第六章　光与皮肤

第一节　光生物学的基本原理

光生物学应用于皮肤科学需很多的其他学科知识，光线从进入皮肤到引起生物学和临床效应，激发了一系列的变化，这些变化涉及多个学科领域，从气候学、光物理学、光化学、细胞及分子生物学到临床医学和病理学。而可观察到临床效应是光辐射和皮肤交互作用的结果。这些临床效应可以是有利的，也可以是有害的。反应可以是急性的，表现为快速出现，一般持续时间很短；也可以是慢性的，表现为逐渐产生。急性反应的例子有晒伤、晒黑和合成维生素D，而光老化和皮肤癌则是常年慢性日晒的结果。

一、日光

日光中的紫外线、可见光和红外线被视为光线的整体。但是只有占日光5%的紫外线，在光皮肤科学中才备受关注。

紫外线占电磁波谱的一小部分。紫外线的波长范围为400～100nm。随波长的不同产生的生物学效应也大不相同，所以紫外线光谱还可以细分为三个亚区。虽然有国际光照委员会作出的官方定义，但是很多研究人员，尤其在临床和生物学领域的人常常采用以下的标准如UVA（320～400nm）、UVB（290～320nm）和UVC（200～290nm）。

虽然波长小于320nm的紫外线一般比波长较长的紫外线光生物学活性大，但分子光生物学的发展提示330～340nm分为亚区域可能更为恰当，由于这个原因，UVA的区域最近被分为UVA1（340～400nm）和UVA2（320～340nm），其光谱图见图1-6-1，2，3。

可见光或光，在治疗中的应用越来越多。可见光谱是光线谱中能被肉眼看见的波段。正常人肉眼可以看到的光波长为400～700nm，也有些人可以察觉380～780nm的光。光适应的眼睛通常对555nm左右的光最敏感，也就是光线谱的绿色部分。

见红外光谱。

电磁光之所以这样命名是因为它同时具有波的电和磁的性质。这两个性质以光速按照正弦曲线规律以合适的角度传播。通常以c表示。波符合下列公式：

这里υ是光线的频率（每秒），λ是光线的波长（米）。就是两个波谷或两个波峰之间的距离。

虽然一般都习惯于把电磁辐射看成波，射线也可以看成是粒子性质的。用一个粒子的原理，电磁辐射如果是由量子或光子的微小能量粒子构成的，那它应该是可以被检测到的。每一个量子或光子的能量（Q焦耳）由Pianck定律表示如下：

这里h是Planck常数（6.63×10^-34js）。把这两个等式合并，这两个定律如何在另一个中应用就很清楚了。

可以清楚地看出，射线的每个量子的能量取决于波长，波长越长，其含有的能量越小。

人造的非相干光线（非激光）光源可以通过把物体加热到白炽的温度，也可以通过对激发气体放电来产生。最常见的白炽化的可见光源就是太阳。虽然有人工的白炽光源如石英卤素灯，一般来说都不是UV成分的理想光源。正因为如此，通常人工制造紫外线都是用电流通过气体，通常是物化水银来激发。发射非相干UVR灯的例子有低压、高压水银弧灯、荧光灯、金属卤化物灯和氩弧灯。

光谱能量分区：我们都有“UVA灯”、“UVB灯”的习惯，但是这样的称呼不能够表述UV光源的特点。因为几乎所有的用于光生物学的灯（和太阳一样）既可释放UVA，也可释放UVB，有的甚至还可以释放UVC、可见光和红外线。唯一正确描述发射光线性质的方法就是参考光谱能量分区。

主要有辐照度和剂量（即剂量测定单位）。辐照度是照射在一个患者身上的光线强度，剂量单位通常用mWcm^-2表示。剂量是治疗时间内的辐射总量，通常用Jcm^-2表示。通常在皮肤病学文献中见到的剂量概念更为自由，严格说来应该是辐射暴露或暴露剂量。

最常见的辐射量计算是当给予某个剂量（Jcm^-2）照射的患者或其他物体应该照射多长的时间，计量器的辐射用mWcm^-2表示。

标准红斑量和最小红斑量：光皮肤病学中的剂量检测主要是依靠UV在人类皮肤上引起红斑（或其他临床终点）的能力，主要是与波长相关，在250～400nm包含了四个数量级。因此只描述为一个受试者接受了1Jm^-2的UV照射剂量，无法说明这次照射可能会引起的红斑效应是什么。如果光线来源是UVA荧光灯，则不会出现红斑反应，但要排除存在严重异常病理性光敏感的人。同样剂量的非过滤水银弧灯或荧光日光灯发出来的光就有显著的红斑，白种人尤为明显。因此，常常需要用照射引起红斑的量来描述剂量。

多年来，人们常常用最小红斑量（MED）作为引起红斑光线的一个衡量标准。但这是不科学的，因为MED不是一个测量紫外线的标准，而且不同的个体对UV敏感性有巨大的差异。

