Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Ứng dụng Laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị bệnh Alzheimer

Việc điều trị kết hợp ba phương thức sau: Quang trị liệu: chúng tôi sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời do hai loại laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 780nm và 940nm kết hợp với nh

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CHÍNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN ĐỀ TÀI, HOÀN CẢNH HÌNH THÀNH, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM BỆNH SA SÚT TRÍ TUỆ VÀ ĐẶC ĐIỂM BỆNH ALZHEIMER

Đặc điểm bệnh sa sút trí tuệ

1.1.1 Đặc điểm và phân loại:

Theo bác sĩ Philippe Pinel, thuật ngữ "sa sút trí tuệ" lần đầu được sử dụng vào năm 1745 - 1826 Theo Hiệp hội Tâm thần Hoa Kỳ, sa sút trí tuệ (SSTT) đề cập đến sự mất các chức năng nhận thức, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và giao tiếp xã hội SSTT là một rối loạn não đặc trưng bởi sự suy giảm nhận thức khi ý thức bình thường và không có rối loạn cấp tính hoặc bán cấp gây suy giảm nhận thức.

Theo Theo [4], suy giảm nhận thức là tình trạng nặng dần và không thể đảo ngược, biểu hiện rõ nhất là giảm trí nhớ Bên cạnh đó, bệnh còn đi kèm các rối loạn khác như nhận thức, ngôn ngữ, khả năng cử động Tỷ lệ mắc sa sút trí tuệ theo thống kê quốc tế là khoảng 1% ở độ tuổi 65, tăng đáng kể lên 5% ở độ tuổi trên 80.

Các dạng sa sút trí tuệ thường gặp là:

- Sa sút trí tuệ mạch máu (20%)

- Sa sút trí tuệ mạch máu kết hợp bệnh Alzheimer

- Sa sút trí tuệ thể Lewy (15%)

- Sa sút trí tuệ thuỳ trán

- Ngoài ra, còn một số dạng chiếm tỉ lệ thấp như: sa sút trí tuệ do nhiễm độc tố, sa sút trí tuệ do bệnh truyền nhiễm, sa sút trí tuệ do bất thường cấu trúc não bộ…

Giảm trí nhớ là một biểu hiện của bệnh sa sút trí tuệ, tuy nhiên không phải tất cả các trường hợp giảm trí nhớ đều là bệnh này Người cao tuổi thường hay quên, còn được gọi là tình trạng quên lành tính, có nhiều điểm khác với giảm trí nhớ trong bệnh sa sút trí tuệ

Giảm trí nhớ lành tính với các dấu hiệu phổ biến bao gồm đãng trí, suy giảm khả năng tập trung, ghi nhớ ngắn hạn, không nhớ vừa làm việc gì, quên tên người mới gặp Tuy nhiên, phần lớn những tình huống này có thể nhớ lại sau đó tương đối đầy đủ Tình trạng quên thường xuất hiện từng lúc và nghiêm trọng hơn khi căng thẳng hoặc bị thúc ép.

HVTH: HÀ THANH TUẤN 3 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI nhớ bất cứ thứ gì nếu họ chú ý và học Dễ dàng giải quyết sự giảm trí nhớ này bằng các biện pháp nhắc nhở đơn giản (như viết một danh sách, gợi ý )

Giảm trí nhớ làm cho bệnh nhân bực bội và cáu gắt, nhưng không bao giờ ảnh hưởng đáng kể đến các hoạt động nghề nghiệp và xã hội… là những biểu hiện thường gặp của loại giảm trí nhớ này Thật là rất khó chịu khi trí nhớ ngắn hạn trở nên kém chính xác và chậm chạp, nhưng điều đó không phải là biểu hiện của bắt đầu bệnh lý thoái hóa não, và cũng không phải là không thể điều trị Nguyên nhân của tình trạng này là do lão hóa, số lượng tế bào não và chất dẫn truyền thần kinh giảm dần khi tuổi càng lớn, dẫn đến chức năng thần kinh chậm đi

Giảm trí nhớ bệnh lý: Đây là bệnh giảm mất trí nhớ bất thường, khác với giảm trí nhớ do có tuổi Nó thường được chia làm hai nhóm: mất trí nhớ ngược chiều và mất trí nhớ xuôi chiều

- Mất trí nhớ ngược chiều là mất đi những hồi ức về quá khứ Những người bị chấn thương đầu hoặc bị sốc do điện giật có thể bị mất hết trí nhớ về những điều trước khi họ bị sang chấn não, nhưng vẫn duy trì được khả năng nhớ những thông tin mới gần đây Đây là loại mất trí nhớ thường được mô tả trong các câu chuyện trên phim ảnh nhưng rất hiếm khi gặp trong thực tế

Mất trí nhớ xuôi chiều là tình trạng mất khả năng tạo ký ức mới, khiến mọi sự kiện và con người đều trở nên xa lạ Thường đi kèm với giảm khả năng suy luận và tính toán, ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động xã hội và nghề nghiệp Bệnh nhân vẫn nhớ được những gì xảy ra trước khi mất trí, nhưng không thể lưu trữ thông tin mới Nguyên nhân phổ biến gồm chấn thương đầu, tai biến mạch máu não, viêm não và bệnh Alzheimer Vùng não bị tổn thương chính là hồi hải mã thùy thái dương.

1.1.2 Nguyên nhân gây sa sút trí tuệ [4], [5]

Thuật ngữ sa sút trí tuệ “trước tuổi già” (khởi phát trước 65 tuổi) và sa sút trí tuệ

“tuổi già” thường được dùng vào những năm 1960 và 1970 Vào thời điểm đó, bệnh Alzheimer được xem là nguyên nhân chính của sa sút trí tuệ “trước tuổi già” (thường xảy ra ở độ tuổi trung niên), còn sa sút trí tuệ “tuổi già” được nghĩ là do xơ vữa mạch máu não Tuy nhiên các nghiên cứu về giải phẩu bệnh sau này trên các mẫu não các bệnh nhân đã chứng tỏ rằng sa sút trí tuệ “tuổi già” cũng có các thay đổi bệnh học điển hình của bệnh Alzheimer

Theo quan điểm hiện tại, bệnh Alzheimer vẫn là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra chứng sa sút trí tuệ ở mọi lứa tuổi Tuy nhiên, không phải tất cả các trường hợp sa sút trí tuệ đều là bệnh Alzheimer Chứng sa sút trí tuệ được chia thành các nhóm bệnh khác nhau, mỗi nhóm có nguyên nhân, đặc điểm bệnh lý, biểu hiện lâm sàng và phương pháp điều trị riêng biệt Bảng 1.1 trình bày những nguyên nhân chính gây ra chứng sa sút trí tuệ.

Bảng 1.1: Các nguyên nhân chính của sa sút trí tuệ

Trong các nguyên nhân trên, bệnh Alzheimer là nguyên nhân thường gặp nhất Theo các nghiên cứu gần đây, các yếu tố mạch máu có thể góp phần phát triển sa sút trí tuệ trong bệnh Alzheimer Sa sút trí tuệ căn nguyên mạch máu (VaD) là nguyên nhân phổ biến thứ 2 của sa sút trí tuệ Một số ý kiến cho rằng, tỉ lệ bệnh Alzheimer và VaD khác nhau ở các khu vực Ở châu Âu và Bắc Mỹ, trên 50% trường hợp sa sút trí tuệ là bệnh Alzheimer, 12 – 30% trường hợp là VaD Nhưng ở các nước châu Á, VaD thường gặp hơn, chiếm đến 60% trường hợp sa sút trí tuệ Các dạng khác còn lại của sa sút trí tuệ chiếm tỉ lệ nhỏ hơn Tần suất tương đối của các dạng sa sút trí tuệ thường gặp được trình bày trong bảng 1.2 với hai nhóm trước và sau 65 tuổi

HVTH: HÀ THANH TUẤN 5 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI

Bảng 1.2: Tần suất các dạng sa sút trí tuệ thường gặp

1.1.3 Đặc điểm lâm sàng của sa sút trí tuệ [4]

Dựa trên mức độ nặng nhẹ và thời gian mắc phải, người ta phân sa sút trí tuệ làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn sớm: triệu chứng nổi bật là giảm trí nhớ gần (hay trí nhớ ngắn hạn)

Người bệnh sẽ quên chỗ cất đồ dùng cá nhân, nói chuyện thì lặp đi lặp lại một câu nhiều lần, mất đi khả năng diễn đạt một số từ ngữ Sinh hoạt hằng ngày như đi lại, lái xe, quản lí nhà cửa, tiền bạc khó khăn Sự thay đổi về nhân cách, rối loạn cảm xúc, suy giảm khả năng nhận xét cũng là những biểu hiện của sa sút trí tuệ trong giai đoạn sớm

