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入门讲座|皮肤光疗

2018/11/09

在激光医学的众多学科分支中,激光美容医学是最引人注目的。自 1960 年世界第一台功能性激光器的诞生,经过半世纪的临床发展,激光理论及技术日渐完善。目前,激光已成为皮肤病治疗领域的重要武器。因此,对于临床皮肤科医生而言,理解激光作用相关原理是一切激光治疗的前提。今天,笔者将对激光的基础知识进行介绍,一起来学习。

 

 

光与激光

 

 

光是电磁波的一种,按波长不同可依次分为 γ 射线、X 射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波(图 1)。其中,紫外线(200nm~400nm)、可见光(400nm~760nm)和红外线(760nm~106nm)合称为光学谱,只占电磁波谱很小的一部分。

 

图 1 电磁波谱和可见光谱

 

激光(laser),即“受激辐射的光放大”,其作为一种特殊光源,需要在特定条件下产生:激光介质(固体、液体或气体)、激励系统和激光谐振腔。激光具有四大基本特性:高相干性、高单色性、高方向性、高亮度。

 

那么激光为什么能用于皮肤科疾病的治疗呢?我们需先储备一些重要知识——激光技术参数、色基、激光-组织相互作用、激光的生物效应、选择性光热作用。

 

 

激光技术参数

 

 

波长(单位nm)

 

激光的单色性好,具有明确的波长值。激光介质决定了发射光的波长。就临床意义而言,波长决定了激光与组织相互作用的性质,不同组织(色基)对不同波长光的吸收系数不同,不同波长光的穿透深度也不同。因此,治疗需依据色基类型、深度选择合适的激光器。

 

能量密度

 

能量密度(又称光剂量)是指单位面积皮肤所承受的光能量大小,常用J/cm2表示。在脉冲激光和光子治疗中,能量密度通常是最重要的治疗参数之一,它与疗效及并发症相关。当给定波长时,能量越高,能量的穿透越深。当能量密度超过了正常皮肤的承受极限时,就会发生灼伤并发症。

 

功率

 

是指某一设备释放能量的快慢,常用 W 表示,即 J/sec。

 

辐射度

 

是指单位面积中能量释放的速度,常用 W/cm2 表示,因此辐射度也被称为功率密度。在光动力疗法或光子治疗中,辐射度为关键性参数,一旦辐射度过大,可能导致治疗副作用产生。

 

激光照射时间/脉宽

 

激光具有 2 种输出方式:连续波和脉冲波,后者根据脉冲时间又分为长脉冲、短脉冲和超脉冲。

 

如图 2 所示:

 

图 2 激光输出模式

 

激光照射时间(脉冲激光中称为脉宽)非常重要。脉宽即脉冲波峰值(P)降低至一半(P/2)时所对应的两个时刻差。前述的能量密度即是辐射度乘以照射时间。其临床意义主要为影响光的热传导和热损伤。脉宽必须足够长,才能引起靶组织的充分破坏,但必须小于等于靶组织的热弛豫时间,才不会引起周围组织的热损伤。

 

目前医疗美容激光针对不同色基可使用的脉宽有毫秒级(ms)、微秒级(μs)、纳秒级(ns)再到最新的皮秒级(ps)。激光的输出模式不同,可直接影响激光对皮肤组织的作用模式。

 

重复频率

 

是指单位时间内激光输出的脉冲数,如每秒输出10个脉冲即10Hz。

 

脉冲延迟

 

又称为脉冲间隔,是指两个脉冲间的停顿时长,即两个脉冲之间让皮肤冷却的时间。

 

光斑大小

 

光斑即激光束的横截面积,光斑大小可影响光能量密度的损失及光穿透深度。当给定波长和能量密度时,可通过增加光斑大小达到更深的能量穿透。如图 3 所示,小光斑下的散射降低了光穿透深度,大光斑下散射的光能量密度相对损失较小。因此光斑越大,能量越集中,穿透越深。这一原理在激光脱毛、黄褐斑及纹身的治疗方面是重要的。

 

图 3 相同波长、能量密度下光斑大小对激光穿透深度的影响

 

 

激光的基本原理

 

 

皮肤组织的色基

 

皮肤组织中能吸收光子的物质被称为色基,是影响皮肤组织吸收光谱的决定性因素。皮肤组织中主要三种吸光物质为:水、黑色素、血红蛋白(Hb),分别对不同波长光的吸收系数如下(图 4、5):

 

图 4 黑色素、Hb的吸收光谱

 

图 5 水的吸收光谱

 

可见,治疗不同皮肤疾病需根据主要色基选择合适波长的激光器,然而,除了选择最佳吸收波长,还应综合考虑该波长穿透深度能否有效作用到靶目标。

 

