![]()
近期，我的公众号发了一些关于色斑、敏感肌相关的内容。发现阅读量较低，我想可能是损容性皮肤病相关的知识太多，许多没有皮肤科基础的医生学习起来有些困难。
今天继续为大家分享激光美容方面的内容，希望能帮到美容皮肤科的医生们。
今天分享的是关于组织光学的内容，即光照射到皮肤上的四种变化：反射、吸收、散射、透射。其中，激光在组织内传输的主要物理过程是散射和吸收。1mm内光子和组织要发生上千次碰撞散射，没有被吸收的散射光子最终射出组织外。从光学角度看，皮肤组织是一种致密的有层次的非均匀的浑浊的光学介质 。其实恰恰相反，这四种组织光学变化在根本上决定了照射到皮肤上的激光（或光）到底能发挥多大的作用。如果从考试的角度，这部分内容是应该掌握的内容，而不是仅仅了解。![]()
图源：《激光美容外科图谱》
![]()
图源：《皮肤美容激光实用入门》
![]()
当光子撞击生物组织时,它表现出特定的光分布,包括反射、散射、透射、吸收和再发射。可测量的再发射、反射和透射量通常被称为宏观光学性质,与波长、组织类型和各层厚度有关。光子（这里不是指强脉冲光）的分布及由此产生的宏观光学特性取决于:折射、散射和吸收。对于医疗激光而言，要想发挥出激光最大的功效，就要使反射、散射、折射最小，使靶色基（靶组织）的吸收最大化。
当光线射向介质的表面时，一部分光线会被表面反射回去，这种现象称为“光的反射”。光反射现象是入射光在入射到人体组织表面上时被返回的现象。皮肤对光的反射分为：镜面反射、漫反射和皮肤内的后向散射三种。当光通过皮肤表面进入皮肤内部后，由于皮肤内复杂的层次和颗粒结构，将对光产生强烈的散射。其中一部分散射光必然返回表面而形成漫反射，因其方向与入射光的方向背道而驰，故称为后向散射光，又称皮肤内部漫反射光。只有当组织的厚度超过激光的透射厚度时， 反射率才保持不变。因此，考虑光的反射时，要考虑皮肤表面的粗糙程度、皮肤的厚度、激光（或光）的波长、以及血管内血液的内部漫反射。
![]()
图源：皮肤激光医学原理及临床应用
光从一种介质（如空气）射入另一种介质（如皮肤）时，传播方向会发生变化，这种现象叫“光的折射”。举个例子，我们看水池中的鱼时，池中的鱼比肉眼看到的更近一些。这就是一种折射现象（下图水中的笔也是一样）。光的反射系数与入射角以及折射率相关，当然还与入射组织表面的光学特性（光滑或粗糙）相关，这被称为菲涅耳反射。在皮肤表面，4%~7%的光由于空气和角质层折射率的差异而被反射。我们可以通过多种方法来降低光的折射率以及光的反射，以增加光在组织中的穿透、以及靶组织对光的吸收。![]()
上图：光的折射
1、激光应垂直于皮肤 90° 照射（手具垂直于皮面）。然而，即使激光以90°垂直于皮肤照射，仍有4-7%被皮肤反射（由于有折射）。2、使光在两种介质（空气、皮肤）的折射率之比最小。为了降低折射率，可以将酒精（n = 1.4）或水（n = 1.33）涂抹在皮肤上。
例如，将水涂在皮肤上会降低空气（n = 1）和水（n = 1.33）的折射率，并且还降低了水（ n = 1.33）和角质层（n = 1.55） 的折射率 ，从而使更多激光到达靶组织。这其实就是在照射强脉冲光前在皮肤表面涂抹透明导光凝胶的原理，也就是通过涂抹凝胶降低折射率，减少光的反射，从而增加光的耦合（重要）。
当然，我们一般不会使用酒精降低折射率，因为对皮肤的刺激性，以及酒精的易燃性。
