激光辐射对生物组织的影响

你知道激光辐射对生物组织会产生什么影响吗？

本文将带大家了解激光辐射对生物组织的影响。

激光辐照引起损伤的机理，对于所有的生物系统来说都是相似的。

可以包括热反应、热声瞬变和光化学相互作用的过程和非线性效应。

上述任何一种机理引起损伤的程度均与辐照源的某些固有物理参数有关,其中最重要的是波长、脉宽、聚焦尺寸、辐照度和辐照量。

概括地讲,在超过阈值的照射中,主要的损伤机理与照射的持续时间有关。随着脉冲持续时间的逐渐延长,在如下的时间范围内,起主要作用的损伤机理是:

———照射时间为ns和亚ns时,主要是声瞬变效应和非线性效应;

———照射时间为1ms至数秒时,为热效应;

———照射时间超过10s时,为光化学效应。

激光辐照,以其光束准直性区别于许多其他已知的辐照类型,加之光辐照原本含有高能量,使得过 多的能量传导到生物组织中。各种激光辐照时对生物器官的损伤主要是由于该器官对辐照的吸收所致。吸收发生在原子与分子水平上,是一种波长特有的过程。因此,波长决定了一台特定的激光器引起 哪种组织的损伤。

热效应

当一个系统吸收了足够的辐照能量时,其组成分子的振动增加,这是一种热容量的增加。多数激光 损伤是由于部位的组织受热而致。这种热损伤通常局限在激光能量吸收部位的边缘区与辐照光束内。

此区域内的细胞明显地烧伤。组织的损伤主要是由于蛋白质变性引起。以上所述表明,激光二次损伤的发生可能与组织受热反应的时间有关,反应的时间又直接地与激光的脉宽(图 D.2)和冷却时间有关。

在受热和冷却两个时段都会发生热化学反应,引起依赖光斑大小的热损伤。如果一台连续波或长脉冲激光装置直接照射组织,由于传导而使受照射组织区的温度逐渐增高。当越来越多细胞的温升超过它们所耐受的温度时,这种热扩散就可导致损伤面积的增加。

由于传导是光斑聚焦大小的函数,它决定了周边扩散的程度及最初组织受热区的温度,因此,对于损伤来说,光斑(光束影像)大小也是非常重要的。

这种类型的热损伤在连续照射和长脉冲激光照射中常常可以见到,但是对短脉冲也会发生。对于1mm~2mm 或更小级别尺寸的辐照光斑,辐射热流导致的损伤取决于光斑大小。

说明:

ⓐ———组织吸收激光能量;

ⓑ———所吸收能量传导到周围的组织上使其受热;

ⓒ———长脉冲或连续激光所导致的热界面的扩大使损伤区域逐渐扩大;

ⓓ———短脉冲高峰值功率激光导致细胞崩解、组织爆裂的损伤。

光化学效应 

另一方面,损伤效应也可能是特殊分子吸收了所给定光的直接结果。这一过程是由于吸收给定光能而产生,而不是能量的释放。然而,这种反应是分子激发态的一种独特的化学反应,这种光化学反应是低剂量照射损伤的主要原因。

根据这个机制,中等剂量的紫外辐射和短波长光长时间照射,可引起某些生物组织,如皮肤、眼的晶状体,尤其是视网膜的不可逆改变。如果辐照时间太长,或虽是短时间照射,但重复照射的时间太长,那么这种光化学导致的变化就可引起器官的损伤。

有些由激光照射引发的光化学反应可能是异常的,或放大了正常过程。光化学反应通常遵循本生(Bunsen)和罗斯科(Roscoe) 定律,并且对于1h~3h或更短的持续时间(这里修理机理不能处理损伤等级),用辐照量表示的阈值在很宽的持续时间范围内是不变的。与热扩散引起的热效应不同,光化学效应不存在对光斑大小的依赖性。

非线性效应 

短脉冲、高峰值功率(即 Q 开关或锁模)激光器,通过不同损伤机理的联合作用,可加重组织损伤。

能量在极短的时间内释放到生物靶标上,受照射部位产生很高的辐照度。靶标组织受到如此快的温度升高,致使组织细胞由液态变为汽态。在多数情况下,这些相变极快,可使组织爆裂,细胞崩解。

由此产生的压力瞬变,在烧伤中心的外周缘产生一个环状的爆破带。相似的压力瞬变亦可由热膨胀引起,以上两种压力瞬变均可由于部分组织的移位,而导致远隔吸收层部位的组织出现切割状损伤。在亚毫微秒的照射中,眼睛介质的自聚焦进一步集中准直光束的激光能量,在约10ps~1ns之间进一步降低阈值。

此外,其他非线性光学机理在亚毫微秒范围的视网膜损伤中也起作用。

激光作用于视网膜时,上述的所有损伤机理均已被见到,并反映在本部分描述的安全照射量的转效点或斜率的变化上。

深圳中为检验是专业的激光设备检测认证机构，我们在激光辐射安全检测、激光人眼安全认证、激光性能测试方面积累了十余年的行业经验，作为华南地区同时拥有激光安全等级认证和激光性能测试的双授权机构，我司在激光辐射检测领域始终处于头部领先位置，激光相关授权标准70多个；激光相关测试能力参数120余项；测量功率范围pW至5KW；脉冲测量可至ps级；测试能力和经验覆盖：消费类激光、美容类激光、测量类激光、工业类激光、医疗类激光、军用激光、激光雷达等；测试仪器设备全进口，保证测试精准度，欢迎来电咨询，洽谈合作。

 扩展阅读：国际激光安全IEC 60825_激光设备检测_深圳中为检验 (ctnt-cert.com)