Bài giảng Kĩ thuật laser và ứng dụng trong y sinh

6/3/2014 1 KĨ THUẬT LASER VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y SINH 6/3/2014 2 MỤC TIÊU 1. TRÌNH BÀY ĐƯỢC CƠ CHẾ PHÁT XẠ PHOTON CƯỠNG BỨC 2. MÔ TẢ ĐƯỢC NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT XẠ TIA LASER 3. TRÌNH BÀY ĐƯỢC CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG CHẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ Những kiến thức bổ trợ: Kiến thức Vật lí: - H¹t c¬ b¶n, Nguyªn tö, ph©n tö, h¹t nh©n Hướng dẫn: - Xem Giáo trình Lí sinh (Phần 1. Chương 5, bài 1). - Bài giảng dạng slide trong website lisinhstudy.tnu.edu.vn - Tham khảo: Giáo trình Vật lí đại cương Kiến thức lí sinh y học: PhÇn 3, ch¬ng 4, bµi 2 Hướng dẫn: -Xem: “ Giáo trình&sách tham khảo”, chọn “giáo trình vật lí lí sinh (phần 3 Chương 3 ) - Bài giảng dạng Slide và tài liệu tham khảo trong lisinhstudy.tnu.edu.vn -Tham khảo : Giáo trình lí sinh y học ( Phan sĩ An-NXB Y học), Li sinh học ( Đoàn Suy Nghĩ, NXB ĐH Huế). 6/3/2014 4 1. Khái niệm Laser là viết tắt chữ cái đầu của cụm từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (sự khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức). 6/3/2014 5 Mẫu hành tinh nguyên tử 6/3/2014 6 2. Hiện tượng phát xạ cưỡng bức Nguyên lý phát xạ Laser Khi chiếu một chùm ánh sáng vào một môi trường vật chất sẽ có 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra : hấp thụ, phát xạ tự do và phát xạ cưỡng bức.  Khi ta chiếu vào môi trường vật chất một chùm ánh sáng đơn sắc với năng lượng của mỗi photon = h thì chùm photon sẽ tương tác với các quang điện tử và cưỡng bức các quang điện tử này phát xạ photon thứ cấp có cùng năng lượng, hướng truyền, độ phân cực, pha... với photon đã gây ra cưỡng bức.  Hiện tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh 2, 2 sinh 4...Như vậy bức xạ cưỡng bức làm tăng số photon, tức là có khả năng khuyếch đại ánh sáng qua môi trường.  Đó chính là nguyên lý của hiện tượng phát tia laser. 6/3/2014 7 2. Cơ chế phát xạ cưỡng bức: Hiện tượng phát quang. - Khi chiếu một chùm photon vào một môi trường vật chất  truyền năng lượng của chùm phôton  môi trường chuyển sang trạng thái kích thích. - Thời gian tồn tại của điện tử ở trạng thái kích kích  10-8 s  về trạng thái có năng lượng nhỏ hơn hoặc về trạng thái cơ bản và giải phóng NL dư thừa: + Nếu năng lượng giải phóng không đủ lớn (không đạt số nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng khi đó ta nói hệ phát xạ nhiệt hay toả nhiệt. + Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn (bằng một số nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng các phôtôn thứ cấp (tức là các hạt ánh sáng). Ta nói: môi trường phát xạ photon thứ cấp hay phát quang. => Một cách định tính, người ta phân biệt 2 loại phát quang : * Huỳnh quang: là sự phát quang xảy ra đồng thời với thời gian chiếu sáng và chấm dứt ngay khi ngừng chiếu sáng vào môi trường. Ví dụ: sự phát xạ của bóng đèn huỳnh quang, đèn hình của tivi, máy vi tính...) * Lân quang : là sự phát quang có thể tiếp tục được duy trì một thời gian dài sau khi đã ngừng chiếu sáng vào môi trường. Ví dụ: như sự phát quang của một số loại gỗ mục, xương, xác động vật, các chất dạ quang trên