激光-组织的相互作用

 

当一束激光照射皮肤时,可发生四种情况:反射、散射、传导和吸收。反射光约占 4%~7%,这部分光对组织无作用,但对操作医师的防护(视网膜、角膜)关系密切。散射的发生与真皮胶原的存在相关,短波(300nm~400nm)被散射,穿透不超过 0.1mm。随着波长增加,散射减弱。600nm~1200nm波段的光散射少,能穿透到更深层的皮肤结构。而红外区域波长的光由于被浅层水分子强烈吸收,因此仍为浅穿透。

 

图 6 波长-光穿透深度

 

黑色素是皮肤的基本色基,是引起各种色素性皮肤病的主要色素,在 400nm~1200nm波段内,黑色素对光的吸收率随波长的增加而线性减少,超过1200nm后的黑色素吸收可忽略不计。

 

Hb是血管性皮肤病的主要色基,吸收峰约在 280nm、420nm、540nm和 580nm处。尽管血液对 420nm 光有极好的吸收性,但由于穿透力有限且受表皮黑色素吸收影响太大,故不适用于治疗血管病变。倍频 Nd:YAG(532nm)、脉冲染料(585nm)等激光凝固血红蛋白均有效。临床上综合考虑激光的穿透深度时,波长较长的激光则更适合治疗较深较粗的血管。

 

在可见光谱和近红外范围内,水的吸收系数极小,直到红外光谱范围内,水分子处于支配地位,其吸收主峰为 2.95μm 和 5.4μm。因此,中红外光 2940nm Er:YAG激光可用于除皱治疗,远红外光 10600nm 的 CO2 激光用于皮肤切割碳化、汽化。

 

激光是否被吸收取决于波长,若要改变靶组织结构,吸收之余还必须有足够能量。

 

激光的生物效应

 

光热作用:当组织吸收激光能量后,大多数情况下可转变为热能,导致靶组织的变性或坏死,起到清除色素或赘生物、闭合血管的作用。当然,如果对真皮组织的热刺激控制在损伤阈值内,且不引起瘢痕反应时可启动真皮胶原的合成,达到治疗皮肤皱纹、松弛、瘢痕的作用,这也是大多数非创伤性嫩肤激光的主要机制。

 

  • 光机械作用:如果在短时间内吸收巨能量光子,可导致组织的物理性崩解。皮秒激光洗纹身便是基于光机械作用原理,超短脉宽、高峰值功率的能量被色素颗粒吸收产生光声效应,引起压力积聚并导致色素颗粒碎裂,崩解后的色素颗粒能被抗原提呈细胞更好地摄取、代谢,达到脱色素的效果。

     

  • 光调作用:是指低功率激光照射组织时,不对组织直接造成不可逆损伤,而是通过加强血液循环、调整功能、促进细胞生长和组织修复等作用达到治疗疾病的目的。

     

  • 光化学效应:是指物质的分子吸收外来光子的能量后激发的化学反应。光化学效应大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型,光致敏化效应又包括光动力作用和一般光解作用。

     

  • 光动力反应:属于光化学效应,为光动力疗法的基础。当一种光敏性药物或其前体局部或系统应用后,再用适宜光源照射可诱发两种反应:光氧化反应和细胞毒素反应。

     

 

选择性光热作用

 

根据不同组织的生物学特性,选择合适的波长、能量、脉宽,以保证对病变组织进行有效治疗的同时,尽量避免对周围正常组织造成损伤。该理论实现了激光的有效性与安全性的完美统一,是激光美容医学发展史上的里程碑。

 

这里先插入热弛豫和热弛豫时间(TRT)的概念:当靶目标吸收激光后,大部分能量将转化为热能,并向周围邻近组织进行传导,这一热传导过程称为热弛豫,而热传导速度的快慢用TRT衡量。TRT是指靶目标温度降低一半时所需的时间,与物质大小的平方成正比。打个比方,一杯热茶会比一盆热水冷却的更快。

 

选择性光热作用包括 3 个基本条件:①波长能被靶目标优先吸收(靶组织对光的吸收需高于周围组织至少 10 倍);②脉宽需小于等于靶目标 TRT,使靶组织没有足够时间将热量传到周围正常组织,对周围正常组织的热损伤最小;③能使靶目标破坏而不引起并发症的合适能量。

 

最后,我们来总结一下目前皮肤科相关的激光:

 

皮肤科相关激光

 

 

激光基本理论的掌握是激光治疗的前提,实际上临床中还有各式各样的激光器,个中原理大同小异,望笔者以上总结能为读者在激光治疗的理解和实践方面有所帮助。

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