Ứng dụng laser trong y học

Đề tài: Ứng dụng laser trong y học

Lời nói đầu

Xuất phát từ phát minh thiên tài của nhà vật lý vĩ đại A Einstein (Đức) về hiệntợng phát xạ cỡng bức năm 1917, các nhà vật lý khác đã nghiên cứu và chế tạothành công máy laser đầu tiên vào năm 1960 Cho đến nay đã có hàng trăm loạilaser đợc chế tạo và chúng đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực nghiên cứukhoa học, các nghành kinh tế và cuộc sống con ngời ứng dụng laser trong yhọc là một trong những hớng phát triển mạnh nhất, hiệu quả nhất của trào lutrên

Bức xạ laser khi tơng tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt Đó là hiệuứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơ…Trên cơ sở hiểubiết đầy đủ về các hiệu ứng sinh học của bức xạ laser, trong hơn 40 năm pháttriển kỹ thuật này hàng loạt các thiét bị laser chuyên dụng cho điều trị và chuẩn

đoán đã ra đời, đợc thử nghiệm thành công và đa vào ứng dụng tại hầu hết cácngành và chuyên khoa y tế Laser đã chứng minh u thế tuyệt đối của mình trongnhiều lĩnh vực nh quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệungời khỏi mù lòa, phẫu thuật xử lý các u ác tính hạn chế mức độ di căn và cáchiệu ứng phụ, tạo hình mạch, mổ tim cấp cứu, phá sỏi, chuẩn đoán sớm bệnh tật

đặc biệt là ung th…Đến nay việc ứng dụng laser trong y tế đã hình thành mộtchuyên ngành y học mới – chuyên ngành y học và ngoại khoa laser

Tại Việt Nam các thiết bị laser đã trở thành những thiết bị y tế phổ biến, đợc sửdụng 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 bớc pháttriển lớn Trớc đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hailoại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO2 Hiện nay chúng ta đã di sâunghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn nhlaser 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 loạilaser 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- trungtâm 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

đợc ý kiến nhận xét, đánh giá của thầy cô và các bạn

Chơng 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 cỡng bức (LightAmplification by Stimulated Emision of Radiation) Ông tổ của laser chính lànhà vật lý thiên tài Albert Einstein, ngời đã phát minh ra hiện tợng phát xạ cỡngbức (Stimulated Emision of Radiation) vào năm 1917 Còn ngời phát minh ranguyên lý cơ bản của máy laser là nhà vật lý ngời Mỹ Townes vào năm 1964.Cùng đồng thời trong năm đó hai nhà vật lý ngời Liên Xô là Prochorow vàBabov cũng công bố các công trình phát hiện nguyên lý laser Do phát minh này

ba nhà vật lý trên đã đợc nhận giải thởng Nobel vật lý năm 1964 Máy laser đầutiên đợc chế tạo bởi nhà vật lý mỹ Meiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụngoxit nhôm tinh khiết (Al2O3) có phủ ion crom gọi là laser Ruby Sau thành côngnày trong một thời gian ngắn, ngời ta đã phát hiện hàng loạt chất có khả năngphát tia laser nh hỗn hợp khí He và Ne (laser He- Ne), tinh thể bán dẫn GalliumArsenid (laser diode GaAs), tinh thể Yttrium Aluminium Garnet (laser Nd:YAG), các chất màu pha lỏng khác nhau (laser màu)

Hiện nay laser đã đợc 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 nhữngthành tựu nổi bật

II: Nguyên lý hoạt động của laser

2.1: Các hiện tợng quang học cơ bản

Phổ năng lợng 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 thờng chiếm nhữngmức năng lợng thấp nhất đợc gọi là những mức năng lợng cơ bản

Khi có tác dụng của các yếu tố bên ngoài nh tác dụng của bức xạ, tơng tác củacác hạt điện tử, ion, nguyên tử khác, tác dụng của điện trờng, nhiệt độ, hệ vi mô

có thể bị kích thích chuyển lên các trạng thái với mức năng lợng cao hơn cáctrạng thái với năng lợng cao hơn trạng thái cơ bản đợc gọi là các trạng thái kíchthích Có các hiện tợng quang học cơ bản sau đây:

2.1.1: Hiện tợng hấp thụ ánh sáng

Các nhân tử khác nhau có số điện tử khác nhau và nh vậy có số quỹ đạo khácnhau tơng ứng với nó là các mức năng lợng khác nhau Giả sử ta có một hệnguyên tử có hai mức năng lợng nh hình vẽ:

Hình 1.1: Mức năng lợng.

Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc (chùm ánh sáng có các photon giống hệtnhau và năng lợng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lợng của hai mức-E)thì khi photon đi vào môi trờng nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E1 hấp thụ

và nhờ có năng lợng này điện tử có thể nhảy lên mức E2 Hiện tợng này đợc gọi

là hiện tợng hấp thụ

Hình 1.2: Hiện tợng hấp thụ.

Nh vậy, hiện tợng hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức thấp hấp thụphoton và nhảy lên mức năng lợng cao hơn hấp thụ luôn luôn làm ánh sángyếu đi

2.1.2: Hiện tợng phát xạ tự do.

Đây là quá trình xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, điện tử khi nhảy lên mức kíchthích sau một thời gian nhất định ( gọi là thời gian sống của điện tử ở mức kíchthích) nó lại trở về mức cơ bản Khi trở về mức thấp một năng lợng sẽ đợc tạo radới dạng nhiệt hoặc ánh sáng

E

∆

E2

E1E

E2

E1

bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó.

Hình 1 4: Hiện tợng phát xạ cỡng bức.

Sự chuyển mức năng lợng này sẽ phát xạ ra photon có năng lợng E và có cáctính chất giống hệt với photon đã cỡng bức điện tử nhảy xuống nh hớng truyền,

độ phân cực, pha, tần Trong trờng hợp này photon kích thích không bị mất mát

nh trong trờng hợp hấp thụ Photon ban đầu này vẫn tồn tại và duy trì nhữngtính chất ban đầu của nó ta không thể phân biệt đợc sự khác nhau giữa photonban đầu với photon sinh ra từ dịch chuyển cỡng bức điện tử

Tóm lại, phát xạ cỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự dịchchuyển cỡng bức của các điện tử dới tác dụng của các photon Hiện tợng phátxạ cỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra

2.2: Nguyên lý hoạt động của laser

tỉ lệ gần nh nhau Vì nguyên nhân đó nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phátxạ cỡng bức và phát xạ tự do, do đó chùm ánh sáng đi qua môi trờng bình thờngbao giờ cũng yếu đi

Để có hiệu ứng Laser, tức là chùm ánh sáng đợc khuyếch đại thì thì ta phải tạo

ra một môi trờng đặc biệt mà ở đây hiện tợng phát xạ cỡng bức xảy ra phảimạnh hơn hiện tợng hấp thụ Hiện tợng này chỉ xảy ra trong môi trờng mà tại

đó các điện tử ở mức trên n2 lớn hơn số điện tử ở mức dới n1 Môi trờng nh vậy

đợc gọi là môi trờng nghịch đảo nồng độ (đảo ngợc độ tích luỹ) với n2> n1

Môi trờng đặc biệt có sự đảo ngợc độ tích luỹ nh ta nói ở trên là yếu tố cơ bảncủa mọi Laser Môi trờng đó gọi là hoạt chất của Laser hay gọi ngắn gọn là hoạtchất

Khi ánh sáng đi qua môi trờng nghịch đảo mật độ cờng độ ánh sáng tăng theohàm mũ với :

e

I I

x

I( )= (0) −αx = (0) α

ở đây α < 0

Ngoài hoạt chất, mỗi Laser bất kì còn phải có yếu tố khác là nguồn nuôi, yếu tốcung cấp năng lợng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo ngợc độ tích luỹcác điện tử ở môi trờng laser và buồng cộng hởng

