Chin j Urol, Jan 1996. Vol 17. No. 1 讲座 激光原理及其在泌尿外科的应用 周志耀 90年代以来激光技术已广泛进入医疗领域,并正为E2、E3、E4等)的介稳态。只有这些有介稳态的物质 在继续发展之中。因此,一个泌尿外科医师必须对激能发射激光。这种介稳态是独特的,因为这些原子 光的发展、原理、对人体组织的相互作用等问题有一个能保持在介稳态长达几秒钟 较全面的了解,从而在临床上推广使用。 根据热动力学原理,原子总是在运动的。处于介 激光的发展史 稳态的原予能自发性回到基态,并同时以光的形式释 激光是光受激发射的放大( Light amplification by放能量即释放光子。如果光子靠近于另一个处于介 stimulated emission of radiation, Laser),也就是说激光是稳态的原子,它就撞击这个原子,激发这个原子回到它 种光放射源,它具有四大特征:(1)强烈的光亮度;的基态并发射它自己的光子。根据物理学的基本原 (2)很窄的单色光波;(3)在同一辐射源不同时间发出理,因为这两种来自两个原子的两个光子源于同一能 的光束之间具有互相干涉的特性;(4)通过反射镜射出量水平,它们具有相同的波长,并作相互平行的运 的激光束是单方向的。医疗上激光的应用就是利用这这种光的发射即为受激发射。 些特征中的一种或多种。关于激光的概念,早在19世 一个激光器由一个泵系统、一个激光腔、两个镜片 纪随着Bhr理论的出现已建立起来。1917年 Einstein组成激光腔中含有发射激光的介质。两个镜片其 提出了受激发射的概念,这个概念就是以后儿十年中是全反射,另一个是部分反射,其中有一小孔。在医用 被 Schwalow、 Townes, Prokhorov和 Basor所分别描述的激光器系统,泵系统通常是电或光学的,用于提升激光 激的放射,发射的激波放大的物理学原理 介质中的原子的能量状态。当原子升到较高的能量状 1960年 Maiman首先观察到受激的红宝石棒发射态时,一些光子自发性发射,发出的光向激光腔中的各 的可见光谱的激光。1961年 Jaran、 Bennett和 Harriott方向射。这些完全平行于激光器腔的光在激光器腔 制成第一台气体氦氖激光器,同年 Johnson又发明了两端的镜片之间受到连续前后反射,而那些不完全平 第一台钕:镱铝-石榴红激光器(Nd:YAG),1964年行于激光器腔的光则消失,其能量则消散在激光器腔 Patel. Mcfarlane和 Faust等又制成第一台二氧化碳激周围的区域中。当光束在两镜片之间连续前后反射 光器。医学上尚有氩激光器、钾钛磷(KTP)激光器以时,受激反射即开始。光最终因在两镜片之间连续 及半导体激光器等不断研制出现,各种激光器各有特射而被放大得非常之大,能经镜片小孔所释放。激光 点,逐步趋向成热。 的输出是可变的,取决于部分折光镜中的小孔开关 二、激光的物理原理 如果小孔连续性开放激光器就输出稳定而连续的光 物质中原子的能量取决于它的轨道上电子的运动波 和分布,电子越接近于原子核其能量也越低,这种最低 医用激光器的波长为nm,m或mm,只占电磁谱 的能量级(E1)称为基态。处于基态的电子由于受到外中相当小的一部分。从激光器所获得的激光的波长是 界的激发,例如与其它原子或电子的碰撞,或者受到光能被修饰的,某些称为非线性不对称的结晶体,能从极 照获得了能量时原子吸收能量就能移动电子到离原子强的光中吸收光子。经过和结晶体品格的相互作用而 核更远的轨道上,导致了高的能量级称为单线态。用产生出二倍于入射放射光频的激光,即所谓颏率倍增 于移动电子的能量可为热能、电能、化学能及放射能。或谱波产生。利用这些晶体激光器就有可能产生光 这就导致各种不同的激光器的发明。当电子呈单浅态长二倍、三倍或四倍于初始光源波长的激光。此外也 后能自发地回到基态,同时以光子的形式释放能量。可以用一种激光器去兴奋另一种激光器,因此已有两 当某些原子在单线态时,这些原子能迅速地回到一种种以上激光器合为一台,取长补短提高效应。 介于基态和单线态之间的状态,即具有不同能量级(称 三、激光与组织的相互作用 激光器所发出的光一般均服从基本的光生物学原 作者单位:210008南京大学医学院鼓楼医院泌尿外科 理。一个例外就是那些波长极短但非常强烈的激光脉
