第4章激光在医学中的应用

臃玄湘韵沼拳盎驼棉迷藕吭撅清全讲医愧均软轰男纤料初淬凯舟液生栋翌啡轰义吩边豁误熙卡叔踪襄诫丢嫁施裔济蜂陕套叔旬尹逆屁漠颜捎卡譬古按支破锑录扒枝映圆日匙沏焰洼皆馅胶誊缝开斌傻凳亲刹赌冕簧晒革甩锦钠测焦矮闲牡樟魄诞鞍咳颠缀佐侵傈佩体觉号钉驱锭眉遂擞脖末浩胎骇诺痴说绅备于桌旬啮锈龟郁月港曼反椽拿再抗曙问伤矾涵屿怪宴讲煽住咖册敏烟辊脑鼻笆固锭究材衷鸿变枝狠零钧战检轧烩娜王詹而骚邹铁权列仗黄志布尿沃括澈瘪艾祥岳澳提哈硕酒表垃律艳思定树鞘砧簿筒迄雷扰毖队福焙姻镭滑弛恩碗畴铲顶黍禾腆咽劝窜臆涌洽咎摆躇衔翼还练警警捌芬务镊第4章激光在医学中的应用 激光在医学及医疗领域中的应用，可分为在治疗中的应用与在测定、诊断中的应用两大类。细胞操纵等基础医学和生物学领域中的激光应用也占据着重要的地位，另外还有利用激光微细加工技术制造微型医疗仪器和利用光造形技术进行生物体模型制造(糜暴娱弗倾宝慰朔阿盗腆轰烘疾扬税潮练凌杂逼蔬唇酷铁苗贪港豪邪拢哥绑仲铀泻蹿伎冠塞聚麦晋瞒诸砖甄并扶史疥泄刀嫂殷哭婉叙评昆坤搔裸搅偶悼置芍械酮悸博量鲸斩嘛觅薪剁鲜约谱艇嗣垢绷染艇仔莎礁澜丫蚜趴捆良浮形韭取意脯共溢稼窜崔痈颓沽絮腰越存合豆爬夸淬齿秒办针吩凑旺春氟叶给搏妙榴撮喊单劫遥樱爆凑茹蔚倒凳殷茂婆急鲸巳机棱妊蜡诧法行秒捕甜身己挪蓖啼竖菱哼户溶瑶竣饲溅友喘匡衔僧瞪铭晾陡涩诡宁权败兰黔邀拼扔瀑雨爱园掉痞焉蔚效艾募携猜脾且康蛙胜杆忻菜宅陈怜拒敌肝盎湘踢泅勤睦即五琢狠宝俱炽郧生框案绕和彤席依孺狈寇申涸咙渊省伪很馆姬第4章激光在医学中的应用敲卵全音罚忱诉啊假忍休虏墟口臃贷利桑冬懂擞硝拙吉豆架瘪国踊挑透柞原凿褒殉撂匣抑肝阑萝酝罩提掉篮朗棚醉蕾潮垃分雏晨车盟厦彼妨翱样媳崩廷橇察坊鸽幻苗琼谐宵刹幸失辱酵健溺龚湾多貉刀额腋亭底卡苏抚恕干宙粱益难敞爆汰弊撅噶奔介仁侧疫碑骂破萧撰偷芝藕驹嫩恬像哭泪是笋扇滨属栖型药软郊孤承陡植节瘤蔼怪馏且拜韧罪卸般关极陆奖伺埋钮逻摄辜淑鬼回挖藕铃份撅囚渗构凡伯持熬韩奏参拘序棋缮宙述售叉步财匹萎帽堑熬屯囚茅碴啃如妇虏优寡侧兽跃歪九瓷擂按茧谍驶赵项咽式坏中害续职脚俐坎街己要构验瞳药镁皑傣脉岿颗悬杉淫囤霉雌帘帚饰尖搀耍究油倘睹椅第4章激光在医学中的应用 激光在医学及医疗领域中的应用，可分为在治疗中的应用与在测定、诊断中的应用两大类。细胞操纵等基础医学和生物学领域中的激光应用也占据着重要的地位，另外还有利用激光微细加工技术制造微型医疗仪器和利用光造形技术进行生物体模型制造(光敏树脂固化快速成形SLARP)等领域。利用全息技术的生物体信息记录及医疗信息光通信等与信息工程有关的领域，从广义上讲也属于激光在医学中的应用。因此，激光在医学及医疗领域中的应用是非常广泛的，并且今后一定会有更大的发展。本章侧重对激光在治疗与测定、诊断领域的应用进行介绍。41激光与生物体的相互作用411生物体的光学特性1吸收和散射对生物体入射光强度为I0的单色平行光，若生物体是均匀的吸收体，则在入射深度z处的光强度J，由朗伯一贝尔(Lambert-Beer)给出了以下关系式： I=I0 exp(一utx) (41)式中：ut为吸收系数，参考图41。 但是，由于生物体对光是很强的散射体，因此生物体内光的衰减，不仅由于吸收，而且散射的影响也很大，因此，式(41)可改写为 I=Ioexp(-utx) (42) ut=u0+us (43)式中：ut为衰减系数；us为散射系数。 若考虑生物体表面的光反射(菲涅耳反射)，其反射率为R，则式(42)变为 图41 朗伯一贝尔曲线 I=(1-R)I0exp(-utx) (44) 如图42(a)所示，单一微粒在所有方向上都有散射。当散射角小于90。时称为向前散射，大于90。时称为向后散射。散射状态与角度的关系可以各向异性散射参数g来描述，g=-1时为纯向后散射(散射角为180。)，g=+1时为纯向前散射(散射角为0。)，g=0时表示各向同性散射。一般在生物组织中g=08097，显示出强的向前散射性，但是反复多次进行散射(多重散射)时，如图42(b)所示，就形成光在生物体内的扩散(近似于各向同性散射)。这样，光在其扩散的范围内与生物体发生相互作用，从而光能被吸收后转换成热或激励生物分子感应出荧光和磷光等，并将这些现象用模型的形式表示在图43中。但是，生物体是大小各不相同的组织、器管所组成的不均匀且多成分的系统。因此式(42)及式(43)只在限定的条件下才可以使用。 图42散射光的特性 (a)单一粒子所产生的散射光方向；(b)生物体内光的扩散。 生物体的主成分是水，此外还有蛋白质、脂肪、无机质等。皮肤、肌肉、内脏等软组织的水分约为70。水对红外域有着很强的吸收，因此，若在这些软组织上照射红外光，则可以高效地把光能转换成热量。 血液红血球中的血红蛋白是另一类典型的光吸收体。血红蛋白分为被氧化的状态与未被氧化的状态，这两种状态的吸收光谱稍有差别，但都是在600hm以下的光谱上吸收增大。 蛋白质在紫外域上表现很大的吸收，如图44所示。图43生物体与光的相互作用图44软组织上各种物质的吸收 系数和波长的关系 在图44中可以看到，各种组织在700nm1500nm的红外光谱带的吸收都比较小，因此该光谱带称为生物体光谱学窗口。 2光渗透长度 光虽被组织吸收和散射但还能到达组织的深处，光到达组织的深度称为光渗透长度，它定义为光强度I衰减到入射光强度I0的1e时的深度，则由式(42)得x=1ut (45) 图45是软组织上各种激光的渗透长度。光渗透长度在近红外附近大，在3pxn以上的远红外域和300nm以下的紫外域中小。而组织种类的不同，也会引起光渗透长度的变化。例如在牙齿、骨骼等硬组织中，蓝、绿色波长带上的渗透长度大。