一、概述

激光即由受激輻射而產(chan) 生放大的光，又稱萊塞（Laser是英語“Light Amplification by stimulatedEmission of Radiation”的幾個(ge) 前綴的縮寫(xie) ）。

激光技術的成功被認為(wei) 是本世紀最重大的四項科學成果之一（即原子能、半導體(ti) 、計算機、激光）。

激光剛一出現，它的發展前景就引起人們(men) 的強烈興(xing) 趣，不久就相繼出現了數百種能發射不同波長的相幹光的激光器。1964年美國卡斯珀（Kasper）製成了第一台化學激光器。1966年蘭(lan) 卡德（Lankard）等人首先製成了有機染料激光器，到目前為(wei) 止，全世界已生產(chan) 了幾千種類型的激光器，並研製成了高壓氣體(ti) 激光器、高功率化學激光器、準分子激光器、半導體(ti) 激光器、固體(ti) 激光器、自由電子激光器和X線激光器等新品種。目前激光器輸出功率最大可達10¹³W，最小為(wei) mw。

激光問世後，很快受到醫學和生物學界的極大重視。1961年紮雷特(Zaret)，以後坎貝爾（Campbell）等人相繼用激光研究視網膜剝離焊接術，並很快被用於(yu) 臨(lin) 床。目前激光在臨(lin) 床上除氣化、凝固、燒灼、光刀、焊接、照射等治療應用外，在診斷和基礎理論研究方麵出現了許多新技術，如激光熒光顯微檢查，激光微束照射單細胞顯微檢查技術，激光顯微光譜分析，生物全息攝影及細胞或分子水平的激光檢測和微光手術等充分顯示激光一係列獨特性能。激光配合導光纖維的應用對各種體(ti) 腔內(nei) 腫瘤及其他疾患的診治，以及結合各種內(nei) 窺鏡進行激光光敏療法診治腔內(nei) 腫瘤新技術提供有利手段。目前已研究利用激光治療心髒疾病和血管內(nei) 斑塊栓塞，包括冠狀動脈粥樣硬化阻塞後的激光血管再通技術已獲成功。

基於(yu) 醫用激光的迅速發展，在激光生物醫學領域中形成了一些專(zhuan) 門學科，如激光分子生物學、激光細胞學、激光人體(ti) 生理學、激光診斷學、激光治療學、醫用激光工藝學、激光防護學、分子生物激光工程學等。在診治方麵，激光已用於(yu) 每一臨(lin) 床學科，最近據有人預測到本世紀末，應用激光技術診治疾病的新方法將超過傳(chuan) 統的診治方法，激光技術將引起內(nei) 外科治療的一場“革命”。預計在本世紀末的五至十年內(nei) ，激光技術將廣泛應用於(yu) 發現和治療癌瘤，進行外科手術以及縫合血管、神經、肌腱和皮膚，治療動脈硬化斑、血管栓塞和內(nei) 科、皮膚科等的許多疾病。

白熾燈、日光燈、高壓脈衝(chong) 氙燈、激光燈的發光現象，都是光源係統中原子（或分子、離子）內(nei) 部能量變化的結果。原子的能級結構是發光現象的物質基礎，激光的產(chan) 生，不外乎通過以下幾個(ge) 過程和步驟：

（一）激發

一般原子係統中，絕大多數的原子不是處於(yu) 低能級的基態，而是處於(yu) 高能級的激發狀態的原子數目，相比之下是非常少的。例如：在室溫（27～28℃）的情況下，紅寶石晶體(ti) 中處於(yu) 基態的鉻離子數目為(wei) 激發態的10³⁰倍，因此，紅寶石鉻離子基本上是處於(yu) 基態的。如果要使這些處於(yu) 基態的粒子產(chan) 生輻射作用，首先必須把這些基態上的粒子激發到高能級去，從(cong) 低能級到高級去的這一過程稱為(wei) 激發或抽運。這個(ge) 吸收能量的過程，稱做光的受激吸收（圖4-26-4）。激發的方法很多，主要是給基態粒子外加一定能量，例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等。基態粒子吸收能量後即被激發，例如紅寶石激發器就是脈衝(chong) 氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從(cong) 基態激發到高能級的激發態上。又如氦－氖激光器通過電子與(yu) 氦原子碰撞，使氦原子獲得能量。氦原子通過碰撞又將能量傳(chuan) 給氖原子，氖原子獲得能量後從(cong) 基態激發到高能級去。化學激發器是用分解或化合的方法作為(wei) 激發能源。

由於(yu) 原子內(nei) 部結構的不同，在相同的外界條件下，原子從(cong) 基態被激發到各個(ge) 高能級去的可能性是不一致的。通常把原子從(cong) 基態激發到某一能級上去的可能性，叫做該能級的“激發機率”。各能級的激發機率是不同的，有的很大，有的很小，這種機率取決(jue) 於(yu) 物質自身的性質。

（二）輻射

原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態處於(yu) 基態上，被激發到高能級後的粒子，力圖回到基態上去，與(yu) 此同時放出激發時所吸收的能量。基態是粒子能量最平衡最穩定的狀態，從(cong) 高級回到低能級去的過程稱為(wei) 躍遷，躍遷時釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種：

1. 自發躍遷　不受外界能量的影響，隻是由於(yu) 原子內(nei) 部運動規律所導致的躍遷稱為(wei) 自發躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩(liang) 種：一種是變為(wei) 熱運動釋放能量，叫做無輻射躍遷；另一種是以光的形式將能量輻射出來，叫做自發輻射躍遷（圖4-26-5）。自發輻射出來的光頻率γ，由發生躍遷的兩(liang) 能級間之能量差所決(jue) 定。

