MỞ ĐẦU Trong những năm trở lại đây, ngành khoa học thế giới đã chứng kiến liên tục nhiều thành tựu to lớn trong việc ứng dụng Kỹ thuật Laser vào y học. Tại Việt Nam, dù có khởi đầu muộn, nhưng nhiều lĩnh vực đã bắt đầu nghiên cứu đưa vào một số trang thiết bị Laser để phục vụ nhu cầu của xã hội, đặc biệt là trong các ứng dụng trị liệu, thẩm mỹ. Laser công suất thấp, điển hình như Laser khí Heli-Neon với những đặc tính nổi trội đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong y tế. Việc hiểu rõ bản chất của kỹ thuật, các tương tác đặc trưng của Laser với cơ thể người, nguyên tắc hoạt động của thiết bị nhằm hướng tới sự trị liệu hiệu quả là một vấn đề cần được quan tâm và làm rõ.
Đề tài “Ứng dụng Laser công suất thấp trong chống viêm và cải tiến bộ điều khiển của thiết bị Laser Heli-Neon công suất thấp” được thực hiện nhằm mục tiêu tìm hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của thiết bị và tiềm năng ứng dụng của kỹ thuật này trong ngành kỹ thuật y sinh. Các cải tiến kỹ thuật liên quan đến bộ điều khiển của thiết bị hứa hẹn sẽ mang đến sự tối ưu và tiện dụng trong quá trình vận hành thiết bị. Đề tài này được tiến hành bằng phương pháp nghiên cứu tổng quan lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Sự thành công của Đề tài có thể xem như là một tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên chuyên ngành cũng như những ai đang quan tâm tới lĩnh vực ứng dụng của Laser trong y sinh.
GIỚI THIỆU VỀ LASER 1. Giới thiệu chung Laser là viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation được hiểu là “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích” hoặc “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức” [1]. Vào năm 1954, Townes – một nhà vật lý người Mỹ và cùng với Prochorov và Basov là hai nhà vật lý Liên Xô từ việc khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức đã phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser, điều này đã giúp cho ba nhà vật lý trên giành được giải thưởng Nobel Vật lý 1964. Tia laser mà chúng ta thường thấy là một nguồn sáng nhân tạo thu được trong điều kiện các phần tử của môi trường vật chất được kích hoạt cao độ nhờ vào việc bức xạ phát ra sự khuếch đại ánh sáng.
Trong thời gian cực ngắn, tia laser có thể tập trung được năng lượng cực lớn dựa vào lợi thế phát xung cực ngắn: tầm khoảng mili giây, nano giây, pico giây. Một số hiện tượng quang học cơ bản và đặc tính của laser 1. Hiện tượng quang học Vào năm 1943, Bohr (Đan Mạch) đã đề xuất một mô hình nguyên tử (hình 1.1) có nội dung: các nguyên tử đều được cấu thành từ 1 hạt nhân rất nhỏ được các hạt proton và neuron lấp đầy, neuron và định xung quanh hạt nhân có các điện tử quay quanh theo các quỹ đạo nhất định (hình 1. Mỗi một năng lượng khác nhau của điện tử sẽ có một quỹ đạo tương ứng, ở quỹ đạo dưới điện tử có năng lượng nhỏ hơn ở quỹ đạo trên.
Do vậy, các mức năng lượng có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ như hình 1.1b dựa trên mô hình của nguyên tử Bohr. Mức cơ bản là mức năng lượng thấp nhất, còn các mức năng lượng lớn hơn mức cơ bản gọi là mức kích thích. Vì các nguyên tử khác nhau có số điện tử khác nhau nên chúng có số quỹ đạo khác nhau và tương đương là các mức năng lượng khác nhau. Giả sử, giống như ở 2 hình 1.1b, ta có một hệ nguyên tử có hai mức năng lượng khác nhau và chiếu một chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau – ánh sáng đơn sắc và mỗi photon có Hình 1.1: Mô hình cấu trúc nguyên tử của Bohr và các mức năng lượng [2] a.
Phát xạ tự do c. Phát xạ cưỡng bức Hình 1.2: Các hiện tượng quang học cơ bản [2] năng lượng E, bằng hiệu năng lượng của hai mức. Photon có thể bị các điện tử ở mức thấp E1 hấp thụ khi đi vào môi trường và điện tử này có thể nhảy lên mức E2 bằng năng lượng của photon. Đây được gọi là hiện tượng hấp thụ (hình 1.
Như vậy, hiện tượng các điện tử mức thấp nhảy lên mức trên bằng quá trình hấp thụ photon được gọi là hiện tượng hấp thụ ánh sáng. Hiện tượng hấp thụ luôn làm giảm độ sáng của ánh sáng. Điện tử sẽ trở về mức cơ bản sau một khoảng thời gian khi nhảy lên mức kích thích (có thể nói là là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) [3]. Một năng lượng khi trở về mức thấp sẽ được lan tỏa dưới dạng nhiệt (phonon) hoặc ánh sáng (photon).
Trường hợp cuối cùng là hiện tượng phát xạ tự do (hình 1.2b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi ra theo mọi hướng. 3 Phát xạ cưỡng bức xảy ra do các điện tử bị dịch chuyển cưỡng bức dưới tác dụng của các photon dẫn đến các photon phát xạ giống hệt nhau. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức có tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 3, 3 sinh ra 4. Đặc tính của laser Laser có nguồn phát khác với nguồn phát ánh sáng thông thường, nên nó mang những đặc điểm khác biệt và quan trọng trong nhiều ứng dụng: tính đơn sắc, tính đồng hướng, tính kết hợp và cường độ lớn.