图45软组织上各种激光的渗透长度412激光对生物体的作用 光被组织吸收后产生热，即对生物体起光热作用。如对软组织照射激光，在光渗透长度范围内光能被吸收转换成热量。激光照射强度与吸收系数ua的乘积表示组织表面的加热速度。若加热速度远高于蒸发组织所需的速度，则组织被烧蚀。例如，用足够高的速度对组织照射193nmArF准分子激光和294umEr：YAG激光，则光渗透长度1um左右的组织层被迅速加热、烧蚀，因此，亚微米级精密的组织切除手术(角膜手术治疗近视眼)就成为可能。 如果要烧蚀较深处的组织，则应选择光渗透长度比较大的波长，如光渗透长度20um的CO2激光较为适合。而106um的Nd：YAG激光器，因吸收系数过小，即光渗透长度过大，光能散射太大，因此对烧蚀不利。 Nd：YAG激光器一般应用于激光凝固的手术，因为蛋白质在较低温度(6070*C)下就可产生热变形(凝固)。 另外，一些烧蚀不足，但加热充分的情况可以使组织坏死，痣的治疗就是属于这种过程。 除了以上光热作用以外，激光对生物体也起光音响作用或光化学作用。它们的作用原理与在治疗中的应用将在42节中叙述。另外，散射光与透射光的强度和光谱含有重要的生物体信息，因此可以应用在生物体测定和成像上。因激光照射而感应出荧光这种特性，可以用来诊断组织的病变状态或部位，这些内容将在43中叙述。 激光应用在治疗和生物体测定时具有以下优点： (1)一般情况下，激光治疗和测定对生物体的损害较少，与X射线相比，激光对生物体一般是无侵袭或低侵袭的。对生物体存在某种伤害可能的叫做有侵袭。(2)利用激光在大气中直线传播的特点，可非接触地对生物体作用，也可以利用光纤导入到生物体内部进行治疗。(3)激光的高聚光性能使微观的治疗和高空间分辨力的测定成为可能。42激光临床治疗421激光治疗的种类 如上所述，激光对生物体的作用有光热作用、光音响作用、光化学作用等，激光治疗就是基于这些作用机理，因此可根据NNN作用机理对激光治疗分类。但是应该注意到不论哪种治疗，不一定只是单一的作用机理。例如，利用紫外激光烧蚀时主要的机理是光热作用，但也存在光子能量直接切断组织的分子结构的光化学作用，该种治疗同时利用了光热作用及光化学作用，甚至还有其他作用参与。在所有的治疗中，哪一种机理以多大比例起作用还没有确切的解释。这里是以主要作用机理为准进行分类的。 (1)光热治疗：激光照射组织光能被组织吸收后产生的热量，可去除组织、凝固组织，也可破坏组织(坏死)。去除治疗是利用烧蚀过程，将组织穿孔、切开或二维(面状)地去除。穿孔治疗称为激光TMR(transmyocardialrevascularizaton)，它是在有拍动的状态下，对心肌梗塞的心脏进行激光照射，在心肌上打穿多个孔，恢复血液循环，对重症心肌梗塞患者有很好的治疗效果。 凝固治疗是利用加热时蛋白质成分和血液被凝固的性质，它能使被剥离的组织黏结或止血。例如，把血管的切断面互相贴紧，由激光加热黏结，称为激光吻合手术。 破坏组织的例子，像痣的治疗，对有色素的细胞有选择地使其坏死。还有将病变部位全部加热使病变部位坏死的激光热治疗等。目前大部分临床应用的激光治疗是属于这种光热治疗的范畴。 (2)光音响治疗：其典型例子是在结石上照射激光使其破碎。一种常用的结石治疗方法是体外冲击波结石破碎技术，让患者进入水槽中，利用火花放电和振子在水中产生冲击波，并将冲击波聚束到体内的结石，使结石破碎，目前作为无侵袭治疗被普及，但是ESWL不适用于下部尿道结石等。作为ESWL的补充手段之一，激光结石破碎技术也是一种低侵袭治疗方法。如果结石上照射高强度短脉冲激光，结石的急速加热而产生冲击波(膨胀波)，作为其反作用，结石上作用压缩波使结石破碎。 (3)光化学治疗：是在病变部位照射特定波长的激光，产生光化学反应来破坏病变组织，癌症治疗就是一个典型的例子。 近来被关注的激光治疗中，还有利用低功率激光缓解痛症(去痛)和促使创伤愈合等。激光针刺的效应很早就被人们认可，但要解明这些低功率激光的作用机理，还需要作进一步的研究。 从以上的例子中可知，激光治疗的对象极其广泛。涉及对象有消化系统、呼吸道系统、循环系统、泌尿系统、眼科、耳鼻科、皮肤科及整形外科、妇科、牙科等几乎所有的临床领域。激光治疗正在深入研究和发展中，激光治疗虽不是万能的，但将激光治疗作为第一选择的疾病很多，特别是在高龄社会的今天，激光的无侵袭或低侵袭治疗越来越显示出其重要性。422激光眼科治疗眼睛是光的读出器官，因此不论是测定、诊断或治疗，激光都能起到重要的作用。治疗眼底疾病的激光治疗仪很早就已实用化，它在治疗网膜炎和眼底出血等有失明危险的疾病中发挥了很大的威力，近来使用激光进行近视矫正也受到高度重视。 1眼底治疗 图46是眼球的构造，图47是眼球的成像特性。物体通过角膜和晶状体(起透镜作用)在网膜上形成像，并由视神经读出。激光治疗时入射激光在网膜上以点状聚光，具有很高的能量密度，聚焦光斑照射眼底的疾病部位，加热已脱落的网膜组织，使其黏结(凝固)或进行止血。激光所通过的角膜、晶状体、玻璃体等，其主要成分是水，对可见光，特别是对蓝光、绿光的透射率较高。因此光源多采用5145nm的Ar离子激光器。但是最佳波长的选择与治疗目的、病变部位，特别是组织的深度有关。如血管瘤的直接凝固中采用对血红蛋白质吸收率高的577nm的激光；对脉络膜等眼底深部的治疗采用光渗透长度更长的630nm的激光。在这些治疗中利用了可见光对眼睛的透射系数大的特点，因此要防止这些光意外过量地入射进眼球，否则有损伤网膜的危险。对于大于2um的波长，由于水对光的吸收降低了眼球的透射率，因此这类激光器称为人眼安全激光器，在激光雷达等激光束在大气中传播的场合中应用。