TIỂU LUẬN Ứng DỤNG LASER CÔNG SUẤT CAO TRONG Y HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT

BÁOCÁOĐỀTÀITIỂULUẬN
Ứng DỤNG LASER CÔNG SUẤT CAO TRONG Y HỌC
Nhóm thực hiện : Trần Khánh
Lâm Trần Ý
Mở đầu
Nội Dung
I >Lịch sử của phương pháp phẫu thuật bằng laser công
suất cao
II > Cơ sở lý thuyết của phẫu thuật laser công suất cao
1 > Tương tác nhiệt
2 > Hàng rào sinh học
III> Phẫu thuật bằng laser CO2 công suất cao
3.1 > Cấu tạo laser CO2
3.2 > Các mô hình của laser ở chế độ liên tục
3.3 > Tương tác của laser CO
2
với mô sống
3.4 > Ứng dụng laser CO
2
trong phẩu thuật
IV > Phẫu thuật bằng laser bán dẫn công suất cao
4.1 > Cấu tạo laser bán dẫn
4.2 > Các thiết bị laser bán dẫn
Mở Đầu
* Laser là một thiết bị tạo ra nguồn sáng đơn sắc nhân tạo
với tính chất đặc biệt mà những nguồn sáng tự nhiên cũng
như nhân tạo trước đó không thể nào có được. Ðó là độ

đơn sắc cao,độ định hướng lý tưởng , tính kết hợp cao ,
khả năng tập trung năng lượng lớn
* Nhiều nhà khoa học nổi tiếng
trên thế giới đã đánh giá cao
vai trò của Laser trong khoa
học và kỹ thuật hiện đại,
ví sự ra đời của Laser giống như
sự ra đời của transistor trước kia
hay mạch tích hợp IC sau này.
I >Lịch sử của phương pháp phẫu thuật bằng
laser công suất cao
-
Các phương pháp phẫu thuật đã phát triển từ rất sớm
trong lịch sử phát triển của y học
-
Giới hạn của phương pháp
phẫu thuật thông thường kể cả
phương pháp nội soi khi tương
tác với mô là khả năng gây
chảy máu, mà trong một
chừng mực nào đó đó thể gây
nguy hiểm đến tính mạng của
con người
Với sự ra đời của dao mổ lạnh và dao mổ điện đã mang lại
nhiều thành công mới trong phẫu thuật tuy nhiên về mức độ
khả năng hủy hoại đến mô ở cả hai phương pháp này vẫn còn
rất lớn. Ý niệm về một phương pháp đáng tin cậy , chính xác
và không ảnh hưởng đến các mô , cơ quan xung quanh để cắt
bỏ những khối u luôn là sự khác vọng của các nhà phẫu thuật
Điều đó đã dẫn đến việc phát triển công nghệ phẫu thuật laser

như là một phương pháp mới.
II>Cơsởlýthuyếtcủaphẫuthuậtlasercôngsuất
cao
Cho tới nay người ta vẫn chưa tìm hiểu được thấu đáo các quá
trình tương tác của laser lên các tổ chức trên cơ thể người và
động vật do sự khó khăn khi xem xét các chuyển hóa phức tạp
xảy ra trong tổ chức sống dưới tác dụng của tia laser.
Quá trình bắt đầu từ sự hấp thụ
laser. Khi chiếu laser lên bề mặt
các tổ chức sống thì 1 phần năng
lượng sẽ bị hấp thụ và 1 phần phản
xạ trở lại
Laser CO2 bước sóng 10,6μm bị hấp thụ rất mạnh bởi nước
vốn chiếm 70-90% các tổ chức ở cơ thể người. Gần như tất cả
năng lượng của laser CO2 sẽ được hấp thụ bởi lớp tế bào bề
mặt, không phụ thuộc màu sắc tế bào => khó phẫu thuật sâu
Mức hấp thụ cũng như độ xuyên sâu của tia laser phụ thuộc
vào bước sóng của laser và tính chất của bản thân tổ chức sống
Laser Nd-YAG và laser Ag thì lại đi qua nước dễ dàng, vì vậy
xuyên sâu hơn. Trong tế bào có nhiều chất khác nhau có thể
hấp thụ 2 loại laser này, điển hình là Hb hấp thụ mạnh laser Ar
blue-green
Laser Nd-YAG 1.06 nm bị Hb hấp thụ ít hơn, vì vậy dễ xuyên
sâu qua các mô. Nhiều tác giả đánh giá cao triển vọng của nó
đối với các vết loét chảy máu ở bộ máy tiêu hóa và các khối u
hắc tố (melanoma) trong đường hô hấp
Tóm Lại :
Năng lượng laser khi được các tổ chức sống hấp thụ sẽ chuyển
thành nhiệt năng cung cấp cho các phản ứng quang hóa, rồi
chuyển sang bức xạ huỳnh quang, cuối cùng là dẫn tới tổn

