激光在医学中应用的回顾与展望

郭学谦 许莉莉 李姗姗

(首都医科大学生物医学工程学院,北京 100069)



激光在医学中应用的回顾与展望

郭学谦 许莉莉 李姗姗

(首都医科大学生物医学工程学院,北京 100069)

随着激光技术的发展，激光在医学中的应用越来越广泛.文章介绍了以强激光治疗、弱激光治疗、光动力学治疗为主体的临床治疗模式，以及常用的激光诊断技术并详细介绍了激光扫描共焦显微镜的原理和应用，对激光在医学中的应用进行了展望.

激光医学；强激光；弱激光；光动力学；激光扫描共焦显微镜

1960年，Theodore Maiman发明世界上第一台红宝石激光器，随后激光就开始应用于医学的基础研究和临床诊断治疗.激光是物质受激辐射产生的一种相干光，它具有方向性好、亮度高、强度大、单色性好、相干性好、偏振性好的特点，这些特点使激光非常适合于疾病的诊断、监测和高精度的定位治疗.激光用来治疗疾病时，主要是利用激光照射人体组织时产生的生物效应，包括热效应、压强效应、光化效应、电磁效应、生物刺激效应等，使得许多疾病的繁难治疗过程变得简单而疗效显著.对生物组织能直接造成不可逆性损伤者称为强激光，不能直接造成不可逆性损伤者称为弱激光.

随着激光技术的进步，激光和医学的结合越来越紧密，形成了包括强激光治疗、弱激光治疗、光动力学治疗和激光诊断的临床诊疗模式.弱激光治疗不再局限于体表的照射，光针穴位照射和血管内照射在临床应用已很多.强激光手术刀，由表面的切割气化进入内窥镜手术，使病员免受常规手术的痛苦；激光光敏诊断及光动力学治疗为肿瘤的诊治开辟了新的途径；激光角膜成形术、激光血管成形术、激光心肌打孔术成为当前重要的研究应用课题；中红外激光的医学应用，以及用X波段光的发展来揭示人类生命奥秘，高速定序DNA(脱氧核糖核酸)分子结构，将掀起一场体视和显微成像的革命.以下简要介绍激光临床诊疗技术的发展以及对激光在医学中的应用进行展望.

1 激光在临床治疗中的应用

1.1 强激光治疗

强激光在临床的应用主要是手术治疗，即用较高功率密度的激光束对病灶施行凝固、汽化和切割等各级水平的手术.与传统的解剖刀比，激光刀多不出血或少出血；与传统的冷刀、超声刀和高频电刀比，激光刀的切割能力强，切口锋利，损伤少；激光刀还能通过光导纤维进人体内施行手术而不用剖腹等开腔手术，能透过眼屈光介质对眼底施行手术而不用切开任何部位，这对于任何其他传统手术是做不到的.

强激光治疗是利用激光的热效应对组织进行凝固、汽化或切割，从而达到治疗疾病的目的.激光与人体组织相互作用的热效应主要取决于激光的波长和组织的特性，这也是确定激光器应用范围的重要依据.例如人体组织75%以上是水，水对不同波长激光的吸收率不同，从而决定了不同波长激光与人体组织相互作用时具有不同的热效应.水在2.0μm附近有一个尖锐的吸收峰，在3.0μm附近有一个最强的吸收峰，如图1所示，这两个波段的激光与生物组织作用时，作用精确，并且对临近组织的热损伤较小.血红蛋白是人体组织中的另一种主要吸收基团，其吸收系数如图2所示，血红蛋白对488nm、514nm的Ar+激光的吸收率高，所以Ar+激光凝固作用好，切割作用差[1].

图1 在不同波长处水的吸收系数数据来自Hale和Querry(1973)

图2 皮肤、黑色素和血红蛋白(HbO2)的吸收光谱数据来自Boulnois(1986),Parrish和Anderson(1983)

强激光在医学上的应用已经非常普遍.从体表各种疣、痣、赘生物及良恶性肿瘤的气化切割，到内腔疾病的治疗.从最早的二氧化碳、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光到准分子激光、高能超脉冲二氧化碳激光、调Q的翠绿宝石、HO:YAG(掺钬钇铝石榴石)激光以及高功率半导体激光的应用，激光器逐步趋向于小型化、轻便化.柔韧的光纤可选择性地输出较高功率的激光.特别是近几年出现的HO:YAG和高功率半导体激光使激光外科技术获得重大进展，在普外、泌尿、妇科、耳鼻喉科等多个领域推广使用.

