你知道激光輻射對生物組織會產生什么影響嗎？

本文將帶大家了解激光輻射對生物組織的影響。

激光輻照引起損傷的機理，對于所有的生物系統來說都是相似的。

可以包括熱反應、熱聲瞬變和光化學相互作用的過程和非線性效應。

上述任何一種機理引起損傷的程度均與輻照源的某些固有物理參數有關,其中最重要的是波長、脈寬、聚焦尺寸、輻照度和輻照量。

概括地講,在超過閾值的照射中,主要的損傷機理與照射的持續時間有關。隨著脈沖持續時間的逐漸延長,在如下的時間范圍內,起主要作用的損傷機理是:

———照射時間為ns和亞ns時,主要是聲瞬變效應和非線性效應;

———照射時間為1ms至數秒時,為熱效應;

———照射時間超過10s時,為光化學效應。

激光輻照,以其光束準直性區別于許多其他已知的輻照類型,加之光輻照原本含有高能量,使得過 多的能量傳導到生物組織中。各種激光輻照時對生物器官的損傷主要是由于該器官對輻照的吸收所致。吸收發生在原子與分子水平上,是一種波長特有的過程。因此,波長決定了一臺特定的激光器引起 哪種組織的損傷。

熱效應

當一個系統吸收了足夠的輻照能量時,其組成分子的振動增加,這是一種熱容量的增加。多數激光 損傷是由于部位的組織受熱而致。這種熱損傷通常局限在激光能量吸收部位的邊緣區與輻照光束內。

此區域內的細胞明顯地燒傷。組織的損傷主要是由于蛋白質變性引起。以上所述表明,激光二次損傷的發生可能與組織受熱反應的時間有關,反應的時間又直接地與激光的脈寬(圖 D.2)和冷卻時間有關。

在受熱和冷卻兩個時段都會發生熱化學反應,引起依賴光斑大小的熱損傷。如果一臺連續波或長脈沖激光裝置直接照射組織,由于傳導而使受照射組織區的溫度逐漸增高。當越來越多細胞的溫升超過它們所耐受的溫度時,這種熱擴散就可導致損傷面積的增加。

由于傳導是光斑聚焦大小的函數,它決定了周邊擴散的程度及最初組織受熱區的溫度,因此,對于損傷來說,光斑(光束影像)大小也是非常重要的。

這種類型的熱損傷在連續照射和長脈沖激光照射中常常可以見到,但是對短脈沖也會發生。對于1mm~2mm 或更小級別尺寸的輻照光斑,輻射熱流導致的損傷取決于光斑大小。

說明:

?———組織吸收激光能量;

?———所吸收能量傳導到周圍的組織上使其受熱;

?———長脈沖或連續激光所導致的熱界面的擴大使損傷區域逐漸擴大;

?———短脈沖高峰值功率激光導致細胞崩解、組織爆裂的損傷。

光化學效應 

另一方面,損傷效應也可能是特殊分子吸收了所給定光的直接結果。這一過程是由于吸收給定光能而產生,而不是能量的釋放。然而,這種反應是分子激發態的一種獨特的化學反應,這種光化學反應是低劑量照射損傷的主要原因。

根據這個機制,中等劑量的紫外輻射和短波長光長時間照射,可引起某些生物組織,如皮膚、眼的晶狀體,尤其是視網膜的不可逆改變。如果輻照時間太長,或雖是短時間照射,但重復照射的時間太長,那么這種光化學導致的變化就可引起器官的損傷。

有些由激光照射引發的光化學反應可能是異常的,或放大了正常過程。光化學反應通常遵循本生(Bunsen)和羅斯科(Roscoe) 定律,并且對于1h~3h或更短的持續時間(這里修理機理不能處理損傷等級),用輻照量表示的閾值在很寬的持續時間范圍內是不變的。與熱擴散引起的熱效應不同,光化學效應不存在對光斑大小的依賴性。

非線性效應 

短脈沖、高峰值功率(即 Q 開關或鎖模)激光器,通過不同損傷機理的聯合作用,可加重組織損傷。

能量在極短的時間內釋放到生物靶標上,受照射部位產生很高的輻照度。靶標組織受到如此快的溫度升高,致使組織細胞由液態變為汽態。在多數情況下,這些相變極快,可使組織爆裂,細胞崩解。

由此產生的壓力瞬變,在燒傷中心的外周緣產生一個環狀的爆破帶。相似的壓力瞬變亦可由熱膨脹引起,以上兩種壓力瞬變均可由于部分組織的移位,而導致遠隔吸收層部位的組織出現切割狀損傷。在亞毫微秒的照射中,眼睛介質的自聚焦進一步集中準直光束的激光能量,在約10ps~1ns之間進一步降低閾值。

此外,其他非線性光學機理在亞毫微秒范圍的視網膜損傷中也起作用。

激光作用于視網膜時,上述的所有損傷機理均已被見到,并反映在本部分描述的安全照射量的轉效點或斜率的變化上。

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