激光有哪些生物效应

A. 激光有哪些功能

激光生物学效应一般是指激光作用于生物体后产生的物理、化学或生物学的反应。一般有热效应、光化学效应、压强效应、电磁场效应和生物刺激效应。

一、光致发热作用
可见光和红外光区的激光对组织以热效应为主。由于温度对活细胞的影响是一个决定性的参数。因此，当机体受热而温度上升时，在一定安全数值内可以促进血液循环，改善营养状况，达到治疗目的。如果超过一定温度，则会使组织凝固或气化，使病变组织得以破坏、清除，而达到治疗目的。因此，利用激光产生的热来治病，是激光医疗的重要手段。
激光对皮肤的热作用根据程度分述如下。
1、热致温热：皮肤由于吸收激光的能量而产生热的感觉。皮肤的表面温度达38-40摄氏度时，即可产生温热感。CO2激光照射皮肤时，光斑直径1cm，功率密度0.1W/cm2，可出现温热感觉。由于白色皮肤对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，才引起皮肤的温热感觉。对这种温热效应能量级的激光照多长时间也不会引起生物组织的损伤，因为其热储存可为生理热扩散抵消。
2、热致红斑：皮肤温度上升至43-44摄氏度时，几秒钟之内即可出现红斑，皮下血管扩张，血流速度加快，由于热作用，增加了血管壁和细胞膜的通透性，出现了少量的炎性渗出物，使组织出现轻度水肿。
3、热致水泡：当吸收激光能量使皮肤温度上升到47-48摄氏度时，约4-9秒内即有炎性渗出物潴留在皮下，以致表皮和真皮分离而形成水泡，受损区皮肤轻薄，水泡越大，受照射部位有明显水肿，皮肤呈苍白色，浅层血管受热凝固(白蛋白从45-60摄氏度就开始凝固)，皮肤出现痛感。皮肤温度从45摄氏度上升到52摄氏度时，痛觉上升明显。到50度时除痛觉外，尚有灼热感，超过50度时只有痛感而无灼热感。这是因为传热的神经纤维在50度时就受到破坏，当皮肤温度上升到70度以上时，则传导痛觉的神经纤维末梢受到破坏。
4、热致凝固：当激光照射皮肤温度升高到55-60摄氏度时，在10秒内受照射处很快发生凝固坏死。组织学观察可见到其下较深处发生自溶分解，再深处是炎症区，这种热凝固坏死是均匀的，凝固区的的细胞几乎无一幸免。
5、热致汽化：由于组织内含有大量的水，在100度时沸腾。当皮肤温度超过100摄氏度时，细胞内外的水溶液可急剧蒸发，产生大量的水汽，冲破细胞和组织而跑出来，并带走一些细胞碎片，肉眼可见白色烟雾。
6、热致炭化：当皮肤温度高达300-400摄氏度时，皮肤迅速炭化，即组织发生干性坏死，血液和血浆蛋白凝固，形成棕黑色碳化物，这种碳化物用盐水轻轻一擦即可除去。
7、热致燃烧：当光照使皮肤温度上升到530摄氏度以上时，皮肤内的可燃成分就会着火而燃烧。
8、热致气化：有人报告，当光照使皮肤温度瞬时上升到5730摄氏度时，皮肤组织中的所有成分都可由固体直接变成气体，以很大的速率从皮肤射出而留下一个陷坑。

二、光致化学作用

当一个分子吸收一个光子后，即使该分子上升到电子激发态。此激发态分子返回到它起始的基态过程中，除了发生辐射和非辐射的跃迁之外，激发态分子还可以导致若干键断裂与键形成的化学反应，即旧键被完全破坏或新键形成的过程，即光化学反应。

对生物组织来说，一般的光化学反应是生存所必需的一种储能方式，在正常生物体内不断进行。以热效应为主的激光如红外激光，当其能量没有达到破坏生物组织，热效应和压强效应不占主导作用时，在生物组织中主要作用是光化学效应。以光化学效应为主的激光如紫外激光辐射生物体时，则以光化学效应为主。

