ứng dụng laser công suất thấp trong chống viêm cải tiến bộ điều khiển của thiết bị laser heli neon công suất thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA ------ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG LASER CÔNG SUẤT THẤP TRONG CHỐNG VIÊM VÀ CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA THIẾT BỊ LASER HELI-NEON CÔNG SUẤT TH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

- -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG LASER CÔNG SUẤT THẤP TRONG CHỐNG VIÊM VÀ CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA THIẾT BỊ

LASER HELI-NEON CÔNG SUẤT THẤP

Sinh viên: Đinh Thị Nguyệt

Ngành: Kỹ thuật Y sinh Hệ: Đại học Chính quy

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Văn Tuấn

KS Nguyễn Đức Hùng

Hà Nội – Năm 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

- -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG LASER CÔNG SUẤT THẤP TRONG CHỐNG VIÊM VÀ CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA THIẾT BỊ

LASER HELI-NEON CÔNG SUẤT THẤP

Sinh viên: Đinh Thị Nguyệt

Ngành: Kỹ thuật Y sinh Hệ: Đại học Chính quy

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Văn Tuấn

KS Nguyễn Đức Hùng

Hà Nội – Năm 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

I

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Văn Tuấn Bộ môn:

Tên đề tài: “Ứng dụng Laser công suất thấp trong chống viêm và cải tiến bộ điều khiển của thiết bị Laser Heli-Neon công suất thấp”

Sinh viên thực hiện: Đinh Thị Nguyệt Lớp: K13-KTYS

NỘI DUNG NHẬN XÉT

I Nhận xét ĐAKLTN:

- Nhận xét về hình thức: ………

………

- Tính cấp thiết của đề tài: ………

………

- Mục tiêu của đề tài: ………

………

- Nội dung của đề tài: ………

………

- Tài liệu tham khảo: ………

………

- Phương pháp nghiên cứu: ………

………

- Tính sáng tạo và ứng dụng: ………

………

II Nhận xét tinh thần và thái độ làm việc của sinh viên: ………

………

………

………

III Kết quả đạt được: ………

……… Copies for internal use only in Phenikaa University

II

………

………

IV Kết luận: Đồng ý cho bảo vệ: Không đồng ý cho bảo vệ:

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

III

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Giảng viên phản biện: Bộ môn:

Tên đề tài: “Ứng dụng Laser công suất thấp trong chống viêm và cải tiến bộ điều khiển của thiết bị Laser Heli-Neon công suất thấp” Sinh viên thực hiện: Đinh Thị Nguyệt Lớp: K13-KTYS Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Văn Tuấn NỘI DUNG NHẬN XÉT I Nhận xét ĐAKLTN: - Bố cục, hình thức trình bày: ………

………

- Đảm bảo tính cấp thiết, hiện đại, không trùng lặp: ………

………

- Nội dung: ………

………

- Mức độ thực hiện: ………

………

II Kết quả đạt được: ………

………

III Ưu nhược điểm:

IV Kết luận: Đồng ý cho bảo vệ: Không đồng ý cho bảo vệ:

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(Ký, ghi rõ họ tên)

Copies for internal use only in Phenikaa University

IV

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đồ án tập trung vào chủ đề nghiên cứu khả năng ứng dụng của Laser công suất thấp trong kỹ thuật y sinh và cải tiến bộ điều khiển của thiết bị Laser Heli-Neon nhằm tối ưu khả năng vận hành của thiết bị Nội dung của đề tài được chia làm 03 chương, bao gồm:

Chương 1: Tổng quan Trong chương này giới thiệu về tổng quan và đặc tính

của Laser, Laser khí Heli-Neon công suất thấp; nguyên tắc hoạt động và ứng dụng của Laser công suất thấp trong trị liệu

Chương 2: Linh kiện và phương pháp thực nghiệm Chương này trình bày về

các linh kiện và phần mềm cần thiết để cải tiến thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển thiết

bị Laser He-Ne công suất thấp

Chương 3: Kết quả và thảo luận Chương này trình bày về các kết quả thu

được sau khi cải tiến bộ điều khiển thiết bị Laser Heli-Neon công suất thấp gồm sơ

đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in, lưu đồ thuật toán… và kết quả khi kết nối với hệ thống

Copies for internal use only in Phenikaa University

V

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đinh Thị Nguyệt

Mã sinh viên: 19010254 Lớp: K13 - KTYS

Tôi đã thực hiện đồ án/khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Ứng dụng Laser công suất thấp trong chống viêm và cải tiến bộ điều khiển của thiết bị Laser Heli-Neon công suất thấp”

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của: TS Hoàng Văn Tuấn – Giảng viên Trường Đại học Phenikaa và KS Nguyễn Đức Hùng – Trung tâm Công nghệ Laser, Viện Ứng dụng Công nghệ

Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố dưới bất kỳ hình thức nào Nếu phát hiện có bất kỳ hình thức gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Hoàng Văn Tuấn

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

SINH VIÊN

(Ký, ghi rõ họ tên)

Copies for internal use only in Phenikaa University

VI

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài đồ án này, trước tiên em xin gửi đến các quý Thầy, Cô

giáo Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Phenikaa lời cảm ơn chân thành và sâu

sắc vì đã tạo điều kiện cho em được thực hiện đề tài đồ án này Đặc biện, em xin gửi

một lời cảm ơn sâu sắc, biết ơn đến Thầy Hoàng Văn Tuấn – người đã tận tình hướng

dẫn, giúp đỡ em để em có điều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp này

Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo của Trung tâm Công nghệ Laser,

Viện Ứng dụng Công nghệ và cá nhân Kỹ sư Nguyễn Đức Hùng đã tận tình giúp đỡ

và tạo điều kiện cho em có cơ hội học hỏi thêm kiến thức và vận dụng các kiến thức

đã học vào thực tế trong suốt thời gian thực hiện đồ án Trong quá trình làm việc tại

Trung tâm, em đã có cơ hội học tập được thêm nhiều bài học kinh nghiệm quý giá để

em tự tin trong con đường em đã chọn

Vì thời gian còn hạn hẹp cũng như kiến thức còn nhiều thiếu sót nên bài báo

cáo này không thể tránh được những thiếu sót Do đó, em rất mong các quý Thầy Cô

có thể chỉ bảo, đóng góp ý kiến của mình để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kỹ

năng góp phần cho bài báo cáo của em có thể được hoàn thiện tốt nhất có thể

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Copies for internal use only in Phenikaa University

VII

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP IV LỜI CAM ĐOAN V LỜI CẢM ƠN VI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 GIỚI THIỆU VỀ LASER 2

