khảo sát tác động của ánh sáng hồng ngoại gần chiếu từ bề mặt da lên vùng mô tuyến tiền liệt

o Tìm hiểu về các thông số quang học của tuyến tiền liệt, bao gồm độ hấp thụ và phân tán ánh sáng trong dải bước sóng cận hồng ngoại.. • Mô phỏng sự hấp thụ và phân tán ánh sáng cận hồ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN TRẦN ĐẠI NGHĨA

KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI GẦN CHIẾU TỪ BỀ MẶT DA LÊN VÙNG MÔ TUYẾN TIỀN LIỆT

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật Mã số: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Trần Trung Nghĩa Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Trần Anh Tú Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Thế Thường Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Huỳnh Quang Linh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM ngày 28 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch Hội đồng: TS Lý Anh Tú

2 Thư ký: TS Phạm Thị Hải Miền 3 Phản biện 1: TS Nguyễn Thế Thường 4 Phản biện 2: PGS TS Huỳnh Quang Linh 5 Ủy viên: TS Nguyễn Trường Thanh Hải

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Phan Trần Đại Nghĩa MSHV: 1970749 Ngày, tháng, năm sinh: 31/07/1993 Nơi sinh: Bình Định

I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI GẦN CHIẾU

TỪ BỀ MẶT DA LÊN VÙNG MÔ TUYẾN TIỀN LIỆT

STUDY ON THE EFFECTS OF NEAR-INFRARED LIGHT IRRADIATION FROM THE SKIN SURFACE ON PROSTATE

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mục tiêu

• Xây dựng mô hình ba chiều dạng lưới của tuyến tiền liệt từ ảnh MRI/CT

• Nghiên cứu giải phẫu và các thông số quang học của tuyến tiền liệt trong dải bước sóng cận hồng ngoại từ 850 nm đến 1.064 nm

• Lựa chọn chương trình mô phỏng phù hợp để mô phỏng sự hấp thụ và phân tán ánh sáng cận hồng ngoại trong tuyến tiền liệt

• Phân tích, xử lý và đánh giá kết quả mô phỏng Các bước thực hiện

• Xây dựng mô hình ba chiều dạng lưới của tuyến tiền liệt

o Sử dụng phần mềm Mimic Research hoặc ISO2MESH để đọc ảnh MRI/CT của tuyến tiền liệt

o Chỉnh sửa và chuẩn hóa ảnh để loại bỏ nhiễu và tạo ra mô hình tuyến tiền liệt chính xác

o Xuất mô hình tuyến tiền liệt dưới dạng tệp lưới

• Nghiên cứu giải phẫu và các thông số quang học của tuyến tiền liệt

o Tìm hiểu về giải phẫu của tuyến tiền liệt, bao gồm kích thước, hình dạng, vị trí và các cấu trúc bên trong

o Tìm hiểu về các thông số quang học của tuyến tiền liệt, bao gồm độ hấp thụ và phân tán ánh sáng trong dải bước sóng cận hồng ngoại

• Lựa chọn chương trình mô phỏng phù hợp

o So sánh các chương trình mô phỏng 2D và 3D về khả năng mô phỏng sự hấp thụ

o Lựa chọn chương trình mô phỏng phù hợp với mục tiêu nghiên cứu

• Mô phỏng sự hấp thụ và phân tán ánh sáng cận hồng ngoại trong tuyến tiền liệt

o Sử dụng chương trình mô phỏng đã lựa chọn để mô phỏng sự hấp thụ và phân tán ánh sáng cận hồng ngoại trong tuyến tiền liệt

o Điều chỉnh các thông số mô phỏng để mô phỏng chính xác sự hấp thụ và phân tán ánh sáng trong tuyến tiền liệt

• Phân tích, xử lý và đánh giá kết quả mô phỏng

o Sử dụng các phương pháp phân tích, xử lý và đánh giá kết quả mô phỏng để đánh giá sự hấp thụ và phân tán ánh sáng cận hồng ngoại trong tuyến tiền liệt

o So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm để xác nhận độ chính xác của mô phỏng

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 4/09/2023

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2023

IV HỌ VÀ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS Trần Trung Nghĩa, TS Trần Anh Tú

Tp HCM, ngày tháng năm 2024

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Trần Trung Nghĩa TS Trần Anh Tú PGS TS Huỳnh Quang Linh TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

TS Lê Xuân Đại

• Quý thầy cô Khoa Khoa học Ứng dụng, đặc biệt là Bộ môn Vật lý Kỹ thuật, đã truyền đạt cho tôi những kiến thức nền tảng hữu ích cũng như những kiến thức chuyên ngành để có thể thực hiện tốt đề tài luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

• Bạn bè và gia đình, những người luôn ở bên động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Tôi xin cảm ơn sự yêu thương và ủng hộ của các bạn bè và gia đình Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Tôi xin hứa sẽ tiếp tục học tập, nghiên cứu và phấn đấu để đạt được những thành tích cao hơn trong tương lai

Trân trọng,

Học viên thực hiện

Phan Trần Đại Nghĩa

TÓM TẮT

Phì đại tuyến tiền liệt lành tính là một bệnh lý phổ biến ở nam giới trung niên và cao tuổi, gây ra nhiều triệu chứng khó chịu như tiểu khó, tiểu đêm, tiểu buốt, tiểu rắt, Các phương pháp điều trị hiện nay như phẫu thuật, dùng thuốc, đều có những hạn chế nhất định, như chi phí cao, tác dụng phụ,

Phương pháp quang trị liệu là một phương pháp điều trị mới, sử dụng ánh sáng có cường độ thấp để tác động lên các tế bào đích, từ đó giúp cải thiện các triệu chứng của bệnh PBM đã được chứng minh là có hiệu quả trong điều trị một số bệnh lý, bao gồm cả BPH

Trên cơ sở đó, đề tài luận văn đã Khảo sát tác động của ánh sáng hồng ngoại gần từ bề mặt da lên vùng mô tuyến tiền liệt Đề tài sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để khảo sát sự lan truyền của ánh sáng hồng ngoại gần (NIR) trong mô tuyến tiền liệt

Kết quả nghiên cứu cho thấy, ánh sáng NIR có thể xuyên qua mô tuyến tiền liệt với độ sâu khoảng 10 mm Bước sóng NIR 850 nm và 1.640 nm đều có thể tác động đến các tế bào đích trong tuyến tiền liệt Vị trí chiếu tốt nhất là vùng dưới đáy tuyến tiền liệt

Kết quả nghiên cứu của đề tài này góp phần tạo nền tảng cho việc phát triển phương pháp quang trị liệu điều trị BPH Kết quả nghiên cứu cũng mang tính định hướng trong việc thiết kế, chế tạo các thiết bị quang trị liệu

We investigated the effects of near-infrared (NIR) light delivered through the skin to the prostate tissue Using Monte Carlo simulations, we assessed NIR light penetration at wavelengths of 850 nm and 1640 nm, targeting various irradiation locations based on 3D models constructed from MRI/CT images and the finite element method We also experimented with different pulse regimes