Nh vậy tiền đề cho quá trình khuyếch đại là:

- Tạo ra và duy trì môi trờng đảo mật độ, quá trình này đợc gọi là quá trìnhbơm

- Tạo điều kiện để phát xạ cỡng bức áp đảo phát xạ tự nhiên Để thực hiện

đợc điều này ngời ta sử dụng các loại buồng cộng hởng

2.2.2: Quá trình bơm

Môi trờng nằm trong trạng thái nghịch đảo mật độ là trạng thái không bền vàcác nguyên tử luôn có xu hớng trở về trạng thái cân bằng Vì vậy, muốn duy trìtrạng thái nghịch đảo mật độ phải thờng xuyên tiêu tốn một năng lợng để kíchthích hệ hạt Quá trình kích thích hệ hạt này đợc gọi là quá trình bơm

Quá trình bơm , kích thích tuỳ thuộc vào loại hệ, có thể tực hiện bằng nhiềucách: phơng pháp kích thích bằng quang học( bơm quang học), và phơng phápkích thích băng điện (bơm điện)

*Bơm quang học:

Đây là phơng pháp kích thích hệ bằng bức xạ điện từ nói chung, bao gồm: viba,hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại …Đây là phơng pháp kích thích đợc dùngphổ biến

Trong mô hình hai mức năng lợng, ở trạng thái cân bằng nếu E1 < E2 thì N1 >

N2 Nếu chúng ta kích thích hệ bằng cách dọi vào hệ ánh sáng có tần số đáp ứng

điều kiện hυ = E2- E1, thì N2 sẽ tăng lên, N1 giảm xuống và N1+ N2 = N = const,

N là số nguyên tử của cả hệ Nh đã biết nếu tăng công suất bơm thì ∆N = N1- N2

sẽ giảm dần Tuy nhiên tính toán cho thấy rằng ∆N chỉ có thể tiến tới không,nghĩa là N2→N1, chứ không thể đạt đợc N2 > N1 Nghĩa là trong hệ hai mứcnăng lợng, bằng phơng pháp bơm quang học ta không thể đạt đợc môi trờng đảomật độ Trong trờng hợp ∆N = 0, N1= N2 đợc gọi là hiệu ứng bão hòa Hiệu ứngbão hòa càng dễ đạt đợc khi thời gian sống của trạng thái ứng với E càng lớn

Trạng thái của hệ khi N1= N2 gọi là trạng thái bão hòa, trong trạng thái này hệkhông hấp thụ cũng không phát xạ Mặc dù hiệu ứng bão hòa không cho phép tatạo ra môi trờng đảo mật độ nhng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ramôi trờng đó bằng mô hình ba mức, bốn mức.

E3→E2 lớn Tuy nhiên có thể bằng cách này làm tăng nồng độ N2 và nhờ đó màthiết lập đợc sự đảo mật độ giữa hai mức E2 và E1 để thu đợc phát xạ cỡng bức

Bơm Phát xạ

E2

E1

E3

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 Ngời ta có thể thực hiệnphóng điện bằng năng lợng cao tần hoặc điện áp một chiều

Bơm điện cũng đợc dùng trong laser bán dẫn bằng cách đặt điện áp vào mẫu đểphun hạt dẫn vào mẫu tạo ra môi trờng đảo mật độ

2.2.3: Buồng cộng hởng

Buồng cộng hởng là nơi cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trớckhi đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser đi qua gơng ở hai bên Do buồngcộng hởng chỉ đợc giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu còn các mặt khác đều

hở nên thờng gọi là buồng cộng hởng hở

Việc sử dụng buồng cộng hởng hở trong kỹ thuật laser là một điều bắt buộc.Buồng cộng hởng có hai chức năng sau đây:

* Thực hiện hồi tiếp dơng

Tuy môi trờng hoạt tính đặt trong buồng cộng hởng có khả năng khuếch đại tínhiệu đi qua nó theo luật hàm số mũ, nhng độ khuếch đại này không lớn vì chiềudài của hoạt chất là có hạn Để có đợc khuếch đại lớn phải tăng kích thớc củahoạt chất lên rất nhiều lần Ví dụ nếu dùng hoạt chất là khí CO2, để có đợc côngsuất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 104 m, điều này khôngthể thực hiện đợc Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải đợc sử dụngbằng cách khác Chính nhờ buồng cộng hởng quang học mà mà việc tăng chiềudài của hoạt chất đợc giải quyết một cách đơn giản Trong buồng cộng hởng tiasáng đợc phản xạ nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quãng đờng đi củatia

Hình 1.6 : Sự hình thành hồi tiếp dơng trong buồng cộng hởng

Quá trình xảy ra nh sau: Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trongbuồng cộng hởng xuất hiện một sóng ánh sáng Sóng sẽ đợc khuếch đại lên docác dịch chuyển cỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất Khi tới mặt phản xạ, mộtphần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tợng hấp thụ hoặc truyền qua, nhngphần chủ yếu đợc phản xạ trở lại và đợc tiếp tục khuếch đại lên trên đờng đi tớimặt phản xạ kia Tại đây cũng sẽ sảy ra quá trình tơng tự và cứ nh vậy, sau rấtnhiều lần phản xạ ta sẽ thu đợc dòng bức xạ có cờng độ lớn

Khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng đợc, nó bị giới hạn bởi công suấtcủa nguồn bơm Vì vậy cờng độ bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập đợc điều kiệncân bằng năng lợng

* Tạo ra bức xạ định hớng, đơn sắc, kết hợp

Do buồng cộng hởng là hở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồngcộng hởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và đợc khuếch đại lên Những sóng ánhsáng này xác định công suất ra của laser Còn những sóng ánh sáng nào lantruyền dới những góc lệch tơng đối lớn so với trục của buồng cộng hởng thì saumột vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài Vì vậy bức xạ hình thành ở cửa ra củabuồng cộng hởng có tính định hớng rất cao Trong quá trình phản xạ nhiều lầngiữa hai gơng, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa cácsóng đó cũng không đổi, do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp Cuối cùng nhờ cóbuồng cộng hởng có thể thực hiện đợc các phơng pháp chọn lọc dao động khácnhau để thu đợc bức xạ trong một dải phổ rất hẹp, gần nh đơn sắc Nh vậy cóthể nói rằng, buồng cộng hởng quang học đóng vai trò quyết định trong việchình thành các tính chất của laser

Hệ số phẩm chất của buồng cộng hởng: Q= 2πυEd/ P0

Ed: năng lợng dự trữ trong buồng cộng hởng

P0: năng lợng trung bình bị tiêu hao trong 1s

Buồng cộng hởng có nhiều dạng khác nhau Loại đơn giản và thông dụng nhất

là hệ gồm hai gơng phẳng đặt song song (trong quang học ngời ta gọi hệ cộnghởng này là giao thoa kế Fabri- Perot) Buồng cộng hởng gồm hai gơng phẳng

đòi hỏi khắt khe về độ song song của các gơng và vì thế rất khó chỉnh nhng nólại cho bức xạ có độ định hớng cao Loại này thờng đợc sử dụng trong các laserrắn và laser bán dẫn

Trong buồng cộng hởng quang học đặc biệt cần chú ý đến đặc điểm cấu tạo vàyêu cầu kỹ thuật đối với các gơng Yêu cầu cơ bản của các gơng laser là phải

đảm bảo sao cho tổn hao trong vật liệu dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất.Hiện nay, trong kỹ thuật laser phần lớn các gơng mạ bạc, nhôm hoặc mạ vàng

đã đợc thay thế bằng các gơng điện môi nhiều lớp So với các gơng có lớp phủkim loại thì gơng điện môi nhiều lớp có một loạt u điểm nổi bật: tính chọn lọc

và hệ số phản xạ cao, phần năng lợng bị tiêu hao do hấp thụ rất nhỏ Vì vậy cácgơng điện môi nhiều lớp có thể đảm bảo đợc hệ số phẩm chất của buồng cộnghởng rất cao, chịu đợc năng lợng bức xạ lớn và tuổi thọ của gơng cũng rất cao