1.1.1 Laser là gì? 2

1.1.2 Một số hiện tượng quang học cơ bản và đặc tính của laser 2

1.1.3 Phân loại laser 4

1.2 LASER CÔNG SUẤT THẤP 6

1.2.1 Laser khí He-Ne 6

1.2.2 Cấu tạo bộ phát laser khí He-Ne 9

1.3 LASER CÔNG SUẤT THẤP TRONG ĐIỀU TRỊ 15

1.3.1 Tương tác của bức xạ laser với mô sinh học 16

1.3.2 Các phản ứng quang hóa trong tương tác laser công suất thấp trên các tổ chức sinh học 18

1.3.3 Ứng dụng laser công suất thấp trong điều trị 23

1.4 KẾT LUẬN 26

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27

2.1 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 27

2.1.1 Vi điều khiển AT89C52 27

2.1.2 IC7805 28

2.1.3 LCD 1602 29

2.1.4 Còi chíp TMB12A05 32

2.1.5 Nút nhấn 32

2.1.6 Opto PC817 34

2.1.7 Transistor 35

2.1.8 Điện trở 36

2.1.9 Thạch anh 12MHz 37

2.1.10 Tụ gốm 38

2.1.11 Tụ hóa 39

Copies for internal use only in Phenikaa University

VIII

2.1.12 Biến trở 3296W 40

2.2 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 41

2.2.1 Phần mềm mô phỏng Proteus 41

2.2.2 Ngôn ngữ lập trình Assembly 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 THIẾT KẾ MẠCH IN 44

3.1.1 Sơ đồ khối 44

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý 48

3.1.3 Thiết kế mạch in 51

3.1.4 Hoàn thành bo mạch 52

3.2 LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH 53

3.3 KẾT NỐI VỚI HỆ THỐNG 55

3.4 KẾT LUẬN 58

KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO XII

Copies for internal use only in Phenikaa University

IX

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình cấu trúc nguyên tử của Bohr và các mức năng lượng [2] 3

Hình 1.2: Các hiện tượng quang học cơ bản [2] 3

Hình 1.3: Sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử He và Ne cùng một số các dịch chuyển bức xạ [4] 7

Hình 1.4: Cấu tạo chung của thiết bị laser khí He-Ne 11

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo của laser khí He-Ne [2] 12

Hình 1.6: Sự phụ thuộc của  vào chiết suất môi trường [9] 13

Hình 1.7: Biểu diễn đường đi của chùm laser qua môi trường đồng nhất [10] 16

Hình 1.8: Phân bố lại năng lượng tia laser đi qua da [10] 17

Hình 1.9: Đặc trưng thay đổi cường độ chùm laser theo chiều sâu trong mô sinh học [10] 17

Hình 1.10: Phản ứng quang hóa lưỡng hợp timin [10] 19

Hình 1.11: Phản ứng quang của các axit nucleic dưới tác dụng chùm laser công suất cao S - các mức năng lượng điện tử đơn; T - các mức năng lượng điện tử bội ba [10] 20

Hình 2.1: Sơ đồ chân AT89C52 [11] 28

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối phần cứng AT89C52 [11] 28

Hình 2.3: Hoạt động và sơ đồ chân của IC7805 [12] 29

Hình 2.4: LCD 1602 màu xanh lá [13] 30

Hình 2.5: Còi chíp TMB12A05 [11] 32

Hình 2.6: Nút nhấn [15] 33

Hình 2.7: Opto PC817[12] 34

Hình 2.8: Sơ đồ chân của opto [12] 35

Hình 2.9: Cấu tạo và sơ đồ chân transistor PNP[14] 36

Hình 2.10: Cấu tạo và sơ đồ chân transistor NPN [14] 36

Hình 2.11: Điện trở [15] 37

Hình 2.12: Ký hiệu điện trở [15] 37

Hình 2.13: Thạch anh 12 MhZ [15] 38

Hình 2.14: Hình ảnh và ký hiệu tụ gốm [15] 39

Hình 2.15: Tụ hoá[12] 40

Hình 2.16: Ký hiệu tụ hóa [11] 40

Hình 2.17: Biến trở 3296W [15] 41

Hình 2.18: Giao diện phần mềm Proteus 42

Copies for internal use only in Phenikaa University

X

Hình 2.19: Phương thức chuyển hóa dữ liệu của ASM [16] 43

Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển thiết bị Laser khí He-Ne 44

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 45

Hình 3.3: sơ đồ bộ xử lý trung tâm 46

Hình 3.4: Khối điều khiển 46

Hình 3.5: Màn hình hiển thị LCD 47

Hình 3.6: Loa phát tín hiệu 47

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn cho IC 48

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển thiết bị Laser khí He-Ne 49

Hình 3.9: Sơ đồ mạch in và sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển Laser He-Ne 52

Hình 3.10: Board mạch đã thi công 53

Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán lập trình bộ điều khiển thiết bị Laser He-Ne 54

Hình 3.12: Sơ đồ khối của một hệ Laser [17] 55

Hình 3.13: Sơ đồ nối của opto với khối điều khiển 56

Hình 3.14: Sơ đồ nối opto với nguồn nuôi [17] 56

Hình 3.15: Bộ điều khiển kết nối với hệ thống 57

Hình 3.16: Mặt trên của bộ điều khiển thiết bị Laser trước và sau khi khởi động 57

Hình 3.17: Bộ điều khiển thiết bị cũ 58

Hình 3.18: Bộ điều khiển thiết bị mới 58

Copies for internal use only in Phenikaa University

XI

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân loại Laser theo môi trường hoạt chất 5

Bảng 1.2: Phân loại Laser theo công suất 6

Bảng 1.3: Danh sách các vạch phát của laser He-Ne [4] 8

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của vi điều khiển AT89C52 [11] 28

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật IC7805 [12] 29

Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật của mà hình LCD 1602 [13] 30

Bảng 2.4: Chức năng của từng chân LCD 1602 [13] 31

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật [11] 32

Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật PC817 [12] 34

Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật biến trở 3296W [15] 41

Bảng 3.1: Sơ đồ nối chân của vi điều khiển AT89C52 với LCD 50

Bảng 3.2: So sánh hai bộ điều khiển trước và sau khi cải tiến 58

Copies for internal use only in Phenikaa University

Laser công suất thấp, điển hình như Laser khí Heli-Neon với những đặc tính nổi trội đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong y tế Việc hiểu rõ bản chất của kỹ thuật, các tương tác đặc trưng của Laser với cơ thể người, nguyên tắc hoạt động của thiết bị nhằm hướng tới sự trị liệu hiệu quả là một vấn đề cần được quan tâm

Copies for internal use only in Phenikaa University

2

1.1 GIỚI THIỆU VỀ LASER

1.1.1 Giới thiệu chung

Laser là viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation được hiểu là “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích” hoặc “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức” [1] Vào năm 1954, Townes – một nhà vật lý người

Mỹ và cùng với Prochorov và Basov là hai nhà vật lý Liên Xô từ việc khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức đã phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser, điều này đã giúp cho ba nhà vật lý trên giành được giải thưởng Nobel Vật lý 1964

