Laser công suất thấp bước sóng 650 nm đã được ứng dụng có hiệu quả trong việc kích thích nhanh lành vết thương bề mặt da, giúp giảm chi phí điều trị, không gây tác dụng phụ. Tác dụng của tia laser lên cơ thể sống phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như mật độ, công suất, thời gian, đặc trưng cá thể của người bệnh. Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các loại da có sắc tố khác nhau tới sự lan truyền của chùm tia laser.
Trang 1
158 L H Nam, …, L H Bình, “Nghiên cứu ảnh hưởng … laser bước sóng 650nm trên mô da.”
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SẮC TỐ DA TỚI TƯƠNG TÁC CỦA
TIA LASER BƯỚC SÓNG 650 nm TRÊN MÔ DA
Lê Hải Nam*, Đỗ Khoa Bình, Huỳnh Việt Dũng, Nguyễn Sỹ Sửu, Lại Hải Bình
Tóm tắt: Laser công suất thấp bước sóng 650 nm đã được ứng dụng có hiệu quả trong
việc kích thích nhanh lành vết thương bề mặt da, giúp giảm chi phí điều trị, không gây tác
dụng phụ Tác dụng của tia laser lên cơ thể sống phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau
như mật độ, công suất, thời gian, đặc trưng cá thể của người bệnh Trong bài báo này,
chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các loại da có sắc tố khác nhau tới sự lan truyền của
chùm tia laser
Từ khóa: Laser công suất thấp; Kích thích nhanh lành vết thương; Lan truyền của chùm tia laser
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Tổn thương bề mặt da là sự phá vỡ cấu trúc và chức năng bình thường của da và mô mềm bên
dưới gây ra bởi chấn thương hoặc căng thẳng cơ học mãn tính (ví dụ loét do tư thế nằm, đặc biệt
với người bệnh nằm một chỗ lâu ngày), nếu không được điều trị sẽ dẫn đến nhiễm trùng và rất
khó chữa khỏi Trong các kỹ thuật, công nghệ mới đã được ứng dụng để làm tăng hiệu quả làm
lành vết thương bề mặt da, phương pháp điều trị bằng laser công suất thấp (công suất <1000
mW) gây ra các hiệu ứng kích thích sinh học, được xem như một phương pháp hiệu quả, chi phí
thấp và dễ sử dụng, đã được FDA chấp thuận cho sử dụng [1] Laser thường được sử dụng để
kích thích nhanh lành vết thương có bước sóng 650 nm, do sự hấp thụ của da đối với bước sóng
này lớn và độ xuyên sâu vào các vùng mô bên dưới lớp da kém hơn so với các bước sóng vùng
cận hồng ngoại và hồng ngoại gần
Trong quá trình kích thích lành vết thương, tia laser cần phải tạo được hiệu ứng kích thích
sinh học đến vùng trung bì Đây là vùng chứa các thành phần cho việc tái tạo da như: collagen,
estalin, thần kinh, tuyến bã, tuyến mồ hôi, máu Lớp trung bì có độ dày 1,5 – 3 mm nằm ngay
phía dưới lớp biểu bì dày 0,02 – 0,5 mm [2] Do đó, công suất tia laser cần phải tạo được hiệu
ứng kích thích sinh học đến độ sâu tối thiểu 3,5 mm qua bề mặt da để kích thích nhanh lành vết
thương hở bán phần Hiệu ứng kích thích sinh học xảy ra khi mật độ công suất tác động ở mức
10-4 – 100 W/cm2, với thời gian tương tác từ vài giây cho đến vài chục phút Liều chiếu của tia
laser phụ thuộc vào sắc tố da, mỗi loại màu da khác nhau có ảnh hưởng đến sự lan truyền của tia
laser vào bên trong mô
Việc phân loại sắc tố da hiện nay chủ yếu dựa trên hệ thống Fitzpatrick bao gồm 6 loại [3]:
Loại I: Cực kỳ trắng mịn, luôn bị cháy da, không bao giờ bị sạm
Loại II: Da trắng, luôn bị cháy da, thỉnh thoảng bị sạm