但对于干燥的皮肤，在术前给表皮补水（提前擦保湿霜或敷面膜），使角质层含水量增加，可降折射率，减少光的反射。对于干燥的皮肤，在使用高强度激光或强脉冲光治疗时，容易出现表皮反应过重的情况，就是由于光的穿透较浅，更多被表皮吸收，这是光的折射现象对我们光电操作带来的直接影响。研究发现，皮肤表面粗糙程度，肤色各不相同，组织中含水量、血流状况及血红蛋白含量也不同，会对入射光产生强烈的漫反射，镜面反射较少。研究发现，可见光范围时，白色皮肤的反射比黑色皮肤大，且反射随激光波长的增加而增加。对波长为500 nm的蓝光，白色皮肤的反射为40%，黑色皮肤为10%。因为真皮和皮下组织中血管中的血液对红光（600-750nm）和近红外线（750-1800nm）会产生强烈的内部漫反射。也就是说，对于红光和近红外线，除了皮肤表面角质层的反射以外，还包括了真皮层血液对光的由内而发的内部漫反射。由于长波长的激光能量偏低，许多医生在操作1064 nm激光时不戴护目镜是很危险的（重要）。
对于波长＜300nm的紫外线和＞2000nm 的红外线约为5%。 且反射率与肤色无关。反射率对同一波长而言,白种人最高、黑种人最低、黄种人居中;反射率峰值：白种人(63%)在700 nm处,黄种人(55%)在720 nm处,黑种人(45%)在1050 nm处。![]()
图源：《 Bolognia 皮肤病学 第4版》
光通过不均匀光学介质时，出现偏离原传播方向而沿侧向传播的光，称为“光的散射”。皮肤是一种浑浊的不均匀光学介质，光在其中要发生强散射，而真皮比表皮更强。生物组织对光的散射很重要，因为它决定了光在组织中的体积分布。这是光进入组织并相互作用的第一步，随后是吸收和产生热量。黑色素、细胞核、胶原蛋白均可引起散射，但主要是真皮中的胶原蛋白造成的散射。波长低于300 nm时，大部分光被表皮层中的表皮蛋白、DNA、尿刊酸等色基吸收，不会发生散射。波长超过1300 nm时，水的吸收系数增加，激光被表皮直接吸收，不会发生散射。因此，发生散射的波长主要在300~1300 nm。散射很重要，因为它决定了光子在组织内的体积分布和治疗效果。长波长的光，散射较少，组织穿透较深，可以作用于皮肤深层的靶目标。对于大多数皮肤组织，散射系数明显大于吸收系数，从而使激光不会因靶色基的吸收而无法深入组织。② 光的吸收与光的散射共同决定了光在组织中的穿透深度。
激光（或光）的光学穿透深度（ optical penetration depth，OPD）与靶色基的吸收和组织对光的散射密切相关。但对于2940nm的铒激光和10600nm的二氧化碳激光，由于其靶色基是水。水的吸收系数越大，光学穿透深度越浅。
也就是说，铒激光和二氧化碳激光的穿透深度不受散射的影响。
这是因为光斑越大，一方面入射光子更多，另一方面，光斑越大横向散射越少，而前向散射越多，从而可以达到更深的组织。不过，有证据表明，当光束宽度达到10 mm时，增加光束宽度不会增加光的穿透深度，因为组织散射饱和了。![]()
光斑越大，横向散射越少、穿透越深
![]()
注意，10mm以上光束宽度的穿透深度是一样的
吸收依赖于靶组织内的内生色基，色基可以被入射光子选择性地靶向吸收。完全透明的介质允许光通过而不被吸收，而不透明的介质是入射光被强烈或完全吸收的介质。皮肤组织中可以吸收光的色基包括了水、各种蛋白质、色素以及其他大分子物质。• 普遍吸收剂：它以相等或相似的量吸收给定光谱中的几乎所有波长。黑色素就表现出这种吸收光谱。• 选择性吸收剂：是指优先吸收某些波长的色基。水就表现出这种吸收光谱。可见光的色基包括黑色素、血红蛋白、氧合血红蛋白、含铁血黄素、胆红素、类胡萝卜素和细胞色素。近红外光的色基包括黑色素、血红蛋白、氧合血红蛋白和细胞色素。当一个光子被靶分子或靶色基吸收，它的所有能量就被转移到那个分子上。需要注意的是，我们可以看到各种各样的激光吸收曲线图，会发现在不同的图中，同一种色基的吸收系数并不一致。