Tia laser mà chúng ta thường thấy là một nguồn sáng nhân tạo thu được trong điều kiện các phần tử của môi trường vật chất được kích hoạt cao độ nhờ vào việc bức

xạ phát ra sự khuếch đại ánh sáng Trong thời gian cực ngắn, tia laser có thể tập trung được năng lượng cực lớn dựa vào lợi thế phát xung cực ngắn: tầm khoảng mili giây, nano giây, pico giây

1.1.2 Một số hiện tượng quang học cơ bản và đặc tính của laser

1.1.2.1 Hiện tượng quang học

Vào năm 1943, Bohr (Đan Mạch) đã đề xuất một mô hình nguyên tử (hình 1.1)

có nội dung: các nguyên tử đều được cấu thành từ 1 hạt nhân rất nhỏ được các hạt proton và neuron lấp đầy, neuron và định xung quanh hạt nhân có các điện tử quay quanh theo các quỹ đạo nhất định (hình 1.1a)

Mỗi một năng lượng khác nhau của điện tử sẽ có một quỹ đạo tương ứng, ở quỹ đạo dưới điện tử có năng lượng nhỏ hơn ở quỹ đạo trên Do vậy, các mức năng lượng có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ như hình 1.1b dựa trên mô hình của nguyên

tử Bohr Mức cơ bản là mức năng lượng thấp nhất, còn các mức năng lượng lớn hơn mức cơ bản gọi là mức kích thích

Vì các nguyên tử khác nhau có số điện tử khác nhau nên chúng có số quỹ đạo khác nhau và tương đương là các mức năng lượng khác nhau Giả sử, giống như ở Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1.2: Các hiện tượng quang học cơ bản [2]

năng lượng E, bằng hiệu năng lượng của hai mức Photon có thể bị các điện tử ở mức thấp E1 hấp thụ khi đi vào môi trường và điện tử này có thể nhảy lên mức E2 bằng năng lượng của photon Đây được gọi là hiện tượng hấp thụ (hình 1.2a)

Như vậy, hiện tượng các điện tử mức thấp nhảy lên mức trên bằng quá trình hấp thụ photon được gọi là hiện tượng hấp thụ ánh sáng Hiện tượng hấp thụ luôn làm giảm độ sáng của ánh sáng

Điện tử sẽ trở về mức cơ bản sau một khoảng thời gian khi nhảy lên mức kích thích (có thể nói là là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) [3] Một năng lượng khi trở về mức thấp sẽ được lan tỏa dưới dạng nhiệt (phonon) hoặc ánh sáng (photon) Trường hợp cuối cùng là hiện tượng phát xạ tự do (hình 1.2b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi ra theo mọi hướng

Copies for internal use only in Phenikaa University

4

Phát xạ cưỡng bức xảy ra do các điện tử bị dịch chuyển cưỡng bức dưới tác dụng của các photon dẫn đến các photon phát xạ giống hệt nhau Hiện tượng phát xạ cưỡng bức có tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh ra 2, 2 sinh ra

3, 3 sinh ra 4 (hình 1.2c)

1.1.2.2 Đặc tính của laser

Laser có nguồn phát khác với nguồn phát ánh sáng thông thường, nên nó mang những đặc điểm khác biệt và quan trọng trong nhiều ứng dụng: tính đơn sắc, tính đồng hướng, tính kết hợp và cường độ lớn

Tính đơn sắc: tính chất này đề cập đến đặc hiệu của ánh sáng tại một bước song xác đinh duy nhất Do đó, chỉ có một bước sóng, tương ứng với màu sắc đặc trưng của ánh sáng được phát ra Đây là một đặc tính quan trọng của laser vì nó dẫn đến sự kích thích có chọn lọc ở các mô khác nhau

Tính kết hợp đề cập đến mối quan hệ về pha, tức là tất cả các photon mục tiêu theo pha, kết quả là giá trị tác động của photon đến mô cao, cho phép kích thích hiệu quả ở mức năng lượng tương đối thấp

Tính đồng hướng: do sự kết hợp nên các photon truyền đi theo hướng cực kỳ song song Các tiêu điểm tác động của chúng rất nhỏ, cho phép tập trung năng lượng một cách chính xác

Cường độ cao: công suất của bức xạ laser có thể lên tới hàng tỷ kilowatt/cm2 Hơn nữa, đặc tính này của laser còn được bổ sung bởi các đặc tính đơn sắc, đồng hướng, kết hợp nên nó trở thành đặc tính quan trọng trong các ứng dụng y học

1.1.3 Phân loại laser

Laser có thể được phân loại theo môi trường hoạt chất (bảng 1.1) hoặc theo công suất (bảng 1.2)

Copies for internal use only in Phenikaa University

Laser bán dẫn (laser đi-ốt Gallium Arsen bước sóng

890 nm) sử dụng trong châm cứu

Trong y học laser màu được ứng dụng để điều trị một

số tổn thương hoặc khối u, phá sỏi bằng việc tạo sóng xung kích thích

để kích thích mạch máu, làm laser nội mạch, dựa trên hiệu ứng sinh học để ứng dụng trong vật lý trị liệu Laser Argon với khí Argon là hoạt chất, bước sóng là

488 và 514,5 nm, thường được ứng dụng trong châm cứu và trong nhãn khoa

Laser CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể lên tới megawatt (MW), được ứng dụng làm dao mổ

Copies for internal use only in Phenikaa University

6

Bảng 1.2: Phân loại Laser theo công suất

Loại I Thấp hơn 10

μW

Nằm trong khoảng 400-1400 nm

Không gây tác động xấu tới mắt,

da bởi cả hướng trực tiếp và hướng phát xạ

Nếu thời gian chiếu không quá 0,5s thì laser loại II không gây hại tới mắt và da

tử ngoại

Nếu chiếu quá 0,2s thì laser loại IIIa có gây thiệt hại tới mắt nhưng không gây thiệt hại tới da

Ngay cả khi vụt chiếu qua mắt, các tia tán xạ của laser loại IIIb này cũng có khả năng gây thiệt hại tới mắt Không có khả năng bốc cháy

Loại

IV

Công suất cao Bước sóng nằm

trong và ngoài vùng hồng ngoại

Dễ gây cháy và gây hại cho tới mắt, da cả từ hướng trực tiếp cũng như hướng phát xạ của chùm tia Rất nguy hiểm

1.2 LASER CÔNG SUẤT THẤP

Laser với công suất đầu ra dưới 0.5 W được phân loại là laser công suất thấp (các loại I, II, III) Chúng thường được gọi là “Laser lạnh” vì không tạo ra cảm giác nóng trong quá trình điều trị

1.2.1 Laser khí He-Ne

Laser He-Ne lần đầu tiên do Javan-Bennett chế tạo ngày nay được sử dụng phổ cập trong thực tế sản xuất Laser He-Ne hoạt động trên cơ sở sự truyền năng lượng Copies for internal use only in Phenikaa University

