激光即由受激輻射而產(chǎn)生放大的光，激光技術(shù)的成功被認(rèn)為是本世紀(jì)最重大的四項(xiàng)科學(xué)成果之一（即原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、激光）。

激光剛一出現(xiàn)，它的發(fā)展前景就引起人們的強(qiáng)烈興趣，不久就相繼出現(xiàn)了數(shù)百種能發(fā)射不同波長(zhǎng)的相干光的激光器。1964年美國(guó)卡斯珀（Kasper）制成了第一臺(tái)化學(xué)激光器。1966年蘭卡德（Lankard）等人首先制成了有機(jī)染料激光器，到目前為止，全世界已生產(chǎn)了幾千種類型的激光器，并研制成了高壓氣體激光器、高功率化學(xué)激光器、準(zhǔn)分子激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器、自由電子激光器和X線激光器等新品種。目前激光器輸出功率最大可達(dá)1013W，最小為mw。

激光問世后，很快受到醫(yī)學(xué)和生物學(xué)界的極大重視。1961年扎雷特(Zaret)，以后坎貝爾（Campbell）等人相繼用激光研究視網(wǎng)膜剝離焊接術(shù)，并很快被用于臨床。目前激光在臨床上除氣化、凝固、燒灼、光刀、焊接、照射等治療應(yīng)用外，在診斷和基礎(chǔ)理論研究方面出現(xiàn)了許多新技術(shù)，如激光熒光顯微檢查，激光微束照射單細(xì)胞顯微檢查技術(shù)，激光顯微光譜分析，生物全息攝影及細(xì)胞或分子水平的激光檢測(cè)和微光手術(shù)等充分顯示激光一系列獨(dú)特性能。激光配合導(dǎo)光纖維的應(yīng)用對(duì)各種體腔內(nèi)腫瘤及其他疾患的診治，以及結(jié)合各種內(nèi)窺鏡進(jìn)行激光光敏療法診治腔內(nèi)腫瘤新技術(shù)提供有利手段。目前已研究利用激光治療心臟疾病和血管內(nèi)斑塊栓塞，包括冠狀動(dòng)脈粥樣硬化阻塞后的激光血管再通技術(shù)已獲成功。

基于醫(yī)用激光的迅速發(fā)展，在激光生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中形成了一些專門學(xué)科，如激光分子生物學(xué)、激光細(xì)胞學(xué)、激光人體生理學(xué)、激光診斷學(xué)、激光治療學(xué)、醫(yī)用激光工藝學(xué)、激光防護(hù)學(xué)、分子生物激光工程學(xué)等。在診治方面，激光已用于每一臨床學(xué)科，最近據(jù)有人預(yù)測(cè)到本世紀(jì)末，應(yīng)用激光技術(shù)診治疾病的新方法將超過傳統(tǒng)的診治方法，激光技術(shù)將引起內(nèi)外科治療的一場(chǎng)“革命”。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)末的五至十年內(nèi)，激光技術(shù)將廣泛應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)和治療癌瘤，進(jìn)行外科手術(shù)以及縫合血管、神經(jīng)、肌腱和皮膚，治療動(dòng)脈硬化斑、血管栓塞和內(nèi)科、皮膚科等的許多疾病。

二、激光產(chǎn)生的原理

白熾燈、日光燈、高壓脈沖氙燈、激光燈的發(fā)光現(xiàn)象，都是光源系統(tǒng)中原子（或分子、離子）內(nèi)部能量變化的結(jié)果。原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)是發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，激光的產(chǎn)生，不外乎通過以下幾個(gè)過程和步驟：

一般原子系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的原子不是處于低能級(jí)的基態(tài)，而是處于高能級(jí)的激發(fā)狀態(tài)的原子數(shù)目，相比之下是非常少的。例如：在室溫（27～28℃）的情況下，紅寶石晶體中處于基態(tài)的鉻離子數(shù)目為激發(fā)態(tài)的1030倍，因此，紅寶石鉻離子基本上是處于基態(tài)的。如果要使這些處于基態(tài)的粒子產(chǎn)生輻射作用，首先必須把這些基態(tài)上的粒子激發(fā)到高能級(jí)去，從低能級(jí)到高級(jí)去的這一過程稱為激發(fā)或抽運(yùn)。這個(gè)吸收能量的過程，稱做光的受激吸收（圖4-26-4）。激發(fā)的方法很多，主要是給基態(tài)粒子外加一定能量，例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等?；鶓B(tài)粒子吸收能量后即被激發(fā)，例如紅寶石激發(fā)器就是脈沖氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)上。又如氦－氖激光器通過電子與氦原子碰撞，使氦原子獲得能量。氦原子通過碰撞又將能量傳給氖原子，氖原子獲得能量后從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)去。化學(xué)激發(fā)器是用分解或化合的方法作為激發(fā)能源。

圖4-26-4 激光（吸收能量）

由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，在相同的外界條件下，原子從基態(tài)被激發(fā)到各個(gè)高能級(jí)去的可能性是不一致的。通常把原子從基態(tài)激發(fā)到某一能級(jí)上去的可能性，叫做該能級(jí)的“激發(fā)機(jī)率”。各能級(jí)的激發(fā)機(jī)率是不同的，有的很大，有的很小，這種機(jī)率取決于物質(zhì)自身的性質(zhì)。

原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態(tài)處于基態(tài)上，被激發(fā)到高能級(jí)后的粒子，力圖回到基態(tài)上去，與此同時(shí)放出激發(fā)時(shí)所吸收的能量。基態(tài)是粒子能量最平衡最穩(wěn)定的狀態(tài)，從高級(jí)回到低能級(jí)去的過程稱為躍遷，躍遷時(shí)釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種：

