一、激光的基础知识

激光和普通光都是一种电磁波，都具有光学的特性，但是两者发光的微观机制是截然不同的。普通光是“自发辐射”发光，而激光是“受激辐射”发光，要比自发辐射发光复杂得多。简言之，激光是原子、分子中处于高能级亚稳态的电子在入射光子的诱发下，引起大量电子由高能级向低能级跃迁而产生大量特征完全相同的电子而形成的。也就是说，激光是在外界光子的作用下，原子从激光态向低能级过渡发出光子的发光过程。激光广泛应用于工业、农业、军事、科研、热学等各个领域。激光在医学中的应用，始于20世纪60年代，1960年美国的梅曼（Maiman TH）制成了世界上第1台激光器——红宝石激光器。1961年开始应用红宝石激光器对家畜的视网膜进行焊接。从此拉开了激光医学的序幕。激光医学从1965年开始传入我国，1970年国产激光视网膜凝固器研制成功，并在上海交通大学附属第六人民医院临床应用。1973年，上海医科大学附属耳鼻喉科医院应用国产CO2激光器成功施行的外科手术，中山医科大学利用自制的CO2激光治疗机开展了在外科、五官科、妇科、皮肤科、理疗科、针灸科、肿瘤科等方面的治疗。1974年开始研制出了激光内镜系统。到70年代末，我国已拥有10余种常用医用激光器，能治疗250余种疾病，治疗百万余例病人。

（一）激光的特性

激光与普通光源的发光机制不同，因此，其具有普通光所不及的特点，正是这些特点，使之具有广泛而更大的用途。

1．方向性好 普通光源是自发辐射，每一点发出的光都是四面八方辐射的。采取一定的措施可使发出的光聚成一束射出，将这一束光照射在光屏上会得到一个光斑。屏距越远、光斑越大，说明此光束是散发的。光束的发散角大小，标志着光束方向性的好坏。激光光束只能沿着谐振腔轴线方向传播，发出的激光集中在一个很小的角（0．18°）范围内，几乎可看成是一个方向。

激光方向性好的特性，可用于定位、导向、测距等，并使远距离和天体间通信成为可能。激光望远镜、激光武器是我们常听到的激光产品。在医学上，利用激光方向性好的特性，经聚焦后可获得不同尺寸的光斑，分别用作普通手术刀和微手术刀，还可以进一步压缩光斑到0．1μm，直接对DNA等生物大分子进行切割或对接。

2．强度高 由于激光具有良好的方向性特点，且在空间和时间上的高度集中，使之能量高度集中在一个很小的角度内，因而产生很高的强度。一台红宝石原脉冲激光器，其辐射强度为1015 W／（sr．cm2），比太阳表面辐射亮度［3×102 W／（sr．cm2）］高达几万亿倍。激光能量可以集中到波长线度上，可让在10－15～10－12 s的时间内突然射出，因此能产生上亿度高温，上亿个大气压［1atm（大气压）＝101kPa］和上亿V／cm的电场。这种性能可有效地破坏生物体内的各种细胞。医学上用中等功率的激光切割组织和骨质，炭化和气化肿瘤、血栓、疣、痣等。

3．单色性 激光是受激辐射，已始诱发受激辐射的初始光子是来源于自发辐射中沿着谐振腔轴线方向运动的光子，一旦受激辐射发生，经光学谐振腔放大后，其频率与初始光子的完全相同。辐射的中心频只有一个，具有极窄的谱线宽度。

谱线宽度是衡量光源单色性好坏的标志，谱线宽度越窄，单色性就越好；反之亦然。普通光源中最好的单色光源是氪（Kr86）灯，辐射光的波长为605．7μm，中心频率为4．95×108 MHz，其谱线宽度为3．8×102 MHz，即4．7×10－4μm。单膜稳频气体激光器单色性最好，一般谱线宽度可达103～106 Hz，在采取最严格的稳频条件下，曾在He-Ne激光器中观察到2Hz的谱线宽率，换算为波长为2．7×10－12μm，其单色性比氪灯纯上亿倍。