7

Hình 1.3: Sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử He và Ne cùng một số các dịch

chuyển bức xạ [4]

kích thích cộng hưởng giữa nguyên tử He và Ne [3] Bằng va chạm điện tử các nguyên

tử He ở trạng thái cơ bản 11S được chuyển lên các trạng thái siêu bền 21S và 23S Hai trạng thái này nằm rất gần các mức kích thích 3s và 2s của nguyên tử Ne nên nhờ va chạm không đàn hồi loại 1 có sự truyền cộng hưởng năng lượng kích thích từ He sang

Ne (ký hiệu 3s hay 2s là ký hiệu Pashen) và tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức 3s, 2s với các mức 3p, 2p trong Ne (hình 1.3)

Các bức xạ laser điển hình có cường độ lớn là các bức xạ 0, 6328 m ,

Thực tế cho thấy cần phải chú ý đến các tham số làm việc tối ưu ở laser khí He-Ne các quá trình kích thích và tích thoát xảy ra trong chúng khá phức tạp

Copies for internal use only in Phenikaa University

1 1

2

332

15

3 0

332

1

4S    P  

2 1 0

332

14

1 1 0

1

1

2

132

2 0

332

34

0 1 0

1

1

2

132

14

2 1 0

1

1

2

342

15

Với laser He-Ne, các tham số tối ưu được tập trung chú ý là:

- Đường kính ống phóng

- Mật độ dòng phóng điện

- Áp suất riêng phần của Ne hay tỷ số áp suất pHe/pNe

Ta có thể hiểu được nguồn gốc của sự cần thiết phải xác định các tham số tối

ưu này như sau:

Trong Ne trạng thái 1s là trạng thái siêu bền, sự tích thoát của mức này chủ yếu

là nhờ va chạm của Ne với thành bình Khi tăng đường kính ống sẽ giảm bớt xác suất

và chạm với thành bình và tích thoát từ mức 1s giảm, kéo theo dịch chuyển 2p -1s giảm Như vậy sẽ dẫn đến các mức dưới trong dịch chuyển laser là không hoàn toàn Copies for internal use only in Phenikaa University

9

rỗng và hiệu độ tích lũy giảm, công suất phải nhỏ Chính vì thế phải chọn đuờng kính ống nhỏ, tuy nhiên phải phối hợp cả với mất mát nhiễu xạ khi giảm đường kính ống thì ta mới hy vọng tìm được đúng đường kính ống phóng tối ưu được

Điều cần thiết phải biết chọn mật độ dòng phóng là do ở mật độ dòng cao sẽ xảy ra hai quá trình va chạm không có lợi sau:

 s Ne p e Ne

e 1  2  (1)

Và

 s Ne e Ne

2 (2) Quá trình va chạm (1) làm tăng độ tích lũy mức dưới trong dịch chuyển laser còn quá trình va chạm (2) làm giảm độ tích lũy mức trên dịch chuyển laser Kết quả

là sự xuất hiện hai quá trình va chạm này đều làm giảm công suất phát và do đó người

1.2.2 Cấu tạo bộ phát laser khí He-Ne

Về cấu trúc, bộ phát Laser He-Ne là một tổ hợp bao gồm những chi tiết quang học và vi cơ khí chính xác gộp thành ba bộ phận chính gồm hoạt chất, buồng cộng hưởng và bơm kích thích Các ống được hàn kín chiếm đa số: ống ngoài được làm bằng vật liệu thủy tinh được hàn kín ở nhiệt độ cao lên các điện cực ở hai đầu Các gương cũng được hàn lên khung đã gia công để đảm bảo có thể tối ưu hóa sự thẳng hàng Những việc trên nhằm nhằm mục đính ngăn cản khí Heli bị dò dỉ ra ngoài [5],[6],[7],[8]

Một hệ phát tia Laser He-Ne sử dụng trong y tế thường có cấu tạo giống với cấu tạo chung gồm ba phần: môi trường hoạt chất, buồng cộng hưởng và nguồn bơm

1.2.2.1 Môi trường hoạt chất

Copies for internal use only in Phenikaa University

10

Thiết bị Laser He-Ne có môi trường hoạt chất là một hỗn hợp khí gồm khí Heli

và khí Neon Trong đó các nguyên tử Heli đóng vai trò là chất nền còn các nguyên tử Neon đóng vai trò là tâm hoạt chất phát ra Laser Năng lượng của nguyên tử Heli luôn

ở trạng thái kích thích thấp là 21S0 và 23S1 ứng với mức năng lượng nội là 20,61eV và 19,82eV Đây là các mức siêu bền có thời gian sống dài, lại phân bố gần với các mức 3s2 và 2s2 của nguyên tử Neon và sự chênh lệch đó rất nhỏ, cỡ 300cm-1 nên sẽ có hiện tượng truyền kích thích của những nguyên tử Heli sang nguyên tử Neon đây điểu kiện tạo nghịch đảo mật độ để tạo ra Laser

Hơn nữa, xác suất truyền kích thích theo chiều từ Heli sang Neon và từ Neon sang Heli là bằng nhau nhưng tỷ lệ truyền thì lại tỷ lệ với nồng độ của trạng thái xuất phát Do đó để quá trình truyền kích thích chủ yếu xảy ra theo chiều từ Heli sang Neon, thì xác suất riêng phần Heli phải luôn luôn lớn hơn của Neon Khi tăng quá lớn

áp suất khí Heli thì áp suất hỗn hợp khí sẽ tăng lên và do đo sẽ làm giảm nhiệt độ điện

tử Vậy tỷ số tối ưu của áp suất riêng phần của Neon và Heli thường vào khoảng 1:5 tới 1:15

1.2.2.2 Buồng cộng hưởng

Buồng cộng hưởng quang học là một trong ba thành phần cơ bản của Laser Buồng cộng hưởng có hai chức năng: thứ nhất là thành phần chứa môi trường hoạt tính của Laser, thứ hai là thành phần để cho tia sáng đi lại nhiều lần trong môi trường hoạt tính, nhờ thế mà có thể khuếch đại tia sáng lên được

Với Laser khí He-Ne, bên trong vỏ bọc là buồng cộng hưởng, gồm một ống có chất liệu là thủy tinh hoặc thạch anh có gắn một ống mao dẫn cực kỳ thẳng và hai đầu đặt hai gương Hình 1.4 là cấu tạo thực tế của buồng cộng hưởng laser He-Ne được chụp tại Trung tâm Công nghệ Laser