不受外界能量的影響，只是由于原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律所導(dǎo)致的躍遷稱為自發(fā)躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩種：一種是變?yōu)闊徇\(yùn)動(dòng)釋放能量，叫做無輻射躍遷；另一種是以光的形式將能量輻射出來，叫做自發(fā)輻射躍遷（圖4-26-5）。自發(fā)輻射出來的光頻率γ，由發(fā)生躍遷的兩能級(jí)間之能量差所決定。

普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過自發(fā)躍遷輻射產(chǎn)生光，這種光是非相干光。

由于入射光子的感應(yīng)或激勵(lì)，導(dǎo)致激發(fā)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)去，這個(gè)過程稱為受激躍遷或感應(yīng)躍遷。這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來的光子與入射光子有著同樣的特征，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個(gè)光子引起一個(gè)激發(fā)原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出兩個(gè)同樣的光子，這兩個(gè)同樣的光子又去激勵(lì)其它激發(fā)原子發(fā)生受激躍遷，因而又獲得4個(gè)同樣的光子。如此反應(yīng)下去，在很短的時(shí)間內(nèi)，輻射出來大量同模樣、同性能的光子，這個(gè)過程稱為“雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光，相干光有疊加效應(yīng)，因此合成光的振幅加大，表現(xiàn)為光的高亮度性（圖4-26-6）。

激發(fā)壽命與躍遷機(jī)率取決于物質(zhì)種類的不同。處于基態(tài)的原子可以長(zhǎng)期的存在下去，但原子激發(fā)到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)上去以后，它會(huì)很快地并且自發(fā)地躍遷回到低能級(jí)去。在高能級(jí)上滯留的平均時(shí)間，稱為原子在該能級(jí)上的“平均壽命”，通常以符號(hào)“τ”表示。一般說，原子處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間是非常短的，約為10－8秒。

激發(fā)系統(tǒng)在1秒內(nèi)躍遷回基態(tài)的原子數(shù)目稱為“躍遷機(jī)率”，通常以“A”表示。大多數(shù)同種原子的平均躍遷機(jī)率都有固定的數(shù)值。躍遷率A與平均壽命τ的關(guān)系：

由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了各能級(jí)的平均壽命長(zhǎng)短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短，只有10－9秒，而E2的壽命比較長(zhǎng)，約為數(shù)秒。壽命較長(zhǎng)的能級(jí)稱為“亞穩(wěn)態(tài)”。具有亞穩(wěn)態(tài)原子、離子或分子的物質(zhì)，是產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，因亞穩(wěn)態(tài)能更好地為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。

當(dāng)光子通過某一介質(zhì)時(shí)，它可能被原子（或離子、分子）所吸收，從而使原子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)去，這個(gè)過程稱為“共振吸收”或稱光的受激吸收。另外，入射光也能引起處于高能級(jí)的原子發(fā)生受激輻射。

在一般情況下，處于低能級(jí)的原子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過處于高能級(jí)的原子數(shù)目。要想得到受激輻射，就必須先使原子（或離子、分子）激發(fā)到高能級(jí)去。人為地施加一定能量，使高能級(jí)上具有較多的粒子數(shù)分布，這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)就稱為活性物質(zhì)。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，下面以紅寶石激光器為例加以說明。

紅寶石激光器的激發(fā)是通過氙燈輸送能量。E1、E2、E3是鉻離子相對(duì)應(yīng)的三個(gè)能級(jí)，使鉻離子從基態(tài)E1激發(fā)到共振吸收帶E3上去，形成了E3對(duì)E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（圖4-26-7（1））。但是由于E3的壽命很短（即自發(fā)躍遷機(jī)率很大），因此鉻離子的能級(jí)就很快地并且以無輻射躍遷的形式落入E2中，同時(shí)放出熱能。E2是壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)，躍遷機(jī)率較小，因此E2就積聚了大量的鉻離子。當(dāng)氙燈光足夠時(shí)，則E2上的粒子（鉻離子）數(shù)就大為增加，此時(shí)E2對(duì)E1來說就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（圖4-26-7（2））。若用E2與E1間躍遷相對(duì)應(yīng)頻率[γ＝（E2-E1）/h]的光子引發(fā)時(shí)，上述活性系統(tǒng)就可產(chǎn)生E2對(duì)E1的受激輻射。受激輻射可以使光放大，這種放大是由于該系統(tǒng)受激發(fā)時(shí)從外部吸收的能量和引發(fā)的能量一舉放出的結(jié)果，如圖4-26-8所示。

處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的活性系統(tǒng)，可以產(chǎn)生“雪崩”。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續(xù)進(jìn)行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學(xué)共振腔。從共振腔中持續(xù)發(fā)出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。

激光所以具有良好的單色性、方向性以及較高的亮度，主要是取決于光學(xué)共振腔的作用。于工作物質(zhì)的兩端加上兩快相互平行的反光鏡，其中一塊是全反射鏡，另一塊是半反射鏡，這就是光學(xué)共振腔的主要結(jié)構(gòu)（圖4-26-9）。

在光學(xué)共振腔中的活性物質(zhì)，受到外加能量的激勵(lì)而產(chǎn)生的光子可以射向各個(gè)方向，但其中傳播方向與反射鏡垂直者，則在介質(zhì)中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發(fā)介質(zhì)中其它活性物質(zhì)點(diǎn)受激輻射，因此這種輻射的強(qiáng)度越來越大。由于受激輻射反復(fù)振蕩產(chǎn)生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向，因此決定了激光具有良好的單色性和準(zhǔn)直的定向性。又由于光子來回不斷地進(jìn)行振蕩，輻射強(qiáng)度借以得到極度的增大，因此又保證了激光的高度性。激光在光學(xué)共振腔中形成的過程如圖4-26-10所示。