thương mô.
2.1>HiệuứngNhiệt:
Hiệu ứng nhiệt là thành phần quan trọng nhất trong các tương
tác của laser lên tổ chức sống. Phần lớn năng lượng laser trong
vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại được chuyển hóa thành
nhiệt, gây ra bỏng và đốt cháy các mô. Tuy nhiên sự tổn
thương được giới hạn rất chặt chẽ chỉ trong vùng tia laser
chiếu tới vì các xung cực ngắn của laser cung cấp nhiệt năng
tức thời ko đủ để lan truyền ra xung quanh vùng bị chiếu.
Ví dụ
như laser CO2 chiếu vào tế bào sẽ làm cho chất lỏng đạt tới
điểm sôi. Hơi tạo ra trong tế bào sẽ làm nổ tung nó (gọi là hóa
hơi, hay bốc bay tế bào). Hiệu ứng nhiệt tiếp theo đó là sự than
hóa. Tuy nhiên thì kích thước vùng tổn thương chỉ có 0.03mm.
H. Richter, W. Schuchardt (1981) so sánh tác dụng của laser
CO2 và laser Nd-YAG trên các loại mô động vật khác nhau đi
tới kết luận: với tính dẫn nhiệt ở mô tương đương nhau, nhiệt
độ lớn nhất ở mô bị chiếu bởi laser CO2 nhỏ hơn hẳn so với
laser Nd-YAG, nhiệt độ ở vùng xung quanh khu vực chiếu
laser CO2 cũng nhỏ hơn hẳn so với laser Nd-YAG
* Hiệu ứng bóc bay tổ chức
Khi mật độ công suất :
Thời gian chiếu :1/1000 (s) đến 1s
Dựa vào độ định hướng lý tưởng và độ đơn sắc cao =>hình
thành nên cơ sở của phẫu thuật laser ->tạo vết cắt nhỏ trong
phẫu thuật
2
64
1010
cm

W
S
P
÷=
Thực nghiệm bằng laser CO
2
cho thấy : laser CO
2
tương tác
với mô với độ chính xác khá cao và đồng thời việc tác động
đến các mô xung quanh là rất ít
Tương tác chính giữa tia laser công suất cao và mô là tương
tác nhiệt. Kết quả là nhiệt độ tại mô bị chiếu tăng lên
- Độ nóng lên của mô cũng phụ thuộc vào màu sắc của nó. các
mô có sắc tố hấp thụ nhiều năng lượng laser hơn.
- Năm 1969, P.E. Кавецский và các cộng sự đã rút ra: gan và
vùng da sẫm màu, khi chiếu laser vào, nóng mạnh hơn hẳn so
với các mô không chứa sắc tố.
* Chỉ sử dụng các hiệu ứng nhiệt để giải thích về tổn thương
do tia laser thì không đủ. Khi nhiệt độ vùng bị chiếu tăng cao
1 cách tức thời, sẽ xuất hiện cả các hiệu ứng cơ học.
Н. Ф. Гамалея (1981) chỉ ra sự xuất hiện hiệu ứng áp lực
ngược: khi xảy ra sự hóa hơi (bốc bay) trên bề mặt của tổ chức
sinh học dưới tác dụng của laser, các hạt vật chất bay lên từ bề
mặt bị chiếu sẽ làm xuất hiện 1 xung cơ học hay 1 áp lực
ngược lại với chiều bay lên của nó, tức là trùng với hướng tới
của tia laser.
Một hiệu ứng cơ học khác cũng được Гамалея nhắc tới là sự
tăng vọt thể tích cục bộ của tổ chức do nhiệt độ tại đó tăng
nhanh tức thời không kịp lan tỏa ra xung quanh. Điều này kéo

