Khóa luận Tìm hiểu laser Nd: YAG và những ứng dụng của laser trong y tế

ng như laser líp IIIB). Bất kỳ loại laser nào có công suất trung bình vượt quá 0,5 W đều được xếp vào líp IV. Như đã nói ở trên, hầu hết các chất liệu xử lý và các loại laser phẫu thuật đều thuộc líp IV. Hầu hết các loại laser Q- switched đều thuộc líp IV. 4.4: Các rủi ro về Laser. Khái niệm về phân loại rủi ro luôn dùa trên trường hợp xấu nhất về khả năng lé sáng của laser tới người sử dụng ở ngay cạnh hay gần laser. Ví dụ, một chùm tia laser có đường kính 3 mm, chuẩn trực, cách xa vùng hồng ngoại có công suất trung bình 1W có thể đốt cháy da hay gây tổn thương cho mắt. Tuy nhiên, nếu công suất tương tự lại là của chùm tia có đường kính 10 cm thì bức xạ này còn xa mới bằng giới hạn lé sáng, thậm chí khi ta chiếu vài giê hay cả ngày. Do đó, có khă năng có một vài trường hợp theo đặc điểm hiệu quả của chùm tia laser, các cách phân loại có thể nói cường điệu về rủi ro thực sự của một loại laser cụ thể. Trái lại, thậm chí ngay cả khi mở rộng đường kính của chùm tia 10 cm thì nó cũng có thể phục hồi lại được bằng một gương hình lòng chảo hay một vài dụng cụ quang học có khả năng tập trung năng lượng hồng ngoại vào mô và sau đó tạo ra một rủi ro đáng kể. Do đó phương pháp phân loại đảm bảo cho các trường hợp xấu nhất. Trường hợp ở trên minh họa rằng việc phân loại laser là một công cụ hữu hiệu không bao giê bị hủy bỏ. Nó chỉ là bước đầu tiên trong việc đánh giá quá trình rủi ro. Điều kiên sử dụng thực tế có thể cho phép ta không phải lo lắng về các cảnh báo của kiểu laser đó. Các hệ thống phân bố khác có thể thay đổi rủi ro thậm chí cả líp của hệ thống laser. 4.5: An toàn hệ thống Laser. An toàn hệ thống gắn liền với sự thiết kế và sản suất một sản phẩm laser. Các ví dụ về các đặc tính an toàn hệ thống bao gồm cảnh báo sáng, bộ kính bảo vệ khi nhìn vào phần quang học, các bộ phận bảo vệ bao bọc quanh công tắc đánh lửa và nối đất hệ thống. Ở Hoa Kỳ, các đặc tính của một hệ thống laser cụ thể được ủy nhiệm của cơ quan thực thi hoạt động của chính phủ liên bang dưới sự giám sát của của tiểu ban giám sát về điều khiển bức xạ đối với sức khỏe và an toàn năm 1968. Dưới những qui định này (đặc biệt là 21 CFR1040), các chuẩn hoạt động cụ thể được ứng dụng vào các sản phẩm laser được tiêu thụ trên thị trường Mỹ, trái lại những sản phẩm khác chỉ ứng dụng các phân loại rủi ro đặc trưng hay sử dụng các loại laser chuyên dụng. Các nhà sản xuất phải chứng nhận rằng sản phẩm laser của họ phải đáp ứng được các đòi hỏi này và phải chứng minh bằng văn bản tài liệu một cách chi tiết với trung tâm dụng cụ và sức khỏe bức xạ của cơ quan giám sát thuốc và thực phẩm, Rockvile, Md. Các chuẩn chi tiết về hoạt động của sản phẩm laser FDA có thể khá phức tạp, và không được trình bày ở đây, nhưng những người sử dụng thiết bị laser cũng nên biết rằng máy của họ đang sử dụng đã được thiết kế để bảo vệ họ một cách an toàn nhất. Nhưng điều này lại không đảm bảo đối với máy đầu tiên hoặc máy thử nghiệm. Tuy nhiên sản phẩm tạo ra cuối cùng trong dòng đó phải là sản phẩm an toàn. Chuẩn hoạt động FDA còng thay đổi theo các líp phân loại nguy hiểm. Các đặc tính an toàn của hệ thống laser thực hiện theo chuẩn hoạt động CDRH được ứng dụng cho hầu hết các sản phẩm nghiên cứu thiết kế và laser công nghiệp trong thương mại là: Có khóa bên trong hay vỏ bảo vệ bên ngoài Có khóa nối điều khhiển từ xa được sử dụng khóa trong hay cửa ra vào Có công tắc khóa trong hoạt động Có mét bộ chỉ thị phát như đèn pilot Có bé suy giảm chùm tia như một cửa cơ khí Có dán các nhãn cảnh báo Có bộ bảo vệ khi nhìn phần quang (ví dụ bộ lọc hay hệ thống tắt) Có đặt bộ điều khiển hoạt đọng để giới hạn sự thay đổi lé sáng Ngoài những đòi hỏi FDA chung này ra, ta còn có thêm các yêu cầu đối với từng loại laser cụ thể (tìm hiểu trong mục 21CFR1040.11 trong chuẩn hoạt động của liên bang). Tất cả các sản phẩm laser y tế phải thêm 3 yêu cầu sau: (1) Có phương tiện đo đầu ra laser ±20%; (2) Đo đạc hiệu chỉnh thường xuyên theo lịch; (3) Có dán nhãn góc mở laser. Trong một vài trường hợp, người ta còn sử dụng thiết bị tự giám sát điều chỉnh đầu ra laser để đáp ứng yêu cầu đầu tiên đối với laser y tế. Mỗi nhà sản xuất đều có thể biến thể các chuẩn ở trên nếu họ có khả năng đáp ứng được yêu cầu thay đổi và điều khiển một cách có hiệu quả. Các cuộc điều tra, khảo sát, liên kết và phân loại sản phẩm laser cũng như biểu diễn chúng được giới hạn trong líp III hoặc thấp hơn. Thuật ngữ “biểu diễn” ở đây tương ứng với các sản phẩm laser được dùng biểu diễn hay trình diễn ở trường học hay biểu diễn nghệ thuật. Tuy nhiên, ánh sáng laser được dùng để biểu phải là loại laser có công suất cao và nó phải được hoạt động trong các chuẩn đưa ra bởi CDHR. Mối quan tâm hàng đầu đối với thiết bị hàn, cắt tinh bằng laser Nd: YAG là nó phải có bộ kính chắn bảo vệ đối với phần quang học. Kiểu tấm chắn thường dùng nhất là loại có độ dày 3 đến 4 mm . Bé lọc này là hoàn toàn cần thiết do sự phản xạ của chùm tia laser từ các bề mặt phản xạ có thể làm tổn thương mắt phẫu thuật viên. Hiển nhiên, việc bảo dưỡng phần quang học hay thay thế một bộ phận của phần quang học phải đảm bảo cho người sử dụng rằng kính chắn an toàn vẫn được đặt đúng vị trí. Do bước sóng 1064 nm ở trong vùng phổ hồng ngoại nên ta không cần thiết phải dùng kính chắn bảo vệ khi nhìn và kính chắn có thể gắn cố định một chỗ. Việc sử dụng khóa công tắc cũng rất tiện lợi. Nếu sử dụng chúng ta có thể ngăn chặn người không có chuyên môn sử dụng bất hợp pháp thiết bị. Do tia laser ra của nhiều loại laser đủ nguy hiểm để gây tổn thương nghiêm trọng cho những người đứng xung quanh mét khi tồn tại các tia phản xạ nguy hiểm. Vì vậy ta nên rút chìa khóa ra khi đã phẫu thuật xong. Do các tia phản xạ nhuy hiểm và cả điện áp cao tồn tại trong vỏ bảo vệ nên khóa cài hay vít vặn không được mở ra trừ trường hợp đó là nhân viên kỹ thuật được huấn luyện kỹ càng. Có thể có các đặc tính an toàn hệ thống khác nữa mà trong khuyến nghị của FDA- CDRH chưa có mà chúng cũng hữu Ých trong ứng dụng. Ví dụ, vách ngăn dòng tia ở trong vùng phẫu thuật làm giảm đáng kể các tia sáng tới con người. Nếu có khớp nối điều khiển từ xa đối với các sản phẩm laser