những ứng dụng của laser trong y tế, tìm hiểu laser nd- yag

LỜI NÓI ĐẦU Xuất phát từ phát minh thiên tài của nhà vật lý vĩ đại A. Einstein (Đức) về hiện tượng phát xạ cưỡng bức năm 1917, các nhà vật lý khác đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy laser đầu tiên vào năm 1960. Cho đến nay đã có hàng trăm loại laser được chế tạo và chúng đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, các nghành kinh tế và cuộc sống con người. Ứng dông laser trong y học là một trong những hướng phát triển mạnh nhất, hiệu quả nhất của trào lưu trên. Bức xạ laser khi tương tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt. Đó là hiệu ứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơ…Trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về các hiệu ứng sinh học của bức xạ laser, trong hơn 40 năm phát triển kỹ thuật này hàng loạt các thiét bị laser chuyên dụng cho điều trị và chuẩn đoán đã ra đời, được thử nghiệm thành công và đưa vào ứng dụng tại hầu hết các ngành và chuyên khoa y tế. Laser đã chứng minh u thế tuyệt đối của mình trong nhiều lĩnh vực như quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệu người khỏi mù lòa, phẫu thuật xử lý các u ác tính hạn chế mức độ di căn và các hiệu ứng phụ, tạo hình mạch, mổ tim cấp cứu, phá sỏi, chuẩn đoán sớm bệnh tật đặc biệt là ung thư…Đến nay việc ứng dụng laser trong y tế đã hình thành một chuyên ngành y học mới – chuyên ngành y học và ngoại khoa laser. Tại Việt  các thiết bị laser đã trở thành những thiết bị y tế phổ biến, được sử dụng rộng rãi tại hầu hết các bệnh viện trên toàn quốc. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị laser trong y tế đã có những bước phát triển lớn. Trước đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hai loại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO 2 . Hiện nay chóng ta đã di sâu nghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn  laser YAG, laser excimer… Em đã chọn đề tài về laser làm nội dung cho đồ án tốt nghiệp của mình. Trong đồ án em trình bày về những ứng dụng của laser trong y tế, tìm hiểu một loại laser cụ thể là laser Nd: YAG và thiết bị laser này trong y tế. Trong quá trình thực hiện đồ án em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới tiến sĩ Nguyễn Đức Thuận, cô Đinh Thị Nhung , KS Lê Huy Tuấn và phòng điện tử y tế- trung tâm công nghệ laser đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Do thời gian hạn chế nên đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến nhận xét, đánh giá của thầy cô và các bạn. CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ LASER I: LASER LÀ GÌ? Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Thuật ngữ Laser là khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ bức xạ cưỡng bức (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Ông tổ của laser chính là nhà vật lý thiên tài Albert Einstein, người đã phát minh ra hiện tượng phát xạ cưỡng bức (Stimulated Emision of Radiation) vào năm 1917. Còn người phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser là nhà vật lý người Mỹ Townes vào năm 1964. Cùng đồng thời trong năm đó hai nhà vật lý người Liên Xô là Prochorow và Babov cũng công bố các công trình phát hiện nguyên lý laser. Do phát minh này ba nhà vật lý trên đã được nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1964. Máy laser đầu tiên được chế tạo bởi nhà vật lý Mỹ Meiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụng oxit nhôm tinh khiết (Al 2 O 3 ) có phủ ion crom gọi là laser Ruby. Sau thành công này trong một thời gian ngắn, người ta đã phát hiện hàng loạt chất có khả năng phát tia laser như hỗn hợp khí He và Ne (laser He- Ne), tinh thể