Tiểu luận về ứng dụng y học của laser VLLS

1.3 Cơ sở động học của Laser 1.3.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức Giả sử có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng lượng, trong đó một mức

TRƯỜNG ĐH KT Y DƯỢC ĐN

BÀI TIỂU LUẬN Đề tài: “ Ứng dụng của Laser trong Lĩnh vực Y

học ”

Lớp : ĐH Y TẾ CÔNG CỘNG 02

Giáo viên HD : Lê Hữu Hải Đà Nẵng , 6/ 2016.

1

MỞ ĐẦU

Laser là một ánh sáng đặc biệt , hiện đã và đang nghiên cứu một cách cụ thể Laser là ánh sáng đặc biệt vì nó có nhiều tính chất và công dụngcấn phải nghiên cứu quá trình khuếch đại ánh sáng hơn hẳn các loại ánh sáng thông thường khác

Hiện người ta dựa vào các tính chất và công dụng của nó để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Vậy các tính chất và ứng dụng đó như thế nào? Để làm rõ điều đó chúng em chọn đề tài nghiên cứu : “ Một số ứng dụng của Laser trong lĩnh vực Y học “

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng củng không tránh khỏi hạn chế

và thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy và các bạn để đề tài của chúng em được phong phú và hoàn thiện

hơn.Cuối cùng cùng xin chúc thầy và các bạn dồi dào sức khỏe và công tác tốt !

Xin chân thành cảm ơn

Nhóm thực hiện đề tài

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu

Chương I : SƠ LƯỢC VỀ LASER 4

1.1 : Khái niệm cơ bản về LASER 4

1.2 : Lịch sử ra đời 4

1.3 : Cơ sở động học của LASER 5

1.4 : Cấu tạo của LASER 9

1.5 : Tính chất đặc biệt của LASER 10

1.6 : Phân loại LASER 11

Chương II : MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER 14

2.1 : Ứng dụng của LASER trong chẩn đoán bệnh 15

2.2 : Ứng dụng của LASER trong Y học cổ truyền 15

2.3 : Ứng dụng của LASER trong phẫu thuật 16

2.4 : Ứng dụng của LASER trong nhãn khoa 16

2.5 : Ứng dụng của LASER trong lĩnh vực thẩm mỹ 17

2.6 : Ứng dụng của LASER trong lĩnh vực điều trị ung thư 18

Kết luận và hướng phát triển 21

Tài liệu tham khảo 22

3

CHƯƠNG I : SƠ LƯỢC VỀ LASER

1.1 Khái niệm cơ bản về Laser

Laser ( Light Amplication by Stimulatesd Emission of Radiation ) Trong

Tiếng Anh có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức Được

phát minh từ những năm 1960, không ai nghĩ rằng ngày nay laser lại xuất hiện trong hầu khắp các lĩnh vực như nghiên cứu khoa học, công nghiệp địa chất, vũ trụ, Đặc biệt, những ứng dụng trong nhiều đến nỗi người ta có mộtngành riêng là y học laser để nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nó trong chẩn đoán và điều trị bệnh

Laser trở thành một trong những phát minh nhiều ứng dụng nhất trong thế kỉ XX

Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực

to lớn nhằm chế tạo một hệ laser hoạt động được Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng

694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu

cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay Laser đầu tiên dùng

một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi

một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay

1.3 Cơ sở động học của Laser

1.3.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức

Giả sử có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng

lượng, trong đó một mức gọi là mức cơ bản (mức 1) và mức kia gọi là mức

kích thích Mật độ cư trú trên các mức đó được xáđịnh là N N1 , 2(số nguyên

tử trên một đơn vị thể tích ) Theo định luật phân bố Boltzmann thì :

Khi một chùm ánh sáng, bao gồm các photon với năng lượng h E2  E1, có

mật độ photon chiếu vào tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau

đây sẽ xảy ra

, 1, 2

E kT i

Trong đó, E1và E2là năng lượng tương ứng với mức 1, mức 2 Khi không

có sự tác động của trường ánh sáng ngoài thì

a Quá trình hấp thụ: là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài,

các nguyên tử ở mức cơ bản nhận năng lượng photon của ánh sáng để nhảylên mức kích thích Xác suất hấp thụ trên một đơn vị thời gian được tính nhưsau