In the past, our research revealed that NIR (Near-Infrared) light had the ability to penetrate prostate tissue to depths of up to 10 mm Both 850 nm and 1640 nm wavelengths were observed to efficiently reach the target cells within the prostate This investigation serves as a foundational step towards creating PBM (Photobiomodulation)-based therapies for BPH (Benign Prostatic Hyperplasia) The outcomes of this study furnish valuable information for the selection of suitable wavelengths, locations for irradiation, and durations of pulses to enhance therapeutic outcomes Furthermore, they offer direction for the development and production of effective phototherapy devices

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Trung Nghĩa và TS Trần Anh Tú Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về tính trung thực và bản quyền của luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, bạn bè và gia đình đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Học viên thực hiện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do thực hiện đề tài 1

1.1.1 Cơ sở thực tiễn 1

1.1.2 Cơ sở khoa học 2

1.1.3 Tổng quan về phì đại tuyến tiền liệt lành tính 3

1.1.4 Trị liệu laser công suất thấp 4

1.2 Mục tiêu của đề tài 11

1.3 Các nhiệm vụ của đề tài luận văn 12

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG MÔ SINH HỌC 15

2.1 Sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học 15

2.2.1 Tạo các biến số ngẫu nhiên 21

2.2.2 Sự lan truyền photon 24

2.2.3 Chiếu chùm photon 26

2.3.2 Monte Carlo ba chiều (xyz) 34

2.3.3 Phân đoạn hình ảnh và tái tạo cấu tạo 3D 35

2.3.4 Chia lưới phần tử hữu hạn 36

2.3.5 Phương trình vận chuyển bức xạ (RTE) 37

2.3.6 Chương trình mô phỏng MOSE 39

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI GẦN ĐẾN CÁC VỊ TRÍ BÊN TRONG TUYẾN TIỀN LIỆT 41

4.2 Mô hình ba chiều tái tạo từ dữ liệu ảnh MRI 54

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

5.1 Kết quả đạt được của đề tài 63

5.2 Những hạn chế khi thực hiện đề tài 65

5.3Hướng phát triển 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Phổ hấp thụ của các chromophore chính trong mô sống 5

Hình 1 2: Cơ chế tác dụng sinh học của trị liệu laser công suất thấp 7

Hình 1 3: Trị liệu laser công suất thấp (Low-level laser therapy – LLLT) 7

Hình 1 4: Cơ chế cấp độ phân tử 9

Hình 2 1: Sự tương tác giữa ánh sáng với mô sinh học [21] 16

Hình 2 2: Sự lan truyền ánh sáng vào hai mô có chiết suất n và n’’ 17

Hình 2 3: Mức độ hấp thụ ánh sáng của các thành phần chính trong mô sinh học 19

Hình 2 4: Quá trình tìm được biến số ngẫu nhiên 𝜒 23

Hình 2 5: Sơ đồ mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo 24

Hình 2 6: Kết quả phân đoạn và tái tạo mô hình 3D ở mô tủy xương bằng phần mềm MIMICS 36

Hình 2 7: Mô hình lưới tứ diện đầu năm lớp được xây dựng bằng hộp công cụ ISO2MESH bao gồm (a) Chất trắng, (b) Chất xám, (c) Dịch não tủy CSF, (d) các lớp da đầu 37

Hình 3 1: Khối dữ liệu MRI 41

Hình 3 2: Mô hình mô phỏng dạng lớp phẳng 42

Hình 3 3: Các bước chính xây dựng mô hình ba chiều bằng ảnh MRI 43

Hình 3 4: Mô hình tuyến tiền liệt được xây dựng bằng ảnh MRI (da (a), mô mỡ (b), cơ (c), xương (d), tuyến tiền liệt (e)) 45

Hình 3 5: Mô hình được chia ở dạng lưới tam giác (da (a), mô mỡ (b), cơ (c), xương (d), tuyến tiền liệt (e)) 46

Hình 3 6: Khối mô hình 3 chiều 47

Hình 3 7: Trường hợp mô phỏng sự lan truyền ánh sáng hồng ngoại gần vào tuyến tiền liệt 48

Hình 4 1: Công suất hấp thụ chuẩn hóa trên đơn vị thể tích ở bước sóng 850 nm 51

Hình 4 3: Mô hình mô phỏng ba chiều ở mô hình tuyến tiền liệt được xây dựng bằng ảnh MRI.

54

Hình 4 4: Sự hấp thụ của mô tuyền tiền liệt ở bước sóng 850 nm 56

Hình 4 5: Sự hấp thụ của mô tuyền tiền liệt ở bước sóng 1064 nm 57

Hình 4 6: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng 850nm 58

Hình 4 7: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt ở bước sóng 1064nm 58

Hình 4 8: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt - góc chiếu chính diện - ở bước sóng 850 nm 59

Hình 4 9: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt - góc chiếu chính diện - ở bước sóng 1064 nm 60

Hình 4 10: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt - từ mặt bên hông - ở bước sóng 850 nm 61

Hình 4 11: Sự phân bố ánh sáng hấp thụ trong mô hình tuyến tiền liệt - từ mặt bên hông - ở bước sóng 1064 nm 61

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1: Thông số các mô 49

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nội dung tiếng Anh Nội dung tiếng Việt Giải thích

từ 700 đến 1.000 nanomet MRI Magnetic Resonance

Imaging

Chụp ảnh cộng hưởng từ

Phương pháp chẩn đoán hình ảnh sử dụng từ trường và sóng vô tuyến để tạo ra hình ảnh chi tiết của các bộ phận bên trong cơ thể

PET Positron Emission Tomography

Chụp cắt lớp phát xạ positron

Phương pháp chẩn đoán hình ảnh sử dụng đồng vị phóng xạ phát ra

positron để tạo ra hình ảnh của các cơ quan và mô trong cơ thể

SPECT Single Photon Emission Computed Tomography

Chụp cắt lớp phát xạ

đơn Phương pháp chẩn đoán hình ảnh sử dụng đồng vị phóng xạ phát ra photon để tạo ra hình ảnh của các cơ quan và mô trong cơ thể

Tomography

Chụp cắt lớp vi tính Phương pháp chẩn đoán hình ảnh sử dụng tia X để tạo ra hình ảnh cắt ngang của các cơ quan và mô trong cơ thể

PBM Photobiomodulation Quang sinh học Phương pháp sử dụng ánh sáng để kích thích các quá trình sinh học LLLT Low-level laser

therapy

Laser công suất thấp Phương pháp điều trị bằng laser công suất thấp

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Lý do thực hiện đề tài 1.1.1 Cơ sở thực tiễn

