Tìm hiểu LASER ND:YAG & ứng dụng LASER trong y tế

khi tương tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt. Đó là hiệu ứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơ…Trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về các hiệu ứng sinh học của bức xạ laser, trong hơn 40 năm phát triển kỹ thuật này hàng loạt các thiét bị laser chuyên dụng cho điều trị và chuẩn đoán đã ra đời, được thử nghiệm thành công và đưa vào ứng dụng tại hầu hết các ngành và chuyên khoa y tế. Laser đã chứng minh ưu thế tuyệt đối của mình trong nhiều lĩnh vực như quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệu người khỏi mù lòa, phẫu thuật xử lý các u ác tính hạn chế mức độ di căn và các hiệu ứng phụ, tạo hình mạch, mổ tim cấp cứu, phá sỏi, chuẩn đoán sớm bệnh tật đặc biệt là ung thư…Đến nay việc ứng dụng laser trong y tế đã hình thành một chuyên ngành y học mới – chuyên ngành y học và ngoại khoa laser. Tại Việt Nam các thiết bị laser đã trở thành những thiết bị y tế phổ biến, được sử dụng rộng rãi tại hầu hết các bệnh viện trên toàn quốc. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị laser trong y tế đã có những bước phát triển lớn. Trước đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hai loại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO2. Hiện nay chúng ta đã di sâu nghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn như laser YAG, laser excimer… Em đã chọn đề tài về laser làm nội dung cho đồ án tốt nghiệp của mình. Trong đồ án em trình bày về những ứng dụng của laser trong y tế, tìm hiểu một loại laser cụ thể là laser Nd: YAG và thiết bị laser này trong y tế. Trong quá trình thực hiện đồ án em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới tiến sĩ Nguyễn Đức Thuận, cô Đinh Thị Nhung , KS Lê Huy Tuấn và phòng điện tử y tế- trung tâm công nghệ laser đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Do thời gian hạn chế nên đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến nhận xét, đánh giá của thầy cô và các bạn. Chương i: lý thuyết chung về laser I: Laser là gì? Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Thuật ngữ Laser là khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ bức xạ cưỡng bức (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Ông tổ của laser chính là nhà vật lý thiên tài Albert Einstein, người đã phát minh ra hiện tượng phát xạ cưỡng bức (Stimulated Emision of Radiation) vào năm 1917. Còn người phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser là nhà vật lý người Mỹ Townes vào năm 1964. Cùng đồng thời trong năm đó hai nhà vật lý người Liên Xô là Prochorow và Babov cũng công bố các công trình phát hiện nguyên lý laser. Do phát minh này ba nhà vật lý trên đã được nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1964. Máy laser đầu tiên được chế tạo bởi nhà vật lý mỹ Meiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụng oxit nhôm tinh khiết (Al2O3) có phủ ion crom gọi là laser Ruby. Sau thành công này trong một thời gian ngắn, người ta đã phát hiện hàng loạt chất có khả năng phát tia laser như hỗn hợp khí He và Ne (laser He- Ne), tinh thể bán dẫn Gallium Arsenid (laser diode GaAs), tinh thể Yttrium Aluminium Garnet (laser Nd: YAG), các chất màu pha lỏng khác nhau (laser màu). Hiện nay laser đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết các ngành khoa học, công nghệ và y tế. Đặc biệt trong y tế, những ứng dụng laser đã đem lại những thành tựu nổi bật. II: Nguyên lý hoạt động của laser 2.1: Các hiện tượng quang học cơ bản Phổ năng lượng của các hệ vi hạt không phải là liên tục mà là gián đoạn. Trong điều kiện cân bằng, không có kích thích bên ngoài, hệ vi hạt thường chiếm những mức năng lượng thấp nhất được gọi là những mức năng lượng cơ bản. Khi có tác dụng của các yếu tố bên ngoài như tác dụng của bức xạ, tương tác của các hạt điện tử, ion, nguyên tử khác, tác dụng của điện trường, nhiệt độ, hệ vi mô có thể bị kích thích chuyển lên các trạng thái với mức năng lượng cao hơn. các trạng thái với năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản được gọi là các trạng thái kích thích. Có các hiện tượng quang học cơ bản sau đây: 2.1.1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng Các nhân tử khác nhau có số điện tử khác nhau và như vậy có số quỹ đạo khác nhau tương ứng với nó là các mức năng lượng khác nhau. Giả sử ta có một hệ nguyên tử có hai mức năng lượng như hình vẽ: E2 E1 E Hình 1.1: Mức năng lượng. Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc (chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau và năng lượng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lượng của hai mức-E) thì khi photon đi vào môi trường nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E1 hấp thụ và nhờ có năng lượng này điện tử có thể nhảy lên mức E2. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng hấp thụ. E2 E1 Hình 1.2: Hiện tượng hấp thụ. Như vậy, hiện tượng hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức thấp hấp thụ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn. hấp thụ luôn luôn làm ánh sáng yếu đi. 2.1.2: Hiện tượng phát xạ tự do. Đây là quá trình xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, điện tử khi nhảy lên mức kích thích sau một thời gian nhất định ( gọi là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) nó lại trở về mức cơ bản. Khi trở về mức thấp một năng lượng sẽ được tạo ra dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. E2 E1 Hình 1.3: Hiện tượng phát xạ tự do. Các chuyển mức phát xạ tự do xảy ra ngẫu nhiên và độc lập với nhau, nên các photon phát ra tuy có cùng tần số nhưng có pha khác nhau, có hướng khác nhau, có mặt phân cực khác nhau. 2.1.3: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Cũng như hiện tượng hấp thụ khi ta chiếu chùm ánh sáng đơn sắc với năng lượng của từng photon bằng E vào môi trường có hai mức năng lượng thì photon có khả năng sẽ tương tác với điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử này bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó. E2 E1 Hình 1. 4: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Sự chuyển mức năng lượng này sẽ phát xạ ra photon có năng lượng E và có các tính chất giống hệt với photon đã cưỡng bức điện tử nhảy xuống như hướng truyền, độ phân cực, pha, tần. Trong trường hợp này photon kích thích không bị mất mát như trong trường hợp hấp thụ. Photon ban đầu này vẫn tồn tại và duy trì những tính chất ban đầu của nó . ta không thể phân biệt được sự khác nhau giữa photon ban đầu với photon sinh ra từ dịch chuyển cưỡng bức điện tử. Tóm lại, phát xạ cưỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử dưới tác dụng của các photon. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 4. 2.2: Nguyên lý hoạt động của laser 2.2.1: Nguyên lý Như ở trên đã xem xét 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trường bất kì khi chiếu một chùm ánh sáng. Đó là: Hiện tượng hấp thụ làm suy yếu chùm ánh sáng. Hiện tượng phát xạ tự do làm chùm sáng mạnh lên. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức cũng lám cho chùm sáng mạnh lên. Môi trường ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp ( quy ước là n1) bao giờ cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích ( quy ước là n2). Hiện tượng hấp thụ tỉ lệ với n1 còn hiện tượng phát xạ tự do và phát xạ cưỡng bức thì tỉ lệ với n2 , với hệ số tỉ lệ gần như nhau. Vì nguyên nhân đó nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do, do đó chùm ánh sáng đi qua môi trường bình thường bao giờ cũng yếu đi. Để có hiệu ứng Laser, tức là chùm ánh sáng được khuyếch đại thì thì ta phải tạo ra một môi trường đặc biệt mà ở đây hiện tượng phát xạ cưỡng bức xảy ra phải mạnh hơn hiện tượng hấp thụ. Hiện tượng này chỉ xảy ra trong môi trường mà tại đó các điện tử ở mức trên n2 lớn hơn số điện tử ở mức dưới n1. Môi trường như vậy được gọi là môi trường nghịch đảo nồng độ (đảo ngược độ tích luỹ) với n2> n1. Môi trường đặc biệt có sự đảo ngược độ tích luỹ như ta nói ở trên là yếu tố cơ bản của mọi Laser. Môi trường đó gọi là hoạt chất của Laser hay gọi ngắn gọn là hoạt chất. Khi ánh sáng đi qua môi trường nghịch đảo mật độ cường độ ánh sáng tăng theo hàm mũ với : ở đây < 0. Ngoài hoạt chất, mỗi Laser bất kì còn phải có yếu tố khác là nguồn nuôi, yếu tố cung cấp năng lượng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo ngược độ tích luỹ các điện tử ở môi trường laser và buồng cộng hưởng Như vậy tiền đề cho quá trình khuyếch đại là: Tạo ra và duy trì môi trường đảo mật độ, quá trình này được gọi là quá trình bơm. Tạo điều kiện để phát xạ cưỡng bức áp đảo phát xạ tự nhiên. Để thực hiện được điều này người ta sử dụng các loại buồng cộng hưởng. 2.2.2: Quá trình bơm Môi trường nằm trong trạng thái nghịch đảo mật độ là trạng thái không bền và các nguyên tử luôn có xu hướng trở về trạng thái cân bằng. Vì vậy, muốn duy trì trạng thái nghịch đảo mật độ phải thường xuyên tiêu tốn một năng lượng để kích thích hệ hạt. Quá trình kích thích hệ hạt này được gọi là quá trình bơm. Quá trình bơm , kích thích tuỳ thuộc vào loại hệ, có thể tực hiện bằng nhiều cách: phương pháp kích thích bằng quang học( bơm quang học), và phương pháp kích thích băng điện (bơm điện). *Bơm quang học: Đây là phương pháp kích thích hệ bằng bức xạ điện từ nói chung, bao gồm: viba, hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại …Đây là phương pháp kích thích được dùng phổ biến. Trong mô hình hai mức năng lượng, ở trạng thái cân bằng nếu E1 N2. Nếu chúng ta kích thích hệ bằng cách dọi vào hệ ánh sáng có tần số đáp ứng điều kiện hu = E2- E1, thì N2 sẽ tăng lên, N1 giảm xuống và N1+ N2 = N = const, N là số nguyên tử của cả hệ. Như đã biết nếu tăng công suất bơm thì DN = N1- N2 sẽ giảm dần. Tuy nhiên tính toán cho thấy rằng DN chỉ có thể tiến tới không, nghĩa là N2đN1, chứ không thể đạt được N2 > N1. Nghĩa là trong hệ hai mức năng lượng, bằng phương pháp bơm quang học ta không thể đạt được môi trường đảo mật độ. Trong trường hợp DN = 0, N1= N2 được gọi là hiệu ứng bão hòa. Hiệu ứng bão hòa càng dễ đạt được khi thời gian sống của trạng thái ứng với E2 càng lớn. Trạng thái của hệ khi N1= N2 gọi là trạng thái bão hòa, trong trạng thái này hệ không hấp thụ cũng không phát xạ. Mặc dù hiệu ứng bão hòa không cho phép ta tạo ra môi trường đảo mật độ nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường đó bằng mô hình ba mức, bốn mức. E3 Bơm Phát xạ E2 E1 Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lượng Giả sử ta có một hệ nguyên tử có ba mức năng lượng như ở hình trên với các thông số E1, N1; E2, N2, t2; E3, N3, t3, trong đó E1 < E2 < E3 là năng lượng tương ứng của ba mức, N1+ N2+ N3 = N, N1, N2, N3 là nồng độ nguyên tử ở ba trạng thái, N là nồng độ toàn phần. t2, t3 là thời gian sống của trạng thái E2, E3 tương ứng. Nếu trong một hệ ba mức với t3 < t2 chúng ta không thể dùng bơm quang học có bước sóng hu = E3- E1 để đạt được trạng thái bão hòa N1= N3 vì chuyển mức tự phát E3đE2 lớn. Tuy nhiên có thể bằng cách này làm tăng nồng độ N2 và nhờ đó mà thiết lập được sự đảo mật độ giữa hai mức E2 và E1 để thu được phát xạ cưỡng bức hu = E2- E1. * Bơm điện Trong trường hợp laser khí để tạo điều kiện nghịch đảo nồng độ, người ta dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác động của điện trường ngoài. Do va chạm với những điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa. Người ta quan tâm nhiều tới trường hợp kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hay phân tử nhận được năng lượng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn, tức là những mức kích thích. Những dịch chuyển tự phát từ những mức kích thích đó xuống mức cơ bản sẽ bức xạ năng lượng làm sáng chất khí phóng điện như trong các đèn ổn áp có khí…Trong laser khí chính những nguyên tử hoặc phân tử kích thích hóa sẽ tạo nên nghịch đảo nồng độ và cho bức xạ cảm ứng. Người ta có thể thực hiện phóng điện bằng năng lượng cao tần hoặc điện áp một chiều. Bơm điện cũng được dùng trong laser bán dẫn bằng cách đặt điện áp vào mẫu để phun hạt dẫn vào mẫu tạo ra môi trường đảo mật độ. 2.2.3: Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng là nơi cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trước khi đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser đi qua gương ở hai bên. Do buồng cộng hưởng chỉ được giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu còn các mặt khác đều hở nên thường gọi là buồng cộng hưởng hở. Việc sử dụng buồng cộng hưởng hở trong kỹ thuật laser là một điều bắt buộc. Buồng cộng hưởng có hai chức năng sau đây: * Thực hiện hồi tiếp dương Tuy môi trường hoạt tính đặt trong buồng cộng hưởng có khả năng khuếch đại tín hiệu đi qua nó theo luật hàm số mũ, nhưng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất là có hạn. Để có được khuếch đại lớn phải tăng kích thước của hoạt chất lên rất nhiều lần. Ví dụ nếu dùng hoạt chất là khí CO2, để có được công suất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 104 m, điều này không thể thực hiện được. Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải được sử dụng bằng cách khác. Chính nhờ buồng cộng hưởng quang học mà mà việc tăng chiều dài của hoạt chất được giải quyết một cách đơn giản. Trong buồng cộng hưởng tia sáng được phản xạ nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quãng đường đi của tia. Hình 1.6 : Sự hình thành hồi tiếp dương trong buồng cộng hưởng Quá trình xảy ra như sau: Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sáng. Sóng sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ, một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được tiếp tục khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây cũng sẽ sảy ra quá trình tương tự và cứ như vậy, sau rất nhiều lần phản xạ ta sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ lớn. Khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng được, nó bị giới hạn bởi công suất của nguồn bơm. Vì vậy cường độ bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập được điều kiện cân bằng năng lượng. * Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp Do buồng cộng hưởng là hở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên. Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của laser. Còn những sóng ánh sáng nào lan truyền dưới những góc lệch tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài. Vì vậy bức xạ hình thành ở cửa ra của buồng cộng hưởng có tính định hướng rất cao. Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa các sóng đó cũng không đổi, do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp. Cuối cùng nhờ có buồng cộng hưởng có thể thực hiện được các phương pháp chọn lọc dao động khác nhau để thu được bức xạ trong một dải phổ rất hẹp, gần như đơn sắc. Như vậy có thể nói rằng, buồng cộng hưởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất của laser. Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng: Q= 2puEd/ P0 Ed: năng lượng dự trữ trong buồng cộng hưởng P0: năng lượng trung bình bị tiêu hao trong 1s Buồng cộng hưởng có nhiều dạng khác nhau. Loại đơn giản và thông dụng nhất là hệ gồm hai gương phẳng đặt song song (trong quang học người ta gọi hệ cộng hưởng này là giao thoa kế Fabri- Perot). Buồng cộng hưởng gồm hai gương phẳng đòi hỏi khắt khe về độ song song của các gương và vì thế rất khó chỉnh nhưng nó lại cho bức xạ có độ định hướng cao. Loại này thường được sử dụng trong các laser rắn và laser bán dẫn. Trong buồng cộng hưởng quang học đặc biệt cần chú ý đến đặc điểm cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật đối với các gương. Yêu cầu cơ bản của các gương laser là phải đảm bảo sao cho tổn hao trong vật liệu dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất. Hiện nay, trong kỹ thuật laser phần lớn các gương mạ bạc, nhôm hoặc mạ vàng đã được thay thế bằng các gương điện môi nhiều lớp. So với các gương có lớp phủ kim loại thì gương điện môi nhiều lớp có một loạt ưu điểm nổi bật: tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, phần năng lượng bị tiêu hao do hấp thụ rất nhỏ. Vì vậy các gương điện môi nhiều lớp có thể đảm bảo được hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng rất cao, chịu được năng lượng bức xạ lớn và tuổi thọ của gương cũng rất cao. III: Các tính chất cơ bản của laser Laser là một nguồn sáng, tuy nhiên đây là một nguồn sáng đặc biệt và chính những tính chất đặc biệt ấy đảm bảo hiệu quả cao trong việc ứng dụng vào những lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Laser có những tính chất điển hình sau: 3.1: Độ định hướng cao Từ nguyên lý hoạt động của laser ta thấy laser phát theo một hướng vuông góc với gương của buồng cộng hưởng. Tia laser phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng song song. Tuy vậy do ảnh hưởng nhiễu xạ ở biên của chùm tia, tia laser phát ra với một góc mở nhất định như hình: Hình 1.7: Góc mở của chùm tia laser Từ lâu con người đã rất cần những nguồn sáng song song trước hết dùng để đo xa, liên lạc, dẫn đường như các đèn pha, đèn chiếu…Những chùm sáng này có góc mở cỡ vài độ, góc chiếu xa tới khoảng 5- 10 km. Đối với laser góc mở có thể đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phút góc (1 phút góc = 1/60 độ), có trường hợp chỉ vài giây góc. Vì vậy laser có thể chiếu đi rất xa cỡ hàng nghìn cây số . 3.2: Tính đơn sắc rất cao Độ đơn sắc của nguồn sáng được hiểu là chùm sáng đó có một màu và khả năng tập trung năng lượng vào một màu ấy. Với ý nghĩa như vậy laser đúng là một nguồn sáng đặc biệt mà không một nguồn sáng nào khác có thể so sánh được. Những máy quang phổ có thể cho ánh sáng một màu với độ tinh tương đương với laser nhưng lại thua laser cỡ 1 tỷ lần về tập trung năng lượng. Mặt trời có thể cho năng lương rất lớn nhưng lại rải trên nhiều màu. Vì vậy tính đơn sắc rất quan trọng trong việc sử dụng laser như một thiết bị vật lý trị liệu thông qua điều trị bằng ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào độ đơn sắc. 3.3: Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser Tính kết hợp của ánh sáng được hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các photon trong chùm sáng ấy. Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn và trong trường hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp bằng không. Tia laser như chúng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tượng phát xạ cưỡng bức, do vậy các photon của tia laser giống hệt nhau. Tính giống hệt nhau đó đảm bảo cho sự hoạt động nhịp nhàng của tia laser. Chính tính kết hợp của tia laser đảm bảo cho laser có rất nhiều ứng dụng đọc đáo: khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vết nhỏ và tinh và một loạt những đo đạc quan trọng khác trong ngành quang phổ. 3.4: Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn Thời gian ban đầu thông thường người ta chế tạo các laser phát liên tục hoặc phát xung cường độ tự do với độ dài xung cỡ ms. Nhưng với tiến trình phát triển công nghệ cao trong lĩnh vực laser, người ta đã đạt được việc phát đồng bộ chế độ, cho phép tập trung năng lượng laser trong thời gian xung cực ngắn chỉ cỡ nano giây hoặc pico giây. Cho đến nay cũng chỉ có laser có khả năng phát với thời gian ngắn như vậy. 3.5: Công suất phát laser Công suất của laser thay đổi tùy theo từng loại cụ thể. Có những loại laser phát xung đạt công suất 1- 100 triệu kW như laser thủy tinh Nd. Những laser liên tục cũng có thể đạt công suất tối đa 1000 kW. Trong y học thường sử dụng laser excimer, laser Nd: YAG phát xung với công suất 10000 kW đến 10 triệu kW, laser CO2, laser Argon phát liên tục từ 1- 100 W, trong vật lý trị liệu thông thường sử dụng laser He- Ne và laser bán dẫn có công suất trung bình từ 0,1- 10 mW. Thông số Ký hiệu Đơn vị Công thức tính Bước sóng laser l 1 m= 1/1000 m 1 nm= 1/1000 m 1 A°= 1/10 nm l= c/g c: tốc độ ánh sáng Công suất laser P W 1 kW= 1000 W P= E/t E: năng lượng của laser t: thời gian phát laser Mật độ công suất laser D W/cm2 D= P/S S: tiết diện điểm chiếu laser Mật độ năng lượng laser W J/cm2 W= E/S= D.t Bảng 1.1 : Các thông số vật lý của laser Tóm lại, laser là nguồn ánh sáng đơn sắc nhân tạo với những tính chất độc đáo, phong phú về cả chất và lượng. Chính vì vậy laser đã được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội. Để ứng dụng laser trong y tế chúng ta cần quan tâm tới các thông số trong bảng trên. IV: Phân loại laser Có 4 phương pháp để phân loại laser: Phân loại theo môi trường hoạt chất. Phân loại theo chế độ làm việc. Phân loại theo bước sóng. Phân loại theo chế độ an toàn. 4.1: Phân loại theo môi trường hoạt chất. Phương pháp phân loại laser phổ biến nhất hiện nay chủ yếu dựa vào trạng thái của môi trường hoạt chất còn tên gọi của Laser xuất phát từ tên gọi của môi trường hoạt chất đó. Hiện nay Laser phân loại theo môi trường hoạt chất được phân thành 3 loại sau: Laser thể rắn. Laser thể rắn là những laser mà môi trường hoạt chất là những chất rắn khác nhau có thể dùng để phát laser. Trong y tế sử dụng khoảng 10 loại laser rắn. Điển hình là laser Nd: YAG. ( chứa 2-5% nguyên tử Nd ), laser Rubi, laser thuỷ tinh Xd ( thuỷ tinh có chứa 5% nguyên tử Nd ), laser diode bán dẫn GaAs. Các laser rắn thông thường có nguồn nuôi laser là các đèn sáng phóng điện khí. Các laser bán dẫn được nuôi bởi hiệu điện thế thuận. Laser thể lỏng. Đây là những laser có môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có khoảng 100 chất lỏng khác nhau có thể sử dụng để phát laser. Thông dụng hiện nay là các loại chất mầu pha lỏng trong các môi trường khác nhau được sử dụng làm hoạt chất. Nguồn nuôi của những laser thể lỏng là những đèn khí phát sóng công suất lớn hoặc một laser khác. Laser màu được sử dụng rộng rãi như hiện nay là do nó có ưu điểm là có khả năng có thể thay đổi màu( bước sóng) của tia laser. Laser thể khí. Laser thể khí là những laser có môi trường hoạt chất là thể khí. Có vài trăm loại khí khác nhau có thể dùng làm hoạt chất của laser. Các laser khí được sử dụng rộng rãi trong y tế hiện nay là laser khí CO2. laser He-Ne. Nguồn nuôi của laser khí thông thường là các nguồn điện cao áp đặt vào điện cực trong một ống thuỷ tinh, thạch anh có chứa khí tương ứng. 4.2: Phân loại theo chế độ làm việc. Theo phương pháp này ta có 4 loại chính: Chế độ liên tục. t(s) P(w) P(w) t(s) mở Chế độ xung. P(w) t(s) Chế độ siêu xung. P(w) t(ms) Chế độ khoá. P(w) t(s) 4.3: Phân loại theo bước sóng. Phân loại theo bước sóng có 3 loại: Laser có bước sóng trong vùng cực tím. Laser có bước sóng trong vùng nhìn thấy. Laser có bước sóng trong vùng hồng ngoại. 