1.2 弱激光治疗

弱激光对生物组织不能直接造成不可逆性损伤，但可以刺激机体产生一系列生理生化反应，对组织或机体起到调节、增强或抑制作用，从而达到治疗疾病的目的.国内外学者多认为，弱激光是一种强有力的生理刺激源，利用弱激光的生物刺激作用具有改善血液循环，促进细胞再生、毛发生长、伤口愈合、组织修复，调整神经功能和免疫功能，提高肌体的抗病能力等功能.弱激光治疗是利用激光的生物刺激作用来达到治疗的目的.为了解释弱激光的生物效应，人们曾经提出多种设想和假说，如生物电场假设、偏振刺激假设、细胞受体假设等，但还没有形成学术界普遍接受的理论.弱激光治疗在临床上的应用主要有:激光理疗、激光针灸、弱激光血管内照射等.

激光理疗是以激光为物理因子，利用弱激光生物刺激作用进行物理治疗的一种治疗方法.红外激光对机体的作用是温热效应，由此引起的生理和治疗作用有改善局部血液循环和改善神经系统功能两方面.可见激光，例如应用最普遍的是He-Ne激光，由于它的生物刺激作用而具有更广泛和更有效的生理和治疗作用，主要表现在消炎作用、促进组织再生作用和镇痛作用3方面.紫外激光的生物效应主要是光化效应，小剂量可增加细胞内RNA(核糖核酸)和DNA的活性，有利于伤口的愈合；中剂量可抑制细胞内RNA和DNA的活性，能用于治疗增殖性皮肤病；大剂量能使RNA和DNA功能丧失导致细胞死亡，可用来杀菌清创.此外，还具有调节机体免疫功能、调节神经系统及内分泌功能、促进维生素D形成和消炎、脱敏作用.但是大剂量特定波长的紫外激光能引起基因突变而致癌，故在紫外激光理疗时应注意这点.

针灸医学是祖国医学的重要组成部分，针法以机械刺激施于穴位，灸法以热灼刺激施于穴位.利用低强度的激光束作为刺激源进行针灸治疗称为激光针灸.针灸对生物的刺激作用能缓解疼痛，用低能量激光束聚焦和扩束照射穴位代替针具和灸具，不会损坏病人的神经和血管，也不会留下灼伤或其他伤痕，对表面溃烂部位亦可施行治疗.与传统的针灸相比，激光针灸有无痛、无菌、安全、剂量可调等优点，因此在国际上也受到普遍重视.治疗范围包括炎症、损伤、免疫性疾病、甲状腺功能亢进、高血脂、高血压以及神经系统的病变.

弱激光血管内照射治疗国内外学者进行了诸多的基础和临床研究.虽未能解释其疗效的详细机理，但已发现和证明这种疗法具有改善血液流变学性质；调节体内免疫状态、改善机体中毒状态、提高红细胞内SOD(超氧化物歧化酶)活力、提高Na+-K+-ATP酶活性等作用；能清除体内自由基，降低体内中分子物质及减少其他有毒物质的堆积，并能退热和消炎；对精神分裂症、昏迷等病人有治疗作用；能与某些药物合用，提高疗效，这可能与激光激活药物活性并直达病所有关，等等.然而，激光血管内照射等激光治疗方法的安全性问题仍需要深入研究.图3为利用弱激光对病人实施血管内照射.

