Đề tài ứng dụng laser CO2 trong phẫu thuật, đại học BK TPHCM

Ý niệm về một phương pháp đáng tin cậy nhưng không gây tiếp xúc đến mô cơ quan để cắt bỏ những khối u luôn là sự khác vọng của các nhà phẫu thuật, điều đó đã dẫn đến việc phát triển công

Đề tài môn học :

trong phẫu thuật

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Anh Hiền

Huỳnh Văn Hiệp

Nguyễn thị Hiệp

Nguyễn Đăng Khoa

Lê Văn Phú

GVHD: PGS Trần Minh Thái

Nội dung

I Lịch sử ra đời của laser CO 2

II Cơ sở lý thuyết laser CO 2

III Tương tác laser CO 2 với mô sống

IV Ứng dụng laser CO 2 trong phẫu thuật

V Kết luận

Lời nói dầu

Một trong nhưng giới hạn của phương pháp phẫu thuật thông thường kể cả phương pháp nội soi để tương tác với mô đó là khả năng gây chảy máu, mà trong một chừng mực nào đó đó thể gây nguy hiểm đến tính mạng của con người Mặc dù với sự ra đời của của dao mổ lạnh và dao mổ điện đã mang lại nhiều thành công mới trong phẫu thuật tuy nhiên về mức độ khả năng hủy hoại đến mô ở cả hai phương pháp này là không thể dự đoán được Ý niệm về một phương pháp đáng tin cậy nhưng không gây tiếp xúc đến mô cơ quan để cắt bỏ những khối u luôn là sự khác vọng của các nhà phẫu thuật, điều đó đã dẫn đến việc phát triển công nghệ laser như là một phương pháp mới trong phẫu thuật

Những thử nghiệm đầu tiên được thực hiện bởi Polanyi và Mihashi đã cho thấy những tiềm năng thật sự của việc ứng dụng laser vào trong phẫu thuật Thực nghiệm bằng laser CO2 cho thấy : laser CO2 tương tác với mô với độ chính xác khá cao và đồng thời việc tác động đến các mô xung quanh là rất ít Ở nhiệt độ khoảng 100oC hoặc cao hơn được xem là là nhiệt độ mà ở đó lượng nước trong mô bắt đầu bay hơi, để lại những lớp mô nhỏ bị than hóa, chính lớp than này tạo nên một hàng rào chống lại sự chảy máu khi phẫu thuật Như vậy với tia laser ta có được một com dao phẫu thuật lý tưởng Trong nhiều trường hợp nó được xem là phương tiện phẫu thuật duy nhất mà các phương pháp khác không thể thực hiện được

Dựa trên khả năng ứng dụng laser trong phẫu thật ngày càng được phổ biến Bài tiểu luận nhỏ này chúng tôi xin giới thiệu đến các bạn một thiết bị laser hiện nay được sử dụng rất phồ biến trong y học, đặc biệt là trong phẫu thuật, đó là laser CO2 Nói chung lĩnh vực ứng dụng của laser CO2 trong y học rất rộng lớn Do đó mục đích của tiểu luận này chỉ tập trung vào lĩnh vực ứng dụng laser CO2 trong phẫu thuật Đây là một trong những vấn đề liên quan đến việc ứng dụng laser công suất cao trong y học

I Vài nét về lịch sử phát triển của laser CO 2

Sau 4 năm kể từ khi máy laser đầu tiên được phát minh ra bởi Theodore Maiman, vào năm 1964 Kumar Patel đã chế tạo thành công được laser CO2 và đây cũng chính là laser khí đầu tiên được ứng dụng vào phẫu thuật

Kumar Patel (1938), người đã chế tạo ra laser CO 2 tại phòng thí nghiệm Bells ở Hoa Kỳ vào năm 1964

Từ khi ra đời, laser CO2 được xem là laser công suất cao, ở chế độ liên tục có thể đạt tới 50W Qua nhiều thế hệ, công suất của laser CO2 ngày càng được nâng lên, hiện nay có thể đạt đến 10kW ở chế độ phát liên tục Tuy nhiên việc ứng dụng laser CO2 trong phẫu thuật chỉ đòi hỏi ở mức độ khoảng từ 1 – 100W

