Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm quang phổ kế ở trong dải khả kiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Ngọc An

ĐỀ TÀI : Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm quang phổ kế ở trong dải
khả kiến

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật y sinh

Hà Nội – Năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Ngọc An

ĐỀ TÀI : Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm quang phổ kế ở trong dải
khả kiến

Chuyên ngành : Kỹ thuật y sinh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật y sinh
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS Trịnh Quang Đức

Hà Nội – Năm 2016


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Ngọc An
Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm quang phổ kế ở trong dải
khả kiến
Chuyên ngành: Kỹ thuật y sinh
Mã số SV: CB140279
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
29/10/2016 với các nội dung sau:
……………………………………………………………………………………………………..…
…………………………………………………………………………………………………..…………
…………………………………………………………………………………………..…………………
…………………………………………………………………………………..…………………………
…………………………………………………………………………..…………………………………

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

tháng

năm

Tác giả luận văn


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 3
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................. 6
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 12
1.1. Tính chất của ánh sáng khả kiến và vai trò của ánh sáng khả kiến trong
y học

................................................................................................ 12

1.1.1. Tính chất của ánh sáng khả kiến ...................................................... 12
1.1.2. Vai trị của ánh sáng khả kiến trong chẩn đốn y học ................... 18
1.2. Mơ hình các quang phổ tiêu biểu ....................................................... 23
1.2.1.Máy quang phổ sử dụng lăng kính .................................................... 23
1.2.2. Máy quang phổ sử dụng cách tử quang học.................................... 25
1.3. Các phương pháp tách bước sóng ...................................................... 26
1.3.1.Phương pháp tách bước sóng bằng lăng kính .................................. 26
1.3.2.Phương pháp tách bước sóng bằng cách tử quang học ................... 29
1.4. Các phương pháp đo phổ .................................................................... 35
1.4.1. Quang phổ phát xạ ............................................................................. 36
1.4.2. Quang phổ hấp thụ ............................................................................. 40
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG......................................... 42
2.1. Thiết kế mơ hình hệ thống .................................................................. 42
2.2. Khối đo ánh sáng ............................................................................... 43

2.3. Khối tách bước sóng ........................................................................... 45
2.4. Khối xử lý số liệu ............................................................................... 48
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ....................................................... 53

1


3.1. Thiết kế buồng đo ............................................................................... 53
3.2. Thiết kế đường quang cho hệ thống ................................................... 56
3.3. Thiết kế khe tán xạ.............................................................................. 58
3.4. Thiết kế hệ thu nhận ánh sáng ............................................................ 59
3.5. Thiết kế phần mềm phân tích số liệu đo ............................................. 60
CHƯƠNG 4 . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 61
4.1. Thử nghiệm với Halogen ................................................................... 61
4.2. Thử nghiệm với đèn compact 11w .................................................... 62
4.3. Thử nghiệm với Led chiếu sáng ......................................................... 63
4.4. Thử nghiệm với Laser 635nm ............................................................ 65
4.5. Kết luận............................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 69

2


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập nghiên cứu, với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy
cơ giáo, sự động viên khích lệ của gia đình, đồng nghiệp và bạn bè cùng với sự cố gắng
của bản thân, tác giả đã hoàn thành đề tài luận văn “Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm
quang phổ kế ở trong dải khả kiến’’
Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trịnh
Quang Đức người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tác giả tận tình trong suốt quá trình

thực hiện đề tài.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Sau đại học, Viện Điện tử viễn thông Đại
học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả
trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trường Cao đẳng
nghề Kỹ thuật thiết bị y tế đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá
trình học tập và thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp vơ cùng quý
báu của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, các bạn bè, các em sinh viên đã giúp đỡ
tác giả hoàn thành đề tài luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm
2016
Học viên

Nguyễn Ngọc An

3


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan, những gì tơi viết trong luận văn này là do sự tìm tịi và nghiên
cứu của bản thân. Các số liệu trong luận văn là có thực, mọi kết quả nghiên cứu cũng như
ý tưởng của tác giả đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng
bảo vệ luận văn thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông
tin nào.
Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan.
Hà Nội, ngày … tháng … năm
2016

Học viên

Nguyễn Ngọc An

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VI: Visible - Vùng phổ khả kiến
NIR: Near infrared- Vùng hồng ngoại gần
FIR : Far infrared- Vùng hồng ngoại xa
UV: Ultraviolet- Cực tím hay tử ngoại gần
ICP: Inductively-Coupled Plasma- Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng
DOSI: Diffuse Optical Spectroscopy Imaging - Quang phổ hấp thụ phân tán
PASI: Photo-Acoustic Spectroscopy Imaging - Quang phổ hấp thụ quang âm
AOSI: Acousto-Optic Spectroscopy Imaging- Quang phổ hấp thụ âm quang
OCSI: Optical Coherence Spectroscopy Imaging- Quang phổ hấp thụ giao thoa
FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy- Biến đổi Fourier hồng ngoại
TOS: Transillumination Optical Spectroscopy - Quang phổ kế truyền qua