Giai đoạn nhẹ và trung bình: bệnh nhân mất dần khả năng tự thực hiện các sinh hoạt hằng ngày như tắm rửa, mặc quần áo, vệ sinh cá nhân…hoặc thực hiện một cách khó khăn Người bệnh không thể tiếp thu thông tin mới, không thể tự định hướng không gian và thời gian Bệnh nhân không thể nhận thức người và vật xung quanh Việc đi lại rất khó khăn, thường té ngã Các rối loạn về hành vi, nhân cách cũng biểu hiện trong giai đoạn này

Đặc điểm bệnh Alzheimer

Bảng 1.4: Thang điểm test vẽ đồng hồ

1.1.4.2 Chuẩn đoán cận lâm sàng: [4], [8]

Các xét nghiệm thường quy được chỉ định cho tất cả các dạng sa sút trí tuệ như: công thức máu, ion đồ, albumin máu, chức năng thận, chức năng tuyến giáp, nồng độ Vitamin B12…

Các phương pháp điện não đồ EEG hay chuẩn đoán hình ảnh CT, MRI thường được chỉ định tham gia chuẩn đoán đánh giá sa sút trí tuệ Đặt biệt, hình ảnh CT, MRI não có giá trị phân biệt các dạng sa sút trí tuệ Đối với những trường hợp có nêu rõ nguyên nhân đặc biệt của sa sút trí tuệ, một số thăm dò cận lâm sàng chuyên biệt được chỉ định tham gia gồm: khảo sát dịch não tủy, định lượng Fibrinogen huyết tương, đo độ đặc quánh của huyết tương (sa sút trí tuệ mạch máu não), đo nồng độ các thuốc hướng tâm thần trong máu, định lượng Ceruloplasmine máu (bệnh Wilson), sinh thiết thần kinh – cơ, sinh thiết màng não – não

Chuẩn đoán chức năng não bộ bằng PET hay SPECT chủ yếu được thực hiện trong các thí nghiệm nghiên cứu sa sút trí tuệ Hình ảnh SPECT thể hiện sự giảm lưu lượng máu lên não ở thuỳ thái dương và thuỳ trán trước (bệnh Alzheimer), sự giảm lưu lượng máu lên não rải rác hơn (sa sút trí tuệ mạch máu não)…

1.2 Đặc điểm về bệnh Alzheimer [2], [3]

1.2.1 Nguồn gốc căn bệnh Alzheimer Alois Alzheimer là một nhà tâm thần học người Đức, vào đầu thế kỷ 20 (1907) ông ta là người đầu tiên phát hiện ra bệnh lú lẫn (dementia) ở một thiếu phụ 51 tuổi Sau khi

HVTH: HÀ THANH TUẤN 10 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI bệnh nhân mất, ông ta lấy mẫu thử nghiệm (biopsy) não bộ và tìm ra những dấu hiệu bất bình thường là những vết cặn (plaque) ở ngoài tế bào thần kinh và những sợi xơ (tangle) ở trong tế bào thần kinh Plaque và tangle hiện nay là thước vàng để chẩn bệnh lú lẫn Alzheimer Plaque và tangle là những loại proteins bất bình thường (protein amyloid và protein TAU) không tan được, đóng vào các tế bào thần kinh và ảnh hưởng đến sự hoạt động của chúng Ta có thể hình dung những chất này như sét rỉ bao quanh dây điện làm dòng điện chạy chậm lại Khi các chất này ứ đọng nhiều quá thì chúng gây độc (neurotoxicity) cho các tế bào thần kinh và làm cho các tế bào này bị hủy hoại

Bệnh lú lẫn (dementia) là cái tên chung để gọi nhiều căn bệnh khác nhau, trong đó có bệnh Alzheimer chiếm khoảng 65% tổng số bệnh lú lẫn Alzheimer là bệnh thoái hóa cả não bộ không hồi phục, gây nên chứng sa sút trí tuệ ở người cao tuổi, thường khởi phát ở lứa tuổi trên 65 Tổn thương tế bào thần kinh ở vỏ não và những cấu trúc xung quanh làm sa sút trí nhớ, giảm phối hợp vận động, giảm cảm giác, nhận cảm sai , cuối cùng là mất trí nhớ và chức năng tâm thần Đây là bệnh gây tử vong ở người cao tuổi đứng hàng thứ 4 hiện nay, có khoảng 4 triệu người Mỹ và hơn 8 triệu người trên thế giới mắc bệnh Những yếu tố sau đây góp phần tăng khả năng mắc bệnh Alzheimer

- Tuổi: là yếu tố nguy cơ lớn nhất, thường xuất hiện ở người trên 65 tuổi, nhưng đôi khi (hiếm) cũng thấy ở bệnh nhân dưới 40 tuổi trung bình của bệnh là 80 Tỷ lệ bệnh khoảng 1-2% ở lứa tuổi 65, nhưng tăng đến 5% ở nhóm 80 tuổi

- Giới tính: phụ nữ dễ bị bệnh hơn nam giới

- Dân tộc: các dân tộc có tần suất mắc bệnh Alzheimer khác nhau Người da trắng ít mắc bệnh hơn người Mỹ gốc Phi hoặc Tây Ban Nha Người châu Á cũng ít mắc bệnh hơn nơi khác Người ta còn cho rằng bệnh chịu ảnh hưởng của yếu tố môi trường, thí dụ người Nhật sống tại Mỹ có tỷ lệ mắc bệnh cao hơn hẳn so với người Nhật sống tại Nhật

- Cao huyết áp và tăng cholesterol máu: nhiều nghiên cứu cho thấy người có huyết áp tâm thu cao hoặc tăng cholesterol máu sẽ có nguy cơ cao bị Alzheimer

- Hội chứng Down: người bị chứng này sẽ bị Alzheimer khi sống đến 40 tuổi và những bà mẹ sinh con bị Down sẽ có nguy cơ cao bị Alzheimer

Hiện chưa có thuốc điều trị dứt điểm bệnh Alzheimer, chủ yếu là làm giảm tối đa tốc độ phát triển của bệnh Tính tới thời điểm 2008, đã có hơn 500 thử nghiệm lâm sàng

HVTH: HÀ THANH TUẤN 11 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI nhằm tìm ra phương pháp chữa trị bệnh Alzheimer, nhưng vẫn chưa biết có kết quả nào khả quan trong các phương pháp đã được thử nghiệm Trên thị trường hiện có các loại thuốc như hoạt động trên nguyên tắc kích thích não sinh ra nhiều chất Acetylcholine (chất có vai trò dẫn truyền thông tin của não) giúp cải thiện chức năng hoạt động của não, đặc biệt là khả năng ghi nhớ và suy luận, có khả năng cải thiện tình trạng suy giảm trí nhớ và khả năng tư duy của người bệnh Tuy nhiên, các loại thuốc trên chỉ tác động tốt trong giai đoạn sớm của bệnh Bệnh Alzheimer tiến triển nhanh hay chậm phụ thuộc vào việc bệnh được phát hiện và điều trị sớm hay muộn Trung bình, người bệnh có cuộc sống kéo dài khoảng 8-10 năm sau khi được phát hiện bệnh

Một số thói quen sống đã được đưa ra khuyến cáo nhằm phòng ngừa bệnh Alzheimer, nhưng cũng chưa có đủ chứng cớ cho thấy những khuyến cáo này có thể làm giảm sự thoái hóa não Các kích thích thần kinh, thể dục, và một chế độ ăn cân đối đã được khuyến cáo nhằm phòng ngừa cũng như một cách để hỗ trợ điều trị bệnh

Vì bệnh không thể chữa khỏi cho nên người bệnh phải được chăm sóc bởi những người thân trong gia đình Đây quả thực là những áp lực rất lớn về mặt xã hội, tâm lý, sức khỏe, kinh tế đối với cuộc sống của những người chăm sóc Ở các nước phát triển, Alzheimer là một trong những bệnh tốn kém nhất cho xã hội

1.2.3 Nguyên nhân gây bệnh Alzheimer [2]

Nhờ tiến bộ trong lĩnh vực hình ảnh học, người ta đã phát hiện người bị Alzheimer có sự mất tế bào thần kinh và giảm thể tích những vùng não chi phối trí nhớ, vùng đảm nhận tâm thần kinh

