Ứng dụng laser trong y học

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

laser cụ thể là laser Nd: YAG và thiết bị laser này trong y tế.
1
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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
đợc ý kiến nhận xét, đánh giá của thầy cô và các bạn.
Chơng i: lý thuyết chung về laser
2
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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 cỡng bức (Light
Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Ông tổ của laser chính là
nhà vật lý thiên tài Albert Einstein, ngời đã phát minh ra hiện tợng phát xạ cỡng
bức (Stimulated Emision of Radiation) vào năm 1917. Còn ngời phát minh ra
nguyên lý cơ bản của máy laser là nhà vật lý ngời Mỹ Townes vào năm 1964.
Cùng đồng thời trong năm đó hai nhà vật lý ngời 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 đợc nhận giải thởng Nobel vật lý năm 1964. Máy laser đầu
tiên đợc 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, ngời ta đã phát hiện hàng loạt chất có khả năng
phát tia laser nh 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 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 1.2: Hiện tợng hấp thụ.
Nh vậy, hiện tợng hấp thụ ánh sáng là quá trình các điện tử ở mức thấp hấp thụ
photon và nhảy lên mức năng lợng cao hơn. hấp thụ luôn luôn làm ánh sáng
yếu đi.
2.1.2: Hiện tợng 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 lợng sẽ đợc tạo ra
dới dạng nhiệt hoặc ánh sáng.
E
E
2
E
1
E
E
2
E
1
4
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.3: Hiện tợng 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 nhng có pha khác nhau, có hớng khác nhau,
có mặt phân cực khác nhau.
2.1.3: Hiện tợng phát xạ cỡng bức.
Cũng nh hiện tợng hấp thụ khi ta chiếu chùm ánh sáng đơn sắc với năng lợng
của từng photon bằng E vào môi trờng có hai mức năng lợng thì photon có khả
năng sẽ tơng tác với điện tử ở mức trên và có khả năng cỡng bức các điện tử này
bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó.

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

1
) bao giờ
cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích ( quy ớc là n
2
). Hiện tợng hấp thụ tỉ lệ
với n
1
còn hiện tợng phát xạ tự do và phát xạ cỡng bức thì tỉ lệ với n
2
, với hệ số
tỉ lệ gần nh nhau. Vì nguyên nhân đó nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phát
xạ cỡng bức và phát xạ tự do, do đó chùm ánh sáng đi qua môi trờng bình thờng
bao giờ cũng yếu đi.
Để có hiệu ứng Laser, tức là chùm ánh sáng đợc khuyếch đại thì thì ta phải tạo
ra một môi trờng đặc biệt mà ở đây hiện tợng phát xạ cỡng bức xảy ra phải
mạnh hơn hiện tợng hấp thụ. Hiện tợng này chỉ xảy ra trong môi trờng mà tại
đó các điện tử ở mức trên n
2
lớn hơn số điện tử ở mức dới n
1
. Môi trờng nh vậy
đợc gọi là môi trờng nghịch đảo nồng độ (đảo ngợc độ tích luỹ) với n
2
> n
1
.
Môi trờng đặc biệt có sự đảo ngợc độ tích luỹ nh ta nói ở trên là yếu tố cơ bản
của mọi Laser. Môi trờng đó gọi là hoạt chất của Laser hay gọi ngắn gọn là hoạt
chất.
Khi ánh sáng đi qua môi trờng nghịch đảo mật độ cờng độ ánh sáng tăng theo

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

kích thích băng điện (bơm điện).
*Bơm quang học:
Đây là phơng pháp kích thích hệ bằng bức xạ điện từ nói chung, bao gồm: viba,
hồng ngoại, ánh sáng, tia tử ngoại Đây là phơng pháp kích thích đợc dùng
phổ biến.
Trong mô hình hai mức năng lợng, 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 h = 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. Nh 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 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

môi trờng đó bằng mô hình ba mức, bốn mức.

Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lợng
Giả sử ta có một hệ nguyên tử có ba mức năng lợng nh ở hình trên với các thông
số E
1
, N
1
; E
2
, N
2
,
2
; E
3
, N
3
,
3
, trong đó E
1
< E
2
< E
3
là năng lợng tơng 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.
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

= 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 đợc sự đảo mật độ giữa hai mức E
2
và E
1
để thu đợc phát xạ cỡng bức
h = E
2
- E
1
.
* Bơm điện
Trong trờng hợp laser khí để tạo điều kiện nghịch đảo nồng độ, ngời ta dùng
hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự
do chuyển động nhanh dới tác động của điện trờng 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. Ngời ta quan tâm nhiều tới trờng hợp
kích thích hóa, khi đó những điện tử của nguyên tử hay phân tử nhận đợc năng
lợng do va chạm sẽ dịch chuyển lên mức năng lợng 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 lợng làm sáng chất khí phóng điện nh trong các đèn ổn

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

m, điều này không
thể thực hiện đợc. Vì vậy, vấn đề tăng chiều dài của hoạt chất phải đợc sử dụng
bằng cách khác. Chính nhờ buồng cộng hởng quang học mà mà việc tăng chiều
dài của hoạt chất đợc giải quyết một cách đơn giản. Trong buồng cộng hởng tia
sáng đợc phản xạ nhiều lần và đây chính là biện pháp tăng quãng đờng đi của
tia.
9
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.6 : Sự hình thành hồi tiếp dơng trong buồng cộng hởng
Quá trình xảy ra nh sau: Giả sử, dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong
buồng cộng hởng xuất hiện một sóng ánh sáng. Sóng sẽ đợc khuếch đại lên do
các dịch chuyển cỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ, một
phần sóng ánh sáng có thể bị mất do hiện tợng hấp thụ hoặc truyền qua, nhng
phần chủ yếu đợc phản xạ trở lại và đợc tiếp tục khuếch đại lên trên đờng đi tới
mặt phản xạ kia. Tại đây cũng sẽ sảy ra quá trình tơng tự và cứ nh vậy, sau rất
nhiều lần phản xạ ta sẽ thu đợc dòng bức xạ có cờng độ lớn.
Khuếch đại ở đây không thể nào lớn vô cùng đợc, nó bị giới hạn bởi công suất
của nguồn bơm. Vì vậy cờng độ bức xạ chỉ tăng đến khi thiết lập đợc điều kiện
cân bằng năng lợng.
* Tạo ra bức xạ định hớng, đơn sắc, kết hợp
Do buồng cộng hởng là hở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng
cộng hởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và đợc khuếch đại lên. Những sóng ánh
sáng này xác định công suất ra của laser. Còn những sóng ánh sáng nào lan
truyền dới những góc lệch tơng đối lớn so với trục của buồng cộng hởng thì sau
một vài lần phản xạ sẽ thoát ra ngoài. Vì vậy bức xạ hình thành ở cửa ra của
buồng cộng hởng có tính định hớng rất cao. Trong quá trình phản xạ nhiều lần
giữa hai gơng, 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 hởng có thể thực hiện đợc các phơng pháp chọn lọc dao động khác
nhau để thu đợc bức xạ trong một dải phổ rất hẹp, gần nh đơn sắc. Nh vậy có

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

Laser là một nguồn sáng, tuy nhiên đây là một nguồn sáng đặc biệt và chính
những tính chất đặc biệt ấy 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 hớng cao
11
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Từ nguyên lý hoạt động của laser ta thấy laser phát theo một hớng vuông góc
với gơng của buồng cộng hởng. Tia laser phát ra hầu nh dới dạng chùm sáng
song song. Tuy vậy do ảnh hởng nhiễu xạ ở biên của chùm tia, tia laser phát ra
với một góc mở nhất định nh hình:

Hình 1.7: Góc mở của chùm tia laser
Từ lâu con ngời đã rất cần những nguồn sáng song song trớc hết dùng để đo xa,
liên lạc, dẫn đờng nh các đèn pha, đèn chiếuNhững 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 phút góc (1 phút góc = 1/60 độ), có trờng hợp chỉ vài
giây góc. Vì vậy laser có thể chiếu đi rất xa cỡ hàng nghìn cây số .
3.2: Tính đơn sắc rất cao
Độ đơn sắc của nguồn sáng đợc hiểu là chùm sáng đó có một màu và khả năng
tập trung năng lợng vào một màu ấy. Với ý nghĩa nh vậy laser đúng là một
nguồn sáng đặc biệt mà không một nguồn sáng nào khác có thể so sánh đợc.
Những máy quang phổ có thể cho ánh sáng một màu với độ tinh tơng đơng với
laser nhng lại thua laser cỡ 1 tỷ lần về tập trung năng lợng. Mặt trời có thể cho
năng lơng rất lớn nhng lại rải trên nhiều màu. Vì vậy tính đơn sắc rất quan trọng
trong việc sử dụng laser nh một 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 đợc hiểu là sự hoạt động nhịp nhàng của các photon
trong chùm sáng ấy. Độ nhịp nhàng càng cao thì tính kết hợp càng lớn và trong

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

= c/
c: tốc độ ánh sáng
Công suất laser
P W
1 kW= 1000 W
P= E/t
E: năng lợng của laser
t: thời gian phát laser
Mật độ công suất
laser
D W/cm
2
D= P/S
S: tiết diện điểm chiếu
13
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
laser
Mật độ năng lợng
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 lợng. Chính vì vậy laser đã đợc 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 phơng pháp để phân loại laser:
- Phân loại theo môi trờng hoạt chất.

