LASER TƯƠNG TÁC MÔ SỐNG (photothermal, photoablation, photodisruption)

Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai 1 ÔN THI HK MÔN LASER Y SINH LASER ứng dụng trong y sinh gồm 2 loại: laser năng lượng cao và laser năng lượng thấp o Laser công suất cao: là những laser có khả năng phá hủy tổ chức mô sống gây ra bởi : Hiệu ứng quang nhiệt (photothermal), quang cơ (photomechanics), bào mòn quang năng (photoablation), gián đoạn quang (photodisruption).  Trong nhóm này, thường dùng laser NdYAG (10150 W 1064 nm) ứng dụng quang đông bốc bay khối u;  Laser Er:YAG, laser

Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai ÔN THI HK MÔN LASER Y SINH LASER ứng dụng y sinh gồm loại: laser lượng cao và laser lượng thấp o Laser công suất cao: là những laser có khả phá hủy tổ chức mô sống gây bởi : Hiệu ứng quang nhiệt (photothermal), quang (photomechanics), bào mòn quang (photoablation), gián đoạn quang (photodisruption)  Trong nhóm này, thường dùng laser Nd-YAG (10-150 W 1064 nm) ứng dụng quang đông bốc bay khối u;  Laser Er:YAG, laser 𝐶𝑂2 (10,6 nm, 5-100 W) mổ xẻ quang đông nông o Tương tác nhiệt (photothermal): công suất chùm tia có thể hàng chục hay hàng trăm W Khi đó quang của laser biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học  Công suất không cao, thời gian tác dụng dài: làm nóng chảy (melting) các tổ chức sinh học và sau đó các tổ chức bị đông kết lại (hiệu ứng quang đông) có tác dụng tốt cho việc cầm máu ngoại khoa  Công suất cao, thời gian tác dụng ngắn: làm bay cấu trúc rắn của tổ chức sinh học (hiệu ứng bay tổ chức) là sở của dao mổ laser với ưu điểm phẫu thuật o Hiệu ứng quang ion: còn gọi là hiệu ứng quang quang của laser biến thành để bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực ngắn, công suất đỉnh cực cao o Hiệu ứng bóc lớp (quang - phi nhiệt) : Chúng ta dùng các xung cực ngắn ( nsnanosecond), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoại gần, chiếu vào tổ chức sinh học Bức xạ laser vùng tử ngoại bị các phần tử hữu hấp thụ, lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu bị đứt gãy, xảy các “vi nổ” từ đó nước bị đẩy khỏi tổ chức, cuối cùng tổ chức sinh học giống bị “bóc lớp mỏng” cỡ vài chục 𝜇𝑚  Ứng dụng Nd – YAG (1064 nm, 40-100 W, xung 10 ns để phá sỏi  Laser excimer được ứng dụng y học với tên gọi là “dao cắt lạnh”(phi nhiệt) nhiều ứng dụng quan trọng của laser excimer là phẫu thuật tạo hình tim mạch laser chọc qua da và điều trị tật khúc xạ của mắt o Bào mòn quang (photoablation): thường sử dụng laser excimer ArF (khí kết hợp với halogen ở trạng thái kích thích), bước sóng 193 nm, tác dụng tách bỏ mô Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai bề mặt tại mặt phẳng tiêu điểm Laser ArF có lượng 6,4 eV, độ dài xung ~ 10nsec, phá hủy liên kết hữu (C-C) 3,5 eV, liên kết peptit (3 eV) Xuyên thấu rất kém và không gây hại đến mô sâu xung laser có độ dài khoảng 150 𝑚𝐽/𝑐𝑚2 và làm bào mòn 0,3 𝜇𝑚/1𝑝𝑢𝑙𝑠𝑒 Đặc biệt phổ hấp thụ ArF hoàn toàn khác với phổ AND, nên không gây đột biến gen o Gián đoạn quang (photodisruption): sử dụng ánh sáng tia hồng ngoại 1053 nm, femtosecond laser (10−15 𝑠) có mức lượng thấp có tác dụng phá vỡ cấu trúc mô tại tiêu điểm bề mặt chiếu đến Ứng dụng femtosecond laser để phẫu thuật mắt (pp SMILE) Khi femtosecond laser với xung cực ngắn được chiếu lên giác mạc, lượng từ các xung này được chuyển vào mô giác mạc có hấp thụ chùm photon phạm vi chiếu Lúc này bên mơ giác mạc hình thành thể plasma điện tử tự Khi mật độ thể plasma này vượt quá giới hạn (ngưỡng nhất định) dẫn đến hiện tượng mô giác mạc bị phá