10,6 Vùng truyền quang sợi 1nm Laser hơi đồng 578nm Laser hơi vàng 628nm 1000A 500nm 1000nm 5 10 5 1 100nm Vùng nhìn thấy Vùng hồng ngoại gần 3 Vùng hồng ngoại giữa Vùng cực tím. 100nm Laser màu Laser CO2 400- 1000nm 850 nm 106nm 1318nm Nd:YAG Laser Lasser bán dẫn Laser Rubi Laser Kr Laser He- Ne 193nm 308nm 249nm Laser excimer Laser Ar 488nm Hình 1.8. Những Laser chính và bước sóng của chúng. 4.4: Phân loại theo chế độ an toàn. Phân loại theo chế độ an toàn có 5 loại: Loại I. Loại II. Loại IIIa.. Loại IIIb. Loại IV. -Loại I. Đây là loại laser không có khả năng gây hại tới mắt và da trong suốt quá trình sử dụng bởi hướng trực tiếp hoặc hướng phát xạ. Công suất của loại laser này thấp hơn 10mW. Bước sóng thuộc khoảng 400-1400nm. -Loại II. Loại laser này không gây thiệt hại tới mắt và da nếu thời gian chiếu khôngvượt quá 0,5s. Công suất từ 1mW - 1mW. Bước song trong vùng nhìn thấy 400-700nm -Loại IIIa. Không gây thiệt hại tới da nhưng có khả năng gây thiệt hại tới mắt nếu thời gian chiếu vượt quá 0,2s. Đối với laser có bước sóng ở vùng nhìn thấy thì công suất nằm trong khoảng từ 1mW- 7mW. Đối với laser có bước sóng ở vùng tử ngoại thì công suất nằm trong khoảng từ 10mW- 1mW -Loại IIIb. Laser ở nhóm này gây tác hại cả khi bất ngờ lướt qua mắt , các tia tán xạ cũng có khả năng gây ảnh hưởng đến mắt. Laser ở nhóm này có nét đặc trưng là không có khả năng bốc cháy. Vùng nhìn thấy có công suất 7mW-0,5W. Vùng tử ngoại có công suất 1mW-10mW. Vùng hồng ngoại có công suất 1mW-0,5W. -Loại IV. Đây là loại rất guy hiểm, thiết bị có công suất cao và có cả hai đặc tính là: - Nguy cơ bốc cháy . Gây tác hại tới mắt và da từ hướng trực tiếp cũng như hướng phát xạ của chùm tia. Chương 2: laser trong y tế I: Tương tác của laser với tổ chức sống 1.1: Cơ chế tương tác của bức xạ laser với tổ chức sống 1.1.1: Tương tác laser mô tế bào Đáp ứng quang của mô tế bào với laser được mô tả trong hình 1. Một chùm laser được phản xạ tại bề mặt theo định luật Fresnel. Không khí Mô Chùm laser Chùm chuẩn trực suy giảm e-(ma + ms)z Lượng phân tán bội Phản xạ khuếch tán Phản xạ trong Phản xạ phản chiếu Hình 2.1: Tương tác quang của chùm laser với mô tế bào Phản xạ không khí- tế bào xấp xỉ 2,5% khi chùm laser được chuẩn với mô tế bào. Tán xạ ánh sáng mô tế bào tạo nên phản xạ khuếch tán. (1) qi, qt là góc tới và góc phản xạ. Với tiếp giáp không khí và tế bào (nt: ni= 1: 1,4) phản xạ khoảng 2,5% ánh sáng. Chùm laser đồng bộ bị suy hao khi truyền qua tế bào do hấp thụ và tán xạ theo định luật: (2) E0 là phát xạ bề mặt (w/m2), mt là hệ số suy hao (1/m), R là hệ số phản xạ Fresnel. Tán xạ của chùm sáng lại bị tán xạ đến khi chúng bị hấp thụ, bị phản xạ khuếch tán hay bị truyền đi (truyền khúc xạ). Đo lượng tế bào liên quan, sự truyền của ánh sáng tán xạ được miêu tả trong phương trình truyền hơn là phương trình Maxwell. Độ phát xạ L(w/m2.số ) theo hướng s tại điểm r là: (3) mt=ma+ms; ma là hệ số hấp thụ, ms là hệ số tán xạ và p(s,s,) là hàm pha mô tả xác xuất tán xạ từ hướng s, đến hướng s. Giả sử tế bào là đẳng hướng theo nghĩa là hướng của tế bào tiếp xúc với ánh sáng s, không ảnh hưởng đến góc tán xạ. p(s.s,)=p(s,s,)=p(cosq) (4) Trong đó q là góc tán xạ. Tham số cosine của hàm pha là hệ số đẳng hướng (g). Anhs sáng được tán xạ về phía trước trong tế bào và giá trị của g thường nằm trong khoảng 0,7- 0,99. Những đo đạc thực nghiệm hàm p(q) cho thấy nó có dạng hàm Henry Greenstein. q(r)= (5) Đo đạc các đặc tính quang bao gồm hệ số phản xạ khuếch tán, khúc xạ với một tế bào có dạng cầu thích hợp. Bằng cách giả định trước dạng của hàm pha và thêm vào giải pháp làm hiển thị thêm các thông số đặc tính quang xấp xỉ theo phương trình (3), cố định giá trị của hệ số hấp thụ ma, hệ số tán xạ ms và hệ số đẳng hướng (g) Ta phải giải phương trình (3) nếu hệ số tán xạ lớn hơn hẳn hệ số hấp thụ (ms³ma). Trường hợp này thường xảy ra trong vùng phổ 600nm-1,2mm. Hình 2.2 thể hiện các giá trị xấp xỉ của ma trong protein, acid amin, máu (HbO), tiểu cầu và huyết tương. Vùng phổ 600 nm-1,2 mm tạo một cửa sổ để đâm sâu ánh sáng vào tế bào. Trong phạm vi cửa sổ này và thậm chí với các bước sóng nhìn thấy thấp hơn, khi tế bào không sắc tố hay màu, tần số liên quan tới ánh sáng khúc xạ lớn hơn nhiều so với tần số suy hao của chùm laser. Do đó tán xạ được chuyển đi một phần lớn hơn so với phát xạ. Đo hệ số phát xạ khuếch tán theo hàm của bước sóng ngay dưới bề mặt của tế bào phát xạ thường lớn hơn chính phát xạ đó Hình 2.2: Hệ số hấp thụ của (a): Protein và các acid amin, (b) hồng cầu, (c): melamin, (d): huyết tương Tần số sinh nhiệt Q (W/m3) liên quan với hấp thụ sáng trong tế bào liên quan một cách lý thuyết với: Q(r)= ma(r)q(r) (6) Trong đó tần số q gồm ánh sáng tới và khúc xạ. Khi quan tâm tới tán xạ phải tính tần số theo phương trình (3) và (5) để loại trừ tỉ lệ sinh nhiệt theo (6). Tuy nhiên nếu hấp thụ trội hơn, ta dùng phương trình (2). Quyết định tỷ lệ sinh nhiệt là công việc trung tâm để tiên đoán các tương tác quang nhiệt. Sự liên quan giữa tần số hấp thụ và tỷ lệ sinh nhiệt được minh họa trong hình 2.3 với lớp mô tế bào hồng cầu. Sự hấp thụ của lớp dưới gấp bốn lần đầu. Tần số đạt được theo luật hấp thụ. Mặc dù ánh sáng đến lớp thứ hai ít hơn so với lớp thứ nhất nhưng tần số sinh nhiệt của mm đầu tiên của lớp thứ hai vẫn lớn hơn. Do đó lựa chọn bước sóng ta có thể nhắm đến các lớp trong của tế bào. 0 1 2 3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 1 2 3 1 2 Độ sâu mô (cm) Độ sâu mô (cm) Z Z ma1< ma2 Nguồn nhiệt (W/cm2) S1 S2 Fluence rate (W/cm2) ma1= 1cm-1, ma2= 4cm-1 E0= 1= f(0) [W/cm2] Hình 2.3: Liên hệ giữa tần số (trái) và tần số (phải) của hai lớp tế bào hồng cầu (Hệ số hấp thụ của lớp động mạch là 1 cm-1 và 4 cm-1) với lớp thứ hai (không có tán xạ) Quá trình quang- nhiệt của tương tác laser-tế bào được tổng kết trong hình 2.4. Ví dụ quá trình phát triển của mẫu toán học trong điều trị bỏng phải bao gồm phân bố ánh sáng, tần số sinh nhiệt và truyền nhiệt. Tại mỗi bước trong quá trình ta phải hiểu lý tính của mô tế bào. Thông số quang Hệ số hấp thụ Các đặc tính nhiệt Sự phân bố laser Tỷ lệ sự hấp thụ nhiệt Truyền nhiệt Quá trình quang hóa Sự cắt bỏ Mở rộng tổn thương nhiệt Hệ số tỷ lệ Nhiệt độ tới hạn Laserr Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tương tác laser- mô tế bào 1.1.2: Phân loại tương tác Ta có thể phân loại các tương tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống theo các hiệu ứng và tương tác với mỗi hiệu ứng đó Loại Hiệu ứng Tương tác Các hiệu ứng quang hóa Quang cảm ứng Kích thích sinh học Quang hoạt hóa thuốc POD (Photoactivation of Drugs) Quang bức xạ Quang hóa trị liệu Quang cộng hưởng PDT (quang động học) Các hiệu ứng nhiệt Phân hủy quang nhiệt Các hiệu ứng tăng nhiệt Phạm vi hẹp nhiệt động 37- 43°C Tăng nhiệt Không có tổn thương nhiệt bất khả hồi (45-50°) Tiêu màng (phù nề), biến dạng mô, biến tính enzyme Quang đông 60- 100°C Đông kết hoại tử Than hóa 100- 300°C Sấy khô bay hơi nước và than hóa Bay hơi tổ chức Hơn 300°C Bay hơi matrix mô rắn Quang ion hóa hay quang tách Bóc lớp Nổ nhiệt nhanh (như tạo hình mạch) Quang cắt các liên kết Quang phân cắt Đứt gãy quang, sóng xung kích cơ học (trong phá sỏi bằng laser) Bảng 2.1: Phân loại tương tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống Các hiệu ứng trên có vai trò không như nhau trong ứng dụng. Quang cảm ứng chính là cơ sở cho cho việc dùng laser công suất thấp như He-Ne hay bán dẫn hồng ngoại. Quang hóa trị liệu được dùng trong ung thư học để phá hủy các khối u (phương pháp quang đông học PDT). Tăng nhiệt bằng laser được dùng như một kỹ thuật nhiệt trị ung thư mới, kể cả u lành tính và u ác tính và đặc biệt là trong điều trị u phì đại tuyến tiền liệt. Quang đông và bay hơi tổ chức là hai hiệu ứng nổi bật, tạo cơ sở cho việc ứng dụng mang tính cách mạng của laser trong ngoại khoa. Trong khi đó tuy mới xuất hiện nhưng kỹ thuật tạo hìn._.h mạch bằng laser excimer hay laser phá sỏi qua nội soi đã cho kết quả đầy ấn tượng lại có cơ sở vững vàng ở hiệu ứng bóc lớp hay quang phân cắt. 1.1.3: Tham số vật lý ứng với các dạng tương tác Như bất kỳ một tác nhân vật lý nào, có hai tham số quy định mức độ tương tác của laser với tổ chức sống. Đó là mật độ công suất (hay mật độ năng lượng) và thời gian tương tác. Hình 2.5 và hình 2.6 phản ánh mối quan hệ định lượng giữa các tham số đó với các hiệu ứng tương tác sơ cấp của laser. 10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 106 Thời gian tác động (s) 1016 1012 108 104 100 Mật độ công suất (W/cm2) 104102 100 10-2 4 2 3 4 5 Hiệu ứng phi tuyến Mật độ năng lượng (J/cm2) 1 : Quang vi nổ 2 : Quang bóc lớp 3 : Quang đông 4 : Quang động học (PDT) 5 : Kích thích sinh học Hình 2.5: Giản đồ các quá trình quang học thời gian- mật độ công suất laser Từ các sơ đồ có thể thấy rõ, mức công suất nhỏ (100 - 105W/cm2) đòi hỏi một thời gian tương tác rất lớn (101 - 105s) để có các hiệu ứng quang hoá. Ngược lại, mức công suất càng lớn đòi hỏi thời gian tương tác càng ngắn để gây một hiệu ứng tương tác nào đó. 10-9 10-6 10-3 100 Thời gian tác động (s) 103 100 10-3 Mật độ năng lượng (J/cm2) Vi nổ Bóc lớp Bay hơi Quang đông 1012 109 106 103 Hình 2.6: Sơ đồ mật độ năng lượng- thời gian tương tác để cắt mô bằng laser Hiệu ứng Mật độ công suất (W/cm2) Thời gian (s) Quang sinh hóa 10-4 - 100 10 - 105 Quang đông 100 - 104 100 - 103 Bay hơi 104 - 106 10-3 - 100 Quang phi tuyến 106 - 1012 10-12- 10-6 Bảng 2.2 : Tương quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian tác dụng Sau đây là một số đặc điểm của các hiệu chính: Hiệu ứng quang sinh học: bao gồm các quá trình kích thích sinh học thông qua một loạt các phản ứng quang hóa và các quá trình quang động học (photodyanamic). Các quá trình xảy ra khi khi tia laser có mật độ công suất cỡ 10-4 W/cm2, thời gian chiếu từ 10 giây đến chục phút. Hiệu ứng quang đông tổ chức: Khi các tổ chức hấp thụ laser và nhiệt độ tăng lên khoảng 80°C sẽ làm bay hơi nước gây co vón các tổ chức đó. Hiệu ứng bốc bay tổ chức: Khi laser có công suất lớn và được hội tụ lên các tổ chức sinh học, nhiệt độ tại vùng chiếu có thể vượt 200°Cá300°C. Các tổ chức sinh học bị đốt cháy và bốc bay để lại các vùng lân cận bị bỏng hoặc hoại tử với những mức độ khác nhau. Hiệu ứng quang phi tuyến: Bao gồm các quá trình quang cơ và quang bóc lớp (photoablation) hiện mới đang nghiên cứu và ứng dụng. Các quá trình mang tính chất phi tuyến và phụ thuộc đáng kể vào mật độ công suất. 1.2: Sự tán xạ, sự hấp thụ và độ xuyên sâu 1.2.1: Sự tán xạ Sự tán xạ được tìm thấy duy nhất tại đường biên giới giữa các vùng có sự khác nhau về sự biểu thị quang học và là cách thức trong đó năng lượng của sự bức xạ được duy trì. Mô sinh vật là cấu trúc không đồng nhất tại phạm vi cực nhỏ, ví dụ như kích thước của tế bào và dưới mức tế bào, và tại phạm vi vĩ mô ví dụ như kích thước tập hợp tế bào (mô), và phần lớn chứa nước, protein, lipid, tất cả các thành phần hóa học khác. Kết quả của sự tán xạ là độ lệch phương bức xạ. Độ lệch là mạnh nhất khi độ dài bước sóng và sự tán xạ là có thể so sánh được với kích thước và khi chiều dài bước sóng vượt qua độ lớn hạt phân tử. 1.2.2: Sự hấp thụ Ngoài sự hấp thụ còn có hàng loạt quá trình ảnh hưởng đến sự xuyên sâu như phản