Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Lời nói đầu
Xuất phát từ phát minh thiên tài của nhà vật lý vĩ đại A. Einstein (Đức) về hiện
tợng phát xạ cỡng 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 đợc 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 ngời. ứng dụng laser trong y
học là một trong những hớng phát triển mạnh nhất, hiệu quả nhất của trào lu
trên.
Bức xạ laser khi tơng tác với cơ thể tạo ra những hiệu ứng đặc biệt. Đó là hiệu
ứng kích thích sinh học, quang hóa, quang nhiệt, quang cơTrên 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, đợc thử nghiệm thành công và đa 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 nh quang đông để hàn bong võng mạc giúp chữa trị hàng triệu
ngời 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 thĐến 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, đợc 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 bớc phát
triển lớn. Trớc đây chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng hai
loại laser đơn giản là laser He-Ne và laser CO
2
. Hiện nay chúng 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
YAG), các chất màu pha lỏng khác nhau (laser màu).
Hiện nay laser đã đợc 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 tợng quang học cơ bản
Phổ năng lợng 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 thờng chiếm những
mức năng lợng thấp nhất đợc gọi là những mức năng lợng cơ bản.
Khi có tác dụng của các yếu tố bên ngoài nh tác dụng của bức xạ, tơng tác của
các hạt điện tử, ion, nguyên tử khác, tác dụng của điện trờng, nhiệt độ, hệ vi mô
có thể bị kích thích chuyển lên các trạng thái với mức năng lợng cao hơn. các
trạng thái với năng lợng cao hơn trạng thái cơ bản đợc gọi là các trạng thái kích
thích. Có các hiện tợng quang học cơ bản sau đây:
3
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
2.1.1: Hiện tợng hấp thụ ánh sáng
Các nhân tử khác nhau có số điện tử khác nhau và nh vậy có số quỹ đạo khác
nhau tơng ứng với nó là các mức năng lợng khác nhau. Giả sử ta có một hệ
nguyên tử có hai mức năng lợng nh hình vẽ:
Hình 1.1: Mức năng lợng.
Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc (chùm ánh sáng có các photon giống hệt
nhau và năng lợng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lợng của hai mức-E)
thì khi photon đi vào môi trờng nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E
1
hấp thụ
và nhờ có năng lợng này điện tử có thể nhảy lên mức E
2
. Hiện tợng này đợc gọi
là hiện tợng hấp thụ.
Hình 1. 4: Hiện tợng phát xạ cỡng bức.
Sự chuyển mức năng lợng này sẽ phát xạ ra photon có năng lợng E và có các
tính chất giống hệt với photon đã cỡng bức điện tử nhảy xuống nh hớng truyền,
độ phân cực, pha, tần. Trong trờng hợp này photon kích thích không bị mất mát
nh trong trờng hợp hấp thụ. Photon ban đầu này vẫn tồn tại và duy trì những
tính chất ban đầu của nó . ta không thể phân biệt đợc sự khác nhau giữa photon
ban đầu với photon sinh ra từ dịch chuyển cỡng bức điện tử.
Tóm lại, phát xạ cỡng bức là sự phát xạ các photon giống hệt nhau do sự dịch
chuyển cỡng bức của các điện tử dới tác dụng của các photon. Hiện tợng phát
xạ cỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền : 1 sinh ra
2, 2 sinh ra 4.
E
2
E
1
E
2
E
1
5
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
2.2: Nguyên lý hoạt động của laser
2.2.1: Nguyên lý
Nh ở trên đã xem xét 3 hiện tợng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trờng
bất kì khi chiếu một chùm ánh sáng. Đó là:
- Hiện tợng hấp thụ làm suy yếu chùm ánh sáng.
- Hiện tợng phát xạ tự do làm chùm sáng mạnh lên.
- Hiện tợng phát xạ cỡng bức cũng lám cho chùm sáng mạnh lên.
Môi trờng ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp ( quy ớc là n
hàm mũ với :
ee
x
IIxI
x
)0()0()(
==
ở đây
< 0.
6
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Ngoài hoạt chất, mỗi Laser bất kì còn phải có yếu tố khác là nguồn nuôi, yếu tố
cung cấp năng lợng cho hoạt chất laser để tạo và duy trì sự đảo ngợc độ tích luỹ
các điện tử ở môi trờng laser và buồng cộng hởng
Nh vậy tiền đề cho quá trình khuyếch đại là:
- Tạo ra và duy trì môi trờng đảo mật độ, quá trình này đợc gọi là quá trình
bơm.
