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主题:激光脱毛原理之照明几何学:激光束空间特性的重要性

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激光脱毛原理之照明几何学:激光束空间特性的重要性  发帖心情 Post By:2005-6-15 11:24:30 [只看该作者]

背景:用激光脱毛来替代传统的刮毛、上蜡去毛、用脱毛膏脱毛或电针脱毛等,越来越受到人们欢迎。现在,可以买到许多激光系统,它们对治疗区域的照明方法各不相同。激光能量密度在组织内的分布,因而治疗效果与照明几何学密切相关,即与皮肤表面的折射率匹配、入射光斑大小和入射光束中的能量分布密切相关。
目的:为分析和讨论与激光脱毛有关的照明几何学的各个方面。
方法:详细计算各种因素在光脉冲治疗期间对能量分布的影响。
结论:对650-1100nm波长范围,用典型的皮肤参数进行的计算表明:通过与皮肤接触的蓝宝石来照明治疗区域,仅在皮肤表面所引起的折射率匹配这一项(散热效应除外),就可以使激光照射皮肤表面所产生的热量减少30%,因为,折射率匹配可将皮肤表面能够内反射的光子数量减到最小。因此,通过在皮肤表面提供最佳的折射率匹配,蓝宝石接触使安全使用更高功率的激光治疗成为可能。
计算还表明:10mm直径(或9mm见方)的光斑,在1-3mm照明深度处,所产生的能量密度,等于由具有相同入射能量密度的无限宽光束所产生的能量密度的73-88%(与深度有关)。这意味着:采用较大的光斑,几乎不会增加穿透深度。另外,大多数具有较大光斑(直径>14mm)激光脱毛系统,不能产生足够的能量密度,达到8-14mm直径光束系统所能达到的治疗效果。另一方面,5mm直径的光斑在1-3mm照明深处所产生的能量密度,仅为无限宽光束(具有相同入射能量密度)所产生的能量密度的37-52%(与深度有关)。由于在皮肤表面具有相对高的能量密度,引起表皮变热,因此,小直径光束是不能通过简单增加入射能量密度的方法来与较宽光束竞争的。因此,具有较小光斑(直径<8mm)的激光脱毛系统也许不能安全地产生所要求的治疗效果。
采用650-1100nm波长和典型皮肤参数的计算表明:对同样的表皮热,具有平顶分布的光束,可以应用的能量密度比高斯光束高54%,从而使光束在皮肤中的穿透深度和宽度大大增加。正是由于这个原因,具有平顶光束分布的激光脱毛系统将会比具有高斯光束分布(即具有中心“热斑”)的激光脱毛系统更有效,产生并发症的可能性更小。

用激光脱毛来替代传统的刮毛、上蜡去毛、用脱毛膏脱毛或电针脱毛等,越来越受到人们欢迎。估计全球激光脱毛设备的市场为每年2亿美元。到目前为止,激光脱毛设备在美容激光市场中的机会最大。因此,现在,有许多生产厂家在为这个市场生产激光和非激光脱毛系统。
为了比较各个系统的优缺点,认真考虑一下决定治疗效果的基本原理是十分重要的。这篇技术性文章是我们讨论激光脱毛问题的系列文章中的第二篇,重点讨论照明几何学及其对组织内能量密度分布的影响。

光热脱毛原理

用激光脱毛,是通过在毛干和有色小囊上皮细胞有选择地沉积能量来实现的。这样,使温度迅速升高,然后,热量向邻近的组织扩散,使小囊的再生结构产生局部的热坏疽。对典型的光热脱毛周期而言,产生热坏疽的温度大约在700C[1]。能量的选择性沉积是通过用具有足够能量密度(单位面积能量)的光束来照明治疗区域实现的,照明光束的波长应为毛干和有色小囊上皮细胞中的内在的黑色素所吸收,但不应被周围组织所吸收。为了使热效应局部化,照射的能量应该小于目标结构的热张施时间,或可以与之相比。导致局部热坏疽的选择吸收过程,这就是所谓的选择性光热作用原理[2]。
人们可以预料:治疗效果(即被永久破坏的小囊百分比)与所使用的能量密度有关。在一份对92个病人(男性45人,女性47人,他们的毛发颜色和皮肤类型各不相同)的研究表明:在波士顿麻省中心医院和纽约的激光和皮肤外科中心,用Lumenis LightSheerTM二极管激光系统对这92个病人进行治疗,在用能量密度为40J/cm2、脉宽为20ms的激光进行治疗后,在第12个月,观察到毛发减少的比例为32.5%。而用20J/cm2、脉宽为10ms的激光进行治疗后,观察到毛发减少的比例为25.9%[3]。有趣的是:采用相同的能量密度,但将脉宽扩大3倍,疗效没有明显的提高。
上面的结果表明:被照明的组织达到的温度越高,治疗的效果越好。在1-3mm深度范围内,峰值照明温度直接与能量密度成正比。不明显的是,对给定波长,组织内的能量密度分布对照明几何学的依赖关系究竟如何,即对皮肤表面的折射率匹配、入射光斑大小和入射光束中的能量分布的依赖关系究竟如何。下面,我们将对这些项目逐个进行检查。

