Đồ án YAG và thiết bị laser này trong y tế

LỜI NÓI ĐẦU Xuất phát từ phát minh thiên tài của nhà vật lý vĩ đại A. Einstein (Đức) về hiện tượng phát xạ cưỡng bức năm 1917, các nhà vật lý khác đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy laser đầu tiên vào năm 1960. Cho đến nay đã có hàng trăm loại laser được chế tạo và chúng đã thâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, các nghành kinh tế và cuộc sống con người. Ứng dông laser trong y học là một trong những hướng phát triển mạnh nhất, hiệu quả nhất của trào lưu trên. Bức xạ laser khi tương tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt. Đó là hiệu ứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơ…Trên cơ sở hiểu biết đầy đủ về các hiệu ứng sinh học của bức xạ laser, trong hơn 40 năm phát triển kỹ thuật này hàng loạt các thiét bị laser chuyên dụng cho điều trị và chuẩn đoán đã ra đời, được thử nghiệm thành công và đưa vào ứng dụng tại hầu hết các ngành và chuyên khoa y tế. Laser đã chứng minh ­u thế tuyệt đối của mình trong nhiều lĩnh vực như quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệu người khỏi mù lòa, phẫu thuật xử lý các u ác tính hạn chế mức độ di căn và các hiệu ứng phụ, tạo hình mạch, mổ tim cấp cứu, phá sỏi, chuẩn đoán sớm bệnh tật đặc biệt là ung thư…Đến nay việc ứng dụng laser trong y tế đã hình thành một chuyên ngành y học mới – chuyên ngành y học và ngoại khoa laser. Tại Việt Nam các thiết bị laser đã trở thành những thiết bị y tế phổ biến, được sử dụng rộng rãi tại hầu hết các bệnh viện trên toàn quốc. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị laser trong y tế đã có những bước phát triển lớn. Trước đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hai loại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO2. Hiện nay chóng ta đã di sâu nghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng cao hơn nh­ laser YAG, laser excimer… Em đã chọn đề tài về laser làm nội dung cho đồ án tốt nghiệp của mình. Trong đồ án em trình bày về những ứng dụng của laser trong y tế, tìm hiểu một loại laser cụ thể là laser Nd: YAG và thiết bị laser này trong y tế. Trong quá trình thực hiện đồ án em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới tiến sĩ Nguyễn Đức Thuận, cô Đinh Thị Nhung , KS Lê Huy Tuấn và phòng điện tử y tế- trung tâm công nghệ laser đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Do thời gian hạn chế nên đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến nhận xét, đánh giá của thầy cô và các bạn. CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ LASER I: LASER LÀ GÌ? Laser là một trong những phát minh khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX. Thuật ngữ Laser là khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ bức xạ cưỡng bức (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Ông tổ của laser chính là nhà vật lý thiên tài Albert Einstein, người đã phát minh ra hiện tượng phát xạ cưỡng bức (Stimulated Emision of Radiation) vào năm 1917. Còn người phát minh ra nguyên lý cơ bản của máy laser là nhà vật lý người Mỹ Townes vào năm 1964. Cùng đồng thời trong năm đó hai nhà vật lý người Liên Xô là Prochorow và Babov cũng công bố các công trình phát hiện nguyên lý laser. Do phát minh này ba nhà vật lý trên đã được nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1964. Máy laser đầu tiên được chế tạo bởi nhà vật lý Mỹ Meiman vào năm 1960 trên cơ sở sử dụng oxit nhôm tinh khiết (Al2O3) có phủ ion crom gọi là laser Ruby. Sau thành công này trong một thời gian ngắn, người ta đã phát hiện hàng loạt chất có khả năng phát tia laser như hỗn hợp khí He và Ne (laser He- Ne), tinh thể bán dẫn Gallium Arsenid (laser diode GaAs), tinh thể Yttrium Aluminium Garnet (laser Nd: YAG), các chất màu pha lỏng khác nhau (laser màu). Hiện nay laser đã được ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết các ngành khoa học, công nghệ và y tế. Đặc biệt trong y tế, những ứng dụng laser đã đem lại những thành tựu nổi bật. II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LASER 2.1: Các hiện tượng quang học cơ bản Phổ năng lượng của các hệ vi hạt không phải là liên tục mà là gián đoạn. Trong điều kiện cân bằng, không có kích thích bên ngoài, hệ vi hạt thường chiếm những mức năng lượng thấp nhất được gọi là những mức năng lượng cơ bản. Khi có tác dụng của các yếu tố bên ngoài như tác dụng của bức xạ, tương tác của các hạt điện tử, ion, nguyên tử khác, tác dụng của điện trường, nhiệt độ, hệ vi mô có thể bị kích thích chuyển lên các trạng thái với mức năng lượng cao hơn. Các trạng thái với năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản được gọi là các trạng thái kích thích. Có các hiện tượng quang học cơ bản sau đây: 2.1.1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng Các nhân tử khác nhau có số điện tử khác nhau và như vậy có số quỹ đạo khác nhau tương ứng với nó là các mức năng lượng khác nhau. Giả sử ta có một hệ nguyên tử có hai mức năng lượng nh­ hình vẽ: E2 E1 E Hình 1.1: Mức năng lượng. Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc (chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau và năng lượng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lượng của hai mức-E) thì khi photon đi vào môi trường nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E1 hấp thụ và nhờ có năng lượng này điện tử có thể nhảy lên mức E2. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng hấp thụ. E2 E1 Hình 1.2: Hiện tượng hấp thụ. Nh­ vậy, hiện tượng hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức thấp hấp thụ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn. HÊp thụ luôn luôn làm ánh sáng yếu đi. 2.1.2: Hiện tượng phát xạ tự do. Đây là quá trình xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên, điện tử khi nhảy lên mức kích thích sau một thời gian nhất định ( gọi là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích) nó lại trở về mức cơ bản. Khi trở về mức thấp một năng lượng sẽ được tạo ra dưới dạng nhiệt hoặc ánh sáng. E2 E1 Hình 1.3: Hiện tượng phát xạ tự do. Các chuyển mức phát xạ tự do xảy ra ngẫu nhiên và độc lập với nhau, nên các photon phát ra tuy có cùng tần số nhưng có pha khác nhau, có hướng khác nhau, có mặt phân cực khác nhau. 2.1.3: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Cũng như hiện tượng hấp thụ khi ta chiếu chùm ánh sáng đơn sắc với năng lượng của từng photon bằng E vào môi trường có hai mức năng lượng thì photon có khả năng sẽ tương tác với điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử này bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó. E2 E1 Hình 1. 4: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. Sự chuyển mức năng lượng này sẽ phát xạ ra photon có năng lượng E và có các tính chất giống hệt với photon đã cưỡng bức điện tử nhảy xuống nh­ hướng truyền, độ phân cực, pha, tần. Trong trường hợp này photon kích thích không bị mất mát nh­ trong trường hợp hấp thụ. Photon ban đầu này vẫn tồn tại và duy trì những tính chất ban đầu của nã . Ta không thể phân biệt được sự khác nhau giữa photon ban đầu với photon sinh ra từ dịch chuyển cưỡng bức điện tử. Tóm lại, phát xạ cưỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử dưới tác dụng của các photon. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 4. 2.2: Nguyên lý hoạt động của laser 2.2.1: Nguyên lý Nh­ ở trên đã xem xét 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trường bất kì khi chiếu một chùm ánh sáng. Đó là: Hiện tượng hấp thụ làm suy yếu chùm ánh sáng. Hiện tượng phát xạ tự do làm chùm sáng mạnh lên. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức cũng lám cho chùm sáng mạnh lên. Môi trường ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp ( quy ước là n1) bao giê cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích ( quy ước là n2). Hiện tượng hấp thụ tỉ lệ với n1 còn hiện tượng phát xạ tự do và phát xạ cưỡng bức thì tỉ lệ với n2 , với hệ số tỉ lệ gần nh­ nhau. Vì nguyên nhân đó nên hấp thụ bao giê cũng mạnh hơn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do, do đó chùm ánh sáng đi qua môi trường bình thường bao giê cũng yếu đi. Để có hiệu ứng Laser, tức là chùm ánh sáng được khuyếch đại thì thì ta phải tạo ra một môi trường đặc biệt mà ở đây hiện tượng phát xạ cưỡng bức xảy ra phải mạnh hơn hiện tượng hấp thụ. Hiện tượng này chỉ xảy ra trong môi trường mà tại đó các điện tử ở mức trên n2 lớn hơn số điện tử ở mức dưới n1. Môi trường nh­ vậy được gọi là môi trường nghịch đảo nồng độ (đảo ngược độ tích luỹ) với n2> n1. Môi trường đặc biệt có sự đảo ngược độ tích luỹ nh­ ta nói ở trên là yếu tố cơ bản của mọi Laser. Môi trường đó gọi là hoạt chất của Laser hay gọi ngắn gọn là hoạt chất. Khi ánh sáng đi qua môi trường nghịch đảo mật độ cường độ ánh sáng tăng theo hàm mũ với : ở đây < 0. Ngoài hoạt chất, mỗi Laser bất kì còn phải có yếu tố khác là nguồn nuôi, yếu tố cung cấp năng lượng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo ngược độ tích luỹ các điện tử ở môi trường laser và buồng cộng hưởng Nh­ vậy tiền đề cho quá trình khuyếch đại là: Tạo ra và duy trì môi trường đảo mật độ, quá trình này được gọi là quá trình bơm. Tạo điều kiện để phát xạ cưỡng bức áp đảo phát xạ tự nhiên. Để thực hiện được điều này người ta sử dụng các loại buồng cộng hưởng. 2.2.2: Quá trình bơm Môi trường nằm trong trạng thái nghịch đảo mật độ là trạng thái không bền và các nguyên tử luôn có xu hướng trở về trạng thái cân bằng. Vì vậy, muốn duy trì trạng thái nghịch đảo mật độ phải thường xuyên tiêu tốn một năng lượng để kích thích hệ hạt. Quá trình kích thích hệ hạt này được gọi là quá trình bơm. Quá trình bơm , kích thích tuỳ thuộc vào loại hệ, có thể tực hiện bằng nhiều cách: phương pháp kích thích bằng quang học( bơm quang học), và phương pháp kích thích băng điện (bơm điện). *Bơm quang học: Đây là phương pháp kích thích hệ bằng bức xạ điện từ nói chung, bao gồm: viba, hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại …Đây là phương pháp kích thích được dùng phổ biến. Trong mô hình hai mức năng lượng, ở trạng thái cân bằng nếu E1 N2. Nếu chúng ta kích thích hệ bằng cách dọi vào hệ ánh sáng có tần số đáp ứng điều kiện hu = E2- E1, thì N2 sẽ tăng lên, N1 giảm xuống và N1+ N2 = N = const, N là số nguyên tử của cả hệ. Như đã biết nếu tăng công suất bơm thì DN = N1- N2 sẽ giảm dần. Tuy nhiên tính toán cho thấy rằng DN chỉ có thể tiến tới không, nghĩa là N2®N1, chứ không thể đạt được N2 > N1. Nghĩa là trong hệ hai mức năng lượng, bằng phương pháp bơm quang học ta không thể đạt được môi trường đảo mật độ. Trong trường hợp DN = 0, N1= N2 được gọi là hiệu ứng bão hòa. Hiệu ứng bão hòa càng dễ đạt được khi thời gian sống của trạng thái ứng với E2 càng lớn. Trạng thái của hệ khi N1= N2 gọi là trạng thái bão hòa, trong trạng thái này hệ không hấp thụ cũng không phát xạ. Mặc dù hiệu ứng bão hòa không cho phép ta tạo ra môi trường đảo mật độ nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường đó bằng mô hình ba mức, bốn mức. E3 B¬m Ph¸t x¹ E2 E1 Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lượng Giả sử ta có một hệ nguyên tử có ba mức năng lượng như ở hình trên với các thông số E1, N1; E2, N2, t2; E3, N3, t3, trong đó E1 < E2 < E3 là năng lượng tương ứng của ba mức, N1+ N2+ N3 = N, N1, N2, N3 là nồng độ nguyên tử ở ba trạng thái, N là nồng độ toàn phần. t2, t3 là thời gian sống của trạng thái E2, E3 tương ứng. Nếu trong một hệ ba mức với t3 < t2 chóng ta không thể dùng bơm quang học có bước sóng hu = E3- E1 để đạt được trạng thái bão hòa N1= N3 vì chuyển mức tự phát E3®E2 lớn. Tuy nhiên có thể bằng cách này làm tăng nồng độ N2 và nhờ đó mà thiết lập được sự đảo mật độ giữa hai mức E2 và E1 để thu được phát xạ cưỡng bức hu = E2- E1. * Bơm điện Trong trường hợp laser khí để tạo điều kiện nghịch đảo nồng độ, người ta dùng hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do chuyển động nhanh dưới tác động của điện trường ngoài. Do va chạm với những điện tử nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình với áp suất thấp sẽ bị ion hóa hoặc kích thích hóa. Người ta quan tâm nhiều tới trường hợp kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hay phân tử nhận được năng lượng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn, tức là những mức kích thích. Những dịch chuyển tự phát từ những mức kích thích đó xuống mức cơ bản sẽ bức xạ năng lượng làm sáng chất khí phóng điện như trong các đèn ổn áp có khí…Trong laser khí chính những nguyên tử hoặc phân tử kích thích hóa sẽ tạo nên nghịch đảo nồng độ và cho bức xạ cảm ứng. Người ta có thể thực hiện phóng điện bằng năng lượng cao tần hoặc điện áp một chiều. Bơm điện cũng được dùng trong laser bán dẫn bằng cách đặt điện áp vào mẫu để phun hạt dẫn vào mẫu tạo ra môi trường đảo mật độ. 2.2.3: Buồng cộng hưởng Buồng cộng hưởng là nơi cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trước khi đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser đi qua gương ở hai bên. Do buồng cộng hưởng chỉ được giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu còn các mặt khác đều hở nên thường gọi là buồng cộng hưởng hở. Việc sử dụng buồng cộng hưởng hở trong kỹ thuật laser là một điều bắt buộc. Buồng cộng hưởng có hai chức năng sau đây: * Thực hiện hồi tiếp dương Tuy môi trường hoạt tính đặt trong buồng cộng hưởng có khả năng khuếch đại tín hiệu đi qua nã theo luật hàm số mũ, nhưng độ khuếch đại này không lớn vì chiều dài của hoạt chất là có hạn. Để có được khuếch đại lớn phải tăng kích thước của hoạt chất lên rất nhiều lần. Ví dụ nếu dùng hoạt chất là khí CO2, để có được công suất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 104 m, điều này không thể thực hiện được. Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải được sử dụng bằng cách khác. Chính nhờ buồng cộng hưởng quang học mà mà việc tăng chiều dài của hoạt chất được giải quyết một cách đơn giản. Trong buồng cộng hưởng tia sáng được phản xạ nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quãng đường đi của tia. Hình 1.6 : Sù hình thành hồi tiếp dương trong buồng cộng hưởng Quá trình xảy ra như sau: Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sáng. Sóng sẽ được khuếch đại lên do các dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua líp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ, một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được tiếp tục khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây cũng sẽ sảy ra quá trình tương tự và cứ như vậy, sau rất nhiều lần phản xạ ta sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ lớn. Khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng được, nó bị giới hạn bởi công suất của nguồn bơm. Vì vậy cường độ bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập được điều kiện cân bằng năng lượng. * Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp Do buồng cộng hưởng là hở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên. Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của laser. Còn những sóng ánh sáng nào lan truyền dưới những góc lệch tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài. Vì vậy bức xạ hình thành ở cửa ra của buồng cộng hưởng có tính định hướng rất cao. Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương, pha của sóng ánh sáng luôn bảo toàn và quan hệ pha giữa các sóng đó cũng không đổi, do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp. Cuối cùng nhờ có buồng cộng hưởng có thể thực hiện được các phương pháp chọn lọc dao động khác nhau để thu được bức xạ trong mét dải phổ rất hẹp, gần nh­ đơn sắc. Nh­ vậy có thể nói rằng, buồng cộng hưởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất của laser. Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng: Q= 2puEd/ P0 Ed: năng lượng dự trữ trong buồng cộng hưởng P0: năng lượng trung bình bị tiêu hao trong 1s Buồng cộng hưởng có nhiều dạng khác nhau. Loại đơn giản và thông dụng nhất là hệ gồm hai gương phẳng đặt song song (trong quang học người ta gọi hệ cộng hưởng này là giao thoa kế Fabri- Perot). Buồng cộng hưởng gồm hai gương phẳng đòi hỏi khắt khe về độ song song của các gương và vì thế rất khó chỉnh nhưng nó lại cho bức xạ có độ định hướng cao. Loại này thường được sử dụng trong các laser rắn và laser bán dẫn. Trong buồng cộng hưởng quang học đặc biệt cần chú ý đến đặc điểm cấu tạo và yêu cầu kỹ thuật đối với các gương. Yêu cầu cơ bản của các gương laser là phải đảm bảo sao cho tổn hao trong vật liệu dùng làm bề mặt phản xạ là nhỏ nhất. Hiện nay, trong kỹ thuật laser phần lớn các gương mạ bạc, nhôm hoặc mạ vàng đã được thay thế bằng các gương điện môi nhiều líp. So với các gương có líp phủ kim loại thì gương điện môi nhiều líp có một loạt ưu điểm nổi bật: tính chọn lọc và hệ số phản xạ cao, phần năng lượng bị tiêu hao do hấp thụ rất nhỏ. Vì vậy các gương điện môi nhiều líp có thể đảm bảo được hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng rất cao, chịu được năng lượng bức xạ lớn và tuổi thọ của gương cũng rất cao. III: CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA LASER Laser là một nguồn sáng, tuy nhiên đây là một nguồn sáng đặc biệt và chính những tính chất đặc biệt Êy đảm bảo hiệu quả cao trong việc ứng dụng vào những lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Laser có những tính chất điển hình sau: 3.1: Độ định hướng cao Từ nguyên lý hoạt động của laser ta thấy laser phát theo một hướng vuông góc với gương của buồng cộng hưởng. Tia laser phát ra hầu nh­ dưới dạng chùm sáng song song. Tuy vậy do ảnh hưởng nhiễu xạ ở biên của chùm tia, tia laser phát ra với một góc mở nhất định nh­ hình: Hình 1.7: Góc mở của chùm tia laser Từ lâu con người đã rất cần những nguồn sáng song song trước hết dùng để đo xa, liên lạc, dẫn đường nh­ các đèn pha, đèn chiếu…Những chùm sáng này có góc mở cỡ vài độ, góc chiếu xa tới khoảng 5- 10 km. Đối với laser góc mở có thể đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phót góc (1 phót góc = 1/60 độ), có trường hợp chỉ vài giây góc. Vì vậy laser có thể chiếu đi rất xa cỡ hàng nghìn cây sè . 3.2: Tính đơn sắc rất cao Độ đơn sắc của nguồn sáng được hiểu là chùm sáng đó có một màu và khả năng tập trung năng lượng vào một màu Êy. Với ý nghĩa nh­ vậy laser đúng là một nguồn sáng đặc biệt mà không một nguồn sáng nào khác có thể so sánh được. Những máy quang phổ có thể cho ánh sáng một màu với độ tinh tương đương với laser nhưng lại thua laser cỡ 1 tỷ lần về tập trung năng lượng. Mặt trời có thể cho năng lương rất lớn nhưng lại rải trên nhiều màu. Vì vậy tính đơn sắc rất quan trọng trong việc sử dụng laser nh­ mét thiết bị vật lý trị liệu thông qua điều trị bằng ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào độ đơn sắc. 3.3: Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser Tính kết hợp của ánh sáng được hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các photon trong chùm sáng Êy. Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn và trong trường hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp bằng không. Tia laser nh­ chóng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tượng phát xạ cưỡng bức, do vậy các photon của tia laser giống hệt nhau. Tính giống hệt nhau đó đảm bảo cho sự hoạt động nhịp nhàng của tia laser. Chính tính kết hợp của tia laser đảm bảo cho laser có rất nhiều ứng dụng đọc đáo: khả năng khoan lỗ cực nhỏ, cắt vết nhỏ và tinh và một loạt những đo đạc quan trọng khác trong ngành quang phổ. 3.4: Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn Thời gian ban đầu thông thường người ta chế tạo các laser phát liên tục hoặc phát xung cường độ tự do với độ dài xung cỡ ms. Nhưng với tiến trình phát triển công nghệ cao trong lĩnh vực laser, người ta đã đạt được việc phát đồng bộ chế độ, cho phép tập trung năng lượng laser trong thời gian xung cực ngắn chỉ cỡ nano giây hoặc pico giây. Cho đến nay cũng chỉ có laser có khả năng phát với thời gian ngắn như vậy. 3.5: Công suất phát laser Công suất của laser thay đổi tùy theo từng loại cụ thể. Có những loại laser phát xung đạt công suất 1- 100 triệu kW nh­ laser thủy tinh Nd. Những laser liên tục cũng có thể đạt công suất tối đa 1000 kW. Trong y học thường sử dụng laser excimer, laser Nd: YAG phát xung với công suất 10000 kW đến 10 triệu kW, laser CO2, laser Argon phát liên tục từ 1- 100 W, trong vật lý trị liệu thông thường sử dụng laser He- Ne và laser bán dẫn có công suất trung bình từ 0,1- 10 mW. Thông sè Ký hiệu Đơn vị Công thức tính Bước sóng laser l 1 m= 1/1000 m 1 nm= 1/1000 m 1 A°= 1/10 nm l= c/g c: tốc độ ánh sáng Công suất laser P W 1 kW= 1000 W P= E/t E: năng lượng của laser t: thời gian phát laser Mật độ công suất laser D W/cm2 D= P/S S: tiết diện điểm chiếu laser Mật độ năng lượng laser W J/cm2 W= E/S= D.t Bảng 1.1 : Các thông số vật lý của laser Tóm lại, laser là nguồn ánh sáng đơn sắc nhân tạo với những tính chất độc đáo, phong phú về cả chất và lượng. Chính vì vậy laser đã được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội. Để ứng dụng laser trong y tế chúng ta cần quan tâm tới các thông số trong bảng trên. IV: PHÂN LOẠI LASER Có 4 phương pháp để phân loại laser: Phân loại theo môi trường hoạt chất. Phân loại theo chế độ làm việc. Phân loại theo bước sóng. Phân loại theo chế độ an toàn. 4.1: Phân loại theo môi trường hoạt chất. Phương pháp phân loại laser phổ biến nhất hiện nay chủ yếu dùa vào trạng thái của môi trường hoạt chất còn tên gọi của Laser xuất phát từ tên gọi của môi trường hoạt chất đó. Hiện nay Laser phân loại theo môi trường hoạt chất được phân thành 3 loại sau: Laser thể rắn. Laser thể rắn là những laser mà môi trường hoạt chất là những chất rắn khác nhau có thể dùng để phát laser. Trong y tế sử dụng khoảng 10 loại laser rắn. Điển hình là laser Nd: YAG. ( chứa 2-5% nguyên tử Nd ), laser Rubi, laser thuỷ tinh Xd ( thuỷ tinh có chứa 5% nguyên tử Nd ), laser diode bán dẫn GaAs. Các laser rắn thông thường có nguồn nuôi laser là các đèn sáng phóng điện khí. Các laser bán dẫn được nuôi bởi hiệu điện thế thuận. Laser thể lỏng. Đây là những laser có môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có khoảng 100 chất lỏng khác nhau có thể sử dụng để phát laser. Thông dụng hiện nay là các loại chất mầu pha láng trong các môi trường khác nhau được sử dụng làm hoạt chất. Nguồn nuôi của những laser thể lỏng là những đèn khí phát sóng công suất lớn hoặc một laser khác. Laser màu được sử dụng rộng rãi nh­ hiện nay là do nó có ưu điểm là có khả năng có thể thay đổi màu( bước sóng) của tia laser. Laser thể khí. Laser thể khí là những laser có môi trường hoạt chất là thể khí. Có vài trăm loại khí khác nhau có thể dùng làm hoạt chất của laser. Các laser khí được sử dụng rộng rãi trong y tế hiện nay là laser khí CO2. laser He-Ne. Nguồn nuôi của laser khí thông thường là các nguồn điện cao áp đặt vào điện cực trong một ống thuỷ tinh, thạch anh có chứa khí tương ứng. 4.2: Phân loại theo chế độ làm việc. Theo phương pháp này ta có 4 loại chính: Chế độ liên tục. t(s) P(w) P(w) t(s) më Chế độ xung. P(w) t(s) Chế độ siêu xung. P(w) t(ms) Chế độ khoá. P(w) t(s) 4.3: Phân loại theo bước sóng. Phân loại theo bước sóng có 3 loại: Laser có bước sóng trong vùng cực tím. Laser có bước sóng trong vùng nhìn thấy. Laser có bước sóng trong vùng hồng ngoại. 10,6 Vïng truyÒn quang sîi 1nm Laser h¬i ®ång 578nm Laser h¬i vµng 628nm 1000A 500nm 1000nm 5 10 5 1 100nm Vïng nh×n thÊy Vïng hång ngo¹i gÇn 3 Vïng hång ngo¹i gi÷a Vïng cùc tÝm. 100nm Laser mµu Laser CO2 400- 1000nm 850 nm 106nm 1318nm Nd:YAG Laser Lasser b¸n dÉn Laser Rubi Laser Kr Laser He- Ne 193nm 308nm 249nm Laser excimer Laser Ar 488nm Hình 1.8. Những Laser chính và bước sóng của chúng. 