- Tạo điều kiện để phát xạ cỡng bức áp đảo phát xạ tự nhiên. Để thực hiện
đợc điều này ngời ta sử dụng các loại buồng cộng hởng.
2.2.2: Quá trình bơm
Môi trờng nằm trong trạng thái nghịch đảo mật độ là trạng thái không bền và
các nguyên tử luôn có xu hớng trở về trạng thái cân bằng. Vì vậy, muốn duy trì
trạng thái nghịch đảo mật độ phải thờng xuyên tiêu tốn một năng lợng để kích
thích hệ hạt. Quá trình kích thích hệ hạt này đợc gọi là quá trình bơm.
Quá trình bơm , kích thích tuỳ thuộc vào loại hệ, có thể tực hiện bằng nhiều
cách: phơng pháp kích thích bằng quang học( bơm quang học), và phơng pháp
- N
2
sẽ giảm dần. Tuy nhiên tính toán cho thấy rằng N chỉ có thể tiến tới không,
nghĩa là N
2
N
1
, chứ không thể đạt đợc N
2
> N
1
. Nghĩa là trong hệ hai mức
năng lợng, bằng phơng pháp bơm quang học ta không thể đạt đợc môi trờng đảo
mật độ. Trong trờng hợp N = 0, N
1
= N
2
đợc gọi là hiệu ứng bão hòa. Hiệu ứng
bão hòa càng dễ đạt đợc khi thời gian sống của trạng thái ứng với E
2
càng lớn.
7
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Trạng thái của hệ khi N
1
= N
2
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 trờng đảo mật độ nhng nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra
2
+ N
3
= N, N
1
, N
2
, N
3
là nồng độ nguyên tử ở ba trạng thái, N là
nồng độ toàn phần.
2
,
3
là thời gian sống của trạng thái E
2
, E
3
tơng ứng. Nếu
trong một hệ ba mức với
3
<
2
chúng ta không thể dùng bơm quang học có bớc
sóng h = E
3
- E
1
để đạt đợc trạng thái bão hòa N
1
Bơm Phát xạ
E
2
E
1
8
E
3
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
áp có khíTrong 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. Ngời ta có thể thực hiện
phóng điện bằng năng lợng cao tần hoặc điện áp một chiều.
Bơm điện cũng đợc dùng trong laser bán dẫn bằng cách đặt điện áp vào mẫu để
phun hạt dẫn vào mẫu tạo ra môi trờng đảo mật độ.
2.2.3: Buồng cộng hởng
Buồng cộng hởng là nơi cho phép chùm sáng qua lại hoạt chất nhiều lần trớc
khi đạt trạng thái ổn định và phát ra tia laser đi qua gơng ở hai bên. Do buồng
cộng hởng chỉ đợc giới hạn bởi hai mặt phản xạ ở hai đầu còn các mặt khác đều
hở nên thờng gọi là buồng cộng hởng hở.
Việc sử dụng buồng cộng hởng hở trong kỹ thuật laser là một điều bắt buộc.
Buồng cộng hởng có hai chức năng sau đây:
* Thực hiện hồi tiếp dơng
Tuy môi trờng hoạt tính đặt trong buồng cộng hởng có khả năng khuếch đại tín
hiệu đi qua nó theo luật hàm số mũ, nhng độ khuếch đại này không lớn vì chiều
dài của hoạt chất là có hạn. Để có đợc khuếch đại lớn phải tăng kích thớc của
hoạt chất lên rất nhiều lần. Ví dụ nếu dùng hoạt chất là khí CO
2
, để có đợc công
suất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí dài 10
4
thể nói rằng, buồng cộng hởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc
hình thành các tính chất của laser.
10
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hệ số phẩm chất của buồng cộng hởng: Q= 2E
d
/ P
0
E
d
: năng lợng dự trữ trong buồng cộng hởng
P
0
: năng lợng trung bình bị tiêu hao trong 1s
Buồng cộng hởng có nhiều dạng khác nhau. Loại đơn giản và thông dụng nhất
là hệ gồm hai gơng phẳng đặt song song (trong quang học ngời ta gọi hệ cộng
hởng này là giao thoa kế Fabri- Perot). Buồng cộng hởng gồm hai gơng phẳng
đòi hỏi khắt khe về độ song song của các gơng và vì thế rất khó chỉnh nhng nó
lại cho bức xạ có độ định hớng cao. Loại này thờng đợc sử dụng trong các laser
rắn và laser bán dẫn.
