Bài giảng kỹ 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.
s
0
*
S
2
*
S
1
*
S
0
T
Ghi chú:
So : đường mức năng lượng ứng với trạng thái cơ bản.
S
o
*
, S
1
*
, S

2
*
,… 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 S
0
S
*
i
(i = 1,2,3…): Hấp thụ
-
Bước chuyển S
2
*
S
1
*
, S
1
*
S
0
*

: Môi trường phát xạ
nhiệt ( thời gian  10
-13
10
-12
sec)
-
Bước chuyển S
i
*
S
0
: Huỳnh quang (thời gian sống của
điện tử ở mức kích thích  10
-9
10
-8
sec).
-
Bước chuyển S
i
*
T: phát xạ nhiệt.
-
Bước chuyển TS
0
: 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 CO
2
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