hủy Quá trình này được gọi là quá trình phá hủy mơ bởi ánh sáng (optical breakdown/ photodisruption) Quá trình giãn nhiệt nội mơ hình thành nên bong bóng lớn với các lỗ khí (cavitation bubble) trước thể plasma nguội và biến mất Bong bóng này vỡ đi, dẫn đến hiện tượng kết cấu vùng mô này bị phá vỡ Thể plasma mất tạo nên bóng khí (gas bubble) nhỏ chứa nước và khí 𝐶𝑂2 lớp nhu mô Mỗi xung femtosecond laser tạo nên bóng khí Bóng khí này xen các lớp mô giác mạc và có tác dụng tách các lớp mơ này Khi chiếu tập trung hàng nghìn xung femtosecond laser liên tục, các bóng khí nhỏ nối tiếp tạo Vì hiện tượng phá hủy mơ bởi ánh sáng xảy tại tiêu điểm, nên các bóng khí nhỏ nối tiếp tách lớp mô theo vạt liên tục Từ dó vạt giác mạc được tạo và dễ dàng lật lên dụng cụ lật vạt giác mạc thông dụng  Hiệu ứng nhiệt ở mật độ công suất cao, thời gian chiếu xạ ngắn  Hiệu ứng quang phi tuyến ở mật độ công suất cực lớn và thời gian chiếu xạ siêu ngắn, phụ thuộc đáng kể vào mật độ, công suất o Laser công suất thấp (mức lượng 𝟏 − 𝟏𝟎 𝑱/𝒄𝒎𝟐 , cường độ thấp 𝟎, 𝟎𝟏 − 𝟓𝟎 𝑾/𝒄𝒎𝟐 , thời gian tác động vài giây tới vài phút): là những laser tương tác với mô Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai sống tạo các hiệu ứng sinh học đặc hiệu mà không gây phá hủy mô: quang hóa (photochemical) Thường dùng laser He-Ne (632 nm) là laser diode (680-890 nm)  Các hiệu ứng quang hóa ở mật độ công suất thấp, thời gian chiếu xạ dài Hiệu ứng quang hóa: điều trị khối u laser, bệnh nhân được tiêm hoặc uống vào chất nhạy quang (photosensibilisator) Hoạt chất nhạy quang tập trung nồng độ cao ở khối u, truyền lượng từ laser cho phân tử oxy, tạo loạt phản ứng oxy hóa đến các phân tử khác để phân hủy mô bị bệnh cách có chọn lọc (tuy nhiên liệu pháp này, bệnh nhân không được tiếp xúc với ánh sáng thời gian dài), thời gian chiếu từ 10s đến chục phút Hiệu ứng quang hóa còn có tác dụng diệt khuẩn sử dụng laser diod  Hiệu ứng quang sinh học: gờm quá trình kích thích sinh học thơng qua phản ứng quang hóa và quang động học Quá trình xảy laser có mật độ công suất cỡ 10−4 𝑊/𝑐𝑚2  Nhờ có tính đơn sắc cao, các laser công suất thấp không gây tương tác nhiệt, kích thích quá trình quang sinh hóa của tở chức sớng, giúp thể tự chữ khỏi bệnh Hiệu ứng nhiệt: thông dụng nhất ngành phẫu thuật laser Có tương tác quan trọng nhất là: quang đông (photocoagulation), bay có tổ chức (vaporation), quang đông (photocoagulation) Quang đông: bức xạ laser có lượng vừa đủ và được giải phóng thời gian thích hợp có thể làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên khoảng 60-100°C Khi đó tổ chức sinh học bị động kết dẫn đến hoại tử Hiệu ứng bay tổ chức: tương tự hiệu ứng quang đông, nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và đạt đến 300°C, các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ lượng để bay Ứng dụng của hiệu ứng này phẫu thuật, chùm tia được dùng dao mổ tạo những vết cắt nhỏ, không đau, ít chảy máu, vô trùng Tiêu biểu là laser CO2, laser YAG,… biết với tên gọi là “dao mổ nhiệt” Ar Ar – Phát liên tục // Dye Nd - 488 nm 488 nm 10 (W) (W) 788 nm Xung 1064 nm Hấp thụ Hemoglobin Quang đông Phẫu thuật, tiết và melanin niệu, miệng Hấp thụ Thẩm mỹ Phân hủy Mắt chromophore 1mW/s Quang YAG 𝐶𝑂2 Quang đông quang Nước hấp thụ rất mạnh Cắt Phẫu thuật không chảy máu Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai  Sự hấp thụ vào da là bởi ba Hấp chromophore chính là nước, hemoglobin và melanin  Laser Nd-YAG có lượng lớn có thể cầm máu (coagulation), quang đông, bốc bay, đốt cháy (carbon hóa – carbonized) hay cắt bỏ (excised) Đặc điểm