激光治療的物理學(xué)機(jī)制研究

【摘要】從物理學(xué)的觀點(diǎn)探討了激光對生物體的作用機(jī)制，為激光治療的臨床應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】激光；熱作用；光化作用

激光是由人造激光器產(chǎn)生的一種受激輻射放大而產(chǎn)生的光。自1961年激光產(chǎn)生后就被用于治療疾病。激光治療使機(jī)體產(chǎn)生臨床變化的物理學(xué)機(jī)制通常分為熱作用、壓強(qiáng)作用、光化作用、強(qiáng)電磁場作用及刺激作用。

1熱作用

生物組織受激光照射后，吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升高的現(xiàn)象稱為激光的熱作用。可見激光和紫外激光等強(qiáng)激光光子能量大，照射生物組織時(shí)，生物分子吸收光子能量，電子向高能態(tài)躍遷。躍遷至激發(fā)態(tài)的電子重新向基態(tài)躍遷時(shí)將釋放能量，釋放的能量轉(zhuǎn)化為熱能使其周圍分子熱運(yùn)動(dòng)加劇、溫度升高，這一過程稱為間接生熱。臨床上利用強(qiáng)激光熱效應(yīng)來清除疣、痣等各種皮膚贅生物，或用于凝固出血點(diǎn)、封閉破孔等。

紅外激光等弱激光光子能量小，照射生物組織時(shí)，光子被生物組織吸收而使內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，溫度升高，這一過程稱為直接生熱。弱激光的熱效應(yīng)可以促使血管擴(kuò)張，血液流動(dòng)加強(qiáng)，從而改善生物組織局部營養(yǎng)狀態(tài)，促進(jìn)傷口和潰瘍愈合，或起到鎮(zhèn)痛和緩解肌肉痙攣等作用。

激光熱效應(yīng)具體表現(xiàn)為哪種形式，一方面取決于激光的輸出參數(shù)、作用時(shí)間，另一方面取決于生物組織的光學(xué)、熱學(xué)特性等諸多因素。經(jīng)大量實(shí)踐證明生物組織受照部位的溫升與激光的能量密度呈正相關(guān)比例關(guān)系，與輻射時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系。對于生物組織來說短時(shí)、高溫和長時(shí)、低溫都可造成組織破壞。

如果曝光持續(xù)時(shí)間短于1秒，溫度即使升高到70℃，組織依然可以耐受。若曝光持續(xù)時(shí)間超過10秒，溫升至58℃，組織就會(huì)破壞，持續(xù)時(shí)間超過1分鐘時(shí)，組織溫度即使只有45℃，也會(huì)引起細(xì)胞蛋白質(zhì)變性，造成細(xì)胞損傷。當(dāng)皮膚吸收超過安全閾值的激光能量后，受照部位的皮膚將隨劑量的增大而依次出現(xiàn)熱致紅斑、水泡、凝固及熱致炭化、沸騰，燃燒及熱致汽化。激光的熱效應(yīng)以及生物組織的熱特性是實(shí)用激光治療的重要條件之一。[1]

2壓強(qiáng)作用

激光的壓強(qiáng)作用是指激光照射生物組織后，直接或間接產(chǎn)生的對組織的壓強(qiáng)作用。激光光子與生物組織作用，產(chǎn)生直接壓強(qiáng)或一次壓強(qiáng)較，小在激光治療的應(yīng)用不大。生物組織吸收強(qiáng)激光造成的熱膨脹和相變以及沖擊波、超聲波、電致伸縮等引起的壓強(qiáng)，叫二次壓強(qiáng)。激光的二次壓強(qiáng)較大，一般比一次壓強(qiáng)大6-7個(gè)數(shù)量級。據(jù)戈?duì)柕侣芯棵}沖時(shí)程50毫微秒的Q開關(guān)激光產(chǎn)生的沖擊波壓力，可大于10個(gè)大氣壓。由激光導(dǎo)致的生物細(xì)胞的壓強(qiáng)的變化可以改變生物細(xì)胞、組織的形狀，使得生物細(xì)胞、組織內(nèi)部或之間產(chǎn)生機(jī)械力，從而對生物細(xì)胞、組織產(chǎn)生巨大的影響。激光的壓強(qiáng)作用已被用于在眼睛上房角處打孔，以溝通房水，降低眼壓，治療青光眼，治療后發(fā)性白內(nèi)障和玻璃體出血后形成的機(jī)化索條等，其次還應(yīng)用于激光手術(shù)刀、激光近視手術(shù)等。

