3.1. Hiệu ứng sinh học trên mô sống và những đặc tính của Laser phân tử khí CO 2
3.1.5. Sự chế ngự năng l−ợng Laser trong phẫu thuật
Như chúng ta đã biết, năng lượng của bức xạ Laser có tính hội tụ và hướng vào
đích bắn tương đối nhỏ qua hệ thống thấu kính hội tụ các tia. Kích thước của chấm sáng tụ tiêu phụ thuộc vào tiêu cự của kính hội tụ, tiêu cự càng lớn, chấm sáng tụ tiêu càng rộng. Với công suất nh− nhau, kích th−ớc của chấm sáng tụ tiêu càng nhỏ thì
mật độ năng l−ợng tập trung vào đích bắn càng lớn và ng−ợc lại. Khi sử dụng Laser phẫu thuật, ng−ời sử dụng có thể dự kiến đ−ợc các hiệu ứng sinh học nếu biết đ−ợc các đường kính của chấm sáng tụ tiêu tại đích bắn và mật độ năng lượng Laser trên diện tích của mô bắn đều là những chỉ tiêu rất quan trọng phải đ−ợc khẳng định; nó là những chỉ tiêu có tính chất quyết định trong điều trị.
Mật độ năng l−ợng của Laser đ−ợc xác định khi biết công suất Laser (W) và
đường kính chấm sáng tụ tiêu tại đích bắn (mm). Muốn đo được kích thước của chấm sáng tụ tiêu trên đích bắn của mô sống, có thể: Dùng một mặt gỗ có độ phẳng cao làm vật bắn thử, bắn chùm Laser lên đó, đo đường kính của vết bắn để lại; xem mức
đặt công suất của Laser trên máy, sẽ tính đ−ợc mật độ năng l−ợng trung bình theo công thức d−ới đây
Công suất bức xạ (W) x100 Mật độ công suất
(W/m) =
Diện tích chấm sáng (mm2) (3-1) Công thức cho thấy sự tương quan giữa năng lượng, mật độ năng lượng chùm Laser và mức gây th−ơng tổn ở vùng mô bắn. Thời gian bắn đ−ợc khống chế bằng bộ phận điều khiển (bàn đạp chân). Có thể thay đổi mối quan hệ giữa mức đặt công suất và thời gian bắn khác nhau thích hợp cho từng tình huống phẫu thuật nhằm tạo những hiệu ứng sinh học khác nhau của chùm Laser trên đích bắn. (Hình 3.3)
(a) (b)
Hình 3.3: Tương quan giữa mật độ năng lượng và mật độ công suất với thời gian (a) Mật độ công suất-thời gian tương tác (b) Mật độ năng lượng-thời gian tương tác
Nếu giả định mô sống phản ứng lại với bức xạ Laser chiếu vào giống như nước (vì mô chứa nhiều nước), thì về lý thuyết, một chùm Laser CO2 lúc bắn vào mô đó sẽ tạo ra một vùng mô bị bốc hơi giống nh− một khoanh hình trụ có đ−ờng kính bằng kích th−ớc của chấm sáng tụ tiêu.
Từ các sơ đồ có thể thấy rõ mức công suất nhỏ (10-4 – 100W/cm2) đòi hỏi một thời gian tương tác rất lớn (101 – 105sec) để gây hiệu ứng (các phản ứng quang hoá).
Ngược lại mức công suất càng lớn đòi hỏi thời gian tương tác càng ngắn để gây một hiệu ứng nào đó. Bảng dưới đây biểu diễn tương quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian tác dụng.
Hiệu ứng MĐCS (W/cm2) Thời gian(s)
Quang hoá
Quang đông Bay hơi Bãc líp Quang phân cắt
≈ 10-4 – 100
≈ 100 – 104
≈ 104
≈ 106 – 108
≈ 1012
≈ 101 – 105
≈ 100 – 103
≈ 10-3 – 100
≈ 10-9 – 10-6
≈ 1011 – 10-
Bảng 3.3: Tương quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian tác dụng Bằng cách thay đổi mật độ năng lượng và thời gian bắn Laser, người ta có thể kiểm soát một cách chính xác chiều sâu của sức phá huỷ mô sống. Giả thiết, toàn bộ năng l−ợng bức xạ đ−ợc dùng vào mục đích làm bốc hơi mô, năng l−ợng này đ−ợc phân bố đều trên chấm sáng tụ tiêu tại đích bắn, thì tổn thương do bức xạ gây ra trên mô sống sẽ có dạng một khoanh hình trụ điển hình. Trong thực tế khó thực hiện đ−ợc
điều đó vì một phần năng l−ợng bức xạ sẽ bị mô đích phản xạ lại; sự phân bổ năng l−ợng trong chùm tia cũng bị biến động do nhiều yếu tố nh−: hình dạng và khả năng phản xạ của gương những biến động về nhiệt độ bên trong buồng Laser làm biến dạng kích th−ớc vật liệu tạo ra BCH.
Thông th−ờng năng l−ợng đ−ợc tập trung mạnh nhất ở trumg tâm của chùm tia và giảm dần về phía xung quanh theo định luật Gauss (Hình 3.4).
Sự hấp thụ tr−ớc hết phụ thuộc vào bản chất của bức xạ Laser. Nói cách khác nó là hàm số của bước sóng. Đây là quy luật vạn năng, đúng cho cả ở mức vi mô
(trong loại phân tử chất) và mức vĩ mô. có thể thấy rõ qua minh hoạ trên hình 3.4. Từ
đồ thị có thể thấy rõ sự hấp thụ của nước ở vùng tử ngoại và hồng ngoại là rất lớn, vì
cơ thể chứa nhiều n−ớc nên các Laser tử ngoại và hồng ngoại sẽ có −u thế lớn trong phẫu thuật. Sự hấp thụ của HbO2 thì chỉ đạt tới mức độ lớn ở vùng tử ngoại.