Copies for internal use only in Phenikaa University

11

Hình 1.4: Cấu tạo chung của thiết bị laser khí He-Ne

Dùng Kovar để làm Anode vì vật liệu này có hệ số tương tự thủy tinh Dùng kim nhôm tinh khiết để làm Cathode Bề mặt, độ dày và chất lượng của cathode sẽ gây ảnh hưởng tới ống Laser về công suất tối ưu và thời gian sống Có thể dùng cửa

sổ Brewster đặt ở hai đầu ống khi cần chùm Laser phân cực thẳng Công suất ra còn

có thể bị ảnh hưởng nhiều bởi đường kính ống phóng Thể tích của hoạt chất sẽ tăng lên nếu đường kính ống phóng lớn và nếu các điều kiện khác là tối ưu thì có thể tăng được công suất ra một cách rõ ràng Nhưng đường kính ống tăng thì nhiệt độ điện tử

sẽ tăng kéo theo đó sẽ làm giảm nồng độ điện tử của các nguyên tử siêu bền và độ nghịch đảo sẽ bị giảm Mâu thuẫn về thể tích hoạt chất và nhiệt độ điện tử trên sẽ dẫn đến việc phải chọn ra được một đường kính ống phóng tối ưu Nhưng đường kính ống phóng tối ưu này lại phụ thuộc vào chiều dài ống phóng, khi ống càng dài thì đường kính ống càng lớn Với chiều dài 1 mét thì đường kính ống khoảng 7mm Các mâu thuẫn trên đã được nghiên cứu để giải quyết bằng cách chế tạo ống phóng có tiết diện elip, bởi vì nhiệt độ điện tử phụ thuộc vào sự khuếch tán các hạt diện tích ra thành ống, vì vậy bán kính nhỏ của elip sẽ làm nhiệm vụ tăng thể tích hoạt chất Bằng cách giải quyết đó có thể tăng được công suất bức xạ của laser Tỷ lệ giữa hai bán trục của elip thường chọn vào khoảng 1 ÷ 4 nếu lớn hơn sẽ gây ra hiện tượng kém ổn định Sơ

đồ minh họa chi tiết bên trong của buồng cộng hưởng Laser khí He-Ne nhằm để phân tích cấu tạo chi tiết bên trong được đưa ra như hình 1.5 Copies for internal use only in Phenikaa University

12

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo của laser khí He-Ne [2]

Ở hai đầu buồng cộng hưởng có đặt hai gương Với gương vào G1 có hệ số phản xạ r1 = 1 là gương phản xạ toàn phần và gương ra G2 có hệ số phản xạ r2 < 1 còn được gọi là gương phản xạ bán toàn phần Gương Laser cần được đặt sao cho chúng thật sự song song với nhau Người ta thường đặt gương trong những giá gương

và nhờ vào những giá này mà ta có thể điều chỉnh gương đến độ song song cần thiết Trong Laser khí, cách bố trí gương được đặt theo cấu trúc kiểu gương ngoài sẽ có nhiều ưu điểm vì hệ thống điều chỉnh gương đơn giản, không đòi hỏi độ kín chân không Khi đó ống phóng Laser sẽ có độ bền cao hơn vì nó không gắn với những linh kiện bằng kim loại của giá đỡ gương, do kim loại dễ tác dụng với khí và làm giảm chất lượng của khí Chế tạo ống phóng cũng khá đơn giản vì không phải hàn nối giữa thủy tinh với kim loại Bên cạnh đó, độ bền của gương lớn hơn nhiều so với trường hợp gương đặt ở trong ống vì mặt gương không bị ion bắn phá, mặt khác trong chân không cao những lớp phủ ở mặt gương có thể bị bong ra Ngoài ra có thể dễ dàng thay thế riêng rẽ gương và ống phóng khi chúng bị hỏng, đồng thời có thể dễ dàng đặt vào trong buồng cộng hưởng những linh kiện điều chế hoặc chọn lọc những dịch chuyển bức xạ cần thiết Chính vì những ưu điểm kể trên mà hiện nay các Laser khí chủ yếu được chế tạo theo kiểu gương ngoài Tuy vậy trong thực tế cũng gặp nhiều khó khăn trong chế tạo, mà vấn đề cơ bản là tiêu hao ở đầu của ống phóng điện Bởi vì ở hai Copies for internal use only in Phenikaa University

13

Hình 1.6: Sự phụ thuộc của  vào chiết suất môi trường [9]

đầu ống ngoài việc phải đảm bảo chất lượng bề mặt cao còn phải đảm bảo tiêu hao ít Đầu ống phóng thường được gắn những tấm thủy tinh phẳng song song Tiêu hao ở đây cơ bản là hai mặt phẳng của tấm thủy tinh đó xuất hiện phản xạ mà góc tới, vào chiết suất và vào dạng phân cực của tia sáng là các yếu tố quyết định hệ số phản xạ từ

bề mặt phân cách bởi hai môi trường có chiết suất khác nhau

Sự phụ thuộc  = f(n) được biểu diễn dưới hình 1.6 với những giá trị n thường gặp

Nếu tia sáng đập vuông góc với tấm phẳng có hai mặt song song nhau thì tiêu hao sẽ chỉ phụ thuộc vào chiết suất của tấm phẳng đó và được xác định theo công thức sau:

2 1 200

1

n n

    



  (3)

Trong đó: n – là chiết suất của phiến;

 - là hệ số suy giảm tính theo phần trăm

Có thể thấy tiêu hao ở tấm phẳng khá lớn từ 7 ÷ 43% Tiêu hao lớn sẽ làm buồng cộng hưởng quang học bị giảm hệ số phẩm chất và sẽ hạn chế sự tự kích phần lớn những dịch chuyển trong chất khí

Copies for internal use only in Phenikaa University

14

Trong kỹ thuật Laser người ta dùng phương pháp sau để giải quyết vấn đề trên

Ta đã biết bất cứ bức xạ có dạng phân cực nào cũng có thể coi như xếp chồng của hai bức xạ phân cực thẳng vuông góc nhau Nếu pha của hai bức xạ thành phần này trùng nhau thì tổng của chúng sẽ là bức xạ phân cực thẳng (hướng của mặt phân cực tổng hợp được xác định bởi tỷ số biên độ của những bức xạ phân cực thành phần) Nếu những bức xạ phân cực thành phần lệch pha nhau một góc không đổi thì bức xạ tổng

sẽ là bức xạ elip Bức xạ tự nhiên không phân cực cũng có thể coi như xếp chồng hai bức xạ có phân cực vuông góc nhau, trong đó biên độ của những bức xạ thành phần bằng nhau, còn hiệu pha của chúng thì biến đổi hỗn loạn

Thời gian sống của Laser công suất thấp như Laser He-Ne rơi vào khoảng

15000 giờ đến 25000 giờ và kém hơn đối với laser công suất cao Điện áp một chiều được sử dụng từ 1000W đến 2000W, dòng cỡ 10mA Công suất Laser He-Ne trên thị trường hiện nay thường là từ 1mW đến 50mW Kích thước ống từ 25cm đến 200cm, trọng lượng từ 600g đến 30kg

