Chuyên đề 3: Khảo sát tác dụng sinh học của bức xạ các LED phổ dụng vớ

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN

2.3. Chuyên đề 3: Khảo sát tác dụng sinh học của bức xạ các LED phổ dụng vớ

với bƣớc sóng từ vùng cực tím cho đến vùng hồng ngoại gần với cơ thể sống và mắt

2.3.1. Bức xạ tử ngoại [32].

Tia tử ngoại hay tia cực tím, tia UV (từ tiếng Anh Ultraviolet) là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X.

Khi xét đến ảnh hưởng của tia tử ngoại lên sức khỏe con người và mơi trường, thì phổ của tia tử ngoại chia ra thành:

 Tia UVA (380-315 nm), hay gọi là sóng dài hay "ánh sáng đen", là bức xạ yếu nhất của bức xạ UV. UVA có thể gây ra thối hóa da và một số nguy cơ gián tiếp đến các tế bào DNA (Deoxyribonucleic Acid).

 Tia UVB (315-280 nm) gọi là bước sóng trung bình. Chúng gây ra nguy cơ trực tiếp đến các tế bào DNA. Chúng có thể gây ra sự sám nắng của da và cũng là nguyên nhân của ung thư da.

 Tia UVC (280 -100 nm) gọi là sóng ngắn, là bức xạ mạnh nhất và nguy hiểm nhất đối với con người, gây tổn thương cấu trúc protein, hủy tế bào và có tác dụng diệt khuẩn.

43

Hình 2.3.2. Độ xuyên sâu của ánh sáng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại qua da.

Tia tử ngoại có thể gây ra một số tác dụng tích cực cũng như tiêu cực lên cơ thể con người như sau:

a) Tác dụng tích cực.

 Tổng hợp vitamin D: tia tử ngoại giúp cơ thể chúng ta để sản xuất vitamin D. Vitamin D giúp tăng cường xương, cơ bắp và hệ thống miễn dịch của cơ thể. Nó cũng có thể làm giảm nguy cơ mắc một số loại ung thư như ung thư ruột kết.

 Chữa một số bệnh ngoài da: tia cực tím được sử dụng trong điều trị các bệnh về da như bệnh vẩy nến, eczema và bệnh vàng da. Điều này diễn ra dưới sự giám sát y tế và các lợi ích của việc điều trị so với các rủi ro phơi nhiễm bức xạ tia cực tím là một vấn đề của đánh giá lâm sàng.

 Khử trùng, diệt khuẩn: tia UV có thể tiêu diệt vi sinh vật như vi rút và vi khuẩn. Để tiêu diệt các vi sinh vật, các tia UV xuyên qua màng tế bào, phá hủy DNA, và như vậy dừng lại khả năng tái sinh và nhân lên.

b) Tác hại của tia tử ngoại.

* Tác động lên Protein của sinh vật [33].

Dưới tác dụng của tia tử ngoại, phân tử protein bị tổn thương khá mạnh mà biểu hiện thường thấy là dung dịch protein bị vẩn đục hay có độ nhớt, tốc độ lắng và mật độ quang bị thay đổi.

44

Protein thường có vùng phổ hấp thụ 200nm ÷ 400 nm trong đó các acid amin thơm như Tryptophan, Tyrosin, Phenyl-alanine và Cystein đóng vai trị là tâm hấp thụ. Khi acid amin thơm hấp thụ bức xạ tử ngoại thì trước hết bản thân nó bị phá hủy và sau đó dẫn tới khử hoạt tính enzim.

Như vậy: Tia tử ngoại ảnh hưởng không chỉ tới cấu trúc mà cả cấu hình phân tử. Do đó mà khả năng xúc tác phản ứng của phân tử protein bị giảm xuống và có thể làm cho protein mất chức năng sinh học của nó.

* Tác dụng lên các DNA [34].

