激光與生物組織光熱效應的國外研究進展

夏文財

摘 要 激光是一種電磁波，當它傳播的頻率和生物組織分子的振動頻率相等或者相近時，就會增強它的振動，這種分子振動就是產(chǎn)生熱的機理，也被稱為熱振動。本文簡要介紹了激光與生物組織光熱效應的發(fā)展。

關鍵詞 激光 生物組織 熱效應

激光作用于生物組織時產(chǎn)生的各種效應是激光在軍事、醫(yī)學等多個領域應用的基礎。激光輻照生物組織時，由于生物組織在結構上和組成成分上的復雜性以及激光各項參數(shù)的變化，將導致其相互作用機理發(fā)生改變，激光輻照生物組織產(chǎn)生的各種效應可分為：光化學作用、光熱作用、光蝕除、等離子體誘導蝕除以及光致破裂五類。

激光與生物組織的光熱效應首先應用于醫(yī)學領域，1961年Zaret等人，隨后Cambell等人（1963年）相繼對使視網(wǎng)膜脫落的激光焊接技術進行研究，并且很快將研究成果應用于臨床患者的治療上，并得到了令人意想不到的驚喜。目前，激光矯正視力已經(jīng)在臨床上取得了顯著療效。目前，利用激光對生物組織的光熱效應來破壞和治療腫瘤的一項新技術引起了廣大學者的興趣，該技術可在不對人體造成物理損傷的前提下，破壞腫瘤組織而不對周圍正常組織造成任何影響，該技術首先在英國得到了臨床應用，并取得了成功。隨著社會的進步和人民生活水平的提高，人們對將激光與皮膚組織的光熱效應運用于美容的愿望也越來越迫切，Anderson RR博士在1983年、Cain CL博士在1989年、Bitter PH博士在1995年、Zelickson博士在1999年相繼進行了將激光與皮膚組織的光熱效應應用于激光美容的理論與實驗研究，并提出了選擇性光熱解理論，成功的將激光除皺、光子嫩膚等技術運用于臨床治療上。

目前，激光與生物組織光熱效應的研究主要從兩方面展開：一是組織光學，指生物組織中光子的運動規(guī)律，不同生物組織對光子運動的影響，它是在光學、生物學、解剖學和生命科學等學科的基礎上發(fā)展起來的一個新興學科，該學科從誕生就表現(xiàn)出了強大的生命力。二是生物熱學的熱傳導理論。隨著激光與生物組織的光熱效應在醫(yī)學領域和軍事領域的應用越來越廣泛，發(fā)揮的作用越來越重要，促使越來越多的學者參與到該領域的研究中。首先人們對得到光能量在生物組織中的定量分布越來越迫切，促使世界各國大量的學者開展了對光子在組織中的運動規(guī)律和光子在組織中分布的定量研究，并通過建立數(shù)學模型模擬了光子在組織中的運動規(guī)律，其中運用最廣泛、模擬結果最符合實際的是蒙特卡羅（Monte-Carlo）法，通過仿真計算和實驗測量得到了不同波長的激光輻照各類生物組織的光學參數(shù)，然后以此為出發(fā)點，對激光輻照后組織中的光分布進行了定量描述，得到了生物組織中的熱分布，進而取得了許多重要的研究成果。

由于激光與生物組織光熱效應的重要性和應用前景逐漸被世人所認識，國際上越來越多的科研機構和院所在該領域展開了研究，著名的有：美國的Univ. of Texas/Austin，俄羅斯的Saratov State Univ等單位。國外對激光輻照生物組織產(chǎn)生的光熱效應已經(jīng)有了一定的研究，在組織光學領域取得的成績主要有：Prahl提供了用蒙特卡羅方法模擬光子在生物組織中傳輸?shù)牧鞒膛c計算方法，為后繼學者提供了方便。Scott A. Prahl在上世紀七十年代，M. S. Patterson在1989年，R. A. Bolt在1993年先后展開對生物組織光學特性的研究，通過使用組織模擬液對組織的各項光學參數(shù)進行了研究和測量，并將實驗測量的光學參數(shù)與蒙特卡羅模擬結果進行比較。Judith R. Mourant通過使用光纖傳感器實驗測量了組織表面的光分布情況，對激光波長變化時，組織的光學參數(shù)及組織表面光分布的變化情況進行了深入研究。A. Kienle通過使用蒙特卡羅方法，對光子在多層介質中的傳播與光分布情況進行了仿真研究，并通過實驗測量光子在組織模擬液中的分布，驗證了該方法的有效性及合理性。N.Ghosh通過研究發(fā)現(xiàn)光子在正常組織與癌變組織中的光分布及光學性質有著較大的差異。

在熱傳導領域取得的成績主要有：德國科學家Markolf H. Niemz對激光與生物組織相互作用的原理進行了詳細的介紹。Sohi Rastegar對激光輻照組織時，組織的光學性質對光分布與熱力學過程的影響進行研究。激光輻照生物組織的物理過程在A. L McKenzie的綜述文章中進行詳細介紹。J Grezee對灌注組織的熱平衡理論進行深入研究。C. Sturesson對激光輻照時組織的溫度場分布的數(shù)學模型進行研究，并結合光動力學療法（Photodynamic Therapy，PDT療法），在考慮對流等因素的影響下，利用顯式有限差分方法數(shù)值計算熱傳輸方程，得出生物組織的溫度分布。以色列科學家Bernard Lobel通過紅外溫度傳感器對生物組織進行測溫，將組織內的溫度測量結果傳給電腦，而后通過電腦對激光輸出的能量大小進行調節(jié)，進而對激光手術進行控制的方法，對溫度控制CO2激光焊接軟組織進行了理論和實驗研究，實驗表明：可將組織的溫度控制在55℃€？.5℃范圍內，最佳治療溫度會因輻照組織不同而改變，同時指出激光的波長、輸出功率與輻照時間的定量選擇上還需要進一步的分析。

在生物組織熱損傷領域：Ramtin Agah、Beop-Min Kim、Dan Zhu、Megumi N Iizuka和Karen M. McNally等人定量研究了生物組織吸收系數(shù)、散射系數(shù)及灌注率隨熱損傷變化而改變時，激光輻照下生物組織的熱效應。N. Ghosh，S. K. Mohanty等學者通過研究發(fā)現(xiàn)組織光學性質的變化與組織的熱損傷程度有很大關系，可通過測量組織的光學參數(shù)來確定組織的熱損傷情況；Paithankar則對組織的熱損傷程度的評估進行了深入研究。

參考文獻

[1] 趙瑾瑜.激光超聲引起血紅蛋白配合物光解反應和生物組織熱效應研究[D].南京大學，2016.

[2] 李樂樂.離體生物組織激光焊接工藝試驗研究[D].南京理工大學，2016.