这是因为，吸收曲线是在实验室中用光学检测设备检测色基的吸收系数后制作出来的。不同实验室、使用不同的检测设备，会出现色基的吸收系数的误差。好在色基吸收的总体趋势是一致的，色基的吸收系数值的误差也不大。![]()
图源：Lasers in Dermatological Practice透射的英文是transmission，也翻译为传输、传导。较长的波长和较大的光斑大小时，更容易发生透射，这主要是由于短波长的光散射多，长波长散射多。值得注意的是，在波长大于1100 nm的情况下，激光束的穿透深度与波长之间的关系被反转。在波长大于1100 nm时，穿透深度实际上会降低，因为激光开始被存在于所有皮肤层中的水分子吸收。1、激光（或光）照射到皮肤上主要发生四种变化：反射、吸收、散射、透射。2、对于医疗激光而言，要想发挥出激光最大的功效，就要使反射、散射、折射最小，使靶色基（靶组织）的吸收最大化。① 激光应垂直于皮肤 90° 照射（手具垂直于皮面）。然而，即使激光以90°垂直于皮肤照射，仍有4-7%被皮肤反射（由于有折射）。② 使光在两种介质（空气、皮肤）的折射率之比最小。在照射强脉冲光前在皮肤表面涂抹透明导光凝胶的原理，也就是通过涂抹凝胶降低折射率，减少光的反射，从而增加光的耦合（重要）。反射率对同一波长而言,白种人最高、黑种人最低、黄种人居中;因为真皮和皮下组织中血管中的血液对红光（600-750nm）和近红外线（750-1800nm）会产生强烈的内部漫反射。也就是说，对于红光和近红外线，除了皮肤表面角质层的反射以外，还包括了真皮层血液对光的由内而发的内部漫反射。由于长波长的激光能量偏低，许多医生在操作1064 nm激光时不戴护目镜是很危险的（重要）。5、激光在组织内传输的主要物理过程是散射和吸收，也就是说，激光的疗效主要由散射和吸收决定。② 光的吸收与光的散射共同决定了光在组织中的穿透深度。
光斑越大，入射光子更多，另一方面，光斑越大横向散射越少，而前向散射越多，从而可以达到更深的组织。皮肤组织中可以吸收光的色基包括了水、各种蛋白质、色素以及其他大分子物质。不同实验室、使用不同的检测设备，会出现色基的吸收系数的误差，也就会导致吸收曲线的差异。较长的波长和较大的光斑大小时，更容易发生透射，这主要是由于短波长的光散射多，长波长散射少。本篇文章内容较多，也较难理解。以后我再写个更精简的版本。不过，要想深刻理解并掌握，还是建议大家仔细阅读全文。1 丛林主译.皮肤美容激光实用入门.郑州:河南科学技术出版社,2022.5.
2 美容激光医学 高天文 孙林潮主编 北京 人民军医出版社 2004.63激光与光:美容皮肤科实用技术.上册/周展超译.北京:人民军医出版社,2007.84 激光美容外科图谱/李 勤，余文林，苑凯华 主编.—北京：人民军医出版社，2008.3.5.皮肤与美容激光外科/李 勤，余文林，苑凯华译.北京：人民军医出版社，2009. 66.Lee J D. Principles and choice of laser treatment in dermatology[M]. Springer Singapore, 2020.
