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激光与生物组织的相互作用:原理及应用

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作者：MarkolfH.Niemz（德）译者：张镇西/等主编：吴寿锽著

出版社：西安交通大学出版社

出版时间：1999-4-1

I S B N： 9787560511085

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编辑推荐

内容简介

p;本书的前两章描述和讲解了光与生物组织的相互作用，以及光在组织中的反射、吸收和散射的基本物理
概念。在第3章中，根据现有的理论描述了光子的传输和组织的相互作用，如光化学相互作用、热相互作用，
以及光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂的物理过程，并分析了不同的激光特性。在第4章中，叙述了激光
在不同医学学科和临床上的应用。最后一章介绍了激光安全的基本概念，它对于激光的应用有着重要的意
义。丰富的文献使这部作品更加完善。附录中列出的一些重要数据便于查找。本书在教学法上也有特点，对
于学生是一本很好的教科书，对于医学和科学工作者也是一本有价值的参考书，也可用于自学。许多研究的
照片、插图、表格以及深入地诠释使本书成为研究生和科学工作者有用的指南。
片断：
inuouswave，CW）激光器和脉冲激光器。而大多数气体激
光器和有些固体激光器属于第一类；脉冲激光器主要包括固体激光器，准分子激光器和某些染
料激光器。激光医学的类型和它们的两个特性参数，波长（wavelength）及脉冲持续时间（pulse
duration）将在表1.1中列出。表是按照脉冲持续时间排列的，因为曝光时间正如我们在第3
章中所评价的那样标志着与生物组织相互作用的类型。波长是第二重要的激光参数。它决定
激光辐射穿透组织的深度，即吸收和散射的效率。第三个参数，使用的能量密度，通常也被认
为是重要的。然而，它的值仅作为产生一个特定效应的必要条件，其次是决定其程度。在第3
章将说明实际上的所有与医学相关的效应都是在能量密度为1J/cm2到1000J/cm2之间获
得的。这与潜在脉冲持续时间的15个数量级相比是相当窄的。第四个参数，使用的强度，以
能量密度与脉冲持续时间之比的形式给出。对于所有这些参数的依据的详细论述，读者可以
查阅第3章。如在第4章中所描述的，表1.1所列出的每种激光器都用于特定的临床应用。
新开发出的二极管激光器和自由电子激光器在医学研究中的发展已变得越来越重要了。
二极管激光器可以发射连续或脉冲辐射而且尺寸非常小。自由电子激光器可提供很短的激光
脉冲但却是要用庞大的电子加速器驱动机器而且只能在特定场所使用。
激光外科的进步主要可归因于脉冲激光系统的迅速发展。如上所述，脉冲持续时间将最
终决定作用在生物组织上的效应。特别是热（thermal）和非热效应（non－thermaleffects）的区
别。一个大致的近似的原则是“1μs法则”，指出大于1μs的脉冲持续时间常常伴随着可测量
的热效应；而脉冲持续时间小于1μs时，如果重复率选择合适，热效应通常变得可以忽略（详
见3.2节更进一步的细节）。无需增加额外的装置，多数激光器可发射连续辐射或脉冲持续时
间大于1μs的脉冲。因此，研究局限于潜在的热效应的研究上。仅当产生较短的激光脉冲
时，才可能成为其它方式的相互作用。其中非常有效的是蚀除（ablation）①机理，例如光蚀除，
等离子体诱导蚀除和发生在纳秒或皮秒级的光致破裂（photodisruption）②。现在即使是飞秒
范围的短脉冲也可以实现。如将阐述的那样，当将有关等离子体诱导蚀除的机理与光致破裂
机理进行比较时，它们的临床优势相当值得怀疑。它们两个从物理现象上来说称为光致击穿。
正如3.4节所做的理论分析那样，当从皮秒脉冲到飞秒脉冲的过程中，光致击穿的阈值参数并
不进一步降低。但总的来说，随着激光系统提供较短脉冲能力的提高，通常也会引起新的有意
义的应用。
图1.1说明了脉冲激光系统的发展进程。在固体激光器中有两个里程碑，一是在锁模技
术的发展过程中达到的，另一个是在极大带宽的新型激光介质的发展过程中取得的，这将在下
文中详细讨论。两者在图1.1相应的曲线中表现为两次跳跃。另一类能够提供超短脉冲的激
光器类型中包括染料激光器。它是在固体激光器后发明的。它们的发展是平稳的而不是跳跃
性的。一些诸如碰撞脉冲锁模等新技术的发展也可以产生与固态激光器相比很短持续时间的
脉冲。然而染料激光器的医学应用仍相当局限，因为它用起来不方便而且维护复杂。与长寿
命的固体晶体相比，染料需要再循环，且这通常不能通过按钮操作进行定期更换。
最早的激光器是用色闪光灯泵浦的红宝石激光器。这种激光器的特点是输出中含有几个
尖峰。它们总共的持续时间由闪光本身确定，闪光与激光跃迁高能态的寿命相应，对于红宝石
而言约为1ms。Q开关的发明使得能够获得短达50ns的脉冲。机械装置（旋转孔或激光反
射镜）或光学装置（电光的或声光的Pockels晶体）均可以用来作为Q开关。在这两种情况下
谐振腔中的损耗将会人为的保持很高，一直到能量达到一个极大的反转。当消除了人为的损
耗，所有储存在激光介质中的能量通过受激发射而在瞬间转换。当在激光器腔内启动模式锁
定时可得到更短的脉冲。在模式锁定中，用快速调制晶体（主动模式锁定）或选择性的饱和滤
光器（被动模式锁定）可引起电磁场的调制。通过这种方式使所有轴向振荡的激光模式的相位
一致，产生皮秒脉冲。典型的代表是Nd：YAG激光，其光学带宽的数量级是1nm。这个带宽
使能够获得的最短脉冲持续时间限制在几个皮秒。