4.4: Phân loại theo chế độ an toàn. Phân loại theo chế độ an toàn có 5 loại: Loại I. Loại II. Loại IIIa.. Loại IIIb. Loại IV. -Loại I. Đây là loại laser không có khả năng gây hại tới mắt và da trong suốt quá trình sử dụng bởi hướng trực tiếp hoặc hướng phát xạ. Công suất của loại laser này thấp hơn 10mW. Bước sóng thuộc khoảng 400-1400nm. -Loại II. Loại laser này không gây thiệt hại tới mắt và da nếu thời gian chiếu khôngvượt quá 0,5s. Công suất từ 1mW - 1mW. Bước song trong vùng nhìn thấy 400-700nm -Loại IIIa. Không gây thiệt hại tới da nhưng có khả năng gây thiệt hại tới mắt nếu thời gian chiếu vượt quá 0,2s. Đối với laser có bước sóng ở vùng nhìn thấy thì công suất nằm trong khoảng từ 1mW- 7mW. Đối với laser có bước sóng ở vùng tử ngoại thì công suất nằm trong khoảng từ 10mW- 1mW -Loại IIIb. Laser ở nhóm này gây tác hại cả khi bất ngờ lướt qua mắt , các tia tán xạ cũng có khả năng gây ảnh hưởng đến mắt. Laser ở nhóm này có nét đặc trưng là không có khả năng bốc cháy. Vùng nhìn thấy có công suất 7mW-0,5W. Vùng tử ngoại có công suất 1mW-10mW. Vùng hồng ngoại có công suất 1mW-0,5W. -Loại IV. Đây là loại rất guy hiểm, thiết bị có công suất cao và có cả hai đặc tính là: - Nguy cơ bốc cháy . Gây tác hại tới mắt và da từ hướng trực tiếp cũng như hướng phát xạ của chùm tia. CHƯƠNG 2: LASER TRONG Y TẾ I: TƯƠNG TÁC CỦA LASER VỚI TỔ CHỨC SỐNG 1.1: Cơ chế tương tác của bức xạ laser với tổ chức sống 1.1.1: Tương tác laser mô tế bào Đáp ứng quang của mô tế bào với laser được mô tả trong hình 1. Một chùm laser được phản xạ tại bề mặt theo định luật Fresnel. Kh«ng khÝ M« Chïm laser Chïm chuÈn trùc suy gi¶m e-(ma + ms)z L­îng ph©n t¸n béi Ph¶n x¹ khuÕch t¸n Ph¶n x¹ trong Ph¶n x¹ ph¶n chiÕu Hình 2.1: Tương tác quang của chùm laser với mô tế bào Phản xạ không khí- tế bào xấp xỉ 2,5% khi chùm laser được chuẩn với mô tế bào. Tán xạ ánh sáng mô tế bào tạo nên phản xạ khuếch tán. (1) qi, qt là góc tới và góc phản xạ. Với tiếp giáp không khí và tế bào (nt: ni= 1: 1,4) phản xạ khoảng 2,5% ánh sáng. Chùm laser đồng bộ bị suy hao khi truyền qua tế bào do hấp thụ và tán xạ theo định luật: (2) E0 là phát xạ bề mặt (w/m2), mt là hệ số suy hao (1/m), R là hệ số phản xạ Fresnel. Tán xạ của chùm sáng lại bị tán xạ đến khi chúng bị hấp thụ, bị phản xạ khuếch tán hay bị truyền đi (truyền khúc xạ). Đo lượng tế bào liên quan, sự truyền của ánh sáng tán xạ được miêu tả trong phương trình truyền hơn là phương trình Maxwell. Độ phát xạ L(w/m2.sè ) theo hướng s tại điểm r là: (3) mt=ma+ms; ma là hệ số hấp thô, ms là hệ số tán xạ và p(s,s,) là hàm pha mô tả xác xuất tán xạ từ hướng s, đến hướng s. Giả sử tế bào là đẳng hướng theo nghĩa là hướng của tế bào tiếp xúc với ánh sáng s, không ảnh hưởng đến góc tán xạ. p(s.s,)=p(s,s,)=p(cosq) (4) Trong đó q là góc tán xạ. Tham sè cosine của hàm pha là hệ số đẳng hướng (g). Anhs sáng được tán xạ về phía trước trong tế bào và giá trị của g thường nằm trong khoảng 0,7- 0,99. Những đo đạc thực nghiệm hàm p(q) cho thấy nó có dạng hàm Henry Greenstein. q(r)= (5) Đo đạc các đặc tính quang bao gồm hệ số phản xạ khuếch tán, khúc xạ với một tế bào có dạng cầu thích hợp. Bằng cách giả định trước dạng của hàm pha và thêm vào giải pháp làm hiển thị thêm các thông số đặc tính quang xấp xỉ theo phương trình (3), cố định giá trị của hệ số hấp thô ma, hệ số tán xạ ms và hệ số đẳng hướng (g) Ta phải giải phương trình (3) nếu hệ số tán xạ lớn hơn hẳn hệ số hấp thô (ms³ma). Trường hợp này thường xảy ra trong vùng phổ 600nm-1,2mm. Hình 2.2 thể hiện các giá trị xấp xỉ của ma trong protein, acid amin, máu (HbO), tiểu cầu và huyết tương. Vùng phổ 600 nm-1,2 mm tạo một cửa sổ để đâm sâu ánh sáng vào tế bào. Trong phạm vi cửa sổ này và thậm chí với các bước sóng nhìn thấy thấp hơn, khi tế bào không sắc tố hay màu, tần số liên quan tới ánh sáng khúc xạ lớn hơn nhiều so với tần số suy hao của chùm laser. Do đó tán xạ được chuyển đi một phần lớn hơn so với phát xạ. Đo hệ số phát xạ khuếch tán theo hàm của bước sóng ngay dưới bề mặt của tế bào phát xạ thường lớn hơn chính phát xạ đó Hình 2.2: Hệ số hấp thụ của (a): Protein và các acid amin, (b) hồng cầu, (c): melamin, (d): huyết tương Tần sè sinh nhiệt Q (W/m3) liên quan với hấp thụ sáng trong tế bào liên quan một cách lý thuyết với: Q(r)= ma(r)q(r) (6) Trong đó tần sè q gồm ánh sáng tới và khúc xạ. Khi quan tâm tới tán xạ phải tính tần số theo phương trình (3) và (5) để loại trừ tỉ lệ sinh nhiệt theo (6). Tuy nhiên nếu hấp thụ trội hơn, ta dùng phương trình (2). Quyết định tỷ lệ sinh nhiệt là công việc trung tâm để tiên đoán các tương tác quang nhiệt. Sự liên quan giữa tần số hấp thụ và tỷ lệ sinh nhiệt được minh họa trong hình 2.3 với líp mô tế bào hồng cầu. Sự hấp thụ của líp dưới gấp bốn lần đầu. Tần số đạt được theo luật hấp thụ. Mặc dù ánh sáng đến líp thứ hai Ýt hơn so với líp thứ nhất nhưng tần số sinh nhiệt của mm đầu tiên của líp thứ hai vẫn lớn hơn. Do đó lùa chọn bước sóng ta có thể nhắm đến các líp trong của tế bào. 0 1 2 3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 1 2 3 1 2 §é s©u m« (cm) §é s©u m« (cm) Z Z ma1< ma2 Nguån nhiÖt (W/cm2) S1 S2 Fluence rate (W/cm2) ma1= 1cm-1, ma2= 4cm-1 E0= 1= f(0) [W/cm2] Hình 2.3: Liên hệ giữa tần số (trái) và tần số (phải) của hai líp tế bào hồng cầu (Hệ số hấp thụ của líp động mạch là 1 cm-1 và 4 cm-1) với líp thứ hai (không có tán xạ) Quá trình quang- nhiệt của tương tác laser-tế bào được tổng kết trong hình 2.4. Ví dụ quá trình phát triển của mẫu toán học trong điều trị bỏng phải bao gồm phân bố ánh sáng, tần số sinh nhiệt và truyền nhiệt. Tại mỗi bước trong quá trình ta phải hiểu lý tính của mô tế bào. Th«ng sè quang HÖ sè hÊp thô C¸c ®Æc tÝnh nhiÖt Sù ph©n bè laser Tû lÖ sù hÊp thô nhiÖt TruyÒn nhiÖt Qu¸ tr×nh quang hãa Sù c¾t bá Më réng tæn th­¬ng nhiÖt HÖ sè tû lÖ NhiÖt ®é tíi h¹n Laserr Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tương tác laser- mô tế bào 1.1.2: Phân loại tương tác Ta có thể phân loại các tương tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống theo các hiệu ứng và tương tác với mỗi hiệu ứng đó Loại Hiệu ứng Tương tác Các hiệu ứng quang hóa Quang cảm ứng Kích thích sinh học Quang hoạt hóa thuốc POD (Photoactivation of Drugs) Quang bức xạ Quang hóa trị liệu Quang cộng hưởng PDT (quang động học) Các hiệu ứng nhiệt Phân hủy quang nhiệt Các hiệu ứng tăng nhiệt Phạm vi hẹp nhiệt động 37- 43°C Tăng nhiệt Không có tổn thương nhiệt bất khả hồi (45-50°) Tiêu màng (phù nề), biến dạng mô, biến tính enzyme Quang đông 60- 100°C Đông kết hoại tử Than hóa 100- 300°C SÊy khô bay hơi nước và than hóa Bay hơi tổ chức Hơn 300°C Bay hơi matrix mô rắn Quang ion hóa hay quang tách Bóc líp Nổ nhiệt nhanh (nh­ tạo hình mạch) Quang cắt các liên kết Quang phân cắt Đứt gãy quang, sóng xung kích cơ học (trong phá sỏi bằng laser) Bảng 2.1: Phân loại tương tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống Các hiệu ứng trên có vai trò không nh­ nhau trong ứng dụng. Quang cảm ứng chính là cơ sở cho cho việc dùng laser công suất thấp nh­ He-Ne hay bán dẫn hồng ngoại. Quang hóa trị liệu được dùng trong ung thư học để phá hủy các khối u (phương pháp quang đông học PDT). Tăng nhiệt bằng laser được dùng nh­ mét kỹ thuật nhiệt trị ung thư mới, kể cả u lành tính và u ác tính và đặc biệt là trong điều trị u phì đại tuyến tiền liệt. Quang đông và bay hơi tổ chức là hai hiệu ứng nổi bật, tạo cơ sở cho việc ứng dụng mang tính cách mạng của laser trong ngoại khoa. Trong khi đó tuy mới xuất hiện nhưng kỹ thuật tạo hình mạch bằng laser excimer hay laser phá sỏi qua nội soi đã cho kết quả đầy Ên tượng lại có cơ sở vững vàng ở hiệu ứng bóc líp hay quang phân cắt. 1.1.3: Tham số vật lý ứng với các dạng tương tác Nh­ bất kỳ một tác nhân vật lý nào, có hai tham sè quy định mức độ tương tác của laser với tổ chức sống. Đó là mật độ công suất (hay mật độ năng lượng) và thời gian tương tác. Hình 2.5 và hình 2.6 phản ánh mối quan hệ định lượng giữa các tham số đó với các hiệu ứng tương tác sơ cấp của laser. 10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 106 Thêi gian t¸c ®éng (s) 1016 1012 108 104 100 MËt ®é c«ng suÊt (W/cm2) 104102 100 10-2 4 2 3 4 5 HiÖu øng phi tuyÕn MËt ®é n¨ng l­îng (J/cm2) 1 : Quang vi næ 2 : Quang bãc líp 3 : Quang ®«ng 4 : Quang ®éng häc (PDT) 5 : KÝch thÝch sinh häc Hình 2.5: Giản đồ các quá trình quang học thời gian- mật độ công suất laser Từ các sơ đồ có thể thấy rõ, mức công suất nhỏ (100 - 105W/cm2) đòi hỏi một thời gian tương tác rất lớn (101 - 105s) để có các hiệu ứng quang hoá. Ngược lại, mức công suất càng lớn đòi hỏi thời gian tương tác càng ngắn để gây một hiệu ứng tương tác nào đó. 10-9 10-6 10-3 100 Thêi gian t¸c ®éng (s) 103 100 10-3 MËt ®é n¨ng l­îng (J/cm2) Vi næ Bãc líp Bay h¬i Quang ®«ng 1012 109 106 103 Hình 2.6: Sơ đồ mật độ năng lượng- thời gian tương tác để cắt mô bằng laser Hiệu ứng Mật độ công suất (W/cm2) Thời gian (s) Quang sinh hóa 10-4 - 100 10 - 105 Quang đông 100 - 104 100 - 103 Bay hơi 104 - 106 10-3 - 100 Quang phi tuyến 106 - 1012 10-12- 10-6 Bảng 2.2 : Tương quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian tác dụng Sau đây là một số đặc điểm của các hiệu chính: Hiệu ứng quang sinh học: bao gồm các quá trình kích thích sinh học thông qua một loạt các phản ứng quang hóa và các quá trình quang động học (photodyanamic). Các quá trình xảy ra khi khi tia laser có mật độ công suất cỡ 10-4 W/cm2, thời gian chiếu từ 10 giây đến chục phót. Hiệu ứng quang đông tổ chức: Khi các tổ chức hấp thụ laser và nhiệt độ tăng lên khoảng 80°C sẽ làm bay hơi nước gây co vón các tổ chức đó. Hiệu ứng bốc bay tổ chức: Khi laser có công suất lớn và được hội tụ lên các tổ chức sinh học, nhiệt độ tại vùng chiếu có thể vượt 200°C¸300°C. Các tổ chức sinh học bị đốt cháy và bốc bay để lại các vùng lân cận bị bỏng hoặc hoại tử với những mức độ khác nhau. Hiệu ứng quang phi tuyến: Bao gồm các quá trình quang cơ và quang bóc líp (photoablation) hiện mới đang nghiên cứu và ứng dụng. Các quá trình mang tính chất phi tuyến và phụ thuộc đáng kể vào mật độ công suất. 1.2: Sự tán xạ, sự hấp thụ và độ xuyên sâu 1.2.1: Sự tán xạ Sự tán xạ được tìm thấy duy nhất tại đường biên giới giữa các vùng có sự khác nhau về sự biểu thị quang học và là cách thức trong đó năng lượng của sự bức xạ được duy trì. Mô sinh vật là cấu trúc không đồng nhất tại phạm vi cực nhỏ, ví dụ như kích thước của tế bào và dưới mức tế bào, và tại phạm vi vĩ mô ví dụ như kích thước tập hợp tế bào (mô), và phần lớn chứa nước, protein, lipid, tất cả các thành phần hóa học khác. Kết quả của sự tán xạ là độ lệch phương bức xạ. Độ lệch là mạnh nhất khi độ dài bước sóng và sự tán xạ là có thể so sánh được với kích thước và khi chiều dài bước sóng vượt qua độ lớn hạt phân tử. 1.2.2: Sự hấp thụ Ngoài sự hấp thụ còn có hàng loạt quá trình ảnh hưởng đến sự xuyên sâu như phản xạ trên bề mặt mô, sự khúc xạ giữa các mặt phân cách, sự tán xạ trên các hợp phần mô…Khi bá qua tán xạ, sự hấp thụ laser trong mô được đặc trưng bởi hai tham số. Đó là khả năng hấp thụ và độ sâu hấp thụ. Khă năng hấp thụ được xác định bằng tỉ số giữa phần năng lượng bị mô hấp thụ và năng lượng toàn phần đến bề mặt mô. Tỷ số này luôn nhỏ hơn 1. Độ sâu hấp thụ xác định phân bố không gian của năng lượng hấp thụ trong môi trường. Trong trường hợp đơn giản nhất (suy hao theo hàm số mũ cơ số e theo định luật Lambert- Beer) thì độ sâu hấp thụ bằng khoảng cách mà trên đó công suất bức xạ giảm đi e lần so với công suất bề mặt. Đại lượng ngược với độ sâu hấp thụ là hệ số hấp thụ, có đơn vị là cm-1. Phần tử Loại mô Sự hấp thụ quang Laser Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) Cường độ tương đối Proteins Peptide bond Amino acid Residues Tryptophan Tyrosine Pheny-lalanine Tất cả <220 (r) 220-290 (r) 220-290 (r) 220-2650 (r) +++++++ + + + ArF 193 Pigments Oxyhemoglobin Deoxyhemoglobin Máu Mạch Các mô Máu Mạch Các mô 414 (p) 537 (p) 575 (p) 970 (p) 690-1100 (r) 431 (p) 554 (p) +++ ++ ++ + +++ ++ Ar ion Frequency Doubled Nd: YAG Diode Nd: YAG Dye Nd: YAG 488-514,5 532 810 1064 400-700 1064 Melanin Da 220-1000 (r) ++++ Ruby 693 Nước Tất cả 2,1 (p) 3,02 (p) >2,94 (r) +++ +++++++ ++++ Ho: YAG Er: YAG CO2 2100 2940 10640 Bảng 2.3 : Sù phát xạ UV-IR- Sự hấp thụ của các mô sinh vật và chiều dài bước sóng laser Trong đó: (p): chiều dài bước sóng hấp thụ tại đỉnh (r): phạm vi chiều dài bước sóng Sè lượng các ký hiệu + nói lên một cách định tính cường độ của sự hấp thụ quang. Sự hấp thụ phụ thuộc trước hết vào bản chất của bức xạ laser, nói cách khác nó là hàm số của bước sóng. Sự hấp thụ còn phụ thuộc vào đặc trưng sinh học của tổ chức sống. Trong đó ta đặc biệt chú ý đến sự hấp thụ của nước ở vùng tử ngoại và hồng ngoại là rất lớn. Vì cơ thể chứa hơn 80% là nước nên các laser tử ngoại và hồng ngoại có ưu thế lớn trong phẫu thuật. Còn sự hấp thụ của HbO2 thì chỉ đạt tới mức độ lớn ở vùng hồng ngoại, điều này giải thích vì sao các laser excimer có ưu thế lớn trong tạo hình mạch. 1.2.3: Độ xuyên sâu Độ xuyên sâu và phân bố bức xạ đã được nghiên cứu và qua đó đã đưa ra được sơ đồ tổng quát cho các loại laser thông dụng thuộc vùng nhìn thấy, tử ngoại và hồng ngoại như hình 2.7 . UC - V UV- B UV - A VIS IR - A IR - B IR - C Ban ®á Báng B­íc sãng (nm) 100 280 315 400 700 1400 3800 10600 10% 20% BiÓu b× Trung b× H¹ b× 32% 37% 49% 45% 38% Hình 2.7 : Độ xuyên sâu qua da của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng UV: Ultra Violet (Tia tử ngoại) VIS: Visualization (Tia ở trong vùng nhìn thấy) IR: Infra Red (Tia hồng ngoại) Từ đồ thị ta thấy các laser bước sóng khác nhau sẽ gây tổn thương khác nhau nếu có cùng công suất tới. Các tia laser tử ngoại xa (UV-C) và tử ngoại trung (UV-B) chỉ gây các vết ban đỏ (erythema) lên bề mặt da trong khi các loại laser khác có cùng công suất lại có thể gây nên vết bỏng độ sâu khác nhau. Vùng ánh sáng nhìn thấy (VIS) và vùng hồng ngoại gần (IR-A) ứng với độ xuyên sâu cực đại, sau đó độ xuyên sâu giảm dần theo chiều tăng của bước sóng và đến vùng hồng ngoại xa. Điển hình là