Tính đơn sắc: tính chất này đề cập đến đặc hiệu của ánh sáng tại một bước song xác đinh duy nhất. Do đó, chỉ có một bước sóng, tương ứng với màu sắc đặc trưng của ánh sáng được phát ra. Đây là một đặc tính quan trọng của laser vì nó dẫn đến sự kích thích có chọn lọc ở các mô khác nhau. Tính kết hợp đề cập đến mối quan hệ về pha, tức là tất cả các photon mục tiêu theo pha, kết quả là giá trị tác động của photon đến mô cao, cho phép kích thích hiệu quả ở mức năng lượng tương đối thấp.
Tính đồng hướng: do sự kết hợp nên các photon truyền đi theo hướng cực kỳ song song. Các tiêu điểm tác động của chúng rất nhỏ, cho phép tập trung năng lượng một cách chính xác. Cường độ cao: công suất của bức xạ laser có thể lên tới hàng tỷ kilowatt/cm2. Hơn nữa, đặc tính này của laser còn được bổ sung bởi các đặc tính đơn sắc, đồng hướng, kết hợp nên nó trở thành đặc tính quan trọng trong các ứng dụng y học.
Phân loại laser Laser có thể được phân loại theo môi trường hoạt chất (bảng 1.1) hoặc theo công suất (bảng 1.1: Phân loại Laser theo môi trường hoạt chất Loại Đặc điểm Ứng dụng trong y học laser Laser Môi trường hoạt Laser YAG-Neodym (bước sóng hồng ngoại 1060 nm) rắn chất laser có khả dùng như dao mổ. năng được làm Laser hồng ngọc (bước sóng 694.3 nm) sử dụng trong từ khoảng 200 nhãn khoa. chất rắn khác Laser bán dẫn (laser đi-ốt Gallium Arsen bước sóng nhau [1]. 890 nm) sử dụng trong châm cứu.
Laser Sử dụng chất Trong y học laser màu được ứng dụng để điều trị một lỏng lỏng là môi số tổn thương hoặc khối u, phá sỏi bằng việc tạo sóng trường hoạt chất, xung kích thích. laser màu thông dụng nhất. Laser Là Laser có môi Laser He-Ne có môi trường hoạt chất là khí Heli và khí trường hoạt chất Neon, có bước sóng thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng là chất khí. nhìn thấy là 632,8 nm, công suất nhỏ, từ một đến vài chục mW.
Trong y học laser khí He-Ne được sử dụng để kích thích mạch máu, làm laser nội mạch, dựa trên hiệu ứng sinh học để ứng dụng trong vật lý trị liệu. Laser Argon với khí Argon là hoạt chất, bước sóng là 488 và 514,5 nm, thường được ứng dụng trong châm cứu và trong nhãn khoa. Laser CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể lên tới megawatt (MW), được ứng dụng làm dao mổ.2: Phân loại Laser theo công suất Loại Công suất Bước sóng Tác động Loại I Thấp hơn 10 Nằm trong khoảng Không gây tác động xấu tới mắt, μW 400-1400 nm. da bởi cả hướng trực tiếp và hướng phát xạ.
Loại Từ 10 μW – 1 Bước sóng laser Nếu thời gian chiếu không quá II μW nằm trong vùng 0,5s thì laser loại II không gây hại nhìn thấy khoảng tới mắt và da. Loại Nằm trong Bước sóng thuộc Nếu chiếu quá 0,2s thì laser loại IIIa khoảng 1 μW – vùng khả kiến đến IIIa có gây thiệt hại tới mắt nhưng 7 mW tử ngoại. không gây thiệt hại tới da. Loại Từ 7 mW-0.5 Bước sóng nằm Ngay cả khi vụt chiếu qua mắt, IIIb W trong vùng nhìn đến các tia tán xạ của laser loại IIIb hồng ngoại.
này cũng có khả năng gây thiệt hại tới mắt. Không có khả năng bốc cháy. Loại Công suất cao Bước sóng nằm Dễ gây cháy và gây hại cho tới IV trong và ngoài vùng mắt, da cả từ hướng trực tiếp cũng hồng ngoại. như hướng phát xạ của chùm tia.
Rất nguy hiểm. LASER CÔNG SUẤT THẤP Laser với công suất đầu ra dưới 0.5 W được phân loại là laser công suất thấp (các loại I, II, III). Chúng thường được gọi là “Laser lạnh” vì không tạo ra cảm giác nóng trong quá trình điều trị. Laser khí He-Ne Laser He-Ne lần đầu tiên do Javan-Bennett chế tạo ngày nay được sử dụng phổ cập trong thực tế sản xuất.
Laser He-Ne hoạt động trên cơ sở sự truyền năng lượng 6 Hình 1.3: Sơ đồ các mức năng lượng của nguyên tử He và Ne cùng một số các dịch chuyển bức xạ [4] kích thích cộng hưởng giữa nguyên tử He và Ne [3]. Bằng va chạm điện tử các nguyên tử He ở trạng thái cơ bản 11S được chuyển lên các trạng thái siêu bền 21S và 23S. Hai trạng thái này nằm rất gần các mức kích thích 3s và 2s của nguyên tử Ne nên nhờ va chạm không đàn hồi loại 1 có sự truyền cộng hưởng năng lượng kích thích từ He sang Ne (ký hiệu 3s hay 2s là ký hiệu Pashen) và tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức 3s, 2s với các mức 3p, 2p trong Ne (hình 1. Các bức xạ laser điển hình có cường độ lớn là các bức xạ 0, 6328 m , 1,15 m , 3,39 m.
Danh sách các vạch phát trình bày ở bảng 1. Trong bảng được ghi ký hiệu các trạng thái theo Paschen và Racah, tùy theo tỷ số áp suất giữa He và Ne mà laser sẽ ưu tiên phát ở bước sóng nào.