III: Các tính chất cơ bản của laser

Laser là một nguồn sáng, tuy nhiên đây là một nguồn sáng đặc biệt và chínhnhững tính chất đặc biệt ấy đảm bảo hiệu quả cao trong việc ứng dụng vàonhững lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Laser có những tính chất điển hìnhsau:

3.1: Độ định hớng cao

Từ nguyên lý hoạt động của laser ta thấy laser phát theo một hớng vuông gócvới gơng của buồng cộng hởng Tia laser phát ra hầu nh dới dạng chùm sángsong song Tuy vậy do ảnh hởng nhiễu xạ ở biên của chùm tia, tia laser phát ravới một góc mở nhất định nh hình:

Hình 1.7: Góc mở của chùm tia laser

Từ lâu con ngời đã rất cần những nguồn sáng song song trớc hết dùng để đo xa,liên lạc, dẫn đờng nh các đèn pha, đèn chiếu…Những chùm sáng này có góc

mở cỡ vài độ, góc chiếu xa tới khoảng 5- 10 km Đối với laser góc mở có thể

đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phút góc (1 phút góc = 1/60 độ), có trờng hợp chỉ vàigiây góc Vì vậy laser có thể chiếu đi rất xa cỡ hàng nghìn cây số

3.2: Tính đơn sắc rất cao

Độ đơn sắc của nguồn sáng đợc hiểu là chùm sáng đó có một màu và khả năngtập trung năng lợng vào một màu ấy Với ý nghĩa nh vậy laser đúng là mộtnguồn sáng đặc biệt mà không một nguồn sáng nào khác có thể so sánh đợc.Những máy quang phổ có thể cho ánh sáng một màu với độ tinh tơng đơng vớilaser nhng lại thua laser cỡ 1 tỷ lần về tập trung năng lợng Mặt trời có thể chonăng lơng rất lớn nhng lại rải trên nhiều màu Vì vậy tính đơn sắc rất quan trọngtrong việc sử dụng laser nh một thiết bị vật lý trị liệu thông qua điều trị bằng

ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào độ đơn sắc

3.3: Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser

Tính kết hợp của ánh sáng đợc hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các photontrong chùm sáng ấy Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn và trongtrờng hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp bằng không.Tia laser nh chúng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tợng phát xạ cỡng bức,

do vậy các photon của tia laser giống hệt nhau Tính giống hệt nhau đó đảm bảocho sự hoạt động nhịp nhàng của tia laser Chính tính kết hợp của tia laser đảm

bảo cho laser có rất nhiều ứng dụng đọc đáo: khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vếtnhỏ và tinh và một loạt những đo đạc quan trọng khác trong ngành quang phổ.

3.4: Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn

Thời gian ban đầu thông thờng ngời ta chế tạo các laser phát liên tục hoặc phátxung cờng độ tự do với độ dài xung cỡ ms Nhng với tiến trình phát triển côngnghệ cao trong lĩnh vực laser, ngời ta đã đạt đợc việc phát đồng bộ chế độ, chophép tập trung năng lợng laser trong thời gian xung cực ngắn chỉ cỡ nano giâyhoặc pico giây Cho đến nay cũng chỉ có laser có khả năng phát với thời gianngắn nh vậy

3.5: Công suất phát laser

Công suất của laser thay đổi tùy theo từng loại cụ thể Có những loại laser phátxung đạt công suất 1- 100 triệu kW nh laser thủy tinh Nd Những laser liên tụccũng có thể đạt công suất tối đa 1000 kW

Trong y học thờng sử dụng laser excimer, laser Nd: YAG phát xung với côngsuất 10000 kW đến 10 triệu kW, laser CO2, laser Argon phát liên tục từ 1- 100

W, trong vật lý trị liệu thông thờng sử dụng laser He- Ne và laser bán dẫn cócông suất trung bình từ 0,1- 10 mW

Thông số Ký hiệu Đơn vị Công thức tínhBớc sóng laser

λ 1 à= 1/1000 m

1 nm= 1/1000 à

1 A°= 1/10 nm

λ= c/γc: tốc độ ánh sáng

Công suất laser

1 kW= 1000 W

P= E/tE: năng lợng của lasert: thời gian phát laserMật độ công suất

laser

S: tiết diện điểm chiếu

laserMật độ năng lợng

IV: Phân loại laser

Có 4 phơng pháp để phân loại laser:

- Phân loại theo môi trờng hoạt chất

- Phân loại theo chế độ làm việc

- Phân loại theo bớc sóng

- Phân loại theo chế độ an toàn

4.1: Phân loại theo môi trờng hoạt chất.

Phơng pháp phân loại laser phổ biến nhất hiện nay chủ yếu dựa vào trạng tháicủa môi trờng hoạt chất còn tên gọi của Laser xuất phát từ tên gọi của môi trờnghoạt chất đó

Hiện nay Laser phân loại theo môi trờng hoạt chất đợc phân thành 3 loại sau:

- Laser thể lỏng.

Đây là những laser có môi trờng hoạt chất ở thể lỏng Có khoảng 100 chất lỏngkhác nhau có thể sử dụng để phát laser Thông dụng hiện nay là các loại chấtmầu pha lỏng trong các môi trờng khác nhau đợc sử dụng làm hoạt chất

Nguồn nuôi của những laser thể lỏng là những đèn khí phát sóng công suất lớnhoặc một laser khác

Laser màu đợc sử dụng rộng rãi nh hiện nay là do nó có u điểm là có khả năng

có thể thay đổi màu( bớc sóng) của tia laser

4.2: Phân loại theo chế độ làm việc.

Theo phơng pháp này ta có 4 loại chính:

- Laser cã bíc sãng trong vïng nh×n thÊy.

- Laser cã bíc sãng trong vïng hång ngo¹i

P(w)

t(s)

P(w)

t(ms)P(w)

t(s)

Hình 1.8 Những Laser chính và bớc sóng của chúng.

4.4: Phân loại theo chế độ an toàn.

Phân loại theo chế độ an toàn có 5 loại:

Đây là loại laser không có khả năng gây hại tới mắt và da trong suốt quá trình

sử dụng bởi hớng trực tiếp hoặc hớng phát xạ

Công suất của loại laser này thấp hơn 10àW

Nd:YAG Laser

Lasser bán dẫn Laser Rubi Laser Kr Laser He- Ne

193nm 308nm

249nm Laser excimer

Laser Ar 488nm

Lo¹i laser nµy kh«ng g©y thiÖt h¹i tíi m¾t vµ da nÕu thêi gian chiÕu kh«ng vîtqu¸ 0,5s.