Để có thể sử dụng được laser CO2 trong phẫu thuật, chiếc laser CO2 đầu tiên cần phải được cải tiến Trước tiên hệ thống phải nhỏ gọn, do công suất đầu ra không cần lớn lắm nên cần tối thiểu hóa các bộ phận Thứ hai là để có thể sử dụng laser CO2 trong phẫn thuật một cách linh hoạt, thì cần phải thiết kế hệ thống tay cầm, hệ thống điều khiển hướng của chùm tia hay hệ thống rãi tia…

II Cơ sở lý thuyết

1 Khái niệm về laser

LASER - Sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức - là một trong những thành tựu lớn nhất của vật lý hiện đại trong thế kỷ 20 Từ khái niệm về hiện tượng bức xạ

cưỡng bức được Einteins đưa ra năm 1918, chiếc laser đầu tiên được ra đời năm 1960, cho đến ngày nay, công nghệ laser đã phát triển rất mạnh mẽ, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuât và trong y học

Các laser bức xạ ánh sáng rất đặc biệt, đó là ánh sáng kết hợp Ánh sáng do laser phát ra là một sóng điện từ có tần số và pha hoàn toàn xác định Tính kết hợp ấy đạt được

là do kết quả ở lối ra được chuẩn trực đơn sắc Những ứng dụng của laser liên quan mật thiết đến tính chất kết hợp này.Thí dụ ánh sáng có số pha hoàn toàn xác định có thể chuẩn trực qua kính viễn vọng để áp dụng chẳng hạn trong việc quan sát và kiểm tra hoặc có thể hội tụ lại trên một điểm khá nhỏ ở đó cường độ đạt được rất cao Phần lớn những ứng dụng rộng rãi của laser là sử dụng đặc trưng này

Để phát ánh sáng kết hợp, một laser cần phải có một môi trường khếch đại và các gương phản xạ mà ta gọi chung la buồn cộng hưởng Bằng một mô tả một trong số rất nhiều laser đã được dùng rộng rãi hiện nay, các chất khí, chất lỏng (các dung dịch thuốc nhuộm), tinh thể (YAG - grơnát ittri alumin), thủy tinh và chất bán dẫn GaAs đều có thể dùng trong laser Ngay cả các excimer (các phân tử gồm khí hiếm và các halogen như ArF) và các khí ngoài vũ trụ cũng được chứng minh là thể hiện tính chất laser Vùng bước sóng của laser kéo dài từ vùng cực tím xa ( <200 nm) đến vùng hồng ngoại xa (>200 mm) Các laser có thể hoạt động với lối ra là một bước sóng liên tục hay là một

xung nhờ các kỹ thuật chuyển mạch như “chuyển mạch Q” (QS), “khoá mod” (ML) hay “phóng điện bằng điện trường ngang trong khí quyển” (TEA) Công suất bức xạ

của các laser rẻ tiền (như He - Ne, GaAs) là vài milioát mW, trong lúc đó công suất cực đại của các laser xung có thể đến hàng gigaóat GW Các đặc tính khác như tính hiệu quả

và bền vững có thể cũng là bền vững đối với một số ứng dụng cụ thể

Sự kết hợp pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ có đường kính khoảng bằng bước sóng (10-4

cm) Như vậy laser 1 oát có thể hội tự để có một cường độ

108 W/cm2 Ngay sau khi phát minh ra laser hồng ngọc (công suất ở đỉnh là 108 oát (W)) được hội tụ để có cường độ ở đỉnh là 1016

W/cm2 có thể khoan những lổ trên các dao cạo râu và ion hóa không khí Độ sáng rất cao (cường độ) của những laser này làm cho chúng trở nên nguy hiểm Một laser He-Ne công suất 1 milioát chưa hội tụ đã có cường độ bằng

độ sáng của Mặt Trời vào ngày nắng (0,1xW/cm2) và khá nguy hiểm khi nhìn thẳng vào chùm laser Các tia laser có công suất mạnh hơn có thể gây ra những tổn thương rất nhanh Bằng kinh nghiệm cay đắng tôi biết đích xác rằng một laser Argon 1 oát chưa hội

tụ có cường độ 100xW/cm2

có thể làm cháy một lổ trên áo Các sinh viên ở trung tâm nghiên cứu laser đều được yêu cầu phải tuân thủ những qui tắc về an toàn laser

