Sử dụng laser bán dẫn công suất thấp điều trị đau cột sống cổ do thoát vị đĩa đệm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -0o0 NGUYỄN HỮU PHÚC SỬ DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP ĐIỀU TRỊ ĐAU VÙNG CỘT SỐNG CỔ DO THOÁT VỊ ĐĨA ĐỆM CHUYÊN NGÀNH : VẬT LÝ KỸ THUẬT MÃ SỐ : 60 44 17 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2013 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: NGUYỄN HỮU PHÚC MSHV:11120678 Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1975 Nơi sinh: LONG AN Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số : 60 44 17 I TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP ĐIỀU TRỊ ĐAU VÙNG CỘT SỐNG CỔ DO THOÁT VỊ ĐĨA ĐỆM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan vấn đề liên quan đến đĩa đệm cột sống cổ ; Mô lan truyền chùm tia laser công suất thấp vào vùng đĩa đệm phương pháp Monte-Carlo ; Xây dựng sở lý luận việc dùng laser cơng suất thấp để điều trị vị đĩa đệm ; Khảo sát điều trị lâm sàng kết hợp phương pháp kéo dãn cột sống cổ sử dụng laser bán dẫn công suất thấp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : P.Giáo Sư Tiến Sĩ TRẦN MINH THÁI Tp HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BM ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS TRẦN MINH THÁI Cán chấm nhận xét :PGS.TS CẨN VĂN BÉ Cán chấm nhận xét :TS.TÔN CHI NHÂN Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 23 tháng 02 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS HUỲNH QUANG LINH (chủ tịch) TS TRẦN THỊ NGỌC DUNG (thư ký) PGS.TS CẨN VĂN BÉ (phản biện 1) TS TÔN CHI NHÂN (phản biện 2) PGS.TS TRẦN MINH THÁI (ủy viên) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa học luận văn này, thân tơi có dạy bảo, động viên, giúp đỡ thầy cơ, gia đình bạn bè Tơi ln ghi nhớ, kính trọng cảm ơn chân thành:  Thầy PGS.TS Trần Minh Thái tận tình bảo, hướng dẫn cụ thể, khơi mở nhiều vấn đề, giúp đỡ nhiều trình học tập khóa cao học hồn thiện nghiên cứu luận văn  Thầy TS Huỳnh Quang Linh Cô TS Trần Thị Ngọc Dung dạy bảo chuyên môn, bảo cách tìm hiểu, nghiên cứu vấn đề cần thiết  Các thành viên hội đồng phê duyệt luận văn dành thời gian công sức cho việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp  Các bạn đồng khóa lớp cao học hổ trợ giúp đỡ nhiệt tình thời gian học làm luận văn Nguyễn Hữu Phúc TĨM TẮT ĐỀ TÀI Thốt vị đĩa đệm cột sống bệnh lý phổ biến, vị đĩa đệm cột sống cổ đứng hàng thứ hai sau thoát vị đĩa đệm cột sống thắt lưng Bệnh hay gặp lứa tuổi lao động nên ảnh hưởng nhiều đến kinh tế xã hội Hiện có nhiều phương pháp khác điều trị chưa có phương pháp hồn hảo Chính vậy, phịng thí nghiệm Cơng nghệ laser đề xuất chương trình “nghiên cứu ứng dụng laser bán dẫn cơng suất thấp điều trị đau vị đĩa đệm” Với mục tiêu xây dựng sở lý luận phương pháp điều trị laser bán dẫn công suất thấp Nội dung bao gồm tổng quan vấn đề liên quan đến đĩa đệm cột sống cổ, mô lan truyền chùm tia laser công suất thấp vào vùng đĩa đệm phương pháp Monte-Carlo, xây dựng sở lý luận việc dùng laser công suất thấp để điều trị thoát vị đĩa đệm, khảo sát điều trị lâm sàng sử dụng laser bán dẫn công suất thấp kết hợp phương pháp kéo dãn cột sống cổ Đối tượng bệnh nhân đau vị đĩa đệm vùng cổ phịng vật lý trị liệu phục hồi chức Tân Châu, An Giang Việc ứng dụng laser bán dẫn công suất thấp bao gồm phương pháp quang trị liệu nội tĩnh mạch