các đồng hồ, la bàn ... Sơ đồ mức năng lượng – Giải thích hiện tượng hấp thụ và phát quang. s0* S2 * S1 * S 0 T Ghi chú: So : đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản. So *, S1 *, S2 *, đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet ( là trạng thái của 1 lớp điện tử khi mà tất cả các spin của các điện tử đều tạo thành cặp và mômen tổng cộng = 0) T : đường mức năng lượng ứng với trạng thái kích thích Triplet ( là trạng thái ứng với mức năng lượng cấm, điện tử không tạo cặp, mômen spin khác 0). Giải thích: - Bước chuyển S0S * i (i = 1,2,3): Hấp thụ - Bước chuyển S2 *S1 *, S1 *S0 *: Môi trường phát xạ nhiệt ( thời gian  10-1310-12 sec) - Bước chuyển Si *S0: Huỳnh quang (thời gian sống của điện tử ở mức kích thích  10-910-8 sec). - Bước chuyển Si *T: phát xạ nhiệt. - Bước chuyển TS0: Lân quang (thời gian sống ở trạng thái Triplet dài  10-3 sec vài sec). 6/3/2014 13 3. Nguyên lý máy phát xạ tia Laser Máy phát tia Laser có 3 bộ phận chính: * Môi trường hoạt chất: Để có hiệu ứng laser (chùm ánh sáng được khuyếch đại) ta phải tạo môi trường đặc biệt mà ở đấy hiện tượng phát xạ cưỡng bức phải mạnh hơn hiện tượng hấp thụ. Hiệu ứng này chỉ xảy ra ở môi trường mà các điện tử ở mức trên n2 lớn hơn số điện tử ở mức dưới n1 ( n2  n1 ). Môi trường đặc biệt như vậy gọi là môi trường đảo ngược độ tích luỹ. Môi trường này là thành phần cơ bản của mọi máy laser, có tên là hoạt chất laser. 6/3/2014 14 3. Nguyên lý máy phát xạ tia Laser * Nguồn kích thích: Ngoài hoạt chất, Máy phát tia Laser còn có một bộ phận quan trọng là nguồn kích thích (hay còn gọi là bơm năng lượng ), nhằm cung cấp năng lượng cho hoạt chất của laser. Nguồn kích thích có thể là bộ nguồn phát sáng (đèn Xênôn), máy phát cao tần, hoặc là nguồn phát điện với mật độ dòng điện rất lớn ( hàng ngàn A/ cm2) . 6/3/2014 15 3. Nguyên lý máy phát xạ tia Laser * Buồng cộng hưởng: - Buồng cộng hưởng có chức năng tăng cường sự khuyếch đại ánh sáng bằng cách làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần qua hoạt chất. 6/3/2014 16 SƠ ĐỒ MÁY PHÁT LASER: Lối ra của chùm laser Bơm năng lượng Môi trường laser Gương phản xạ 1 phần(70-98%) Gương phản xạ Toàn phần Các tia laser đầu tiên sinh ra trong môi trường hoạt chất phản xạ đi lại trong môi trường, kích thích môi trường làm phát ra các tia khác. Các tia laser đi qua gương phản xạ một phần đi ra ngoài tạo thành lối ra của chùm laser. Chùm laser có thể phát liên tục hoặc phát thành xung. 6/3/2014 17 Cấu trúc điển hình của laser và quá trình hình thành tia laser 6/3/2014 18 4. Tính chất của chùm laser Bản chất của tia laser là ánh sáng, cho nên tia laser có đầy đủ các tính chất của chùm sáng: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ , khúc xạ... Ngoài ra chúm ánh sáng Laser còn có những tính chất sau: a. Độ đơn sắc rất cao. b. Độ kết hợp rất cao. c. Độ định hướng cao. d. Phát liên tục và phát xung cực ngắn. 6/3/2014 19 ứng dụng trong Y hoc Người ta sử dụng laser như nguồn sáng kích thích huỳnh quang của những chất khác nhau trong các tổ chức sống. Sau đó nhờ nghiên cứu phổ huỳnh quang của chùm laser, người ta có thể chẩn đoán tình trạng bệnh lý một cách chính xác. Phương pháp chẩn đoán này thường được áp