2 Laser CO2

Với tên gọi là laser CO2 bởi vì sự bức xa cưỡng bức phát ra tia laser được thực hiện bởi các phân tử CO2 Đây là một loại laser phân tử có công suất rất cao Sự chuyển mức tạo ra laser có bước sóng 9.4 hoặc 10.6µm thuộc vùng hồng ngoại xa

Một máy laser CO2 cũng gồm những thành phần quang trọng mà một máy laser thông thường phải có như: mội trường hoạt chất, nguồn nuôi, buồng cộng hưởng, hệ thống dẫn chùm tia Trong đó môi trường hoạt chất là sự pha trộn các khí CO2, He, N2.

Nguồn nuôi là nơi cung cấp năng lượng để duy trì môi trường đảo lộn mật độ dân số, năng lượng này thường được lấy trực tiếp từ nguồn điện năng Môi trường hoạt chất và nguồn nuôi cùng phối hợp hoạt động trong một cấu trúc đặc biệt đó là buồng cộng hưởng Trong buồng cộng hưởng có 2 gương phản xạ ở 2 đầu có vai trò rất quan trọng vì nhờ nó

mà các photon sẽ qua lại nhiều lần, được khuếch đại theo nhiều tầng, tạo nên sự ổn định

cả về hướng truyền và cường độ tia rồi sau đó phát ra tia laser qua một gương bán mạ Laser CO2 thì được bơm bằng điện, có nghĩa là buồng cộng hưởng laser lúc này bị kích thích bởi sự phóng điện tử

Sơ đồ mức năng lượng

Laser CO2 được nuôi bằng nguồn DC hoặc AC, tạo ra sự phóng điện giữa các điện cực Các phân tử CO2 không trực tiếp nhận năng lượng bơm do đó để có thể phát ra laser ta sử dụng thêm một lương khí nitơ Khi hấp thụ năng lượng bơm, N2 chuyển lên trạng thái kích thích Vì mức năng lượng cần thiết để phát ra laser của CO2 gần giống với trạng thái kích thích của N2 nên trong quá trình va chạm, CO2 nhận năng lượng của N2 và chuyển lên trạng thái kích thích (00o1) Chuyển mức phát laser xảy ra giữa hai mức 00o

1

và 10o0 có bước sóng 10.6µm Các quá trình chuyển mức năng lượng từ 10o0 về múc

0110 và mức cơ bản phát ra bức xạ nhiệt

Trong hỗn hợp khí, He đóng vai trò như là một chất khuyếch tán nhiệt Khí CO2

có hệ số tản nhiệt thấp trong khi đó hệ số tản nhiệt của He rất cao, trong quá trình làm việc, khí CO2 luôn ở trạng thái nhiệt độ cao do đó nếu không nhanh chóng làm nguội khí

CO2 thì không thể phát ra laser được do khó tạo nên sự đảo lộn mật độ dân số Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra qua sự đối lưu của chất khí trong hỗn hợp Như vậy vai trò của He

là làm tăng đáng kể hiệu suất làm việc của laser CO2, làm cho quá trình phát laser được diễn ra liên tục

Với các thiết bị laser CO2 ứng dụng trong y học, tia laser CO2 được nối với hệ thống dẫn chùm tia, đó là hệ thống khớp quang cơ do chưa chế tạo được quang sợ thích hợp cho loại laser này Hệ thống khớp quang cơ gồm nhiều đoạn khác nhau liên thông

quang học qua một dãy các thấu kính được chế tạo thật chính xác.Vì thế dao mổ laser

CO2 hiện nay vẫn đảm bảo được tính cơ động cao do cấu tạo đặc biệt này Bước sóng của laser CO2 nằm trong vùng không nhìn thấy nên người ta ghép vào hệ thống khớp quang

cơ một laser khí He-Ne có ánh sáng đỏ đồng trục làm tia dẫn đường

Hình : hệ thống khớp quan cơ

3 Các mô hình của laser CO2 phát ở chế độ liên tục

a) Slow Flow Lasers

Với mô hình phát laser này, dòng hỗn hợp khí đi vào và đi ra buồng cộng hưởng với tốc độ chậm Hệ thống dẫn nước có tác dụng làm mát, tản nhiệt làm tăng hiệu suất laser Sự phóng điện được thực hiện dọc theo buồng cộng hưởng Với các thiết bị chế tạo ứng dụng trong y học, hỗn hợp khí được giữ cố định trong buồng cộng hưởng Với loại laser này, cơ cấu thiết kế nhỏ gọn nhưng hiệu suất làm việc thấp, công suất có thể đạt tới

