激光有哪些生物效應

A. 激光有哪些功能

激光生物學效應一般是指激光作用於生物體後產生的物理、化學或生物學的反應。一般有熱效應、光化學效應、壓強效應、電磁場效應和生物刺激效應。

一、光致發熱作用
可見光和紅外光區的激光對組織以熱效應為主。由於溫度對活細胞的影響是一個決定性的參數。因此，當機體受熱而溫度上升時，在一定安全數值內可以促進血液循環，改善營養狀況，達到治療目的。如果超過一定溫度，則會使組織凝固或氣化，使病變組織得以破壞、清除，而達到治療目的。因此，利用激光產生的熱來治病，是激光醫療的重要手段。
激光對皮膚的熱作用根據程度分述如下。
1、熱致溫熱：皮膚由於吸收激光的能量而產生熱的感覺。皮膚的表面溫度達38-40攝氏度時，即可產生溫熱感。CO2激光照射皮膚時，光斑直徑1cm，功率密度0.1W/cm2，可出現溫熱感覺。由於白色皮膚對He-Ne激光的反射率是CO2激光的10倍，所以He-Ne激光的功率增大10倍，才引起皮膚的溫熱感覺。對這種溫熱效應能量級的激光照多長時間也不會引起生物組織的損傷，因為其熱儲存可為生理熱擴散抵消。
2、熱致紅斑：皮膚溫度上升至43-44攝氏度時，幾秒鍾之內即可出現紅斑，皮下血管擴張，血流速度加快，由於熱作用，增加了血管壁和細胞膜的通透性，出現了少量的炎性滲出物，使組織出現輕度水腫。
3、熱致水泡：當吸收激光能量使皮膚溫度上升到47-48攝氏度時，約4-9秒內即有炎性滲出物瀦留在皮下，以致表皮和真皮分離而形成水泡，受損區皮膚輕薄，水泡越大，受照射部位有明顯水腫，皮膚呈蒼白色，淺層血管受熱凝固(白蛋白從45-60攝氏度就開始凝固)，皮膚出現痛感。皮膚溫度從45攝氏度上升到52攝氏度時，痛覺上升明顯。到50度時除痛覺外，尚有灼熱感，超過50度時只有痛感而無灼熱感。這是因為傳熱的神經纖維在50度時就受到破壞，當皮膚溫度上升到70度以上時，則傳導痛覺的神經纖維末梢受到破壞。
4、熱致凝固：當激光照射皮膚溫度升高到55-60攝氏度時，在10秒內受照射處很快發生凝固壞死。組織學觀察可見到其下較深處發生自溶分解，再深處是炎症區，這種熱凝固壞死是均勻的，凝固區的的細胞幾乎無一倖免。
5、熱致汽化：由於組織內含有大量的水，在100度時沸騰。當皮膚溫度超過100攝氏度時，細胞內外的水溶液可急劇蒸發，產生大量的水汽，沖破細胞和組織而跑出來，並帶走一些細胞碎片，肉眼可見白色煙霧。
6、熱致炭化：當皮膚溫度高達300-400攝氏度時，皮膚迅速炭化，即組織發生乾性壞死，血液和血漿蛋白凝固，形成棕黑色碳化物，這種碳化物用鹽水輕輕一擦即可除去。
7、熱致燃燒：當光照使皮膚溫度上升到530攝氏度以上時，皮膚內的可燃成分就會著火而燃燒。
8、熱致氣化：有人報告，當光照使皮膚溫度瞬時上升到5730攝氏度時，皮膚組織中的所有成分都可由固體直接變成氣體，以很大的速率從皮膚射出而留下一個陷坑。

二、光致化學作用

當一個分子吸收一個光子後，即使該分子上升到電子激發態。此激發態分子返回到它起始的基態過程中，除了發生輻射和非輻射的躍遷之外，激發態分子還可以導致若干鍵斷裂與鍵形成的化學反應，即舊鍵被完全破壞或新鍵形成的過程，即光化學反應。

對生物組織來說，一般的光化學反應是生存所必需的一種儲能方式，在正常生物體內不斷進行。以熱效應為主的激光如紅外激光，當其能量沒有達到破壞生物組織，熱效應和壓強效應不佔主導作用時，在生物組織中主要作用是光化學效應。以光化學效應為主的激光如紫外激光輻射生物體時，則以光化學效應為主。