xạ trên bề mặt mô, sự khúc xạ giữa các mặt phân cách, sự tán xạ trên các hợp phần mô…Khi bỏ qua tán xạ, sự hấp thụ laser trong mô được đặc trưng bởi hai tham số. Đó là khả năng hấp thụ và độ sâu hấp thụ. Khă năng hấp thụ được xác định bằng tỉ số giữa phần năng lượng bị mô hấp thụ và năng lượng toàn phần đến bề mặt mô. Tỷ số này luôn nhỏ hơn 1. Độ sâu hấp thụ xác định phân bố không gian của năng lượng hấp thụ trong môi trường. Trong trường hợp đơn giản nhất (suy hao theo hàm số mũ cơ số e theo định luật Lambert- Beer) thì độ sâu hấp thụ bằng khoảng cách mà trên đó công suất bức xạ giảm đi e lần so với công suất bề mặt. Đại lượng ngược với độ sâu hấp thụ là hệ số hấp thụ, có đơn vị là cm-1. Phần tử Loại mô Sự hấp thụ quang Laser Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Cường độ tương đối Proteins Peptide bond Amino acid Residues Tryptophan Tyrosine Pheny-lalanine Tất cả <220 (r) 220-290 (r) 220-290 (r) 220-2650 (r) +++++++ + + + ArF 193 Pigments Oxyhemoglobin Deoxyhemoglobin Máu Mạch Các mô Máu Mạch Các mô 414 (p) 537 (p) 575 (p) 970 (p) 690-1100 (r) 431 (p) 554 (p) +++ ++ ++ + +++ ++ Ar ion Frequency Doubled Nd: YAG Diode Nd: YAG Dye Nd: YAG 488-514,5 532 810 1064 400-700 1064 Melanin Da 220-1000 (r) ++++ Ruby 693 Nước Tất cả 2,1 (p) 3,02 (p) >2,94 (r) +++ +++++++ ++++ Ho: YAG Er: YAG CO2 2100 2940 10640 Bảng 2.3 : Sự phát xạ UV-IR- Sự hấp thụ của các mô sinh vật và chiều dài bước sóng laser Trong đó: (p): chiều dài bước sóng hấp thụ tại đỉnh (r): phạm vi chiều dài bước sóng Số lượng các ký hiệu + nói lên một cách định tính cường độ của sự hấp thụ quang. Sự hấp thụ phụ thuộc trước hết vào bản chất của bức xạ laser, nói cách khác nó là hàm số của bước sóng. Sự hấp thụ còn phụ thuộc vào đặc trưng sinh học của tổ chức sống. Trong đó ta đặc biệt chú ý đến sự hấp thụ của nước ở vùng tử ngoại và hồng ngoại là rất lớn. Vì cơ thể chứa hơn 80% là nước nên các laser tử ngoại và hồng ngoại có ưu thế lớn trong phẫu thuật. Còn sự hấp thụ của HbO2 thì chỉ đạt tới mức độ lớn ở vùng hồng ngoại, điều này giải thích vì sao các laser excimer có ưu thế lớn trong tạo hình mạch. 1.2.3: Độ xuyên sâu Độ xuyên sâu và phân bố bức xạ đã được nghiên cứu và qua đó đã đưa ra được sơ đồ tổng quát cho các loại laser thông dụng thuộc vùng nhìn thấy, tử ngoại và hồng ngoại như hình 2.7 . UC - V UV- B UV - A VIS IR - A IR - B IR - C Ban đỏ Bỏng Bước sóng (nm) 100 280 315 400 700 1400 3800 10600 10% 20% Biểu bì Trung bì Hạ bì 32% 37% 49% 45% 38% Hình 2.7 : Độ xuyên sâu qua da của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng UV: Ultra Violet (Tia tử ngoại) VIS: Visualization (Tia ở trong vùng nhìn thấy) IR: Infra Red (Tia hồng ngoại) Từ đồ thị ta thấy các laser bước sóng khác nhau sẽ gây tổn thương khác nhau nếu có cùng công suất tới. Các tia laser tử ngoại xa (UV-C) và tử ngoại trung (UV-B) chỉ gây các vết ban đỏ (erythema) lên bề mặt da trong khi các loại laser khác có cùng công suất lại có thể gây nên vết bỏng độ sâu khác nhau. Vùng ánh sáng nhìn thấy (VIS) và vùng hồng ngoại gần (IR-A) ứng với độ xuyên sâu cực đại, sau đó độ xuyên sâu giảm dần theo chiều tăng của bước sóng và đến vùng hồng ngoại xa. Điển hình là CO2 thì độ xuyên sâu lại trở về giá trị cực tiểu như vùng tử ngoại xa và trung bình. Đây là cơ sở để giải thích ưu thế của laser CO2 trong phẫu thuật (do độ xuyên sâu thấp toàn bộ năng lượng bức xạ được phân bố trên một lớp mỏng làm cho việc cắt mô tiến hành dễ dàng và có độ chính xác cao. Ngược lại laser Nd:YAG có độ xuyên sâu cao, năng lượng phân bố trên một diện tích đủ lớn nên loại laser này có ưu thế khi cần dùng đến các hiệu ứng quang đông. Trong nghiên cứu và trong thực hành, thường quan tâm đến độ xuyên sâu trung bình và độ xuyên sâu 10%. Các đại lượng này được đánh giá từ định luật Lambert-Beer mô tả sự suy giảm cường độ chùm bức xạ tới: I= I0exp(-gd) Trong đó: I: cường độ bức xạ ở độ sâu d I0: cường độ bức xạ ở bề mặt mô g: hệ số suy giảm (bằng tổng các hệ số hấp thụ và tán xạ) Độ xuyên sâu trung bình và độ xuyên sâu 10% tương ứng với độ dày da cho phép truyền qua nó là 37% và 10% cường độ chùm tia bức xạ tới. Chúng cũng là hàm của bước sóng (hình 2.8 ) Trong dải bước sóng khảo sát, cả hai đại lượng đều tăng theo chiều tăng của l. Ví dụ, với Nd: YAG (l= 1060nm) thì 10% bức xạ xuyên qua được lớp da 3,7 mm; trong đó với laser Argon (l= 515nm) lớp da tương ứng chỉ là 1,2 mm. ở vùng hồng ngoại xa (không biểu diễn trên hình), với laser CO2 độ hấp thụ của nước mạnh đến mức độ xuyên sâu trung bình chỉ ở mức nhỏ hơn 0,1mm. 400 500 600 700 800 900 1000 1100 l(nm) 4 3 2 1 0 T= 10% T= 37% d (mm) Hình 2.8 : Độ xuyên sâu trung bình và 10% của da người Mối tương quan định lượng giữa độ truyền qua và độ dày da người với các loại laser khác nhau cũng gây nhiều chú ý. Với từng loại laser, độ truyền qua là một hàm số của độ dày. Tương quan giữa chúng cũng khá đơn giản: Độ dày mẫu càng lớn, sự hấp thụ càng mạnh, độ truyền qua càng yếu. Độ dày 3,7mm chỉ cho không quá 10% bức xạ truyền qua nó. Laser vùng hồng ngoại gần có độ xuyên sâu (độ truyền qua cực đại). Vì thế chúng có ưu thế trong châm cứu (laser lạnh) và trong quang đông (laser nóng) Phân bố bức xạ trong tổ chức sinh học cũng là yếu tố đáng quan tâm, vì nó xác định khả năng ứng dụng mức độ lớn. Nếu bức xạ chỉ hấp thụ mà không có tán xạ thì sự lan truyền sau mẫu là không đổi dọc trục quang học và đồ thị của các loại laser khác nhau chạy song song với trục này. Những bức xạ luôn luôn bị tán xạ nên sự lan truyền sẽ giảm theo khoảng cách và tính song song bị phá bỏ. Từ bảng số liệu sau có thể thấy độ xuyên sâu của laser ngoài sự phụ thuộc vào bước sóng còn phụ thuộc rất mạnh vào bản chất mô. Mô cơ có độ truyền qua lớn nhất, tiếp theo là ruột non, gan, phổi…Da gần như có độ truyền qua kém nhất, chủ yếu là do tán xạ mạnh. Bước sóng (mm) Cơ quan Da Cơ Gan Lách Thận Phổi Dạ dày Ruột Kết quả tính toán từ các số liệu điện quang học 632,8 0,61 2,04 1,10 0,70 - - - 1,3 441,6 0,27 0,98 0,43 0,50 0,56 0,62 0,38 0,6 337,1 0,45 0,51 0,66 0,80 0,76 0,69 0,54 0,5 Kết quả đo trực tiếp bằng đầu dò sáng 632,8 - - 0,99 0,86 0,03 - - - 441,6 - - 0,45 0,40 0,52 - - - 337,1 - - 0,75 0,57 0,62 - - - Bảng 2.4 : Độ xuyên sâu của bức xạ laser trong các loại mô chuột (mm) Thực ra độ xuyên sâu của laser không chỉ phụ thuộc vào hấp thụ và tán xạ mà còn phụ thuộc rất nhiều vào sự phản xạ trên bề mặt mô. Bước sóng bức xạ laser càng dài thì sự phản xạ càng yếu. Trên bề mặt da của người và động vật, sự phản xạ của laser tử ngoại gần và nhìn thấy (laser N2, He-Cd, Argon, He-Ne, Ruby) khoảng 30-40%, còn đối với laser Nd: YAG (ở vùng hồng ngoại gần) là khoảng 20-35%. Với laser CO2 nằm ở vùng hồng ngoại xa, phản xạ chỉ chiếm 5% bức xạ tới. Một điều rất có ý nghĩa trong ung thư học là các khối u hấp thụ bức xạ laser rất mạnh. Với laser Ruby, các khối u có thể hấp thụ 20-100% bức xạ chiếu tới. Với Nd: YAG sự hấp thụ có thể giảm 2 lần so với Ruby. Bảng số liệu 2.5 khẳng định rằng sự hấp thụ laser phụ thuộc vào độ phản xạ của mô. Nhờ lượng melanin phong phú, các melanoma hấp thụ laser rất mạnh. Sự phụ thuộc như vậy cũng được Derlemenko (1969) và Danko (1972) nhận thấy khi với cùng một mẫu dày 1 mm , mô cơ cho 27-32% bức xạ truyền qua, còn mô gan là 20-23%. Với các mô 6 mm, các con số tương ứng là 2 và 1,5%. Điều này cũng phù hợp với kết luận rút ra từ bảng. Mô cơ có độ truyền qua lớn nhất, tức là có độ hấp thụ nhỏ nhất. Ơ đây mô gan sẫm màu hơn đã hấp thụ bức xạ laser mạnh hơn. Loại u Dòng chuột Năng lượng hấp thụ % Tỷ số năng lượng hấp thụ của Ruby và Nd: YAG Ruby 694,3 nm Nd:YAG 1060 nm Melanoma Claudman S-91 DBA, F1 100 50 2,0 Andenocarxlnoma dạ dày C57BL/6JN 88 47 1,78 Malenoma Harding- Passl CDFL 82 26 3,15 Adenocarxinoma tuyến sữa CDFL 61 32 1,91 Sarcoma Luis T-241 C57BL/6JN C57BL/6JN 57 37 26 22 2,19 1,68 Adenocarcinoma tuyến sữa Ba1b/C 34 17 2,0 Ung thư da Ba1b/C 20 10 2,0 Bảng 2.5 : Năng lượng hấp thụ của các khối u động vật đối với laser Ruby và Nd: YAG Trong ung thư học, phương pháp quang động học PDT đã vượt khỏi phạm vi phòng thí nghiệm. Trong phương pháp này các chất cảm quang đóng vai trò quan trọng. Vì thế sự hấp thụ bức xạ của chúng cũng được quan tâm đúng mức. 1.2.4: Kết luận Sự hấp thụ và độ xuyên sâu là hai yếu tố có vai trò hàng đầu trong việc xác định khả năng ứng dụng của laser trong y học. Hai đại lượng này tỷ lệ nghịch với nhau một cách phức tạp, và để đơn giản ta có thể coi chúng ở dạng hàm e mũ (định luật Lambert- Beer). Sự hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ laser và vào hệ số hấp thụ. Nói cách khác, nó phụ thuộc vào bản chất vật lý của laser và đặc trưng sinh học của tổ chức sống. Sự hấp thụ không chỉ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ laser và hệ số hấp thụ mà còn vào sự phản xạ và tán xạ. Bước sóng càng ngắn thì sự phản xạ (trên bề mặt da) và sự tán xạ càng mạnh. Vì thế laser vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần có độ xuyên sâu lớn hơn vùng tử ngoại. Tuy nhiên quy luật trên bị phá vỡ khi chuyển sang vùng hồng ngoại trung bình và vùng hồng ngoại xa. Khi đó do nước có độ hấp thụ quá mạnh nên bức xạ laser có độ xuyên sâu rất thấp. Độ hấp thụ của hemoglobin có cực đại ở vùng tử ngoại nên các laser excimer (vùng tử ngoại) có ưu thế trong tạo hình mạch. Độ xuyên sâu của laser Co2 (l= 10,6mm, ở vùng hồng ngoại xa) là rất thấp nên có ưu thế trong phẫu thuật như là một con dao mổ đặc biệt. Các khối u có độ hấp thụ laser mạnh, cho phép dùng laser trong ung thư học Vì tất cả các nguyên nhân trên nên bức xạ laser chỉ xuyên sâu được một độ sâu tới một vài mm trong các tổ chức sinh học. Khi ứng dụng laser vào trong y sinh học ta cần ghi nhớ điều này. II: ứng dụng kỹ thuật laser trong y học 2.1: Giới thiệu chung Trong khi ở một số lĩnh vực khác, công nghệ laser đã có kinh nghiệm ứng dụng hàng chục năm thì ở lĩnh vực y học việc ứng dụng kỹ thuật laser chỉ mới ở giai đoạn khởi đầu. Riêng trong lĩnh vực phẫu thuật, hiện nay công nghệ laser đã tìm được cho mình một chỗ đứng khá vững chắc. Các phương pháp áp dụng trong lĩnh vực này đều tận dụng được những tính chất vật lý của laser, đặc biệt là cho phép làm việc chính xác trong một khoảng thời gian ngắn, đồng thời hạn chế rất nhiều việc đòi hỏi sức chịu đựng của bệnh nhân. Các lĩnh vực ứng dụng trải dài từ hiệu ứng kích thích sinh học, quang cắt và phá hủy các cấu trúc sinh học bằng nhiệt tới việc lấy đi và là phẳng các mô. Gần đây công nghệ laser cũng đã thâm nhập vào ngành chuẩn đoán y học và nha khoa. Dưới tác dụng của ánh sáng laser, mô sinh học sẽ thay đổi cấu trúc của nó. ở đây các quá trình xảy ra giữa các photon và các phân tử về chi tiết hầu như chưa được giải thích. Dạng và tiến trình các phản ứng phụ thuộc vào bản chất của mô bị chiếu xạ cũng như vào bước sóng, mật độ năng lượng và thời gian chiếu xạ laser đã dùng. Chúng được chia thành ba loại : Các hiệu ứng quang hóa ở mật độ công suất thấp, thời gian chiếu xạ dài; các hiệu ứng nhiệt ở mật độ suất cao, thời gian chiếu xạ ngắn; các hiệu ứng quang phi tuyến ở mật độ công suất cực lớn và thời gian chiếu xạ siêu ngắn. Trong y học hiện nay đa số ứng dụng các tương tác quang động học và nhiệt học của ánh sáng laser với mô sinh học. 2.2: Liệu pháp laser quang động học Với liệu