Trong buồng cộng hởng quang học đặc biệt cần chú ý đến đặc điểm cấu tạo và
yêu cầu kỹ thuật đối với các gơng. Yêu cầu cơ bản của các gơng 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 gơng mạ bạc, nhôm hoặc mạ vàng
đã đợc thay thế bằng các gơng điện môi nhiều lớp. So với các gơng có lớp phủ
kim loại thì gơng điện môi nhiều lớp có một loạt u điểm nổi bật: tính chọn lọc
và hệ số phản xạ cao, phần năng lợng bị tiêu hao do hấp thụ rất nhỏ. Vì vậy các
gơng điện môi nhiều lớp có thể đảm bảo đợc hệ số phẩm chất của buồng cộng
hởng rất cao, chịu đợc năng lợng bức xạ lớn và tuổi thọ của gơng cũng rất cao.
III: Các tính chất cơ bản của laser
trờng hợp các photon hoạt động một cách hỗn loạn thì tính kết hợp bằng không.
Tia laser nh chúng ta đã biết sinh ra trên cơ sở của hiện tợng phát xạ cỡng 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
12
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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 thờng ngời ta chế tạo các laser phát liên tục hoặc phát
xung cờng độ tự do với độ dài xung cỡ ms. Nhng với tiến trình phát triển công
nghệ cao trong lĩnh vực laser, ngời ta đã đạt đợc việc phát đồng bộ chế độ, cho
phép tập trung năng lợng 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 nh 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 thờng sử dụng laser excimer, laser Nd: YAG phát xung với công
suất 10000 kW đến 10 triệu kW, laser CO
2
, laser Argon phát liên tục từ 1- 100
W, trong vật lý trị liệu thông thờng sử dụng laser He- Ne và laser bán dẫn có
công suất trung bình từ 0,1- 10 mW.
Thông số Ký hiệu Đơn vị Công thức tính
Bớc sóng laser
1 à= 1/1000 m
1 nm= 1/1000 à
1 A= 1/10 nm
- Phân loại theo chế độ làm việc.
- Phân loại theo bớc sóng.
- Phân loại theo chế độ an toàn.
4.1: Phân loại theo môi trờng hoạt chất.
Phơng pháp phân loại laser phổ biến nhất hiện nay chủ yếu dựa vào trạng thái
của môi trờng hoạt chất còn tên gọi của Laser xuất phát từ tên gọi của môi trờng
hoạt chất đó.
Hiện nay Laser phân loại theo môi trờng hoạt chất đợc phân thành 3 loại sau:
- Laser thể rắn.
Laser thể rắn là những laser mà môi trờng 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 thờng có nguồn nuôi laser là các đèn sáng phóng điện khí.
Các laser bán dẫn đợc nuôi bởi hiệu điện thế thuận.
14
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
- Laser thể lỏng.
Đây là những laser có môi trờng 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 lỏng trong các môi trờng khác nhau đợc 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 đợc sử dụng rộng rãi nh hiện nay là do nó có u điểm là có khả năng
có thể thay đổi màu( bớc sóng) của tia laser.
- Laser thể khí.
Laser thể khí là những laser có môi trờng hoạt chất là thể khí. Có vài trăm loại
khí khác nhau có thể dùng làm hoạt chất của laser.
Các laser khí đợc sử dụng rộng rãi trong y tế hiện nay là laser khí CO
2
t(m
s)
P(w)
t(s)
16
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.8. Những Laser chính và bớc 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 III
a.
.
- Loại III
b
.
- 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 hớng trực tiếp hoặc hớng phát xạ.
Công suất của loại laser này thấp hơn 10àW.
Bớc sóng thuộc khoảng 400-1400nm.
-Loại II.
10,6
Vùng truyền quang sợi
1nm
Laser hơi đồng 578nm
Laser hơi vàng 628nm
1000A 500nm 1000nm
17
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Loại laser này không gây thiệt hại tới mắt và da nếu thời gian chiếu không vợt
quá 0,5s.
Công suất từ 1àW - 1mW.
Bớc song trong vùng nhìn thấy 400-700nm
-Loại III
a
.
Không gây thiệt hại tới da nhng có khả năng gây thiệt hại tới mắt nếu thời gian
chiếu vợt quá 0,2s.
Đối với laser có bớc sóng ở vùng nhìn thấy thì công suất nằm trong khoảng từ
1mW- 7mW.
Đối với laser có bớc sóng ở vùng tử ngoại thì công suất nằm trong khoảng từ
10àW- 1mW
-Loại III
b
.
