光在医疗领域的应用

吴信蔚，洪艺军

(广明源光科技股份有限公司，广东 鹤山 529700)

引言

人类对于光的研究始于公元前400年，当时古希腊哲学家柏拉图首次给出了光的哲学解释。他提出，光源自于眼睛，被外界物体反射后被眼睛捕捉，由此使人们能够观察和理解世界。然而直到中世纪，伊斯兰科学家阿尔海姆森在《论光学》中提出，人之所以能看见物体，并非因为眼睛向物体发出光线，而是由于物体从各个角度发出或反射的光线进入眼睛。这一观点颠覆了人们对光的认知，并让光学逐渐被人们正确理解。

到了1864年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在对电磁学进行多年研究和验证后，提出了革命性的理论——光是一种电磁波，其传播不依赖于介质，而是由电和磁的振动所驱动。这一理论的出现标志着现代光学知识体系的建立。

光可根据电磁波的波长(或称为光波的波长，以下统一称光波长)被分类为红外光、可见光和紫外光。人眼能感知的光波长范围在380～700 nm之间，这种光称为可见光。波长越短，光的颜色偏蓝；波长越长，光的颜色偏红。若光线覆盖了全光谱，便能产生自然光，即白光。当光的波长低于人眼可感知的最低光谱波长380 nm时，我们将这种光统称为紫外光；反之，若光的波长高于人眼可感知的最高波长700 nm时，我们称之为红外光。由于人体的不同部位和组织器官对不同波长的光的吸收程度不同，光在医疗健康方面的应用因此变得多样化，为光与医疗的广泛结合提供了理论基础。

1893年，被誉为“光医疗之父”的丹麦医学家尼尔斯·芬森成功运用红光和红外光加速了天花的痊愈进程；1895年，芬森又运用光学医疗方法，首次开创了紫外光治疗寻常狼疮的新途径；1903年12月10日，瑞典皇家卡罗林医学研究院宣布，由于芬森在治疗寻常狼疮的研究上取得的卓越成果，决定授予他当年的诺贝尔医学或生理学奖。从此，光学医疗得到了科学界的正式接受，吸引了越来越多的人投入到这个领域，开启了光学医疗的新时代。

1 可见光在医疗领域的应用

1.1 蓝光疗法

在可见光光谱范围内，红光和蓝紫光已在光学治疗中得到广泛运用。1956年，罗奇福德将军医院的护士发现，让早产儿在户外晒太阳可以减轻黄疸症状。这一观察引起了克莱默博士的关注，他的研究发现，波长在420～480 nm的蓝光能被胆红素吸收，进而发生氧化反应，有效降低胆红素的含量。1966年，美国佛蒙特大学的卢锡教授经过一系列的临床试验，证实了其安全性，并推广了这一治疗方法。经过50多年的发展，研究者发现胆红素主要吸收450～460 nm的蓝光和510～530 nm的绿光。然而，由于绿光可能对人体产生不良影响，现在的治疗主要使用蓝光。目前，应用蓝光波长的LED灯、卤素灯、光纤毯等多种产品已经成为治疗婴儿黄疸的主要手段。

1.2 红光疗法

红光疗法通过刺激线粒体中的细胞色素c氧化酶，增加细胞的ATP产生，进一步提高细胞活性。人体细胞的线粒体对640～660 nm的红光有最大的吸收率。研究表明，红光照射可以提高线粒体中过氧化氢酶的活性，从而加快新陈代谢，增加糖原含量，加强蛋白质合成和ATP分解，这都有助于促进细胞更新，加速伤口和溃疡愈合。此外，红光疗法还可以增强白细胞的吞噬能力，提高身体的免疫功能。因此，红光疗法在临床上被广泛用于治疗各种疾病。

