激光的生物学作用基础

2006/5/13/16:23来源:杭州敢先科技有限公司

  目前认为激光生物学作用的生物物理学基础主要虽光效应、电磁场效应、热效应、压力与冲击波效应。

  (一)光效应
 
  激光照射生物组织所引起的光效应中主要决定于组织对于不同波长激光的透过系数(T)和吸收系数(A)。不同的组织及组织中的不同物质对于不同波长的激光的透过系数和吸收系数是不同的,对组织的光效应大小由T与A的乘积决定。T·A的积愈大,则此种激光对该组织的光效应也愈大,例如:用于视网膜凝固,波长为6943的红宝石激光作用于视网膜时,T·A=71%,这个数值比较大,故光凝固效果好,但对视网膜乃是波长为5750的激光的T与A的乘积最大,即光效应最佳。


  组织吸收了激光的量子之后可产生光化学反应、光电效应、电子跃迁、继发其它波长的辐射(如荧光)、热能、自由基、细胞超微发光(生物化学发光、系自由基重新结合时释放出来的),可造成组织分解和电离,最终影响受照射组织的结构和功能,甚至导致损伤。

  光化学反应在光效应中有重要的作用,普通光所引起的各种类型的光化学反应,激光也都可引起。

  激光作用于活组织的光效应大小,除激光本身的各种性能外,组织的着色程度或称感光体(色素)的类型起着重要的作用,互补色或近互补色的作用效果最明显。不同颜色的皮肤,不同颜色的脏器或组织结构对激光的吸收可有显著差异。

  在医疗和基础研究中,为增强激光对组织的光效应,可采用局部染色法,并充分利用互补色作用最佳这一特点。另一方面,也可利用此法限制和减少组织对激光的吸收。

 (二)热效应

  激光的本质是电磁波,若其传播的频率与组织分子等的振动频率相等或相近,就将增强其振动,这种分子振动即产生热的机理,故也称热振动。在一定的条件下作用于组织的激光能量多转变为热能,故热效应是激光对组织作用的重要因素。分子热运动波长主要表现在红外线波段附近,因此二氧化碳激光器输出的红外激光对组织的热作用甚强烈,一定类型和功率的激光照射生物组织时,在几毫秒内可产生200~1000℃以上的高温,这是因为激光,特别是聚焦激光能够在微细的光束内集中极大的能量,例如:数十焦耳的红宝石激光或喜A激光聚焦于组织微区,能在数毫秒内使该区产生数百度的高温,以致破坏该部位的蛋白质,造成烧伤或气化,而数十焦耳的普通光是根本无此作用的。此外,还发现激光引起的升温,当停止照射后,其下降的速度比任何方式引起的升温下降速度慢,例如:数十焦耳红宝石或喜A脉冲激光引起的升温要下降到原正常温度,约需数十分钟。

 (三)压强效应

  当一束光辐射到某一物体时,在物体上产生辐射压力,激光比普通光的辐射压力强的多。若焦点处的能量密度为108瓦/平方厘米,其压力为40克/平方厘米;当激光束聚焦到0.2毫米以下的光点时,压力可达200克/平方厘米;用107瓦巨脉冲红宝石激光照射人体或动物的皮肤标本时,产生的压力实际测定为175.8公斤/平方厘米。

  当激光束照射活组织时,由于单位面积上的压力很大,故活体组织表面的压力传入到组织内部,即组织上辐射的部分激光的能量变为机械压缩波,出现压力梯度。如果激光束压力大到能使照射的组织表面粒子蒸发的程度,则喷出活组织粒子,并导致同喷出的粒子运动方向相反的机械脉冲波(反冲击)——冲击波出现,这种冲击波可使活组织逐层喷出不同数量的粒子,最后形成圆锥形“火山口”状的空陷。

  除上述由于强大的辐射压引起的反冲击压而形成的冲击波外,组织的热膨胀也可能产生冲击波。由于在短时间内(毫秒或更短)温度急剧上升,瞬间释放出来的热来不及扩散,因而产生加速的体热膨胀,例如:用60焦耳的红宝石激光照射小鼠腹壁,在几毫秒内腹壁形成半圆形突起,此即被照射的皮下组织处产生了爆炸性的体热膨胀。