圖4-26－5 自發輻射（釋放能量）

普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過自發躍遷輻射產(chan) 生光，這種光是非相幹光。

2. 受激躍遷　

由於(yu) 入射光子的感應或激勵，導致激發原子從(cong) 高能級躍遷到低能級去，這個(ge) 過程稱為(wei) 受激躍遷或感應躍遷。這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來的光子與(yu) 入射光子有著同樣的特征，如頻率、相位、振輻以及傳(chuan) 播方向等完全一樣。這種相同性就決(jue) 定了受激輻射光的相幹性。入射一個(ge) 光子引起一個(ge) 激發原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出兩(liang) 個(ge) 同樣的光子，這兩(liang) 個(ge) 同樣的光子又去激勵其它激發原子發生受激躍遷，因而又獲得4個(ge) 同樣的光子。如此反應下去，在很短的時間內(nei) ，輻射出來大量同模樣、同性能的光子，這個(ge) 過程稱為(wei) “雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相幹光，相幹光有疊加效應，因此合成光的振幅加大，表現為(wei) 光的高亮度性（圖4-26-6）。

圖4-26－6 受激輻射（釋放能量）

激發壽命與(yu) 躍遷機率取決(jue) 於(yu) 物質種類的不同。處於(yu) 基態的原子可以長期的存在下去，但原子激發到高能級的激發態上去以後，它會(hui) 很快地並且自發地躍遷回到低能級去。在高能級上滯留的平均時間，稱為(wei) 原子在該能級上的“平均壽命”，通常以符號“τ”表示。一般說，原子處於(yu) 激發態的時間是非常短的，約為(wei) 10^－8秒。

激發係統在1秒內(nei) 躍遷回基態的原子數目稱為(wei) “躍遷機率”，通常以“A”表示。大多數同種原子的平均躍遷機率都有固定的數值。躍遷率A與(yu) 平均壽命τ的關(guan) 係：

由於(yu) 原子內(nei) 部結構的特殊性，決(jue) 定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E₃的壽命非常短，隻有10^－9秒，而E₂的壽命比較長，約為(wei) 數秒。壽命較長的能級稱為(wei) “亞(ya) 穩態”。具有亞(ya) 穩態原子、離子或分子的物質，是產(chan) 生激光的工作物質，因亞(ya) 穩態能更好地為(wei) 粒子數反轉創造條件。

（三）粒子數反轉和激光的形成

當光子通過某一介質時，它可能被原子（或離子、分子）所吸收，從(cong) 而使原子從(cong) 低能級激發到高能級去，這個(ge) 過程稱為(wei) “共振吸收”或稱光的受激吸收。另外，入射光也能引起處於(yu) 高能級的原子發生受激輻射。

在一般情況下，處於(yu) 低能級的原子數目遠遠超過處於(yu) 高能級的原子數目。要想得到受激輻射，就必須先使原子（或離子、分子）激發到高能級去。人為(wei) 地施加一定能量，使高能級上具有較多的粒子數分布，這種狀態稱為(wei) “粒子數反轉”。產(chan) 生粒子數反轉的物質就稱為(wei) 活性物質。如何實現粒子數反轉，下麵以紅寶石激光器為(wei) 例加以說明。

紅寶石激光器的激發是通過氙燈輸送能量。E₁、E₂、E₃是鉻離子相對應的三個(ge) 能級，使鉻離子從(cong) 基態E₁激發到共振吸收帶E₃上去，形成了E₃對E₂粒子數反轉（圖4-26-7（1））。但是由於(yu) E₃的壽命很短（即自發躍遷機率很大），因此鉻離子的能級就很快地並且以無輻射躍遷的形式落入E₂中，同時放出熱能。E₂是壽命較長的亞(ya) 穩態，躍遷機率較小，因此E₂就積聚了大量的鉻離子。當氙燈光足夠時，則E₂上的粒子（鉻離子）數就大為(wei) 增加，此時E₂對E₁來說就出現了粒子數反轉（圖4-26-7（2））。若用E₂與(yu) E₁間躍遷相對應頻率[γ＝（E₂-E₁）/h]的光子引發時，上述活性係統就可產(chan) 生E₂對E₁的受激輻射。受激輻射可以使光放大，這種放大是由於(yu) 該係統受激發時從(cong) 外部吸收的能量和引發的能量一舉(ju) 放出的結果，如圖4-26-8所示。

圖4-26-7 粒子數反轉

處於(yu) 粒子數反轉狀態的活性係統，可以產(chan) 生“雪崩”。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續進行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學共振腔。從(cong) 共振腔中持續發出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。

（四）光學共振腔

激光所以具有良好的單色性、方向性以及較高的亮度，主要是取決(jue) 於(yu) 光學共振腔的作用。於(yu) 工作物質的兩(liang) 端加上兩(liang) 快相互平行的反光鏡，其中一塊是全反射鏡，另一塊是半反射鏡，這就是光學共振腔的主要結構（圖4-26-9）。

在光學共振腔中的活性物質，受到外加能量的激勵而產(chan) 生的光子可以射向各個(ge) 方向，但其中傳(chuan) 播方向與(yu) 反射鏡垂直者，則在介質中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發介質中其它活性物質點受激輻射，因此這種輻射的強度越來越大。由於(yu) 受激輻射反複振蕩產(chan) 生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳(chuan) 播方向，因此決(jue) 定了激光具有良好的單色性和準直的定向性。又由於(yu) 光子來回不斷地進行振蕩，輻射強度借以得到極度的增大，因此又保證了激光的高度性。激光在光學共振腔中形成的過程如圖4-26-10所示。