kết hợp với kéo dãn cột sống cổ cho kết điều trị thoát vị đĩa đệm tốt so với phương pháp khác điều trị không xâm lấn ABSTRACT Spine Disc Herniation is a quite common disease while cervical spine disc herniation is the second popular after spine disc herniation The illness is prevalent at the age of labor therefore affecting all the social economy There are many varied method of treatment but by now there is no a completely perfect treatment Consequently, Laser Technology Laboratory raised a program “The application studying of using Low Level Laser to treat pain caused by cervical disc herniations” With the above-mentioned target, the subject includes some contents as the following: overviews of matters related to cervical vertebrate disc, simulations of circulations of low level laser beams into disc areas by Monte-Carlo method, basic theory constructions of using low level laser to treat cervical disc herniations Surveys and clinical treatments of the using of low level laser therapy combined by method of extending cervical spines Studied subjects are patients suffering with the cervical disc herniations were cured at the surgery in Tan Chau, An Giang province The applying of Low Level Laser Therapy including the optical treating method and Endovenous Laser Ablation method combined with the method of extending cervical spine create the best result of treating cervical disc herniations as compared with other non-invasive treatments LỜI CAM ĐOAN Luận văn bắt đầu thực từ nhận định chọn người hướng dẫn khoa học tên đề tài luận văn tốt nghiệp Ngoài ra, thời gian học học kỳ lớp cao học, tác giả lãnh hội kiến thức liên quan đề tài từ thầy cô, sách, tạp chí, tài liệu từ internet, từ bạn đồng mơn, v.v… Với kết thu từ luận văn, tác giả xin cam đoan sản phẩm tác giả thực hoàn thành hướng dẫn khoa học P Giáo Sư Tiến Sĩ Trần Minh Thái – đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tác giả LỜI TỰA Đĩa đệm cột sống cổ đóng vai trị quan trọng thể người loài người di chuyển hai chân hoạt động hai tay Các đĩa đệm làm nhiệm vụ nâng đỡ, làm trung gian đốt sống với nhau, tạo đàn hồi cho cột sống Khi đốt sống cổ bị vị đĩa đệm uy hiếp trực tiếp tuỷ sống cổ làm chẹn đường hệ động mạch đốt sống thân mền, mà thân mền để bảo đảm nuôi dưỡng não ( đại não, tiểu não,…) Không thế, hệ thần kinh thực vật vùng cổ phân bố nhiều chúng tiếp xúc khăng khít với hệ động mạch sống Để điều trị bệnh thoát vị đĩa đệm cột sống cổ có nhiều phương pháp chữa trị Trong số phương pháp không gây tổn thương phương pháp dùng Laser bán dẫn công suất thấp để điều trị quan tâm nhiều Do việc “ Sử dụng laser bán dẫn công suất thấp việc điều trị đau vùng cột sống cổ vị đĩa đệm” có ý nghĩa thực tiễn cho người bị đau phần cột sống cổ Trong thời gian thực việc nghiên cứu ứng dụng này, bảo tận tình thầy Trần Minh Thái Thầy khơi gợi nhiều khía cạnh vấn đề để tơi tìm tịi khám phá điều hay liên quan đến đề tài Để từ hiểu thấu đáo vần đề liên quan đến đề tài LUẬN VĂN THẠC SĨ HDKH: PGS.TS TRẦN MINH THÁI MỤC LỤC Phần 1: Tổng quan vấn đề liên quan Chương 1: Các vấn đề bệnh lý đĩa đệm vùng cột sống cổ………….… 1.1 Những vấn đề liên quan đến cột sống ……………………………… …8 1.2 Những vấn đề liên quan đến cột sống cổ ………………………………10 1.2.1 Thân đốt sống ………………………………………………… 10 1.2.2 Dây chằng ……………….