3.1. Hiệu ứng sinh học trên mô sống và những đặc tính của Laser phân tử khí CO 2
3.1.6. Đặc điểm tổn th−ơng do bức xạ Laser
Khi chiếu xạ tia Laser vào mô sống, giả thiết năng l−ợng đ−ợc phân bố đồng
đều trên cả diện tích của chấm tụ tiêu và toàn bộ năng l−ợng đó chỉ tác dụng làm bốc hơi nước trong và ngoài tế bào của mô đích thì tổn thương do Laser gây nên theo lý thuyết sẽ là một khoanh hình ống trụ nhỏ với biểu hiện tổn th−ơng do nhiệt gây nên ở vùng lân cận không đáng kể. Nhưng trong thực tế, tổn thương Laser gây nên hơi khác: Lấy dạng phân bổ năng l−ợng theo TEM00 làm ví dụ, thì tổn th−ơng bốc hơi của mô đích sẽ là một vùng mất vật chất hình gương lõm xuất hiện sau một phát bắn Laser đ−ợc khống chế tr−ớc về thời gian.
4 5
1 2
3 BiÓu b×
Da
Cơ
B
Hình 3.7: Sơ đồ phân bố mẫu khi cắt bằng Laser
1- Vết cắt; 2-Vách quang đông; 3-Hoại tử do quang đông; 4- Vùng không bị biến đổi
Hình thái tổn thương trên đúng về mặt nguyên lý cho mọi loại mô trên cơ thể.
Phủ quanh vết cắt bao giờ cũng là lớp mỏng cacbon hoá, tiếp sau đó là vùng quang
đông và cuối cùng vùng phù nề có khả năng khôi phục. Chúng ta thấy rằng hình thái tổn th−ơng do Laser t−ơng tự với tổn th−ơng do dao điện cao tần. Tuy nhiên kích th−ớc vùng tổn th−ơng do laser gây ra nhỏ hơn và vì vậy hồi phục nhanh hơn. Một −u
điểm nổi bật của Laser so với dao điện còn ở chỗ tạo ra các hàng rào sinh học trên bề mặt vết cắt Laser. Nghiên cứu bằng chất màu trên vết cắt Laser ở động vật thực nghiệm, Pletnev (Viện ung th− Moskva) thấy rõ hình thái của tổn th−ơng do laser CO2 (hình 3.8): ngay dưới vết cắt là màng quang đông mỏng (kích thước 45- 90àm), vùng hoại tử do quang đông (kích thước 200- 300àm). Ranh giới giữa vùng hoại tử này và vùng tổ chức không bị biến đổi là vùng cận hoại tử (para necrosis) khá rộng ( 450- 750àm). Vùng này có thể phục hồi. Đáng chú ý là chất màu không thấm đ−ợc từ vùng hoại tử do quang đông sang vùng không bị biến đổi. Ng−ợc lại, với những gì
xảy ra với vết mổ dao thường và dao điện, các chất màu đã khuyếch tán được qua các vùng tổn thương tới các vùng không bị biến đổi. Hàng rào sinh học do laser tạo ra có ý nghĩa to lớn trong thực hành phẫu thuật laser. Trong ung th− học, dao mổ laser hạn chế đáng kể sự di căn của các tế bào ung th−. Theo các thống kê của CHLB Đức di căn ung th− sau mổ laser chỉ bằng 5% so với các di căn sau mổ bằng dao điện.
Đáng chú ý là kích th−ớc các vùng tổn th−ơng rất khác nhau phụ thuộc vào loại laser sử dụng do sự hấp thụ và tán xạ phụ thuộc vào b−ớc sóng. Laser CO2 bốc bay tốt và vùng quang đông nhỏ
Một khía cạnh khác cần quan tâm là mức độ quan tâm là mức độ tổn thương còn phụ thuộc vào chế độ phát laser. Laser phát liên tục tạo ra vết cắt nông và vùng hoại tử rộng, khi laser phát xung với công suất trung bình t−ơng tự sẽ tạo ra vết bốc bay sâu hơn nh−ng vùng hoại tử nhỏ hơn.
(a) (b)
Hình 3.8: Tổn th−ơng do chiếu xạ Laser CO2 (a).Mô hình; (b) Tổn th−ơng trên mô thật.
