báo cáo tổng hợp về kỹ thuật laser

1 KỸ THUẬT LASER 1.Khái niệm laser: Laser tên viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation tiếng Anh, có nghĩa "khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích" Electron tồn mức lượng riêng biệt nguyên tử Các mức lượng hiểu tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên có mức lượng cao electron phía Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, hạt electron nhảy từ mức lượng thấp lên mức lượng cao hay ngược lại Các trình sinh hay hấp thụ tia sáng (photon) theo giả thuyết Albert Einstein Bước sóng (do màu sắc) tia sáng phụ thuộc vào chênh lệch lượng mức Có nhiều loại laser khác nhau, dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ xạ lớn tia laser tạo thành phần từ trạng thái chất rắn 2.Phân loại: *Laser chất rắn: Có khoảng 200 chất rắn có khả dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thông dụng: • YAG-Neodym: hoạt chất Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 25% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W phát xung với tần số 1000-10000Hz • Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất tinh thể Alluminium có gắn ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ ánh sáng trắng • Bán dẫn: loại thông dụng diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần 2 *Laser chất khí: He-Ne: hoạt chất khí Heli Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ đến vài chục mW Trong y học sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu • Argon: hoạt chất khí argon, bước sóng 488 514,5nm • CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ *Laser chất lỏng: Môi trường hoạt chất chất lỏng, thông dụng laser màu Tính chất tia laser: • Độ định hướng cao: tia laser phát chùm song song khả chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán • Tính đơn sắc cao: chùm sáng có màu (hay bước sóng) Do chùm laser không bị tán xạ qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác Đây tính chất đặc biệt mà không nguồn sáng có • Tính đồng photon chùm tia laser: Có khả phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung lượng tia laser cực lớn thời gian cực ngắn Cơ chế hoạt động: Laser cấu tạo để hoạt động trạng thái xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay xạ xung (pulsed operation) Điều dẫn đến khác biệt xây dựng hệ laser cho ứng dụng khác Chế độ phát liên tục Trong chế độ phát liên tục, công suất laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser trì liên tục nguồn bơm lượng đặn Chế độ phát xung Trong chế độ phát xung, công suất laser thay đổi so với thời gian, với đặc trưng giai đoạn "đóng" "ngắt" cho phép tập trung lượng cao thời gian ngắn Các dao laser ví dụ, với lượng đủ để cung cấp nhiệt lượng cần thiết, chúng làm bốc lượng nhỏ vật chất bề mặt mẫu vật thời gian ngắn Tuy nhiên, lượng tiếp xúc với mẫu vật thời gian dài nhiệt lượng có thời gian để xuyên sâu vào mẫu vật phần vật chất bị bốc Có nhiều phương pháp để đạt điều này, như: • Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching) • Phương pháp kiểu khoá (modelocking) • Phương pháp bơm xung (pulsed pumping) Ứng dụng tia laser: Vào thời điểm phát minh năm 1960, laser gọi "giải pháp để tìm kiếm ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích ứng dụng khác lĩnh vực xã hội đại, phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện tàu không gian, phản ứng hợp