MED的测量方法一般是在相邻部位进行几个逐渐增加的照射剂量，然后在特定时间（通常为照射后24小时）记录引起轻微红斑的最小剂量。准确判断最小红斑反应的困难之处在于不同的人可能会对轻微红斑有不同的定义；有的规定最小红斑量是可以引发肉眼刚可觉察的红斑，有的是具有清楚、均匀一致的界限。前一种评价终点显示出更多的可重复性，较少受到观察者间的不同倾向的影响。

为了进一步避免误用MED术语，有人建议M ED只保留用于人和其他动物的观察研究中。使用标准红斑量（SED）用于由自然光或人造光源引起的有效红斑照射剂量；ISED等效于100Jcm^-2的有效红斑照射剂量。

皮肤的光类型划分是基于对阳光产生日晒伤的易感性，同时参照非暴露部位指示性MEDs（用SEDs表示）一起进行评估。

思考题：为什么人的皮肤离不开太阳光的照射？

不光植物的光合作用离不开阳光，人体新陈代谢同样受阳光的影响，因此晒太阳对人体健康有好处。阳光照射可以促进人体皮肤部位的血液循环，加速皮肤的新陈代谢，调节人体免疫功能。银屑病、类风湿关节炎患者多晒太阳会有很好的辅助治疗效果。日照还可以促进皮肤内黑色素的生成，增强皮肤对紫外线的抵抗力。最重要的是，晒太阳可以促进皮肤合成维生素D₃。维生素D₃可以促进钙质的吸收和骨骼的生成，如果维生素D₃不足，会加大患佝偻病等疾病的可能性。

此外，阳光还能使人心情愉悦。日光照射可以改变人大脑中某些信号物质的含量，使人情绪高涨，愿意从事富有挑战性的活动。

人是大自然中微小的一分子，除了要摄取必要的食物、水分、氧气等以供机体营养之外，更应置身于大自然中，采阳光雨露、天地之灵气，以强壮身体。时刻清洗我们机体上的尘埃；清洗五脏六腑的废气，清除体内的疲劳，驱除躲藏于我们肉体之中的病魔，因此就要进行沐浴，沐浴的方法种类比较多，比如日光浴或多在室外活动，经常接受适度的日光照晒，是皮肤保健的重要措施。一般来说适度的日光照晒，可以使皮肤血管扩张，促进皮肤的新陈代谢以增进皮肤的功能，使皮肤红润健美。日光中的紫外线，还可以抑制和杀灭皮肤表面的微生物，有助于预防疾病。日晒还可以使皮脂和汗液的分泌增多，保持皮肤润泽，特别是皮肤干燥和柔弱的人更应接受适度的日晒。适度的日晒对皮肤的保健和人体健康都是有益的，应养成多在室外活动的习惯，进行充分的日光照晒。

人们生活中除注意要有充足的日晒外，夏季进行一些日光浴也是很有好处的。日光浴可在阳台、庭院、游泳池、海滨及野外进行，除头部及眼睛可戴帽子及太阳镜外，全身皮肤都要通过体位改变接受到日晒，日光浴在中午进行时间要短，日晒要适可而止，其他时间日晒可以长一些，几十分钟即可，一般不超过一小时，注意不要长时间的强烈日晒。

总之，经常接受日晒或进行日光浴，可以增进皮肤代谢，增强皮肤功能；能增加维生素D的合成和吸收，有助于骨的生长发育；日光中的紫外线可以杀灭皮肤上的病原微生物；久见风日，还可以使人堪耐寒热，不致发病。

二、人造光源

模拟的人造光可很近似太阳光或单独发射紫外线到红外线光谱的某一部分。阳光模拟器最早被用于可疑的光敏诊断评估或遮光剂评估。所有人造射线的仪器均可产生光，设计仪器时选择何种光源应依据特殊的临床应用、生物光学原理和光源包括了白炽灯、弧光灯、荧光灯、激光和高强度脉冲光，后三类光源目前被广泛用于皮肤临床治疗。

当一个金属物体被加热，它会通过灼热变白的过程产生和释放出光能。在一个白炽灯的灯泡里，当电流通过一根细的钨丝时会因为电阻产生热和光。光谱输出和灯光的强度依赖于钨丝的温度，温度越高产生的光越亮越白。白炽光灯属于相对低效的可见光，因为有大量电能用于产生热，最终导致钨丝的蒸发和灯泡的报废。钨丝的潜在损毁限制了荧光灯的工作温度、强度和光谱质量。将钨丝封存于包含了卤素（如溴或碘）的石英外壳后，钨丝灯泡便可以延长使用。这也使更高温度的电流通过钨丝时不会减少钨丝的寿命，此时灯泡产生的光多数为紫外光谱，这就是所谓的可发射大量紫外线、外加可见光和红外线的石英卤素灯。石英卤素灯可采用只允许特定波段通过的光学滤光片获得最终想要的光谱输出。例如，用于通常照明的石英卤素灯泡，在灯泡表面装有一个阻断紫外线的玻璃。在临床皮肤病学中，白炽灯最初用于可见光进行的包括光动力治疗、光试验和非侵袭性光学诊断，如反射光谱镜。例如，常规幻灯投影就能产生连续均匀的可见光束，可用于诊断性皮肤试验。

