邱国力雷射在皮肤科的应用郭艳光.docx

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邱国力雷射在皮肤科的应用郭艳光

光電子學期末報告

雷射在皮膚科的應用

指導老師：

郭艷光博士

學生：

邱國力

學號：

8820104

中華民國八十九年十二月二十日

在所有的應用領域中，

雷射對醫療的貢獻最令我感動。

~CharlesH.Towens

壹、前言

不諱言地，筆者對「雷射」曾存有諸多迷思；只要一提到雷射，所聯想到的皆是「武器」、「戰爭」、「殺戮光束」等冷酷、邪惡、災難的象徵。

也因此，當筆者第一次聽到有人利用雷射治療近視時，首先竄起的疑惑便是：

「你的眼睛怎麼可能沒有瞎掉？

」

所幸，隨著雷射原理與技術應用發展之成熟，一些「平民化」的雷射用品也應運而生，舉凡雷射印表機、CD音響、舞會的雷射光影秀等等，其不僅提昇我們生活的便利性，更增添了生活的樂趣。

藉此，筆者對雷射的印象也逐漸演變成一種「友善的工具」；即體認到雷射除了可以助人、愉人之外，更重要的是，它也能夠救人。

而藉由本學期「光電子學」的課程，筆者有幸能更進一步瞭解雷射的歷史與原理。

從愛因斯坦在19717年預測刺激性放射（Stimulatedemission）的論點，繼之由Towens、Schawlow等人於1957年提出雷射的理論，再由Maiman在1960年利用氙燈激發出第一道紅寶石雷射，直至今日，藉由不同激發系統、共振腔、活性介質所製成的雷射機種，已多到難以計數；而此具有單一波長、高同相性（coherence）、高方向性（directionality）、高能量聚集的光束，更持續地拓展其在各領域應用的範圍。

在所有雷射的應用範圍中，筆者與Towens有一致的見解，即認能夠「救人」、「去除人類病苦」乃雷射最具價值之用途。

而在醫學領域中，對於醫療雷射之測試與應用，幾乎都是從皮膚開始，也因此，皮膚科乃雷射醫療發展上最富經驗之科別，其實際療效也最為各界肯定。

而為了對雷射在皮膚醫學之應用有更深入的瞭解，本文中，筆者將先介紹雷射光與組織之交互作用情形，隨後針對特定雷射機種在皮膚科治療之應用、以及特定病灶所使用的雷射進行探討，最後再針對雷射醫療體系未來的發展取向，提出個人的見解。

貳、雷射光與組織之交互作用

若從光學的觀點來衡量人體組織，可將其視為一非均勻的介質；此乃因其組成元素多而複雜，且其成分、構造亦隨著其所處之部位而異；此外，因雷射光具有單一波長的特性，故不同雷射對組織作用也應有所不同。

於此，我們可推斷，雷射光與組織間之交互作用絕非單一、線性的機制，並且，若欲深入探討其交互作用的實際情況，則我們不僅應從組織的觀點來著手，也應從不同雷射光源的特性（如：

波長、功率、輸出模式等）來加以切入。

然相關文獻在探討雷射光與組織之交互作用時，多由醫學的觀點來描繪此交互作用的應用，而鮮少以物理學的觀點來探討該交互作用的特性，此容易讓讀者忽略此交互作用之原貌，以致無法建構清晰的概念；有鑑於此，筆者擬從「光的傳播」、「組織對光的反應」、「醫療應用」三個架構來探討雷射光與組織的交互作用；故下文中，筆者將先就光學的觀點來描繪雷射光照射組織後之各種現象，隨之以生理學的觀點來介紹組織接受雷射光照射後之效應，最後從醫學的角度來探討雷射光與組織之交互作用在醫學上的臨床應用，以期能從各種觀點的交相討論中，對「雷射光與組織之交互作用」有較完整的瞭解。

1、雷射光照射組織後之現象

雷射光接觸了組織之後，其光束本身的變化大致可分成透射（transmission）、反射（reflection）、吸收（absorption）、散射（scattering）四種現象（如圖