CO2 thì độ xuyên sâu lại trở về giá trị cực tiểu như vùng tử ngoại xa và trung bình. Đây là cơ sở để giải thích ưu thế của laser CO2 trong phẫu thuật (do độ xuyên sâu thấp toàn bộ năng lượng bức xạ được phân bố trên một líp mỏng làm cho việc cắt mô tiến hành dễ dàng và có độ chính xác cao. Ngược lại laser Nd:YAG có độ xuyên sâu cao, năng lượng phân bố trên một diện tích đủ lớn nên loại laser này có ưu thế khi cần dùng đến các hiệu ứng quang đông. Trong nghiên cứu và trong thực hành, thường quan tâm đến độ xuyên sâu trung bình và độ xuyên sâu 10%. Các đại lượng này được đánh giá từ định luật Lambert-Beer mô tả sự suy giảm cường độ chùm bức xạ tới: I= I0exp(-gd) Trong đó: I: cường độ bức xạ ở độ sâu d I0: cường độ bức xạ ở bề mặt mô g: hệ số suy giảm (bằng tổng các hệ số hấp thụ và tán xạ) Độ xuyên sâu trung bình và độ xuyên sâu 10% tương ứng với độ dày da cho phép truyền qua nó là 37% và 10% cường độ chùm tia bức xạ tới. Chúng cũng là hàm của bước sóng (hình 2.8 ) Trong dải bước sóng khảo sát, cả hai đại lượng đều tăng theo chiều tăng của l. Ví dụ, với Nd: YAG (l= 1060nm) thì 10% bức xạ xuyên qua được líp da 3,7 mm; trong đó với laser Argon (l= 515nm) líp da tương ứng chỉ là 1,2 mm. Ở vùng hồng ngoại xa (không biểu diễn trên hình), với laser CO2 độ hấp thụ của nước mạnh đến mức độ xuyên sâu trung bình chỉ ở mức nhỏ hơn 0,1mm. 400 500 600 700 800 900 1000 1100 l(nm) 4 3 2 1 0 T= 10% T= 37% d (mm) Hình 2.8 : Độ xuyên sâu trung bình và 10% của da người Mối tương quan định lượng giữa độ truyền qua và độ dày da người với các loại laser khác nhau cũng gây nhiều chú ý. Với từng loại laser, độ truyền qua là một hàm số của độ dày. Tương quan giữa chúng cũng khá đơn giản: Độ dày mẫu càng lớn, sự hấp thụ càng mạnh, độ truyền qua càng yếu. Độ dày 3,7mm chỉ cho không quá 10% bức xạ truyền qua nã. Laser vùng hồng ngoại gần có độ xuyên sâu (độ truyền qua cực đại). Vì thế chúng có ưu thế trong châm cứu (laser lạnh) và trong quang đông (laser nóng) Phân bố bức xạ trong tổ chức sinh học cũng là yếu tố đáng quan tâm, vì nó xác định khả năng ứng dụng mức độ lớn. Nếu bức xạ chỉ hấp thụ mà không có tán xạ thì sự lan truyền sau mẫu là không đổi dọc trục quang học và đồ thị của các loại laser khác nhau chạy song song với trục này. Những bức xạ luôn luôn bị tán xạ nên sự lan truyền sẽ giảm theo khoảng cách và tính song song bị phá bỏ. Từ bảng số liệu sau có thể thấy độ xuyên sâu của laser ngoài sự phụ thuộc vào bước sóng còn phụ thuộc rất mạnh vào bản chất mô. Mô cơ có độ truyền qua lớn nhất, tiếp theo là ruột non, gan, phổi…Da gần nh­ có độ truyền qua kém nhất, chủ yếu là do tán xạ mạnh. Bước sóng (mm) Cơ quan Da Cơ Gan Lách Thận Phổi Dạ dày Ruột Kết quả tính toán từ các số liệu điện quang học 632,8 0,61 2,04 1,10 0,70 - - - 1,3 441,6 0,27 0,98 0,43 0,50 0,56 0,62 0,38 0,6 337,1 0,45 0,51 0,66 0,80 0,76 0,69 0,54 0,5 Kết quả đo trực tiếp bằng đầu dò sáng 632,8 - - 0,99 0,86 0,03 - - - 441,6 - - 0,45 0,40 0,52 - - - 337,1 - - 0,75 0,57 0,62 - - - Bảng 2.4 : Độ xuyên sâu của bức xạ laser trong các loại mô chuột (mm) Thực ra độ xuyên sâu của laser không chỉ phụ thuộc vào hấp thụ và tán xạ mà còn phụ thuộc rất nhiều vào sự phản xạ trên bề mặt mô. Bước sóng bức xạ laser càng dài thì sự phản xạ càng yếu. Trên bề mặt da của người và động vật, sự phản xạ của laser tử ngoại gần và nhìn thấy (laser N2, He-Cd, Argon, He-Ne, Ruby) khoảng 30-40%, còn đối với laser Nd: YAG (ở vùng hồng ngoại gần) là khoảng 20-35%. Với laser CO2 nằm ở vùng hồng ngoại xa, phản xạ chỉ chiếm 5% bức xạ tới. Một điều rất có ý nghĩa trong ung thư học là các khối u hấp thụ bức xạ laser rất mạnh. Với laser Ruby, các khối u có thể hấp thụ 20-100% bức xạ chiếu tới. Với Nd: YAG sự hấp thụ có thể giảm 2 lần so với Ruby. Bảng số liệu 2.5 khẳng định rằng sự hấp thụ laser phụ thuộc vào độ phản xạ của mô. Nhờ lượng melanin phong phú, các melanoma hấp thụ laser rất mạnh. Sự phụ thuộc như vậy cũng được Derlemenko (1969) và Danko (1972) nhận thấy khi với cùng một mẫu dày 1 mm , mô cơ cho 27-32% bức xạ truyền qua, còn mô gan là 20-23%. Với các mô 6 mm, các con số tương ứng là 2 và 1,5%. Điều này cũng phù hợp với kết luận rót ra từ bảng. Mô cơ có độ truyền qua lớn nhất, tức là có độ hấp thụ nhỏ nhất. Ơ đây mô gan sẫm màu hơn đã hấp thụ bức xạ laser mạnh hơn. Loại u Dòng chuột Năng lượng hấp thô % Tỷ số năng lượng hấp thụ của Ruby và Nd: YAG Ruby 694,3 nm Nd:YAG 1060 nm Melanoma Claudman S-91 DBA, F1 100 50 2,0 Andenocarxlnoma dạ dày C57BL/6JN 88 47 1,78 Malenoma Harding- Passl CDFL 82 26 3,15 Adenocarxinoma tuyến sữa CDFL 61 32 1,91 Sarcoma Luis T-241 C57BL/6JN C57BL/6JN 57 37 26 22 2,19 1,68 Adenocarcinoma tuyến sữa Ba1b/C 34 17 2,0 Ung thư da Ba1b/C 20 10 2,0 Bảng 2.5 : Năng lượng hấp thụ của các khối u động vật đối với laser Ruby và Nd: YAG Trong ung thư học, phương pháp quang động học PDT đã vượt khỏi phạm vi phòng thí nghiệm. Trong phương pháp này các chất cảm quang đóng vai trò quan trọng. Vì thế sự hấp thụ bức xạ của chúng cũng được quan tâm đúng mức. 1.2.4: Kết luận Sự hấp thụ và độ xuyên sâu là hai yếu tố có vai trò hàng đầu trong việc xác định khả năng ứng dụng của laser trong y học. Hai đại lượng này tỷ lệ nghịch với nhau một cách phức tạp, và để đơn giản ta có thể coi chúng ở dạng hàm e mũ (định luật Lambert- Beer). Sự hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ laser và vào hệ số hấp thụ. Nói cách khác, nó phụ thuộc vào bản chất vật lý của laser và đặc trưng sinh học của tổ chức sống. Sự hấp thụ không chỉ phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ laser và hệ số hấp thụ mà còn vào sự phản xạ và tán xạ. Bước sóng càng ngắn thì sự phản xạ (trên bề mặt da) và sự tán xạ càng mạnh. Vì thế laser vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần có độ xuyên sâu lớn hơn vùng tử ngoại. Tuy nhiên quy luật trên bị phá vỡ khi chuyển sang vùng hồng ngoại trung bình và vùng hồng ngoại xa. Khi đó do nước có độ hấp thụ quá mạnh nên bức xạ laser có độ xuyên sâu rất thấp. Độ hấp thụ của hemoglobin có cực đại ở vùng tử ngoại nên các laser excimer (vùng tử ngoại) có ưu thế trong tạo hình mạch. Độ xuyên sâu của laser CO2 (l= 10,6mm, ở vùng hồng ngoại xa) là rất thấp nên có ưu thế trong phẫu thuật nh­ là một con dao mổ đặc biệt. Các khối u có độ hấp thụ laser mạnh, cho phép dùng laser trong ung thư học Vì tất cả các nguyên nhân trên nên bức xạ laser chỉ xuyên sâu được một độ sâu tới một vài mm trong các tổ chức sinh học. Khi ứng dụng laser vào trong y sinh học ta cần ghi nhớ điều này. II: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LASER TRONG Y HỌC 2.1: Giới thiệu chung Trong khi ở một số lĩnh vực khác, công nghệ laser đã có kinh nghiệm ứng dụng hàng chục năm thì ở lĩnh vực y học việc ứng dụng kỹ thuật laser chỉ mới ở giai đoạn khởi đầu. Riêng trong lĩnh vực phẫu thuật, hiện nay công nghệ laser đã tìm được cho mình một chỗ đứng khá vững chắc. Các phương pháp áp dụng trong lĩnh vực này đều tận dụng được những tính chất vật lý của laser, đặc biệt là cho phép làm việc chính xác trong một khoảng thời gian ngắn, đồng thời hạn chế rất nhiều việc đòi hỏi sức chịu đựng của bệnh nhân. Các lĩnh vực ứng dụng trải dài từ hiệu ứng kích thích sinh học, quang cắt và phá hủy các cấu trúc sinh học bằng nhiệt tới việc lấy đi và là phẳng các mô. Gần đây công nghệ laser cũng đã thâm nhập vào ngành chuẩn đoán y học và nha khoa. Dưới tác dụng của ánh sáng laser, mô sinh học sẽ thay đổi cấu trúc của nã. Ở đây các quá trình xảy ra giữa các photon và các phân tử về chi tiết hầu như chưa được giải thích. Dạng và tiến trình các phản ứng phụ thuộc vào bản chất của mô bị chiếu xạ cũng như vào bước sóng, mật độ năng lượng và thời gian chiếu xạ laser đã dùng. Chúng được chia thành ba loại : Các hiệu ứng quang hóa ở mật độ công suất thấp, thời gian chiếu xạ dài; các hiệu ứng nhiệt ở mật độ suất cao, thời gian chiếu xạ ngắn; các hiệu ứng quang phi tuyến ở mật độ công suất cực lớn và thời gian chiếu xạ siêu ngắn. Trong y học hiện nay đa số ứng dụng các tương tác quang động học và nhiệt học của ánh sáng laser với mô sinh học. 2.2: Liệu pháp laser quang động học Với liệu pháp điều trị khối u quang học bằng ánh sáng laser, bệnh nhân được tiêm, uống hay đưa vào cục bộ một chất quang tăng nhạy (photosensibilisator). Hoạt chất nhạy cảm với ánh sáng này sẽ tập trung với nồng độ rất cao ở mô khối u. Sau đó chiếu xạ vùng khối u bằng ánh sáng laser. Tại đây sẽ xảy ra quá trình quang hóa, chất quang tăng nhạy sẽ truyền năng lượng thu được qua sự hấp thụ ánh sáng cho các phân tử khác. Khi đó sẽ xuất hiện những hợp chất có hoạt tính cực mạnh gọi là các gốc, chúng sẽ phản ứng với các phân tử tế bào khác và qua đó phân hủy mô bị bệnh một cách có chọn lọc. Các chất quang tăng nhạy còn tạo được một khả năng khác để sử dụng kỹ thuật nào vào trong y học. Đó là khả năng giao lại bằng cách tự phát quang năng lượng kích thích dưới dạng ánh sáng, tức là hiện tượng huỳnh quang. Nếu một chất quang tăng nhạy như vậy được làm giàu một cách có chọn lọc trong khối u thì qua quá trình quang kích thích bằng ánh sáng và sự chứng minh bằng ánh sáng huỳnh quang khi có bức xạ, chúng ta có phương pháp che khối u (turmo screening). Liệu pháp laser quang động học ngày nay đã được ứng dụng cho hầu hết những cơ quan mà phương pháp nội soi có thể cập nhật: các khoa tai mòi họng, khoa dạ dày-ruột (tuyến dạ dày-ruột lên đến thực quản), khoa tiết niệu và phụ khoa, khoa da liễu. Thực tế cho thấy liệu pháp laser quang động học đặc biệt thích hợp với việc trị liệu những khối u hoặc nhỏ hoặc trên bề mặt cũng như chiếu xạ bề mặt cho các vùng niêm mạc loạn hình, tức là các phát triển sai lạc. Các chất quang tăng nhạy hiện đại, trong trường hợp lý tưởng được dùng cho cả trị liệu lẫn chuẩn đoán, có độ chọn lọc cao đối với các khối u lành-ác, có tác dụng phụ không đáng kể và có khả năng hấp thụ ánh sáng rất cao. Nếu dùng axit d-aminolevulin thì lúc đầu chưa có tính chất này. Axit d-aminolevulin là một chất do cơ thể sinh ra, xuất hiện như là sản phẩm trung gian trong sù sinh hợp porphyrin. Với chức năng là thành phần chất màu của hồng huyết cầu (chất màu của máu) và diệp lục tố (chất màu của lá cây), các porphyrin là những chất cơ bản quan trọng cho sự sống. Khi thừa porphyrin do đưa từ ngoài vào, chẳng hạn qua đường miệng, sẽ gây ra rối loạn tức thời. Hệ quả là có sự gia tăng việc sản sinh ra một chất nhạy ánh sáng là protoporphyrin. Sau 4 đến 6 giê khi cấp một liều axit d-aminolevulin nồng độ của chất quang tăng nhạy trong tuyến dạ dày-ruột đạt cao nhất. Ở các khối u ruột khi đó sẽ có sự tích lũy một lượng cao gấp sau tám lần. Sau đó chiếu xạ bằng ánh sáng laser ở cực đại hấp thụ của chất quang tăng nhạy sẽ phá hủy các khối u ở niêm mạc và các loạn sản (dysplasie) niêm mạc chỉ trong từ ba đến bốn ngày. Còn chính ánh sáng laser không để lại di chứng nhiệt gì ở mô vì đã chọn mật độ công suất thích hợp. Hiện tượng xuất huyết hay lỗ thủng ở các cơ quan là hoàn toàn không thể có. Người ta cũng có thể dùng protoporhyrin cho việc chuẩn đoán. Huỳnh quang đỏ đặc trưng cho loại hợp chất này có thể được kích thích bằng laser. Qua tích lũy chọn lọc chất quang tăng nhạy trong các tế bào đã thay đổi một cách loạn hình bởi các u ác, huỳnh quang giới hạn một cách rõ rệt với mô xung quanh và khi quan sát qua máy nội soi cũng có thể nhận biết bằng mắt thường. Phương pháp dò bằng huỳnh quang này đã được áp dụng ở một số chuyên khoa nhưng hiện nay nó vẫn ở giai đoạn thử nghiệm. Tuy là một phương pháp có độ chọn lọc cao về nguyên tắc nhưng liệu pháp laser quang động học vẫ còn nhược điểm mặc dù thử nghiệm lâm sàng cho những thử nghiệm khả quan. Hạn chế của phương pháp là chỉ một số rất Ýt chất nhạy sáng thỏa mãn những tiêu chuẩn lâm sàng. Và ngay cả những chất đang được dùng rộng rãi cũng chưa hẳn là tối u. Vì thế những nghiên cứu mới nhất trên thế giới đều hướng trọng tâm vào tìm kiếm chất nhạy sáng mới ưu thế hơn. 2.3: Liệu pháp laser nhiệt Ứng dông laser thông thường nhất trong ngành phẫu thuật là dùa vào hiệu ứng nhiệt. Khả năng ứng dụng của laser nhiệt dùa trên hai triệu chứng nổi bật: quang đông và bay hơi tổ chức. Rất nhiều loại laser có thể gây ra các hiệu ứng này, tuy nhiên do nhiều nguyên nhân (đặc tính vật lý của laser, đặc tính sinh học của tổ chức, giá thành, giải pháp kỹ thuật…), chỉ có một số không nhiều các loại laser nhiệt đáp ứng được các đòi hỏi về lâm sàng. Các loại laser nhiệt này được thống kê trong bảng 2.6. Ưu thế của phẫu thuật laser có thể được tóm tắt nh­ sau: Kỹ thuật không tiếp xúc Vết mổ khô Giảm chảy máu Giảm phù nề Hạn chế tạo sẹo