…………………………….12 1.2.3 Động mạch đốt sống …………………………………………… 16 1.3 Cấu trúc đĩa đệm cột sống …………………………………………… 17 1.3.1 Nhân nhầy …………………………………………………….18 1.3.2 Vòng sợi ………………………………………………………20 1.3.3 Mân sụn ……………………………………………………….22 1.3.4 Mạch máu nuôi đĩa đệm …………………………………… 22 1.3.5 Đĩa đệm - hệ thẩm thấu ………………………………… 23 1.4 Các phương pháp điều trị thoát vị đĩa đệm 24 1.4.1 Phương pháp điều trị bảo tồn 24 1.4.2 Phương pháp điều trị không bảo tồn 25 Chương 2: Tổng quan phương pháp kéo vùng cột sống cổ ………………………28 2.1 Tác dụng việc kéo vùng cột sống cổ ………………………………28 NGUYỄN HỮU PHÚC Page LUẬN VĂN THẠC SĨ HDKH: PGS.TS TRẦN MINH THÁI 2.2 Chỉ định chống định ……………………………………………29 2.2.1 Chỉ định …………….…………………………………………29 2.2.2 Chống định ……………………………………………… 29 2.3 Các chế độ kéo dãn cột sống ………………………………………… 30 2.3.1 Chế độ kéo dãn liên tục……………………………………… 30 2.3.2 Chế độ kéo dãn ngắt quãng ………………………………… 31 2.4 Phương pháp kéo dãn cột sống cổ …………………………………… 32 2.4.1 Chọn ví trí để kéo ………….………………………………….32 2.4.2 Phương kéo ………………………………………………… 32 2.4.3 Lực kéo ……………………………………………………….33 2.4.4 Các tư kéo dãn cột sống cổ ……………………………….34 Chương 3: Bối cảnh hình thành đề tài, mục tiêu nhiệm vụ nó……………37 3.1 Bối cảnh hình thành đề tài…………………… ……………………….37 3.2 Mục tiêu đề tài ………………………………….…………………40 3.3 Các nhiệm vụ đề tài ……………………………………… 40 Phần : Kết thực đề tài Chương 4: Mô lan truyền chùm tia laser làm việc bước sóng khác với cơng suất thấp từ bề mặt da đến vị trí đĩa đệm phương pháp MonteCarlo ….………………………………………………………………………….42 NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC cộng hưởng cấu trúc π tương thích với bước 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 Ngoài ra, dải sóng hồng ngoại phân tử dao động vặn xoắn theo cách cộng hưởng hấp thu photon Trong sinh học, chất thường thực chuyển mức dao động nước Trong vùng hồng ngoại, hấp thu nước đóng vai trị quan trọng hấp thu mô d) Vai trò 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 trường hợp phá hủy tế bào ung thư) Không có hấp thu, khơng có chuyển lượng tới mô mô không bị tác động ánh sáng Sự hấp thu ánh sáng có vai trị chẩn đốn phổ học mơ Sự hấp thu cho phép xác định thành phần hóa học mô chế độ tương phản quang học việc tạo ảnh A.1.2 Hệ số tán xạ a) Định nghĩa đơn vị hệ số tán xạ µs [mm-1] Coi tâm tán xạ cầu với kích thước Quả cầu làm cho hạt photon chuyển động theo hướng khác khơng cho photon theo đường cũ Q trình tạo thành tượng tán xạ Dĩ nhiên điều khơng với thật Tuy nhiên giúp ta hiểu chất hệ số tán xạ, hệ số tương tự hệ số hấp thu mà ta đề cập Kích thước bóng tối gọi tiết diện hiệu dụng σs [mm2], lớn nhỏ kích thước hình học hạt tán xạ (A [mm2]), hệ số tỷ lệ gọi hiệu suất tán xạ Qs [khơng thứ ngun], ta có :  s  Qs A (1.12) Hệ số tán xạ µs [cm-1] tích mật độ tâm tán xạ ρs [mm-3] tiết diện tán xạ hiệu NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC dụng σs :  s   s s (1.13) Ta thấy đơn vị hệ số tán xạ [mm-1], nghịch đảo với đơn vị chiều dài nên tích µsL đại lượng khơng thứ ngun, với L quãng đường photon môi trường Xác suất để truyền qua T photon không bị lệch hướng tán xạ sau quãng đường L : T  exp  s L (1.14) b) Ý nghĩa thống kê hệ số tán xạ Khi photon dịch chuyển qng đường vơ bé ds xác suất để tán xạ xảy µsds Quãng đường tự trung bình biến cố tán xạ 1/ µs c) Các tâm tán xạ sinh học Sự tán xạ ánh sáng diễn mơi trường có thăng giáng chiết suất n, thăng giáng hạt Ánh sáng bị