圖4-26-8 光的吸收與(yu) 放大

圖4-26-9 光學共振腔示意圖

三、激光的物理特性

激光本質上和普遍光線沒有什麽(me) 區別，它也可受光的反射、折射、吸收、透射等物理規律的製約。但是由於(yu) 激光的產(chan) 生形式不同於(yu) 一般光線，故它具有一些特點。

（一）激光的高亮度性

一般規律認為(wei) ，光源在單位麵積上向某一方向的單位立體(ti) 角內(nei) 發射的功率，就稱為(wei) 光源在該方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光線在發射方向上的高度集中。激光的發射角極小（一般用毫弧度表示），它幾乎是高度平等準直的光束，能實現定向集中發射。因此，激光有高亮度性。

另外，激光的亮度也取決(jue) 於(yu) 它的相幹性。相幹性是一切波動現象的屬性。光有波動性，因此也有相幹性。

一般光源發射出來的光是非相幹光，它是波長不等、雜亂(luan) 無序的混合光束。由於(yu) 非相幹光的波長、相位、振幅極不一致。因此它們(men) 的合成波也是一條雜亂(luan) 無章、毫無規律的曲線（圖4-26-1），從(cong) 中不易找出它的周期性來。普通光源如日光、燈光等所輻射的就是這非相幹光線。

圖4-26-1 非相幹輻射

發光係統中，處於(yu) 激發狀態的原子（或分子、離子）受相應的外界能量（例如入射光子）激勵時，它就從(cong) 高能級躍遷到低能級，同時釋放出一個(ge) 光子，這個(ge) 被釋放的光子和入射的光子是完全一樣的。它們(men) 兩(liang) 者的波長、傳(chuan) 播方向、振輻及相位都完全一樣。這樣的輻射波具有相幹性，它們(men) 的譜線很窄。

根據波的迭加原理，如果兩(liang) 列波同時作用於(yu) 某一點上，則該點的振動等於(yu) 每列波單獨作用時所起的振動代數和。因此，相幹光的合成波就是迭加效應的結果（圖4-26-2）。合成波的相位、波長、傳(chuan) 播方向皆不改變，隻是振幅急劇地增加了。因此，通過迭加後的光色不變，隻光的強度極大地增加了。激光所以有高亮度的特點也是由於(yu) 相幹光迭加效應的結果。激光的亮度可以比太陽表麵亮高10¹⁰倍。

一束激光經過聚焦後，由於(yu) 其高亮度性的特點，能產(chan) 生強烈的熱效應，其焦點範圍內(nei) 的溫度可達數千度或數萬(wan) 度，能熔化甚至於(yu) 氣化對激光有吸收能力的生物組織或非生物材料。如工業(ye) 上精密器件的焊接、燈孔、切割；醫學上切割組織（光刀）、氣化表淺腫瘤以及顯微光譜分析等這些新技術都是利用激光的高亮度性所產(chan) 生的高溫效應。

激光功率密度的單位為(wei) mw/cm²或W/cm²，能量密度為(wei) 焦爾/厘米²。

（二）激光的高單色性

圖4-26-2 相幹輻射

一般理療上常用光源，有熱光源（如白熾燈、紅外線燈）和氣體(ti) 放電發光光源（如紫外線燈）。這類光源的發光物質比較複雜，以自發輻射形式產(chan) 生光子，發出的光線很不純，它們(men) 的譜線範圍是連線的或是帶狀的光譜。 

一般“單色光”被分光鏡分解後，它也不是連續的色帶，而是一條條獨立的、並且具有特定位置的亮光，通常稱這為(wei) 譜線。臨(lin) 床上所謂的單色光也並非是單一波長的光，而是有一定波長的譜線。波長範圍越小，譜線寬度越窄，其單色性也越好。因此，譜線的寬度是衡量光線單色性好壞的標誌。

激光是物質中原子（或分子、離子）受激輻射產(chan) 生的光子流，它依靠發光物質內(nei) 部的規律性，使光能在光譜上高度地集中起來。在激光的發光形式中，可以得到單一能級間所產(chan) 生的輻射能，因此，這種光是同波長（或同頻率）的單色光。光譜高度集中時，其純度甚至接近單一波長的光線，例如氦－氖激光就是6328的單色紅光。

（三）激光的高度定向性

激光的散射角非常小，通常以毫弧計算。例如紅寶石激光的散射角是0.18°，氦－氖激光隻有1毫弧度。因此，激光幾乎是平等準直的光束，在其傳(chuan) 播的進程中有高度的定向性。手電筒照明時，由於(yu) 光的散射角大，遠達數十米後，光散開並形成大而暗淡的光盤。激光由於(yu) 散射角小，可以準直地射向遠距離目的物。1962年，將激光發射向月球，經過40多萬(wan) 公裏的進程後，其散開的光斑的直徑也不過隻有兩(liang) 公裏多。利用激光的準直性進行測距，從(cong) 地球到月球之間的誤差不超過1.5m。