5


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ hình sóng điện từ .......................................................... 12
Hình 1.2 Tên gọi của từng vùng sóng điện tử ................................... 13
Hình 1.3. Phạm vi bước sóng tương ứng với màu sắc cảm nhận của
mắt người ............................................................................................. 13
Hình 1.4. Một số kiểu đèn Volfram và halogen ................................ 14
Hình 1.5. Một số loại đèn huỳnh quang sử dụng trong thực tế ...... 15

Hình 1.6. Cấu tạo của diode phát sáng sáng trắng .......................... 16
Hình 1.7. Cấu trúc laser khí Agon- Ion............................................. 17
Hình 1.8. Kỹ thuật OCSI đang sử dụng có thế thu được một hình
ảnh cắt ngang dưới lớp bề mặt của những cấu trúc mờ hoặc mờ đục
như cấu trúc của võng mạc ................................................................ 19
Hình 1.9. Một ví dụ về Photoacoustic................................................ 20
Hình 1.10. Ví dụ về DOSI ................................................................... 22
Hình 1.11. Cấu tạo quang phổ lăng kính .......................................... 24
Hình 1.12. Máy quang phổ cách tử .................................................. 25
Hình 1.13. Sơ đồ máy đơn sắc cách tử điển hỉnh ............................. 25
Hình 1.14. Quan sát phổ qua lăng kính ............................................ 26
Hình 1.15. Lăng kính tán sắc đều ...................................................... 27
Hình 1.16. Số Abbe và chiết suất của thủy tinh làm lăng kính ....... 28
Hình 1.17. Nhiễu xạ bởi một cách tử phẳng. .................................... 31
Hình 1.18: Quy ước dấu cho dãy quang phổ m................................ 32
Hình 1.19. Phân biệt giữa các loại quang phổ .................................. 36
Hình 1.20. Mơ hình máy quang phổ phát xạ .................................... 38
Hình 1.21. Sơ đồ cấu tạo của máy quang phổ phát xạ .................... 40
Hình 1.22. Mơ hình máy quang phổ hấp thụ 1 chùm tia ................ 41

6


Hình 1.23. Mơ hình máy quang phổ hấp thụ 2 chùm tia ................ 41
Hình 2.1. Sơ đồ khối máy quang phổ cơ bản.................................... 42
Hình 2.2. Mơ hình máy quang phổ cơ bản ....................................... 43
Hình 2.3. Hình ảnh một CCD cơ bản ................................................ 44
Hình 2.4. Kích cỡ 3 loại cách tử ......................................................... 46
Hình 2.5. Phương pháp tách bước sóng bằng cách tử nhiễu xạ truyền
qua……………………………………………………………………46

Hình 2.6. Phương pháp thiết kế khối tách bước sóng bằng cách chiếu
tia sáng tới 45* ..................................................................................... 47
Hình 2.7. Mơ hình phần mềm xử lý ảnh Labview ........................... 49
Hình 2.8. Sơ đồ thuật tốn của khối xử lý số liệu ............................ 51
Hình 2.9. Sơ đồ thuật tốn của khối xử lý số liệu sử dụng phần mềm
Labview ................................................................................................ 52
Hình 3.1. Nhựa mica ........................................................................... 53
Hình 3.2. Giấy bìa đen ........................................................................ 54
Hình 3.3.. Mặt dưới case ..................................................................... 55
Hình 3.4. . Mặt bên case ..................................................................... 55
Hình 3.5. Kích thước cụ thể của buồng đo…………………………..55
Hình 3.6. Ảnh sau khi lắp ráp ............................................................ 56
Hình 3.7. Hệ thống quang của hệ thống ............................................ 56
Hình 3.8. Hệ camera và cách tử ......................................................... 57
Hình 3.9. Cách tạo tâm cách tử ......................................................... 58
Hình 3.10. Cách tạo khe thu ánh sáng từ nguồn sáng………………59
Hình 3.11. USB camera sử dụng trong hệ thu nhận ánh sáng qua tâm
cách tử………………………………………………………………..59

7


Hình 3.12. Mơ hình phần mềm labview tạo phổ .............................. 60
Hình 4.1. Phổ nguồn sáng bóng đèn Halogen được trích xuất dữ liệu
từ Labview ........................................................................................... 61
Hình 4.2. Kết quả đo đối với nguồn sáng là bóng đèn Halogen...... 61
Hình 4.3. Phổ nguồn sáng đèn compact 11W được trích xuất dữ liệu
từ Labview……………………………………………………………62
Hình 4.4. Kết quả thử nghiệm với nguồn sáng là đèn compact
11W ....................................................................................................... 63