三、激光的物理特性

激光本質(zhì)上和普遍光線沒有什么區(qū)別，它也可受光的反射、折射、吸收、透射等物理規(guī)律的制約。但是由于激光的產(chǎn)生形式不同于一般光線，故它具有一些特點(diǎn)。

一般規(guī)律認(rèn)為，光源在單位面積上向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率，就稱為光源在該方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光線在發(fā)射方向上的高度集中。激光的發(fā)射角極?。ㄒ话阌煤粱《缺硎荆鼛缀跏歉叨绕降葴?zhǔn)直的光束，能實(shí)現(xiàn)定向集中發(fā)射。因此，激光有高亮度性。

另外，激光的亮度也取決于它的相干性。相干性是一切波動(dòng)現(xiàn)象的屬性。光有波動(dòng)性，因此也有相干性。

一般光源發(fā)射出來的光是非相干光，它是波長(zhǎng)不等、雜亂無序的混合光束。由于非相干光的波長(zhǎng)、相位、振幅極不一致。因此它們的合成波也是一條雜亂無章、毫無規(guī)律的曲線（圖4-26-1），從中不易找出它的周期性來。普通光源如日光、燈光等所輻射的就是這非相干光線。

發(fā)光系統(tǒng)中，處于激發(fā)狀態(tài)的原子（或分子、離子）受相應(yīng)的外界能量（例如入射光子）激勵(lì)時(shí)，它就從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)釋放出一個(gè)光子，這個(gè)被釋放的光子和入射的光子是完全一樣的。它們兩者的波長(zhǎng)、傳播方向、振輻及相位都完全一樣。這樣的輻射波具有相干性，它們的譜線很窄。

根據(jù)波的迭加原理，如果兩列波同時(shí)作用于某一點(diǎn)上，則該點(diǎn)的振動(dòng)等于每列波單獨(dú)作用時(shí)所起的振動(dòng)代數(shù)和。因此，相干光的合成波就是迭加效應(yīng)的結(jié)果（圖4-26-2）。合成波的相位、波長(zhǎng)、傳播方向皆不改變，只是振幅急劇地增加了。因此，通過迭加后的光色不變，光的強(qiáng)度極大地增加了。激光所以有高亮度的特點(diǎn)也是由于相干光迭加效應(yīng)的結(jié)果。激光的亮度可以比太陽(yáng)表面亮高1010倍。

一束激光經(jīng)過聚焦后，由于其高亮度性的特點(diǎn)，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，其焦點(diǎn)范圍內(nèi)的溫度可達(dá)數(shù)千度或數(shù)萬度，能熔化甚至于氣化對(duì)激光有吸收能力的生物組織或非生物材料。如工業(yè)上精密器件的焊接、燈孔、切割；醫(yī)學(xué)上切割組織（光刀）、氣化表淺腫瘤以及顯微光譜分析等這些新技術(shù)都是利用激光的高亮度性所產(chǎn)生的高溫效應(yīng)。

激光功率密度的單位為mw/cm2或W/cm2，能量密度為焦?fàn)?厘米2。

一般理療上常用光源，有熱光源（如白熾燈、紅外線燈）和氣體放電發(fā)光光源（如紫外線燈）。這類光源的發(fā)光物質(zhì)比較復(fù)雜，以自發(fā)輻射形式產(chǎn)生光子，發(fā)出的光線很不純，它們的譜線范圍是連線的或是帶狀的光譜。 

一般“單色光”被分光鏡分解后，它也不是連續(xù)的色帶，而是一條條獨(dú)立的、并且具有特定位置的亮光，通常稱這為譜線。臨床上所謂的單色光也并非是單一波長(zhǎng)的光，而是有一定波長(zhǎng)的譜線。波長(zhǎng)范圍越小，譜線寬度越窄，其單色性也越好。因此，譜線的寬度是衡量光線單色性好壞的標(biāo)志。

激光是物質(zhì)中原子（或分子、離子）受激輻射產(chǎn)生的光子流，它依靠發(fā)光物質(zhì)內(nèi)部的規(guī)律性，使光能在光譜上高度地集中起來。在激光的發(fā)光形式中，可以得到單一能級(jí)間所產(chǎn)生的輻射能，因此，這種光是同波長(zhǎng)（或同頻率）的單色光。光譜高度集中時(shí)，其純度甚至接近單一波長(zhǎng)的光線，例如氦－氖激光就是6328的單色紅光。

激光的散射角非常小，通常以毫弧計(jì)算。例如紅寶石激光的散射角是0.18°，氦－氖激光只有1毫弧度。因此，激光幾乎是平等準(zhǔn)直的光束，在其傳播的進(jìn)程中有高度的定向性。手電筒照明時(shí)，由于光的散射角大，遠(yuǎn)達(dá)數(shù)十米后，光散開并形成大而暗淡的光盤。激光由于散射角小，可以準(zhǔn)直地射向遠(yuǎn)距離目的物。1962年，將激光發(fā)射向月球，經(jīng)過40多萬公里的進(jìn)程后，其散開的光斑的直徑也不過只有兩公里多。利用激光的準(zhǔn)直性進(jìn)行測(cè)距，從地球到月球之間的誤差不超過1.5m。

由于激光的單色性和方向性好，通過透鏡可以把光束集中（聚焦）到非常小的面積上，焦點(diǎn)的直徑甚至可以接近激光本身的波長(zhǎng)，這是普通光源所不及的。因?yàn)閺钠胀ü庠粗邪l(fā)射出來的光束向各個(gè)方向傳播，它們是互不平行的光，所以通過透鏡只能看到某種尺寸的物相（圖4-26-3（1））。另外，從普通光源中發(fā)射出來的光含有很多波長(zhǎng)不等的光成份，當(dāng)通過透鏡時(shí)，由于不同波長(zhǎng)光的折射率不同，所以不同波長(zhǎng)光的焦點(diǎn)不在一個(gè)平面上（圖4-26-3（2））。只有激光才能輻射出幾乎是平行的光束，并且波長(zhǎng)一致（單色性好），因此可以聚焦成為很小的光點(diǎn)（圖4-26-3（3））。聚焦激光光束的能量密度可以達(dá)到很高的程度，這種特點(diǎn)是臨床外科和細(xì)胞外科使用光刀的決定條件。