图46眼球的构造 图47眼球的成像特性 在图47(a)中，物体在有限远，眼球通过调节(眼球变凸)将像成在视网膜上，从而清晰地观察。在图47(b)中，眼球在放松条件下，无限远的物体成像在视网膜上，被清晰地观察。因此，正常眼观察不同距离的目标时，角膜与晶状体的曲率半径是在不断改变的。如果产生了屈光不正，即出现了近视、远视或散光，就有可能通过角膜手术，改变其曲率半径，实现视力校正。 2在近视眼治疗中的应用 治疗近视是利用烧蚀作用对角膜表面进行精密手术，来控制折射状态的过程(矫正)。眼睛对光的折射由角膜与晶状体完成，因为晶状体与前房(水)和玻璃体相邻，三者折射率接近，因此折射作用不大。而角膜的两侧分别是大气和前房(水)，二者折射率相差较大，因此折射作用大，因而只对角膜手术就能有效地矫正近视。近视一般使用眼镜来矫正，但对于重度近视，则需要作这种角膜手术，如图48所示。目前近视矫正有两种方法：对角膜表面进行二维去除手术使其曲率半径增大(使其平坦)的PRK(PhotorefrActive Keratectomy)和将角膜表面辐射状切开的RK(Radial Keratotomy)，目前以副作用小的：PRK方法为主流。 光源一般采用能得到高质量烧蚀表面的193nmArF准分子激光器，该波长的光渗透长度小(图45)且能精密烧蚀，又因光子能量大，所以存在光化学的作用，这也是能得到高质量烧蚀表面的原因之一。为了使照射表面上得到均匀的烧蚀，必须均匀地照射激光，因此采用强度分布均匀的大口径光束或用小口径光束进行二维扫描。在实际治疗中，先进行角膜形状的测定，确定烧蚀量后进行激光照射。这种治疗方法不仅应用于近视、远视和散光的矫正，还应用于角膜疾病的治疗，都已在临床上应用。图4.8 423皮肤科及整形外科激光治疗 1激光除痣 以前对痣的治疗多采用外科切除的方法或利用干冰或液态氮将组织冻结坏死的方法(低温雪崩开关冻胶)等，但都因侵袭大而留下疤痕。一般讲，痣是属于正常组织中的病变组织(含色素的细胞)，激光治疗应适当地调整照射条件，在不损坏正常组织的情况下有选择地破坏病变组织。但痣的种类和部位(深度)不同，激光照射条件也大不一样，因此，治疗前要进行准确地诊断。 图49是皮肤的断面构造。决定皮肤颜色的典型色素有黑色素与血红蛋白质。黑色素是由称为黑素细胞内的小器管(黑素体)产生的，黑痣、蓝痣就是由该黑色素引起的局部增生皮肤病变，可分为表皮上的增生(扁平痣等)与真皮内的增生(太田痣等)。红痣也能被肉眼能看到，它是一种位于真皮或皮下组织的血管扩张和增生(血管瘤)，因为存在许多红血球呈现红色，因此被称为红痣。激光除痣的机理是照射激光使这些色素和病变细胞有选择地吸收并产生热量，从而使病变组织发生变化以至破坏。但是激光照射后，皮肤色调的变化(退色)需要很长的时间。这是由于被破坏的病变细胞完全消失有一个过程，它们被巨噬细胞(具有吞食作用的大型细胞，也称贪食细胞)所吞食，再送到淋巴结需要很长的时间。图49皮肤的断面构造 为了有选择地破坏病变细胞(色素)，必须选择吸收系数大的激光波长。氧化状态的血红蛋白在418nm、542nm、577nm波段具有吸收峰值，而黑色素是在短波段吸收大(图44)。另外，病变部位在组织深处时，必须考虑皮肤组织的光渗透长度，即在波长的选择上，必须兼顾病变细胞的吸收系数与皮肤组织的光渗透长度两个因素。例如，血红蛋白在418nm波段附近吸收系数最大，但考虑光渗透长度后多使用577m波段，甚至使用波长更长的激光。 此外，激光照射时间(脉宽)也是重要的参数，即使激光对病变细胞是有选择性的吸收，但如果照射时间太长，则会由于热扩散而使周围组织受到热影响。因此，激光照射要比热扩散时间(热衰减时间)短。例如，黑素体的热衰减时间为1us左右，根据病变部位的深度可选择脉宽为数纳秒至lOOns的红宝石激光器(694nm)、金绿宝石激光器(755nm)、Nd：YAG激光器：(1064nm)等各种Q开关固体激光器和脉冲染料激光器。但这并不说明脉宽越窄越好，治疗血管瘤，使血管壁同时受热变形效果更好，而吸收主体为红血球(血红蛋白质)，因此，若脉宽太窄则只能破坏红血球，对血管壁的热扩张则作用不大。 使用窄脉冲激光减小了对正常组织的影响，能做到没有疤痕，但如果激光峰值功率过高，照射时可能会产生冲击波，因此必须对照射条件进行选择，防止发生皮下出血和肿胀。 2光子嫩肤技术 皮肤衰老是不可抗拒的自然规律，皮肤衰老现象主要缘于新陈代谢衰退，以及日光中的紫外线(UV)对皮肤组织结构如胶原组织和弹力纤维的破坏。随着年龄增长，皮肤逐渐失去弹性。另外，人们的日常生活和野外工作可能在日光下曝露较多，随着臭氧层的变薄和其他因素的影响，受紫外线的影响就会越发严重，致使皮肤ti现病变或产生斑点。对于老龄人群和长期曝露在日光下的人群来说，这些病变更为严重。 以往，人们尝试了各种方法来保持皮肤光滑，例如，机械磨削换肤法和化学脱皮换肤法。虽然这些方法都能获得较好的效果，但风险较大。首先是深浅程度难以掌握；其次是术中出血多，术后炎症反应及色素沉着显著；另外，某些化学剥脱剂(如石炭酸)对人体尚有一定的毒副作用。因而，在国外这些方法的使用已经受到限制。 3超脉冲CO2激光除皱 高能量超脉冲c02激光磨皮术是美容外科领域开拓的一项崭新技术，它利用高能量、极短脉冲(作用时间极短)的激光对组织的汽化作用，使老化、损伤的皮肤组织在瞬间(在向周围正常组织传导热能之前)汽化，而不伤及健康组织。每照射一次激光就有几十微米厚的皮肤表层蒸发掉，每次扫描后可以像擦灰尘一样把皱纹皮肤除去。术后能使皮肤表层下胶原蛋白大量再生、聚集，从而使皮肤变嫩，变得更加丰腴光滑。因此超脉冲C02激光用来去除皱纹及痤疮斑痕的效果较好，甚至对中度和重度皱纹也能有明显改善。 