（一）），以下分述之：

反射透射吸收散射

圖

（一）雷射光束照射組織後的四個機制

1.反射：

當雷射光束接觸到組織表面時，有部份的光束不會進入組織內，而會直接反射出來，且根據反射定律可知，雷射光的入射角越大，其反射角也隨之變大。

雷射光束的反射現象，乃臨床使用上最應避免的；此除了會減弱雷射光進入組織的強度之外，其所反射出的光線也可能會對醫護人員造成傷害。

因此，在臨床使用時，應儘量使雷射光束垂直入射組織的表面，以減其反射。

2.透射：

當雷射光束進到組織內部後，可能會改變其運動方向而繼續在組織內朝新的單一方向前進，亦即，雷射光束可穿透皮膚表面並與其下的組織發生作用。

根據此特性，我們可利用雷射光穿透皮膚來治療皮下的血管病灶，或使雷射光穿過眼內液到達視網膜以進行視網膜手術。

3.吸收：

雷射光射入組織後，最常見的現象就是此光束被組織吸收；當雷射光被組織吸收之後，大部份會被轉換成熱能，進而導致組織的汽化、凝血，甚至是剝離；此外，部份的能量可能被電子吸收而使之躍升至更高的能階，此會使組織處於游離或離子化的狀態，造成分子鍵的破壞。

4.散射：

當雷射光進到組織內之後，可能會朝著四面八方不同的方面前進，這種情形最常見於可見光區雷射以及近紅外光區雷射。

散射現象會使光束無法聚焦，並且減少光束能穿透組織的深度。

以上四種現象中，又以吸收和散射對雷射光進入皮膚後的影響最大。

雷射光照射到皮膚後，約有5%的光束會反射回去，剩下95%的光則或是被吸收或是四處散射。

在真皮裡，膠原組織會使光線散射，而散射的程度和雷射光波長成反比；並且，因雷射光在真皮的穿透能力受到散射的影響，故雷射光的穿透率和波長也有密切的關係；而由臨床的實驗數據可知，雷射光的穿透深度約和其波長成正比（如右表

（一））。

此外，雷射光束的半徑或光點大小也會影響其穿透率，因較小的光點會造成較厲害的散射。

波長（nm）

250

280

300

350

400

450

500

600

700

800

1000

1200

穿透深度（nm）

2

1.5

60

60

90

150

230

550

750

1200

1600

2600

表

（一）雷射光波長對高加索人皮膚之穿透深度

二、組織受雷射光照射後之效應

承上所述，雷射光照射到組織後，雖有反射、透射、吸收、散射等現象，然僅有被吸收的部份才能真正對組織產生作用；而藉由吸收作用產生的效應諸多不同的形式，此與雷射本身的特性有很密切的關係，以下分別來探討：

1.高熱效應（多由由高能量或強雷射光所引發）

當功率較高的雷射（如：

CO2Laser（30-100w）、Nd:

YAGLaser（60-100w）、ArgonLaser（5-15w）等）照射到組織時，即使其照射的時間很短，其聚焦處卻可使局部組織的溫度快速竄升至200-1000C以上，此高溫可促成組織膨脹、分開，並且被蒸發、汽化；利用此高熱效應，臨床上可進行切割或燒除腫瘤的工作。

然而，若組織是位於雷射光焦點之外的區域，則因其被照射的面積較大，受光部份的組織溫度升高較慢；當溫度上升至60C時，組織中的蛋白質會開始變性，組織也變白；若溫度升高到60C以上，組織會產生凝固的現象；而當溫度高達100C時，組織中的水分會被蒸發，組織會脫水凝縮（retract）；若溫度繼續上升，則組織開始轉成褐色，並變為炭化、壞死；臨床上，我們可利用此效應達到凝固、止血的目的。

2.顯微熱效應（Microthermaleffect）或組織熔合作用（Lasertissuewelding）

以功率較小的雷射聚焦照射極小面積的組織，會產生顯微熱效應，此能使分開但非常靠近的組織熔合在一起；我們可利用此特性來熔合被截斷的顯微血管、顯微神經或輸卵管。

3.光化學反應、光電磁效應（多由低能量雷射引發）

（1）光化學反應（photochemicaleffect）

此效應主要藉由功率在數毫瓦至數百毫瓦之間的雷射，以其能量激發原子內之電子，從而誘發出螢光或引起光化學作用，甚至可引起分子分裂（即光解離作用）。

一般而言，能量較低的雷射對組織或細胞不會產生明顯的熱效應，但若組織附有會吸收特定雷射能量的染劑，則當此染劑受該雷射照射時，電子會吸收能量而躍升至激發態，隨之進行自發性放射而放出螢光。

