激光與生物組織的相互作用：原理及應用

　　p;本書的前兩章描述和講解了光與生物組織的相互作用，以及光在組織中的反射、吸收和散射的基本物理概念。在第3章中，根據(jù)現(xiàn)有的理論描述了光子的傳輸和組織的相互作用，如光化學相互作用、熱相互作用，以及光蝕除、等離子體誘導蝕除和光致破裂的物理過程，并分析了不同的激光特性。在第4章中，敘述了激光在不同醫(yī)學學科和臨床上的應用。最后一章介紹了激光安全的基本概念，它對于激光的應用有著重要的意義。豐富的文獻使這部作品更加完善。附錄中列出的一些重要數(shù)據(jù)便于查找。本書在教學法上也有特點，對于學生是一本很好的教科書，對于醫(yī)學和科學工作者也是一本有價值的參考書，也可用于自學。許多研究的照片、插圖、表格以及深入地詮釋使本書成為研究生和科學工作者有用的指南。片斷：inuouswave，CW）激光器和脈沖激光器。而大多數(shù)氣體激光器和有些固體激光器屬于第一類；脈沖激光器主要包括固體激光器，準分子激光器和某些染料激光器。激光醫(yī)學的類型和它們的兩個特性參數(shù)，波長（wavelength）及脈沖持續(xù)時間（pulseduration）將在表1.1中列出。表是按照脈沖持續(xù)時間排列的，因為曝光時間正如我們在第3章中所評價的那樣標志著與生物組織相互作用的類型。波長是第二重要的激光參數(shù)。它決定激光輻射穿透組織的深度，即吸收和散射的效率。第三個參數(shù)，使用的能量密度，通常也被認為是重要的。然而，它的值僅作為產(chǎn)生一個特定效應的必要條件，其次是決定其程度。在第3章將說明實際上的所有與醫(yī)學相關的效應都是在能量密度為1J/cm2到1000J/cm2之間獲得的。這與潛在脈沖持續(xù)時間的15個數(shù)量級相比是相當窄的。第四個參數(shù)，使用的強度，以能量密度與脈沖持續(xù)時間之比的形式給出。對于所有這些參數(shù)的依據(jù)的詳細論述，讀者可以查閱第3章。如在第4章中所描述的，表1.1所列出的每種激光器都用于特定的臨床應用。新開發(fā)出的二極管激光器和自由電子激光器在醫(yī)學研究中的發(fā)展已變得越來越重要了。二極管激光器可以發(fā)射連續(xù)或脈沖輻射而且尺寸非常小。自由電子激光器可提供很短的激光脈沖但卻是要用龐大的電子加速器驅動機器而且只能在特定場所使用。激光外科的進步主要可歸因于脈沖激光系統(tǒng)的迅速發(fā)展。如上所述，脈沖持續(xù)時間將最終決定作用在生物組織上的效應。特別是熱（thermal）和非熱效應（non－thermaleffects）的區(qū)別。一個大致的近似的原則是“1μs法則”，指出大于1μs的脈沖持續(xù)時間常常伴隨著可測量的熱效應；而脈沖持續(xù)時間小于1μs時，如果重復率選擇合適，熱效應通常變得可以忽略（詳見3.2節(jié)更進一步的細節(jié)）。無需增加額外的裝置，多數(shù)激光器可發(fā)射連續(xù)輻射或脈沖持續(xù)時間大于1μs的脈沖。因此，研究局限于潛在的熱效應的研究上。僅當產(chǎn)生較短的激光脈沖時，才可能成為其它方式的相互作用。其中非常有效的是蝕除（ablation）①機理，例如光蝕除，等離子體誘導蝕除和發(fā)生在納秒或皮秒級的光致破裂（photodisruption）②。現(xiàn)在即使是飛秒范圍的短脈沖也可以實現(xiàn)。如將闡述的那樣，當將有關等離子體誘導蝕除的機理與光致破裂機理進行比較時，它們的臨床優(yōu)勢相當值得懷疑。