theo sự xuất hiện các dao động dàn hồi tại ranh giới của vùng
chiếu, gây ra các tổn thương khác hẳn so với tổn thương nhiệt
của tia laser.
Các hiệu ứng cơ học tương tự sẽ không xảy ra nếu sử dụng
laser dạng liên tục
2.2>Hàngràosinhhọc:
hàng rào sinh học ta chú ý đến 3 hiệu ứng sau:
- Sự đông đặc (Coagulation): tế bào cô đặc lại, và bắt đầu bị
hoại tử, nhiệt độ ít nhất để xảy ra hiện tượng là 60
o
C.
- Sự bốc hơi (Vaporization): khi bị đốt nóng đến nhiệt độ cao
(khoảng 100
o
C) một số thành phần của tế bào bị bốc hơi.
- Sự Carbon hóa (Cabonization): khi bị đốt nóng trên 100
o
C
các phân tử hữu cơ bị phân hủy.
* Bản chất của hàng rào sinh học trong phẫu thuật laser
Khi chiếu tia laser công suất cao lên mô, nhiệt độ của mô sẽ
tăng lên và phân bố thành nhiều lớp tiên tiếp nhau:
Vùng (1) là vùng có nhiệt độ cao nhất (lớn hơn 100
o
C ) do tia
laser chiếu trực tiếp vào, đây là vùng tế bào bị đốt cháy.
Vùng (2) là vùng có nhiệt độ thấp hơn (khoảng 100
o
C), hiệu
ứng chủ yếu là sự bốc hơi, phần lớn nước trong tế bào thoát ra

ngoài, mật độ vật chất tại vùng này tăng cao, hình thành một
lớp tế bào bị hoại tử bao bọc lấy vết cắt.
Vùng (3) là vùng có nhiệt độ vào khoảng 60
o
C, hiệu ứng chủ
yếu là sự đông đặc của tế bào, nước mô, máu không thấm ra
ngoài được.
Vùng (2) và (3) chính là hàng rào sinh học bảo vệ vết cắt. Hai
hiệu ứng quan trọng nhất chính là sự bốc hơi và đông đặc của
tế bào.
Hiệu ứng quang đông (60
o
C)
Như vậy bản chất của hàng rào sinh học trong phẫu thuật laser là lớp
màng của các tế bào bị hoại tử và bị đông lại do tác dụng của tia laser.
Bề dày của hàng rào sinh học này vào khoảng micromet nhưng có tác
dụng rất lớn trong việc bảo vệ vết thương tránh nhiễm trùng, ngăn
chặn sự phát tán của các tổ chức gây bệnh, điều này có ý nghĩa rất
quan trọng trong phẫu thuật đặc biệt là phẫu thuật các tế bào ung thư.
Ngoài ra khi sử dụng tia laser trong phẫu thuật cần chú ý đến mật độ
công suất và thời gian chiếu tia để phát huy những đặc tính tối ưu của
hàng rào sinh học.
III>PhẫuthuậtbằnglaserCO2côngsuấtcao
3.1>CấutạolaserCO2
Với tên gọi là laser CO
2
bởi vì sự bức xa cưỡng bức phát ra tia
laser được thực hiện bởi các phân tử CO
2
. Đây là một loại

laser phân tử có công suất rất cao. Sự chuyển mức tạo ra laser
có bước sóng 9.4 hoặc 10.6um thuộc vùng hồng ngoại xa.
Hệ thống khớp quang cơ gồm nhiều đoạn khác nhau liên thông
quang học qua một dãy các thấu kính được chế tạo thật chính
xác.Vì thế dao mổ laser CO
2
hiện nay vẫn đảm bảo được tính
cơ động cao do cấu tạo đặc biệt này. Bước sóng của laser CO
2

nằm trong vùng không nhìn thấy nên người ta ghép vào hệ
thống khớp quang cơ một laser khí He-Ne có ánh sáng đỏ
đồng trục làm tia dẫn đường.
3.2>CácmôhìnhcủalaserCO
2
phátởchếđộliêntục
a)SlowFlowLasers
Với mô hình phát laser này, dòng hỗn hợp khí đi vào và đi ra
buồng cộng hưởng với tốc độ chậm. Hệ thống dẫn nước có
tác dụng làm mát, tản nhiệt làm tăng hiệu suất laser. Sự
phóng điện được thực hiện dọc theo buồng cộng hưởng. Với
các thiết bị chế tạo ứng dụng trong y học, hỗn hợp khí được
giữ cố định trong buồng cộng hưởng.
Với loại laser này, cơ cấu thiết kế
nhỏ gọn nhưng hiệu suất làm việc
thấp, công suất có thể đạt tới 50W
khi phát ở chế độ liên tục
b)FastAxialFlowLasers
Đây là mộ hình laser CO
2

trong đó công suất được nâng lên
đáng kể do hiệu suất làm việc được cải thiện. Trong mô hình
này, tốc độ dòng hỗn hợp khí đựoc tăng lên rất lớn, và di
chuyển theo trục quang học (Fast Axial Flow)
Tốc độ dòng khí từ 100–500m/s, sau khi ra khỏi buồng cộng
hưởng hỗn hợp khí được trao đổi nhiệt với bên ngoài và lại
tiếp tục với chu trình
Hiệu suất laser CO
2
tăng
đáng kể, công suất đầu
ra có thể lên tới 600W
khi phát ở chế độ liên
tục