由於(yu) 激光的單色性和方向性好，通過透鏡可以把光束集中（聚焦）到非常小的麵積上，焦點的直徑甚至可以接近激光本身的波長，這是普通光源所不及的。因為(wei) 從(cong) 普通光源中發射出來的光束向各個(ge) 方向傳(chuan) 播，它們(men) 是互不平行的光，所以通過透鏡隻能看到某種尺寸的物相（圖4-26-3（1））。另外，從(cong) 普通光源中發射出來的光含有很多波長不等的光成份，當通過透鏡時，由於(yu) 不同波長光的折射率不同，所以不同波長光的焦點不在一個(ge) 平麵上（圖4-26-3（2））。隻有激光才能輻射出幾乎是平行的光束，並且波長一致（單色性好），因此可以聚焦成為(wei) 很小的光點（圖4-26-3（3））。聚焦激光光束的能量密度可以達到很高的程度，這種特點是臨(lin) 床外科和細胞外科使用光刀的決(jue) 定條件。

圖4-26－3 普通光與(yu) 激光聚焦效果的不同

（1）互為(wei) 不平行的光束，不能集中到一點上

（2）互為(wei) 不同波長光束，不能集中到一點上

（3）嚴(yan) 格平行的等波長光束，能集中到一點上

光點的直徑是由透鏡的焦距和光束的發散角所決(jue) 定，如果我們(men) 知道焦距的發散角的數值，就可以用下列公式計算光點的直徑大小。

上式中，f為(wei) 透鏡的焦距（m），d為(wei) 光點的直徑（m），θ為(wei) 光束的發射角（弧度）。例如，選擇焦距為(wei) 5cm的透鏡，光束發散角為(wei) 10^－4弧度，求光點直徑。

根據上述公式從(cong) 理論上推算：

d＝0.05×10^－4＝5μ

實際，常常由於(yu) 激光器的質量不好（單色性程度差），影響到光點的高度集中，達不到理論上的效果。

四、激光的生物學作用基礎

目前認為(wei) 激光生物學作用的生物物理學基礎主要雖光效應、電磁場效應、熱效應、壓力與(yu) 衝(chong) 擊波效應。

（一）光效應 

激光照射生物組織所引起的光效應中主要決(jue) 定於(yu) 組織對於(yu) 不同波長激光的透過係數（T）和吸收係數（A）。不同的組織及組織中的不同物質對於(yu) 不同波長的激光的透過係數和吸收係數是不同的，對組織的光效應大小由T與(yu) A的乘積決(jue) 定。T·A的積愈大，則此種激光對該組織的光效應也愈大，例如：用於(yu) 視網膜凝固，波長為(wei) 6943的紅寶石激光作用於(yu) 視網膜時，T·A＝71％，這個(ge) 數值比較大，故光凝固效果好，但對視網膜乃是波長為(wei) 5750的激光的T與(yu) A的乘積最大，即光效應最佳。

組織吸收了激光的量子之後可產(chan) 生光化學反應、光電效應、電子躍遷、繼發其它波長的輻射（如熒光）、熱能、自由基、細胞超微發光（生物化學發光，是自由基重新結合時釋放出來的），可造成組織分解和電離，最終影響受照射組織的結構和功能，甚至導致損傷(shang) 。

光化學反應在光效應中有重要的作用，普通光所引起的各種類型的光化學反應，激光也都可引起。

激光作用於(yu) 活組織的光效應大小，除激光本身的各種性能外，組織的著色程度或稱感光體(ti) （色素）的類型起著重要的作用，互補色或近互補色的作用效果最明顯。不同顏色的皮膚，不同顏色的髒器或組織結構對激光的吸收可有顯著差異。

在醫療和基礎研究中，為(wei) 增強激光對組織的光效應，可采用局部染色法，並充分利用互補色作用最佳這一特點。另一方麵，也可利用此法限製和減少組織對激光的吸收。

（二）熱效應 

激光傳(chuan) 播的頻率與(yu) 組織分子等的振動頻率相等或相近，就將增強其振動，這種分子振動即產(chan) 生熱的機理，故也稱熱振動。在一定的條件下作用於(yu) 組織的激光能量多轉變為(wei) 熱能，故熱效應是激光對組織作用的重要因素。分子熱運動波長主要表現在紅外線波段附近，因此二氧化碳激光器輸出的紅外激光對組織的熱作用甚強烈，一定類型和功率的激光照射生物組織時，在幾毫秒內(nei) 可產(chan) 生200～1000℃以上的高溫，這是因為(wei) 激光，特別是聚焦激光能夠在微細的光束內(nei) 集中極大的能量，例如：數十焦耳的紅寶石激光或釹玻璃激光聚焦於(yu) 組織微區，能在數毫秒內(nei) 使該區產(chan) 生數百度的高溫，以致破壞該部位的蛋白質，造成燒傷(shang) 或氣化，而數十焦耳的普通光是根本無此作用的。此外，還發現激光引起的升溫，當停止照射後，其下降的速度比任何方式引起的升溫下降速度慢，例如：數十焦耳紅寶石或釹玻璃脈衝(chong) 激光引起的升溫要下降到原正常溫度，約需數十分鍾。

（三）壓強效應 

當一束光輻射到某一物體(ti) 時，在物體(ti) 上產(chan) 生輻射壓力，激光比普通光的輻射壓力強的多。若焦點處的能量密度為(wei) 10⁸瓦/平方厘米，其壓力為(wei) 40克/平方厘米；當激光束聚焦到0.2毫米以下的光點時，壓力可達200克/平方厘米；用10⁷瓦巨脈衝(chong) 紅寶石激光照射人體(ti) 或動物的皮膚標本時，產(chan) 生的壓力實際測定為(wei) 175.8公斤/平方厘米。

