Laser Biological Medicine激光生物医学教案任课教师：刘莉教研室：电子信息科学与技术•Course name laser biological medicine•Teaching aim to know about some medical lasers in common useand their applications on biological medicine •Teaching fashion special topic lectures•Main references1. M.H.Niemz, Laser-tissue interactions——fundamentalsand applications2. 李正佳、朱长虹，激光生物医学工程•Teaching language English Chinese•Course sort checking•Teaching period 32 class hours•Teaching arrangementChapter one Introduction 2 class hours Chapter two Interaction mechanisms 8 class hours Chapter three Working principle of some medical lasers12 class hoursChapter four Medical application of lasers 10 class hours 课程名称激光生物医学教学目的了解一些常用的医用激光器的工作原理及在生物医学上的应用教学方式专题讲座主要参考书 1. M.H.Niemz, Laser-tissue interactions——fundamentals andinteractions2. 李正佳、朱长虹，激光生物医学工程教学语言双语考试方式考查课学时 32学时•学时安排第一章绪论 2学时（激光在医学上的应用及研究发展概况）第二章激光与物质相互作用机理 8学时（光化学作用，光热作用，光致蚀除，等离子体诱导蚀除）第三章几种医用激光器工作原理 12学时, Nd:YAG 基本原理，结构，输出特性)(He-Ne, CO2第四章激光技术在医学上的应用 10学时(眼科，牙科，心血管外科，神经外科)第四章激光技术在临床诊断上的应用 2学时Chapter One Introduction•Laser application on biological medicineLaser application on fundamental medicineLaser application on clinical medicine•Development of medical lasers•Research situation of laser medicine•Prospect激光技术作为—项重大的科技成就，不仅为研究生命科学和疾病的发生、发展开辟了新的途径，而且为临床诊治疾病提供了崭新的手段，形成一门边缘学科——激光医学。
一激光在医学上的应用（Laser application on biological medicine）激光在医学上的应用主要包括在基础医学研究中的应用以及临床上的治疗和诊断。
（所有的应用都是利用了激光的四大特性：极好的方向性；单色性；空间相干性；高亮度高强度）ser application on biological medicine1.1激光在基础医学上的应用（Laser application on fundamental medicine）用激光技术进行基础医学研究，通常的做法是选用特定波长、剂量、光束直径和工作方式的激光作用于待研究生命物质特定的靶位，然后检测其效应。
通常有两类目标，其中之一是用微光束(m级)破坏待测物质的功能单位，使其局部受损，以研究受损局部的功能；另一类则是不必破坏受照局部，而是收集待测物质受激光照射后反馈出来的光学信息，从这些信息中检出待测物的组分、结构和空间构象等形态学方面的内容。
用于基础研究的激光技术，目前主要有显微照射术、全息术、衍射术、流动细胞光度术和拉曼散射光谱术等，巳用于在细胞水平上研究核仁、染色体、线粒体和纺锤体以及一些特殊细胞的一些生物学过程。
在生物分子水平上研究了核酸、蛋白质、氨基酸和生物膜，研究上述这些生命物质的正常和病理状态时的形态和功能。
下面介绍几种典型的激光微束技术1．激光细胞融合术激光微束技术的一个新应用是激光细胞融合。
细胞融合是指两个或多个细胞融合在一起。
形成新型细胞，从而具有两种亲本细胞的基因和特点。
细胞融合术是人工定向创造新品系细胞的重要手段，也是制成单克隆细胞系的关键技术，还是生物遗传工程的一种主要技术。
细胞融合是森德尔最早发现。
进行细胞融合常用的方法可分为化学方法、生物方法及物理方法三种。
化学方法系采用助融剂如聚乙二醇(PEG)或血卵磷脂等；生物方法则采用仙台病毒和鸡新域疫病毒等作为助融剂；物理方法常采用高压电脉冲作为融合手段。
这些方法对细胞的融合没有选择性，即无法任意选择两个细胞进行融合。
此外，助融剂将作用于整个细胞，作用范围大，易使细胞受损。
有些助融剂如PEG浓度过高，则对细胞有毒性，利用激光融合法即可实现在任意细胞间进行有选择的融合。