Tuyến tiền liệt là một bộ phận quan trọng chỉ tồn tại ở nam giới, đó là một thành phần quan trọng của hệ sinh dục nam, chịu trách nhiệm sản xuất tinh dịch và hormone nam Có hình dạng giống như quả óc chó, tuyến tiền liệt nằm ở phía dưới của bàng quang, kết hợp cả tính chất tuyến và cơ Từ bàng quang đến dương vật, niệu đạo đi qua trung tâm của tuyến tiền liệt để dẫn nước tiểu ra ngoài Tuyến tiền liệt chịu trách nhiệm sản xuất tinh dịch, giúp nuôi dưỡng và bảo vệ tinh trùng, và thải ra ngoài dưới dạng tinh dịch trong quá trình xuất tinh [1-3]

Trong lĩnh vực bệnh lý, rối loạn tuyến tiền liệt được chia thành ba loại chính:

• Viêm tuyến tiền liệt: Tuyến tiền liệt bị viêm, sưng lên và nhạy cảm do nhiễm trùng Thường xảy ra ở độ tuổi từ 25 đến 45

• Phì đại tiến tuyến liệt lành tính: Sự phát triển quá mức của tuyến tiền liệt gây áp lực ở niệu đạo, tạo ra vấn đề về tiểu tiện Thường xuất hiện ở giai đoạn tuổi trung niên từ 50 tuổi trở đi

• Ung thư tuyến tiền liệt: Thường xảy ra ở tuổi 50 trở lên, đây là loại ung thư phổ biến ở nam giới, có sự tăng sinh không kiểm soát của tế bào mô Các phì đại thường phát triển ở phần bên ngoài của tuyến tiền liệt

Tăng sinh quá mức và không kiểm soát của tuyến liệt ở cả hai loại rối loạn, phì đại tuyến tiền liệt lành tính và ung thư tuyến tiền liệt, ngày càng trở nên phổ biến hơn ở nam giới trung niên từ 50 tuổi trở lên [1, 4, 5] Đặc biệt, với phì đại tuyến tiền liệt lành tính, tỷ lệ nam giới có triệu chứng chỉ chiếm khoảng 8% ở độ tuổi 30-39, nhưng tăng lên đến 50% ở độ tuổi 50-59 [6] Do đó, vấn đề về tuyến tiền liệt trở thành mối quan tâm sức khỏe cộng đồng, ảnh hưởng đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của nam giới

Trong những năm gần đây, nghiên cứu và áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để điều trị sự tăng sinh không kiểm soát ở cả hai dạng rối loạn trong tuyến tiền liệt là phì đại tuyến liệt lành tính và ung thư tuyến tiền liệt, bao gồm hóa trị, xạ trị… ở các trường hợp ung thư ác tính và sử

ngoại khoa như phẫu thuật ở dạng phì đại tuyến tiền liệt lành tính Mặc dù các phương pháp điều trị này chứng minh được hiệu quả tích cực, nhưng không thể phủ nhận rằng mỗi phương pháp đều có nhược điểm như chi phí cao và tác dụng phụ không mong muốn [7, 8]

Trái lại, các phương pháp điều trị dựa trên ánh sáng như quang điều biến (PBM) hay liệu pháp laser công suất thấp (LLLT) mang lại hiệu quả tích cực trong điều trị mà không gây tác dụng phụ Ngoài ra, với sự phát triển của kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo để mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học, khả năng ánh sáng lan truyền đến mô cần thiết và tác dụng kích thích sinh học đã được chứng minh [9-11] Điều này củng cố sự tin cậy của các phương pháp điều trị bằng ánh sáng như PBM hay LLLT

Ngày nay, với sự phát triển của các kỹ thuật quang học trong việc điều trị và chẩn đoán hình ảnh y sinh, mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học dựa trên kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo được coi là một công cụ mạnh mẽ, mang lại cái nhìn tổng quan trong quá trình điều trị, chế tạo thiết bị và đưa ra sự nhìn nhận cơ bản trong nghiên cứu về chẩn đoán hình ảnh

1.1.2 Cơ sở khoa học

Những năm gần đây, kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo đã trở thành công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học Kỹ thuật này có thể được sử dụng để khảo sát sự lan truyền ánh sáng trong các mô sinh học ở cơ thể người, từ đó đưa ra các ứng dụng trong điều trị, chế tạo thiết bị và chẩn đoán hình ảnh

Trong các nghiên cứu hiện nay, việc mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học thường được thực hiện trên các mô hình cơ bản, trong đó các lớp mô sinh học được giả định song song với nhau Ví dụ, kỹ thuật Monte Carlo để khảo sát sự lan truyền ánh sáng trong các bộ phận khác nhau như khớp gối, đĩa đệm ở lưng, xương đùi và tuyến tiền liệt [11] Nghiên cứu này đã cung cấp các định hướng trong việc điều trị dựa trên phương pháp laser công suất thấp và chế tạo thiết bị Tuy nhiên, các mô hình mô phỏng này vẫn còn hạn chế, chưa mang đầy đủ ý nghĩa trong việc điều trị cũng như cung cấp thông tin hỗ trợ trong việc chế tạo thiết bị hay chẩn đoán hình ảnh Ngoài ra, một số nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật Monte Carlo để mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong các mô hình phức tạp ba chiều Ví dụ, nghiên cứu của S.H El Gohary đã sử dụng kỹ

thuật này để mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong đầu dò quang âm [12] Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ khảo sát mô phỏng ở bước sóng 1.064 nm và ở vị trí chiếu nhất định

Do đó, cần có các nghiên cứu khảo sát sự lan truyền ánh sáng vào trong mô tuyến tiền liệt sâu hơn ở vùng bước sóng cận hồng ngoại ở các vị trí khác nhau ở các dạng xung khác nhau từ liên tục tới dạng xung Các nghiên cứu này sẽ giúp đưa ra các định hướng trong việc nghiên cứu các điều trị tuyến tiền liệt bằng các phương pháp quang trị liệu hay chế tạo các thiết bị

Một số đề xuất cụ thể cho các nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Sử dụng các mô hình mô phỏng ba chiều phức tạp hơn, phản ánh chính xác hơn cấu trúc của mô tuyến tiền liệt

• Khảo sát sự lan truyền ánh sáng ở các bước sóng khác nhau trong vùng cận hồng ngoại, từ đó lựa chọn bước sóng phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể

• Khảo sát sự lan truyền ánh sáng ở các vị trí chiếu khác nhau trong tuyến tiền liệt, từ đó xác định vị trí chiếu tối ưu để đạt hiệu quả điều trị cao nhất

• Khảo sát sự lan truyền ánh sáng ở các dạng xung khác nhau, từ đó lựa chọn dạng xung phù hợp nhất cho từng phương pháp điều trị cụ thể

1.1.3 Tổng quan về phì đại tuyến tiền liệt lành tính

Phì đại tuyến tiền liệt lành tính đề cập đến sự gia tăng về kích thước của tuyến tiền liệt, một hiện tượng thường xuất hiện từ độ tuổi (45 - 50) và phát triển theo quá trình lão hóa, đặc biệt ảnh hưởng đến nam giới ở giai đoạn (60 - 70) và gần 80% ở tuổi trên 80 Vấn đề này đóng góp một phần lớn vào ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống của những người bị mắc bệnh Khi tuyến tiền liệt phì đại lành tính, xuất hiện hai loại triệu chứng chính:

• Triệu Chứng Tắc Nghẽn: dòng nước tiểu yếu, chiếm 91% trên tổng số bệnh nhân; khó khăn khi khởi động tiểu, chiếm 67%; cảm giác còn nước tiểu ngay sau khi vừa tiểu xong, chiếm 60%; són tiểu, chiếm 56%

• Triệu Chứng Kích Thích: tiểu nhiều vào ban đêm, chiếm 90%; tiểu nhiều trong ngày, chiếm 83%; nước tiểu vẫn nhỏ giọt sau khi vừa tiểu xong

Nguyên nhân gây phì đại tuyến tiền liệt lành tính vẫn chưa được xác định một cách rõ ràng đến nay Có nhiều giả thiết, trong đó nổi bật là tác động của nội tiết tố androgen (bao gồm testosterone và các hormone liên quan) Tuy nhiên, hai yếu tố quan trọng không thể bỏ qua là sự tồn tại của tinh hoàn và tác động của tuổi già Nhiều học thuyết về nguyên nhân bao gồm sinh học, xơ cứng động mạch, viêm nhiễm, nội tiết học và các yếu tố thể hình, chủng tộc, xã hội và chuyển hóa dinh dưỡng, nhưng phần lớn vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi [1-8] Đa số học giả hiện nay đều theo quan điểm của học thuyết nội tiết Thực tế, việc loại bỏ tinh hoàn trước thanh niên có thể ngăn chặn sự phát triển của tuyến tiền liệt, và việc cắt bỏ tinh hoàn sau khi tuyến tiền liệt tăng sinh có thể giảm thiểu hiện tượng này

Mặc dù không gây nguy hiểm đến tính mạng, nhưng việc điều trị phì đại tuyến tiền liệt lành tính ở nam giới cao tuổi vẫn là một vấn đề quan trọng và cần thiết, nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân

1.1.4 Trị liệu laser công suất thấp

Trị liệu laser công suất thấp (LLLT) là một phương pháp điều trị sử dụng ánh sáng laser có công suất thấp để kích thích các tế bào trong cơ thể Ánh sáng laser có bước sóng và cường độ phù hợp sẽ đi qua da và tác động đến các tế bào đích, từ đó tạo ra các hiệu ứng sinh học mong muốn Cửa sổ quang học (optical window) ở hình 1.1 là vùng mà các nhóm mang màu chính của mô (nước, melanin, và hemoglobin) có độ hấp thụ thấp hơn so với các vùng khác Nước hấp thụ mạnh ánh sáng ở bước sóng lớn hơn 1100 nm Vì vậy, các ứng dụng LLLT ở người hầu như chỉ tập trung trong vùng màu đỏ và hồng ngoại gần (NIR) 600-1100 nm [13]

Hình 1 1: Phổ hấp thụ của các chromophore chính trong mô sống

Trị liệu laser công suất thấp (LLLT) là một phương pháp điều trị sử dụng ánh sáng laser có công suất thấp (thường dưới 500 mW) để tác động lên các mô sống LLLT đã được chứng minh là có hiệu quả trong điều trị nhiều loại bệnh lý, bao gồm đau, viêm, sẹo, và các bệnh thần kinh Cơ chế tác dụng sinh học của LLLT được chia thành hai loại chính:

• Hiệu ứng quang hóa: Khi ánh sáng laser được hấp thụ bởi các phân tử mang màu (quang thụ thể), các photon sẽ kích thích các điện tử trong phân tử chuyển từ trạng thái năng lượng thấp sang trạng thái năng lượng cao Điều này có thể dẫn đến một số phản ứng hóa học, bao gồm:

o Tăng cường sản xuất ATP: ATP là phân tử cung cấp năng lượng cho các tế bào Khi ATP được sản xuất nhiều hơn, các tế bào sẽ có nhiều năng lượng hơn để thực hiện các chức năng của mình

o Tăng cường sản xuất các yếu tố tăng trưởng: Các yếu tố tăng trưởng là các protein cần thiết cho quá trình sửa chữa và tái tạo mô Khi các yếu tố tăng trưởng được sản xuất nhiều hơn, quá trình lành vết thương và sửa chữa mô sẽ diễn ra nhanh hơn

o Tăng cường hoạt tính của các enzyme: Các enzyme là các protein xúc tác cho các phản ứng hóa học trong tế bào Khi hoạt tính của các enzyme được tăng cường, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra nhanh hơn

• Hiệu ứng quang sinh: Khi ánh sáng laser được hấp thụ bởi các phân tử mang màu, các photon có thể trực tiếp làm thay đổi cấu trúc của phân tử Điều này có thể dẫn đến một số tác dụng sinh học, bao gồm:

o Tăng cường lưu thông máu: Khi các mạch máu giãn ra, lưu thông máu sẽ được cải thiện Điều này có thể giúp giảm đau, viêm, và sưng

o Giảm viêm: Khi các tế bào viêm bị phá hủy, quá trình viêm sẽ được giảm thiểu

o Tăng cường dẫn truyền thần kinh: Khi các thụ thể thần kinh được kích thích, dẫn truyền thần kinh sẽ được cải thiện Điều này có thể giúp giảm đau và cải thiện chức năng thần kinh

Hình 1.2 cho thấy ánh sáng laser (màu đỏ) được hấp thụ bởi các quang thụ thể (màu xanh lá) Các quang thụ thể này có thể nằm trong các tế bào, mô, hoặc dịch cơ thể Khi các quang thụ thể được hấp thụ ánh sáng laser, chúng sẽ kích hoạt các phản ứng hóa học hoặc thay đổi cấu trúc của phân tử, dẫn đến các tác dụng sinh học như đã nêu ở trên[14]

Các tác dụng sinh học của LLLT đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu lâm sàng Một số tác dụng sinh học quan trọng của LLLT bao gồm:

• Giảm đau: LLLT có hiệu quả trong giảm đau cấp tính và mãn tính, bao gồm đau do chấn thương, đau thần kinh, và đau do viêm

• Giảm viêm: LLLT có hiệu quả trong giảm viêm cấp tính và mãn tính, bao gồm viêm khớp, viêm mô tế bào, và viêm da

• Lành vết thương: LLLT có hiệu quả trong thúc đẩy quá trình lành vết thương, bao gồm vết thương do phẫu thuật, vết thương do bỏng, và vết thương do chấn thương

• Sửa chữa mô: LLLT có hiệu quả trong sửa chữa các mô bị tổn thương, bao gồm tổn thương cơ, tổn thương xương, và tổn thương thần kinh

• Cải thiện chức năng thần kinh: LLLT có hiệu quả trong cải thiện chức năng thần kinh ở những người bị tổn thương thần kinh, bao gồm đột quỵ, chấn thương tủy sống, và bệnh Parkinson

Hình 1 2: Cơ chế tác dụng sinh học của trị liệu laser công suất thấp

Hình 1 3: Trị liệu laser công suất thấp (Low-level laser therapy – LLLT)

Hình 1.3 cho thấy một đường cong phản ứng theo liều lượng của LLLT Đường cong này cho thấy mối quan hệ giữa độ chiếu xạ (được biểu thị bằng cường độ laser) và thời gian chiếu xạ (được biểu thị bằng thời gian) với tác dụng sinh học của LLLT

Theo định luật Arndt – Schulz [15], tác dụng sinh học của LLLT phụ thuộc vào cả độ chiếu xạ và thời gian chiếu xạ Nếu độ chiếu xạ quá thấp hoặc thời gian chiếu xạ quá ngắn, thì sẽ không có tác dụng Nếu độ chiếu xạ quá lớn hoặc thời gian chiếu xạ quá lâu, thì tác dụng sinh học có thể bị ức chế Tại điểm tối ưu, độ chiếu xạ và thời gian chiếu xạ sẽ tạo ra tác dụng sinh học tối đa Điểm tối ưu này thường nằm ở trung tâm của đường cong phản ứng theo liều lượng

Tại điểm A, độ chiếu xạ quá thấp và thời gian chiếu xạ quá ngắn Điều này dẫn đến tác dụng sinh học không đáng kể

Tại điểm B, độ chiếu xạ đang tăng lên và thời gian chiếu xạ đang tăng lên Điều này dẫn đến tác dụng sinh học tăng lên

Tại điểm C, độ chiếu xạ và thời gian chiếu xạ đã đạt đến điểm tối ưu Điều này dẫn đến tác dụng sinh học tối đa

Tại điểm D, độ chiếu xạ đang tiếp tục tăng lên và thời gian chiếu xạ đang tiếp tục tăng lên Điều này dẫn đến tác dụng sinh học giảm xuống

Tại điểm E, độ chiếu xạ quá lớn và thời gian chiếu xạ quá lâu Điều này dẫn đến tác dụng sinh học bị ức chế

• Tăng cường sản xuất các yếu tố tăng trưởng: Các yếu tố tăng trưởng là các protein cần thiết cho quá trình sửa chữa và tái tạo mô Khi các yếu tố tăng trưởng được sản xuất nhiều hơn, quá trình lành vết thương và sửa chữa mô sẽ diễn ra nhanh hơn

• Tăng cường hoạt tính của các enzyme: Các enzyme là các protein xúc tác cho các phản ứng hóa học trong tế bào Khi hoạt tính của các enzyme được tăng cường, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra nhanh hơn

Hình 1.4 cho thấy cơ chế cấp độ phân tử của LLLT Các photon bức xạ dải hồng ngoại và đỏ được hấp thụ bởi ti thể, tạo ra ROS và giải phóng NO Các ROS và NO sau đó sẽ kích hoạt phiên mã của các gen cụ thể thông qua việc kích hoạt phiên mã các yếu tố như NF-kB và ATP

Các gốc tự do (ROS) và oxit nitric (NO) là những phân tử có chứa một hoặc nhiều điện tử không liên kết ROS và NO có thể được sản xuất tự nhiên trong cơ thể hoặc do các yếu tố bên ngoài như ô nhiễm không khí, hút thuốc lá, và căng thẳng

ROS và NO có thể có tác động cả tích cực và tiêu cực đối với cơ thể Tuy nhiên, ở mức độ vừa phải, ROS và NO có thể đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh lý bình thường, chẳng hạn như:

• Truyền tín hiệu nội bào: ROS và NO có thể hoạt động như các phân tử tín hiệu, truyền thông tin giữa các tế bào

• Tổng hợp axit nucleic: ROS và NO có thể kích thích tổng hợp DNA và RNA

• Hình thành protein: ROS và NO có thể kích thích tổng hợp protein

• Hoạt hóa enzyme: ROS và NO có thể hoạt hóa các enzyme, thúc đẩy các phản ứng hóa học

• Thúc đẩy chu kỳ tế bào: ROS và NO có thể thúc đẩy quá trình phân chia tế bào

Trong trường hợp LLLT, ROS và NO được sản xuất bởi các ti thể khi chúng hấp thụ ánh sáng laser Các ROS và NO này sau đó sẽ kích hoạt phiên mã của các gen cụ thể, dẫn đến các tác dụng sinh học của LLLT

Các tác dụng sinh học của LLLT đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu lâm sàng Một số tác dụng sinh học quan trọng của LLLT bao gồm:

• Giảm đau: LLLT có hiệu quả trong giảm đau cấp tính và mãn tính, bao gồm đau do chấn thương, đau thần kinh, và đau do viêm

• Giảm viêm: LLLT có hiệu quả trong giảm viêm cấp tính và mãn tính, bao gồm viêm khớp, viêm mô tế bào, và viêm da

• Lành vết thương: LLLT có hiệu quả trong thúc đẩy quá trình lành vết thương, bao gồm vết thương do phẫu thuật, vết thương do bỏng, và vết thương do chấn thương

• Sửa chữa mô: LLLT có hiệu quả trong sửa chữa các mô bị tổn thương, bao gồm tổn thương cơ, tổn thương xương, và tổn thương thần kinh

• Cải thiện chức năng thần kinh: LLLT có hiệu quả trong cải thiện chức năng thần kinh ở những người bị tổn thương thần kinh, bao gồm đột quỵ, chấn thương tủy sống, và bệnh Parkinson

LLLT đã được chứng minh có hiệu quả trong điều trị một số bệnh lý, bao gồm cả phì đại tuyến tiền liệt lành tính (BPH) BPH là tình trạng tuyến tiền liệt tăng kích thước bất thường, gây ra các triệu chứng như tiểu khó, tiểu rắt, tiểu đêm, tiểu không hết [17-19]

Từ đó, ta có thể thấy được cơ chế tác dụng của LLLT trong điều trị BPH có thể liên quan đến các yếu tố sau:

• Kích thích sự sản xuất hormone sinh dục nam

LLLT có thể kích thích sự sản xuất hormone sinh dục nam, bao gồm testosterone và dihydrotestosterone (DHT) Hormone sinh dục nam đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và chức năng của tuyến tiền liệt

• Giảm kích thước và số lượng các tế bào tuyến tiền liệt

LLLT có thể làm giảm kích thước và số lượng các tế bào tuyến tiền liệt Điều này có thể là do LLLT gây ra sự chết tế bào theo chương trình (apoptosis) ở các tế bào tuyến tiền liệt

• Tăng cường lưu thông máu đến tuyến tiền liệt

LLLT có thể giúp tăng cường lưu thông máu đến tuyến tiền liệt Điều này có thể giúp cải thiện chức năng của tuyến tiền liệt

LLLT là một phương pháp điều trị an toàn và hiệu quả trong điều trị BPH LLLT có thể cải thiện các triệu chứng của BPH và làm giảm kích thước tuyến tiền liệt

