Nghiên cứu chế tạo một số thiết bị chẩn đoán y khoa bằng kỹ thuật quang học

TỔNG QUAN

Thiết bị hỗ trợ xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật quang học

Trong chẩn đoán và điều trị y khoa, can thiệp vào tĩnh mạch là một thao tác thường xuyên và cần thiết Kỹ năng tiêm tĩnh mạch khéo léo, ít đau là điều quan trọng đối với y bác sĩ và nhân viên y tế, đặc biệt khi làm việc với bệnh nhân béo phì, phụ nữ và trẻ em, nơi thường gặp khó khăn Trong các tình huống cấp cứu như suy thận cấp hay sốc tim, việc can thiệp tĩnh mạch cần diễn ra nhanh chóng và chính xác Do đó, việc sử dụng thiết bị cầm tay linh hoạt để xác định tĩnh mạch là rất cần thiết, giúp người điều trị thao tác hiệu quả Hơn nữa, thiết bị hiển thị tĩnh mạch bằng phương pháp quang học hỗ trợ bác sĩ chuyên khoa khảo sát hình dạng mạch máu gần bề mặt da, từ đó chẩn đoán các bệnh lý liên quan.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng hiển thị tĩnh mạch phụ thuộc vào sự hấp thụ khác nhau của máu và các mô xung quanh đối với photon ở các bước sóng khác nhau Dựa trên nguyên lý này, nhiều thiết bị hiển thị hình ảnh đã được phát triển và thương mại hóa trên toàn cầu Các thiết bị này bao gồm từ những loại chiếu sáng nhận biết dựa vào sự tương phản của mạch máu với vùng xung quanh (có giá khoảng 300 – 500 USD) đến ứng dụng siêu âm Doppler và những thiết bị phức tạp hơn kết hợp thu nhận tín hiệu phản xạ và chiếu lại bằng laser trên bề mặt da (với giá thành lên đến vài ngàn USD).

Hình 1.1.Các thiết bị hỗ trợ xác định tĩnh mạch:

(A) Veinlite (https://www.veinlite.com/) (B) Wee Sight Transilluminator (http://www.healthcare.philips.com)

(C)Portable Vein Locator BS1000 (Jiangsu, China)

Hình ảnh truy cập trên Internet tháng 06/2015

Hình 1.1 giới thiệu các thiết bị hỗ trợ xác định tĩnh mạch trên thế giới, trong đó thiết bị Wee Sight Transilluminator (Hình 1.1B) đã được sử dụng tại bệnh viện Hùng Vương, TP Hồ Chí Minh Hình 1.1A minh họa thiết bị dành cho người trưởng thành, trong khi Hình 1.1C cho thấy thiết bị sử dụng ánh sáng hồng ngoại để hiển thị hình ảnh tĩnh mạch trên màn hình LCD Nhóm thiết bị này có khả năng xác định tĩnh mạch nhanh chóng và phù hợp cho mọi đối tượng, nhưng giá thành cao đã hạn chế ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế tại Việt Nam.

Thiết bị hỗ trợ chẩn đoán các bệnh về da bằng kỹ thuật quang học

Bệnh ngoài da là một trong những vấn đề sức khỏe phổ biến, liên quan đến việc tiếp xúc với hóa chất, chế độ ăn uống và ô nhiễm môi trường Các bệnh da liễu ảnh hưởng đến bề mặt cơ thể như da, lông, tóc và móng, với hình ảnh tổn thương rất đa dạng Chúng có thể từ những triệu chứng không nguy hiểm nhưng gây khó chịu và ảnh hưởng thẩm mỹ, đến những dạng nghiêm trọng như ung thư có thể đe dọa tính mạng Phương pháp chẩn đoán bệnh da liễu thường dựa vào quan sát bằng mắt thường hoặc thiết bị phóng đại quang học, tuy nhiên, phương pháp này có nhiều hạn chế và phụ thuộc vào kinh nghiệm của bác sĩ Những phương pháp chính xác hơn như sinh thiết mô thường chỉ được thực hiện khi có nghi ngờ chẩn đoán nghiêm trọng.

Mụn là một vấn đề da liễu phổ biến, ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và sức khỏe của con người Chứng mụn thường bắt đầu từ tuổi dậy thì và ước tính khoảng 80% người từ 11 đến 30 tuổi sẽ gặp phải tình trạng này Đáng chú ý, một số người trên 40 tuổi vẫn có thể bị mụn trứng cá Nếu không được điều trị kịp thời, mụn có thể để lại sẹo và gây ra những di chứng tâm lý nặng nề.

Phương pháp sinh thiết là kỹ thuật chẩn đoán đáng tin cậy nhất cho các bệnh về da, nhưng việc chọn mẫu sinh thiết phù hợp không hề đơn giản ngay cả với các bác sĩ lâm sàng có kinh nghiệm Hiện nay, các thiết bị hỗ trợ chẩn đoán sử dụng kỹ thuật quang học không xâm lấn đã nâng cao khả năng chẩn đoán ban đầu cho các bệnh da liễu Những thiết bị này nổi bật với tính năng không xâm lấn, an toàn và cung cấp thông tin đa dạng, từ đó giúp quá trình chẩn đoán trở nên chính xác hơn Sử dụng các thiết bị quang học này không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng chẩn đoán.

