书城科普读物百科知识-科学百科-激光科技(科普新课堂)
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第8章

随着激光技术的发展,这种设想又重新提起,并已经在动物试验和临床上获得成功。这意味着20世纪末就可以为我们提供一种可替代眼镜的矫正视力的技术。

1983年哥伦比亚大学的研究人员证明,可以用直接打断分子键的方法逐步去除眼角膜组织。1988年国际商用机器公司沃森研究中心首次证明,用准分子激光进行的角膜烧蚀非常精确,可达纳米级,对四周组织损伤极小。这是因为准分子激光器是通过破坏两个分子之间的化学键来冷“切削”的。

动物试验表明,在显微技术的配合下,采用这种技术甚至可以按度数来校正眼睛的屈光值,简直是妙极了。

为了更精确地控制角膜切开的位置和深度,东京大学部土肥健纯教授、医学部都乐西和教授,推出了采用带激光扫描系统的准分子激光角膜切开法。其特点是用氦氖激光扫描角膜表面,测出形状后,用准分子激光切除,因此提高了角膜手术的正确性和安全性。

在此之前的1958年9月,前苏联已经研制出一种全自动的激光眼科治疗机,采用热蒸发的方法来实施PRK手术,此种手术在前苏联做了80例,在德国做了10例,据称都获得了成功。

青光眼患者的福音

青光眼,是中年人易患的疾病,其临床症状是眼球的压力增高。如不及时治疗,则往往导致失明。传统的治疗就是手术切开减压。

美国食品与药物管理局已批准了两项用激光治疗青光眼的技术。

一项是森赖西技术公司的青光眼的钬激光治疗手术,手术时,医生向结膜皮层插入一根针,用石英光纤把钬激光输送到巩膜上。通过控制,使发射的激光同光纤的方向成直角,在巩膜上烧出直径为0.2~0.3毫米的小孔。让一种药剂流到结膜和巩膜之间的腔体内,以保持合适的眼压。这种钬激光器的输出波长为2.10微米,每个脉冲的能量为0.1焦耳。

阿波利斯的拉沙格公司则是采用掺钕钇铝石榴石激光器,来进行小柱热整形。这是一种减小无约束型青光眼病人眼内压力的手术。据称该公司生产的这种激光器是可供眼科医生使用的唯一的掺钕钇铝石榴石脉冲激光器件。

光“针”巧拨白内障白内障是人类常见的眼病,其特点是在人眼球的晶体内产生一种玻璃状或胶状的半透明及不透明的物体,直接阻碍光线的通过。

1980年以前,在国外治疗白内障的唯一方法就是外科手术打开后膜,这是一种需要全麻醉的手术。我国则采用一种“针拨法”的手术,这是一种把白内障囊体拨压到玻璃体下方的手术,曾在国际上享有盛誉。后来巴黎大学和瑞典伯恩大学的研究人员,发现利用激光诱发的冲击波对清除继发性白内障极为有用。

他们用一台掺钕钇铝石榴石激光器,波长为1.06微米,发射纳秒级或皮秒级的脉冲,将红外激光聚焦在不透明的后膜上或其附近,从而用激光产生的冲击波将其撕开。

经激光治疗以后,病人的视力几乎瞬间改善。在美国,每年都要施行20多万例称为后水晶体囊切开的手术。与早期需花费2000美元的传统外科手术不同,激光手术费用不超过1000美元,而且根本不需要全身麻醉或住院。

激光与心脏、血管疾病的治疗

在医疗技术不断提高的今天,心血管疾病已成为人类仅次于癌症的第二杀手。所以,激光医疗的发展,除了在外科手术、眼科手术和肿瘤治疗外,下一个目标便是人体的心脏和血管系统。就美国而言,有成千上万的心脏病患者,每年的治疗费用都超过100亿美元。所以,其激光医疗在心血管系统的应用前景和市场都极为广阔。

生色基因示踪法

国外一家高技术公司采用了这一种比较特殊的技术,适用于动脉硬化的症状。它是把单元性抗体,通过生色基因示踪,附着在硬化斑块上,用以有效地吸收激光能量,然后用光纤沿血管将能量传输到斑块上。这样就可以有选择地破坏斑块,而不影响四周的动脉壁组织。

激光/气球综合法

这一技术是首先采用钇铝石榴石激光束,作硬化斑块的软化,然后用气球膨胀的压力把斑块挤向血管壁。在20秒的时间内,辐照3-4次,每次激光剂量为380或450毫焦耳。

此法由于能使动脉壁光滑,降低了血管再变窄的可能性。有一家公司还把血管内窥镜、CCD摄像机和脉冲染料激光器组合成一台染料激光血管成形系统。其导管喷嘴的定位通过计算机和机动装置控制。激光波长为480纳米,产生200毫焦耳的能量。治疗时首先使气球膨胀堵住血流,然后用激光直接烧蚀。它的短脉冲烧蚀硬化斑对动脉壁并无影响。