激光细胞融合术是采用高强度、短脉冲的激光束，在极为精确的引导下，同时照射两个以上细胞。
由于在适当条件下，激光可以在细胞膜上诱发产生毫秒时间级的可逆性损伤，这种短暂的变化便可和相邻细胞膜融合在—起。
激光细胞融合术所采用的激光常为ns级的脉冲激光。
如可用准分子激光泵浦的波长为355nm的染料激光，脉宽17ns．脉冲能量为1.5J，照射脉冲数为30，脉冲重复频率为100Hz，在这样的激光参数下便可实现细胞融合。
激光细胞融合术与传统的细胞融合方法比较，具有以下优点：1．能选择任意二个细胞间进行融合杂交；2．仅在二细胞间的接触点照射激光，对细胞的损伤小，并且是可逆的。
3、可进行非接触、安全且远距离的无菌操作。
4．由于是在预定二细胞间实施融合，因而可时时观察融合全过程。
2．激光细胞打孔术利用激光微束技术可以进行激光细胞打孔术，以实现基因转移。
其方法是：将研究的细胞浸在含有基因物质的培养基里，然后用激光微束照射细胞，则在细胞上可开一小孔，这个小孔能在1秒钟内自动封闭。
基因物质在小孔封闭前流入细胞内，完成基因的直接转移。
然后小孔自动封闭，恢复原状，成为一个携带新基因的细胞。
日本的Tsukakuski等用Nd；YAG的三倍频激光(波长为355nm)微束照射大鼠肾组织NRK，在细胞膜上打一小于1m并能在1秒内自动闭合的小孔，培养基内含有的外源DNA(Eco—gpt 基因)在小孔闭合前流入细胞。
实验结果表明，经微束穿孔的NRK细胞存活生长，并证明Eco —gpt基因被整合到克隆细胞的基因组中．这种方法成功率为1／100，较化学处理法的1／105大三个数量级，较手工显微操作准确、快速且效率高。
激光细胞打孔可使基因物质直接转移到细胞内，这对遗传工程具有重要意义。
它可以完全摆脱有性生殖过程和种属的限制，实现遗传物质的交换，从而为培养新的生物品种及治疗人类遗传疾病提供前所未有的有效手段。
1.2激光在临床医学上的治疗与诊断（Laser application on clinical medicine）由于激光手术具有不出血或出血少，感染机会少、手术时间短、精确度高等优点，所以在处理外科疾病中，已开始部分地用激光刀代替手术钢刀进行手术。
例如，肝脏血管丰富，手术时出血多，但用Nd:YAG激光对肝肿瘤汽化、切割和凝固治疗配合现代外科技术，可取得更为理想的效果。
烧伤焦痂的激光切除，失血量仅为钢刀的1/3，并且避免了外科休克，明显和Nd:YAG 减少了合并症。
脑实质脏器，比较脆弱，其血管不能用止血钳或结扎血管，用CO2激光对脑肿瘤汽化治疗，止血效果远好于电手术刀，而且脑损伤范围限制在500m以内。
1.2.1 激光在治疗上的应用激光在眼科的应用最为成功。
目前，激光已经应用于屈光性角膜切除术、巩膜切除术、虹膜切除术和眼底组织凝固术等领域。
氩激光治疗视网膜裂孔、裂孔前期退行性变性、视网膜血管瘤、视网膜中央静脉栓塞、脉络膜渗漏综合症等都有显著效果。
脉冲染料激光治疗早期闭角性青光眼、虹膜不完全切除及先天性瞳孔膜残留等效果也极为显著。
利用Nd:YAG短脉冲激光对组织的热反应不明显、作用不取决于色素的热吸收的特点，可用于切割任何眼内组织，所发生的并发症较轻微[3]。
眼球结构示意图屈光矫治手术：钻石刀径向角膜切开术：通过在角膜四周径向切割使得张力重新分布，从而使得其前部的中心部分变平，以使屈光能力下降激光径向角膜切除术（radial keratectomy，RK）：用准分子激光去除部分的组织优点：利用准分子激光的光蚀除作用，不产生组织热损伤，切口精细光滑，切缝精细无疤痕，对光透明缺点：需切入角膜厚度的90％，角膜穿孔率高准分子激光矫正视力是当前主要的前沿课题之一。
利用ArF激光对角膜的光蚀除作用，进行屈光性角膜切除术，不产生组织热损伤，切口精细，切缝精细无疤痕，对光透明。
但波长为193nm的ArF激光不可避免会引起细胞毒性及致突变性的发生，虽然通常认为不会出现角膜肿瘤，但是细胞毒性效应可能会导致角膜透明性的下降。
最近，一项被称为“基质内蚀除”的角膜屈光手术成为研究的热点。
手术在角膜内部聚集激光，按照所需的矫正类型，可产生连续的盘状或环状空腔。
这项技术通过去除角膜基质组织来得到角膜表面曲率稳定的改变，不损伤原始的上皮层及角膜前弹性层，因此角膜的稳定性受到影响较小，也较少发生角膜浑浊。
另外，所采用的激光是红外超短脉冲激光，角膜基质蚀除为等离子体蚀除过程，对周围组织的热损伤很小，而且不会产生紫外光带来的细胞毒性效应，使用安全。
激光血管成形术也是受到人们高度重视的新兴医疗技术。
激光血管成形术是指在荧光屏监视下，利用激光的高能量汽化血管内的血栓和硬化斑块，而不似气囊导管扩张术仅仅引起管腔形态上的物理变化，所以在治疗动脉粥样硬化性血管病方面具有特殊价值。
利用正常组织和动脉硬化斑块在激光照射下产生的荧光光谱的不同，实现对病变组织的诊断。
计算机控制的双激光系统的应用可减少激光血管成形术的穿孔危险。
诊断激光用来探测和识别斑块，进行瞄准。
采用光谱分析技术及计算机识别来控制治疗激光系统的汽化过程，当出现动脉硬化光谱时，激光器自动开启进行照射，当斑块光谱消失，出现正常组织光谱时，激光照射便停止。
激光心肌血管重建术是目前代替常规治疗心脏病的一种有效手段。