关于激光的生物学效应介绍

[拼音]：jiguang de shengwuxue xiaoying

[外文]：biological effects of laser

激光作用于生物组织后产生热、压力、光化和电磁场等的现象。激光是一种电磁波，具有平行性好、强度高、单色性和相干性好等特点。激光的生物学效应与其波长、强度和生物组织受照射部位对激光的反射、吸收及热传导特性等因素有关。生物组织内的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。

热效应

可见和红外光谱区的长脉冲（脉冲宽为毫秒级）及连续波激光，作用于生物组织时，引起生物物质变化的主要机制是产热。生物组织吸收激光辐射后，温度升高；当组织中温度超过45°C，并且持续时间超过1分钟时，就会引起细胞蛋白质变性，使细胞损伤。热效应与曝光范围和持续时间关系密切。

亨利克斯和莫里茨的研究，给出了激光辐照引起组织破坏的时间-温度关系曲线(见图)。辐照时间和受照部位温升按指数函数变化。短时、高温和长时、低温都可造成组织破坏。如果曝光持续时间短于 1秒，温度即使升高到70°C，组织依然可以耐受。若曝光持续时间超过 10秒，温升只到58°C，组织就会破坏。热效应是激光致伤的最重要因素。激光损伤区与正常组织的界缘十分清楚，这是由于激光脉冲时程短，生物组织的导热性差，瞬间放热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照后，由于继发变化，如炎症、出血、再生等，会使原初清楚的损伤界缘逐渐变得模糊。

压力效应

普通光的光压是微不足道的，然而聚焦激光束焦点上的能量密度达到 1012兆瓦/厘米2时带来的压力约为40克/厘米2，这将给生物组织造成相当可观的一次压力作用。聚焦激光束焦点上的能量，在短时间转换成热能，同时伴随有受照射面上物质的蒸发，组织热膨胀和组织液从液相到气相的相变等现象。这些物理变化产生的压力作用，称为二次压力作用。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动，在组织中产生空穴现象，引起组织破坏。戈尔德曼指出：脉冲时程 50毫微秒的Q开关激光产生的冲击波压力，可大于106个大气压。实际上，激光热效应影响范围十分局限，而由压力效应引起的组织损伤，则可波及到远离受照区的部位。例如，用红宝石激光照射小鼠头部时，发现头皮轻度损伤，颅骨和大脑硬膜并无损伤，而大脑本身却大面积出血，甚至造成死亡。

光化效应

生物组织具有一定的着色度，能选择性地吸收 300～1000纳米光谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血红蛋白、胡萝卜素、铁质等，其中黑色素对激光能量的吸收最大。还原血红蛋白在556纳米，氧合血红蛋白在415、542、575纳米处有清楚的吸收带，胡萝卜素吸收带在480纳米处，黑色素和类黑色素在400～450 纳米波段吸收最强。无论是正常细胞还是肿瘤细胞，在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒，它们吸收激光能量使能量在色素颗粒上积聚而成为一个热源，其能量向周围传导和扩散，从而引起周围组织细胞损伤。

组织细胞成分对激光的透明度是相对的，如朗兹等证明还原型烟酰胺腺嘌呤核酸 (NAD-啹)对波长694.3纳米的红宝石激光是透明的，但它能吸收波长为330～350纳米的紫外线。当红宝石激光束作用于 NAD－啹的浓溶液时，便出现吸收。生物大分子在可见光谱有宽而强的吸收带，因而强激光辐射与生物物质作用时有一定几率的多光子吸收现象。生物分子吸收光子后可被激发，其能量或者转化为热，或者部分以磷光或荧光的形式再辐射出来，或者把能量用以加速化学反应。

用波长约为 630纳米的激光照射与光敏药物（如血卟啉衍生物-HPD）相结合治疗恶性肿瘤，称为光敏动力学治疗。即给患者注射 HPD，在48～96小时期间，癌细胞滞留较多的HPD，这时在肿瘤部位作激光直接照射，可杀伤癌细胞，这种效应称为光敏效应。一般当恶性肿瘤细胞比正常细胞吸收更多量的激光时，就可运用激光照射产生有选择性的破坏。

电磁场效应

聚焦激光束在焦点上的激光功率密度达到1012兆瓦／厘米2时，相当于105伏／厘米2的电场强度，可在焦点部位上引起组织离化。现在，Q开关脉冲激光器的功率输出远远大于这个数量级。强电磁场与生物分子的直接作用会产生激发、振动、热和自由基等效应，从而引起组织损伤。用电子自旋共振可测得激光束辐照黑色皮肤和黑瘤等组织所产生的自由基。

由于激光的特殊性质，生物学研究和医学应用中已在多方面采用了激光技术。如利用闪光光解和喇曼光谱研究生物快速反应过程及复杂分子的结构，利用激光刀在外科手术中切剖组织和凝结小血管及神经等。