3強(qiáng)電磁場作用

激光是電磁波，而生物體作為介質(zhì)具有電導(dǎo)和電容，在激光強(qiáng)電場作用下會(huì)發(fā)生一些變化，如電致伸縮效應(yīng)，這種效應(yīng)可使生物組織產(chǎn)生點(diǎn)致伸縮壓和超聲波，從而引起細(xì)胞破裂或發(fā)生水腫。另外，激光的強(qiáng)電場會(huì)使生物組織產(chǎn)生極化形成等效偶極子，而偶極子的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生對生物體作用的高次諧波，如調(diào)Q激光和鎖模激光與生物體作用時(shí)，會(huì)在組織內(nèi)產(chǎn)生106-109V/cm的高強(qiáng)電場，使組織中產(chǎn)生光學(xué)謝振波、等離子體、受激布里淵散射、受激拉曼散射等，導(dǎo)致生物組織電系統(tǒng)的重新分布，使無序的生物分子發(fā)生電離、極化等，最后趨于有序。有資料表明，電磁場使細(xì)胞膜表面蛋白質(zhì)分子產(chǎn)生電泳作用，改變膜表面的電荷分布，調(diào)節(jié)受、配體結(jié)合，激活信號傳導(dǎo)系統(tǒng)最終導(dǎo)致細(xì)胞生命活動(dòng)的改變[2]。

4光化作用

生物光化學(xué)作用就是當(dāng)激光照射生物組織時(shí)，生物大分子吸收了激光光子的能量，受激躍遷到激發(fā)態(tài)。在它從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)而又不返回其原來分子能量狀態(tài)的弛豫過程中，多余的能量消耗在它自身的化學(xué)鍵斷裂或形成新鍵上，其發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)即為原初光化學(xué)反應(yīng)。在原初光化學(xué)反應(yīng)過程中形成的產(chǎn)物，大多數(shù)極不穩(wěn)定，它們繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直至形成穩(wěn)定的產(chǎn)物，這種光化反應(yīng)稱為繼發(fā)光化反應(yīng)，前后兩種反應(yīng)組成了一個(gè)完整的光化反應(yīng)過程，這一過程大致可分為光致分解、光致異構(gòu)、光致氧化、光致聚合及光致敏化四種主要類型。[3]光致異構(gòu)化作用將使核酸和蛋白質(zhì)變性，使酶失去活性；光解作用的結(jié)果產(chǎn)生自由基等活性物質(zhì)；光致敏化是指生物系統(tǒng)中所特有的由光引起的，在敏化劑參與下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，包括光動(dòng)力作用和一般光敏化作用。其中敏化劑能有選擇地長時(shí)間集中于體內(nèi)腫瘤病變組織，并在適當(dāng)波長的激光照射下發(fā)生光致敏化反應(yīng)。因此，光致敏化對腫瘤癌癥的治療具有重要的意義，激光-血卟啉光動(dòng)力學(xué)治療就是最典型的應(yīng)用。

5刺激作用

生物刺激作用主要指弱激光的作用。在醫(yī)學(xué)上，弱激光是指功率較小，照射生物組織后不會(huì)直接造成不可逆性損傷的激光。它和很多生物刺激作用相類似，如超聲波、針刺、針灸和熱的物理因子，這種生物效應(yīng)是低功率激光作用的結(jié)果，無法用熱作用、機(jī)械作用、光化學(xué)作用和電磁場作用解釋。

目前研究發(fā)現(xiàn)它對生物分子、細(xì)胞、細(xì)菌和微生物都有作用。一般能量密度小時(shí)起興奮作用，能量密度大時(shí)起抑制作用。同時(shí)刺激作用有累積效果，最總效果決定于總劑量，刺激作用強(qiáng)弱與刺激次數(shù)（等間隔、等劑量）的關(guān)系呈拋物線特征。

激光是一種刺激源，生物體對這種刺激的應(yīng)答反應(yīng)可能是興奮，也可能是抑制。目前已知弱激光照射可以影響機(jī)體的免疫功能，其刺激作用可以促進(jìn)受傷神經(jīng)組織再生，引起神經(jīng)功能變化；弱激光還對白細(xì)胞的噬菌作用、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、血紅蛋白的合成、糜蛋白酶的活性、細(xì)菌生長、創(chuàng)傷愈合、毛發(fā)生長等等，都具有一定的促進(jìn)或抑制作用。

6結(jié)束語

激光的各項(xiàng)作用是相互聯(lián)系、不完全分割的，激光治療經(jīng)常是多項(xiàng)作用綜合的結(jié)果。激光治療的物理學(xué)原理還有待進(jìn)一步研究，從而為開發(fā)更多、更好的激光醫(yī)學(xué)治療方法提供理論及實(shí)踐的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉普和.激光生物學(xué)作用機(jī)制.北京：科學(xué)出版社，1989.

[2]李剛，賈方榮，林凌，萬里.不同物理因子對紅細(xì)胞作用的研究現(xiàn)狀與展望，中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2007，24（3）：205-209.

[3]徐國祥.激光醫(yī)學(xué).廣州：廣東教育出版社，1987.