50W khi phát ở chế độ liên tục Tuy nhiên, nếu ta có thể tăng chiều dài buồng cộng hưởng thì kết quả sẽ làm tăng thêm công suất đầu ra của laser

b) Fast Axial Flow Lasers

Đây là mộ hình laser CO2 trong đó công suất được nâng lên đáng kể do hiệu suất làm việc được cải thiện Trong mô hình này, tốc độ dòng hỗn hợp khí đựoc tăng lên rất lớn, và di chuyển theo trục quan học (Fast Axial Flow) Tốc độ dòng khí từ 100–500m/s, sau khi ra khỏi buồng cộng hưởng hỗn hợp khí được trao đổi nhiệt với bên ngoài và lại tiếp tục với chu trình Mục đích của việc tăng tốc độ dòng không khí là làm giảm thiểu tối

đa thời gian khí CO2 ở trong buồn cộng hưởng, khí CO2 cần phải được lưu chuyển liên tục để làm nguội và với tốc độ rất nhanh Với mô hình này, hiệu suất laser CO2 tăng đáng

kể, công suất đầu ra có thể lên tới 600W khi phát ở chế độ liên tục Thêm một ưu điểm của mô hình này cùng với mô hình dòng chậm là chùm tia laser phát ra có dạng đối xứng

và có phân bố Gauss

c) Transverse Flow Lasers

Nĩi chung, khi khí CO2 ở trong buồng cộng hưởng càng lâu thì hiệu suất làm việc của laser CO2 càng thấp Do đo, bằng mọi kỹ thuật người ta tìm cách rút ngắn thời gian khí CO2 trong buồn cộng hưởng ngắn bấy nhiêu thì hiệu suất làm việc laser càng tăng bấy nhiêu Một trong những kỹ thuật đĩ là cho dịng khí CO2 di chuyện ngang qua buồng cộng hưởng (transverse), vuơng gĩc với trục quan học như vậy thời gian khí CO2 ở trong buồn cộng hưởng sẽ rất ngắn và do đĩ hiệu suất làm việc rất cao Trong kỹ thuật này, nguồn phĩng điện được đặt doc theo phí hai bên buồng cộng hưởng hay ta gọi là phĩng điện ngang

Mơ hình transverse flow laser với buồng cộng hưởng được thiết kế đặc biệt Mơt

hệ gồm nhiều gương lai tia sang dia theo đường gấp khúc, thường gồm 7 đoạn Mục đích của việc bố trí này là để sử dụng triệt để trạng thái kích thích của CO2 (trong một số trường hợp do thời gian ở trong buồn cộng hưởng rất ngắn, các phân tử CO2 ở trạng thái kích thích chưa kịp phát ra bức xạ đã thốt ra ngồi) Mơ hình này cho ta một laser CO2 với cơng suất rất cao và thường chỉ ứng dụng trong cơng nghiệp Nhượng điểm của mơ hình này là chùm tia laser đối xứng, khơng cĩ dạng phân bố Gauss

1 Sự truyền qua của chùm tia trong mô:

Khi laser CO2 tương tác với bề mặt da, độ suy giảm của chùm tia tuân theo định luật Beer, nghĩa là cường độ chùm tia bị suy giảm theo quy luật hàm mũ Sự hấp thụ và tán xạ của chùm tia trong mô được gọi là độ xuyên sâu quang học (optical penetration depth (OPD)) Chùm laser bị suy giảm mạnh gấp đôi (khoảng 85% ở độ sâu 40 um) ở những thành phần chứa nhiều nước của biểu bì và chân bì