tán xạ mô tương 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 thước cỡ bước sóng ánh sáng Sự tán xạ ánh sáng cấu trúc có kích thước cỡ bước sóng ánh sáng mô tả lý thuyết Mie Sự tán xạ ánh sáng cấu trúc có kích thước nhỏ bước sóng ánh sáng mơ 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, tượng tán xạ photon giữ vai trò quan trọng : Sự tán xạ tạo phản hồi trình điều trị Ví dụ, làm đơng mơ cách chiếu tia laser, bắt đầu có tán xạ mạnh mẽ nghĩa mục đích điều trị đạt Sự tán xạ dùng chẩn đoán Sự tán xạ phụ thuộc vào cấu trúc mô, nồng độ màng tế bào, mỡ tế bào, kích thước nhân, diện sợi collagen, tình trạng nước mơ Dù ta đo phụ thuộc tán xạ vào bước sóng, vào phân cực, vào góc tán xạ phép đo tán xạ công cụ chẩn đoán quan trọng Sự tán xạ sử dụng ứng dụng quang phổ việc tạo ảnh NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC A.1.3 Hệ số bất đẳng hướng : Hệ số bất đẳng hướng g đại lượng đặc trưng cho bất đẳng hướng tán xạ Hồn tồn tán xạ phía trước có g = trường hợp tán xạ theo phương g = Biểu thức toán học hệ số bất đẳng hướng g có dạng :  g   p cos 2 sin d  cos   với  p 2 sin d  (1.15) biểu thức p(θ) gọi hàm tán xạ Sự tán xạ làm đường photon lệch góc θ so với phương ban đầu Hình 3.3: Quỹ đạo photon có tán xạ Hàm tán xạ, p(θ), có đơn vị [sr-1] mô tả xác suất photon tán xạ đơn vị góc khối theo phương làm góc θ so với phương ban đầu Hàm tán xạ phụ thuộc vào góc lệch θ khơng phụ thuộc vào góc phương vị  Sự đối xứng theo góc phương vị trường hợp đặc biệt thường chấp nhận nói tán xạ Hàm p(θ) gọi hàm số pha tán xạ lý lịch sử Nhiều hàm số hàm Henvey–Greenstein, modified Henvey–Greenstein delta – Eddington thường sử dụng để biểu diễn hàm tán xạ mơ Trong thí nghiệm đo góc tán xạ, đồ thị p(θ) cho thấy photon tán xạ NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC ứng với góc θ khác * Hàm tán xạ Henvey – Greenstein Henvey Greenstein (1941) đưa biểu thức mô tả phụ thuộc vào góc ánh sáng đám mây bụi Hàm tán xạ Henvey-Greenstein kiểm chứng thích hợp việc mơ tả phụ thuộc góc tượng tán xạ mơ sinh học Hàm tán xạ Henvey–Greenstein cho phép xác định hệ số bất đẳng hướng g cho giá trị trung bình cos(  ) g Hàm Henvey – Greenstein có dạng : pcos   1 g   g  g cos  32 (1.16) A.2 Phương trình vận chuyển: Với chất sóng điện từ, lan truyền ánh sáng mơ tn theo phương trình Maxwell Nhưng việc tìm nghiệm giải tích cho hệ phương trình Maxwell mơi trường mơ sống khơng thể mơ sống hệ thống phức tạp Phương pháp tiếp cận vấn đề lan truyền xạ điện từ mô dựa lý thuyết vận chuyển xạ điện từ Lý thuyết vận chuyển xạ mô tả lan truyền lượng ánh sáng môi trường đặc trưng thơng số quang học nó, hệ số hấp thu tán xạ, mơ tả tính chất hấp thu tán xạ mơ Phương trình vận chuyển xạ điện từ mà độ chói L (r, s) phải thỏa :     s  L s, r   a   s L s, r   s  ps, s'Ls, r d 4 (1.17) với L (r, s) độ chói vị trí theo phương [W m-2 sr-1] µa hệ số hấp thu [m-1] µs hệ số tán xạ [m-1]   p s, s ' : hàm số pha Hàm số pha áp dụng cho mô sống hàm Henvey–Greenstein :   p s, s'  pcos    1 g 2  g  g cos NGUYỄN HỮU PHÚC  32 (1.18) Page PHỤ LỤC Phương trình vận chuyển xạ điện từ cho phép xác định phân bố ánh sáng mô, thông số quang học mô biết trước Nhiều phương pháp gần cho phép giải phương trình vận chuyển trường hợp riêng biệt, việc lựa chọn phương pháp gần phụ thuộc vào toán xét A.3 Giới thiệu phương pháp Monte-Carlo Trong mục