I: T¬ng t¸c cña laser víi tæ chøc sèng

1.1: C¬ chÕ t¬ng t¸c cña bøc x¹ laser víi tæ chøc sèng

1.1.1: Tơng tác laser mô tế bào

Đáp ứng quang của mô tế bào với laser đợc mô tả trong hình 1 Một chùm laser

đợc phản xạ tại bề mặt theo định luật Fresnel

Hình 2.1: Tơng tác quang của chùm laser với mô tế bào

Phản xạ không khí- tế bào xấp xỉ 2,5% khi chùm laser đợc chuẩn với mô tế bào.Tán xạ ánh sáng mô tế bào tạo nên phản xạ khuếch tán

2

1 ) ( i =

+

−

) (

) ( ) (

sin

) ( sin

2

2 2

2

t i

t i t

i

t i

tg

tg

θ θ

θ

θ θ

e

E z

θ ( ) = − − (2)

E0 là phát xạ bề mặt (w/m2), àt là hệ số suy hao (1/m), R là hệ số phản xạFresnel Tán xạ của chùm sáng lại bị tán xạ đến khi chúng bị hấp thụ, bị phảnxạ khuếch tán hay bị truyền đi (truyền khúc xạ) Đo lợng tế bào liên quan, sựtruyền của ánh sáng tán xạ đợc miêu tả trong phơng trình truyền hơn là phơngtrình Maxwell

Độ phát xạ L(w/m2.số) theo hớng s tại điểm r là:

dw s r l s s p s

r L s

r L

n

) , ( ) , ( )

, ( )

Phản xạ trong

Phản xạ phản chiếu

àt=àa+às; àa là hệ số hấp thụ, às là hệ số tán xạ và p(s,s,) là hàm pha mô tả xácxuất tán xạ từ hớng s, đến hớng s Giả sử tế bào là đẳng hớng theo nghĩa là hớngcủa tế bào tiếp xúc với ánh sáng s, không ảnh hởng đến góc tán xạ.

p(s.s,)=p(s,s,)=p(cosθ) (4)Trong đó θ là góc tán xạ Tham số cosine của hàm pha là hệ số đẳng hớng (g).Anhs sáng đợc tán xạ về phía trớc trong tế bào và giá trị của g thờng nằm trongkhoảng 0,7- 0,99 Những đo đạc thực nghiệm hàm p(θ) cho thấy nó có dạnghàm Henry Greenstein

θ(r)= ∫l r s dw

π 4

, ) , ( (5)

Đo đạc các đặc tính quang bao gồm hệ số phản xạ khuếch tán, khúc xạ với một

tế bào có dạng cầu thích hợp Bằng cách giả định trớc dạng của hàm pha vàthêm vào giải pháp làm hiển thị thêm các thông số đặc tính quang xấp xỉ theophơng trình (3), cố định giá trị của hệ số hấp thụ àa, hệ số tán xạ às và hệ số

đẳng hớng (g)

Ta phải giải phơng trình (3) nếu hệ số tán xạ lớn hơn hẳn hệ số hấp thụ (às≥àa).Trờng hợp này thờng xảy ra trong vùng phổ 600nm-1,2àm Hình 2.2 thể hiệncác giá trị xấp xỉ của àa trong protein, acid amin, máu (HbO), tiểu cầu và huyếttơng Vùng phổ 600 nm-1,2 àm tạo một cửa sổ để đâm sâu ánh sáng vào tế bào

Trong phạm vi cửa sổ này và thậm chí với các bớc sóng nhìn thấy thấp hơn, khi

tế bào không sắc tố hay màu, tần số liên quan tới ánh sáng khúc xạ lớn hơnnhiều so với tần số suy hao của chùm laser Do đó tán xạ đợc chuyển đi mộtphần lớn hơn so với phát xạ Đo hệ số phát xạ khuếch tán theo hàm của bớcsóng ngay dới bề mặt của tế bào phát xạ thờng lớn hơn chính phát xạ đó

Hình 2.2: Hệ số hấp thụ của (a): Protein và các acid amin, (b) hồng cầu, (c):

melamin, (d): huyết tơng

Tần số sinh nhiệt Q (W/m3) liên quan với hấp thụ sáng trong tế bào liên quanmột cách lý thuyết với:

Q(r)= àa(r)θ(r) (6)Trong đó tần số θ gồm ánh sáng tới và khúc xạ Khi quan tâm tới tán xạ phảitính tần số theo phơng trình (3) và (5) để loại trừ tỉ lệ sinh nhiệt theo (6) Tuynhiên nếu hấp thụ trội hơn, ta dùng phơng trình (2) Quyết định tỷ lệ sinh nhiệt

là công việc trung tâm để tiên đoán các tơng tác quang nhiệt

Sự liên quan giữa tần số hấp thụ và tỷ lệ sinh nhiệt đợc minh họa trong hình 2.3với lớp mô tế bào hồng cầu Sự hấp thụ của lớp dới gấp bốn lần đầu Tần số đạt

đợc theo luật hấp thụ Mặc dù ánh sáng đến lớp thứ hai ít hơn so với lớp thứnhất nhng tần số sinh nhiệt của mm đầu tiên của lớp thứ hai vẫn lớn hơn Do đólựa chọn bớc sóng ta có thể nhắm đến các lớp trong của tế bào

Hình 2.3: Liên hệ giữa tần số (trái) và tần số (phải) của hai lớp tế bào hồng cầu (Hệ số hấp thụ của lớp động mạch là 1 cm -1 và 4 cm -1 ) với lớp thứ hai (không có tán xạ)

Quá trình quang- nhiệt của tơng tác laser-tế bào đợc tổng kết trong hình 2.4 Ví

dụ quá trình phát triển của mẫu toán học trong điều trị bỏng phải bao gồm phân

bố ánh sáng, tần số sinh nhiệt và truyền nhiệt Tại mỗi bớc trong quá trình taphải hiểu lý tính của mô tế bào

Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tơng tác laser- mô tế bào

1 2

Độ sâu mô (cm) Độ sâu mô (cm)

àα1< àα2

Nguồn nhiệt (W/cm 2 )

Quá trình quang hóa Sự cắt bỏ Mở rộng tổn thương nhiệt

Hệ số tỷ lệ Nhiệt độ tới hạn

Laser

r

Ta có thể phân loại các tơng tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống theo các hiệuứng và tơng tác với mỗi hiệu ứng đó

Quang hóa trị liệuQuang cộng hởng

50°)Tiêu màng (phù nề), biến dạng mô, biếntính enzyme

Quang đông 60- 100°C

Đông kết hoại tửThan hóa 100- 300°C

Sấy khô bay hơi nớc và than hóaBay hơi tổ chức Hơn 300°C

Bay hơi matrix mô rắnQuang ion

Bảng 2.1: Phân loại tơng tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống

Các hiệu ứng trên có vai trò không nh nhau trong ứng dụng Quang cảm ứngchính là cơ sở cho cho việc dùng laser công suất thấp nh He-Ne hay bán dẫnhồng ngoại Quang hóa trị liệu đợc dùng trong ung th học để phá hủy các khối u(phơng pháp quang đông học PDT) Tăng nhiệt bằng laser đợc dùng nh một kỹthuật nhiệt trị ung th mới, kể cả u lành tính và u ác tính và đặc biệt là trong điềutrị u phì đại tuyến tiền liệt Quang đông và bay hơi tổ chức là hai hiệu ứng nổibật, tạo cơ sở cho việc ứng dụng mang tính cách mạng của laser trong ngoạikhoa Trong khi đó tuy mới xuất hiện nhng kỹ thuật tạo hình mạch bằng laser

excimer hay laser phá sỏi qua nội soi đã cho kết quả đầy ấn tợng lại có cơ sởvững vàng ở hiệu ứng bóc lớp hay quang phân cắt.