- Phát hiện sớm các khối u da ác tính, giám sát các tổn thương liên quan sự phát triển u ác tính

- Chẩn đoán các khối u da dạng ung thư và lành tính

- Chẩn đoán các dạng bệnh ký sinh, mụn cóc, các dạng nấm

- Chẩn đoán bệnh của tóc và da đầu, chứng rụng tóc

- Xác định lề phẫu thuật cho bệnh ung thư da vv…

Các thiết bị thương mại như Dermlite, Handyscope và LED Dermatoscope hoạt động dựa trên các nguyên lý quang học, cung cấp thông tin hữu ích trong việc phát hiện bất thường về da, từ đó hỗ trợ chẩn đoán nhanh chóng và hiệu quả Tuy nhiên, giá thành cao vẫn là một trở ngại lớn tại Việt Nam, điều này tạo ra nhu cầu cấp thiết cho việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị này trong lĩnh vực da liễu.

Hình 1.2.Các thiết bị hỗ trợ chẩn đoán các bệnh về da:

(A) Thiết bị Dermlite (http://dermlite.com ) (B) tổn thương chụp bằng Dermlite (C) Thiết bị Handyscope(http://www.handyscope.net ) Hình ảnh truy cập trên Internet tháng 06/2015

Thiết bị hỗ trợ chẩn đoán các bệnh lý khoang miệng bằng kỹ thuật quang học

Các tổn thương miệng được chia thành hai nhóm chính: bạch sản (leukoplakia) với các mảng trắng và hồng sản (erythroplakia) với các mảng đỏ Khoảng 85% các tổn thương tiền ung thư trong khoang miệng thuộc nhóm bạch sản.

Ung thư miệng là bệnh u ác tính xảy ra trong vùng miệng, bao gồm các loại như ung thư môi, nướu răng, lưỡi, vòm miệng, hàm, cuống họng, hầu họng, tuyến nước bọt, và xoang hàm trên Theo Hiệp hội chống ung thư thế giới (UICC), ung thư miệng chiếm 1% tổng số loại ung thư và thường gặp ở độ tuổi từ 40 đến 50 Tuy nhiên, loại ung thư này đang có xu hướng trẻ hóa nhanh chóng trong thời gian gần đây.

Tại Việt Nam, theo điều tra của Trung tâm Ung bướu, tỷ lệ ung thư miệng chiếm khoảng 6% tổng số các loại ung thư Ở TP.HCM, ung thư khoang miệng chiếm 3-4% và đứng thứ 7 trong số 10 loại ung thư phổ biến nhất Những yếu tố quan trọng sau đây góp phần vào sự gia tăng ung thư miệng tại nước ta.

Tỷ lệ cao mắc ung thư miệng ở Việt Nam liên quan đến các yếu tố như hút thuốc lá, uống rượu, ô nhiễm môi trường, và sử dụng hóa chất trong thực phẩm Ở các nước đang phát triển, ung thư miệng thường được phát hiện muộn, dẫn đến tỷ lệ tử vong cao, với tỷ lệ sống thêm sau 5 năm chỉ từ 30-80% tùy thuộc vào vị trí tổn thương Việc chẩn đoán và điều trị gặp khó khăn do triệu chứng không điển hình và sự chủ quan trong phán đoán Hơn nữa, cơ sở hạ tầng y tế còn hạn chế, chỉ một số bệnh viện tuyến trên đủ điều kiện chẩn đoán Phát hiện sớm bệnh là yếu tố quyết định để nâng cao tỷ lệ điều trị thành công.

Hiện nay, các phương pháp phát hiện và tầm soát ung thư miệng chủ yếu sử dụng sinh thiết, nhuộm tế bào và chụp cắt lớp, nhưng những phương pháp này thường có chi phí cao và quy trình phức tạp, không luôn phù hợp cho việc chẩn đoán ban đầu.

Hình 1.3 Các thiết bị hỗ trợ chẩn đoán các bệnh lý khoang họng: (A) Vizilite PLus (http://www.denmat.com/Vizilite_TBlue )

(B) Nguyên lý phát xạ Vizilite PLus (C) Thiết bị Velscope (http://www.velscope.com ) Hình ảnh truy cập trên Internet tháng 06/2015

Trong những năm gần đây, nhiều phương pháp mới đã được nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt là việc sử dụng đèn quang học để tăng cường độ tương phản cường độ sáng giữa các vùng khác nhau.

ViziLite Plus là thiết bị kiểm tra trực quan đã được chứng minh lâm sàng, chuyên dụng trong việc phát hiện sớm ung thư miệng trong hơn một thập kỷ qua Thiết bị hoạt động dựa trên sự tương phản ánh sáng phát quang hóa học màu xanh dương giữa các vị trí bình thường và bất thường trong miệng, sau khi bệnh nhân sử dụng dung dịch acid acetic 1% Tuy nhiên, vì chỉ cung cấp thông tin từ các lớp tế bào bề mặt, ViziLite Plus không thể phân biệt giữa các tổn thương lành tính và ác tính hoặc tiền ác tính, do chứng loạn sản bắt đầu từ lớp thấp nhất của biểu mô.