líp IIIB hahy líp IV không được sử dụng để điều khiển tự động cánh cửa ra vào thì ta nên nối cánh cửa đó với một nguồn sáng cảnh báo hướng dẫn khi nào đang phẫu thuật laser hay nối với một chùm tia phân bố có nối với công tắc bên trong (theo yêu cầu của ANSI Z- 136 đối với việc phẫu thuật bằng laser) mà có thể tự ngắt chùm tia laser khi không dùng nữa. CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG LASER ND:YAG TRONG Y TẾ Laser Nd: YAG là một loại laser rắn được sử dụng khá phổ biến. Tại Việt Nam gần đây laser Nd: YAG đã được đưa vào ứng dụng trong y tế và bước đầu cho kết quả tương đối khả quan. I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LASER RẮN 1.1: Đặc điểm Laser trạng thái rắn là dạng laser có chất kích hoạt ở dạng rắn. Chất này có thể là đơn tinh thể hoặc chất vô định hình. Trong laser rắn nghịch đảo nồng độ thường được thực hiện ở những mức năng lượng của nguyên tử hoặc của ion tạp chất. Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn thường rất lớn, khoảng 1017- 1020/cm3 tức là lớn hơn khoảng 100 - 1000 lần so với chất khí. Lúc đầu người ta đã cho rằng chỉ có laser rắn mới cho công suất lớn. Do nồng độ hạt lớn nên hệ số khuếch đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí nên với công suất bằng nhau thì thanh hoạt chất nhỏ hơn nhiều. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn nhiều so với chất khí. Do đó tiêu hao tán xạ sẽ lớn hơn và hệ số phẩm chất sẽ nhỏ. Thanh hoạt chất có chiều dài chỉ khoảng 10 - 60 cm. Do độ đồng nhất quang học của thanh hoạt chất nhỏ nên góc mở của tia laser do nhiễu xạ sẽ rất lớn, thường hàng chục phót, trong khi đó góc mở của tia laser khí chỉ vài chục giây. Trong laser rắn các hạt sẽ tương tác với nhau do đó các mức năng lượng thường có độ rộng lớn. Vì vậy vạch bức xạ tự phát và vạch bức xạ laser thường có dải phổ khá rộng. Độ rộng vạch bức xạ tự phát của chất vô định hình khoảng vài chục A°, của chất đơn tinh thể khoảng vài A°, còn độ rộng của bức xạ laser khí chỉ vài phần mười A°. Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn người ta thường dùng bơm quang học, tức là chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo nghịch đảo nồng độ. Hoạt chất của laser rắn thường là điện môi dạng tinh thể hoặc vô định hình có dạng hình trụ tròn. Hoạt chất thường có hai thành phần là chất nền và chất kích hoạt: Chất nền là chất cơ bản sẽ không tham gia trực tiếp vào quá trình tạo bức xạ laser. Chất nền có thể là đơn tinh hoặc vô định hình và có chứa các nguyên tử hoặc ion của kích hoạt. Chất kích hoạt thường có tỉ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Vì vậy tính chất kỹ thuật cơ bản của hoạt chất sẽ do chaats nền quyết định. Để làm chất nền người ta hay dùng tinh thể muối kiềm thổ và chủ yếu gồm ba thành phần H2WO4, H2MO4 và HF. Hiện nay người ta dùng rộng rãi nhất chất nền là tinh thể itri- granat, dạng Y3Me5O12 trong đó Me là kí hiệu kim loại, ví dô nh­ Al, Fe, Gadolimi. Chất nền là granat có ưu điểm giảm được công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức xạ. Đặc biệt người ta hay dùng Y3Al5O12 và kí hiệu là YAG. Chất nền là Al2O3 còng hay được dùng cho laser Ruby. Thuỷ tinh cũng là chất nền cho laser thuỷ tinh. Chất kích hoạt thường là những nguyên tố đất hiếm nh­ Crom, Neodym, Urani. Những nguyên tố này thường ở dạng ion hai hoặc ba điện tích. Mặc dù việc nghiên cứu laser rắn đã có từ lâu nhưng gần đây mới có những bùng nổ. Rất nhiều nguyên lý, thiết kế, ứng dụng đã góp phần tạo nên nền công nghiệp laser có giá trị hàng tỉ USD/năm. Hàng năm lại có rất nhiều những tiến bộ đáng kể nữa tạo nên cơ sở cho những thiết kế sau này. Nguyên lý laser rắn được phát hiện bằng thực nghiệm đầu tiên vào năm 1960 bởi T. Maiman. Hệ thống đầu tiên là hệ thống laser rắn. Tinh thể hồng ngọc được dùng làm chất kích hoạt và nó được bơm bởi đèn flash. Ý tưởng bơm quang học đã được tìm ra (dùng ion Cr3+- mét tạp chất – làm chất rắn kích hoạt tạo laser). Đồng thời với nó là ý tưởng về hộp cộng hưởng (được tìm ra bởi thực nghiệm bởi Towns và Schawlow). Ngày nay bơm quang học đã phát triển từ đèn flash đến bơm bằng diode laser cùng rất nhiều các thiết kế bơm khác nhau. Những tạp chất rắn kích hoạt laser đã phát triển đến khoảng 200 loại. Những buồng cộng hưởng đã trở nên rất phức tạp trong những thao tác để đảm bảo các đặc tính không gian, thời gian, phổ của tia ra. 1.2: Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ Những quá trình cơ bản tạo nghịch đảo nồng độ giữa các mức công tác của laser chủ yếu là quá trình dịch chuyển và khi phân tích điều kiện tạo nghịch đảo người ta chỉ xét những trạng thái đầu và những trạng thái cuối của những dịch chuyển cơ bản. Đối với laser Nd: YAG ta áp dụng các phương trình động học cho hệ laser hoạt động theo sơ đồ bốn mức. 1 2 3 4 rB14N1 rB41N4 g41N4 g42N4 g43N4 g32N3 g31N3 g21N2 Hình 3.1 : Cấu trúc hệ bốn trạng thái Bơm quang học sẽ chuyển hạt từ trạng thái 1 lên trạng thái 4. Hệ phương trình động học được viết như sau: rb B41 N1 = (rb B41 + n4) N4 g43 N4 = g3 N3 g42 N4 + g32 N3 = g2 N2 N1 + N2 + N3 + N4 = N (1) Trong đó: gi là xác xuất nghèo hóa, tổng của trạng thái thứ i nào đó rb là mật độ bức xạ bơm Bki là hệ số Anhxtanh đặc trưng cho xác xuất dịch chuyển từ mức k sang mức i Ni là mật độ hạt mức i ban đầu Giải hệ phương trình trên ta được: (2) (3) (4) (5) Trong đó và rb N1 N 1 g2g43 Z 1 g2g3 Z 1 (g3g42+g32g43) Z Hình 3.2 : Phân bố nồng độ hạt của hệ bốn mức Những biểu thức từ (2) đến (5) giúp ta phân tích sự phụ thuộc vào nồng độ của trạng thái vào mật độ bức xạ bơm. Quan hệ Ni/ N = f(rb) được biểu diễn trên hình với điều kiện : Biện luận về kết quả thu được Khi không có bức xạ bơm (rb= 0) tất cả các hạt nằm trong trạng thái 1. Khi rb tăng lên thì nồng độ của trạng thái kích thích sẽ tăng lên, còn độ tích lũy của trạng thái cơ bản lại giảm đi. Khi mật độ bức xạ bơm rất lớn thì nồng độ của những mức kích thích sẽ tới giá trị tới hạn. Với điều kiện N’3> N’2 được thỏa mãn tức là: thì nồng độ của mức 3 sẽ luôn luôn lớn hơn mật độ của mức 2 và do đó ở dịch chuyển 3®2 sẽ có nghịch đảo mật độ. Có thể nói rằng, tất cả những chất rắn làm việc ở sơ đồ bốn mức đều bức xạ ở dịch chuyển 3®2. Khảo sát trên mang tính chất lý tưởng