光学医疗应用.ppt

1、,激光技术在医疗领域的应用,Medical Application of Laser Technology,2013年4月,提 纲,1,2,3,激光相关概念原理介绍,激光介质相互作用的效应,激光在医疗科研中的应用,激光Laser,Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,受激发射光放大,激光产生原理,世界第一台激光器：红宝石激光器,1960年5月15日，在美国加州休斯公司的一个研究室里，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太

2、阳表面的4倍。激光和激光器的问世，被称为20世纪最重大的科学发现之一。,激光：高斯光束,激光应用领域,激光应用,光和介质的相互作用,不同温度处组织的光热效应,150度,300度,激光的两个参数,组织的光学窗口Optical Window in Tissue,Light in the 700-900 nm wavelength range(Near Infrared)can penetrate into tissue up to 5-6 cmLight sources working within this range can be used in investigating the optic

3、al properties of tissue,http:/www.bme.boun.edu.tr/biophotonics/research.html,近红外脑功能成像,认识我们的大脑,2.53.0毫米,大脑,神经系统科学 语言认知的研究 运动区研究老年性痴呆的研究,脑功能研究对象,心理学视觉刺激研究,精神病学 抑郁及精神分裂等的研究,新生儿科学 新生儿听觉、视觉及语言等成长障碍的早期发现与治疗儿科学ADHD及智障的研究,教育学,44名地震幸存者虽毫发无损 但脑部已产生异变,四川大地震44名幸存者脑中控制情感的几个节点，如前扣带回、岛叶、尾状核、杏仁核、海马等区域，功能活动普遍比常人活跃。,

4、大脑,外界刺激,行为,已有脑功能成像手段,目前，作为脑功能研究的手段主要有脑电图、fMRI（功能性磁共振成像）、PET、MEG等。fNIRS：（functional Near Infrared Spectroscopy）功能性近红外光学成像技术，通过生物体穿透性高的近红外光谱对脑功能进行无侵袭性测量。其原理是通过三个特定波长的近红外光来测量大脑皮层的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白以及总血红蛋白的含量，从而表征大脑在接受外界刺激或思维过程中不同区域的反应和功能表达 大脑在思考的时候，血流量增加，当停止思考时，大脑血流量减小。,fMRI,PET,血红蛋白,脑功能成像,扩散光学层析(DOT:Diffus

5、e Optical Tomography),http:/www.nmr.mgh.harvard.edu/martinos/research/MultimediaGallery/DOT_materials/dot.html,实验布局图,实验实例,diffuse optical tomography,光学在眼科中的应用-激光治疗近视,眼睛结构,How the eye work,Cornea=Lens CoverIris and Pupil=Aperture of CameraLens=Cameras LensesRetina=Cameras Film,角膜：镜头盖虹膜：光阑晶状体：透镜视网膜：探测

6、器,How eye works?,近视,远视,散光,老花眼,激光治疗区光不正原理,Cornea角膜,Desired Corneal surface理想曲面,Tissue to be removed需去除组织部分,近视Myopic ablation,Cornea角膜,Desired Corneal surface理想曲面,Tissue to be removed需去除组织,远视Hyperopic ablation,激光治疗区光不正原理,准分子激光角膜切削术,LASIK:Laser-Assisted In Situ Keratomileusis得到美国FDA认证,准分激光是一种气体脉冲激光波长为1

7、93nm此波长的吸收范围窄，能量几乎完全被角膜上皮细胞和基质吸收，超过这个范围的组织不会吸收到激光每一个激光脉冲可以切削0.2到0.25um厚度的生物组织光化反应：分子之间的结合键断裂，将组织直接分离成挥发性的碎片而消散无踪，对周围组织则没有影响，达到对角膜的重塑目的，能精确消融人眼角膜预计去除的部分空间精确度达细胞水平，不损伤周围组织。,准分子激光对近视的矫治就是用准分子激光切削角膜中央前面，即去除角膜基质层，使角膜表面变得比原来平坦一些，弯曲度减少、使眼部成像的焦点落在视网膜上，以达到矫正近视的效果，这就如同把隐形眼镜的度数精确地刻在角膜上一样。所谓远视是指在无调节状态下，平行光线经眼屈光