Một thiết bị phổ biến hiện nay là VELSCOPE, hoạt động dựa trên phát huỳnh quang của niêm mạc miệng Thiết bị này được sử dụng rộng rãi để thu thập tín hiệu huỳnh quang, giúp đánh giá tình trạng chuyển hoá của các mô và xác định các tế bào bình thường cũng như bất thường Các bước sóng kích thích huỳnh quang tối ưu cho niêm mạc miệng nằm trong một khoảng cụ thể.

Thiết bị kiểm tra ung thư miệng hoạt động trong dải bước sóng 400 nm đến 460 nm, sử dụng sự phát huỳnh quang của mô để phát hiện các bất thường trong biểu mô, bao gồm tế bào loạn sản và các vùng dưới biểu mô Với ưu điểm không xâm lấn và không cần hóa chất hay thuốc nhuộm, thiết bị này cho phép phát hiện sớm tế bào ung thư và tiền ung thư, đồng thời có thiết kế nhỏ gọn, cơ động và thời gian chẩn đoán nhanh chóng.

NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 18 2.1 Chuyên đề 1: Khảo sát phổ phản xạ và hấp thụ của bức xạ các LED phổ dụng với bước sóng từ vùng cực tím cho đến vùng hồng ngoại gần với mô và da

Chuyên đề 2: Khảo sát phổ huỳnh quang của bức xạ các LED phổ dụng với bước sóng từ vùng cực tím cho đến vùng hồng ngoại gần với mô và da

* Cấu trúc giải phẫu niêm mạc miệng [15]

Khoang miệng được bao phủ bởi niêm mạc miệng, một loại biểu mô lát Niêm mạc miệng được chia thành hai lớp chính: lớp biểu mô bên trên và lớp mô đệm bên dưới, chủ yếu chứa mô liên kết.

Hình 2.2.1 Giải phẫu học mô miệng

Biểu mô: trong khoang miệng có nguồn gốc từ phôi ngoại bì và lát phân tầng

Bề mặt niêm mạc miệng chủ yếu được lót bởi biểu mô lát tầng không sừng hoá, ngoại trừ nướu, vòm miệng cứng và bề mặt lưng lưỡi, nơi được bao phủ bởi biểu mô lát tầng sừng hóa.

Biểu mô lát tầng không sừng hóa gồm những tế bào đã biệt hóa, có ít keratin

Lớp ngoài cùng của da gồm các tế bào có nhân, được chia thành bốn lớp từ trên xuống: lớp bề mặt, lớp trung gian, lớp tế bào gai (spinosum) và màng đáy Màng đáy được phân chia thành các phần khác nhau.

Màng đáy của tế bào bao gồm hai lớp: lớp đáy (basale) và lớp lưới Trong một số trường hợp, hai lớp này được gọi là màng đáy đôi, khác với màng đáy đơn chỉ có lớp đáy.

Biểu mô lát tầng sừng hóa gồm các tế bào lớp trên đã biệt hóa, nhiều keratin

Lớp ngoài cùng của biểu mô lát tầng sừng hóa gồm các tế bào không còn nhân Biểu mô này có bốn lớp tương tự như biểu mô lát tầng không sừng hóa, nhưng khác ở hai lớp ngoài cùng, bao gồm lớp sừng hóa và lớp hạt (granulosum), tiếp theo là lớp tế bào gai và màng đáy đôi.

Mô đệm, được hình thành từ mô liên kết, có vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ và kết gắn các tế bào, cơ quan lại với nhau Nó hỗ trợ biểu mô và liên kết biểu mô với các mô xung quanh Khu vực có biểu mô và lớp đệm có thể tạo thành các nhú (papilla), với chiều dài và số lượng nhú thay đổi tùy thuộc vào vị trí và chức năng cần thiết Sự gia tăng số lượng và chiều dài của nhú thường thấy ở những khu vực cần sự bám dính mạnh mẽ giữa biểu mô và mô đệm.

Nhu cầu trao đổi chất của biểu mô diễn ra qua mô đệm, nơi các axit amin, peptide, carbohydrate, hợp chất vô cơ và muối cần thiết cho dinh dưỡng được khuếch tán từ mao mạch qua mô liên kết và màng đáy vào biểu mô Mô đệm không chỉ chứa nguyên bào sợi và tế bào máu mà còn có hệ bạch huyết, dây thần kinh cùng các loại tế bào khác.

Trong hầu hết các khu vực của miệng, submucosa không hiện diện, đóng vai trò như một phần đính kèm của mô đệm Đây là thành phần của mô liên kết, chứa các tế bào và yếu tố nội bào, và được tìm thấy ở má, môi và các phần của khẩu cái Submucosa chứa nhiều mạch máu, dây thần kinh và hệ bạch huyết, với chức năng bảo vệ và cung cấp dinh dưỡng Ngoài ra, tầng dưới niêm mạc cũng chứa mô mỡ và các tuyến nước bọt nhỏ Tại các khu vực xương, submucosa không có mặt, mà các sợi mô đệm gắn chặt vào xương, và niêm mạc cùng mô đệm ở đây thường được gọi là mucoperiosteum.