Tia tử ngoại tác động liên kết bất thường giữa 2 NST đơn kế cận. Kết quả là DNA có một chỗ phình trong cấu trúc, gây đột biến NST ở vi sinh vật khiến nó khơng cịn có thể thực hiện những chức năng bình thường nữa.

Trong đó, tia UVB bị hấp thụ bởi DNA và có khả năng gây hại trực tiếp lên DNA. Tia UVA không bị hấp thụ bởi DNA nhưng bị hấp thụ bởi các cấu trúc tế bào (chromophores) tạo nên H2O2 gây hại cho DNA.

* Gây hại cho mắt.

Nhiều bộ phận của mắt chịu ảnh hưởng của tia cực tím như mi mắt, kết mạc, giác mạc, thủy tinh thể và võng mạc. Tia UV có thể gây tai biến về mắt, các tế bào bao bọc mắt có thể bị hủy khi bị chiếu bởi tia UV. Nó có thể gây suy hoại võng mạc, lòa và mù mắt…

Hình 2.3.3. Ảnh hưởng của tia tử ngoại lên mắt.

Giai đoạn đầu tia UVchỉ ảnh hưởng mi mắt, giác mạc. Nếu bị nặng, tia UV sẽ ảnh hưởng thủy tinh thể, dẫn đến tình trạng đục thủy tinh thể. Theo thời gian, đục thủy tinh thể có hiện tượng mờ đi, cuối cùng sẽ khơng nhìn thấy gì. Ngồi ra, việc phá hỏng các tế bào nội mô của võng mạc sẽ dẫn đến việc thối hóa điểm vàng.

45

Điều này cũng nhanh chóng dẫn đến mù mắt. Tổn thương ở mắt có thể là tức thời hoặc lâu dài sau khi hấp thụ tia UV có trong ánh nắng mặt trời. Ở mi mắt, ánh nắng có thể gây nên một số loại u mi, đặc biệt là ung thư mi như ung thư biểu mô tế bào đáy, ung thư biểu mơ tế bào vảy và u hắc tố ác tính.

* Gây nguy hại đến da [35, 36].

Tia UV chiếu vào da trong thời gian dài sẽ thúc đẩy sản xuất và tổng hợp các sắc tố đen (melanin) làm cho da nám, tàn nhang, ban đỏ ở da, gây ung thư da, u sắc tố da…

Loại tia UV gây hại nhiều nhất đối với da của chúng ta đó chính là tia UVA và UVB. Tia UVA là nguyên nhân gây lão hóa da. Nó âm thầm thâm nhập vào da, tấn cơng vào lớp hạ bì trên da, tạo ra các gốc tự do, phá hủy collagen và elastin (một loại protein tương tụ như collagen) và gây lão hóa da. UVA có thể gián tiếp gây ung thư da và đột biến DNA. Vì vậy, đây là nguyên nhân gây các chứng bệnh ngoài da và mắt như viêm da, ung thư da,… Về lâu dài UVA cịn có thể gây mất khả năng miễn dịch của cơ thể.

Tia UVB tác dụng trực tiếp lên lớp biểu bì, làm da dễ bị bỏng nắng và sạm đen. Nó đồng thời kích thích các hắc tố melanin, sắc tố đỏ và nâu khiến da bị biến màu.

Tia UVC có khả năng gây ung thư cao nhất, gây tổn thương cấu trúc protein, phá hủy tế bào.

* Tiêu chuẩn an toàn của đèn LED sử dụng trong đề tài nghiên cứu.

Theo nghiên cứu [37], tia UVA tiếp xúc với mắt không được vượt quá 1 milliwatt trên mỗi cm vuông (1,0 mW / cm2) trong thời gian lớn hơn 1000 giây (khoảng 16 phút). Đối với thời gian phơi sáng ít hơn 1000 giây, liều (tổng năng lượng) không được vượt quá 1,0 J / cm2.