照明几何学



为了理解照明几何学中每个因素的重要作用,画出皮肤中的光路示意图(如图1所示)是有帮助的。当皮肤被照明时,一小部分入射光从皮肤表面反射回来,这是因为在边界处折射率发生变化的结果。对于垂直入射光束, 反射率约在4–7%之间[4]。93-96%的光进入皮肤,然后被散射,或被吸收。这里提到的散射类型是光子与物质之间的弹性相互作用,这种相互作用只改变光束传播的方向。弹性散射是由皮肤折射率的不均匀性所引起的,这种不均匀性与各种解剖物(如胶原质纤维)的物理边界情况有关,以散射系数&micro;s(λ)(cm-1)与波长有关为特征。
一旦光被吸收,就会通过有趣的的载色分子团,将辐射转变成不发光的热。当有色组织结构存在时,对激光波长的吸收就会比周围组织(如毛干)强。光子在组织里面的随机传播,将有利于被有色结构选择性地吸收。因此,如果沉积的能量足够大,有色组织结构的选择光热相互作用就会发生。由有色组织结构或周围组织引起的吸收,用与波长有关的吸收系数&micro;a(λ)(cm-1)来表征。
光在散射和吸收介质中的穿透力与&micro;s和&micro;a有关。但是,在皮肤组织中,占统治地位的载色团是血色素,它对650–1100nm波长的光吸收较弱。例如,对均匀分布的、容积比为1.0%的皮肤中的,其&micro;a约为0.3cm-1,而&micro;s约为40cm-1。因此, 650–1100nm波长的光,在典型皮肤中的透过能力,差不多完全由非常高的散射所决定。

折射率匹配

因为皮肤是很好的散射介质,在入射光子被皮肤吸收或产生背散射之前,可能大部分被多次散射掉了。这使得辐射在皮肤里面的分布加宽,而且是各向同性的加宽(即均匀散开)。背散射光子的损失和光束的扩散使光束在穿透皮肤时,强度减小。但是,在像皮肤这样高的散射介质中,一个给定的光子,经历多次散射,在被皮肤吸收或产生背散射之前,可以在多个位置或在同一位置多次对能量密度做贡献。因此,皮肤中的能量密度是入射光束能量密度的数倍[5]。当外部介质的折射率ne小于皮肤折射率ns (~1.33)时,由于光子在皮肤表面产生内反射,上述效应还会有所增强。一个从组织里面以等于或大于临界角qc=sin-1(ns/ne)的入



射角qi入射的光子,将被内反射。从而,使局部,特别是在靠近皮肤表面的地方,能量密度增加。
Monte Carlo曾对典型皮肤参数的辐射透过情况,进行过模拟计算,计算结果如图2所示[6,7]。他用10mm宽的光束,沿中心线通过外部介质空气(ne =1.0)和蓝宝石(ne =1.76)射向皮肤。假设皮肤表面是光滑的,并且忽略来自背面的蓝宝石-空气界面的背反射。但是,在实际上,从皮肤散射出去的某些光子,进入蓝宝石后,将会被背面蓝宝石-空气界面再次反射到皮肤中去(即再循环)。另外,光子进出皮肤的实际情况,还与皮肤表面的粗糙程度有关。结果是:代表外部介质空气和蓝宝石的曲线应该在显示的这两条线之间。
如图1所示,大角度(相对于垂直入射)的光子,容易产生内反射。这种光子沿反射表面传播的区域较窄,对该区域能量密度的贡献有些古怪。如图2所示,对典型的皮肤参数,散射的光子经空气-皮肤界面全反射后,使表面的能量密度增加55%,在60微米深的地方,增加45%(与相同的光束通过蓝宝石-皮肤界面的情况相比)。在深度超过1mm的地方,增加量比较均匀,均为16%。在治疗过程中,如果要保护10-100微米深处的有色上皮时,能量密度在皮肤表面的积累具有重要影响。在上述结果的基础上,对1-3mm深处等价的照明热,通过与皮肤接触的蓝宝石来照明治疗区域来实现折射率匹配,就可以将皮肤表面的全反射减到最小,仅这一项(即不考虑热沉效应)就可使上皮中的热减小30%。因此,因为能在皮肤表面提供最佳的折射率匹配,蓝宝石接触就使安全利用更高、更有效的能量密度成为可能。