Laser ở nhóm này gây tác hại cả khi bất ngờ lớt qua mắt , các tia tán xạ cũng có
khả năng gây ảnh hởng đến mắt.
Laser ở nhóm này có nét đặc trng là không có khả năng bốc cháy.
Vùng nhìn thấy có công suất 7mW-0,5W.
Vùng tử ngoại có công suất 1àW-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 hớng trực tiếp cũng nh hớng phát xạ của
chùm tia.
Chơng 2: laser trong y tế
)(sin
)(sin
2
2
2
2
ti
ti
ti
ti
tg
tg
(1)
i
,
t
là góc tới và góc phản xạ. Với tiếp giáp không khí và tế bào (n
t
: n
i
= 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:
z
t
,
4
,
++=
àà
(3)
Không khí
Mô
Chùm laser Chùm chuẩn trực suy giảm
e
-(àa + às)z
Lượng phân tán bội
Phản xạ khuếch tán
Phản xạ trong
Phản xạ phản chiếu
19
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
à
t
=à
a
+à
s
; à
a
là hệ số hấp thụ, à
s
a
, hệ số tán xạ à
s
và hệ số
đẳng hớng (g)
Ta phải giải phơng trình (3) nếu hệ số tán xạ lớn hơn hẳn hệ số hấp thụ (à
s
à
a
).
Trờng hợp này thờng xảy ra trong vùng phổ 600nm-1,2àm. Hình 2.2 thể hiện
các giá trị xấp xỉ của à
a
trong protein, acid amin, máu (HbO), tiểu cầu và huyết
tơng. Vùng phổ 600 nm-1,2 àm tạo một cửa sổ để đâm sâu ánh sáng vào tế bào.
Trong phạm vi cửa sổ này và thậm chí với các bớc 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 đợc chuyển đi một
phần lớn hơn so với phát xạ. Đo hệ số phát xạ khuếch tán theo hàm của bớc
sóng ngay dới bề mặt của tế bào phát xạ thờng lớn hơn chính phát xạ đó
20
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 2.2: Hệ số hấp thụ của (a): Protein và các acid amin, (b) hồng cầu, (c):
melamin, (d): huyết tơng
Tần số sinh nhiệt Q (W/m
3
) liên quan với hấp thụ sáng trong tế bào liên quan
một cách lý thuyết với:
Q(r)= à
a
0,6
0,8
1,0
1,2
0 1 2 3
1
2
Độ sâu mô (cm)
Độ sâu mô (cm)
Z Z
à
1
< à
2
Nguồn nhiệt
(W/cm
2
)
S
1
S
2
Fluence rate
(W/cm
2
)
à
1
= 1cm
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 hởng
PDT (quang động học)
Các hiệu
ứng nhiệt
Phân hủy quang nhiệt Các hiệu ứng tăng nhiệt
Phạm vi hẹp nhiệt động 37- 43C
Tăng nhiệt Không có tổn thơng nhiệt bất khả hồi (45-
50)
Tiêu màng (phù nề), biến dạng mô, biến
tính enzyme
Quang đông
60- 100C
Đông kết hoại tử
Than hóa
100- 300C
Sấy khô bay hơi nớc và than hóa
Bay hơi tổ chức
Hơn 300C
Bay hơi matrix mô rắn
Quang ion
hóa hay
quang tách
Bóc lớp Nổ nhiệt nhanh (nh tạo hình mạch)
thời gian tơng tác rất lớn (10
1
- 10
5
s) để có các hiệu ứng quang hoá. Ngợc lại,
mức công suất càng lớn đòi hỏi thời gian tơng tác càng ngắn để gây một hiệu
ứng tơng tác nào đó.
10
-12
10
-9
10
-6
10
-3
10
0
10
3
10
6
Thời gian tác động (s)
10
16
10
12
10
8
10
4
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 2.6: Sơ đồ mật độ năng lợng- thời gian tơng tác để cắt mô bằng laser
Hiệu ứng Mật độ công suất
(W/cm
2
)
Thời gian (s)
Quang sinh hóa 10
-4
- 10
0
10 - 10
5
Quang đông 10
0
- 10
4
10
0
- 10
3
Bay hơi 10
4
- 10
6
10
-3
- 10
0
Quang phi tuyến 10
-3
10
0
Thời gian tác động (s)
10
3
10
0
10
-
3
Mật độ năng lượng
(J/cm
2
)
Vi nổ Bóc lớp Bay hơi Quang đông
10
12
10
9
10
6
10
3
25
Copyright: Tài liệu đại học ©