Tính chất quang học của niêm mạc miệng đóng vai trò quan trọng trong việc khảo sát phổ huỳnh quang Nghiên cứu về tính chất phát quang của các thành phần cấu tạo niêm mạc miệng giúp xác định bước sóng phù hợp cho thiết bị soi vòm miệng, từ đó ứng dụng kỹ thuật quang học hiệu quả hơn.

Một số chất phát quang nội sinh (fluorophore) với cường độ mạnh nhất tồn tại trong con người và động vật liên quan đến quá trình chuyển hóa tế bào Những chất này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về các hoạt động sinh học và chức năng tế bào.

Trong thể loại fluorophore, có 29 dạng khác nhau bao gồm nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), các flavin như FAD, và lipopigments phát quang mạnh như lipofuscin và ceroids Ngoài ra, còn nhiều fluorophore nội sinh khác phát ra ánh sáng ở các vùng phổ khác nhau trong tử ngoại và khả kiến Những fluorophore này bao gồm các hợp chất thơm, các acid amin như tryptophan, tyrosine, phenylalanine, cùng với các porphyrin như hemoglobin và myoglobin Đặc biệt, trong một số trường hợp, huỳnh quang porphyrin màu đỏ có thể xuất phát từ vi khuẩn.

Các dẫn xuất của nucleotide và flavin là các chất phát huỳnh quang chủ yếu, đóng vai trò quan trọng trong sự phát huỳnh quang của tế bào và trao đổi chất nội bào Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) là chất nhận electron chính trong quá trình phốt pho hoá của ti lạp thể, với dạng rút gọn NADH có tính huỳnh quang, có cực đại kích thích và phát xạ lần lượt là 360 nm và 450 nm Khi NADH liên kết với enzyme trong màng ti lạp thể, nó có cực đại phát xạ ở 470 nm.

Flavin adenine dinucleotide (FAD) là một chất nhận electron quan trọng, với dạng oxi hoá của nó có tính huỳnh quang FAD sở hữu các cực đại kích thích và phát xạ đặc trưng, đóng vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình sinh học.

Các nghiên cứu về ma trận kích thích phát xạ huỳnh quang của mô cổ tử cung cho thấy rằng NADH và FAD là hai chất chỉ thị trao đổi chất chính, phát huỳnh quang ở các bước sóng 350 nm và 450 nm Điều này cho phép phổ huỳnh quang được sử dụng để phát hiện những thay đổi trong trạng thái trao đổi chất của tế bào, thông qua việc đánh giá nồng độ của NADH và FAD.

Một nguồn phát huỳnh quang trong tế bào là các sợi tế bào sừng, tập trung quanh nhân và màng tế bào biểu mô Ma trận kích thích – phát xạ của móng tay người, chủ yếu chứa keratin, cho thấy sự kích thích từ 350 nm.

400 nm đều có đỉnh là 430 nm

Chuyên đề 3: Khảo sát tác dụng sinh học của bức xạ các LED phổ dụng với bước sóng từ vùng cực tím cho đến vùng hồng ngoại gần với cơ thể sống và mắt

Tia tử ngoại, hay còn gọi là tia cực tím (UV), là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X.

Khi xét đến ảnh hưởng của tia tử ngoại lên sức khỏe con người và môi trường, thì phổ của tia tử ngoại chia ra thành:

Tia UVA (380-315 nm), còn được gọi là sóng dài hay "ánh sáng đen", là loại bức xạ UV yếu nhất Mặc dù có cường độ thấp, tia UVA có khả năng gây thoái hóa da và tiềm ẩn nguy cơ gián tiếp cho các tế bào DNA (Deoxyribonucleic Acid).

Tia UVB (315-280 nm) thuộc bước sóng trung bình, có khả năng gây nguy cơ trực tiếp cho tế bào DNA Chúng không chỉ gây ra tình trạng sạm da mà còn là nguyên nhân tiềm ẩn dẫn đến ung thư da.

Tia UVC (280 - 100 nm) được biết đến là sóng ngắn, là loại bức xạ mạnh mẽ và nguy hiểm nhất đối với con người Nó có khả năng gây tổn thương cấu trúc protein, tiêu diệt tế bào và mang lại hiệu quả diệt khuẩn cao.

Hình 2.3.1 Phổ quang học của ánh sáng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại

Hình 2.3.2 Độ xuyên sâu của ánh sáng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại qua da

Tia tử ngoại có thể gây ra một số tác dụng tích cực cũng như tiêu cực lên cơ thể con người như sau: a) Tác dụng tích cực

 Tổng hợp vitamin D: tia tử ngoại giúp cơ thể chúng ta để sản xuất vitamin

D Vitamin D giúp tăng cường xương, cơ bắp và hệ thống miễn dịch của cơ thể Nó cũng có thể làm giảm nguy cơ mắc một số loại ung thư như ung thư ruột kết

Tia cực tím được sử dụng trong điều trị một số bệnh ngoài da như vẩy nến, eczema và bệnh vàng da Việc điều trị này cần được thực hiện dưới sự giám sát y tế, và cần đánh giá cẩn thận lợi ích so với rủi ro phơi nhiễm bức xạ tia cực tím.