hạt nhân Laser cho phát minh ảnh hưởng kỉ 20 Ích lợi laser ứng dụng khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm tính đồng pha, đồng màu cao, khả đạt cường độ sáng cao, hay hợp yếu tố Ví dụ, đồng pha tia laser cho phép hội tụ điểm có kích thước nhỏ cho phép giới hạn nhiễu xạ, rộng vài nanômét laser dùng ánh sáng Tính chất cho phép laser lưu trữ vàigigabyte thông tin rãnh DVD Cũng điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ tập trung cường độ sáng cao dùng để cắt, đốt làm bốc vật liệu kỹ thuật cắt laser Ví dụ, laser Nd:YAG, sau trình nhân đôi tần số, phóng tia sáng xanh bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W cm vuông Trong thực tế, tập trung hoàn toàn tia laser giới hạn nhiễu xạ khó Xem thêm ứng dụng laser để biết thêm chi tiết Tia sáng laser với cường độ cao cắt thép kim loại khác Tia từ laser thường có độ phân kì nhỏ, (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối tạo ra, giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ so với nguồn sáng Một tia laser tạo từ laser He-Ne, chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng, tạo nên hình tròn đường kính khoảng dặm (1,6 kilômét) Một vài laser, đặc biệt với laser bán dẫn, có với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao Tuy nhiên, tia phân kỳ chuyển đổi tia chuẩn trục thấu kính hội tụ Trái lại, ánh sáng từ laser làm cho chuẩn trực thiết bị quang học dễ dàng, chiều dài đồng pha ngắn nhiều tia laser Định luật nhiễu xạ không áp dụng laser truyền thiết bị dẫn sóng sợi thủy tinh Laser cường độ cao tạo nên hiệu ứng thú vị quang học phi tuyến tính Máy đo khoảng cách laser quân loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay v.v Máy đo cự ly hàng không đo xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu mặt đất, nâng cao độ trúng đích ném bom Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch xung laser phát xung phản hồi nhân với tốc độ ánh sáng (300.000km/s), lấy kết chia 2, cự ly cần đo Rada laser có độ xác cao rada thông thường, hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối xác không gian Máy bay chiến đấu bay tầm siêu thấp, trang bị rada laser né xác tất chướng ngại vật, kể đường dây điện Tuy nhiên, thiết bị laser chịu ảnh hưởng thời tiết, trời mù mưa khoảng cách đo bị giảm nhiều 5 Bom có lắp thiết bị dẫn đường laser đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển tự động tìm kiếm đánh trúng mục tiêu La bàn laser thay la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng máy bay phản lực cỡ lớn máy bay chiến đấu tính cao Tia laser đo khoảng cách từ vệ tinh Mặt Trăng đến Trái Đất, đo đạc toàn cầu Ngoài ra, chùm tia laser làm náo nhiệt không khí lễ hội Tia laser dùng làm vũ khí, chưa phổ biến Được chia làm loại: Vũ khí laser công suất thấp làm loá mắt đối phương, dùng tác chiến gần, khoảng cách vài km, trời mưa mù khoảng cách ngắn hơn, xách tay, lắp xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến điểm mục tiêu, dừng lại thời gian ngắn để vật liệu chảy khí hoá Chùm tia laser mạnh phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt mặt đất, tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc độ nhanh, xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau, không tạo ô nhiễm nên loại vũ khí "sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt vệ tinh bắn hạ tên lửa đạn đạo vệ tinh đối phương Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000km