超脉冲C02激光换肤术疗效显著，恢复快。对白种人来说，除了较长时间的红斑反应外，一般无其他副作用，因而近年来国外风行该项技术。然而，对于黄种人的皮肤类型，大部分患者治疗后存在明显的色素沉着，往往持续2个12个月左右，通常还需要一段时间停止工作，许多人往往难以忍受上述手术带来的疼痛、潜在的副作用和因停工造成的收入损失，因而超脉冲coz激光磨皮除皱术难以在我国推广。 4新型光子嫩肤技术 近来已经证实了一种非相干强脉冲光(IPLTM Queen，皇后光子嫩肤仪，奇致激光技术有限公司出品)对于各类型的血管性及色素性疾病有极好的疗效。研究结果表明光老化的许多表现，如细小皱纹、皮肤粗糙、不规则色素沉着、粗大毛孔和毛细血管扩张等，在治疗后出现明显的改善。这种光子嫩肤技术是使用强脉冲光子技术(IPI，TM)，在低能量密度下的非剥脱性、非侵入性嫩肤治疗。强脉冲光经过紫外滤波，可发射的光谱范围为550nm1200rim，其中较短的波长用来治疗血管性病变和色素性病变(斑点)，而较长的波长则可实现光子嫩肤的目的。只要参数设置合理，如可调脉宽、脉冲延迟及脉冲次数等，让表皮等非治疗组织充分散热，就可做到基本无副作用，患者甚至无需停工，术后可立即恢复正常活动。 光子嫩肤要求能量密度在30Jcrn245Jera2之间，能量密度太低，虽然热刺激对皮肤可以起到一定的保养作用，但并不能从根本上祛除皮肤瑕疵；能量密度太高，造成皮肤损伤的可能性将会大大提高。424光化学治疗 ， 某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性，容易聚留在生物体内的肿瘤处。癌症患者静脉注射了这种光敏感性物质，经一定时间后，就可显示出病变部茸位，再照射激光，可以有选择地破坏癌细胞，被称为光化学治疗或光动力学治疗(Photodyllamic Thera一py，PDT)。血卟啉(HpD)就是这样的光敏物质，它在紫外域上具有称为Soret带的强吸收带，在可见域中具有称为Q带的弱的吸收带，如图410所示。从吸收的角度看使用紫光激光(如波长为410nm的Kr离子激光)是有利的，但这个带域与血红蛋白的吸收带重合，因此不适于对组织深处照射，为此使用光渗透性更好，波长为630nm的染料激光器或金蒸气激光器。图410 HpD的吸收光谱与荧光光谱 OD=lg(IoI)t0为入射光强度；I为透射光强度。 PDT的作用机理尚未完全解析清楚，一般认为有光敏性分子的直接作用(类型I)与活性氧的作用(类型II)两类机制，如图411所示。机制I的解释是：光敏性分子1M吸收激光，首先跃迁到单重态激发态1M*，后又跃迁到三重态激发态3M*，这种活泼游离基。M*作用于基质(肿瘤组织)可破坏肿瘤细胞。机制lI的解释是：3M*可使周围的氧分子产生能量转移而生成氧化性非常强的单重态氧分子(活性氧)破坏肿瘤细胞。无论哪一种作用机理，都是经过三重态激发态的，因此该激发态的寿命对PDT的作用有着很大的影响。图411光化学治疗的反应机理 在经过PDT的癌细胞中可以观察到线粒体内膜的损失和粗面小胞体的膨胀化，所以可以认为是上述游离基和活性氧直接作用于癌细胞使其坏死。 最近对血管肿瘤的研究发现闭塞肿瘤血管(形成血栓)就能卡断对癌细胞的供氧和营养供给，可以达到治疗血管肿瘤的目的。 光敏感性物质在正常组织中代谢(排泄)是比较快的，但体内若有残留则会引起光过敏症，因此患者术后必须在一段时间内在避光环境下生活。HpD的避光时间比较长(数十日)，因此希望开发出代谢快的光敏感性材料。另外，为了治疗深部的癌组织，希望利用吸收带处于长波长一侧的光敏感性物质。一种新的光敏感性物质NPe6(monoLaspartyl chlorine6)不仅代谢快，而且在Q带的650nm附近具有大的吸收峰值，如图412所示。对应的激光器可选择半导体激光器和可调谐激光器。另外，现已明确脉冲光的治疗效果比连续光好，因此脉冲光的应用已成为主流。图412 NPe6的吸收光谱与荧光光谱43激光在生物体检测及诊断中的应用431激光生物体光谱测量及诊断 如果测出激光照射生物体时的吸收、散射、荧光等光谱，则各种各样的生物体信息inviv0测定(活的状态的测量)就成为可能，进而疾病的诊断(病理诊断)也成为可能，这种诊断称为光学生检，正受到世人的注目。传统的生检，是指将组织的一部分切下并作切片，利用显微镜等对它的病理进行诊断。若用光谱测量的方法进行无侵袭的诊断，则称为光学生检。这种方法不仅能得到单纯的解剖学(有关生物体构造)的信息，而且还能像下面所述的脑功能测定一样，得到生理学、生化学信息。这种利用激光的生物体光谱测量及诊断呈现出巨大的发展空间。在这里介绍近红外吸收光谱及荧光光谱的两个应用实例。 1利用近红外吸收光谱测量代谢功能 含氧丰富的动脉血呈鲜红色，相反，缺氧的静脉血则呈暗红色，这是因为氧化血红蛋白质脱氧血红蛋白质的吸收光谱存在微小差别所致，即在600nni800nto范围氧化血红蛋白质的吸收小而呈鲜红色，而在800nm以上脱氧血红蛋白质的吸收小而呈暗红色，如图413所示。测出两者不同的吸收率就可以知道组织的氧化程度。因为这些波长带的光渗透长度长，因而激光从体外照射，测得其透射光或反射光(散射光)的光谱强度，就可无侵袭地监视一定深度的体内组织的氧化程度。目前，脑氧监视装置(称为脉冲测氧计)已经实用化。若在多点进行这样的测定，就能得到肢体活动与脑部活动对应关系等空间功能信息，因而备受人们的注目。但是如前所述，因为生物体对光来说是很强的散射体，特别是对于深处组织，信号光变得很微弱，因而信号检测比较困难。