Bài 51: Vật lý laser

Chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu được chương 8 ( gồm 6 bài, link đọc full ở bên dưới ) của chuỗi các bài viết xoay quanh kiến thức về Vật lý trị liệu, cũng như các loại thiết bị liên quan đến điện trị liệu được dùng phổ biến hiện nay. Tiếp theo chúng ta sẽ tiếp tục với chương 9 chương vật lý laser đó là Laser công suất thấp, laser công suất cao (Vật lý laser, cơ chế tương tác của laser với cơ thể…). Chương 9 gồm 6 bài đó là:

          Bài 51: Vật lý laser

          Bài 52: Cơ chế tương tác của laser với cơ thể

          Bài 53: Kỹ thuật laser chiếu ngoài

          Bài 54: Phương pháp laser châm

          Bài 55: Phương pháp laser nội mạch

          Bài 56: An toàn của laser trị liệu

Ở trong bài này chúng ta sẽ đi tìm hiểu Bài 51: Vật lý laser (Lưu ý bài viết dài và có nhiều kiến thức chuyên sâu, mọi người chú ý đọc hết để hiểu rõ tránh việc hiểu sai hoặc không hiểu làm ảnh hưởng tới bài tiếp theo) 

Bài 51: Vật lý laser

1. Lịch sử của LASER- Vật lý laser.

LASER là viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Nghĩa là “sự khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ cưỡng bức”.

Lịch sử laser khởi đầu từ Albert Einstein, người đưa ra lý thuyết phát xạ cưỡng bức năm 1916. Công trình đầu tiên liên quan với khuếch đại bức xạ điện từ là MASER. Tức sự khuếch đại vi sóng (microwave), thay cho ánh sáng (light).

Năm 1955, Basov và Prokhorov (Nga) cùng Townes (Mỹ) chỉ ra rằng có thể tạo phát xạ cưỡng bức tại vùng quang học. Tức vùng phổ sóng điện từ có năng lượng cao hơn vùng vi sóng rất nhiều. Công trình này đã tạo ra một cuộc chạy đua trong việc phát triển các thiết bị được gọi là maser quang học.

Năm 1960, Theodore Maiman (Mỹ) chế tạo thành công một thiết bị dùng hồng ngọc tổng hợp làm môi trường phát xạ. Nhiều loại thiết bị khác cũng được xuất hiện ngay sau đó. Tuy nhiên cho tới năm 1965, thuật ngữ laser mới được dùng phổ biến thay cho thuật ngữ maser quang học.

Mặc dù vẫn được xem là tương đối mới, nhưng laser có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, quân sự, khoa học, y học và trong cuộc sống hàng ngày. Chương này cung cấp một tổng quan về ứng dụng các laser công suất thấp trong điều trị như một phần của chuyên ngành vật lý trị liệu – phục hồi chức năng.

2. Nguyên lý tạo ra tia laser- Vật lý laser.

Ánh sáng là dạng năng lượng điện từ có bước sóng nằm trong khoảng 100 và 10.000 nm thuộc phổ sóng điện từ. Ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng từ 390 nm (tím) tới 760 nm (đỏ). Ngoài vùng đỏ của phổ nhìn thấy là vùng hồng ngoại rồi vi sóng. Còn dưới vùng tím là tia tử ngoại, rồi tới tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Năng lượng ánh sáng được truyền đi dưới dạng sóng theo từng “bó năng lượng” rất nhỏ, gọi là photon. Mỗi photon chứa một năng lượng xác định phụ thuộc vào bước sóng (màu sắc) của nó theo hệ thức Planck E = hn = hc/l. Trong đó h là hằng số Planck, c, n và l là tốc độ, tần số và bước sóng ánh sáng.

2.1. Phát xạ tự phát – Vật lý laser.

Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố còn giữ được các thuộc tính của nguyên tố đó. Nguyên tử gồm proton (tích điện dương) và neutron (trung hòa) trong nhân. Và các điện tử (tích điện âm) quay xung quanh trên các trạng thái dừng. Ở đó chúng không hấp thụ hoặc phát xạ năng lượng (tiên đề về các trạng thái dừng của Bohr).

Bình thường electron nằm ở trạng thái có năng lượng cực tiểu. Tức trạng thái nền (theo nguyên lý cực tiểu năng lượng, đó là trạng thái bền nhất). Nó rời khỏi trạng thái này khi và chỉ khi nhận năng lượng đủ để nhảy lên một trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn. Ta nói electron đã hấp thụ năng lượng.