當激光束照射活組織時，由於(yu) 單位麵積上的壓力很大，故活體(ti) 組織表麵的壓力傳(chuan) 入到組織內(nei) 部，即組織上輻射的部分激光的能量變為(wei) 機械壓縮波，出現壓力梯度。如果激光束壓力大到能使照射的組織表麵粒子蒸發的程度，則噴出活組織粒子，並導致同噴出的粒子運動方向相反的機械脈衝(chong) 波（反衝(chong) 擊）——衝(chong) 擊波出現，這種衝(chong) 擊波可使活組織逐層噴出不同數量的粒子，最後形成圓錐形“火山口”狀的空陷。

除上述由於(yu) 強大的輻射壓引起的反衝(chong) 擊壓而形成的衝(chong) 擊波外，組織的熱膨脹也可能產(chan) 生衝(chong) 擊波。由於(yu) 在短時間內(nei) （毫秒或更短）溫度急劇上升，瞬間釋放出來的熱來不及擴散，因而產(chan) 生加速的體(ti) 熱膨脹，例如：用60焦耳的紅寶石激光照射小鼠腹壁，在幾毫秒內(nei) 腹壁形成半圓形突起，此即被照射的皮下組織處產(chan) 生了爆炸性的體(ti) 熱膨脹。

因體(ti) 熱膨脹而在組織內(nei) 形成的壓力以及反衝(chong) 壓，都可產(chan) 生彈性波向其它部位傳(chuan) 播，最初是形成超聲波，逐漸因減速而變為(wei) 聲波，進而變為(wei) 亞(ya) 聲波形式的機械波，最後停止傳(chuan) 播。

在組織的微腔液體(ti) 層內(nei) ，因超聲波聽傳(chuan) 播同時可出現空穴現象，因空穴的積聚可造成明顯的組織塌陷現象，有時又可產(chan) 生數值較大的壓縮衝(chong) 擊波，這一係列的反應均可造成損傷(shang) 。

彈性波對組織的影響可遠離受照射的部位，例如：用極微弱的紅寶石激光照射人和動物的眼部時，在頭皮層均可記錄到聲波和超聲波。

在強激光束造成的極強的電場中，組織的電致伸縮現象也可產(chan) 生衝(chong) 擊波和其它彈性波。

（四）電磁場效應 

在一般強度的激光作用下，電磁場效應不明顯；隻有當激光強度級大時，電磁場效應才較明顯。將激光聚焦後，焦點上的光能量密度達10⁶瓦/平方厘米時，相當於(yu) 10⁵伏/平方厘米的電場強度。電磁場效應可引起或改變生物組織分子及原子的量子化運動，可使體(ti) 內(nei) 的原子、分子、分子集團等產(chan) 生激勵、振蕩、熱效應、電離，對生化反應有催化作用，生成自由基，破壞細胞，改變組織的電化學特性等；激光照射後究竟引起哪一種或哪幾種反應，與(yu) 其頻率和劑量有重要的關(guan) 係，例如：電場強度隻有高到10¹⁰伏/厘米以上時，才能形成自由基。激光照射腫瘤時，隻是直接照射一部分組織，但對全部腫瘤可有良好的作用，其中可能的作用機理之一，有人認為(wei) 就是電磁場作用的結果。

五、激光的治療作用

（一）激光的生物刺激和調節作用

激光與(yu) 其它各種物理因子對組織器官機體(ti) 的基本作用規律是相同的，即小劑量作用時具有刺激（加強）作用和調節作用。原則上不論使用哪一種激光均符合這一概念。以小功率激光為(wei) 例介紹如下：

小功率的激光照射具有明顯的生物刺激作用和調節作用。目前認為(wei) ：小功率的激光照射的治療作用基礎不是溫熱效應，而是光的生物化學反應。

小功率的激光照射皮膚時，在光生物化學反應的基礎上，可影響細胞膜的通透性，影響組織中一些酶的活性，如激化過氧化氫酶，進而可調節或增強代謝，可加強組織細胞中核糖核酸的合成和活性，加強蛋白質的合成；可使被照射的部位中糖原含量繒加；可使肝細胞線粒體(ti) 合成三磷酸腺苷（ATP）的功能增強。

小功率的激光照射具有消炎、鎮痛、脫敏、止癢、收斂、消腫、促進肉芽生長、加速傷(shang) 口、潰瘍、燒傷(shang) 的愈合等作用。

小功率的激光照射可使成纖維細胞的數目增加，因而增加膠原的形成，可加快血管的新生和新生細胞的繁殖過程，基於(yu) 其對代謝和組織修複過程的良好影響，可促進傷(shang) 口愈合，加快再植皮瓣生長，促進斷離神經再生，加速管狀骨骨折愈合，促進毛發生長等。

小功率的激光照射不能直接殺滅細菌，但可加強機體(ti) 的細胞和體(ti) 液免疫機能，如可加強白細胞的吞噬功能，可使吞噬細胞增加或增強巨噬細胞的活性，可使γ－球蛋白及補體(ti) 滴度增加；此外，微生物檢查發現：激光照射可改變傷(shang) 口部葡萄球菌對抗菌素的敏感性。

小功率的激光照射可影響內(nei) 分泌腺的功能，如加強甲狀腺、腎上腺等的功能，因而可調節整個(ge) 體(ti) 內(nei) 的代謝過程；此外，並可引起周圍血液和凝血係列的改變，其基本規律是具有調節作用。