bán dẫn Gallium Arsenid (laser diode GaAs), tinh thể Yttrium Aluminium Garnet (laser Nd: YAG), các chất màu pha lỏng khác nhau (laser màu). Hiện nay laser đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết các ngành khoa học, công nghệ và y tế. Đặc biệt trong y tế, những ứng dụng laser đã đem lại những thành tựu nổi bật. II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LASER 2.1: Các hiện tượng quang học cơ bản Phổ năng lượng của các hệ vi hạt không phải là liên tục mà là gián đoạn. Trong điều kiện cân bằng, không có kích thích bên ngoài, hệ vi hạt thường chiếm những mức năng lượng thấp nhất được gọi là những mức năng lượng cơ bản. Khi có tác dụng của các yếu tố bên ngoài như tác dụng của bức xạ, tương tác của các hạt điện tử, ion, nguyên tử khác, tác dụng của điện trường, nhiệt độ, hệ vi mô có thể bị kích thích chuyển lên các trạng thái với mức năng lượng cao hơn. Các trạng thái với năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản được gọi là các trạng thái kích thích. Có các hiện tượng quang học cơ bản sau đây: 2.1.1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng Các nhân tử khác nhau có số điện tử khác nhau và như vậy có số quỹ đạo khác nhau tương ứng với nó là các mức năng lượng khác nhau. Giả sử ta có một hệ nguyên tử có hai mức năng lượng  hình vẽ: Hình 1.1: Mức năng lượng. Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc (chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau và năng lượng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lượng của hai mức-E) thì khi photon đi vào môi trường nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E 1 hấp thụ và nhờ có năng lượng này điện tử có thể nhảy lên mức E 2 . Hiện tượng này được gọi là hiện tượng hấp thụ. Hình 1.2: Hiện tượng hấp thụ.  vậy, hiện tượng hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức thấp hấp thụ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn. HÊp thụ luôn luôn làm ánh sáng yếu đi.          2.1.2: Hiện tượng phát xạ tự do. Đây là quá trình xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, điện tử khi nhảy lên mức kích thích sau một thời gian nhất định ( gọi là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) nó lại trở về mức cơ bản. Khi trở về mức thấp một năng lượng sẽ được tạo ra dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Hình 1.3: Hiện tượng phát xạ tự do. Các chuyển mức phát xạ tự do xảy ra ngẫu nhiên và độc lập với nhau, nên các photon phát ra tuy có cùng tần số nhưng có pha khác nhau, có hướng khác nhau, có mặt phân cực khác nhau. 2.1.3: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Cũng như hiện tượng hấp thụ khi ta chiếu chùm ánh sáng đơn sắc với năng lượng của từng photon bằng E vào môi trường có hai mức năng lượng thì photon có khả năng sẽ tương tác với điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử này bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó. Hình 1. 4: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Sự chuyển mức năng lượng này sẽ phát xạ ra photon có năng lượng E và có các tính chất giống hệt với photon đã cưỡng bức điện tử nhảy xuống  hướng truyền, độ phân cực, pha, tần. Trong trường hợp này photon kích thích không bị mất mát  trong trường hợp hấp thụ. Photon ban đầu này vẫn tồn tại và duy trì những tính chất ban đầu của nã . Ta không thể phân biệt được         sự khác nhau giữa photon ban đầu với photon sinh ra từ dịch chuyển cưỡng bức điện tử. Tóm lại, phát xạ cưỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử dưới tác dụng của các photon. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 4. 