12

HT

dP

B

dt   Trong đó B12 gọi là hệ số Einstein của chuyển dịch hấp thụ

Ta có thể thấy xác suất chuyển dịch hấp thụ của nguyên tử hay phân tử lênmức trên sẽ tỉ lệ thuận với mật độ photon và xác suất chuyển dịch Mật độphoton tương tác với môi trường các nguyên tử hay phân tử càng lớn thì khảnăng chuyển dịch lên trạng thái trên của chúng càng lớn

b Quá trình phát xạ cưỡng bức: là quá trình khi có tác động của trường ánh

sáng ngoài, các nguyên tử nhảy từ mức kích thích xuống mức cơ bản docưỡng bức bởi photon ánh sáng Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơbản trên một đơn vị thời gian được xác định như sau :

21

CB

dP

B

dt   Với B21là hệ số Einstein của chuyển dịch cưỡng bức

Einstein đã chứng minh rằng, trong trạng thái cân bằng nhiệt động số photon

bị hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau và tìm được quan hệ giữacác hệ số như sau :

lệ nghịch với tần số của photon tương tác hay chênh lệch năng lượng giữa hai mức Tức là quá trình phát xạ cưỡng bức và hấp thụ sẽ xảy ra mạnh hơn ở vùng năng lượng thấp, hay nói cách khác, nếu khoảng cách giữa hai mức năng lượng gần nhau thì xác suất hấp thụ và phát xạ sẽ lớn hơn (dễ xảy ra hơn)

Để hiểu rõ hơn về quá trình bức xạ cưỡng bức và ý nghĩa của nó ta cấn phải nghiên cứu quá trình khuếch đại ánh sáng

1.3.2 Hiện tượng khuếch đại

Ta giả sử có một hệ các nguyên tử hay phân tử có hai mức năng lượng Bằng một cách nào đó, số nguyên tử năng lượng ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức năng lượng thấp (N2 N1) – gọi là môi trường nghịch đảo

mật độ Trạng thái này được gọi là trạng thái “nhiệt độ âm”, vì theo phân bố

Boltztmann với nhiệt độ dương số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp bao giờ cũng lớn hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao, tức N1 N2

Khuếch đại dòng photon trong hệ nguyên tử có hai mức năng lượng

Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm ánh sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ thức

2 1

h E  E

Khi đó một photon bị hấp thụ và làm cho một nguyên tử từ mức E1lên mứcE2, đồng thời hai photon còn lại sẽ kích thích cưỡng bức làm cho hai nguyên tử đang ở trạng thái E2 chuyển về trạng thái E1và sinh ra thêm hai photon Như vậy với 3 pho ton vào ta sẽ có 4 photon ra (số photon vào lớn hơn số photon ra 1 đơn vị) – đây chính là quá trình khuếch đại ánh sáng trong môi trường nghịch đảo mật độ cư trú

Hệ số khuếch đại của môi trường được xác định bằng

r v

W g W



Trong đó, W rvà W vlần lượt là năng lượng tín hiệu ra và năng lượng tín hiệu vào tương ứng Môi trường nguyên tử, phân tử có g 1 gọi là môi trường khuếch đại Trường hợp hệ số g 1thì lúc này môi trường là môi trường hấp thụ chứ không phải là môi trường khuếch đại

1.4 Cấu tạo và cơ chế hoạt động của Laser :

Một máy phát laser gồm có 3 bộ phận chính :

1, Môi trường kích hoạt : có chứa tập hợp các nguyên tử ,phân tử hay các

ion ở trạng thái khí,lỏng hay rắn có khả năng bức xạ ánh sáng và khuếch đại ánh sáng đi qua nó

2, Buồng cộng hưởng :

- Gồm 2 gương phản xạ Một gương có hệ số phản xạ rất cao (99,99%) và gương còn lại có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài

- Có thể thay thế một trong hai gương bằng một lăng kính

- Buồng cộng hưởng có vai trò làm cho bức xạ phát ra có thể truyền qua truyền lại nhiều lần để bức xạ này được khuếch đại nhiều lần

Sự đảo lộn mật độ thu được bằng phương pháp bơm Bơm là quá trình kích thích bằng môi trường LASER Người ta có thể dùng phương pháp bơmquang bằng cách sử dụng một nguồn sáng mạnh chiếu vào môi trường kích hoạt Phương pháp này thích hợp với LASER rắn và lỏng Còn phương phápbơm điện tử sử dụng sự phóng điện qua môi trường kích hoạt Phương pháp này thích hợp với Laser khí và bán dẫn