Tại nơi tổn th−ơng do chiếu xạ Laser CO2, ng−ời ta thấy vùng trung tâm sâu hơn so với các thành bên (có hình dốc thoải). Chùm tia Laser gây ra một hốc hình phễu ở đích bắn tại mô sống với ba vùng tổn thương: Vùng mô bị bốc hơi; Vùng mô
hoại tử; Vùng tổn th−ơng có khả năng phục hồi.
ở điểm nào đó trên bề mặt không đạt tới nhiệt độ làm bốc hơi nước thì nhiệt năng do phần mô này hấp thụ sẽ gây ra một dạng tổn th−ơng nhiệt khác không giống với tổn th−ơng do hiện t−ợng bốc hơi n−ớc trong và ngoài tế bào gây ra.
Nh− vậy những hiệu ứng sinh học tại mô đích bị bắn bằng một nguồn Laser CO2 chẳng hạn, là hậu quả của nhiều yếu tố tạo nên nh−: Sự bốc hơi của mô; tổn thương nhiệt không do bốc hơi (vì năng lượng bức xạ do mô hấp thụ chưa đủ tạo được trạng thái sôi của n−ớc trong và ngoài tế bào); sự dẫn truyền nhiệt từ các thành bên của vùng mô bị bốc hơi tới vùng mô lân cận…
Các hình thái và mức độ tổn thương mà bức xạ Laser CO2 gây nên ở mô đích là những vùng đồng tâm hình chỏm cầu. Vùng bốc hơi là hố mất vật chất tại đích bắn;
hình dạng hố này là phản ánh của mode điện từ ngang TEM; đ−ờng kính của hố phụ thuộc vào kích thước của chấm tụ tiêu chùm tia Laser. Mức độ sâu của hố phụ thuộc vào thời gian bắn, mật độ năng l−ợng và TEM.
Đ−ờng kính của hố mất vật chất vì hiện t−ợng bốc hơi của mô sống do bức xạ Laser CO2 gây nên phụ thuộc độ phân kỳ của chùm tia và tiêu cự của thấu kính. Nếu công suất chùm tia không thay đổi thì độ sâu của hố mất vật chất tỷ lệ với chấm tụ tiêu của bức xạ. Nói cách khác chấm tụ tiêu càng nhỏ, hố mất vật chất do mô bốc hơi càng sâu.
Về phương diện vi thể, thành bên của hố là mô bị hoại tử và mất nước với đặc
điểm là một vùng chứa nhiều bạch cầu ái toan; cấu trúc bình th−ờng của mô bị mất do hiện tượng hoại tử đông gây nên. Vùng tổn thương thứ hai này có ý nghĩa quan trọng đặc biệt đối với hiện t−ợng cầm máu bằng nhiệt nhờ tác dụng động mô tạo ra.
Các bạch mạch của vùng này bị hàn miệng. Kích th−ớc của vùng hoạt tử ít thay
đổi và không phụ thuộc vào mật độ năng l−ợng của chùm tia Laser bắn vào mô đích.
Nh−ng nếu thời gian bắn kéo dài (trên 1s) thì lớp hoại tử có thể sẽ sâu hơn. Có thể xác định đ−ợc mức độ hậu quả của tình trạng hấp thụ nhiệt phát ra nh−ng không đạt tới mức làm bốc hơi nước trong và ngoài tế bào tại mô đích sau khi bắn Laser.
Vùng ngoài cùng là vùng (3) của tổn th−ơng do nhiệt gây nên, biểu hiện d−ới dạng trạng thái bỏng thông thường. Khi nhiệu độ tại mô sống tăng lên quá 700C, cấu trúc của các enzym trong mô bị huỷ hoại, không hồi phục đ−ợc. Trong vùng (3), tổn
thương nhiệt đủ để làm ngừng các hoạt động của enzym, nhưng không thể đánh giá
hậu quả một cách đầy đủ ngay được. Tổn thương trong vùng này vẫn còn tiếp tục tiến triển nhiều giờ sau khi bắn Laser. Nhiệt truyền từ thành bên của hố mất vật chát vì
bốc hơi sẽ làm cho các mao mạch bị đứt, phù nề và thẩm lậu các tế bào viêm. Chiều dày của vùng này th−ờng ít khi v−ợt quá 600àm. Những mức dày của vùng tổn thương có thể thay đổi tuỳ theo thời gian bắn dài hay ngắn; thời gian bắn Laser càng dài tổn th−ơng nhiệt gây nên cho các tế bào trong vùng chung quanh hố càng nặng.