Nguyên nhân chủ yếu là do sự tích tụ của mảng bám (do các protein beta-amyloid hợp thành) và đám rối (do các protein TAU hợp thành) quanh tế bào thần kinh noron dẫn đến mất synapse, chết nơron và các phản ứng viêm tổ chức thần kinh Các tổn thương đặc hiệu này xảy ra ở các khu vực khác nhau ở não đặc biệt là vỏ não thùy trán và hồi hải mã thùy thái dương Tổn thương các vùng này sẽ dẫn đến sự thiếu hụt các chất dẫn truyền thần kinh đặc biệt là Acetylcholine - chất được coi là có vai trò cơ bản, thiếu hụt chất này sẽ gây suy giảm nhận thức và trí nhớ ở bệnh nhân Alzheimer Sự suy giảm lượng Acetylcholine này tương ứng với mức độ trầm trọng của bệnh trên lâm sàng Các chất dẫn truyền thần kinh khác cũng thấy có bị rối loạn trong não bệnh nhân Alzheimer (tuy không đặc hiệu) như serotonin, GABA, somatostatine, norepinephine

Bối cảnh hình thành đề tài

Trong phần tổng quan đã trình bày tương đối cụ thể về nguyên nhân, cơ chế bệnh lý và các phương thức điều trị bệnh Alzheimer hiện nay Cho đến nay, bệnh Alzheimer vẫn là nguyên nhân hàng đầu của bệnh lý sa sút trí tuệ của mọi lứa tuổi (trên và dưới 65 tuổi) gây ra tình trạng mất trí nhớ, mất các chức năng nhận thức [2],[3],[5],[6] Từ đó, ảnh hường nhiều đến chất lượng sống và làm việc của người bệnh Bên cạnh đó, bệnh Alzheimer luôn đi kèm với một khoảng ngân sách điều trị khổng lồ và một gánh nặng về thể chất cũng như tinh thần lên bệnh nhân và người thân của họ Các phương thức điều trị đã được đề cập đến bao gồm phương pháp Tây y, châm cứu cổ truyền phương Đông và một vài nghiên cứu ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp tác động lên sự tuần hoàn máu ở não

Từ tổng quan về phương thức điều trị bệnh Alzheimer hiện nay, chúng tôi có một vài nhận xét sau:

Hiện tại, chưa có loại thuốc nào điều trị dứt điểm bệnh Alzheimer Thay vào đó, các phương pháp điều trị hiện nay tập trung vào việc làm chậm tiến trình phát triển của bệnh Trên thị trường, có một số loại thuốc được sử dụng để cải thiện chức năng não bộ, bao gồm cả trí nhớ và khả năng suy luận Những loại thuốc này có khả năng giúp người bệnh Alzheimer cải thiện tình trạng suy giảm trí nhớ và tư duy.

 Tuy nhiên, các loại thuốc trên chỉ tác động tốt trong giai đoạn sớm của bệnh Bên cạnh đó, chi phí cho việc điều trị là rất cao và dễ gây ra các tác dụng phụ

Trong khuôn khổ phòng thí nghiệm Công Nghệ Laser, Khoa Khoa Học Ứng Dụng, ĐH Bách Khoa TP.HCM, đề tài luận văn thạc sĩ "Ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị bệnh Alzheimer" ra đời với mục đích tìm kiếm phương pháp điều trị mới dựa trên công nghệ laser Đề tài này cũng là nền tảng ban đầu cho chương trình nghiên cứu "Nghiên cứu ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp điều trị bệnh Alzheimer" Qua đó, các nhà nghiên cứu mong muốn thiết lập cơ sở lý thuyết vững chắc, thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu quả của phương pháp điều trị mới này.

Mục tiêu luận văn

Xây dựng phương pháp mới trong điều trị bệnh Alzheimer trên nền tảng sử dụng laser bán dẫn công suất thấp.

Nhiệm vụ luận văn

2.3.1 Tổng quan những vấn đề chính liên quan trực tiếp đến đề tài, bao gồm:

 Cơ sở lý thuyết về bệnh Alzheimer

 Các phương pháp điều trị bệnh Alzheimer trên thế giới hiện nay

 Các nghiên cứu ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị bệnh Alzheimer trên thế giới

2.3.2 Tiến hành mô phỏng quá trình chiếu và lan truyền của chùm tia laser công suất thấp từ bề mặt da đầu đến vùng hải mã và vùng hạch nhân nền Meynert bằng phương pháp Monte – Carlo Từ kết quả mô phỏng sẽ chọn ra bước sóng, công suất và thời gian chiếu thích hợp sử dụng trong điều trị bệnh Alzheimer

2.3.3 Xây dựng cơ sở lý luận cho phương pháp điều trị bệnh laser bán dẫn công suất thấp

2.3.4 Xây dựng mô hình thiết bị điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp

2.3.5 Kết quả bước đầu trong nghiên cứu điều trị lâm sàng bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp

 Đóng góp về mặt khoa học của đề tài

 Hướng phát triển của đề tài

PHẦN THỨ HAI KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHIẾU VÀ LAN TRUYỀN CỦA CHÙM

Lời nói đầu

Ý tưởng của phương pháp điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp là sự kết hợp giữa ba phương pháp: quang trị liệu bằng laser bán dẫn tác động trực tiếp lên các vùng não bị tổn thương, quang châm bằng laser bán dẫn tác động lên các huyệt và laser nội tĩnh mạch bằng laser bán dẫn tác động lên dòng máu tĩnh mạch nhằm cải thiện chất lượng dòng máu đến não cũng như điều hoà nội tiết thần kinh, hoạt hoá hệ miễn dịch Đối với phương pháp quang trị liệu bằng laser bán dẫn, hiệu ứng hai bước sóng đồng thời được sử dụng nhằm để các đáp ứng sinh học do hiệu ứng kích thích sinh học mang lại xảy ra nhanh hơn, mạnh mẽ hơn Từ đó, chùm tia có thể lan truyền đến các vùng khác nhau của não:

 Thứ nhất, chùm tia phải xuyên sâu đến vùng hải mã thùy thái dương, vì đây là nơi gắn liền với hoạt động trí nhớ của con người và là vùng bị tổn thương đầu tiên

 Thứ hai, chùm tia phải xuyên sâu đến vùng hạch nhân nền Meynert Đây là nơi sản xuất ra chất dẫn truyền thần kinh Acetylcholine cần thiết cho trí nhớ

Vì vậy, việc lựa chọn bước sóng, công suất và thời gian chiếu thích hợp có ý nghĩa rất quan trọng Và để đạt được mục tiêu này, quá trình mô phỏng sự lan truyền của chùm tia laser công suất thấp từ bề mặt da đầu đến các vùng não bị tổn thương là bước quan trọng để từ đó tiến hành xây dựng mô hình thiết bị điều trị bệnh Alzheimer một cách hiệu quả Một trong những công cụ hiệu quả là phương pháp mô phỏng Monte-Carlo.

Phương pháp Monte carlo

Phương pháp Monte-Carlo được phát triển bởi Nick Metropolis cùng Edward Teller, John Von Neumann, Stanislaw Ulam và Robert Richtmyer giúp giải toán tính sự lan truyền của chùm tia Các photon trong chùm tia sẽ được ghi nhận khi bị tán xạ hoặc hấp thụ.

HVTH: HÀ THANH TUẤN 47 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI làm chủ tịch, đã báo cáo về mô hình tính toán ngẫu nhiên mà tất cả các nhà khoa học có thể sử dụng phục vụ cho công việc nghiên cứu của mình Đó là thuật toán Monte Carlo, do Metropolis đặt tên Sau đây là khái quát về phương pháp Monte Carlo dùng mô phỏng quá trình ánh sáng truyền đi trong mô sinh học

Hình 3.1: Sự lan truyền ánh sáng trong mô sinh học

Chúng ta sẽ tìm hiểu làm thế nào để mô hình hóa sự truyền photon trong môi trường tán xạ như là mô sinh học Đường đi của photon trong mô sinh học là một vấn đề khá phức tạp Khác với photon năng lượng cao như photon của tia X, photon ánh sáng trải qua nhiều lần tán xạ trong mô trước khi được hấp thụ hay thoát khỏi mô Để mô hình hóa sự phân bố ánh sáng trong mô, ta dùng phương pháp Monte Carlo Phương pháp này cho phép ta đo được giá trị vĩ mô

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo đã được dùng để giải quyết các vấn đề vật lý cũng như vấn đề ánh sáng truyền trong mô sinh học Tuy nhiên nó không có một định nghĩa ngắn gọn và chính thức nào Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo là một trong những phương pháp mô phỏng thông dụng nhất hiện nay, nó mô phỏng tính toán các quá trình tự nhiên dựa trên số ngẫu nhiên Quỹ đạo của photon trong mô sinh học được xem như ngẫu nhiên liên tục Mô hình đường đi và hướng đường đi đơn giản là đề cập đến một hạt di chuyển trong một loạt bước, chiều dài và hướng đường đi độc lập với nhau và không phụ thuộc vào các bước trước đó Một mô hình phức tạp hơn đối với sự di chuyển ngẫu nhiên liên tục, hướng đi phụ thuộc vào các bước đó, gọi là sự khuếch tán định hướng