Hình 3.4: T−ơng quan giữa hệ số phân tử gam exyhemoglobin (HbO2) melanin và adnine với b−ớc sóng
Có thể thấy nếu nh− ở dải nhìn thấy, sự hấp thụ của n−ớc hầu nh− bằng không thì sang vùng hồng ngoại, sự hấp thụ ngày càng tăng. Nếu với laser YAG: Nd (=
1060nm) sự hấp thụ còn ở mức khiêm tốn (dưới 10%) thì đến vùng hồng ngoại xa (chẳng hạn laser CO2 với bước sóng = 10600nm) sự hấp thụ đã là 100% (hình 3.5).
Hình 3.5: Tương quan giữa độ hấp thụ của nước đối tia Laser CO2 theo bước sóng
Điều quan trọng khi tiến hành phẫu thuật bằng Laser là phải nắm vững những đặc
điểm phân bố năng l−ợng của mỗi nguồn Laser sử dụng để hiểu đ−ợc hình thái giải phẫu và cơ thể bệnh của tổn th−ơng do bức xạ Laser gây nên trong khi phẫu thuật.
Cấu trúc TEM có tác dụng quan trọng trong việc xác định khả năng ứng dụng của Laser. Một Laser bức xạ ở TEM00, nghĩa là phân bố theo định luật Gauss (ít bị phân kỳ nhất) thì tại chấm sáng tụ tiêu (tại đích bắn) cũng chỉ tập trung khoảng 86%
năng l−ợng Laser phát ra, còn mỗi phía của biểu đồ hình chuông mất 7% năng l−ợng do hiện t−ợng tán xạ. Ngoài ra còn phải xét đến cả tác dụng nhiệt của bức xạ Laser công suất cao: Khi tương tác với đối tượng sống, bức xạ Laser hoặc bị tán xạ, nhiễu
xạ, phản xạ trên bề mặt và trong lòng tổ chức, hoặc hoạt hoá các phản ứng hoá sinh, hoá lý, sinh lý cơ thể. Và quan trọng hơn, nếu năng l−ợng đủ lớn sau khi đ−ợc hấp thụ, quang năng của Laser sẽ biến đổi thành nhiệt năng, gây ra những biến đổi rất phức tạp, dẫn tới hai hệ quả rất rõ ràng: Quang đông và bay hơi tổ chức – cơ sở của việc ứng dụng Laser nhiệt trong ngoại khoa.
Hình 3.6: Tổn thương mô như là một hàm nhiệt độ và thời gian
Với những Laser vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại, năng l−ợng của chúng chủ yếu biến đổi thành nhiệt năng. Tăng công suất Laser, tuỳ thuộc vào mức tăng nhiệt
độ của các tổ chức mà các tổn thương có thể tăng từ mức bỏng đến mức bay hơi các chất lỏng sinh lý, tiếp theo là cacbon hoá sự bay hơi các cấu trúc rắn. Khi đó đã đạt tới đ−ợc hiệu ứng bay hơi tổ chức. Nh− vậy, tổn th−ơng phụ thuộc tr−ớc hết vào nhiệt
độ và thời gian tương tác. Thời gian là tham số vì thế tương tác của Laser nhiệt với tổ chức sống, cần quan tâm những vấn đề sau:
+ Phân bố năng l−ợng bức xạ Laser trong tổ chức
+ Đặc tr−ng hấp thụ Laser của các đối t−ợng chịu tác động.
+ Phân bố nhiệt trong mô và những thay đổi sinh lý, sinh hoá…
Khi sử dụng Laser để đốt nóng nhanh với các xung Laser cực ngắn, nếu bỏ qua sự truyền nhiệt thì sự thay đổi nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào năng l−ợng bức xạ theo ph−ơng trình:
Cp W t T
=ξ
∂
∂ (3-2)
Trong đó: T nhiệt độ Kelvin
W năng l−ợng do một đơn vị thể tích mô hấp thụ/giây ζ mật độ của môi trường
10 60 15 60 60
Gi©y Phót Giê
Nhiệt độ (0 C)
Cp nhiệt dung riêng khi áp suất là hằng số cho tr−ớc T thời gian t−ơng tác.
Nếu biết các đại lượng trên có thể tính được T. Lưu ý rằng có sự nhảy vọt giá trị T nếu ở mô có thể xuất hiện một áp lực cao gây bởi sự nổ nhiệt.
Khi sử dụng laser CO2 để đốt nóng nhanh ở chế độ liên tục: Khi đó sự tăng nhiệt xảy ra tương đối chậm và song song với nó là quá trình giãn nở vật chất do nhiệt. Bỏ qua áp lực, những độ dẫn nhiệt của nó sẽ ảnh hưởng tới tốc độ tăng T.
Cp T K Cp W t
T 2
∆ +
∂ =
∂
ξ
ξ (3-3)
Trong đó: K Độ dẫn nhiệt
Khi thời gian tác động không quá ngắn hay quá dài, sự thay đổi T tuân theo ph−ơng trình:
xk vi xi vk xk
vi Cp t
T V Cp K Cp W t T
∂
⎟∂
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
∂ +∂
∂ + ∂
∂ + ∂
∆ +
∂ =
∂
ξ ξ à ξ
ξ
2
(3-4) ở đây có các tham số: áp lực p, thể tích riêng phần V, tốc độ vi hạt và hệ số nhớt.
Dựa vào các ph−ơng trình trên tính đ−ợc phân bố nhiệt ở mô lành và mô ung th−.