三、光致压强作用
用普通光照射生物体时，光子在受照物表面碰撞可形成辐射压力，这种光压很小，可以忽略不计。而激光则不同，其瞬间功率密度很大，激光器能将不大的能量(几J到几十J)，在很短的时间内(10－9-10－12秒)，很小的空间(毫弧度)高度集中起来，使功率密度达到1015W/cm2(太阳亮数亿倍)，此时会产生高温、高压(10６atm)和高电场(10V/cm)。
激光照射产生的压强作用有两种：一种是激光本身的辐射压力所形成的压强，称为一次压强。激光本身的辐射压力虽然很微弱，但能量相当集中，其压强是相当可观的。另一种激光作用生物组织以后，可继发产生二次压强，这是由于强激光作用于生物组织上，除光压以外，还有汽流反冲击，内部汽化压，热膨胀，超声压和电致伸缩压等诸多因素造成的。
在临床应用上，利用激光的压强效应来治疗很多疾病，如青光眼的前房角打孔，白内障的激光切开，玻璃体机化索条切除等。
治疗肿瘤时要特别注意，因为压强可以使肿瘤碎屑发生飞溅，有些碎片溅落在8英尺(约2.4m)以外还存活着，当肿瘤大于1.2cm时，飞溅碎屑接种后100%成活。

四、光致强电场作用
由于激光是电磁波，所以激光与生物组织的作用也是电磁场与生物组织的作用，高功率密度的调Q激光或锁模激光，其高电场强度足以导致生物组织的电场发生急剧的变化。一束功率密度为1015W/cm2的调Q的红宝石激光照射生物组织将引起生物组织发生一系列的改变。如谐波的产生，自由基的形成，布里渊散射，喇曼散射，多光子吸收等。强电场激光作用生物组织可以产生一个与激光频率一样的基波，另一个频率加倍或波长减半的二次谐波。 五、光致生物刺激作用
在弱激光的辐射下，生物组织既不会受到损伤，又能促进病灶组织恢复到正常状态，这在动物实验和临床上已有大量资料报道，主要是He-Ne激光，而其它波长的弱激光对生物组织的作用报道不太多。
1、对神经的刺激作用：弱激光对中枢神经系统、神经节和末梢神经系统均有刺激作用而引起功能性改变。
对大脑的影响：He-Ne激光照射动物眼睛，可引起脑电图的改变，还可以引起脑中血循环的改变。对植物神经系统的影响：能使髓膜分解，刺激新生轴突生长，使神经髓鞘形成加快，加速骨骼肌肉神经再分配。
2、对心血管作用：He-Ne激光局部照射可以刺激血管扩张，降低胆固醇，明显改善心肌缺血，减少心室纤颤发生。可以降低血脂。
3、对血液系统的作用：He-Ne激光照射皮肤时，血红蛋白、红细胞、白细胞、血小板均有明显下降。
4、对骨骼的作用：弱激光照射骨组织，有明显的刺激作用，促进骨痂生长。
5、对皮肤和肌肉作用：激光照射皮肤组织，可使成纤维细胞数目增加，加速胶元的形成，故可以加强细胞的新生，促进肉芽组织和毛发的生长。临床上用He-Ne激光治疗顽固性溃疡取得较好效果。
6、对免疫功能的影响：He-Ne激光照射对胸腺细胞的免疫有抑制作用。可促进细胞免疫功能，但对体液免疫功能作用不大。
7、对内分泌腺的影响：弱激光照射可以提高肾上腺功能、甲状腺功能和前列腺功能。
8、对细菌作用：激光能量小，促进细菌生长，能量大到一定值时，则起抑制作用。

B. 激光对活体组织都会产生什么效应

激光的生物效应是由许多杂因素决定的，它与激光的性能、生物组织的性质以及作用时间和方式有关。
1、热作用

激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运动加剧，与其他分子的碰撞频率增加，由光转化为分子的动能后变成热能，热能先储存在直接受照射的部分组织中，然后逐渐传给周围组织，可在几毫秒甚至更短的时间内使局部组织温度升高200~1000°C，而且温度为45~50°C左右的状态持续一分钟左右。为此将造成蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死，当局部温度急剧上升达几网络甚至上千度时，可以造成照射部分炭化或汽化。

2、压强作用

由激光照射产生的压强作用可由激光本身的辐射压力形成的压强和由热能引起的汽化压力，当高能量激光作用于生物组织时，其光能瞬时转化为热能，使局部组织出现瞬时高热和急剧温升，引起组织蒸发、膨胀和汽化，局部体积剧增，从而使细胞和组织内部的压强迅速增加，引起微型爆炸，压强破坏力很强，可以轻易地将组织撕裂