在臨床使用上，因人體內的癌細胞容易吸附特定的染劑，若將染劑注入人體再以特定波長的光束照射使之放出螢光，則醫護人員可藉此螢光輕易地辨認癌細胞分佈的位置。

再者，若將雷射光調至630nm的波長，則可利用光化學效應來殺死含有光感物質的腫瘤細胞。

此光化學反應的基本概念，即是因光子能量可被某些分子（自然或人造）及光感物質（photosensitizer）吸收，這些光感物質在某些細胞內，將使細胞於某種特定波長及強度的雷射光下較脆弱而遭受破壞。

這種反應最主要的原因是光感物質吸收了光能，提昇其能階至激發狀態，而在激發狀態的光感物質作用於某些分子（如氧分子、使之產生單氧（singletoxygen）），造成細胞內重要成分不可恢復性的氧化反應，進而達成傷害組織、消除腫瘤的目的。

（2）光電磁效應或光生物調節作用（photobioregulation）

以相當低能量的雷射照射活生物組織，可以影響或改變其生理代謝功能，卻不會導致組織燒灼或損傷。

雖此效應之原理尚未獲得學術界一致的共識，但在臨床實驗上卻已有相當的成果；例如，以微弱的紅寶石雷射照射老鼠的皮膚，可促進其脫毛處長毛、傷口癒合，一般認為，此可能與光的活化性作用而促進膠原纖維之增生有關。

此外，利用低能量的雷射照射穴道或筋肌模壓痛區，可以解除疼痛、痙攣及其他功能性疾病、促進局部循環作用，此即所謂之生物調節作用或雷射針灸（LaserAcupuncture）。

4.光聲作用（photoacousticeffect）或光震碎作用（Opticalbreakdown）

（1）光聲作用（photoacousticeffect）（一般由普通脈衝波引發）

利用普通脈衝波來照射組織（照射時間為幾分至幾十分之一秒，頻率為每秒幾次到幾十次），可對標的組織產生震動波，而引起組織的爆炸；此脈衝波產生之光聲作用（photoacousticeffect），可以用來震碎結石，臨床上應用於治療腎結石或膽結石，即所謂的雷射碎石術（Laserlithotripsy）。

（2）光震碎作用（Opticalbreakdown）（一般由極短脈衝波所引發）

雷射在極短時間內，毫秒以下或塵秒或漠秒，照在極小的照射點（Spotsize）可產生瞬間很高的功率，此可引起瞬間顯微熱效應，進而導致組織的急速膨脹，產生壓力分割作用。

因其照射時間甚短，故所引起的熱損傷範圍極小，適用於細微局部的穿孔或切割。

一般Q-switch雷射能在極短時間內（10-12s）（nanoseconds或picoseconds）發出相當能量的雷射，使組織血漿化（Plasma），並產生震波而裂開，相當於放電的火花（spark）；然因其照射時間極短，故對鄰近組織的熱損傷極小，適用於眼科的手術。

Q-switch雷射或Mode-locked雷射為雷射輸出波式的一大改進，能避免鄰近組織的熱損傷，即所謂的光震碎作用（Opticalbreakdown）。

5.光剝離作用（Photo-ablation）（一般由準分子雷射（ExcimerLaser）所引發）

準分子雷射的波長為遠紫外線，即200-300nm之間，其可剝離表層的組織而不造成其下細胞的損傷。

如ArF雷射（193nm）可被1m厚的組織吸收，其僅造成表面剝落，而底下的組織卻能毫無損傷；此乃因雷射使其構造成分的長鍵分子斷裂成碎片，而非依靠其熱效應將組織剝離。