và không cho ta xác định được giá trị nghịch đảo ngưỡng. Ta thấy ngay rằng khi mức bơm nhỏ nhất thì N3 đã lớn hơn N2 rồi. Trong thực tế thì ngưỡng của hệ bốn mức nhỏ hơn của hệ ba mức nhiều vì trong hệ bốn mức, mức laser dưới là mức kích thích chứ không phải mức cơ bản. Trong hệ bốn mức còn phải chú ý tới nhiệt độ của hoạt chất và năng lượng của trạng thái 2. Nếu hoạt chất có nhiệt độ nhất định T thì ngay khi rb=0 mức 2 đã được kích rồi. Nếu thừa nhận phân bố Boltzman cho môi trường không kích thích thì có thể coi nồng độ của mức 2 là: Trong đó E2 là năng lượng của trạng thái hai; T là nhiệt độ của hoạt chất. Khi mật độ bức xạ bơm còn nhỏ thì chúng ta chưa có nghịch đảo nồng độ và điều đó chỉ xảy ra khi rb> rb*. Độ tích lũy của trạng thái 3 sẽ rất nhỏ khi không bơm nhưng sẽ tăng nhanh khi mật độ bơm rb tăng. Độ tích lũy của trạng thái 2 trong môi trường không kích thích sẽ được xác định bằng biểu thức Boltzman: và sẽ tăng dần lên khi rb tăng. Khi rb= rb* thì N3= N2 , ta gọi đó là chế độ ngưỡng T2> T1 2 2’ 3 T1 T2 N1 N rb exp(-E2/ KT1) exp(-E2/ KT2) rb* (rb*) Hình 3.3 : Nồng độ phụ thuộc vào nhiệt độ Từ hình trên ta thấy, nhiệt độ của hoạt chất T càng lớn thì nồng độ của trạng thái 2 ở lúc ban đầu sẽ lớn và bằng rb* sẽ càng lớn và rb* còng phụ thuộc cả vào năng lượng của trạng thái 2. Mức 2 phân bố càng cao thì nồng độ của nó càng nhỏ và do đó rb* càng nhá. Nh­ vậy ta có thể nêu yêu cầu chung đối với chất kích hoạt của laser rắn: Chất kích hoạt phổ hấp thụ rộng quanh tần số bơm Trong hệ bốn mức thì hoạt chất phải thỏa mãn điều kiện: Mức hai trong hệ bốn mức phải phân bố càng cao càng tốt và Ýt nhất phải lớn hơn KT Với hệ bốn mức nhiệt độ của hoạt chất càng thấp càng tốt Khi sử dụng chất kích hoạt là Nd thì mật độ bức xạ bơm ngưỡng sẽ khá nhỏ, tạo nghịch đảo nồng độ lớn. Đó chính là ưu điểm của laser Nd: YAG. 1.3: Nguồn bức xạ bơm và hệ thống bơm quang học Trong laser Nd: YAG để tạo nghịch đảo nồng độ người ta dung bơm quang học, tức là dùng nguồn bức xạ ngoài chiếu vào hoạt chất. Các hạt của hoạt chất sẽ hấp thụ bức xạ bơm và chuyển lên trạng thái kích thích. Khi đó phổ bức xạ bơm phải được chọn để chủ yếu tích lũy cho mức trên. Muốn nghịch đảo đủ lớn để có được bức xạ (DN > DN*) thì nguồn sáng phải có cường độ lớn. Độ sáng ngưỡng thường khoảng vài chục W/cm2 đối với hệ 3 mức. Cường độ sáng đó dễ dàng đạt được ở chế độ xung, vì vậy mà lúc đầu mới chỉ xuất hiện ở laser xung, sau này do hoàn thiện công nghệ hoạt chất, giảm được độ sáng ngưỡng người ta mới chế ra laser làm việc ở chế độ liên tục. Hoạt chất khi đó phải rất bền vững nhiệt, có độ nghịch đảo ngưỡng nhỏ, và phải được làm lạnh tốt. Hệ thống bơm quang học thường gồm đèn bơm, hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất. Hiệu suất của hệ thống bơm có thể xác định bằng: hb = Th«ng l­îng bøc x¹ do ho¹t chÊt hÊp thô C«ng suÊt ®Ìn b¬m Phổ của đèn Xenon xung khi mật độ dòng phóng điện lớn gần giống phổ của vật đen lý tưởng. Trong quá trình phóng điện của tụ qua đèn, điện áp trên đèn U, dòng điện I và công suất bức xạ P sẽ biến đổi như biểu diễn trên hình 3.4. 0 50 100 150 200 t (ms) 1 2 U, i, P U i P Hình3.4 : Sù thay đổi của U, I, P theo thời gian trong nguồn bơm Bức xạ lúc đầu tăng nhanh sau giảm dần. Thời gian txung phô thuộc vào nhiều yếu tố, ví dô txung sẽ lớn khi đèn có chiều dài lớn. Khi tăng điện áp phóng điện thì txung cũng tăng nhưng tăng rất chậm. Đối với những tần đoạn khác nhau của phổ bức xạ txung còng có thể khác nhau. Năng lượng cực đại một lần phóng của đèn phụ thuộc vào cấu tạo của đèn. Chỉ có khoảng 20- 30% năng lượng của nguồn chuyển thành năng lượng bức xạ, phần còn lại đều ở dạng nhiệt. Vì vậy trong thời gian xung đèn phải chịu tải về nhiệt rất lớn, rất có thể làm nứt và làm háng đèn. Do đó ống phóng thường được làm bằng thạch anh có độ dẫn nhiệt lớn, độ bền nhiệt cao. Năng lượng xung không lớn và tần số xung nhỏ thường do nguyên nhân về nhiệt này. Tô cao áp C được tích điện qua biến thế nâng áp và đèn chỉnh lưu (hình 3.5) điện áp tích có thể nhỏ hơn điện áp phóng điện của đèn xung (hình 3.5a ). Đèn được kích thích phóng điện bằng một tín hiệu từ mạch điều khiển đưa vào điện cực thứ ba của đèn. Trong hình 3.5b tín hiệu điều khiển được đưa vào lưới của đèn Tiatron hoặc Thyristo nối tiếp với đèn phóng điện. Khi tụ điện phóng qua đèn sẽ tạo một xung bức xạ rất lớn dùng để bơm quang học. Năng lượng phóng điện chủ yếu do điện dung của tụ và điện áp tích điện xác định: Eg= 1/2 CU2 u(t) D C a) u(t) D C b) Hình 3.5 : Nguồn bơm quang học Trong thực tế ở những nguồn xung công suất lớn người ta hay dùng một bộ gồm nhiều tụ để có điện dung tổng khoảng vài nghìn microfara và được tích tới điện áp kilovolt. Phổ của phóng điện xung thường gồm rất nhiều vạch và dính liền nhau tạo thành phổ liên tục, phổ kín của cả một dải sóng. Trên hình 3.6 giới thiệu phổ phóng điện xung của đèn xenon ở dải hồng ngoại gần và dải ánh sáng nhìn thấy. Để bơm quang học cho laser rắn làm việc ở chế độ liên tục người ta thường dùng đèn hơi thủy ngân phóng điện hồ quang. Đèn phải được làm lạnh bằng nước, có ống phóng với đường kính khá nhỏ chỉ cỡ 1¸2 mm. Khi đèn làm việc, áp suất hơi thủy ngân trong ống đạt tới 100 atm. Phổ bức xạ của đèn giống phổ bức xạ của đèn xung và là phổ đầy trong dải tần rất rộng. Khi tăng áp suất lên thì những vạch phổ rời rạc sẽ biến thành phổ liên tục. Hiện nay để bơm trong chế độ liên tục người ta dùng đèn phóng điện Xenon công suất lớn. Phóng điện xảy ra giữa hai cực lạnh đặt gần nhau trong hình tròn bằng thạch anh. Phổ bức xạ khi đó chứa nhiều dải khá mạnh ở l» 1mm và một nền rất đều đặn. Hình3.6 : Phổ phóng điện xung, phổ liên tục và phổ bức xạ công suất lớn của đèn xenon 1.4: Các chế độ phát của laser rắn 1.4.1: Chế độ phát tự do Trong laser rắn có một điểm đặc biệt là nếu trong buồng cộng hưởng không chứa phần tử điều khiển nào, khi laser làm việc ở chế độ xung hoặc ở chế độ liên tục thì trên màn hình hiện sóng đều quan sát thấy nhiều pich có tính chu kỳ và công suất thì giảm dần. Người ta gọi đó là chế độ phát tự do. Hiện nay có rất nhiều giả thiết để giải thích hiện tượng này. Phần lớn đều coi các pich đó như quá trình thiết lập chế độ trong laser, nhưng quá trình này