（1）互為不平行的光束，不能集中到一點(diǎn)上

（2）互為不同波長(zhǎng)光束，不能集中到一點(diǎn)上

（3）嚴(yán)格平行的等波長(zhǎng)光束，能集中到一點(diǎn)上

光點(diǎn)的直徑是由透鏡的焦距和光束的發(fā)散角所決定，如果我們知道焦距的發(fā)散角的數(shù)值，就可以用下列公式計(jì)算光點(diǎn)的直徑大小。

上式中，f為透鏡的焦距（m），d為光點(diǎn)的直徑（m），θ為光束的發(fā)射角（弧度）。例如，選擇焦距為5cm的透鏡，光束發(fā)散角為10－4弧度，求光點(diǎn)直徑。

根據(jù)上述公式從理論上推算：

實(shí)際，常常由于激光器的質(zhì)量不好（單色性程度差），影響到光點(diǎn)的高度集中，達(dá)不到理論上的效果。

四、激光的生物學(xué)作用基礎(chǔ)

目前認(rèn)為激光生物學(xué)作用的生物物理學(xué)基礎(chǔ)主要是光效應(yīng)、電磁場(chǎng)效應(yīng)、熱效應(yīng)、壓力與沖擊波效應(yīng)。

激光照射生物組織所引起的光效應(yīng)中主要決定于組織對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的透過系數(shù)（T）和吸收系數(shù)（A）。不同的組織及組織中的不同物質(zhì)對(duì)于不同波長(zhǎng)的激光的透過系數(shù)和吸收系數(shù)是不同的，對(duì)組織的光效應(yīng)大小由T與A的乘積決定。T·A的積愈大，則此種激光對(duì)該組織的光效應(yīng)也愈大，例如：用于視網(wǎng)膜凝固，波長(zhǎng)為6943的紅寶石激光作用于視網(wǎng)膜時(shí)，T·A＝71％，這個(gè)數(shù)值比較大，故光凝固效果好，但對(duì)視網(wǎng)膜乃是波長(zhǎng)為5750的激光的T與A的乘積最大，即光效應(yīng)最佳。

組織吸收了激光的量子之后可產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)、光電效應(yīng)、電子躍遷、繼發(fā)其它波長(zhǎng)的輻射（如熒光）、熱能、自由基、細(xì)胞超微發(fā)光（生物化學(xué)發(fā)光，是自由基重新結(jié)合時(shí)釋放出來的），可造成組織分解和電離，最終影響受照射組織的結(jié)構(gòu)和功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷。

光化學(xué)反應(yīng)在光效應(yīng)中有重要的作用，普通光所引起的各種類型的光化學(xué)反應(yīng)，激光也都可引起。

激光作用于活組織的光效應(yīng)大小，除激光本身的各種性能外，組織的著色程度或稱感光體（色素）的類型起著重要的作用，互補(bǔ)色或近互補(bǔ)色的作用效果最明顯。不同顏色的皮膚，不同顏色的臟器或組織結(jié)構(gòu)對(duì)激光的吸收可有顯著差異。

在醫(yī)療和基礎(chǔ)研究中，為增強(qiáng)激光對(duì)組織的光效應(yīng)，可采用局部染色法，并充分利用互補(bǔ)色作用最佳這一特點(diǎn)。另一方面，也可利用此法限制和減少組織對(duì)激光的吸收。

激光傳播的頻率與組織分子等的振動(dòng)頻率相等或相近，就將增強(qiáng)其振動(dòng)，這種分子振動(dòng)即產(chǎn)生熱的機(jī)理，故也稱熱振動(dòng)。在一定的條件下作用于組織的激光能量多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，故熱效?yīng)是激光對(duì)組織作用的重要因素。

分子熱運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)主要表現(xiàn)在紅外線波段附近，因此二氧化碳激光器輸出的紅外激光對(duì)組織的熱作用甚強(qiáng)烈，一定類型和功率的激光照射生物組織時(shí)，在幾毫秒內(nèi)可產(chǎn)生200～1000℃以上的高溫，這是因?yàn)榧す?，特別是聚焦激光能夠在微細(xì)的光束內(nèi)集中極大的能量，例如：數(shù)十焦耳的紅寶石激光或釹玻璃激光聚焦于組織微區(qū)，能在數(shù)毫秒內(nèi)使該區(qū)產(chǎn)生數(shù)百度的高溫，以致破壞該部位的蛋白質(zhì)，造成燒傷或氣化，而數(shù)十焦耳的普通光是根本無此作用的。

此外，還發(fā)現(xiàn)激光引起的升溫，當(dāng)停止照射后，其下降的速度比任何方式引起的升溫下降速度慢，例如：數(shù)十焦耳紅寶石或釹玻璃脈沖激光引起的升溫要下降到原正常溫度，約需數(shù)十分鐘。

當(dāng)一束光輻射到某一物體時(shí)，在物體上產(chǎn)生輻射壓力，激光比普通光的輻射壓力強(qiáng)的多。若焦點(diǎn)處的能量密度為108瓦/平方厘米，其壓力為40克/平方厘米；當(dāng)激光束聚焦到0.2毫米以下的光點(diǎn)時(shí)，壓力可達(dá)200克/平方厘米；用107瓦巨脈沖紅寶石激光照射人體或動(dòng)物的皮膚標(biāo)本時(shí)，產(chǎn)生的壓力實(shí)際測(cè)定為175.8公斤/平方厘米。