cần lượng laser 20000KW kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ giây Đầu năm 90, Mỹ tạo tia laser lượng 5000KW Tuy khoảng cách xa tương lai, vũ khí laser trở thành công cụ chiến tranh lợi hại đua công nghệ cường quốc giới Trong y học, laser công suất thấp sử dụng vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học, laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng điều trị thoát vị đĩa đệm cột sống 6 ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG Y HỌC Laser dùng y học hiệu ứng sau: Hiệu ứng "bay tổ chức" Do xạ nhiệt chùm tia Laser, làm cho tổ chức (tissu) bị bốc hơi, tạo thành vết cắt Những vết cắt nhỏ, chảy máu tổn thương tổ chức lành xung quanh Vì Laser dùng làm dao mổ (loại Laser hay dùng làm dao mổ CO2 Laser CO, Laser YAG) Có thể nói Laser loại "dao mổ" tinh tế nhất, an toàn vô trùng (với nhiệt độ từ 1.200 - 1.700 không loại vi khuẩn tồn được), đa can thiệp vào phẫu thuật phức tạp, khó khăn (các hốc sâu, nhỏ, phận "ưa" chảy máu, tổ chức quan trọng não, tủy sống ) mà lưỡi dao mổ thông thường can thiệp Ngoài dao mổ Laser ưu điểm sau: - Giảm không cần thuốc tê - mê - Không có tiếp xúc dụng cụ đường rạch (vô trùng tuyệt đối) - Cầm máu tốt với vi huyết quản (mạch máu lớn phải cầm máu buộc) - Giảm phù nề, xung huyết tiết dịch - "Đường rạch" bị chấn thương Hiệu ứng quang đông Do xạ nhiệt, tổ chức sống bị đông vón lại Vì "dao mổ Laser" có tác dụng cầm máu, hàn bong võng mạc đặc biệt thủ thuật nội soi người ta dùng để vừa chẩn đoán vừa điều trị Hiệu ứng kích thích sinh học Loại Laser có lượng thấp Laser He-Ne có tác dụng chống viêm, kích thích tái tạo tổ chức, chống sẹo lồi, tăng khả miễn dịch, điều chỉnh thể dịch hormon, giải dị ứng, chống tượng đột biến tế bào, tăng hoạt tính men (andolase, cholinesterase, transaminase ), tăng vi tuần hoàn, dãn mạch cục bộ, giảm tiết dịch, chống phù nề, kích thích hình thành collagen vòng nối (ứng dụng điều trị loét giác mạc, nối thần kinh, nối động mạch ) Hiệu ứng dùng thay cho kim châm cứu coi kim vô trùng Ở nước ta, tia Laser áp dụng nhiều chuyên khoa: - Trong chuyên khoa mắt: Điều trị loét giác mạc, hàn bong võng mạc, viêm tắc lệ đạo, chắp lẹo - Trong chuyên khoa hàm mặt: Dùng điều trị nha chu viêm, viêm lợi, viêm lưỡi, viêm khớp hàm; herpes - Trong chuyên khoa tai mũi họng: Điều trị viêm amygdale cấp mãn, viêm họng đỏ, viêm mũi, trĩ mũi, nhọt ống tai - Trong ngoại khoa: Điều trị vết thương nhiễm trùng, chống sẹo lồi, mụn nhọt, abcès mỏng, chín mé, đinh râu, giảm đau, chống phù nề, cắt trĩ, mổ dày - Trong phụ khoa: Điều trị viêm lộ tuyến cổ tử cung, viêm âm đạo, viêm tuyến Bartholin, abcès vú - Trong da liễu: Điều trị eczéma, zona, viêm da thần kinh, loét loạn dưỡng trứng cá hồng Về bệnh hoa liễu: Điều trị bệnh sùi mào gà - Trong nội khoa: Chống nhiễm trùng, nhiễm độc tế bào gan, đau thần kinh ngoại vi, đau đầu năng, giảm cholesterol máu (chống xơ vữa động mạch), suy mạch vành tim, di chứng tai biến mạch máu não *Ứng dụng laser tai-mũi-họng Trong Khoa Tai-Mũi-Họng, ngày laser tạo cho bác sỹ phẫu thuật điều kiện làm việc dễ dàng nhiều lĩnh vực Tuỳ theo vị trí, mục đích ứng dụng mà ta chọn loại laser khác Laser CO2 xạ ánh sáng miền hồng ngoại trung bình vào bước sóng khoảng 10 micromet Vì phân tử nước hấp thụ ánh sáng mạnh nên lượng tia laser bị tiêu thụ bề mặt nước Tia laser không sâu vào khoảng không