激光器的单色性，以气体最好，固体次之，半导体最差。

用激光的单色性，可以精确地测量物体的长度。因此，国际计量组织决定“m”的长度用激光的波长来定义。激光的高单色性开辟了激光光纤通信、激光化学、激光拍频、纳米技术等一系列新方法和高科技。

4．相干性 频率相同、振动方向相同的两列波，相遇处（某点）位相差恒定，这样的两列波称为相干性。普通光源发光中心相互独立，没有恒定的位相差，不能作为相干光源。而激光是一种受激辐射，各发光中心是相互联系的，所产生的光可在较长时间内保持恒定的位相差，再加上其单色性好，所以激光具有很好的相干性。

光源的相干性可分为时间相干性和空间相干性。时间相干性用长度来衡量。即在一列传播的空间，同一点不同时刻的光振动（光波中的电场强度）之间的关联程度。光波的单色性越好，相干时间就越长，相干长度也就越长，时间相干性越好。激光的相干长度可达数百公里，而普通光源中单色性最好的氪光，相干长度也只有700mm；空间相干性用相干面积来量度。即在一列光波传播的空间不同的两点，同一时刻的光振动之间的关联程度。激光器的一定的振荡模式取出，具有很好的空间相干性。

激光有很好的相干性，使全息照相得以实现，并广泛应用于医学、生物学及其他领域。用激光相干性制造的激光衍射仪，可用来观察和分析细胞及生物组织的形态。

（二）激光的生物学效应

激光的生物学效应是指激光与生物组织间产生的效果和反应，激光的生物学效应是由许多复杂因素决定的。既与激光的性能有关，又与生物组织性质有关，还与作用的时间和方式有关。医学上主要利用激光的以下几个方面的生物效应。

1．热效应 热效应是指激光照射生物组织使组织温度升高所产生的效应。

热效应是通过吸收生热和碰撞生热形成的，在红外激光照射生物组织时，由于红外光子的能量小，被生物分子吸收后，不能产生电子能产生跃迁，只能转变为生物分子的振动能和转动能，即增强了生物分子的热运动，使照射处温度升高，这种生热称吸收生热；在可见和紫外激光照射生物组织时，由于可见光和紫外光光子的能量较大，被生物分子吸收后，分子由基态而跃迁到电子激发态，激发态分子具有高活泼性，很不稳定，可以通过与周围分子的碰撞，将多余的能量转换为周围分子动能，即加快了分子的热运动，使照射处组织温度升高，这种生热称碰撞生热。

决定热效应高低的因素与激光的类型、温升高低、作用时间有关。因为吸收生热比碰撞生热效率高，所以红外激光照射的热效率比可见和紫外激光高；从物理学的观点来看，对组织的热作用和温升，随激光能量的增加而上涨。例如，在软组织和皮肤上相继出现：热致红斑（≤45℃），热致凝固、热致沸腾（≤100℃），热致老化（300～400℃），热致燃烧（≥500℃），热致汽化（≥1 000℃）；热效应与作用的时间也密切关系。持续时间越短，则生物组织而感受的温度就越高，当温度很快恢复正常时，组织的生物疚可能会可逆的，这种现象称激光在生物组织中的热瞬变。例如，相当高的温度短暂照射可能大大降低某些酶的活性，但是当它们回到正常温度时，其原有活性可能性得到部分恢复。

根据热效应的不同，在临床上选择相应的激光。激光手术刀（如CO2激光刀）的刀口温度达数百度至上千度。组织的切开主要是利用组织水沸腾时，其汽化压强压，使组织分开，同时在边缘形成局部凝固或炭化；肿瘤切除是采用大能量激光，使肿瘤产生高温，利用高温故知新下热致汽化作用，使肿瘤组织直接汽化而被清除；利用激光凝固技术可用来焊接生物组织。如果用脉冲激光发射时间短，能迅速被视网膜色正弦波皮组织吸收，在很小的范围内组织温度上长，致使组织液体汽化而达到凝固的目的，使剥离的视网膜得到修复；利用激光的温热作用进行理疗，应用广泛，如He-Ne或CO2激光散焦照射治疗。