Hình 4.5. Phổ nguồn sáng với đèn led chiếu sáng được trích xuất từ
dữ liệu Labview……………………………………………………...64
Hình 4.6. Kết quả thử nghiệm với Led chiếu sáng .......................... 64
Hình 4.7. Phổ nguồn sáng với laser 635nm được trích xuất từ dữ liệu
Labview……………………………………………………………....65
Hình 4.8. Kết quả thử nghiệm với laser 635nm ............................... 66
Hình 4.9 . Đồ thị phổ của Laser 650nm theo datasheet của hãng
Thorlab ................................................................................................. 66

8


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Khi phân tích một nguồn sáng ra thành các ánh sáng thành phần đơn sắc gọi
là quang phổ. Quang phổ kế ( Spectrophometer) là một thiết bị dùng để đo cường độ
ánh sáng tại một dải phổ của một mẫu hấp thụ được khi cho tia sáng đi xuyên qua và
được đo lường bằng cảm biến quang điện tử hay nói cách khác Spectrophometer, là
thiết bị hoạt động dựa trên phân tích quang phổ của ánh sáng, nhằm thu được các
thông tin, thành phần, tính chất hay trạng thái của khối vật chất liên quan đến chùm
ánh sáng đó. Tác dụng chính của một máy quang phổ là để tách ánh sáng tổng hợp
thành các bước sóng thành phần tạo ra quang phổ đặc trưng, và thường là xác định
tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.
Phân tích quang phổ quang học đóng một vai trị ngày càng quan trọng trong
lĩnh vực nghiên cứu y sinh học bởi nó cung cấp những thơng tin quan trọng của các
phản ứng sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống. Nó chủ yếu tập trung vào sự phát triển
của các phương pháp phát hiện quang học khơng xâm lấn để chẩn đốn bệnh tật với
hệ thống chiếu sáng đơn giản được sử dụng với mức chi phí thấp và cho ra kết quả
phân tích nhanh chóng được ứng dụng cho việc chẩn đốn sớm bệnh tật dựa trên
những yếu tố bất thường của phân bố nồng độ các chất sinh hóa có trên một mơ sinh

học. Dựa vào những phân tích quang phổ, những bệnh lý như ung thư, viêm do nhiễm
khuẩn hoặc virus, cũng như rối loạn các chức năng sinh học của các cơ quan sinh học
của cơ thể có thể được phát hiện. Tùy vào mức độ nhạy của cảm biến quang điện,
phân giải của phổ đo mà bệnh lý được phát hiện sớm hay muộn. Một số phương pháp
quang phổ thường được sử dụng trong lâm sàng để chẩn đoán bệnh; ví dụ là quang
phổ hấp thụ phân tán (Diffuse Optical Spectroscopy Imaging - DOSI), quang phổ hấp
thụ quang âm (Photo-Acoustic Spectroscopy Imaging - PASI), quang phổ hấp thụ âm
quang (Acousto-Optic Spectroscopy Imaging - AOSI), quang phổ hấp thụ giao thoa
(Optical Coherence Spectroscopy Imaging - OCSI), biến đổi Fourier hồng ngoại
(FTIR), và quang phổ kế truyền qua (Transillumination Optical Spectroscopy).

9


Bên cạnh đó phân tích quang phổ cịn tập trung nghiên cứu mô sinh khiết. Kỹ
thuật này ứng dụng hiệu ứng Raman được biết đến rộng rãi với cái tên phổ Raman là
đo cộng hưởng của dao động lớp hóa trị phân tử. Đối với phép phân tích phổ Raman,
mẫu vật xét nghiệm được cho vào ống nghiệm tầm soát tế bào, bao gồm các nghiên
cứu về tế bào gốc / gốc biệt hóa tế bào, tương tác tế bào thuốc, bức xạ và các nghiên
cứu độc tính. Các khu vực khác có thể liên quan đến phổ tế bào học nơi các tế bào
được đặc trưng tùy theo tình trạng bệnh.
Ngồi ra máy phân tích quang phổ cịn đặc biệt ứng dụng trong việc xét nghiệm
máu và nước tiểu dễ tiếp cận và tương đối không xâm lấn để phân tích. Kỹ thuật
quang phổ dao động, cả hồng ngoại và Raman, rất lý tưởng cho việc phân tích một
loạt các mẫu này cho việc xác định các bệnh cụ thể. Vì những lợi ích đó, tơi chọn đề
tài : Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm quang phổ kế ở trong dải khả kiến làm đề tài
nghiên cứu của luận văn.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Các mục tiêu của luận văn này là xây dựng một phổ kế chi phí thấp mà có thể
xác định quang phổ của ánh sáng. Để làm điều đó, webcam phổ kế phải có độ phân