三、光致壓強作用
用普通光照射生物體時，光子在受照物表面碰撞可形成輻射壓力，這種光壓很小，可以忽略不計。而激光則不同，其瞬間功率密度很大，激光器能將不大的能量(幾J到幾十J)，在很短的時間內(10－9-10－12秒)，很小的空間(毫弧度)高度集中起來，使功率密度達到1015W/cm2(太陽亮數億倍)，此時會產生高溫、高壓(10６atm)和高電場(10V/cm)。
激光照射產生的壓強作用有兩種：一種是激光本身的輻射壓力所形成的壓強，稱為一次壓強。激光本身的輻射壓力雖然很微弱，但能量相當集中，其壓強是相當可觀的。另一種激光作用生物組織以後，可繼發產生二次壓強，這是由於強激光作用於生物組織上，除光壓以外，還有汽流反沖擊，內部汽化壓，熱膨脹，超聲壓和電致伸縮壓等諸多因素造成的。
在臨床應用上，利用激光的壓強效應來治療很多疾病，如青光眼的前房角打孔，白內障的激光切開，玻璃體機化索條切除等。
治療腫瘤時要特別注意，因為壓強可以使腫瘤碎屑發生飛濺，有些碎片濺落在8英尺(約2.4m)以外還存活著，當腫瘤大於1.2cm時，飛濺碎屑接種後100%成活。

四、光致強電場作用
由於激光是電磁波，所以激光與生物組織的作用也是電磁場與生物組織的作用，高功率密度的調Q激光或鎖模激光，其高電場強度足以導致生物組織的電場發生急劇的變化。一束功率密度為1015W/cm2的調Q的紅寶石激光照射生物組織將引起生物組織發生一系列的改變。如諧波的產生，自由基的形成，布里淵散射，喇曼散射，多光子吸收等。強電場激光作用生物組織可以產生一個與激光頻率一樣的基波，另一個頻率加倍或波長減半的二次諧波。 五、光致生物刺激作用
在弱激光的輻射下，生物組織既不會受到損傷，又能促進病灶組織恢復到正常狀態，這在動物實驗和臨床上已有大量資料報道，主要是He-Ne激光，而其它波長的弱激光對生物組織的作用報道不太多。
1、對神經的刺激作用：弱激光對中樞神經系統、神經節和末梢神經系統均有刺激作用而引起功能性改變。
對大腦的影響：He-Ne激光照射動物眼睛，可引起腦電圖的改變，還可以引起腦中血循環的改變。對植物神經系統的影響：能使髓膜分解，刺激新生軸突生長，使神經髓鞘形成加快，加速骨骼肌肉神經再分配。
2、對心血管作用：He-Ne激光局部照射可以刺激血管擴張，降低膽固醇，明顯改善心肌缺血，減少心室纖顫發生。可以降低血脂。
3、對血液系統的作用：He-Ne激光照射皮膚時，血紅蛋白、紅細胞、白細胞、血小板均有明顯下降。
4、對骨骼的作用：弱激光照射骨組織，有明顯的刺激作用，促進骨痂生長。
5、對皮膚和肌肉作用：激光照射皮膚組織，可使成纖維細胞數目增加，加速膠元的形成，故可以加強細胞的新生，促進肉芽組織和毛發的生長。臨床上用He-Ne激光治療頑固性潰瘍取得較好效果。
6、對免疫功能的影響：He-Ne激光照射對胸腺細胞的免疫有抑製作用。可促進細胞免疫功能，但對體液免疫功能作用不大。
7、對內分泌腺的影響：弱激光照射可以提高腎上腺功能、甲狀腺功能和前列腺功能。
8、對細菌作用：激光能量小，促進細菌生長，能量大到一定值時，則起抑製作用。

B. 激光對活體組織都會產生什麼效應

激光的生物效應是由許多雜因素決定的，它與激光的性能、生物組織的性質以及作用時間和方式有關。
1、熱作用

激光照射生物組織時，激光的光子作用於生物分子，分子運動加劇，與其他分子的碰撞頻率增加，由光轉化為分子的動能後變成熱能，熱能先儲存在直接受照射的部分組織中，然後逐漸傳給周圍組織，可在幾毫秒甚至更短的時間內使局部組織溫度升高200~1000°C，而且溫度為45~50°C左右的狀態持續一分鍾左右。為此將造成蛋白質變性，生物組織表面收縮、脫水、組織內部因水分蒸發而受到破壞，造成組織凝固壞死，當局部溫度急劇上升達幾網路甚至上千度時，可以造成照射部分炭化或汽化。