Sự mô phỏng Monte Carlo đưa ra phương pháp giải quyết chính xác và linh động cho quá trình truyền photon trong mô có tán xạ, trong đó các đại lượng vật lý có thể được định lượng đồng thời Phương pháp này mô tả quy luật vi mô của sự truyền photon, trong trường hợp đơn giản nhất, khi phân bố xác suất mô tả bước nhảy của photon giữa hai vị trí tương tác photon-mô cũng như góc lệch trong đường đi của photon khi sự tán xạ xảy ra Tuy nhiên, đây là phương pháp thống kê tự nhiên, nó dựa trên việc tính toán của máy tính về sự truyền một lượng lớn chùm photon (ví dụ: 100000 photon) đòi hỏi thời gian

HVTH: HÀ THANH TUẤN 48 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI tính toán lớn

Mô phỏng Monte Carlo dựa trên thuộc tính quang học vĩ mô được mở rộng đều trên thể tích mô cực nhỏ Thật vậy, có thể xem như toàn bộ mô được mô hình hóa cho những đặc trưng trung bình của sự truyền photon Nghĩa là những quãng đường tự do giữa các vị trớ tương tỏc photon-mụ nằm trong khoảng 10-1000àm, và 100àm là giỏ trị tiờu biểu trong phổ khả kiến và phổ hồng ngọai gần Photon được xem như phần tử cổ điển, cả phân cực hóa và hiện tượng sóng xem như bỏ qua

Mô phỏng Monte Carlo có thể được dùng trong ứng dụng chẩn đoán và chữa bệnh của tia Laser và các nguồn quang học khác trong y sinh Ví dụ, Monte Carlo mô phỏng hệ số phản xạ lan truyền có thể dùng để suy ra thuộc tính quang của mô sinh học, nó có thể phân biệt mô ung thư và mô bình thường Monte Carlo mô phỏng sự tụ năng lượng quang bên trong mô nên có thể tính toán lượng ánh sáng cho liệu pháp chữa bệnh quang động học (photodynamic)

3.2.2 Vấn đề giải quyết và các hệ tọa độ

Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo đề cập đến sự lan truyền của một tia sáng vô cùng hẹp, bắt nguồn như một tia hình chùm nhọn chiếu vuông góc tới mô sinh học nhiều lớp như hình 3.2

Hình 3.2: Hệ trục tọa độ Descartes trên mẫu mô nhiều lớp

Các lớp mô song song nhau, mỗi lớp có chiều rộng vô hạn, được mô tả bằng những thụng số: bề dày, chiết suất n, hệ số hấp thụ à a (cm -1 ), hệ số tỏn xạ à s (cm -1 ) và hệ số bất đẳng hướng g Dù thật sự mô không có chiều rộng vô hạn, ta xét trong điều kiện nó rộng hơn rất nhiều so với độ rộng không gian phân bố photon

Hệ số hấp thụ và hệ số tán xạ là hàm mật độ xác suất (PDF) và nghịch đảo của chúng được xem như là đường đi tự do trung bình (cm) tương ứng với sự hấp thụ và tán

HVTH: HÀ THANH TUẤN 49 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI xạ

Hệ số tương tỏc tổng à t được định nghĩa là tổng của hệ số hấp thụ và hệ số tỏn xạ

Do đó hệ số tương tác biểu diễn số tương tác trung bình của photon trên một đơn vị chiều dài đường đi

Hệ số bất đẳng hướng g là đại lượng liên tục, là giá trị trung bình cosin góc lệch, là góc giữa hướng photon tán xạ và hướng photon tới, xét trên sự tán xạ đơn

Hệ tọa độ ba chiều được dùng trong mô phỏng Monte Carlo Hệ tọa độ Descartes dùng để chỉ ra sự di chuyển photon Gốc tọa độ của hệ này là điểm tới của tia trên bề mặt mô Trục z trực giao với bề mặt và hướng vào phía trong mô, mặt phẳng xy là bề mặt mô

Do tính đối xứng trụ của bài toán, hệ tọa độ trụ được sử dụng để mô tả sự hấp thụ photon như một hàm của bán kính r và độ sâu z Hệ tọa độ trụ đồng gốc và có trục z chung với hệ tọa độ Descartes Bán kính r được sử dụng để biểu diễn phản xạ khuếch tán và truyền qua khuếch tán như một hàm của r và góc α, trong đó α là góc giữa hướng truyền photon và pháp tuyến tới bề mặt mô (trục -z cho phản xạ và trục +z cho truyền qua).

Hệ tọa độ cầu xác định hướng lan truyền của photon, với trục z cùng hướng lan truyền Trong đó, góc lệch θ và góc phương vị ψ đo được do tán xạ Hướng photon được ghi nhận theo dạng cosin trong hệ Descartes.

Hệ thống lưới được thiết lập để ghi nhận các đại lượng vật lý trong mô phỏng Monte Carlo Để ghi nhận (lưu trữ hoặc dán nhãn) sự hấp thụ photon, một hệ thống lưới đồng nhất hai chiều được thiết lập theo phương r và z Lưới được chia thành ∆r và ∆z theo trục r và z Tổng số các phần tử lưới tương ứng theo trục r và z là N r và N z Để ghi nhận sự phản xạ khuếch tán và truyền qua, hệ lưới dồng nhất 2 chiều được lập theo hướng z và α

Các bước chạy chương trình mô phỏng

Chương trình mô phỏng được viết bằng Borland Delphi, dùng để tính sự lan truyền của chùm tia laser từ bề mặt da đầu đến các vùng khác nhau của não theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo (Giải thuật được tham khảo và sửa đổi trên cơ sở mã nguồn chương trình MCSKIN viết bằng Delphi – Luận văn tiến sĩ – “Tương tác của laser bán dẫn làm việc ở dải sóng hồng ngoại gần với công suất thấp lên mô sống ” của cô Trần Thị Ngọc Dung, 2008)

HVTH: HÀ THANH TUẤN 66 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI Các bước thực hiện chương trình mô phỏng:

 Bước 1: Mở giao diện chương trình

 Bước 2: Chọn các giá trị phù hợp cho các tham số: bề dày các lớp (d 1 ,d 2 ,d 3 ), chiết suất mụi trường n 1 và chiết suất trong mụ n 2 , hệ số hấp thụ cỏc lớp (à a1 ,à a2 ,à a3 ,à a4 ), hệ số tỏn xạ cỏc lớp (à s1 ,à s2 ,à s3 ,à s4 ) và hệ số bất đẳng hướng (g 1 ,g 2 ,g 3 ,g 4 ) Chọn đường dẫn đến thư mục lưu kết quả

- Chọn thông số: Ta chọn các thông số cần thiết như bước sóng chiếu, số photon, thông số chia lưới dr, dz

+ Nhấn Wavelength để chọn các bước sóng: 633nm, 780nm, 850nm và 940nm

+ Nhấn NumberPhoton để chọn số photon ban đầu: 1000, 10000, 100000 và 1000000

+ Nhấn grid dr, grid dz để chia lưới: 0.01nm, 0.02nm, 0.05nm

- Kế tiếp đó ta nhấn vào nút START, thực hiện lệnh chạy chương trình

- Khi chương trình chạy xong sẽ cho kết quả:

+ Total Q [i;j] : tổng số photon đã đi vào mô

+ Rdif: tổng số photon đã phản xạ thu được ở bề mặt da

+ Zam: Số lần photon có giá trị z âm

+ Totalref: số lần xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần trong mô

+ Survive: Số lần photon sống sót theo Russian Roulette

+ k: số lần photon không bị phản xạ toàn phần

- Nhấn “ghi vào file” để lưu lại kết quả ở thư mục đã chọn

 Mở các M_file: cs.m, cs1.m và cs2.m để nhập các tham số hệ số hấp thụ, tán xạ, bất đẳng hướng, bề dày và chiết suất

 Nhấn nút RUN để chạy lần lượt các file trên

 File cs.m: vẽ các đường đẳng mật độ công suất ứng với từng bước sóng

 File cs1.m: chọn lấy đường đẳng mật độ công suất ứng với 10 -4 W/cm 2

 File cs2.m: vẽ đường đẳng mật độ công suất 10 -4 W/cm 2 ứng với 4 bước sóng trên cùng một đồ thị

HVTH: HÀ THANH TUẤN 67 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI 3.3.2 Các thông số trong mô phỏng [25], [35]

Trước khi tiến hành mô phỏng, chúng tôi tiến hành đo kích thước tương đối từ bề mặt da đầu đến vùng hải mã và từ bề mặt da đầu đến vùng hạch nhân nền Meynert trên ảnh cộng hưởng từ (MRI) và chụp cắt lớp vi tính (CT) của 10 bệnh nhân tại Trung tâm Y khoa Medic Hòa Hảo.