图3 弱激光血管内照射

1.3 激光光动力学治疗

光动力学治疗(photodynamic therapy,PDT)是利用激光的光化学效应，其原理是通过病灶局部的选择性光敏化作用来破坏肿瘤和其他病理性靶组织.吸收了光敏剂的病变部位在有氧条件下经适当波长的激光照射后，发生一系列光化学反应，在病变组织内产生大量具有细胞毒性的活性氧，通过氧化损伤作用破坏细胞器的结构和功能，引起靶细胞的凋亡和坏死，从而损伤靶组织达到治疗的目的.光敏剂根据来源和结构可笼统地分为血卟啉、叶绿素和染料3大类.血卟啉衍生物(HPD)是目前常用的用来治疗癌症的光敏剂.在激光辐照前48h，静脉注射HPD，刚开始所有细胞都会吸收，但正常细胞随后将其释放，肿瘤细胞则将其储留.而后用特定波长的激光辐照，HPD将产生光化作用，释放出单原子氧，杀死储留HPD的肿瘤细胞.选择性杀伤癌细胞的特定波长是治疗肿瘤病变的关键，激光的单色性使得照射能量集中在光敏剂的吸收峰上，光敏剂激发效率高，作用强.波长为630nm和532nm的激光都能有效地激活血卟啉衍生物，红色激光(630nm)对大多数组织的穿透深度大于绿色激光(532nm)，但532nm的激光对于治疗浅表性的、多中心的肿瘤，如膀胱肿瘤等取得明显疗效.叶绿素a的最大吸收峰位于630～650nm，叶绿素b位于650～680nm，细菌叶绿素位于750～800nm，基于这些植物或细菌叶绿素类的光敏剂从人体排除较HPD快，最大吸收峰均有不同程度的红移，激发光的组织穿透深度因此而增加，可提高肿瘤消融的深度和体积.

PDT是一种局部治疗方法，组织选择性好，作用精确，对微血管组织的损伤作用强，全身毒副作用小，可以多次重复进行.高强度的激光能大大增加PDT的作用深度；同时，激光具有良好的单色性又使得照射能量集中在光敏剂的吸收峰上，光敏剂激发效率高，作用强.PDT在临床上主要采用体表治疗、内腔治疗和介入治疗等方式.在体表恶性肿瘤方面，光动力学疗法是皮肤基底细胞癌、鳞状细胞癌治疗的重要备选方法，治愈率高，痊愈后外表可获得较好修复，能保持正常容貌.内窥镜下光动力学疗法可治疗腔道恶性肿瘤，具有安全、有效、痛苦小、费用低等特点，是不适宜手术或拒绝手术的患者，尤其是体弱多病老年患者的首选治疗方法.对于瘤体较大的体表肿瘤、内脏肿瘤，可在CT、B超等影像引导下进行介入PDT.此外，外科手术中，特别是腹腔、胸腔的肿瘤手术后，对手术部位可进行光动力学照射杀灭残留肿瘤组织，增加手术的彻底性.下面举几个例子说明PDT在临床上的应用.

原发性肝癌病程发展快、预后差，临床上约75%的患者在确诊时已属中晚期，无法进行切除术，利用超声引导经皮光动力治疗，可实现肝肿瘤的大体积灭活，安全有效，而且创伤小，患者痛苦小、恢复快，因此易为患者所接受.

胶质瘤是神经系统最常见的原发性肿瘤，由于呈浸润性生长，术中难以将肿瘤完全切除，术后复发率高，目前术后常规放化疗都不能取得理想的效果.由于胶质瘤复发多局限于原发部位或附近，因而局部杀灭术后残留胶质瘤细胞是预防或延缓肿瘤复发的关键.在切除肿瘤术中用PDT行空腔壁激光照射，然后常规关颅，或者术后24h经外套管插入光纤至瘤腔内重复照射，还有手术后联合PDT与局部间质化疗等手段，都能有效抑制肿瘤生长，延长生存期，改善生活质量，是安全有效的综合治疗脑胶质瘤的方法.需要注意的是PDT后坏死的组织和水肿可能造成颅内压力急剧升高，因此要尽可能在照光前彻底切除肿瘤组织，减少光动力学治疗后的坏死组织，降低迟发性脑水肿脑疝的危险.另外，由于光敏剂能够亲肿瘤和发射荧光，除了光动力治疗，还可准确地指示胶质瘤边界，所以光敏剂还被用于确定肿瘤边界和引导手术.