Với năng lượng bức xạ thấp nhất trong vùng UV, tia UVA gây ra ảnh hưởng không đáng kể lên mô người nếu chiếu trong một thời gian ngắn [38].

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi sử dụng LED tử ngoại phát ra tia UVA có bước sóng 365-380 nm (gần với ánh sáng khả kiến), công suất thấp,

46

chiếu lên mô (không chiếu lên mắt) trong thời gian dưới 1 phút sẽ không gây tác hại lên mắt cũng như các mô.

2.3.2. Bức xạ khả kiến.

Ánh sáng khả kiến là bức xạ điện từ có bước sóng từ 400 nm đến 780 nm. Các nghiên cứu cho thấy rằng khơng chỉ có tia cực tím mới gây tổn hại đến sức khỏe của con người, mà vùng bức xạ khả kiến cũng có thể làm gia tăng các nguy cơ tổn hại (như thối hóa hồng điểm) nếu chiếu lên cơ thể trong một thời gian dài với cường độ mạnh. Mặcdù tia khả kiến có năng lượng thấp hơn tia UV, tuy nhiên chúng dễ dàng vượt qua cả giác mạc lẫn thủy tinh thể xâm nhập vào tận sâu bên trong mắt và có thể gây ra các tổn hại cho võng mạc. Đặc biệt là ánh sáng màu xanh lam (blue) của đèn LED xanh hoặc LED trắng có khả năng gây ra nguy cơ quang hóa, mức độ phụ thuộc vào liều lượng tích lũy của ánh sáng màu xanh mà người đó đã được tiếp xúc, mà thường là kết quả của tiếp xúc với cường độ thấp lặp đi lặp lại trong thời gian dài. Tia khả kiến cũng bị hấp thụ bởi thành phần melanin có trong da nên nó cũng gây ra những tác dụng tương tự như tia UV đối với da nhưng ở mức độ nhẹ hơn.

Ngồi ra, các bước sóng khác nhau trong phổ khả kiến sẽ gây ra các hiệu ứng sinh học tích cực khác nhau đối với cơ thể người. Ví dụ như ánh sáng xanh lam (415 nm – 470 nm) có thể gây ra một số hiệu ứng đối với mơ da như: các tế bào có chức năng miễn dịch ở lớp hạ bì tiếp giáp với lớp bì và trong mạch máu của da khi tiếp xúc ánh sáng xanh lam chúng bị kích thích gây đáp ứng miễn dịch cơ thể và làm lành vết thương một cách tự nhiên; hoặc ánh sáng đỏ (630 – 660 nm) có khả năng kích thích chuyển hóa tế bào, tăng tổng hợp sợi collagen trong lớp bì, tăng cường việc sinh sản tế bào,đồng thời tăng cường việc thay thế tế bào cũ bằng tế bào mới.

Trong đề tài này, các loại LED khác nhau đã được sử dụng để lấy ánh sáng khả kiến từ màu tím, xanh dương, …, đến màu đỏ. Vì thời gian LED chiếu lên mơ là khá nhỏ (dưới 1 phút) và không chiếu trực tiếp vào mắt nên nó gần như khơng gây ra những ảnh hưởng tiêu cực nào lên sức khỏe con người.

2.3.3. Bức xạ hồng ngoại [39].

47

 Hồng ngoại gần (IRA) có bước sóng từ 780 nm đến 1400 nm. Hồng ngoại gần có khả năng xuyên sâu qua da mạnh nhất so với các dải hồng ngoại khác (hình 2). IRA thấm sâu vào da và được hấp thụ bởi mồ hôi trên bề mặt da, nước và hemoglobin ở lớp hạ bì. Tia IRA có thể xun qua lớp thượng bì và lớp da và mô dưới da mà không làm hầu như không làm da tăng nhiệt độ.

 Hồng ngoại giữa (IRB)có bước sóng từ 1,4 μm đến 3,0 μm. Hồng ngoại giữa chủ yếu được hấp thụ ở lớp biểu bì và trung bì, và làm tăng nhiệt độ da.