1.1.3: Tham số vật lý ứng với các dạng tơng tác

Nh bất kỳ một tác nhân vật lý nào, có hai tham số quy định mức độ tơng tác củalaser với tổ chức sống Đó là mật độ công suất (hay mật độ năng lợng) và thờigian tơng tác Hình 2.5 và hình 2.6 phản ánh mối quan hệ định lợng giữa cáctham số đó với các hiệu ứng tơng tác sơ cấp của laser

Hình 2.5: Giản đồ các quá trình quang học thời gian- mật độ công suất laser

Từ các sơ đồ có thể thấy rõ, mức công suất nhỏ (100 - 105W/cm2) đòi hỏi mộtthời gian tơng tác rất lớn (101 - 105s) để có các hiệu ứng quang hoá Ngợc lại,mức công suất càng lớn đòi hỏi thời gian tơng tác càng ngắn để gây một hiệuứng tơng tác nào đó

Hiệu ứng phi tuyến

Hình 2.6: Sơ đồ mật độ năng lợng- thời gian tơng tác để cắt mô bằng laser

Quang phi tuyến 106 - 1012 10-12- 10-6

Bảng 2.2 : Tơng quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời

gian tác dụng

Sau đây là một số đặc điểm của các hiệu chính:

• Hiệu ứng quang sinh học: bao gồm các quá trình kích thích sinh họcthông qua một loạt các phản ứng quang hóa và các quá trình quang độnghọc (photodyanamic) Các quá trình xảy ra khi khi tia laser có mật độcông suất cỡ 10-4 W/cm2, thời gian chiếu từ 10 giây đến chục phút

• Hiệu ứng quang đông tổ chức: Khi các tổ chức hấp thụ laser và nhiệt độtăng lên khoảng 80°C sẽ làm bay hơi nớc gây co vón các tổ chức đó

• Hiệu ứng bốc bay tổ chức: Khi laser có công suất lớn và đợc hội tụ lêncác tổ chức sinh học, nhiệt độ tại vùng chiếu có thể vợt 200°Cữ300°C.Các tổ chức sinh học bị đốt cháy và bốc bay để lại các vùng lân cận bịbỏng hoặc hoại tử với những mức độ khác nhau

Vi nổ Bóc lớp Bay hơi Quang đông

1012 109 106 103

• Hiệu ứng quang phi tuyến: Bao gồm các quá trình quang cơ và quang bóclớp (photoablation) hiện mới đang nghiên cứu và ứng dụng Các quá trìnhmang tính chất phi tuyến và phụ thuộc đáng kể vào mật độ công suất

1.2: Sự tán xạ, sự hấp thụ và độ xuyên sâu

1.2.1: Sự tán xạ

Sự tán xạ đợc tìm thấy duy nhất tại đờng biên giới giữa các vùng có sự khácnhau về sự biểu thị quang học và là cách thức trong đó năng lợng của sự bức xạ

đợc duy trì Mô sinh vật là cấu trúc không đồng nhất tại phạm vi cực nhỏ, ví dụ

nh kích thớc của tế bào và dới mức tế bào, và tại phạm vi vĩ mô ví dụ nh kíchthớc tập hợp tế bào (mô), và phần lớn chứa nớc, protein, lipid, tất cả các thànhphần hóa học khác Kết quả của sự tán xạ là độ lệch phơng bức xạ Độ lệch làmạnh nhất khi độ dài bớc sóng và sự tán xạ là có thể so sánh đợc với kích thớc

và khi chiều dài bớc sóng vợt qua độ lớn hạt phân tử

1.2.2: Sự hấp thụ

Ngoài sự hấp thụ còn có hàng loạt quá trình ảnh hởng đến sự xuyên sâu nh phảnxạ trên bề mặt mô, sự khúc xạ giữa các mặt phân cách, sự tán xạ trên các hợpphần mô…Khi bỏ qua tán xạ, sự hấp thụ laser trong mô đợc đặc trng bởi haitham số Đó là khả năng hấp thụ và độ sâu hấp thụ

Khă năng hấp thụ đợc xác định bằng tỉ số giữa phần năng lợng bị mô hấp thụ vànăng lợng toàn phần đến bề mặt mô Tỷ số này luôn nhỏ hơn 1

Độ sâu hấp thụ xác định phân bố không gian của năng lợng hấp thụ trong môitrờng Trong trờng hợp đơn giản nhất (suy hao theo hàm số mũ cơ số e theo

định luật Lambert- Beer) thì độ sâu hấp thụ bằng khoảng cách mà trên đó côngsuất bức xạ giảm đi e lần so với công suất bề mặt Đại lợng ngợc với độ sâu hấpthụ là hệ số hấp thụ, có đơn vị là cm-1

Phần tử Loại Sự hấp thụ quang Laser Bớc sóng

Bớc sóng Cờng độ

+ + +

M¸u M¹ch C¸c m«

414 (p)

537 (p)

575 (p)

970 (p) 690-1100 (r)

514,5 532

488-810 1064 400-700 1064

2100 2940 10640

B¶ng 2.3 : Sù ph¸t x¹ UV-IR- Sù hÊp thô cña c¸c m« sinh vËt vµ chiÒu dµi bíc

Sự hấp thụ phụ thuộc trớc hết vào bản chất của bức xạ laser, nói cách khác nó làhàm số của bớc sóng Sự hấp thụ còn phụ thuộc vào đặc trng sinh học của tổchức sống Trong đó ta đặc biệt chú ý đến sự hấp thụ của nớc ở vùng tử ngoại vàhồng ngoại là rất lớn Vì cơ thể chứa hơn 80% là nớc nên các laser tử ngoại vàhồng ngoại có u thế lớn trong phẫu thuật Còn sự hấp thụ của HbO2 thì chỉ đạttới mức độ lớn ở vùng hồng ngoại, điều này giải thích vì sao các laser excimer

có u thế lớn trong tạo hình mạch

1.2.3: Độ xuyên sâu

Độ xuyên sâu và phân bố bức xạ đã đợc nghiên cứu và qua đó đã đa ra đợc sơ

đồ tổng quát cho các loại laser thông dụng thuộc vùng nhìn thấy, tử ngoại vàhồng ngoại nh hình 2.7

Hình 2.7 : Độ xuyên sâu qua da của ánh sáng phụ thuộc vào bớc sóng

UV: Ultra Violet (Tia tử ngoại)

VIS: Visualization (Tia ở trong vùng nhìn thấy)

IR: Infra Red (Tia hồng ngoại)

Từ đồ thị ta thấy các laser bớc sóng khác nhau sẽ gây tổn thơng khác nhau nếu

có cùng công suất tới Các tia laser tử ngoại xa C) và tử ngoại trung B) chỉ gây các vết ban đỏ (erythema) lên bề mặt da trong khi các loại laser khác

có cùng công suất lại có thể gây nên vết bỏng độ sâu khác nhau Vùng ánh sángnhìn thấy (VIS) và vùng hồng ngoại gần (IR-A) ứng với độ xuyên sâu cực đại,sau đó độ xuyên sâu giảm dần theo chiều tăng của bớc sóng và đến vùng hồngngoại xa Điển hình là CO2 thì độ xuyên sâu lại trở về giá trị cực tiểu nh vùng tửngoại xa và trung bình Đây là cơ sở để giải thích u thế của laser CO2 trongphẫu thuật (do độ xuyên sâu thấp toàn bộ năng lợng bức xạ đợc phân bố trênmột lớp mỏng làm cho việc cắt mô tiến hành dễ dàng và có độ chính xác cao.Ngợc lại laser Nd:YAG có độ xuyên sâu cao, năng lợng phân bố trên một diệntích đủ lớn nên loại laser này có u thế khi cần dùng đến các hiệu ứng quang

đông

Trong nghiên cứu và trong thực hành, thờng quan tâm đến độ xuyên sâu trungbình và độ xuyên sâu 10% Các đại lợng này đợc đánh giá từ định luật Lambert-Beer mô tả sự suy giảm cờng độ chùm bức xạ tới:

I= I0exp(-γd)Trong đó:

I: cờng độ bức xạ ở độ sâu d

I0: cờng độ bức xạ ở bề mặt mô

γ: hệ số suy giảm (bằng tổng các hệ số hấp thụ và tán xạ)

Độ xuyên sâu trung bình và độ xuyên sâu 10% tơng ứng với độ dày da cho phéptruyền qua nó là 37% và 10% cờng độ chùm tia bức xạ tới Chúng cũng là hàmcủa bớc sóng (hình 2.8 )

Trong dải bớc sóng khảo sát, cả hai đại lợng đều tăng theo chiều tăng của λ Ví

dụ, với Nd: YAG (λ= 1060nm) thì 10% bức xạ xuyên qua đợc lớp da 3,7 mm;trong đó với laser Argon (λ= 515nm) lớp da tơng ứng chỉ là 1,2 mm ở vùnghồng ngoại xa (không biểu diễn trên hình), với laser CO2 độ hấp thụ của nớcmạnh đến mức độ xuyên sâu trung bình chỉ ở mức nhỏ hơn 0,1mm