年龄相关性黄斑变性(AMD)可导致严重的视力丧失，脉络膜新生血管(CNV)是渗出型AMD的典型表现和主要致盲原因，须及时治疗.早期PDT治疗肿瘤的成功，特别是PDT对肿瘤中新生血管选择性的破坏作用，激发了眼科医生用PDT在眼底新生血管治疗中的兴趣.当患者眼球屈光间质基本清晰透明时，眼球是个良好的透光导光系统，适合PDT治疗.血管内皮细胞生长因子(VEGF)是一种特异性与血管生长有关的生长因子，又称血管通透性因子，有促进血管通透性的作用，在CNV形成及其在肿瘤和多种疾病的发生中发挥重要作用.通过阻断VEGF治疗CNV可以抑制血视网膜屏障的破坏、减少视网膜血管的渗漏.PDT联合玻璃体腔注射抗VEGF药物可减少PDT治疗可能引发的急性血管反应，更有效地封闭CNV，阻止视网膜渗出、促进水肿吸收，降低并发症的几率，减少CNV复发和降低PDT的治疗次数.

2 激光诊断技术

2.1 激光光谱技术

激光荧光光谱技术用于诊断疾病，具有灵敏、快速等优点.病人易接受，所以近年来国内应用激光荧光光谱诊断肿瘤的研究相当活跃，特别对诊断早期肿瘤方面已获得了一定的进展.

利用激光诱导荧光法诊断肿瘤组织主要有两种方法,(1)外加光敏物质诊断:根据荧光物质与肿瘤组织有比较强的亲和力的原理，在病人静脉注射或口服光敏剂后一段时间(一般为 48～72h)接受激光照射，根据记录下来的荧光光谱特性曲线，便可以确定肿瘤的部位.但这种方法常受到其他组织荧光和自体荧光的干扰，容易引起误诊;(2)自体荧光光谱诊断:该方法不用外源性荧光物质，利用人体组织在激光激励下产生的荧光，进行光谱特征分析，可以将肿瘤组织与正常组织区分开来.该方法能够避免注射或口服光敏药物所带来的副作用，不会损伤病变组织的生物状态和正常细胞的生理功能，因而是一种无侵袭诊断技术.同时该方法快捷、无损伤，避免了活检需长时间等待病理分析结果的缺点，它将会成为早期肿瘤诊断的一种重要手段.电子科技大学研究了两种肝细胞在 488nm 光激发下的自体荧光发射光谱如图4所示.从图中可以看出，对于正常肝细胞，在 550～800nm 波长范围内，分别在 602nm 和 691nm 处存在两个特征荧光峰，而对于肝癌细胞，在 550～800nm 波长范围内，却存在3个特征荧光峰，峰位置分别在 602nm、691nm和734nm 处，说明肝癌细胞除了含有与正常细胞的相同的生命物质外，它还含有正常细胞所没有的生命物质[2].

图4 电子科技大学研究了两种肝细胞在 488nm 光激发下的荧光发射光谱

2.2 激光多普勒技术

激光多普勒技术近年来在生物医学领域中也是颇受重视的一项新技术，它可以在线度为 10μm 左右的探测区上，以极高的空间分辨率测量细胞的流动信息，可以实时地观察和分析生物系统的瞬间过程，为微循环研究、血液流变学研究、药物学研究、病理生理研究、免疫学研究和血液病、血液循环系统的疾病诊断等方面提供重要的参数.

在血液检测中，采用激光多普勒方法由于激光的波长短，可以会聚成很细的光斑，空间分辨力可达到几个微米，这样就可检测到单一细胞的流动信息以及血管内的血流分布，并可快速、实时连续地得到定量数据，这就使得它在细微血管内的血流测量方面发挥了特殊的作用.例如，采用显微镜的激光显微镜血流计可以对人体的甲皱、唇皮等部位的单一微循环血管进行测定；激光器聚焦到眼底的血管上，可以测定视网膜血流速度；利用激光散斑血流计可以测定皮下微血管的血流量；将光纤沿着针头插入血管，获得血细胞流动的信息，同时还可以得到血流速度、血流浓度、血管径向的速度分布等参数.

在其他方面，激光多普勒效应与电泳技术结合，为研究生物分子的分子量、扩散系数、分子大小、分子形态、活细胞的电泳迁延率、表面电荷的变化提供了有效的手段；不仅如此，它还可以用于巨细胞质流的测定、动物和人体精子活力的测定[3].

激光多普勒技术的优点是对流动没有干扰，分辨率高，响应快，能判断流动方向，运行不受温度的严重影响等；缺点是当信噪比低时，需要昂贵的信号处理设备，不适合流量的精密测量等.