 Hồng ngoại xa (IRC) có bước sóng từ 3,0 μm đến 1 mm. Hồng ngoại xa có khả năng xuyên sâu qua da kém nhất, nó gần như bị hấp thụ hồn tồn tại lớp biểu bì. Do đó, IRC làm tăng nhiệt độ da đáng kể (hiệu ứng nhiệt). Nếu tiếp xúc với bức xạ hồng ngoại trong một thời gian dài lặp đi lặp lại, da có thể bị nhăn và lão hóa sớm.

Vì tia hồng ngoại gần có khả năng xuyên sâu nhất và tương tác với nhiều thành phần trong cơ thể như nước, hemoglobin, glucose…, nên trong nhiều năm trở lại đây các nghiên cứu về ứng dụng tia hồng ngoại gần trong chẩn đoán y sinh đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và phát triển.

 Xác định ven máu: dựa trên sự hấp thụ tia hồng ngoại của hemoglobin có trong máu.

 Chụp ảnh cận hồng ngoại trong quá trình phẫu thuật, chụp ảnh các khối u. Máy ―infrascanner‖ ứng dụng công nghệ tia hồng ngoại gần vơ hại, có thể nhìn xuyên qua hộp sọ để phát hiện huyết khối bên trong não.

 Xác định nồng độ bão hòa oxy trong máu.

 Xác định nồng độ glucose trong máu.

Trong đề tài này, bức xạ hồng ngoại được sử dụng có bước sóng từ 800 nm đến 1500 nm thuộc vùng hồng ngoại gần chiếu lên mô trong thời gian ngắn nên không ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

2.3.4. Cơng bố điển hình liên quan

H.Q.Linh et al. Some medical imaging applications using irradiation of near infrared light emitting diode on living tissue, Workshop of Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications VII, 2013, p. 459.

48

2.4.Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo mơ hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật quang học phối hợp hai bƣớc sóng

2.4.1. Thiết kế mơ hình thiết bị

Dựa vào kết quả mơ phỏng trong chun đề 1 nhóm nghiên cứu đã chọn các loại LED thương mại có bước sóng thích hợp trong vùng khảo sát, tiến hành đo lường xác định các đặc tính khác của LED để thiết kế chế tạo mơ hình thiết bị soi tĩnh mạchtrheo dự kiến. LED là các diode có khả năng phát ra ánh sáng ở vùng khả kiến, hồng ngoại hay tử ngoại. Ban đầu, người ta chỉ chế tạo ra những LED phát ánh sáng đỏ với cường độ sáng thấp. Nhưng ngày nay, với sự ra đời của nhiều hợp chất bán dẫn mới, người ta đã chế tạo ra được các LED khác nhau phát ra ánh sáng ở cả ba vùng: tử ngoại, hồng ngoại và khả kiến với cường độ sáng cao [2].

Các loại LED được nghiên cứu sử dụng trong đề tài nghiên cứu này là LED công suất của hãng Tecled Lighting Co., Ltd, Trung Quốc (http://tecled.appliances- china.com/ ). LED cơng suất có nhiều ưu điểm hơn LED siêu sáng hay LED thường như: góc chiếu sáng rộng, công suất lớn và độ bền cao hơn.

Hình 2.4.2. Chip LED cơng suất 1W.

Phổ phát quang của một loại LED cơng suất đỏ có đỉnh phổ khoảng 638nm với độ rộng phổ khoảng 18nm (hình 2.4.3).

49

Hình 2.4.3. Phổ phát quang của LED cơng suất đỏ ứng dụng trong mơ hình.

Góc phát quangkhá lớn khoảng hơn 1200, khoảng giữa góc phát quang phân bố trường sáng khá đồng đều (hình 2.4.4).

Hình 2.4.4.Góc phát quang của LED đỏ cơng suất.