以上簡要地介紹雷射光被組織吸收後可能引發的效應，然為了充分瞭解這些效應的實用價值，我們有必要進一步探討其臨床上的應用。

三、雷射光與組織交互作用之臨床應用

從醫學臨床應用的觀點來看，我們可先將雷射光與組織之交互作用區分為「雷射診斷」與「雷射治療」兩大領域，其中「雷射診斷」可簡要地分成「巨觀診斷」和「微觀診斷」兩種等級，而「雷射治療」又可粗分為「熱效應」、「非熱效應」兩大領域；依據上述架構，筆者將雷射光與組織之交互作用在臨床應用的情形整理成下表：

雷射診斷

巨觀診斷

斷層攝影、脈動偵測、血流量測等

微觀診斷

對器官、細胞、細胞器及生物分子的診斷

雷射治療

熱效應

切割、凝固、止血、燒灼、組織凝結

非熱效應

光動力治療、光剝離、震碎作用、組織癒合、疼痛治療

表

（二）雷射光與組織之交互作用在臨床上的應用

在診斷的技術方面，其運用的原理大致有下列兩種：

（1）光感物質被特定組織細胞吸收後，以特定波長之光束照射能使其激發出螢光，此即前述的螢光效應；

（2）組織受短暫的雷射照射後，受熱區暫態的熱擴散會產生音波，且其震幅與光吸收係數成正比，此即目前正在開發中、具發展潛力的光聲法（Opto-AcousticMethod）。

而在雷射治療方面，利用雷射光與組織的熱效應所製成的雷射手術刀，在臨床上已被廣泛地運用於蒸發、切割、凝固、止血、燒灼，前原理如前小節所述。

然值得一提的是，利用雷射來進行蒸發、切割時，可藉由一小孔就把把欲去除的組織蒸發去除，而不必像傳統手術切一個大傷口，不僅可減小裂痕，更可同時兼具凝固、止血的功能。

我們可依據組織受照射後之不同的溫度變化，來探討其對應的熱效應，茲將其圖示如下：

1000碳化

光熱反應

蒸發

100°C水分蒸散凝固

80°C蛋白質

60°C變性

非光熱

反應

40°C

20°C

0°C

圖

（二）組織在不同溫度之各種效應圖（三）能量與組織之深度、溫度及反應

誠如筆者一再強調的，人體組織的成分非常複雜，故在探討雷射光與組織的熱效應之時，我們尤應特別注意「選擇性光熱分解效應（selectivephotothermolysis）」。

此理論乃於1983年由Anderson與Parrish提出，強調組織會選擇性地吸收某段波長的雷射光，而導致這些特定組織的破壞；運用此原理，我們可選用特定的雷射波長來照射特定病灶組織的載色體，以達到破壞的目的。

一般而言，入射於皮膚的雷射光大部份會被皮膚的載色體（chromophore）吸收，此載色體包括了氧基血紅素（oxyhemoglobin）、血紅素（hemoglobin）、黑色素（melanin）、刺青顆粒等；值得注意的是，不同載色體所能吸收之雷射光波長並不一致，故如何選取適當波長的雷射光來針對特定載色體進行選擇性的破壞，乃是雷射在臨床應用上的重要課題。

舉例來說（參見圖（四）），黑色素能吸收351、504、590、694及720nm波長的雷射光而被破壞，故色素性病灶可利用黑色素能吸收之波長的雷射來治療；而氧基血紅素則可吸收418、542、577nm的雷射光，因血管性病灶含有氧基血紅素，故可選用氧基血紅素所能吸收波長範圍的雷射來治療；此外，水分子則能吸收二氧化碳雷射所發出之10600nm的雷射光。

圖（四）波長對血紅素與黑色素的吸收關係

另一方面，因光的波長越長，其穿透皮膚的能力也越強，如波長在300-400nm的雷射光穿透皮膚的深度小於0.1毫米、波長在1000-2000nm的雷射光穿透皮膚的深度可大於2毫米；故在醫學應用上，除了應考慮不同載色體所能吸收之波長之特性外，也應同時考慮病灶位於皮膚深淺不同的位置，才能選取適當的雷射加以治療。

而另一項影響雷射光與組織之熱效應的重大因素，乃雷射光的脈衝期間（pulseduration），亦即標的組織暴露於雷射照射的時間。

當雷射光照射在特定組織時，組織便會選擇性地吸收雷射光並產生熱能，並進一步將熱能以傳播出去；通常，我們將此組織釋放出50%由雷射光所吸收之熱能所需的時間，稱為熱弛緩間TR（thermalrelaxationtime），TR通常和目標組織之大小成正比，以血管為例，血管寬度愈大則其熱量發散時間愈長。