2.3 激光流式细胞仪(FCM)

近几十年来，激光流式细胞仪(laser flow cytometer,FCM)得到了迅速的发展.流式细胞术是生物技术、计算机技术、电子工程和激光技术等学科知识综合运用的结晶.而现代流式细胞术，更是由于结合了单克隆抗体技术，定量细胞化学和定量荧光细胞化学的应用.流式细胞仪的基本原理是对快速流动的细胞或颗粒进行多参数、快速的定量分析和分选技术.可快速将感兴趣的细胞分选出来，并且可将单个或指定个数的细胞分选到特定的培养孔或板上.

由于 FCM 采用高稳定度，高强度的激光作激发光源，因而可高精度、高灵敏度地定量检测样品中每一个细胞的多种荧光参数，快速的细胞大群体分析使得结果具有很高的统计学意义.并且由于 FCM 有现代电子技术和计算机技术的支持，使整个检测分析等工作高度自动化，保证了检测工作结果客观、准确.

随着 FCM 技术和单克隆抗体技术的发展，使免疫表型分析研究得到了迅速的发展.目前，分析工作已发展到细胞表面抗原、胞质内特异抗原、核内抗原、特异核酸序列等的同时检测，使研究同一细胞的免疫表型与其细胞功能，或细胞表型与其细胞核型等之间相互关系成为可能.FCM 细胞核的 DNA 含量单参数测定可获得细胞群体 DNA 含量分布直方图.恶性肿瘤细胞中具有比正常细胞更多的DNA含量，而FCM能以每秒1000个细胞以上的速度逐个进行单细胞分析，这就提供了统计学的精确性.FCM可评价肿瘤的化疗效应，有人尝试根据FCM的细胞动力学数据来监视肿瘤治疗.FCM也可用于遗传学研究，如分析染色体DNA含量，快速分析染色体核型和不同类型的染色体等.还有的 FCM 机型不仅仅可以作细胞膜、细胞内的检测工作，还可以做细胞培养上清液及血清里的某些因子的多参数检测.

2.4 激光扫描共焦显微镜(LSCM)

激光扫描共焦显微镜(laser scanning confocal microscope,LSCM)是在荧光显微镜成像基础上加装了激光扫描装置，利用计算机进行图象处理，使用紫外和可见光激发荧光探针，从而得到细胞内部微细结构的荧光图像，在亚细胞水平上观察细胞形态的变化.

LSCM 的基本原理如图5所示，其结构上采用双针孔装置，形成物像共轭，光源和探测器前方都各有一个针孔(照明针孔和探测针孔)，直径约100～200nm，相对于焦平面上的光点，两者是共轭的，即光点通过一系列的透镜，最终同时聚焦于照明针孔和探测针孔.这样，来自焦平面的光，可以会聚在探测孔范围之内，而来自焦平面上方或下方的散射光都被挡在探测孔之外而不能成像.激光作为点光源照射标本，在焦平面上形成一个轮廓分明的小的光点，该点被照射后发出的荧光被物镜收集，并沿原照射光路回送到由双向色镜构成的分光器.分光器将荧光直接送到探测器.激光逐点扫描样品，探测针孔后的光电倍增管也逐点获得对应光点的共聚焦图像，转为数字信号传输至计算机，最终在屏幕上聚合成清晰的整个焦平面的共聚焦图像.

图5 LSCM 的原理图

LSCM 的高灵敏度、高分辨力、高放大倍数，提供了光学显微镜无法显示的结构，是细胞生物学研究上了一个台阶，不仅可以观察固定的细胞、组织切片，还可对活细胞的结构、分子、离子进行实时动态地观察和检测.LSCM应用照明针孔和探测针孔共轭成像，有效抑制了焦外模糊成像并可对标本各层分别成像，对活细胞行无损的“光学切片”这种功能也被形象地称为“显微CT”.

3 展望

3.1 激光器的小型化、智能化、精密化

未来在医学上用以治疗的激光器将向大功率、小型化、智能化、精密化方向发展.随着小型半导体激光器波长范围的扩展和功率的提高，在医学上获得更加广泛的应用.半导体激光目前已经用于软组织切除以及组织接合、凝固和汽化.在生命科学研究中，使用半导体激光的“光镊”，可以捕捉活细胞或染色体，并将它们移至任意位置，可用于促进细胞合成、细胞相互作用等的研究，还可以作为法医取证的诊断技术.

