SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA LASER VÀ MÔ CƠ THỂ (PHẦN II)
PHẢN ỨNG NHIỆT
Năng lượng của laser khi chiếu vào mô sinh học được chuyển thành nhiệt do sự hấp thu photon của các thành phần trong mô như DNA/RNA, các nhóm chức mang màu chromophore, protein, enzyme và nước. Tùy theo nhiệt độ, sự chọn lọc của các thành phần, những tác động có thể xảy ra:
42o-45o C: bắt đầu tăng nhiệt độ, thay đổi cáu trúc và co rút collagen
50oC: giảm hoạt động của enzyme
60 oC: biến tính protein, động tụ Collagen, tăng tính thấm màng tế bào
100oC: làm khô các mô và hình thành các không bào
>100 oC: bắt đầu bay hơi và hóa thành than
300-1000 oC: mô bị cắt đốt, phá hủy bằng nhiệt và năng lượng ánh sáng.
Các phân tích bệnh học tương ứng với các hiệu ứng quang nhiệt được mô tả bởi Thomsen. Ví dụ về đông tụ và bay hơi được trình bày ở hình 1.
Năng lượng ánh sáng sẽ được mô hấp thu và biến đổi thành nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ ΔT được tính bằng nhiệt lượng trên từng đơn vị thể tích chia cho khối lượng riêng r(g/cm3) và nhiệt dụng riêng cw [J/g°K]: [oK]
ΔT=Q/r cw [oK]
Khuếch tán nhiệt nghĩa là phân bố nhiệt năng vào trong các mô. Nếu thời gian tiếp xúc của tia laser tp ngắn hơn so với thời gian khuếch tán td, nhiệt sẽ được “giam” lại và năng lượng của xung được chuyển thành năng lượng nhiệt trong một thể tích mô, được xác định bởi hệ số hấp thu nghịch đảo 1/µa, và spot size d. Thời gian khuếch tán được tính bằng công thức:
td= 1/kµa² [s].
Hệ số khuếch tán nhiệt k (m2/s) được xác định bởi tính dẫn nhiệt Λ [W/m°K], chia cho khối lượng riêng và nhiệt dung riêng:
k = L/rcw (m²/s).
Bảng 1 tóm tắt các hệ số khuếch tán nhiệt đối với các thành phần mô sinh học khác nhau.
| Thành phần | Khối lượng riêng
r (g/cm3) |
Hàm lượng nước (%) | cw(J/g K) | Λ (W/m K) |
| Nước | 1,000 | 100 | 4.183 | 0.58 |
| Máu | 900 | 55 | 3.22 | 0.62 |
| Chất béo | 900 | – | 1.93 | 0.3 |
| Xương sụn | 1,225 | 60–70 | 3.06 | 0.36 |
| Gan | 1,200 | 80 | 3.42 | 0.44 |
| Động mạch | 1,000 | 80 | 3.76 | 0.48 |
| Đồng | 8,933 | – | 0.383 | 384 |
| Kim cương | 3,510 | – | 0.502 | 33,000 |
|
|
|
Khuếch tán nhiệt và mức độ chết mô có liên quan với nhau. Với công suất laser thấp và thời gian chiếu xạ dài, hoại tử nhiệt sẽ lớn. Thu ngắn thời gian chiếu xạ sẽ làm giảm thời gian khuếch tán nhiệt và các vùng hoại tử nhỏ hơn. Mức độ hoại tử do nhiệt được giảm tối thiểu khi thời gian khuếch tán nhiệt hoặc thời gian nghỉ dưỡng cân bằng với thời gian chiếu xạ. Tuy nhiên, nó không thể nhỏ hơn độ sâu thâm nhập của tia sáng vào trong mô.
Tổn thương nhiệt của các mô được mô tả bởi công thức Arrhenius. Hệ quả của phương trình này là ngưỡng tổn thương của mô phụ thuộc vào năng lượng của laser và thời gian chiếu xạ. Ngưỡng này đạt được khi dùng năng lượng cao trong thời gian cực thấp sẽ cho nhiệt độ cao nhất hoặc với năng lượng thấp nhưng chiếu xạ lâu sẽ cho nhiệt độ thấp. Hình 2 mô tả sự liên hệ.
Ví dụ:
Carbon diode laser được sử dụng để cắt mô vi phẫu. Chúng ta muốn biết độ sâu của vết cắt bay hơi với p=60W, tập trung vào spot size có đường kính là 0.4 mm và di chuyển với tốc độ 2 cm/s. Ta có E là năng lượng làm nóng mô lên đến điểm sôi cũng như năng lượng tiềm ẩn trên mỗi đơn vị thể tích.
