Laser y học bức xạ cảm ứng một số đặc điểm của laser hiệu ứng sinh học của tia laser một số thiết bị laser y học

Hình 5.2 Bức xạ cảm ứng là quá trình mà một electron của nguyên tử hoặc một phân tử ở trạng thái kích thích tương tác với sóng điện từ có tần số nhất định có thể giải phóng năng lượng củ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC CẦN THƠ

LASER Y HỌC Nhóm 4 Danh sách các thành viên :

1 Khấu Nguyễn Phúc Khang, 2253010743

2 Trần Nguyễn Trọng Khang, 2253010744

3 Nguyễn Quốc Khánh, 2253010745

4 Lê Nhật Khoa, 2253010746

5 Nguyễn Tấn Khôi, 2253010747

6 Nguyễn Anh Kiệt, 2253010748

7 Võ Anh Kiệt, 2253010749

8 Lê Thị Thanh Lam, 2253010750

9 Thạch Thị Mai Lan, 2253010751

10 Diệp Vàng Giang

11 Lê Ngọc Hiền, 2153080019

Mục Lục

5 Laser y học

5.1 Bức xạ cảm ứng 3

5.2 Một số đặc điểm của laser 4

5.3 Hiệu ứng sinh học của tia laser 7

5.3.1 Hiệu ứng kích thích sinh học 7

5.3.2 Hiệu ứng quang nhiệt 8

5.3.3 Một số hiệu ứng khác 10

5.3.3.1 Hiệu ứng quang bóc lớp 10

5.3.3.2 Hiệu ứng quang cơ 11

5.3.3.3 Hiệu ứng quang động học 12

5.4 Một số thiết bị laser y học 12

Trang tài liệu tham khảo/ tài liệu trích dẫn 17

5 Laser y học

5.1 Bức xạ cảm ứng

Từ laser là viết tắt của cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Hình 5.1

Có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng Vì vậy, bức xạ cảm ứng chính là chìa khóa cho sự hoạt động của laser.

Hình 5.2

Bức xạ cảm ứng là quá trình mà một electron của nguyên tử (hoặc một phân tử) ở

trạng thái kích thích tương tác với sóng điện từ có tần số nhất định có thể giải phóng năng lượng của nó vào trường điện từ và nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn

Xét một nguyên tử đang ở trạng thái (E2) , khi photon tới có năng lượng E=E1-E2 tương tác với nguyên tử thì nguyên tử sẽ chuyển xuống trạng thái có năng lượng thấp hơn (E1) kết quả là có 2 photon giống nhau được phát ra

Hình 5.3

- Photon phát ra hoàn toàn đồng nhất với photon kích thích

- Nó có cùng năng lượng, cùng hướng, cùng pha và cùng phân cực

- Một sự kiện bức xạ cảm ứng như vậy có thể sẽ kích thích một phản ứng dây chuyền các quá trình tương tự

- Ánh sáng laser chính là được tạo ra bằng cách này

5.2 Một số đặc điểm của laser.

Video 5.1 Giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản của laser

- Bản chất của laser là ánh sáng nên vẫn có các đặc trưng cơ bản của chùm sáng như: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ, khúc xạ, …

- Tuy nhiên laser có các tính chất đặc biệt và được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực, trong đó có y học Các tính chất đặc biệt ấy như sau:

+ Do các nguyên tử của môi trường laser cùng loại nên tia Laser phát ra có cùng

một bước sóng, do vậy thể hiện được tính đơn sác cao (Δv/v= 10-12) nên hầu như không có hiệu ứng tán sắc và sắc sai

+ Độ rộng phổ (độ lệch khỏi giá trị bước sóng) của laser tạo ra cho phép đạt tới giá trị 0.01 nm

+ Có thể tập trung chùm laser thành một chùm song song với góc phân kỳ cực nhỏ

+ Với tia laser, độ chói phổ (tỉ lệ giữa công suất của chùm tia và độ rộng phổ) rất lớn, do vậy khi hội tụ chùm laser vào một điểm (có khoảng không gian nhỏ), tại tụ điểm, mật độ năng lượng là rất lớn (tới 50W/cm2) trên một diện tích dưới mức tế bào, khiến cho tia laser có thể cắt đứt mô và đường rạch của tia laser của vết thương

có thể đạt độ chính xác cao

*Ứng dụng của tia laser:

Nhờ vào các đặc điểm ưu việt trên, tia laser được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: in ấn, sửa chữa các thiết bị điện tử, chế tạo kính hiển vi,

Hình 5.4 Kính hiển vi ứng dụng nguồn sáng của laser để quan sát các tế bào

do chùm sáng nhỏ

Video 5.2 clip ứng dụng mật độ năng lượng cao của laser trong việc sửa chữa

điện thoại

Còn trong y học, tia laser có ứng dụng với phạm vi vô cùng lớn Trong vi phẫu thuật, người ta sử dụng dao mổ Laser để phẫu thuật tim, não và mắt hoặc dùng để hàn kín các mạch máu nhỏ