當(dāng)激光束照射活組織時(shí)，由于單位面積上的壓力很大，故活體組織表面的壓力傳入到組織內(nèi)部，即組織上輻射的部分激光的能量變?yōu)闄C(jī)械壓縮波，出現(xiàn)壓力梯度。如果激光束壓力大到能使照射的組織表面粒子蒸發(fā)的程度，則噴出活組織粒子，并導(dǎo)致同噴出的粒子運(yùn)動(dòng)方向相反的機(jī)械脈沖波（反沖擊）——沖擊波出現(xiàn)，這種沖擊波可使活組織逐層噴出不同數(shù)量的粒子，最后形成圓錐形“火山口”狀的空陷。

除上述由于強(qiáng)大的輻射壓引起的反沖擊壓而形成的沖擊波外，組織的熱膨脹也可能產(chǎn)生沖擊波。由于在短時(shí)間內(nèi)（毫秒或更短）溫度急劇上升，瞬間釋放出來的熱來不及擴(kuò)散，因而產(chǎn)生加速的體熱膨脹，例如：用60焦耳的紅寶石激光照射小鼠腹壁，在幾毫秒內(nèi)腹壁形成半圓形突起，此即被照射的皮下組織處產(chǎn)生了爆炸性的體熱膨脹。

因體熱膨脹而在組織內(nèi)形成的壓力以及反沖壓，都可產(chǎn)生彈性波向其它部位傳播，最初是形成超聲波，逐漸因減速而變?yōu)槁暡?，進(jìn)而變?yōu)閬喡暡ㄐ问降臋C(jī)械波，最后停止傳播。

在組織的微腔液體層內(nèi)，因超聲波聽傳播同時(shí)可出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，因空穴的積聚可造成明顯的組織塌陷現(xiàn)象，有時(shí)又可產(chǎn)生數(shù)值較大的壓縮沖擊波，這一系列的反應(yīng)均可造成損傷。

彈性波對(duì)組織的影響可遠(yuǎn)離受照射的部位，例如：用極微弱的紅寶石激光照射人和動(dòng)物的眼部時(shí)，在頭皮層均可記錄到聲波和超聲波。

在強(qiáng)激光束造成的極強(qiáng)的電場(chǎng)中，組織的電致伸縮現(xiàn)象也可產(chǎn)生沖擊波和其它彈性波。

在一般強(qiáng)度的激光作用下，電磁場(chǎng)效應(yīng)不明顯；只有當(dāng)激光強(qiáng)度級(jí)大時(shí)，電磁場(chǎng)效應(yīng)才較明顯。將激光聚焦后，焦點(diǎn)上的光能量密度達(dá)106瓦/平方厘米時(shí)，相當(dāng)于105伏/平方厘米的電場(chǎng)強(qiáng)度。電磁場(chǎng)效應(yīng)可引起或改變生物組織分子及原子的量子化運(yùn)動(dòng)，可使體內(nèi)的原子、分子、分子集團(tuán)等產(chǎn)生激勵(lì)、振蕩、熱效應(yīng)、電離，對(duì)生化反應(yīng)有催化作用，生成自由基，破壞細(xì)胞，改變組織的電化學(xué)特性等；激光照射后究竟引起哪一種或哪幾種反應(yīng)，與其頻率和劑量有重要的關(guān)系，例如：電場(chǎng)強(qiáng)度只有高到1010伏/厘米以上時(shí)，才能形成自由基。激光照射腫瘤時(shí)，只是直接照射一部分組織，但對(duì)全部腫瘤可有良好的作用，其中可能的作用機(jī)理之一，有人認(rèn)為就是電磁場(chǎng)作用的結(jié)果。

五、激光的治療作用

激光與其它各種物理因子對(duì)組織器官機(jī)體的基本作用規(guī)律是相同的，即小劑量作用時(shí)具有刺激（加強(qiáng)）作用和調(diào)節(jié)作用。原則上不論使用哪一種激光均符合這一概念。以小功率激光為例介紹如下：

小功率的激光照射具有明顯的生物刺激作用和調(diào)節(jié)作用。目前認(rèn)為：小功率的激光照射的治療作用基礎(chǔ)不是溫?zé)嵝?yīng)，而是光的生物化學(xué)反應(yīng)。

小功率的激光照射皮膚時(shí)，在光生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，可影響細(xì)胞膜的通透性，影響組織中一些酶的活性，如激化過氧化氫酶，進(jìn)而可調(diào)節(jié)或增強(qiáng)代謝，可加強(qiáng)組織細(xì)胞中核糖核酸的合成和活性，加強(qiáng)蛋白質(zhì)的合成；可使被照射的部位中糖原含量繒加；可使肝細(xì)胞線粒體合成三磷酸腺苷（ATP）的功能增強(qiáng)。

小功率的激光照射具有消炎、鎮(zhèn)痛、脫敏、止癢、收斂、消腫、促進(jìn)肉芽生長(zhǎng)、加速傷口、潰瘍、燒傷的愈合等作用。

小功率的激光照射可使成纖維細(xì)胞的數(shù)目增加，因而增加膠原的形成，可加快血管的新生和新生細(xì)胞的繁殖過程，基于其對(duì)代謝和組織修復(fù)過程的良好影響，可促進(jìn)傷口愈合，加快再植皮瓣生長(zhǎng)，促進(jìn)斷離神經(jīng)再生，加速管狀骨骨折愈合，促進(jìn)毛發(fā)生長(zhǎng)等。

小功率的激光照射不能直接殺滅細(xì)菌，但可加強(qiáng)機(jī)體的細(xì)胞和體液免疫機(jī)能，如可加強(qiáng)白細(xì)胞的吞噬功能，可使吞噬細(xì)胞增加或增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的活性，可使γ－球蛋白及補(bǔ)體滴度增加；此外，微生物檢查發(fā)現(xiàn)：激光照射可改變傷口部葡萄球菌對(duì)抗菌素的敏感性。