Loại III: Da trắng trung bình, đôi khi bị bỏng, luôn bị sạm
Loại IV: Da màu olive, ít khi bị cháy, luôn bị sạm
Loại V: Da sắc tố nâu trung bình, không bao giờ bị cháy, thường bị sạm
Loại VI: Da sắc tố màu đen, không bao giờ bị cháy da, luôn bị sạm
Trong điều trị lâm sàng hiện nay, các bác sĩ vẫn dựa trên hướng dẫn sử dụng của nhà sản
xuất, thiết lập một mức liều điều trị chung cho tất cả các bệnh nhân, dẫn đến hiệu quả điều trị
chưa cao, chưa thể hiện được tính chất đặc trưng cá thể của từng bệnh nhân Do đó, bài báo này
sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các sắc tố da khác nhau đến sự lan truyền của chùm photon
laser vào bên trong mô, đưa ra cơ sở khoa học cho việc lựa chọn liều điều trị phù hợp cho tổn
thương bề mặt da Mô hình tương tác laser - mô được xây dựng dựa trên chương trình Monte
Carlo Multi-Layered (MCML), do Wang và Jacques (1993) xây dựng dựa trên phương pháp
Trang 2Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, 8 - 2021 159
Monte Carlo, đây là cách tiếp cận được sử dụng rộng rãi đối với các hàm mật độ xác suất lấy mẫu để mô phỏng một loạt các vấn đề [4]
2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Các tham số quang học của mô cần phải xác định là: hệ số hấp thụ (μa), hệ số tán xạ (μs), hệ
số bất đẳng hướng (g), hệ số chiết suất (khúc xạ) của mô (n), độ dày của mô (d)
- Chiết suất của mô (n): đối với bề mặt da, hệ số chiết suất là 1,4 [5]
- Hệ số bất đẳng hướng (g): đối với ánh sáng trong dải bước sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần thì g=0,9 [6]
- Độ dày của lớp mô: trong khảo sát về tác động của tia laser tới lớp trung bì, chúng tôi tính toán với độ dày là 0,35 cm, là độ dày tối đa của tất cả các vùng mô da trong cơ thể người
- Hệ số tán xạ của mô (μs [cm-1]): được tính thông qua hệ số suy giảm tán xạ và hệ số bất đẳng hướng theo công thức [7]:
μs = μs’ / (1-g) (1)
Hệ số suy giảm tán xạ (μs’) được xác định theo công thức [7]:
μs’ = a
(2) Với λ là bước sóng cần khảo sát Trong bài báo này, λ = 650 nm
Dựa trên các kết quả nghiên cứu, giá trị của a và b đối với vùng mô da là [7]:
a = 46 cm-1 ; b = 1,421
Từ các giá trị của a, b và các công thức (1), (2), ta tính được giá trị của hệ số tán xạ của mô
da đối với bước sóng 650 nm là: μs = 316,843 (cm-1
)
- Hệ số hấp thụ của mô (μa [cm-1]): phụ thuộc vào các thành phần bên trong mô theo công thức [7]:
μa = B.S μaoxy + B(1-S) μadeoxy + W μanước + F μamỡ + M μamelanosome + 2,3.Cbili.εbili + 2,3.CβC.εβC (3) Trong đó: S: Thành phần thể tích độ bão hòa của oxy trong máu
B: Thành phần thể tích máu trung bình trong mô W: Thành phần thể tích nước trong mô
Bili: Thành phần thể tích nồng độ bịlirubin βC: Thành phần thể tích nồng độ β-carotene F: Thành phần thể tích mỡ
M: Thành phần thể tích melanosome trong mô
Thành phần bilirubin và β-carotene thường ít đóng góp vào sự hấp thụ của mô đối với ánh sáng và có thể bỏ qua Đối với các loại da khác nhau, dữ liệu cho các tham số thành phần thể tích của mô đối với bước sóng 650 nm được cho trong bảng 1 [7, 8]:
Bảng 1 Dữ liệu về các tham số thành phần thể tích của mô đối với các loại da
Hệ số hấp thụ của từng thành phần khác nhau bên trong mô đối với bước sóng 650 nm được cho trong bảng 2 [9-13]:
Trang 3
160 L H Nam, …, L H Bình, “Nghiên cứu ảnh hưởng … laser bước sóng 650nm trên mô da.”
Bảng 2 Hệ số hấp thụ của các thành phần bên trong mô đối với bước sóng 650 nm
Bước sóng
(nm)
μ aoxy
(cm -1 )
μ adeoxy
(cm -1 )
μ anước
(cm -1 )
μ amỡ
(cm -1 )
μ amelalosome
(cm -1 )
Từ công thức (3) và dữ liệu trong các bảng 1 và 2, chúng ta có thể tính được giá trị hệ số hấp
thụ của từng loại sắc tố da khác nhau đối với bước sóng laser 650 nm, kết quả như sau:
Da loại I – II: μa = 2,6 cm-1
;
Da loại II – IV: μa = 3,36 cm-1
;
Da loại V – VI: μa = 4,76 cm-1
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Để khảo sát ảnh hưởng của các loại sắc tố da khác nhau tới tương tác laser – mô đối với bước
sóng 650 nm, nhóm tác giả thực hiện mô phỏng đối với 1.000.000 photon, số lượng photon phù
hợp với các tài liệu để đạt độ chính xác (104 – 108 photon) [6, 14] Độ dày lớp mô cần khảo sát là
tổng độ dày của lớp biểu bì và trung bì của da, bằng 0,35 cm Các tham số được lựa chọn trong cửa
sổ lập trình MATLAB, chương trình MCML sẽ tạo ra file tham số đầu vào “*.mci” và file kết quả
“*.mco” Trong mỗi mô phỏng, chương trình sẽ ghi lại thông lượng dòng của photon lan truyền
bên trong mô [1/cm2], là xác suất di chuyển của photon trên một đơn vị diện tích [6, 15] Kết quả
mô phỏng cho file “*.mco” được thực hiện bởi chương trình simple_gpumcml [16] như sau:
Da loại I-II Da loại III-IV Da loại V-VI
Hình 1 Thông lượng dòng photon của các loại da với bước sóng 650 nm
Hình 1 là kết quả mô phỏng sự lan truyền của chùm photon laser 650 nm vào bên trong mô da
đối với các loại da có sắc tố khác nhau, được biểu diễn dưới dạng các đường đồng mức, giá trị
của các đường đồng mức được thể hiện trên thang đo logarit Trục nằm ngang là độ phân kỳ của
chùm tia theo phương ngang, trục dọc là độ sâu của lớp mô Chỉ số trên các đường đồng mức thể
hiện xác suất di chuyển của photon laser trên một đơn vị diện tích Dựa theo kết quả mô phỏng,
chúng tôi nhận thấy rằng, sự lan truyền của chùm photon laser khi chiếu qua da loại I-II là cao
nhất, tiếp theo là da loại III-IV, và thấp nhất là da loại V-VI Với xác suất di chuyển của photon
trên một đơn vị diện tích là 10-1 [1/cm2], thì độ sâu của da loại I-II lớn hơn 0,35 cm; đối với da
loại III-IV thì độ sâu là 0,35 cm; đối với da loại V-VI thì độ sâu là 0,27 cm Sự khác nhau về độ
lan truyền của chùm tia laser vào trong mô chủ yếu do sự khác nhau về thành phần melanin ở
bên trong các loại da
4 KẾT LUẬN
Dựa theo chương trình mô phỏng MCML, nhóm tác giả đã thực hiện mô phỏng đối với tia
laser bước sóng 650 nm khi chiếu qua các loại da có sắc tố khác nhau Kết quả của nghiên cứu
cho thấy, da loại I-II có sự lan truyền của chùm photon laser vào bên trong mô là cao nhất do ít
Trang 4Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 74, 8 - 2021 161