pháp điều trị khối u quang học bằng ánh sáng laser, bệnh nhân được tiêm, uống hay đưa vào cục bộ một chất quang tăng nhạy (photosensibilisator). Hoạt chất nhạy cảm với ánh sáng này sẽ tập trung với nồng độ rất cao ở mô khối u. Sau đó chiếu xạ vùng khối u bằng ánh sáng laser. Tại đây sẽ xảy ra quá trình quang hóa, chất quang tăng nhạy sẽ truyền năng lượng thu được qua sự hấp thụ ánh sáng cho các phân tử khác. Khi đó sẽ xuất hiện những hợp chất có hoạt tính cực mạnh gọi là các gốc, chúng sẽ phản ứng với các phân tử tế bào khác và qua đó phân hủy mô bị bệnh một cách có chọn lọc. Các chất quang tăng nhạy còn tạo được một khả năng khác để sử dụng kỹ thuật nào vào trong y học. Đó là khả năng giao lại bằng cách tự phát quang năng lượng kích thích dưới dạng ánh sáng, tức là hiện tượng huỳnh quang. Nếu một chất quang tăng nhạy như vậy được làm giàu một cách có chọn lọc trong khối u thì qua quá trình quang kích thích bằng ánh sáng và sự chứng minh bằng ánh sáng huỳnh quang khi có bức xạ, chúng ta có phương pháp che khối u (turmo screening). Liệu pháp laser quang động học ngày nay đã được ứng dụng cho hầu hết những cơ quan mà phương pháp nội soi có thể cập nhật: các khoa tai mũi họng, khoa dạ dày-ruột (tuyến dạ dày-ruột lên đến thực quản), khoa tiết niệu và phụ khoa, khoa da liễu. Thực tế cho thấy liệu pháp laser quang động học đặc biệt thích hợp với việc trị liệu những khối u hoặc nhỏ hoặc trên bề mặt cũng như chiếu xạ bề mặt cho các vùng niêm mạc loạn hình, tức là các phát triển sai lạc. Các chất quang tăng nhạy hiện đại, trong trường hợp lý tưởng được dùng cho cả trị liệu lẫn chuẩn đoán, có độ chọn lọc cao đối với các khối u lành-ác, có tác dụng phụ không đáng kể và có khả năng hấp thụ ánh sáng rất cao. Nếu dùng axit d-aminolevulin thì lúc đầu chưa có tính chất này. Axit d-aminolevulin là một chất do cơ thể sinh ra, xuất hiện như là sản phẩm trung gian trong sự sinh hợp porphyrin. Với chức năng là thành phần chất màu của hồng huyết cầu (chất màu của máu) và diệp lục tố (chất màu của lá cây), các porphyrin là những chất cơ bản quan trọng cho sự sống. Khi thừa porphyrin do đưa từ ngoài vào, chẳng hạn qua đường miệng, sẽ gây ra rối loạn tức thời. Hệ quả là có sự gia tăng việc sản sinh ra một chất nhạy ánh sáng là protoporphyrin. Sau 4 đến 6 giờ khi cấp một liều axit d-aminolevulin nồng độ của chất quang tăng nhạy trong tuyến dạ dày-ruột đạt cao nhất. ở các khối u ruột khi đó sẽ có sự tích lũy một lượng cao gấp sau tám lần. Sau đó chiếu xạ bằng ánh sáng laser ở cực đại hấp thụ của chất quang tăng nhạy sẽ phá hủy các khối u ở niêm mạc và các loạn sản (dysplasie) niêm mạc chỉ trong từ ba đến bốn ngày. Còn chính ánh sáng laser không để lại di chứng nhiệt gì ở mô vì đã chọn mật độ công suất thích hợp. Hiện tượng xuất huyết hay lỗ thủng ở các cơ quan là hoàn toàn không thể có. Người ta cũng có thể dùng protoporhyrin cho việc chuẩn đoán. Huỳnh quang đỏ đặc trưng cho loại hợp chất này có thể được kích thích bằng laser. Qua tích lũy chọn lọc chất quang tăng nhạy trong các tế bào đã thay đổi một cách loạn hình bởi các u ác, huỳnh quang giới hạn một cách rõ rệt với mô xung quanh và khi quan sát qua máy nội soi cũng có thể nhận biết bằng mắt thường. Phương pháp dò bằng huỳnh quang này đã được áp dụng ở một số chuyên khoa nhưng hiện nay nó vẫn ở giai đoạn thử nghiệm. Tuy là một phương pháp có độ chọn lọc cao về nguyên tắc nhưng liệu pháp laser quang động học vẫ còn nhược điểm mặc dù thử nghiệm lâm sàng cho những thử nghiệm khả quan. Hạn chế của phương pháp là chỉ một số rất ít chất nhạy sáng thỏa mãn những tiêu chuẩn lâm sàng. Và ngay cả những chất đang được dùng rộng rãi cũng chưa hẳn là tối u. Vì thế những nghiên cứu mới nhất trên thế giới đều hướng trọng tâm vào tìm kiếm chất nhạy sáng mới ưu thế hơn. 2.3: Liệu pháp laser nhiệt ứng dụng laser thông thường nhất trong ngành phẫu thuật là dựa vào hiệu ứng nhiệt. Khả năng ứng dụng của laser nhiệt dựa trên hai triệu chứng nổi bật: quang đông và bay hơi tổ chức. Rất nhiều loại laser có thể gây ra các hiệu ứng này, tuy nhiên do nhiều nguyên nhân (đặc tính vật lý của laser, đặc tính sinh học của tổ chức, giá thành, giải pháp kỹ thuật…), chỉ có một số không nhiều các loại laser nhiệt đáp ứng được các đòi hỏi về lâm sàng. Các loại laser nhiệt này được thống kê trong bảng 2.6. Ưu thế của phẫu thuật laser có thể được tóm tắt như sau: Kỹ thuật không tiếp xúc Vết mổ khô Giảm chảy máu Giảm phù nề Hạn chế tạo sẹo và tắc nghẽn Không gây nhiễu thiết bị cảnh giới Hạn chế các tế bào ung thư bị bỏ sót, giảm tái phát và lan tỏa Chính xác Hạn chế dụng cụ can thiệp vào mổ Giảm đau sau phẫu thuật Khử trùng vết mổ Có thể dùng nội soi Không gây tổn thương gen và ung thư (khác với bức xạ ion hóa) Loại laser Kiểu phát l(mm) P(W) Chất lượng Hiệu ứng Lĩnh vực y học Ar Liên tục (cw) 0,488 10 Hấp thụ đặc hiệu Hemoglobin và melanin Quang đông Phẫu thuật Tiết niệu Răng miệng Mắt Ar-Dye cw 0,488 0,788 3 Hấp thụ đặc hiệu chromophores tự nhiên và nhân tạo Quang đông, quang hóa Phẫu thuật Tạo hình Da liễu Nd:YAG cw 1,06 100 Hấp thụ thể tích Quang đông Phẫu thuật Tiết niệu Phụ khoa Thần kinh Tiêu hóa Phổi Nd:YAG xung 1,06 1mW/x Hiệu ứng quang cơ Phân hủy quang Mắt CO2 cw 1,06 30 (100) Nước hấp thụ mạnh Cắt Phẫu thuật Tiết niệu Phụ khoa Thần kinh Hàm mặt Bảng 2.6 : Một số loại laser thông dụng trong y học Những ưu điểm nổi bật trên giúp laser tạo được cuộc cách mạng trong ngọi khoa, ngoại trừ nhược điểm giá thành cao. Hiện nay việc sử dụng các thiết bị laser ngày càng trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Sau đây là một số ứng dụng đầy ấn tượng của laser nhiệt: 2.3.1: Laser nhiệt trong quang đông Về nguyên tắc, tất cả các laser có công suất không quá lớn, chế độ phát liên tục (thời gian tác dụng dài) đều có thể áp dụng trong quang đông. Tuy nhiên ưu thế thuộc về laser Argon và laser Nd: YAG do đặc tính hấp thụ và việc dễ dàng dùng với quang sợi mềm không đắt tiền. Ta cũng có thể dùng laser CO2 để làm quang đông bề mặt nhưng không thể dùng nội soi vì việc truyền trên quang sợi với vùng hồng ngoại xa là hết sức khó khăn. Laser Argon phát xạ ở bước sóng 500nm, ánh sáng xanh, được hấp thụ chọn lọc bởi hemoglobin. Do đó các ứng dụng chủ yếu của laser này là trong các ngành có liên quan đến huyết học. Laser Argon được dùng trong hàn mạch máu, phá u máu và phá hủy có chọn lọc các tổn thương trong trường hợp chảy máu động mạch. Đây cũng là công cụ lý tưởng để xử lý các trường hợp chảy máu dạ dày. Laser Nd: YAG phát xạ ở vùng hồng ngoại gần (1064nm), có đặc trưng hấp thụ thể tích và độ xuyên sâu trong tổ chức gấp bốn lần so với Argon. Do đó hiệu quả hơn Argon trong hàn mạch và chảy máu động mạch. Để đánh giá định lượng tác dụng của laser quang đông, người ta dùng khái niện độ sâu quang đông cực đại MCD (maximum coagulation depth). MCD không thay đổi khi công suất laser tăng quá một giới hạn nào đó. Tất nhiên nó phụ thuộc vào thời gian tác dụng và đường kính của chùm laser. 2.3.2: Laser nhiệt trong phẫu thuật Laser CO2 là loại laser có ưu thế hơn cả trong phẫu thuật. Trong quá trình phẫu thuật với laser CO2 người ta nhận thấy kết quả rất khả quan: giảm đáng kể sự mất máu, vùng thương tổn là tối thiểu và quá trình tái sinh diễn biến thuận lợi. So sánh với các phương pháp mổ thông thường khác ta thấy vết thương do dao mổ laser luôn có kích thước và diện tích tác dụng nhỏ hơn so với dao điện. Các ưu điểm của phẫu thuật laser so với các phương pháp phẫu thuật điện hoặc phẫu thuật lạnh là: - Dễ thao tác - Độ chính xác cao - Dễ chịu hơn cho bệnh nhân (ít chảy máu hơn, đỡ đau hơn và ít các rối loạn sinh lý sau đó hơn) Tuy nhiên, phẫu thuật dùng laser vẫn có nhược điểm truyền thống chưa khắc phục được là giá thành cao. Nếu khắc phục được nhược điểm này thì laser giữ vai trò số một trong các kỹ thuật phẫu thuật không chảy máu. 2.3.3: Laser nhiệt trong tim mạch Hiện nay có hai lĩnh vực ứng dụng laser trong tim mạch cho kết quả khả quan: tạo hình mạch và bóc lớp trong điều trị nhịp thất nhanh. ưu thế của tạo hình mạch bằng laser thể hiện ở các mặt sau: Khoan được các mạch mới qua các mảng vữa xơ. Dễ dàng chuyển tải một năng lượng cần thiết qua quang sợi mềm. Có thể theo dõi sự lân quang của các mảng vữa xơ do tác dụng của chính bức xạ laser để điều khiển thời gian thực tiến trình điều trị. Cũng vì thế mà laser CO2 ít được dùng trong tạo hình mạch hơn laser Argon và Nd: YAG. Trong hai loại sau, Argon có ưu thế hơn vì đặc trưng hấp thụ của hemoglobin có cực đại hấp thụ nằm trong vùng bước sóng của Argon. Tác động của laser trên thành động mạch thậm chí được đánh giá về mặt định lượng, cho phép xác định liều tối ưu cho động mạch bị vữa xơ cụ thể. Nghiên cứu hình thái cho thấy tổn thương laser trên động mạch là rất giới hạn, chủ yếu là phá vỡ lớp áo cơ, trong khi tổn thương mô đàn hồi là tối thiểu. Ngoài tạo hình mạch, bóc lớp laser cũng được dùng để điều trị nhịp thất nhanh trong thiếu và nhồi máu cơ tim. Qua một quang sợi, quang năng laser sẽ được dùng để cô lập hay ngắt các mạch dẫn ngược bệnh lý, và để phá hủy hoặc bóc tác nhân gây loạn nhịp. Trong kỹ thuật này, laser cũng chứng tỏ được ưu thế so với sốc điện. So sánh kết quả bóc laser và bóc điện cũng khẳng định ưu thế của laser. Ưu thế đó thể hiện ở hai khía cạnh: Tổn thương laser nhỏ hơn tổn thương điện nếu xét cùng mức năng lượng Những thay đổi điện sinh lý sau bóc laser ít hơn sau bóc điện 2.4: Một số ứng dụng khác Ngoài các ứng dụng dựa trên hiệu ứng quang hóa và nhiệt, hiện nay còn có một số ứng dụng dựa trên các hiệu ứng khác của laser. Trong đó các ứng dụng dựa trên trên hiệu ứng quang ion hóa và bóc lớp bằng excimer đã cho những kết quả lâm sàng khả quan, chủ yếu trong tạo hình mạch. Khác với tạo hình mạch bằng laser nhiệt, tạo hình mạch bằng excimer bước sóng vùng tử ngoại không gây tổn thương đáng kể nên có thể dùng cho các động mạch cơ tim. Hiệu ứng phi nhiệt như vậy chỉ xảy ra với các xung laser cực ngắn, năng lượng cao, nằm trong một dải hẹp ngưỡng. Cơ chế bóc lớp phi nhiệt của laser laser excimer được giải thích như sau: Tổ chức sinh học chứa các phân tử hữu cơ có kích thước lớn, giữa chúng là vô số các phân tử nước. Bức xạ tử ngoại chỉ bị hấp thụ bởi các phân tử hữu cơ và khi năng lượng đạt tới một giá trị ngưỡng các mạch hữu cơ này sẽ bị đứt gãy, xuất hiện các vụ vi nổ trong một vùng thể tích khá lớn và nước bị đẩy ra khỏi vùng này. Ưu thế của bóc lớp laser excimer là tổ chức sinh học được bóc từng lớp mỏng, chỉ cỡ vài chục micromet. Với các xung 100 Hz như vẫn được dùng trong thực hành, tốc độ bóc lớp vĩ mô sẽ cỡ vài mm/ sec, thích hợp với các kỹ thuật tinh tế như tạo hình mạch hay phẫu thuật giác mạc. Ngoài quang bóc lớp trên, các xung laser còn được dùng để phá sỏi trên cơ sở hiệu ứng quang cơ. Các tổn thương cơ học xuất hiện do nhiều nguyên nhân bao gồm: áp suất ánh sáng gây nên bởi các photon xung lượng đủ lớn Điện trường mạnh của bức xạ laser khi tương tác với chất điện môi sẽ tạo nên các momen lưỡng cực điện và làm phân bố các điện tích dẫn tới sự xuất hiện của các momen quay cơ học. áp suất giật lùi: sự bốc bay của các hạt vật chất từ bề mặt tổ chức, theo định luật bảo toàn momen xung lượng sẽ tạo thành các xung cơ học (áp suất giật lùi) ngược với hướng chuyển động của các hạt, tức là cùng