光斑大小



在像皮肤这样的高散射介质里面,光束边缘的扩散导致光束在穿透组织时不断加宽。结果,入射光束越大,在给定深度,积累的能量就越高。这个效应示于图3中, 图中阴影部分表示能量密度较高的区域,用高密度的光线表示。根据Monte Carlo模拟,对能量密度相等的3毫米和10毫米直径的平顶光束,在650-1100nm波长范围内,采用典型的皮肤参数实际计算出的能量密度分布示于图4中[8]。红色区域代表照明区域的大小。这是一个任意定义的区域,在这个区域里,能量密度率等于或超过入射的能量密度。对较小的3毫米直径光束来说,侧向扩散较大,即光子因散射而离开光束,使光束强度减弱,限制了穿透深度。而



对较大的10毫米直径的光束来说,光子因散射而离开光束的几率略微低些。因此,大直径光束沿光路传播的光强仍然相对较高,从而进入皮肤较深。注意:对圆形或方形光束,光在组织中的渗透主要与光束截面有关。因此,9毫米正方形光束的能量密度分布,就可能与10毫米直径的圆形光束,所产生的能量密度分布类似。实际上,人们更多的需要方形光束,因为,它们容易定位,在覆盖较大治疗区域时,不需要任何光束重叠。



散射效应对穿透深度的影响进一步示于图5中,它显示的是一个等能量密度线,这些曲线是用典型皮肤参数,对直径渐增、但保持入射能量密度不变的平顶光束,用Monte Carlo模拟得到的[9]。这些曲线代表照明区的大小,是任意定义的,在这个区域里面能量密度等于或大于入射的能量密度。如所看到的那样,一旦光束达到足够的大小,由边缘散射的光子,在它们到达中轴之前就被吸收了。这时的能量密度分布具有无限宽光束的特征。达到这个极限时,光束穿透最深,照明区只是简单地加宽,比入射光束的大小稍微大些。
很清楚,光斑越大,每个光脉冲可以治疗的面积就越大。但应该注意的是:某些脱毛系统提供更大的光斑(直径的>14毫米),这对增加覆盖面是有益的,但由于激光器的输出能量有限,所得到的最大能量密度,即治疗功效将随光束的增大而急剧下降。
在图5中,代表9&acute;9mm和12&acute;12mm光束的虚线表明,在采用蓝宝石接触,使皮肤收缩时,有效穿透深度会有所增加。皮肤收缩会压迫血液,会将载色体压到治疗区域之外,迫使毛发小囊横躺,使其根部更靠近表面。从而,使光束的有效穿透能力又提高了15%。



为了进一步说明光束直径对能量密度分布的影响,即对脱毛效果的影响,我们对直径大至20毫米的光束(其能量密度与无限宽光束相等),计算了它的能量密度值(在1-3毫米深的照明区域之内),结果如图6所示。结果表明:10毫米直径的光束(或9毫米方形光束)所产生的能量密度值等于具有相同入射能量密度的无限宽光束能量密度值的73–88%(与深度有关)。这就是说,用更大直径的光束,穿透深度几乎没有什么增加。相反,一个5毫米直径的光斑,在1-3毫米照明深度所产生的能量密度仅有37–52%(与深度有关)。但是,由于高能量密度会引起表皮热,因此,较小直径的光束不能用简单增加入射能量密度的方法,与较宽光束竞争。因此,具有较小光束(直径的<8毫米)的激光脱毛系统,也许不能安全产生所需要的治疗效果。