当高电压被用于通过两只密封于气体中（如汞或氙气）的电极时，弧光灯就会发光。特定的气体决定了灯光所产生的特定光谱，这些灯也可称为气体发光灯。

在皮肤病学中，荧光灯是治疗性紫外光的最常见光源。用不同的荧光体产生主要为UVB或UVA的紫外线。通常照明的荧光灯具有产生可见光的荧光体，考虑到安全因素，荧光灯装有减少紫外线传导的玻璃。UVB荧光灯的最新重要进展是发展了主要发射311nm光的窄谱灯（Phillips TL-1）（图1-6-4）。发明这种荧光灯的始因源于经典的银屑病作用光谱的研究，长波长的UVB比短波长UVB更有效，也更少地引起红斑发生。UVA的亚类光谱也被证明具有特异性的治疗优势，且荧光灯现在可产生UVA-1（340～400nm）。皮肤科学领域中的荧光学技术并不局限于紫外线的光学治疗，“U形“蓝光荧光灯发出的能量可激活原卟啉IX，可以用于在局部以氨基乙酰丙酸为基础的光学动力治疗。

受激辐射的光放大，当激发的分子与光子相撞时，且这些光子能量完全匹配这些分子在激发时和基态时的量子能量跃迁，受激发射就会产生。在受激发射中，这些入射光子和发射光子具有相同的波长、位相和方向使射线具有单色性、相干性和准直性。

在激光中，光的放大是通过特殊的光学构造，这种构造设计可以显著增加受激发射的可能性。激光的基本元件包括：

1.受激发射产生的激光介质。

2.一个纵向的两端有镜面的光学管（即为光学谐振腔）。

3.一个外部能量源。

激光介质被包含在激光管中且外部能量源可刺激介质中的分子。能量被泵入激光介质中产生粒子数反转，让更多的分子被激活，不再处于基态。自发性发射会产生光子，这些光子反过来加强反转粒子中受辐射的发生；光子的级联反应连续产生一致的单色光。因为两个镜面使光子在激光介质中来回运动，放大效应进一步加强。激光通过部分反射镜面从激光管中释放，镜面传导激光介质产生的光通向激光传输成分，传输光纤再引导光照向皮肤。

目前有许多种类的激光被用于皮肤治疗，如常用的308nm准分子激光用于治疗白癜风、银屑病，其光谱图见图1-6-5。所有的激光设备都有复杂的体系和看似难懂的参数，宣称有各种竞争性医疗用途。激光的分类可根据激光的介质（气体、液体或固体）、波长或操作模式（脉冲或连续）。也许做合理的分类是优先考虑激光在临床的特殊应用（如血管、毛发移除？色素性皮损和嫩肤作用）及相应的光生物学机制。这些会决定最佳治疗所需求的参数，从而选择最适合的激光设备。

强脉冲光（Intense Pulsed Light，IPL），是氙气闪光灯发射经过滤后再导向皮肤的一种光。强脉冲光的主要技术同电子照相机闪光灯是一致的。闪光灯在许多医学激光元件中也常常见到，作为外部能源在激光介质中制造粒子数反转。与激光不同，闪光灯的光谱输出是多色性和不相干的。闪光灯和激光均具有在短时间内发射高强度光的能力，这是获得选择性光热技术的基础。由于这种相似性，闪光灯已发展成为与激光类似的生物学和治疗学作用的一种手段。闪光灯的输出光谱需要通过适当的滤光片进行光学过滤修饰。

高强度脉冲光类似于激光，两者可用于许多相同的领域。高强度宽带光谱输出尤其在红外线范围的临床重要性至今尚不明确。高强度脉冲光可以通过与皮肤直接接触的石英晶体传向皮肤。

因为其高效、操作方便、投入少和体积小，发光二极管（light emitting diodes，LEDs）被普遍用于现代生活中。通过半导体二极管的电流使发光二极管产生光。二极管主要是参入杂质的铝砷化镓组成的双层半导体管。所有的双层半导体由两种半导体成分组成：N型和P型，它们是被绑在一起的。要使一个二极管产生光，需要某一类型的N型和P型物质，以致当自由电子通过小孔时，产生的能量差异与可见光或红外线一致。这样光发射二极管的光谱输出是由制作二极管的N型和P型物质决定的。因为体积小，单个光二极管发射光在相对波长比较狭窄且总体强度比较低的范围。当位于二维阵列中，多种聚集的发射二极管会产生充足的可见光和红外线以诱导光生物学反应。与激光不同，光发射二极管设备无法通过选择性光学效应对靶目标产生特异性作用，但在光动力学治疗中可成功用于诱导光化学反应。如能发射紫外线，光发射二极管可在皮肤科学领域中拓展其应用范围。