自芬森提出光学疗法以来，欧洲在光医疗领域取得了飞速发展。20世纪60年代，欧洲已经开始使用红光疗法作为缓解疼痛的方式，特别是对于风湿病和关节炎等常见疾病，红光的定量照射能显著缓解疼痛。1970年，美国宇航局通过验证红光对宇航员伤口愈合的辅助作用，进一步确立了红光疗法的医疗效果。到了20世纪90年代，随着欧洲体育产业的高速发展，光疗法被引入欧洲各国的体育康复理疗。在红光的辅助治疗下，运动员的康复速度大大提高。现在，利用红光促进伤口愈合的疗法已广泛应用于各大医院，红光治疗仪成为许多医院必备的辅助治疗设备。此外，红光对于由毛囊新陈代谢问题导致的脱发，以及由线粒体障碍引起的视力下降也有显著的疗效。

1.3 可见光混合疗法

寻常痤疮是一种常见的皮肤疾病，其主要症状包括面部、胸部和背部的粉刺、丘疹和脓疱等。在2001年前后，随着红光和蓝光治疗研究数据的积累，人们开始尝试使用混合光治疗更为复杂的症状。基于蓝紫光对牛皮癣治疗的效果，以及红光刺激细胞活化、加快代谢的能力，人们开始探索红蓝混合光在皮肤疾病治疗中的应用。研究发现，混合的红蓝光能够改善皮肤细胞的代谢，促进胶原蛋白的生成。其中，红光波长通常在620～630 nm之间，高纯度且适宜强度的红光在皮肤护理和保健治疗中效果显著。红光能够提高细胞的活性，促进细胞的新陈代谢，加速血液循环。痤疮的形成主要是由于丙酸杆菌的大量繁殖，而波长约为470 nm的蓝光可以有效地杀灭这种细菌[1]。蓝光的穿透力较弱，适量的蓝光可以在杀灭表皮层细菌的同时对真皮层没有副作用。经过20年的研究和技术的不断完善，红蓝混合光因其安全、有效且几乎无副作用的特点，在治疗痤疮以及其他由细菌引起的皮肤炎症中已被广泛应用。除此之外，以500～800 nm宽谱光为核心的光子嫩肤技术在消除皮肤表面色素沉积和美容保养方面也逐渐引起人们的关注。我们相信，在未来会有更多的宽谱光源或混合可见光应用于医疗保健领域。

2 红外光在医疗领域的应用

2.1 红外光治疗

随着红光医疗技术的研究日臻深入，红外光在人体治疗领域的应用引发了极大的兴趣。自20世纪30年代以来，红外光理疗技术就已经广泛应用于临床治疗。红外线可以根据波长被划分为三个部分：近红外线(0.75～1.50 μm)、中红外线(1.50～6.0 μm)及远红外线(6.0～1 000 μm)[2]。近红外线对人体产生的热效应和脱水情况较轻，其治疗感觉更为温和，能够深入皮肤组织，针对病灶部位进行治疗。这使得近红外线成为治疗深层人体组织疾病的理想选择，如肩颈椎病、腰椎间盘突出、膝关节疾病，甚至血管、淋巴管和神经末梢等问题。而中远波红外线产生的热效应较强，可以均匀地照射到皮肤表面，因此更适于治疗皮肤表面的炎症、疼痛、术后粘连、软化瘢痕等问题。红外线的吸收率与皮肤的色素沉着有关，有色素沉着的皮肤相比于无色素沉着的皮肤更容易吸收红外线。因此，红外线也常用于祛除色素沉积、痤疮疤痕以及痣等皮肤问题。

2.2 红外光诊断

血液中的不同物质对特定波长的光会产生不同的反射和吸收，形成独特的光谱特征。在监测血液中目标成分的仪器中，常选择发射红光和红外光。指夹式血氧仪是一个广泛应用的例子。该设备一端装有两个发光二极管，分别发射波长为660 nm的红光和910/940 nm的红外光，另一端则是光接收器。在血氧测量时，仪器通过检测氧合血红蛋白和还原血红蛋白对不同波长光的吸收率，得到血氧饱和度的基本读数。类似的，血糖测量仪通过检测血糖对红外光谱的反射特征来测量血糖含量[3]。