với hướng của chùm laser chiếu tới. Giãn nở nhiệt nhanh dẫn tới các xung áp suất (sóng âm) dưới dạng sóng xung kích. Sự tạo hơi bên trong tổ chức bị chiếu cũng sẽ tạo áp lực cơ học bổ xung. Đánh thủng điện môi do các điện trường vượt quá giá trị ngưỡng, cỡ 105 V/cm2, ứng với các laser công suất đỉnh lớn. Với giá trị mật độ năng lượng đủ lớn, điện trường của ánh sáng laser trở thành tham số quan trọng xác định diễn biến của các hiệu ứng quang cơ. Do tác dụng đồng thời của của nhiều quá trình phức tạp kể trên, các xung kích được hình thành và gây nên các hiệu ứng dùng trong lâm sàng như phá sỏi bằng nội soi với chi phí thấp. 2.5: Hướng phát triển Những tiến bộ vượt bậc của laser y tế đã xảy ra trong 10 năm gần đây. Các hệ thống laser ngày càng được cải thiện để đáp ứng các nhiệm vụ y tế. Tất cả các tiếp xúc laser- tế bào đều được ứng dụng điều trị : quang hóa, quang nhiệt, phẫu thuật quang và quang cơ. Những hệ thống bao gồm cả thông tin chuẩn đoán để tạo tham số chiếu xạ. Tóm lại trong tương lai sẽ có các tiến bộ sau: Tiến bộ trong các hệ thống: (a) ứng dụng quang (phán xạ chiếu xạ và phát xạ) và các tín hiệu chuẩn đoán siêu âm. (b) ứng dụng các sợi riêng rẽ hoặc ống dẫn sóng để truyền hoặc tìm bước sóng dưới 2,5 mm. Phát triển các hệ thống điều khiển có phản hồi của các tham số phát xạ để thay thể chùm laser. Các hệ thống này dùng các tín hiệu quang, nhiệt, siêu âm hoặc MRI để điều khiển. MRI có ưu điểm quan sát được nhiệt độ tại vùng tế bào trong suốt quá trình phẫu thuật. Phân bố nhiệt độ 3 chiều có thể cung cấp điều khiển phản hồi hay quan sát các vùng trong quá trình qung động học. Các kích thích sẽ phát triển trong trong phạm vi chod laser bằng cách tạo ra công suất và xung năng lượng cao thay thế các hệ thống laser khí đắt đỏ trong chi phí và hoạt động. Chắc chắn những tiến bộ trong các hệ thống laser sẽ phát triển liên tục dựa trên những công nghệ hiện có. Trong tương lai các thiết bị laser sẽ được ứng dụng nhiều hơn trong y tế và trở thành một phương tiện không thể thiếu trong các bệnh viện. III: Phân loại các thiết bị laser trong y học Các thiết bị laser dùng trong y tế được chia thành hai nhóm chính: Các loại laser dùng trong chuẩn đoán bệnh Các loại laser ứng dụng trong điều trị 3.1: Các thiết bị laser dùng trong chuẩn đoán Thông thường, các thiết bị laser này được sử dụng như nguồn sáng kích thích huỳnh quang của ngững chất khác nhau trong các tổ chức sống. Trên cơ sở nghiên cứu phổ huỳnh quang ta có thể đánh giá chính xác chất lượng cần đo giúp cho việc chẩn đoán chính xác chức năng của các tổ chức khác nhau. 3.2: Các thiết bị laser dùng trong điều trị Nhóm thiết bị này đã được đầu tư phát triển rất nhanh chóng và đa dạng. Đến nay đã có khoảng 30 loại laser khác nhau đang được ứng dụng trong điều trị. Có thể chia nhóm này thành hai phân nhóm: Nhóm các thiết bị ở đó tính chất đơn sắc của laser mang tính quyết định: Với các laser loại này, người ta có thể điều chỉnh kích thích các quá trình quang sinh hóa của tổ chức sống giúp cơ thể tự chữa khỏi bệnh. Các hệ thống laser trên thường có công suất thấp, không gây nhiệt khi tương tác với tổ chức sống, cho nên trong y học chúng thường được gọi là laser công suất thấp, laser lý liệu (therapeutical laser) hoặc laser mềm (soft lasser) Nhóm các laser công suất cao: Bức xạ laser hội tụ có thể gây hoại tử, quang đông hoặc bốc bay các mầm bệnh tùy thuộc vào công suất của laser hoặc độ hội tụ, khả năng hấp thụ ánh sáng của mầm bệnh…Các hệ thống laser này được gọi là laser công suất cao, laser phẫu thuật (surgical laser) hay laser rắn (hard laser). 3.3: Các hệ laser công suất thấp Như đã nói ở trên, các hệ thống laser công suất thấp tạo hiệu ứng kích thích sinh học trên cơ thể sống nhờ tính đơn sắc cao. Vì vậy với hệ thống laser này bước sóng và độ đơn sắc có ý nghĩa quyết định hiệu quả điều trị. Các hệ thống laser có hiệu ứng kích thích sinh học được tổng hợp ở bảng sau theo thứ tự hiệu quả thấp dần. Loại laser Bước sóng (nm) Độ rộng phổ (A) Công suất Las._. buồng cộng hưởng giảm thì vận tốc dịch chuyển cảm ứng sẽ bị giảm, nên khi năng lượng của trường trong buồng cộng hưởng nhỏ thì lại xảy ra hiện tượng tích lũy hạt ở mức laser trên. Và khi N2 > N2* ngưỡng thì trường trong buồng cộng hưởng lại tăng lên và quá trình lại được lặp lại và những pich tiếp theo được hình thành. Thực tế cho thấy mỗi pich kéo dài khoảng vài phần mười ms và khoảng cách giữa các pich khoảng một ms. 1.4.2: Chế độ điều chế hệ số phẩm chất Laser rắn tuy đã cho những công suất xung tương đối lớn. Tuy nhiên trong một số ứng dụng người ta cần ngững xung cực lớn và thời gian xung rất hẹp. Yêu cầu này sẽ được thỏa mãn ở những laser rắn làm việc ở chế độ điều chế hệ số phẩm chất. Hình 3.8: Sự phụ thuộc của DN và r vào thời gian Để phân tích công tác của laser trong chế độ này người ta phân quá trình nghịch đảo nồng độ của các trạng thái công tác. Hình 3.8 trình bày sự phụ thuộc của DN và r vào thời gian. Xung bơm coi như xung chữ nhật (lý tưởng hóa) có độ rộng aôd. Trước khi có xung bơm thì thì nghịch đảo nồng độ DN < 0. Vì mức laser dưới có nồng độ lớn hơn mức laser trên. Sau khi cho xung bơm tác dụng vào thì thì nghịch đảo nồng độ tăng lên (đoạn aôb). Tại thời điểm b thì DN đã lớn hơn DN* ngưỡng. Nếu như buồng cộng hưởng đã được điều chỉnh tốt thì sẽ có bức xạ laser. Bức xạ được sinh ra sẽ làm thay đổi sự cân bằng của của những quá trình tích lũy và nghèo hóa của các mức công tác. Vì vậy có thể nói rằng tại thời điẻm ứng với điểm b sẽ xảy ra sự biến đổi về chất, về sự cân bằng của những quá trình trong môi trường. Tồn tại trong môi trường mật độ năng lượng lớn sẽ làm cân bằng mật độ của mức laser trên và mức laser dưới và sau đó sẽ ngừng lại do mật độ mật độ năng lượng tiếp tục tăng. Trong chế độ phát tự do thì nghịch đảo nồng độ sẽ bị giảm (đường chấm chấm trên hình 3.8). nếu buồng cộng hưởng bị điều chỉnh lệch hoặc có một van quang học đặt trong buồng cộng hưởng thì bức xạ sẽ không được hình thành, và tại điểm b nghịch đảo nồng độ không nhảy vọt về chất nữa và tiếp tục tăng, N21 sẽ tăng tới giá trị tới hạn Sở dĩ thế vì khi tăng nồng độ của mức laser tren thì bức xạ tự phát ở tần số dịch chuyển sẽ tăng lên và cuối cùng độ nghịch đảo có thể đạt tới giá trị cực đại. Sự phụ thuộc của DN vào thời gian trong trường hợp buồng cộng hưởng bị lệch điều chỉnh được biểu diễn trên hình 3.8 bằng đường đậm nét. Rõ ràng nghịch đảo có thể đạt được giá trị lớn hơn trường hợp bình thường. Cần chú ý rằng độ nghịch đảo chỉ có thể tăng đáng kể khi và chỉ khi thời gian sống của mức laser trên rất lớn. Và điều này đã được thực hiện trong laser rắn. Bây giờ nếu mở van quang học tại điểm C thì laser sẽ cho một xung rất lớn vì công suất bức xạ có thể coi như tỉ lệ với hiệu độ nghịch đảo và độ nghịch đảo ngưỡng. Công suất xung cực đại sẽ xảy ra tại thời điểm d và độ rộng của xung bức xạ (côe) sẽ rất nhỏ hơn độ rộng của xung bơm (aôd). Cơ chế bức xạ đã được mô tả ở trên được gọi là chế độ điều chế hệ số phẩm chất.Để thực hiện chế độ này, trong buồng cộng hưởng cần có các van tác dụng nhanh. Hiện nay để làm van quang học người ta thường dựa vào những hiệu ứng điện, cơ, quang hóa… Để điều chế hệ số phẩm chất dùng tế bào Kerr, tế bào Pockell. II: Laser Nd: YAG 2.1: Đặc điểm Laser Nd: YAG là một trong những laser rắn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Công thức hóa học của chất nền là Y3Al5O12 (Yttrium Aluminum Garnet- kí hiệu là YAG) và các tâm kích hoạt là ion Nd3+ (Neodym- kí hiệu là Nd). Bức xạ laser xảy ra do các dịch chuyển các mức năng lượng của các ion Nd3+. Hoạt chất là các ion Nd3+ được cấy vào trong tinh thể YAG với tỉ lệ từ 1 đến 4% (theo trọng lượng). Do mật độ ion Nd3+ khá lớn nên hệ số khuếch đại của laser Nd: YAG lớn hơn nhiều so với laser khí. 4f3 etc 2H 2G 4F 4I etc 9/2 7/2 5/2 3/2 9/2 7/2 5/2 3/2 15/2 13/2 11/2 9/2 2,42 2,36 2,12 1,97 1,8 1,66 1,54 1,42 0,74 0,52 0,28 0 Năng lượng (eV) Cấu hình electron Sự tương tác bên trong electron Sự tương tác quỹ đạo Hình 3.9: Mức năng lượng của neodym trong YAG Các chất YAG tinh khiết là các chất có tính đẳng hướng về quang học với đặc tính mang cấu trúc cubic của các nguyên tử garnet. Do sự khác biệt về kích cỡ của ion Nd3+ là ion thay thế cho Y3+ (khoảng 3%), mỗi loại đều có giới hạn xác định về lượng neodym mà nó chứa xấp xỉ 1%. Nếu quá giới hạn này thì mạng tinh thể sẽ trở nên căng quá mức. Do các nguyên tử kích hoạt trong một môi trường xác định, các mức năng lượng được xác định rõ ràng và có độ rộng hẹp biểu diễn trên hình 3.9. Các dịch chuyển chủ yếu là tương ứng với bước sóng 1,06 mm do sự dịch chuyển giữa trạng thái trên 4F3/2 và trạng thái mức dưới 4I11/2 (hình 3.10). Có 8 sự dịch chuyển xung quanh vùng bước sóng này thể hiện trong hình phổ phát xạ (hình 3.11). Tại nhiệt độ phòng dưới điều kiện hoạt động bình thường bức xạ laser xuất hiện ở bước sóng 1,064 mm, trong khi đó tại những nhiệt độ thấp hơn 1,061 mm là ngưỡng thấp hơn. Sự dịch chuyển laser tại 1,06 mm là ngưỡng của hai sự dịch chuyển chồng chéo tại 1,06414 mm và 1,0646 mm. Nhờ có sự mở rộng, đường cong khuếch đại là không đồng nhất, trở nên thuận lợi hơn tại những bước sóng thấp hơn (hình 3.12). 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 4F3/2 4I15/2 4I13/2 4I11/2 4I9/2 Đất 11502 cm-1 11414 ~6000 cm-1 ~4000 cm-1 2526 2473 2146 2111 2029 2001 848 311 197 134 0 Mức bơm diode laser Dải bơm 805,5 nm 0,95 mm 1,8mm 1,32mm 1,6 mm Năng lượng (´103 cm-1) Hình 3.10 : Lược đồ mức năng lượng của Nd: YAG thể hiện các chuyển dịch quan trọng và các mức bơm 1,0801 1,0701 1,0601 1,0501 1 2 3 4 5 6 7 8 Bước sóng (mm) Sự bức xạ huỳnh quang (đơn vị tuỳ ý) 4F3/2 4I11/2 11502 11414 2526 2473 2146 2111 2029 2001 3 5 7 8 1 2 4 6 Hình 3.11: Phổ huỳnh quang của Nd3+ : YAG tại 300 K nhờ chuyển dịch 4F3/2 đ 4I11/2 trong vùng bước sóng 1,06 mm. 1,066 1,064 1,062 Bước sóng (mm) Sự chiếu xạ Hình 3.12: Đường cong phát xạ huỳnh quang của chuyển dịch laser tại bước sóng 1,064 mm Các dữ liệu đặc trưng của của các chuyển dịch phân bố theo trật tự bước sóng được thể hiện trong bảng 3.1 và bảng 3.2. Các chuyển dịch khác sẽ được phát ra tương ứng với độ rộng giữa các bước sóng. Các thông số chính Giá trị Công thức hoá học % khối lượng (Nd) % nguyên tử (Nd) Mật độ nguyên tử Nd Thước đo sự khúc xạ Sự mất mát do phân tán Sự chuyển trạng thái ưu thế Thời gian sống huỳnh quang của 4F3/2 Hiệu suất huỳnh quang của 4F3/2 Thời gian sống ở trạng thái thấp hơn (4I11/2 đ 4I9/2) Nd: Y3Al5O12 0,725 1,0 1,38 ´ 1020 cm-3 1,81633 (1,06 mm, 1% doping) 0,002 cm-1 (11,507 đ 2111 cm-1) 1,064 mm 255 ms 99,5% ~ 30 ns Bảng 3.1 : Các đặc điểm của laser Nd: YAG Dịch chuyển Bước sóng (mm) Tỉ lệ phân nhánh Độ rộng dải (FWHM in cm-1) s (1019 cm2) 4F3/2 đ 4I9/2 0,86 – 0,95 0,3 4F3/2 đ 4I11/2 1,0521 1,0549 1,0615 1,06415 1,0644 1,0682 1,0737 1,0779 1,1055 1,1119 1,1158 1,1225 0,0383 0,0023 0,0779 0,1275 0,0533 0,0340 0,0657 0,0463 0,0145 0,0297 0,0356 0,0328 ồ= 0,56 4,5 4,5 3,6 5,0 4,2 6,5 4,6 7,0 11,0 10,2 10,6 9,9 2,9 4F3/2 đ 4I13/2 1,3 - 1,4 0,14 4F3/2 đ 4I15/2 1,74 - 2,1 ~0,01 Bảng 3.2 : Dữ liệu chi tiết về các dịch chuyển 2.2: Hệ thống quang học của laser Nd: YAG Trong hệ thống quang học của laser YAG, thành phần quan trọng nhất là buồng cộng hưởng. Đó là một hệ gồm hai