2.2: Nguyên lý hoạt động của laser 2.2.1: Nguyên lý  ở trên đã xem xét 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trường bất kì khi chiếu một chùm ánh sáng. Đó là:  Hiện tượng hấp thụ làm suy yếu chùm ánh sáng.  Hiện tượng phát xạ tự do làm chùm sáng mạnh lên.  Hiện tượng phát xạ cưỡng bức cũng lám cho chùm sáng mạnh lên. Môi trường ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp ( quy ước là n 1 ) bao giê cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích ( quy ước là n 2 ). Hiện tượng hấp thụ tỉ lệ với n 1 còn hiện tượng phát xạ tự do và phát xạ cưỡng bức thì tỉ lệ với n 2 , với hệ số tỉ lệ gần  nhau. Vì nguyên nhân đó nên hấp thụ bao giê cũng mạnh hơn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do, do đó chùm ánh sáng đi qua môi trường bình thường bao giê cũng yếu đi. Để có hiệu ứng Laser, tức là chùm ánh sáng được khuyếch đại thì thì ta phải tạo ra một môi trường đặc biệt mà ở đây hiện tượng phát xạ cưỡng bức xảy ra phải mạnh hơn hiện tượng hấp thụ. Hiện tượng này chỉ xảy ra trong môi trường mà tại đó các điện tử ở mức trên n 2 lớn hơn số điện tử ở mức dưới n 1 . Môi trường  vậy được gọi là môi trường nghịch đảo nồng độ (đảo ngược độ tích luỹ) với n 2 > n 1 . Môi trường đặc biệt có sự đảo ngược độ tích luỹ  ta nói ở trên là yếu tố cơ bản của mọi Laser. Môi trường đó gọi là hoạt chất của Laser hay gọi ngắn gọn là hoạt chất. Khi ánh sáng đi qua môi trường nghịch đảo mật độ cường độ ánh sáng tăng theo hàm mũ với : ở đây < 0. Ngoài hoạt chất, mỗi Laser bất kì còn phải có yếu tố khác là nguồn nuôi, yếu tố cung cấp năng lượng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo ngược độ tích luỹ các điện tử ở môi trường laser và buồng cộng hưởng  vậy tiền đề cho quá trình khuyếch đại là:  Tạo ra và duy trì môi trường đảo mật độ, quá trình này được gọi là quá trình bơm.  Tạo điều kiện để phát xạ cưỡng bức áp đảo phát xạ tự nhiên. Để thực hiện được điều này người ta sử dụng các loại buồng cộng hưởng. 2.2.2: Quá trình bơm Môi trường nằm trong trạng thái nghịch đảo mật độ là trạng thái không bền và các nguyên tử luôn có xu hướng trở về trạng thái cân bằng. Vì vậy, muốn duy trì trạng thái nghịch đảo mật độ phải thường xuyên tiêu tốn một năng lượng để kích thích hệ hạt. Quá trình kích thích hệ hạt này được gọi là quá trình bơm. Quá trình bơm , kích thích tuỳ thuộc vào loại hệ, có thể tực hiện bằng nhiều cách: phương pháp kích thích bằng quang học( bơm quang học), và phương pháp kích thích băng điện (bơm điện). *Bơm quang học: Đây là phương pháp kích thích hệ bằng bức xạ điện từ nói chung, bao gồm: viba, hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại …Đây là phương pháp kích thích được dùng phổ biến. Trong mô hình hai mức năng lượng, ở trạng thái cân bằng nếu E 1 < E 2 thì N 1 > N 2 . Nếu chúng ta kích thích hệ bằng cách dọi vào hệ ánh sáng có tần số đáp ứng điều kiện hυ = E 2 - E 1 , thì N 2 sẽ tăng lên, N 1 giảm xuống và N 1 + N 2 = N = const, N là số nguyên tử của cả hệ. Như đã biết nếu tăng công suất bơm thì ∆N = N 1 - N 2 sẽ giảm dần. Tuy nhiên tính toán cho thấy rằng ∆N chỉ có thể tiến tới không, nghĩa là N 2 →N 1 , chứ không thể đạt được N 2 > N 1 . Nghĩa là trong hệ hai mức năng lượng, bằng phương pháp bơm quang học ta không thể đạt được môi trường đảo mật độ. Trong trường hợp ∆N = 0, N 1 = N 2 được gọi là hiệu ứng bão hòa. Hiệu ứng bão hòa càng dễ đạt được khi thời gian sống của trạng thái ứng với E 2 càng lớn. Trạng thái của hệ khi N 1 = N 2 gọi là trạng thái bão hòa, trong trạng thái này hệ không hấp thụ cũng không phát xạ. Mặc dù hiệu ứng bão hòa không cho phép ta tạo ra môi trường đảo mật độ nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường đó bằng mô hình ba mức, bốn mức. Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lượng Giả sử ta có một hệ nguyên tử có ba mức năng lượng như ở hình trên với các thông số E 1 , N 1 ; E 2 , N 2 , τ 2 ; E 3 , N 3 , τ 3 , trong đó E 1 < E 2 < E 3 là năng lượng tương ứng của ba mức, N 1 + N 2 + N 3 = N, N 1 , N 2 , N 3 là nồng độ nguyên tử ở ba trạng thái, N là nồng độ toàn phần. τ 2 , τ 3 là thời gian sống của trạng thái E 2 , E 3 tương ứng. Nếu trong một hệ ba mức với τ 3 < τ 2 chóng ta không thể dùng bơm quang học có bước sóng hυ = E 3 - E 1 để đạt được trạng thái bão hòa N 1 =         N 3 vì chuyển mức tự phát E 3 →E 2 lớn. Tuy nhiên có thể bằng cách này làm tăng nồng độ N 2 và nhờ đó mà thiết lập được sự đảo mật độ giữa hai mức E 2 và E 1 để thu được phát xạ cưỡng bức hυ = E 2 - E 1 . * Bơm điện Trong trường hợp laser khí để tạo điều kiện nghịch đảo nồng độ, người ta dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác động của điện trường ngoài. Do va chạm với những điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa. Người ta quan tâm nhiều tới trường hợp kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hay phân tử nhận được năng lượng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn, tức là những mức kích thích. Những dịch chuyển tự phát từ những mức kích thích đó xuống mức cơ bản sẽ bức xạ năng lượng làm sáng chất khí phóng điện như trong các đèn ổn áp có khí…Trong laser khí chính những nguyên tử hoặc phân tử kích thích hóa sẽ tạo nên nghịch đảo nồng độ và cho bức xạ cảm ứng. Người ta có thể thực hiện phóng điện bằng năng lượng cao tần hoặc điện áp một chiều. Bơm điện cũng được dùng trong laser bán dẫn bằng cách đặt điện áp vào mẫu để phun hạt dẫn vào mẫu tạo ra môi trường đảo mật độ. 2.2.3: Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng là nơi cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trước khi đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser đi qua gương ở hai bên. Do buồng cộng hưởng chỉ được giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu còn các mặt khác đều hở nên thường gọi là buồng cộng hưởng hở. Việc sử dụng buồng cộng hưởng hở trong kỹ thuật laser là một điều bắt buộc. Buồng cộng hưởng có hai chức năng sau đây: * Thực hiện hồi tiếp dương Tuy môi trường hoạt tính đặt trong buồng cộng hưởng có khả năng khuếch đại tín hiệu đi qua nã theo luật hàm số mũ, nhưng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất là có hạn. Để có được khuếch đại lớn phải tăng kích thước của hoạt chất lên rất nhiều lần. Ví dụ nếu dùng hoạt chất là khí CO 2 , để có được công suất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 10 4 m, điều này không thể thực hiện được. Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải được sử dụng bằng cách khác. Chính nhờ buồng cộng hưởng quang học mà mà việc tăng chiều dài của hoạt chất được giải quyết một cách đơn giản. Trong buồng cộng hưởng tia sáng được phản xạ nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quãng đường đi của tia. Hình 1.6 : Sù hình thành hồi tiếp dương trong buồng cộng hưởng Quá trình xảy ra như sau: Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sáng. Sóng sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua líp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ, một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được tiếp tục khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây cũng sẽ sảy ra quá trình tương tự và cứ như vậy, sau rất nhiều lần phản xạ ta sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ lớn. Khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng được, nó bị giới hạn bởi công suất của nguồn bơm. Vì vậy cường độ bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập được điều kiện cân bằng năng lượng. [...]