Đo đặc tuyến V-A cho LED công suất đỏ, hiệu điện thế ngưỡng được xác định khoảng 2V, cường độ dòng cấp ngưỡng khoảng 300mA. Công suất tiêu thụ điện năng khá thấp.

50

Hình 2.4.5. Đồ thị V-A Led cơng suất đỏ.

Dựa vào đặc tính LED đã khảo sát, bán kính tán xạ, cơng suất LED và tính tốn tối ưu bố trí dãy LED, mơ hình thiết bị đã được thiết kế 3D trong phần mềm Solidwork. Thiết kế mơ hình có hình dáng tổng thể như sau (hình 2.4.6):

Hình 2.4.6. Bản vẽ thiết kế thiết bị xác định tĩnh mạch.

51

2- Cụm đèn đi-ốt phát quang (gọi tắt là LED) chiếu sáng 3- Nguồn một chiều (PIN dùng một lần hoặc PIN sạc) 4- Cảm biến hồng ngoại

5- Phần thân dưới (đáy) 6- Công tắc

7- Nắp đậy bảo vệ cụm chiếu sáng

Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, đáp ứng được các yêu cầu tiện dụng cho người vận hành. Các ưu điểm của thiết bị có thể liệt kê như sau:

- Máy soi tĩnh mạch quang học sử dụng nguồn sáng LED có đặc điểm khơng nóng, nguồn ni một chiều điện áp thấp, có thể vận hành bằng pin. Với LED công suất, mô hình chỉ sử dụng05 bóng mà vẫn đảm bảo độ sáng như các thiết bị tương tự. Giảm số lượng LED tạo điều kiện giảm kích thước mơ hình phù hợp hơn với kích thước bàn tay người Việt nam.

- Thiết bị có bộ phận cảm biến quang đóng vai trị như cơng tắc đóng mở nhằm tiết kiệm pin và an toàn cho người sử dụng tránh chiếu trực tiếp vào mắt. Khi ốp thiết bị lên tay, hệ LED tự động bật sáng. Khi lấy thiết bị ra hệ tự động tắt giúp tránh rọi trực tiếp vào mắt người sử dụng.

- Sự kết hợp hai bước sóng khác nhau: 2 LED cam (590nm)và 3 LED đỏ (635nm) được đúc kết từ các nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm của nhóm, cho kết quả hiển thị tĩnh mạch sắc nét, có độ tương phản cao so với vùng da xung quanh.

Sản phẩm mơ hình sử dụng chất liệu nhựa ABS với hai màu đen và trắng dùng cho máy in 3D có chất lượng tốt, khả năng chịu nhiệt lên trên 100 độ C. Tổng khối lượng vào khoảng 70g (hình 2.4.7).

52

Hình 2.4.7. Thiết bị soi tĩnh mạch BK Vein cho người lớn.

2.4.2. Kết quả thử nghiệm mơ hình xác định tĩnh mạch

Thiết bị đã được thử nghiệm thử nghiệm trên các tình nguyện viên nam nữ khác nhau tại phịng thí nghiệm. Trong điều kiện phịng sáng đèn huỳnh quang, kết quả cho thấy bằng mắt thường vẫn có thể phân biệt được vị trí tĩnh mạch so với vùng da xung quanh. Hình 2.4.8 minh họa một số kết quả thử nghiệm.

(A) (B) (C)

Hình 2.4.8. Kết quả thử nghiệm mơ hình thiết bị xác định tĩnh mạch:

(A) Tĩnh mạch cánh tay mẫu nữ 25 tuổi (B) Tĩnh mạch cánh tay mẫu nam 23 tuổi

(C) Tĩnh mạch cánh tay mẫu nữ 48 tuổi

Ngồi ra mơ hình cịn được thử nghiệm tại bệnh viện Hùng Vương, thời gian nghiên cứu thử nghiệm là 6 tháng từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2015, tổng số lượng nữ hộ