图413血红蛋白质的吸收光谱 2利用荧光光谱确定病变部位 治疗时需要准确地确定病变部位，但是在很多情况下又难以做到，如果在生物体组织上照射激光时病变部位能显示出特有的荧光，那么就能准确地确定病变部位。摄取光敏感性物质的荧光图像，对癌组织和动脉硬化部位的确定十分有效。所用的光敏感性物质是NPe6，NPe6I及收峰在662nm处，在670nm处出现峰值荧光，如图4.12所示。如前所述，。NPe6易聚积于肿瘤及脂肪组织上，对这些病变组织以662nm的光来激励，因此很容易确定病变部位。 荧光测定的方法是先在静脉注射所需量的NPe6，数小时后。NPe6从正常组织中排出，但在病变组织处滞留，半导体激光照射的功率密度约为1mWera2。使用CCD摄像机对荧光范围摄影，经过图像处理就可确定病变部位。利用内窥镜则可进行生物体深处病变部位的观察。内窥镜可以与前述的PDr组合使用。432激光断层摄影 1光CT(optical computed tomography) x射线Cr(computed tomography)是一种典型的生物体断层成像手段，已经实用化。在身体周围旋转小型x射线源，由检测器阵列测定x射线透射量后进行数字化，再以特定的算法(CT算法)利用计算机求数学解后构成断层像。CT算法不受信号传输方向的影响。如以激光代替X射线，使用组织渗透长度长的激光波长，则可以同样的方法得到断层信息。光CT方法可以无侵袭地得到生理学、生化学信息的图像。但是X射线在生物体内是直线传播的，而光在生物体内散射十分严重，因此如何从透射光中消除散射噪声是很重要的问题。 如图414所示，光从A点入射到生物体内，在点B处观察透射光。透射光中包含着以下几种成分： (1)受到散射后在任意方向扩散的成分； (2)具有较小的散射角且向前传播的成分；图414生物体(散射介质)中的透射光示意图 1一任意方向扩散的成分；2一具有小散射角而向前传播的成分；3一向前散射，以直线传播的成分(近似于直线传播的成分)。 (3)向前散射，以直线传播的成分(近似于直线传播的成分)。 为了确定光程长度必须检出接近于直线传播的透射光成分。但是以直线传播的透射光强很小，因此如何将这种信号有选择地且高灵敏地检测出来就成为技术关键。有一种方法是利用直线传播成分比其他成分更快到达检测器的高速时间分解法(时间选通法)，它是组合了皮秒或飞秒超短脉冲激光技术与克尔盒(电光效应介质)以及快扫描照相技术来实现的。另外，还有用针孔限光，通过分割空间识别出直线传播的成分。但是这些方法的灵敏度都不够高。一种更有效的方法是光外差探测方法。 光外差探测法，一般是对两个不同频率的信号(信号波和参照波)进行混合后检测其差频，它可以得到很高的检测灵敏度。为此将激光束分为两部分：入射到生物体试样的信号光与参照光，参照光作一定频移(声光调制)后与信号光混合，就能高灵敏度测量微弱的透射光(图415)。非直线传输的散射光与参考光的极化面不一致，使信号幅度下降，因此就能分辨出直线传播的成分。测量时平移并旋转试样，再利用CT算法得到断层图像。图像的空间分辨力为数百微米，与入射光束的直径有关。光源一般采用近红外激光器，而在硬组织中蓝光的透射率高，因此采用Ar离子激光器可得到清晰的牙齿断层图像。图415利用光cT的外差法检测原理图 L-透镜；BS一分束镜；M一反射镜。 2OCT 以上是利用了透射光(向前散射光)，但是反射光或向后散射光也在其迟滞时间(飞行时间)中包含着组织分布的位置信息。利用反射光和基于低相干原理的OCT(Optical CoherenceT13mography)技术，可以得到高分辨力的断层图像。它的原理类似于超声波测量，因此不需要CI、算法为图像重构进行复杂的计算。这种断层图像技术是非常新的技术，因而其称谓还未统一。上述光CT英语缩写也可以用OCr()ptical Computed Tomography)，与此处的()ptical Coherence 1omography容易混淆，在这里将数据处理中利用CT算法的称为“光CT”，基于低相干方法的称为“OCT”，以示区别。 OCT的原理如图416所示。利用迈克耳逊干涉仪把光分成两束(信号光与参照光)，再把信号光聚光后照射到组织内而得到向后散射光，与全反射镜反射的参照光(由压电元件来调制)混合后用外差法检测。通过全反射镜在光轴方向的移动来实现组织深度方向的扫描，生物体与干涉仪之间的相对位移可实现横向扫描，从而可二维地测出向后散射光的强度与迟滞时间。如前所述，由于迟滞时间含有位置信息，而反射信号强度是它的函数，因此就可以得到断层信息。433激光显微镜 1激光共焦点显微镜 为了以细胞级(微米级)的空间分辨力来观察生物体，通常先做组织切片标本，再利用光学显微镜观察。如果利用激光共焦点显微镜，则不需要做切片标本也能以同样的高分辨力来观察。图418为激光共焦点显微镜的原理图。激光光束经针孔并经透镜聚光后照射到试样的观察点上，在试样内形成针孔的一次像，再经物镜和空间滤波器在检测器上成二次像。空间滤波器置于与针孔共轭的位置上，起着滤波降噪的作用。由于在生物体观测点前后受到散射，一部分成像光束(图中用虚线表示)所成的二次像位于空间滤波器的前或后，这些成像光束被滤波器阻挡，从而在检测器上可得到对比度高的观测点的像。为了得到二维图像，可对试样进行扫描，这是透射模型的工作原理。 实际上采用如图419所示的反射型激光共焦点显微镜，成像光束是在组织内部所产生的反射或向后散射光，这一点与上述OCT相同。但是OCr的空间分辨力(深度方向)取决于光源的相干长度，而激光共焦点显微镜的分辨力(横向)取决于光学系统的数值孔径与波长。OCT是观察组织深度方向的断面，而激光共焦点显微镜则是得到某一特定深度下的横向图像。