Ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp trong điều trị gout

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  DƯƠNG TRỌNG NGHĨA ỨNG DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP TRONG ĐIỀU TRỊ GOUT CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KĨ THUẬT MÃ SỐ: 60.44.17 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH – tháng năm 2014 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Trần Thị Ngọc Dung (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: DƯƠNG TRỌNG NGHĨA MSHV: 12123161 Ngày, tháng, năm sinh: 17/10/1989 Nơi sinh: Mỹ Tho, Tiền Giang Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật Mã số: 604417 I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH GOUT NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài tập trung giải ba vấn đề sau: + Có nhìn tổng quan bệnh Gout phương pháp điều trị + Dựa kết mơ hình hóa lan truyền chùm tia laser qua lưng đến thận, phương pháp Monte - Carlo dải sóng làm việc khác loại laser bán dẫn công suất thấp nhằm xây dựng sở lý luận cho phương pháp điều trị bệnh Gout laser bán dẫn cơng suất thấp + Xây dựng mơ hình thiết bị điều trị bệnh Gout sử dụng phương pháp laser bán dẫn công suất thấp thực tế II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Thị Ngọc Dung Tp HCM, ngày 14 tháng năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi nhận giúp đỡ mặt thầy cô bạn bè Bộ môn Vật lý kĩ thuật Tự đáy lịng mình, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đối với: TS Trần Thị Ngọc Dung, cô trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ hoàn thành luận văn PGS.TS Trần Minh Thái, thầy tận tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Anh Bạch Thanh Hải, anh tận tình giúp đỡ phần mô luận văn, giúp cho luận văn hồn chỉnh Xin cảm ơn cha mẹ có công sinh thành, dạy dỗ nuôi dưỡng ngày hôm Cảm ơn thầy cô Bộ môn Vật Lý Kỹ ThuậtY Sinh – Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt khóa học Tập thể lớp VLKTYS khóa 2012 - 2014 chia sẻ khó khăn giúp đỡ nhiệt tình suốt khóa học iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Gout bệnh mà nhân loại biết đến sớm Có nhiều phương pháp điều trị bệnh dùng thuốc, châm cứu, điều chỉnh chế độ ăn, sử dụng laser bán dẫn cơng suất thấp,vv… Luận văn trình bày phương pháp việc điều trị sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời điều trị Gout phối hợp với quang châm laser bán dẫn tăng chất lượng dòng máu laser bán dẫn nội tĩnh mạch Luận văn trình bày mơ Monte – Carlo lan truyền chùm tia laser bán dẫn công suất thấp từ lưng vào thận nhằm xác định bước sóng phù hợp điều trị Từ kết mô sở lý luận phương pháp điều trị xây dựng dựa hiệu ứng hai bước sóng đồng thời với laser bán dẫn làm việc bước sóng 780nm bước sóng 940nm Kết điều trị bước đầu cho kết khả quan 40 bệnh nhân khẳng định tính hiệu phương pháp điều trị Trong tương lai sở lý luận phương pháp tiếp tục hoàn thiện đưa vào điều trị với diện rộng thực tế ABSTRACT Gout is a disease in which the earliest known human There are many methods of treatment such as medication, acupuncture, dietary adjustments, using low-power semiconductor lasers, etc This paper presents a new method of treatment that is effective use to two wavelengths simultaneously in coordination with gout semiconductor laser optical magnet and increase the quality of blood flow using intravascular laser This thesis also presents simulation Monte - Carlo in the spread of the laser beam of low power semiconductor back into the kidney to determine the most suitable wavelength for treatment From the simulation results a theoretical basis of treatment is based on two effects simultaneously wavelength semiconductor laser working at a wavelength of 780nm and 940nm wavelengths Initial results of treatment for positive results in 40 patients confirmed the effectiveness of this treatment method Future theoretical basis of the method will be further perfected and put into a broader treatment in practice iv LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan nội dung luận văn kết nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Trần Thị Ngọc Dung Các nội dung lý thuyết tham khảo từ công trình nghiên cứu khác trình bày luận văn trung thực xác Tác giả luận văn DƯƠNG TRỌNG NGHĨA MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ i Lời cảm ơn ii Tóm tắt luận văn iii Lời cam đoan iv PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CHÍNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN ĐỀ TÀI 1.1 Cấu tạo chức thận 1.1.1 Cấu tạo thận 1.1.2 Chức thận 1.1.2.1 Quá trình lọc máu 1.1.2.2 Quá trình tiết nước tiểu 1.1.2.3 Sự tái hấp thu ống thận 1.2 Tổng quan bệnh Gout 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Dịch tễ học 1.2.3 Sinh lý bệnh tăng acid uric máu 1.2.3.1 Chuyển hoá purin tạo thành acid uric 1.2.3.2 Nguyên nhân phân loại tăng acid uric máu 1.2.4 Cơ chế bệnh sinh bệnh Gout 10 1.2.4.1 Cơ chế lắng đọng acid uric 10 1.2.4.2 Cơ chế bệnh sinh Gout cấp tính 11 1.2.5 Lâm sàng 11 1.2.5.1 Giai đoạn tiền triệu 11 1.2.5.2 Triệu chứng lâm sàng 11 1.2.5.3 Cơn Gout khơng điển hình 12 1.2.5.4 Gout mãn tính (có hạt tophi) 12 1.2.5.5 Tổn thương thận Gout 13 1.2.5.6 Lắng đọng urat 13 1.2.5.7 Các thể bệnh Gout khơng điển hình 13 1.2.6 Các xét nghiệm 14 1.2.6.1 Giai đoạn Gout cấp tính 14 1.2.6.2 Giai đoạn Gout mãn tính 14 1.2.6.3 X quang xương khớp 14 1.2.7 Chẩn đoán 14 1.2.7.1 Các tiêu chuẩn chẩn đoán 15 1.2.7.2 Các tiêu chuẩn chẩn đoán viêm khớp Gout cấp tính 15 1.2.7.3 Chẩn đốn phân biệt 15 1.2.8 Tiến triển 16 1.2.8.1 Thể thông thường 16 1.2.8.2 Thể nặng ác tính 16 1.2.9 Các phƣơng pháp điều trị bệnh Gout 16 1.2.9.1 Phương pháp dùng thuốc điều chỉnh chế độ ăn 16 1.2.9.2 Phương pháp châm cứu cổ truyền phương đông 19 1.3 Ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp (CST) điều trị bệnh Gout 20 1.3.1 Cơ sở khoa học 20 1.3.2 Ứng dụng laser bán dẫn CST điều trị bệnh Gout 24 1.3.2.1 Trên giới 24 1.3.2.2 Trong nước 25 CHƢƠNG 2: BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI 26 2.1 Bối cảnh hình thành đề tài 26 2.2 Mục tiêu đề tài 27 2.3 Nhiệm vụ đề tài 27 PHẦN 2: KẾT QUẢ THỰC HIỆN CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG SỰ LAN TRUYỀN CHÙM TIA LASER LÀM VIỆC Ở CÁC BƢỚC SÓNG KHÁC NHAU VỚI CÔNG SUẤT THẤP TỪ BỀ MẶT DA VÙNG LƢNG ĐẾN THẬN BẰNG PHƢƠNG PHÁP MONTECARLO 29 3.1 Mô lan truyền chùm tia laser mô phƣơng pháp Monte – Carlo 29 3.1.1 Giới thiệu 29 3.1.2 Thực mô 31 3.1.3 Kết mô 35 3.2.3.1 Sự phân bố mật độ công suất ứng với bước sóng 35 3.2.3.2 Độ xuyên sâu bước sóng ứng với giá trị công suất 44 3.2 Nhận xét, đánh giá kết mô sai số trình tính tốn 46 3.2.1 Nhận xét đánh giá kết mô 46 3.2.2 Sai số mô 46 CHƢƠNG 4: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU TRỊ BỆNH GOUT BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP 47 4.1 Ý tƣởng phƣơng pháp 47 4.2 Chọn bƣớc sóng làm việc laser bán dẫn để phục vụ cho điều trị 47 4.3 Cơ sở lý luận phƣơng pháp điều trị bệnh Gout laser bán dẫn công suất thấp 47 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ BƢỚC ĐẦU TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH GOUT BẰNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP 54 5.1 Lời nói đầu 54 5.2 Phƣơng pháp thực đối tƣợng nghiên cứu 54 5.3 Tƣ liệu bệnh nhân diện nghiên cứu điều trị 56 5.4 Kết điều trị 57 5.5 Đôi lời bàn luận kết luận 59 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 6.1 Kết luận 61 6.2 Kiến nghị 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 64 -1- PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ CHÍNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN ĐỀ TÀI 1.1 Cấu tạo chức thận Thận tạng (cơ quan) hệ tiết niệu, có hai hình hạt đậu nằm khoang bụng sau phúc mạc đối xứng qua cột sống, ngang đốt ngực T11 đến đốt thắt lƣng L3 Thận phải nằm thấp thận trái chút Mặt trƣớc thận nhẵn bóng cịn mặt sau sần sùi Hình 1.1: Vị trí thận thể người Các thận nhận máu từ cặp động mạch thận bắt nguồn từ tĩnh mạch chủ bụng, chảy vào cặp tĩnh mạch thận Mỗi thận tiết nƣớc tiểu vào niệu quản, cấu trúc cặp đôi dẫn nƣớc tiểu vào bàng quang Phía thận tuyến nội tiết thƣợng thận 1.1.1 Cấu tạo thận Mỗi thận dài khoảng 10 – 12,5cm, rộng - 6cm, dày - 4cm nặng khoảng 170g, có bờ lồi, bờ lõm Ở bờ lõm có chỗ lõm sâu gọi rốn thận nơi mạch máu tổ chức thận liên quan Thận gồm vùng: vùng ngồi phần vỏ (có màu hồng tới đỏ hay đỏ sẫm) dày khoảng – 10mm, vùng phần tủy khoang rỗng đƣợc gọi bể thận hay tháp thận Hai thận nằm sát phía lƣng thành khoang bụng, hai bên cột sống ( ngang đốt ngực T11 đến đốt thắt lƣng L3) Thận phải nhỏ nằm thấp thận trái khoảng đốt sống Thận đƣợc giữ bụng nhờ hệ thống cân vùng thận (lớp - 64 - PHỤ LỤC LÝ THUYẾT VỀ SỰ LAN TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG MƠ SỐNG Các thơng số quang học mô 1.1 Hệ số hấp thu a Định nghĩa đơn vị hệ số hấp thu a [cm-1] Các phân tử hấp thu ánh sáng đƣợc gọi Chromophores Coi chromophore lý tƣởng nhƣ cầu với kích thƣớc hình học xác định Quả cầu chắn ánh sáng gởi tới tạo bóng tối, đặc trƣng cho hấp thu Sự mô tả dĩ nhiên không thật nhƣng cho phép ta hiểu đƣợc chất hệ số hấp thu Hệ số hấp thu đại lƣợng biểu diễn khả hấp thu Kích thƣớc bóng tối hấp thu đƣợc gọi tiết diện hiệu dụng  a [cm2] nhỏ lớn kích thƣớc hình học chromophore (A[cm2]) Hệ số hấp thu liên hệ với số đƣợc gọi hiệu suất hấp thu Qa [không thứ nguyên]  a  Qa A (1.1) Hệ số hấp thu a [cm-1] đặc trƣng cho mơi trƣờng có chromophore với nồng độ a [cm-3] Hệ số hấp thu tiết diện hiệu dụng đơn vị thể tích mơi trƣờng a  a a (1.2) Thứ nguyên [cm-1] a nghịch đảo chiều dài, nên tích a L khơng thứ ngun, với L[cm] quãng đƣờng photon môi trƣờng Xác suất photon qua đƣợc quãng đƣờng L : T  exp(a L) (1.3) Biểu thức truyền qua dù quãng đƣờng photon thẳng hay gấp khúc (do tán xạ nhiều lần môi trƣờng tán xạ) b Ý nghĩa thống kê hệ số hấp thu Khi photon dịch chuyển quãng đƣờng vô bé ds, xác suất để hấp thu xảy a ds Khi chùm photon lan truyền quãng đƣờng ds, hấp thu cƣờng độ - 65 - chùm thay đổi lƣợng dI, dI tỷ lệ với cƣờng độ chùm tia I, tỷ lệ với hệ số hấp thu a tỷ lệ với quãng đƣờng ds Ta có: dI  I a ds (1.4) dI  a ds I (1.5) Do hấp thu dI < nên biểu thức xuất dấu (-) Hay: dI  a ds I (1.6) Đó xác suất mà photon bị hấp thu qua quãng đƣờng ds Tích phân biểu thức (1.5) ta đƣợc phần lƣợng lại chùm (hay phần lƣợng không bị hấp thu) sau quãng đƣờng s I  I0 exp(a s1 ) (1.7) Với I0 cƣờng độ ban đầu chùm tia vị trí s = Do phần lƣợng bị hấp thu là: I0  I  I0  I0 exp(a s1 ) (1.8) Hay xác suất để photon bị hấp thu khoảng cách nhỏ s1 : I0  I  1 exp(a s1 ) I0 (1.9) đƣợc ký hiệu P(s < s1) đƣợc gọi hàm phân bố xác suất P(s  s1 )  1 exp(a s1 ) (1.10) Trong lý thuyết xác suất, ngƣời ta phân biệt hàm phân bố xác suất (probability distribution function) hàm mật độ xác suất (probability density function) f Hàm mật độ xác suất f đạo hàm hàm phân bố xác suất Do hàm mật độ xác suất hấp thu có dạng (sau thay s1 s): f  a exp(a s) (1.11) c Các Chromophores Các phân tử hấp thu ánh sáng đƣợc gọi chromophores Có nhiều nguyên tử sinh học hấp thu ánh sáng cách chuyển mức điện tử Các chuyển mức có liên quan đến hấp thu ánh sáng vùng tử ngoại, khả kiến hồng ngoại gần - 66 - Các phân tử thƣờng có nối đơi electron thuộc quỹ đạo  tƣơng tự nhƣ electron kim loại Nếu cộng hƣởng cấu trúc  tƣơng thích với bƣớc sóng photon hấp thu photon xảy Trong tiến hóa sinh học, lúc đầu phân tử pyrrole chromophore, chúng hấp thu ánh sáng mặt trời giúp cho phản ứng tổng hợp để sản sinh polymer sinh học sản phẩm chuyển hóa nguyên sinh Kết hợp pyrrole thành vòng tetrapyrrole (porphyrin) tạo chromophore hiệu việc hấp thu ánh sáng mặt trời Chlorophyll porphyrin Hemoglobin, vitamin B12, cytochrome C P450 porphyrin sinh học Hình liệt kê số chromophore thơng thƣờng cấu trúc chúng Hình 3.1: Cấu trúc số Chromophore sinh học Ngồi ra, dải sóng hồng ngoại phân tử dao động vặn xoắn theo cách cộng hƣởng hấp thu photon Trong sinh học, chất thƣờng thực chuyển mức dao động nƣớc Trong vùng hồng ngoại, hấp thu nƣớc đóng vai trị quan trọng hấp thu mơ d Vai trị hấp thu quang y học, quang sinh Hấp thu biến cố sở cho phép laser nguồn sáng khác gây hiệu ứng có khả điều trị làm tổn hại mô (trong trƣờng hợp phá hủy tế bào ung thƣ) Khơng có hấp thu, khơng có chuyển lƣợng tới mơ mơ không bị tác động ánh sáng Sự hấp thu ánh sáng có vai trị chẩn đốn nhƣ phổ học mô Sự hấp thu cho phép xác định thành phần hóa học mơ chế độ tƣơng phản quang học việc tạo ảnh - 67 - 1.2 Hệ số tán xạ a Định nghĩa đơn vị hệ số tán xạ s [cm-1] Coi tâm tán xạ nhƣ cầu với kích thƣớc Quả cầu làm cho hạt photon chuyển động theo hƣớng khác khơng cho photon theo đƣơng cũ Q trình tạo thành tƣợng tán xạ Dĩ nhiên điều khơng với thật Tuy nhiên giúp ta hiểu đƣợc chất hệ số tán xạ, hệ số tƣơng tự nhƣ hệ số hấp thu mà ta đề cập Kích thƣớc bóng tối đƣợc gọi tiết diện hiệu dụng s[cm2], lớn nhỏ kích thƣớc hình học hạt tán xạ (A[cm2]), hệ số tỷ lệ đƣợc gọi hiệu suất tán xạ Qs [không thứ nguyên], ta có:  s  Qs A (1.12) Hệ số tán xạ s[cm-1] tích mật độ tâm tán xạ s[cm-3] tiết diện tán xạ hiệu dụng s s  s s (1.13) Hình 3.2: Tiết diện hình học tiết diện hiệu dụng tượng tán xạ Ta thấy đơn vị hệ số tán xạ [cm-1], nghịch đảo với đơn vị chiều dài nên tích sL đại lƣợng khơng thứ ngun, với L quãng đƣờng photon môi trƣờng Xác suất để truyền qua T photon không bị lệch hƣớng tán xạ sau quãng đƣờng L là: T  exp(s L) (1.14) b Ý nghĩa thống kê hệ số tán xạ Khi photon dịch chuyển quãng đƣờng vơ bé ds xác suất để tán xạ xảy sds Quãng đƣờng tự trung bình biến cố tán xạ 1/s c Các tâm tán xạ sinh học - 68 - Sự tán xạ ánh sáng diễn mơi trƣờng có thăng giáng chiết suất n, thăng giáng hạt Ánh sáng bị tán xạ mô tƣơng tác với siêu cấu trúc tế bào Siêu cấu trúc tế bào trải rộng từ màng tế bào, sợi collagen, nhân tế bào, tế bào chất Các hạt photon bị tán xạ nhiều lần cấu trúc có kích thƣớc cỡ bƣớc sóng ánh sáng Hình 3.3: Kích thước thành phần mơ hiệu ứng tán xạ có Sự tán xạ ánh sáng cấu trúc có kích thƣớc cỡ bƣớc sóng ánh sáng đƣợc mơ tả lý thuyết Mie Sự tán xạ ánh sáng cấu trúc có kích thƣớc nhỏ bƣớc sóng ánh sáng đƣợc mô tả giới hạn Rayleigh tán xạ Mie, hay gọi tán xạ Rayleigh d Vai trò tán xạ quang học y sinh Trong quang học y sinh, tƣợng tán xạ photon giữ vai trò quan trọng: Sự tán xạ tạo phản hồi q trình điều trị Ví dụ, làm đông mô cách chiếu tia laser, bắt đầu có tán xạ mãnh mẽ mục đích điều trị đạt đƣợc Sự tán xạ dùng chẩn đoán Sự tán xạ phụ thuộc vào cấu trúc mô, nhƣ nồng độ màng tế bào, mỡ tế bào, kích thƣớc nhân, diện sợi collagen, tình trạng nƣớc mơ Dù ta đo phụ thuộc tán xạ vào bƣớc sóng, vào phân cực, vào góc tán xạ phép đo tán xạ cơng cụ chẩn đốn quan trọng Sự tán xạ đƣợc sử dụng ứng dụng quang phổ việc tạo ảnh - 69 - 1.3 Hệ số bất đẳng hướng Hệ số bất đẳng hƣớng g đại lƣợng đặc trƣng cho bất đẳng hƣớng tán xạ Hồn tồn tán xạ phía trƣớc có g = trƣờng hợp tán xạ theo phƣơng nhƣ g = Biểu thức toán học hệ số bất đẳng hƣớng g có dạng :   0 g   p( )cos( )2 sin( )d Với g   p( )2 sin( )d  (1.15) biểu thức p( ) đƣợc gọi hàm tán xạ Sự tán xạ làm đƣờng photon lệch góc so với phƣơng ban đầu Hình 3.4: Quỹ đạo photon có tán xạ Hàm tán xạ, p( ) , có đơn vị [sr-1] mơ tả xác suất photon tán xạ đơn vị góc khối theo phƣơng làm góc so với phƣơng ban đầu Hàm tán xạ phụ thuộc vào góc lệch khơng phụ thuộc vào góc phƣơng vị  Sự đối xứng theo góc phƣơng vị trƣờng hợp đặc biệt nhƣng thƣờng đƣợc chấp nhận nói tán xạ Hàm p( ) đƣợc gọi hàm số pha tán xạ lý lịch sử Nhiều hàm số nhƣ hàm Henyey – Greenstein, modified Henyey – Greenstein delta –Eddington thƣờng đƣợc sử dụng để biểu diễn hàm tán xạ mơ Trong thí nghiệm đo góc tán xạ, đồ thị p( ) cho thấy photon tán xạ nhƣ ứng với góc  khác - 70 - Hình 3.5: Đồ thị p( ) ứng với dạng tán xạ tiêu biểu phía trước Hàm tán xạ Henyey –Greenstein: Henyey Greenstein (1941) đƣa biểu thức mơ tả phụ thuộc vào góc ánh sáng đám mây bụi Hàm tán xạ Henyey – Greenstein đƣợc kiểm chứng thích hợp việc mơ tả phụ thuộc góc tƣợng tán xạ mô sinh học Hàm tán xạ Henyey – Greenstein cho phép xác định hệ số bất đẳng hƣớng g cho giá trị trung bình cos g Hàm Henyey –Greenstein có dạng: p  cos    1 g 2(1  g  g cos  )2 (1.16) Phương trình vận chuyển Với chất sóng điện từ, lan truyền ánh sáng mô tuân theo phƣơng trình Maxwell Nhƣng việc tìm nghiệm giải tích cho hệ phƣơng trình Maxwell mơi trƣờng mơ sống khơng thể mơ sống hệ thống phức tạp Phƣơng pháp tiếp cận vấn đề lan truyền xạ điện từ mô dựa lý thuyết vận chuyển xạ điện từ (Theory of Radiative Transport) Lý thuyết vận chuyển xạ mô tả lan truyền lƣợng ánh sáng môi trƣờng đƣợc đặc trƣng thơng số quang học nó, hệ số hấp thu tán xạ, mơ tả tính chất hấp thu tán xạ mơ Phƣơng trình vận chuyển xạ điện từ mà độ chói L (r, s) phải thỏa : s L(s , r )  (a  s ) L(s , r )  s  4 p(s , s ' )L(s , r )d (1.17) - 71 - với L (r, s) độ chói vị trí theo phƣơng [W m-2 sr-1] Hàm số pha áp dụng cho mô sống hàm Henyey –Greenstein: p(s , s ' )  p  cos   1 g 2(1  g  g cos )3/2 (1.18) Phƣơng trình vận chuyển xạ điện từ cho phép xác định phân bố ánh sáng mô, thông số quang học mô đƣợc biết trƣớc Nhiều phƣơng pháp gần cho phép giải phƣơng trình vận chuyển trƣờng hợp riêng biệt, việc lựa chọn phƣơng pháp gần phụ thuộc vào toán đƣợc xét Quang học mô 3.1 Hệ số hấp thụ biểu bì Hệ số hấp thụ quang tổng cộng (µa.epi) biểu bì phụ thuộc phần nhỏ vào hấp thụ da có ảnh hƣởng lớn hấp thụ melanin có melanosome biểu bì Các thơng số độc lập bao gồm bƣớc sóng (nm) tỷ lệ thể tích melanosome ( f mel) đặc trƣng cho µa.epi với đơn vị [cm-1] - Hệ số hấp thụ biểu bì khơng có melanin, µa.skinbaseline Rất khó để phân biệt cách xác giá trị hệ số hấp thụ liên quan đến biểu bì khơng có melanin hạ bì khơng có máu Vì thế, hấp thụ biểu bì hạ bì đƣợc xấp xỉ µa.skinbaseline hàm theo bƣớc sóng : a skinbaseline  7,84  85,3exp(( 154) / 66,2) [cm-1] (1.19) Biểu thức dựa vào đo đạc phần da chuột khơng có máu việc sử dụng tích phân cầu đƣợc hiệu chỉnh với đo đạc ảo cẩn thận (Ruiping Huang, S Jacques, liệu không công bố) Iyad Saidi tạo liệu (450 –750 nm) cho mẫu da trẻ sơ sinh thực nghiệm sử dụng tích phân cầu sau giải thích cho hấp thụ vƣợt giới hạn hemoglobin bilibrubin dƣ lại mẫu Những liệu đƣợc xấp xỉ phƣơng trình : a skinbaseline  7,84.108  3,255 [cm-1] (1.20) Những liệu Saidi da trẻ sơ sinh cao so với liệu chuột Huang Về mặt quang học da chuột da trẻ sơ sinh hoàn toàn giống Dữ liệu Huang dựa vào hiệu chỉnh cẩn thận - 72 - cơng cụ tích phân cầu thích hợp với hấp thụ thấp nhiều mô khơng có máu phạm vi từ 350 –1100 nm Chúng ta sử dụng liệu da chuột nhƣ xấp xỉ cho µa.skinbaseline - Hệ số hấp thụ melanosome đơn, µa.mel Hình 3.6: Hệ số hấp thụ số chất theo bước sóng Sự hấp thụ biểu bì thƣờng bị ảnh hƣởng lớn hấp thụ melanin hầu hết cá thể Melanin polyme đƣợc tạo nên đặc phân tử tyrosine có phổ hấp thụ rộng cho thấy hấp thụ mãnh bƣớc sóng ngắn Melanin đƣợc tìm thấy melanosome có đƣờng kính màng từ – µm, nhiều hạt melanin có kích thƣớc khoảng 10nm nằm rải khắp bên màng vị trí tổng hợp melanin Tính trung bình nội bên melanosome có hệ số hấp thụ µa.mel phụ thuộc vào bƣớc sóng: a.mel  6,6.1011. 3,33 [cm-1] (1.21) Phƣơng trình dựa vào nhiều thí nghiệm đƣợc công bố khác liều ngƣỡng bốc dễ gây nổ melanosome xung laser bƣớc sóng khác Có khác đáng kể thành phần melanin melanosome, phƣơng trình xấp xỉ, nhƣng cho thấy đƣợ c phụ thuộc µa.mel vào bƣớc sóng - Tỷ lệ thể tích melanosome biểu bì - 73 - Khoảng nồng độ đƣợc ƣớc lƣợng đƣợc biểu diễn nhƣ tỷ lệ thể tích melanosome biểu bì, fmel + Ngƣời trƣởng thành với da màu sáng có fmel = 1,3 – 6,3% + Ngƣời trƣởng thành với sắc tố da ơn hịa có fmel = 11 – 16% + Ngƣời trƣởng thành với sắc tố da màu tối có fmel = 18 – 43% Sự ƣớc lƣợng có đƣợc dựa vào phụ thuộc bƣớc sóng mật độ quang học melanin biểu bì khoản 650 – 800nm đƣợc đặc trƣng việc đo phản xạ da vùng da thƣờng vùng da bị bệnh bạch tạng giả sử chiều dày lớp biểu bì 60 µm đƣờng tổng cộng photon gấp hai lần chiều dày lớp biểu bì Rõ ràng xấp xỉ thỏa thuận miêu tả la đặc điểm kỹ thuật xác - Hệ số hấp thụ thực biểu bì, µa.epi Hệ số hấp thụ thực biểu bì, µa.epi , kết hợp hấp thụ da hấp thụ melanin, đƣợc tính biểu thức : a.epi  f mel a.mel  (1  f mel )a.skinbaseline (1.22) Hình 3.7: Hệ số hấp thụ biểu bì với f mel = 10% 3.2 Hệ số tán xạ biểu bì Mặc dù chắn có khác hệ số tán xạ biểu bì µs.epi hệ số tán xạ hạ bì µs.derm nhƣng khác khơng lớn Hơn nữa, độ mỏng lớp biểu bì làm cho µs.epi quan trọng ứng dụng vùng - 74 - ánh sáng khả kiến vùng hồng ngoại gần bao gồm khuếch tán photon Tất nhiên khác tinh vi µs.derm quan trọng dụng cụ kỹ thuật phụ thuộc chủ yếu vào tƣơng tác photon vớ i biểu bì nhƣ việc đo đạc dựa vào tán xạ đơn từ biểu bì giống nhƣ tán xạ ngƣợc đàn hồi, tán xạ ngƣợc kết hợp, tán xạ ngƣợc phân cực Đặc tính tán xạ chủ yếu thứ hai mô hệ số bất đẳng hƣớng g nó, đƣợc định nghĩa gi trị trung bình cosine góc lệch tƣợng tán xạ Giá trị tiêu biểu g nằm khoảng từ 0,7 – 0,95 mô da khác bƣớc sóng Tuy nhiên trƣờng hợp chung khuếch tán photon bao gồm nhiều lần tán xạ, µs.epi gepi trở nên quan trọng thơng số gộp µsp.epi, đƣợc gọi hệ số tán xạ sửa đổi: s.epi  s.dermi  s (1.23) Tóm lại, µsp.epi= µsp.derm lần xấp xỉ 3.3 Hệ số hấp thu hạ bì Hệ số hấp thụ quang tổng cộng hạ bì µa.derm phụ thuộc phần nhỏ vào hấp thụ da phụ thuộc chủ yếu vào hấp thụ hemoglobin tƣới máu da Các thông so độc lập bƣớc sóng tỷ lệ thể tích máu ( f blood) đặc trƣng cho µa.derm trung bình với đơn vị [cm-1] µa.derm trung bình khơng quan tâm đến phụ thuộc máu gây ảnh hƣởng mặt quang học Chú ý ánh sáng vàng thâm nhập vào da nhanh ánh sáng tím, bƣớc sóng khác mẫu máu độ sâu khác có hiệu ứng khác - Sự hấp thụ hạ bì khơng có máu, µa.skinbaseline Nhƣ nói trên, hấp thụ biểu bì hạ bì tƣơng tự với gọi chung hai thơng số µa.skinbaseline - Hệ số hấp thụ máu, µa.blood Chất hấp thụ chủ yếu hạ bì hemoglobin máu da Hình 1.8 biểu diễn hệ số hấp thụ máu µa.skinbaseline với 45% hematocrit - 75 - Hình 3.8: Hệ số hấp thụ máu ( 45% hematocrit) Màu đỏ = HbO2, màu xanh = Hb - Hệ số hấp thụ hạ bì tƣới máu, µa.derm Một đại lƣợng đặc trƣng cho tỷ lệ thể tích trung bình máu, fblood, giả sử máu đƣợc phân bố đồng da Một giá trị f blood trung bình tiêu biểu 0,2% Nhƣng theo thực tế lƣợng máu da tập trung vào mãng lƣới tĩnh mạch chằng chịt cách bề mặt khoảng 100 –200µm tỷ lệ thể tích vùng khoảng từ – 5%, tỷ lệ thể tích chung mơ tƣới máu khác Ở phần khác hạ bì, fblood cục thấp nhiều Sự hấp thụ thực hạ bì, µa.derm đƣợc tính nhƣ sau: s.epi  s.dermi  fblood a.blood  (1  fblood )a.skinbaseline (1.24) 3.4 Hệ số tán xạ hạ bì Hệ số tán xạ sửa đổi hạ bì, µs.derm, kết hợp đóng góp tán xạ Mie gây sợi collagen lớn có hình trụ da tán xạ giới hạn Rayleigh gây cấu trúc nhỏ liên kết với sợi collagen cấu trúc khác tế bào Sự kết hợp mang lại đặc tính tán xạ quan sát đƣợc hạ bì Bằng cách sử dụng lý thuyết Mie tính tốn đƣợc hệ số tán xạ µs.derm, hệ số bất đẳng hƣớng gderm, sau tính đƣợc µsp.derm Biểu bì với sợi keratin có phần giống với hạ bì, ta lấy µ sp.epi xấp xỉ với µsp.derm Một nghiên cứu mơ học sợi collagen đƣợc tiến hành mẫu da trẻ sơ sinh sau chết Các sợi collagen có đƣờng kính trung bình - 76 - khoảng 2,8 ± 0,8 µm với tỷ khối khoảng 3,0 ± 0,5.106 [cm2] 1cm chiều dài sợi 3.106 [cm3] đơn vị thể tích Tỷ lệ thể tích hạ bì đƣợc lấp đầy sợi collagen 0,21 ± 0,10 Các sợi collagen ngƣời trƣởng thành có kết thúc cao khoảng này, điều chỉnh sau đƣợc làm cho thích hợp với liệu tán xạ da ngƣời trƣởng thành Bằng cách sử dụng lý thuyết Mie cho hình trụ, tỷ trọng kích thƣớc trung bình sợi collagen da, đƣờng màu xanh hình 16 đƣợc tính, biểu diễn phân bố tán xạ Mie sợi collagen Đặc tính tán xạ Mie đƣợc bắt chƣớc nhƣ biểu thức sau: sp _ mie fibers  2.105  1,5 [ cm-1] (1.25) Hạ bì thể loại tán xạ  4 giới hạn Rayleigh, tán xạ Mie cấu trúc nhỏ nhiều so với bƣớc sóng ánh sáng vùng UVA – khả kiến – hồng ngoại gần Các sợi collagen có cấu trúc nhỏ khoảng 70 nm đƣợc quan sát biểu đồ electron đƣợc vẽ lại từ kính hiển vi sợi collagen nhƣ có kẻ sọc Mơ hình nhuộm màu biểu đồ electron đƣợc vẽ lại từ kính hiển vi khơng nên đƣợc giải thích nhiều nhƣ mơ hình hệ số khúc xạ không đối xứng gây tán xạ ánh sáng Tuy nhiên, nhƣ giả thuyết có giá trị, xem nhƣ dân số cấu trúc tán xạ ánh sáng bao gồm tỷ lệ thể tích sợi collagen đƣợc xấp xỉ nhƣ mặt cầu có đƣờng kính 100 nm gây tán xạ Rayleigh Sử dụng tỷ lệ thể tích collagen 22%, ƣớc lƣợng tỷ khối tƣơng đƣơng với mặt cầu đƣờng kính 100 nm bao gồm sợi collagen Giả sử cấu trúc có hệ số khúc xạ không đối xứng 1,5/1,33 cho hai mơi trƣờng protein/nƣớc Cho sẵn tỷ trọng, kích thƣớc hệ số khúc xạ khơng đối xứng, sử dụng lý thuyết Mie cho mặt cầu để dự đốn phân bố µsp.derm cấu trúc nhỏ Do cấu trúc 100 nm nhỏ nên lý thuyết Mie xem nhƣ giống với giới hạn Rayleigh đƣợc biết đến với tƣ cách  4 Sự dự đoán tạo đƣờng màu xanh dƣơng hình 16 Chắc chắn có vùng không gian cho miêu tả đặc điểm tán xạ vật nhỏ cẩn thận Tuy nhiên ý nghĩ xấp xỉ ƣớc lƣợng đối xứng phụ thuộc vào độ lớn bƣớc sóng thành phần tán xạ Rayleigh quan sát đƣợc hạ bì: - 77 - sp _ Re yleigh  2.1012  4 [cm-1] (1.26) Sự kết hợp đƣờng màu xanh (tán xạ Mie) đƣờng màu xanh dƣơng (tán xạ Rayleigh) hình 16 tạo đƣờng màu đen đối xứng với đƣờng liệu màu đỏ hạ bì sp  sp _ Re yleigh  sp _ Mie fibers (1.27) Do đó, đặc tính tán xạ hạ bì đƣợc giải thích kết hợp tán xạ Mie Rayleigh chủ yếu từ sợi collagen Đặc tính tán xạ bị ảnh hƣởng lớn tán xạ Rayleigh từ cấu trúc nhỏ bƣớc sóng ngắn dƣới 650 nm tán xạ Mie từ cấu trúc sợi bƣớc sóng dài 650 nm Nhƣng vùng phổ khả kiến hồng ngoại gần đặc tính tán xạ bị ảnh hƣởng hai loại tán xạ Hình 3.9: Hệ số tán xạ suy giảm hạ bì, sp.derm - 78 - PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: DƢƠNG TRỌNG NGHĨA Ngày tháng năm sinh: 17/10/1989 Nơi sinh: Mỹ Tho, Tiền Giang Địa liên lạc: 30/4 Trừ Văn Thố, phƣờng 5, Mỹ Tho, Tiền Giang QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2007 đến 2011: Đại học Sƣ phạm Vật lý, ĐH Tiền Giang Từ 2012 đến 2014: Cao học Vật lý kỹ thuật y sinh, ĐH Bách khoa Tp HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 2011 đến 2012: giảng viên trƣờng ĐH Tiền Giang Từ 2012 đến nay: giáo viên trƣờng THPT Nguyễn Đình Chiểu, Mỹ Tho, TG ... pháp điều trị bệnh Gout laser bán dẫn công suất thấp - 28 - 2.3.4 Thiết kế mơ hình thiết bị điều trị bệnh Gout laser bán dẫn công suất thấp 2.3.5 Tổ chức nghiên cứu điều trị lâm sàng bệnh Gout laser. .. dụng thuốc 1.3 Ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp (CST) điều trị bệnh Gout 1.3.1 Cơ sở khoa học Việc ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp( Low Level Light Therapy-LLLT) vào điều trị nhằm thúc... “ ỨNG DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP TRONG ĐIỀU TRỊ BỆNH GOUT? ?? làm đề tài luận văn thạc sĩ 2.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng hoàn chỉnh sở lý luận phƣơng pháp điều trị bệnh Gout laser bán dẫn công