Bóc bay bề mặt (1), laser dưới vạt (2)
“Nguồn Mimura T (2008)” [122]
1.3.3.3 Phẫu thuật bằng laser femto
Đây là laser rắn, chất nguồn là Nd-YAG, được đặt tên như vậy bởi độ rộng xung chỉ từ vài đến vài trăm femto giây (10-15 giây). Laser excimer thích hợp cho việc hớt mô trên bề mặt, còn laser femto phù hợp cho việc cắt mô trong tổ chức. Laser femto quang hủy tổ chức bằng cách ion hóa tạo plasma khi tập trung năng lượng đỉnh cực lớn tại một điểm.
Việc cắt vạt giác mạc bằng laser femto thay cho dao cắt vạt bắt đầu có xu hướng được ứng dụng rộng rãi, giúp cho phẫu thuật viên có thể điều chỉnh độ dày vạt giác mạc theo ý muốn. Hiện nay vạt giác mạc cắt bằng laser femto là mỏng nhất (90 μm). Các nghiên cứu và thử nghiệm lâm sàng dùng laser femto để thực hiện phẫu thuật khúc xạ bằng cách cắt, rạch nhu mô (FLEX, intraCOR) cho những kết quả ban đầu khả quan đối với độ nhẹ [75]. Đây có thể là một công cụ phẫu thuật hứa hẹn trong tương lai.
1.4 LASER
1.4.1 Khái niệm chung
Laser là từ viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Bức xạ cưỡng bức được Albert Einstein tiên đoán bằng lý thuyết năm 1917, tạo nền tảng cơ sở cho việc phát minh ra laser sau này. Tiền thân của các thiết bị laser là maser. Thời đại của laser được mở ra khi Schawlow và Townes công bố lý thuyết sơ khai và phân tích khả năng ứng dụng nguyên lý maser trong vùng quang học [4], [154].
Laser hồng ngọc được Mainman giới thiệu lần đầu vào năm 1960, từ đó các nhà khoa học đã tìm ra hàng trăm ứng dụng tiềm năng của laser trong y khoa. Nhãn cầu với các môi trường trong suốt, dễ dàng tiếp cận về mặt quang học, là một cơ quan đặc biệt thích hợp cho can thiệp bằng laser. Hầu hết các thành phần của nhãn cầu: từ giác mạc, mống mắt, vùng bè, thể thủy tinh đến võng mạc đều có ứng dụng laser trong điều trị các bệnh lý khác nhau [110]. Nguyên lý cấu tạo chung của hệ thống laser bao gồm các thành phần: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ quang dẫn. Tùy thuộc hoạt chất trong buồng cộng hưởng, người ta phân loại thành laser rắn (laser YAG– Neodymium, Ytterbium, Holmium, Thulium, Erbium, hồng ngọc...), laser lỏng (chất hữu cơ), laser khí (Heli-Neon, CO2, Argon, Argon-Fluoride…), laser bán dẫn, laser hơi kim loại...
Laser có tính đơn sắc nên không bị tán sắc khi đi qua hệ thấu kính, có
tính trực chuẩn nên có khả năng tập trung năng lượng ánh sáng vào một điểm rất cao, có tính phân cực cho phép chùm tia truyền trong môi trường mà không bị thất thoát do phản xạ [2]. Tính kết hợp có được nhờ các photon trong tia chuyển động cùng pha và có cùng phân cực. Laser phát ra xung ở mức mili, nano, pico và femto giây cho phép tập trung năng lượng cực lớn trong một thời gian cực ngắn.
