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

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 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 năng của laser biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học

 Công suất không cao, thời gian tác dụng dài: sẽ 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 trong ngoại khoa

 Công suất cao, thời gian tác dụng ngắn: làm bay hơi cấu trúc rắn của tổ chức sinh học (hiệu ứng bay hơi tổ chức) đây là cơ sở của dao mổ laser với ưu điểm trong phẫu thuật

o Hiệu ứng quang ion: còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của laser biến thành

cơ năng 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 cơ - phi nhiệt) : Chúng ta dùng các xung cực ngắn ( ns-

nanosecond), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoại gần, chiếu vào tổ chức sinh học Bức xạ laser vùng tử ngoại chỉ bị các phần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bị đứt gãy, xảy ra các “vi nổ” từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ chức, cuối cùng tổ chức sinh học giống như bị “bóc từng lớp mỏng” chỉ cỡ vài chục

𝜇𝑚

 Ứng dụng Nd – YAG (1064 nm, 40-100 W, xung 10 ns để phá sỏi

 Laser excimer được ứng dụng trong y học với tên gọi là “dao cắt lạnh”(phi nhiệt) 2 trong nhiều ứng dụng quan trọng của laser excimer là phẫu thuật tạo hình tim mạch bằng laser chọc qua da và điều trị tật khúc xạ của mắt

o Bào mòn quang năng (photoablation): thường sử dụng laser excimer ArF (khí hiếm

kết hợp với halogen ở trạng thái kích thích), bước sóng 193 nm, tác dụng tách bỏ mô

bề mặt tại mặt phẳng tiêu điểm Laser ArF có năng lượng 6,4 eV, độ dài xung ~ 10nsec, phá hủy liên kết hữu cơ (C-C) 3,5 eV, liên kết peptit (3 eV) Xuyên thấu rất kém và không gây hại đến mô sâu hơn 1 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 (10−15𝑠) có mức năng lượng thấp hơn có tác dụng phá vỡ cấu trúc

mô tại tiêu điểm dưới 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, năng lượng từ các xung này được chuyển vào mô giác mạc do có sự hấp thụ chùm photon trong phạm vi chiếu Lúc này bên trong mô giác mạc hình thành một thể plasma điện tử tự do Khi mật độ thể plasma này vượt quá giới hạn (ngưỡng nhất định) sẽ dẫn đến hiện tượng mô giác mạc bị phá hủy Quá trình này được gọi là quá trình phá hủy mô bởi ánh sáng (optical breakdown/ photodisruption) Quá trình giãn nhiệt nội mô hình thành nên một bong bóng lớn với các lỗ khí (cavitation bubble) ngay trước khi thể plasma nguội đi và biến mất Bong bóng này vỡ đi, dẫn đến hiện tượng kết cấu vùng mô này bị phá vỡ Thể plasma mất đi tạo nên bóng khí (gas bubble) nhỏ chứa nước và khí 𝐶𝑂2 trong lớp nhu mô Mỗi xung femtosecond laser sẽ tạo nên một bóng khí Bóng khí này xen trong các lớp mô giác mạc và có tác dụng tách các lớp mô này Khi chiếu tập trung hàng nghìn xung femtosecond laser liên tục, các bóng khí nhỏ nối tiếp nhau sẽ tạo ra Vì hiện tượng phá hủy mô bởi ánh sáng chỉ xảy ra tại tiêu điểm, nên các bóng khí nhỏ nối tiếp nhau sẽ tách lớp mô theo một vạt liên tục Từ dó vạt giác mạc được tạo ra và dễ dàng lật lên bằng 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 năng 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 khi tương tác với mô

sống tạo ra 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 bằng laser, bệnh nhân được tiêm hoặc uống vào một chất nhạy

quang (photosensibilisator) Hoạt chất nhạy quang sẽ tập trung nồng độ cao ở khối u, truyền năng

lượng từ laser cho 1 phân tử oxy, tạo ra 1 loạt phản ứng oxy hóa đến các phân tử khác để phân hủy

mô bị bệnh một cách có chọn lọc (tuy nhiên liệu pháp này, bệnh nhân không được tiếp xúc với ánh

sáng trong thời gian dài), thời gian chiếu từ 10s đến chục phút Hiệu ứng quang hóa còn có tác dụng diệt khuẩn khi sử dụng laser diod

 Hiệu ứng quang sinh học: gồm quá trình kích thích sinh học thông qua phản ứng quang hóa và quang động học Quá trình xảy ra khi 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 tổ chức sống, giúp cơ thể tự chữ khỏi bệnh Hiệu ứng nhiệt: thông dụng nhất trong ngành phẫu thuật laser Có 2 tương tác quan trọng nhất là:

quang đông (photocoagulation), bay hơi có tổ chức (vaporation), quang đông (photocoagulation)

Quang đông: bức xạ laser có năng lượng vừa đủ và được giải phóng trong thời gian thích hợp thì 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 hơi tổ chức: tương tự như hiệu ứng quang đông, nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến 300°C, thì các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi Ứng dụng của hiệu ứng này trong phẫu thuật, chùm tia được dùng như chiếc dao mổ tạo ra 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 Phát liên tục 488 nm 10 (W) Hấp thụ Hemoglobin

và melanin

Quang đông Phẫu thuật, tiết

niệu, răng miệng

Ar –

Dye

788 nm

3 (W) Hấp thụ

chromophore

Quang đông Thẩm mỹ

Nd -

YAG

quang

Mắt

mạnh

chảy máu

 Sự hấp thụ vào da là bởi ba Hấp chromophore chính là nước, hemoglobin và melanin

 Laser Nd-YAG có năng 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 như 𝐶𝑂2 nên nó có khả năng 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 ra các hiện tượng; tán xạ, hấp thụ, xuyên sâu

o Tán xạ: do 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 trong mô làm giảm cường độ của chùm tia chính, không có tác dụng tốt mà chỉ làm cho nhiệt độ của mô và mô kế cận tăng lên, gây tổn thương nhiều)

o Sự hấp thụ: bằng tỉ số năng lượng mô hấp thụ và năng lượng toàn phần 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 công suất bức xạ giảm đi e lần so với công suất bề mặt Vì cơ thể chứa hơn 70% là nước nên các laser tử ngoại và hồng ngoại có ưu thế lớn trong phẫu thuật Sự hấp thu năng lượng là tương tác quan trọng nhất tạo nên kết quả điều trị (hiệu ứng quang nhiệt, quang đông, tạo ra vết cắt và cầm máu tức thì) Nhóm laser excimer (UV) có năng lượng lớn hơn năng 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 do tán xạ mạnh Bước sóng bức xạ laser càng dài thì sự phản xạ càng yếu Quy luật này bị phá vỡ đối với vùng hồng ngoại TB và hồng ngoại xa vì nước có độ hấp thu rất mạnh ở vùng này (như laser 𝐶𝑂2 được ứng dụng làm dao mổ, do hấp thụ hết ở trên bề mặt chiếu đến nên các vết mổ rất nhỏ, ít chảy máu và ít đau)

 Vd: trên 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 do bị nước trên 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 trong tạo hình

 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 hơn tương tác mạnh với góc Hydroxyl và nước (bước sóng dưới

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 do 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 trong vùng phổ IR – A (400 nm đến 1400 nm_

o Tổn thương quang hóa (ánh sáng xanh 400 – 500 nm)

o Tổn thương do nhiệt đối với da (400 – 1 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 hơn hệ số hấp thu (𝜇 ≥ 𝜇𝛼): xảy ra trong vùng phổ 600 – 1200 nm

Hiệu ứng Mật độ công suất

(W/cm^2)

Thời gian (s)