小功率激光照射可改善全身狀況，調節一些係統和器官的功能。用小功率的激光照射咽峽粘膜或皮膚潰瘍麵，神經節段部位，交感神經節、穴位等不同部位，與(yu) 某些局部症狀改善的同時，可出現全身症狀的改善，如精神好轉、全身乏力減輕、食欲增加、原血沉加快者於(yu) 照後血沉減慢等。據報導：高血壓患者經小功率激光照射治療後，不僅(jin) 可使血壓降低，一療程照射後還可使血液的凝固性降低，使血清中總蛋白的含量升高，血漿及紅細胞內(nei) 鉀的含量升高。此外，據動物實驗：用1.5mw的激光照射兔或狗的皮膚，對全身代謝有刺激作用；用1～1.5mw的激光照射兔眼，可引起全身性的血液動力學變化。

小劑量激光多次照射過程中可有累積效應，在臨(lin) 床工作中我們(men) 體(ti) 會(hui) 到：在激光照射的前兩(liang) 次往往不出現效果，而在三、四次照射後即可出現療效，因此要呈現激光照射的療效，需經過一定作用的累積過程。當然，也有一次照射後即出現療效的情況，但這往往是局部症狀的改善。

小功率的激光多次照射的生物學作用和治療作用具有拋物線特性，即在照射劑量不變的條件下，機體(ti) 的反應從(cong) 第3～4天起逐漸增強，至第10～17天達到最大的限度，此後，作用效果逐漸減弱，若繼續照射下去，到一定的次數後可出現抑製作用。根據上述的基本規律，我們(men) 認為(wei) ，小功率的激光照射同一部位的次數，在一般情況下不宜超過12～15次，如需作第二療程照射，則兩(liang) 療程應有兩(liang) 周左右的間距。

對於(yu) 小功率的激光的生物學作用機理，有人用А.Гурвич所提出的生物場的理論來解釋，即機體(ti) 的各項組織與(yu) 器官之間除了神經控製和體(ti) 液調節，還包含有複雜的能量關(guan) 係，細胞和組織被生物場所包圍，各種內(nei) 外環境的不利因素可以破壞這種能量關(guan) 係，導致病理過程的產(chan) 生和發展。在1923的Гурвич的實驗研究發現：細胞絲(si) 狀分裂期所輻射的極微弱的紫外線（現今可以用光子計數器記錄下來），可以刺激其它細胞的分裂，並認為(wei) 這就是生物場存在的一個(ge) 證明。西方學者的研究也證實了這一點。

1973年蘇聯學者在實驗中發現“鏡映細胞病理效應”，其要點是一個(ge) 組織培養(yang) 物的細胞在損傷(shang) 和死亡時，與(yu) 它同隔著一片石英的另一組織培養(yang) 物裏也發生了相應的損傷(shang) 症狀，從(cong) 而生物場的理論又得到了一個(ge) 新的論據。

在七十年代，有的學者以生物場概念為(wei) 基礎，又進一步提出：由於(yu) 生物結構帶有半導體(ti) 的特性（特別是細胞內(nei) 的膜），把機體(ti) 可看成是一個(ge) 巨大的晶體(ti) ，有錯綜地組成的傳(chuan) 導帶。由於(yu) 在膜的傳(chuan) 導帶裏的代謝過程，保持著確定的自由電荷密度（生物等離子體(ti) ）；在各種不利的內(nei) 、外環境因素的影響下，生物等離子體(ti) 的內(nei) 穩態被擾亂(luan) ，因而引起病理過程的發展。若激光的能量參數比較接近於(yu) 代謝過程的能量的頻率，當激光照射,通過共振作用可使生物等離子體(ti) 恢複穩定，保持正常的能量級；氦氖激光的能量參數——波長6328，量子能量1.9電子伏特，接近物體(ti) 的能量參數，當照射機體(ti) 時，在傳(chuan) 導帶裏發生量子移動，隨著機體(ti) 的能量平衡的改變，能促使恢複正常生理狀態。

小功率的激光照射穴位時，通過對經絡的影響，改善髒腑功能，從(cong) 而起到治療作用。在臨(lin) 床應用中我們(men) 體(ti) 會(hui) 到：激光穴位照射的效果如何，關(guan) 鍵是在醫學理論觀點指導下，辯證論治，選經取穴的水平和經驗，處理得當者，全身狀況、髒腑征象、舌象脈象等均可效明顯的好轉。

（二）激光手術

激光手術是用一束細而準直的大能量激光束，經聚焦後，利用焦點的高能、高溫、高壓作用和燒灼作用，對病變組織進行切割、凝固、融合、氣化。實驗確定，切割人體(ti) 組織所需的功率密度為(wei) 10³～10⁵瓦/平方厘米。激光器所輸出的光束的焦點功率密度達到上述要求，其光能幾乎完全被大部分生物組織吸收到表層200μ內(nei) ，因此易於(yu) 控製切割深度，不僅(jin) 用於(yu) 體(ti) 表病變的手術切割，而且70年代在蘇聯和西德先後用以給病人做了心髒手術，在捷克用以成功地做了心血管外科的動物實驗和手術，76年在澳大利亞(ya) 用以成功地切除了大腦腫瘤。新近利用激光導管對冠狀動脈或肢體(ti) 血管斑塊、血栓阻塞患者進行血管再通術獲得成功。