8、系统的曲折后，焦点聚在视网膜之后，没有形成清晰物像，导致看近处模糊，易疲劳。那么，准分子激光对远视的矫治就是用准分子激光切削角膜中心区周围基质层，使角膜表面变得比原来突起一些，弯曲度增加，使眼部的成像焦点落在视网膜上，以达到矫正远视的效果。,手术原理是先采用自动微型角膜板层系统在角膜表面制作一带蒂的板层角膜瓣，翻转角膜瓣后，应用准分子激光电脑控制多步分区进行角膜基质内切削，最后将角膜瓣复位。这种方法保留了角膜上皮和前弹力层的完整性，用193纳米准分子激光切削角膜基质，避免了术后雾状混浊的发生,Step 1.负压环吸引固定眼球，放角膜上方A suction ring is centered ov

9、er the cornea of the eye,LASIK 工作步骤,Step 2:自动式微型角膜刀沿轨道旋转推进，制作角膜瓣The microkeratome creates a partial flap in the cornea of uniform thickness,Step 3:翻开角膜瓣，暴露角膜基质The corneal flap is folded back on the hinge exposing the middle portion of the cornea.,Step 4:应用准分子激光照射角膜中央区。The excimer laser is then used

10、to remove tissue and reshape the center of the cornea.,Step 5:角膜瓣复位，无需缝合In the final step,the hinged flap is folded back into its original position.,LASIK工作视频,光动力疗法（photodynamic therapy）,光敏剂：一类分子，只吸收光子并将能量传递给那些不能吸收光子的分子，促使其发生化学反应，而本身则不参与化学反应，恢复到原先的状态。光动力反应:有氧分子参与的伴随生物效应的光敏反应原理是：病变细胞与光敏剂结合，在外界光激发后产生氧

11、自由基、单态氧等物质，损伤细胞膜和血管内皮细胞，选择性的杀伤病变细胞而达到治疗目的。,光动力疗法,Photosensitizer光敏剂,Oxygen氧气,Light光,光动力作用三大要素,作用原理,S1,光敏物质受到光激发时，吸收光子能量，由基态变成激发态，处于激发态的光敏物质很不稳定，化学退激过程生成大量活性氧，其中最主要的是单线态氧，活性氧能与多种生物大分子相互作用，损伤细胞结构或影响细胞功能。,光敏剂,光敏剂的三个条件：(1)自己能首先被光照射激活；(2)在体系中有足够的浓度，且能吸收足够量的光子；(3)必须能把自己的能量传递给反应物。光敏试剂一般是芳香族酮类和安息香醚类,对生物体安全无

12、毒；药物能被癌组织特异性吸收和贮存；荧光效应强，皮肤光毒作用少；易排泄无积累，副作用小。国际：photofrin，photosan，ALA国内：HpD（血卟啉衍生物）制剂，ALA,激光光源,研究开发光敏剂和相应的特定波长的光源是推广应用光动力疗法的两个主要任务。在光动力疗法应用初期，人们利用有各种灯泡或加装滤色片的灯来获得所需的光源。随着激光技术的发展，多种激光器被用做光动力疗法的光源。,倍频Nd:YAG激光器泵浦染料激光器 氩离子激光器泵浦染料激光器 铜蒸汽激光器泵浦染料激光器 金蒸汽激光器 氦氖激光器 半导体激光器,光动力疗法临床例子,色素性皮肤病：鲜红斑痣（PWS)，有很好的治疗效果。光

13、敏剂：HMME(hematoporphyrin monomethyl ether)血卟啉单甲醚要求：500nm-580nm 光源,cream is applied to the skin for about 1 hour exposed to Blue,Red or Pulsed yellow light abnormal skin cells is removed,http:/www.cdc-.au/photo_dynamic_therapy,光动力疗法临床例子,完全褪色(CR),光动力疗法临床例子,大部褪色(ER),光动力疗法临床例子,光动力疗法治疗黄斑病,黄斑介绍,黄斑视频,老年性黄斑退

