激光与生物组织光热效应的国外研究进展

夏文财

摘 要 激光是一种电磁波，当它传播的频率和生物组织分子的振动频率相等或者相近时，就会增强它的振动，这种分子振动就是产生热的机理，也被称为热振动。本文简要介绍了激光与生物组织光热效应的发展。

关键词 激光 生物组织 热效应

激光作用于生物组织时产生的各种效应是激光在军事、医学等多个领域应用的基础。激光辐照生物组织时，由于生物组织在结构上和组成成分上的复杂性以及激光各项参数的变化，将导致其相互作用机理发生改变，激光辐照生物组织产生的各种效应可分为：光化学作用、光热作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除以及光致破裂五类。

激光与生物组织的光热效应首先应用于医学领域，1961年Zaret等人，随后Cambell等人（1963年）相继对使视网膜脱落的激光焊接技术进行研究，并且很快将研究成果应用于临床患者的治疗上，并得到了令人意想不到的惊喜。目前，激光矫正视力已经在临床上取得了显著疗效。目前，利用激光对生物组织的光热效应来破坏和治疗肿瘤的一项新技术引起了广大学者的兴趣，该技术可在不对人体造成物理损伤的前提下，破坏肿瘤组织而不对周围正常组织造成任何影响，该技术首先在英国得到了临床应用，并取得了成功。随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们对将激光与皮肤组织的光热效应运用于美容的愿望也越来越迫切，Anderson RR博士在1983年、Cain CL博士在1989年、Bitter PH博士在1995年、Zelickson博士在1999年相继进行了将激光与皮肤组织的光热效应应用于激光美容的理论与实验研究，并提出了选择性光热解理论，成功的将激光除皱、光子嫩肤等技术运用于临床治疗上。

目前，激光与生物组织光热效应的研究主要从两方面展开：一是组织光学，指生物组织中光子的运动规律，不同生物组织对光子运动的影响，它是在光学、生物学、解剖学和生命科学等学科的基础上发展起来的一个新兴学科，该学科从诞生就表现出了强大的生命力。二是生物热学的热传导理论。随着激光与生物组织的光热效应在医学领域和军事领域的应用越来越广泛，发挥的作用越来越重要，促使越来越多的学者参与到该领域的研究中。首先人们对得到光能量在生物组织中的定量分布越来越迫切，促使世界各国大量的学者开展了对光子在组织中的运动规律和光子在组织中分布的定量研究，并通过建立数学模型模拟了光子在组织中的运动规律，其中运用最广泛、模拟结果最符合实际的是蒙特卡罗（Monte-Carlo）法，通过仿真计算和实验测量得到了不同波長的激光辐照各类生物组织的光学参数，然后以此为出发点，对激光辐照后组织中的光分布进行了定量描述，得到了生物组织中的热分布，进而取得了许多重要的研究成果。

由于激光与生物组织光热效应的重要性和应用前景逐渐被世人所认识，国际上越来越多的科研机构和院所在该领域展开了研究，著名的有：美国的Univ. of Texas/Austin，俄罗斯的Saratov State Univ等单位。国外对激光辐照生物组织产生的光热效应已经有了一定的研究，在组织光学领域取得的成绩主要有：Prahl提供了用蒙特卡罗方法模拟光子在生物组织中传输的流程与计算方法，为后继学者提供了方便。Scott A. Prahl在上世纪七十年代，M. S. Patterson在1989年，R. A. Bolt在1993年先后展开对生物组织光学特性的研究，通过使用组织模拟液对组织的各项光学参数进行了研究和测量，并将实验测量的光学参数与蒙特卡罗模拟结果进行比较。Judith R. Mourant通过使用光纤传感器实验测量了组织表面的光分布情况，对激光波长变化时，组织的光学参数及组织表面光分布的变化情况进行了深入研究。A. Kienle通过使用蒙特卡罗方法，对光子在多层介质中的传播与光分布情况进行了仿真研究，并通过实验测量光子在组织模拟液中的分布，验证了该方法的有效性及合理性。N.Ghosh通过研究发现光子在正常组织与癌变组织中的光分布及光学性质有着较大的差异。

在热传导领域取得的成绩主要有：德国科学家Markolf H. Niemz对激光与生物组织相互作用的原理进行了详细的介绍。Sohi Rastegar对激光辐照组织时，组织的光学性质对光分布与热力学过程的影响进行研究。激光辐照生物组织的物理过程在A. L McKenzie的综述文章中进行详细介绍。J Grezee对灌注组织的热平衡理论进行深入研究。C. Sturesson对激光辐照时组织的温度场分布的数学模型进行研究，并结合光动力学疗法（Photodynamic Therapy，PDT疗法），在考虑对流等因素的影响下，利用显式有限差分方法数值计算热传输方程，得出生物组织的温度分布。以色列科学家Bernard Lobel通过红外温度传感器对生物组织进行测温，将组织内的温度测量结果传给电脑，而后通过电脑对激光输出的能量大小进行调节，进而对激光手术进行控制的方法，对温度控制CO2激光焊接软组织进行了理论和实验研究，实验表明：可将组织的温度控制在55℃€？.5℃范围内，最佳治疗温度会因辐照组织不同而改变，同时指出激光的波长、输出功率与辐照时间的定量选择上还需要进一步的分析。

在生物组织热损伤领域：Ramtin Agah、Beop-Min Kim、Dan Zhu、Megumi N Iizuka和Karen M. McNally等人定量研究了生物组织吸收系数、散射系数及灌注率随热损伤变化而改变时，激光辐照下生物组织的热效应。N. Ghosh，S. K. Mohanty等学者通过研究发现组织光学性质的变化与组织的热损伤程度有很大关系，可通过测量组织的光学参数来确定组织的热损伤情况；Paithankar则对组织的热损伤程度的评估进行了深入研究。

参考文献

[1] 赵瑾瑜.激光超声引起血红蛋白配合物光解反应和生物组织热效应研究[D].南京大学，2016.

[2] 李乐乐.离体生物组织激光焊接工艺试验研究[D].南京理工大学，2016.