激光在临床的应用，就是利用激光引起的压强作用，如眼科中的压力打孔。

3、光化学作用

当激光剂量还没有高到破坏生物物质时，激光诱发的光化学作用就可能成为重要的生物学效应之一。激光诱发的光化学反应可导致酶、氨基酸、蛋白质和核酸等变性失活，分子高级结构会有不同程度的变化，从而产生相应的生物效应，如杀菌作用。根据光化学反应过程不同可分为光介质、光氧化、光聚合、光敏导构和光敏化间接作用等。

4、电磁场作用

激光是一种电磁波，可聚焦成强大电场，这种高强度电场可以产生很多生物效应

5、生物刺激作用

低能量弱激光对生物组织产生一种生物刺激作用，它不破坏或损伤组织和细胞，而是对损伤的组织和细胞的修复或愈合含有促进作用。

C. 激光和普通光相比，具有什么特性

激光好象是聚集光 ！

D. 海奥圣激光治疗仪的生物学效应

激光生物效应总的可分为热效应和非热效应。热效应主要是热致组织凝固变性，它将随入射光的增强，温度升高而加剧，严重者可导致局部生物组织烧焦，炭化，汽化而蒸发，从组织病理学角度看，这是一个局部生物组织的烧伤性凝固坏死过程。非热效应主要是以机械损伤为主，同时有光化，电离和一系列非线性效应。现在一般认为激光的生物效应包括：激光的热作用、压强作用、光化作用、电磁场作用和生物刺激作用。这五种作用即为激光生物效应的机制。
(一)热效应
主要是可见光与红外线波段的激光辐照引起的效应，当激光照射生物组织后，激光的光子能量被生物组织的分子吸收，被吸收的光能加剧生物分子本身的振动和转动，同时也加剧这些受激分子和周围分子的碰撞。分子的运动加剧，使受照射的局部组织逐渐变热，以温升的形式表现出来，特别是组织细胞内含有多种色素(黑色素、血红蛋白、胡萝卜素等)更增加了光能的吸收，促进了生物组织的变性，尤其是造成蛋白质变性，从而使组织细胞遭到不同水平(宏观的、微观的或功能的)损伤。
在激光的作用下，可能触发某些吸热的化学反应，叫热化反应。生物体内存在各式各样的热化反应，热化反应特点之一是其反应速率随温度的增加而增加，因为温度增高可以使碰撞频率和分子的能量都增加，而光化反应的激活能是来自吸收光子的能量，而不是来自碰撞，所以光化反应速率几乎和温度没有关系。光化反应和热化反应的另一区别是光化反应可产生其他的受激原子、分子和自由基，而这些在热化反应时是不可能产生的。但实际上是不易区别光化反应还是热化反应。因为化学反应的初级反应可能是光化反应，而次级反应是热化反应。激光对组织的热作用有其一般规律：
(1)组织温升将随激光能量的上升而上升;
(2)红外激光的生热效率高;
(3)生物组织对光的吸收率高者生热多;
(4)生物组织的比热和热容量(即含水量)小者生热快;
(5)生物组织的血流量和热导率高者生热慢。
就对被照组织的局部温度来说，由于温升不同，生物组织的影响也不同，例如激光辐照皮肤和黏膜时，因温升不同会相继出现不同程度的改变。低强度激光仅使局部组织温升1～2℃，使局部组织产生温热感，这种温度绝不会引起热致损伤，主要引起光化学的改变，使机体产生一系列的生理生化改变，调节机体的功能来达到治疗目的。临床常用He-Ne激光、半导体激光进行局部照射、穴位照射、反射区照射、激光血管内照射和鼻腔黏膜照射等。
1～2mW He-Ne激光器或半导体激光照射离体皮肤可以使照射部位平均升温0.05～0.1℃，如照射迎香、颊车穴位5min以后，局部温度升高1.5～5℃不等。在He-Ne激光血管内照射时，患者有时自觉照射部位有温热感，说明有轻度的热产生，它可以激活血管内酶和血管内感受器，使机体产生一系列的生理生化改变。鼻腔内照射时，有的患者自觉鼻内发干、有的甚至不能坚持，这是由于鼻腔较封闭，热不易散出，水分蒸发，可调小剂量或缩短作用时间。
(二)压强效应
生物组织被激光照射时，由于光子在其表面撞击而产生的压力，称之为光压。
一般认为形成压力的激光主要是脉冲，Q开关和锁模激光。普通光照射到生物体时，光子在其表面上碰撞形成的辐射压力，这种光压非常微小，可以忽略不计。但激光的光压(自身光压)虽然很微低，但是集中起来，其功率也是有一定增强的。
脉冲低强度激光照射鼻腔后产生的轻微压力，如用脉冲频率8～13Hz与快速睡眠(REM)频率一致，这样治疗效果可能更佳，REM正常可以长寿。
(三)光化学效应