14、化症(AMD:Age-Related Macular Degeneration),老年性黄斑病变：发生在眼底视网膜黄斑部的一种病变，视网膜色素上皮的代谢功能衰退引发，常一眼先发病，最终双眼受累。随年龄增加而发病率上升并导致视力明显下降的疾病，具有致盲性。与黄斑区长期慢性光损伤，脉络膜血管硬化，视网膜色素上皮细胞老化有关。,临床上分为：萎缩性（干性）(90%病人)和渗出性（湿性）两种类型,Macular Degeneration Wet,Macular Degeneration Dry,光动力治疗过程,将光敏剂Visudyne注入血管，当其在眼内积累到一定量时，用一种特定的激光将光敏剂激活，激活

15、的光敏剂释放大量的自由基和单态氧，破坏细胞结构，导致细胞的死亡，从而导致新生血管的萎缩，减少出血和液体的渗漏，达到稳定视力的目的。,演示视频,http:/,皮肤结构,毛目细胞分裂旺盛的时期，是毛发的增长时期,毛发生长过程,约数周，毛目细胞退化，毛乳头萎缩，毛发停止生长,换毛的开始，毛发脱落至新发再生,毛发生长的视频介绍,激光脱毛原理(Laser Hair Removal),依据选择性的光热解原理，通过合理调节激光波长能量脉宽，激光便能穿过皮肤表层到达毛发的根部毛囊，毛囊中的的麦拉宁色素会吸收激光的能量并转化为破坏毛囊组织的热能，从而使毛发停止生长 周边组织对此波长无吸收，无损 只有生长期内的毛

16、囊存在麦拉宁色素，所以需要多个周期完全实现脱毛效果激光脱毛是目前最安全快捷长久的去毛技术,激光脱毛三种不同波长,黑色素最佳吸收波长,黑色素一定吸收率，表皮吸收较少,细小、浅色毛发 多次脱毛后复发或残留毛发 浅肤色人群,各种精细化修正脱毛毛发颜色较浅。深色肤种,黑色素相对吸收较好,大面积躯干脱毛。对疼痛特别敏感者,Laser Hair Removal(pricipal demo video),http:/,临床实例-嘴唇和耳朵,用于前臂,Laser Hair Removal(clinical demo),光子嫩肤(Photorejuvenation),光子嫩肤 是利用脉冲强光（intensive

17、 pulse light,IPL）对皮肤进行一种带有美容性质的治疗，其功能是消除/减淡皮肤各种色素斑、增强皮肤弹性，消除细小皱纹、改善面部毛细血管扩张、改善面部毛孔粗大和皮肤粗糙，也能改善发黄的皮肤色彩等。,光子嫩肤基本原理,特定光谱（585nm、694nm、755nm、1064nm，以血红蛋白、黑色素、胶原纤维为靶基）的IPL穿透皮肤，并被组织中的色素或血管中的血红蛋白优先选择性吸收，在不破坏正常组织的前提下，破坏、分解扩张的血管、色素基团、色素细胞等，从而达到治疗毛细血管扩张、色素斑的效果。IPL作用于皮肤组织产生光热作用和光化学作用，是深层的胶原纤维和弹力纤维重新排列，并恢复弹性，使面部

18、皮肤皱纹消除或减轻，毛孔缩小，起到使皮肤年轻化的作用。,不同波长的穿透深度,工作原理,How It Works,Before,During,After,IPL Skin Treatments Using Photorejuvenation,皮肤变色(dyschromia),老人斑(age spot)老年人皮肤的一种脂褐质色素斑块，是一种良性表皮增生性肿瘤,酒糟鼻(红鼻子)Rosacea发生于面部中央的慢性皮肤炎症,Before,Female with broken capillaries,Before and after 3 IPL treatments,Courtesy of Robert

