雷射對生物組織的作用

 

台大皮膚科/台大生醫電子與資訊學研究所   王修含 醫師

 

        雷射與生物組織之間的交互作用相當複雜,相關的變數為生物組織的性質與使用的雷射參數。生物組織的性質,包括光學性質:吸收、散射、反射、折射,以及熱學性質,如熱傳導係數與比熱。雷射參數則包括波長、脈衝寬度(pulse duration)、能量密度(energy density)、功率密度(power density) 、暴露時間 (exposure time)、焦點光束大小(focal spot size)等,其中「暴露時間」是決定光生物效應特性的重要參數。

 

        依照雷射暴露時間、功率密度與能量密度等決定性參數,雷射對生物組織的作用可分為五類,包括光化學反應(photochemical interaction)、熱交互作用(thermal interaction) 、光剝離作用(photoablation) 、電漿誘發剝離作用(plasma-induced ablation)、光分裂效應(photodisruption)。

 

1. 光化學反應(photochemical interaction)
光化學反應藉由紅色染料雷射(red dye lasers)、二極體雷射(diode lasers)作用,常使用脈衝寬度長達數秒的脈衝式雷射或連續波雷射,以介於0.01-50 W/cm2低功率密度的雷射照射組織,例如生物刺激(biostimulation)與光動力療法(photodynamic therapy)。透過光敏感劑(photosensitizer,又稱
為「激化藥物」)的催化,可進行光動力治療。光敏感物質受到光線長時間照射下,在吸收光能後,由基態轉化至激發態,當還原至基態時,可釋放能量,產生單原子氧及自由基,進而氧化破壞周圍細胞,但生物組織不會出現巨觀上的變化。

 


圖1.  使用低功率氦氖雷射進行生物刺激治療,此為頭部第五對腦神經第一分枝
皰疹後神經痛病患(攝於台大醫院皮膚部光線治療中心)。

 

 

圖2.  使用藍光進行光動力療法,治療難癒性足部病毒疣(註:本圖之光源並非雷
射,攝於台大醫院皮膚部光線治療中心)

 

 

 

2. 熱交互作用(thermal interaction)
熱交互作用又稱為光熱效應,此為一般雷射手術的原理,亦為雷射光熱治療所採用的光生物效應。常用的雷射包括氬離子(argon ion)、二氧化碳(CO2)、鉺雅克(Er:YAG)、釹雅克(Nd:YAG)、鈥雅克(Ho:YAG)與二極體(diode)等雷射系統,使用的脈衝寬度介於 1 μs至 1 min,亦可採用連續波雷射,典型的能量密度介於10-10^6 W/cm2。利用雷射輸入熱能,使組織達到目標溫度,得到光熱效應。
依據目標溫度差異,生物組織在巨觀下可呈現凝結(coagulation)、汽化(vaporization)、碳化(carbonization)或熔化(melting)等外觀,相關的組織區域如下圖所示。

 

 

 

 

圖3.  雷射光熱效應下的組織反應區域

 

在未達60◦C的組織區域,具有高熱治療(hyperthermia)的作用。當溫度高於60◦C時,組織會逐漸凝結,具止血效果,凝結後的組織會呈現壞死的狀態(necrosis)。若組織溫度到達100◦C時,會出現汽化現象,常見於波長2940 nm 鉺雅克雷射的治療。水份可強烈吸收此雷射波長,進而產生汽化,當水分子汽化時,水的體積會迅速擴大,造成局部的微爆炸(microexplosion),並引發熱機械效應(thermomechanical effect),使局部組織消融,此現象稱為熱分解(thermal decomposition)。當組織溫度超過攝氏100度時,例如使用連續波二氧化碳雷射照射皮膚,生物組織會開始呈現碳化現象,將有機成分中的碳原子釋出,所以組織會呈現黑色外觀。在使用雷射進行醫療行為時,應儘量避免碳化,因為在較低的溫度下,組織仍可因凝結而壞死,進而達到治療目的,而不必要的碳化,將干擾手術視野。此外,組織中的碳化物,也有引發異物肉芽腫(foreign body granuloma)的可能性。若溫度高過組織熔點,該組織將會出現熔化的現象。例如若以鈥雅克雷射照射牙齒,當組織因熱能的過度累積,到達攝氏數百度的高溫,牙齒內部由鈣與磷酸構成的的氫氧基磷灰石(hydroxyapatite)將會熔化,並於冷卻後出現氣泡狀外觀。在雷射熱治療過程中,溫度的監控相常重要,與治療的安全性(safety)與有效度(efficacy)相關。