- 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

. laser
He-Ne.
Nguồn nuôi của laser khí thông thờng là các nguồn điện cao áp đặt vào điện cực
trong một ống thuỷ tinh, thạch anh có chứa khí tơng ứng.
4.2: Phân loại theo chế độ làm việc.
Theo phơng pháp này ta có 4 loại chính:
- Chế độ liên tục.


- Chế độ xung.
t(s)
P(w)
P(w)
t(s)
mở
15
Website: Email : Tel (: 0918.775.368

- ChÕ ®é siªu xung.

- ChÕ ®é kho¸.

4.3: Ph©n lo¹i theo bíc sãng.
Ph©n lo¹i theo bíc sãng cã 3 lo¹i:
- Laser cã bíc sãng trong vïng cùc tÝm.
- Laser cã bíc sãng trong vïng nh×n thÊy.
- Laser cã bíc sãng trong vïng hång ngo¹i.
P(w)
t(s)
P(w)

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

5
10
5
1
100nm
Vùng nhìn
thấy
Vùng hồng
ngoại gần
3
Vùng hồng
ngoại giữa
Vùng
cực tím.
100nm Laser màu
Laser CO
2
400- 1000nm
850 nm
106nm
1318nm
Nd:YAG Laser
Lasser bán dẫn
Laser Rubi
Laser Kr
Laser He- Ne
193nm 308nm
249nm
Laser excimer
Laser Ar 488nm

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

I: Tơng tác của laser với tổ chức sống
1.1: Cơ chế tơng tác của bức xạ laser với tổ chức sống
18
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
1.1.1: Tơng tác laser mô tế bào
Đáp ứng quang của mô tế bào với laser đợc mô tả trong hình 1. Một chùm laser
đợc phản xạ tại bề mặt theo định luật Fresnel.
Hình 2.1: Tơng tác quang của chùm laser với mô tế bào
Phản xạ không khí- tế bào xấp xỉ 2,5% khi chùm laser đợc chuẩn với mô tế bào.
Tán xạ ánh sáng mô tế bào tạo nên phản xạ khuếch tán.
2
1
)(
=
i
R







+

+
+

)(
)(

)(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

e
o
eEzc
à
à



=
)(
(2)
E
0
là phát xạ bề mặt (w/m
2
), à
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 lợng tế bào liên quan, sự
truyền của ánh sáng tán xạ đợc miêu tả trong phơng trình truyền hơn là phơng
trình Maxwell.
Độ phát xạ L(w/m
2
.số

) theo hớng s tại điểm r là:
dwsrlsspsrLsrL
n
),(),(),(),(

,
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

là hệ số tán xạ và p(s,s
,
) là hàm pha mô tả xác
xuất tán xạ từ hớng s
,
đến hớng s. Giả sử tế bào là đẳng hớng theo nghĩa là hớng
của tế bào tiếp xúc với ánh sáng s
,
không ảnh hởng đến góc tán xạ.
p(s.s
,
)=p(s,s
,
)=p(cos) (4)
Trong đó là góc tán xạ. Tham số cosine của hàm pha là hệ số đẳng hớng (g).
Anhs sáng đợc tán xạ về phía trớc trong tế bào và giá trị của g thờng nằm trong
khoảng 0,7- 0,99. Những đo đạc thực nghiệm hàm p() cho thấy nó có dạng
hàm Henry Greenstein.
(r)=
dwsrl


4
,
),(
(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 trớc dạng của hàm pha và
thêm vào giải pháp làm hiển thị thêm các thông số đặc tính quang xấp xỉ theo
phơng trình (3), cố định giá trị của hệ số hấp thụ à