giải cao, dự kiến sẽ xây dựng với một chương trình phân tích tự động để đưa ra hiển
thị các đồ thị cường độ bước sóng.
Phổ kế được thiết kế xây dựng, chủ yếu được chia thành ba phần: hội tụ, phân
tách và thu giữ hình ảnh. Để thiết kế những bộ phận có độ phân giải cao bao gồm hai
khe, ánh sáng phân tán hoặc nhiễu xạ này được phản ánh bởi gương trên một bề mặt
phẳng hoặc để một CCD như thiết bị cảm biến hình ảnh mà đọc cường độ của các
thành phần ánh sáng khác nhau và chuyển đổi chúng thành các tín hiệu điện tử.
Sau đó, tín hiệu được đưa vào chương trình LABVIEW được sử dụng để hiển
thị đồ thị bước sóng ánh sáng.
Ngoài ra, độ phân giải của máy quang phổ đã được tính tốn. Nó đã được
nhận thấy rằng hiệu suất của máy quang phổ được giới hạn bởi các web cam và cách
tử nhiễu xạ. Trong các kết quả, những hình ảnh chụp khá rõ ràng và kết quả thử
nghiệm cho thấy máy quang phổ thiết kế tương đương với các máy đo quang phổ

10


khác ở trong dải nhìn thấy; Tuy nhiên, cải tiến vẫn có thể được thực hiện chẳng hạn
như thêm các thành phần quang học hơn và sử dụng nhiều cách tử hơn. Để kết luận,
có một số mục tiêu đã đạt được trong đồ án này. Thứ nhất, chi phí quang phổ thấp
với độ phân giải 630 nanomet được xây dựng, có khả năng nắm bắt được phổ từ các
nguồn khác nhau. Thứ hai, chương trình để chạy các máy quang phổ được viết ra. Nó
có thể được sử dụng để ghi lại những hình ảnh và chuyển đổi hình ảnh để đồ thị cường
độ bước sóng tự động sau khi cân chỉnh. Cuối cùng, những hình ảnh của quang phổ
và các đỉnh phát xạ / hấp thu tương ứng được so sánh với mẫu bằng các phép đo thí
nghiệm trên thực tế.
3. Tóm tắt các nội dung chính
-

Chương 1: Cơ sở lý thuyết: Chương này giới thiệu quang phổ kế, đưa ra tính

chất, vai trị của ánh sáng khả kiến trong y học, các mơ hình quang phổ kế
tiêu biểu, các phương pháp tách bước sóng và các phương pháp đo phổ

-

Chương 2: Thiết kế mơ hình hệ thống. Chương này đưa ra đề xuất thiết kế
mơ hình hệ thống.

-

Chương 3: Chế tạo, thử nghiệm.

-

Chương 4: Kết quả, thảo luận

11


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tính chất của ánh sáng khả kiến và vai trò của ánh sáng khả kiến trong
y học
1.1.1. Tính chất của ánh sáng khả kiến [3]
Ánh sáng là gì? Theo Maxwell, người được xem là đã đưa ra lý thuyết hoàn
chỉnh nhất về ánh sáng cho tới nay, thì ánh sáng là sóng điện từ. Vì là sóng điện từ
nên ánh sáng bao gồm hai thành phần, điện trường và từ trường. Trong quá trình
truyền sóng, hai vectơ điện trường E và từ trường B ln vng góc với nhau và
chúng vng góc với phương truyền sóng vectơ k, Hình 1.1

Hình 1.1 Mơ hình sóng điện từ

λ bước sóng, E vectơ điện trường, B vectơ từ trường, k vectơ sóng.
Trong ngơn ngữ vật lí, từ “ánh sáng‟ thường được dùng cho các bức xạ điện
từ có bước sóng trong khoảng 10 nm tới 1000 µm. Đối với vùng ánh sáng khả kiến
(mắt người nhìn thấy), phổ có bước sóng trải dài từ 380 nm đến 780 nm. Đây là phạm
vi được qui ước vùng phổ khả kiến (visible: VIS) mà các tài liệu vật lí hiện đại đã
thống nhất với nhau. Các bước sóng trong vùng từ 780 nm đến 10 µm được xem là
vùng hồng ngoại gần (near infrared: NIR), cịn các bước sóng dài hơn thì nằm trong
vùng hồng ngoại xa (far infrared: FIR). Ngược lại, đối với vùng các bước sóng ngắn
từ 200 nm đến 380 nm thì gọi là cực tím hay tử ngoại gần (ultraviolet: UV). Với
những vùng bước sóng ngắn hơn từ 200 nm đến 10 nm thì được gọi là cực tím sâu
hay là tử ngoại xa

12


.