近红外成像仪(NIRS)利用红外线检测目标与背景之间的差异来生成灰度梯度图像。该设备的工作波长范围一般为0.78～2.0 μm，发射的光能够穿透人体，而不被水和血红蛋白强烈吸收。NIRS在医学诊断中主要应用于对人体外周组织的成像，尤其是微循环中血红蛋白氧饱和度的检测。此外，NIRS还广泛应用于大脑血流成像，心脏、乳房、前列腺、皮肤等癌症的辅助诊断和手术中。在儿科心脏手术中，也开始使用NIRS来实时监测静脉血氧饱和度。此外，NIRS还应用于血液样本等实验室检验分析。

红外热成像技术可以快速测量并呈现物体的热分布。在医疗领域，红外体温枪就利用了这项技术，能够快速、准确地测量体温，使得其在效率和便捷性上大大超越了传统的水银温度计。更为重要的是，红外热成像可以大规模地进行人群体温检测，对疫情控制具有重要作用。疫情爆发时，在公共场所，如医院、商场和车站，出入口处的红外热成像系统可以迅速筛查出体温异常的人群，助力防控疫情。

3 紫外光在医疗领域的应用

3.1 紫外光的消毒效果与应用

紫外光作为一种医疗工具在卫生保健领域中的应用十分广泛。紫外光是波长范围在10～400 nm的电磁辐射，其中包含了紫外C波段(100～280 nm)、紫外B波段(280～315 nm)以及紫外A波段(315～400 nm)。其特殊的短波长特性使得紫外光具有极高的光子能量。这种能量足以对微生物(如细菌、病毒和芽孢等病原体)的分子键产生直接的辐射作用，进而引发核酸的辐射损伤和破坏，从而达到消毒和杀菌的目的。在空气中，紫外线的高能量还能触发氧气的活性，生成活性氧和臭氧，通过这种方式实现有机物的氧化或臭氧消毒。相比于传统的消毒和杀菌方法，紫外线消毒无需使用大量的化学试剂，无添加、无残留的特点使其优于其他消毒方法。即使是低能量的紫外线，也能在短短2 s内实现99%以上的高效杀菌和病毒灭活。对于细菌和病毒，紫外线无差别的杀菌方式几乎是“一招致命”的杀灭方式。然而，其应用也有限制，例如对于大面积的室外环境，紫外线消毒就显得力不从心。因此，紫外线被誉为一种清洁且高效的杀菌和杀毒方法。

由于病原微生物的核酸能够吸收UV-C光，吸收峰值在260 nm附近，因此常见的紫外线杀菌方式一般选择采用253.7 nm或253.7 nm与185 nm混合的方式。当前，众多医疗设施如医院、诊所等场所使用的紫外线杀菌灯、消毒车等，都是采用这种方式进行消毒杀菌。特别是在疫情期间，紫外线消毒的能力显得尤为重要，因此在各类医疗场所得到了广泛的应用。然而，对人体来说，传统紫外线只能在很低的照射强度下进行直接照射，高强度的紫外线会对皮肤造成伤害，甚至有致癌的风险。为了克服紫外线的这些副作用并更好地利用其杀菌效果，科学家们对UV-C波段的紫外线进行了大量研究。由于较短波长的紫外线穿透能力较弱，UV-C波段的紫外线在适当地控制下，可以不穿透皮肤角质层，却能有效杀灭皮肤或衣物表面的病菌。近年来，波长为222 nm的准分子灯紫外线因其低穿透能力和高杀菌效果受到了国际关注，越来越多的科研机构开始探索其“人机共存”的可能性。

经过一系列小鼠实验后，有两名研究人员自愿使用前臂皮肤进行了相同条件的远UV-C辐照实验，实验结果以CPDs为DNA损伤的标记(图1)。由于高剂量的UV-B对人体伤害较大，所以没有进行基于UV-B的对照实验[4]。实验结果显示，远UV-C辐照皮肤后，CPDs仅出现在无增殖能力的表层细胞上，没有到达具有增殖能力的基底层，因此研究人员认为其没有致癌风险。