gian có chứa nước, với đường kính chùm tia nhỏ (< 0,2 mm) tia laser làm cho mô bay qua cắt Ngoài bước sóng, có yếu tố khác ảnh hưởng tới đặc trưng tia laser Chẳng hạn tia sáng laser CO ố ý điều chỉnh cho không nét, hâm nóng mô diện tích lớn làm cho teo lại Trái lại, tia điều chỉnh nét, qua hệ gương điều khiển máy tính, dẫn nhanh vùng xác định đó, tiếp xúc với điễm lần Vì thời gian tác động ngắn nên chỗ chiếu xạ, mô hoá hơi, điều lại xảy cách điều đặn toàn diện Bằng cách lớp da hay lớp niêm mạc bóc khỏi bể mặt, phẳng Phương pháp ứng dụng để loại bỏ cách cẩn thận khối u lành quản Ví dụ: u nhú virus gây Còn laser neodym-YAG xạ ánh sáng miền hồng ngoại gần, với bước sóng 1064 nm Ánh sáng không bị hấp thụ nước nước, mà tia laser xuyên sâu vào mô phá huỷ nhiệt Loại laser thích hợp để làm teo phù nề mô chứa nhiều nước khác, chẳng hạn bứu thịt mũi Hồng huyết cầu, chất màu đỏ máu, hấp thụ ánh sáng nằm khoảng 500 - 600 nm Những laser xạ ánh sáng miền quang phổ dùng để điều trị bọt máu nhỏ trung bình hay cầm máu cho chứng chảy máu cam Ở chẳng kích thích phân tử nước 9 Ngoài laser neodym-YAG laser CO2 laser phát xạ liên tục, khoa Tai-Mũi-Họng dùng laser phát xung ngắn Chúng tạo chớp sáng ngắn có công suất cao Năng lượng cao giải phóng cục bộ, ứng dụng để bóc lát xương mỏng hay phá huỷ cao (cặn canxi với nước bọt) hay sỏi *Ứng dụng laser phẫu thuật Phẫu thuật cổ - Các khối u quản, thực quản, họng thường cắt bỏ khối Việc cắt đoạn (resection) khối đòi hỏi nỗ lực lớn mặt phẫu thuật cho bệnh nhân tuỳ vào độ lớn khối u, khuyết tật rộng mà phải đóng lại với nhiều công sức Trái lại tia cắt xác tia laser CO 2, điều khiển vi máy điều khiển (micromanipulator) có kiểm tra kính hiển vi, để lại tổn hại nhỏ nhiều, chí chẳng cần phải tái xự lý nhờ phẩu thuật Các laser ứng dụng nhiều trường hợp điều trị, không thiết trường hợp Với quản ngày nay, khối u rộng, can thiệp nhờ phẫu thuật laser mà giữ hoàn toàn hay phần chức giọng nói Thêm vào qua liệu pháp điều trị laser rút ngắn nhiều thời gian trị nội trú giảm đáng kể tỷ lệ biến chứng - Các laser neodym-YAG laser CO2 thích hợp với việc cắt nhỏ amidan vòm miệng lớn Những amidan lớn không ngăn cản việc tiếp thu thực phẩm mà cản trở trình hô hấp Nếu nhờ laser cắt amidan lớn, mạch máu cầm máu nhờ nhiệt Như vậy, phương pháp cho phép phẫu thuật không chảy máu ngày tiến hành điều trị ngoại trú Nhưng trái lại, việc cắt bỏ amidan vòm miệng liệu pháp laser chưa có 10 tiến đáng kể Ca phẫu thuật hay thực thường gây đau đớn cho bệnh nhân kèm theo chảy máu kéo dài Phẫu thuật mũi - Mũi máy điều hoà nhiệt độ cho phổi Nó thực nhiệm vụ hâm nóng làm ẩm không khí mà hít thở Muốn mũi phải dùng tới ba khối phồng - cánh bướm mũi - không khí khô lạnh chúng phồng lên, chúng xếp chồng lên hoạt động theo cặp Nhưng phồng lớn lâu cản trở hít thở mũi Đây bệnh phổ biến nước phát triển, người ta sinh hoạt thường xuyên phòng có lò sưởi máy điều hoà, không khí qua khô - Với bệnh liệu pháp laser đáng tin cậy việc cắt nhỏ cánh bướm Nếu kết hợp dùng kỹ thuật nội soi cho phép điều trị ngoại trú, chiều xạ trực tiếp qua sát Mô teo lại, hình thành vết sẹo - mũi lại thông suốt trước Ở cần gây mê cục nhẹ nhàng bề mặt niêm mạc đủ Cả đường ngân thường hình thành vách ngăn mũi, ngày dễ dàng cắt bỏ laser - Một số người, sau lần sổ mũi thông thường, lại liên tục bị viêm xoang phụ Đó khe hẹp - giải phẫu gây ra, khe nằm bên cạnh