Hình 1.2 Tên gọi của từng vùng sóng điện tử
Hình 1.2 cho thấy rằng, độ rộng quang phổ mà mắt có thể xác định trực tiếp
chỉ chiếm một khoảng rất bé (Δλ = 400 nm) trong dải sóng điện từ. Do giới hạn về
độ phân giải màu của mắt nên ánh sáng khả kiến chỉ được cảm nhận với khoảng bảy
màu khác nhau: tím, chàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ. Mắt người khơng nhạy cảm với
màu chàm, có bước sóng khoảng 420 đến 440 nm, nên nhiều người không thể nhận
thấy sự khác biệt giữa màu chàm với hai màu lam, tím. Vì vậy, trong các tài liệu khi
nói đến màu sắc thì màu chàm thường ít được nhắc đến. Lý do màu chàm được
Newton đưa vào là có thể để cho ánh sáng có đủ bảy màu cơ bản (tương tự như tuần
có 7 ngày hay nhạc có 7 nốt). Để có ý tưởng về sự tương ứng giữa màu sắc và bước
sóng (xem minh họa Hình 1-3), dưới đây trình bày một vài vạch laser mà nó thường
được chọn làm chuẩn trong phân biệt màu sắc.

Hình 1.3. Phạm vi bước sóng tương ứng với màu sắc cảm nhận của mắt
người

13


* Một số nguồn sáng sử dụng ánh sáng khả kiến
- Đèn sợi đốt :là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng khi bị đốt nóng, dây tóc là bộ
phận chính để phát ra ánh sáng, thơng qua vỏ thủy tinh trong suốt. Các dây tóc - bộ
phận phát sáng chính của đèn được bảo vệ bên ngồi bằng một lớp thủy tinh trong
suốt hoặc mờ đã được rút hết khơng khí và bơm vào các khí trơ.
Đèn halogen cũng là một loại đèn sợi đốt nhưng trong bóng, ngồi khí trơ cịn có
thêm khí thuộc nhóm halogen (iốt, brơm), khắc phục được tình trạng bóng đèn bị đen
do kim loại vonfram bốc hơi ở nhiệt độ cao tích tụ dần trên thành bóng. So với đèn
sợi đốt thơng thường, với cùng công suất và tuổi thọ, đèn halogen có kích thước bé
hơn, hiệu suất phát sáng cao hơn và độ ổn định quang thông tốt hơn. Cũng thuộc loại
bóng đèn sợi đốt nên chúng có hiệu suất thấp so với các loại bóng khác. Tuy nhiên
nhờ có các ngun tử khí halogen nên so với bóng sợi đốt thơng thường chúng có
hiệu suất cao hơn 20% và đặc tính quang học cũng ổn định hơn với thời gian.

Hình 1.4. Một số kiểu đèn Volfram và halogen
- Đèn huỷnh quang: bao gồm điện cực (Volfram) vỏ đèn và lớp bột huỳnh quang.
Ngồi ra, người ta cịn bơm vào đèn một ít hơi thủy ngân và khí trơ để làm tăng độ
bền của điện cực và tạo ánh sáng màu. Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa
hai điện cực làm phát ra tia tử ngoại .Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang
làm đèn phát sáng. Ngoài ra, để giúp cho hiện tượng phóng điện xảy ra, người ta
phải lắp thêm chấn lưu (tăng phô) và tắc te (chuột). Do ít tỏa nhiệt ra mơi trường
nên đèn huỳnh quang sẽ cho hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với đèn sợi đốt và
14

lại có tuổi thọ cao hơn. Hiện nay, ngồi thị trường xuất hiện đèn huỳnh quang thu
nhỏ (còn gọi là compact). Nó cũng rất giống với đèn huỳnh quang nhưng hiệu suất
phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn.

Hình 1.5. Một số loại đèn huỳnh quang sử dụng trong thực tế
-

Nguồn sáng từ Đi ốt phát quang:

Thời kì sử dụng diode phát quang làm nguồn chiếu sáng kĩ thuật bắt đầu vào
thế kỉ 21, và diode là phần bù lí tưởng cho sự hợp nhất cơng nghệ bán dẫn và hiển vi
quang học. Sự tiêu thụ năng lượng tương đối thấp (1 đến 3 volt, 10 đến 100 miliampe)
và thời gian hoạt động lâu dài của diode phát quang khiến cho những dụng cụ này trở
thành nguồn sáng hoàn hảo khi chỉ yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức
trung bình. Các kính hiển vi nối với máy tính giao tiếp qua cổng USB, hoặc được cấp
nguồn bằng pin, có thể sử dụng LED làm nguồn sáng bên trong nhỏ gọn, ít tổn hao
nhiệt, công suất thấp và giá thành rẻ, dùng cho việc quan sát bằng mắt hoặc ghi ảnh
kĩ thuật số. Một số kính hiển vi dùng trong học tập và nghiên cứu hiện đang diode
phát ánh sáng trắng bên trong, cường độ cao làm nguồn sáng sơ cấp.
Diode phát quang hiện nay đã được kiểm tra và thương mại hóa trong nhiều
ứng dụng đa dạng, như làm tín hiệu giao thơng, mật hiệu, đèn flash, và đèn chiếu sáng

15


kiểu vịng gắn ngồi cho kính hiển vi. Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ
nhiệt độ màu tương tự với đèn hơi thủy ngân, loại đèn thuộc danh mục chiếu sáng
ban ngày. Phổ phát xạ của đèn LED trắng được biểu diễn trong hình 1.6 , cực đại phát
tại 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride, còn

vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp
phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer. Sự tổng hợp các bước sóng tạo
ra ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối cao, là vùng bước sóng thích hợp cho
việc chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học.