này, tìm hiểu làm để mơ hình hóa truyền photon mơi trường tán xạ mô sinh học Đường photon mô sinh học vấn đề phức tạp Khác với photon lượng cao photon tia X, photon ánh sáng trải qua nhiều lần tán xạ mơ trước hấp thụ hay khỏi mơ Để mơ hình hóa phân bố ánh sáng mô, ta dùng phương pháp Monte Carlo Phương pháp cho phép ta đo giá trị vĩ mô Phương pháp mô Monte Carlo dùng để giải vấn đề vật lý vấn đề ánh sáng truyền mơ sinh học Tuy nhiên khơng có định nghĩa ngắn gọn thức Phương pháp mô Monte Carlo phương pháp mô thông dụng nay, mơ tính tốn q trình tự nhiên dựa số ngẫu nhiên Đường photon mô đoạn đường ngẫu nhiên liên tục Đường ngẫu nhiên đơn giản đề cập cho phần tử di chuyển qua nhiều bước, chiều dài hướng bước nhảy độc lập với với bước nhảy trước Một mẫu phức tạp cho quãng đường ngẫu nhiên liên tục, hướng bước sau phụ thuộc vào bước trước Mơ hình mơ tả xác tượng ánh sáng truyền mô Sự mô Monte Carlo đưa phương pháp giải xác linh động cho q trình truyền photon mơ có tán xạ, đại lượng vật lý định lượng đồng thời Phương pháp mô tả quy luật vi mô truyền photon, trường hợp đơn giản nhất, phân bố xác suất mô tả bước nhảy photon hai vị trí tương tác photon-mơ góc lệch đường photon tán xạ xảy Tuy nhiên, phương pháp thống kê tự nhiên, dựa việc tính tốn máy tính truyền lượng lớn chùm photon địi hỏi thời gian tính tốn lớn Mơ Monte Carlo dựa thuộc tính quang học vĩ mơ mở rộng thể tích mơ cực nhỏ Thật vậy, xem tồn mơ mơ hình hóa cho đặc trưng NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC trung bình truyền photon Nghĩa quãng đường tự vị trí tương tác photon-mơ nằm khoảng 10-1000µm, 100µm giá trị tiêu biểu phổ khả kiến phổ hồng ngọai gần Photon xem phần tử cổ điển, phân cực hóa tượng sóng xem bỏ qua Mơ Monte Carlo dùng ứng dụng chẩn đoán chữa bệnh tia Laser nguồn quang học khác y sinh Ví dụ, Monte Carlo mơ hệ số phản xạ lan truyền dùng để suy thuộc tính quang mơ sinh học, phân biệt mơ ung thư mơ bình thường Monte Carlo mơ tụ lượng quang bên mơ nên tính toán lượng ánh sáng cho liệu pháp chữa bệnh quang động học NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC Chiếu photon s=0 Chọn s s=0 s   ln  Di chuyển s t s=0 Hấp thụ Tán xạ Y Photon chết? N Trọng lượng nhỏ? Y Sống sót theo Roulette? N Photon cuối? N Y N Y Kết thúc Hình A.1: Sơ đồ thuật tốn A.6 Vấn đề giải hệ tọa độ: NGUYỄN HỮU PHÚC Page PHỤ LỤC Phương pháp mô Monte Carlo xem truyền tia hẹp, chùm tia tới chiếu trực giao mẫu mô sinh học nhiều lớp hình A.2 Hình A.2 : Chùm tia chiếu trực giao vào mô nhiều lớp Các lớp mơ song song nhau, lớp có chiều rộng vô hạn, mô tả thông số: bề dày, chiết suất n, hệ số hấp thụ µa (mm-1), hệ số tán xạ µs (mm-1) hệ số bất đẳng hướng g Dù thật mơ khơng có chiều rộng vơ hạn, ta xét điều kiện rộng nhiều so với độ rộng không gian phân bố photon Hệ số hấp thụ hệ số tán xạ hàm mật độ xác suất nghịch đảo thể quãng đường tự (mm) cho hấp thụ tán xạ Hệ số tương tác tổng µt định nghĩa tổng hệ số hấp thụ hệ số tán xạ Do hệ số tương tác thể số photon tương tác trung bình đơn vị đường Hệ số bất đẳng hướng g, đại lượng liên tục, trung bình cosin góc lệch, góc hướng photon tán xạ hướng photon tới, xét tán xạ đơn Hệ tọa độ ba chiều dùng mô Monte Carlo Hệ tọa độ Descartes dùng để di chuyển photon Gốc tọa độ hệ điểm tới tia bề mặt mô Trục z trực giao với bề mặt hướng vào phía mơ, mặt phẳng xy bề mặt mơ Vì tia photon hẹp vng góc với