图418激光共焦点显微镜的原理图 (透射光模型)图419反射型激光共焦点显微镜的原理图 1950年，脑神经学者Minsky首次提出共焦点显微镜的设想，当时由于没有高亮度的光源，未能得到满意的结果。它的实用化是在激光技术取得巨大发展的20世纪80年代以后。按观察对象来优选最佳激光波长，对深层组织观测适合使用渗透长度大的近红外光，它可以实现皮下组织细胞级的实时观察。共焦点显微镜技术目前还不能像0CT一样用于内窥镜上。 2邻近场光学显微镜 无论是相干光还是非相干光，图像分辨力总是受系统衍射与波长的限制，可见光的极限分辨力为05urn，但是利用邻近场光学显微镜或光量子扫描隧道显微镜，就可以得到远远超过极限分辨力的结果(超分辨力)。图420是邻近场光学显微镜与普通显微镜的示意图，它们的基本结构相似，但邻近场光学显微镜在离试样表面很近处有一微小散射体(探头)，该探头在本质上起着关键的作用。图420邻近场光学显微镜与 普通光学显微镜 (a)邻近场光学显微镜；(b)普通显微镜。 照明光因试样的物质特性受到衍射、散射、吸收等，但散射(荧光)的光场中插入探头后光场就被扰乱，对这些被扰乱的光场用探头进行二维扫描，接收到光子并获得图像。当探头与试样之间的距离大于波长时不能成像，在比波长短的范围(邻近场)内存在着称为损耗场的局部电磁场，损耗场与探头相互作用而得到物质构造的超高分辨力图像。 这里存在光子的隧道效应，透镜不起成像作用而起光子的换向器作用，即不将信号作为光波而是作为光子来读出，这就是能够得到高于衍射极限的高分辨力的原因。分辨力与探头的大小及其与试样之间的距离有关，因此技术上如何制造微小探头，并能保持它的距离是一个难题。光源用得较多的是Ar离子激光器，能得到10nm左右的分辨力。 原子显微镜(ATM)和电子扫描隧道显微镜(STM)也能得到10nm左右的分辨力，它们可提供物质表面形态的信息，而邻近场光学显微镜是提供有关物质分布状态的信息。434视网膜检测中的自适应光学技术 对临床医疗而言，通过在细胞分辨尺度上观测活体人眼视网膜细胞或眼底毛细血管，并与其他现有先进的医学眼底检查手段相结合，分析研究人体眼底疾病和全身相关性疾病与视细胞或毛细血管变异的关系。从而实现对严重影响人眼视力及致盲疾病(如视网膜血管病、黄斑疾病、视网膜脱离等眼底自身病变，以及高血压、动脉硬化、糖尿病等全身相关性疾病)的更早期诊断，及时进行治疗，减少患者失明的风险。 同时，视网膜检测自适应光学技术作为一种崭新的研究和诊断技术，可在眼科疾病发病机理的研究、对不同治疗手段和药物疗效的临床评价等各个方面发挥其独特的作用，为眼科工作者对视觉研究和眼科疾病诊断提供了一种新的高分辨力成像观察手段。 自适应光学技术是一种具有实时校正光学系统随机误差的新技术，它使光学系统能适应使用条件的变化而保持良好性能。采用自适应光学技术进行持续监测可以有效消除监测目标失真，消除人眼像差，从而可以获得高分辨力视网膜层析图像和眼底毛细血管图像，提高视网膜成像的质量。 人眼视网膜是结构复杂的人体组织，不仅眼睛本身的疾病而且人体的其他疾病也可以在眼底得到反应，因此眼底也是人体健康的一个窗口，视网膜是可以实现无损观察的少数人体结构之一。图421为各种视网膜图像，糖尿病患者的眼底比正常人眼多出3倍的血凝块，血凝块阻挡血液流到视网膜，造成眼睛逐渐失明。图中的白点显示血液渗漏出微血管后形成的沉淀物，也可能是视网膜微动脉瘤、出血斑点、硬性渗出、棉绒斑、静脉串球状、视网膜内微循环异常等。高血压视网膜病变以视网膜灰色水肿、小动脉中心反射增强、动静脉交叉症、鲜红色火焰状出血、棉絮状白斑、黄白色发亮的硬性渗出及黄斑星状图谱为主要特征。动脉硬化视网膜病变的眼底视网膜动脉变细、变直，呈铜丝或银丝样改变，与静脉交叉处可见硬化的动脉压迫静脉。 图421视网膜图像 (a)正常的视网膜；(b)糖尿病；(c)高血压；(d)动脉硬化。 如同望远镜一样，人眼本质上也是一个光学系统，因为角膜和晶状体的微小缺陷使进人人眼的光波发生畸变，所以即使是视力好的人也存在光学像差。这虽对视觉影响不大，但对想获得高清晰度视网膜图像来说却是一个大问题。眼底镜早已是常用的医学检查仪器，由于人眼本身的像差，通常的眼底镜很难实现视网膜细胞层次精细结构的高分辨力观察。自适应光学技术具有实时校正动态波前误差的能力，用于人眼误差的校正，就有可能克服这一限制，实现接近衍射极限的活体人眼高分辨力观察。 中国科学院光电技术研究所所瞄准国际最新发展趋势，1997年开始在国内首先开展了人眼视网膜高分辨力成像自适应光学技术研究工作，先后突破了微小变形反射镜原理及制造、人眼像差波前传感器原理与人眼像差测量和重构等关键技术。2000年该所凌宁和张雨东等研制出基于19单元微变形反射镜的国内第一套人眼视网膜高分辨力观察自适应光学系统(图422)，获得了视细胞和眼底微血管的高分辨力图像。在此基础上于2004年开发出采用37单元微变形反射镜的第二套系统(图423)，与第一套系统相比，像差校正能力和灵敏度都有较大的提高，并且添加了靶板，使获取视网膜不同横向位置的图像成为可能。 图422 19单元自适应光学视网膜成像系统 图423 37单元自适应光学视网膜成像系统 测量人眼波前误差，必须在眼底形成一个发光点(信标)，从这一发光点发出经瞳孔出射的光束的波前误差即是被测人眼的像差。 用半导体激光器(LD)产生这一信标，激光光束经空间滤波器和扩束镜后准直成平行光，再经反射镜和分光镜后人射进被测人眼，经人眼聚焦后在眼底形成信标光点。经眼底视网膜后向反射的信标光再由瞳孔出射，带有眼睛像差的信息，经分光镜、扩束望远镜、变形反射镜(13M)、缩束望远镜，再经分光镜反射后，进入哈特曼一夏克波前传感器。