Tia UV có khả năng khử trùng và diệt khuẩn hiệu quả bằng cách tiêu diệt vi sinh vật như virus và vi khuẩn Khi tia UV xuyên qua màng tế bào, chúng phá hủy DNA, ngăn chặn khả năng tái sinh và nhân lên của các vi sinh vật này Tuy nhiên, tia tử ngoại cũng có thể gây ra những tác hại nhất định cho sức khỏe con người và môi trường.

* Tác động lên Protein của sinh vật [33]

Dưới tác động của tia tử ngoại, phân tử protein chịu tổn thương nghiêm trọng, dẫn đến hiện tượng dung dịch protein trở nên vẩn đục, tăng độ nhớt, thay đổi tốc độ lắng và mật độ quang.

Protein có vùng hấp thụ ánh sáng từ 200nm đến 400nm, trong đó các amino acid thơm như Tryptophan, Tyrosin, Phenyl-alanine và Cystein đóng vai trò quan trọng Khi các amino acid này hấp thụ bức xạ tử ngoại, chúng sẽ bị phá hủy, dẫn đến việc khử hoạt tính của enzym.

Tia tử ngoại không chỉ tác động đến cấu trúc mà còn ảnh hưởng đến cấu hình phân tử, dẫn đến giảm khả năng xúc tác phản ứng của protein và có thể làm mất chức năng sinh học của nó.

* Tác dụng lên các DNA [34]

Tia tử ngoại gây ra sự liên kết bất thường giữa hai nhiễm sắc thể đơn gần nhau, dẫn đến sự phình to trong cấu trúc DNA Hệ quả là, vi sinh vật bị đột biến nhiễm sắc thể, làm mất khả năng thực hiện các chức năng bình thường.

Tia UVB có khả năng gây hại trực tiếp lên DNA do bị hấp thụ bởi chính DNA, trong khi đó, tia UVA không ảnh hưởng trực tiếp đến DNA mà tác động lên các cấu trúc tế bào (chromophores), dẫn đến việc sản sinh H2O2, gây tổn hại cho DNA.

Tia cực tím (UV) có thể gây hại cho nhiều bộ phận của mắt, bao gồm mi mắt, kết mạc, giác mạc, thủy tinh thể và võng mạc Khi tiếp xúc với tia UV, các tế bào bảo vệ mắt có thể bị tổn thương, dẫn đến nguy cơ suy hoại võng mạc, gây lòa và thậm chí là mù lòa.

Hình 2.3.3 Ảnh hưởng của tia tử ngoại lên mắt

Tia UV trong giai đoạn đầu chỉ ảnh hưởng đến mi mắt và giác mạc, nhưng nếu tiếp xúc nặng, nó có thể gây ra đục thủy tinh thể Theo thời gian, tình trạng này sẽ làm mờ thị lực và cuối cùng dẫn đến mất hoàn toàn khả năng nhìn Hơn nữa, tia UV còn phá hủy các tế bào nội mô của võng mạc, gây ra thoái hóa điểm vàng.

Ánh nắng mặt trời chứa tia UV có thể gây tổn thương mắt ngay lập tức hoặc lâu dài, dẫn đến mù mắt Tại vùng mi mắt, tia UV có thể gây ra nhiều loại u mi, bao gồm ung thư biểu mô tế bào đáy, ung thư biểu mô tế bào vảy và u hắc tố ác tính.

* Gây nguy hại đến da [35, 36]

Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch bằng kỹ thuật quang học phối hợp hai bước sóng

kỹ thuật quang học phối hợp hai bước sóng

2.4.1 Thiết kế mô hình thiết bị

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn các loại LED thương mại có bước sóng phù hợp để thiết kế mô hình thiết bị soi tĩnh mạch, dựa trên kết quả mô phỏng LED, hay diode phát sáng, có khả năng phát ra ánh sáng trong vùng khả kiến, hồng ngoại và tử ngoại Ban đầu, LED chỉ phát ra ánh sáng đỏ với cường độ sáng thấp, nhưng hiện nay, nhờ vào sự phát triển của các hợp chất bán dẫn mới, đã có nhiều loại LED phát ra ánh sáng ở cả ba vùng với cường độ sáng cao.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào các loại LED công suất của hãng Tecled Lighting Co., Ltd, Trung Quốc LED công suất mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với LED siêu sáng và LED thường, bao gồm góc chiếu sáng rộng, công suất lớn và độ bền cao.

Hình 2.4.2 Chip LED công suất 1W

Phổ phát quang của một loại LED công suất đỏ có đỉnh phổ khoảng 638nm với độ rộng phổ khoảng 18nm (hình 2.4.3)

Hình 2.4.3 Phổ phát quang của LED công suất đỏ ứng dụng trong mô hình

Góc phát quangkhá lớn khoảng hơn 120 0 , khoảng giữa góc phát quang phân bố trường sáng khá đồng đều (hình 2.4.4)

Góc phát quang của LED đỏ công suất cho thấy rằng hiệu điện thế ngưỡng khoảng 2V và cường độ dòng cấp ngưỡng đạt khoảng 300mA Đặc biệt, LED này có mức tiêu thụ điện năng tương đối thấp.

