激光与生物组织的相互作用：原理及应用

　　p;本书的前两章描述和讲解了光与生物组织的相互作用，以及光在组织中的反射、吸收和散射的基本物理概念。在第3章中，根据现有的理论描述了光子的传输和组织的相互作用，如光化学相互作用、热相互作用，以及光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂的物理过程，并分析了不同的激光特性。在第4章中，叙述了激光在不同医学学科和临床上的应用。最后一章介绍了激光安全的基本概念，它对于激光的应用有着重要的意义。丰富的文献使这部作品更加完善。附录中列出的一些重要数据便于查找。本书在教学法上也有特点，对于学生是一本很好的教科书，对于医学和科学工作者也是一本有价值的参考书，也可用于自学。许多研究的照片、插图、表格以及深入地诠释使本书成为研究生和科学工作者有用的指南。片断：inuouswave，CW）激光器和脉冲激光器。而大多数气体激光器和有些固体激光器属于第一类；脉冲激光器主要包括固体激光器，准分子激光器和某些染料激光器。激光医学的类型和它们的两个特性参数，波长（wavelength）及脉冲持续时间（pulseduration）将在表1.1中列出。表是按照脉冲持续时间排列的，因为曝光时间正如我们在第3章中所评价的那样标志着与生物组织相互作用的类型。波长是第二重要的激光参数。它决定激光辐射穿透组织的深度，即吸收和散射的效率。第三个参数，使用的能量密度，通常也被认为是重要的。然而，它的值仅作为产生一个特定效应的必要条件，其次是决定其程度。在第3章将说明实际上的所有与医学相关的效应都是在能量密度为1J/cm2到1000J/cm2之间获得的。这与潜在脉冲持续时间的15个数量级相比是相当窄的。第四个参数，使用的强度，以能量密度与脉冲持续时间之比的形式给出。对于所有这些参数的依据的详细论述，读者可以查阅第3章。如在第4章中所描述的，表1.1所列出的每种激光器都用于特定的临床应用。新开发出的二极管激光器和自由电子激光器在医学研究中的发展已变得越来越重要了。二极管激光器可以发射连续或脉冲辐射而且尺寸非常小。自由电子激光器可提供很短的激光脉冲但却是要用庞大的电子加速器驱动机器而且只能在特定场所使用。激光外科的进步主要可归因于脉冲激光系统的迅速发展。如上所述，脉冲持续时间将最终决定作用在生物组织上的效应。特别是热（thermal）和非热效应（non－thermaleffects）的区别。一个大致的近似的原则是“1μs法则”，指出大于1μs的脉冲持续时间常常伴随着可测量的热效应；而脉冲持续时间小于1μs时，如果重复率选择合适，热效应通常变得可以忽略（详见3.2节更进一步的细节）。无需增加额外的装置，多数激光器可发射连续辐射或脉冲持续时间大于1μs的脉冲。因此，研究局限于潜在的热效应的研究上。仅当产生较短的激光脉冲时，才可能成为其它方式的相互作用。其中非常有效的是蚀除（ablation）①机理，例如光蚀除，等离子体诱导蚀除和发生在纳秒或皮秒级的光致破裂（photodisruption）②。现在即使是飞秒范围的短脉冲也可以实现。如将阐述的那样，当将有关等离子体诱导蚀除的机理与光致破裂机理进行比较时，它们的临床优势相当值得怀疑。它们两个从物理现象上来说称为光致击穿。正如3.4节所做的理论分析那样，当从皮秒脉冲到飞秒脉冲的过程中，光致击穿的阈值参数并不进一步降低。但总的来说，随着激光系统提供较短脉冲能力的提高，通常也会引起新的有意义的应用。图1.1说明了脉冲激光系统的发展进程。在固体激光器中有两个里程碑，一是在锁模技术的发展过程中达到的，另一个是在极大带宽的新型激光介质的发展过程中取得的，这将在下文中详细讨论。两者在图1.1相应的曲线中表现为两次跳跃。另一类能够提供超短脉冲的激光器类型中包括染料激光器。它是在固体激光器后发明的。它们的发展是平稳的而不是跳跃性的。一些诸如碰撞脉冲锁模等新技术的发展也可以产生与固态激光器相比很短持续时间的脉冲。然而染料激光器的医学应用仍相当局限，因为它用起来不方便而且维护复杂。与长寿命的固体晶体相比，染料需要再循环，且这通常不能通过按钮操作进行定期更换。最早的激光器是用色闪光灯泵浦的红宝石激光器。这种激光器的特点是输出中含有几个尖峰。它们总共的持续时间由闪光本身确定，闪光与激光跃迁高能态的寿命相应，对于红宝石而言约为1ms。Q开关的发明使得能够获得短达50ns的脉冲。机械装置（旋转孔或激光反射镜）或光学装置（电光的或声光的Pockels晶体）均可以用来作为Q开关。在这两种情况下谐振腔中的损耗将会人为的保持很高，一直到能量达到一个极大的反转。当消除了人为的损耗，所有储存在激光介质中的能量通过受激发射而在瞬间转换。当在激光器腔内启动模式锁定时可得到更短的脉冲。在模式锁定中，用快速调制晶体（主动模式锁定）或选择性的饱和滤光器（被动模式锁定）可引起电磁场的调制。通过这种方式使所有轴向振荡的激光模式的相位一致，产生皮秒脉冲。典型的代表是Nd：YAG激光，其光学带宽的数量级是1nm。这个带宽使能够获得的最短脉冲持续时间限制在几个皮秒。本书前言前言MarkolfNiemz博士承担了难以克服的困难，撰写了当前激光在医学上所有实际应用状况的专题论文。在这部专著里，以激光与组织相互作用的机理作为指南贯穿全书。作者的专业基础是物理、生物工程和生物医学光学。1995年，他的激光与组织相互作用的基础研究获得德国海德堡（Heidelberg）科学院的Karl－Freudenberg奖。上述的经历极其适合完成写这本书，即为基本的激光与组织相互作用提供了一个跨学科的方法，也用这方面的知识对包括激光安全在内的激光临床应用进行了回顾。作者自己在超短激光脉冲应用的研究使他能对光蚀除、等离子诱导蚀除和光致破裂方面进行深入的讨论。几个相关的效应也是由他首次提出的。而且，在这本书中广泛地论述了光动力疗法、光热应用和激光诱导组织间质热疗法。因此，读者可全面了解这一学科当前状况。这本书的主要对象是这一领域的科学家和工程师，但医学工作者也能从中找到许多感兴趣的重要方面。不用怀疑这本书将满足我们在激光医学领域工作中的需求，我希望它将被很好的接受。医学中心研究院激光中心主任MartinJ.C.vonGermertArmsterdam，1996

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