mặt phản xạ đối diện nhau, giữa hai mặt này là hoạt chất Nd: YAG. Đây là loại buồng cộng hưởng hở. Trong đó một gương làm nhiệm vụ phản xạ toàn phần còn gương kia phản xạ một phần ánh sáng còn phần kia cho qua. Laser diode dẫn đường Gương phản xạ toàn phần Thanh hoạt chất Nd: YAG Gương bán xạ Thấu kính hội tụ Laser ra Quang dẫn Tia laser Bộ ghép nối quang dẫn Hình3.13 : Hệ thống quang học laser YAG liên tục 2.3: Các phương pháp bơm trong laser Nd: YAG Có hai phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ trong laser Nd: YAG. Đó là phương pháp bơm bằng đèn flash và phương pháp bơm bằng diode laser. Bơm bằng đèn flash Đây là phương pháp rẻ và thông dụng nhất. Đèn flash gồm một ống silic có chiều dài, đường kính phù hợp có gắn hai điện cực ở hai đầu. Khi có đảo mức với một biên độ lớn trong thời gian ngắn, một tia plasma xuất hiện giữa hai điện cực chuyển năng lượng điện thành năng lượng bức xạ (ánh sáng trong vùng hồng ngoại, tử ngoại và vùng ánh sáng nhìn thấy) với hiệu suất cao. Một vài sóng ánh sáng bị hấp thụ bởi các ion hoạt động được cấy vào ống, bởi các mức năng lượng và tạo ra đảo mức. Đèn flash dùng trong laser Nd: YAG liên tục được nạp đầy bởi vài lớp khí Kr. Trong trường hợp này, plasma chủ yếu trong khoảng 800 nm (là bước sóng dễ dàng bị hấp thụ bởi ion Nd). Các đèn thường có tuổi thọ khoảng vài trăm giờ và bị giới hạn do các vật liệu làm điện cực trong đèn. Người ta đánh giá hiệu quả đèn flash ở khả năng cấp flash đến hoạt chất và được nó hấp thụ. Người ta còn quan tâm đến sự tương ứng giữa nhu cầu và kết quả của năng lượng chuyển qua khe phóng. Nếu tia plasma càng phản xạ ít khi đI từ đèn đến hoạt chất thì hiệu suất càng cao. Do đó , khi thiết kế ta đặt đèn càng gần laser càng tốt. Thêm nữa ta đặt các lớp phản xạ bao quanh hệ thống để phản xạ ánh sáng lại gần laser. Cuối cùng để đồng bộ ta chế tạo lớp phản xạ cao từ các vật liệu khuếch tán (BaSO4). Bơm bằng diode laser Bơm bằng diode laser cho hiệu quả cao do đặc tính của diode laser là chuyển điện năng thành năng lượng phát xạ rất hợp với hấp thụ của hoạt chất. Nó cũng đồng thời giảm thất thoát plasma. Do diode laser bị giới hạn bởi công suất ra max, tổng công suất đầu ra giảm tỉ lệ với tần số xung ra . Do đó các loại phát xạ dài sẽ có hiệu quả hơn phát xạ xung hẹp. Người ta thường bơm cho giải hấp thụ của Nd3+ trong khoảng 810 nm Hiện nay đối với laser Nd: YAG người ta thường dùng diode laser thay vì dùng đèn flash. Bởi vì diode laser phát ra bức xạ quang trong dải phổ hẹp. Khi bước sóng phát ra nằm trong dải hấp thụ của ion kích thích Nd3+, việc bơm của diode laser có thể đạt hiệu suất cao với sự phát nhiệt vừa phải. Hiệu quả của bơm bằng đèn flash bị giới hạn bởi phổ phát xạ rộng của đèn và hiệu suất hấp thụ thấp. Lượng nhiệt dư thừa và sự thay đổi bất thường của công suất cũng làm giảm giá trị laser cũng như hạn chế tuổi thọ của đèn. III: Khảo sát Thiết bị laser Nd: YAG 3.1: Giới thiệu về thiết bị Thiết bị laser Nd: YAG là một thiết bị y học công nghệ cao, phức tạp, khó tiếp cận đã được trung tâm công nghệ laser chế tạo thành công và đưa vào ứng dụng tại nhiều bệnh viện. Thiết bị laser Nd: YAG ra đời do nhu cầu điều trị rất lớn về các bệnh như thoát vị đĩa mềm, u máu phẳng lồi, u nang, sẹo lồi, u sắc tố … Thực tế dã chứng tỏ sự ưu việt của thiết bị so với các phương pháp điều trị khác. Các chuyên khoa được trang bị thiết bị laser Nd: YAG là: phẫu thuật, u bướu, chỉnh hình, thẩm mỹ, da liễu, dạ dầy, tiêu hóa, hô hấp, tiết niệu,…Thiết bị có công suất phát mạnh (60 W); cơ chế phát liên tục, xung đơn, xung chuỗi; có sức xuyên sâu (trên 1mm, dễ dàng hấp thụ các tổ chức sống). Có khả năng cầm máu, đốt cháy, bốc bay, cắt bỏ. Sử dụng cáp quang có thể phẫu thuật trong hay ngoài cơ thể. Đối với bệnh nhân: an toàn (cầm máu, không lây nhiễm qua đường máu), ít gây tổn thương, ít đau, hồi phục sức khỏe nhanh, tránh được các bệnh hậu phẫu. Giá thành thiết bị 1 hệ gồm thiết bị laser Nd: YAG và nguồn lạnh trên 10000 USD (chỉ bằng 1/4 đến 1/5 giá thành thiết bị của nước ngoài). 3.2: Các đặc điểm và các thông số kỹ thuật Loại laser Nd: YAG bước sóng : 1064 nm Chế độ làm việc : liên tục, xung đơn, xung chuỗi Công suất phát : 0 - 60 W Điều chỉnh công suất, thời gian phát : vô cấp Đường kính tia laser tại đầu cáp quang: 0,4 mm Đầu nối cáp quang : SMA 905 Dẫn đường : laser diode l= 635nm Thời gian xung laser làm việc : 0,1 - 2s Thời gian xung laser nghỉ : 0,5 - 2s Hiển thị - Khởi động (Ready) - Dẫn đường (Beam) Nước mát (Water) Tạm dừng (Pause) Khóa (Lock) Nhiệt độ làm việc (TEMP) Laser ra (Laser OUT) Công suất laser ra (W) Điện vào (Power) Thời gian điều trị (TIME) Tác động dừng phát tạm thời: Pause Tác động dừng tức thời khẩn cấp: EMERGENCY Tác động dừng máy: OFF POWER MAIN Tác động làm việc: Bàn đạp (FOOT- SWITCH), đặt thời gian (START TIME) Hệ thống làm mát hệ thống quang học laser YAG: Bơm nước mát 18°C quay vòng Hệ thống làm lạnh đầu vào có nhiệt độ nước vào : Ê 15°C Dải nhiệt độ làm việc tự động cắt hệ thống: 17°C Ê T Ê 23°C Công suất tiêu thụ: 4 kW Dòng điện làm việc tối đa: 15A AC, 50 Hz Điện áp làm việc: 220V AC, 50 Hz Chế độ khóa từ xa: LOCK Nhiệt độ môi trường làm việc: 25°C ± 5°C Độ ẩm môI trường: 75% Trọng lượng : 80 kg Kích cỡ: 500´600´970 cm3 3.3: Sơ đồ khối thiết bị Điều khiển hệ thống Chỉ thị tham số Nguồn một chiều An toàn Đặt thời gian điều trị Đo và điều khiển nhiệt độ báo động Điều khiển công suất ống phát laser Công suất phát laser Xử lý nội bộ Hệ dẫn đường phẫu thuật Hệ làm lạnh Làm lạnh bên ngoài cho thiết bị Bơm nước mát cho ống laser Laser Hình 3.14: Sơ đồ khối thiết bị 3.3.1: Điều khiển hệ thống Trong phần điều khiển hệ thống có: Chỉ thị tham số hệ thống và cho ra lệnh tác động Phần nguồn công suất một chiều Phần đặt thời gian điều trị Phần đo và điều khiển nhiệt độ báo động Các mạch điện trong khối điều khiển hệ thống Nguồn một chiều sử dụng trong thiết bị Mạch điện đặt thời gian điều trị +12V +12V +24V IC555 8 4 1 5 7 6 2 3.3.2: Điều khiển công suất Đây là phần quan trọng trong thiết bị có nhiệm vụ điều khiển năng lượng phát tia laser Nd: YAG. Điều này đồng nghĩa với việc điều khiển mức bơm quang học trên đèn kích hoạt Xenon. Phải thỏa mãn 2 điều kiện: Tạo mức sáng nền Tạo mức sáng cuối (có thể điều khiển theo ý muốn theo mức độ và độ rộng t tồn tại xung) Hệ điều khiển làm việc như sau: 300V t t Uc1 Khi nối nguồn 220 VAC/50Hz, 30A vào mạch tụ điện lọc nguồn C1 (4700m/400V) được nạp điện như hình trên t= 4700m. 170W= 0,8s (Aptomat 15A được nối với khối điều khiển hệ thống bảo vệ máy khi dòng làm việc vượt quá 15A) Cùng lúc hệ thống xử lý cũng được cung cấp điện. Sau 20s, rơle tác động hệ thống kích mồi mức hai làm việc, tụ điện C10 (747/1600V) phóng năng lượng tích lũy trước đó (1000V) vào cuộn sơ cấp biến áp kích B4. Bên cuộn thứ cấp sẽ có điện áp một chiều xung có tỉ lệ 50/1 có cực tính thuận đặt vào hai cực của đèn xenon. Cùng với điện áp đó bên thứ cấp còn có điện áp 1000= 1400VDC tác động kích mồi đèn xenon phát xạ mức hai U mồi = 1000(50/1) + 1400 (V) Đèn Xenon phát sáng (mờ mờ) trong một thời gian cho đến khi năng lượng mồi hết (t=0,1s). Lúc này năng lượng từ tụ C1 (220=300VDC) được đưa vào đèn. Tại thời điểm này mạch xử lý chỉ cho phép giá trị đặt tại mức hai (đặt trên tụ nhờ van CMOS) Mạch điều khiển kích đèn Xenon Biểu diễn quá trình điều khiển như sau Uc1 300V Umồi 1400V 1000V Thứ cấp Sơ cấp t t Rơle J1 220V Rơle tác động Uc2 300V 125V T2- T1= 20s Rơle S3 21V T1 T2 20A 8,5A Laser ra Dải điều chỉnh công suất laser ra t t t t Hình 3.15 : Hình biểu diễn quá trình điều khiển Khi điều khiển công suất laser ở chế độ xung thì dòng công suất hệ thống như sau: Đặt 8,5A I t Q1 Q2 Laser ra Bộ tạo xung đơn- xung chuỗi Mạch điện tạo dao động dùng IC PHASE LOCK- LOOP (4046) +Uc Điều khiển 680K NC +VCM 100K 0,01m 9 5 4 12 11 6 7 Kích mở 3.3.3: Hệ dẫn đường phẫu thuật Trong điều trị phẫu thuật, nhất thiết phải có hệ dẫn đường nhằm mục đích xác định chính xác điểm cần phẫu thuật khi có tia laser tới tổ chức cần phẫu thuật. Thường ánh sáng dẫn đường là laser He- Ne (công suất 2- 5 mW) hay laser diode đỏ bước sóng 635- 638 nm. Trên mô tổ chức cần phẫu thuật sẽ xuất hiện một đốm màu đỏ của laser dẫn đường, tại điểm chiếu tới đó sẽ xuất hiện tia laser YAG hướng tới khi có lệnh phát laser. Điều này có nghĩa là phải căn chỉnh tia laser dẫn đường. Việc căn chỉnh này rất phức tạp. Có hai phương án hệ quang học dẫn đường. Một là sử dụng laser He- Ne, hai là sử dụng laser diode. Thông thường người ta sử dụng laser diode vì các ưu điểm như gọn, nhỏ về thiết bị, bền vững, căn chỉnh tốt và đẽ dàng hơn, nguồn nuôi nhỏ, điện áp nguồn thấp…Tuy nhiên cũng có một số khó khăn là nguồn nuôi cho diode phải rất phẳng và có độ chống nhiễu cao, triệt tiêu được các xung quá độ. Dùng IC LM 3317 để chỉnh độ sáng của laser diode cho thích hợp trong phẫu thuật. Bộ lọc chặn, bảo vệ, cản dịu quá trình đóng điện 3.3.4: Hệ làm lạnh Trong phần làm lạnh có: Làm lạnh nước ngoàI (5- 10°C) cho thiết bị laser YAG (hệ thống làm lạnh bên ngoài) Bơm nước mát (17- 23°C) cho ống laser (hệ thống làm lạnh bên trong) Sơ đồ khối hệ thống làm lạnh và bơm nước mát Bể nước Bể thứ cấp (nội) Buồng quang học laser YAG Cắt quá tải Máy bơm Inox Bể Inox cách nhiệt Bể lạnh (5°) Bể sơ cấp (ngoài) P 5°C 18°C Nước trong bể thứ cấp (nằm trong máy laser YAG) có cài đặt hệ đo nhiệt độ và tự động khống chế nhiệt độ đặt ở 18°C và dải làm việc an toàn từ 17°C- 23°C, ngoài dải nhiệt độ này hệ thống tự động cắt. Xung quanh giá trị 18°C đặt hệ thống tự động ngắt ON/OFF để cho phép nước lạnh (5°C) từ nguồn lạnh ngoài vào trong bể thứ cấp và làm lạnh nước mát này. Nước mát 18°C được động cơ đặc biệt bơm vào buồng quang học với vận tốc cực mạnh. Nếu máy bơm không chạy sẽ có cảm biến áp lực P đo và cắt nguồn cung cấp ngay lập tức. 3.3.5: An toàn hệ thống Bao gồm sự ổn định, đo đạc, cảnh báo, tự động điều chỉnh , tự động cắt. Cụ thể: ổn định nguồn nuôi, nối đất ổn định nhiệt độ nước bơm mát hệ thống quang học Tạo, ổn định nhiệt độ nước lạnh cung cấp cho hệ thống Cắt hệ thống khi quá dòng tiêu thụ của thiết bị (tổng) Cắt khi phần nguồn laser YAG quá tải Cắt khi thiết bị khác quá tải (ví dụ: máy bơm) Cắt khi máy bơm nước mát không làm việc 9dòng chảy áp lực) Cắt, đóng nguồn cung cấp cho laser YAG khi nhiệt độ nước mát ngoàI dảI cho phép Chủ động báo các tham số cơ bản của thiết bị Báo hiệu laser ra bằng đèn âm thanh Cắt khẩn cấp thiết bị khi có sự cố Để thiết kế các quá trình an toàn trên sử dụng các phần tử đa dạng sau: Phần tử SENSOR cảm biến dòng được thiết kế sâu trong APTOMAT Khi I > Iđặt sẽ tự động cắt điện Phần tử SENSOR cảm biến nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện K đưa vào hệ đo và xử lý theo hai cấp: ON/OFF cho điều khiển (AUTOMATIC) và ON/OFF cho báo động (ALARM) theo hệ hai mức đặt bên cửa sổ. Phần tử SENSOR cảm biến áp lực bằng nguyên lý nâng áp lực ổn áp IC 7805, 7812, 7912, 7824, 7815, 7915 Các rơle điều khiển đầu ra dòng lớn Các phần tử tác động cơ, từ trường, quang Laser YAG là sản phẩm laser lớp IV nên người sử dụng cần phải thận trọng. Theo tiêu chuẩn của CDHR: Có khóa bên trong hay lớp vỏ bảo vệ bên ngoài của máy Có khóa nối điều khiển thiết bị với cửa ra vào Có công tắc khóa hoạt động, khóa khẩn cấp Có chỉ thị Laser đang làm việc Có bộ suy giảm chùm tia khi khoảng cách xa Có dán các nhãn cảnh báo Có bộ bảo vệ khi sử dụng , nhìn, tiếp xúc với phần quang, máy (lọc hay khử toàn bộ tác dụng của laser) Có bộ khống chế dải hoạt động khi vận hành tăng giảm công suất laser ra. 3.4: Tính ưu việt và ứng dụng y học Laser YAG liên tục ngày càng trở thành một thiết bị ứng dụng quan thuộc trong ngoại khoa và được trang bị ở nhiều bệnh viện. Các chuyên khoa có thể lắp đặt thiết bị laser YAG có hiệu quả là: Da liễu Chỉnh hình, thẩm mỹ U bướu Sản phụ khoa Tiêu hoá Dạ dày Phẫu thuật ngoại khoa, nội soi Tiết niệu Tai mũi họng Hô hấp Bằng phương pháp dùng ánh sáng nội soi đơn sắc bước sóng 1064 nm, thiết bị laser Nd : YAG là thiết bị phẫu thuật tinh xảo bởi nó có thể đưa tia laser YAG tới bất kì nơi phẫu thuật nào ở bên ngoài hay bên trong cơ thể bởi nó sử dụng cáp quang nhỏ và mảnh có đường kính Ê 1mm, dài từ 1- 3 m. Tia laser mang năng lượng lớn có thể cầm máu (coagulation), quang đông, bốc bay (vapoied), đốt cháy (carbonized) hay cắt bỏ (excised). Tia laser YAG không bị nước hấp thụ như laser CO2 nên nó có thể tác động ở môi trường nước và có khả năng xuyên sâu. Phẫu thuật bằng laser YAG tránh được các bệnh truyền nhiễm, AIDS, diệt khuẩn, giảm đau đớn và chóng lành vết thương… Đặc biệt laser YAG xử lý rất tốt đối với những bệnh ngoài da có sắc tố màu (đen, xanh, đỏ…). Có chọn lọc nhờ điều chỉnh cường độ (năng lượng) tia laser phát ra. Đã có trên 60 loại bệnh (có một số thuộc bệnh nan y) đã được thiết bị laser YAG điều trị đạt kết quả tốt. Thiết bị laser YAG có hệ thống dẫn đường ánh sáng đỏ giúp bác sỹ phẫu thuật định vị chính xác điểm laser tiếp xúc với mô phẫu thuật. 3.5: Một số kết quả y học ban đầu của việc ứng dụng thiết bị laser Nd: YAG U mạch máu (hemangioma) nông, đặc biệt khi bệnh ở là loại u hay gặp nhất ở trẻ sơ sinh. Trong quá trình phát triển của mình u có thể gây ra nhiều biến chứng như chèn ép các cơ quan lân cận, các hốc tự nhiên như mắt, mũi, miệng, hậu môn hay chảy máu, nhiễm trùng rất nguy hiểm, có thể đe dọa đến tính mạng của trẻ. Ngoài các phương pháp điều trị thông thường như tiêm xơ, áp lạnh, đốt điện, chiếu tia phóng xạ, liệu pháp corticoide hay phẫu thuật… gần đây phương pháp điều trị bằng laser được áp dụng đã thu được nhiều kết quả tốt với rất ít biến chứng. Trong các loại laser, laser Nd: YAG với đặc tính xuyên sâu và gây hiệu ứng quang đông rộng đã được ứng dụng nhiều trong điều trị u mạch máu ở da trẻ em. Phương pháp điều trị: Dùng laser Nd: yag với công suất 20 - 40 W, thời gian xung 0,5 - 1 giây, diện tác dụng (spot size): 2 mm chiếu từng điểm vào bề mặt u sao cho sau khi chiếu xuất hiện màu trắng đục ở diện chiếu của bề mặt u, và cứ làm như vậy cho đến khi hết diện tích u cần điều trị. Sau khi chiếu xong sát trùng và bôi mỡ kháng sinh và tiếp tục theo dõi. Sau 3 tháng, dựa trên hiệu quả làm hết u và mức độ tổn thương da như sẹo, rối loạn sắc tố…ta thu được kết quả sau: Hiệu quả làm hết u Tổn thương da Tốt Hết u > 70% diện tích u Da bình thường, sẹo mờ Trung bình Hết u từ 50 - 70% diện tích u Sẹo sấu hoặc rối loạn sắc tố Kém Hết u < 50% diện tích u Sẹo lồi, sẹo phì đại Nhận xét: Cho đến nay đã có rất nhiều phương pháp điều trị u mạch máu ở da trẻ em như phẫu thuất, đốt điện, áp lạnh, chiếu xạ, tiêm gây xơ hóa, đè ép, …điều đó nói lên tính chất phức tạp và khó khăn trong việc điều trị u mạch máu. Việc ứng dụng laser trong điều trị u mạch máu ở da trẻ em mà đặc biệt là laser YAG đã đem lại nhiều kết quả khả quan. Laser Nd: YAG có bước sóng 1064 nm được các phân tử protein hấp thụ nhiều, khi chiếu vào mô có khả năng tán xạ rộng vì thế gây ra hiệu ứng quang đông là chủ yếu. Theo các nghiên cứu khi chiếu vào da, laser Nd: YAG có thể xuyên sâu từ 5 đến 7 mm. Vì vậy laser Nd: YAG có thể gây đông vón, bít tắc được các mạch máu ở sâu trong u da nên có thể tác dụng cao trong điều trị u mạch máu ở da trẻ em. Điều này thể hiện rõ ở hiệu lực điều trị hết u ở tất cả các bệnh nhân tuy với mức độ khác nhau. Tuy nhiên để làm hết tổn thương u bằng laser Nd: YAG không phải là khó nhưng vừa làm hết u vừa trả lại sự phục hồi bình thường cho da là luôn luôn khó khăn do tổn thương nhiệt của laser với da là điều không tránh khỏi. Hơn nữa điều này có thể còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kỹ thuất điều trị, đặc điểm u, đặc điểm bệnh nhân… Tài liệu tham khảo Cơ sở kỹ thuật laser – Trần Đức Hân- Nguyễn Minh Hiển Giáo trình vật lý điện tử – Phùng Hồ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật – Lê Huy Tuấn Laser và thiết bị y học - Trần Ngọc Liêm Tương tác của bức xạ laser với tổ chức sống - Đỗ Kiên Cường và Vũ Công Lập Laser : theory and practice – John Hawkes and Ian Latimer Laser safety – York University Laser script Mục lục Lời nói đầu 1 Chương I: Lý thuyết chung về laser 3 I: Laser là gì? 3 II: Nguyên lý hoạt động của laser 3 2.1:Các hiện tượng quang học cơ bản 3 2.1.1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 4 2.1.2: Hiện tượng phát xạ tự do 5 2.1.3: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức 5 2.2: Nguyên lý hoạt động của laser 6 2.2.1: Nguyên lý 6 2.2.2: Quá trình bơm 7 2.2.3: Buồng cộng hưởng 9 III: Các tính chất cơ bản của laser 12 3.1: Độ định hướng cao 12 3.2: Tính đơn sắc rất cao 12 3.3: Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser 13 3.4: Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn 13 3.5: Công suất phát laser 13 IV: Phân loại laser 14 4.1: Phân loại theo môi trường hoạt chất. 14 4.2: Phân loại theo chế độ làm việc. 16 4.3: Phân loại theo bước sóng. 17 4.4: Phân loại theo chế độ an toàn. 17 Chương II: Laser trong y tế 19 I: Tương tác của laser với tổ chức sống 19 1.1: Cơ chế tương tác của bức xạ laser với tổ chức sống 19 1.1.1: Tương tác laser mô tế bào 19 1.1.2: Phân loại tương tác 23 1.1.3: Tham số vật lý ứng với các dạng tương tác 24 1.2: Sự tán xạ, sự hấp thụ và độ xuyên sâu 26 1.2.1: Sự tán xạ 26 1.2.2: Sự hấp thụ 26 1.2.3: Độ xuyên sâu 28 1.2.4: Kết luận 32 II: ứng dụng kỹ thuật laser trong y học 33 2.1: Giới thiệu chung 33 2.2: Liệu pháp laser quang động học 34 2.3: Liệu pháp laser nhiệt 36 2.3.1: Laser nhiệt trong quang đông 38 2.3.2: Laser nhiệt trong phẫu thuật 38 2.3.3: Laser nhiệt trong tim mạch 39 2.4: Một số ứng dụng khác 40 2.5: Hướng phát triển 41 III: Phân loại các thiết bị laser trong y học 42 3.1: Các thiết bị laser dùng trong chuẩn đoán 42 3.2: Các thiết bị laser dùng trong điều trị 42 3.3: Các hệ laser công suất thấp 43 3.4: Các hệ laser công suất cao 45 IV: An toàn laser trong y tế 48 4.1: ảnh hưởng hiệu ứng sinh học của tia Laser. 48 4.2: Các chuẩn về an toàn. 51 4.3: Phân lớp nguy hiểm cho Laser. 52 4.3.1: Các sản phẩm Laser thuộc lớp I. 56 4.3.2: Các sản phẩm Laser thuộc lớp II. 58 4.3.3: Các sản phẩm Laser thuộc lớp III. 60 4.3.4: Các sản phẩm lớp IV. 61 4.4: Các rủi ro về Laser 62 4.5: An toàn hệ thống Laser 63 Chương III: ứng dụng laser Nd:YAG trong y tế 66 I: Giới thiệu chung về laser rắn 66 1.1: Đặc điểm 66 1.2: Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ 68 1.3: Nguồn bức xạ bơm và hệ thống bơm quang học 72 1.4: Các chế độ phát của laser rắn 74 1.4.1: Chế độ phát tự do 74 1.4.2: Chế độ điều chế hệ số phẩm chất 76 II: Laser Nd: YAG 78 2.1: Đặc điểm 78 2.2: Hệ thống quang học của laser Nd: YAG 82 2.3: Các phương pháp bơm trong laser Nd: YAG 82 III: Khảo sát thiết bị laser Nd: YAG 84 3.1: Giới thiệu về thiết bị 84 3.2: Các đặc điểm và các thông số kỹ thuật 84 3.3: Sơ đồ khối thiết bị 86 3.3.1: Điều khiển hệ thống 86 3.3.2: Điều khiển công suất 87 3.3.3: Hệ dẫn đường phẫu thuật 91 3.3.4: Hệ làm lạnh 93 3.3.5: An toàn hệ thống 94 3.4: Tính ưu việt và ứng dụng y học 95 3.5: Một số kết quả y học ban đầu của việc ứng dụng thiết bị laser Nd: YAG 96 Tài liệu tham khảo 98 Mục lục hình Hình 1.1: Mức năng lượng. 4 Hình 1.2: Hiện tượng hấp thụ. 4 Hình 1.3: Hiện tượng phát xạ tự do. 5 Hình 1.4: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. 5 Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lượng 8 Hình 1.6 : Sự hình thành hồi tiếp dương trong buồng cộng hưởng 10 Hình 1.7: Góc mở của chùm tia laser 12 Hình 1.8. Những Laser chính và bước sóng của chúng. 17 Hình 2.1: Tương tác quang của chùm laser với mô tế bào 19 Hình 2.2: Hệ số hấp thụ của (a): Protein và các acid amin, (b) hồng cầu, (c): melamin, (d): huyết tương 21 Hình 2.3: Liên hệ giữa tần số (trái) và tần số (phải) của hai lớp tế bào hồng cầu (Hệ số hấp thụ của lớp động mạch là 1 cm-1 và 4 cm-1) với lớp thứ hai (không có tán xạ) 22 Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tương tác laser- mô tế bào 22 Hình 2.5: Giản đồ các quá trình quang học thời gian- mật độ công suất laser 24 Hình 2.6: Sơ đồ mật độ năng lượng- thời gian tương tác để cắt mô bằng laser 25 Hình 2.7: Độ xuyên sâu qua da của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng 28 Hình 2.8: Độ xuyên sâu trung bình và 10% của da người 30 Hình 2.9: Sơ đồ khối của laser lý liệu điển hình 44 Hình 2.10: Sơ đồ khối một hệ laser phẫu thuật 47 Hình 2.11: ảnh hưởng của laser tới mắt 48 Hình 2.12: Các dải phổ và hiệu ứng có hại trong từng dải 49 Hình 3.1 : Cấu trúc hệ bốn trạng thái 68 Hình 3.2 : Phân bố nồng độ hạt của hệ bốn mức 69 Hình 3.3 : Nồng độ phụ thuộc vào nhiệt độ 71 Hình3.4 : Sự thay đổi của U, I, P theo thời gian trong nguồn bơm 72 Hình 3.5 : Nguồn bơm quang học 73 Hình3.6 : Phổ phóng điện xung, phổ liên tục và phổ bức xạ công suất lớn của đèn xenon 74 Hình 3.7: Quá trình bức xạ 75 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của DN và r vào thời gian 76 Hình 3.9: Mức năng lượng của neodym trong YAG 78 Hình 3.10: Lược đồ mức năng lượng của Nd: YAG thể hiện các chuyển dịch quan trọng và các mức bơm 79 Hình 3.11: Phổ huỳnh quang của Nd3+ : YAG tại 300 K nhờ chuyển dịch 4F3/2 đ 4I11/2 trong vùng bước sóng 1,06 mm. 80 Hình 3.12: Đường cong phát xạ huỳnh quang của chuyển dịch laser tại bước sóng 1,064 mm 80 Hình 3.13: Hệ thống quang học laser YAG 82 Hình 3.14: Sơ đồ khối thiết bị 86 Hình 3.15 : Hình biểu diễn quá trình điều khiển 90 Mục lục bảng Bảng 1.1: Các thông số vật lý của laser 14 Bảng 2.1: Phân loại tương tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống 23 Bảng 2.2: Tương quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian tác dụng 25 Bảng 2.3 : Sự phát xạ UV-IR- Sự hấp thụ của các mô sinh vật và chiều dài bước sóng laser 27 Bảng 2.4: Độ xuyên sâu của bức xạ laser trong các loại mô chuột(mm) 31 Bảng 2.5 : Năng lượng hấp thụ của các khối u động vật đối với laser Ruby và Nd: YAG 32 Bảng 2.6 : Một số loại laser thông dụng trong y học 37 Bảng 2.7 : Các loại laser lý liệu chính 43 Bảng 2.8 : Các laser tạo hiệu ứng nhiệt 45 Bảng 2.9 : Các laser theo phương pháp quang hoạt hóa 46 Bảng 2.10: Các loại laser tạo hiệu ứng quang bóc lớp 46 Bảng 2.11: Các laser tạo sóng xung kích 46 Bảng 2.12: Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser 52 Bảng 2.13:. Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser 53 Bảng 2.14: Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser. 53 Bảng 2.15: Các giới hạn bức xạ Laser đối với da. 55 Bảng 2.16:. Một vài ví dụ về phân loại rủi ro Laser . 58 Bảng 3.1 : Các đặc điểm của laser Nd: YAG 81 Bảng 3.2 : Dữ liệu chi tiết về các dịch chuyển 81 ._.