bề mặt mơ mơ nhiều lớp, tốn có tính đối xứng trụ Do đó, hệ tọa độ trụ dùng để ghi nhận hấp thụ photon bên hàm r z, trục quay trục z hệ trụ Hệ trụ hệ Descartes có gốc trục z Chiều r hệ trụ dùng cho phản xạ khuếch tán truyền qua khuếch tán hàm r  , với  góc hướng photon pháp tuyến tới bề mặt mô (trục –z cho phản xạ trục +z cho truyền qua) Hệ tọa độ cầu chuyển động có trục z động thẳng với hướng truyền photon, dùng để lấy NGUYỄN HỮU PHÚC Page 10 PHỤ LỤC mẫu hướng truyền chùm photon Trong hệ cầu, góc lệch  góc phương vị  gây tán xạ lấy mẫu Sau đó, hướng photon cập nhật số hạng cosin hệ Descartes Hệ thống lưới thiết lập để ghi nhận đại lượng vật lý mô Monte Carlo Để ghi nhận (lưu trữ dán nhãn) hấp thụ photon, hệ thống lưới đồng hai chiều thiết lập theo phương r z Lưới chia thành ∆r ∆z theo trục r z Tổng số phần tử lưới tương ứng theo trục r z Nr Nz Để thể phản xạ khuếch tán truyền qua, hệ lưới đồng hai chiều thiết lập theo phương r α Hệ lưới dùng chung trục r với hệ lưới cho hấp thụ photon Do ta cần thiết lập thêm hệ lưới chiều cho phản xạ khuếch tán truyền qua theo phương α Nα tổng phần tử lưới Vì ta chọn khoảng cho α ≤ α ≤  /2 nên lưới chia thành    2N Sự hấp thụ, di chuyển, phản xạ truyền qua photon đại lượng vật lý cần mô Sự mô photon lan truyền theo chiều, ghi nhận photon đưa vào A(r,z) chuyển chúng thành xác suất photon bị hấp thụ đơn vị thể tích (mm-3) sau nhiều photon đánh dấu Dòng chảy photon (mm-2), F(r,z) xác suất di chuyển photon đơn vị diện tích, tích thơng qua A(r,z) Trong q trình mơ phỏng, hấp thụ di chuyển tương tác photon mô chọn ghi lại chúng xảy trục z Việc mô ghi nhận lại phát xạ ngược lại photon từ lớp biên biên phản xạ, Rd(r, α) truyền qua, Td(r, α) [mm-2sr-1], định nghĩa xác suất photon phát xạ lại từ bề mặt đơn vị diện tích r đơn vị góc đồng xung quanh α Đơn vị góc đồng steradians sr Giống hấp thụ, phản xạ không tán xạ truyền qua dán nhãn cách riêng rẽ Các đại lượng vật lý chiều thấp tính cách sử dụng chiều cao Ví dụ, hấp thụ photon hàm z, A(z) đạt cách lấy tích phân A(r,z) theo r Để thuận tiện, mm dùng đơn vị đo chiều dài suốt q trình mơ Ví dụ bề dày lớp chia lưới theo phương r z tính mm, hệ số hấp thụ hệ số tán xạ mm-1 Trong phần sau, mảng tham khảo đơn giản vị trí phần tử lưới, ví dụ (r,z) NGUYỄN HỮU PHÚC Page 11 PHỤ LỤC (r,α), thay số phần tử lưới, dù số sử dụng chương trình mơ để tham khảo phần tử mảng A.4 Mô truyền photon: Phần cho biết quy luật định nghĩa lan truyền photon mẫu Monte Carlo ứng dụng mô nhiều lớp Phương pháp tổng quát cho lớp suốt (ví dụ lớp thấu kính hay lớp nước) trường hợp đặc biệt A.7.1 Lấy mẫu biến ngẫu nhiên: Phương pháp Monte Carlo dựa lấy mẫu ngẫu nhiên biến từ phân bố xác suất chúng Đối với biến ngẫu nhiên χ, hàm mật độ xác suất p(χ) định nghĩa phân bố χ khoảng (a,b) Biến biến bước nhảy mà photon hai vị trí tương tác photon-mơ, góc lệch photon bị tán xạ Để mô truyền photon, ta cần chọn giá trị χ lặp lại ngẫu nhiên dựa công cụ tạo số giả ngẫu nhiên cho máy tính Máy tính tạo số ngẫu nhiên ζ phân bố Hàm mật độ xác suất không tổng quát p(χ) lấy mẫu cách giải phương trình sau theo χ:   p d   với ζ  (0, 1) (1.1) a biểu thức biểu diễn hàm mật độ lũy tích (CDF) χ hay P(χ) gọi lặp lặp lại để lấy mẫu biến lan truyền 1 1 a a P P   p  d   p  d (1.2) Khi hàm mật độ tích lũy lấy mẫu 1, nghĩa P(χ1) biểu diễn số ngẫu nhiên, lấy nghịch đảo để có biến ngẫu