Hình 2.4.5 Đồ thị V-A Led công suất đỏ

Dựa trên các đặc tính của LED, bán kính tán xạ, công suất LED và tối ưu hóa bố trí dãy LED, mô hình thiết bị đã được thiết kế 3D bằng phần mềm Solidworks, với hình dáng tổng thể như hình 2.4.6.

Hình 2.4.6 Bản vẽ thiết kế thiết bị xác định tĩnh mạch

2- Cụm đèn đi-ốt phát quang (gọi tắt là LED) chiếu sáng

3- Nguồn một chiều (PIN dùng một lần hoặc PIN sạc)

7- Nắp đậy bảo vệ cụm chiếu sáng

Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, mang lại sự tiện dụng tối ưu cho người vận hành với nhiều ưu điểm nổi bật.

Máy soi tĩnh mạch quang học sử dụng nguồn sáng LED không nóng, hoạt động với nguồn nuôi một chiều điện áp thấp và có thể sử dụng pin Với chỉ 5 bóng LED công suất, thiết bị vẫn đảm bảo độ sáng tương đương với các sản phẩm tương tự, đồng thời giảm số lượng LED giúp thu nhỏ kích thước máy, phù hợp với bàn tay người Việt Nam.

Thiết bị được trang bị bộ phận cảm biến quang, hoạt động như một công tắc tự động giúp tiết kiệm pin và bảo vệ an toàn cho người dùng, ngăn chặn ánh sáng chiếu trực tiếp vào mắt Khi thiết bị được ốp lên tay, hệ thống LED sẽ tự động bật sáng, và khi tháo ra, hệ thống sẽ tự động tắt, đảm bảo không gây hại cho mắt người sử dụng.

Sự kết hợp giữa hai bước sóng khác nhau, cụ thể là 2 LED cam (590nm) và 3 LED đỏ (635nm), đã được nghiên cứu và thử nghiệm bởi nhóm nghiên cứu, mang lại kết quả hiển thị tĩnh mạch rõ nét với độ tương phản cao so với vùng da xung quanh.

Sản phẩm mô hình được làm từ chất liệu nhựa ABS chất lượng cao, có hai màu đen và trắng, phù hợp cho máy in 3D Với khả năng chịu nhiệt vượt quá 100 độ C, sản phẩm này có tổng khối lượng khoảng 70g.

Hình 2.4.7 Thiết bị soi tĩnh mạch BK Vein cho người lớn

2.4.2 Kết quả thử nghiệm mô hình xác định tĩnh mạch

Thiết bị đã được thử nghiệm trên các tình nguyện viên nam và nữ tại phòng thí nghiệm, cho thấy trong điều kiện ánh sáng huỳnh quang, vị trí tĩnh mạch có thể được phân biệt rõ ràng so với vùng da xung quanh Hình 2.4.8 minh họa một số kết quả thử nghiệm này.

Hình 2.4.8 Kết quả thử nghiệm mô hình thiết bị xác định tĩnh mạch:

(A) Tĩnh mạch cánh tay mẫu nữ 25 tuổi (B) Tĩnh mạch cánh tay mẫu nam 23 tuổi (C) Tĩnh mạch cánh tay mẫu nữ 48 tuổi

Mô hình đã được thử nghiệm tại bệnh viện Hùng Vương trong thời gian 6 tháng, từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2015, với tổng cộng 30 nữ hộ sinh (NHS) tham gia khảo sát.

Hình 2.4.9 Tỷ lệ NHS có kinh nghiệm tham gia khảo sát

Trong khảo sát thử nghiệm mô hình TBSV tại khoa Sơ sinh, có 86,67% số lượng nhân viên y tế (NHS) có kinh nghiệm làm việc trên ba năm trong lĩnh vực lấy tĩnh mạch sơ sinh tham gia Điều này cho thấy chất lượng của đối tượng tham gia khảo sát cao và nội dung phiếu khảo sát có độ tin cậy đáng kể.

Hình 2.4.10 Ưu điểm của thiết bị soi tĩnh mạch

Thiết bị soi tĩnh mạch (TBSV) đã mang lại nhiều lợi ích trong việc giảm số lần tiêm lại và hỗ trợ phát hiện tĩnh mạch dễ dàng hơn Việc sử dụng TBSV đã giúp giảm đáng kể số lượng trẻ sơ sinh phải lấy máu ở vùng đầu, từ đó giảm tỷ lệ nhiễm khuẩn và nguy cơ di chứng khi trưởng thành Theo khảo sát, có tới 76,7% người tham gia mong muốn sử dụng TBSV trong quy trình lấy tĩnh mạch cho trẻ sơ sinh.

2 LED cam 590 nm – 3 LED đỏ 635 nmm

Xác định tĩnh mạch cho cả người lớn và trẻ em với cảm biến nhận diện vật cản tiết kiệm pin, sản phẩm này hoàn toàn phù hợp với quy định của Bộ Y tế Giá dự kiến cho sản phẩm là 1.000.000 đồng.