作者简介

p;AbouttheAother
DrMrMarkollNienz曾在
Frankfulr1tU1niversitv
HeidelbergUniversily
UniversitofCaliforniaat
SanDiego学习物理和生物和生物工
程曾在IlcdebergUni卜
verslity获得硕士学位和在
UniversityofCalifomiaat
SanDiego）获得生物工程科学
硕士学位在Heidclberg
University获得物理博士学位
目前他在Heidelberg
University应用物理系从事
物理和和激光与）与生物组织相互
作用的应用研究对这些研
究曾获得Heidielrg科学院
1995年的KalFreudenberg
奖

绪论
2光和物质
2.1反射和折射
2.2吸收
2.3散射
2.4混浊介质
2.5光子传输理论
2.6生物组织光学特性的测量
3相互作用的机理
3.1光化学相互作用
3.1.1光动力学疗法（PDT）
3.1.2生物刺激
3.1.3光化学相互作用的小结
3.2热相互作用
3.2.1热产生
3.2.2热传输
3.2.3热效应
3.2.4激光诱导间质热疗法（LITT）
3.2.5热相互作用的小结
3.3光蚀除作用
3.3.1光蚀除的模型
3.3.2紫外光辐射的细胞毒性
3.3.3光蚀除作用的小结
3.4等离子体诱导蚀除
3.4.1等离子体诱导蚀除的模型
3.4.2等离子体参数的分析
3.4.3等离子体诱导蚀除的小结
3.5光致破裂
3.5.1等离子体的形成
3.5.2冲击波的产生
3.5.3空化
3.5.4射流的形成
3.5.5光致破裂的小结
4激光的医学应用
4.1激光在眼科中的应用
4.2激光在牙科中的应用
4.3激光在妇科中的应用
4.4激光在泌尿科中的应用
4.5激光在神经外科中的应用
4.6激光在血管成形术及心脏病学中的应用
4.7激光在皮肤病学中的应用
4.8激光在矫形学中的应用
4.9激光在胃肠病学中的应用
4.10激光在耳鼻喉科及肺科中的应用
5激光安全
5.1简介
5.2激光的危害性
5.3对眼睛的危害
5.4对皮肤的危害
5.5高功率激光的危害
5.6激光安全的标准和危害分类
5.7激光辐射的观察
5.8眼睛的防护
5.9激光的计算与测量
附录
A.1医用钕激光器系统
A.2物理常数和参量
参考文献
英汉词汇索引
译者推荐的参考文献