nhiên χ từ ζ: χ= P-1(ζ) Q trình tìm số ngẫu nhiên χ, tóm tắt sau: Số giả ngẫu nhiên ζ1 đựơc tạo từ hàm phân bố mật độ xác suất p(ζ), sau chuyển thành hàm mật độ lũy tích P(χ) từ mối quan hệ hàm phân bố hàm mật độ, từ tìm χ1 A.4.2 Mơ hình chùm photon: Vị trí chùm photon mơ tả hệ trục tọa độ Decastes (x,y,z) Hướng chùm NGUYỄN HỮU PHÚC Page 12 PHỤ LỤC photon mô tả cosin theo hướng  x ,  y ,  z  Một kĩ thuật biến đổi đơn giản, bắt giữ photon ẩn, dùng để cải tiến hiệu mô Monte Carlo Kĩ thuật cho phép xem lan truyền nhiều photon tương đương với chùm dọc theo quãng đường riêng biệt Mỗi chùm photon mang trọng lượng W, giá trị ban đầu đơn vị A.4.3 Chiếu photon: Các photon chiếu vng góc tới mơ ta mơ chùm tia trực chuẩn vơ hẹp Vị trí Photon (x,y,z) bắt đầu với (0,0,0), Cosin theo hướng  x ,  y ,  z  gán (0,0,1), trọng lượng W bắt đầu Khi mặt phân cách mô môi trường xung quanh có chiết suất khơng tương xứng, phản xạ xảy chiếu photon Nếu chiết suất môi trường mô n1 n2, ta có hệ số phản xạ đặc trưng Rsp tính công thức: Rsp  (n1  n2 )2 (n1  n2 )2 (1.3) Nếu lớp môi trường suốt có chiết suất n2 (nghĩa chèn mơi trường có chiết suất n1 lớp mơ có chiết suất n3), phản xạ truyền qua nhiều lần biên lớp Trong trường hợp này, hệ số phản xạ đặc trưng tính công thức: Rsp  r1  (  r1 )2 r2  r1r2 (1.4) Với r1 r2 hệ số phản xạ Fresnel hai lớp lớp suốt r1  (n1  n2 )2 (n1  n2 )2 (1.5) r2  (n3  n2 )2 (n3  n2 )2 (1.6) Trọng lượng ban đầu photon 1, chùm photon vào môi trường, đại lượng giảm lượng Rsp: W = – Rsp (1.7) A.4.4 Đường photon Bước nhảy chùm photon tính dựa lấy mẫu phân bố xác suất quãng NGUYỄN HỮU PHÚC Page 13 PHỤ LỤC đường tự s (0 ≤ s <  ) (Lưu ý: s đại lượng có hướng tính cm khác với µs đại lượng vô hướng) Đầu tiên ta xét môi trường vô dày Theo định nghĩa hệ số tương tác µt, xác suất xảy tương tác photon-mơ khoảng (s’, s’+ds’): t   dP{s  s' } P{s  s' }ds' (1.8) Biến đổi lại 1.8 ta được: d( ln(P{s  s'}))  - t ds' (1.9) Lấy tích phân 1.9 theo s’ khỏang (0,s1), ta có: P{s  s1 }  exp(- t s1 ) (1.10) (1.28) thường biết đến với tên gọi định luật Beer, tương đương với biểu thức cho µs, nghĩa tương tác photon-mô xảy vượt xa s1 Xác suất mà tương tác xảy khỏang s1 là: P{s  s1 }  - exp(-µt s1 ) (1.11) Hàm mật độ xác suất tương ứng : p ( s1 )  dP{s  s }  µ t exp(- µ t s ) ds (1.12) Vì (1.11) hàm mật độ lũy tích tương tác photon- mơ đơn lẻ nên: s1   n 1    t   n t (1.13) Với (1-ζ) thay ζ ζ số ngẫu nhiên phân bố Cơng thức dùng để lấy mẫu bước nhảy photon môi trường vô hạn bán vô hạn Trong môi trường dày nhiều lớp, chùm photon xuyên qua lớp trước xảy tương tác Trong trường hợp (1.10) trở thành: P{s  s sum }  exp( -  µti si ) (1.14) i Với i số lớp,  ti hệ số tương tác đọan đường thứ i photon, si bước nhảy đoạn thứ i Tổng đoạn đường ssum là: s sum   s i i NGUYỄN HỮU PHÚC (1.15) Page 14 PHỤ LỤC Tổng tính tất lớp mà chùm photon qua Công thức (1.14) không quan tâm photon phản xạ hay truyền qua biên chúng giải riêng Biểu thức lấy mẫu theo ζ là: µ i s  - ln() ti i (1.16) Ta thấy (1.13) trường hợp đặc biệt (1.16) cho trường hợp lớp đơn lẻ Mẫu hiểu tổng đọan đường vơ hướng –ln(ζ) Chú ý đường photon lớp suốt khơng đóng góp vào vế trái (1.16) hệ số tương tác chúng Cơng thức (1.16) dùng để lấy mẫu bước nhảy Montecarlo.exe, đại lượng vô hướng s bắt đầu –ln(ζ) Chỉ chùm photon –ln(ζ) đơn vị vơ hướng tương tác photon-mơ xảy Do đó, chùm