必須強調的是，若雷射光照射在標的組織的時間超過熱弛緩時間TR時，會將其熱能傳導給鄰近組織，造成鄰近組織的傷害、產生疤痕。

相對地，若選用之雷射脈衝時間略小於標的組織的熱弛緩間TR，則可有效地減少標的組織傳給鄰近組織的能量，避免對鄰近組織造成傷害。

例如，黑色素的熱弛緩間TR為100s，而最新紅寶石雷射的脈衝時間只有28s，故以紅寶石雷射來照射黑色素病灶，能將對周圍組織的傷害減到最低。

至於屬於非熱效應的光動力治療、光剝離作用、光震碎作用、促進組織癒合與減低疼痛的應用，筆者已於前一節進行簡要地介紹，於此不再贅述；然須再次強調的是，低能雷射在雖在臨床上被證明能加速組織癒合及減輕疼痛，然其相關的學理到目前為止，尚未獲得一致的定論。

在促進組織癒合方面，有些學者認為，低能雷射可加速膠原蛋白的合成，增加癒合組織的血管形成，進而使受傷的皮膚、黏膜、等組織加速癒合；而在減低疼痛方面，有些學者主張低能雷射能增加組織中的SOD酵素，此酵素能作為superoxideradicals的一種酵素劑，並減低前列腺素的產生（疼痛感和前列腺素的產生有關），進而減低疼痛。

經由上述的討論，我們可再次印證皮膚的成分（如水分、載色體的含量）會影響其對雷射光的穿透性、散射性、熱傳導性，而雷射光束本身的特性（如波長、脈衝時間、功率等）也是影響雷射光與組織之交互作用的的重要因素；筆者將影響雷射光與組織之交互作用的因子整理成下圖（五）。

於此，我們有必要針對各種雷射的特性加以分析，俾能充分掌握其特性以在臨床上發揮其最大的功效。

能量

波長聚焦

脈衝時間離焦

吸收熱

散射光化學反應

密度光震碎作用

熱傳導係數光聲效應

光剝離作用循環系統

圖（五）影響雷射光與組織之交互作用的因子

參、皮膚科臨床使用之雷射

雷射發展至今已屆滿四十年，此間不僅各式各樣的雷射陸續被發展出來，其在各領域之應用、影響也持續在擴展中。

然而，並非每一種雷射都適合用來進行醫學的診斷與治療，因此，若欲探討雷射在皮膚科的臨床應用，我們務先瞭解雷射光的各種特性，才能適當地選擇以發揮最大的療效。

故本節中，筆者將先回顧雷射光源之各種性質，隨後再從皮膚科臨床應用的觀點出發，介紹幾種目前臨床上常使用的雷射。

一、雷射的種類與性質

我們可依據各種不同的屬性來對雷射加以分類，然此多元的分類方式卻常容易使人混淆；故下文中，筆者將針對若干雷射的性質進行初步的分類與探討，並略述其與皮膚醫學的關連，以作為繼續討論的基礎。

1.雷射介質的種類：

依雷射所使用的活性介質狀態來區分，可將雷射分為氣態（如CO2、Ar+）、液態（如染料雷射）、固態（如Ruby、Nd:

YAG等）三種，然因半導體雷射的性質較為特別，許多學者皆將其獨立於固態雷射的類別來討論。

一般而言，雷射的介質會對其價格、維修與工作環境等造成影響。

2.波長：

依雷射波長的長短來分，可將醫學上所使用的雷射可分為紅外光區雷射（infrared-light）（遠紅外光區雷射（far-infraredlight）以及近紅外光區雷射（near-infraredlight））、可見光雷射（visible-light）、及紫外光區雷射（ultraviolet-light），其中紅外光雷射區又可分為，而幾乎每一波長範圍皆有其對應的雷射光源（參見圖（六））。

在此，我們須注意的是，雷射光束的波長會隨其使用的介質而異，且人體組織內的組成份子對不同的波長會有不同的吸收率，故如何依據標的組織來選取適當的雷射波長來進行治療，實乃醫療雷射最重要的課題之一。