Hình 5.5 Dao mổ Laser

Ngoài ra, chùm laser excimer dùng để điều chỉnh hình dạng giác mạc để điều trị các tật khúc xạ (phương pháp Lasik) Các nghiên cứu về tác dụng kích thích của chùm Laser công suất yếu cũng được ứng dụng trong các vết loét và trong châm cứu

Đặc biệt hơn, các ứng dụng của Laser trong nghiệm pháp điều trị bằng quang động lực ( Photodynamic Therapy - PDT) là chiếu những chùm tia Laser có bước sóng thích hợp vào các mô để hoạt hoá các chất được đưa vào trước đó, có tác dụng diệt bào hay kìm hãm sự phát triển của tế bào, mở ra các phương pháp điều trị ung thư mới

Video 5.3 Ứng dụng PDT làm phương pháp chữa trị bệnh thoái hoá hoàng điểm tuổi già thể ướt (Wet Age-related Macular Degeneration - Wet AMD) 5.3 Hiệu ứng sinh học của tia laser

5.3.1 Hiệu ứng kích thích sinh học

Cơ chế

Kết quả

Ứng dụng

Sự phụ thuộc vào

liều lượng của hiệu

- Sau khi bức xạ laser được hấp thụ trong các chất nhận

quang (photoreceptor), quang năng sẽ chuyển hóa thành hóa năng, cùng với khả năng đáp ứng kích thích của cơ thể dẫn tới sự thay đổi cường độ hay chiều hướng của các quá trình chuyển hóa tế bào sau những biến đổi của protein

- Kích thích sinh tổng hợp ATP, axit amin và protein, thay đổi trạng thái oxy hóa khử tế bào

- Cơ thể có các đáp ứng của phản ứng viêm, phản ứng đau, đáp ứng của hệ miễn dịch, nội tiết và tim mạch:

+ Hệ thống miễn dịch của tế bào và cơ thể được hoạt động hoá

+ Phục hồi quá trình tuần hoàn và vi tuần hoàn + Kích thích sinh hồng cầu ở tuỷ xương, thay đổi hoạt tính

hệ thống đông máu, tăng độ thấm thành mạch, tăng bán kính thành mạch

+ Tăng hoạt động thực bào của bạch cầu điều này có ý nghĩa lớn với chức năng chống viêm của cơ thể

- Trong lâm sàng: laser công suất thấp có tác dụng chống viêm, chống đau, chống thoái hóa xương khớp

ứng - Liều quá lớn: hiệu ứng giảm dần, có thể mất đi, sinh phản

hiệu ứng

- Liều quá nhỏ: hiệu ứng chưa xảy ra

- Khoảng giá trị ở giữa hai giá trị này làm cho hiệu ứng đạt giá trị cực đại  Khoảng giá trị tối ưu khi sử dụng laser chữa bệnh

5.3.2 Hiệu ứng quang nhiệt

Điều kiện để hiệu

ứng xảy ra

Vùng tác động của

lượng nhiệt sinh ra

Phản ứng của mô

khi tăng nhiệt

- Khi năng lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành nhiệt năng

- Lượng nhiệt sinh ra chỉ làm tăng nhiệt độ một số thành phần nhất định trong vùng mô  Quang nhiệt chọn lọc

- Lượng nhiệt sinh ra làm tăng nhiệt độ toàn bộ vùng mô

 Quang nhiệt không chọn lọc (gọi là hiệu ứng quang nhiệt)

43°C (hiệu ứng tăng nhiệt phạm vi hẹp)

45-50°C

60-100°C (quang đông) 100-300°C

> 300°C

Gia tốc phản ứng thúc đẩy quá trình trao đổi chất Những thay đổi trong quá trình này là thuận nghịch  khi kết thúc phản ứng, mô trở lại tráng thái ban đầu

Bắt đầu có sự thay đổi cấu trúc bậc 3,4 của đại phân tử sinh học (enzyme, protein, )

 thay đổi hoạt tính

+ Tăng nhiệt trong thời gian ngắn: quá trình thuận nghịch

+ Tăng nhiệt trong thời gian dài: quá trình bất thuận nghịch

Đông vón protein, enzyme mất hoạt tính, không còn hoạt động trao đổi chất  tế bào chết

Gây bay hơi nước mạnh mẽ, kéo theo một

số thành phần chất rắn

Có thể gây bay hơi cả những khuôn cấu trúc rắn

Ứng dụng - Nhiệt độ tại mô >100°C, thời gian tác dụng ngắn: nước và

mô bị bay hơi  ứng dụng làm dao mổ laser trong ngoại khoa

- Nhiệt độ 60-100°C, thời gian tác dụng dài: xảy ra hiện tượng đông vón protein  ứng dụng laser làm “ mỏ hàn” để hàn bong võng mạc, cầm máu khi phẫu thuật

- Ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt chọn lọc: Nếu chọn bước sóng ánh sáng và thời gian chiếu phù hợp, ta có thể dùng hiệu ứng này để gây tác dụng ở mô đích mà không gây tác dụng ở các mô xung quanh

 Giải thích cơ chế hiệu ứng: trong các mô, có các chất hấp thụ ánh sáng gọi là chromophore Trong đó, sự hấp thụ phụ thuộc và loại chromophore và bước sóng

+ Ở vùng bước sóng 600nm đến 1200nm (vùng cửa sổ quang học: nơi melanin và hemoglobin là chromophore

chính) : sự hấp thụ tương đối yếu trên bề mặt  tia laser có khả năng xuyên sâu

+ Ở vùng hồng ngoại trung và xa (nơi nước là chromophore chính): nước có độ hấp thụ rất mạnh

Hình 5.6 Dao laser

Hình 5.7 So sánh giữa các loại dao phẫu thuật

Đồ Thị 5.1 Phổ hấp thụ của các chromophore điển hình

Bảng 5.1 Hiệu ứng theo mật độ công suất và thời gian tác dụng

5.3.3 Một số hiệu ứng khác

5.3.3.1 Hiệu ứng quang bóc lớp

Khái niệm

Nguyên lí hoạt động

Giải thích

Ứng dụng

- Sự cắt bỏ vật chất đơn thuần mà không có sự tổn thương nhiệt ở mép vùng tác dụng

- Dựa trên nguyên lý phân ly

- Với ánh sáng có bước sóng ngắn ( 190 – 300nm): năng lượng photon lớn hơn năng lượng liên kết trong phân tử

làm phá vỡ liên kết  làm thành phần mô bay đi mà không có nhiệt sinh ra ở mép

- Với ánh sáng có bước sóng dài hơn: Độ rộng của xung laser chỉ vài micro giây và do đặc trưng phổ hấp thụ mà không lan tỏa nên nhiệt khu trú tại phân tử nước  quá trình bay hơi xảy ra tức thì

- Ứng dụng trong công nghệ mổ mắt cận thị, sử dụng tia Laser Excimer để điều chỉnh độ cong của giác mạc từ đó giúp tia sáng hội tụ đúng trên võng mạc

Hình 5.8 Sử dụng tia Laser Excimer để mổ mắt cận thị 5.3.3.2 Hiệu ứng quang cơ

Khái niệm

Nguyên lí hoạt động

Giải thích

Ứng dụng

- Là kết quả cảu sự tạo thành plasma, bay hơi dạng nổ, hiện tượng tạo lỗ hổng

- Dựa trên hiện tượng tạo sóng xung kích

- Khi laser có mật độ công suất cao (laser Nd:YAG) phát xung (nano hoặc pico trên giây) trên một diện tích nhỏ

 nguyên tử bị ion hóa và tạo ra plasma Tại biên của vùng ion hóa có gradient áp suất lớn và tạo ra sóng xung kích  tạo hiệu ứng phá hủy trên đường đi của sóng

=> Quang năng chuyển hóa thành cơ năng

- Trị nám

- Triệt lông

Hình 5.9 Ứng dụng của hiệu ứng quang cơ trong thẫm mỹ

5.3.3.3 Hiệu ứng quang động học

Khái niệm

Nguyên lí hoạt động

Giải thích

Ứng dụng

- Là sự phá hủy mô địch

- Mô hấp thụ chọn lọc chất cảm quang

- Chất cảm quang hấp thụ chọn lọc laser ở một bước sóng xác định

- Khi chiếu tía laser có bước sóng phù hợp thì chỉ mô có chất cảm quang chịu tác động  mô hấp thụ photon, chất cảm quang đóng vai trò xúc tác tạo các hợp chất oxy độc cho tế bào (oxi nguyên tử, hydroperoxyde, nhóm hydroxyl)

 gây tác dụng giết chết tế bào

- Oxy nguyên tử có thời gian sống rất ngắn nên tác dụng độc chỉ phát huy ở chính tế bào nó sinh ra  tế bào bị giết chọn lọc

+ Tiêu diệt khối u trong ung bướu + Điều trị bong võng mạc do tăng sinh mạch máu + Pha cục máu đông

+ Điều trị tổn thương mạch máu

Hình 5.10 Ứng dụng điều trị bong võng mạc do tăng sinh mạch máu 5.4 Một số thiết bị laser y học

Laser châm cứu (laser acupuncture): là sử dụng ánh sáng đơn sắc phát ra từ

một thiết bị Laser công suất thấp (≤ 250 mW) chiếu vào các huyệt trên hệ thống

kinh lạc để điều trị và phòng bệnh Do đây là phương pháp không can thiệp nên không gây đau và cũng không có nguy cơ nhiễm trùng