và tắc nghẽn Không gây nhiễu thiết bị cảnh giới Hạn chế các tế bào ung thư bị bỏ sót, giảm tái phát và lan tỏa Chính xác Hạn chế dụng cụ can thiệp vào mổ Giảm đau sau phẫu thuật Khử trùng vết mổ Có thể dùng nội soi Không gây tổn thương gen và ung thư (khác với bức xạ ion hóa) Loại laser Kiểu phát l(mm) P(W) Chất lượng Hiệu ứng Lĩnh vực y học Ar Liên tục (cw) 0,488 10 Hấp thụ đặc hiệu Hemoglobin và melanin Quang đông Phẫu thuật Tiết niệu Răng miệng Mắt Ar-Dye cw 0,488 0,788 3 Hấp thụ đặc hiệu chromophores tự nhiên và nhân tạo Quang đông, quang hóa Phẫu thuật Tạo hình Da liễu Nd:YAG cw 1,06 100 Hấp thụ thể tích Quang đông Phẫu thuật Tiết niệu Phô khoa Thần kinh Tiêu hóa Phổi Nd:YAG xung 1,06 1mW/x Hiệu ứng quang cơ Phân hủy quang Mắt CO2 cw 1,06 30 (100) Nước hấp thụ mạnh Cắt Phẫu thuật Tiết niệu Phô khoa Thần kinh Hàm mặt Bảng 2.6 : Mét số loại laser thông dụng trong y học Những ưu điểm nổi bật trên giúp laser tạo được cuộc cách mạng trong ngọi khoa, ngoại trừ nhược điểm giá thành cao. Hiện nay việc sử dụng các thiết bị laser ngày càng trở nên phổ biến trên phạm vi toàn cầu. Sau đây là một số ứng dụng đầy Ên tượng của laser nhiệt: 2.3.1: Laser nhiệt trong quang đông Về nguyên tắc, tất cả các laser có công suất không quá lớn, chế độ phát liên tục (thời gian tác dụng dài) đều có thể áp dụng trong quang đông. Tuy nhiên ưu thế thuộc về laser Argon và laser Nd: YAG do đặc tính hấp thụ và việc dễ dàng dùng với quang sợi mềm không đắt tiền. Ta cũng có thể dùng laser CO2 để làm quang đông bề mặt nhưng không thể dùng nội soi vì việc truyền trên quang sợi với vùng hồng ngoại xa là hết sức khó khăn. Laser Argon phát xạ ở bước sóng 500nm, ánh sáng xanh, được hấp thụ chọn lọc bởi hemoglobin. Do đó các ứng dụng chủ yếu của laser này là trong các ngành có liên quan đến huyết học. Laser Argon được dùng trong hàn mạch máu, phá u máu và phá hủy có chọn lọc các tổn thương trong trường hợp chảy máu động mạch. Đây cũng là công cụ lý tưởng để xử lý các trường hợp chảy máu dạ dày. Laser Nd: YAG phát xạ ở vùng hồng ngoại gần (1064nm), có đặc trưng hấp thụ thể tích và độ xuyên sâu trong tổ chức gấp bốn lần so với Argon. Do đó hiệu quả hơn Argon trong hàn mạch và chảy máu động mạch. Để đánh giá định lượng tác dụng của laser quang đông, người ta dùng khái niện độ sâu quang đông cực đại MCD (maximum coagulation depth). MCD không thay đổi khi công suất laser tăng quá một giới hạn nào đó. Tất nhiên nó phụ thuộc vào thời gian tác dụng và đường kính của chùm laser. 2.3.2: Laser nhiệt trong phẫu thuật Laser CO2 là loại laser có ưu thế hơn cả trong phẫu thuật. Trong quá trình phẫu thuật với laser CO2 người ta nhận thấy kết quả rất khả quan: giảm đáng kể sự mất máu, vùng thương tổn là tối thiểu và quá trình tái sinh diễn biến thuận lợi. So sánh với các phương pháp mổ thông thường khác ta thấy vết thương do dao mổ laser luôn có kích thước và diện tích tác dụng nhỏ hơn so với dao điện. Các ưu điểm của phẫu thuật laser so với các phương pháp phẫu thuật điện hoặc phẫu thuật lạnh là: - Dễ thao tác - Độ chính xác cao - Dễ chịu hơn cho bệnh nhân (ít chảy máu hơn, đỡ đau hơn và Ýt các rối loạn sinh lý sau đó hơn) Tuy nhiên, phẫu thuật dùng laser vẫn có nhược điểm truyền thống chưa khắc phục được là giá thành cao. Nếu khắc phục được nhược điểm này thì laser giữ vai trò số một trong các kỹ thuật phẫu thuật không chảy máu. 2.3.3: Laser nhiệt trong tim mạch Hiện nay có hai lĩnh vực ứng dụng laser trong tim mạch cho kết quả khả quan: tạo hình mạch và bóc líp trong điều trị nhịp thất nhanh. ưu thế của tạo hình mạch bằng laser thể hiện ở các mặt sau: Khoan được các mạch mới qua các mảng vữa xơ. Dễ dàng chuyển tải một năng lượng cần thiết qua quang sợi mềm. Có thể theo dõi sự lân quang của các mảng vữa xơ do tác dụng của chính bức xạ laser để điều khiển thời gian thực tiến trình điều trị. Cũng vì thế mà laser CO2 Ýt được dùng trong tạo hình mạch hơn laser Argon và Nd: YAG. Trong hai loại sau, Argon có ưu thế hơn vì đặc trưng hấp thụ của hemoglobin có cực đại hấp thụ nằm trong vùng bước sóng của Argon. Tác động của laser trên thành động mạch thậm chí được đánh giá về mặt định lượng, cho phép xác định liều tối ưu cho động mạch bị vữa xơ cụ thể. Nghiên cứu hình thái cho thấy tổn thương laser trên động mạch là rất giới hạn, chủ yếu là phá vỡ líp áo cơ, trong khi tổn thương mô đàn hồi là tối thiểu. Ngoài tạo hình mạch, bóc líp laser cũng được dùng để điều trị nhịp thất nhanh trong thiếu và nhồi máu cơ tim. Qua mét quang sợi, quang năng laser sẽ được dùng để cô lập hay ngắt các mạch dẫn ngược bệnh lý, và để phá hủy hoặc bóc tác nhân gây loạn nhịp. Trong kỹ thuật này, laser cũng chứng tỏ được ưu thế so với sốc điện. So sánh kết quả bóc laser và bóc điện cũng khẳng định ưu thế của laser. Ưu thế đó thể hiện ở hai khía cạnh: Tổn thương laser nhỏ hơn tổn thương điện nếu xét cùng mức năng lượng Những thay đổi điện sinh lý sau bóc laser Ýt hơn sau bóc điện 2.4: Một số ứng dụng khác Ngoài các ứng dụng dùa trên hiệu ứng quang hóa và nhiệt, hiện nay còn có một số ứng dụng dùa trên các hiệu ứng khác của laser. Trong đó các ứng dụng dùa trên trên hiệu ứng quang ion hóa và bóc líp bằng excimer đã cho những kết quả lâm sàng khả quan, chủ yếu trong tạo hình mạch. Khác với tạo hình mạch bằng laser nhiệt, tạo hình mạch bằng excimer bước sóng vùng tử ngoại không gây tổn thương đáng kể nên có thể dùng cho các động mạch cơ tim. Hiệu ứng phi nhiệt nh­ vậy chỉ xảy ra với các xung laser cực ngắn, năng lượng cao, nằm trong một dải hẹp ngưỡng. Cơ chế bóc líp phi nhiệt của laser laser excimer được giải thích nh­ sau: Tổ chức sinh học chứa các phân tử hữu cơ có kích thước lớn, giữa chúng là vô số các phân tử nước. Bức xạ tử ngoại chỉ bị hấp thụ bởi các phân tử hữu cơ và khi năng lượng đạt tới một giá trị ngưỡng các mạch hữu cơ này sẽ bị đứt gãy, xuất hiện các vô vi nổ trong một vùng thể tích khá lớn và nước bị đẩy ra khỏi vùng này. Ưu thế của bóc líp laser excimer là tổ chức sinh học được bóc từng líp mỏng, chỉ cỡ vài chục micromet. Với các xung 100 Hz nh­ vẫn được dùng trong thực hành, tốc độ bóc líp vĩ mô sẽ cỡ vài mm/ sec, thích hợp với các kỹ thuật tinh tế nh­ tạo hình mạch hay phẫu thuật giác mạc. Ngoài quang bóc líp trên, các xung laser còn được dùng để phá sỏi trên cơ sở hiệu ứng quang cơ. Các tổn thương cơ học xuất hiện do nhiều nguyên nhân bao gồm: Áp suất ánh sáng gây nên bởi các photon xung lượng đủ lớn Điện trường mạnh của bức xạ laser khi tương tác với chất điện môi sẽ tạo nên các momen lưỡng cực điện và làm phân bố các điện tích dẫn tới sự xuất hiện của các momen quay cơ học. Áp suất giật lùi: sự bốc bay của các hạt vật chất từ bề mặt tổ chức, theo định luật bảo toàn momen xung lượng sẽ tạo thành các xung cơ học (áp suất giật lùi) ngược với hướng chuyển động của các hạt, tức là cùng với hướng của chùm laser chiếu tới. Giãn nở nhiệt nhanh dẫn tới các xung áp suất (sóng âm) dưới dạng sóng xung kích. Sự tạo hơi bên trong tổ chức bị chiếu cũng sẽ tạo áp lực cơ học bổ xung. Đánh thủng điện môi do các điện trường vượt quá giá trị ngưỡng, cỡ 105 V/cm2, ứng với các laser công suất đỉnh lớn. Với giá trị mật độ năng lượng đủ lớn, điện trường của ánh sáng laser trở thành tham sè quan trọng xác định diễn biến của các hiệu ứng quang cơ. Do tác dụng đồng thời của của nhiều quá trình phức tạp kể trên, các xung kích được hình thành và gây nên các hiệu ứng dùng trong lâm sàng như phá sỏi bằng nội soi với chi phí thấp. 2.5: Hướng phát triển Những tiến bộ vượt bậc của laser y tế đã xảy ra trong 10 năm gần đây. Các hệ thống laser ngày càng được cải thiện để đáp ứng các nhiệm vụ y tế. Tất cả các tiếp xúc laser- tế bào đều được ứng dụng điều trị : quang hóa, quang nhiệt, phẫu thuật quang và quang cơ. Những hệ thống bao gồm cả thông tin chuẩn đoán để tạo tham số chiếu xạ. Tóm lại trong tương lai sẽ có các tiến bộ sau: Tiến bé trong các hệ thống: (a) ứng dụng quang (phán xạ chiếu xạ và phát xạ) và các tín hiệu chuẩn đoán siêu âm. (b) ứng dụng các sợi riêng rẽ hoặc ống dẫn sóng để truyền hoặc tìm bước sóng dưới 2,5 mm. Phát triển các hệ thống điều khiển có phản hồi của các tham số phát xạ để thay thể chùm laser. Các hệ thống này dùng các tín hiệu quang, nhiệt, siêu âm hoặc MRI để điều khiển. MRI có ưu điểm quan sát được nhiệt độ tại vùng tế bào trong suốt quá trình phẫu thuật. Phân bố nhiệt độ 3 chiều có thể cung cấp điều khiển phản hồi hay quan sát các vùng trong quá trình qung động học. Các kích thích sẽ phát triển trong trong phạm vi chod laser bằng cách tạo ra công suất và xung năng lượng cao thay thế các hệ thống laser khí đắt đỏ trong chi phí và hoạt động. Chắc chắn những tiến bộ trong các hệ thống laser sẽ phát triển liên tục dùa trên những công nghệ hiện có. Trong tương lai các thiết bị laser sẽ được ứng dụng nhiều hơn trong y tế và trở thành một phương tiện không thể thiếu trong các bệnh viện. III: PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ LASER TRONG Y HỌC Các thiết bị laser dùng trong y tế được chia thành hai nhóm chính: Các loại laser dùng trong chuẩn đoán bệnh Các loại laser ứng dụng trong điều trị 3.1: Các thiết bị laser dùng trong chuẩn đoán Thông thường, các thiết bị laser này được sử dông nh­ nguồn sáng kích thích huỳnh quang của ngững chất khác nhau trong các tổ chức sống. Trên cơ sở nghiên cứu phổ huỳnh quang ta có thể đánh giá chính xác chất lượng cần đo giúp cho việc chẩn đoán chính xác chức năng của các tổ chức khác nhau. 3.2: Các thiết bị laser dùng trong điều trị Nhóm thiết bị này đã được đầu tư phát triển rất nhanh chóng và đa dạng. Đến nay đã có khoảng 30 loại laser khác nhau đang được ứng dụng trong điều trị. Có thể chia nhóm này thành hai phân nhóm: Nhóm các thiết bị ở đó tính chất đơn sắc của laser mang tính quyết định: Với các laser loại này, người ta có thể điều chỉnh kích thích các quá trình quang sinh hóa của tổ chức sống giúp cơ thể tự chữa khỏi bệnh. Các hệ thống laser trên thường có công suất thấp, không gây nhiệt khi tương tác với tổ chức sống, cho nên trong y học chúng thường được gọi là laser công suất thấp, laser lý liệu (therapeutical laser) hoặc laser mềm (soft lasser) Nhóm các laser công suất cao: Bức xạ laser hội tụ có thể gây hoại tử, quang đông hoặc bốc bay các mầm bệnh tùy thuộc vào công suất của laser hoặc độ hội tụ, khả năng hấp thụ ánh sáng của mầm bệnh…Các hệ thống laser này được gọi là laser công suất cao, laser phẫu thuật (surgical laser) hay laser rắn (hard laser). 3.3: Các hệ laser công suất thấp Như đã nói ở trên, các hệ thống laser công suất thấp tạo hiệu ứng kích thích sinh học trên cơ thể sống nhờ tính đơn sắc cao. Vì vậy với hệ thống laser này bước sóng và độ đơn sắc có ý nghĩa quyết định hiệu quả điều trị. Các hệ thống laser có hiệu ứng kích thích sinh học được tổng hợp ở bảng sau theo thứ tự hiệu quả thấp dần. Loại laser Bước sóng (nm) Độ rộng phổ (A) Công suất Laser He-Ne 632,8 0,01 1-10 mW Laser diode GaAs 890 0,3-10 4-15 mW (liên tục) 5-30 W (xung) Laser diode đa chuyển tiếp 680 1-10 4-10 mW (liên tục) 1-20 mW (xung) Laser He-Cd 441,6 0,1 5-20 mW Laser màu 400-800 0,0001-0,1 1-10 mW Bảng 2.7 : Các loại laser lý liệu chính Một thiết bị laser lý liệu với cấu hình tối thiểu có sơ đồ khối được mô tả như hình sau: §Çu ph¸t laser §Çu ghÐp §Çu r¶i tia Nguån nu«i Bé chän thêi Bé ®iÒu chÕ Sîi quang §Çu bót soi Hình 2.9: Sơ đồ khối của laser lý liệu điển hình Các hệ thống laser lý liệu phổ biến có hai dạng: Dạng thứ nhất: đầu phát laser bố trí trên giá đỡ có thể điều chỉnh hướng phát laser dễ dàng, bộ nguồn và bộ điều khiển bố trí trong một hộp riêng Dạng thứ hai: cả đầu phát và bộ nguồn, bộ điều khiển được sắp xếp trên cùng một hộp máy. Các máy dạng đầu có độ linh hoạt cao, nhưng độ tin cậy không thật cao. Các hệ máy sau có độ an toàn cao hơn nhưng cồng kềnh phải nối vớiquang sợi, giá thành cao. Để tăng cường hiệu quả điều trị của thiết bị dùa trên hiệu ứng hai bước sóng, người ta còn chế tạo các loại máy COMBI gồm nhiều loại laser với bước sóng khác nhau, thông thường kết hợp một loại laser He- Ne với một hoặc vài laser diode vùng hồng ngoại. Một dạng đặc biệt cũng thuộc thiết bị laser lý liệu là các thiết bị chuyên dụng trong châm cứu. Cần phân biệt hai dạng thiết bị: * Thiết bị với mật độ công suất thấp khi chiếu lên huyệt không làm tăng nhiệt độ. Các thiết bị này được gọi là laser châm. * Dạng thứ hai thường sử dụng mật độ công suất cao hơn và khi chiếu lên huyệt làm tăng nhiệt độ lên 2- 3°C so với vùng xung quanh. Các thiết bị này được gọi là laser châm cứu. Theo thống kê của các tác giả Trung Quốc, các hệ laser châm cứu có hiệu quả