Hình 2.8 : Độ xuyên sâu trung bình và 10% của da ngời

Mối tơng quan định lợng giữa độ truyền qua và độ dày da ngời với các loại laserkhác nhau cũng gây nhiều chú ý Với từng loại laser, độ truyền qua là một hàm

số của độ dày Tơng quan giữa chúng cũng khá đơn giản:

- Độ dày mẫu càng lớn, sự hấp thụ càng mạnh, độ truyền qua càng yếu Độdày 3,7mm chỉ cho không quá 10% bức xạ truyền qua nó

- Laser vùng hồng ngoại gần có độ xuyên sâu (độ truyền qua cực đại) Vìthế chúng có u thế trong châm cứu (laser lạnh) và trong quang đông(laser nóng)

Phân bố bức xạ trong tổ chức sinh học cũng là yếu tố đáng quan tâm, vì nó xác

định khả năng ứng dụng mức độ lớn Nếu bức xạ chỉ hấp thụ mà không có tánxạ thì sự lan truyền sau mẫu là không đổi dọc trục quang học và đồ thị của cácloại laser khác nhau chạy song song với trục này Những bức xạ luôn luôn bịtán xạ nên sự lan truyền sẽ giảm theo khoảng cách và tính song song bị phá bỏ

Từ bảng số liệu sau có thể thấy độ xuyên sâu của laser ngoài sự phụ thuộc vàobớc sóng còn phụ thuộc rất mạnh vào bản chất mô Mô cơ có độ truyền qua lớnnhất, tiếp theo là ruột non, gan, phổi…Da gần nh có độ truyền qua kém nhất,chủ yếu là do tán xạ mạnh

400 500 600 700 800 900 1000 1100 λ (nm)

4 3 2 1 0

T= 10%

T= 37%

d (mm)

-Bảng 2.4 : Độ xuyên sâu của bức xạ laser trong các loại mô chuột (mm)

Thực ra độ xuyên sâu của laser không chỉ phụ thuộc vào hấp thụ và tán xạ màcòn phụ thuộc rất nhiều vào sự phản xạ trên bề mặt mô Bớc sóng bức xạ lasercàng dài thì sự phản xạ càng yếu Trên bề mặt da của ngời và động vật, sự phảnxạ của laser tử ngoại gần và nhìn thấy (laser N2, He-Cd, Argon, He-Ne, Ruby)khoảng 30-40%, còn đối với laser Nd: YAG (ở vùng hồng ngoại gần) là khoảng20-35% Với laser CO2 nằm ở vùng hồng ngoại xa, phản xạ chỉ chiếm 5% bứcxạ tới

Một điều rất có ý nghĩa trong ung th học là các khối u hấp thụ bức xạ laser rấtmạnh Với laser Ruby, các khối u có thể hấp thụ 20-100% bức xạ chiếu tới VớiNd: YAG sự hấp thụ có thể giảm 2 lần so với Ruby

Bảng số liệu 2.5 khẳng định rằng sự hấp thụ laser phụ thuộc vào độ phản xạ củamô Nhờ lợng melanin phong phú, các melanoma hấp thụ laser rất mạnh Sựphụ thuộc nh vậy cũng đợc Derlemenko (1969) và Danko (1972) nhận thấy khivới cùng một mẫu dày 1 mm , mô cơ cho 27-32% bức xạ truyền qua, còn môgan là 20-23% Với các mô 6 mm, các con số tơng ứng là 2 và 1,5% Điều nàycũng phù hợp với kết luận rút ra từ bảng Mô cơ có độ truyền qua lớn nhất, tức

là có độ hấp thụ nhỏ nhất Ơ đây mô gan sẫm màu hơn đã hấp thụ bức xạ lasermạnh hơn

Loại u Dòng chuột Năng lợng hấp thụ % Tỷ số năng

l-ợng hấp thụRuby Nd:YAG

694,3 nm 1060 nm của Ruby và

Nd: YAGMelanoma Claudman S-

2622

2,191,68Adenocarcinoma tuyến

1.2.4: Kết luận

Sự hấp thụ và độ xuyên sâu là hai yếu tố có vai trò hàng đầu trong việc xác địnhkhả năng ứng dụng của laser trong y học Hai đại lợng này tỷ lệ nghịch với nhaumột cách phức tạp, và để đơn giản ta có thể coi chúng ở dạng hàm e mũ (địnhluật Lambert- Beer)

Sự hấp thụ phụ thuộc vào bớc sóng của bức xạ laser và vào hệ số hấp thụ Nóicách khác, nó phụ thuộc vào bản chất vật lý của laser và đặc trng sinh học của

tổ chức sống

Sự hấp thụ không chỉ phụ thuộc vào bớc sóng của bức xạ laser và hệ số hấp thụ

mà còn vào sự phản xạ và tán xạ Bớc sóng càng ngắn thì sự phản xạ (trên bềmặt da) và sự tán xạ càng mạnh Vì thế laser vùng nhìn thấy và vùng hồngngoại gần có độ xuyên sâu lớn hơn vùng tử ngoại Tuy nhiên quy luật trên bị

phá vỡ khi chuyển sang vùng hồng ngoại trung bình và vùng hồng ngoại xa Khi

đó do nớc có độ hấp thụ quá mạnh nên bức xạ laser có độ xuyên sâu rất thấp

Độ hấp thụ của hemoglobin có cực đại ở vùng tử ngoại nên các laser excimer(vùng tử ngoại) có u thế trong tạo hình mạch

Độ xuyên sâu của laser Co2 (λ= 10,6àm, ở vùng hồng ngoại xa) là rất thấp nên

có u thế trong phẫu thuật nh là một con dao mổ đặc biệt

Các khối u có độ hấp thụ laser mạnh, cho phép dùng laser trong ung th học

Vì tất cả các nguyên nhân trên nên bức xạ laser chỉ xuyên sâu đợc một độ sâutới một vài mm trong các tổ chức sinh học Khi ứng dụng laser vào trong y sinhhọc ta cần ghi nhớ điều này

II: ứng dụng kỹ thuật laser trong y học

2.1: Giới thiệu chung

Trong khi ở một số lĩnh vực khác, công nghệ laser đã có kinh nghiệm ứng dụnghàng chục năm thì ở lĩnh vực y học việc ứng dụng kỹ thuật laser chỉ mới ở giai

đoạn khởi đầu Riêng trong lĩnh vực phẫu thuật, hiện nay công nghệ laser đãtìm đợc cho mình một chỗ đứng khá vững chắc Các phơng pháp áp dụng tronglĩnh vực này đều tận dụng đợc những tính chất vật lý của laser, đặc biệt là chophép làm việc chính xác trong một khoảng thời gian ngắn, đồng thời hạn chế rấtnhiều việc đòi hỏi sức chịu đựng của bệnh nhân Các lĩnh vực ứng dụng trải dài

từ hiệu ứng kích thích sinh học, quang cắt và phá hủy các cấu trúc sinh họcbằng nhiệt tới việc lấy đi và là phẳng các mô Gần đây công nghệ laser cũng đãthâm nhập vào ngành chuẩn đoán y học và nha khoa

Dới tác dụng của ánh sáng laser, mô sinh học sẽ thay đổi cấu trúc của nó ở đâycác quá trình xảy ra giữa các photon và các phân tử về chi tiết hầu nh cha đợcgiải thích Dạng và tiến trình các phản ứng phụ thuộc vào bản chất của mô bịchiếu xạ cũng nh vào bớc sóng, mật độ năng lợng và thời gian chiếu xạ laser đãdùng Chúng đợc chia thành ba loại : Các hiệu ứng quang hóa ở mật độ công

suất thấp, thời gian chiếu xạ dài; các hiệu ứng nhiệt ở mật độ suất cao, thời gianchiếu xạ ngắn; các hiệu ứng quang phi tuyến ở mật độ công suất cực lớn và thờigian chiếu xạ siêu ngắn Trong y học hiện nay đa số ứng dụng các tơng tácquang động học và nhiệt học của ánh sáng laser với mô sinh học.