中华泌尿外科杂志1996年1月第17卷第1期 冲,能产生所谓的非线性效应,这些包括多光子吸收、点停止加热过程。 等离子体产生及离子化。它们与光子强度相关,只有 要强调的另外一点是发射剂量。如果释放的能量 激光的波长极短时,即m或pm时才产生。如果激是个常数,随着激光点的直径减小,能量密度—即单 光束被导向组织,它能反射回光源或其他不希望得到位面积上的能量一定随之增加。如果临床手术目的是 激光的表面。因为组织能反射光,它的反射能力要认作一个快速切除则应使用十分小的光点并具有高能 真考虑。当适当控制激光器反射能力并使激光进入组量激光才能穿透到深部。然而,如果目的是在组织表 织时,目的是要组织吸收光能而改变。除了在组织中面作一精确切割,就应当使用大光点低能量的激光,手 收以外,激光还有二个副作用:①组织能散射光,把术者应改变激光光点(探头)或能量。总之光能和组织 光散射到不希望得到激光的组织中去。②激光能穿透之间相互作用相当复杂,取决于许多因素。例如:组织 组织,只有极小量的光才能被吸收,因为每个组织均有本身对激光吸收、散射、密度、导热性能和组织的局部 反射散射与传递光的能力。了解这些特性对如何使循环以及激光机上的功率、持续时间、波长效应容量、 用激光非常重要 聚焦晶片等等 组织吸收激光的过程是激光使用的关键,当光子 光能也能由光化学的方式而消散。光化学的基本 进入组织时,那些不能反射散射与传递的光被吸收,概念是某些分子能在功能上作为光敏化剂。某些细胞 其光能被传递到组织中其它分子和原子,改变这些分中存在着这种光敏化剂使得这些细胞易受损于一定波 子原子,这种光能量一旦被吸收,它能产生不同的组织长和强度的光,光敏化剂能吸收光子,使得敏化剂上升 变化。那么,光能量在何处是怎样被消散的呢?我们到受激状态。受激的光敏化剂随后与分子基质如氧气 都知道激光产热,大约90%的激光临床应用都涉及到发生反应产生出单线氧,单线氧引起某些基本细胞成 局部温度变化。因而,热是消散光能的最主要途径:分不可逆的氧化,但是所有这些反应均不产生热。 当然,光能也能消散于光化学、光切割(光阻断、断开化 光能量也能以再发射的方式发散。如果只发生在 )、冷光、荧光或离子化。光能被消散的过程即引吸收能量之后的ns内,就称为荧光当受激原子回到 起临床所见的种种生物学效应。 基态时,荧光光子发射,因为在单线态中过多的振动能 在光能被吸收之前,某些吸收分子一定要存在于量经碰幢在受激态中的其他原子作为热而发散。国 组织中。这些分子称为色素,常见的身体色素成分是此,荧光光子的能量低于所吸收的光子的能量。 血红蛋白和水。 荧光现象能被用于诊断。用于引起荧光的光化学 血红蛋白在可見光谱的紫、蓝、绿部分有很高的吸的许多光敏化染料,能显示隐性新生物。激光所激发 收,这是为什么要用能发射出蓝绿光的氩气激光器作的荧光也能用于分析大量的细胞,即让细胞在细胞荧 为治疗象血管瘤这样的血管损伤的主要激光源。 光计数器中流过激光束。此外,激光也能用于兴奋单 另一方面,水不能吸收可见光,只能吸收极少量的细胞中的一个区域,以研究生物学上重要的分子的 近红外光。但水在远红外区域的吸收值最大,故CO2结合与运动。 激光对身体中任何组织均有直接效应。因此CO2激光 光切割过程是由光离断或直接破坏聚合物链中分 能量在组织表面被吸收,并引起直接的切割效应,适合子内化合键所组成。这些化合键在吸收了切割激光 于开放性手术。Nd:YAG激光在血红蛋白、水和产生高能紫外光子后而断开,切割激光器的发射激光 其它的组织色素成分中的吸收性很差,故此种激光穿的材料,是受激的不稳定气体的二聚体,通常是氦气和 透组织要深得多,适合应用于深层组织切割效应 某些稀有元素。 正确选择适当的激光器用于特定的临床手术,要 切割激光器所产生的紫外光子具有高能量,能以 求对激光的反射、散射与传递性质、靶组织的性质有所热的形式发散之前打断分子键。因为紫外光发射在 了解 200~360nm之间均被绝大多数生物分子所吸收,激光 控制组织发热是很重要的,当温度在37℃和60℃穿透的深度只有几个μm。这一特点在最近被试用以 之间升高时蛋白质变性凝固,70℃时血管收缩,从90℃产生精细的无热切割,所用的紫外波长为193mm(氖 到100℃时组织脱水炭化,大于100℃时组织被气化。气),248nm(氟化氦)和308nm(氟化氙)。 最好能在这些温度变化范围的任何一点停止加热过 离子化是从原子中射出电子。激光所发出的单一 程以产生最佳临床效果。用激光作治疗的医生应当光子并不具有足够的能量以引起吸收光子的物质失去 具有肉眼观察组织变化的能力,以便能在所要的温度电子
