皮膚組織對紅外激光輻照熱響應(yīng)的細(xì)胞機(jī)理研究.pdf

1、光熱響應(yīng)是紅外激光與生物組織相互作用的主要形式之一，但其產(chǎn)生、傳輸和作用機(jī)理尚不十分清晰，這導(dǎo)致在臨床應(yīng)用中還主要以經(jīng)驗為主，不能更為有效地控制激光治療的過程和效果。為了明確激光輻照過程中的作用機(jī)理，以期達(dá)到優(yōu)化治療效果，研究者開始從細(xì)胞層面著手，來認(rèn)識這一作用。本文主要采用膜片鉗技術(shù)與激光輻照相同步技術(shù)，對激光輻照生物組織過程中細(xì)胞外液在光吸收誘導(dǎo)的熱響應(yīng)中所起的媒介作用進(jìn)行了理論和實驗兩方面的探究。
　　皮膚疾病是目前應(yīng)用激光

2、治療最有效的一個領(lǐng)域，紅外激光又大多以熱作用的形式和標(biāo)準(zhǔn)來確定其相關(guān)參數(shù)?；谶@樣一個前提，在組織層面上，本文從理論上研究了激光輻照皮膚的光熱響應(yīng)情況。研究中采用目前研究光皮膚組織熱響應(yīng)過程時常用的兩層模型，理論計算了激光輻照過程中不同部位皮膚組織熱響應(yīng)的溫度分布，對比了不同部位皮膚表皮層開始汽化的時間和探討了能量累積問題，結(jié)果表明不同部位的皮膚層厚度、皮膚組織各層中水、脂肪、血紅蛋白等色團(tuán)的光學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)、以及所選取激光的參數(shù)包括

3、波長、能量密度、脈沖寬度等在作用過程中都起到了至關(guān)重要的作用，但要具體辨識色團(tuán)的作用就需要進(jìn)行細(xì)胞方面的實驗。
　　為了明確水在紅外光熱響應(yīng)過程中介導(dǎo)方面的作用，本文選取980nm和845nm兩個波長的近紅外激光進(jìn)行了理論和實驗兩方面的研究，選擇兩個波長的依據(jù)是:由于水是生物組織中含量最高的色團(tuán)（按重量），在生物組織的生命活動中起著至關(guān)重要的作用，另外，兩個波長的激光在臨床上較為常用，且在水中的光吸收系數(shù)分別為0.502cm-1(

4、980nm)和0.0378cm-1(845nm)，其比值大約10倍。
　　在研究過程中把激光輻照的作用過程分為溫升建立和耗散兩個階段，在溫升建立階段，理論方面充分考慮激光輻照的脈沖時程(500ms)長于水介質(zhì)的熱弛豫時間(17.6ms)，且空間作用長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于兩個波長的光在水中的穿透深度等因素。主要考慮軸向吸收和徑向熱擴(kuò)散兩方面的作用。實驗上是基于膜片鉗系統(tǒng)來測量細(xì)胞外溶液中，已進(jìn)行溫度標(biāo)定的、充灌溶液的玻璃微電極(Open-pi

5、pette method)電導(dǎo)變化，根據(jù)這個電導(dǎo)變化來定量研究溶液的光熱響應(yīng)與其吸收特性的關(guān)聯(lián)。實驗結(jié)果顯示溫度場建立過程中雙波長輻照產(chǎn)生的溫升比大約為10倍。在耗散階段（關(guān)閉激光后），理論方面主要是運用熱擴(kuò)散理論來分析溫度場的衰逝進(jìn)程，實驗方面使用膜片鉗監(jiān)測神經(jīng)細(xì)胞電生理功能在溫度場衰逝過程中的變化，這樣可以最大限度的排除其它光學(xué)效應(yīng)（比如光化學(xué)、光力學(xué)等）的影響。理論和實驗結(jié)果都證明了Na通道的電流強(qiáng)度在雙波長激光輻照后都得到了較明

6、顯的增強(qiáng)，且980nm激光輻照后的電流強(qiáng)度增加值明顯高于845nm激光輻照后的電流強(qiáng)度的增加值。又由于在實驗過程中只改變激光波長，其它實驗條件保持一致，因此這兩個結(jié)果具有波長依賴的可比性。理論和實驗兩方面的結(jié)果都表明，溶液在低強(qiáng)度近紅外激光的吸收特性決定了光熱響應(yīng)，從而對細(xì)胞的電生理功能進(jìn)行調(diào)制。這一結(jié)果，可以直接用于生物組織光熱響應(yīng)特性相關(guān)的機(jī)理研究。
　　由于第四章中理論分析電流峰值的變化時所采用的近似方法使得實驗和理論計算有

7、一定的差異，在接下來的工作中對其理論進(jìn)行了修正。文中采用離子熱遷移理論分析了激光輻照溶液中的細(xì)胞Na離子通道電流的峰值變化。通過理論分析發(fā)現(xiàn):由于局部溫升造成的離子遷移，致使細(xì)胞周圍的離子濃度減小，而Na離子濃度的減小減弱了電壓依賴的Na離子通道的電流強(qiáng)度的增強(qiáng)程度。
　　最后，由于血液中的主要吸收色團(tuán)為水（約90％）和血紅蛋白，那么對于近紅外光，血液吸收的能量明顯強(qiáng)于周圍的組織?；谠撌聦嵄疚倪M(jìn)行了近紅外激光的靜脈觀測實驗，發(fā)現(xiàn)