激光手術的優(you) 點和經驗如下：

1.隻要功率掌握適當，軟硬組織均可切割，在一般情況下使用時。動物實驗結果表明：80～100瓦切割後可一期愈合，病理切片檢查結果損傷(shang) 較輕；

2.出血量少，可在切麵形成一層均勻的、粘合性良好的幹性凝固區，因此對於(yu) 直徑1毫米以內(nei) 的動脈，和直徑2mm以內(nei) 的靜脈有封閉作用；適用於(yu) 切割血管豐(feng) 富的實質性器官，易於(yu) 出血的或年老體(ti) 弱的患者；清除燒傷(shang) 創麵的焦痂，可使其氣化而無出血；

3.高能的激光束有直接殺死細菌的作用，故術後感染率顯著降低；可用於(yu) 切除壞死組織、疤痕組織，甚至死骨等；感染的創麵術前無需準備即可手術；

4.皮下注射生理鹽水造成人為(wei) 的水腫，可減少組織損傷(shang) ，因為(wei) 水分對紅外波長激光吸收性好，可防止熱量迅速向周圍傳(chuan) 播，可減輕切麵兩(liang) 側(ce) 組織的損傷(shang) ；

5.激光切割時術者的熟練程度甚為(wei) 重要，因為(wei) 切麵的深淺、組織損傷(shang) 的輕重均與(yu) 激光光斑停留的時間有關(guan) ，時間長則組織損傷(shang) 大，時間短則切割深度不夠；

6.激光切割術疼痛較輕，甚至不痛，因為(wei) 手術區的神經被熱凝固；術後形成的疤痕也較柔軟。

（三）激光治療腫瘤

激光治癌主要是基於(yu) 其生物物理學方麵的特殊作用，即激光的高熱作用可使被照射部位的溫度升至500℃，當溫度升至300℃時，腫瘤即被破壞，激光照射後的1分鍾內(nei) 可保持45～50℃的溫度，繼續對腫瘤起作用；激光的強光壓作用（機械能作用）可使腫瘤表麵組織揮發，使腫瘤組織腫脹、撕裂、萎縮，並可產(chan) 生二次壓力作用。激光治癌可能與(yu) 其對免疫功能的影響有關(guan) ；激光可使癌細胞膜變形，故可能將整個(ge) 腫瘤作為(wei) 一個(ge) 導體(ti) 來標誌，從(cong) 而引起免疫反應，這種理論的證據是：激光治療惡性眼黑色素瘤時，三周後才觀察到明顯的好轉，三周就是抗原抗體(ti) 反應所需要的時間。釹玻璃激光（1000～2000焦耳/平方厘米）照射小白鼠的黑色素瘤，34小時後血清噬菌活性升高，14天後血清中白蛋白減少，α—和γ—球蛋白增加；同時受照射動物脾內(nei) 與(yu) 形成抗體(ti) 有關(guan) 的細胞的數量顯著增加（達7％）黑色素瘤動物是3％，正常動物是0.5％)，同時血清中出現正常動物或未經照射的患癌動物血清中所沒有的抗腫瘤抗體(ti) 。

輸出量為(wei) 20焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤後，取受照射部位附近1～1.5毫米的腫瘤組織，電子顯微鏡檢查發現：細胞的核和核仁似無改變；內(nei) 質網、高爾基複合體(ti) 和線粒體(ti) 腫脹或發生空泡。輸出能量為(wei) 200焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤後，用顯微分光光度法測定DNA含量的結果表明：在照後1小時細胞核內(nei) DNA含量增加，以後逐漸下降，至5～6天時，細胞核完全溶解。

近年激光與(yu) 光敏藥物綜合應用診治腫瘤有了顯著發展，當前使用的光敏藥物主要為(wei) 血卟啉衍生物（HPD），使用的激光主要是以氬激光為(wei) 泵浦的有機染料激光（紅光），氬激光，氪激光，結合內(nei) 窺鏡和光導纖維等技術，用以診治腔內(nei) 及體(ti) 表的癌症。

（四）激光在心血管疾病方麵的應用

由於(yu) 有些激光可以通過光導纖維傳(chuan) 輸，激光的能量可以通過各種內(nei) 窺鏡，包括血管鏡或導管進入血管內(nei) 治療各種疾病。低能量的激光血管內(nei) 照射血液其有抗缺氧、抗脂質過氧化、改善血液流變學性質和微循環障礙，增強免疫等功能。

在心髒及血管方麵，激光治療周圍血管、冠狀動脈，以至頸動脈等的血栓、動脈粥樣斑塊等，此外治療糖尿病、心肌炎、肺炎及急性胰腺炎等均有報道。激光可作心髒節律點的消隔而治療難治、危重的心律失常；心瓣膜粘連的治療，房間隔造孔矯治先天性心髒病治療等。激光心肌打孔，則是用激光從(cong) 心包麵向心內(nei) 膜麵擊穿許多微孔，使心腔與(yu) 心壁肌肉間有微血竇相能，因而能直接改善心肌供血，此法很有實際意義(yi) 。激光血管吻合則使得血管吻合比以前快速、可靠，在許多外科手術中有著很大的潛在意義(yi) 。