当一个分子吸收一个光子后，将使该分子上升到电子激发态，从而开始一系列此激发态分子返回到它起始的基态及其能量不断降低的过程。在此过程中，除了发生辐射和非辐射(所谓光物理)之外，激发态分子还可以经过若干键断裂与键形成的化学反应，就是旧键被完全破坏或新键形成的过程，这就是所谓光化学反应。简单地说，光化作用，就是利用光能作为激活能而发生的化学反应叫光化反应。
激光化学效应主要发生在紫外波段，少数发生在蓝绿光波段，这是由于生物大分子的光谱吸收特性所决定。如嘌呤、嘧啶核苷酸、核酸、维生素A、B族维生素、维生素D、维生素E、核黄素，氨基酸、多肽蛋白质等物质的光谱吸收峰都处在260^371nm波长范围，而细胞色素a、b、c，还原血红蛋白，氧化酶，胡萝卜素，黑色素，类黑色素，视紫红质等物质的主要光谱吸收峰处在400~550nm波段，由此可见，激光波长越短，光化学效应越明显。 对于生物组织来说，一般光化学反应是生命存活所必须的，是一种贮能方式，在正常生物体内不断地进行。例如视网膜的视紫红质异构化，在紫外线照射下皮肤产生维生素D，植物叶绿素的光合作用等。根据体外实验的结果，光化学反应可分为几种类型：①光致聚合反应;②取代反应;③光致分解;④光致氧化，光致异构以及光敏化作用等。超剂量激光照射所产生的光化学效应，可使分字体损伤，分子键共振效应可使DNA键断裂。
当激光辐照时，其能量没有达到破坏生物组织，热效应与压强效应不占主导地位时，在生物组织中可能主要是光化学效应。
大多数细胞对可见光是不敏感的，因为它们的有机组成对可见光没有明显吸收。但是如果有适当的光敏化剂存在，并在生物组织细胞内浓集时，某些细胞器大分子能选择地吸收这些光敏化剂。受到激光照射后光敏化剂分子吸收光能，引起光化学反应，从而使细胞器遭到破坏，甚至将细胞杀死。所以，低强度激光血液照射时，一定要慎用药物，特别是光敏的药物。光敏化剂并不发生永久的化学反应，它仅仅是催化光化反应。
在光敏化治疗中可以分为两大类，其中一类是不需要氧分子参加的补骨脂素。它是高效的光敏化剂，而且温度对光敏化反应速率几乎没有什么影响，在病变处涂以补骨脂酊这类药物，再用紫外光的氮分子激光，准分子激光进行照射，可以治疗银屑病和白癜风，如有呋喃豆素存在时，用365nm的紫外光照射可以迅速把细菌杀灭。
另一类光敏治疗是需要氧分子参加的光动力学疗法。这种光敏治疗方法的先决条件是特殊波长的光，光敏物质和分子氧，反应过程中的关键是单态氧的形成。血卟啉衍生物是目前最常用的光敏剂，给癌症患者静脉注射血卟啉衍生物以后3d后再用630nm的染料激光照射癌瘤局部，由于光敏化作用破坏供应肿瘤的血管组织和癌组织，造成癌细胞的死亡。这种方法已在国内外广泛地应用体表肿瘤和内腔肿瘤(胃癌，肺癌，直肠癌)的治疗，其有效率可以达到80.6%。除癌症以外，这种方法还可以用于治疗鲜红斑痣，牛皮癣等，均取得较好的疗效。除了血卟啉衍生物这种光敏剂以外，还有很多新的光敏剂也应用到临床，如竹红菌素，中药的黄柏、黄连，均用于光敏剂治疗病毒性角膜炎,外阴白斑,老年性黄斑变性,甚至获得性免疫缺陷综合征(艾滋病)等。
除治疗以外，还可以给患者注射一些荧光药物，再用紫外激光或蓝、紫、绿色激光进行局部照射，在恶性肿瘤时发出特异性荧光，而在正常组织则不显示荧光，这对早期诊断，早期发现癌症有很大帮助。如注射荧光素钠以后，用He-Cd激光照射宫颈癌可以显示出紫葡萄颜色的荧光，照射胃癌处可以显示出黄绿色荧光，又如注射血卟啉衍生物后用氪分子激光或氩离子激光照射，在肿瘤处可以显示出橘红色荧光，这种诊断癌瘤的方法对瘤前期病变也能显示出荧光，对于5个癌细胞的癌瘤即显示出荧光，故可以早期诊断肿瘤，其诊断符合率可达88%。
(四)电磁效应
激光波属于电磁波，它在和生物物质相互作用中都会引起电磁效应。而电磁场强度取决于辐照能量的大小。
因低强度激光输出功率很小，所以对电磁效应的影响也较小。但即使是低强度激光与生物体作用时所产生的电场强度也比地面最强的太阳光产生的电场强度大50倍左右。但它的电磁场力可以使细胞膜构象改变，包括膜受体、膜表面电荷、膜脂质双层、膜蛋白等，使膜表面负电荷增加，使红细胞和血小板聚集性降低，血沉减慢，降低血液黏稠度。
(五) 刺激效应
上述四种作用效应都是考虑一定强度的激光热作用，机械作用、化学作用，引起组织细胞的损伤，而在低强度激光的辐照下，生物组织既不会受到损伤，又能促进病灶组织恢复正常状态，这在动物实验和临床治疗上已经有大量资料报道。