图1 UV-B和远UV-C 辐照人体皮肤CPDs出现示意图Fig.1 Schemayic diagram of the appearance of CPDs in human skin irradiated with UV-B and far UV-C

然而，值得强调的是，这只是初步的研究结果，并不意味着远UV-C光辐照在所有情况下都是安全的。我们仍需要更多的研究来验证这些发现，并确保在实际应用中能够在保障人体安全的前提下充分发挥紫外线的消毒效果。此外，进行这类实验时，研究人员必须严格遵守人体实验的伦理规定，确保实验对象的权益得到充分的保护。

研究人员还进行了进一步的实验以探究222 nm紫外光是否对眼睛造成损伤。他们使用CPDs作为DNA损伤的标记，在222 nm远UV-C辐照下，发现CPDs仅在大鼠角膜上皮最外层的细胞中出现(图2)。这些受影响的细胞会在几天内自然脱落，而在12 h后，研究人员在角膜上皮最外层的细胞中已无法再检测到CPDs。然而，作为对照，254 nm UV辐照会导致CPDs在角膜的各个层级(包括角膜内皮)都被检测到，且12 h后角膜上皮中仍能检测到CPDs。这个发现证实，222 nm波长的UV-C光线几乎无法穿透角膜上皮，而254 nm的光线则能穿透上皮细胞和基质层[4]。

图2 远UV-C和灭活UV-C 辐照大鼠角膜CPDs出现示意图Fig.2 Schematic diagram of the appearance of CPDs in the cornea of rats irradiated with far UV-C and inactivated UV-C

因此，我们可以预见，222 nm的紫外线将成为未来紫外线医疗应用的一个重要方向。

3.2 紫外光在医疗领域的应用

紫外光，尤其是其较弱的穿透能力，使其在医学领域中成为一种有效的皮肤病治疗方法。具体而言，紫外线B波段(UVB)和窄带UVB已被广泛采用，成功治疗了一系列皮肤病，如白癜风和银屑病；紫外线A波段(UVA)通常与光敏剂配合使用，以处理光敏性皮肤病和某些类型的白血病。

白癜风是一种以皮肤白斑为特征的疾病，主要由免疫、神经化学、遗传等因素导致黑素细胞受损，从而减少黑色素的生成。UV光疗法在治疗白癜风中的基础机制是通过人体对紫外线的吸收，促进黑素的合成。在皮肤吸收紫外线后，表皮黑素细胞的体积增大，树突延长，酪氨酸酶活性增强，从而使黑素的合成增加，表皮黑素含量增高，使皮肤颜色加深。此外，紫外光疗法在治疗银屑病中的作用是通过特定波长的紫外线抑制皮肤表皮细胞过度增殖和异常分化，减少鳞屑的生成并促进炎症的消退。目前，308 nm的紫外光已被国际医疗社区公认为治疗白癜风和银屑病的有效方法[5]。

除此之外，UV-B紫外线也能有效治疗一些原发性光敏性皮病，如多形性日光疹(PLE)、日光性荨麻疹、光化性痒疹、种痘样水疱病等。进入21世纪后，扁平苔藓、皮肤瘙痒症、溢脂性皮炎、获得性穿透性皮病等也被科学研究证实可以通过窄带UVB进行治疗。因此，紫外光在医疗健康领域的应用展现出了巨大的潜力和广阔的前景[6]。

4 激光在医疗领域的应用

4.1 激光及其医疗应用

激光是一种通过能量转移受激产生的光，它具备优越的方向性、高强度、窄波宽和高度相干性等特性。爱因斯坦在1917年解释黑体辐射定律时，提出了光的吸收和发射可以通过受激吸收、受激辐射和自发辐射三种基本过程进行的假设。与传统的自发辐射热光源不同，激光的发射是通过一系列精细的过程：首先，处于较低能量的基态轨道上的电子吸收与其能级匹配的外部能量，从而被激发到激发态；然后，遵循能量最低原则，激发态电子通过辐射跃迁回到基态，从而产生光。