2．压强效应 压强效应应指激光对生物组织所产生的压力。激光的压强效应可分为一次压强和二次压强。一次压强是指激光照射生物组织时，对被照处的光压，即激光本身辐射压强，医用激光的一次压强很小，可忽略不计。二次压强，包括气流反冲压强、内部汽化压强、热致膨胀压强、电致伸缩压强、气流反冲压强，是指当激光照射生物组织产生热沸腾时，组织中的液体被汽化，被照射处有气流喷出，该处组织受到气流的反冲击力。内部汽化压强，是指若足够强的激光作用到生物组织内部，瞬间引起组织汽化，组织内产生气泡，气泡体积膨胀，对周围组织产生很大的瞬间压强；热致膨胀压强，是指当生物组织吸收激光而出现瞬间高热，急剧温高时，组织本身产生热膨胀，对周围组织的压力；电致伸缩压强，是指激光是电磁波，对被照组织产生电致伸缩性的压力。

根据激光压强效应，临床上可用汽化压强效应进行组织切开、打孔（如眼科房角打孔、晶状体打孔），利用热致膨胀压强效应消除面肿。

3．光化效应 生物大分子吸收激光光子的能量，产生受激原子、分子和自由基，引起机体内一系列化学反应就称光化效应。光化学反应分为两个过程：基态分子受光照射，吸收了光子的能量，使外层电子跃迁到高能级轨道时，分子自由基变为电子激发态，激光态分子与原来的基态分子性质有明显差异，处于激发态的分子可自身发生化学变化成为与其他物质分子发生化学变化前消耗多余的能量，这种化学过程称初级过程；初级过程中二产物（分子、原子或自由基）可进一步触发化学反应，这个过程称为次级过程。其结果生成最终的稳定产物。次级过程一般不需要光的参与。光对生物组织的光化效应的基础是初级过程。即有光参与的光化反应，随之是一些复杂的次级过程，即无光参与的暗反应。

光化效应可导致酶、氨基酸、蛋白质、核酸等降低活性或失活，产生相应的生物效应。如杀菌作用、红斑效应、色素沉着、维生素D合成等。临床上用激光血卟啉诊治肿瘤的原理就是光动力作用。血卟啉是一种光剂、静脉注入后被肿瘤细胞迅速吸收，并较长时间潴留在细胞质内，而正常细胞吸收后迅速排出。根据这一特点，用特定波长的光照射吸收了血卟啉的肿瘤，发生光动力作用，以治疗肿瘤。也可根据血卟啉发射的荧光来诊断肿瘤。

4．电磁场效应 激光既是光，又是电磁波。激光的热效应、压强效应、光化效应都是以粒子的形式与组织作用而形成的。电磁场效应是以电磁波作用产生的。①电致伸缩，即生物组织在电磁波的作用下发生电致的伸缩，光引起的电致伸缩又可产生超声波，而超声波的空化作用可使细胞破裂或发生水肿。②光学谐波，即激光作用于生物组织时，也会产生基频波，二次谐波，三次谐波，紫外光。红宝石激光作用在视网膜上所产生的二次、三次谐波所引起的主要作用是热损伤。因色素上皮能强烈地吸收这两种波长的光。蛋白质和核酸对紫外光有吸收峰，因而紫外光可使蛋白质和核酸变性。③受激喇曼散射和受激布里渊散射，即强激光作用于生物组织时，产生受激喇曼散射，各频率的散射光，均可引起生物组织的热效应，强度足够时，可损伤细胞。受激布里渊散射能产生于体液，对生物组织的利用结果是细胞损伤或破裂，因而引起水肿。

