Nghiên cứu mô hình tương tác của laser công suất thấp với mô sống

Bài viết trình bày mô hình tương tác của các photon laser công suất thấp có các bước sóng khác nhau và độ phân kỳ chùm tia thay đổi khi tác dụng lên vùng mô bề mặt da, dựa trên phương pháp Monte Carlo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mô hình tương tác của laser công suất thấp với mô sống Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC CỦA LASER CÔNG SUẤT THẤP VỚI MÔ SỐNG Đỗ Khoa Bình*, Huỳnh Việt Dũng, Nguyễn Sỹ Sửu, Lê Hải Nam, Lại Hải Bình Tóm tắt: Điều trị laser công suất thấp lên vết thương bề mặt da đã được ứng dụng rất nhiều trên lâm sàng thông qua hình thức chiếu trực tiếp lên vết thương, đem lại hiệu quả điều trị nhanh chóng. Cơ chế tương tác của photon đối với mô sống là yếu tố quan trọng, ảnh hướng trực tiếp đến hiệu quả điều trị. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày mô hình tương tác của các photon laser công suất thấp có các bước sóng khác nhau và độ phân kỳ chùm tia thay đổi khi tác dụng lên vùng mô bề mặt da, dựa trên phương pháp Monte Carlo.Từ khóa: Laser công suất thấp; Mô hình; Phương pháp MonteCarlo. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Laser công suất thấp được ứng dụng rất rộng rãi trong vật lý trị liệu, hai phương thứcchiếu tia laser chủ yếu là chiếu bên ngoài da và chiếu vào trong lòng mạch máu. Các bướcsóng laser được sử dụng chủ yếu trong điều trị nằm ở vùng ánh sáng đỏ và ánh sáng hồngngoại. Với nhiều nghiên cứu cả về lâm sàng và cơ bản, cơ chế tác dụng sinh học của laserđối với cơ thể sống ngày càng được hiểu biết sâu sắc hơn, giúp cho hiệu quả điều trị ngàycàng được nâng cao. Khi chiếu chùm laser lên cơ thể sống, sẽ xảy ra các hiện tượng phảnxạ, khúc xạ, tán xạ, và hấp thụ. Hình 1. Các hiện tượng vật lý xảy ra khi chùm laser công suất thấp tương tác với mô. Các phân tử vật chất bên trong mô sống sau khi được hấp thụ năng lượng của cácphoton laser sẽ xảy ra hiệu ứng kích thích sinh học, đem lại các biến đổi của tế bào, mô vàtoàn bộ cơ thể. Hiệu ứng kích thích sinh học xảy ra khi mật độ công suất tác động ở mức10-4 – 100 W/cm2 với thời gian tương tác từ vài giây cho đến vài chục phút. Hình 2. Sơ đồ đáp ứng sinh học của cơ thể dưới tác dụng của laser công suất thấp.204 Đ. K. Bình, …, L. H. Bình, “Nghiên cứu mô hình tương tác của laser … với mô sống.”Nghiên cứu khoa học công nghệ Hiệu quả của quá trình điều trị phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bước sóng của tia laser, cáctham số quang học của vùng mô tác động, mật độ công suất, độ rộng chùm tia chiếu lêntrên bề mặt da. Nhiều phương pháp nghiên cứu đã được phát triển để xem xét quá trìnhtương tác của tia laser lên mô sống, trong đó, phương trình vận chuyển bức xạ (RTE) làphương trình phổ biến để mô tả quá trình lan truyền của tia laser trong một môi trường môcó nhiều thành phần. Để giải phương trình RTE, phương pháp Monte Carlo được sử dụngbằng cách tạo ngẫu nhiên đường đi của từng photon đơn lẻ bên trong mô. Phương phápMonte Carlo là một cách tiếp cận được sử dụng rộng rãi đối với các hàm mật độ xác suấtlấy mẫu để mô phỏng một loạt các vấn đề. Phương pháp này được dùng đầu tiên để môphỏng sự vận chuyển photon trong mô sinh học thực hiện bởi Adam và Wilson (1983), khixem xét chùm tia tán xạ đẳng hướng. Keijzer (1987), đã báo cáo mô phỏng sự tán xạ dịhướng sử dụng mô hình Monte Carlo bên trong mô sinh học, thực hiện mô phỏng sự lantruyền photon bằng cách dùng tọa độ hình trụ, sử dụng tập thuật ngữ Hop/Drop/Spin chochương trình. Prahl (1989), định dạng lại chương trình bằng cách sử dụng hệ tọa độDescartes để mô phỏng sự lan truyền của photon, làm cho chương trình đơn giản hơnnhiều. Wang và Jacques (1993) đã điều chỉnh và cải tiến chương trình của Keijzer và Prahlđể viết chương trình Monte Carlo Multi-Layered (MCML) để xem xét các mô có nhiều lớpphẳng với các tính chất quang học khác nhau [1]. Hiện nay, chương trình MCML đã đượcrất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để mô phỏng sự lan truyền của chùm tia laser bên trongmô sinh học. Bài báo này dựa trên chương trình MCML để nghiên cứu ảnh hưởng củabước sóng và độ phân kỳ của chùm tia đối với tương tác giữa tia laser và lớp mô vùngcánh tay. Các bước sóng được lựa chọn là 633 nm, 780 nm, 940 nm, đây là những bướcsóng thường được sử dụng trong lâm sàng. Độ phân kỳ của chùm tia được lựa chọn là 1cm, và 5 cm. 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP2.1. Tham số quang học của mô sống Hình 3. Quỹ đạo photon khi có sự tán xạ. - Chiết suất của mô (n): mỗi loại mô có hệ số chiết quang khác nhau, làm cho chùmphoton laser bị phản xạ, khúc xạ. - Hệ số hấp thụ của mô (μa [cm-1]): đặc trưng cho khả năng trao đổi năng lượng giữacác photon laser với các thành phần bên trong mô [2]. - Hệ số tán xạ của mô (μs [cm-1]): đặc trưng cho khả năng di chuyển theo các hướngkhác nhau của các photon laser bên trong mô [2]. - Hệ số bất đẳng hướng (g): đặc trưng cho sự bất đẳng hướng của hiện tượng tán xạ.Khi photon tán xạ hoàn toàn về phía trước thì g=1, còn trường hợp tán xạ the ...