由于激光的强度可以超越大多数传统光源，并且具有良好的方向性，因此在医疗领域，其主要应用为外科手术，如进行精确切割和剥离等操作，具体的应用见表1[7]。

表1 不同波长及类型激光器对应治疗病症清单Table 1 List of treatment symptoms corresponding to different wavelengths and types of lasers

4.2 激光眼科

眼睛是人类直接感知世界的基础器官，也是我们使用频繁的组织之一。随着科技的进步，人们在学习和娱乐中使用眼睛的时间明显增加，从而导致眼科疾病的增多。同时，眼睛也是人体最脆弱的组织之一。激光以其卓越的方向性和精准的控制性，在眼科治疗中提供了高安全性，已经成为眼科外科治疗的理想选择。其中，准分子激光或飞秒激光切割角膜基质层，通过改变角膜的曲率半径和厚度，从而矫正近视和散光，是最常见的应用。

青光眼是由于房水循环障碍导致眼压升高，是导致人类失明的三大原因之一。降低患者眼压是青光眼的主要治疗方法，以防止过高的眼压对视神经的损害。虽然常见的治疗方法包括眼药水、口服药物和眼外引流手术，但这些方法可能由于个体差异或并发症(如视力下降、低眼压和炎症)受到限制。而激光治疗能够适用于各种类型和各个阶段的青光眼，并且由于其高精度和无接触的特性，可以最大程度地减少术后并发症[7]。

糖尿病视网膜病变的早期临床表现通常包括微动脉瘤的形成和视网膜内出血。微血管的损伤导致视网膜毛细血管无灌注、棉絮斑、出血量增加、静脉异常和视网膜内微血管异常 (IRMA)。在这个阶段，血管的通透性增加会导致视网膜增厚(水肿)或渗出液，进而影响中心视力。研究表明，采用抗血管内皮生长因子(VEGF)的康柏西普或雷珠单抗进行注射，并结合使用532 nm的激光进行治疗，可以显著改善病情[8]。

4.3 激光治疗肿瘤

现有的对于肿瘤的常规治疗方法主要包括外科手术、化学药物治疗以及放射治疗等。然而，这些治疗方法均存在较大的副作用，并且难以彻底清除肿瘤，因此复发的可能性较大[7]。运用激光杀死肿瘤细胞可以定向地消除病灶。虽然在这个过程中会有部分正常细胞受到损害，但是被杀死的正常细胞很少，远不足以影响人体功能。因此，激光治疗肿瘤的益处远大于其副作用，在某些情况下甚至可以完全代替或优于化疗。

皮肤血管瘤是一种常见的良性肿瘤，多发生于婴儿。血管瘤不仅影响美观，还可能出现溃疡、出血、感染等并发症。激光治疗的原理是对血管中的氧合血红蛋白进行辐射，使其吸收能量后受损破裂，从而达到消除肿瘤细胞的效果。在同时考虑氧合血红蛋白和激光穿透能力的情况下，577 nm左右的激光最适合用于治疗血管瘤。

此外，医疗美容行业也广泛使用激光来去除疤痕；X射线在医疗检测中也得到了大量应用，以及其他诸多光医疗的应用案例。

5 结论

光科技的进步在很大程度上催生了医疗技术的革新，光医疗的历史则是伴随着光科技的进步而持续展开。自从光医疗的概念被提出以来，无论是在伤口愈合、代谢促进等辅助治疗领域，或是在消毒杀菌、健康保护，乃至外科手术、定向清除病灶等方面，都展现出了显著的进步和广泛的应用。深刻理解并有效利用光对生物体产生的物理和化学影响，将使光科技与医疗的结合更加紧密。鉴于光医疗所展现出的简便、安全、穿透力强和指向性优势，未来它有望发展成为医学领域的一个主流治疗手段。