Hình 5.11 Thiết bị châm cứu

Hình 5.12 Liệu pháp châm cứu

Khi châm cứu, có thể dùng laser He – Ne hay laser bán dẫn Có thể dùng laser châm cứu để chữa các bệnh như: đau vai gáy, viêm quanh khớp vai, đau lưng, đau thần kinh toạ, liệt nửa người, liệt dây thần kinh VII ngoại biên, thay đổi tần số có khả năng tăng cao hiệu quả điều trị

Hình 5.13 Laser bán dẫn

Hình 5.14 Laser He-Ne Laser nội mạch (intravenous laser): là phương pháp chiếu laser vào trong lòng

tĩnh mạch và qua đó tác dụng lên toàn bộ hệ tuần hoàn máu, cũng có nghĩ là tác dụng lên toàn bộ cơ thể Laser nội mạch là phương pháp can thiệp tối thiệu nên không gây nhiễm trùng, ít gay đau, hiệu quả điều trị cao

Hình 5.15 Liệu pháp laser nội mạch

Thiết bị laser nội mạch gồm một laser ( He – Ne hay bán dẫn) và một hệ truyền dẫn giúp đưa tia laser chiếu trong tĩnh mạch Phương pháp này giúp điều trị được các bệnh phức tạp như thiếu máu cơ tim, nhồi máu cơ tim, đột quỵ não với kết quả điều trị cao

Hình 5.16 Liệu pháp laser nội mạch Dao mổ laser CO 2 : là một laser khí với công suất cao, bước sóng 10.600 nm,

công suất 15W, một số máy có chết độ siêu xung, tần số lên tới 1000 – 2000Hz Tia laser được dẫn đến vết mổ bằng cánh tay khớp quang học, tia sáng dẫn đường là ánh sáng đỏ (laser He – Ne) giúp đường dao được thực hiện với độ chính xác cao

Hình 5.17 Dao mổ laser CO 2

Laser CO2 có tốc độ cắt cao, hiệu ứng quang đông tốt, lượng máu mất ít, nhát cắt gọn, sắc nét, vết mổ mau lành, tính thẩm mỹ cao, hạn chế được sự di căng của tế bào ung thư khiến laser CO2 trở thành thiết bị laser phổ biến nhất trong y học

Hình 5.18 Laser CO 2

Dao mổ laser CO2 được sử dụng rộng rãi trong da liễu, phụ khoa, tai muỗi họng, răng hàm mặt, ngoại tổng quát, phẩu thuật thẩm mỹ cũng như trong nhiều lĩnh vực khác

Hình 5.20 Phẩu thuật thẩm mỹ bằng dao mổ laser

Hình 5.21 Mổ nội soi

bằng dao mổ laser CO 2

Hình 5.19 Cắt Amidan

bằng dao mổ laser CO 2

Hình 5.22 Điều trị bệnh da liễu bằng laser

CO 2

Trang tài liệu tham khảo/ tài liệu trích dẫn

Một số đặc điểm của Laser - Giáo trình Lý Sinh trường Đại học Y Dược Cần Thơ – năm 2022

Sơ lược về tính chất của Laser, ứng dụng của Laser - Giáo trình Vật lý - Lý Sinh trường Đại học Y Dược TP.HCM – năm 2022

https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/physique-lasers-puissance-impulsions-ultracourtes-764/page/2/

https://www.newscientist.com/article/2180942-laser-beams-have-gravity-and-can-warp-the-fabric-of-the-universe/

https://www.lightscalpel.com/laser-surgery/

https://yhocthammy.com/laser-va-thiet-bi-anh-sang-phan-i/

https://www.youtube.com/watch?v=oAv1V7U1vqc

https://vnexpress.net/cham-cuu-bang-laser-chua-dau-co-liet-4113422.html

https://healthvietnam.vn/thu-vien/tai-lieu-tieng-viet/y-hoc-co-truyen/quy-trinh-laser-cham

http://benhvienquany105.vn/tin-tuc-hoat-dong/ung-dung-thiet-bi-laser-noi-mach-khong-xam-lan-vao-vat-ly-tri-lieu-tai-benh-vien-quan-y-105.html

http://www.benhvien103.vn/ung-dung-cong-nghe-laser-co2-dieu-tri-mot-so-benh-da-lieu/

https://vi.m.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A1t_x%E1%BA%A1_k%C3%ADch_th

%C3%ADch#:~:text=Trong%20quang%20h%E1%BB%8Dc%2C%20ph%C3%A1t

%20x%E1%BA%A1,m%E1%BB%A9c%20n%C4%83ng%20l%C6%B0%E1%BB

%A3ng%20th%E1%BA%A5p%20h%C6%A1n