Hình 1.6. Cấu tạo của diode phát sáng sáng trắng
-

Nguồn sáng laser

Một nguồn phát ánh sáng khả kiến nữa đang có tầm quan trọng ngày càng cao
trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, đó là laser. Laser là tên viết tắt từ Light
Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng
sự phát bức xạ cưỡng bức). Một trong những đặc điểm vô song của laser là chúng
phát ra chùm ánh sáng liên tục gồm một bước sóng riêng biệt (hoặc đơi khi là một vài
bước sóng), cùng pha, đồng nhất, gọi là ánh sáng kết hợp. Bước sóng ánh sáng do
laser phát ra phụ thuộc vào loại chất cấu tạo nên laser là tinh thể, diode hay chất khí.
Laser được sản xuất đa dạng về hình dạng và kích thước, từ những chiếc laser diode
bé xíu đủ nhỏ để lắp khít vào lỗ kim, cho tới những thiết bị quân sự và nghiên cứu
chiếm đầy cả một tòa nhà.
16


Hình 1.7. Cấu trúc laser khí Agon- Ion
Laser được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều ứng dụng, từ các đầu đọc đĩa
compact cho tới các thiết bị đo đạc và dụng cụ phẫu thuật. Ánh sáng đỏ quen thuộc
của laser helium-neon (thường viết tắt là He-Ne) được dùng để qt mã vạch hàng
hóa, nhưng cũng đóng vai trị quan trọng trong nhiều hệ thống hiển vi quét laser đồng
tiêu. Ứng dụng laser trong kính hiển vi quang học cũng ngày càng trở nên quan trọng,
vừa là nguồn sáng duy nhất, vừa là nguồn sáng kết hợp với các nguồn sáng huỳnh

quang và/hoặc nguồn nóng sáng. Mặc dù giá thành tương đối cao, nhưng laser cũng
tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật huỳnh quang, chiếu sáng đơn sắc, và trong
các lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng như kĩ thuật quét laser đồng tiêu, phản xạ
nội toàn phần, truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang, và kính hiển vi nhân
quang.
Laser argon-ion tạo ra phổ phát xạ mạnh mẽ ở 488 và 514nm, cịn laser khí
krypton biểu hiện các cực đại lớn tại bước sóng 647,1 và 752,5nm. Cả hai loại laser
này thường được dùng làm nguồn kích thích trong kính hiển vi laser quét đồng tiêu.
Laser xung mode khóa tinh thể sapphire pha tạp chất titan được dùng làm nguồn kích
thích nhân quang do cường độ cực đại cao của chúng, nhưng chúng cũng bộc lộ công
suất trung bình thấp và chu kì cơng suất ngắn. Là nguồn sáng được ưa chuộng hơn

17


dùng cho kính hiển vi nhân quang, laser xung đắt hơn nhiều và khó hoạt động hơn so
với các laser nhỏ, làm nguội bằng khơng khí dùng trong kính hiển vi đồng tiêu.
1.1.2. Vai trò của ánh sáng khả kiến trong chẩn đoán y học
1.1.2.1. Ánh sáng khả kiến trong kỹ thuật OCSI
Kỹ thuật OCSI (Optical Coherence Spectroscopy Imaging) là kỹ thuật tạo ảnh
cắt lớp dựa trên sự giao thoa của các tia sáng kích thích và những tia sáng phản xạ từ
sự phân tán ngược kết hợp với sự dịch chuyển bước sóng ánh sáng kích thích để tạo
ra nhiều ảnh cắt lớp ở các bước sóng khác nhau. Kết quả là các ảnh cắt lớp có nhiều
lớp ảnh cùng độ sâu mà ở đó phân bố hấp thụ được thể hiện khác nhau gọi là ảnh đa
phổ. Những ảnh như vậy cho được thơng tin chính xác về phân bố nồng độ các chất
sinh hoá xuất hiện ở các mô sinh học cũng như xác định được toạ độ khơng gian của
các nồng độ đó. Đây là một kỹ thuật khơng xâm lấn nhìn vào bên trong cơ thể. Khơng
giống như x-quang, sử dụng bức xạ ion hóa, kỹ thuật OCSI sử dụng ánh sáng nhìn
thấy được và các tính chất đặc biệt của các photon để có được hình ảnh chi tiết của
các cơ quan và các mô cũng như các cấu trúc nhỏ hơn của cơ thể bao gồm các tế bào