Hình 1.8 Xung laser kiểu Q-swichted
“Nguồn Patel (1995)” [154]
Tia laser có thể phát liên tục với năng lượng đỉnh xung thấp nhưng năng lượng trung bình cao, sử dụng đơn vịđo công suất là mW hoặc W. Loại thứ hai là phát dạng xung cho năng lượng đỉnh xung cao, nhưng năng lượng trung bình của một xung thấp do độ rộng xung ngắn, sử dụng đơn vị đo mJ hoặc J. Dạng xung có thể là xung đơn, xung lập lại, siêu xung hoặc xung kiểu Q-swichted (Hình 1.8). Xung kiểu Q-swichted được sử dụng nhằm đạt công suất cao trong một thời gian cực ngắn. Tùy thuộc chất nguồn, mà các tia laser phát ra có thể nằm trong phổ hồng ngoại (CO2, YAG…), hữu hình (Argon, Diode…) hoặc tử ngoại (excimer).
Trong y khoa, laser công suất thấp tạo hiệu ứng kích thích sinh học
(biostimulation). Laser công suất cao tác động lên mô qua các hiệu ứng quang
N ă ng l ượ ng
nhiệt, phân hủy quang nhiệt chọn lọc, quang đông, quang cơ, quang bóc lớp, quang động học. Những hiệu ứng này có thể gây ra các biến dị ở mức độ tế bào, phân tử ADN, ARN hoặc gây đông đặc, bốc hơi, cacbon hóa, tan chảy do nhiệt, do phản ứng hóa học, do bẻ gãy các kết nối phân tử, phá hủy bằng lực của sóng va chạm, do tạo plasma từ chất điện môi.
1.4.2Laser Excimer
Thuật ngữ Excimer được Steven và Hutton đặt ra vào năm 1960 bắt nguồn từ cụm từ excited dimer [174]. Excimer là một phức hai nguyên tử, chỉ hình thành khi 1 trong 2 nguyên tử bị kích thích, chỉ tồn tại được chừng nào còn bị kích thích (cỡ nano giây). Trong những hợp chất của các khí hiếm và halogen, chỉ 3 loại laser có vai trò trong công nghệ hiện nay, đó là ArF (Argon Fluoride), KrF (Krypton Fluoride) và XeCl (Xenon Chloride) với bước sóng lần lượt là 193, 248 và 308 nm. Trong số đó, chỉ có bước sóng 193 nm của ArF là thích hợp cho phẫu thuật khúc xạ giác mạc.
Ở mức năng lượng thấp, Agon và Florua thường không gắn kết thành một phân tử, nhưng lại có ái lực đối với nhau khi ở mức năng lượng cao. Trước hết, hỗn hợp khí Agon-Florua được bơm vào buồng laser. Ban đầu, chỉ có một vài nguyên tử và phân tử được kích hoạt trong điện trường mạnh (20.000 - 40.000 vôn), tạo bởi 2 điện cực ở hai đầu. Khi các nguyên tử của các phân tử ArF được nạp thêm năng lượng, các điện tử rời khỏi trạng thái nền (E0) để lên trạng thái kích thích (E1), đi vào quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Tuy nhiên, trạng thái năng lượng thấp nhất là trạng thái vững bền nhất, nên điện tử bị kích thích nhanh chóng phát ra một quang tử có mang năng lượng ở cùng tần số để trở về trạng thái nền. Khi các điện tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức thấp hơn sẽ phóng thích ra năng lượng mới dưới dạng quang tử, có bước sóng 193 nm. Nói một cách đơn giản là bức xạ ánh sáng được phát ra. Quá trình này có thể xảy ra một cách tự phát không cần kích thích từ bên ngoài, nhưng khi đó, quang tử phát ra có hướng ngẫu nhiên và rời rạc. Bức xạ kích thích xảy ra khi có một quang tử tác động lên điện tử,
kích thích để đẩy điện tử này xuống trạng thái nền. Khi đó 2 quang tử được phát ra: 1 quang tử ban đầu và 1 được phát xạ từ điện tử, 2 quang tử này cùng hướng và đồng pha (Hình 1.9). Bức xạ ánh sáng này được chuyển vào khoang cộng hưởng laser, nơi có hệ thống gương kính làm tăng sự va chạm, kích thích của các nguyên tử khác lên bội lần và cho ra một bức xạ đơn sắc được khuếch đại với cường độ năng lượng cao.