photon phải di chuyển nhiều bước si để đạt đến vị trí tương tác mô nhiều lớp Khi tương tác xảy ra, chùm photon phải va chạm, hấp thụ tán xạ A.4.5 Sự di chuyển photon: Khi đường vô hướng đoạn đường tự trung bình xác định, photon vào mơ Vị trí chùm photon cập nhật: x  x   x si , y  y   y si , z  z   z si (1.17) A.4.6 Sự hấp thụ photon: Khi photon đạt đến vị trí tương tác, phần trọng lượng ∆W bị hấp thụ vị trí tương tác, giá trị tính theo cơng thức: ΔW  μa W μt (1.18) đưa vào phần tử lưới Nếu photon chưa tán xạ lần nào, lượng thay đổi trọng lượng lưu giữ mảng tương tác photon-mơ Bên cạch đó, ∆W lưu vào A(r,z) phần tử lưới: Ar,z   Ar,z   ΔW (1.19) Trọng lượng photon cập nhật: W  W  ΔW (1.20) Chùm photon có trọng lượng W chịu tán xạ vị trí tương tác NGUYỄN HỮU PHÚC Page 15 PHỤ LỤC A.4.7 Sự tán xạ photon: Khi chùm photon đạt đến vị trí tương tác trọng lượng giảm bị tán xạ Sẽ có góc lệch  (0 ≤  ≤  ) góc phương vị  (0≤  <  ) lấy mẫu theo thống kê Phân bố xác suất cosin góc lệch, , mơ tả hàm tán xạ HenveyGreenstein lấy mẫu theo thống kê Phân bố xác suất cosin góc lệch, cos  , mơ tả hàm tán xạ Henvey-Greenstein, trước dùng cho tán xạ ngân hà: p(cos )  1 g2 2(1  g  g cos ) / (1.21) với hệ số bất đẳng hướng g = , có giá trị khoảng (-1, 1) + Khi g = : tán xạ đẳng hướng + Khi g tiến tới 1: tán xạ theo hướng thẳng tới trước Thực nghiệm chứng minh hàm Henvey-Greestein mô tả tốt tán xạ mô Giá trị g mô khoảng (0,3 – 0,98) thơng thường g khoảng 0,9 phổ nhìn thấy phổ hồng ngoại gần Áp dụng công thức (3.1), việc chọn cos  biểu diễn hàm số ngẫu nhiên ζ:     g    1 g    if cos    g   g  g         if  g0 g0 (1.21) Góc phương vị  , phân bố khoảng (0, 2π) lấy mẫu với số ngẫu nhiên độc lập ζ:   2 (1.22) Khi góc lệch góc phương vị chọn, ta tính hướng chùm photon: µ x'  µ y'  sin ( µ x µz cos - µ y sin )  µ z2 sin ( µ y µz cos  µx sin )  µ z2  µ x cos  µ y cos (1.23) µ z'  -  µ z2 sin  cos   µ z cos  NGUYỄN HỮU PHÚC Page 16 PHỤ LỤC Nếu hướng photon đủ gần với trục z ( nghĩa |  z | > 0.99999), ta dùng công thức:  x'  sincos  y'  sin sin  với SIGN(  z ) (1.24) z'  SIGNz cos =  z dương SIGN(  z ) = -1  z âm A.4.8 Sự kết liễu photon: Sau chùm photon chiếu, bị kết liễu phản xạ truyền qua Đối với chùm photon lan truyền mô, trọng lượng giảm sau nhiều lần tương tác, giảm đến giá trị ngưỡng (ví dụ Wth = 0.0001), kết liễu phải xảy để đảm bảo bảo toàn lượng (hay số photon) Phương pháp Russian Roulette sử dụng để kết liễu chùm photon W≤Wth Phương pháp cho photon hội sống sót m (ví dụ m=10), trọng lượng photon mW Nếu chùm photon khơng sống sót, trọng lượng giảm cịn photon bị lết liễu, nghĩa là:  mW W  0  if if m ξ m ξ (1.25) với  số giả ngẫu nhiên phân bố điều khoảng (0,1) NGUYỄN HỮU PHÚC Page 17 ... dùng Laser bán dẫn công suất thấp để điều trị quan tâm nhiều Do việc “ Sử dụng laser bán dẫn công suất thấp việc điều trị đau vùng cột sống cổ vị đĩa đệm? ?? có ý nghĩa thực tiễn cho người bị đau. .. TÀI: SỬ DỤNG LASER BÁN DẪN CÔNG SUẤT THẤP ĐIỀU TRỊ ĐAU VÙNG CỘT SỐNG CỔ DO THOÁT VỊ ĐĨA ĐỆM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan vấn đề liên quan đến đĩa đệm cột sống cổ ; Mô lan truyền chùm tia laser. .. ứng dụng laser bán dẫn điều trị đau thoát vị đĩa đệm vùng sống cổ 3.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài gồm: xây dựng sở lý luận phương pháp điều trị thoát vị đĩa đệm vùng sống cổ laser bán dẫn công