它們兩個從物理現(xiàn)象上來說稱為光致?lián)舸Ｕ?.4節(jié)所做的理論分析那樣，當從皮秒脈沖到飛秒脈沖的過程中，光致?lián)舸┑拈撝祬?shù)并不進一步降低。但總的來說，隨著激光系統(tǒng)提供較短脈沖能力的提高，通常也會引起新的有意義的應用。圖1.1說明了脈沖激光系統(tǒng)的發(fā)展進程。在固體激光器中有兩個里程碑，一是在鎖模技術的發(fā)展過程中達到的，另一個是在極大帶寬的新型激光介質的發(fā)展過程中取得的，這將在下文中詳細討論。兩者在圖1.1相應的曲線中表現(xiàn)為兩次跳躍。另一類能夠提供超短脈沖的激光器類型中包括染料激光器。它是在固體激光器后發(fā)明的。它們的發(fā)展是平穩(wěn)的而不是跳躍性的。一些諸如碰撞脈沖鎖模等新技術的發(fā)展也可以產(chǎn)生與固態(tài)激光器相比很短持續(xù)時間的脈沖。然而染料激光器的醫(yī)學應用仍相當局限，因為它用起來不方便而且維護復雜。與長壽命的固體晶體相比，染料需要再循環(huán)，且這通常不能通過按鈕操作進行定期更換。最早的激光器是用色閃光燈泵浦的紅寶石激光器。這種激光器的特點是輸出中含有幾個尖峰。它們總共的持續(xù)時間由閃光本身確定，閃光與激光躍遷高能態(tài)的壽命相應，對于紅寶石而言約為1ms。Q開關的發(fā)明使得能夠獲得短達50ns的脈沖。機械裝置（旋轉孔或激光反射鏡）或光學裝置（電光的或聲光的Pockels晶體）均可以用來作為Q開關。在這兩種情況下諧振腔中的損耗將會人為的保持很高，一直到能量達到一個極大的反轉。當消除了人為的損耗，所有儲存在激光介質中的能量通過受激發(fā)射而在瞬間轉換。當在激光器腔內啟動模式鎖定時可得到更短的脈沖。在模式鎖定中，用快速調制晶體（主動模式鎖定）或選擇性的飽和濾光器（被動模式鎖定）可引起電磁場的調制。通過這種方式使所有軸向振蕩的激光模式的相位一致，產(chǎn)生皮秒脈沖。典型的代表是Nd：YAG激光，其光學帶寬的數(shù)量級是1nm。這個帶寬使能夠獲得的最短脈沖持續(xù)時間限制在幾個皮秒。本書前言前言MarkolfNiemz博士承擔了難以克服的困難，撰寫了當前激光在醫(yī)學上所有實際應用狀況的專題論文。在這部專著里，以激光與組織相互作用的機理作為指南貫穿全書。作者的專業(yè)基礎是物理、生物工程和生物醫(yī)學光學。1995年，他的激光與組織相互作用的基礎研究獲得德國海德堡（Heidelberg）科學院的Karl－Freudenberg獎。上述的經(jīng)歷極其適合完成寫這本書，即為基本的激光與組織相互作用提供了一個跨學科的方法，也用這方面的知識對包括激光安全在內的激光臨床應用進行了回顧。作者自己在超短激光脈沖應用的研究使他能對光蝕除、等離子誘導蝕除和光致破裂方面進行深入的討論。幾個相關的效應也是由他首次提出的。而且，在這本書中廣泛地論述了光動力療法、光熱應用和激光誘導組織間質熱療法。因此，讀者可全面了解這一學科當前狀況。這本書的主要對象是這一領域的科學家和工程師，但醫(yī)學工作者也能從中找到許多感興趣的重要方面。不用懷疑這本書將滿足我們在激光醫(yī)學領域工作中的需求，我希望它將被很好的接受。醫(yī)學中心研究院激光中心主任MartinJ.C.vonGermertArmsterdam，1996

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