E. 激光生物效应的电磁场效应

激光是电磁波，而生物体作为介质具有电导和电容，在激光电场作用下会发生一些变化，如电致伸缩、受激布里渊散射、受激拉曼散射等。激光作用于生物体组织引发生物组织变化称之为激光生物电磁场效应。

F. 激光生物学效应的介绍

激光的生物学效应，biological effects of laser。激光作用于生物组织后产生热、压力、光化和电磁场等的现象。激光是一种电磁波，具有平行性好、强度高、单色性和相干性好等特点。激光的生物学效应与其波长、强度和生物组织受照射部位对激光的反射、吸收及热传导特性等因素有关。生物组织内的天然色素颗粒，对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。

G. 激光生物效应的刺激效应

当激光照射生物组织时，不是对生物组织直接造成不可逆性的损伤，而只是产生某种与超声波、针刺、针灸和热的物理因子所获得的与生物刺激作用相类似的效应，成为激光生物刺激效应。这种生物效应是低功率激光作用的结果，无法用前述的作用来解释。我们把产生生物刺激效应的激光叫做“弱激光”。当用弱激光照射生物体时，激光是一种刺激源。生物体对这种刺激的应答反应可能是兴奋，也可能是抑制。目前已知弱激光照射可以影响机体的免疫功能，对神经组织和功能有刺激作用，还可以引起生物机体内一系列其他的生物效应，对某些疾病有一定的防治效果。
激光的生物效应可作用于生物体不同层次：①超短脉冲激光作用于蛋白质可引发光生化反应，改变酶的活性、定向催化而不损伤活细胞；②氩离子激光可损伤染色体，红宝石激光会抑制DNA表达；前苏联学者Н.Ф.Гамалея提出弱激光可调节蛋白质合成；③激光可引起胶凝，破坏细胞核，损伤线粒体；而前苏联学者А.А.Профончуков提出，氦氖激光被膜受体吸收后可使细胞光致敏化，产生活化效应，提高蛋白质合成系统活性，增加有丝分裂；④氦氖激光和脉冲红宝石激光对某些细菌生长有影响：能量小时有促进作用，能量大时有抑制作用；⑤红宝石激光弱强度照射可提高白细胞噬菌功能，CO2激光辐照腰间穴位使细胞数增加等。
激光的生物效应及其机理有待研究。目前已应用医学的有激光治疗肿瘤、治疗眼疾病、治疗动脉血栓、血管成形、激光吻合术、激光外科整形等。