小功率的激光照射可影響內(nèi)分泌腺的功能，如加強(qiáng)甲狀腺、腎上腺等的功能，因而可調(diào)節(jié)整個(gè)體內(nèi)的代謝過程；此外，并可引起周圍血液和凝血系列的改變，其基本規(guī)律是具有調(diào)節(jié)作用。

小功率激光照射可改善全身狀況，調(diào)節(jié)一些系統(tǒng)和器官的功能。用小功率的激光照射咽峽粘膜或皮膚潰瘍面，神經(jīng)節(jié)段部位，交感神經(jīng)節(jié)、穴位等不同部位，與某些局部癥狀改善的同時(shí)，可出現(xiàn)全身癥狀的改善，如精神好轉(zhuǎn)、全身乏力減輕、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉減慢等。據(jù)報(bào)導(dǎo)：高血壓患者經(jīng)小功率激光照射治療后，不僅可使血壓降低，一療程照射后還可使血液的凝固性降低，使血清中總蛋白的含量升高，血漿及紅細(xì)胞內(nèi)鉀的含量升高。此外，據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：用1.5mw的激光照射兔或狗的皮膚，對(duì)全身代謝有刺激作用；用1～1.5mw的激光照射兔眼，可引起全身性的血液動(dòng)力學(xué)變化。

小劑量激光多次照射過程中可有累積效應(yīng)，在臨床工作中我們體會(huì)到：在激光照射的前兩次往往不出現(xiàn)效果，而在三、四次照射后即可出現(xiàn)療效，因此要呈現(xiàn)激光照射的療效，需經(jīng)過一定作用的累積過程。當(dāng)然，也有一次照射后即出現(xiàn)療效的情況，但這往往是局部癥狀的改善。

小功率的激光多次照射的生物學(xué)作用和治療作用具有拋物線特性，即在照射劑量不變的條件下，機(jī)體的反應(yīng)從第3～4天起逐漸增強(qiáng)，至第10～17天達(dá)到最大的限度，此后，作用效果逐漸減弱，若繼續(xù)照射下去，到一定的次數(shù)后可出現(xiàn)抑制作用。根據(jù)上述的基本規(guī)律，我們認(rèn)為，小功率的激光照射同一部位的次數(shù)，在一般情況下不宜超過12～15次，如需作第二療程照射，則兩療程應(yīng)有兩周左右的間距。

對(duì)于小功率的激光的生物學(xué)作用機(jī)理，有人用А.Гурвич所提出的生物場(chǎng)的理論來解釋，即機(jī)體的各項(xiàng)組織與器官之間除了神經(jīng)控制和體液調(diào)節(jié)，還包含有復(fù)雜的能量關(guān)系，細(xì)胞和組織被生物場(chǎng)所包圍，各種內(nèi)外環(huán)境的不利因素可以破壞這種能量關(guān)系，導(dǎo)致病理過程的產(chǎn)生和發(fā)展。在1923的Гурвич的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：細(xì)胞絲狀分裂期所輻射的極微弱的紫外線（現(xiàn)今可以用光子計(jì)數(shù)器記錄下來），可以刺激其它細(xì)胞的分裂，并認(rèn)為這就是生物場(chǎng)存在的一個(gè)證明。西方學(xué)者的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。

1973年蘇聯(lián)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)“鏡映細(xì)胞病理效應(yīng)”，其要點(diǎn)是一個(gè)組織培養(yǎng)物的細(xì)胞在損傷和死亡時(shí)，與它同隔著一片石英的另一組織培養(yǎng)物里也發(fā)生了相應(yīng)的損傷癥狀，從而生物場(chǎng)的理論又得到了一個(gè)新的論據(jù)。

在七十年代，有的學(xué)者以生物場(chǎng)概念為基礎(chǔ)，又進(jìn)一步提出：由于生物結(jié)構(gòu)帶有半導(dǎo)體的特性（特別是細(xì)胞內(nèi)的膜），把機(jī)體可看成是一個(gè)巨大的晶體，有錯(cuò)綜地組成的傳導(dǎo)帶。由于在膜的傳導(dǎo)帶里的代謝過程，保持著確定的自由電荷密度（生物等離子體）；在各種不利的內(nèi)、外環(huán)境因素的影響下，生物等離子體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)被擾亂，因而引起病理過程的發(fā)展。若激光的能量參數(shù)比較接近于代謝過程的能量的頻率，當(dāng)激光照射,通過共振作用可使生物等離子體恢復(fù)穩(wěn)定，保持正常的能量級(jí)；氦氖激光的能量參數(shù)——波長(zhǎng)6328，量子能量1.9電子伏特，接近物體的能量參數(shù)，當(dāng)照射機(jī)體時(shí)，在傳導(dǎo)帶里發(fā)生量子移動(dòng)，隨著機(jī)體的能量平衡的改變，能促使恢復(fù)正常生理狀態(tài)。

小功率的激光照射穴位時(shí)，通過對(duì)經(jīng)絡(luò)的影響，改善臟腑功能，從而起到治療作用。在臨床應(yīng)用中我們體會(huì)到：激光穴位照射的效果如何，關(guān)鍵是在醫(yī)學(xué)理論觀點(diǎn)指導(dǎo)下，辯證論治，選經(jīng)取穴的水平和經(jīng)驗(yàn)，處理得當(dāng)者，全身狀況、臟腑征象、舌象脈象等均可效明顯的好轉(zhuǎn)。