Do đó, để làm giảm bớt những tổn thương gây nên do biểu tượng dẫn truyền nhiệt thì nên sử dụng mức độ năng l−ợng cao nhất cho phép trong khi vẫn chủ động kiểm soát đ−ợc hiện t−ợng phá huỷ mô cần thiết. Bức xạ Laser nếu chỉ tác động lên
đỉnh bắn trong khoảng thời gian ngắn (chế độ Laser xung) thì các tế bào sống trong vùng lân cận có thể không bị tổn hại nặng.
Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy tổn th−ơng do nhiệt gây nên trội hơn theo trục ngang so với trục thẳng đứng và tình trạng tổn thương do nhiệt của bức xạ còn phụ thuộc vào: TEM, hàm l−ợng n−ớc chứa trong mô và nhiều yếu tố khác nữa.
Có thể kết luận về hiệu ứng nhiệt của chùm tia Laser khi chiếu vào mô là quang năng đ−ợc chuyển thành nhiệt năng. Nhiệt độ bên trong tế bào tăng lên rất nhanh, tới 1000C, khiến cho n−ớc trong tế bào sôi lên, tại ra hơi n−ớc. Sự khuếch tán của hơi nước làm tế bào nổ ra thành một đám mù bởi quá trình được gọi là “sự bốc hơi nổ”.
Các tác dụng này khác hẳn với các tác dụng của phương pháp đốt điện, trong phương pháp đốt điện, điện truyền vào mô làm cho các tế bào nóng dần lên một cách chậm chạp. Cơ chế này tạo ra một vùng hoại tử rộng lớn, để lại một mảng đông đặc hoại tử. Ng−ợc lại, “sự bốc hơi nổ” do bức xạ Laser tạo nên đã loại trừ toàn bộ nội dung chứa trong tế bào bằng cách tung vật chất bị bốc hơi vào không khí. Khi đang rọi chùm tia Laser vào mô đích, nhiệt có thể truyền ra vùng lân cận một phần. Nh−
vậy hiệu ứng nhiệt phụ thuộc vào thời gian bắn; thời gian bắn kéo dài thì tổn th−ơng càng nặng.
Tuy nhiên, năng l−ợng của chùm tia Laser độc lập với hiệu ứng này: Bất luận hố vật chất bị bốc hơi sâu đến đâu thì tác dụng nhiệt vẫn không thay đổi. Hậu quả của hiệu ứng nhiệt vào mô đích gồm ba vùng chủ yếu:
- Vùng bốc hơi: Không để lại vết tích gì của chất liệu tế bào.
- Vùng hoại tử nhiệt: Gồm mô bị tổn th−ơng không hồi phục và các mạch máu bị đông lại, tắc nghẽn, mà chiều dài hoại tử từ 50-100àm; hiệu t−ợng này phụ thuộc hàm lượng nước chứa trong trong tổ chức đệm.
- Vùng tổn th−ơng nhẹ: tế bào trong vùng này có khả năng hồi phục sau khi bị chiếu xạ do các mảnh vụn tế bào đã bị phá huỷ còn sót lại không đáng kể nên quá trình lành sẹo diễn biến mau lẹ.
Laser CO2 hiện hành trong y học có thể làm đông các mạch máu nhỏ có đường kính tới 0,5mm, nên phẫu thuật Laser không gây chảy máu hoặc chảy máu không
đáng kể. Cường độ chùm tia Laser càng mạnh, thì thời gian bắn Laser có thể rút ngắn mà tác dụng huỷ hoại của nhiệt cho vùng lân cận có thể hạn chế đến mức tối đa. Nếu vùng mô bị bốc hơi càng nhỏ bé (0,1-1mm) Laser sẽ trở thành một dao mổ bằng ánh sáng, thay thế cho dao mổ kim loại. Vết mổ bằng Laser có −u điểm hơn đ−ờng rạch bằng dao mổ thông th−ờng vì tác dụng cầm máu tốt hơn nhiều.