cánh bướm xoang mũi Ở lối vào xoang phụ Dùng laser dễ dàng cắt bỏ khe hẹp Khi bác sỹ phẫu thuật cắt nhỏ cánh bướm cấu trúc thành mũi, cách tỷ lệ tái phát giảm hẳn Phẫu thuật tai - Laser CO2 có thành công lớn phẫu thuật tai: điểm cốt thính giác nhạy cảm, ngày nay, bác sỹ phẫu thuật mà không cần tiếp xúc Ngoài phương pháp cho phép cắt bỏ xụn mà không làm chỗ xung quanh bị tổn thất nhiệt 11 - Bằng cách mở tai mà không gây nguy hiểm Điều cần thiết số bệnh, chẳng hạn bệnh sơ cứng tai trình thay đổi xụn, tiến hành song song với tiến triển nghễnh ngãng bệnh ù tai Ở việc đục lỗ màng nhĩ mà không cần tiếp xúc dễ dàng thực nhờ phẫu thuật laser - Ngày nay, người ta dùng laser xung để phá huỷ viên sỏi tuyến nước bọt chúng cản trở thông suốt bình thường nước bọt Tuy nhiên, viên sỏi phải nhìn thấy máy nội soi Do nước bọt bị kẹt lại nên bệnh nhân - đặc biệt sau ăn - tuyến nước bọt sưng tấy lên gây đau đớn - Thông qua việc sử dụng laser, nhiều ca phẫu thuật ngành Tai-MũiHọng tiến hành cách nhẹ nhàng, bảo vệ bệnh nhân Trong nhiều trường hợp với can thiệp có xâm nhập tối thiểu vào bệnh nhân, chí không cần dùng tới điều trị nội trú mà cắt giảm ước nguyện bác sỹ muốn thực liệu pháp đầy kết Phẫu thuật laser khoa Tai-MũiHọng bước tiến dần đến ngành y tế lưu động Phẫu thuật giác mạc nhãn khoa - Trong ngành nhãn khoa lĩnh vực phẫu thuật giác mạc, trước tiên laser excimer củng cố vị trí cho Phần loại laser ống khí chịu áp suất cao chứa hỗn hợp gồm khí trơ khí halogen Qua phóng điện cao thế, xuất phân tử có thời gian tồn ngắn halogenua khí trạng thái kích thích chúng lại giải phóng tức lượng dạng xạ tử ngoại Tuỳ thuộc chất khí chứa ống mà bước sóng nằm 193 nm (florua argon) 351 nm (floruaxenon) Thời gian xung ánh sáng xạ vào khoảng 30 ns - Bằng hệ quang học cho ánh sáng tử ngoại qua, xạ laser lái vào mắt bệnh nhân Trên bề mặt giác mạc, xung ánh sáng bị lớp mỏng, dày khoảng 250 nm hấp thụ hoàn toàn Lớp tiêu thụ toàn 12 lượng xung laser hoá hơi, không kịp cho mô xung quanh thời gian tác dụng ngắn bị phá huỷ Bằng cách có tay khả gia công vật liệu ưu việt nhiều so với phương pháp vi phẫu khác - Điều có ý nghĩa định cho thị lực bề mặt đặn, suốt phẳng giác mạc Nhưng can thiệp thông thường phẫu thuật, chẳng hạn dao mổ, bình diện vi mô phá huỷ mô, thể phản ứng với việc tạo sẹo nguyên nhân gây bệnh mờ giác mạc Ngay can thiệp phẫu thuật laser excimer khơi mào cho phản ứng viêm tấy mô, giới hạn mức độ nhỏ đặn nhỏ thuốc vào mắt Sau thời gian vài tháng, kính hiển vi nhận thấy vẩn đục nhẹ sương trường hợp hạn hữu ảnh hưởng tới thị lực - Một ứng dụng khác phổ biến phẫu thuật giác mạc khúc xạ: với mắt bị cận thị, viễn thị hay loạn thị có cân đối tiêu điểm dụng cụ quang học (giác mạc thuỷ tinh thể) chiều dài nhãn cầu Điều thường điều chỉnh nhờ đặt mắt trước thấu kính hội tụ hay phân kỳ dạng kính cận hay viễn, hay kính áp tròng Một cách khác thay đổi bán kính độ cong bề mặt giác mạc - dĩ nhiên giới hạn địng laser excimer Sau đối tượng quan sát lại tạo ảnh xác mặt phẳng giác mạc Khi lắm, bệnh nhân cần tới trợ giúp nhỏ mặt thị giác - Các ứng dụng khác cho phẫu thuật laser là: lấy vết sẹo, mọc mô lạ giác mạc mô hỏng bề mặt giác mạc mang tính thoái hoá hay sau tổn thương bị hỏng Như ngày điều trị bệnh tổn thương giác mạc mà trước xử lý cách thay giác mạc MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ ỨNG DỤNG LASER TRONG Y HỌC 13 14 15 16