學(xué)量子定律 4 4）光化反應(yīng)的類型）光化反應(yīng)的類型光化學(xué)吸收定律光化學(xué)吸收定律 表述表述 ：（又稱光化學(xué)第一定律）只有：（又稱光化學(xué)第一定律）只有 被分子吸收的光子，才能在系統(tǒng)中導(dǎo)致被分子吸收的光子，才能在系統(tǒng)中導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 推論推論 ：光化學(xué)反應(yīng)具有波長(zhǎng)選擇性。：光化學(xué)反應(yīng)具有波長(zhǎng)選擇性。 光化學(xué)量子定律光化學(xué)量子定律 表述表述：（：（ 又稱光化學(xué)第二定律）在任何光又稱光化學(xué)第二定律）在任何光化反應(yīng)中，每個(gè)光子只和一個(gè)分子（離子化反應(yīng)中，每個(gè)光子只和一個(gè)分子（離子或原子）反應(yīng)。或原子）反應(yīng)。 推論推論 ：對(duì)于確定波長(zhǎng)的激光，

19、其光化效應(yīng)：對(duì)于確定波長(zhǎng)的激光，其光化效應(yīng)只決定于光的總能量，而不決定于光的功只決定于光的總能量，而不決定于光的功率。率。 （E=P t） 注意：實(shí)際上激光生物效應(yīng)是有功率閾值注意：實(shí)際上激光生物效應(yīng)是有功率閾值的，不完全相同。的，不完全相同。 光化反應(yīng)的類型光化反應(yīng)的類型 主要有四種類型：主要有四種類型： 1 1）光致分解）光致分解 2 2）光致氧化）光致氧化 HCHOHCHOOO2 22CO2COCOCO2 2HH2 2OOHC00HHC00H 3 3）光致聚合）光致聚合 4 4）光致敏化）光致敏化 （X X，Y Y，S S）（X X，P P，S S） 光動(dòng)力學(xué)作用光動(dòng)力學(xué)作用（photo

20、dynamic effectphotodynamic effect） 激光醫(yī)學(xué)中的光敏化反應(yīng)一般指需要分子激光醫(yī)學(xué)中的光敏化反應(yīng)一般指需要分子氧參與的光敏化反應(yīng)。氧參與的光敏化反應(yīng)。 此類光敏化反應(yīng)稱此類光敏化反應(yīng)稱為光動(dòng)力學(xué)作用。為光動(dòng)力學(xué)作用。 光動(dòng)力學(xué)作用需三個(gè)基本條件：光動(dòng)力學(xué)作用需三個(gè)基本條件： 即光、氧、敏化劑即光、氧、敏化劑 血卟啉衍生物（血卟啉衍生物（hemotoporphyrin derivativehemotoporphyrin derivative， HpDHpD） ( (五五) ) 弱激光的生物刺激作用弱激光的生物刺激作用主要有三個(gè)方面：主要有三個(gè)方面：對(duì)血液系統(tǒng)的作用對(duì)血液系統(tǒng)的作用 對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用 對(duì)淋巴系統(tǒng)的作用對(duì)淋巴系統(tǒng)的作用 對(duì)血液系統(tǒng)的作用對(duì)血液系統(tǒng)的作用 對(duì)血液的有形成分（白細(xì)胞對(duì)血液的有形成分（白細(xì)胞white white cellcell、紅細(xì)胞、紅細(xì)胞 red cellred cell、血小板）和無形、血小板）和無形成分（血漿中的葡萄糖