Hai quá trình đông mô và bốc bơi có thể đ−ợc thực hiện bằng các biện pháp khác nh− dùng que nhiệt hay hiệu ứng jun (dòng điện cao tần). Song −u thế của hiệu ứng nhiệt do bức xạ Laser là có thể sự đoán đ−ợc sự phân bố nhiệt trong lòng của mô
đ−ợc chiếu Laser: Các hiệu ứng này không phụ thuộc vào áp lực của que nhiệt áp trên mô; không phụ thuộc vào kháng lực của mô mà chỉ
phụ thuộc vào những tham số chủ yếu đã đ−ợc xác
định, đó là: Công suất quang học của chùm tia, thời gian chiếu xạ, hệ số hấp thụ của các mô đối với bước sóng bức xạ.
Khi mổ bằng Laser, năng l−ợng bức xạ sẽ làm cho mô bốc hơi, tạo ra vết cắt giống nh− một dao mổ kim loại thật sắc, vết th−ơng do bức xạ Laser tạo ra lại sạch, tác dụng huỷ hoạt của hiệu ứng nhiệt do bức xạ tạo ra quanh vết mổ không đáng kể.
Nh−ợc điểm của phẫu thuật bằng Laser là ở chỗ phải có một hệ thống dẫn truyền năng l−ợng Laser từ nguồn phát xạ tới vùng mô cần điều trị. Trong thực tế có thể áp dụng hai cách khác nhau để truyền năng l−ợng Laser tới vùng điều trị:
- Cánh tay khửu với hệ thống gương định hướng tia Laser (h×nh 3.9).
- Sợi dẫn quang (hình 3.10)
Sợi dẫn quang cho phép đ−a chùm tia Laser tới vùng cần điều trị qua các ống nội soi. Muốn vậy, phải
Hình 3.9 : Cánh tay khửu điều khiển chùm Laser CO2
H×nh 3.10: PhÉu thuËt Laser CO2 sử dụng sợi dẫn quang
chọn bước sóng bức xạ phù hợp để không bị tổn hao trong sợi dẫn. Bức xạ Laser CO2
bị tổn hao nhiều trong sợi dẫn nên phải dùng cánh tay khửu có gương định hướng tia Laser. Cánh tay khửu có thể thao tác dễ dàng.
−u điểm của cánh tay khửu là bảo tồn nguyên vẹn đặc tính không gian của chùm tia (tính định hướng) song nhược điểm là cồng kềnh, khó bảo quản. Cánh tay khửu truyền bức xạ Laser CO2 đã cho phép chùm tia có thể quét một đường thẳng duy nhất khi cần tạo nên một đ−ờng cắt, rạch cực mạnh.
Các nhà chế tạo cũng đã tìm kiếm các chất liệu để tìm kiếm các chất liệu để làm sợi dẫn quang cho Laser CÔ2; sợi dẫn quang truyền bức xạ Laser có nhiều −u việt là một phương tiện lý tưởng đối với người thực hành phẫu thuật. Các sợi dẫn quang hiện hành th−ờng đ−ợc cấu tạo bằng một lõi thạch anh hay silic tổng hợp, bọc trong lớp vỏ cao su chứa silicon; bên ngoài là vỏ bảo vệ taflon, và lớp ngoài cùng là một ống pholyêtylen vừa có tác dụng bảo vệ, đồng thời có thể để cho nước hoặc khí lưu thông ở giữa phần sợi dẫn quang và vỏ pholyetylen, tới vùng điều trị.
Đ−ờng kính sợi dẫn quang từ 50-100àm, với góc phân kỳ ở đầu tận của dây thay đổi từ 4-20độ. Trong các Laser y học, góc mở này quãng từ 8-12 độ, sự phân kỳ của chùm tia Laser do bản chất quang học của vật liệu cấu tạo sợi dẫn quang tạo nên.
Kích thước của đích ngắm phụ thuộc vào khoảng cách từ đầu ra của sợi dẫn quang đến đích bắn tại mô. Góc phân kỳ càng rộng và khoảng cách này càng xa, thì
mật độ tập trung phôton tại đích bắn càng thấp. Để khắc phục tình trạng phân kỳ của chùm tia, có thể lắp thêm một thấu kính hội tụ ở đầu ra của sợi dẫn quang nhằm thiết lập lại đặc tính chuẩn trực của bức xạ Laser, đồng thời có thể hội tụ chùm tia Laser thành một chấm khá nhỏ tại đích bắn (0,2-1mm) ở cách xa đầu sợi dẫn quang.
Nhằm đáp ứng các yêu cầu của công tác điều trị, các nhà sản xuất đã thiết kế nhiều mẫu trang bị truyền dẫn Laser bằng sợi dẫn quang sau đây:
- Thiết bị cầm tay: Ng−ời thực hành phẫu thuật trực tiếp cầm một cán có lắp sợi dẫn quang để điều khiển chùm tia Laser; đầu ra của dây dẫn quang có lắp thêm kính hội tụ.
- Ghép cánh tay khửu hoặc sợi dẫn quang với kính sinh hiển vi: chùm tia Laser sẽ đ−ợc lái theo ý muốn nhờ một bộ phận vi chỉnh có độ chính xác cao.
- ống soi gắn sợi dẫn quang, sợi dẫn quang đ−ợc ghép ngay với ống nội soi:
Người phẫu thuật điều khiển chùm tia Laser để thực hiện công việc điều trị qua thao tác trực tiếp ống nội soi.
Về phương diện xuyên sâu, độ xuyên sâu của Laser trong tổ chức sinh học là yếu tố quan trọng hàng đầu xác định khả năng ứng dụng của laser trong lâm sàng.
Ngoài sự hấp thụ, còn hàng loạt quá trình ảnh hưởng tới độ xuyên sâu như sự phản sạ trên bề mặt mô, sự khúc xạ giữa các mặt phân cách, sự tán xạ trên các hợp phần mô… Khi bỏ qua sự tán xạ, sự
hấp thụ Laser trong mô đ−ợc đặc tr−ng bởi hai tham số: khả năng hấp thụ và độ sâu hấp thụ.
Độ sâu hấp thụ và khả năng xuyên sâu của laser là yếu tố cần phải quan tâm hàng đầu khi ta sử dụng một Laser nào đó trong phẫu thuật. Độ hấp thụ Laser đối với tổ chức sinh học th−ờng đ−ợc biểu
diễn bởi hệ số hấp thụ α (đó là đại lượng tỷ lệ nghịch với quãng đường mà cường độ tia laser bị suy giảm đi e= 2,718 lần do hấp thụ) và khả năng xuyên sâu của Laser đ−ợc biểu thị bởi hệ số tán xạ β (đó là đại lượng tỷ lệ nghịch với quãng đường mà cường độ tia laser bị suy giảm đi e = 2,718 lần do tán xạ). Nếu bỏ qua hiện t−ợng phản xạ thì α+β luôn gần bằng 1. Đối với một tổ chức sinh học nhất định, các hệ số β,α phụ thuộc chính vào b−ớc sóng Laser. (VD: Laser CO2 với công suất d−ới 100W và λ= 10,6 à) có α hầu nh− là 1, hệ số β hầu nh− bằng 0. Đây chính là cơ sở giải thích −u thế của Laser CO2 là con dao mổ lý t−ởng. Độ xuyên sâu thấp, toàn bộ năng l−ợng đ−ợc hấp thụ trong một lớp mỏng dẫn tới bốc bay dễ dàng với công suất vừa phải.). Sự hấp thụ, độ xuyên sâu và phân bố bức xạ của da ng−ời đ−ợc mô tả tổng quát cho các loại Laser thông dụng thuộc cả vùng nhìn thấy, tử ngoại và hồng ngoại đ−ợc biểu diễn trên hình 3.11
Từ đồ thị thấy các laser có bước sóng khác nhau sẽ gây tổn thương khác nhau nếu cùng công suất tới. Chẳng hạn laser excimer vùng tử ngoại xa (UV- C) và tử ngoại vùng trung (UV- B) gây các ban đỏ (erythema) trên mặt da, ng−ợc lại các loại laser khác đều có thể gây vết bỏng với độ sâu khác nhau. Vùng ánh sáng nhìn thấy (VIS) và vùng hồng ngoại gần (IR-A) ứng với độ xuyên sâu cực đại. Sau đó độ xuyên sâu sẽ giảm theo chiều tăng của bước sóng và đến vùng hồng ngoại xa, điển hình là laser CO2 độ xuyên sâu lại về giá trị cực tiểu nh− ở vùng tử ngoại xa và trung bình.
Đây cũng chính là cơ sở giải thích −u thế của laser CO2 trong phẫu thuật: Vì độ Hình 3.11: Đặc tr−ng của phổ da ng−ời, chỉ rõ
phân bố bức xạ và các tai biến thông th−ờng