激光手術(shù)是用一束細(xì)而準(zhǔn)直的大能量激光束，經(jīng)聚焦后，利用焦點(diǎn)的高能、高溫、高壓作用和燒灼作用，對(duì)病變組織進(jìn)行切割、凝固、融合、氣化。實(shí)驗(yàn)確定，切割人體組織所需的功率密度為103～105瓦/平方厘米。激光器所輸出的光束的焦點(diǎn)功率密度達(dá)到上述要求，其光能幾乎完全被大部分生物組織吸收到表層200μ內(nèi)，因此易于控制切割深度，不僅用于體表病變的手術(shù)切割，而且70年代在蘇聯(lián)和西德先后用以給病人做了心臟手術(shù)，在捷克用以成功地做了心血管外科的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和手術(shù)，76年在澳大利亞用以成功地切除了大腦腫瘤。新近利用激光導(dǎo)管對(duì)冠狀動(dòng)脈或肢體血管斑塊、血栓阻塞患者進(jìn)行血管再通術(shù)獲得成功。

激光手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)如下：

1.只要功率掌握適當(dāng)，軟硬組織均可切割，在一般情況下使用時(shí)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：80～100瓦切割后可一期愈合，病理切片檢查結(jié)果損傷較輕；

2.出血量少，可在切面形成一層均勻的、粘合性良好的干性凝固區(qū)，因此對(duì)于直徑1毫米以內(nèi)的動(dòng)脈，和直徑2mm以內(nèi)的靜脈有封閉作用；適用于切割血管豐富的實(shí)質(zhì)性器官，易于出血的或年老體弱的患者；清除燒傷創(chuàng)面的焦痂，可使其氣化而無出血；

3.高能的激光束有直接殺死細(xì)菌的作用，故術(shù)后感染率顯著降低；可用于切除壞死組織、疤痕組織，甚至死骨等；感染的創(chuàng)面術(shù)前無需準(zhǔn)備即可手術(shù)；

4.皮下注射生理鹽水造成人為的水腫，可減少組織損傷，因?yàn)樗謱?duì)紅外波長(zhǎng)激光吸收性好，可防止熱量迅速向周圍傳播，可減輕切面兩側(cè)組織的損傷；

5.激光切割時(shí)術(shù)者的熟練程度甚為重要，因?yàn)榍忻娴纳顪\、組織損傷的輕重均與激光光斑停留的時(shí)間有關(guān)，時(shí)間長(zhǎng)則組織損傷大，時(shí)間短則切割深度不夠；

6.激光切割術(shù)疼痛較輕，甚至不痛，因?yàn)槭中g(shù)區(qū)的神經(jīng)被熱凝固；術(shù)后形成的疤痕也較柔軟。

激光治癌主要是基于其生物物理學(xué)方面的特殊作用，即激光的高熱作用可使被照射部位的溫度升至500℃，當(dāng)溫度升至300℃時(shí)，腫瘤即被破壞，激光照射后的1分鐘內(nèi)可保持45～50℃的溫度，繼續(xù)對(duì)腫瘤起作用；激光的強(qiáng)光壓作用（機(jī)械能作用）可使腫瘤表面組織揮發(fā)，使腫瘤組織腫脹、撕裂、萎縮，并可產(chǎn)生二次壓力作用。激光治癌可能與其對(duì)免疫功能的影響有關(guān)；激光可使癌細(xì)胞膜變形，故可能將整個(gè)腫瘤作為一個(gè)導(dǎo)體來標(biāo)志，從而引起免疫反應(yīng)，這種理論的證據(jù)是：激光治療惡性眼黑色素瘤時(shí)，三周后才觀察到明顯的好轉(zhuǎn)，三周就是抗原抗體反應(yīng)所需要的時(shí)間。釹玻璃激光（1000～2000焦耳/平方厘米）照射小白鼠的黑色素瘤，34小時(shí)后血清噬菌活性升高，14天后血清中白蛋白減少，α—和γ—球蛋白增加；同時(shí)受照射動(dòng)物脾內(nèi)與形成抗體有關(guān)的細(xì)胞的數(shù)量顯著增加（達(dá)7％）黑色素瘤動(dòng)物是3％，正常動(dòng)物是0.5％)，同時(shí)血清中出現(xiàn)正常動(dòng)物或未經(jīng)照射的患癌動(dòng)物血清中所沒有的抗腫瘤抗體。

輸出量為20焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤后，取受照射部位附近1～1.5毫米的腫瘤組織，電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)：細(xì)胞的核和核仁似無改變；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體和線粒體腫脹或發(fā)生空泡。輸出能量為200焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤后，用顯微分光光度法測(cè)定DNA含量的結(jié)果表明：在照后1小時(shí)細(xì)胞核內(nèi)DNA含量增加，以后逐漸下降，至5～6天時(shí)，細(xì)胞核完全溶解。

近年激光與光敏藥物綜合應(yīng)用診治腫瘤有了顯著發(fā)展，當(dāng)前使用的光敏藥物主要為血卟啉衍生物（HPD），使用的激光主要是以氬激光為泵浦的有機(jī)染料激光（紅光），氬激光，氪激光，結(jié)合內(nèi)窺鏡和光導(dǎo)纖維等技術(shù)，用以診治腔內(nèi)及體表的癌癥。

由于有些激光可以通過光導(dǎo)纖維傳輸，激光的能量可以通過各種內(nèi)窺鏡，包括血管鏡或?qū)Ч苓M(jìn)入血管內(nèi)治療各種疾病。低能量的激光血管內(nèi)照射血液其有抗缺氧、抗脂質(zhì)過氧化、改善血液流變學(xué)性質(zhì)和微循環(huán)障礙，增強(qiáng)免疫等功能。