1.2 Mục tiêu của đề tài

Triệu chứng rối loạn ở tuyến tiền liệt, đặc biệt là phì đại tuyến tiền liệt, đang là một vấn đề đáng quan ngại về sức khỏe trong cộng đồng, đặc biệt là ở nam giới giai đoạn trung niên trở đi, ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cuộc sống Phương pháp PBM (Photobiomodulation) hay LLLT (Low-Level Laser Therapy) được coi là một phương pháp triển vọng trong điều trị phì đại tuyến tiền liệt lành tính

Nhận thức về sự cần thiết trong việc giải quyết các triệu chứng rối loạn tuyến tiền liệt và tiềm năng của quang trị liệu trong điều trị, tác giả của nghiên cứu đã đề xuất đề tài "KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI GẦN CHIẾU TỪ BỀ MẶT DA LÊN VÙNG MÔ TUYẾN TIỀN LIỆT." Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để đưa ra những nhận định ban đầu về bước sóng và vị trí phù hợp trong quá trình điều trị

Kết quả của nghiên cứu này đóng góp vào việc xây dựng một cơ sở cho phương pháp điều trị rối loạn tuyến tiền liệt thông qua quang trị liệu, bao gồm cả việc chọn lựa bước sóng, vị trí chiếu, và dạng xung thích hợp Ngoài ra, kết quả còn có ảnh hưởng lớn đến quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị quang trị liệu

Mặc dù mô phỏng sự truyền tải ánh sáng trong mô sinh học và tuyến tiền liệt không phải là một hướng nghiên cứu mới, nhưng trong đề tài này, tác giả tiến hành khảo sát tại các bước sóng cận hồng ngoại từ 850 nm đến 1.640 nm và tại các vị trí chiếu khác nhau, dựa trên mô hình ba chiều xây dựng từ hình ảnh MRI/CT và phương pháp phần tử hữu hạn Do đó, kết quả của đề tài vẫn đảm bảo tính mới mẻ và mang lại hướng dẫn cho những nghiên cứu mô phỏng tiếp theo

Để đạt được mục tiêu, đề tài đặt ra các công việc cụ thể như xây dựng mô hình ba chiều từ ảnh MRI/CT, nghiên cứu giải phẫu tuyến tiền liệt và thông số quang học trong dải bước sóng từ 850 nm đến 1.064 nm, tìm hiểu về các chương trình mô phỏng 2 chiều như MCML và 3 chiều như MCxyz, MCVM, MOSE, đồng thời phân tích, xử lý và đánh giá kết quả thu được

1.3 Các nhiệm vụ của đề tài luận văn

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, đề tài sẽ thực hiện các công việc cơ bản như sau: Tổng quan về các vấn đề liên quan

• Xây dựng mô hình ba chiều dạng mắc lưới từ dữ liệu hình ảnh MRI/CT

• Nghiên cứu về sự lan truyền và tương tác của ánh sáng trong mô sinh học

• Hiểu rõ về các hiệu ứng của Low-Level Laser Therapy (LLLT) và LLLT trong điều trị phì đại tuyến tiền liệt lành tính

• Phân tích các thông số quang học của các lớp cơ bản trong tuyến tiền liệt

• Hiểu biết về phương pháp mô phỏng Monte Carlo và các chương trình mô phỏng ở dạng 2 chiều hoặc 3 chiều

Các nhiệm vụ này được thực hiện để đảm bảo đề tài có đủ kiến thức và nền tảng vững chắc để thực hiện các nhiệm vụ tiếp theo

Xây dựng mô hình mô phỏng ba chiều

• Sử dụng dữ liệu hình ảnh từ MRI/CT để xây dựng mô hình ba chiều chính xác và đầy đủ

• Áp dụng các phương pháp như Mimic Research hoặc ISO2MESH để tạo mô hình mắc lưới

Các nhiệm vụ này nhằm xây dựng mô hình ba chiều chính xác của tuyến tiền liệt để phục vụ cho việc mô phỏng sau này

Các nhiệm vụ này nhằm tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu, đưa ra kết luận về khả năng ứng dụng của quang trị liệu trong điều trị phì đại tuyến tiền liệt lành tính

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG MÔ SINH HỌC

2.1 Sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học

Khi ánh sáng chiếu tới mô, sự lan truyền của ánh sáng sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm và thông số của thiết bị tạo ánh sáng, cũng như các thông số quang học của mô

Các đặc điểm và thông số của thiết bị điều trị có thể ảnh hưởng đến sự tương tác giữa ánh sáng và mô theo nhiều cách Ví dụ, bước sóng của ánh sáng có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của mô Công suất của ánh sáng có thể ảnh hưởng đến cường độ của ánh sáng chiếu tới mô Diện tích vết của ánh sáng có thể ảnh hưởng đến diện tích bề mặt của mô tiếp xúc với ánh sáng Khoảng cách từ đầu phát đến bề mặt mô có thể ảnh hưởng đến cường độ của ánh sáng chiếu tới mô

Các thông số quang học của mô bao gồm:

• Hệ số hấp thụ: Hệ số hấp thụ mô là đại lượng biểu thị khả năng của mô hấp thụ ánh sáng Hệ số hấp thụ cao có nghĩa là mô hấp thụ nhiều ánh sáng hơn

• Hệ số tán xạ: Hệ số tán xạ mô là đại lượng biểu thị khả năng của mô tán xạ ánh sáng Hệ số tán xạ cao có nghĩa là mô tán xạ nhiều ánh sáng hơn

• Hệ số dị hướng: Hệ số dị hướng mô là đại lượng biểu thị mức độ phân tán của ánh sáng tán xạ bởi mô Hệ số dị hướng cao có nghĩa là ánh sáng tán xạ bởi mô có xu hướng phân tán theo nhiều hướng khác nhau

• Hệ số khúc xạ: Hệ số khúc xạ mô là đại lượng biểu thị mức độ khúc xạ ánh sáng khi đi qua mô Hệ số khúc xạ cao có nghĩa là ánh sáng bị khúc xạ nhiều hơn khi đi qua mô Sự tương tác giữa ánh sáng và mô (hình 2.1) [20]có thể được chia thành ba loại chính: phản xạ, hấp thụ và tán xạ

• Phản xạ: Phản xạ là hiện tượng ánh sáng bị đổi hướng khi gặp một bề mặt Phản xạ có thể xảy ra ở cả bề mặt bên ngoài của mô và ở các bề mặt bên trong của tế bào

• Hấp thụ: Hấp thụ là hiện tượng ánh sáng bị các phân tử trong mô hấp thụ Khi ánh sáng bị hấp thụ, năng lượng của ánh sáng được chuyển thành năng lượng nhiệt hoặc năng lượng

• Tán xạ: Tán xạ là hiện tượng ánh sáng bị đổi hướng khi gặp các hạt nhỏ trong mô Các hạt nhỏ này có thể là các phân tử nước, protein, lipid hoặc các cấu trúc tế bào khác Sự tán xạ trong mô là nguyên nhân của việc các photon bị đổi hướng khi đi qua mô Khi photon tương tác với các hạt vi mô trong mô, hướng truyền của photon có thể bị thay đổi Sự hấp thụ được cho là nguyên nhân của các tính chất hóa học của mô Khi photon bị hấp thụ bởi mô, năng lượng của photon được chuyển thành năng lượng nhiệt hoặc năng lượng hóa học