1.2.2.3 Nguồn bơm

Trong Laser khí nói chung, cũng như Laser khí He-Ne nói riêng, những nguyên

tử hoặc phân tử khí va chạm với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài tạo thành hiệu ứng được sử dụng để tạo điều kiện nghịch đảo nồng độ Do những điện tử bị va chạm nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp (10- 2 ÷ 1mmHg) sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa Trường hợp kích thích hóa được quan tâm nhiều, khi đó va chạm sẽ dẫn tới những điện tử của nguyên tử hoặc phân tử nhận được năng lượng sẽ dịch chuyển lên những mức kích thích, tức là mức năng lượng cao hơn Những mức kích thích dịch chuyển tự phát xuống mức cơ bản sẽ bức xạ năng lượng làm chất khí phóng điện sáng lên như trong các đèn ổn áp có khí, đèn Thyatron… Chính những nguyên tử hoặc phân tử kích thích hóa này trong Laser khí sẽ tạo nên nghịch đảo nồng độ và cho bức xạ cảm ứng Người

ta có thể thực hiện bằng phóng điện hoặc bằng năng lượng cao tần hoặc bằng điện áp một chiều Ngoài ra còn có thể tạo nghịch đảo nồng độ bằng phương pháp bơm dòng Copies for internal use only in Phenikaa University

- Nguyên tử kích thích va chạm với điện tử trong đó điện tử nhận năng lượng từ nguyên tử (va chạm loại 2)

- Va chạm nguyên tử - nguyên tử giữa Heli và Neon trong hỗn hợp khí He-Ne

- Nguyên tử va chạm với thành ống phóng điện

- Bức xạ tự phát

Từ những quá trình kích thích và hồi phục xảy ra trong laser khí He-Ne mà chúng ta chọn bơm bằng phương pháp phóng điện Tức ở gần hai đầu ống phóng người ta thường đặt vào hai điện cực Khi chúng ta đặt dòng phóng với Iphóng ~ 2÷20mA thì độ nghịch đảo bắt đầu xảy ra Nếu sau đó chúng ta tiếp tục tăng dòng phóng thì mật độ điện tử trong plasma sẽ tăng lên và những quá trình kích thích sẽ tăng lên điều đó được khảo sát trong vật lý phóng điện chất khí Vật tốc của quá trình tương tác giữa hai hạt Heli và Neon là:

Trong đó: nHe, nNe là nồng độ các hạt khí Heli và Neon

vHe-Ne là vận tốc trung bình của hạt Heli đối với hạt Neon

qHe-Ne là tiết diện hiệu dụng của quá trình Khi đó công suất bức xạ của laser sẽ tăng Tuy nhiên nếu dòng phóng tăng cỡ vài trăm miliampe thì laser sẽ ngừng phát

Laser công suất thấp được sử dụng bởi một số nhà vật lý trị liệu để điều trị các tình trạng bệnh lý y học như một phương pháp không xâm lấn sử dụng nguồn ánh Copies for internal use only in Phenikaa University

16

Hình 1.7: Biểu diễn đường đi của chùm laser qua môi trường đồng nhất [10]

sáng Laser công suất thấp ảnh hưởng đến chức năng của các tế bào mô liên kết, đẩy nhanh quá trình sửa chữa mô liên kết và hoạt động như một chất chống viêm

1.3.1 Tương tác của bức xạ laser với mô sinh học

1.3.1.1 Phản xạ, hấp thụ và truyền qua trong môi trường đồng nhất

Khi chiếu chùm laser lên mô xảy ra ba hiện tượng:

- Phản xạ được đặc trưng bởi thông lượng hợp phần phản xạ của chùm laser px

- Hấp thụ được đặc trưng bởi thông lượng hợp phần hấp thụ của chùm laser ht

- Truyền qua được đặc trưng bởi thông lượng hợp phần truyền qua của chùm laser tq

Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng của các thông lượng hợp phần bằng thông lượng chùm laser tới:

px + ht + tq = t (5) Trên hình 1.7 là sơ đồ thể hiện sự phân bố của các thông lượng hợp phần Mối tương quan giữa các hợp phần phụ thuộc vào bước sóng và tính chất của môi trường

1.3.1.2 Phản xạ, hấp thụ và tán xạ trong da

Tương tác chùm laser với các mô sinh học thường được bắt đầu qua tiếp xúc với da Sự phân bố lại năng lượng tia laser trong da được thể hiện bằng sơ đồ trên hình 1.8 Do bị phản xạ từ một số lớp ở da mà phản xạ tổng có thể đạt tới 50% Copies for internal use only in Phenikaa University

17

Hình 1.8: Phân bố lại năng lượng tia laser đi qua da [10]

Hình 1.9: Đặc trưng thay đổi cường độ chùm laser theo chiều sâu trong mô sinh học

[10]

1.3.1.3 Định luật Bouger đối với sự thay đổi năng lượng bức xạ theo chiều sâu mô

Khi sử dụng các laser phẫu thuật, trong đa số các trường hợp độ xuyên sâu của chùm laser bé hơn hoặc cùng bậc với đường kính chùm tia bởi vậy có thể bỏ qua tán

xạ Khi đó sự thay đổi cường độ chùm tia theo chiều sâu được xác định bởi hấp thụ

và được mô tả dựa trên định luật Buger (hình 1.9)

I = Io.exp (-H) (6) Trong đó: I – Cường độ bức xạ ở độ sâu H

Io – Cường độ bức xạ trên bề mặt mô sinh học (tổ chức)

α – Hệ số hấp thụ Copies for internal use only in Phenikaa University

1.3.2.1 Các phản ứng quang hóa của axit nucleic

Trong vùng bước sóng ngắn hơn 320 nm, các phân tử axit nucleic có khả năng hấp thụ ánh sáng Cực đại phổ hấp thụ của chúng nằm gần 260 nm, nhưng nhánh phổ hấp thụ về phía sóng dài hơn đạt tời 310 – 315 nm Biến đổi quang hoá của các phân

tử trên khá đa dạng và phức tạp Bây giờ chúng ta xem xét các thương tổn quang của các axit nucleic

Trong các axit nucleic các gốc pirimidin là không ổn định nhất, còn các gốc purin và phần dư các bon của các axit nucleic có độ ổn định cao hơn Tiến bộ đáng kể trong quang hoá các axit nucleic được bắt đầu sau khi phát hiện phản ứng lưỡng hợp quang hoá của timin trong DNK Lưỡng hợp timin đó là sự hợp nhất quang đồng hoá trị của hai phân tử cùng với sự tham gia của 2 liên kết kép thuộc các nguyên tử các bon thứ 5 và thứ 6 Giữa các gốc hình thành vòng xiclobutan C4H8 (hình 1.10)

Mối quan tâm tới phản ứng trên tăng đột ngột sau khi phát hiện vai trò chủ đạo của nó trong thương tổn các phân tử DNK Ví dụ, từ các trực khuẩn coli đã chứng minh, 50% tác dụng làm mất hoạt tính của chiếu tia tử ngoại đạt được là do lưỡng hợp timin, 50% còn lại là do các phản ứng quang hoá khác