lại suy giảm và mang tính chu kỳ. Khảo sát sự hình thành những pich có thể dùa vào phương trình động học nồng độ của các mức công tác và mật độ năng lượng trong buồng cộng hưởng. Khảo sát định tính hiện tượng đó: Sau khi cho xung kích thích vào đèn, t= 0 thì tụ bắt đầu phóng qua đèn xung. Công suất biến đổi của đèn bơm biến đổi như trên hình 3.8a. thời gian của một chớp sáng của đèn bơm thường 0,1-1 ms. Dưới tác dụng của bức xạ bơm, nồng độ của mức laser trên sẽ tăng dần lên và khi N2 lớn hơn N2 ngưỡng thì sẽ bắt đầu có bức xạ laser. Hình 3.7: Quá trình bức xạ Thời gian trễ ts vào khoảng vài chục tới vài trăm ms. Bức xạ cần thiết để kích thích bức xạ cảm ứng trong buồng cộng hưởng lấy từ một phần năng lượng không đáng kể của bức xạ tự phát truyền trong một góc mở rất hẹp dọc theo trục của buồng cộng hưởng. Lúc đầu khi t > ts mét chút thì năng lượng bức xạ cảm ứng trong buồng cộng hưởng còn nhỏ vì dịch chuyển cảm ứng nhỏ và do tác dụng của bơm mà mức laser trên tiếp tục được tích lũy. Vì năng lượng của bức xạ cảm ứng tăng dần theo hàm mũ theo thời gian, vận tốc dịch chuyển cảm ứng sẽ tăng liên tục và bắt đầu từ thời điểm nào đó N2 bắt đầu giảm. Khi N2 còn lớn hơn N2* ngưỡng thì môi trường còn có khả năng khuếch đại và laser vẫn còn bức xạ. Nhưng khi N2 nhá hơn N2* ngưỡng thì điều kiện cân bằng biên độ sẽ không còn thỏa mãn nữa và bức xạ laser sẽ bị dừng, khi đó trường trong buồng cộng hưởng sẽ bị giảm. Như vậy đã hình thành song mét pich đầu tiên. Vì trường trong buồng cộng hưởng giảm thì vận tốc dịch chuyển cảm ứng sẽ bị giảm, nên khi năng lượng của trường trong buồng cộng hưởng nhỏ thì lại xảy ra hiện tượng tích lũy hạt ở mức laser trên. Và khi N2 > N2* ngưỡng thì trường trong buồng cộng hưởng lại tăng lên và quá trình lại được lặp lại và những pich tiếp theo được hình thành. Thực tế cho thấy mỗi pich kéo dài khoảng vài phần mười ms và khoảng cách giữa các pich khoảng mét ms. 1.4.2: Chế độ điều chế hệ số phẩm chất Laser rắn tuy đã cho những công suất xung tương đối lớn. Tuy nhiên trong một số ứng dụng người ta cần ngững xung cực lớn và thời gian xung rất hẹp. Yêu cầu này sẽ được thỏa mãn ở những laser rắn làm việc ở chế độ điều chế hệ số phẩm chất. Hình 3.8: Sù phụ thuộc của DN và r vào thời gian Để phân tích công tác của laser trong chế độ này người ta phân quá trình nghịch đảo nồng độ của các trạng thái công tác. Hình 3.8 trình bày sự phụ thuộc của DN và r vào thời gian. Xung bơm coi nh­ xung chữ nhật (lý tưởng hóa) có độ rộng a«d. Trước khi có xung bơm thì thì nghịch đảo nồng độ DN < 0. Vì mức laser dưới có nồng độ lớn hơn mức laser trên. Sau khi cho xung bơm tác dụng vào thì thì nghịch đảo nồng độ tăng lên (đoạn a«b). Tại thời điểm b thì DN đã lớn hơn DN* ngưỡng. Nếu nh­ buồng cộng hưởng đã được điều chỉnh tốt thì sẽ có bức xạ laser. Bức xạ được sinh ra sẽ làm thay đổi sự cân bằng của của những quá trình tích lũy và nghèo hóa của các mức công tác. Vì vậy có thể nói rằng tại thời điẻm ứng với điểm b sẽ xảy ra sự biến đổi về chất, về sự cân bằng của những quá trình trong môi trường. Tồn tại trong môi trường mật độ năng lượng lớn sẽ làm cân bằng mật độ của mức laser trên và mức laser dưới và sau đó sẽ ngừng lại do mật độ mật độ năng lượng tiếp tục tăng. Trong chế độ phát tự do thì nghịch đảo nồng độ sẽ bị giảm (đường chấm chấm trên hình 3.8). nếu buồng cộng hưởng bị điều chỉnh lệch hoặc có một van quang học đặt trong buồng cộng hưởng thì bức xạ sẽ không được hình thành, và tại điểm b nghịch đảo nồng độ không nhảy vọt về chất nữa và tiếp tục tăng, N21 sẽ tăng tới giá trị tới hạn Sở dĩ thế vì khi tăng nồng độ của mức laser tren thì bức xạ tự phát ở tần số dịch chuyển sẽ tăng lên và cuối cùng độ nghịch đảo có thể đạt tới giá trị cực đại. Sự phụ thuộc của DN vào thời gian trong trường hợp buồng cộng hưởng bị lệch điều chỉnh được biểu diễn trên hình 3.8 bằng đường đậm nét. Rõ ràng nghịch đảo có thể đạt được giá trị lớn hơn trường hợp bình thường. Cần chú ý rằng độ nghịch đảo chỉ có thể tăng đáng kể khi và chỉ khi thời gian sống của mức laser trên rất lớn. Và điều này đã được thực hiện trong laser rắn. Bây giê nếu mở van quang học tại điểm C thì laser sẽ cho mét xung rất lớn vì công suất bức xạ có thể coi nh­ tỉ lệ với hiệu độ nghịch đảo và độ nghịch đảo ngưỡng. Công suất xung cực đại sẽ xảy ra tại thời điểm d và độ rộng của xung bức xạ (c«e) sẽ rất nhỏ hơn độ rộng của xung bơm (a«d). Cơ chế bức xạ đã được mô tả ở trên được gọi là chế độ điều chế hệ số phẩm chất.Để thực hiện chế độ này, trong buồng cộng hưởng cần có các van tác dụng nhanh. Hiện nay để làm van quang học người ta thường dùa vào những hiệu ứng điện, cơ, quang hóa… Để điều chế hệ số phẩm chất dùng tế bào Kerr, tế bào Pockell. II: LASER ND: YAG 2.1: Đặc điểm Laser Nd: YAG là một trong những laser rắn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Công thức hóa học của chất nền là Y3Al5O12 (Yttrium Aluminum Garnet- kí hiệu là YAG) và các tâm kích hoạt là ion Nd3+ (Neodym- kí hiệu là Nd). Bức xạ laser xảy ra do các dịch chuyển các mức năng lượng của các ion Nd3+. Hoạt chất là các ion Nd3+ được cấy vào trong tinh thể YAG với tỉ lệ từ 1 đến 4% (theo trọng lượng). Do mật độ ion Nd3+ khá lớn nên hệ số khuếch đại của laser Nd: YAG lớn hơn nhiều so với laser khí. 4f3 etc 2H 2G 4F 4I etc 9/2 7/2 5/2 3/2 9/2 7/2 5/2 3/2 15/2 13/2 11/2 9/2 2,42 2,36 2,12 1,97 1,8 1,66 1,54 1,42 0,74 0,52 0,28 0 N¨ng l­îng (eV) CÊu h×nh electron Sù t­¬ng t¸c bªn trong electron Sù t­¬ng t¸c quü ®¹o Hình 3.9: Mức năng lượng của neodym trong YAG Các chất YAG tinh khiết là các chất có tính đẳng hướng về quang học với đặc tính mang cấu trúc cubic của các nguyên tử garnet. Do sự khác biệt về kích cỡ của ion Nd3+ là ion thay thế cho Y3+ (khoảng 3%), mỗi loại đều có giới hạn xác định về lượng neodym mà nó chứa xấp xỉ 1%. Nếu quá giới hạn này thì mạng tinh thể sẽ trở nên căng quá mức. Do các nguyên tử kích hoạt trong một môi trường xác định, các mức năng lượng được xác định rõ ràng và có độ rộng hẹp biểu diễn trên hình 3.9. Các dịch chuyển chủ yếu là tương ứng với bước sóng 1,06 mm do sự dịch chuyển giữa trạng thái trên 4F3/2 và trạng thái mức dưới 4I11/2 (hình 3.10). Có 8 sự dịch chuyển xung quanh vùng bước sóng này thể hiện trong hình phổ phát xạ (hình 3.11). Tại nhiệt độ phòng dưới điều kiện hoạt động bình thường bức xạ laser xuất hiện ở bước sóng 1,064 mm, trong khi đó tại những nhiệt độ thấp hơn 1,061 mm là ngưỡng thấp hơn. Sự dịch chuyển laser tại 1,06 mm là ngưỡng của hai sự dịch chuyển chồng chéo tại 1,06414 mm và 1,0646 mm. Nhờ có sự mở rộng, đường cong khuếch đại là không đồng nhất, trở nên thuận lợi hơn tại những bước sóng thấp hơn (hình 3.12). 