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

(r)(r) (6)
Trong đó tần số gồm ánh sáng tới và khúc xạ. Khi quan tâm tới tán xạ phải
tính tần số theo phơng trình (3) và (5) để loại trừ tỉ lệ sinh nhiệt theo (6). Tuy
nhiên nếu hấp thụ trội hơn, ta dùng phơng trình (2). Quyết định tỷ lệ sinh nhiệt
là công việc trung tâm để tiên đoán các tơng tác quang nhiệt.
Sự liên quan giữa tần số hấp thụ và tỷ lệ sinh nhiệt đợc minh họa trong hình 2.3
với lớp mô tế bào hồng cầu. Sự hấp thụ của lớp dới gấp bốn lần đầu. Tần số đạt
đợc theo luật hấp thụ. Mặc dù ánh sáng đến lớp thứ hai ít hơn so với lớp thứ
nhất nhng tần số sinh nhiệt của mm đầu tiên của lớp thứ hai vẫn lớn hơn. Do đó
lựa chọn bớc sóng ta có thể nhắm đến các lớp trong của tế bào.
21
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 2.3: Liên hệ giữa tần số (trái) và tần số (phải) của hai lớp tế bào hồng
cầu (Hệ số hấp thụ của lớp động mạch là 1 cm
-1
và 4 cm
-1
) với lớp thứ hai
(không có tán xạ)
Quá trình quang- nhiệt của tơng tác laser-tế bào đợc 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 bớc trong quá trình ta
phải hiểu lý tính của mô tế bào.
Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tơng tác laser- mô tế bào
1.1.2: Phân loại tơng tác
0 1 2 3

0
0,2
0,4

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

-1
, à
2
= 4cm
-1
E
0
= 1= (0) [W/cm
2
]
Thông số quang
Hệ số hấp thụ Các đặc tính nhiệt
Sự phân bố
laser
Tỷ lệ sự hấp
thụ nhiệt
Truyền
nhiệt
Quá trình
quang hóa
Sự cắt bỏ Mở rộng tổn
thương nhiệt
Hệ số tỷ lệNhiệt độ tới hạn
Laser
r
22
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Ta có thể phân loại các tơng tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống theo các hiệu
ứng và tơng tác với mỗi hiệu ứng đó
Loại Hiệu ứng Tơng 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 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)

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 tơng tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống
Các hiệu ứng trên có vai trò không nh nhau trong ứng dụng. Quang cảm ứng
chính là cơ sở cho cho việc dùng laser công suất thấp nh He-Ne hay bán dẫn
hồng ngoại. Quang hóa trị liệu đợc dùng trong ung th học để phá hủy các khối u
(phơng pháp quang đông học PDT). Tăng nhiệt bằng laser đợc dùng nh một kỹ
thuật nhiệt trị ung th 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 nhng kỹ thuật tạo hình mạch bằng laser
23
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
excimer hay laser phá sỏi qua nội soi đã cho kết quả đầy ấn tợng lại có cơ sở
vững vàng ở hiệu ứng bóc lớp hay quang phân cắt.
1.1.3: Tham số vật lý ứng với các dạng tơng tác
Nh bất kỳ một tác nhân vật lý nào, có hai tham số quy định mức độ tơng tác của
laser với tổ chức sống. Đó là mật độ công suất (hay mật độ năng lợng) và thời
gian tơng tác. Hình 2.5 và hình 2.6 phản ánh mối quan hệ định lợng giữa các
tham số đó với các hiệu ứng tơng 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 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

10
0
Mật độ công suất (W/cm
2
)
10
4
10
2
10
0
10
-2
4
2
3
4
5
Hiệu ứng
phi tuyến
Mật độ năng lư
ợng (J/cm
2
)
1 : Quang vi nổ
2 : Quang bóc lớp
3: Quang đông
4: Quang động học (PDT)
5: Kích thích sinh học
24

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

6
- 10
12
10
-12
- 10
-6
Bảng 2.2 : Tơng quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời
gian tác dụng
Sau đây là một số đặc điểm của các hiệu chính:
Hiệu ứng quang sinh học: bao gồm các quá trình kích thích sinh học
thông qua một loạt các phản ứng quang hóa và các quá trình quang động
học (photodyanamic). Các quá trình xảy ra khi khi tia laser có mật độ
công suất cỡ 10
-4
W/cm
2
, thời gian chiếu từ 10 giây đến chục phút.
Hiệu ứng quang đông tổ chức: Khi các tổ chức hấp thụ laser và nhiệt độ
tăng lên khoảng 80C sẽ làm bay hơi nớc gây co vón các tổ chức đó.
Hiệu ứng bốc bay tổ chức: Khi laser có công suất lớn và đợc hội tụ lên
các tổ chức sinh học, nhiệt độ tại vùng chiếu có thể vợt 200Cữ300C.
Các tổ chức sinh học bị đốt cháy và bốc bay để lại các vùng lân cận bị
bỏng hoặc hoại tử với những mức độ khác nhau.
10
-
9
10
-6
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