ỨNG DỤNG LASER ND:YAG TRONG Y TẾ

Xuất phát từ phát minh thiên tài của nhà vật lý vĩ đại A. Einstein (Đức) về hiện tượng phát xạ cưỡng bức năm 1917, các nhà vật lý khác đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy laser đầu tiên vào năm 1960. Cho đến nay đã có hàng trăm loại laser được chế tạo và chúng đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, các nghành kinh tế và cuộc sống con người. Ứng dụng laser trong y học là một trong những hướng phát triển mạnh nhất, hiệu quả nhất của trào lưu trên. Bức xạ laser khi tương tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt. Đó là hiệu ứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơ…Trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về các hiệu ứng sinh học của bức xạ laser, trong hơn 40 năm phát triển kỹ thuật này hàng loạt các thiét bị laser chuyên dụng cho điều trị và chuẩn đoán đã ra đời, được thử nghiệm thành công và đưa vào ứng dụng tại hầu hết các ngành và chuyên khoa y tế. Laser đã chứng minh ưu thế tuyệt đối của mình trong nhiều lĩnh vực như quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệu người khỏi mù lòa, phẫu thuật xử lý các u ác tính hạn chế mức độ di căn và các hiệu ứng phụ, tạo hình mạch, mổ tim cấp cứu, phá sỏi, chuẩn đoán sớm bệnh tật đặc biệt là ung thư…Đến nay việc ứng dụng laser trong y tế đã hình thành một chuyên 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, được sử dụng 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 bước phát triển lớn. Trước đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hai loại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO2. Hiện nay chúng ta đã di sâu nghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn như laser 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 loại laser 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- trung tâm công nghệ laser đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.

Lời nói đầu Xuất phát từ phát minh thiên tài của nhà vật lý vĩ đại A. Einstein (Đức) về hiện tợng phát xạ cỡng bức năm 1917, các nhà vật lý khác đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy laser đầu tiên vào năm 1960. Cho đến nay đã có hàng trăm loại laser đợc chế tạo và chúng đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, các nghành kinh tế và cuộc sống con ngời. ứng dụng laser trong y học là một trong những hớng phát triển mạnh nhất, hiệu quả nhất của trào lu trên. Bức xạ laser khi tơng tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt. Đó là hiệu ứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơTrên cơ sở hiểu biết đầy đủ về các hiệu ứng sinh học của bức xạ laser, trong hơn 40 năm phát triển 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 các ngành và chuyên khoa y tế. Laser đã chứng minh u thế tuyệt đối của mình trong nhiều lĩnh vực nh quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệu ngời khỏi mù lòa, phẫu thuật xử lý các u ác tính hạn chế mức độ di căn và các hiệu ứng phụ, tạo hình mạch, mổ tim cấp cứu, phá sỏi, chuẩn đoán sớm bệnh tật đặc biệt là ung thĐến nay việc ứng dụng laser trong y tế đã hình thành một chuyên 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 sử dụng 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 phát triển lớn. Trớc đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hai loại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO 2 . Hiện nay chúng ta đã di sâu nghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn nh laser 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 loại laser cụ thể là laser Nd: YAG và thiết bị laser này trong y tế. 1 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- trung tâm 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 2 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 (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Ông tổ của laser chính là nhà vật lý thiên tài Albert Einstein, ngời đã phát minh ra hiện tợng phát xạ cỡng bức (Stimulated Emision of Radiation) vào năm 1917. Còn ngời phát minh ra nguyên 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 và Babov 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 đầu tiên đợc chế tạo bởi nhà vật lý mỹ Meiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụng oxit nhôm tinh khiết (Al 2 O 3 ) có phủ ion crom gọi là laser Ruby. Sau thành công này trong một thời gian ngắn, ngời ta đã phát hiện hàng loạt chất có khả năng phát tia laser nh hỗn hợp khí He và Ne (laser He- Ne), tinh thể bán dẫn Gallium Arsenid (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 những thành 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 những mức 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 của các 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. các trạng thái với năng lợng cao hơn trạng thái cơ bản đợc gọi là các trạng thái kích thích. Có các hiện tợng quang học cơ bản sau đây: 3 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 khác nhau tơng ứng với nó là các mức năng lợng khác nhau. Giả sử ta có một hệ nguyên 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 hệt nhau 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 E 1 hấp thụ và nhờ có năng lợng này điện tử có thể nhảy lên mức E 2 . 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 thụ photon và nhảy lên mức năng lợng cao hơn. hấp thụ luôn luôn làm ánh sáng yếu 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 kích thích sau một thời gian nhất định ( gọi là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) nó lại trở về mức cơ bản. Khi trở về mức thấp một năng lợng sẽ đợc tạo ra dới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. E E 2 E 1 E E 2 E 1 4 Hình 1.3: Hiện tợng phát xạ tự do. Các chuyển mức phát xạ tự do xảy ra ngẫu nhiên và độc lập với nhau, nên các photon phát ra tuy có cùng tần số nhng có pha khác nhau, có hớng khác nhau, có mặt phân cực khác nhau. 2.1.3: Hiện tợng phát xạ cỡng bức. Cũng nh hiện tợng hấp thụ khi ta chiếu chùm ánh sáng đơn sắc với năng lợng của từng photon bằng E vào môi trờng có hai mức năng lợng thì photon có khả năng sẽ tơng tác với điện tử ở mức trên và có khả năng cỡng bức các điện tử này 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 các tính 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 những tính chất ban đầu của nó . ta không thể phân biệt đợc sự khác nhau giữa photon ban 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 dịch chuyển cỡng bức của các điện tử dới tác dụng của các photon. Hiện tợng phát xạ cỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 4. E 2 E 1 E 2 E 1 5 2.2: Nguyên lý hoạt động của laser 2.2.1: Nguyên lý Nh ở trên đã xem xét 3 hiện tợng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trờng bất kì khi chiếu một chùm ánh sáng. Đó là: - Hiện tợng hấp thụ làm suy yếu chùm ánh sáng. - Hiện tợng phát xạ tự do làm chùm sáng mạnh lên. - Hiện tợng phát xạ cỡng bức cũng lám cho chùm sáng mạnh lên. Môi trờng ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp ( quy ớc là n 1 ) bao giờ cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích ( quy ớc là n 2 ). Hiện tợng hấp thụ tỉ lệ với n 1 còn hiện tợng phát xạ tự do và phát xạ cỡng bức thì tỉ lệ với n 2 , với hệ số tỉ lệ gần nh nhau. Vì nguyên nhân đó nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phát xạ cỡng bức và phát xạ tự do, do đó chùm ánh sáng đi qua môi trờng bình thờng bao 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 phải mạnh hơn hiện tợng hấp thụ. Hiện tợng này chỉ xảy ra trong môi trờng mà tại đó các điện tử ở mức trên n 2 lớn hơn số điện tử ở mức dới n 1 . Môi trờng nh vậy đợc gọi là môi trờng nghịch đảo nồng độ (đảo ngợc độ tích luỹ) với n 2 > n 1 . Môi trờng đặc biệt có sự đảo ngợc độ tích luỹ nh ta nói ở trên là yếu tố cơ bản của mọi Laser. Môi trờng đó gọi là hoạt chất của Laser hay gọi ngắn gọn là hoạt chất. Khi ánh sáng đi qua môi trờng nghịch đảo mật độ cờng độ ánh sáng tăng theo hàm mũ với : ee x IIxI x )0()0()( == ở đây < 0. 6 Ngoài hoạt chất, mỗi Laser bất kì còn phải có yếu tố khác là nguồn nuôi, yếu tố cung cấp năng lợng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo ngợc độ tích luỹ các 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 trình bơm. - 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 và các nguyên tử luôn có xu hớng trở về trạng thái cân bằng. Vì vậy, muốn duy trì trạng thái nghịch đảo mật độ phải thờng xuyên tiêu tốn một năng lợng để kích thích 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 nhiều cách: phơng pháp kích thích bằng quang học( bơm quang học), và phơng pháp kích 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 dùng phổ biến. Trong mô hình hai mức năng lợng, ở trạng thái cân bằng nếu E 1 < E 2 thì N 1 > N 2 . Nếu chúng ta kích thích hệ bằng cách dọi vào hệ ánh sáng có tần số đáp ứng điều kiện h = E 2 - E 1 , thì N 2 sẽ tăng lên, N 1 giảm xuống và N 1 + N 2 = N = const, N là số nguyên tử của cả hệ. Nh đã biết nếu tăng công suất bơm thì N = N 1 - N 2 sẽ giảm dần. Tuy nhiên tính toán cho thấy rằng N chỉ có thể tiến tới không, nghĩa là N 2 N 1 , chứ không thể đạt đợc N 2 > N 1 . Nghĩa là trong hệ hai mức năng lợng, bằng phơng pháp bơm quang học ta không thể đạt đợc môi trờng đảo mật độ. Trong trờng hợp N = 0, N 1 = N 2 đợc gọi là hiệu ứng bão hòa. Hiệu ứng bão hòa càng dễ đạt đợc khi thời gian sống của trạng thái ứng với E 2 càng lớn. 7 Trạng thái của hệ khi N 1 = N 2 gọi là trạng thái bão hòa, trong trạng thái này hệ không hấp thụ cũng không phát xạ. Mặc dù hiệu ứng bão hòa không cho phép ta tạo ra môi trờng đảo mật độ nhng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trờng đó bằng mô hình ba mức, bốn mức. Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lợng Giả sử ta có một hệ nguyên tử có ba mức năng lợng nh ở hình trên với các thông số E 1 , N 1 ; E 2 , N 2 , 2 ; E 3 , N 3 , 3 , trong đó E 1 < E 2 < E 3 là năng lợng tơng ứng của ba mức, N 1 + N 2 + N 3 = N, N 1 , N 2 , N 3 là nồng độ nguyên tử ở ba trạng thái, N là nồng độ toàn phần. 2 , 3 là thời gian sống của trạng thái E 2 , E 3 tơng ứng. Nếu trong một hệ ba mức với 3 < 2 chúng ta không thể dùng bơm quang học có bớc sóng h = E 3 - E 1 để đạt đợc trạng thái bão hòa N 1 = N 3 vì chuyển mức tự phát E 3 E 2 lớn. Tuy nhiên có thể bằng cách này làm tăng nồng độ N 2 và nhờ đó mà thiết lập đợc sự đảo mật độ giữa hai mức E 2 và E 1 để thu đợc phát xạ cỡng bức h = E 2 - E 1 . * Bơm điện Trong trờng hợp laser khí để tạo điều kiện nghịch đảo nồng độ, ngời ta dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dới tác động của điện trờng ngoài. Do va chạm với những điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa. Ngời ta quan tâm nhiều tới trờng hợp kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hay phân tử nhận đợc năng lợng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng lợng cao hơn, tức là những mức kích thích. Những dịch chuyển tự phát từ những mức kích thích đó xuống mức cơ bản sẽ bức xạ năng lợng làm sáng chất khí phóng điện nh trong các đèn ổn Bơm Phát xạ E 2 E 1 8 E 3 áp có khíTrong 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 hiện phóng 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 để phun 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 trớc khi đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser đi qua gơng ở hai bên. Do buồng cộng 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 tín hiệu đi qua nó theo luật hàm số mũ, nhng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất là có hạn. Để có đợc khuếch đại lớn phải tăng kích thớc của hoạt chất lên rất nhiều lần. Ví dụ nếu dùng hoạt chất là khí CO 2 , để có đợc công suất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 10 4 m, điều này không thể thực hiện đợc. Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải đợc sử dụng bằng cách khác. Chính nhờ buồng cộng hởng quang học mà mà việc tăng chiều dài của hoạt chất đợc giải quyết một cách đơn giản. Trong buồng cộng hởng tia sáng đợc phản xạ nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quãng đờng đi của tia. 9 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 trong buồng cộng hởng xuất hiện một sóng ánh sáng. Sóng sẽ đợc khuếch đại lên do các dịch chuyển cỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ, một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tợng hấp thụ hoặc truyền qua, nhng phần chủ yếu đợc phản xạ trở lại và đợc tiếp tục khuếch đại lên trên đờng đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây cũng sẽ sảy ra quá trình tơng tự và cứ nh vậy, sau rất nhiều 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 suất của nguồn bơm. Vì vậy cờng độ bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập đợc điều kiện cân 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 buồng cộng hởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và đợc khuếch đại lên. Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của laser. Còn những sóng ánh sáng nào lan truyền dới những góc lệch tơng đối lớn so với trục của buồng cộng hởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài. Vì vậy bức xạ hình thành ở cửa ra của buồng cộng hởng có tính định hớng rất cao. Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gơng, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa các sóng đó cũng không đổi, do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp. Cuối cùng nhờ có buồng cộng hởng có thể thực hiện đợc các phơng pháp chọn lọc dao động khác nhau để thu đợc bức xạ trong một dải phổ rất hẹp, gần nh đơn sắc. Nh vậy có thể nói rằng, buồng cộng hởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất của laser. 10