những ứng dụng của laser trong y tế, tìm hiểu laser nd- yag

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  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 CO
2
. Hiện nay chóng
ta đã di sâu nghiên cứu những loại laser phức tạp hơn và có những ứng dụng
cao hơn  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 (Al
2
O
3
) 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  hình vẽ:
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
E
1
hấp thụ và nhờ có năng lượng này điện tử có thể nhảy lên mức E
2
. Hiện
tượng này được gọi là hiện tượng hấp thụ.
Hình 1.2: Hiện tượng hấp thụ.
 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.
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.
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 
hướng truyền, độ phân cực, pha, tần. Trong trường hợp này photon kích thích
không bị mất mát  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

 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 n
1
)
bao giê cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích ( quy ước là n
2
). Hiện tượng
hấp thụ tỉ lệ với n
1
còn hiện tượng phát xạ tự do và phát xạ cưỡng bức thì tỉ lệ

với n
2
, với hệ số tỉ lệ gần  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 n
2
lớn hơn số điện tử ở mức dưới n
1
.
Môi trường  vậy được gọi là môi trường nghịch đảo nồng độ (đảo ngược độ
tích luỹ) với n
2
> n
1
.
Môi trường đặc biệt có sự đảo ngược độ tích luỹ  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
 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 E
1
< E
2
thì N
1
>
N
2
. Nếu chúng ta kích thích hệ bằng cách dọi vào hệ ánh sáng có tần số đáp
ứng điều kiện hυ = E
2
- E
1

, thì N
2
sẽ tăng lên, N
1
giảm xuống và N
1
+ N
2
= N =
const, N là số nguyên tử của cả hệ. Như đã biết nếu tăng công suất bơm thì
∆N = N
1
- 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 được N
2
> N
1
. 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 ∆N = 0, N
1
= N
2
được gọi

là hiệu ứng bão hòa. Hiệu ứng bão hòa càng dễ đạt được khi thời gian sống
của trạng thái ứng với E
2
càng lớn. 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 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.

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 E
1
, N
1
; E
2
, N
2
, τ
2
; E
3
, N
3
, τ

3
, trong đó E
1
< E
2
< E
3
là năng lượng
tương ứng của ba mức, N
1
+ N
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. τ
2
, τ
3
là thời gian sống của trạng thái E
2
, E
3
tương ứng. Nếu trong một hệ ba mức với τ

3
< τ
2
chóng ta không thể dùng
bơm quang học có bước sóng hυ = E
3
- E
1
để đạt được trạng thái bão hòa N
1
=
 






N
3
vì chuyển mức tự phát E
3
→E
2
lớn. Tuy nhiên có thể bằng cách này làm
tăng nồng độ N
2
và nhờ đó mà thiết lập được sự đảo mật độ giữa hai mức E
2
và E

1
để thu được phát xạ cưỡng bức hυ = E
2
- E
1
.
* 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
CO
2
, để có được công suất đầu ra là 1W cần phải sử dụng một ống chứa khí
dài 10
4
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  đơn sắc.  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= 2πυE
d
/ P
0
E
d
: năng lượng dự trữ trong buồng cộng hưởng
P
0
: 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  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  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  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  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  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  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  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 CO
2
, 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
λ 1 µ= 1/1000 m
1 nm= 1/1000 µ
1 A°= 1/10 nm
λ= c/γ
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/cm
2
D= P/S
S: tiết diện điểm chiếu
laser
Mật độ năng lượng
laser
W J/cm
2
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  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 CO
2
. 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.


 Chế độ xung.

 Chế độ siêu xung.








 Chế độ khoá.

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.





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 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 hướng trực tiếp hoặc hướng phát xạ.
Công suất của loại laser này thấp hơn 10µW.
Bước sóng thuộc khoảng 400-1400nm.

 !"#$

%&$'()*+
%&$,-+
. ) 

)

)


/
0
(
1$2

(
1$$3

45467
 %&-
%&89

:
+)

+
;<=.>%&
%&?;@
%&A?$
%&B
%&C&&
D +
:D
%&&4$&
%&.:++

-Loại II.
Loại laser này không gây thiệt hại tới mắt và da nếu thời gian chiếu không
vượt quá 0,5s.
Công suất từ 1µW - 1mW.
Bước song trong vùng nhìn thấy 400-700nm
-Loại III
a
.
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
10µW- 1mW
-Loại III
b
.
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 1µW-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.
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)
θ
i
, θ
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:
(2)
E
0
là phát xạ bề mặt (w/m
2
), µ
t
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/m
2
.sè

) theo hướng s tại điểm r là:
(3)
BEF6
GE
8H&
84I54 $J
&
µKµL
%M#NO?P$
JFQ4

J1
JNJ4$Q
µ
t
=µ
a
+µ
s
; µ
a
là hệ số hấp thô, µ
s
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(cosθ) (4)
Trong đó θ 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(θ) cho thấy nó
có dạng hàm Henry Greenstein.
θ(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 µ
a
, hệ số tán xạ µ
s
và
hệ số đẳng hướng (g)
Ta phải giải phương trình (3) nếu hệ số tán xạ lớn hơn hẳn hệ số hấp thô
(µ
s

≥µ
a
). Trường hợp này thường xảy ra trong vùng phổ 600nm-1,2µm. Hình
2.2 thể hiện các giá trị xấp xỉ của µ
a
trong protein, acid amin, máu (HbO),
tiểu cầu và huyết tương. Vùng phổ 600 nm-1,2 µm 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/m
3
) liên quan với hấp thụ sáng trong tế bào liên quan
một cách lý thuyết với:
Q(r)= µ
a
(r)θ(r) (6)
Trong đó tần sè θ 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.
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.

Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tương tác laser- mô tế bào
1.1.2: Phân loại tương tác




:

+






RPOE4

RPOE4
S S
µ
α
Tµ
α
($U
VW4


X

X

YH&4&&
VW4


µ
α
Z4

µ
α
Z:4



ZZφ[VW4


\
]E^" CU^0N_ 84'`46$U
X5NO?^
H&
]aHU50N
_$U
] !
$U
b/
"c
X54d?e
GPf
M$U
CU^aHU$U'Pg$
%&

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 ( 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  nhau trong ứng dụng. Quang cảm ứng
chính là cơ sở cho cho việc dùng laser công suất thấp  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
 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
 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.

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 (10
0
- 10
5
W/cm
2
) đòi hỏi một
thời gian tương tác rất lớn (10
1
- 10
5
s) 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.



D











]h$$4'P





+

:


Gi'P4E0VW4



:







:


:
)
C$Uj
N$ Q
Gi'PkHM
#lW4


<b,$f
<b?c4HgN
m<b'E
:m<b'Pn4o]
)m<B6464$n4