Ec = rcwDT [J],
Trong đó r là khối lượng riêng (1,000kg/m3 đối với nước), cw là nhiệt dung riêng (4,200 J/kgoK) và ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa điểm sôi và nhiệt độ (≈63oK)
Ev = rLv,
Trong đó LV là năng lượng bay hơi (2.3×106J/kg). Thể tích bay hơi trên một đơn vị thời gian trở thành:
V = P / ( Ev + Ec ) = d·v·dcut.
Vì thế,
dcut = P / dv( Ev + Ec ).
Với các thông số trên cho năng lượng laser p, spot size d và vận tốc v, ta có thể tính được độ sâu của vết cắt dcut. Giá trị này, tất nhiên không được đánh giá quá cao vì sự phản xạ bị bỏ qua, các thành khác nước cũng như sự tái hấp thu của những thành phần bay hơi. Tuy nhiên, nó cho một ước lượng của sự tương tác của laser lên trên mô bị cắt đốt.
Thời gian nghỉ
Khi độ dài khuếch tán nhiệt (L) cân bằng với độ sâu quang học, chúng ta sẽ có mối liên quan:
L = ( 4kt )1/ 2
Trong đó k là tốc độ khuếch tán với giá trị của nước là 1.4 x 10-3 cm2/s. Khi t=1s thì L=0.8mm. Nếu lấy 1/µa là chỉ sô đặc trưng cho sự xâm nhập của laser vào trong mô, chúng ta có thời gian nghỉ:
tR = 1/(4µak).
Với laser carbon dioxide, bước sóng 10.6 µm, với µa=500 cm-1 và k=10-3 cm2/s sẽ có thời gian nghỉ là tR 1ms.
CẮT ĐỐT MÔ
Các điều kiện quan trọng để laser có thể cắt được mô là khả năng hấp thu ánh sáng của mô phải cao và xung laser cực ngắn. Tương tự như thời gian giam nhiệt, người ta xác định một chỉ số giam stress mới khi mô bị làm nóng lên cực nhanh bằng một xung ngắn hơn thời gian truyền đi, tm của sóng stress qua thể tích được làm nóng. Sóng stress này được mô tả bởi chỉ số Grüneisen, G:
G = a/(rcwkT),
Trong đó a là hệ số giãn nở nhiệt, r là khối lượng riêng, cw là nhiệt dung riêng và kT là hệ số nén đẳng nhiệt. Thời gian truyền đi, t của sóng stress qua một thể tích mô được tình bằng:
tm = 1 / (cama ) [s],
trong đó ca là tốc độ truyền âm thanh trong không khí. Khi sóng stress truyền với vận tốc này, nó không thể đến được mô tác động, sau đó chúng sẽ được phóng thích cùng với vật liệu cắt đốt và mô xung quanh không bị ảnh hưởng.
Trong quá trình cắt đốt, một mô hình đơn giản để tính toán độ sâu được cắt. Tên của mô hình này gọi là “blow off”. Để cắt được mô,ngưỡng cắt đốt phải được xảy ra. Độ sâu của vết cắt d, của mỗi xung laser được xác định bởi năng lượng xung cho đến điểm bão hòa. Giả sử tồn tại một ngưỡng năng lượng F. Dưới ngưỡng này, sẽ không có mô nào bị cắt đốt.
Ngưỡng cắt đốt: Fs(d) = F0exp(-µad).
Cách tính độ sâu của vết cắt có thể từ biểu thức sau:
d = (1 / ma ) ln ( F0 / Fs ).
Hình 1 giải thích ngưỡng cắt đốt và hình 2 cho mô tả về quá trình cắt đốt bằng laser và các lỗ được tạo ra trên mô cứng trên răng. Chỉ có tia UV và tia hồng ngoại là những khu vực bước sóng được mô hấp thu cao và có khả năng cắt đốt hiệu quả.
Các laser có ngưỡng hấp thu cao ví dụ như Er: YAG với bước sóng 2.940 nm có thể được sử dụng để điều chỉnh độ dày của phần bị hoại tử của mô mềm. Phẫu thuật bằng laser cắt đốt thông thường sẽ không gây hoại tử nhiệt nên quá trình đông máu để cầm máu. Cũng chính vì vậy mà vết thương sẽ nhanh chóng lành lại và ít để sẹo. Tuy nhiên, đối với các trường hợp phẫu thuật ở bề mặt, sẽ tốt hơn nếu như Er:Yag laser có thể gây đông cầm máu. Để vấn đề này có thể xảy ra, người ta áp dụng laser phát ra các xung dưới ngưỡng cắt đốt. Nhiệt lượng tạo ra sẽ làm hoạt tử nhiệt. Độ dày của lớp mô hoại tử có thể được điều chỉnh bằng sô lượng xung dưới ngưỡng. Một số hệ thống laser Er:YAG có các chế độ phẫu thuật cho phép thực hiện các vi phẫu thuật.