của Nd – YAG không bị hấp thụ bởi nước 𝐶𝑂2 nên nó có khả xuyên sâu Phẫu thuật laser YAG tránh được các bệnh truyền nhiễm, AIDS, diệt khuẩn, giảm đau đơn, chóng lành vết thương Khi laser chiếu đến mô tế bào, xảy các hiện tượng; tán xạ, hấp thụ, xuyên sâu o Tán xạ: mô sinh vật có cấu trúc không đồng nhất và phần lớn chưa nước, protein, lipid và các thành phần khác Năng lượng laser tán xạ mô làm giảm cường độ của chùm tia chính, không có tác dụng tốt mà làm cho nhiệt độ của mô và mô kế cận tăng lên, gây tổn thương nhiều) o Sự hấp thụ: tỉ số lượng mô hấp thụ và lượng toàn phần Đơn giản nhất (suy hao theo hàm số mũ số e, theo định luật Lambert – beer) độ sâu hấp thụ khoảng cách mà đó công suất bức xạ giảm e lần so với công suất bề mặt Vì thể chứa 70% là nước nên các laser tử ngoại và hồng ngoại có ưu lớn phẫu thuật Sự hấp thu lượng là tương tác quan trọng nhất tạo nên kết quả điều trị (hiệu ứng quang nhiệt, quang đông, tạo vết cắt và cầm máu tức thì) Nhóm laser excimer (UV) có lượng lớn lượng liên kết C-C và liên kết peptit bẻ gãy trực tiếp liên kết mà không làm tăng nhiệt độ quá mức o Độ xuyên sâu: độ xuyên sâu của laser phụ thuộc vào bước sóng laser và bản chất mô, độ phản xạ, tán xạ Da có độ truyền qua kém nhất, chủ yếu là tán xạ mạnh Bước sóng bức xạ laser càng dài phản xạ càng yếu Quy luật này bị phá vỡ đối với vùng hồng ngoại TB và hờng ngoại xa nước có độ hấp thu rất mạnh ở vùng này (như laser 𝐶𝑂2 được ứng dụng làm dao mổ, hấp thụ hết ở bề mặt chiếu đến nên các vết mổ rất nhỏ, ít chảy máu và ít đau)  Vd: bề mặt da người và động vật, laser UV và Visible (𝑁2 , He-Cd, Ar, He-Ne, Ruby) khoảng 30-40% còn với laser vùng hồng ngoại (Nd-YAG) khoảng 20-35% 𝐶𝑂2 thuộc vùng hồng ngoại xa, phản xạ chiếm 5% bức xạ tới bị nước bề mặt hấp thu  Laser Ruby, khối u có thể hấp thụ 100% bức xạ chiếu tới  Laser excimer (vùng UV) được các hemoglobin hấp thụ mạnh, ứng dụng tạo hình mạch Laser Argon (500nm, ánh sáng xanh) cũng được các hemoglobin hấp thụ Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai  Các mô có màu và các thành phần của máu dễ hấp thu bước sóng ngắn từ 500 − 1000𝑛𝑚 Hemoglobin hấp thụ mạnh ánh sáng laser Ar (488-515 nm)  Melanin hấp thụ mạnh ánh sáng laser diode (780 -959 nm) và Nd – YAG (1064)  Laser bước sóng dài tương tác mạnh với góc Hydroxyl và nước (bước sóng 3000 nm) (cực đại là laser Er-YAG bước sóng 2940 nm), đặc biệt laser 𝐶𝑂2 960 – 10600 nm bị hấp thụ mạnh bởi gốc Hydroxyl) ĐỌC THÊM ĐỂ CHÉM Cần lưu ý mức độ nguy hiểm , tổn thương đối với mắt và da Laser: o Vùng UV: gây tổn thương quang hóa với da (ban đỏ, ung thư), giác mạc, tính chắn sáng của thấu kính (đục thủy tinh thể) đối với mắt của vùng tử ngoại có bước sóng ngắn (180 nm đến 300 nm( o Tổn thương nhiệt: đối với võng mạc mắt vùng phổ IR – A (400 nm đến 1400 nm_ o Tổn thương quang hóa (ánh sáng xanh 400 – 500 nm) o Tổn thương nhiệt đối với da (400 – mm) MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT LASER (𝑊/𝑐𝑚2 ) 𝐷 = 𝑃/𝑆 (S: tiết diện chiếu đến laser) MẬT ĐỘ NĂNG LƯỢNG LASER (𝐽/𝑐𝑚2 ) 𝑊 = 𝐸/𝑆 = 𝐷 𝑡 TƯƠNG TÁC CỦA LASER ĐẾN MÔ TẾ BÀO: Độ phát xạ L (𝑤/𝑚2 𝑠) theo hướng s tại điểm r: Δ𝐿(𝑟, 𝑠) = −𝜇𝛼 + 𝐿(𝑟, 𝑠) + 𝜇 ∫ 𝑝(𝑠, 𝑠 ′ )𝑙(𝑟, 𝑠 ′ )𝑑𝑤 4𝜋 𝜇𝛼 : hệ số hấp thu 𝜇: hệ số tán xạ Vd: 𝜇𝛼 hệ số hấp thu của protein, acid máy (HbO), tiểu cầu, huyết tương)  hệ số tán xạ lớn hệ số hấp thu (𝜇 ≥ 𝜇𝛼 ): xảy vùng phổ 600 – 1200 nm Biên soạn bởi Dotrang_Deptrai Hiệu ứng Mật độ công suất Thời gian (s) (W/cm^2) Quang sinh hóa 10−4 − 100 Quang đông 100 − 104 100 − 103 Bay 104 − 106 10−3 − 100 Quang phi tuyến 106 − 1012 10−12 − 10−6 10 − 105