Khi photon truyền tới mô tại mặt phân cách giữa mô với môi trường, luôn có xảy ra phản xạ một phần và truyền qua một phần Photon còn lại tiếp tục đi vào mô sẽ xảy ra quá trình hấp thụ, tán xạ và cuối cùng có thể truyền qua mô Quá trình tán xạ trong mô có nhiệm vụ thay đổi hướng truyền của photon, giúp mở rộng sự tác động đối với mô Ngoài ra, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong mô cũng là một trong những thành phần quan trọng để thay đổi sự phân bố năng lượng quang học trong mô

Hình 2 1: Sự tương tác giữa ánh sáng với mô sinh học

2.1.1 Sự phản xạ và khúc xạ

Phản xạ và khúc xạ ánh sáng là hiện tượng xảy ra khi truyền ánh sáng trong môi trường có chiết

khúc xạ ánh sáng xảy ra ở ranh giới của hai mô khác nhau Mô sinh học bao gồm nhiều loại khác nhau, nên có các đặc điểm khác với thủy tinh hoặc tinh thể, tuy nhiên ranh giới giữa hai lớp thì không rõ ràng; Chỉ số khúc xạ được thể hiện trên một thể tích mô nhất định, do đó, phản xạ và khúc xạ ánh sáng trong mô sinh học là hiện tượng của nhiều phản xạ và khúc xạ liên quan đến nhiều ranh giới cục bộ và chiết suất Những thay đổi về hướng và biên độ truyền ánh sáng có thể được tính toán bằng cách sử dụng lý thuyết về phản xạ và khúc xạ

Hình 2.2 [21] minh họa các thông số cơ bản khi ánh sáng truyền từ mô chiết suất n thành mô có chiết suất n′, trong đó mặt phẳng biên là mặt phẳng XY trong hệ tọa độ Descartes Hướng của ánh sáng tới, ánh sáng phản xạ và khúc xạ được xác định bởi vectơ sóng k , k′, và k′′ tương ứng Góc giữa ba vectơ sóng và trục Z là θ, θ′, và θ′′, tương ứng

Hình 2 2: Sự lan truyền ánh sáng vào hai mô có chiết suất n và n’’ Ánh sáng khúc xạ truyền trong vật liệu với một chiết suất khác, do đó:

Sự lan truyền ánh sáng trong mô được xác định bởi sự tương tác của nó với các thành phần trong mô Ánh sáng sẽ bị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai vật liệu mô khác nhau Ngoài ra, sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong mô cũng là một trong những thành phần quan trọng để thay đổi sự phân bố năng lượng quang học trong mô

2.1.2 Sự hấp thụ

Sự hấp thụ ánh sáng [22] của một vật liệu có thể được hiểu như chuyển động dao động tắt dần của một vật thể Vật giảm chấn làm giảm tốc độ chuyển động bằng cách chuyển động năng của chuyển động thành các dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt năng sinh ra do ma sát Trong ánh sáng, dao động điện từ lan truyền với sự tắt dần, nó truyền năng lượng điện từ cho các nguyên tử hoặc phân tử trong môi trường truyền Năng lượng điện từ được truyền có thể:

• Tạo ra nhiệt trong môi trường bằng cách tăng năng lượng dao động hoặc năng lượng quay của các nguyên tử hoặc phân tử của nó

• Phát xạ lại từ môi trường dưới dạng huỳnh quang hoặc lân quang

• Gây ra phản ứng hóa học, chẳng hạn như truyền năng lượng phân tử, biến tính, ion hóa, Có những loại lượng tử khác có thể hấp thụ năng lượng ánh sáng, chẳng hạn như phonon và exciton Sự truyền ánh sáng theo hướng z của điện trường có thể được biểu thị bằng phương trình sau:

Trong đó: 𝜇𝑎 là hệ số hấp thụ phụ thuộc nhiều vào bước sóng ánh sáng

Theo định luật Lambert - Beer chiều dài hấp thụ La được xác định là độ dài mà sau đó cường độ ánh sáng trở thành 1/e cường độ ban đầu:

Hình 2 3: Mức độ hấp thụ ánh sáng của các thành phần chính trong mô sinh học

Khi ánh sáng chiếu tới một vật liệu, nó sẽ tương tác với các nguyên tử hoặc phân tử trong vật liệu đó Nếu năng lượng của ánh sáng phù hợp với năng lượng của một trong các mức năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử, thì ánh sáng sẽ bị hấp thụ

Hình 2.3 [23] mô tả độ hấp thụ ánh sáng của các thành phần chính trong mô sinh học, bao gồm:

• Nước: Nước có độ hấp thụ ánh sáng rất thấp ở tất cả các bước sóng Nước có độ hấp thụ ánh sáng thấp do nguyên tử hydro và oxy trong phân tử nước có cùng số electron Khi ánh sáng chiếu vào nước, các electron của nguyên tử hydro và oxy sẽ dao động theo tần số của ánh sáng Tuy nhiên, do số electron của các nguyên tử này bằng nhau nên dao động của các electron này bù trừ cho nhau, làm giảm độ hấp thụ ánh sáng của nước

• Hemoglobin: Hemoglobin là một phân tử protein có chứa sắt Hemoglobin có độ hấp thụ ánh sáng cao ở vùng bước sóng đỏ (600-700 nm) Hemoglobin có độ hấp thụ ánh sáng cao ở vùng bước sóng đỏ do các electron của nguyên tử sắt trong phân tử hemoglobin có thể hấp thụ ánh sáng ở tần số này Khi ánh sáng chiếu vào hemoglobin, các electron của

nguyên tử sắt sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, làm giảm cường độ ánh sáng đi qua hemoglobin

• Melanin: Melanin là một sắc tố có màu đen hoặc nâu Melanin có độ hấp thụ ánh sáng cao ở tất cả các bước sóng, đặc biệt là ở vùng bước sóng ngắn (<400 nm) Melanin có độ hấp thụ ánh sáng cao ở tất cả các bước sóng do các electron của các nguyên tử carbon và nitơ trong phân tử melanin có thể hấp thụ ánh sáng ở nhiều tần số khác nhau Khi ánh sáng chiếu vào melanin, các electron của các nguyên tử này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, làm giảm cường độ ánh sáng đi qua melanin

• Hydroxyapatite: Hydroxyapatite là một khoáng chất có thành phần chính là canxi và photpho Hydroxyapatite có độ hấp thụ ánh sáng cao ở vùng bước sóng ngắn (<400 nm) Hydroxyapatite có độ hấp thụ ánh sáng cao ở vùng bước sóng ngắn do các electron của các nguyên tử canxi và photpho trong phân tử hydroxyapatite có thể hấp thụ ánh sáng ở tần số này Khi ánh sáng chiếu vào hydroxyapatite, các electron của các nguyên tử này sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, làm giảm cường độ ánh sáng đi qua hydroxyapatite