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 4F3/2 4I15/2 4I13/2 4I11/2 4I9/2 §Êt 11502 cm-1 11414 ~6000 cm-1 ~4000 cm-1 2526 2473 2146 2111 2029 2001 848 311 197 134 0 Møc b¬m diode laser D¶i b¬m 805,5 nm 0,95 mm 1,8mm 1,32mm 1,6 mm N¨ng l­îng (´103 cm-1) Hình 3.10 : Lược đồ mức năng lượng của Nd: YAG thể hiện các chuyển dịch quan trọng và các mức bơm 1,0801 1,0701 1,0601 1,0501 1 2 3 4 5 6 7 8 B­íc sãng (mm) Sù bøc x¹ huúnh quang (®¬n vÞ tuú ý) 4F3/2 4I11/2 11502 11414 2526 2473 2146 2111 2029 2001 3 5 7 8 1 2 4 6 Hình 3.11: Phổ huỳnh quang của Nd3+ : YAG tại 300 K nhờ chuyển dịch 4F3/2 ® 4I11/2 trong vùng bước sóng 1,06 mm. 1,066 1,064 1,062 B­íc sãng (mm) Sù chiÕu x¹ Hình 3.12: Đường cong phát xạ huỳnh quang của chuyển dịch laser tại bước sóng 1,064 mm Các dữ liệu đặc trưng của của các chuyển dịch phân bố theo trật tự bước sóng được thể hiện trong bảng 3.1 và bảng 3.2. Các chuyển dịch khác sẽ được phát ra tương ứng với độ rộng giữa các bước sóng. Các thông số chính Giá trị Công thức hoá học % khối lượng (Nd) % nguyên tử (Nd) Mật độ nguyên tử Nd Thước đo sự khúc xạ Sự mất mát do phân tán Sự chuyển trạng thái ưu thế Thời gian sống huỳnh quang của 4F3/2 Hiệu suất huỳnh quang của 4F3/2 Thời gian sống ở trạng thái thấp hơn (4I11/2 ® 4I9/2) Nd: Y3Al5O12 0,725 1,0 1,38 ´ 1020 cm-3 1,81633 (1,06 mm, 1% doping) 0,002 cm-1 (11,507 ® 2111 cm-1) 1,064 mm 255 ms 99,5% ~ 30 ns Bảng 3.1 : Các đặc điểm của laser Nd: YAG Dịch chuyển Bước sóng (mm) Tỉ lệ phân nhánh Độ rộng dải (FWHM in cm-1) s (1019 cm2) 4F3/2 ® 4I9/2 0,86 – 0,95 0,3 4F3/2 ® 4I11/2 1,0521 1,0549 1,0615 1,06415 1,0644 1,0682 1,0737 1,0779 1,1055 1,1119 1,1158 1,1225 0,0383 0,0023 0,0779 0,1275 0,0533 0,0340 0,0657 0,0463 0,0145 0,0297 0,0356 0,0328 å= 0,56 4,5 4,5 3,6 5,0 4,2 6,5 4,6 7,0 11,0 10,2 10,6 9,9 2,9 4F3/2 ® 4I13/2 1,3 - 1,4 0,14 4F3/2 ® 4I15/2 1,74 - 2,1 ~0,01 Bảng 3.2 : Dữ liệu chi tiết về các dịch chuyển 2.2: Hệ thống quang học của laser Nd: YAG Trong hệ thống quang học của laser YAG, thành phần quan trọng nhất là buồng cộng hưởng. Đó là một hệ gồm hai mặt phản xạ đối diện nhau, giữa hai mặt này là hoạt chất Nd: YAG. Đây là loại buồng cộng hưởng hở. Trong đó một gương làm nhiệm vụ phản xạ toàn phần còn gương kia phản xạ một phần ánh sáng còn phần kia cho qua. Laser diode dÉn ®­êng G­¬ng ph¶n x¹ toµn phÇn Thanh ho¹t chÊt Nd: YAG G­¬ng b¸n x¹ ThÊu kÝnh héi tô Laser ra Quang dÉn Tia laser Bé ghÐp nèi quang dÉn Hình3.13 : Hệ thống quang học laser YAG liên tục 2.3: Các phương pháp bơm trong laser Nd: YAG Có hai phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ trong laser Nd: YAG. Đó là phương pháp bơm bằng đèn flash và phương pháp bơm bằng diode laser. Bơm bằng đèn flash Đây là phương pháp rẻ và thông dụng nhất. Đèn flash gồm một ống silic có chiều dài, đường kính phù hợp có gắn hai điện cực ở hai đầu. Khi có đảo mức với một biên độ lớn trong thời gian ngắn, một tia plasma xuất hiện giữa hai điện cực chuyển năng lượng điện thành năng lượng bức xạ (ánh sáng trong vùng hồng ngoại, tử ngoại và vùng ánh sáng nhìn thấy) với hiệu suất cao. Một vài sóng ánh sáng bị hấp thụ bởi các ion hoạt động được cấy vào ống, bởi các mức năng lượng và tạo ra đảo mức. Đèn flash dùng trong laser Nd: YAG liên tục được nạp đầy bởi vài líp khí Kr. Trong trường hợp này, plasma chủ yếu trong khoảng 800 nm (là bước sóng dễ dàng bị hấp thụ bởi ion Nd). Các đèn thường có tuổi thọ khoảng vài trăm giê và bị giới hạn do các vật liệu làm điện cực trong đèn. Người ta đánh giá hiệu quả đèn flash ở khả năng cấp flash đến hoạt chất và được nó hấp thụ. Người ta còn quan tâm đến sự tương ứng giữa nhu cầu và kết quả của năng lượng chuyển qua khe phóng. Nếu tia plasma càng phản xạ Ýt khi đI từ đèn đến hoạt chất thì hiệu suất càng cao. Do đó , khi thiết kế ta đặt đèn càng gần laser càng tốt. Thêm nữa ta đặt các líp phản xạ bao quanh hệ thống để phản xạ ánh sáng lại gần laser. Cuối cùng để đồng bộ ta chế tạo líp phản xạ cao từ các vật liệu khuếch tán (BaSO4). Bơm bằng diode laser Bơm bằng diode laser cho hiệu quả cao do đặc tính của diode laser là chuyển điện năng thành năng lượng phát xạ rất hợp với hấp thụ của hoạt chất. Nó cũng đồng thời giảm thất thoát plasma. Do diode laser bị giới hạn bởi công suất ra max, tổng công suất đầu ra giảm tỉ lệ với tần số xung ra . Do đó các loại phát xạ dài sẽ có hiệu quả hơn phát xạ xung hẹp. Người ta thường bơm cho giải hấp thụ của Nd3+ trong khoảng 810 nm Hiện nay đối với laser Nd: YAG người ta thường dùng diode laser thay vì dùng đèn flash. Bởi vì diode laser phát ra bức xạ quang trong dải phổ hẹp. Khi bước sóng phát ra nằm trong dải hấp thụ của ion kích thích Nd3+, việc bơm của diode laser có thể đạt hiệu suất cao với sự phát nhiệt vừa phải. Hiệu quả của bơm bằng đèn flash bị giới hạn bởi phổ phát xạ rộng của đèn và hiệu suất hấp thụ thấp. Lượng nhiệt dư thừa và sự thay đổi bất thường của công suất cũng làm giảm giá trị laser còng nh­ hạn chế tuổi thọ của đèn. III: KHẢO SÁT THIẾT BỊ LASER ND: YAG 3.1: Giới thiệu về thiết bị Thiết bị laser Nd: YAG là một thiết bị y học công nghệ cao, phức tạp, khó tiếp cận đã được trung tâm công nghệ laser chế tạo thành công và đưa vào ứng dụng tại nhiều bệnh viện. Thiết bị laser Nd: YAG ra đời do nhu cầu điều trị rất lớn về các bệnh nh­ thoát vị đĩa mềm, u máu phẳng lồi, u nang, sẹo lồi, u sắc tè … Thực tế dã chứng tỏ sự ưu việt của thiết bị so với các phương pháp điều trị khác. Các chuyên khoa được trang bị thiết bị laser Nd: YAG là: phẫu thuật, u bướu, chỉnh hình, thẩm mỹ, da liễu, dạ dầy, tiêu hóa, hô hấp, tiết niệu,…Thiết bị có công suất phát mạnh (60 W); cơ chế phát liên tục, xung đơn, xung chuỗi; có sức xuyên sâu (trên 1mm, dễ dàng hấp thụ các tổ chức sống). Có khả năng cầm máu, đốt cháy, bốc bay, cắt bỏ. Sử dụng cáp quang có thể phẫu thuật trong hay ngoài cơ thể. Đối với bệnh nhân: an toàn (cầm máu, không lây nhiễm qua đường máu), Ýt gây tổn thương, Ýt đau, hồi phục sức khỏe nhanh, tránh được các bệnh hậu phẫu. Giá thành thiết bị 1 hệ gồm thiết bị laser Nd: YAG và nguồn lạnh trên 10000 USD (chỉ bằng 1/4 đến 1/5 giá thành thiết bị của nước ngoài). 