Trong hình 3 mô tả việc thêm vào các xung laser có tác dụng sinh nhiệt. Một số nhiệt độ có thể đạt được sự hoại tử nhiệt.
Hình 4 là một tóm tắt sơ bộ về các tương tác giữa laser và mô cơ thể. Trong đó, thời gian áp dụng laser được trình bày ở mỗi loại laser khác nhau với độ sâu tương ứng mà nó có thể xâm nhập vào mô. Các khu vực được đánh dấu riêng cho các phản ứng nhiệt thông thường, nhiệt giam – thời gian phát xung ngắn hơn thời gian khuếch tán hoặc thời gian nghỉ và sóng stress đối với các xung cực ngắn.
PHÁ VỠ MÔ
Trong trường hợp này, các tia laser tập trung trong khoảng nano giây (ví dụ: Q-switch Nd:YAG) hoặc pico giây hoặc femto giây (laser titanium) có cường độ vào khoảng 1012 W/cm2 và hơn. Cường độ điện trường của bức xạ tập trung này đủ cao để kéo các electron ra khỏi nguyên tử tạo ra các hiệu ứng quang học gây phá vỡ mô. Quá trình phản ứng quang cơ này được mô tả bởi Boulnois, Vogel và Venugopalan.
Với cường độ trên 1011 W/cm2, một hiện tượng hấp thụ ánh sáng tăng đột ngột và phi tuyến tính sẽ xảy ra, kèm theo đó là nhá sáng cường độ cao và một tín hiệu âm thanh; đó là những tín hiệu cho thấy sự phá vỡ mô đã diễn ra theo hình plasma. Nhiều photon được hấp thụ chịu trách nhiệm cho sự ion hóa các nguyên tử. Hiệu ứng tạo ra độc lập với cường độ và tỷ lệ với I4. Các electron tự do được gia tốc trong trường điện cường độ cao (ngược bức xạ hãm), và các electrong thứ cấp được sản sinh từ các va chạm ion hóa (hiệu ứng Avalange, xem hình 1). Nhiệt độ làm nóng các electron và ion đến dạng plasma vào khoảng 15,000 – 2,000 oK và áp suất khoảng 20-60bar. Hiện tượng này sẽ tạo ra các bóng hơi nước, kích thước của các bóng này phụ thuộc vào mức năng lượng và thời gian phát xung. Xung càng ngắn, năng lượng sẽ thấp, kích thước của các bóng này sẽ nhỏ và hiệu quả cũng thấp.
Độ rộng của plasma Zmax, được hình thành bởi xung Gaussian, được xác định bởi độ rộng Rayleigh, ZR và mối quan hệ với cường độ xung I0/Ith cho một tác dụng quang học.
Độ rộng Plasma: Zmax=ZR(I0/Ith-1)1/2
Trong đó ZR là độ rộng Rayleigh, RR=pw02/λ, với chùm sóng waist w0 và l là độ dài trung bình sóng, được điều chỉnh bởi chỉ số khúc xạ. Một ví dụ về một hình ảnh lấy từ máy ảnh tốc độ cao của Ihler. Hình ảnh cho thấy sự tương tác của laser ở tốc độ pico giây với sỏi. Xung laser được truyền qua một sợi dây đến hòn sỏi. Hình dạng của plasma và bong bóng thoát hơi nước có thể nhìn thấy rõ ràng.
Các bong bóng có kích thướng tối đa sau khoảng 300 ms, sau đó nó sẽ nhanh chóng mất đi và thường có hiệu ứng dội ngược xảy ra (hình 2).
Ứng dụng trong y khoa của các xung laser cực ngắn (100 fs, Ti:sapphire laser) được dùng để cắt giác mạc. Các mô mềm cũng như cứng có thể được thực hiện rất chính xác nhưng hiệu quả không phải là rất cao. Do đó, hầu hết các hiệu ứng hấp phụ photon được quan sát trong kính hiển vi và chẩn đoán mô học.
Kết luận
Một số lưu ý khi sử dụng laser:
- Hãy chắc chắn sử dụng laser đúng bước sóng, năng lượng và độ rộng xung cho từng điều trị cụ thể.
- Cân nhắc độ xuyên sâu của tua cũng như spot size
- Xem xét vùng đông máu, hoại tử
- Laser năng lượng thấp hơn có thể ngăn ngừa được các tác dụng phụ không kiểm soát được.
- Chỉ nên sử dụng laser cho những tác dụng ngoài da, không nên mở rộng các ứng dụng khác.