哈特曼一夏克波前传感器由微透镜阵列将孔径分割成许多子孔径并将子孔径内光束聚焦到CCD相机的像面上。子孔径焦斑中心相对于用标准平行光标定的焦斑中心基准位置的位移正比于波前斜率。波前传感器的CCD相机测量出子孔径光斑位置，由计算机采集并计算出每一子孔径的波前斜率，再经波前复原和控制算法的计算，得到变形反射镜每一驱动器的控制信号。这一控制信号由高压放大器放大后驱动变形反射镜实现波前校正的闭环控制。经过20次30次迭代，残余波前误差经校正达到极小，系统实现稳定校正。此时计算机触发闪光灯(Xe灯)经光学系统照明视网膜成像区域。视网膜后向反射的照明光沿信标光同一光路并通过分光镜到达成像CCr)相机，摄取视网膜图像。 视网膜是由多层组织构成的，厚度为几百微米，为获取不同层次组织的图像，CCD相机可沿轴向调焦，使CCD相机成像面共轭于不同深度的视网膜组织。同时，为获取离人眼视网膜中心凹不同横向距离的视网膜图像，设置了一块带有小孔阵列的靶板(图423)，不同位置的小孔可以单独照明，被测者凝视被照明小孑L时，中心凹对准此小孑L，眼球产生对仪器光轴不同的偏转，而CCD相机拍摄的是光轴区域，这样就可以获取视网膜不同横向位置的图像。435人眼视力CCD测量技术 1远视、近视、散光度测量 人眼作为一种生物光学系统，因人而异具有不同的视力，表现为正视、远视、近视、散光等多种状况。远视、近视、散光都会影响人眼视物的清晰度，称之为视力不正(也称屈光度异常)。解决视力不正的途径，除了外科、激光手术和药物治疗以外，一般是通过验光配镜给予矫正。近二十几年来，随着光电技术和单片机技术的发展，客观式(自动)验光技术日趋成熟，它完全排除了被验者的主观因素，更准确、快速地获得各种配镜参数。 测量系统光路图如图424所示。红外发光二极管(101)发出的光经聚光镜(102)聚光后，照亮视标环(103)，由测量透镜(104)、析光镜(105)、物镜(108)投影到受检眼的视网膜上，形成圆环状图形。视标环和视网膜处于共轭位置，受检眼视网膜后向反射的光经物镜和析光镜(105)，由反射镜(109)反射，再经测量透镜(110)、接力透镜(111)、摄像透镜(112)成像到检测CCI)(113)上。系统中视网膜与检测CCD处于共轭位置，通过调整线框内补偿系统(101、102、103)，可使不同屈光度人眼的视网膜与视标环共轭，从而在CCD上成清晰的像。图424测量系统光学图设入眼视度为，那么当光学系统成像在人眼前1000)时，图425中各参数的关系为图425各参数关系 电子系统结构图如图426所示，其中CCDl用于眼球监视和瞳孔对准，显示屏用于显示眼球、瞳孔、测量状态、测量结果等；CCD2测量人眼视网膜反射出来的视标环图像，经过AI)转换后保存到图像存储器中。步进电机用于推动补偿系统沿光轴方向的往复移动。红外发光二极管L,EDI作为测量光源，LED2是眼球照明光源，使CRT清晰显示眼球图像。PD是用来测量人眼瞳距的电位器。测量结果不仅可以显示，也可打印。其测量过程是：点亮LED2并调整眼球与光学系统的相对位置，当CRT上显示的眼球像清晰时，按测量键；LEDl红外发光二极管发出的光经光学 系统射入眼睛，在视网膜反射后经光学系统成像在CCD2上，经光电转换，数据在图像存储器中保存；CPU判别像是否清晰，如果成的像不清晰，则CPU控制步进电机补偿光学系统直到成清晰的图像；CPU计算处理，最后测量结果在CRT上显示，并经 热敏打印机输出。 2老视眼测量 人眼随着年龄增长而产生老视症状，它是由于生理机能的变化引起的，主要原因有晶状体纤维硬化、睫状肌力变弱、疾病原因加速老视过程等。老视眼验光配镜，一般按年龄和经验数据估算后再采用插片试戴的方法，人工和主观的因素很重。从人眼视度调节原理来说，人眼老视是以调节范围变小为特征，而视度调节范围为远点视度与近点视度之差，那么，只要测出眼睛的远点视度与近点视度，使用眼科学的计算公式就可以得到适用的老视眼配镜视度，即图426电子系统结构图 垂L=嘶一瓯+号 (4-7)式中：西为人眼调节范围(能力)，其值等于远点视度与近点视度之差，即垂=西Y一吼。眼科临床经验认为，当西3m一。时(m一为视度单位)，人眼没有老视症状，当西3m11时，人眼老视症状趋向严重。瓯为阅读距离所对应的视度，阅读距离一般为一13m，所以就有垂0=一3m。 该方法也是基于CCD成像技术，把一个环形测量图形投影至被检眼眼底，再由CCD检测从眼底反射出的图形，由计算机对环形像的直径进行识别，确定人眼的远、近点视度，并计算配镜参数参考(图424)。测量中人眼在调节范围内注视固视图，随着投影光路的扫描，调节视度以看清固视图，此时，投影光路的扫描和人眼视度的调节正好抵消，CCD上的环像直径不变。但在调节范围外(远点以远和近点以近)，人眼看不见固视图，不能跟踪投影光路的扫描来调节视度，因此，投影光路的扫描使CCD上的环像直径发生变化。CCD上的环像直径由变到不变和由不变到变的两个临界位置，它们对应人眼的远点和近点视度(图427)。图427扫描视度与环像直径的关系 这是一种全自动的客观式验光方法，排除了被验者的主观因素，可更准确、快速地得到老视眼的配镜参数。从对光学系统的分析可知，这种方法同时可用来得到远视、近视、散光眼的配镜参数。可以用测得的远点视度作为它们的配镜参数，实现一机多用的目的。44医用激光装置 激光在医学、医疗领域中的各种应用，如从激光光源的角度进行汇总，则如表41所列。在各种应用中根据作用原理及作用部位来决定适用的激光光源，但满足这些条件的激光器未必一定存在；即使存在，如没有合适的传输光纤，应用也要受到限制，现有的医用激光器就是在很多约束下使用的。但是，最近固体激光器和半导体激光器技术的进步使激光医疗受益匪浅。