2.4.4 So sánh với thiết bị nước ngoài

STT TÊN THIẾT BỊ MÔ TẢ

- Nguồn sản phẩm: Đề tài KHCN

- Nguồn sáng: 2 LED cam 590 nm – 3 LED đỏ 635 nm (5 LEDs – Class 2)

- Cảm biến nhận diện vật cản tiết kiệm pin

2 Veinlite LED® - Nguồn sản phẩm: hãng Veinlite https://www.veinlite.com

- Nguồn sáng: 12 LED cam kết hợp 12 LED đỏ (LED Class 2)

3 WEE SIGHT - Nguồn sản phẩm: Philips Healthcare, http://www.healthcare.philips.com/

- Nguồn sáng: LED đỏ 629 nm (LED Class 2)

Hình 2.4.11.So sánh hình ảnh tĩnh mạch sử dụng:

2.5 Nội dung 5: Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị chẩn đoán các bệnh lý khoang họng bằng kỹ thuật quang học đa bước sóng

Thiết bị VELSCOPE hoạt động dựa trên sự phát huỳnh quang khác nhau của các loại mô dưới tia tử ngoại Mô hình nghiên cứu ban đầu cũng dựa trên nguyên lý này, nhưng đã được cải tiến bằng cách sử dụng ánh sáng phân cực đa bước sóng Phương pháp này khai thác cơ chế phát huỳnh quang và khả năng hiển thị khác nhau của các mô dưới các bước sóng khác nhau.

Nội dung 6: Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị chẩn đoán các bệnh lý về da bằng kỹ thuật quang học đa bước sóng

da bằng kỹ thuật quang học đa bước sóng

Thiết bị DERMLITE (hình 1.2) hoạt động dựa trên sự phân cực của ánh sáng LED trắng, được phát triển từ nguyên lý phát huỳnh quang Mô hình này đã được nâng cao với hai phương án: ánh sáng trắng phân cực và đa bước sóng phân cực, tận dụng cơ chế phân cực ánh sáng để khai thác khả năng hiển thị khác nhau dưới các bước sóng khác nhau Nhờ đó, thiết bị này có tiềm năng chẩn đoán hiệu quả cho nhiều loại bệnh lý về da.

* Mô hình chụp ảnh phân cực đa bước sóng

Do tính chất tán xạ ánh sáng của mô sinh học, góc phân cực thay đổi khi ánh sáng đi qua các lớp sâu hơn so với ánh sáng phản xạ trên bề mặt Hiện tượng này hỗ trợ bác sĩ phát hiện tổn thương ở các lớp da khác nhau, cung cấp cái nhìn chi tiết về cấu trúc sâu của da Nguyên tắc hoạt động của thiết bị phân cực chéo được minh họa trong hình 2.6.1.

Hình 2.6.1 Nguyên tắc của mô hình thiết bị phân cực chéo

Sau khi tiến hành nghiên cứu trên hệ thí nghiệm, các thông số kỹ thuật tối ưu đã được xác định Hệ chụp ảnh phóng đại phân cực đã được thu nhỏ thành một thiết bị cầm tay nhỏ gọn và linh hoạt, hỗ trợ hiệu quả trong việc chẩn đoán các bệnh lý da liễu.

Các đặc điểm chính của mô hình có thể kể đến như sau:

Mô hình thiết bị soi da quang học bao gồm các thành phần chính như hệ kính phân cực, hệ phóng đại, vỏ hộp thiết bị và nguồn sáng LED đa bước sóng Tròng kính quan sát được gắn vào hệ phóng đại có chất lượng cao với độ phóng đại 10x, giúp tăng cường khả năng quan sát các chi tiết nhỏ Hệ kính này được hiệu chỉnh về màu sắc và độ phẳng, loại bỏ hiện tượng quang sai và sắc sai, đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt nhất.

Mô hình thiết bị soi da hiện có hai phiên bản: LED trắng và LED đa bước sóng Cả hai phiên bản đều được thiết kế với các cặp đèn LED sắp xếp đối xứng xung quanh tâm của hệ kính phóng đại, nhằm đảm bảo ánh sáng chiếu đồng nhất trên bề mặt da.

Hệ quang học phân cực ánh sáng được tích hợp bao gồm hai kính phân cực bắt chéo, với một kính đặt sau nguồn sáng LED và một kính đặt sau hệ kính phóng đại Cấu trúc này giúp loại bỏ ánh sáng chói trên bề mặt tổn thương và giảm bóng mờ từ trường nhìn, từ đó cho phép quan sát rõ ràng các tế bào và mô nằm trong các lớp bên dưới bề mặt tổn thương.

Mô hình thiết bị soi da bao gồm các thành phần chính như kính phân cực 1, hệ phóng đại 10x, phần vỏ hộp thiết bị, công tắc, khu vực chứa nguồn (pin 9V), vị trí đặt kính phân cực 2, cụm LED chiếu sáng, kính phân cực 2 và nắp nguồn.