2.1.3 Sự tán xạ

Sự tán xạ ánh sáng trong vật chất là một quá trình rất phức tạp, tuy nhiên, hệ số tán xạ (𝜇𝑠) và yếu tố dị hướng (g) có thể được tính toàn bằng ánh sáng tán xạ trong mô Sự tán xạ được gọi là đàn hồi khi quá trình này không làm mất năng lượng photon và tổng cường độ ánh sáng tới và cường độ ánh sáng tán xạ bằng nhau Sự tán xạ không đàn hồi khi quá trình này liên quan đến sự mất năng lượng của photon Sự tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi có liên quan đến tần số của các phân tử của môi trường nơi photon lan truyền Sự tán xạ trong mô là do các hạt có hai kích thước đặc biệt: các hạt nhỏ hơn bước sóng ánh sáng gây ra tán xạ Rayleigh, các hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng gây ra tán xạ Mie Hệ số tán xạ là đặc điểm của vật liệu làm giảm cường độ tới 1/e sau khi ánh sáng truyền đi chiều dài tán xạ (Ls)

Góc tán xạ (θ) là một góc so với phương truyền ánh sáng Tán xạ Mie chủ yếu là tán xạ về phía trước (∼0) và không phụ thuộc nhiều bước sóng Hệ số dị hướng (g) là cosin trung bình của góc

là như nhau Đối với hầu hết các mô sinh học thì g ∼ 0,9 vậy nên tán xạ Mie cũng chiếm ưu thế hơn tán xạ Rayleigh Hệ số dị hướng có liên quan đến phân phối xác suất (P) dưới dạng một hàm của góc tán xạ được biểu thị bằng hàm pha Henyey-Greenstein:

Chương trình mô phỏng Monte Carlo thường được sử dụng là MCML (Monte Carlo for Layered media) [24]thực hiện mô phỏng ở trạng thái ổn định cho môi trường đục nhiều lớp với chùm photon hẹp vô hạn làm nguồn sáng Trong mô phỏng Monte Carlo, photon được đưa vào mô tại vị trí xác định bởi hệ tọa độ Descartes với tọa độ (x, y, z) = (0, 0, 0) và quỹ đạo được xác định bởi cosin có hướng

Multi-2.2.1 Tạo các biến số ngẫu nhiên

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là phương pháp gắn liền với các biến ngẫu nhiên được tạo ra theo phân bố xác suất xác định Xét biến số ngẫu nhiên χ là một biến cần thiết trong mô phỏng Monte Carlo về sự lan truyền photon qua các lớp mô (hình 2.4) Nó có thể là biến kích thước bước đi s của photon sẽ thực hiện giữa các vị trí tương tác giữa mô và photon, hoặc là biến góc

hàm mật độ xác suất xác định phân phối của χ trong khoảng (a,b) Hàm mật độ xác suất được chuẩn hóa sao cho:

Fξ(ξ) = {

0 if ξ ≤ 0 ξ if 0 < ξ ≤ 1

Hình 2 4: Quá trình tìm được biến số ngẫu nhiên 𝜒

Quá trình đó được thực hiện từ máy tính tạo số giả ngẫu nhiên ξ_1 được tạo từ hàm phân bố xác suất p(ξ), sau đó chuyển thành hàm độ tích lũy p(χ) từ mối quan hệ giữa hàm phân bố và hàm mật độ, từ đó tìm được χ_1

2.2.2 Sự lan truyền photon

Hình 2 5: Sơ đồ mô hình hóa sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Khi khởi chạy chương trình mô phỏng (hình 2.5), photon di chuyển một bước ΔS thì có thể bị tán xạ, hấp thụ, truyền đi hoặc phản xạ Nếu photon bị hấp thụ bởi mô sinh học thì vị trí hấp thụ đó sẽ được ghi nhận Khi photon đến biên, chương trình kiểm tra xem photon có bị phản xạ bên

trong hay thoát ra ngoài Nếu photon bị phản xạ bên trong thì vị trí của photon được điều chỉnh và chương trình tiếp tục, nếu không thì photon thoát ra ngoài và được ghi lại

Với các photon tiếp tục, một phần nhỏ của gói photon (1 - a)w sẽ bị hấp thụ ở từng bước ΔS và cũng được ghi nhận lại sau đó điều chỉnh trọng số của photon Nếu trọng số của photon trên mức tối thiểu thì phần còn lại của gói sẽ được tán xạ theo một hướng khác và lặp lại Còn nếu trọng số nằm ở dưới mức tối thiểu, thì roulette được thực hiện để quyết định photon còn “sống sót” hay không, tức là có được đi tiếp hay kết thúc Nếu photon không tồn tại trong roulette thì một gói photon mới được thực hiện tiếp Tiến trình này sẽ được lặp lại cho đến khi hết số lượng photon xác định ban đầu

Phương pháp Monte Carlo cho phép tính toán mật độ năng lượng bức xạ với độ chính xác cao và có thể áp dụng cho nhiều loại môi trường khác nhau Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế nhất định, bao gồm thời gian tính toán lớn và sự phụ thuộc vào số lượng photon được tạo ra

Trong quá trình tính toán Monte Carlo, hệ số hấp thụ được sử dụng để mô tả khả năng của môi trường hấp thụ ánh sáng Hệ số hấp thụ có thể được tính toán từ thông tin về tần số và loại các tương tác giữa photon và các phân tử trong môi trường Hệ số bức xạ được sử dụng để tính toán lượng ánh sáng được phát xạ lại từ các phân tử trong môi trường Hệ số này phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất của phân tử, cũng như độ dài đường truyền của photon trong môi trường Các hệ số hấp thụ và bức xạ có vai trò quan trọng trong việc tính toán mật độ năng lượng bức xạ trong môi trường Các hệ số này cũng phụ thuộc vào độ dày của môi trường và độ dày này cũng ảnh hưởng đến quá trình lan truyền của photon Độ dày của môi trường có thể được tính bằng cách sử dụng hệ số khả thấu, là tổng của hệ số hấp thụ và hệ số bức xạ

Các hệ số hấp thụ, bức xạ và khả thấu được sử dụng để tính toán xác suất một photon sẽ bị hấp thụ hoặc bị phản xạ lại khi đi qua môi trường Các giá trị xác suất này được sử dụng để tạo ra các sự kiện ngẫu nhiên trong quá trình mô phỏng, đại diện cho quá trình lan truyền của photon trong môi trường

⃗⃗⃗⃗ = 𝑟 ⃗⃗ ∙ y𝜇𝑧

2.2.4 Xác định bước đi của photon và xác định vị trí mới của photon

Kích thước bước đi của photon được tính dựa trên lấy biến ngẫu nhiên theo phân bố xác suất cho đường đi của photon s ∈ [0, ∞), nghĩa là 0 ≤ s < ∞ Theo định nghĩa của hệ số tương tác µt, xác suất tương tác trên một đơn vị cường độ đường trong khoảng (s′, s′+ ds′) là: