Khảo sát phổ hấp thu và phổ tán xạ ngược của laser công suất thấp lên mô sinh học bằng phương pháp monte carlo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI THÁI CHÂU KHẢO SÁT PHỔ HẤP THU VÀ PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP LÊN MÔ SINH HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH 01/2011 Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH QUANG LINH Cán chấm nhận xét 1:…………………………………………… Cán chấm nhận xét 2:…………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 27 tháng 01 năm 2011 Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc Lập- Tự Do- Hạnh Phúc Tp HCM, ngày 27 tháng 01 năm 2011 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: MAI THÁI CHÂU Phái: nam Ngày, tháng, năm sinh: 10-04-1981 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật MSHV: 09120621 TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT PHỔ HẤP THU VÀ PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP LÊN MÔ SINH HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: a Khảo sát tổng quan nghiên cứu giới nước tương tác photon lượng thấp với mô sinh học b Khảo sát sở lí thuyết lan truyền photon lượng thấp mô sinh học, phương pháp mô Monte Carlo c Mô lan truyền chùm laser công suất thấp làm việc bước sóng : 630nm, 780nm, 850nm, 940nm vùng não bị xuất huyết vùng vú có khối u; khảo sát phổ hấp thụ phổ tán xạ ngược d Rút kết luận ứng dụng NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH QUANG LINH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh hướng dẫn nghiên cứu khoa học, hỗ trợ tài liệu dẫn suốt trình thực luận văn Em xin chân thành cám ơn thầy giảng dạy chương trình cao học, đặc biệt thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Y sinh giúp em có nhiều kiến thức hữu ích có liên quan đến đề tài Tơi xin cám ơn bạn học khóa 2009 – 2011 trao đổi, góp ý đề tài Tơi xin cám ơn thành viên gia đình tạo điều kiện, động viên tơi hồn thành luận văn Dù cố gắng không tránh khỏi sai sót, xin học hỏi lời dẫn q thầy vả bạn Mai Thái Châu đ Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 TÓM TẮT Trên sở nghiên cứu ứng dụng phương pháp trị liệu quang động (liên quan đến phân bố liều mô) phương pháp chẩn đoán cắt lớp tán xạ (DOT), phương pháp quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) (liên quan đến tính chất phân bố tán xạ ngược), đề tài thực khảo sát đánh giá phân bố lượng phân bố photon không gian tán xạ ngược cách ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô tương tác photon lượng thấp mơ hình cấu tạo mô não tuyến vú, đối tượng nghiên cứu phương pháp trị liệu Trên sở kết mô phỏng, đề tài xác lập kết luận mang tính sở cho ứng dụng đánh giá đề xuất khả ứng dụng hiệu Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 MỤC LỤC Chương : Phần mở đầu 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu đề tài nhiệm vụ đề tài Chương : Phần tổng quan 2.1 Tổng quan tương tác laser công suất thấp với mô sinh học 2.1.1 Lịch sử phát triển laser công suất thấp 2.1.2 Cơ chế tương tác laser với mô sinh học 2.1.2.1 Quang thụ thể laser 2.1.2.2 Các biến đổi mức phân tử 2.1.2.3 Biến đổi mức tế bào 2.1.2.4 Đáp ứng mức hệ thống thể 2.1.2.5 Định luật Grotthuss-Drapper định luật stark-Einstein 2.1.3 Tác dụng chùm laser điều trị 2.1.3.1 Tác dụng giảm đau 2.1.3.2 Tái tạo mô 2.1.3.3 kháng viêm 2.1.3.4 Tăng cường hệ miễn dịch 2.1.3.5 Tác dụng lên mô sẹo 2.1.4 Phương pháp quang động (PDT) 2.1.4.1 Lịch sử phát triển phương pháp quang động 2.1.4.2 Cơ chế vật lí phương pháp quang động 2.1.5 Ứng dụng phổ tán xạ ngược 2.2 Cơ sở lí thuyết 2.2.1 Các thơng số quang học mơ 2.2.1.1 Hệ số hấp thu 2.2.1.2 Hệ số tán xạ 2.2.1.3 Hệ số bất đẳng hướng 2.2.1.4 Hệ số khúc xạ 2.2.2 Các tính chất quang học mơ Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 2.2.2.1 Hiện tượng hấp thu 2.2.2.2 Hiện tượng tán xạ 2.2.2.3 Hiện tượng khúc xạ 2.2.3 Tán xạ Mie 2.2.4 Tán xạ Rayleigh 2.2.5 Phương trình xạ truyền qua (RTE) 2.3 Mô lan truyền ánh sáng mô sinh học 2.3.1 Phương pháp Monte Carlo 2.3.1.1 Các bước tiến hành 2.3.1.1.1 Lấy biến số ngẫu nhiên 2.3.1.1.2 Chọn góc tán xạ 2.3.1.1.3 Chọn góc phương vị 2.3.2 Các gian đoạn mô lan truyền chùm photon 2.3.2.1 Chiếu chùm photon 2.3.2.2 Xác định đường photon 2.3.2.3 Xác định hướng chuyển động photon 2.3.2.4 Xác định vị trí photon 2.3.2.5 Năng lượng hấp thu 2.3.2.6 Phản xạ hay truyền qua biên: 2.3.2.7 Sự chấm dứt photon 2.3.2.8 Ghi vào ma trận Chương 3: Kết thực hành 3.1 Khảo sát mơ hình não bị xuất huyết tai biến mạch máu não chấn thương 3.1.1 Mơ hình 3.1.2 Nhận xét 3.2 Mơ hình vú có khối u 3.2.1 Mơ hình 3.2.2 Nhận xét Chương 4: Kết luận hướng phát triển đề tài 3.1 Kết luận Luận văn thạc sĩ 3.2 Hướng phát triển đề tài Tài liệu tham khảo Phụ Lục HV: Mai Thái Châu – 2011 Chương : Phần mở đầu 1.1 Giới thiệu Laser công suất thấp ứng dụng y học nghiên cứu sử dụng nhiều nước giới Các lĩnh vực ứng dụng laser công suất thấp ứng dụng y khoa đa dạng, điển hình: - Trong chẩn đốn: phương pháp chụp cắt lớp quang học tán xạ (Difused Optical Tomography – DOT) phát khối ung thư nhỏ, phương pháp chụp cắt lớp quang học kết hợp (Optical Coherent Tomography – OCT) khảo sát vi cấu trúc mô sống, phương pháp chụp ảnh tán xạ ngược phát nhanh vị trí xuất huyết chấn thương não, phương pháp chụp ảnh quang phổ cận hồng ngoại (Near Infrared Radiation Spectroscopy – NIRS) khảo sát chức hoạt động thần kinh vv… - Trong điều trị: phương pháp trị liệu quang động (Photodynamic Therapy – PDT) ứng dụng điều trị ung thư dựa vào kích hoạt hoạt tính chất cảm quang, phương pháp quang trị liệu laser công suất thấp (Low Level Laser Phototherapy – LLLPT) điều trị nhiều bệnh chứng đa dạng dựa vào chế kích thích sinh học laser, vv… Trong lĩnh vực điều trị, việc nghiên cứu ứng dụng laser cơng suất thấp y học Phịng thí nghiệm Cơng nghệ laser, trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM triển khai theo ba hướng: - Trị liệu laser: nghiên cứu tác động chùm laser, hiệu ứng đa bước sóng lên tổn thương nằm sâu mô bề mặt da Đây kỹ thuật đơn giản phổ biến ba lĩnh vực ứng dụng laser công suất thấp điều trị - Laser nội tĩnh mạch: nghiên cứu tác động chùm laser trực tiếp lên máu hệ tuần hoàn, cải thiện chất lượng huyết học tăng cường tác động dẫn thuốc vv… - Laser châm cứu: nghiên cứu tác động chùm laser lên huyệt kinh điển châm cứu cổ truyền phương đông kết hợp tác dụng quang trị liệu nhằm đạt hiệu cao điều trị Luận văn thạc sĩ HV: Mai Thái Châu – 2011 Do ứng dụng laser công suất thấp y học có tính đa dạng phức hợp vậy, việc nghiên cứu tương tác laser công suất thấp với mô sống thật cần thiết nhằm tạo sở khoa học mang tính phương pháp luận để lý giải nâng cao hiệu ứng dụng Lĩnh vực nghiên cứu gồm ba hướng chính: - Mơ lan truyền chùm laser mô, với thông số quang học mô đo thực nghiệm Từ việc mơ tính phân bố xạ phản xạ khuyếch tán phân bố lượng bên mô - Xác định phần tử cảm quang tế bào phương pháp thực nghiệm từ suy chế tương tác - Đo thông số quang học mô sống thay đổi chất hóa học mơ chiếu tia phương pháp thực nghiệm Với tổng quan với hướng ứng dụng cụ thể Trường Đại học Bách khoa, tận dụng khả mơ máy tính, Bộ mơn Vật lý Kỹ thuật Y sinh đề hướng nghiên cứu liên quan đến việc khảo sát tính chất phân bố xạ photon lượng thấp mô sống nhằm có hình dung tổng qt sở khoa học ứng dụng khác nhau, lý giải phù hợp cho ứng dụng cụ thể 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Mục tiêu đề tài Trên sở nghiên cứu ứng dụng phương pháp trị liệu quang động (liên quan đến phân bố liều mô) phương pháp chẩn đoán cắt lớp tán xạ (DOT), phương pháp quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) (liên quan đến tính chất phân bố tán xạ ngược), đề tài đặt mục tiêu khảo sát đánh giá phân bố lượng phân bố photon không gian tán xạ ngược cách ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô tương tác photon lượng thấp mơ hình cấu tạo mô não tuyến vú, đối tượng nghiên cứu phương pháp trị liệu Với mục tiêu trên, nhiệm vụ đươc đề sau: Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 2.3015 0.7 0.6 -1 Az [cm ] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 z [cm] vu7804.mco theta [degrees] 10 20 -1 30 -2 -3 40 -4 50 -5 60 -6 70 -7 80 -8 90 r [cm] Mơ hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 780nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 2,76mm – Mơ với 1.000.000 photon z [cm] Phan bo nang luong log10( Azr [photon/cm ] ), Rd = 63.25700 [%] 2 -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] 2 Phan bo thong luong log10( Fzr [photon/cm ]) vu8504.mco z [cm] -2 -4 -6 -4 R [c m -2 ] 10 10 10 -3 -2 -1 r [cm] vu8504.mco -5 40 60 theta [degrees] 80 100 r [cm] R a [S r-1 ] 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 vu8504.mco 0.7 10 0.6 20 -1 0.5 30 -2 40 -3 50 -4 60 -5 theta [degrees] -1 Az [cm ] Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 2.2532 0.4 0.3 0.2 0.1 -6 70 -7 80 z [cm] 90 -8 r [cm] Mơ hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 850nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 2,76mm – Mô với 1.000.000 photon z [cm] Phan bo nang luong log10( Azr [photon/cm ] ), Rd = 64.70630 [%] 2 -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] 2 Phan bo thong luong log10( Fzr [photon/cm ]) vu9404.mco z [cm] -2 -4 -6 -4 -3 -2 -1 r [cm] R [cm -2 ] 10 10 10 vu9404.mco -5 40 60 theta [degrees] 80 100 r [cm] R a [S r-1] 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 3.9658 0.5 -1 Az [cm ] 0.4 0.3 0.2 0.1 0 z [cm] vu9404.mco 10 theta [degrees] 20 -1 30 -2 40 -3 50 -4 60 -5 70 -6 80 90 -7 r [cm] Mô hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 940nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 2,76mm – Mơ với 1.000.000 photon Phan bo nang luong log10( Azr [photon/cm ] ), Rd = 57.04470 [%] z [cm] 2 -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] 2 Phan bo thong luong log10( Fzr [photon/cm ]) vu6305.mco z [cm] -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] R [cm -2 ] 10 10 10 vu6305.mco 10 -10 40 60 theta [degrees] 80 100 r [cm] R a [S r-1 ] 0.2 0.15 0.1 0.05 0 20 Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 0.82108 vu6305.mco theta [degrees] -1 Az [cm ] 0.8 0.6 0.4 10 20 -1 30 -2 -3 40 -4 50 -5 60 -6 70 0.2 -7 80 -8 z [cm] 90 r [cm] Mơ hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 630nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 3,26mm – Mơ với 1.000.000 photon Phan bo nang luong log10( Azr [photon/cm ] ), Rd = 61.45360 [%] z [cm] 2 -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] 2 Phan bo thong luong log10( Fzr [photon/cm ]) vu7805.mco z [cm] -2 -4 -6 -4 -3 -2 -1 r [cm] -2 R [cm ] 10 10 10 vu7805.mco -5 40 60 theta [degrees] 80 100 r [cm] R a [S r-1] 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 1.5494 0.7 0.6 -1 Az [cm ] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 z [cm] vu7805.mco theta [degrees] 10 20 -1 30 -2 40 -3 50 -4 60 -5 70 -6 80 -7 90 -8 r [cm] Mơ hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 780nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 3,26mm – Mơ với 1.000.000 photon Phan bo nang luong log10( Azr [photon/cm ] ), Rd = 63.38430 [%] z [cm] 2 -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] 2 Phan bo thong luong log10( Fzr [photon/cm ]) vu8505.mco z [cm] -2 -4 -6 -4 -3 -2 -1 r [cm] R [c m - ] 10 10 10 vu8505.mco 10 -10 40 60 theta [degrees] 80 100 r [cm] 0.4 R a [S r-1 ] 0.3 0.2 0.1 0 20 vu8505.mco Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 1.5074 0.7 theta [degrees] 0.6 -1 Az [cm ] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 z [cm] 10 20 -1 30 -2 40 -3 50 -4 60 -5 70 -6 80 -7 90 -8 r [cm] Mơ hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 850nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 3,26mm – Mơ với 1.000.000 photon z [cm] Phan bo nang luong log10( Azr [photon/cm ] ), Rd = 64.95530 [%] 2 -2 -4 -6 -8 -4 -3 -2 -1 r [cm] 2 Phan bo thong luong log10( Fzr [photon/cm ]) vu9405.mco z [cm] -2 -4 -6 -4 -3 -2 -1 r [cm] R [c m -2 ] 10 10 10 vu9405.mco -5 40 60 theta [degrees] 80 100 r [cm] R a [S r-1 ] 0.4 0.3 0.2 0.1 0 20 Nang luong vung khoi u [photon*hc/lambda]: 2.8396 0.5 vu9405.mco 0.3 theta [degrees] -1 Az [cm ] 0.4 0.2 0.1 0 z [cm] 10 20 -1 30 -2 40 -3 50 -4 60 -5 70 -6 80 -7 90 r [cm] Mơ hình: Vú có khối u – Bước sóng laser: 940nm – Độ sâu khối u ( tính từ lớp biểu bì) 3,26mm – Mơ với 1.000.000 photon ... THU VÀ PHỔ TÁN XẠ NGƯỢC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP LÊN MÔ SINH HỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: a Khảo sát tổng quan nghiên cứu giới nước tương tác photon lượng thấp với mơ sinh. .. photon lượng thấp với mơ sinh học b Khảo sát sở lí thuyết lan truyền photon lượng thấp mô sinh học, phương pháp mô Monte Carlo c Mô lan truyền chùm laser công suất thấp làm việc bước sóng : 630nm,... Tổng quan tương tác laser công suất thấp với mô sinh học 2.1.1 Lịch sử phát triển laser công suất thấp 2.1.2 Cơ chế tương tác laser với mô sinh học 2.1.2.1 Quang thụ thể laser 2.1.2.2 Các biến