2.2: Liệu pháp laser quang động học

Với liệu pháp điều trị khối u quang học bằng ánh sáng laser, bệnh nhân đợctiêm, uống hay đa vào cục bộ một chất quang tăng nhạy (photosensibilisator).Hoạt chất nhạy cảm với ánh sáng này sẽ tập trung với nồng độ rất cao ở môkhối u Sau đó chiếu xạ vùng khối u bằng ánh sáng laser Tại đây sẽ xảy ra quátrình quang hóa, chất quang tăng nhạy sẽ truyền năng lợng thu đợc qua sự hấpthụ ánh sáng cho các phân tử khác Khi đó sẽ xuất hiện những hợp chất có hoạttính cực mạnh gọi là các gốc, chúng sẽ phản ứng với các phân tử tế bào khác vàqua đó phân hủy mô bị bệnh một cách có chọn lọc

Các chất quang tăng nhạy còn tạo đợc một khả năng khác để sử dụng kỹ thuậtnào vào trong y học Đó là khả năng giao lại bằng cách tự phát quang năng lợngkích thích dới dạng ánh sáng, tức là hiện tợng huỳnh quang Nếu một chấtquang tăng nhạy nh vậy đợc làm giàu một cách có chọn lọc trong khối u thì quaquá trình quang kích thích bằng ánh sáng và sự chứng minh bằng ánh sánghuỳnh quang khi có bức xạ, chúng ta có phơng pháp che khối u (turmoscreening)

Liệu pháp laser quang động học ngày nay đã đợc ứng dụng cho hầu hết nhữngcơ quan mà phơng pháp nội soi có thể cập nhật: các khoa tai mũi họng, khoa dạdày-ruột (tuyến dạ dày-ruột lên đến thực quản), khoa tiết niệu và phụ khoa,khoa da liễu Thực tế cho thấy liệu pháp laser quang động học đặc biệt thíchhợp với việc trị liệu những khối u hoặc nhỏ hoặc trên bề mặt cũng nh chiếu xạ

bề mặt cho các vùng niêm mạc loạn hình, tức là các phát triển sai lạc

Các chất quang tăng nhạy hiện đại, trong trờng hợp lý tởng đợc dùng cho cả trịliệu lẫn chuẩn đoán, có độ chọn lọc cao đối với các khối u lành-ác, có tác dụngphụ không đáng kể và có khả năng hấp thụ ánh sáng rất cao Nếu dùng axit δ-

aminolevulin thì lúc đầu cha có tính chất này Axit δ-aminolevulin là một chất

do cơ thể sinh ra, xuất hiện nh là sản phẩm trung gian trong sự sinh hợpporphyrin Với chức năng là thành phần chất màu của hồng huyết cầu (chất màucủa máu) và diệp lục tố (chất màu của lá cây), các porphyrin là những chất cơbản quan trọng cho sự sống

Khi thừa porphyrin do đa từ ngoài vào, chẳng hạn qua đờng miệng, sẽ gây ra rốiloạn tức thời Hệ quả là có sự gia tăng việc sản sinh ra một chất nhạy ánh sáng

là protoporphyrin Sau 4 đến 6 giờ khi cấp một liều axit δ-aminolevulin nồng độcủa chất quang tăng nhạy trong tuyến dạ dày-ruột đạt cao nhất ở các khối uruột khi đó sẽ có sự tích lũy một lợng cao gấp sau tám lần Sau đó chiếu xạbằng ánh sáng laser ở cực đại hấp thụ của chất quang tăng nhạy sẽ phá hủy cáckhối u ở niêm mạc và các loạn sản (dysplasie) niêm mạc chỉ trong từ ba đến bốnngày Còn chính ánh sáng laser không để lại di chứng nhiệt gì ở mô vì đã chọnmật độ công suất thích hợp Hiện tợng xuất huyết hay lỗ thủng ở các cơ quan làhoàn toàn không thể có

Ngời ta cũng có thể dùng protoporhyrin cho việc chuẩn đoán Huỳnh quang đỏ

đặc trng cho loại hợp chất này có thể đợc kích thích bằng laser Qua tích lũychọn lọc chất quang tăng nhạy trong các tế bào đã thay đổi một cách loạn hìnhbởi các u ác, huỳnh quang giới hạn một cách rõ rệt với mô xung quanh và khiquan sát qua máy nội soi cũng có thể nhận biết bằng mắt thờng Phơng pháp dòbằng huỳnh quang này đã đợc áp dụng ở một số chuyên khoa nhng hiện nay nóvẫn ở giai đoạn thử nghiệm

Tuy là một phơng pháp có độ chọn lọc cao về nguyên tắc nhng liệu pháp laserquang động học vẫ còn nhợc điểm mặc dù thử nghiệm lâm sàng cho những thửnghiệm khả quan Hạn chế của phơng pháp là chỉ một số rất ít chất nhạy sángthỏa mãn những tiêu chuẩn lâm sàng Và ngay cả những chất đang đợc dùngrộng rãi cũng cha hẳn là tối u Vì thế những nghiên cứu mới nhất trên thế giới

đều hớng trọng tâm vào tìm kiếm chất nhạy sáng mới u thế hơn

2.3: Liệu pháp laser nhiệt

ứng dụng laser thông thờng nhất trong ngành phẫu thuật là dựa vào hiệu ứngnhiệt Khả năng ứng dụng của laser nhiệt dựa trên hai triệu chứng nổi bật:quang đông và bay hơi tổ chức Rất nhiều loại laser có thể gây ra các hiệu ứngnày, tuy nhiên do nhiều nguyên nhân (đặc tính vật lý của laser, đặc tính sinhhọc của tổ chức, giá thành, giải pháp kỹ thuật…), chỉ có một số không nhiềucác loại laser nhiệt đáp ứng đợc các đòi hỏi về lâm sàng Các loại laser nhiệtnày đợc thống kê trong bảng 2.6.

Ưu thế của phẫu thuật laser có thể đợc tóm tắt nh sau:

• Không gây nhiễu thiết bị cảnh giới

• Hạn chế các tế bào ung th bị bỏ sót, giảm tái phát và lan tỏa

• Chính xác

• Hạn chế dụng cụ can thiệp vào mổ

• Giảm đau sau phẫu thuật

λ(àm) P(W) Chất lợng Hiệu

ứng

Lĩnh vực yhọc

Quang

đông

Phẫu thuậtTiết niệuRăng miệngMắt

nhiên và nhân tạo quang

/x

Hiệu ứng quangcơ

Phânhủyquang

Mắt

(100)

Nớc hấp thụmạnh

Cắt Phẫu thuật

Tiết niệu Phụ khoaThần kinhHàm mặt

Bảng 2.6 : Một số loại laser thông dụng trong y học

Những u điểm nổi bật trên giúp laser tạo đợc cuộc cách mạng trong ngọi khoa,ngoại trừ nhợc điểm giá thành cao Hiện nay việc sử dụng các thiết bị laser ngàycàng trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu Sau đây là một số ứng dụng đầy ấntợng của laser nhiệt:

2.3.1: Laser nhiệt trong quang đông

Về nguyên tắc, tất cả các laser có công suất không quá lớn, chế độ phát liên tục(thời gian tác dụng dài) đều có thể áp dụng trong quang đông Tuy nhiên u thếthuộc về laser Argon và laser Nd: YAG do đặc tính hấp thụ và việc dễ dàngdùng với quang sợi mềm không đắt tiền Ta cũng có thể dùng laser CO2 để làmquang đông bề mặt nhng không thể dùng nội soi vì việc truyền trên quang sợivới vùng hồng ngoại xa là hết sức khó khăn

Laser Argon phát xạ ở bớc sóng 500nm, ánh sáng xanh, đợc hấp thụ chọn lọcbởi hemoglobin Do đó các ứng dụng chủ yếu của laser này là trong các ngành

có liên quan đến huyết học Laser Argon đợc dùng trong hàn mạch máu, phá u

máu và phá hủy có chọn lọc các tổn thơng trong trờng hợp chảy máu độngmạch Đây cũng là công cụ lý tởng để xử lý các trờng hợp chảy máu dạ dày.