Thương tổn quang của DNK có thể được khắc phục (hồi phục) nhờ các phản ứng trong tối hoặc các phản ứng quang hoá Thông thường sự hồi phục trong tối xảy

ra cùng với sự tham gia của các men theo cơ chế “cắt” các sợi DNK bị thương tổn, cùng với sự thay thế chúng tiếp theo bằng các chất nền tái sinh Quá trình này vô cùng phức tạp và hiện tại đã biết được trên 50 các men khác nhau tham gia vào qúa trình hồi phục trong tối của DNK Người ta cũng đã biết được các phản ứng “hàn gắn” các sợi DNK bị thương tổn dưới tác dụng của ánh sáng nhìn thấy - các quá trình được gọi Copies for internal use only in Phenikaa University

19

Hình 1.10: Phản ứng quang hóa lưỡng hợp timin [10]

là tái kích hoạt quang Tái kích hoạt quang xảy ra cùng với sự tham gia của các protit

- quang phân ly đặc biệt Các protit quang phân ly không có tính hấp thụ trong vùng phổ nhìn thấy, nhưng chúng tạo ra tổ hợp chất nhuộm với các lưỡng hợp (dime) xiclobutan thuộc các gốc pirimidin Trong các phức hệ như vậy ánh sáng nhìn thấy gây ra phân rã các dime cùng với tái tạo lại các gốc ban đầu Đôi khi hàn gắn các sợi DNK bị thương tổn xảy ra nhầm lẫn và dẫn tới xuất hiện các đột biến

Các hiện tượng mới về chất được xác nhận khi sử dụng ánh sáng laser công suất cao Trong các phòng thí nghiệm quang hoá với các nguồn ánh sáng thông thường, cũng như trong tự nhiên dưới tác dụng ánh sáng mặt trời, thường là xảy ra hấp thụ một phôtôn Điều này được trình bày trong định luậtquang hoá thứ hai: mỗi một phân tử tham gia vào phản ứng hoá học, xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, hấp thụ một lượng tử bức xạ và lượng tử này gây ra phản ứng quang hoá Định luật thứ hai được thực hiện bởi vì thời gian sống của các phân tử kích thích - điện tử bé và thông thường người ta sử dụng công suất ánh sáng tác dụng không lớn Bởi vậy nồng

độ của các phân tử kích thích - điện tử thấp và khả năng chúng hấp thụ thêm một lượng tử có xác suất vô cùng bé Tuy vậy, nếu tăng cường độ chiếu ánh sáng, thì có khả năng xảy ra hấp thụ hai lượng tử Ví dụ chùm laser xung công suất cao bước sóng

≈ 266 nm chiếu lên dung dịch DNK gây ra ion hoá các phân tử DNK, tương tự như khi chiếu chùm tia  Chiếu chùm tia tử ngoại công suất thấp không gây ra ion hoá

Đã xác định rằng, khi chiếu các laser xung có độ rộng xung picogiây (30ps) hoặc nanogiây (10ns) với cường độ lớn hơn 1010 W/m² lên các dung dịch lỏng axit nucleic hoặc các gốc của chúng gây ra các chuyển mức điện tử và được kết thúc bằng sự ion hoá các phân tử (hình 1.11)

Copies for internal use only in Phenikaa University

20

Hình 1.11: Phản ứng quang của các axit nucleic dưới tác dụng chùm laser công suất cao S - các mức năng lượng điện tử đơn; T - các mức năng lượng điện tử bội

ba [10]

1.3.2.2 Thương tổn quang của các protit

Trong protit, bức xạ tử ngoại thuộc vùng bước sóng ở đoạn giữa (320-280 nm) chủ yếu được các phần tử của axitamin: triptopan và tirozin hấp thụ Từ các axit amin

có hương sau khi hấp thụ các phôtôn, lúc đầu xảy ra tách thoát các điện tử (ion hoá quang) cùng với hình thành các gốc tự do: gốc cation của axit amin (AH+ ) và điện

tử sonvát hoá (e- ):

AH h  AH* → AH+ + e- (7) Trong đó AH và AH*, tương ứng là axitamin trong các trạng thái không kích thích và trạng thái kích thích điện tử Điện tử được gọi là Son vat hoá nếu như nằm trong tổ hợp với các phân tử chất bao quanh (chất dung môi) Gốc cation axit hoạt hoá

và dễ dàng bị phân ly thành proton và gốc trung tính tức là xảy ra tách nguyên tử hydro:

AH+ → A + H+ (8)

Do có tính không ổn định nên các gốc trung tính chịu các biến đổi tiếp theo Lúc này có thể xảy ra biến tính không chỉ các phần dư triptotophan và tirozin hấp thụ ánh sáng, mà kể cả các phân tử khác nằm bên cạnh Nói một cách khác, protit có thể quang tăng nhậy chuyển hoá các phân tử khác

Chất quang tăng nhậy – chất làm tăng độ nhậy của các tổ chức sinh học đối với ánh sáng

Copies for internal use only in Phenikaa University

21

Các phản ứng quang tăng nhậy xảy ra cùng với sự tham gia của điện tử son vat hoá Các axit amin chứa lưu huỳnh có ái lực điện tử lớn và chúng nhanh chóng bị phân huỷ từ kết quả tương tác với các điện tử son vát hoá, bị tách khỏi vòng chất hương Điện tử son vát hoá có thể bị oxi phân tử bắt cùng với sự xuất hiện Supeoxit (02-) - một trong những dạng hoạt hoá của oxi

1.3.2.3 Các phản ứng quang tăng nhạy

Thông tin khá lý thú có được khi so sánh các hiệu ứng của tia tử ngoại với các hiệu ứng của bức xạ ion hoá ví dụ như bức xạ Rơngen Từ lâu chúng ta đã biết, một

số dạng thương tổn DNK xuất hiện dưới tác dụng của bức xạ Rơngen đồng nhất với các thương tổn do chiếu tia tử ngoại gây ra Thông thường các hiệu ứng sinh học xuất hiện do tác dụng tia tử ngoại bước sóng thấp hơn 320 nm, hầu như không phụ thuộc vào sự tồn tại của oxi Trong khi đó dưới tác dụng của bức xạ ion hoá xuất hiện “hiệu ứng oxi" đáng kể Ví dụ, để tiêu diệt tế bào khi có sự hiện diện của oxi chỉ cần liều bức xạ Rơngen nhỏ hơn ba lần so với khi chiếu bức xạ Rơngen không có sự hiện diện của oxi là đạt yêu cầu Người ta đã xác định rằng, thương tổn DNK bởi bức xạ ion hoá xảy ra chủ yếu theo cơ chế không trực tiếp, bức xạ chủ yếu bị nước hấp thụ, xảy

ra ion hoá nước, hình thành các gốc tự do tấn công các phân tử đóng vai trò quan trọng