2、壓強作用

由激光照射產生的壓強作用可由激光本身的輻射壓力形成的壓強和由熱能引起的汽化壓力，當高能量激光作用於生物組織時，其光能瞬時轉化為熱能，使局部組織出現瞬時高熱和急劇溫升，引起組織蒸發、膨脹和汽化，局部體積劇增，從而使細胞和組織內部的壓強迅速增加，引起微型爆炸，壓強破壞力很強，可以輕易地將組織撕裂

激光在臨床的應用，就是利用激光引起的壓強作用，如眼科中的壓力打孔。

3、光化學作用

當激光劑量還沒有高到破壞生物物質時，激光誘發的光化學作用就可能成為重要的生物學效應之一。激光誘發的光化學反應可導致酶、氨基酸、蛋白質和核酸等變性失活，分子高級結構會有不同程度的變化，從而產生相應的生物效應，如殺菌作用。根據光化學反應過程不同可分為光介質、光氧化、光聚合、光敏導構和光敏化間接作用等。

4、電磁場作用

激光是一種電磁波，可聚焦成強大電場，這種高強度電場可以產生很多生物效應

5、生物刺激作用

低能量弱激光對生物組織產生一種生物刺激作用，它不破壞或損傷組織和細胞，而是對損傷的組織和細胞的修復或癒合含有促進作用。

C. 激光和普通光相比，具有什麼特性

激光好象是聚集光 ！

D. 海奧聖激光治療儀的生物學效應

激光生物效應總的可分為熱效應和非熱效應。熱效應主要是熱致組織凝固變性，它將隨入射光的增強，溫度升高而加劇，嚴重者可導致局部生物組織燒焦，炭化，汽化而蒸發，從組織病理學角度看，這是一個局部生物組織的燒傷性凝固壞死過程。非熱效應主要是以機械損傷為主，同時有光化，電離和一系列非線性效應。現在一般認為激光的生物效應包括：激光的熱作用、壓強作用、光化作用、電磁場作用和生物刺激作用。這五種作用即為激光生物效應的機制。
(一)熱效應
主要是可見光與紅外線波段的激光輻照引起的效應，當激光照射生物組織後，激光的光子能量被生物組織的分子吸收，被吸收的光能加劇生物分子本身的振動和轉動，同時也加劇這些受激分子和周圍分子的碰撞。分子的運動加劇，使受照射的局部組織逐漸變熱，以溫升的形式表現出來，特別是組織細胞內含有多種色素(黑色素、血紅蛋白、胡蘿卜素等)更增加了光能的吸收，促進了生物組織的變性，尤其是造成蛋白質變性，從而使組織細胞遭到不同水平(宏觀的、微觀的或功能的)損傷。
在激光的作用下，可能觸發某些吸熱的化學反應，叫熱化反應。生物體內存在各式各樣的熱化反應，熱化反應特點之一是其反應速率隨溫度的增加而增加，因為溫度增高可以使碰撞頻率和分子的能量都增加，而光化反應的激活能是來自吸收光子的能量，而不是來自碰撞，所以光化反應速率幾乎和溫度沒有關系。光化反應和熱化反應的另一區別是光化反應可產生其他的受激原子、分子和自由基，而這些在熱化反應時是不可能產生的。但實際上是不易區別光化反應還是熱化反應。因為化學反應的初級反應可能是光化反應，而次級反應是熱化反應。激光對組織的熱作用有其一般規律：
(1)組織溫升將隨激光能量的上升而上升;
(2)紅外激光的生熱效率高;
(3)生物組織對光的吸收率高者生熱多;
(4)生物組織的比熱和熱容量(即含水量)小者生熱快;
(5)生物組織的血流量和熱導率高者生熱慢。
就對被照組織的局部溫度來說，由於溫升不同，生物組織的影響也不同，例如激光輻照皮膚和黏膜時，因溫升不同會相繼出現不同程度的改變。低強度激光僅使局部組織溫升1～2℃，使局部組織產生溫熱感，這種溫度絕不會引起熱致損傷，主要引起光化學的改變，使機體產生一系列的生理生化改變，調節機體的功能來達到治療目的。臨床常用He-Ne激光、半導體激光進行局部照射、穴位照射、反射區照射、激光血管內照射和鼻腔黏膜照射等。
1～2mW He-Ne激光器或半導體激光照射離體皮膚可以使照射部位平均升溫0.05～0.1℃，如照射迎香、頰車穴位5min以後，局部溫度升高1.5～5℃不等。在He-Ne激光血管內照射時，患者有時自覺照射部位有溫熱感，說明有輕度的熱產生，它可以激活血管內酶和血管內感受器，使機體產生一系列的生理生化改變。鼻腔內照射時，有的患者自覺鼻內發干、有的甚至不能堅持，這是由於鼻腔較封閉，熱不易散出，水分蒸發，可調小劑量或縮短作用時間。
(二)壓強效應
生物組織被激光照射時，由於光子在其表面撞擊而產生的壓力，稱之為光壓。
一般認為形成壓力的激光主要是脈沖，Q開關和鎖模激光。普通光照射到生物體時，光子在其表面上碰撞形成的輻射壓力，這種光壓非常微小，可以忽略不計。但激光的光壓(自身光壓)雖然很微低，但是集中起來，其功率也是有一定增強的。
脈沖低強度激光照射鼻腔後產生的輕微壓力，如用脈沖頻率8～13Hz與快速睡眠(REM)頻率一致，這樣治療效果可能更佳，REM正常可以長壽。
(三)光化學效應
當一個分子吸收一個光子後，將使該分子上升到電子激發態，從而開始一系列此激發態分子返回到它起始的基態及其能量不斷降低的過程。在此過程中，除了發生輻射和非輻射(所謂光物理)之外，激發態分子還可以經過若干鍵斷裂與鍵形成的化學反應，就是舊鍵被完全破壞或新鍵形成的過程，這就是所謂光化學反應。簡單地說，光化作用，就是利用光能作為激活能而發生的化學反應叫光化反應。
激光化學效應主要發生在紫外波段，少數發生在藍綠光波段，這是由於生物大分子的光譜吸收特性所決定。如嘌呤、嘧啶核苷酸、核酸、維生素A、B族維生素、維生素D、維生素E、核黃素，氨基酸、多肽蛋白質等物質的光譜吸收峰都處在260^371nm波長范圍，而細胞色素a、b、c，還原血紅蛋白，氧化酶，胡蘿卜素，黑色素，類黑色素，視紫紅質等物質的主要光譜吸收峰處在400~550nm波段，由此可見，激光波長越短，光化學效應越明顯。 對於生物組織來說，一般光化學反應是生命存活所必須的，是一種貯能方式，在正常生物體內不斷地進行。例如視網膜的視紫紅質異構化，在紫外線照射下皮膚產生維生素D，植物葉綠素的光合作用等。根據體外實驗的結果，光化學反應可分為幾種類型：①光致聚合反應;②取代反應;③光致分解;④光致氧化，光致異構以及光敏化作用等。超劑量激光照射所產生的光化學效應，可使分字體損傷，分子鍵共振效應可使DNA鍵斷裂。
當激光輻照時，其能量沒有達到破壞生物組織，熱效應與壓強效應不佔主導地位時，在生物組織中可能主要是光化學效應。
大多數細胞對可見光是不敏感的，因為它們的有機組成對可見光沒有明顯吸收。但是如果有適當的光敏化劑存在，並在生物組織細胞內濃集時，某些細胞器大分子能選擇地吸收這些光敏化劑。受到激光照射後光敏化劑分子吸收光能，引起光化學反應，從而使細胞器遭到破壞，甚至將細胞殺死。所以，低強度激光血液照射時，一定要慎用葯物，特別是光敏的葯物。光敏化劑並不發生永久的化學反應，它僅僅是催化光化反應。
在光敏化治療中可以分為兩大類，其中一類是不需要氧分子參加的補骨脂素。它是高效的光敏化劑，而且溫度對光敏化反應速率幾乎沒有什麼影響，在病變處塗以補骨脂酊這類葯物，再用紫外光的氮分子激光，準分子激光進行照射，可以治療銀屑病和白癜風，如有呋喃豆素存在時，用365nm的紫外光照射可以迅速把細菌殺滅。
另一類光敏治療是需要氧分子參加的光動力學療法。這種光敏治療方法的先決條件是特殊波長的光，光敏物質和分子氧，反應過程中的關鍵是單態氧的形成。血卟啉衍生物是目前最常用的光敏劑，給癌症患者靜脈注射血卟啉衍生物以後3d後再用630nm的染料激光照射癌瘤局部，由於光敏化作用破壞供應腫瘤的血管組織和癌組織，造成癌細胞的死亡。這種方法已在國內外廣泛地應用體表腫瘤和內腔腫瘤(胃癌，肺癌，直腸癌)的治療，其有效率可以達到80.6%。除癌症以外，這種方法還可以用於治療鮮紅斑痣，牛皮癬等，均取得較好的療效。除了血卟啉衍生物這種光敏劑以外，還有很多新的光敏劑也應用到臨床，如竹紅菌素，中葯的黃柏、黃連，均用於光敏劑治療病毒性角膜炎,外陰白斑,老年性黃斑變性,甚至獲得性免疫缺陷綜合征(艾滋病)等。
除治療以外，還可以給患者注射一些熒光葯物，再用紫外激光或藍、紫、綠色激光進行局部照射，在惡性腫瘤時發出特異性熒光，而在正常組織則不顯示熒光，這對早期診斷，早期發現癌症有很大幫助。如注射熒光素鈉以後，用He-Cd激光照射宮頸癌可以顯示出紫葡萄顏色的熒光，照射胃癌處可以顯示出黃綠色熒光，又如注射血卟啉衍生物後用氪分子激光或氬離子激光照射，在腫瘤處可以顯示出橘紅色熒光，這種診斷癌瘤的方法對瘤前期病變也能顯示出熒光，對於5個癌細胞的癌瘤即顯示出熒光，故可以早期診斷腫瘤，其診斷符合率可達88%。
(四)電磁效應
激光波屬於電磁波，它在和生物物質相互作用中都會引起電磁效應。而電磁場強度取決於輻照能量的大小。
因低強度激光輸出功率很小，所以對電磁效應的影響也較小。但即使是低強度激光與生物體作用時所產生的電場強度也比地面最強的太陽光產生的電場強度大50倍左右。但它的電磁場力可以使細胞膜構象改變，包括膜受體、膜表面電荷、膜脂質雙層、膜蛋白等，使膜表面負電荷增加，使紅細胞和血小板聚集性降低，血沉減慢，降低血液黏稠度。
(五) 刺激效應
上述四種作用效應都是考慮一定強度的激光熱作用，機械作用、化學作用，引起組織細胞的損傷，而在低強度激光的輻照下，生物組織既不會受到損傷，又能促進病灶組織恢復正常狀態，這在動物實驗和臨床治療上已經有大量資料報道。

E. 激光生物效應的電磁場效應

激光是電磁波，而生物體作為介質具有電導和電容，在激光電場作用下會發生一些變化，如電致伸縮、受激布里淵散射、受激拉曼散射等。激光作用於生物體組織引發生物組織變化稱之為激光生物電磁場效應。

F. 激光生物學效應的介紹

激光的生物學效應，biological effects of laser。激光作用於生物組織後產生熱、壓力、光化和電磁場等的現象。激光是一種電磁波，具有平行性好、強度高、單色性和相乾性好等特點。激光的生物學效應與其波長、強度和生物組織受照射部位對激光的反射、吸收及熱傳導特性等因素有關。生物組織內的天然色素顆粒，對近紫外、可見光和近紅外光譜區的激光有選擇吸收作用。

G. 激光生物效應的刺激效應

當激光照射生物組織時，不是對生物組織直接造成不可逆性的損傷，而只是產生某種與超聲波、針刺、針灸和熱的物理因子所獲得的與生物刺激作用相類似的效應，成為激光生物刺激效應。這種生物效應是低功率激光作用的結果，無法用前述的作用來解釋。我們把產生生物刺激效應的激光叫做「弱激光」。當用弱激光照射生物體時，激光是一種刺激源。生物體對這種刺激的應答反應可能是興奮，也可能是抑制。目前已知弱激光照射可以影響機體的免疫功能，對神經組織和功能有刺激作用，還可以引起生物機體內一系列其他的生物效應，對某些疾病有一定的防治效果。
激光的生物效應可作用於生物體不同層次：①超短脈沖激光作用於蛋白質可引發光生化反應，改變酶的活性、定向催化而不損傷活細胞；②氬離子激光可損傷染色體，紅寶石激光會抑制DNA表達；前蘇聯學者Н.Ф.Гамалея提出弱激光可調節蛋白質合成；③激光可引起膠凝，破壞細胞核，損傷線粒體；而前蘇聯學者А.А.Профончуков提出，氦氖激光被膜受體吸收後可使細胞光致敏化，產生活化效應，提高蛋白質合成系統活性，增加有絲分裂；④氦氖激光和脈沖紅寶石激光對某些細菌生長有影響：能量小時有促進作用，能量大時有抑製作用；⑤紅寶石激光弱強度照射可提高白細胞噬菌功能，CO2激光輻照腰間穴位使細胞數增加等。
激光的生物效應及其機理有待研究。目前已應用醫學的有激光治療腫瘤、治療眼疾病、治療動脈血栓、血管成形、激光吻合術、激光外科整形等。