能量分布

如人们所预期的那样,入射光束中的能量分布也会影响皮肤中的能量分布。脱毛用的激光束具有各种典型的能量分布形式,从平顶状分布到高斯分布。对具有相同直径和能量密度的平顶光束到高斯光束,它们的相对能量分布截面如图7所示。由图可见,平顶光束的能量在整个区域都是平的,而高斯光束,强度在中心最大,然后随半径距离的增加而指数下降。高斯光束的宽度可用半极大全宽(FWHM)表示,或用1/e2宽度(峰值强度的13.5%)表示。





用具有相同入射能量密度的10毫米直径的平顶光束和高斯光束照明皮肤,会引起表皮温度升高。我们计算了在60微米深的基层温升,结果如图8所示。在计算时,假设在激光脉冲照射前,表皮被预冷到150C。由图可见:在60微米深的基层,具有均匀分布的平顶光束所产生的温度比高斯光束低35%。尽管,在上述计算中,不包括在平顶光束照明期间,表皮与冷的蓝宝石窗口接触而产生的散热作用,事实上,如果考虑这一效应,上述表皮温度的差别还要明显。
有趣的是:由于光束经散射而快速扩散,在3毫米的照明深度,这两种光束的效果是一样的,是很难区别的。不过,如以前讨论的那样,能安全传输的最大能量密度(对给定脉冲宽度)受表皮热所限。因此,对于等价的表皮热,用平顶光束可使用的能量密度要比用高斯光束高54%,从而使光束的穿透更深、更宽。



图9显示的是实际测量的在皮肤表面的能量分布。该能量分布是用SensorPhysics&#8482; LaserTest LS-2000 光束分布测量仪测量的,这种分布是用9&acute;9-mm Lumenis LightSheer二极管激光束和10mm直径Candela&reg; GentleLASE&reg;紫翠玉激光束照明所产生的。
在Lumenis LightSheer的ChillTip&#8482;手提治疗仪中,直接的二极管激光辐射的均匀性和聚能性能可引起很平的强度分布,能保证产生相对深、相对均匀和相对宽的穿透。相反,采用光纤耦合的Candela GentleLASE,在光束中心有一个“热点”。这个特殊“热点”的强度约比光束其它部分高50%。这样的“热点”大大增加了上皮破坏的风险,限制了可安全使用的能量密度。为此,具有平顶光束的激光脱毛系统将更加有效,与较大的高斯光束(即具有很厉害的“热点”)相比,产生并发症的可能性也要小些。

结论

在组织内的能量密度分布和治疗效果与照明几何学,即皮肤表面的折射率匹配、光斑大小和入射光束中能量分布有关。用在650–1100nm波长范围内的典型皮肤参数计算,结果表明:通过蓝宝石与皮肤接触对治疗区域照明,在皮肤表面产生的折射率匹配这一项(即不考虑散热效应),就使表皮温升减少30%(与深度有关),因为,这样做可将皮肤表面的内反射减到最小。这意味着:对等价的表皮热,蓝宝石接触使安全利用更高、更有效的能量密度成为可能。
计算还表明:10毫米直径(或9毫米方形)的光束,在1–3毫米照射深度,所产生的能量密度,等于用相同入射能量密度的无限宽光束所产生的能量密度的73–88%(与深度有关)。这意味着:用更大直径的光斑所产生的穿透深度几乎没有什么增加。 事实上,大部分具有较大光斑(直径>14毫米)的激光脱毛系统,都不能产生足够的能量密度,达到与8–14毫米直径光束系统相同的治疗效果。相反,5毫米直径的光束,在1–3毫米照明深度所产生的能量密度,仅为用相同入射能量密度的无限宽光束所产生的能量密度的37–52%(与深度有关)。由于高能量密度在皮肤表面所引起的表皮热,使较小直径的光束不可能通过简单增加入射能量密度的方法与较宽的光束竞争。因此,具有较小直径(直径<8毫米)光束的激光脱毛系统也许不能够安全地产生所需要的治疗效果。
在可以安全使用的能量密度下,入射光束内的能量分布有重要意义。用在650–1100nm波长范围内的典型皮肤参数计算,结果表明:对等价的上皮热,用平顶能量分布的光束所产生的能量密度,要比用高斯光束高54%,从而使光束穿透得更深、更宽。为此,具有平坦能量分布的激光脱毛系统比具有大高斯光束(即“热点”)的系统更有效,引起并发症的可能性更小。

Zgshan译自http://www.aesthetic.lumenis.com/wt/content/lightsheer









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量子效率兄,你是来自我们山东临沂新光量子的把!哈哈,多交流!!!

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