hơn các hệ laser châm, và các laser châm cũng tốt hơn phương pháp dùng kim thông thường. Trong hệ laser châm, tia laser được dẫn bằng quang sợi, đầu quang sợi được lắp vào bót. Với đầu bót nh­ vậy, chúng ta có thể thiết kế một hệ thống dò huyệt và khi tìm đúng huyệt sẽ bật máy laser. Thiết bị này cũng cho phép vừa châm cứu bằng điện vừa châm cứu bằng laser. Các thiết bị châm cứu hiện đại hơn thường được sử dụng nhiều laser He-Ne hoặc laser bán dẫn, mỗi laser đều được phép nối với quang sợi. Các thiết bị này cho phép châm cứu đồng thời nhiều huyệt cùng một lúc. Cuối cùng cần nói về độ phổ biến của thiết bị. Các thiết bị laser He-Ne thường được phổ cập rộng rãi nhất, đặc biệt với các tổn thương bề mặt và các tổn thương nông. Với tổn thương sâu hơn, các laser bán dẫn vùng hồng ngoại có hiệu quả hơn. Bức xạ của các loại laser này có khả năng xuyên sâu 3- 4 cm, do vậy tác dụng châm cứu cũng tốt hơn ở vùng ánh sáng nhìn thấy. 3.3: Các hệ laser công suất cao Các hệ laser công suất cao được phân chia thành bốn nhóm thiết bị: * Các thiết bị laser dùng để quang đông hoặc bốc bay tổ chức dùa theo hiệu ứng nhiệt. Đây là các thiết bị laser phổ biến nhất hiện nay: Laser Bước sóng (nm) Công suất (W) Lĩnh vực ứng dụng Nd: YAG 1,064 10- 150 Quang đông sâu bốc bay khối u Nd: YAG 1,318 5- 40 Quang đông sâu bốc bay khối u CO2 10,6 5- 100 Mổ xẻ, quang đông nông Ion Argon 488; 515 3- 20 Quang đông nông CO 5-6000 5- 20 Mổ xẻ, quang đông nông Hơi đồng 511, 548 10- 50 Mổ xẻ Bảng 2.8 : Các laser tạo hiệu ứng nhiệt * Các thiết bị dùa trên hiện tương quang hoạt hóa của bức xạ laser (photodynamic therapy). Nhóm các thiết bị này phát triển nhanh vì có thể đây là một trong những phương pháp có hiệu quả cao trong chẩn đoán và điều trị ung thư. Laser Bước sóng (nm) Công suất (W) Lĩnh vực ứng dụng Rodamin B (laser màu) Laser vàng 630 628 0,5- 4 2- 10 Chuyên khoa ung thư Bảng 2.9 : Các laser theo phương pháp quang hoạt hóa * Các thiết bị dùa trên hiệu ứng quang bóc líp. Về cơ bản đó là những laser vùng cực tím phát xung ngắn (laser excimer). Laser Bước sóng (nm) Năng lượng xung (J) Công suất (W) Lĩnh vực ứng dụng ArF 193 5- 15 10- 15 Chuyên khoa mắt Phẫu thuật mạch KrF 248 5- 15 10- 15 XeCl 308 5- 15 10- 15 XeF 351 5- 15 10- 15 Bảng 2.10 : Các loại laser tạo hiệu ứng quang bóc líp * Các laser công suất cao, thời gian cực ngắn cỡ ns hoặc nhỏ hơn, các laser này hội tụ lại sẽ tạo ra các sóng xung kích có thể phá được sỏi. Laser Bước sóng (nm) Năng lượng xung (J) Độ dài xung (ns) Ứng dông Nd: YAG 1,064 40- 100 10 Phá sái Laser màu 430 750 50- 100 Laser màu 590 60 1,500 Bảng 2.11 : Các laser tạo sóng xung kích Ta thấy có nhiều loại laser được ứng dụng. Tuy vậy, hiện nay về cơ bản có bốn loại laser ứng dụng phổ cập nhất. Đó là laser Nd: YAG, Laser CO2, laser Argon và laser màu. Các loại laser khác Ýt phổ cập hơn. Các hệ thống laser phẫu thuật phức tạp hơn nhiều so với laser lý liệu. Một hệ thống bất kỳ đều có máy laser, hệ thống dẫn tia đến vùng cần sử lý hoặc ghép nối với các hệ y tế khác, các hệ thống kiểm tra chất lượng chùm tia, công suất laser, hệ thống khống chế thời gian phát laser và hệ thống đảm bảo an toàn. §Çu ph¸t laser HÖ lµm l¹nh Nguån nu«i §iÒu khiÓn ®ãng më §o liÒu §o c«ng suÊt §iÒu khiÓn tõ xa Bµn ®¹p Nguån s¸ng Sîi quang HÖ thèng dÉn ®­êng Khíp nèi Lµm l¹nh TÝn hiÖu b¸o ®éng Nguån ®iÖn PhÝa trong laser PhÝa ngoµi laser Hình 2.10 : Sơ đồ khối một hệ laser phẫu thuật Điểm khác nhau cơ bản giữa các hệ thống laser phẫu thuật là các tính năng của đầu phát laser và hệ thống dẫn tia đến vùng cần xử lý. Về tính năng của đầu phát ta đã mô tả ở những bảng nói trên, các hệ thống dẫn tia chia làm hai loại: (1) loại sử dụng cho dây quang sợi, thường dùng cho các laser có bước sóng từ 300nm đến 3000nm; (2) loại sử dụng các trục khuỷu có gắn gương phản xạ dùng cho laser phát ở vùng cực tím với bước sóng nhỏ hơn 300 nm, vùng hồng ngoại với bước sóng lớn hơn 3 mm. Các hệ thống laser Nd: YAG, laser khí Argon thường ghép nối với dây quang sợi còn laser CO2 bao giê cũng đi kèm hệ thống trục khuỷu. Các hệ thống có dây quang sợi có độ linh động cao, có khả năng ghép nối với các ống nội soi mềm để sử lý tổn thương bên trong. Các hệ thống dẫn đường bằng trục khuỷu có ưu điểm xử lý bề mặt tốt, hệ thống 7 gương có khả năng linh động cao và vùng xử lý rộng. Bức xạ của các loại laser phẫu thuật ở vùng cực tím và vùng hồng ngoại không nhìn thấy được. Nhiều thiết bị cao cấp thường ghép thêm laser He- Ne 1- 5W có hướng phát đồng trục với laser chính để giúp cho việc điều chỉnh và ngắm chính xác điểm chiếu IV: AN TOÀN LASER TRONG Y TẾ 4.1: Ảnh hưởng hiệu ứng sinh học của tia Laser. Để hiểu biết về các mức độ nguy hiểm khi sử dụng laser đòi hỏi người dùng phải có kiến thức tổng quát về các hiệu ứng của Laser về mặt sinh học. Người dùng cần phải hiểu các hiệu ứng của Laser khác nhau đối với da và mắt để đánh giá sự rủi ro của mình cũng như đối với những người xung quanh. Thật ra thì cũng cần phải có các kiến thức về rủi do do ánh sáng tử ngoại, nhìn thấy, hồng ngoại từ những nguồn sáng khác nhau để giảm thiểu sự rủi ro có thể xảy ra. Hình 2.11: Các tổn thương tiềm năng của cấu trúc mắt phụ thuộc vào vị trí cơ bản của năng lượng hấp thô . Sự phụ thuộc này phụ thuộc chặt chẽ vào dảI phổ của các bức xạ quang chiếu vào. Đối với các bộ phận trên cơ thể người thì mắt là bộ phận dễ bị tổn thương nhất, các tính chất hấp thụ của các cấu trúc khác nhau của đôi mắt thay đổi theo bước sóng nh­ biểu diễn ở hình trên. Bàn luận về ảnh hưởng của hiệu ứng sinh học chúng ta cần phân chia một cách có hệ thống phổ quang học ra thành 7 dải phổ khác nhau theo tiêu chuẩn của CIE (uỷ ban quốc tế về phát xà quang học). Các dải phổ được biểu diễn nh­ trong hình 2.12 100 260 315 400 760 1400 3000 UV-C UV-B UV-A VISIBLE IR-A IR-B IR-C HiÖu øng cã h¹i §é xuyªn qua da cña sù ph¸t x¹ (®é s©u) §­êng tham kh¶o UV- ®ôc thñy tinh thÓ Photokeratitis VÕt báng vâng m¹c Ban ®á VÕt báng da do nhiÖt IR- ®ôc thñy tinh thÓ Hình 2.12: Các bức xạ quang rủi ro phụ thuộc vào dải phổ CIE. Các hiệu ứng ngược cơ bản đối với mỗi dải phổ được biểu diễn như hình trên. Tuy nhiên với mức năng lượng đủ lớn, một số hiệu ứng cũng có thể xảy ra bên ngoài vùng phổ (ví dụ VA-A gây ra tổn thương cho võng mạc) Có Ýt nhất 5 kiểu rủi ro khác nhau đối với mắt và da do Laser và các nguồn quang khác: Tia tử ngoại gây các tổn thương về quang hoá đối với da (các hiệu ứng ban đỏ và các chất gây ung thư), giác mạc (photokeratites , ví dụ loé sáng như hàn), tính chắn sáng của thấu kính (bệnh đục thuỷ tinh thể) đối với mắt từ đáy của vùng tử ngoại tới đáy của vùng có bước sóng ngắn của vùng nhìn thấy (180 nm tới 400nm). Tổn thương nhiệt đối với võng mạc mắt xảy ra cả ở vùng nhìn thấy và vùng phổ IR- A (dải 400- 1400nm). Tổn thương quang hoá ánh sáng xanh tới võng mạc của mắt (photic maculophathy), thường xảy ra đối với bước sóng từ 400-550 nm. Các nguy hiểm do hiệu ứng nhiệt của ánh sáng gần vùng tử ngoại gây ra đối với thấu kính của mắt (bệnh đục thuỷ tinh thể do sức nóng công nghiệp), thường xảy ra đối với bước sóng trong dải từ 800nm- 3000nm. Tổn thương nhiệt đối với da (với bước sóng từ 400nm - 1mm) và đối với võng mạc mắt ( với bước sóng xấp xỉ 1400nm tới 1mm). Không chỉ phá huỷ các cơ cấu sinh học (vÝ dụ nhiệt, nhiệt cơ, quang hoá) Laser còn đóng vai trò quan trọng trong số các khả năng về tổn thương có thể xảy ra mà các tính chất hấp thụ năng lượng cũng quan trọng như 2 hình trên. Cuối cùng, một số hiệu ứng sinh học còn sinh ra các tổn thương thoáng qua chỉ một vài ngày hay một vài tuần (ví dụ như tổn thương photokeratites là một tổn thương dễ bị viêm ở giác mạc nhưng do biểu mô ở giác mạc có khả năng phục hồi nhanh chóng nên dấu hiệu của tổn thương này chỉ tồn tại một vài ngày rồi biến mất sau khi được chiếu sáng). Trái lại, tổn thương võng mạc thường là vĩnh viễn mặc dù có một số mô sửa (và tiêu tan do xuất huyết vẫn xảy ra) sẽ làm giảm thiểu những mất mát về khả năng nhìn. Laser hoạt động ở vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng gần tử ngoại (IR- A) “ rủi ro võng mạc” (400- 1400 nm) làm đe doạ nghiêm trọng tới võng mạc và bởi vì những loại Laser này làm mất khả năng nhìn một cách nghiêm trọng nếu lé sáng bất ngờ. Các rủi ro đối với mỗi loại Laser khác nhau thì khác nhau đối với mỗi vùng bước sóng ánh sáng mà chúng hoạt động phụ thuộc vào loại Laser có bước sóng liên tục hay là xung và liệu bước sóng có đủ nhỏ để sinh ra tổn thương quang hoá không. Không giống như Laser Argon liên tục có thể làm đông võng mạc nếu lé sáng bất ngờ, Q- switched hay các loại Laser xung ngắn khác có thể gây ra tổn thương nghiêm trọng ở trong võng mạc nếu tập trung tại đó gây ra các vấn đề chảy máu tràn dịch. Trường hợp xấu nhất gặp phải xảy ra khi dòng chuẩn trực tập trung vào mắt đang mở to thư giãn hay dòng phân kì được tạo thành ảnh ở trên một điểm ở trên võng mạc khi mắt tập trung vào nhìn dòng sáng chiếu tới. Kích thước ảnh tối thiểu hiện trên võng mạc có đường kính khoảng từ 10-20 , độ khuyếch đại quang từ giác mạc đến võng mạc là khoảng 100.000 lần, vì vậy, các năng lượng Q- switched có độ lớn 1khi vào mắt sẽ gây ra tổn thương tối đa cho giác mạc. 4.2: Các chuẩn về an toàn. Việc hệ thống Laser đầu tiên được sử dụng rộng rãi đã làm phát sinh một câu hỏi về vấn đề an toàn Laser. Đến năm 1968 một uỷ ban các chuyên giađược thành lập để đưa ra các phác thảo sơ bộ các chuẩn về an toàn Laser. Dưới sự bảo trợ của viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ (ANSI), uỷ ban Z- 136 được thành lập và mọi người đồng lòng phát hành chuẩn đầu tiên vào năm 1973. Chuẩn này đã được sửa đổi 3 lần và soạn thảo tập trung vào lĩnh vực cáp quang và các ứng dụng y học. Chuẩn ANSI năm 1973 đã được ứng dụng rộng rãi và được coi là cơ sở luật pháp của chính quyền do cơ quan giám sát thuốc men và thực phẩm (FDA) đảm nhận được xuất bản lần đầu vào năm 1975, có hiệu lực vào năm 1976 và được chỉnh lý đến tận ngày nay. Hướng dẫn an toàn đầu tiên là các thủ tục được quy ước dùa trên những hiểu biết về quang học và những sự đánh giá chung về khả lé sáng ngẫu nhiên. từ những gợi ý ban đầu này, một hệ thống phân loại các rủi ro được phát trển để đơn giản hoá sự phân tích các rủi ro. Sự phân loại rủi ro này từ đó đến nay đã được thay đổi các khuyến nghị về xử lý rủi ro vẫn được cập nhật để áp dụng cho các mới và làm phong phú thêm các kinh nghiệm về các tổn thương ngẫu nhiên và gần ngẫu nhiên. 4.3: Phân líp nguy hiểm cho Laser. Việc phân líp nguy hiểm cho Laser đã được nhận định ngay từ đầu khi đặt vấn đề phát triển chuẩn hoá các tiêu chuẩn an toàn của Laser bằng cách thực hiện theo một quá trình an toàn nhất định, mỗi thứ không thể tiên đoán được tất cả các chùm tia Laser có thể lé sáng tới da và mắt. Đo đạc năng lượng Laser thì công suất và bức xạ thường đặt ra một vấn đề nghiêm trọng. Việc mong muốn có một nhân viên an toàn, nhà vật lý sức khoẻ hay nhân viên vệ sinh công nghiệp là điều không thực tế cho việc cần thiết đào tạo nâng cao để thực hiện toàn bộ việc đo đạc một cách tin cậy. Tia cực tím. Bước sóng (nm) Độ rộng xung t (s) Giới hạn lé sáng. 180 - 302 1 ns - 30 ks. 3 mJ/ cm2 303 1 ns - 30 ks 4 mJ/ cm2 304 1 ns - 30 ks 6 mJ/ cm2 305 1 ns - 30 ks 10 mJ/ cm2 306 1 ns - 30 ks 16 mJ/ cm2 307 1 ns - 30 ks 25 mJ/ cm2 308 1 ns - 30 ks 40 mJ/ cm2 309 1 ns - 30 ks 63 mJ/ cm2 310 1 ns - 30 ks 0,1 J/ cm2 311 1 ns - 30 ks 0,16 J/ cm2 312 1 ns - 30 ks 0,25 J/ cm2 313 1 ns - 30 ks 0,40 J/ cm2 314 1 ns - 30 ks 0,63 J/ cm2 315 - 400 1 ns - 10 s 0,56 t3x4 J/ cm2 315 - 400 10 s - 30 ks 1 J/ cm2 Bảng 2.12: Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser. Tia nhìn thấy và hồng ngoại loại A. Bước sóng (nm) Độ rộng xung t (s) Giới hạn lé sáng. 400 - 700 1 s - 18s 0,5J/ cm2 400 - 700 18 s - 10 s 1,8 t3/4 mJ/ cm2 400 - 550 10 s - 10 ks 10 mJ/ cm2 550 - 700 10 s - T1 s 1,8t3/4 m J/ cm2 550 - 700 T1 s - 10 ks 10 CB J/ cm2 400 - 700 10 ks - 30 ks CB J/ cm2 700 - 1050 1 ns - 18s 0,5CAJ/ cm2 700 - 1050 18s - 1 ks 1,8t3/4 m J/ cm2 1051 - 1400 1ns - 50 s 5CCJ/ cm2 1051 - 1400 50 s - 1 ks 9,0 CCt3/4 m J/ cm2 1051 - 1400 1 ks - 30 ks 320 CCCA W/ cm2 Bảng 2.13:. Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser .Hồng ngoại xa. Bước sóng (nm) Độ rộng xung t (s) Giới hạn lé sáng. 1400 - 1500 1 ns -1 ms 0,1 J/ cm2 1400 - 1500 1 ms - 10 s 0,56 t1/4 m J/ cm2 1500 - 1800 1 ns - 10 s 0,1 J/ cm2 1801 - 2600 1 ns - 1 ms 0,1 J/ cm2 1801 - 2600 1 ms - 10 s 0,56 t1/4 m J/ cm2 2601 - 1mm 1 ns - 100 ns 0,1 J/ cm2 2601 - 1mm 100 ns - 10 s 0,56 t1/4 m J/ cm2 1400 - 1mm 10 s - 30 ks 100 mW/ cm2 Bảng 2.14: Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser. Trong đó: 1ks = 1000s. 30 ks = 8h. CA = 1 với = 400 – 700 nm. CA = 10[0.02(-700)] với = 700 – 1050 nm. CB = 1 với < 550 nm. CB = 10 với = 550- 700 nm. Để đảm bảo an toàn cũng như sức khoẻ của mỗi bệnh nhân, tránh khỏi gặp phải những rủi ro của hệ thống Laser, uỷ ban ANSI Z-136 đã đưa ra một phương pháp mới , đơn giản. Phương pháp đánh giá này ngày nay đã trở thành chuẩn hoá trên toàn thế giới, đó là phân loại theo độ nguy hiểm. Các khái niệm cơ bản về phân loại độ nguy hiểm của chuẩn ANSI Z-136 được đưa ra trong bảng trên là các mức phân loại cơ sở: Các phân líp cũng được đưa ra kèm theo các líp ( ví dụ các phân líp IIa và IIIa). Các líp nguy hiểm đại diện cho một vài hệ thống Laser hay dùng cũng được liệt kê trong bảng trên. Những điều lệ của cơ quan giám sát thuốc và thực phẩm đòi hỏi các nhà sản xuất phân loại các sản phẩm Laser và ghi rõ thuộc líp nguy hiểm nào ở trên nhãn mác. Do các nhà sản xuất biết rõ về sản phẩm của các loại Laser, về khả năng của chúng nên nhà sản xuất sẽ có trách nhiệm phân líp sản phẩm của mình. Các nhân viên kĩ thuật của nhà sản xuất sẽ thực hiện các phép đo thông số cẩn thận và tính toán chi tiết xem đầu ra của Laser là bao nhiêu. Ngoài ra , họ còn có thể tính các đại lượng không chắc chắn trong phép đo các tham số đầu ra và các tham số đầu ra tương tự trong điều kiện không bình thường. Nền tảng cơ bản của sự phân loại nguy hiểm này là các giới hạn phát sáng có thể tiếp cận được (AELs) dùa trên Els để tiếp nhận mức tiêu thụ cố hữu nh­ là một mức có thể chấp nhận được qua việc sử dụng Laser. Mức danh định gạch chân đối với ánh sáng Laser líp I thường là mức thấp nhất, bức xạ đối với mắt dài đối với đầu ra tổng cộng của Laser và có thể được đánh giá nó chuẩn trực hay có chiếu trực tiếp vào mắt hay không ( hay trong trường hợp đối với các bước sóng nhìn thấy hay gần vùng hồng ngoại là vào đồng tử mắt). Đối với tất cả các bảng EL, giới hạn lé sáng được sử dụng bởi hiệp hội bảo vệ tránh bức xạ quốc tế (IRPA); các giá trị tương tự được đặt là MPEs (giới hạn lé sáng cho phép lớn nhất) do ANSI và TLVs (các giá trị giới hạn ngưỡng) do uỷ ban nhân viên chăm sóc vệ sinh công nghiệp của chính phủ Mỹ (ACGIH). Các giá trị này đều có chung một giá trị giới hạn. Cc là một nhân tố mới cho phép tăng TLVs đối với ánh sáng chiếu vào mắt do có suy hao trước khi qua võng mạc trong mắt đối với năng lượng bức xạ ở vùng phổ giữa 1150 và 1400nm, Cc = 100,018(1150nm) đối với các bước sóng lớn hơn 1150 nm và nhỏ hơn 1200 nm và là 8.0 từ 1200 tới 1400 nguy hiểm, vì vậy làm tăng TLVs lên 8 lần. Bước sóng ( nm ) Thời gian bức xạ t (s) Giới hạn bức xạ. Tia cực tím. 200 - 400 1ns - 30 ks Giống như mắt EL Tia nhìn thấy và hồng ngoại loại A. 400nm -1mm 1ns - 100ns 20 CAmJ/cm2 400nm - 1mm 100ns - 10s 1,1 Cat1/4 mJ/cm2 400nm - 1mm 10s - 30 ks 0,2 CAmJ/cm2 Hồng ngoại xa 1400nm - 1mm 1ns - 30 ks Giống như mắt EL Bảng 2.15: Các giới hạn bức xạ Laser đối với da. Trong đó: 1ks = 100s. 30ks = 8h. CA = 1 với = 400 – 700 nm. CA = 10[0.02(-700)] với = 700 – 1050 nm. Độ mở giới hạn 1mm với t < 0,5s. Độ mở giới hạn 35mm với t > 0,5s 4.3.1: Các sản phẩm Laser thuộc líp I. Các sản phẩm Laser thuộc líp I là các thiết bị Laser không có khả năng phát ra bức xạ Laser vượt quá hệ số AEL đối với líp I. Hiển nhiên điều này đúng với các loại Laser phát ra công suất thấp , ví dụ các loại Laser diode bán dẫn. Tuy nhiên, phần lớn các sản phẩm Laser thuộc líp I đều ở loại này do tính hiệu quả của líp bao bọc giới hạn bức xạ Laser có khả năng tiếp cận được thành líp I AELs. Một ví dụ về cản phẩm Laser líp I là đầu video. Ngoài ra phần lớn các máy in, các hệ thông thông tin quang và một số các dụng cụ thử nghiệm hoá học dùng cho phòng thí nghiệm hoá học (ví dụ như một số máy đo ảnh phổ thương mại Raman ) còng thuộc líp I. Nếu như một sản phẩm Laser là thuộc nhóm I thì đều có líp bao bọc hiệu dụng nên các rủi ro bên trong líp bao bọc này được gọi là các rủi ro Laser bao bọc. Đối với các bức xạ Laser nguồn mở rộng (ví dụ các phản xạ khuyếch tán nhìn thấy được) trong giới hạn bước sóng từ 400 đến 1400nm dòng tia nhìn thấy Els có thể tăng lên bằng hệ số sửa CE tạo thành một góc phụ của nguồn sáng (đo tại điểm quan sát) lớn hơn amin : Ví dô : Lớn hơn 1,5 mrad đối với t < 0,7 s. amin = 2t3/4mrad với 0,7s < t < 10s. amin = 11mrad với t > 10s. Từ đó ta có : CE = a/amin với amin < a < 100 mrad. CE = a2/(amin - amax ) với a > 100 mrad. Góc có độ lớn 100 mrad cũng có thể là a max tại điểm mà giới hạn nguồn sáng mở rộng có thể được thể hiện bằng hằng số bức xạ sử dụng công thức cuối cùng đối với a max . LEL = (8.5 x 103)(ELnguồn pt)J/(cm2.sr) với t < 0,7s. LEL = (6.4 x 104/3)(ELnguồn pt)J/(cm2.sr) với t < 0,7s. LEL = (1.2 x 103)(ELnguồn pt)J/(cm2.sr) với t < 0,7s. Hoặc W/(cm2.sr) đối với điểm giới hạn điểm sáng thể hiện bằng W/cm2 AEL đối với líp I lớn hơn đối với > 500nm nguy hiểm trong ANSI Z136 và IEC. Các giới hạn khác đối với bức xạ xem hệ thống IEC. Tất cả các AELs đối với líp và líp IIIA tăng 12 lần trong các chuẩn 1992/1993 ANSI/IEC đăng kí lại. Líp IIIA chỉ tồn tại đối với hệ thống FDA. AEL được ANSI/IEC xuất bản năm 1992-1993. Bất cứ phần nào di chuyển được của vỏ bảo vệ đối với một sản phẩm Laser đều phải được đảm bảo an toàn hay khoá lại, bởi vì không thì một người nào đó có thể bị bức xạ Laser nguy hiểm chiếu vào. Nếu không có người nào đó tháo rỡ Panel có mục đích thì cũng không có các tia sáng nguy hiểm chiếu ra. Nếu cần phải tháo Panel ra và sau đó không thể khoá vào được thì người sửa chữa dịch vụ có thể bị nhiễm các tia Laser rủi ro chiếu vào. Do đó, nếu có một ai định tháo Panel ra thì ta phải có một nhãn hiệu dán bên ngoài báo hiệu rằng ở đây tồn tại bức xạ Laser nguy hiểm do Panel đã bị tháo ra còn khoá cũng không dùng được. Hệ sè AEL đối với các sản phẩm Laser nhóm I có hệ số lé sáng lớn nhất (MPE) đối với mắt được nhân lên với hệ số diện tích giới hạn lé sáng. Giới hạn lé sáng được định nghĩa đối với vùng phổ Laser phát ra. Đối với các bước sóng có thể gây rủi ro vùng võng mạc từ 400 - 1400 nguy hiểm, góc giới hạn có đường kính 7mm (0,4 cm2) giống vùng đen của con ngươi đồng tử. Đối với các bước sóng thuộc ngoài phổ vùng này, giới hạn lé sáng là 1mm, tương ứng với vùng nhỏ nhất của dòng tia lé sáng trực tiếp có thể đo được. Các hệ số AELs đại diện được đưa ra trong bảng sau: Laser vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại A. Phân líp nguy hiểm. Công suất đầu ra. = 400- 700 nm Công suất đầu ra. = 1050- 1150 nm Thời gian phát tia. Líp I Æ£ 0,4 mW Æ£ 0,64 mW t > 10s Líp II 0,4 mW< Æ £ 1mW Không tồn tại. t > 10s Líp IIIA 1 mW< Æ £ 5mW 0,64 mW< Æ £ 32 mW t > 10s Líp IIIB 5 mW< Æ £ 500 mW 32 mW< Æ £ 500 mW t > 10s Líp IV Æ >500 mW Æ > 500mW t > 10s Laser bức xạ vùng hồng ngoại B và vùng hồng ngoại - C. Phân líp nguy hiểm. Công suất đầu ra. = 1,5 -1,8 mm Công suất đầu ra. = 2,8 mm Thời gian phát tia. Líp I (trước 1993) Æ £ 0,79 mW Æ £ 0,79 mW t > 10s Líp I (sau 1993) Æ £ 10 mW Æ £ 10 mW t > 10s Líp II Không tồn tại Không tồn tại. t > 10s Líp IIIA (1992) 0,79 mW < Æ £4 mW 0,79 mW < Æ £4 mW t > 10s Líp IIIA (1993) 10 mW < Æ£ 50 mW 10 mW < Æ£ 50 mW t > 10s Líp IIIB 50 mW < Æ£ 500mW 50 mW < Æ£ 500mW t > 10s Líp IV Æ > 500 mW Æ > 500mW t > 10s Bảng 2.16:. Mét vài ví dụ về phân loại rủi ro Laser . 4.3.2: Các sản phẩm Laser thuộc líp II. Các sản phẩm Laser thuộc líp II thường được coi là không nguy hiểm trừ phi người nào đó nhìn trực tiếp vào chùm tia Laser chiếu ra. Ví dô: Tia Laser He- Ne được sử dụng để phân bố tia hồng ngoại mang năng lượng cao cũng được xếp vào là sản phẩm thuộc líp II. Có thể nói Laser líp II có độ rủi ro rất thấp do cảm giác ghét ánh sáng, líp này các tia Laser được phát ra trong khoảng bước sóng từ 400- 700nm nguy hiểm (ANSI) hay 710nm nguy hiểm ( theo Trung tâm các thiết bị và sức khoẻ bức xạ CDRH). Các loại Laser nhóm II được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp và trong y tế để phân bố hay đánh dấu đường đi của các tia Laser không nhìn thấy. Các dòng tia dẫn đường này có tính an toàn khi được dùng để dẫn hướng cho chùm tia có công suất cao hơn nh­ chùm tia Laser Nd: YAG. Mức độ phát ra có thể tiếp xúc được đối với Laser thuộc nhóm II là 1mW. Công suất này tương ứng với hệ số MPE đối với mắt trong vòng 0,25s (đáp ứng chịu đựng) lé sáng khi toàn bộ chùm tia đi vào trong mắt. Hệ số MPE là 2,5 mW/cm2 tại 0,25 - 5 dẫn đến 1mW đi qua giới hạn góc mở 7mm (0,4 cm2). Giới hạn góc mở 7mm này được chuẩn hoá cho các đo đạc và tính toán về Laser trong chuẩn về an toàn của Laser đối với rủi ro võng mạc ứng với bước sóng từ 400- 1400nm. Các rủi ro tiềm Èn của Laser công suất thấp có thể được so sánh với một máy chiếu phim hay một máy chiếu slide. Nếu một người náo đó tự nhìn vào bên trong máy chiếu phim hay chùm tia Laser có công suất nhỏ hơn 1mW thì người đó có nguy cơ tổn thương võng mạc vĩnh viễn do nhìn vào bên trong trong một thời gian đủ lớn trong nhiều giây, nhiều phót, nhiều giê phụ thuộc vào công suất bức xạ. tuy nhiên, mỗi kiểu lé sáng này được coi là phi hiện thực. Vì vậy, ta nên coi rủi ro do líp II gây ra là do rủi ro lý thuyết chứ không phải là rủi ro thực tế trong phần lớn các trường hợp. Sự bá qua các rủi ro Laser công suất thấp líp II được ứng dụng trong việc đánh thức hay giao nhiệm vụ cho từng cá nhân. Mỗi người phải nhận thức rằng sự lé sáng tới võng mạc là của một vài bước sóng Laser thuộc líp II giống như gây tê ta không biết nhưng có hại cho cơ thể. Các sản phẩm thuộc líp II phải được dán nhãn để chỉ ra cho người sử dụng không được nhìn vào chùm tia còn những chỉ dẫn cảnh báo khác là không cần thiết. Trái lại, để nhấn mạnh, AEL đối với Laser thuộc líp II hiện nay thường được dùa trên đáp ứng chịu đựng đối với ánh sáng nhìn thấy. Vì vậy, kiểu Laser này chỉ chiếu ra những chùm tia nhìn thấy đực có bước sóng từ 400- 710nm (FDA, 1988) hay 400- 700nm (ANSI và IEC). Cũng có một số ý kiến cho rằng nên mở rộng các sản phẩm Laser thuộc líp II ra cả dải hồng ngoại và các loại Laser không vượt quá hệ số AEL thuộc líp I trong 10s. Sự không may ở đây là các sản phẩm Laser thuộc líp II hiện nay là những sản phẩm được coi là chỉ có rủi ro lý thuyết chứ không phải là rủi ro thực tế. Các chuẩn ANSI giới thiệu độ thời gian nhìn thấy tối đa là 10s đối với Laser hồng ngoại khi tính MP cho các ứng dụng khi không cần phải nhìn. 4.3.3: Các sản phẩm Laser thuộc líp III. Các sản phẩm Laser thuộc líp III thật sự nguy hiểm khi nhìn vào trực tiếp, khi vừa chiếu tức thời vào mắt. Nếu chiếu dòng chuẩn trực vào mắt trực tiếp trong một khoảng thời gian nhỏ hơn thời gian chịu đựng đối với tia laser nhìn thấy sẽ gây ra tổn thương cho mắt. Líp III được chia ra làm hai líp phụ: líp IIIA và líp IIIB. Tia laser thuộc líp IIIA phát ra các tia ở trong vùng nhìn thấy phải có công suất đầu ra trong dải từ 1 mW đến 5 mW. Đầu tiên, líp phụ IIIA này được giới hạn trong các loại laser có đường kính lớn hơn 7 mm để loại laser có công suất nhỏ hơn 1mW có thể đi vào một vùng có đường kính 7 mm trên đồng tử. Những yêu cầu này về sau cũng bị loại bỏ trong tiêu chuẩn của Hoa Kỳ nhưng chuẩn của châu Âu và châu Óc thì vẫn giữ nguyên. Hiện nay bất cứ sản phẩm nào được bán trên thị trường Mỹ có công suất laser ra từ 1- 5 mW và bước sóng từ 400- 700 nm (710 nm đối với chuẩn FDA vẫn được định nghĩa là sản phẩm laser thuộc líp IIIA). Một sản phẩm laser thuộc líp IIIA phải gặp chuẩn FDA Ýt hơn và đòi hổi Ýt chỉ dẫn tạm thời hơn hệ thống laser thuộc phân líp IIIB. Mặc dù có sự khác nhau giữa chuẩn của Mỹ và một số chuẩn khác, các yêu cầu hoạt động của các sản phẩm là giống nhau đối với cùng một công suất chùm tia và đường kính chùm tia. Cách sử dụng các nhãn CAUTION và DANGER phụ thuộc vào việc liệu laser có vượt qua mức 2,5 mW/ cm2 hay không. Các chuẩn ANSI Z- 136 và IEC 825 cũng có trong phân líp IIIA này bao gồm cả laser trong vùng tia tử ngoại và hồng ngoại có công suất đầu ra lớn hơn 5 lần so với AEL ở líp I. Nhưng đối với một chùm tia mở rộng như là AEL của chùm tia laser phát ra không vượt quá nếu đo trong giới hạn lé sáng cho bước sóng laser. Nó là 7 mm (tương ứng với đường kính vùng đen trên đồng tử) đối với bước sóng nguy hiểm cho võng mạc (400- 1400 nm) và là 1 mm trong vùng tử ngoại, IR- B và phần lớn dải phổ IR- C (chuẩn an toàn laser có thể thay đổi khi dùng một góc mở lớn hơn 1 mm, ví dụ 3,5 hay 3 mm đối với sóng laser liên tục IR- B hoặc IR- C). Các yêu cầu hoạt động thêm vào và các phép đo an toàn được ứng dụng đối với líp phụ IIIB, líp phụ có