bị hấp thụ ở vùng gần bề mặt Da loại V-VI có sự lan truyền của chùm photon laser vào bên trong mô là thấp nhất, do có sự hấp thụ cao đối với tia laser có bước sóng 650 nm Dựa trên kết quả mô phỏng, chúng tôi nhận thấy thành phần melanin có ảnh hưởng lớn nhất tới tương tác của tia laser đối với mô da, vùng mô da có càng nhiều melanin thì sự hấp thụ năng lượng photon laser càng cao Do đó, đối với ứng dụng điều trị vết thương có diện tích rộng, phải phân ra thành nhiều vùng điều trị, mỗi vùng có các thành phần sắc tố khác nhau, kết quả nghiên cứu được ứng
dụng để tính toán liều điều trị phù hợp cho từng vùng chiếu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vladimir Heiskanen, Michael R Hamblin (2019 Aug 8) “Photobiomodulation: Lasers vs Light Emitting Diodes?” Photochem Photobiol Sci 2018 Aug 8; 17(8): 1003–1017
[2] http://www.crystal-skinbiology.vn/blogs/news/1000028807-do-day-lop-da
[3] https://healthengine.com.au/info/skin-colour
[4] Steven L.Jacques, “Monte Carlo Modelling of Light Transport in Tissue (steady state and time of flight)”, Optical – Thermal Responses of Laser – Irradiated Tissue, 2nd Edition, 2009
[5] Tuan Vo-Dinh, Biomedical Handbook, 2003
[6] L.Wang, L.Jacques, “Monte Carlo modelling of light Transport in Multi-Layered tissue in standard C”, University of Texas M.D.Anderson Cancer Center, 1992
[7] Steven L.Jacques, “Optical properties of biological tissue: a review”, Physics in medical and
biology 58 (2013), R37 – R61
[8] Sheng-Hao Tseng, et.al, “Chromophore concentrations, absorption and scattering properties of human skin in-vivo”, Opt Express.2009 Aug 17, 17(17):14599-14617
[9] https://omlc.org/spectra/water/data/hale73.txt
[10] https://omlc.org/spectra/fat/fat.txt
[11] https://omlc.org/spectra/melanin/mua.html
[12] https://omlc.org/spectra/hemoglobin/index.html
[13] https://omlc.org/spectra/hemoglobin/summary.html
[14] Steven L.Jacques, “Modelling tissue optics using Monte Carlo modelling: a tutorial”, The
International Society for optical Engineering, March 2008
[15] https://omlc.org/software/mc/mcxyz/index.html
[16] https://code.google.com/archive/p/gpumcml/wikis/Setup.wiki
ABSTRACT
RESEARCH ON HOW DIFFERENT TYPES OF PIGMENTED SKINS AFFECT
INTERACTION BETWEEN LOW-POWER 650NM LASER AND SKIN TISSUES
Low-power 650 nm laser has been applied with positive results to stimulate the healing
of wounds on skin surface, with reduced treatment cost and no side effect The effect of laser on living tissues depends on various factors, such as the density and power of the laser beam, treatment time, and individual characteristics of the patient In this article, we study how different types of pigmented skins affect the diffusion of laser
Keywords: Low – Power Laser; Stimulate wound healing; Propagation of laser beam
Nhận bài ngày 27 tháng 4 năm 2021 Hoàn thiện ngày 28 tháng 7 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 30 tháng 7 năm 2021
Địa chỉ: Viện Vật lý Y Sinh học, 109A Pasteur - Phường Bến Nghé - Quận 1 – TPHCM
*Email: hainamys40@gmail.com
