Nghiên cứu mô hình tương tác của laser công suất thấp với mô sống

Bài viết trình bày mô hình tương tác của các photon laser công suất thấp có các bước sóng khác nhau và độ phân kỳ chùm tia thay đổi khi tác dụng lên vùng mô bề mặt da, dựa trên phương pháp Monte Carlo.

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH TƯƠNG TÁC CỦA LASER CƠNG SUẤT THẤP VỚI MƠ SỐNG Đỗ Khoa Bình*, Huỳnh Việt Dũng, Nguyễn Sỹ Sửu, Lê Hải Nam, Lại Hải Bình Tóm tắt: Điều trị laser công suất thấp lên vết thương bề mặt da ứng dụng nhiều lâm sàng thơng qua hình thức chiếu trực tiếp lên vết thương, đem lại hiệu điều trị nhanh chóng Cơ chế tương tác photon mô sống yếu tố quan trọng, ảnh hướng trực tiếp đến hiệu điều trị Trong báo này, trình bày mơ hình tương tác photon laser cơng suất thấp có bước sóng khác độ phân kỳ chùm tia thay đổi tác dụng lên vùng mô bề mặt da, dựa phương pháp Monte Carlo Từ khóa: Laser cơng suất thấp; Mơ hình; Phương pháp MonteCarlo ĐẶT VẤN ĐỀ Laser công suất thấp ứng dụng rộng rãi vật lý trị liệu, hai phương thức chiếu tia laser chủ yếu chiếu bên ngồi da chiếu vào lịng mạch máu Các bước sóng laser sử dụng chủ yếu điều trị nằm vùng ánh sáng đỏ ánh sáng hồng ngoại Với nhiều nghiên cứu lâm sàng bản, chế tác dụng sinh học laser thể sống ngày hiểu biết sâu sắc hơn, giúp cho hiệu điều trị ngày nâng cao Khi chiếu chùm laser lên thể sống, xảy tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ, hấp thụ Hình Các tượng vật lý xảy chùm laser công suất thấp tương tác với mô Các phân tử vật chất bên mô sống sau hấp thụ lượng photon laser xảy hiệu ứng kích thích sinh học, đem lại biến đổi tế bào, mơ tồn thể Hiệu ứng kích thích sinh học xảy mật độ công suất tác động mức 10-4 – 100 W/cm2 với thời gian tương tác từ vài giây vài chục phút Hình Sơ đồ đáp ứng sinh học thể tác dụng laser cơng suất thấp 204 Đ K Bình, …, L H Bình, “Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mô sống.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hiệu q trình điều trị phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bước sóng tia laser, tham số quang học vùng mô tác động, mật độ công suất, độ rộng chùm tia chiếu lên bề mặt da Nhiều phương pháp nghiên cứu phát triển để xem xét trình tương tác tia laser lên mơ sống, đó, phương trình vận chuyển xạ (RTE) phương trình phổ biến để mơ tả q trình lan truyền tia laser mơi trường mơ có nhiều thành phần Để giải phương trình RTE, phương pháp Monte Carlo sử dụng cách tạo ngẫu nhiên đường photon đơn lẻ bên mô Phương pháp Monte Carlo cách tiếp cận sử dụng rộng rãi hàm mật độ xác suất lấy mẫu để mô loạt vấn đề Phương pháp dùng để mô vận chuyển photon mô sinh học thực Adam Wilson (1983), xem xét chùm tia tán xạ đẳng hướng Keijzer (1987), báo cáo mô tán xạ dị hướng sử dụng mơ hình Monte Carlo bên mô sinh học, thực mô lan truyền photon cách dùng tọa độ hình trụ, sử dụng tập thuật ngữ Hop/Drop/Spin cho chương trình Prahl (1989), định dạng lại chương trình cách sử dụng hệ tọa độ Descartes để mô lan truyền photon, làm cho chương trình đơn giản nhiều Wang Jacques (1993) điều chỉnh cải tiến chương trình Keijzer Prahl để viết chương trình Monte Carlo Multi-Layered (MCML) để xem xét mơ có nhiều lớp phẳng với tính chất quang học khác [1] Hiện nay, chương trình MCML nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để mô lan truyền chùm tia laser bên mô sinh học Bài báo dựa chương trình MCML để nghiên cứu ảnh hưởng bước sóng độ phân kỳ chùm tia tương tác tia laser lớp mơ vùng cánh tay Các bước sóng lựa chọn 633 nm, 780 nm, 940 nm, bước sóng thường sử dụng lâm sàng Độ phân kỳ chùm tia lựa chọn cm, cm NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Tham số quang học mô sống Hình Quỹ đạo photon có tán xạ - Chiết suất mô (n): loại mô có hệ số chiết quang khác nhau, làm cho chùm photon laser bị phản xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ mô (μa [cm-1]): đặc trưng cho khả trao đổi lượng photon laser với thành phần bên mô [2] - Hệ số tán xạ mô (μs [cm-1]): đặc trưng cho khả di chuyển theo hướng khác photon laser bên mô [2] - Hệ số bất đẳng hướng (g): đặc trưng cho bất đẳng hướng tượng tán xạ Khi photon tán xạ hoàn tồn phía trước g=1, cịn trường hợp tán xạ theo phương Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 205 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường g=0 [2] Biểu thức toán học hệ số bất đẳng hướng g có dạng: (1) Trong biểu thức p(θ) gọi hàm tán xạ Sự tán xạ làm cho đường photon lệch góc θ so với phương ban đầu - Độ dày lớp mô: loại mô bao gồm nhiều lớp khác nhau, lớp mơ lại có hệ số quang học bước sóng khác độ dày khác Trong thí nghiệm mơ này, loại mơ nhóm tác giả lựa chọn dùng mô lớp mô vùng cánh tay gồm có lớp: lớp da, lớp mỡ da, lớp cơ, có thơng số quang học sau: Bảng Các tham số quang học mô vùng cánh tay [3] Lớp mô Bước sóng Chiết suất Hệ số Hệ số Hệ số Độ dày (nm) (n) hấp thụ tán xạ bất đẳng lớp mô (μa [cm-1]) (μs [cm-1]) hướng g (d [cm]) Da 633 1.4 0.334 272.9 0.9 0.3 780 0.142 197.3 0.9 940 0.1905 156.7 0.9 Lớp mỡ 633 1.44 0.128 125.5 0.9 2.5 da 780 0.0846 114.67 0.9 940 0.168 108.6 0.9 Lớp 633 1.37 1.32 89.6 0.9 1.64 780 0.331 71.2 0.9 940 0.401 58.1 0.9 2.2 Mô hình mơ Monte Carlo [1] Việc mơ Monte Carlo đề cập đến lan truyền chùm sáng vô hẹp, bắt nguồn chùm tia hình chùm nhọn, chiếu vng góc tới mẫu mơ sinh học nhiều lớp Mẫu mơ xem rộng vô so sánh mặt không gian phân bố photon Mỗi gói photon phát hết số lượng photon cần thiết Hệ tọa độ Descartes dùng để theo vết di chuyển photon, gốc tọa độ điểm tới tia sáng laser bề mặt da, trục z pháp tuyến bề mặt mô điểm tới, bề mặt mơ mặt phẳng xy Hình Sơ đồ hệ tọa độ Descartes mẫu mô nhiều lớp Hệ tọa độ trụ dùng để ghi nhận hấp thụ photon bên hàm r z, đặc trưng cho độ phân kỳ chùm tia (r) độ sâu photon vào mô (z) Để ghi nhận hấp thụ photon, hệ lưới đồng hai chiều thiết lập theo 206 Đ K Bình, …, L H Bình, “Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mơ sống.” Nghiên cứu khoa học công nghệ phương r z, chia lưới thành dr dz tương ứng với trục r z Hình Phân chia lưới hấp thụ photon cho mô MonteCarlo [4] 2.3 Quy tắc lan truyền photon bên mơ [5] Chương trình mơ trình lan truyền ánh sáng bên lớp mô phẳng nhiều lớp thực dựa bước sau: - Phát photon: Vị trí ban đầu photon xác định tọa độ (x,y,z) = (0,0,0) Hướng ban đầu thiết lập vng góc với bề mặt mô, cho (μx, μy, μz) = (0,0,1) Mỗi photon thiết lập giá trị trọng lượng ban đầu W = Khi photon tới bề mặt mô, xảy phản xạ gương, giá trị phản xạ tính bằng: (2) Trọng lượng photon giảm theo cơng thức: W = - Rsp - Di chuyển photon: sau photon phát ra, kích thước bước s tính theo phương trình: (3) Trong đó, hệ số μt tổng hệ số hấp thụ μa hệ số tán xạ μs Tham số ξ giá trị ngẫu nhiên, phân bố đồng khoảng (0,1) Nếu photon chưa đến ranh giới mô, vị trí photon cập nhật sau: x = x + μx s y = y + μy s z = z + μz s (4) - Hấp thụ tán xạ photon: Khi di chuyển bên mô, trọng lượng photon bị giảm hấp thụ Trọng lượng photon bị giảm theo công thức: ΔW = W (μa/μt) (5) Trọng lượng photon bằng: W = W – ΔW (6) Đối với tượng tán xạ, góc phương vị ψ ∈ [0, 2π) góc lệch θ ∈ [0,π) sử Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 207 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường dụng để tính tốn Hướng photon tính phương trình sau: (7) Trong trường hợp đặc biệt, góc tới photon vng góc với bề mặt mơ, hướng photon tính theo cơng thức: = sinθ cosψ = sinθ sinψ (8) = SIGN (μz) cosθ Với SIGN(x) = Hướng photon cập nhật: μx = μy = (9) μz = - Phản xạ truyền qua biên: Nếu kích thước bước đủ dài để photon tới ranh giới mơ, chương trình xem xét photon khỏi mơ hay phản xạ trở lại vào bên mô Điều phụ thuộc vào góc tới αi góc truyền qua αt Hệ số phản xạ bên mơ tính theo cơng thức Fresnel: (10) - Kết thúc photon: photon dừng lại khỏi mơ trọng lượng giảm xuống mức ngưỡng thiết lập sẵn (Wth) Trong trường hợp trọng lượng photon giảm xuống mức ngưỡng, có hội để sống sót Một phương pháp gọi Rouletter sử dụng photon hội m, photon sống sót với trọng lượng mW Nếu photon khơng sống sót, trọng lượng bị giảm bị kết thúc W= (11) Với ξ số giả ngẫu nhiên phân bố khoảng (0,1) - Khi photon bị kết thúc, photon phát ra, q trình lặp lại tồn photon kết thúc quãng đường lan truyền bên mô KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để khảo sát ảnh hưởng bước sóng độ phân kỳ chùm tia tới tương tác laser – mơ, nhóm tác giả thực mô 100.000 photon, số lượng photon phù hợp với tài liệu để đạt độ xác (104 – 108 photon) [6, 7] Các tham số lựa chọn cửa sổ lập trình MATLAB, chương trình MCML tạo file tham số đầu vào “*.mci” file kết “*.mco” Trong mô phỏng, chương trình ghi lại xác suất photon 208 Đ K Bình, …, L H Bình, “Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mơ sống.” Nghiên cứu khoa học công nghệ bị hấp thụ đơn vị thể tích [cm-3], thơng lượng dịng photon [cm-2], xác suất di chuyển photon đơn vị diện tích Kết mơ cho file “*.mco” thực chương trình simple_gpumcml [8] sau: - Đối với độ phân kỳ chùm tia cm: Mật độ xác suất hấp thụ bước sóng: λ = 633 nm λ= 780 nm λ = 940 nm Hình Mật độ xác suất hấp thụ bước sóng với độ phân kỳ chùm tia cm Thơng lượng dịng photon bước sóng: λ = 633 nm λ= 780 nm λ = 940 nm Hình Thơng lượng dịng photon bước sóng với độ phân kỳ chùm tia cm Hình hình mơ tả mật độ xác suất hấp thụ thông lượng dịng photon bước sóng 633 nm, 780 nm, 940 nm vào bên mô với độ phân kỳ chùm tia cm Trục ngang mô tả lan truyền photon theo chiều rộng vùng mô, trục dọc mô tả lan truyền photon theo chiều sâu mô Dựa kết mơ phỏng, ta thấy rằng, bước sóng có độ xuyên sâu vào mô tương đương nhau, khoảng cm - Đối với độ phân kỳ chùm tia cm: Mật độ xác suất hấp thụ bước sóng: λ = 633 nm λ= 780 nm λ = 940 nm Hình Mật độ xác suất hấp thụ bước sóng với độ phân kỳ chùm tia cm Thơng lượng dịng photon bước sóng: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 209 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường λ = 633 nm λ= 780 nm λ = 940 nm Hình Thơng lượng dịng photon bước sóng với độ phân kỳ chùm tia cm Hình hình mơ tả mật độ xác suất hấp thụ thơng lượng dịng photon bước sóng 633 nm, 780 nm, 940 nm vào bên mô với độ phân kỳ chùm tia cm Trục ngang mô tả lan truyền photon theo chiều rộng vùng mô, trục dọc mô tả lan truyền photon theo chiều sâu mô Dựa kết mơ phỏng, ta thấy rằng, bước sóng 633 nm có độ xyên sâu thấp bước sóng, khoảng cm Bước sóng 780 nm 940 nm có độ xuyên sâu cao hơn, khoảng 3,5 cm Trong trường hợp này, nhận thấy rằng, độ xuyên sâu vào mơ bước sóng lớn so với trường hợp độ phân kỳ chùm tia cm (có độ xuyên sâu bước sóng cm) Kết nghiên cứu mô cách trực quan mối quan hệ mật độ xác suất hấp thụ thông lượng dòng photon độ xuyên sâu vào bên mơ bước sóng khác độ phân kỳ chùm tia khác Đối với trường hợp hấp thụ vùng gần bề mặt lớn độ xun sâu vào bên mơ yếu Kết nghiên cứu đóng góp sở khoa học cho việc lựa chọn bước sóng laser độ phân kỳ chùm tia mục tiêu điều trị lâm sàng khác Trường hợp điều trị kích thích nhanh lành vết thương, lựa chọn bước sóng độ phân kỳ chùm tia cho hấp thụ vùng gần bề mặt mô cao Trong hợp điều trị chứng đau nhức bắp, lựa chọn bước sóng độ phân kỳ chùm tia cho phân bố lượng chùm photon laser tác động sâu vào bên lớp nằm phía da KẾT LUẬN Việc nghiên cứu tương tác tia laser công suất thấp với mô sống đem lại cho sở khoa học để điều chỉnh liều chiếu tia laser cho đạt hiệu điều trị cao Trên sở mơ hình Monte Carlo chương trình mơ MCML cho bước sóng khác (633 nm, 780 nm, 940 nm) độ phân kỳ chùm tia thay đổi (1 cm, cm), nhóm tác giả thực mơ tương tác photon laser vùng mô cánh tay Kết nghiên cứu cho thấy, bước sóng 633 nm hấp thụ vùng mơ gần bề mặt lớn nhất, cịn bước sóng 780 nm 940 nm có độ xuyên sâu cao độ phân kỳ chùm tia cm Đối với bước sóng nghiên cứu, độ xuyên sâu vào bên mô độ phân kỳ chùm tia cm lớn so với độ phân kỳ cm Điều giải thích rằng, độ phân kỳ chùm tia lớn hơn, tượng tán xạ mà số photon vùng biên chùm tia lại vào vùng trung tâm vào sâu bên mơ, đó, tốc độ suy giảm cường độ chùm tia chậm hơn, làm cho chùm tia xuyên sâu [9] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Steven L.Jacques, “Monte Carlo Modelling of Light Transport in Tissue (stady state and time of flight)”, Optical – Thermal Responses of Laser – Irradiated Tissue, 2nd Edition, 2009 210 Đ K Bình, …, L H Bình, “Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mô sống.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] Steven L.Jacques, “Optical properties of biological tissue: a review”, Physics in medical and biology 58 (2013), R37 – R61 [3] Trinh Tran Hong Duyen, Tran Anh Tu, “Simulating Low-Level Laser Propagation From Skin Surface to Lumbar Dics, Knee, Femur and Prostate Gland By Monte Carlo Method”, American Scientific Research Journal for Engineering, Technology, and Sciences (ASRJETS) (2020) Volume 67, No.1, pp 17-24 [4] Ang Wu et.al, “Light transmission analysis of laser scattering imaging and Monte Carlo simulation in apple issue”, IOP Conf.series: Material Science and Engineering 392 (2018), 052026 [5] Dominika Jurovata et.al, “Simulation of photon propagation in tissue using Matlab”, International Doctoral Seminar 2013, May 13-14, 2013, Dubrovnik, Croatia [6] Steven L.Jacques, “Modelling tissue optics using Monte Carlo modelling: a tutorial”, The International Society for optical Engineering, March 2008 [7] L.Wang, S.L.Jacques, L.Zheng, “MCML-Monte Carlo modelling of light transport in multi-layered tissue”, Computer Methods and Programs in Biomedicine, Vol.47, pp 131 – 146, 01/07/1995 [8] https://code.google.com/archive/p/gpumcml/wikis/Setup.wiki [9] Trần Công Duyệt, Hà Viết Hiền, Vũ Công Lập, “Phân hủy quang nhiệt chọn lọc ngoại khoa thẩm mỹ”, NXB Y học, 2008 ABSTRACT RESEARCH OF MODELLING OF INTERACTION BETWEEN LOW-POWER LASER AND TISSUE Treatment using low – power laser for wounds on skin surface has been applied widely in clinical condition The typical method is to project the laser directly on to the wound, which has quick effect In this paper, the modelling of photons in lowpower laser with different wavelengths and radius in interaction with skin tissue, using Monte Carlo method is presented Keywords: Low – Power Laser; Modelling; Monte Carlo method Nhận ngày 30 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Viện Vật lý Y Sinh học, 109A Pasteur - Phường Bến Nghé - Quận – TPHCM * Email: khoabinhys@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 211 ... photon vào mô (z) Để ghi nhận hấp thụ photon, hệ lưới đồng hai chiều thiết lập theo 206 Đ K Bình, …, L H Bình, ? ?Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mô sống. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ... Trong mơ phỏng, chương trình ghi lại xác suất photon 208 Đ K Bình, …, L H Bình, ? ?Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mô sống. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ bị hấp thụ đơn vị thể tích [cm-3],... – Thermal Responses of Laser – Irradiated Tissue, 2nd Edition, 2009 210 Đ K Bình, …, L H Bình, ? ?Nghiên cứu mơ hình tương tác laser … với mô sống. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ [2] Steven L.Jacques,