Cơ chế hoạt động của Laser thường dựa trên tác động cưỡng bức các

electron của nguyên tử di chuyển từ mức năng lượng thấp lên cao Ở năng lượng cao một số electron ngẫu nhiên rơi xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng (photon) Bước sóng của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức Các hạt photon này va chạm với các hạt nguyên tử khác, kích thích các electron khác rơi xuống, sinh thêm các photon cùng tần số cùng pha và cùng hướng di chuyển, tạo một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng là laser

1.5 Các tính chất đặc biệt của LASER :

9

1.5.1, Tính định hướng cao

Tia laser có độ đính hướng cao tức là góc mở của chùm tia rất nhỏ, không

bị loe ra theo phương truyền vì vậy có thể chiếu đi rất xa ,nó phát ra hầu nhưdạng chùm tia song song Độ mở của chùm tia Laser phóng ra vào cỡ

0,01˚ Tính chất này có tầm quan trọng trong đo lường chính xác và truyền thông tin

1.5.2,Tính đơn sắc cao

Độ đơn sắc của một chùm sóng cao tức quang phổ càng hẹp Người ta đã

tạo được các Laser có mức chênh lệch bước sóng có thể tới 0,1A˚.

Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của Laser khi tác động tới vật chất ,với các mô, tế bào phụ thuộc vào độ đơn sắc này

LASER có độ tinh khiết phổ (spectral purity) cực kì cao, cụ thể là bước sóng của tia LASER được xác định với độ sai số rất nhỏ ~ 10-8 - 10-10 nm

1.5.3,Tính kết không gian

Tính kết hợp không gian được hiểu là: xét dao động điện từ tại hai điểm

M1 và M2 cách nhau một khoảng l Nếu pha dao động điện từ của tại hai

điểm đó luôn không đổi thì dao động điện từ là kết hợp với nhau Nếu tính chất này đúng với mọi điểm trong không gian có bức xạ điện từ nói trên thì trong toàn miền đó bức xạ điện từ có tính kết hợp với không gian Với ánh

sáng cua đèn Na thông thường, thì độ dài kết hợp l vào khoảng cách 3 cm nhưng với tia LASER thì l cỡ hàng km.

Tia laser có tính kết hợp không gian cao, có thể hội tụ vào một tiết diện

ngang cỡ lớn, do đó cường độ ánh sáng bức xạ Laser cực kì lớn

Như vậy tia Laser có thể dùng để thực hiện các quá trình đòi hỏi cường độ điện trường và từ trường rất lớn

Công suất của Laser có thể đạt tới 105 W ở chế độ liên tục và 1012W ở chế

độ xung

1.5.4, Tính kết hợp với thời gian

Tính chất này thể hiện trong chế độ làm việc liên tục hoặc xung của Laser.

Hầu hết các laser đều có thể phát liên tục trừ Laser Ruby hay Laser thủy tinhion hiếm Ngoài các Laser củng dể làm việc ở chế độ xung nhờ những biện pháp kỹ thuật riêng.

Trong tính chất thời gian này cần chú ý mấy điểm sau :

+ Khi phát liên tục, theo thời gian Laser có sự thăng giáng về tần số

Nguyên nhân do cơ cấu của chính laser, các tác động ngoại cảnh với BCH

+ Khi phát xung năng lượng hay công suất phát liên hệ với nhau qua độ rộng xung nhờ công thức :

Với VR là tần số lặp cua xung

1.6 Phân Loại LASER

Phân loại dựa trên hoạt chất

*Laser rắn : + Thường hoạt động ở chế độ xung hoặc liên tục

+ Môi trường hoạt tính là chất rắn ,hoạt chất gồm chất nền và chất kích hoạt

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thông dụng:

11

• YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.

• Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.Hoạt chất

là Ôxit nhôm Al2O3 pha với năm phần vạn Ôxit Cr2O3.