激光/导管法

这种技术使用一种适用于人体的激光导管,把钇铝石榴石激光束,通过激光导管传输到光纤头上的蓝宝石激光嘴。

首先在腿动脉完全堵塞的硬化斑块上用激光打开一个2~3毫米的通道,再插入一根气球导管,气球膨胀将剩余的斑块压向动脉壁;从而疏通全堵的腿动脉。据报道,采用这项技术的关键是控制激光导管嘴的温度。因为如果温度不当,会引起冠状动脉痉挛和血栓形成。

激光/组织识别综合法

1989年3月,在美国心脏学院年会上,与会者2万多人参观了一家公司推出的“灵巧”激光系统。这是一种新颖的高科技血管成形术。它把激光技术与组织识别技术相结合,涉及的有光谱学、超声波、医学染料、核磁共振等高精技术。

治疗时通过单元性抗体,把染料选择性地附着在硬化斑块上,基于核磁共振成像系统,用小磁线圈对斑块进行体内生物分析,并依靠低亮度激光束的光谱分析获得斑块位置,利用其反馈信号,导引治疗激光束到病变组织上。

该系统是双激光束,采用微机控制的硬化斑块探测/瞄准作为反馈机制,以防止血管穿孔。有两个传输导管工作,一个是单根柔软光纤,用于全堵塞动脉的再通功能;另一根是多束光纤导管,用于疏松全堵塞或局部堵塞。

心肌打孔贯通法

此法适用于团冠状动脉狭小,而造成冠状动脉不能回路的患者。原理非常简单,用高功率激光在心肌上直接打孔贯通。由于适应症局限性较大,所以报道的资料极少。

需提醒人们注意的是,用激光消除动脉粥样硬化时常见的钙化物并不成功。欧文分校的研究发现,这种物体是导致纤维束偏向而刺穿血管事故的罪魁祸首。

激光骨胶原法诊断血小板功能

在人体组织内,血小板的病变能产生众多不良影响。血小板机能亢进时,会出现血凝结块突发的危险,这将导致血管梗塞;血小板机能不全时,不能在极短的时间里使伤口闭合,以致有流血致死的危险。目前已有许多测定血小板功能的诊断方法,所有这些方法或不够可靠,或十分费时。此外,由于采血和血小板功能诊断之间经常存在很长的时差,因此,所有传统的方法实际上都是在“不真实”的条件下进行的。

在汉诺威医科大学诞生的一种新的诊断方法,解决了上述一些棘手问题。他们采用的是从牛皮结缔组织中提取的固态骨胶原来“仿真”测试,这是一种尚未公开的方法。

新的血小板功能诊断的方法是:通过机械吸入活塞将静脉血吸入测试盒,测试盒内有一块骨胶原做成的测试平片,平片上有一深4毫米直径0.4毫米的孔。当血液以约每秒5厘米的速度流经该孔时,血小板就沉积在孔的内壁。这种沉积渐渐使孔的直径不断减小,即骨胶原平片上孔内壁增厚。这种增厚可由压力计测知,压力计记录了测试盒后面上升的负压。模拟记录仪记录负压随时间的变化过程,在计时表所确定的时间间隔内,曲线的斜度就是血小板功能的量度。

要经济地采用上述诊断方法,就要解决在骨胶原上打出一定尺寸、可重复的、经济的、无热损伤的孔。因为测试盒和骨胶原都是需求量很大的一次性使用的产品。可重复性是非常重要的,因为不能让操作者对每一测试盒都进行校准。经过反复试验,汉诺威激光中心,采用拉姆达物理公司的EMG150MSC型准分子激光器所打出的孔,可以达到令人十分满意的要求。