... sau: - Laser th rn Laser th rn l nhng laser m mụi trng hot cht l nhng cht rn khỏc nhau cú th dựng phỏt laser Trong y t s dng khong 10 loi laser rn in hỡnh l laser Nd: YAG ( cha 2-5% nguyờn t Nd ), laser Rubi, laser thu tinh Xd ( thu tinh cú cha 5% nguyờn t Nd ), laser diode bỏn dn GaAs Cỏc laser rn thụng thng cú ngun nuụi laser l cỏc ốn sỏng phúng in khớ Cỏc laser bỏn dn c nuụi bi hiu in th thun - Laser. .. phỏt trin cụng ngh cao trong lnh vc laser, ngi ta ó t c vic phỏt ng b ch , cho phộp tp trung nng lng laser trong thi gian xung cc ngn ch c nano gi y hoc pico gi y Cho n nay cng ch cú laser cú kh nng phỏt vi thi gian ngn nh vy 3.5: Cụng sut phỏt laser Cụng sut ca laser thay i t y theo tng loi c th Cú nhng loi laser phỏt xung t cụng sut 1- 100 triu kW nh laser thy tinh Nd Nhng laser liờn tc cng cú th... cng g y nhiu chỳ ý Vi tng loi laser, truyn qua l mt hm s ca dy Tng quan gia chỳng cng khỏ n gin: - dy mu cng ln, s hp th cng mnh, truyn qua cng yu dy 3,7mm ch cho khụng quỏ 10% bc x truyn qua nó - Laser vựng hng ngoi gn cú xuyờn sõu ( truyn qua cc i) Vỡ th chỳng cú u th trong chõm cu (laser lnh) v trong quang ụng (laser núng) Phõn b bc x trong t chc sinh hc cng l yu t ỏng quan tõm, vỡ nú xỏc nh... xa) l rt thp nờn cú u th trong phu thut nh l mt con dao m c bit Cỏc khi u cú hp th laser mnh, cho phộp dựng laser trong ung th hc Vỡ tt c cỏc nguyờn nhõn trờn nờn bc x laser ch xuyờn sõu c mt sõu ti mt vi mm trong cỏc t chc sinh hc Khi ng dng laser vo trong y sinh hc ta cn ghi nh iu ny II: NG DNG K THUT LASER TRONG Y HC 2.1: Gii thiu chung Trong khi mt s lnh vc khỏc, cụng ngh laser ó cú kinh nghim... y l c s gii thớch u th ca laser CO2 trong phu thut (do xuyờn sõu thp ton b nng lng bc x c phõn b trờn mt lớp mng lm cho vic ct mụ tin hnh d dng v cú chớnh xỏc cao Ngc li laser Nd :YAG cú xuyờn sõu cao, nng lng phõn b trờn mt din tớch ln nờn loi laser ny cú u th khi cn dựng n cỏc hiu ng quang ụng Trong nghiờn cu v trong thc hnh, thng quan tõm n xuyờn sõu trung bỡnh v xuyờn sõu 10% Cỏc i lng ny... cú 3 loi: - Laser cú bc súng trong vựng cc tớm - Laser cú bc súng trong vựng nhỡn thy - Laser cú bc súng trong vựng hng ngoi Vùng truyền quang sợi 1nm 100nm Vùng cực tím 1000A Vùng nhìn th y Vùng hồng ngoại gần 1 500nm 100nm 3 1000nm Vùng hồng ngoại giữa 5 10 5 10,6 Laser màu 193nm 308nm 400- 1000nm 106nm 249nm 850 nm 1318nm Laser excimer Lasser bán dẫn Laser Ar 488nm Laser Rubi Laser CO2 Laser hơi... D dy Rut 0,62 0,69 0,38 0,54 1,3 0,6 0,5 - - - Bng 2.4 : xuyờn sõu ca bc x laser trong cỏc loi mụ chut (mm) Thc ra xuyờn sõu ca laser khụng ch ph thuc vo hp th v tỏn x m cũn ph thuc rt nhiu vo s phn x trờn b mt mụ Bc súng bc x laser cng di thỡ s phn x cng yu Trờn b mt da ca ngi v ng vt, s phn x ca laser t ngoi gn v nhỡn thy (laser N 2, He-Cd, Argon, HeNe, Ruby) khong 30-40%, cũn i vi laser Nd: YAG. .. Tryptophan Tyrosine Pheny-lalanine Pigments Oxyhemoglobin Deoxyhemoglobi n Loi mụ S hp th quang Bc súng Cng (nm) tng i Laser Bc súng (nm) Tt c . những ứng dụng của laser trong y tế, tìm hiểu một loại laser cụ thể là laser Nd: YAG và thiết bị laser n y trong y tế. Trong quá trình thực hiện đồ án em xin b y tỏ lòng cảm ơn tới tiến sĩ Nguyễn. những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn  laser YAG, laser excimer… Em đã chọn đề tài về laser làm nội dung cho đồ án tốt nghiệp của mình. Trong đồ án em trình b y về những. công nghệ và y tế. Đặc biệt trong y tế, những ứng dụng laser đã đem lại những thành tựu nổi bật. II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LASER 2.1: Các hiện tượng quang học cơ bản Phổ năng lượng của các hệ