về mặt sinh học

Bức xạ tử ngoại vùng sóng dài (320 – 400 nm) không bị DNK hấp thụ, thế nhưng dưới tác dụng của nó DNK bị thương tổn và xuất hiện đột biến Như vậy, thương tổn DNK dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại vùng sóng dài, xảy ra không trực tiếp và theo chu trình của các phản ứng quang tăng nhậy Đóng vai trò là các chất quang tăng nhậy nội sinh có thể là các phân tử porfirin, hấp thụ bức xạ trong vùng bước sóng 320 400 nm Hiệu suất của bức xạ tử ngoại vùng sóng dài thấp hơn nhiều bậc so với bức xạ tử ngoại vùng sóng ngắn, nhưng điều này được bù lại bởi cường độ của nó trong ánh sáng mặt trời cao hơn đáng kể, cũng như độ xuyên sâu đáng kể của chúng trong da Dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại vùng sóng dài, đặc trưng thương tổn DNK thay đổi và trở thành tương tự với các hiệu ứng của bức xạ ion hoá: giảm phần thương tổn do hình thành các dime xiclobutan của các gốc pirimidin, và gia tăng Copies for internal use only in Phenikaa University

Gốc tự do hoạt tính nhất đó là gốc hydrooksin OH Sự xuất hiện của nó có thể

là do hệ quả của một dẫy các sự kiện sau đây Trong các phản ứng dạng 1 xảy ra truyền điện tử từ phân tử chất tăng nhậy bị kích thích lên oxi cùng với tái tạo Superokxit (O2-) Thường thì Superokxit với sự tham gia của men Superokxitdismutasa (SOD) bị phân ly, cho ta hydro peroxit:

O2- + O2- + 2H+ SOD H2O2 + O2 (9) Tác dụng độc tố tế bào của hydroperoxit được gây nên là do từ hydro peroxit cùng với sự tham gia của sắt hoá trị hai có thể hình thành các gốc hydro hoạt hoá:

H2O2 + Fe2+ → OH + OH- + Fe3+ (10) Thêm một chế phẩm vô cùng hoạt tính được hình thành từ hydro peroxit khi

có sự tham gia của men mieloperoksidasa đó có thể là hipochlorit:

Cl- + H2O2 mieloperoksidasa OCl- + H2O (11) Gốc hydro hoạt hoá với hiệu suất cao gây ra oxi hoá các lipit không bão hoà (RH), nằm trong thành phần của các màng sinh học

OH + RH → H2O + R (12) Sau sự kiện này tiếp theo là phản ứng oxi hoá peroxit dây chuyền của các lipit không bão hoà:

Copies for internal use only in Phenikaa University

và trong các phản ứng phân nhánh của các phản ứng dây chuyền oxi hoá lipit bởi peroxit Các sự kiện quang hoá phân tử được mô tả trên đây, khởi động các phản ứng trong tối và cuối cùng dẫn tới tiến triển các hiệu ứng quang sinh

1.3.3 Ứng dụng laser công suất thấp trong điều trị

1.3.3.1 Nhiễm trùng có mủ và những vết loét lâu liền sẹo

Vết thương mưng mủ và loét nhiễm trùng lâu lành là một bệnh cận lâm sàng thường gặp trong các bệnh viện Sử dụng laser He-Ne, các thuốc kinh điển đã cho một hiệu quả lý tưởng nhất trong điều trị mặt bệnh này Chiếu lên viết thương chùm ánh sáng laser He-Ne không làm ảnh hưởng tới thành phần cấu trúc của vi khuẩn cũng như tính chất sinh học của vi khuẩn trên vết thương Nhưng nó biểu hiện rõ hoạt động kích thích thực bào, làm giảm đi tính chất sinh bệnh của tụ cầu, làm hồi sinh tổ chức biểu mô, giảm đau đớn và phù nề rõ rệt Những tính chất thuận lợi này của laser He-

Ne đặt cơ sở cho việc sử dụng laser He-Ne vào điều trị bệnh nhiễm trùng có mủ

Laser công suất thấp cũng được sử dụng điều trị cho các bệnh nhân có ổ áp xe

ở những vị trí khác nhau, các vết thương mô mềm bị nhiễm trùng, các vết mổ mưng

mủ, viêm tuyến vú… đều cho kết quả tốt

1.3.3.2 Điều trị các bệnh ngoài da

Sử dụng laser He-Ne, laser CO2 năng lượng thấp điều trị các vết loét loạn dưỡng ở da do nhiều nguyên nhân khác nhau Laser công suất thấp có tác động lên hoạt tính quá trình tái sinh, giảm đau trong các ổ bệnh lý, hoạt tính các quá trình trao đổi chất trong thành phần các tế bào tại chỗ chiếu laser và sự thay đổi chung cũng như Copies for internal use only in Phenikaa University

Người ta sử dụng laser He-Ne kết hợp với laser He- Cd điều trị cho các bệnh nhân với tổn thương viêm bì da thần kinh, Eczema, vẩy nến Kết hợp hiệu ứng hai bước sóng cho ta kết quả điều trị có hiệu quả các bệnh ngoài da, đặc biệt là các tổn thương gây dị ứng da

1.3.3.3 Điều trị các bệnh niêm mạc khoang miệng và mô quanh răng

Xuất phát từ hiệu ứng kích thích sinh học của laser công suất thấp nhiều bệnh

lý của niêm mạc miệng và mô quanh răng đã được điều trị có kết quả cao Những áp dụng của laser He- Ne trong điều trị nha chu viêm và bệnh của niêm mạc khoang miệng như: Herpes ở môi, viêm lợi, viêm miệng Herpes, áp xe cấp tính, viêm miệng Herpes tái phát, viêm miệng áp xe tái phát, viêm lợi tróc vẩy, ban đỏ rỉ dịch đa dạng, chấn thương niêm mạc khoang miệng, ….Nhiều tổn thương viêm ở vùng hàm mặt và khoang miệng cũng được các tác giả sử dụng laser công suất thấp để điều trị: mụn nhọt ở mặt trẻ em, viêm quanh răng, viêm nang răng, viêm tấy và áp xe, viêm khớp

và thoái hoá khớp, các bệnh viêm nhiễm tuyến nước bọt, chấn thương mặt hàm, rối loạn dây thần kinh tam thoa…

Từ dữ liệu của các kết quả điều trị có thể rút ra các kết luận:

- Laser He-Ne có hiệu quả điều trị gần với tác dụng của các thuốc điều trị hiệu quả nhất, nhưng không gây ra các phản ứng phụ

- Kết hợp hai bước sóng laser He- Ne và laser He – Cd cho ta kết quả tốt

- Kết hợp laser He-Ne, laser He- Cd và các thuốc trong chuyên khoa cho ta hiệu quả điều trị cao nhất

1.3.3.4 Điều trị bệnh Tai – Mũi – Họng cấp và mãn tính

Copies for internal use only in Phenikaa University