激光治療的物理學機制研究

【摘要】從物理學的觀點探討了激光對生物體的作用機制，為激光治療的臨床應用提供了一定的依據。

【關鍵詞】激光；熱作用；光化作用

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

1熱作用

生物組織受激光照射后，吸收的光能轉化為熱能，溫度升高的現象稱為激光的熱作用。可見激光和紫外激光等強激光光子能量大，照射生物組織時，生物分子吸收光子能量，電子向高能態躍遷。躍遷至激發態的電子重新向基態躍遷時將釋放能量，釋放的能量轉化為熱能使其周圍分子熱運動加劇、溫度升高，這一過程稱為間接生熱。臨床上利用強激光熱效應來清除疣、痣等各種皮膚贅生物，或用于凝固出血點、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，光子被生物組織吸收而使內部分子熱運動加劇，溫度升高，這一過程稱為直接生熱。弱激光的熱效應可以促使血管擴張，血液流動加強，從而改善生物組織局部營養狀態，促進傷口和潰瘍愈合，或起到鎮痛和緩解肌肉痙攣等作用。

激光熱效應具體表現為哪種形式，一方面取決于激光的輸出參數、作用時間，另一方面取決于生物組織的光學、熱學特性等諸多因素。經大量實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比例關系，與輻射時間呈指數關系。對于生物組織來說短時、高溫和長時、低溫都可造成組織破壞。

如果曝光持續時間短于1秒，溫度即使升高到70℃，組織依然可以耐受。若曝光持續時間超過10秒，溫升至58℃，組織就會破壞，持續時間超過1分鐘時，組織溫度即使只有45℃，也會引起細胞蛋白質變性，造成細胞損傷。當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。激光的熱效應以及生物組織的熱特性是實用激光治療的重要條件之一。[1]

2壓強作用

激光的壓強作用是指激光照射生物組織后，直接或間接產生的對組織的壓強作用。激光光子與生物組織作用，產生直接壓強或一次壓強較，小在激光治療的應用不大。生物組織吸收強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，叫二次壓強。激光的二次壓強較大，一般比一次壓強大6-7個數量級。據戈爾德曼研究脈沖時程50毫微秒的Q開關激光產生的沖擊波壓力，可大于10個大氣壓。由激光導致的生物細胞的壓強的變化可以改變生物細胞、組織的形狀，使得生物細胞、組織內部或之間產生機械力，從而對生物細胞、組織產生巨大的影響。激光的壓強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，治療后發性白內障和玻璃體出血后形成的機化索條等，其次還應用于激光手術刀、激光近視手術等。

3強電磁場作用

激光是電磁波，而生物體作為介質具有電導和電容，在激光強電場作用下會發生一些變化，如電致伸縮效應，這種效應可使生物組織產生點致伸縮壓和超聲波，從而引起細胞破裂或發生水腫。另外，激光的強電場會使生物組織產生極化形成等效偶極子，而偶極子的振動會產生對生物體作用的高次諧波，如調Q激光和鎖模激光與生物體作用時，會在組織內產生106-109V/cm的高強電場，使組織中產生光學謝振波、等離子體、受激布里淵散射、受激拉曼散射等，導致生物組織電系統的重新分布，使無序的生物分子發生電離、極化等，最后趨于有序。有資料表明，電磁場使細胞膜表面蛋白質分子產生電泳作用，改變膜表面的電荷分布，調節受、配體結合，激活信號傳導系統最終導致細胞生命活動的改變[2]。

4光化作用

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

5刺激作用

生物刺激作用主要指弱激光的作用。在醫學上，弱激光是指功率較小，照射生物組織后不會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，這種生物效應是低功率激光作用的結果，無法用熱作用、機械作用、光化學作用和電磁場作用解釋。

目前研究發現它對生物分子、細胞、細菌和微生物都有作用。一般能量密度小時起興奮作用，能量密度大時起抑制作用。同時刺激作用有累積效果，最總效果決定于總劑量，刺激作用強弱與刺激次數（等間隔、等劑量）的關系呈拋物線特征。

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

6結束語

激光的各項作用是相互聯系、不完全分割的，激光治療經常是多項作用綜合的結果。激光治療的物理學原理還有待進一步研究，從而為開發更多、更好的激光醫學治療方法提供理論及實踐的依據。

參考文獻

[1]劉普和.激光生物學作用機制.北京：科學出版社，1989.

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

[3]徐國祥.激光醫學.廣州：廣東教育出版社，1987.