19、Weiss,MD,Hunt Valley,Maryland,After,毛细管扩张Telangiectasia,Female with facial veins,Before and after 3 IPL treatments,Courtesy of Jerry Darms,MD,Lake Oswego,Oregon,Before,After,毛细管扩张Telangiectasia,IPL Laser treatment clinical demo vedio,激光美白牙齿是在牙齿表面涂以高浓度专用漂白剂，在波长介于480520纳米之间的高强度蓝光照射下，由于激光加热，可将美白剂快速渗透到牙

20、齿表面及深层，与附着的 色素产生氧化还原作用，从而达到理想的牙齿美白效果。,激光美白牙齿,激光牙齿美白,肾脏,肾脏是人体的重要器官，它的基本功能是生成尿液，借以清除体内代谢产物及某些废物、毒物,肾结石Kidney stones,肾结石(calculus of kidney)指发生于肾盏、肾盂及肾盂与输尿管连接部的结石。由于新陈代谢紊乱而造成的沉积物：草酸盐、脂肪、糖分、蛋白质、钙等摄入过量，而造成的沉积。,肾结石,尿液中排泄钙增多，其结石物质易产生结晶核，易形成结石 根据结石成分的不同，可分草酸钙结石、磷酸钙结石、尿酸（尿酸盐）结石，与饮食有关,肾结石形成原因,由于饮食，体内草酸的大量积存，是

21、导致肾尿结石的因素之一。如菠菜、豆类、葡萄、可可、茶叶、桔子、番茄、土豆、李子、竹笋。嘌呤代谢形成尿酸，可使尿中草酸盐沉淀。动物内脏、海产食品、花生、豆角、菠菜等，均含有较多的嘌呤成分。,富含草酸食物,X射线检测结果,激光碎石,Pulsed dye laser fragmentation of a kidney stone,钬激光碎石术治疗肾结石Ureteroscopic laser lithotripsy of kidney stone,钬激光波长2.1m，脉冲式激光，是目前众多外科手术用激光中最新的一种。产生的能量可使光纤末端与结石之间的水汽化，形成微小的空泡，并将能量传至结石，使结石粉碎

22、成粉末状。水吸收了大量的能量，减少了对周围组织的损伤。同时钬激光对人体组织的穿透深度很浅，仅为0.4mm。因此在碎石时可以做到对周围组织损伤最小，安全性极高。,Clinical demo,激光清理太空垃圾,激光清理太空垃圾,激光照射所产生的热量将蒸发掉这些太空垃圾表面的一小部分外壳物质，这些被蒸发的物质将在这些太空垃圾后部产生微弱的等离子喷流，从而减缓这些太空碎片的运行速度，最终导致它们脱轨，坠入地球大气层焚毁。,激光武器,激光武器攻击卫星,美军C-130激光载机攻击地面目标想象图,激光武器,速度快，每秒30万公里 功率高：100千瓦 能量集中 受大气、光斑传输变大等影响，尚未普及,穿孔：高功

23、率密度的激光束使靶材表面急剧熔化，进而汽化蒸发，汽化物质向外喷射，反冲力形成冲击波，在靶材上穿一个孔,层裂：靶材表面吸收激光能量后，原子被电离，形成等离体“云”。“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。应力波的反射造成靶材被拉断，形成“层裂”破坏,激光摧毁目标原理,激光致盲武器,利用激光束照射人眼或武器装备中的光电传感器等元部件，使之受到干扰、失效、过载或造成某些损伤的一类激光武器。,激光制导Laser guide,以激光为信息载体，把导弹、炮弹或炸弹引向目标而实施精确打击的先进技术,导引头,制导原理,美国国家点火装置(NIF:National Ignition Facility),位于加州利

24、弗莫尔市国家点火装置的外观，由劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)建造。建设工作完成于2009年3月，同年5月31日交付使用。,美国NIF追求的目标:在地球上创造一个微型太阳”。国家点火装置，亦称国家点燃实验设施，是一座激光核聚变装置。原理:让激光形成的极大高温高压作用于一小颗氢燃料球以启动核聚变反应。NIF是世界上最大的ICF设施，一旦点火成功之后就能自给自足长期形成聚变能量的输出。,步骤：安装球形外壳,实验过程,先将外部激光增强10000倍，然后将一束激光分离为48束激光，再增强，进一步分离为192束激光，其总能量增加到原