在心臟及血管方面，激光治療周圍血管、冠狀動(dòng)脈，以至頸動(dòng)脈等的血栓、動(dòng)脈粥樣斑塊等，此外治療糖尿病、心肌炎、肺炎及急性胰腺炎等均有報(bào)道。激光可作心臟節(jié)律點(diǎn)的消隔而治療難治、危重的心律失常；心瓣膜粘連的治療，房間隔造孔矯治先天性心臟病治療等。激光心肌打孔，則是用激光從心包面向心內(nèi)膜面擊穿許多微孔，使心腔與心壁肌肉間有微血竇相能，因而能直接改善心肌供血，此法很有實(shí)際意義。激光血管吻合則使得血管吻合比以前快速、可靠，在許多外科手術(shù)中有著很大的潛在意義。

激光在皮膚、外科方面的應(yīng)用最早、最廣，自不用贅述。近幾年的發(fā)展，接觸式激光的應(yīng)用，使激光在外科的應(yīng)用更快捷方便。根據(jù)接觸激光的創(chuàng)始人Joffe報(bào)告，最近又有新一代的接觸式激光研制成功，利用腹腔鏡、內(nèi)窺鏡，激光可以作膽囊切開術(shù)，迷走神經(jīng)切除術(shù)、幽門肌切開術(shù)等等，激光膽道吻合術(shù)、激光大腸吻合術(shù)以及輸精管吻合術(shù)。開腹手術(shù)中利用激光熱止血效應(yīng)，對(duì)肝癌等容易出血的肝組織作激光切除與消融等等的研究報(bào)告亦很多。對(duì)于骨的手術(shù)，有人報(bào)告用Er:YAG或Ho:YAG作消融術(shù)，亦有人報(bào)告用自由電子激光（2.9μm與3.1μm）作骨的切除。利用激光的止血功能，有人報(bào)告在完全抗凝情況下的病人作激光手術(shù)取得成功，為抗凝不能手術(shù)而又必須手術(shù)搶救者提供了一條生路。

用激光治療腦及脊髓腫瘤的報(bào)告很多。以激光照射腦組織對(duì)損傷區(qū)超微結(jié)亦做出了較好的研究結(jié)果。這項(xiàng)治療主要是利用激光熱作用氣化腫瘤，比手術(shù)刀切除腦組織方便、出血少。近又有人報(bào)告在核磁共振控制下以Nd:YAG激光按立體排列方式作組織間熱治療腦腫瘤（Stereotacticalinterstital thermo-therapy），這是一種新的嘗試。PDT治療腦瘤或以PDT作腦瘤手術(shù)后照射以防止癌灶的遺留復(fù)發(fā)都已有了一定的經(jīng)驗(yàn)。目前以較低功率激光的熱作用神經(jīng)的吻合正在許多單位中進(jìn)行研究，一旦成功又能解除很多人的痛苦。

激光神經(jīng)吻合術(shù)：采用低中功率聚焦后微束激光在神經(jīng)斷面對(duì)接良好的情況下進(jìn)行。對(duì)神經(jīng)再生具有對(duì)位好，恢復(fù)快不產(chǎn)生吻合處神經(jīng)纖維瘤等特點(diǎn)。

CO2激光、Nd:YAG激光及PDT治療外陰及宮頸病變?cè)\斷早期癌變已是眾所周知。在腹腔鏡的直接觀察下，用CO2激光或Nd:YAG激光作卵巢囊腫、腫瘤、子宮內(nèi)膜異位、子宮肌瘤的切除及輸卵管吻合，輸卵管粘連的解除等手術(shù)以取代常規(guī)的剖腹手術(shù)，這類手術(shù)簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、痛苦少。

六、激光治療法分類

1. 原光束照射　可用于照射病變局部、體穴、耳穴、植物神經(jīng)節(jié)段部位、交感神經(jīng)節(jié)、體表或頭皮感應(yīng)區(qū)等。

2. 原光束或聚焦燒灼　可使被照射的病變組織凝固、碳化、氣化。

3. 聚焦切割（即激光刀）用于手術(shù)切割。

4. 散焦照射　用于照射面積較大的病變部位。

為使激光聚焦或散焦常用鍺透鏡，激光束通過鍺透鏡后即聚焦，離開焦點(diǎn)后擴(kuò)散呈離焦效應(yīng)，距焦點(diǎn)愈遠(yuǎn)，激光的功率密度愈減弱，在焦點(diǎn)部可用于手術(shù)切割。

1. 合理選擇波長(zhǎng)　腫瘤細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)激光的選擇性極明顯，因此在激光治療時(shí)應(yīng)選擇最適宜波長(zhǎng)的激光。如果激光照射須透過正常組織的透過率為T，須治療的腫瘤組織的吸收率為A，則選用激光的波長(zhǎng)應(yīng)使T·A的積盡可能大。

2. 確定適宜的劑量　根據(jù)腫瘤的性質(zhì)、部位、大小、色素沉著程度、血管分布和激光的性質(zhì)而定。激光治癌一般不宜也不需要一次破壞，多采用反復(fù)多次治療，隨時(shí)間的延長(zhǎng)腫瘤可縮小或消失，因此治療劑量總比破壞劑量小。

3.激光治癌時(shí)，有人提出由于強(qiáng)光壓產(chǎn)生的機(jī)械能，有可能造成癌細(xì)胞游離并轉(zhuǎn)移到周圍或更深的組織及血管和淋巴管中去，因此應(yīng)盡可能避免使用大功率短脈沖的激光束，以采用連續(xù)輻射或長(zhǎng)脈沖輻射的激光為宜。

4.為防止激光治癌時(shí)的癌細(xì)胞游離轉(zhuǎn)移，在照射病變組織之前可先照射其周圍（約5毫米左右）的健康組織。

5.激光束應(yīng)聚焦于腫瘤中心，垂直照射腫瘤表面。

6.開腹照射腫瘤組織時(shí)，應(yīng)盡可能使光斑覆蓋全部瘤體。