3.2: Các đặc điểm và các thông số kỹ thuật Loại laser Nd: YAG bước sóng : 1064 nm Chế độ làm việc : liên tục, xung đơn, xung chuỗi Công suất phát : 0 - 60 W Điều chỉnh công suất, thời gian phát : vô cấp Đường kính tia laser tại đầu cáp quang: 0,4 mm Đầu nối cáp quang : SMA 905 Dẫn đường : laser diode l= 635nm Thời gian xung laser làm việc : 0,1 - 2s Thời gian xung laser nghỉ : 0,5 - 2s Hiển thị - Khởi động (Ready) - Dẫn đường (Beam) Nước mát (Water) Tạm dõng (Pause) Khóa (Lock) Nhiệt độ làm việc (TEMP) Laser ra (Laser OUT) Công suất laser ra (W) Điện vào (Power) Thời gian điều trị (TIME) Tác động dừng phát tạm thời: PAUSE Tác động dừng tức thời khẩn cấp: EMERGENCY Tác động dừng máy: OFF POWER MAIN Tác động làm việc: Bàn đạp (FOOT- SWITCH), đặt thời gian (START TIME) Hệ thống làm mát hệ thống quang học laser YAG: Bơm nước mát 18°C quay vòng Hệ thống làm lạnh đầu vào có nhiệt độ nước vào : £ 15°C Dải nhiệt độ làm việc tự động cắt hệ thống: 17°C £ T £ 23°C Công suất tiêu thụ: 4 kW Dòng điện làm việc tối đa: 15A AC, 50 Hz Điện áp làm việc: 220V AC, 50 Hz Chế độ khóa từ xa: LOCK Nhiệt độ môi trường làm việc: 25°C ± 5°C Độ Èm môI trường: 75% Trọng lượng : 80 kg Kích cỡ: 500´600´970 cm3 3.3: Sơ đồ khối thiết bị §iÒu khiÓn hÖ thèng ChØ thÞ tham sè Nguån mét chiÒu An toµn §Æt thêi gian ®iÒu trÞ §o vµ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é b¸o ®éng §iÒu khiÓn c«ng suÊt èng ph¸t laser C«ng suÊt ph¸t laser Xö lý néi bé HÖ dÉn ®­êng phÉu thuËt HÖ lµm l¹nh Lµm l¹nh bªn ngoµi cho thiÕt bÞ B¬m n­íc m¸t cho èng laser Laser Hình 3.14: Sơ đồ khối thiết bị 3.3.1: Điều khiển hệ thống Trong phần điều khiển hệ thống có: Chỉ thị tham số hệ thống và cho ra lệnh tác động Phần nguồn công suất một chiều Phần đặt thời gian điều trị Phần đo và điều khiển nhiệt độ báo động Các mạch điện trong khối điều khiển hệ thống Nguồn một chiều sử dụng trong thiết bị Mạch điện đặt thời gian điều trị +12V +12V +24V IC555 8 4 1 5 7 6 2 3.3.2: Điều khiển công suất Đây là phần quan trọng trong thiết bị có nhiệm vụ điều khiển năng lượng phát tia laser Nd: YAG. Điều này đồng nghĩa với việc điều khiển mức bơm quang học trên đèn kích hoạt Xenon. Phải thỏa mãn 2 điều kiện: Tạo mức sáng nền Tạo mức sáng cuối (có thể điều khiển theo ý muốn theo mức độ và độ rộng t tồn tại xung) Hệ điều khiển làm việc nh­ sau: 300V t t Uc1 Khi nối nguồn 220 VAC/50Hz, 30A vào mạch tụ điện lọc nguồn C1 (4700m/400V) được nạp điện nh­ hình trên t= 4700m. 170W= 0,8s (Aptomat 15A được nối với khối điều khiển hệ thống bảo vệ máy khi dòng làm việc vượt quá 15A) Cùng lúc hệ thống xử lý cũng được cung cấp điện. Sau 20s, rơle tác động hệ thống kích mồi mức hai làm việc, tụ điện C10 (747/1600V) phóng năng lượng tích lũy trước đó (1000V) vào cuộn sơ cấp biến áp kích B4. Bên cuộn thứ cấp sẽ có điện áp một chiều xung có tỉ lệ 50/1 có cực tính thuận đặt vào hai cực của đèn xenon. Cùng với điện áp đó bên thứ cấp còn có điện áp 1000= 1400VDC tác động kích mồi đèn xenon phát xạ mức hai U mồi = 1000(50/1) + 1400 (V) Đèn Xenon phát sáng (mê mê) trong một thời gian cho đến khi năng lượng mồi hết (t=0,1s). Lúc này năng lượng từ tụ C1 (220=300VDC) được đưa vào đèn. Tại thời điểm này mạch xử lý chỉ cho phép giá trị đặt tại mức hai (đặt trên tụ nhờ van CMOS) Mạch điều khiển kích đèn Xenon Biểu diễn quá trình điều khiển như sau Uc1 300V Umåi 1400V 1000V Thø cÊp S¬ cÊp t t R¬le J1 220V R¬le t¸c ®éng Uc2 300V 125V T2- T1= 20s R¬le S3 21V T1 T2 20A 8,5A Laser ra D¶i ®iÒu chØnh c«ng suÊt laser ra t t t t Hình 3.15 : Hình biểu diễn quá trình điều khiển Khi điều khiển công suất laser ở chế độ xung thì dòng công suất hệ thống nh­ sau: §Æt 8,5A I t Q1 Q2 Laser ra Bộ tạo xung đơn- xung chuỗi Mạch điện tạo dao động dùng IC PHASE LOCK- LOOP (4046) +Uc §iÒu khiÓn 680K NC +VCM 100K 0,01m 9 5 4 12 11 6 7 KÝch më 3.3.3: Hệ dẫn đường phẫu thuật Trong điều trị phẫu thuật, nhất thiết phải có hệ dẫn đường nhằm mục đích xác định chính xác điểm cần phẫu thuật khi có tia laser tới tổ chức cần phẫu thuật. Thường ánh sáng dẫn đường là laser He- Ne (công suất 2- 5 mW) hay laser diode đỏ bước sóng 635- 638 nm. Trên mô tổ chức cần phẫu thuật sẽ xuất hiện một đốm màu đỏ của laser dẫn đường, tại điểm chiếu tới đó sẽ xuất hiện tia laser YAG hướng tới khi có lệnh phát laser. Điều này có nghĩa là phải căn chỉnh tia laser dẫn đường. Việc căn chỉnh này rất phức tạp. Có hai phương án hệ quang học dẫn đường. Một là sử dụng laser He- Ne, hai là sử dụng laser diode. Thông thường người ta sử dụng laser diode vì các ưu điểm như gọn, nhỏ về thiết bị, bền vững, căn chỉnh tốt và đẽ dàng hơn, nguồn nuôi nhỏ, điện áp nguồn thấp…Tuy nhiên cũng có một số khó khăn là nguồn nuôi cho diode phải rất phẳng và có độ chống nhiễu cao, triệt tiêu được các xung quá độ. Dùng IC LM 3317 để chỉnh độ sáng của laser diode cho thích hợp trong phẫu thuật. Bộ lọc chặn, bảo vệ, cản dịu quá trình đóng điện 3.3.4: Hệ làm lạnh Trong phần làm lạnh có: Làm lạnh nước ngoàI (5- 10°C) cho thiết bị laser YAG (hệ thống làm lạnh bên ngoài) Bơm nước mát (17- 23°C) cho ống laser (hệ thống làm lạnh bên trong) Sơ đồ khối hệ thống làm lạnh và bơm nước mát BÓ n­íc BÓ thø cÊp (néi) Buång quang häc laser YAG C¾t qu¸ t¶i M¸y b¬m Inox BÓ Inox c¸ch nhiÖt BÓ l¹nh (5°) BÓ s¬ cÊp (ngoµi) P 5°C 18°C Nước trong bể thứ cấp (nằm trong máy laser YAG) có cài đặt hệ đo nhiệt độ và tự động khống chế nhiệt độ đặt ở 18°C và dải làm việc an toàn từ 17°C- 23°C, ngoài dải nhiệt độ này hệ thống tự động cắt. Xung quanh giá trị 18°C đặt hệ thống tự động ngắt ON/OFF để cho phép nước lạnh (5°C) từ nguồn lạnh ngoài vào trong bể thứ cấp và làm lạnh nước mát này. Nước mát 18°C được động cơ đặc biệt bơm vào buồng quang học với vận tốc cực mạnh. Nếu máy bơm không chạy sẽ có cảm biến áp lực P đo và cắt nguồn cung cấp ngay lập tức. 3.3.5: An toàn hệ thống Bao gồm sự ổn định, đo đạc, cảnh báo, tự động điều chỉnh , tù