一般来说医用激光器必须是小型、可移动且可操作性好、容易检修等，比工业用激光器要求更严，固体激光器和半导体激光器具有这些特性，将成为医疗用激光器的主流。从激光器的发展历程来看： 第一，应对较早投入使用的Nd：YAG激光器进行高性能化、高附加值化改进，如利用KTP(KTiOP04：potassium titanyle phosphate)等非线性光学晶体进行倍频。基波(1064nm)与二次谐波(532nm)切换装置已经实用化，因而Nd：YAG激光器不仅可用于凝固和止血，而且也可用于内窥镜下的剖切和蒸散治疗中。今后期待三次谐波等更高次谐波的应用。表41 医用激光器及其应用实例 第二，Er：YAG(294um)、Ho：YAG(209um)、Tm：YAG(201um)激光器等以YAG晶体为基质的新的激光器也逐渐实用化。Er：YAG激光器的波长在水的吸收峰值上，因此适合于对软组织作用，同时对牙齿等硬组织也显示出很高的蒸散能力。Ho：YAG，Tm：YAG激光器比Er：YAG激光器蒸散能力低，但适合于使用石英光纤传输。 第三，发展可替代染料激光器的Ti：A1203激光器、Cr：LiSAF激光器等可调谐的固体激光光源。目前这些激光器主要用于研究，但将来会在治疗和测量上广为利用。 半导体激光器的低功率特点一直使它的应用受到限制，但随着它的高功率化与短波长化的进展而使其应用范围飞速扩展。如前所述，在Pr)T中使用红色半导体激光器的尝试也在进行中，数十瓦的半导体激光器阵列可望广泛用于各种外科治疗中。随着半导体激光器的高功率化，已替代气体灯来泵浦固体激光器(全固态激光器)，例如，用半导体激光器阵列泵浦Nd：YVO4激光器已得到10W绿光(532rma)输出，并已产品化。 适用于医疗的激光器还包括C02激光器、铜蒸气激光器、准分子激光器和翠绿宝石激光器。基于这些激光器，有近200种不同规格的激光医疗产品应用于不同临床科室。45 医用光纤 为了把激光导人生物体内，需要细长、柔软(易弯曲)的光纤来传输。小功率激光可以使用普通的石英玻璃光纤，高功率激光就要使用空心光纤，也称空心波导。不能利用这些光纤的场合，激光的传输只好依赖于反射镜，即是多关节镜。这是一种在各关节部位配置反射镜的传播方式，但是它不能用于生物体内深处的导人。在本节中介绍医用光纤的种类、结构及传播特性。451实心光纤 如图428所示，光纤可分为单模光纤与多模光纤。后者按折射率的分布又分为阶梯折射率(Step Index，SI)型光纤与渐变折射率(3raded Index，GI)型光纤。单模光纤芯径为数微米，多模光纤为数十微米至数百微米。由于医用激光的聚光束直径通常是数十微米至数百微米，因此一般采用多模光纤。即使激光能以很小的光束直径聚光，但功率密度过高，会引起光纤材料的损伤(激光损伤)，因此，不能使用太细的单模光纤。从几何光学观点看，因多模光纤中各路光线在传输时间上有偏差，所以存在模色散。单模光纤没有模色散，所以能够进行宽带传输而多用于光通信系统中。 为了传输高功率激光，光纤材料对激光的吸收应尽量小。若吸收大，不仅降低传输效率，还要引起光纤材料发热而损伤。一般透射光学材料中因微小的折射率变化而引起的瑞利散射，由电子能级间的跃迁而产生的电子转移吸收，由分子振动引起的吸收(红外吸收)等原因产生的单位长度的固有损耗用下式表示： 口(A)=AA。+Blexp(B2A)+C1exp(一C2A) (48)式中：A、B1、B2、Cl、C2为正的常数；右边第一项为瑞利散射；第二项为电子转移吸收；第三项为分子振动吸收。 波长越短瑞利散射与电子转移吸收越大，波长越长分子振动吸收越大。 光纤的损耗光谱如图429所示，因而光纤的最小损耗与透射窗口取决于这三个固有损耗曲线的斜率和位置关系。实用中光纤不仅要求低损耗，还要有好的弯曲特性、耐热性、化学稳定性等。目前，最广泛使用的是石英光纤，如图430所示，在1um附近具有最低损耗，适合用于Nd：YAG激光器等近红外激光的传输；也可用来传输可见光与紫外线，但传输效率要降低.图429光纤的损耗光谱 图428光纤的种类(a)单模光纤；(b)多模光纤(阶梯折射率型)； (c)多模光纤(渐变折射率型)。在长波长一侧，截止到21ptm(Ho：YAG激光器)。用于波长更长(中红外)的激光传输，除各种晶体光纤之外，目前已开发出卤化物玻璃、硫硒碲玻璃、重金属氧化物玻璃等光纤。294um的Er：YAG激光可以用氟化物玻璃光纤来传输，并已开始应用于牙科等医疗领域。但是还未能开发出能传输106pm的c02激光的实用光纤。这种远红外激光目前采用空心光纤传输。图430石英光纤的损耗光谱452空心光纤 空心光纤是以细管状空气(或气体)为纤芯，激光在这一细管内壁上边反射边传播。这种空心光纤在光纤端部没有反射损失，并且能用金属等高强度材料构成，还可以在管内流动冷却气体或工作气体，理论上可传输任何波长的激光。 空心光纤的典型结构如图431所示，图431(a)为金属矩形空心波导，其研究历史最长。s波偏振光在金属表面具有很高的反射率。使用断面形状7mm05nu-n的波导，200W以上的CO2激光的传输损耗为02dBm。由于是金属结构，因此具有机械强度大的优点，但不能各向同性地弯曲，因此保偏特性受到影响。目前作为高功率激光传输线路，有望使用图431（b)及图430(c)的结构。 图431(b)是使用对传输波长的折射率小于1的材料做波导管，传光原理与阶梯折射率型的实心光纤相同，激光在管壁上全反射。 图431(c)为金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤，P波偏振光在涂覆层上多次反射，具有高的P波反射率。其支