Một câu hỏi đặt ra là, nếu chùm tia suy giảm quá nhiều chỉ sau 20– 40um, vậy thì tại sao nó có thể tạo vết cắt sâu hàng trăm thậm chí hàng ngàn um? Lý do ở đây là định luật Beer chỉ mô tả sự suy giảm cường độ ánh sáng của chùm tia chỉ sau một lần chiếu Tuy nhiên, trong thực tế, sự cắt bỏ và làm nóng mô là liên tục, kết quả là tổn thương mô ngày càng sâu hơn

2 Sự hấp thụ năng lượng laser tức thời của mô

Bước kế tiếp trong sự tương tác của laser và mô là sự chuyển năng lượng laser thành nhiệt Với tất cả các loại laser, trừ laser siêu xung (ultra-superpulse) và laser excimer, việc phá huỷ mô là do sự chuyển đổi từ ánh sáng sang nhiệt Sự cung cấp nhiệt đó cho mô sẽ tạo ra hiệu ứng bốc bay hoặc hiệu ứng quang đông, phụ thuộc vào mật độ công suất và thời gian chiếu của chùm tia

Mật độ công suất của chùm tia laser có thể được chọn tuỳ ý tuỳ theo mục đích cụ thể Tuy nhiên, sự chọn lựa đó phải theo nguyên tắc là cứ 2,5J trong 1/10 s sẽ chuyển 1mm3 nước thành hơi, tức công suất trung bình 25w

Hình: sơ đồ hấp thụ của các thành phần trong mô ứng với từng

loại bước sóng laser

Hiệu ứng bay hơi tổ chức: xảy ra khi mật độ công suất đạt đến giá trị trong khoảng 500w/cm2 đến 100.000 w/cm2

, với thời gian chiếu khoảng 1/1000 s đến 1s

Hiệu ứng quang đông: xảy ra khi mật độ công suất đạt đến giá trị trong khoảng 0.5w/cm2 đến 1000 w/cm2, thời gian chiếu 1/1000 s đến 10 s, nhiệt độ vào khoảng

60oC đến 100oC

Với mật độ công suất cao nhất sẽ đựơc sử dụng sẽ cho phép điều khiển độ sâu tổn thương của mô Ơû chế độ liên tục (CW), với mật độ công suất thâp, nhà phẫu thuật sẽ khó điều khiển độ sâu của vết cắt do hiệu suất bốc bay của nó thấp, phần nhiệt còn lại sẽ gây bất lợi cho vết mổ Khi sử dụng mật độ công suất cao, năng lượng

phát ra nhanh chóng sẽ tạo hiệu ứng bốc bay nhanh hơn, hạn chế sự lan toả nhiệt thứ cấp

Quy luật ở đây là: công suất bức xạ càng lớn thì vết cắt càng sâu, tuy môi quan hệ là không tuyến tính Và thời gian tương tác càng lớn thì tổn thương càng lớn về cả độ rộng và chiều sâu

3 Sự tổn thương nhiệt thứ cấp

Aùnh sáng laser chuyển thành nhiệt sau khi được chiếu vào mô, phần lớn làm bốc bay hơi tổ chức, một phần còn lại sẽ

lan toả ra xung quanh, làm nóng các mô

lân cận Nếu nhiệt làm bốc bay mô nhanh

hơn tốc độ khuếch tán nhiệt thì sự tổn

thương sẽ nhỏ nhất

Khi quan sát người ta thấy vết cắt

bằng tia laser có hình chử V Hình thái tổn

thương nhiệt của laser CO2 cũng không có

gì khác so với dao mổ điện nhưng tổn

thương nhiệt thứ cấp do nó sinh ra nhỏ hơn

nhiêu lần Phủ quanh vết cắt bao giờ cũng

là lớp than hoá , tiếp theo là vùng quang

đông có xen sự tạo khoang do nở nhiệt,

cuối cùng là vùng phù nề có khả năng

phục hồi Kích thước các vùng tổn thương

rất giới hạn, đảm bảo cho ưu thế phẫu

thuật laser

Bảng 1: Độ sâu tổn thương nhiệt (um) khi mổ dạ dày bằng laser CO2

Thành dạ dày Hoại tử, Quang đông Loạn dưỡng, rối loạn vi tuần hoàn

Niêm mạc

Dưới niêm mạc

Bao cơ

36.5 5.6 46.4 5.8 32.6 4.8

87.6 6.1 128.6 9.4 56.7 6.3

Hình: vết cắt của laser CO2 trên mô