động cắt. Cụ thể: Ổn định nguồn nuôi, nối đất Ổn định nhiệt độ nước bơm mát hệ thống quang học Tạo, ổn định nhiệt độ nước lạnh cung cấp cho hệ thống Cắt hệ thống khi quá dòng tiêu thụ của thiết bị (tổng) Cắt khi phần nguồn laser YAG quá tải Cắt khi thiết bị khác quá tải (ví dụ: máy bơm) Cắt khi máy bơm nước mát không làm việc 9dòng chảy áp lực) Cắt, đóng nguồn cung cấp cho laser YAG khi nhiệt độ nước mát ngoàI dảI cho phép Chủ động báo các tham số cơ bản của thiết bị Báo hiệu laser ra bằng đèn âm thanh Cắt khẩn cấp thiết bị khi có sự cố Để thiết kế các quá trình an toàn trên sử dụng các phần tử đa dạng sau: Phần tử SENSOR cảm biến dòng được thiết kế sâu trong APTOMAT Khi I > Iđặt sẽ tự động cắt điện Phần tử SENSOR cảm biến nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện K đưa vào hệ đo và xử lý theo hai cấp: ON/OFF cho điều khiển (AUTOMATIC) và ON/OFF cho báo động (ALARM) theo hệ hai mức đặt bên cửa sổ. Phần tử SENSOR cảm biến áp lực bằng nguyên lý nâng áp lực ổn áp IC 7805, 7812, 7912, 7824, 7815, 7915 Các rơle điều khiển đầu ra dòng lớn Các phần tử tác động cơ, từ trường, quang Laser YAG là sản phẩm laser líp IV nên người sử dụng cần phải thận trọng. Theo tiêu chuẩn của CDHR: Có khóa bên trong hay líp vỏ bảo vệ bên ngoài của máy Có khóa nối điều khiển thiết bị với cửa ra vào Có công tắc khóa hoạt động, khóa khẩn cấp Có chỉ thị Laser đang làm việc Có bé suy giảm chùm tia khi khoảng cách xa Có dán các nhãn cảnh báo Có bộ bảo vệ khi sử dông , nhìn, tiếp xúc với phần quang, máy (lọc hay khử toàn bộ tác dụng của laser) Có bộ khống chế dải hoạt động khi vận hành tăng giảm công suất laser ra. 3.4: Tính ưu việt và ứng dụng y học Laser YAG liên tục ngày càng trở thành một thiết bị ứng dụng quan thuộc trong ngoại khoa và được trang bị ở nhiều bệnh viện. Các chuyên khoa có thể lắp đặt thiết bị laser YAG có hiệu quả là: Da liễu Chỉnh hình, thẩm mỹ U bướu Sản phô khoa Tiêu hoá Dạ dày Phẫu thuật ngoại khoa, nội soi Tiết niệu Tai mòi họng Hô hấp Bằng phương pháp dùng ánh sáng nội soi đơn sắc bước sóng 1064 nm, thiết bị laser Nd : YAG là thiết bị phẫu thuật tinh xảo bởi nó có thể đưa tia laser YAG tới bất kì nơi phẫu thuật nào ở bên ngoài hay bên trong cơ thể bởi nó sử dụng cáp quang nhỏ và mảnh có đường kính £ 1mm, dài từ 1- 3 m. Tia laser mang năng lượng lớn có thể cầm máu (coagulation), quang đông, bốc bay (vapoied), đốt cháy (carbonized) hay cắt bỏ (excised). Tia laser YAG không bị nước hấp thụ như laser CO2 nên nó có thể tác động ở môi trường nước và có khả năng xuyên sâu. Phẫu thuật bằng laser YAG tránh được các bệnh truyền nhiễm, AIDS, diệt khuẩn, giảm đau đớn và chóng lành vết thương… Đặc biệt laser YAG xử lý rất tốt đối với những bệnh ngoài da có sắc tố màu (đen, xanh, đỏ…). Có chọn lọc nhờ điều chỉnh cường độ (năng lượng) tia laser phát ra. Đã có trên 60 loại bệnh (có một số thuộc bệnh nan y) đã được thiết bị laser YAG điều trị đạt kết quả tốt. Thiết bị laser YAG có hệ thống dẫn đường ánh sáng đỏ giúp bác sỹ phẫu thuật định vị chính xác điểm laser tiếp xúc với mô phẫu thuật. 3.5: Một số kết quả y học ban đầu của việc ứng dụng thiết bị laser Nd: YAG U mạch máu (hemangioma) nông, đặc biệt khi bệnh ở là loại u hay gặp nhất ở trẻ sơ sinh. Trong quá trình phát triển của mình u có thể gây ra nhiều biến chứng như chèn Ðp các cơ quan lân cận, các hốc tự nhiên như mắt, mòi, miệng, hậu môn hay chảy máu, nhiễm trùng rất nguy hiểm, có thể đe dọa đến tính mạng của trẻ. Ngoài các phương pháp điều trị thông thường như tiêm xơ, áp lạnh, đốt điện, chiếu tia phóng xạ, liệu pháp corticoide hay phẫu thuật… gần đây phương pháp điều trị bằng laser được áp dụng đã thu được nhiều kết quả tốt với rất Ýt biến chứng. Trong các loại laser, laser Nd: YAG với đặc tính xuyên sâu và gây hiệu ứng quang đông rộng đã được ứng dụng nhiều trong điều trị u mạch máu ở da trẻ em. Phương pháp điều trị: Dùng laser Nd: YAG với công suất 20 - 40 W, thời gian xung 0,5 - 1 giây, diện tác dụng (spot size): 2 mm chiếu từng điểm vào bề mặt u sao cho sau khi chiếu xuất hiện màu trắng đục ở diện chiếu của bề mặt u, và cứ làm như vậy cho đến khi hết diện tích u cần điều trị. Sau khi chiếu xong sát trùng và bôi mỡ kháng sinh và tiếp tục theo dõi. Sau 3 tháng, dùa trên hiệu quả làm hết u và mức độ tổn thương da như sẹo, rối loạn sắc tố…ta thu được kết quả sau: Hiệu quả làm hết u Tổn thương da Tốt Hết u > 70% diện tích u Da bình thường, sẹo mờ Trung bình Hết u từ 50 - 70% diện tích u Sẹo sấu hoặc rối loạn sắc tố Kém Hết u < 50% diện tích u Sẹo lồi, sẹo phì đại Nhận xét: Cho đến nay đã có rất nhiều phương pháp điều trị u mạch máu ở da trẻ em nh­ phẫu thuất, đốt điện, áp lạnh, chiếu xạ, tiêm gây xơ hóa, đè Ðp, …điều đó nói lên tính chất phức tạp và khó khăn trong việc điều trị u mạch máu. Việc ứng dụng laser trong điều trị u mạch máu ở da trẻ em mà đặc biệt là laser YAG đã đem lại nhiều kết quả khả quan. Laser Nd: YAG có bước sóng 1064 nm được các phân tử protein hấp thụ nhiều, khi chiếu vào mô có khả năng tán xạ rộng vì thế gây ra hiệu ứng quang đông là chủ yếu. Theo các nghiên cứu khi chiếu vào da, laser Nd: YAG có thể xuyên sâu từ 5 đến 7 mm. Vì vậy laser Nd: YAG có thể gây đông vón, bít tắc được các mạch máu ở sâu trong u da nên có thể tác dụng cao trong điều trị u mạch máu ở da trẻ em. Điều này thể hiện rõ ở hiệu lực điều trị hết u ở tất cả các bệnh nhân tuy với mức độ khác nhau. Tuy nhiên để làm hết tổn thương u bằng laser Nd: YAG không phải là khó nhưng vừa làm hết u vừa trả lại sự phục hồi bình thường cho da là luôn luôn khó khăn do tổn thương nhiệt của laser với da là điều không tránh khỏi. Hơn nữa điều này có thể còn phụ thuộc vào nhiều yếu tè nh­ kỹ thuất điều trị, đặc điểm u, đặc điểm bệnh nhân… TÀI LIỆU THAM KHẢO Cơ sở kỹ thuật laser – Trần Đức Hân- Nguyễn Minh Hiển Giáo trình vật lý điện tử – Phùng Hồ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật – Lê Huy Tuấn Laser và thiết bị y học - Trần Ngọc Liêm Tương tác của bức xạ laser với tổ chức sống - Đỗ Kiên Cường và Vũ Công Lập Laser : theory and practice – John Hawkes and Ian Latimer Laser safety – York University Laser script MỤC LỤC Lời nói đầu 1 CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ LASER 3 I: Laser là gì? 3 II: Nguyên lý hoạt động của laser 3 2.1:Các hiện tượng quang học cơ bản 3 2.1.1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 4 2.1.2: Hiện tượng phát xạ tự do 5 2.1.3: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức 5 2.2: Nguyên lý hoạt động của laser 6 2.2.1: Nguyên lý 6 2.2.2: Quá trình bơm 7 2.2.3: Buồng cộng hưởng 9 III: Các tính chất cơ bản của laser 12 3.1: Độ định hướng cao 12 3.2: Tính đơn sắc rất cao 12 3.3: Tính kết hợp của các photon trong chùm tia laser 13 3.4: Tính chất từ phát liên tục đến phát xung cực ngắn 13 3.5: Công suất phát laser 13 IV: Phân loại laser 14 4.1: Phân loại theo môi trường hoạt chất. 14 4.2: Phân loại theo chế độ làm việc. 16 4.3: Phân loại theo bước sóng. 17 4.4: Phân loại theo chế độ an toàn. 17 CHƯƠNG II: LASER TRONG Y TẾ 19 I: Tương tác của laser với tổ chức sống 19 1.1: Cơ chế tương tác của bức xạ laser với tổ chức sống 19 1.1.1: Tương tác laser mô tế bào 19 1.1.2: Phân loại tương tác 23 1.1.3: Tham số vật lý ứng với các dạng tương tác 24 1.2: Sự tán xạ, sự hấp thụ và độ xuyên sâu 26 1.2.1: Sự tán xạ 26 1.2.2: Sự hấp thụ 26 1.2.3: Độ xuyên sâu 28 1.2.4: Kết luận 32 II: Ứng dụng kỹ thuật laser trong y học 33 2.1: Giới thiệu chung 33 2.2: Liệu pháp laser quang động học 34 2.3: Liệu pháp laser nhiệt 36 2.3.1: Laser nhiệt trong quang đông 38 2.3.2: Laser nhiệt trong phẫu thuật 38 2.3.3: Laser nhiệt trong tim mạch 39 2.4: Một số ứng dụng khác 40 2.5: Hướng phát triển 41 III: Phân loại các thiết bị laser trong y học 42 3.1: Các thiết bị laser dùng trong chuẩn đoán 42 3.2: Các thiết bị laser dùng trong điều trị 42 3.3: Các hệ laser công suất thấp 43 3.4: Các hệ laser công suất cao 45 IV: An toàn laser trong y tế 48 4.1: Ảnh hưởng hiệu ứng sinh học của tia Laser. 48 4.2: Các chuẩn về an toàn. 51 4.3: Phân líp nguy hiểm cho Laser. 52 4.3.1: Các sản phẩm Laser thuộc líp I. 56 4.3.2: Các sản phẩm Laser thuộc líp II. 58 4.3.3: Các sản phẩm Laser thuộc líp III. 60 4.3.4: Các sản phẩm líp IV. 61 4.4: Các rủi ro về Laser 62 4.5: An toàn hệ thống Laser 63 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG LASER ND:YAG TRONG Y TẾ 66 I: Giới thiệu chung về laser rắn 66 1.1: Đặc điểm 66 1.2: Cơ chế tạo nghịch đảo nồng độ 68 1.3: Nguồn bức xạ bơm và hệ thống bơm quang học 72 1.4: Các chế độ phát của laser rắn 74 1.4.1: Chế độ phát tự do 74 1.4.2: Chế độ điều chế hệ số phẩm chất 76 II: Laser Nd: YAG 78 2.1: Đặc điểm 78 2.2: Hệ thống quang học của laser Nd: YAG 82 2.3: Các phương pháp bơm trong laser Nd: YAG 82 III: Khảo sát thiết bị laser Nd: YAG 84 3.1: Giới thiệu về thiết bị 84 3.2: Các đặc điểm và các thông số kỹ thuật 84 3.3: Sơ đồ khối thiết bị 86 3.3.1: Điều khiển hệ thống 86 3.3.2: Điều khiển công suất 87 3.3.3: Hệ dẫn đường phẫu thuật 91 3.3.4: Hệ làm lạnh 93 3.3.5: An toàn hệ thống 94 3.4: Tính ưu việt và ứng dụng y học 95 3.5: Một số kết quả y học ban đầu của việc ứng dụng thiết bị laser Nd: YAG 96 Tài liệu tham khảo 98 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Mức năng lượng. 4 Hình 1.2: Hiện tượng hấp thụ. 4 Hình 1.3: Hiện tượng phát xạ tự do. 5 Hình 1.4: Hiện tượng phát xạ cưỡng bức. 5 Hình 1.5: Sơ đồ ba mức năng lượng 8 Hình 1.6 : Sù hình thành hồi tiếp dương trong buồng cộng hưởng 10 Hình 1.7: Góc mở của chùm tia laser 12 Hình 1.8. Những Laser chính và bước sóng của chúng. 17 Hình 2.1: Tương tác quang của chùm laser với mô tế bào 19 Hình 2.2: Hệ số hấp thụ của (a): Protein và các acid amin, (b) hồng cầu, (c): melamin, (d): huyết tương 21 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) 22 Hình 2.4: Quá trình quang nhiệt trong tương tác laser- mô tế bào 22 Hình 2.5: Giản đồ các quá trình quang học thời gian- mật độ công suất laser 24 Hình 2.6: Sơ đồ mật độ năng lượng- thời gian tương tác để cắt mô bằng laser 25 Hình 2.7: Độ xuyên sâu qua da của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng 28 Hình 2.8: Độ xuyên sâu trung bình và 10% của da người 30 Hình 2.9: Sơ đồ khối của laser lý liệu điển hình 44 Hình 2.10: Sơ đồ khối một hệ laser phẫu thuật 47 Hình 2.11: Ảnh hưởng của laser tới mắt 48 Hình 2.12: Các dải phổ và hiệu ứng có hại trong từng dải 49 Hình 3.1 : Cấu trúc hệ bốn trạng thái 68 Hình 3.2 : Phân bố nồng độ hạt của hệ bốn mức 69 Hình 3.3 : Nồng độ phụ thuộc vào nhiệt độ 71 Hình3.4 : Sù thay đổi của U, I, P theo thời gian trong nguồn bơm 72 Hình 3.5 : Nguồn bơm quang học 73 Hình3.6 : Phổ phóng điện xung, phổ liên tục và phổ bức xạ công suất lớn của đèn xenon 74 Hình 3.7: Quá trình bức xạ 75 Hình 3.8: Sù phụ thuộc của DN và r vào thời gian 76 Hình 3.9: Mức năng lượng của neodym trong YAG 78 Hình 3.10: Lược đồ mức năng lượng của Nd: YAG thể hiện các chuyển dịch quan trọng và các mức bơm 79 Hình 3.11: Phổ huỳnh quang của Nd3+ : YAG tại 300 K nhờ chuyển dịch 4F3/2 ® 4I11/2 trong vùng bước sóng 1,06 mm. 80 Hình 3.12: Đường cong phát xạ huỳnh quang của chuyển dịch laser tại bước sóng 1,064 mm 80 Hình 3.13: Hệ thống quang học laser YAG 82 Hình 3.14: Sơ đồ khối thiết bị 86 Hình 3.15 : Hình biểu diễn quá trình điều khiển 90 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: Các thông số vật lý của laser 14 Bảng 2.1: Phân loại tương tác giữa bức xạ laser và cơ thể sống 23 Bảng 2.2: Tương quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian tác dụng 25 Bảng 2.3 : Sù phát xạ UV-IR- Sự hấp thụ của các mô sinh vật và chiều dài bước sóng laser 27 Bảng 2.4: Độ xuyên sâu của bức xạ laser trong các loại mô chuột(mm) 31 Bảng 2.5 : Năng lượng hấp thụ của các khối u động vật đối với laser Ruby và Nd: YAG 32 Bảng 2.6 : Mét số loại laser thông dụng trong y học 37 Bảng 2.7 : Các loại laser lý liệu chính 43 Bảng 2.8 : Các laser tạo hiệu ứng nhiệt 45 Bảng 2.9 : Các laser theo phương pháp quang hoạt hóa 46 Bảng 2.10: Các loại laser tạo hiệu ứng quang bóc líp 46 Bảng 2.11: Các laser tạo sóng xung kích 46 Bảng 2.12: Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser 52 Bảng 2.13:. Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser 53 Bảng 2.14: Các giới hạn bức xạ chùm tia Laser. 53 Bảng 2.15: Các giới hạn bức xạ Laser đối với da. 55 Bảng 2.16:. Mét vài ví dụ về phân loại rủi ro Laser . 58 Bảng 3.1 : Các đặc điểm của laser Nd: YAG 81 Bảng 3.2 : Dữ liệu chi tiết về các dịch chuyển 81