你知道激光輻射對(duì)生物組織會(huì)產(chǎn)生什么影響嗎？

本文將帶大家了解激光輻射對(duì)生物組織的影響。

激光輻照引起損傷的機(jī)理，對(duì)于所有的生物系統(tǒng)來說都是相似的。

可以包括熱反應(yīng)、熱聲瞬變和光化學(xué)相互作用的過程和非線性效應(yīng)。

上述任何一種機(jī)理引起損傷的程度均與輻照源的某些固有物理參數(shù)有關(guān),其中最重要的是波長(zhǎng)、脈寬、聚焦尺寸、輻照度和輻照量。

概括地講,在超過閾值的照射中,主要的損傷機(jī)理與照射的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。隨著脈沖持續(xù)時(shí)間的逐漸延長(zhǎng),在如下的時(shí)間范圍內(nèi),起主要作用的損傷機(jī)理是:

———照射時(shí)間為ns和亞ns時(shí),主要是聲瞬變效應(yīng)和非線性效應(yīng);

———照射時(shí)間為1ms至數(shù)秒時(shí),為熱效應(yīng);

———照射時(shí)間超過10s時(shí),為光化學(xué)效應(yīng)。

激光輻照,以其光束準(zhǔn)直性區(qū)別于許多其他已知的輻照類型,加之光輻照原本含有高能量,使得過 多的能量傳導(dǎo)到生物組織中。各種激光輻照時(shí)對(duì)生物器官的損傷主要是由于該器官對(duì)輻照的吸收所致。吸收發(fā)生在原子與分子水平上,是一種波長(zhǎng)特有的過程。因此,波長(zhǎng)決定了一臺(tái)特定的激光器引起 哪種組織的損傷。

熱效應(yīng)

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)吸收了足夠的輻照能量時(shí),其組成分子的振動(dòng)增加,這是一種熱容量的增加。多數(shù)激光 損傷是由于部位的組織受熱而致。這種熱損傷通常局限在激光能量吸收部位的邊緣區(qū)與輻照光束內(nèi)。

此區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞明顯地?zé)齻?。組織的損傷主要是由于蛋白質(zhì)變性引起。以上所述表明,激光二次損傷的發(fā)生可能與組織受熱反應(yīng)的時(shí)間有關(guān),反應(yīng)的時(shí)間又直接地與激光的脈寬(圖 D.2)和冷卻時(shí)間有關(guān)。

在受熱和冷卻兩個(gè)時(shí)段都會(huì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng),引起依賴光斑大小的熱損傷。如果一臺(tái)連續(xù)波或長(zhǎng)脈沖激光裝置直接照射組織,由于傳導(dǎo)而使受照射組織區(qū)的溫度逐漸增高。當(dāng)越來越多細(xì)胞的溫升超過它們所耐受的溫度時(shí),這種熱擴(kuò)散就可導(dǎo)致?lián)p傷面積的增加。

由于傳導(dǎo)是光斑聚焦大小的函數(shù),它決定了周邊擴(kuò)散的程度及最初組織受熱區(qū)的溫度,因此,對(duì)于損傷來說,光斑(光束影像)大小也是非常重要的。

這種類型的熱損傷在連續(xù)照射和長(zhǎng)脈沖激光照射中常?？梢砸姷?但是對(duì)短脈沖也會(huì)發(fā)生。對(duì)于1mm~2mm 或更小級(jí)別尺寸的輻照光斑,輻射熱流導(dǎo)致的損傷取決于光斑大小。

說明:

?———組織吸收激光能量;

?———所吸收能量傳導(dǎo)到周圍的組織上使其受熱;

?———長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光所導(dǎo)致的熱界面的擴(kuò)大使損傷區(qū)域逐漸擴(kuò)大;

?———短脈沖高峰值功率激光導(dǎo)致細(xì)胞崩解、組織爆裂的損傷。

光化學(xué)效應(yīng) 

另一方面,損傷效應(yīng)也可能是特殊分子吸收了所給定光的直接結(jié)果。這一過程是由于吸收給定光能而產(chǎn)生,而不是能量的釋放。然而,這種反應(yīng)是分子激發(fā)態(tài)的一種獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng),這種光化學(xué)反應(yīng)是低劑量照射損傷的主要原因。

根據(jù)這個(gè)機(jī)制,中等劑量的紫外輻射和短波長(zhǎng)光長(zhǎng)時(shí)間照射,可引起某些生物組織,如皮膚、眼的晶狀體,尤其是視網(wǎng)膜的不可逆改變。如果輻照時(shí)間太長(zhǎng),或雖是短時(shí)間照射,但重復(fù)照射的時(shí)間太長(zhǎng),那么這種光化學(xué)導(dǎo)致的變化就可引起器官的損傷。

有些由激光照射引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)可能是異常的,或放大了正常過程。光化學(xué)反應(yīng)通常遵循本生(Bunsen)和羅斯科(Roscoe) 定律,并且對(duì)于1h~3h或更短的持續(xù)時(shí)間(這里修理機(jī)理不能處理損傷等級(jí)),用輻照量表示的閾值在很寬的持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)是不變的。與熱擴(kuò)散引起的熱效應(yīng)不同,光化學(xué)效應(yīng)不存在對(duì)光斑大小的依賴性。

非線性效應(yīng) 

短脈沖、高峰值功率(即 Q 開關(guān)或鎖模)激光器,通過不同損傷機(jī)理的聯(lián)合作用,可加重組織損傷。

能量在極短的時(shí)間內(nèi)釋放到生物靶標(biāo)上,受照射部位產(chǎn)生很高的輻照度。靶標(biāo)組織受到如此快的溫度升高,致使組織細(xì)胞由液態(tài)變?yōu)槠麘B(tài)。在多數(shù)情況下,這些相變極快,可使組織爆裂,細(xì)胞崩解。

由此產(chǎn)生的壓力瞬變,在燒傷中心的外周緣產(chǎn)生一個(gè)環(huán)狀的爆破帶。相似的壓力瞬變亦可由熱膨脹引起,以上兩種壓力瞬變均可由于部分組織的移位,而導(dǎo)致遠(yuǎn)隔吸收層部位的組織出現(xiàn)切割狀損傷。在亞毫微秒的照射中,眼睛介質(zhì)的自聚焦進(jìn)一步集中準(zhǔn)直光束的激光能量,在約10ps~1ns之間進(jìn)一步降低閾值。

此外,其他非線性光學(xué)機(jī)理在亞毫微秒范圍的視網(wǎng)膜損傷中也起作用。

激光作用于視網(wǎng)膜時(shí),上述的所有損傷機(jī)理均已被見到,并反映在本部分描述的安全照射量的轉(zhuǎn)效點(diǎn)或斜率的變化上。

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