随着现代光学和激光技术的发展，包含不同功能的智能设备将得到应用.在激光治疗中，利用成像、在体显微技术、光谱学技术等的激光诊断将联合应用.相同的光纤和光学器件既被用于诊断又被用于治疗.例如，在激光血管成形术中，利用激光的高能量可以汽化血管内的血栓和硬化斑块，所以在治疗动脉粥样硬化性血管疾病方面具有重要的应用价值.计算机控制的双激光系统可减少激光血管成形术的穿孔危险，其原理是根据斑块和正常血管壁荧光光谱的不同，诊断激光用来探测和识别斑块并进行瞄准，采用光谱分析技术及计算机识别来控制治疗激光系统自动开启进行照射，当斑块光谱消失，出现正常组织光谱时，激光照射便停止.

随着固体激光器锁模技术的提高，获得脉宽为几十飞秒的脉冲已经不是困难的事情，飞秒激光以其高度的精确性，被认为是理想的超精密的外科手术刀.现在飞秒激光主要应用于激光视力矫正，国内应用飞秒激光治疗青光眼的研究已经取得成功.飞秒激光还能用于切割易碎聚合物，而不改变其重要的生物化学特性，这意味其在分子生物学、基因治疗等科学领域有着巨大的应用价值.

3.2 多波长激光在空间、时间上的组合使用

多波长激光的组合使用可以产生优于单一波长的医疗效果.如在激光美容中，通常用CO2激光(10.6μm)作大面积去皱后，再用铒激光(2.94μm)作精细修整.在治疗过程中还可以根据反馈的情况，实现功率和时间的自动调节.

多功能多波长的激光美容系统，是集755nm的翠绿宝石、1064nm的Nd:YAG、可调脉宽532nm和倍频YAG为一体，在去除色素性病变如:太田痣、错误纹眉、纹身、血管瘤、鲜红斑痣的治疗中能发挥很好的作用.它配有蓝宝石冷却头，对周围组织的热损伤较小，疤痕发生几率明显下降.

3.3 激光与光纤技术相结合

激光应用中，主要有两个关键问题，一是激光器的研制，另一个则是激光的传输.光纤是最为理想的激光传输载体，它具有高度灵活性，但它的使用还有一定的局限，目前只能用于传输可见光和近红外激光，而对于紫外激光，特别是193nm的ArF激光，还没有合适的光纤进行有效传输.如何解决高能激光脉冲的传输也是很重要的问题.高能脉冲在进入光纤时会产生冲击波，会造成光纤的重大损伤，限制了进一步的传输.美国、日本等很多国家都在积极进行特殊光纤的研制，并取得了一定的进展.光纤技术的突破将会为激光在医学领域开辟更为广阔的应用前景.随着内窥镜技术的普及和光导纤维传输方式的实现，越来越多的激光应用于腔内微创手术的治疗.在这些手术中，只需要经过生理腔道或人工腔道，即可将激光导入需要诊断和治疗的部位.例如，利用激光荧光光谱腔内诊断肿瘤，利用激光导入腔内实施经尿道的前列腺汽化术、膀胱肿瘤、经皮治疗肾肿瘤、肝脏的汽化切除等.在某种意义上，激光对人体组织穿透的深度随着微创器械的发展已经不是障碍.

随着光通信网络及相关技术的飞速发展，双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实.自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术成为制作高功率光纤激光器首选途径.低功率光纤的光纤激光器已经逐步应用到临床，例如光相干断层扫描(OCT)、显微外科手术和换肤.由于光纤激光器具有成本低、操作简易、能量传输范围宽(脉冲和连续波激光)等特点，可用于外科手术和诊断成像.国外掺镱，掺铒，掺铥的激光器在临床上已经取得优异的疗效，国内也已经成功开发应用于结石的脉冲光纤激光器，虽然目前国内光纤激光器的功率还较低，但随着在激光功率和光束质量提高，光纤激光器的开发和应用将得到快速发展.各种掺杂光纤的研制和包层泵浦高功率光纤激光器面市，无疑为光纤激光器的发展和应用提供了有力的技术支持.功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了非常重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源.目前，光纤激光器用作止血和手术刀已出现在许多内外科手术中，并逐渐被广大医学工作者所认同.高功率激光器的引进，使组织脱落和凝固手术的时间大大缩短.

3.4 与纳米技术相结合

光学技术的最新发展，尤其是飞秒激光和纳米技术为细胞和亚细胞层次的选择性治疗开辟了新的途径.激光可以用来影响细胞的功能，基于激光的细胞手术能使治疗区域有更高的时空分辨率.[4]美国研究人员制造出了一种最小的激光器——纳米激光器.该器件因能产生一种称为表面等离子的辐射而被命名为“spaser”.spaser包含一个直径仅为44nm的单纳米粒子，激光器的其他不同部分的功能则与常规激光器无异.在普通激光器中，光子通过可放大光线的增益介质在两个镜面间反弹，而spaser中的光则围绕一个等离子形式的纳米粒子核中的金球表面进行反弹，通过在金球上喷涂嵌有染料的硅层来实现能量不会快速从金属表面消散，硅层可作为增益媒介.来自spaser的光可作为等离子体保持在限定区域，亦可作为可见光范围的光子离开粒子表面.像一个激光器一样，spaser必须“泵”入必要的能量，研究人员利用光脉冲轰击粒子来达到这个目的.科学家们希望今后能用电流激活纳米激光器，这样纳米激光器就能用于电路，最终有可能被用于鉴别化学物质、提高计算机磁盘和光子计算机的信息储存量.

美国科学家研制出世界上最细的激光束——纳米激光，能使激光从一个蛋白质分子粗细的小孔中穿过，该成果在激光物理学领域具有里程碑式的意义，将有可能开创光学研究的新时代.在分子生物学上，纳米级的激光可用于对DNA分子进行探测和控制；在通信领域可大幅提高基于光传导的信息传送速度和带宽；在光学计算机领域对现有技术也有极大的促进作用.而日本大阪大学的科学家使用两束激光，对一种遇激光凝固的树脂材料进行加工，雕刻出了10μm长、7μm高的世界上最小的公牛像.科学家希望将来能用这种技术制造可在人体血管中自由通行、进行治疗的超微医疗器件；制造微型传感器和新型计算机存储器等.德国科学家也首次实现了用激光钳将单个原子移向所希望的方向，移动距离达1cm之多.

可以看出，激光医学的未来发展确实充满着巨大的机遇、挑战和创新空间.需要注意的是:并不是每一个激光治疗疾病的报道都能在其他的医疗机构重现；同样的效应对某种疾病的治疗是有效的，而对另一种疾病的治疗则可能是灾难性的.国内外激光医学领域开始对激光医疗过程及其相应的治疗机理进行研究，试图从理论上对各种治疗过程及相应的治疗效应进行解释，因而形成了激光与生物组织相互作用机理研究的学科，进而发展成为生物医学光子学学科领域.

[1] 顾瑛.激光医学[J].物理，2010，39(8):516.

[2] 李静.癌细胞与血液的特征荧光光谱研究[D].成都:电子科技大学,2009.

[3] 傅星,刘昀强,胡晓东,等.适用于MEMS 动态测量的显微激光多普勒技术[J].光电子·激光,2004,15(11):1357-1358.

[4] Huttmanna G,Yao C P,Endl E.New concepts in laser medicine:Towards a laser surgery with cellular precision[J].Medical Laser Application,2005,20(2):135-139.

[5] Niemz.激光与生物组织的相互作用——原理及应用[M].北京:科学出版社，2005.

[6] 李正佳.激光生物医学工程基础[M].北京:国防工业出版社，2007.

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APPLICATIONS OF LASER IN MEDICINE:RETROSPECTION AND PROSPECTION

Guo Xueqian Xu Lili Li Shanshan

(School of Biomedical Engineering,Capital Medical University,Beijing 100069)

Laser has been increasingly applied in medicine as laser technologies advance.We presented major clinical therapeutic modalities such as high and low power laser therapy and photodynamic therapy,as well as common laser diagnostic technologies.In addition,we introduced the principle and applications of confocal laser scanning microscopy in detail and made a prospection on the applications of laser in medicine.

laser medicine;high power laser;low power laser;photodynamic;laser scanning confocal microscope

2015-05-14

郭学谦，女，副教授，主要从事物理教学科研工作,研究方向为生物力学、激光医学.guoxq@ccmu.edu.cn