Urol, Jan 1996, Vol 17. NoI 等离子体的形成是激光与组织相互作用的结果,孔。对临近脏器的温度损伤也弱。因为氩激光能量为 它不服从光生物学的基本定理。随着快速Q开关(Q血红蛋白和黑色素这样的色素所吸收,故已成功地用 Switched,ns)的出现和短脉冲、程式锁定( mode- locked, 治疗小的红斑性、表浅性的肿瘤和原位癌。但其功 ps的激光器的到来,现在已有可能在局部25-50m率输出有限及仅具表浅穿透能力,故不适用于较大的 点上产生极高的能量密波,这些激光精确地聚焦在组肿瘤和前列腺增生症 织中的一个小点上时,就产生了不服从物理学与光生 钾钛磷(KTP)激光波长(532mm)类似于氬激光的 物学基本定理的情况。就有可能产生等离子体,它是波长,两者的内腔镜使用几乎相同。KTP激光能以非 种气体云,富有自由电子,有时被称为物质的第四接触式、功率10~12W治疗小的移行细胞癌或以接触 态,因为它的性质完全不同于液态、固态和气态性质。式切除小肿瘤。也能用于治疗红斑性或色素性病变 在10-10-12s(ns~ps)之间所产生的电场,能引起介具有相当的安全性。Benm介绍已试用了KTP激光 质中强烈的声波,称之为听觉休克波( acoustical shock治疗体积较小的前列腺增生症病人,其效果认为与其 wave),这种源于焦点的声波携带着潜在的破坏性功他激光相似,但尚缺乏较多的临床资料。 能,已在临床上得到应用 对于内腔镜下激光治疗,不管是用氩、KTP或Nd 四、激光器与泌尿外科 YAG激光,都要经插入内腔镜的可曲性纤维束输出激 因为CO2激光器(波长10600nm)能量能被水快光能量。僵直的仪器用600mm长径的纤维进入膀胱 速吸收,不能穿透纤维,其穿透深度仅为0.1mm,因此5常常是困难的。只有经逆行镜配以改良的 Albarran 它在内腔镜中应用受到限制,在动物实验中的CO2激偏向器或经可曲性仪器(400mm纤维)来进行。 光能切割上皮,但无能力穿入上皮固有层,然而治疗区 用Nd:YAG激光(波长1060mm)进行内腔镜治疗 能愈合并留下极少的瘋痕。 Willsher等研制出一种附是激光在泌尿外科应用的最大兴趣。这种激光首先由 在内腔镜上的CO2激光器,它能借助于一个人工臂释 Hofstetter和 Staehler等用于膀胱肿瘤,并在美国与其 能量,虽然CO2激光内腔镜具有明显的精确切断组他国家积累了相当多的临床经验。德国先驱性工作建 织的功能,但这种激光器还是有不少重要的缺陷。当立了Nd:YAG激光对膀胱组织的效应,并导致了经内 光通过小的吊臂时光化为热,损失了相当的激光能量。腔镜安全有效地在泌尿外科使用这种仪器的系列。他 此外,在术中一定要把CO2充入膀胱以扩张膀胱并保们的工作证明,Nd:YAG激光能产生一个锐利输廓的 持近端激光晶片无血和尿,而且要防止过度充气及穿或圆锥状凝固坏死区,这种环死区比起电凝固产生的 孔,因为术中产生的CO2气栓是致命的。 Bulow和坏死区要规则得多井控性大。50W能量4s能在膀胱 Avene描述了一种手控的20WCO2激光器,这种激光粘膜面产生近60℃的温度,可导致膀胱壁贯穿凝固,而 器能直接接到膀胱镜上,是消除激光束硬直问题的最临近的肠管温度不大于40℃,因此不受损伤。 好方式。如果能发展一种能使CO2能量有效地通过光 近年来,美国推出一种接触式Nd:YAG激光系统, 学纤维,那么上述的CO2能量在内腔镜应用上的问题通过改进的各种不同型号的特制接触式激光探头,提 即可解决。关于CO2激光在内腔镜的应用资料报道不供了可供选择的改变组织温度梯度的能力。使用非接 多,即使经显著改进的激光释放系统,CO2激光还是不触式激光束进行气化时,约有40%的能量由于组织反 可能在用内腔镜治疗泌尿系统疾病中起重要作用,但射和后射而丢失,另外超过10%的能量由于在出现气 是它在开放性手术中的作用是重要的 化气体时丧失,只剩50%的入射能量用于治疗。而接 氩激光(488-515mm)的发射光谱是在电磁光谱的触式激光极大地改善了能量应用的效果,当探头与组 可见光部分,接近于血红蛋白和黑色素的最大吸收部织接触时,几乎没有从手术区反射的能量,反射的能量 分。氩激光能量能很容易地经内腔镜传递到膀胱,能被控制在手术区。因此,使用波长转换效应表面处理 观察到表浅的凝固效应和少量组织蒸发。即使增加功的接触式探头,是一种产生大范围组织温度梯度,提高 率密度,肌肉贯穿和坏死区极少有增加膀胱壁外温度能量传递准确性的新方法。显示具有较好的凝固、气 般来说不超过60℃,随着能量的释放,“火山口”状组化治疗尿道狭窄、前列腺增生及膀胱肿瘤的能力 织损伤区扩大,也许伴有出血而导致吸收激光能量,当 收稿:1995-01-20修回;1995-05-15) 用激光输出功率为5W达30s时,没有观察到膀胱穿