để chẩn đoán và điều trị bệnh.
Kỹ thuật OCSI cung cấp một số lợi thế hơn các kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ
khác đó là: nó làm giảm đáng kể tiếp xúc bệnh nhân những bức xạ có hại bằng cách
sử dụng bức xạ phi ion hóa, trong đó bao gồm ánh sáng nhìn thấy được và ánh sáng
hồng ngoại. Những loại ánh sáng tạo ra hình ảnh bằng cách kích hoạt các electron mà
khơng gây ra tác hại có thể xảy ra với bức xạ được sử dụng trong một số kỹ thuật
hình ảnh ion hóa. Bởi vậy nó an tồn hơn nhiều cho người bệnh và nhanh hơn đáng
kể, hình ảnh quang học có thể được sử dụng cho các kỹ thuật điều trị kéo dài và lặp
đi lặp lại theo thời gian để theo dõi tiến triển của bệnh hoặc kết quả điều trị.
Kỹ thuật OCSI là đặc biệt hữu ích cho việc chẩn đốn mơ mềm bởi độ phân
giải khơng gian cao và độ tương phản lớn, điều mà các phương pháp truyền thống
như MRI, CT, hay siêu âm bị giới hạn. Mơ mềm có thể dễ dàng phân biệt với nhau
do nhiều cách mô khác nhau hấp thụ và tán xạ ánh sáng. Thông qua sự tạo ảnh và đo
lường đồng độ các chất sinh hố cơ trong mơ mềm, những mơ mềm bất thường có

18


thể được xác định do đó rất tiện lợi và chính xác trong chẩn đốn ung thư và rối loạn
chức năng sinh học. Chính vì khả năng phân giải khơng gian cao, độ tương phản lớn
và khả năng tạo ảnh khơng xâm lấn, kỹ thuật OCSI cịn được gọi là phép “sinh khiết
tại chỗ”, điều mà các phép sinh khiết truyền thống không thể quan sát được trạng thái
động của cơ thể sống.
Tuy nhiên, do tia phân tán phản xạ vô cùng yếu, đặc biệt là khi đâm xuyên vào
trong cơ thể nên kỹ thuật OCSI không cho phép tạo được những ảnh sâu trong cơ thể.
Độ đâm xuyên giới hạn của kỹ thuật này bị giới hạn ở 1 vài mm dưới da, do đó, chỉ
thích hợp với chẩn đốn ung thư da, phân tích võng mạc, hoặc phân tích máu ở mao
mạch mà khơng thể quan sát được những q trình hố học, sinh học, xảy ra ở sâu
trong cơ thể ví dụ như, tim, gan, thận vv…

Hình 1.8. Kỹ thuật OCSI đang sử dụng có thế thu được một hình
ảnh cắt ngang dưới lớp bề mặt của những cấu trúc mờ hoặc mờ
đục như cấu trúc của võng mạc
1.1.2.2.

Ánh sáng khả kiến trong Kỹ thuật PASI

Ảnh trong kỹ thuật OCSI được cho là lợi thế hơn nhiều kiểu ảnh y tế thơng
thường khác đó chính là độ phân giải và tương phản, tuy nhiên, thử thách của nó là
ánh sáng ở trong vùng khả kiến và hồng ngoại bị phân tán rất mạnh trong mô sinh
học. Để khắc phục nhược điểm này, một ý tưởng nêu ra là biến năng lượng quang
thành âm, vốn là một dạng năng lượng ít bị phân tán trong mơ sinh học. Sự chuyển
19


đổi này được chuyển đổi ngược để độ hấp thụ quang học được đo và hiển thị lại để
cho được ảnh quang học như thông thường. Kỹ thuật PASI (PhotoAcoustic
Spectroscopy Imaging) là một kỹ thuật tiêu biểu như vậy. Cũng tương tự như với
OCSI, PASI là sự kết hợp của kỹ thuật PAT (PhotoAcoustic Tomography) với sự
thay đổi bước sóng kích thích trên một dải phổ nhất định. Trong kỹ thuật hình ảnh
PAT, xung laser được chiếu tới các mơ của bệnh nhân, các hợp chất hóa sinh của mơ
hấp thụ những photon này và tạo ra nhiệt năng, nhiệt năng này làm cho phân bố phân
tử của thành phần sinh hóa cấu thành mơ giãn nở dưới tác động của xung nhiệt tạo ra
sự dao động cơ và sự lan truyền dao động này sẽ tạo ra sóng âm và được đo bởi
chuyển đổi áp điện thành tín hiệu, từ đó, tạo thành ảnh. Cũng giống OCSI, PASI cũng
cho phép tạo ảnh đa phổ nhờ sự thay đổi về tần số dao động âm. Tuy nhiên, khác với
OCSI, dao động cơ của các hợp chất có trong mơ sinh học vốn bao gồm nhiều thành
phần có mức hấp thụ khác nhau và dưới cùng một lượng nhiệt năng tác động sẽ cộng
hưởng ở nhiều tần số khác nhau. Sự khác biệt về tần số dao động sẽ được trích xuất
để tái tạo ảnh đa phổ ở cùng một độ sâu. Kỹ thuật này có thể được sử dụng cho một

số ứng dụng lâm sàng bao gồm giám sát sự phát triển mạch máu trong khối u, phát
hiện u hắc tố da, và theo dõi oxy máu ở các mơ.