Kết quả đo đạc như sau:

Stt Tên bệnh nhân Vùng hải mã Vùng hạch nhân nền Meynert

Khoảng cách trung bình 39.7 mm 45.3 mm

Các lớp cần mô phỏng tính từ bề mặt da đầu gồm: da đầu, xương thái dương, vỏ não

& chất xám, chất trắng Bề dày các lớp như sau:

 Lớp da đầu: khoảng 3 mm

 Lớp xương thái dương: khoảng 5 mm

 Lớp vỏ não & chất xám: khoảng 3 mm

 Lớp chất trắng (vùng hải mã): khoảng 30 mm

 Lớp chất trắng (vùng hạch nhân nền Meynert): khoảng 35 mm

Vậy tổng bề dày các lớp tính từ bề mặt da đầu đến vùng hải mã là khoảng 40 mm và đến vùng hạch nhân nền Meynert là khoảng 45 mm

Hình 3.9: Vị trí của một trong hai thùy hải mã (hippocampus) xác định tại các giao điểm

Hình 3.10: Vị trí hạch nhân nền Meynert

Bảng 3.1: Bảng hệ số hấp thụ, tán xạ và bất đẳng hướng các miền trong não ứng với các bước sóng [12], [25], [35]

Hệ số hấp thụ à a (mm -1 )

Hệ số tán xạ à s (mm -1 )

Hệ số bất đẳng hướng g

Kết quả mô phỏng sự lan truyền của chùm tia laser từ bề mặt da đầu đến vùng hải mã

3.4.1 Công suất 5mW – thời gian chiếu 300s

Hình 3.11: Các đường đẳng mật độ năng lượng ứng với bước sóng 633nm

Hình 3.15: Các đường đẳng mật độ năng lượng ứng với mật độ công suất 10 -4 W/cm 2 tại 4 bước sóng

Mật độ công suất (W/cm 2 ) Độ xuyên sâu ứng với mỗi bước sóng (mm)

Bảng 3.2: Độ xuyên sâu ứng với các bước sóng ở công suất 5mW

 Bước sóng 633nm đạt độ xuyên sâu thấp nhất

 Bước sóng 850nm có độ xuyên sâu gần bằng với bước sóng 633nm

 Bước sóng 780nm đạt độ xuyên sâu cao nhất

 Ở mật độ công suất 10 -4 W/cm 2 , các bước sóng đạt được độ xuyên sâu cao nhất, tạo ra hiệu ứng kích thích sinh học

 So với mức công suất 5mW, với các mật độ công suất tương ứng thì công suất 10mW có độ xuyên sâu tốt hơn

 So với mức công suất 5mW và 10mW, với các mật độ công suất tương ứng thì công suất 15mW có độ xuyên sâu tốt hơn

 So với mức công suất 5mW, 10mW và 15mW, với các mật độ công suất tương ứng thì công suất 20mW có độ xuyên sâu tốt hơn

 Ở mật độ công suất 10 -4 W/cm 2 , các bước sóng đạt được độ xuyên sâu cao nhất, tạo ra hiệu ứng kích thích sinh học.

Kết quả mô phỏng sự lan truyền của chùm tia laser từ bề mặt da đầu đến vùng hạch nhân nền Meynert

 Ở mật độ công suất 10 -4 W/cm 2 , các bước sóng đạt được độ xuyên sâu cao nhất, tạo

HVTH: HÀ THANH TUẤN 85 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI ra hiệu ứng kích thích sinh học

 So với mức công suất 10mW, với các mật độ công suất tương ứng thì công suất

15mW có độ xuyên sâu tốt hơn

 So với mức công suất 10mW và 15mW, với các mật độ công suất tương ứng thì công suất 20mW có độ xuyên sâu tốt hơn

 So với mức công suất 10mW, 15mW và 20mW, với các mật độ công suất tương ứng thì công suất 25mW có độ xuyên sâu tốt hơn

Tiến hành mô phỏng chùm tia laser với công suất thấp từ 5mW đến 25mW, các bước sóng khác nhau gồm 633nm, 780nm, 850nm và 940nm, thời gian chiếu là 300 giây.

 Bước sóng 633nm luôn có độ xuyên sâu thấp nhất ứng với mỗi mức công suất

 Bước sóng 780nm luôn có độ xuyên sâu cao nhất ứng với mỗi mức công suất

 Ở mật độ công suất 10 -4 W/cm 2 , chùm tia laser tạo được hiệu ứng kích thích sinh học và có độ xuyên sâu cao nhất

Từ kết quả trên, chúng tôi chọn bước sóng 780nm và 940nm phục vụ việc điều trị

Sự kết hợp của hai bước sóng này làm cho các đáp ứng sinh học do hiệu ứng kích thích sinh học mang lại xảy ra nhanh hơn và mạnh mẽ hơn, có thể xuyên sâu đến các vùng não bị tổn thương khi điều trị

Bên cạnh đó, bước sóng 780nm là điểm cuối cùng của vùng ánh sáng màu đỏ, đồng thời là điểm đầu của dãy ánh sáng hồng ngoại gần, vì vậy nó có màu đỏ nhạt Do đó, khi kết hợp:

 Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 780nm

 Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 940nm tạo thành hiệu ứng hai bước sóng đồng thời không những điều trị các tổn thương ở các độ sâu khác nhau, kể từ bề mặt da mà còn định vị dễ dàng cho việc điều trị

CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRỊ BỆNH

4.1 Ý tưởng của phương pháp điều trị Ý tưởng của phương pháp điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp là: sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời, do hai laser bán dẫn làm việc ở hai bước sóng tạo nên, tác dụng trực tiếp lên vùng hải mã và vùng hạch nhân nền Meynert nhằm mục đích là ngăn chặn diễn tiến xấu của bệnh Alzheimer và từng bước điều trị phục hồi chức năng não bộ; đồng thời sử dụng quang châm bằng laser bán dẫn tác động trực tiếp lên một số huyệt trong châm cứu cổ truyền Phương Đông, để hỗ trợ cho việc điều trị

Mặc khác sử dụng laser bán dẫn nội tĩnh mạch nhằm tăng cường dòng máu với chất lượng cao đến nuôi não, kích thích hệ miễn dịch tiêu diệt các gốc tự do cũng như kích thích hệ nội tiết thần kinh sản sinh Acetylcholine

4.2 Nguyên tắc điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp

Việc điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp phải tuân thủ các nguyên tắc sau đây:

 Không làm trầm trọng thêm tình trạng bệnh của bệnh nhân

 Bảo tồn chức năng sinh lý não của bệnh nhân

 Không gây tai biến trong điều trị và không gây phản ứng phụ có hại cho sức khỏe của bệnh nhân

 Hoàn toàn tránh lây lan những căn bệnh truyền nhiễm như viêm gan siêu vi, HIV…từ bệnh nhân sang người điều trị

4.3 Lựa chọn bước sóng thích hợp của laser bán dẫn công suất thấp phục vụ cho điều trị

Việc lựa chọn bước sóng thích hợp của laser bán dẫn công suất thấp phục vụ cho việc điều trị là công việc hết sức quan trọng

Từ kết quả mô phỏng sự lan truyền chùm tia laser bán dẫn công suất thấp làm việc ở các bước sóng khác nhau thực hiện ở chương 3, chúng tôi chọn:

 Laser bán dẫn công suất thấp làm việc ở bước sóng 780 nm

Hai bước sóng 780 nm và 940 nm được kết hợp đồng thời phục vụ cho việc điều trị

Vị trí cần tác động bằng phương pháp laser bán dẫn công suất thấp là các vùng não bị tổn thương Vị trí vùng tổn thương được xác định bằng kết quả chuẩn đoán hình ảnh CT hay MRI.