dụng trong kỹ thuật scaner và thiết bị hiển vi laser a. ứng dụng trong chẩn đoán 6/3/2014 20 b. ứng dụng trong điều trị * Điều trị nhãn khoa: - Laser thường được sử dụng trong kỹ thuật hàn bong võng mạc và chữa bệnh glaucoma đã giúp cho hàng triệu người khỏi mù loà. - Laser Ecimer với bước sóng vùng cực tím giúp điều chỉnh độ cong của giác mạc, chữa các bệnh loạn thị, viễn thị và cận thị. - Laser He-Ne giúp làm giảm viêm nhiễm, đẩy nhanh quá trình biểu mô hoá, phục hồi sự nhạy cảm của giác mạc vì vậy dùng điều trị bỏng nhiệt, bỏng hoá chất, loét giác mạc mắt... 6/3/2014 21 * Điều trị các bệnh Daliễu- Hoa liễu. - Laser công suất cao đặc biệt là laser CO2 đã điều trị được các u mạch nông hoàn toàn không sẹo, xoá nếp nhăn, nốt ruồi, mụn cơm, sẹo lồi, các vết săm, tàn nhang, trứng cá, sạm da, sùi mào gà.... - Laser công suất thấp (như laser He-Ne) được sử dụng để điều trị các vết loét loạn dưỡng, các dạng ezema, viêm bì da thần kinh, vẩy nến, trứng cá đỏ... 6/3/2014 22 * Sử dụng trong lĩnh vực ngoại khoa. - Trong phẫu thuật : Người ta dùng chùm tia laser CO2 có mật độ công suất cao thay cho dao mổ thông thường, chùm laser đó được gọi là dao laser hay dao quang. -Trong tim mạch : hiện nay, thành tựu lớn là kỹ thuật tạo hình bằng laser Ecimer. Dùng laser kết hợp với nội soi trong phẫu thuật có thể tạo hình van tim và hàn các lỗ thông nhĩ, thông liên thất.  laser có thể điều trị được các bệnh nhồi máu cơ tim, suy mạch vành nhẹ, cao huyết áp và tai biến mạch máu não. - Trong các trường hợp nhiễm trùng ngoại khoa : Laser nội mạch được sử dụng rộng rãi với mục đích phòng và điều trị nhiều loại nhiễm trùng ngoại khoa. - Ngoài ra, laser còn ứng dụng điều trị các bệnh lý về mạch (như xơ vữa, xơ cứng mạch máu) và điều trị các chứng loạn dưỡng. 6/3/2014 23 * Laser trong lĩnh vực nội khoa. - Bệnh của cơ quan hô hấp : laser He-Ne có thể điều trị viêm phổi mãn . Chiếu laser nội khí quản cho trẻ em bị viêm phổi có tác dụng tăng chuyển hoá trong tế bào nhờ đó rút ngắn thời gian điều trị. - Bệnh của cơ quan tiêu hoá : laser năng lượng thấp có tác dụng kích thích quá trình tái tạo tổ chức hạt và quá trình biểu mô hoá do đó nó có tác dụng điều trị các tổn thương loét đường tiêu hoá. - Các bệnh về khớp : Laser đỏ có tác dụng giảm đau và chống viêm ở các bệnh nhân bị bệnh thấp khớp. Laser cũng có hiệu quả khi điều trị thoái hoá các khớp. 6/3/2014 24 * Laser trong đông y và chuyên ngành thần kinh. Người ta đã phát minh ra một loại thiết bị y tế đặc biệt gọi là laser châm cứu. Các hệ laser châm cứu có hiệu quả hơn so với các phương pháp dùng kim thông thường. Dùng laser châm cứu có thể điều trị được rất nhiều bệnh như là đau dây thần kinh, viêm khớp, đái đường, đái dầm, đau đầu, hen suyễn, phế quản.... 6/3/2014 25 * Laser trong điều trị ung thư . Đó là biện pháp điều trị bằng quang động lực, tức là chiếu những chùm laser có bước sóng thích hợp vào các mô và cơ quan để kích thích (hoạt hoá) các hoá chất đã được đưa vào trước đó. Khi ấy các hoá chất đó sẽ có tác dụng tiêu diệt hoặc kìm hãm sự phát triển của tế bào ung thư. Ngoài ra, laser còn được sử dụng trong nhiều chuyên ngành khác như sản khoa và bệnh học giới tính, răng hàm mặt, tai mũi họng.... 6/3/2014 26