可喜的是，目前已發現有些介質能夠放射出不同波長的雷射光（如DyeLaser），此波長可調的性質，大大增益了雷射的應用性。

X射線

紫外線

可見光

紅外光

微波

放射波

LASER

10-410-310-210-11101102103104105106（波長）

紫外線紫錠藍綠黃橙紅近紅外線中紅外線

0.19m

0.31m

0.4m

0.5m

0.6m

0.7m

0.8m

1.06m

212m

2.94m

10.06m

準分子氪氬氦氖紅寶石鎵砷二極體釹雅克鈥鉺雅克二氧化碳

圖（六）不同電磁波長範圍所對應的雷射光

3.脈衝時間（pulseduration）：

依據雷射光束輸出的方式，我們可將其區分為連續波式（continueswave）、與脈衝波式（pulsedwave）；一般而言，雷射的脈衝時間越短，其能量越集中，因此，對相同能量的雷射光束而言，脈衝時間越短者其功率越高。

而如之前在探討熱弛緩時間TR所提的，雷射脈衝時間的長短會直接影響鄰近組織的破壞程度，故脈衝時間越短的雷射對標的物的作用將更具選擇性。

4.能量與功率：

在此，我們要討論雷射光兩個重要的概念：

irradiance、energyfluence。

Irradiance即powerdensity，為單一脈衝波入射於表皮單位面積的功率；energyfluence，亦稱為energydensity，乃特定時間內入射於表迷面積的能量。

就一個功率固定的單一脈衝波而言，energyfluence等於irradiance乘以照射時間。

其關係式如下：

Irradiance（W/cm2）=Laserpoweroutput（W）/laserbeamcross-sectionarea（cm2）

Fluence（J/cm2）=LaserpowerExposuretime（s）/laserbeamcross-sectionarea（cm2）

一般而言，雷射光功率越高者，越可能在極短的脈衝時間內釋放出足夠的能量來對組織產生特定的作用，且能量越大者對組織作用之範圍較大、較深。

而當一個雷射的平均功率等於或小於1mW時，我們將之稱為低能雷射，其與組織的交互作用可參閱上一節的討論。

5.輸出系統（deliverysystem）：

有些能量較強的雷射，無法利用光纖來傳遞，僅可藉由反射鏡，透過關節的構造來傳送，也因此，此會降低其靈活性而造成使用上的限制。

6.聚焦與否：

若將標的組織置於雷射光束聚集的焦點上，則其spotsize非常小、能量集中，可用來進行切割；若以雷射光束焦點之外的部份來照射表皮，則其spotsize增大、能量較分散，可用來進行組織凝固的工作。

7.光束的橫面能量分佈：

一般而言，TEM00模式的能量最集中，但其分佈情形僅近似於高斯分佈，仍非均勻分佈，故在臨床使用時，每一照射點之間應有些許重複，方能使能量較為均勻。

二、皮膚科常使用之雷射

在瞭解雷射光的特性以及雷射光和組織的交互作用之後，我們可知不同的皮膚病灶應配合適當波長、能量、脈衝時間等特性的雷射來加以治療，市面上五花八門的雷射機種並不見得都適合皮膚醫學使用。

也因此，本小節中筆者並不企圖介紹所有的雷射機種，而主要針對目前皮膚科最常使用的二氧化碳雷射、紅寶石雷射、染料雷射和其他雷射進行討論。

1.二氧化碳雷射（CO2Laser）

二氧化碳雷射乃目前最常用的外科雷射系統，其射出的波長是在光譜中不可見的中段紅外線部分（10600nm）；因CO2雷射光束無法以肉眼察覺，故市面上的雷射系統都會摻入低強度的紅色氦氖雷射或二極體雷射光，以協助儀器的瞄準。

為了有效造成該雷射的居量反置，通常皆使用二氧化碳、氮氣及氦氣的混合物來作為其活性介質，並藉由高壓電流予以激發。

在pumping的過程中，一中間物質原子首先被激發，然後接著將能量轉移給二氧化碳分子，當二氧化碳分子放出紅外線能量後，分子會籍由和氦原子碰撞而