（五）激光在外科以及耳鼻喉科方麵的應用

激光在皮膚、外科方麵的應用最早、最廣，自不用贅述。近幾年的發展，接觸式激光的應用，使激光在外科的應用更快捷方便。根據接觸激光的創始人Joffe報告，最近又有新一代的接觸式激光研製成功，利用腹腔鏡、內(nei) 窺鏡，激光可以作膽囊切開術，迷走神經切除術、幽門肌切開術等等，激光膽道吻合術、激光大腸吻合術以及輸精管吻合術。開腹手術中利用激光熱止血效應，對肝癌等容易出血的肝組織作激光切除與(yu) 消融等等的研究報告亦很多。對於(yu) 骨的手術，有人報告用Er:YAG或Ho:YAG作消融術，亦有人報告用自由電子激光（2.9μm與(yu) 3.1μm）作骨的切除。利用激光的止血功能，有人報告在完全抗凝情況下的病人作激光手術取得成功，為(wei) 抗凝不能手術而又必須手術搶救者提供了一條生路。

（六）激光在神經外科方麵的應用

用激光治療腦及脊髓腫瘤的報告很多。以激光照射腦組織對損傷(shang) 區超微結亦做出了較好的研究結果。這項治療主要是利用激光熱作用氣化腫瘤，比手術刀切除腦組織方便、出血少。近又有人報告在核磁共振控製下以Nd:YAG激光按立體(ti) 排列方式作組織間熱治療腦腫瘤（Stereotacticalinterstital thermo-therapy），這是一種新的嚐試。PDT治療腦瘤或以PDT作腦瘤手術後照射以防止癌灶的遺留複發都已有了一定的經驗。目前以較低功率激光的熱作用神經的吻合正在許多單位中進行研究，一旦成功又能解除很多人的痛苦。

激光神經吻合術：采用低中功率聚焦後微束激光在神經斷麵對接良好的情況下進行。對神經再生具有對位好，恢複快不產(chan) 生吻合處神經纖維瘤等特點。

（七）激光在婦科的應用

CO₂激光、Nd:YAG激光及PDT治療外陰及宮頸病變診斷早期癌變已是眾(zhong) 所周知。在腹腔鏡的直接觀察下，用CO₂激光或Nd:YAG激光作卵巢囊腫、腫瘤、子宮內(nei) 膜異位、子宮肌瘤的切除及輸卵管吻合，輸卵管粘連的解除等手術以取代常規的剖腹手術，這類手術簡便、經濟、痛苦少。

六、激光治療法分類

（一）激光療法分類

1. 原光束照射　可用於(yu) 照射病變局部、體(ti) 穴、耳穴、植物神經節段部位、交感神經節、體(ti) 表或頭皮感應區等。

2. 原光束或聚焦燒灼　可使被照射的病變組織凝固、碳化、氣化。

3. 聚焦切割（即激光刀）用於(yu) 手術切割。

4. 散焦照射　用於(yu) 照射麵積較大的病變部位。

為(wei) 使激光聚焦或散焦常用鍺透鏡，激光束通過鍺透鏡後即聚焦，離開焦點後擴散呈離焦效應，距焦點愈遠，激光的功率密度愈減弱，在焦點部可用於(yu) 手術切割。<

（二）激光治癌方法

1. 合理選擇波長　

腫瘤細胞對不同波長激光的選擇性極明顯，因此在激光治療時應選擇最適宜波長的激光。如果激光照射須透過正常組織的透過率為(wei) T，須治療的腫瘤組織的吸收率為(wei) A，則選用激光的波長應使T·A的積盡可能大。

2. 確定適宜的劑量　

根據腫瘤的性質、部位、大小、色素沉著程度、血管分布和激光的性質而定。激光治癌一般不宜也不需要一次破壞，多采用反複多次治療，隨時間的延長腫瘤可縮小或消失，因此治療劑量總比破壞劑量小。

3.激光治癌時，有人提出由於(yu) 強光壓產(chan) 生的機械能，有可能造成癌細胞遊離並轉移到周圍或更深的組織及血管和淋巴管中去，因此應盡可能避免使用大功率短脈衝(chong) 的激光束，以采用連續輻射或長脈衝(chong) 輻射的激光為(wei) 宜。

4.為(wei) 防止激光治癌時的癌細胞遊離轉移，在照射病變組織之前可先照射其周圍（約5毫米左右）的健康組織。

5.激光束應聚焦於(yu) 腫瘤中心，垂直照射腫瘤表麵。

6.開腹照射腫瘤組織時，應盡可能使光斑覆蓋全部瘤體(ti) 。

附：使用激光器的注意事項

1.激光器須合理放置，避免激光束射向人員走行頻繁的區域，在激光輻射的方向上應安置必要的遮光板或屏風。

2.操作人員須穿白色工作服，戴白色工作帽；操作人員與(yu) 接受麵部治療的患者均須戴防護眼鏡。

3.無關(guan) 人員不準進入激光室，更不得直視激光束。

4.操作人員應做定期健康檢查，特別是眼底視網膜檢查。

附：防護措施

1. 室內(nei) 四壁勿塗光滑白色油漆，因其反射率可達80％以上。根據激光受其補色物體(ti) 的吸收最大，因此宜選其補色，如波長為(wei) 6943的紅色激光（紅寶石激光）的補色是藍色，使用紅寶石激光時，用藍色顏料粉刷四壁為(wei) 宜。從(cong) 理論上講，以黑色為(wei) 最好，因為(wei) 它可以最大限度的吸收射向它的各色激光。

2.門窗玻璃反光性能強，應采用黑色幕布遮蔽，或塗色，或換有色玻璃。

3.裝備通風、抽氣設備，以防止汙染的空氣對人員的傷(shang) 害。

4.室內(nei) 燈光應充分明亮，因光線較暗時瞳孔散大，受激光照射進入眼內(nei) 的光能增多；尚由於(yu) 眼球的高倍聚光作用，對眼的損傷(shang) 加重。