 

不同溫度下的生物組織反應,可參見「溫度對生物組織的效應」一文。

 

連結:http://tw.myblog.yahoo.com/skindr-wang/article?mid=2041&prev=2045&next=2036&l=a&fid=10

 

雷射造成的組織熱效應整理如下表:

 

溫度

組織的熱效應

37C

正常體溫

45C

高熱治療(hyperthermia)

50C

1.      酵素活素降低


2.      細胞活動力下降(immobility)

60C

1. 蛋白質與膠原蛋白變性


2. 組織凝結,細胞壞死

80C

細胞膜通透性大增

100C

1. 水分子汽化


2. 熱分解(thermal decomposition/ ablation)

> 100C

碳化(carbonization)

> 300C

熔化(melting)

 

 

 

 

 

3. 光剝離作用(photoablation)
光剝離作用又稱為光切反應,利用高能量的紫外線光子,直接打斷組織分子的鍵結,可形成非常乾淨的組織斷面。常用的雷射為各類準分子雷射,例如ArF, KrF,XeCl, XeF等,其脈衝寬度介於10-100 ns,功率密度介於10^7-10^10 W/cm2。此類光生物效應常應用於眼科角膜屈光手術(refractive corneal surgery) 。眼科早期用來治療屈光異常的雷射屈光角膜切除術(photorefractive keratectomy,PRK),即利用波長193 nm的氟化氬(argon fluoride)準分子雷射,在機械式切除上皮細胞後,再以光剝離作用切削角膜基質前緣。

 

 

 

4. 電漿誘發剝離作用(plasma-induced ablation)
在雷射聚焦高能量作用下,出現熱游離輻射,產生許多自由電子,生物組織成分受自由電子撞擊而解離,形成離子化的電漿態物質,局部可達攝氏數萬度的高溫。電漿物質以超音速向外膨脹,產生局部高壓震波(shock wave),使組織瓦解,此時組織斷面可呈現非常乾淨的剝離現象,且出現藍色的電漿閃爍火花(plasma sparking)。常用的雷射包括釹-氟化釔鋰(Neodymium-doped yttrium lithium fluoride ,Nd:YLF)、釹-雅克(Nd:YAG laser, 「釹雅克雷射」有時會誤寫為「銣雅克雷射」、「銣雅鉻雷射」)、鈦-藍寶石 (Ti:Sapphire)等雷射,脈衝寬度介於 100 fs 至 500 ps之間,功率密度則介在10^11-10^13 W/cm2,常運用於眼科角膜屈光手術、牙科齲齒手術(cares surgery) 。

 

 

 

5. 光分裂效應(photodisruption)
光分裂效應利用高能量雷射,以機械作用力造成生物組織碎裂與切割現象。雷射誘發電漿形成過程中,電漿態物質以超越音速的速度迅速膨脹,並產生瞬間震波,同時高溫的電漿態物質使生物組織汽化,產生氣泡,氣泡內爆導致穴蝕效應(cavitation) , 爆裂的氣泡同時以超音速衝擊組織, 形成噴射狀態(jet
formation)。震波、穴蝕效應與噴射形成這些現象,皆會以機械作用力破壞組織。一般常使用固態雷射達到光分裂效應,例如釹-氟化釔鋰(Nd:YLF)、銣-雅克(Nd:YAG)、鈦-藍寶石 (Ti:Sapphire)等雷射,脈衝寬度介於 100 fs 至 100 ns 之間,功率密度則介於10^11-10^16 W/cm2,常運用於眼科水晶體手術、雷射碎石手術(lithotripsy) 。

 

 

 

參考文獻:

 

1. Kalka K, Merk H, Mukhtar H, “Photodynamic therapy in dermatology”, J Am Acad
Dermatol, 42, 389-413 (2000).

 

2. Niemz MH, “Laser-Tissue Interactions: Fundamentals and Applications”, Springer Berlin Heidelberg, New York, 3rd enlarged ed. (2003). ISBN: 9783540721918

 

3. Taneri S, Zieske JD, Azar DT, “Evolution, techniques, clinical outcomes, and pathophysiology of LASEK: review of the literature”, Surv Ophthalmol, 49(6), 576-602 (2004).

 

4. Wang SH, Wei CW, Jee SH, Li PC, “Photoacoustic temperature measurements for monitoring of thermal therapy”, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing, 71771S (2009). [DOI: 10.1117/12.809973]

 

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