25、来能量的3000万亿倍，再聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上，产生1亿度的高温，压力超过1000亿个大气压，进而引发核聚变。,步骤：用调节器调整靶位,激光束把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上。,氢燃料球,目标聚变舱内部,步骤：将燃料放入燃料舱(圆柱体),目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。激光束进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能产生聚变反应。激光技术是目前最有效的产生核聚变反应的手段,这是一个直径2毫米的铍涂层激光聚变靶，为了便于操作被固定在超薄塑料片中。在这个微型容器内注入的液体状氚和氘混合物将被冷

26、冻至略高于18开氏度，即-255摄氏度。然后从顶部和底部射入空腔的192束激光所产生的X-射线将把容器加热至太阳那么高的温度。由此将产生令人难以置信的压力对容器内的燃料进行压缩，迫使里面的原子互相融合，从而释放出巨大的能量。,步骤：压缩并加热燃料,所有激光束进入金属舱，将产生强烈的X光线。可把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。,步骤：用磷酸二氢钾晶体转换

27、激光束,激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线（1053nm）转换成紫外线（351nm），因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。,这是从靶室底部看到的目标定位器（7点钟位置）。来自NIF多台高功率激光器的脉冲在数万亿分之一秒内同时到达目标腔的中心，精确度相当于人类头发的直径。,2008年11月10日加州州长阿诺德施瓦辛格参观了如同体育

28、场般大小的NIF，陪同他的有NIF主任爱德华摩西（左）和劳伦斯利弗莫尔国家实验室负责人乔治米勒博士（右）。,点火装置的目的,模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，这也是美国建设国家点火装置的初衷，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。进一步了解宇宙的秘密。科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。保证美国的能源安全。科学家希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。公报说：“国家点火装置所产生

29、的能量远大于启动它所需要的能量，这是半个多世纪以来核聚变研究人员一直梦寐以求的能量增益目标。如能取得成功，将是有历史意义的科学突破。”,How NIF Works?,https:/lasers.llnl.gov/multimedia/video_gallery/how_nif_works.php,激光切割Laser Beam Cutting,激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料溶化或气化，再用高压气体将溶化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。激光源一般用二氧化碳激光束(10.6um)，工作功率为5002500瓦,激光切割装置,

30、Height following Laser nozzle3,Examples of laser cutting using pulsed CO2 Laser3,代表人物,激光内雕,激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一临界值，或称阈值，而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有关，同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大。这样，通过适当聚焦，可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值，而在希望加工的区域则超过这一临界值，激光在极短的时间内产生脉冲，其能量能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的其余部分则

31、保持原样完好无损,谢谢！,Ladies and Gentlemen.Thank you for your attention.,.questions and discussionare appreciated,光与组织相互作用的几种机理,產品品質,銷售業績,售後服務,售前推廣,Title in here,Title in here,Title in here,Title in here,ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.,ThemeGallery is a D

32、esign Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.,Description of the contents Description of the contents Description of the contents,Description of the contents Description of the contents Description of the contents,LOGO,生物医学光学,诊断、早期探测,治疗,光学成像，实现细胞分子量级的探测，高分辨率 无损、对人体无害 癌症诊断、内窥镜成像、

33、视网膜检测等,光热效应：光子嫩肤，美白，熔融 高功率组织切割：无痛,Light-Tissue Interaction,far,far,far,far,far,far,Sample,near,near,830 Laser,690 Laser,APDs,High SpeedDAQ Card,System Layout,1-10 kHz Modulation,830 Laser,690 Laser,Source 1,Source 2,Analog OutDAQ Card,高能量的193um光子打断角膜组织分子的化学键，由计算机控制激光的脉冲数，选择性地雕刻一定深度，在角膜上形成一个薄的凹透镜，矫正近视。矫正远视，即可在角膜上雕刻成凸透镜。在这种手术中，组织被消融得十分干净，表面光滑【，邻近未受照射的组织没受到任何影响，可精确控制消融的深度和范围，达到预计要矫正的屈光度。对角膜蚀刻之后，仍能保持透