Laser Nd: YAG phát xạ ở vùng hồng ngoại gần (1064nm), có đặc trng hấp thụthể tích và độ xuyên sâu trong tổ chức gấp bốn lần so với Argon Do đó hiệuquả hơn Argon trong hàn mạch và chảy máu động mạch

Để đánh giá định lợng tác dụng của laser quang đông, ngời ta dùng khái niện độsâu quang đông cực đại MCD (maximum coagulation depth) MCD không thay

đổi khi công suất laser tăng quá một giới hạn nào đó Tất nhiên nó phụ thuộcvào thời gian tác dụng và đờng kính của chùm laser

2.3.2: Laser nhiệt trong phẫu thuật

Laser CO2 là loại laser có u thế hơn cả trong phẫu thuật Trong quá trình phẫuthuật với laser CO2 ngời ta nhận thấy kết quả rất khả quan: giảm đáng kể sự mấtmáu, vùng thơng tổn là tối thiểu và quá trình tái sinh diễn biến thuận lợi Sosánh với các phơng pháp mổ thông thờng khác ta thấy vết thơng do dao mổlaser luôn có kích thớc và diện tích tác dụng nhỏ hơn so với dao điện

Các u điểm của phẫu thuật laser so với các phơng pháp phẫu thuật điện hoặcphẫu thuật lạnh là:

- Dễ thao tác

- Độ chính xác cao

- Dễ chịu hơn cho bệnh nhân (ít chảy máu hơn, đỡ đau hơn và ít các rối loạnsinh lý sau đó hơn)

Tuy nhiên, phẫu thuật dùng laser vẫn có nhợc điểm truyền thống cha khắc phục

đợc là giá thành cao Nếu khắc phục đợc nhợc điểm này thì laser giữ vai trò sốmột trong các kỹ thuật phẫu thuật không chảy máu

2.3.3: Laser nhiệt trong tim mạch

Hiện nay có hai lĩnh vực ứng dụng laser trong tim mạch cho kết quả khả quan:tạo hình mạch và bóc lớp trong điều trị nhịp thất nhanh u thế của tạo hình mạchbằng laser thể hiện ở các mặt sau:

- Khoan đợc các mạch mới qua các mảng vữa xơ

- Dễ dàng chuyển tải một năng lợng cần thiết qua quang sợi mềm

- Có thể theo dõi sự lân quang của các mảng vữa xơ do tác dụng của chínhbức xạ laser để điều khiển thời gian thực tiến trình điều trị

Cũng vì thế mà laser CO2 ít đợc dùng trong tạo hình mạch hơn laser Argon vàNd: YAG Trong hai loại sau, Argon có u thế hơn vì đặc trng hấp thụ củahemoglobin có cực đại hấp thụ nằm trong vùng bớc sóng của Argon Tác độngcủa laser trên thành động mạch thậm chí đợc đánh giá về mặt định lợng, chophép xác định liều tối u cho động mạch bị vữa xơ cụ thể Nghiên cứu hình tháicho thấy tổn thơng laser trên động mạch là rất giới hạn, chủ yếu là phá vỡ lớp

áo cơ, trong khi tổn thơng mô đàn hồi là tối thiểu

Ngoài tạo hình mạch, bóc lớp laser cũng đợc dùng để điều trị nhịp thất nhanhtrong thiếu và nhồi máu cơ tim Qua một quang sợi, quang năng laser sẽ đợcdùng để cô lập hay ngắt các mạch dẫn ngợc bệnh lý, và để phá hủy hoặc bóc tácnhân gây loạn nhịp Trong kỹ thuật này, laser cũng chứng tỏ đợc u thế so vớisốc điện

So sánh kết quả bóc laser và bóc điện cũng khẳng định u thế của laser Ưu thế

đó thể hiện ở hai khía cạnh:

- Tổn thơng laser nhỏ hơn tổn thơng điện nếu xét cùng mức năng lợng

- Những thay đổi điện sinh lý sau bóc laser ít hơn sau bóc điện

2.4: Một số ứng dụng khác

Ngoài các ứng dụng dựa trên hiệu ứng quang hóa và nhiệt, hiện nay còn có một

số ứng dụng dựa trên các hiệu ứng khác của laser Trong đó các ứng dụng dựatrên trên hiệu ứng quang ion hóa và bóc lớp bằng excimer đã cho những kết quảlâm sàng khả quan, chủ yếu trong tạo hình mạch Khác với tạo hình mạch bằnglaser nhiệt, tạo hình mạch bằng excimer bớc sóng vùng tử ngoại không gây tổn

thơng đáng kể nên có thể dùng cho các động mạch cơ tim Hiệu ứng phi nhiệt

nh vậy chỉ xảy ra với các xung laser cực ngắn, năng lợng cao, nằm trong mộtdải hẹp ngỡng

Cơ chế bóc lớp phi nhiệt của laser laser excimer đợc giải thích nh sau: Tổ chứcsinh học chứa các phân tử hữu cơ có kích thớc lớn, giữa chúng là vô số các phân

tử nớc Bức xạ tử ngoại chỉ bị hấp thụ bởi các phân tử hữu cơ và khi năng lợng

đạt tới một giá trị ngỡng các mạch hữu cơ này sẽ bị đứt gãy, xuất hiện các vụ vi

nổ trong một vùng thể tích khá lớn và nớc bị đẩy ra khỏi vùng này Ưu thế củabóc lớp laser excimer là tổ chức sinh học đợc bóc từng lớp mỏng, chỉ cỡ vàichục micromet Với các xung 100 Hz nh vẫn đợc dùng trong thực hành, tốc độbóc lớp vĩ mô sẽ cỡ vài mm/ sec, thích hợp với các kỹ thuật tinh tế nh tạo hìnhmạch hay phẫu thuật giác mạc

Ngoài quang bóc lớp trên, các xung laser còn đợc dùng để phá sỏi trên cơ sởhiệu ứng quang cơ Các tổn thơng cơ học xuất hiện do nhiều nguyên nhân baogồm:

- áp suất ánh sáng gây nên bởi các photon xung lợng đủ lớn

- Điện trờng mạnh của bức xạ laser khi tơng tác với chất điện môi sẽ tạonên các momen lỡng cực điện và làm phân bố các điện tích dẫn tới sựxuất hiện của các momen quay cơ học

- áp suất giật lùi: sự bốc bay của các hạt vật chất từ bề mặt tổ chức, theo

định luật bảo toàn momen xung lợng sẽ tạo thành các xung cơ học (ápsuất giật lùi) ngợc với hớng chuyển động của các hạt, tức là cùng với h-ớng của chùm laser chiếu tới

- Giãn nở nhiệt nhanh dẫn tới các xung áp suất (sóng âm) dới dạng sóngxung kích

- Sự tạo hơi bên trong tổ chức bị chiếu cũng sẽ tạo áp lực cơ học bổ xung

- Đánh thủng điện môi do các điện trờng vợt quá giá trị ngỡng, cỡ 105

V/cm2, ứng với các laser công suất đỉnh lớn

Với giá trị mật độ năng lợng đủ lớn, điện trờng của ánh sáng laser trở thànhtham số quan trọng xác định diễn biến của các hiệu ứng quang cơ Do tác dụng