5．弱激光的刺激效应 临床上利用强激光以上4种生物学效应，目的是使生物组织操作、破坏。而弱激光对生物组织的作用是刺激作用。这种刺激作用可能是生物组织吸收的光子，获得的能量，发生理化反应或生物反应的结果，也可能是生物声的作用。例如，红宝石激光可增强白细胞吞噬作用，加强肠绒毛运动，促进血红蛋白合成等。He-Ne激光有刺激、止痛、消炎、再生、扩张血管的作用。在临床可用于治疗慢性溃疡，促进创伤愈合，毛发再生，移植皮的成活，骨折再生，治疗婴儿脑瘫、支气管哮喘、高血压及关节炎，以及慢性咽炎等病症。CO2激光治疗皮肤病、周围神经损伤、下颌关节功能紊乱等。

激光的生物效应，以哪一种为主导，则视激光器的类型而异。例如，连续的CO2激光和He-Ne激光，以热效应为主，压强效应无重大作用，而原脉冲高功率激光，则压强和电磁场效应更为重要。

（三）激光对组织器官的作用

激光对组织器官的作用涉及激光的参量和组织器官的性质两方面。后者主要是物理性质，其中又以光子性质和热学性质为主。性质和结构关系密切，因此，激光对各组织和器官作用并不一样。

1．高功率激光对组织及器官的作用 医学高功率激光指输出功率在瓦级以上的激光。由于组织吸收激光的功率密度和能量密度不同，发生的作用也有多种。

（1）凝固作用：凝固作用是指激光热效应的结果。如Ar＋YAG激光和Ar＋激光穿透的散射力强，破坏的范围大，常用其对组织和器官的凝固。

（2）止血作用：止血作用也是激光的结果。Ar＋激光宜用于直径2mm以下的血管止血，利用其选择性作用于血红蛋白，使之凝固而阻塞血管。Nd＋：YAG激光宜用于直径＜5mm的血管止血，利用其非选择性作用。其聚集性差，可作用于血管壁。

（3）融合作用：融合作用是指一种破坏程度甚微的激光凝集作用。作用穿透较深的Nd＋：YAG激光使断端对合的管壁对合面轻度脱水变性后而愈合。可用于血管、神经、输卵管的吻合。

（4）汽化作用：汽化作用为激光热效应所产生的作用，当组织吸收的功率密度高，温度达2 000℃以上时，组织表面发生收缩、脱水、碳化，组织内部因水被瞬间气化而发生爆炸。由于爆炸时的压力，使弹坑周围组织产生许多空化的孔隙，因而破坏了组织的生命力。

（5）切割作用：切割作用实质也是一种汽化作用。CO2激光可以聚集到功率密度极高，形成锐利的光刀。而Nd＋：YAG和Ar＋激光难以达到高功率密度，故光刀较钝。蓝宝石光刀采用接触方法，即集中能量，又使手术者具有操作普通手刀的手感。

2．弱激光对组织器官的作用 医用弱激光又称低功率激光、低能量激光、低强度激光、轻激光、冷激光等，一般指功率为毫瓦级的激光。它作用于组织时在显微镜下没有观察到组织结构损害，组织温度也无明显上升。

临床上多利用弱激光的这种生物刺激来进行治疗一些疾病，称为激光理疗。20世纪70年代初，利用这种激光照射穴位代替针刺穴位治疗，称为激光针灸。

3．激光光动力作用 应用特定波长的光照射某种化学物质，使其产生一系列反应，此过程称为光激活作用。其中被激活的物质叫光敏剂。将敏化剂注入机体，并用光使之激活，利用其产生的单线态氧和高度毒性的中间产物，使有机体细胞或生物分子发生接触形态变化，严重时受伤或坏死，这个过程称为光动力作用。它包括基质（受作用的物质）、光敏剂、光源和氧等4个基本因素。临床常用的激光与血卟啉相结合治疗肿瘤，就是利用激光光动力的原理。