khả năng gây tổn thương cho mắt nếu dòng tia chiếu trực tiếp vào. Bất cứ tia laser liên tục nào có năng lượng đầu ra lớn hơn 5 mW (trong vùng nhìn thấy) và nhỏ hơn hay bằng 500 mW đều nằm trong nhóm IIIB. Nhìn chung tất cả các laser sóng liên tục sử dụng trong ngành vật liệu, phẫu thuật, y tế, laser công nghiệp và nhiều ngành khác có công suất đầu ra vượt quá 0,5 W (500 mW) , chóng rơi vào líp tiếp theo là líp IV. 4.3.4: Các sản phẩm líp IV. Các sản phẩm thuộc líp này là những sản phẩm có thể gây ra các vết bỏng nghiêm trọng, các tổn thương da hay các rủi ro phản xạ khuếch tán. Ban đầu tiêu chuẩn phân loại líp IV dùa trên các đánh giá về rủi ro của các tinh thể laser Q- switched có mức năng lượng rất cao như là laser Ruby hay Nd: YAG là những loại laser có khả năng sinh ra rủi ro phản xạ khuếch tán trong phòng nghiên cứu. Nếu các rủi ro phản xạ khuếch tán đó tồn tại, nó có thể gây ra các tổn thương nghiêm trọng cho mắt của bất kì ai trong phòng thí nghiệm nhìn thấy laser. Do đó, khả năng lé sáng của các sản phẩm này là rất cao nếu so sáng với khả năng lé sáng từ một chùm tia laser chuẩn trực có thể phân bố tới đồng tử của các cá nhân trong phòng thí nghiệm và gây tổn thương cho ai nhìn vào một cách trực tiếp (cũng giống như laser líp IIIB). Bất kỳ loại laser nào có công suất trung bình vượt quá 0,5 W đều được xếp vào líp IV. Như đã nói ở trên, hầu hết các chất liệu xử lý và các loại laser phẫu thuật đều thuộc líp IV. Hầu hết các loại laser Q- switched đều thuộc líp IV. 4.4: Các rủi ro về Laser. Khái niệm về phân loại rủi ro luôn dùa trên trường hợp xấu nhất về khả năng lé sáng của laser tới người sử dụng ở ngay cạnh hay gần laser. Ví dụ, một chùm tia laser có đường kính 3 mm, chuẩn trực, cách xa vùng hồng ngoại có công suất trung bình 1W có thể đốt cháy da hay gây tổn thương cho mắt. Tuy nhiên, nếu công suất tương tự lại là của chùm tia có đường kính 10 cm thì bức xạ này còn xa mới bằng giới hạn lé sáng, thậm chí khi ta chiếu vài giê hay cả ngày. Do đó, có khă năng có một vài trường hợp theo đặc điểm hiệu quả của chùm tia laser, các cách phân loại có thể nói cường điệu về rủi ro thực sự của một loại laser cụ thể. Trái lại, thậm chí ngay cả khi mở rộng đường kính của chùm tia 10 cm thì nó cũng có thể phục hồi lại được bằng một gương hình lòng chảo hay một vài dụng cụ quang học có khả năng tập trung năng lượng hồng ngoại vào mô và sau đó tạo ra một rủi ro đáng kể. Do đó phương pháp phân loại đảm bảo cho các trường hợp xấu nhất. Trường hợp ở trên minh họa rằng việc phân loại laser là một công cụ hữu hiệu không bao giê bị hủy bỏ. Nó chỉ là bước đầu tiên trong việc đánh giá quá trình rủi ro. Điều kiên sử dụng thực tế có thể cho phép ta không phải lo lắng về các cảnh báo của kiểu laser đó. Các hệ thống phân bố khác có thể thay đổi rủi ro thậm chí cả líp của hệ thống laser. 4.5: An toàn hệ thống Laser. An toàn hệ thống gắn liền với sự thiết kế và sản suất một sản phẩm laser. Các ví dụ về các đặc tính an toàn hệ thống bao gồm cảnh báo sáng, bộ kính bảo vệ khi nhìn vào phần quang học, các bộ phận bảo vệ bao bọc quanh công tắc đánh lửa và nối đất hệ thống. Ở Hoa Kỳ, các đặc tính của một hệ thống laser cụ thể được ủy nhiệm của cơ quan thực thi hoạt động của chính phủ liên bang dưới sự giám sát của của tiểu ban giám sát về điều khiển bức xạ đối với sức khỏe và an toàn năm 1968. Dưới những qui định này (đặc biệt là 21 CFR1040), các chuẩn hoạt động cụ thể được ứng dụng vào các sản phẩm laser được tiêu thụ trên thị trường Mỹ, trái lại những sản phẩm khác chỉ ứng dụng các phân loại rủi ro đặc trưng hay sử dụng các loại laser chuyên dụng. Các nhà sản xuất phải chứng nhận rằng sản phẩm laser của họ phải đáp ứng được các đòi hỏi này và phải chứng minh bằng văn bản tài liệu một cách chi tiết với trung tâm dụng cụ và sức khỏe bức xạ của cơ quan giám sát thuốc và thực phẩm, Rockvile, Md. Các chuẩn chi tiết về hoạt động của sản phẩm laser FDA có thể khá phức tạp, và không được trình bày ở đây, nhưng những người sử dụng thiết bị laser cũng nên biết rằng máy của họ đang sử dụng đã được thiết kế để bảo vệ họ một cách an toàn nhất. Nhưng điều này lại không đảm bảo đối với máy đầu tiên hoặc máy thử nghiệm. Tuy nhiên sản phẩm tạo ra cuối cùng trong dòng đó phải là sản phẩm an toàn. Chuẩn hoạt động FDA còng thay đổi theo các líp phân loại nguy hiểm. Các đặc tính an toàn của hệ thống laser thực hiện theo chuẩn hoạt động CDRH được ứng dụng cho hầu hết các sản phẩm nghiên cứu thiết kế và laser công nghiệp trong thương mại là: Có khóa bên trong hay vỏ bảo vệ bên ngoài Có khóa nối điều khhiển từ xa được sử dụng khóa trong hay cửa ra vào Có công tắc khóa trong hoạt động Có mét bộ chỉ thị phát như đèn pilot Có bé suy giảm chùm tia như một cửa cơ khí Có dán các nhãn cảnh báo Có bộ bảo vệ khi nhìn phần quang (ví dụ bộ lọc hay hệ thống tắt) Có đặt bộ điều khiển hoạt đọng để giới hạn sự thay đổi lé sáng Ngoài những đòi hỏi FDA chung này ra, ta còn có thêm các yêu cầu đối với từng loại laser cụ thể (tìm hiểu trong mục 21CFR1040.11 trong chuẩn hoạt động của liên bang). Tất cả các sản phẩm laser y tế phải thêm 3 yêu cầu sau: (1) Có phương tiện đo đầu ra laser ±20%; (2) Đo đạc hiệu chỉnh thường xuyên theo lịch; (3) Có dán nhãn góc mở laser. Trong một vài trường hợp, người ta còn sử dụng thiết bị tự giám sát điều chỉnh đầu ra laser để đáp ứng yêu cầu đầu tiên đối với laser y tế. Mỗi nhà sản xuất đều có thể biến thể các chuẩn ở trên nếu họ có khả năng đáp ứng được yêu cầu thay đổi và điều khiển một cách có hiệu quả. Các cuộc điều tra, khảo sát, liên kết và phân loại sản phẩm laser cũng như biểu diễn chúng được giới hạn trong líp III hoặc thấp hơn. Thuật ngữ “biểu diễn” ở đây tương ứng với các sản phẩm laser được dùng biểu diễn hay trình diễn ở trường học hay biểu diễn nghệ thuật. Tuy nhiên, ánh sáng laser được dùng để biểu phải là loại laser có công suất cao và nó phải được hoạt động trong các chuẩn đưa ra bởi CDHR. Mối quan tâm hàng đầu đối với thiết bị hàn, cắt tinh bằng laser Nd: YAG là nó phải có bộ kính chắn bảo vệ đối với phần quang học. Kiểu tấm chắn thường dùng nhất là loại có độ dày 3 đến 4 mm . Bé lọc này là hoàn toàn cần thiết do sự phản xạ của chùm tia laser từ các bề mặt phản xạ có thể làm tổn thương mắt phẫu thuật viên. Hiển nhiên, việc bảo dưỡng phần quang học hay thay thế một bộ phận của phần quang học phải đảm bảo cho người sử dụng rằng kính chắn an toàn vẫn được đặt đúng vị trí. Do bước sóng 1064 nm ở trong vùng phổ hồng ngoại nên ta không cần thiết phải dùng kính chắn bảo vệ khi nhìn và kính chắn có thể gắn cố định một chỗ. Việc sử dụng khóa công tắc cũng rất tiện lợi. Nếu sử dụng chúng ta có thể ngăn chặn người không có chuyên môn sử dụng bất hợp pháp thiết bị. Do tia laser ra của nhiều loại laser đủ nguy hiểm để gây tổn thương nghiêm trọng cho những người đứng xung quanh mét khi tồn tại các tia phản xạ nguy hiểm. Vì vậy ta nên rút chìa khóa ra khi đã phẫu thuật xong. Do các tia phản xạ nhuy hiểm và cả điện áp cao tồn tại trong vỏ bảo vệ nên khóa cài hay vít vặn không được mở ra trừ trường hợp đó là nhân viên kỹ thuật được huấn luyện kỹ càng. Có thể có các đặc tính an toàn hệ thống khác nữa mà trong khuyến nghị của FDA- CDRH chưa có mà chúng cũng hữu Ých trong ứng dụng. Ví dụ, vách ngăn dòng tia ở trong vùng phẫu thuật làm giảm đáng kể các tia sáng tới con người. Nếu có khớp nối điều khiển từ xa đối với các sản phẩm laser líp IIIB hahy líp IV không được sử dụng để điều khiển tự động cánh cửa ra vào thì ta nên nối cánh cửa đó với một nguồn sáng cảnh báo hướng dẫn khi nào đang phẫu thuật laser hay nối với một chùm tia phân bố có nối với công tắc bên trong (theo yêu cầu của ANSI Z- 136 đối với việc phẫu thuật bằng laser) mà có thể tự ngắt chùm tia laser khi không dùng nữa. CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG LASER ND:YAG TRONG Y TẾ Laser Nd: YAG là một loại laser rắn được sử dụng khá phổ biến. Tại Việt Nam gần đây laser Nd: YAG đã được đưa vào ứng dụng trong y tế và bước đầu cho kết quả tương đối khả quan. I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LASER RẮN 1.1: Đặc điểm Laser trạng thái rắn là dạng laser có chất kích hoạt ở dạng rắn. Chất này có thể là đơn tinh thể hoặc chất vô định hình. Trong laser rắn nghịch đảo nồng độ thường được thực hiện ở những mức năng lượng của nguyên tử hoặc của ion tạp chất. Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn thường rất lớn, khoảng 1017- 1020/cm3 tức là lớn hơn khoảng 100 - 1000 lần so với chất khí. Lúc đầu người ta đã cho rằng chỉ có laser rắn mới cho công suất lớn. Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí nên với công suất bằng nhau thì thanh hoạt chất nhỏ hơn nhiều. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn nhiều so với chất khí. Do đó tiêu hao tán xạ sẽ lớn hơn và hệ số phẩm chất sẽ nhỏ. Thanh hoạt chất có chiều dài chỉ khoảng 10 - 60 cm. Do độ đồng nhất quang học của thanh hoạt chất nhỏ nên góc mở của tia laser do nhiễu xạ sẽ rất lớn, thường hàng chục phót, trong khi đó góc mở của tia laser khí chỉ vài chục giây. Trong laser rắn các hạt sẽ tương tác với nhau do đó các mức năng lượng thường có độ rộng lớn. Vì vậy vạch bức xạ tự phát và vạch bức xạ laser thường có dải phổ khá rộng. Độ rộng vạch bức xạ tự phát của chất vô định hình khoảng vài chục A°, của chất đơn tinh thể khoảng vài A°, còn độ rộng của bức xạ laser khí chỉ vài phần mười A°. Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn người ta thường dùng bơm quang học, tức là chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo nghịch đảo nồng độ. Hoạt chất của laser rắn thường là điện môi dạng tinh thể hoặc vô định hình có dạng hình trụ tròn. Hoạt chất thường có hai thành phần là chất nền và chất kích hoạt: Chất nền là chất cơ bản sẽ không tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạ laser. Chất nền có thể là đơn tinh hoặc vô định hình và có chứa các nguyên tử hoặc ion của kích hoạt. Chất kích hoạt thường có tỉ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Vì vậy tính chất kỹ thuật cơ bản của hoạt chất sẽ do chaats nền quyết định. Để làm chất nền người ta hay dùng tinh thể muối kiềm thổ và chủ yếu gồm ba thành phần H2WO4, H2MO4 và HF. Hiện nay người ta dùng rộng rãi nhất chất nền là tinh thể itri- granat, dạng Y3Me5O12 trong đó Me là kí hiệu kim loại, ví dô nh­ Al, Fe, Gadolimi. Chất nền là granat có ưu điểm giảm được công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức xạ. Đặc biệt người ta hay dùng Y3Al5O12 và kí hiệu là YAG. Chất nền là Al2O3 còng hay được dùng cho laser Ruby. Thuỷ tinh cũng là chất nền cho laser thuỷ tinh. Chất kích hoạt thường là những nguyên tố đất hiếm nh­ Crom, Neodym, Urani. Những nguyên tố này thường ở dạng ion hai hoặc ba điện tích. Mặc dù việc nghiên cứu laser rắn đã có từ lâu nhưng gần đây mới có những bùng nổ. Rất nhiều nguyên lý, thiết kế, ứng dụng đã góp phần tạo nên nền công nghiệp laser có giá trị hàng tỉ USD/năm. Hàng năm lại có rất nhiều những tiến bộ đáng kể nữa tạo nên cơ sở cho những thiết kế sau này. Nguyên lý laser rắn được phát hiện bằng thực nghiệm đầu tiên vào năm 1960 bởi T. Maiman. Hệ thống đầu tiên là hệ thống laser rắn. Tinh thể hồng ngọc được dùng làm chất kích hoạt và nó được bơm bởi đèn flash. Ý tưởng bơm quang học đã được tìm ra (dùng ion Cr3+- mét tạp chất – làm chất rắn kích hoạt tạo laser). Đồng thời với nó là ý tưởng về hộp cộng hưởng (được tìm ra bởi thực nghiệm bởi Towns và Schawlow). Ngày nay bơm quang học đã phát triển từ đèn flash đến bơm bằng diode laser cùng rất nhiều các thiết kế bơm khác nhau. Những tạp chất rắn kích hoạt laser đã phát triển đến khoảng 200 loại. Những buồng cộng hưởng đã trở nên rất phức tạp trong những thao tác để đảm bảo các đặc tính không gian, thời gian, phổ của tia ra. 1.2: Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ Những quá trình cơ bản tạo nghịch đảo nồng độ giữa các mức công tác của laser chủ yếu là quá trình dịch chuyển và khi phân tích điều kiện tạo nghịch đảo người ta chỉ xét những trạng thái đầu và những trạng thái cuối của những dịch chuyển cơ bản. Đối với laser Nd: YAG ta áp dụng các phương trình động học cho hệ laser hoạt động theo sơ đồ bốn mức. 1 2 3 4 rB14N1 rB41N4 g41N4 g42N4 g43N4 g32N3 g31N3 g21N2 Hình 3.1 : Cấu trúc hệ bốn trạng thái Bơm quang học sẽ chuyển hạt từ trạng thái 1 lên trạng thái 4. Hệ phương trình động học được viết như sau: rb B41 N1 = (rb B41 + n4) N4 g43 N4 = g3 N3 g42 N4 + g32 N3 = g2 N2 N1 + N2 + N3 + N4 = N (1) Trong đó: gi là xác xuất nghèo hóa, tổng của trạng thái thứ i nào đó rb là mật độ bức xạ bơm Bki là hệ số