  因体热膨胀而在组织内形成的压力以及反冲压,都可产生弹性波向其它部位传播,最初是形成超声波,逐渐因减速而变为声波,进而变为亚声波形式的机械波,最后停止传播。

  在组织的微腔液体层内,因超声波听传播同时可出现空穴现象,因空穴的积聚可造成明显的组织塌陷现象,有时又可产生数值较大的压缩冲击波,这一系列的反应均可造成损伤。

  弹性波对组织的影响可远离受照射的部位,例如:用极微弱的红宝石激光照射人和动物的眼部时,在头皮层均可记录到声波和超声波。

  在强激光束造成的极强的电场中,组织的电致伸缩现象也可产生冲击波和其它弹性波。

 (四)电磁场效应 

  在一般强度的激光作用下,电磁场效应不明显;只有当激光强度级大时,电磁场效应才较明显。将激光聚焦后,焦点上的光能量密度达106瓦/平方厘米时,相当于105伏/平方厘米的电场强度。电磁场效应可引起或改变生物组织分子及原子的量子化运动,可使体内的原子、分子、分子集团等产生激励、振荡、热效应、电离,对生化反应有催化作用,生成自由基,破坏细胞,改变组织的电化学特性等;激光照射后究竟引起哪一种或哪几种反应,与其频率和剂量有重要的关系,例如:电场强度只有高到1010伏/厘米以上时,才能形成自由基。激光照射肿瘤时,只是直接照射一部分组织,但对全部肿瘤可有良好的作用,其中可能的作用机理之一,有人认为就是电磁场作用的结果

  五、激光的治疗作用

  (一)激光的生物刺激和调节作用 

  激光与其它各种物理因子对组织器官直至机体的基本作用规律是相同的,即小剂量作用时具有刺激(加强)作用和调节作用。原则上不论使用哪一种激光均符合这一概念。以氦激光为例介绍如下:
小功率的氦氖激光照射具有明显的生物刺激作用和调节作用。目前认为:小功率的氦氖激光照射的治疗作用基础不是温热效应,而是光的生物化学反应。

  小功率的氦氖激光照射皮肤时,在光生物化学反应的基础上,可影响细胞膜的通透性,影响组织中一些酶的活性,如激化过氧化氢酶,进而可调节或增强代谢,可加强组织细胞中核糖核酸的合成和活性,加强蛋白质的合成;可使被照射的部位中糖原含量缯加;可使肝细胞线粒体合成三嵯佘眨TP)的功能增强。

  小功率的氦氖激光照射具有消炎、镇痛、脱敏、止痒、收敛、消肿、促进肉芽生长、加速伤口、溃疡、烧伤的愈合等作用。

  小功率的氦氖激光照射可使成纤维细胞的数目增加,因而增加胶原的形成,可加快血管的新生和新生细胞的繁殖过程,基于其对代谢和组织修复过程的良好影响,可促进伤口愈合,加快再植皮瓣生长,促进断离神经再生,加速管状骨骨折愈合,促进毛发生长等。

  小功率的氦氖激光照射不能直接杀灭细菌,但可加强机体的细胞和体液免疫机能,如可加强白细胞的吞噬功能,可使淌细胞增加或增强巨噬细胞的活性,可使γ-球蛋白及补体滴度增加;此外,微生物检查发现:激光照射可改变伤口部葡萄球菌对抗菌素的敏感性。

  小功率的氦氖激光照射可影响内分泌腺的功能,如加强甲状腺、肾上腺等的功能,因而可调节整个体内的代谢过程;此外,并可引起周围血液和凝血系列的改变,其基本规律是具有调节作用。

  小功率氦氖激光照射可改善全身状况,调节一些系统和器官的功能。用小功率的氦氖激光照射氏粘膜或皮肤溃疡面,神经节段部位,交感神经节、穴位等不同部位,与某些局部症状改善的同时,可出现全身症状的改善,如精神好转、全身乏力减轻、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉减慢等。据报导:高血压患者经氦氖激光照射治疗后,不仅可使血压降低,一疗程照射后还可使血液的凝固性降低,使血清中总蛋白的含量升高,血浆及红细胞内钾的含量升高。此外,据动物实验:用1.5mw的氦氖激光照射兔或狗的皮肤,对全身代谢有刺激作用;用1~1.5mw的氦氖激光照射兔眼,可引起全身性的血液动力学变化。

  小剂量氛氖激光多次照射过程中可有累积效应,在临床工作中我们体会到:在激光照射的前两次往往不出现效果,而在三、四次照射后即可出现疗效,因此要呈现激光照射的疗效,需经过一定作用的累积过程。当然,也有一次照射后即出现疗效的情况,但这往往是局部症状的改善。


  小功率的氛氖激光多次照射的生物学作用和治疗作用具有抛物线特性,即在照射剂量不变的条件下,机体的反应从第3~4天起逐渐增强,至第10~17天达到最大的限度,此后,作用效果逐渐减弱,若继续照射下去,到一定的次数后可出现抑制作用。根据上述的基本规律,我们认为,小功率的氦氖激光照射同一部位的次数,在一般情况下不宜超过12~15次,如需作第二疗程照射,则两疗程应有两周左右的间距。

  对于小功率的氦氖激光的生物学作用机理,有人用Гурвич所提出的生物场的理论来解释,即机体的各项组织与器官之间除了神经控制和体液调节,还包含有复杂的能量关系,细胞和组织被生物场所包围,各种内外环境的不利因素可以破坏这种能量关系,导致病理过程的产生和发展。在1923的Гурвич的实验研究发现:细胞丝状分裂期所辐射的极微弱的紫外线(现今可以用光子计数器记录下来),可以刺激其它细胞的分裂,并认为这就是生物场存在的一个证明。西方学者的研究也证实了这一点
















 

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