2.6.2 Kết quả thử nghiệm mô hình thiết bị chẩn đoán da a) Thử nghiệm xử lý ảnh đa bước sóng

Sau khi hoàn thiện mô hình nghiên cứu, thiết bị đã được thử nghiệm với nhiều dấu hiệu bệnh chứng khác nhau Các ảnh đa bước sóng được xử lý bằng thuật toán phù hợp với từng dạng tổn thương theo tài liệu của Tanaka [53].

Các thuật toán tăng cường tương phản melanin và máu được áp dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh Để tăng tương phản melanin, ánh sáng đỏ 630 nm được sử dụng, gọi tắt là Red Quá trình xử lý ảnh số chuyển đổi ảnh Red màu thành hình ảnh cường độ 8-bit màu xám, giúp làm nổi bật các cấu trúc sắc tố với độ tương phản cao hơn Hình 2.6.3 và 2.6.4 minh họa cho kỹ thuật này.

Hình 2.6.3 Ảnh chụp vết tàn nhang bằng ánh sáng thường (A) và ánh sáng đỏ (B), hình ảnh tương phản melanin (C)

Để tăng cường độ tương phản của hemoglobin trong hình ảnh nốt ruồi, thuật toán lồng ghép hai ảnh chụp được thực hiện Một ảnh được chụp với ánh sáng xanh 550nm (Green) và một ảnh khác với ánh sáng đỏ 630nm (Red) sẽ được sử dụng theo công thức cụ thể Hình ảnh nốt ruồi được ghi lại bằng ánh sáng đỏ và ảnh tương phản melanin cũng được trình bày để so sánh.

Hình 2.6.5.Ảnh Red (A), ảnh Green (B), tăng tương phản melanin từ hình A (C), ảnh tăng tương phản máu (D)

Hình 2.6.5 cho thấy sự khác nhau đáng kể sau khi xử lý tương phản melanin và tương phản máu

Các thuật toán được sử dụng bao gồm tăng độ tương phản melanin và tăng độ tương phản melanin bề mặt Thuật toán tăng độ tương phản melanin bề mặt được xử lý theo công thức cụ thể.

Hình 2.6.6 Ảnh vết sắc tố chụp bằng ánh sáng thường (A), ánh sáng thường phóng đại 10x (B), ảnh Blue (C), ảnh Green (D), ảnh tương phản bề mặt melanin (E)

Hình 2.6.6minh họa trường hợp làm rõ sắc tố da bẳng phương pháp tăng tương phản melanin bề mặt

Kết quả thử nghiệm cho thấy những kết luận hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu của Tanaka [53], khẳng định khả năng mở rộng chức năng chẩn đoán của thiết bị trong các phiên bản nâng cao Bên cạnh đó, việc thử nghiệm tính hiệu dụng của thiết bị tại các cơ sở y tế cũng được thực hiện.

Thiết bị mô hình và DermLite đã được thử nghiệm tại một số bệnh viện và phòng khám ở thành phố Hồ Chí Minh, với sự tham gia đánh giá của 9 bác sĩ (biên bản đánh giá có trong phụ lục).

Bảng 2.6.1: Danh sách BS tham gia thử nghiệm thiết bị soi da

STT Họ và tên Địa chỉ

1 TS BS Đặng Văn Khanh

4 BS Đào Thị Thu Hà

BV Chỉnh hình và PHCN TP.HCM

1A Lý Thường Kiệt Q 10 TP HCM

STT Họ và tên Địa chỉ

8 BS Lê Thanh Cao 100/4 An Dương Vương Q 5 TP

784 Nguyễn Chí Thanh, Q.11, TP.HCM

Theo đánh giá của các bác sĩ tham gia khảo sát:

Thiết bị Dermlite được đánh giá cao hơn so với thiết bị BK Skin (5/9) Mặc dù nhiều bác sĩ nhận định rằng khả năng đa bước sóng của BK Skin có tiềm năng cải thiện, nhưng hiện tại vẫn chưa thể khẳng định điều này.

- Thiết bị BK Skin giúp tăng khả năng quan sát mô bệnh cũng như hỗ trợ đánh giá tốt hơn tình trạng bệnh lý (7/9)

- Giá thành BK Skin có ưu thế so với Dermlite (9/9) – Hình 2.6.4

- Khả năng ứng dụng thiết bị tại phòng khám cao hơn 3 lần so với Dermlite

Hình 2.6.7 Biểu đồ so sánh tính năng hoạt động giữa Dermlite và thiết bị soi da

Hình 2.6.8 Biểu đồ so giá thành và khả năng ứng dụng giữa Dermlite và thiết bị soi da

LED trắng - Class 2 (1) LED 420, 530, 590, 635 nm – Class 2 (2)

3 Pin AA Chẩn đoán các bệnh lý về da người lớn và trẻ em

Có thể kết nối máy ảnh, smartphone để chụp ảnh Phù hợp với quy định của Bộ Y tế

2.6.4 So sánh với thiết bị nước ngoài

STT TÊN THIẾT BỊ MÔ TẢ

- Nguồn sản phẩm: Đề tài KHCN Dạng 1:

- Nguồn điện: 3 viên Pin AA

- Giá dự kiến: 1.000.000 đồng Dạng 2 :