从这个例子我们可以看出,利用激光在医学诊断中发挥作用,有些是直接的,有些则是间接的,而其他方法又无法替代的。

激光治牙

最新的研究资料表明,人牙齿的部分组织,具有光学波导管的特性。

这一新发现,为口腔科医生采用激光诊断和治疗牙病奠定了理论基础。

人的牙齿能切断、撕裂和磨碎食物,同时,还具有辅助发音的作用。

人的牙齿由三部分组成:最外层是珐琅质,基本成分是磷灰质;中间层是齿骨质;内腔则是齿髓,是贯穿有血管和神经末梢的结缔组织,也是牙齿常发病的地方。

新的发现表明,齿骨质内分布着许多直径仅为5微米的微细小管,密度可高达每平方毫米几万条。

科学家们用激光照射人牙的各部分组织时,珐琅质将光向四面八方散射,也射向牙齿内部,齿骨质却总是让光顺着那些微细小管定向传播。

为了进一步证明这些微细小管有波导管效应,科学家们将齿骨质锯成直角形切片,并分别让光顺向和横向通过小管。

结果表明,齿骨质切片的顺小管方向透光能力,要比横向透光能力强30倍。

由于齿骨质具有如此鲜明的透光各向异性,所以齿骨质可作为光学波导管将光能直接导人牙齿的敏感部分——牙髓,这就可以使激光深入牙病的策源地,治疗牙病。

英国一个牙科诊所利用一种激光装置,能完成60%左右牙病的治疗。

这种装置是利用掺杂有钕的铝钇石榴石晶体产生的激光,其脉冲宽度为0.01毫秒。它能消除牙神经的反应,因而,治疗时毫无痛觉。

每一次激光脉冲能可靠地气化厚度为5~8微米的牙组织。

当牙科医生的手不由自主或偶然抖动时,激光束会由于偏离治疗点1毫米以上而发生散焦,从而不会使其他部位受到损伤。

显然,激光治牙是十分理想和安全的。

科学家们发明一种激光牙科治疗仪,这是一种注射器型的半导体激光牙科治疗仪,能输出30毫瓦半导体激光,波长790纳米。整个激光头仅重150克,电源盒320克,电功率消耗3.2瓦。工作时间可在30秒、1分钟、2分钟和3分钟之间选择。喷嘴部分可以转动,可将激光射到牙齿的任何部位。

喷嘴可以取下,以便高温消毒,或用酒精擦洗。

激光测距

激光测距是激光最早的应用之一,在20世纪60年代就有了很好的发展,但是,随着技术的发展,激光测距的水平也在不断提高。

激光测距是通过测量激光往返目标所需要的时间,或测量由时间延迟所引起的相位差来确定目标距离的。用激光测量目标距离的分辨率很高,抗干扰性能很强。激光测距可分为脉冲激光测距和连续波调制激光测距二种。脉冲激光测距是将宽度为τ的激光脉冲射向目标,测量该光脉冲往返目标所需要的时间△,然后,根据公式L=c△t/2算出目标距离L,式中c为光速。用该方法测距的精度受激光脉冲宽度τ限制,即精度由cτ/2决定。一般说来,测量远距离,用Q开关固体激光器或锁模固体激光器,测量近距离,用脉冲工作的半导体激光器。测量距离为10~30千米时,精度0.5~10米,τ一般为纳秒量级。连续波调制激光测距也可称激光相位测距,所测距离由二部分组成:半波长的整数倍kτ/2;由相位差△φΔ引起的距离τ△甲/4π。测距精度与调制频率和鉴相精度有关,为保证厘米级的测距精度,需采用几十兆赫调制频率,但为了精确测量相位,需进行频率转换,将高频的调制频率转换到几千赫的低频范围。连续波测距通常需要合作目标,测量距离为几公里,绝对误差几毫米,相对误差10-6。

激光测距技术的应用范围十分广泛,例如,在民用方面:

有测高仪、精密大地测量仪、测卫仪、云高仪、测月仪等等。

在军事方面:测距仪已普遍装备于坦克、火炮、导弹、飞机、军舰、潜艇等。

人们还可借助于测距技术来研究其它问题,如日本正在与澳大利亚合作,采用脉冲激光测量技术在东京附近的几个战略地点测量地球板块的局部移动,以便为地震过程提供新的认识和改善地震预报。他们采用50毫瓦激光脉冲(30皮秒宽),从地面站射向卫星。根据光脉冲的飞行时间或相位变化计算地面到卫星的距离。测出几个不同卫星的距离,便可用三角法计算出测试点相对于地心的位置,经过测量,就可发现该测试点所在地球板块是否相对于地心发生局部移动。

为避免对其他飞机上人员的伤害,在测量脉冲发射之前,需先用对人眼安全的激光脉冲试探,在确定无障碍时,再进行正式测量。

激光测距仪已经历了许多变化,第一代用的是0.69微米红宝石激光测距仪,第二代采用的是1.06微米Nd∶YAG激光测距仪。现在,正进入第三代,采用对眼睛安全的2微米Er∶YAG激光测距仪。目前世界各国,特别是发达国家都在积极为他们的部队更换测距装备,但一些发展中国家,由于经费问题还不能立即更换。

图像激光雷达

图像激光雷达能够提供二维(2D)图像的距离信息,与普通摄像机相比,其优点十分明显。普通的2D图像也能给人一些图像中不同物体的相对位置概念,但是,在许多情况下,结论是模糊的,甚至是错误的。例如,根据光的强度来判断两个车辆的相对距离,就很困难,或者不可能。而图像激光雷达不仅可以找到要找的目标,而且还能准确无误地测出目标至发射机的距离。

过去,由于价格较高,这一技术只能用于军事和科研部门。现在,情况不同了,图像激光雷达已经找到了许多商业应用,而且能产生丰厚的商业利润。当图像激光雷达的价格不断下降时,预计今后10年,应用将会迅速扩大。

在普通测距技术中,测量从发射机到目标之间距离,都是通过测量光从发射机到目标的来回时间来进行的。但探测技术可以有所不同,如可以直接测量激光能量:由接收望远镜接收光,用光探测器将光信号转换成电信号。这种激光雷达,对发射光的光谱没有特殊要求。再如,可采用相关接收技术,这需要单频发射器和本地振动器。在这样的系统中,目标由单频脉冲激光照明,发射光与本机振荡光之间产生差频信号。

调制发射机的频率,或由目标运动所产生的多普勒频移,可被用来计算目标距离和速度。