【摘要】：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(yàn)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(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)兩方而的探究。 皮膚疾病是目前應(yīng)用激光治療最有效的一個(gè)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(gè)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(shí)常用的兩層模型,理論計(jì)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(duì)比了不同部位皮膚表皮層開始汽化的時(shí)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)包括波長(zhǎng)、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(shí)色團(tuán)的作用就需要進(jìn)行細(xì)胞方面的實(shí)驗(yàn)。 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(gè)波長(zhǎng)的近紅外激光進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的研究,選擇兩個(gè)波長(zhǎng)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(dòng)中起著至關(guān)重要的作用,另外,兩個(gè)波長(zhǎng)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(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(gè)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(shí)程(500ms)長(zhǎng)于水介質(zhì)的熱弛豫時(shí)間(17.6ms),且空間作用長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于兩個(gè)波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)上是基于膜片鉗系統(tǒng)來測(cè)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-pipette method)電導(dǎo)變化,根據(jù)這個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示溫度場(chǎng)建立過程中雙波長(zhǎng)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(yùn)用熱擴(kuò)散理論來分析溫度場(chǎng)的衰逝進(jìn)程,實(shí)驗(yàn)方面使用膜片鉗監(jiān)測(cè)神經(jīng)細(xì)胞電生理功能在溫度場(chǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了Na通道的電流強(qiáng)度在雙波長(zhǎng)激光輻照后都得到了較明顯的增強(qiáng),目.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(shí)驗(yàn)過程中只改變激光波長(zhǎng),其它實(shí)驗(yàn)條件保持一致,因此這兩個(gè)結(jié)果具有波長(zhǎng)依賴的可比性。理論和實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)所采用的近似方法使得實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算有一定的差異,在接下來的工作中對(duì)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(duì)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�(shí)本文進(jìn)行了近紅外激光的靜脈觀測(cè)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用近紅外激光輔助可以使手背靜脈較清晰的顯現(xiàn)出來,這對(duì)臨床上靜脈穿刺等臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用特別是對(duì)血管比較難以辨認(rèn)的患者提供了幫助,同明證明了紅外光輻照皮膚過程中水的吸收起到了決定性的作用。
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【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R318.51

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2380359