*Laser khí : Có rất nhiều nguyên tử, phân tử khí có thể phát Laser và đa số laser khí có áp suất thấp

• He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW Trong y học được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu

• Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm

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

*Laser lỏng : Môi trường hoạt chất là chất lỏng , thông dụng nhất là Laser màu

• Laser chelate hữu cơ kết hợp với đất hiếm

Laser vô cơ Ôxit clohidric kết hợp với Neodym và Selen

Ưu điểm của laser lỏng : Dễ tăng nồng độ khối lượng thành phần hoạt chất

để tạo được công suất lớn,

Nhược điểm của laser lỏng : Hoạt chất nhanh bị nóng nên laser, không ổn định về tần số và công suất phát

*Laser bán dẫn : + Hiệu suất cao

Phân loại dựa theo công suất

 Laser công suất thấp: mật độ công suất vào khoảng 10-4 W/cm2, thời gian chiếu: 10s ÷ vài phút

Ứng dụng: trị bại não ở trẻ em, phục hồi chức năng sau tai biến, cắt cơn cai nghiện ma tuý…

 Laser công suất cao: công suất vào khoảng W/cm2

Ứng dụng: trong giảm áp đĩa đệm qua da, trong chỉnh hình, tạo hình mạch, trong thẩm mỹ, trong chữa tật khúc xạ của mắt, trong chữa xẹo lồi….và trong điều trị ung thư

Phân loại dựa trên hiệu ứng xảy ra khi tác dụng lên mô sống

13

Chương II :MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG Y

HỌC

Sự ra đời của LASER tạo ra một cuộc cách mạng lớn về sự phát triển khoahọc công nghệ nói chung và trong lĩnh vực y tế nói riêng

2.1 Ứng dụng của máy Laser trong chẩn đoán

Laser được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trongkhoảng 193 nm – 10,6 um thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần,

có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục

Có nhiều thiết bị Laser được sử dụng trong chẩn đoán như :

-Máy Dop laser thăm dò, đo dòng máu trong cơ thể

-Máy chụp cắt lớp Laser

-Các máy dò tìm đo đạc dẫn đường trong chẩn đoán

Máy Dopler laser

2.2 Ứng dụng của LASER trong Y học cổ truyền

Liệu pháp châm cứu laser bán dẫn công suất thấp (quang châm) một trong những ứng dụng quan trọng laser y học cổ truyền, chuyên đặc trị

số bệnh phổ biến như: đau vùng thắt lưng thoái hóa gai đốt sống, đau lưng năng, đau thần kinh tọa, điều trị

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào khả năng đâm xuyên của tia Laser Các tia Laser được chiếu đi sâu vào trong các huyệt đạo,sự tương tác của các phô tôn trong chùm tia với các mô ở huyệt đạo, gây ra sự kích thích,

có tác dụng giống sự kích thích cơ

-Ưu điểm của việc dùng tia lazer châm cứu là có thể tiến hành mà không phải dùng kim, tính chính xác đến các huyệt đạo Nguồn lazer dùng cho châm cứu thường có công suất thấp và ít bị nước hấp thu và không gây nhiễm trùng

2.3 Ứng dụng trong Phẫu thuật

Người ta ứng dụng LASER trong phẫu thuật nhờ lợi dụng 3 hiệu ứng của LASER như sau :

* Hiệu ứng “ Bay hơi tổ chức”

Do bức xạ nhiệt của chùm tia Laser, làm cho các tổ chức bị bốc hơi tạo thành những vết cắt Những vết cắt này rất nhỏ, ít chảy máu và ít tổn thương các tổ chức lành xung quanh Do vậy, LASER được dùng làm

“dao mổ “ ( Loại Laser hay được dùng làm dao mổ là Laser CO2 và Laser CO Laser YAG )

Có thể nói Laser là một loại dao mổ tinh tế nhất, an toàn và vô trùng nhất ( Với to từ 1200 – 1700 o C thì không một loại vi khuẩn nào tồn tại được ), đa năng nhất vì có thể can thiệp vào mọi phẩu thuật phức tạp khókhăn ( các hốc sâu, nhỏ, các bộ phận ưa chảy máu, các tổ chức quan trọng như não ,tủy sống, ) mà lưỡi dao mổ thông thường không thể can thiệp được Ngoài ra dao mổ Laser còn có các ưu điểm sau :

+ Giảm hay không cần thuốc tê , mê

+ Không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và đường rạch (vô trùng tuyệt đối)+ Cầm máu tốt với các vi huyết quản ( mạch máu lớn thì phải cầm máu bằng chỉ buộc )

+Giảm phù nề, xung huyết và tiết dịch

15