Kết quả mô phỏng sự lan truyền chùm tia laser bán dẫn trong não bằng phương pháp Monte Carlo thực hiện ở [12] cho thấy: Bước sóng 780nm và 940nm có khả năng xuyên qua da, hộp sọ và đi sâu vào miền chất xám, chất trắng của não Đồng thời, theo kết quả nêu trong [12], chúng tôi chọn bước sóng 940 nm để thực hiện phương pháp điều trị quang châm bằng laser bán dẫn trên các huyệt cổ điển theo châm cứu cổ truyền phương Đông

Từ kết quả nghiên cứu nêu trong [19], [20], chúng tôi chọn bước sóng 650 nm để điều trị theo phương pháp laser bán dẫn nội tĩnh mạch

4.4.1 Các đáp ứng sinh học do hiệu ứng kích thích sinh học mang lại là công cụ chính để thực hiện điều trị bệnh Alzheimer

Phương thức trị liệu bằng laser công suất thấp được dựa trên hiệu ứng kích thích sinh học

Khi chùm tia laser công suất thấp tác động lên mô sống với mật độ công suất trong khoảng (10 -4 - 10 0 ) W/cm 2 với thời gian chiếu từ 10 giây đến hàng chục phút sẽ xảy ra hiệu ứng kích thích sinh học Nhờ hiệu ứng này mang lại hàng loạt đáp ứng sinh học mà y văn thế giới [22, 23, 24] đã khẳng định, đó là:

 Đáp ứng của tổn thương tế bào

 Đáp ứng hệ miễn dịch

 Đáp ứng hệ tim mạch

 Đáp ứng hệ nội tiết

Các đáp ứng sinh học trên đây là công cụ đắc lực phục vụ cho việc nghiên cứu ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị

Lưu ý đến một số điểm sau đây:

 Bất cứ một đáp ứng nào trên đây đều là kết quả của một loạt quá trình: vật lý, hóa học hay hóa lý… rất phức tạp được khởi phát dưới tác động của photon chùm tia laser với công suất thấp

 Các đáp ứng trên có tác động tương hỗ

Chính vì vậy, việc truy tìm các quá trình sơ cấp rất phức tạp và gặp nhiều khó khăn

Do đó, việc tiếp nhận các đáp ứng nêu trên đóng vai trò quan trọng

Một vấn đề được đặt ra: Sử dụng phương pháp nào làm cho các đáp ứng sinh học vừa nêu xảy ra nhanh và mạnh hơn

Kết quả khảo sát ở [22], [24] cho thấy: Hiệu ứng hai bước sóng đồng thời làm cho các đáp ứng sinh học do hiệu ứng kích thích sinh học mang lại xảy ra nhanh hơn và mạnh hơn

Chính vì vậy, trong phần điều trị bệnh Alzheimer, chúng tôi sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời, do:

 Laser bán dẫn công suất thấp làm việc ở bước sóng 940 nm tạo nên, tác động trực tiếp lên: a Vùng hải mã: được định vị bằng kết quả hình ảnh học CT, MRI Việc hình thành và duy trì trí nhớ ngắn hạn hay dài hạn đều trông cậy vào một khu vực nằm sâu trong não, gọi là vùng hải mã Vùng này là một trong những khu vực của não chịu tổn thương khi bệnh Alzheimer xuất hiện, dẫn đến suy giảm chất dẫn truyền thần kinh cần thiết cho trí nhớ Từ đó, gây suy giảm nhận thức và trí nhớ ở bệnh nhân Alzheimer

Chiếu tia laser từ hai đầu quang trị liệu đặt tại thái dương vào vùng hải mã sẽ kích thích sinh học, mang lại các đáp ứng sinh học như tăng cường hệ miễn dịch, chống viêm và phục hồi tổn thương tế bào Những đáp ứng này đóng vai trò hỗ trợ trong điều trị, ngăn ngừa tiến triển bệnh và kéo dài thời gian sống cho bệnh nhân.

Đầu tiên, tia laser kích thích và điều chỉnh hệ miễn dịch, ngăn chặn quá trình viêm tại các mảng bám quanh tế bào thần kinh Khi quá trình viêm bị chặn lại, các mảng bám không còn phát triển và chèn ép tế bào thần kinh, từ đó làm giảm tình trạng suy giảm chất dẫn truyền thần kinh Acetylcholine, yếu tố thiết yếu cho trí nhớ.

 Thứ hai, đáp ứng tổn thương tế bào giúp phục hồi, sửa chữa các tế bào bị tổn thương, cụ thể là protein TAU (gắn với cấu trúc vi ống và giữ ổn định cấu trúc vi

HVTH: HÀ THANH TUẤN 98 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI ống) Như ta đã biết ở bệnh Alzheimer, TAU bị thay đổi về mặt hóa học làm mất khả năng gắn kết đặc hiệu của Tau với vi ống, khi đó chức năng vận chuyển các chất dẫn truyền thần kinh sẽ bị rối loạn (do cấu trúc vi ống tan rã) và gây chết nơron Do vậy, dưới tác động của chùm tia laser, protein TAU sẽ trở về trạng thái bình thường, ngăn chặn sự thiếu hụt chất dẫn truyền thần kinh b Vùng hạch nhân nền Meynert: được định vị bằng kết quả hình ảnh học MRI hay CT Vùng này là nơi sản xuất ra chất dẫn truyền thần kinh Acetylcholine cần thiết cho trí nhớ Ta cũng dùng hai đầu quang trị liệu đặt ở hai bên vùng thái dương, chiếu chùm tia laser từ bề mặt da đầu đến vùng này Khi đó, hiệu ứng kích thích sinh học sẽ xảy ra, kích thích vùng này sản sinh ra Acetylcholine c Định khu nhận thức và ngôn ngữ theo phương thức đầu châm trong châm cứu cổ truyền phương Đông

Hình 4.1: Định khu các vùng theo phương thức đầu châm

Khi sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời, phạm vi tác động có hiệu quả của chùm tia đạt đến 100 cm 2 theo [22] Điều này dẫn đến hai kết quả sau:

-Tăng cường vi tuần hoàn ở vỏ não

- Tăng sự tương tác của chùm laser với vỏ não, trung tâm của các hoạt động thần kinh cao cấp: tư duy, tình cảm…

HVTH: HÀ THANH TUẤN 99 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI 4.4.2 Quang châm bằng laser bán dẫn [21]

Liệu pháp quang châm bằng laser bán dẫn với bước sóng 940nm tác động trực tiếp vào các huyệt đạo theo y học cổ truyền phương Đông, giúp điều trị các triệu chứng của bệnh Alzheimer.

Có thể sử dụng các huyệt sau:[28], [29], [32]

Phương pháp châm cứu các huyệt ở vùng đỉnh đầu (GV-20) kết hợp với các huyệt ở tay,chân (HT-7, KI-3) có thể sử dụng điều trị các rối loạn thần kinh sau đột quỵ Các kim châm ờ vùng đầu kích thích hoạt động thần kinh sau trán, trí nhớ, chức năng gan và ruột…

MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐIỀU TRỊ BỆNH ALZHEIMER BẰNG

LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP

Căn cứ vào các cơ sở lý luận về phương pháp điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp được trình bày ở chương 4; chúng tôi đã xây dựng thành công mô hình thiết bị điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp Mô hình này bao gồm các thiết bị sau:

Thiết bị quang châm – quang trị liệu bằng laser bán dẫn công suất thấp 12 kênh

Thiết bị nội tĩnh mạch bằng laser bán dẫn công suất thấp

5.1 Thiết bị quang châm – quang trị liệu 12 kênh 5.1.1 Bộ phận điều trị của thiết bị

Bộ phận điều trị của thiết bị gồm hai bộ phận chính:

Bộ phận điều trị theo phương thức quang trị liệu bằng laser bán dẫn công suất thấp

Bộ phận điều trị theo phương thức quang châm bằng laser bán dẫn công suất thấp a Hai kênh quang trị liệu:

Bộ phận điều trị của thiết bị gồm hai kênh quang trị liệu bằng laser bán dẫn sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời tác động vào vị trí tổn thương nêu trong chương 4, do:

 Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 780nm

 Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 940nm Có bộ phận quang học để trộn hai bước sóng lại với nhau Chùm tia của hai loại laser bán dẫn làm việc ở hai bước sóng khác nhau được kết hợp nhờ vào hệ quang học sao cho hai chùm tia trộn lẫn vào nhau và tác động đồng thời lên từng điểm của vùng tổn thương, làm cho các đáp ứng sinh học xảy ra nhanh hơn và mạnh hơn Từ đó, việc điều trị sẽ hiệu quả hơn

Hai kênh quang trị liệu này hoàn toàn giống nhau, nhưng làm việc độc lập với nhau

Mỗi kênh quang trị liệu có hai núm vặn để điều chỉnh công suất phát xạ và tần số điều biến với các thông số sau:

- Công suất phát xạ thay đổi từ 0 đến 20mW

- Tần số điều biến thay đổi từ 5Hz đến 100Hz

Bộ phận quang học của hai đầu quang trị liệu này có đường kính 18 mm

HVTH: HÀ THANH TUẤN 104 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI b Mười kênh quang châm:

Sử dụng bước sóng 940 nm tác động vào vị trí các huyệt nêu trong chương 4

Mười kênh quang châm này hoàn toàn giống nhau nhưng làm việc độc lập với nhau

Mỗi kênh có đầu phát laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 940 nm có tác dụng như chiếc kim quang học để thực hiện châm cứu

Mỗi kênh có hai núm vặn để điều chỉnh công suất phát xạ và tần số điều biến chùm tia Cụ thể:

- Công suất phát xạ thay đổi từ 0 đến 20mW

- Tần số điều biến chùm tia thay đổi từ 5 đến 100Hz

5.1.2 Bộ phận định thời phục vụ điều trị

Bộ phận định thời gồm các phần sau:

- Phần đặt thời gian gồm: 5, 10, 15, 20, 25 và 30 phút Hàng đơn vị gồm số 0, 5 và hàng chục gồm các số 1, 2, 3

- Phần đếm thời gian theo chiều thuận

- Cả hai bộ phận trên đều được hiển thị bằng LED 7 đoạn Khi bộ phận đếm đạt thời gian đã đặt, tiếng nhạc báo hiệu kết thúc thời gian điều trị sẽ phát lên Đồng thời, thiết bị tự ngắt mạch kích, toàn bộ bộ phận điều trị ngưng hoạt động

Ví dụ: Khi cần điều trị 10 phút Ta đặt thời gian điều trị là 10 phút rồi gạt công tắc về phía đếm, bộ phận đếm sẽ hoạt động Khi bộ phận đếm đạt 10 phút thì tiếng nhạc báo hiệu hết thời gian điều trị sẽ phát lên, đồng thời bộ phận điều trị ngưng hoạt động

5.1.3 Bộ phận kiểm tra hoạt động của đầu quang châm – quang trị liệu và các bộ phận chức năng khác Để kiểm tra các đầu phát laser có hoạt động tốt hay không, chúng tôi thiết kế bộ phận TEST Bộ phận này gồm đầu thu tia laser và đèn phát tín hiệu Khi chiếu đầu quang trị liệu vào đầu thu tia laser, sẽ có hai trường hợp xảy ra:

- Đèn tín hiệu sáng, chứng tỏ đầu phát laser đang hoạt động bình thường

- Đèn tín hiệu không sáng, chứng tỏ đầu phát laser không hoạt động

Sự hoạt động của các bộ phận chức năng được báo bằng đèn tín hiệu (đèn LED):

- Đèn tín hiệu sáng: bộ phận chức năng ở tư thế hoạt động

- Đèn tín hiệu không sáng: báo hiệu bộ phận chức năng tương ứng bị trục trặc

Các thông số sau như công suất, tần số điều biến và thời gian chiếu đều được hiển thị bằng LED 7 đoạn

HVTH: HÀ THANH TUẤN 105 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI 5.1.4 Nguồn nuôi thiết bị

Hình 5.1: Thiết bị quang châm – quang trị liệu bằng laser bán dẫn loại 12 kênh

5.2 Thiết bị laser nội tĩnh mạch

Thiết bị laser bán dẫn nội tĩnh mạch phát ra tia laser tác động vào bên trong tĩnh mạch, gia tăng lưu lượng và chất lượng máu nuôi dưỡng cơ thể Nhờ đó, thiết bị có tác dụng hỗ trợ chống nhiễm trùng, đặc biệt hiệu quả với các vết thương lâu lành Thiết bị laser nội tĩnh mạch được Phòng thí nghiệm công nghệ laser nghiên cứu và chế tạo thành công từ nhiều năm trước, sở hữu những đặc điểm riêng biệt.

5.2.1 Bộ phận điều trị của thiết bị

Gồm 1 kênh laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 650 nm

Công suất phát xạ thay đổi từ 0 đến 5mW Điều này giúp thuận lợi cho việc điều trị

Tần số điều biến thay đổi từ 5 đến 100Hz Việc lựa chọn tần số điều biến thích hợp sẽ phục vụ cho công tác chữa trị đạt hiệu quả cao Hiện nay, phòng thí nghiệm công nghệ laser chọn tần số điều biến 50Hz là tần số dinh dưỡng cho việc điều trị

Một đoạn sợi quang học mềm, một đầu nối trực tiếp với đầu ra của laser, còn đầu thứ hai nối trực tiếp với bộ phận đưa chùm tia laser vào lòng tĩnh mạch (bộ kim luồn nội mạch)

HVTH: HÀ THANH TUẤN 106 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI 5.2.2 Bộ phận định thời phục vụ điều trị

Bộ phận định thời gồm các phần sau:

- Phần đặt thời gian gồm: 5, 10, 15, 20, 25 và 30 phút Hàng đơn vị gồm số 0, 5 và hàng chục gồm các số 1, 2, 3

- Phần đếm thời gian theo chiều thuận

- Cả hai bộ phận trên đều được hiển thị bằng LED 7 đoạn Khi bộ phận đếm đạt thời gian đã đặt, tiếng nhạc báo hiệu kết thúc thời gian điều trị sẽ phát lên Đồng thời, thiết bị tự ngắt mạch kích, toàn bộ bộ phận điều trị ngưng hoạt động

5.2.3 Bộ phận kiểm tra hoạt động các bộ phận chức năng

Sự hoạt động của các bộ phận chức năng được báo bằng đèn tín hiệu (đèn LED):

- Đèn tín hiệu sáng: bộ phận chức năng ở tư thế hoạt động

- Đèn tín hiệu không sáng: báo hiệu bộ phận chức năng tương ứng bị trục trặc

Các thông số sau như công suất, tần số điều biến và thời gian chiếu đều được hiển thị bằng LED 7 đoạn

DC: 12V lấy từ Adaptor Điều này đảm bảo tính an toàn của thiết bị trong quá trình điều trị

5.2.5 Kích thước và khối lượng thiết bị

Thiết bị được thiết kế với khả năng di động cao, cho phép bệnh nhân ở tại chỗ mà không cần phải di chuyển Thay vào đó, thiết bị sẽ được đưa đến nơi bệnh nhân, mang lại sự tiện lợi và thoải mái tối đa trong quá trình chăm sóc sức khỏe.

Hình 5.2: Thiết bị laser bán dẫn nội tĩnh mạch do phòng thí nghiệm Công Nghệ

Laser – trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM chế tạo

KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU TRONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU TRỊ LÂM SÀNG BỆNH ALZHEIMER BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP

SÀNG BỆNH ALZHEIMER BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP 6.1 Lời nói đầu

Phòng thí nghiệm công nghệ laser khoa Khoa Học Ứng Dụng – trường đại học Bách Khoa Tp.HCM kết hợp với:

- Phòng điều trị phục hồi chức năng Tân Châu, An Giang

- Phòng khám Nhân Nghĩa Mỹ Phước, Bình Dương

Từng bước nghiên cứu điều trị lâm sàng bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp Hai cơ sở điều trị này hội tụ được một số điều kiện sau đây: a Có các thiết bị để thực hiện điều trị:

- Thiết bị quang châm – quang trị liệu bằng laser bán dẫn loại 12 kênh

- Thiết bị laser bán dẫn nội tĩnh mạch b Đã có kinh nghiệm trong điều trị phục hồi chức năng vận động và sa sút trí lực sau tai biến mạch máu não và sau chấn thương sọ não

6.2 Phương pháp nghiên cứu và đối tượng trong diện điều trị lâm sàng 6.2.1 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm lâm sàng không có lô chứng Chỉ so sánh trước và sau khi kết thúc điều trị theo các thang điểm đánh giá trí nhớ và chức năng nhận thức Cụ thể:

6.2.2 Đối tượng trong diện điều trị lâm sàng

Tất cả các bệnh nhân trong diện nghiên cứu điều trị đã được các bệnh viện lớn ở TP.HCM như bệnh viện đại học y dược, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện 115…chuẩn đoán bị bệnh Alzheimer và đã được các bệnh viện trên điều trị một thời gian dài

Tại hai cơ sở điều trị trên chỉ đánh giá trên lâm sàng về:

 Trí nhớ và các chức năng nhận thức bằng: thang điểm MMSE, test vẽ đồng hồ

 Kiểm tra các thông số sinh tồn như: huyết áp, nhịp tim…

6.2.3 Phương thức điều trị Trong điều trị bệnh Alzheimer sử dụng:

 Thiết bị quang châm – quang trị liệu bằng laser bán dẫn loại 12 kênh

 Thiết bị laser bán dẫn nội tĩnh mạch

Quy trình điều trị được tiến hành như sau: a Ngày thứ nhất, bệnh nhân được điều trị bằng thiết bị quang châm – quang trị liệu bằng laser bán dẫn loại 12 kênh với thời lượng 60 phút như sau:

 Đầu tiên, sử dụng hai đầu quang trị liệu tác động trực tiếp lên:

- Vùng hạch nhân nền Meynert

Thời gian điều trị 20 phút

 Kế tiếp, sử dụng hai đầu quang trị liệu tác động lên định khu ngôn ngữ, nhận thức… theo phương thức đầu châm trong châm cứu cổ truyền phương Đông với thời lượng 20 phút

 Sau cùng, tác động lên tuyến ức, lách và hạch lympho vùng đầu với thời lượng 20 phút để hoạt hóa hệ miễn dịch

 Đồng thời sử dụng 10 đầu quang châm tác động lên các huyệt sau đây:

- Đầu tiên: Bách Hội, Nhân Trung, Thái Khê, Tam Âm Giao, Nội Quan, Thần Môn với thời lượng 20 phút

- Sau cùng: Hợp Cốc, Khúc Trì, Túc Tam Lý, Huyền Chung để hoạt hóa hệ miễn dịch với thời lượng 20 phút b Ngày thứ hai, bệnh nhân được điều trị bằng thiết bị laser nội tĩnh mạch với thời lượng 45 đến 60 phút c Ngày thứ ba và thứ tư lặp lại chu trình điều trị trên

Mỗi liệu trình điều trị gồm 20 ngày điều trị Việc đánh giá kết quả điều trị được thực hiện sau khi bệnh nhân hoàn thành hai hoặc ba liệu trình điều trị

6.3 Tư liệu về bệnh nhân trong diện điều trị 6.3.1 Đặc điểm bệnh nhân trong diện điều trị Bệnh nhân trong diện nghiên cứu điều trị gồm 9 người Số bệnh nhân này đã được các bệnh viện lớn ở TP.HCM như bệnh viện đại học y dược, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện

HVTH: HÀ THANH TUẤN 109 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI 115…chuẩn đoán bị bệnh Alzheimer và đã được các bệnh viện trên điều trị một thời gian dài bằng tân dược, song kết quả chữa trị không như ý muốn Chính vì vậy, họ đến các cơ sở điều trị ở An Giang và Bình Dương để được chữa trị

Trong 9 bệnh nhân đến cơ sở điều trị thì có 3 bệnh nhân đã bị tai biến mạch máu não thể nhồi máu não trước đây gần 1 tháng Số bệnh nhân này sau khi điều trị một liệu trình (20 ngày chữa trị) đã tỉnh táo và tiếp xúc tốt với người điều trị, được sự giúp đỡ của gia đình, chúng tôi mới biết họ đã bị bệnh Alzheimer Đối với 3 bệnh nhân này, sau khi kết thúc hai liệu trình điều trị phục hồi chức năng sau tai biến mạch máu não tiến triển tốt, được chuyển sang điều trị bệnh Alzheimer bằng laser bán dẫn công suất thấp

Ngoài ra trong diện điều trị còn có 2 bệnh nhân được chuẩn đoán bệnh Alzheimer và bị teo não

Phần lớn bệnh nhân trong diện điều trị đều cao tuổi Tuy bệnh nhân không nhiều, song rất đa dạng Đây là thách thức không nhỏ đối với phương pháp điều trị mới này Bảng 6.1 trình bày danh sách bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer trong diện điều trị bằng laser bán dẫn công suất thấp

Bệnh nhân Tuổi Giới tính Căn bệnh đã được xác định

Bệnh nhân 1 75 X Alzheimer và teo não Phnom Penh

Cambodia Bệnh nhân 2 73 X Alzheimer, sau đó bị tai biến mạch máu não

Hồng Ngự Đồng Tháp Bệnh nhân 3 65 X Alzheimer, sau đó bị tai biến mạch máu não

Bệnh nhân 4 88 X Alzheimer Tp Long Xuyên

Bệnh nhân 5 64 X Alzheimer Đồng Tháp

Bệnh nhân 6 78 X Alzheimer Phú Vinh

An Giang Bệnh nhân 7 85 X Alzheimer, sau đó bị tai biến mạch máu não

Tp Long Xuyên An Giang

Bệnh nhân 8 74 X Alzheimer và teo não Long Hải

Bệnh nhân 9 60 X Alzheimer Tp Long Xuyên

An Giang 6.3.2 Phân bố bệnh nhân trong diện điều trị theo lứa tuổi và giới tính Phân bố bệnh nhân theo lứa tuổi và giới tính được trình bày ở bảng 6.2

Bệnh nhân trong diện điều trị : 09 người

Từ bảng 6.2 chúng tôi nhận thấy:

.Trong diện điều trị có:

.Phân bố bệnh nhân theo lứa tuổi như sau : - Ở lứa tuổi (60 – 69) có 03 người, chiếm 33.33%

- Ở lứa tuổi (70 – 79) có 04 người, chiếm 44.45%

- Ở lứa tuổi (80 – 89) có 02 người, chiếm 22.22%

6.3.3 Phân bố bệnh nhân theo thang điểm MMSE

Có nhiều test dùng để đánh giá chức năng nhận thức và trí nhớ, nhưng hai test đơn giản nhất hiện nay đang được sử dụng là MMSE và test vẽ đồng hồ Thang điểm MMSE được trình bày ở phần phụ lục

- Từ 24 đến 30 điểm: Không suy giảm trí nhớ và nhận thức

- Từ 21 đến 23 điểm: Suy giảm nhẹ

- Từ 18 đến 20 điểm: Suy giảm trung bình

- Từ 17 điểm trở xuống: Suy giảm nặng

Dựa vào tiêu chí trên, kết quả đánh giá tình trạng nhận thức và trí nhớ của bệnh nhân

HVTH: HÀ THANH TUẤN 111 GVHD: PGS.TS TRẦN MINH THÁI trước khi điều trị bằng laser bán dẫn công suất thấp được trình bày ở bảng 6.3 Điểm MMSE 17 18 19 20 21 22 23 24-30

Mức độ suy giảm trí nhớ và nhận thức

Suy giảm nhẹ Không suy giảm

Từ bảng 6.3, ta nhận thấy theo thang điểm MMSE, tình trạng suy giảm trí nhớ và nhận thức của bệnh nhân trong diện điều trị như sau:

 Mức độ suy giảm trí nhớ và nhận thức nặng đạt 17 điểm có 02 người, chiếm 22.22% Đây là 02 bệnh nhân bị bệnh Alzheimer kèm teo não

 Mức độ suy giảm trí nhớ và nhận thức trung bình đạt 18 điểm có 04 người, chiếm 44.45% Đây là 04 bệnh nhân thuần túy bệnh Alzheimer

 Mức độ suy giảm trí nhớ và nhận thức trung bình đạt 20 điểm có 03 người, chiếm 33.33% Đây là 03 bệnh nhân đã bị tai biến mạch máu não Đối với 03 bệnh nhân này, sau khi điều trị phục hồi chức năng xong mới bắt đầu đánh giá mức độ suy giảm trí nhớ và nhận thức

6.3.4 Phân bố bệnh nhân theo test vẽ đồng hồ

Tiêu đề	ỨNG DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH ALZHEIMER
Tác giả	HÀ THANH TUẤN
Người hướng dẫn	PGS.TS. TRẦN MINH THÁI
Trường học	ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Chuyên ngành	Vật lý kỹ thuật
Thể loại	LUẬN VĂN THẠC SĨ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	TP. HỒ CHÍ MINH

Định dạng
Số trang	148
Dung lượng	2,48 MB

Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Ứng dụng Laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị bệnh Alzheimer

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CHÍNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN ĐỀ TÀI, HOÀN CẢNH HÌNH THÀNH, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM BỆNH SA SÚT TRÍ TUỆ VÀ ĐẶC ĐIỂM BỆNH ALZHEIMER

Đặc điểm bệnh sa sút trí tuệ

Đặc điểm bệnh Alzheimer

Bối cảnh hình thành đề tài

Mục tiêu luận văn

Nhiệm vụ luận văn

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHIẾU VÀ LAN TRUYỀN CỦA CHÙM

Lời nói đầu

Phương pháp Monte carlo

Các bước chạy chương trình mô phỏng

Kết quả mô phỏng sự lan truyền của chùm tia laser từ bề mặt da đầu đến vùng hải mã

Kết quả mô phỏng sự lan truyền của chùm tia laser từ bề mặt da đầu đến vùng hạch nhân nền Meynert

CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRỊ BỆNH

MÔ HÌNH THIẾT BỊ ĐIỀU TRỊ BỆNH ALZHEIMER BẰNG

KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU TRONG NGHIÊN CỨU ĐIỀU TRỊ LÂM SÀNG BỆNH ALZHEIMER BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP

Các thông số quang học của mô

Các bước chạy chương trình mô phỏng