Hình 1.9. Một ví dụ về Photoacoustic
Lợi thế của PASI là cho được độ đâm xuyên cao trong mô sinh học sống với
giới hạn lên tới 70 mm, rất sâu so với OCSI, mặc dù độ phân giải của ảnh không thể
20


so sánh với OCSI. Kỹ thuật này khơng địi hỏi phải thay đổi bước sóng ánh sáng kích
thích mà chỉ cần lựa chọn ra một bước sóng ánh sáng kích thích sao cho có sự hấp
thụ nhỏ nhất để tăng cường khả năng đâm xuyên. Tuy nhiên, khác với OCSI, PASI
đòi hỏi khả năng xử lý số liệu bằng các thuật tốn lọc, xử lý tín hiệu, cũng như tái tạo
hình ảnh khá phức tạp.
PASI chưa được ứng dụng phổ biến như các kỹ thuật truyền thống khác bởi
tính xét nghiệm chun sâu của nó ví dụ như các lớp bài tốn chẩn đốn ưng thư, xác
định vị trí di căn của khối u ác tính, phân tích máu động, nên hiện tại kỹ thuật này
mới chỉ đang triển khai ở cấp độ thử nghiệm tại các phóng thí nghiệm y khoa, sinh
học, và ở các phóng thí nghiệm sinh hóa, vật lý mà chưa trở thành một cơng cụ chuẩn
mực trong ngành y tế. Nhưng nếu kết hợp với các dạng tạo ảnh truyền thống khác để
tạo thành dạng ảnh đa nguồn (multi-modal imaging) thì cũng rất hữu dụng cho chẩn
đoán và hỗ trợ phẫu thuật trong y học.

1.1.2.3.

Ánh sáng khả kiến trong kỹ thuật DOSI

DOSI (Diffuse Optical Spectroscopy Imaging) cũng là một lớp bài toán tạo
ảnh quang học sử dụng ánh sáng dải nhìn thấy và hồng ngoại để cho được ảnh đa phổ
với ánh sáng kích thích được thay đổi trên một dải phổ nhất định. Khác với PASI,

DOSI, không sử dụng phương pháp chuyển đổi năng lượng để khắc phục hiện tượng
phân tán ánh sáng trong mô sinh học mà sử dụng phương pháp giải ngược bài tốn
ánh sáng truyền trong mơ sinh học để tạo ra ma trận điểm ảnh dựa vào hệ phương
trình đầu vào và ra của số liệu cặp kích thích và đầu đo. Nghiệm của hệ phương trình
được đưa vào vị trí tương ứng và do đó cho được phân bố của mật độ photon ở từng
tọa độ nhất định.
DOSI là một hệ thống khá phức tạp và cồng kềnh bao gồm các đầu dẫn quang
cho hệ thống kích thích và đầu đo cùng hệ thống máy tính để tính tốn giải thuật tạo
ảnh. DOSI cho được ảnh có độ phân giải khơng cao lắm, nhưng độ đâm xun của
nó rất lớn, đặc biệt rất hiệu quả với những lớp mô phức tạp có hệ số trở kháng âm rất
khác biệt như vỏ não. Ảnh DOSI cũng dựa vào điều chỉnh bước sóng ánh sáng kích

21


thích để cho ra các ảnh phổ khác nhau ở cùng một độ sâu tạo ảnh do đó cũng cho
phép tạo ra được ảnh đa phổ.
Lợi điểm của DOSI là chỉ đo hấp thụ quang học thông qua cường độ ánh sáng,
do dó, khơng ảnh hưởng đến sự liên tục của tín hiệu, vì vậy, cho phép đo khơng xâm
lấn với vỏ não, mô tủy, điều mà PASI không thể thực hiện được do sự cản trở trong
lan truyền tín hiệu sóng âm. Nếu như PASI chỉ thích hợp với đo mơ mềm hoặc những
lớp mơ khơng có sự q khác biệt về trở kháng âm, thì ở DOSI, điều này khơng ảnh
hưởng đến phép đo.

Hình 1.10. Ví dụ về DOSI
DOSI có thể được sử dụng để có được thơng tin về hoạt động của não. Một
tia laser sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại được đặt trên da đầu. Ánh sáng đi qua da
đầu và xà ngang đi qua não. Sự hấp thu ánh sáng tiết lộ thông tin về nồng độ hóa chất
trong não. Sự tán xạ của ánh sáng phản ánh đặc điểm sinh lý như sưng của một tế bào
thần kinh khi kích hoạt để vượt qua trên một tín hiệu thần kinh.

1.1.2.4.

Ánh sáng khả kiến trong Siêu phân giải hiển vi

22