Tuy nhiên, cũng do nguyên lý cực tiểu năng lượng. Sau một thời gian nhất định, electron sẽ chuyển về trạng thái dừng (hoặc một trạng thái có năng lượng nhỏ hơn, tức bền hơn). Và phần dư năng lượng sẽ phát xạ dưới dạng một lượng tử năng lượng (photon). Đó là sự phát xạ tự phát, một quá trình tự thân, nói chung không phụ thuộc vào các yếu tố môi trường (hình 9.1).

Vật lý laser trước trong và sau phản xạ
Hình 9.1: Vật lý laser- Phát xạ tự phát

2.2. Phát xạ cưỡng bức và sự khuếch đại ánh sáng – Vật lý laser.

Ngược với phát xạ tự phát nói trên là phát xạ cưỡng bức, khi electron, và do đó nguyên tử, đang ở trạng thái kích thích thì bị một photon tới va chạm, khiến electron bị “cưỡng bức” chuyển ngay về trạng thái nền. Khi đó nguyên tử cũng phát xạ một photon như khi phát xạ tự phát. Trong khi photon tới, do va chạm đàn hồi, nên không thay đổi năng lượng mà chỉ đổi hướng. Kết quả là ta thu được hai photon, một là nguyên nhân, một là kết quả của quá trình phát xạ (cưỡng bức). Đó cũng chính là sự khuếch đại ánh sáng. Vì một photon tới đã tạo ra hai photon kết quả (hình 9.2).

quá trình của phản xạ cưỡng bức
Hình 9.2: Vật lý laser- Phát xạ cưỡng bức

3. Sơ đồ thiết bị laser trong vật lý laser.

Quá trình tạo sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Tức tạo laser, nói trên có thể thực hiện trong một thiết bị laser, bao gồm các thành phần như sau (hình 9.3):

A. Hoạt môi:

Môi trường phát ánh sáng laser. Nó có thể là dạng vật liệu bất kỳ: rắn, lỏng, khí hoặc plasma.

B. Buồng cộng hưởng quang học:

Dùng để chứa hoạt môi. Nó có các bề mặt phản xạ để phản xạ photon và định hướng chùm laser. Với laser khí, chẳng hạn helium-neon, đó là hệ gồm hai gương song song, một gương phản xạ toàn phần, một gương phản xạ một phần.

C. Nguồn bơm:

Nguồn cung cấp năng lượng để nguyên tử hoạt môi nhảy lên trạng thái kích thích. Tạo điều kiện cho sự cưỡng bức xảy ra. Nó có thể là nguồn điện, đèn nháy hoặc một loại laser khác, phụ thuộc vào bản chất của hoạt môi.

sơ đồ các bộ phận của thiết bị laser
Hình 9.3: Sơ đồ khối thiết bị laser: 1- hoạt môi; 2- bơm năng lượng; 3 – gương phản xạ toàn phần; 4 – gương phản xạ một phần; 5 – chùm tia laser

Khi nhận năng lượng từ nguồn bơm, ban đầu nguyên tử nhảy lên trạng thái kích thích rồi phát xạ photon theo cơ chế tự phát. Các photon này có thể phản xạ trên hệ gương để quay trở lại hoạt môi. Và đóng vai trò photon tới đối với các nguyên tử đang ở trạng thái kích thích khác. Quá trình phát xạ cưỡng bức xảy ra, với số lượng photon tăng theo cấp số nhân. Các photon này tiếp tục đóng vai trò cưỡng bức cho đến khi số photon được tạo ra đủ lớn để thoát khỏi buồng cộng hưởng qua gương phản xạ một phần. Theo định nghĩa chùm sáng đó chính là laser.

Các sản phẩm liên quan có thể bạn đang quan tâm:

 

Giá: Liên hệ 090.282.3651

Máy laser

Máy laser châm

Giá: Liên hệ 090.282.3651
Giá: Liên hệ 090.282.3651

 

4. Đặc tính của laser- Vật lý laser.

Do được tạo ra như trên, ánh sáng laser có các đặc trưng nổi bật như sau:

A. Tính trực chuẩn:

Vì chỉ những photon đập vuông góc với các mặt phản xạ mới góp phần tạo laser. Nên chùm laser có độ song song rất cao hoặc độ tản tia rất thấp. Có loại laser có góc mở chỉ vài ba giây góc (1’’ = 1o/3600), tức hầu như không tản mát. Đó là lý do chùm laser có thể chiếu lên mặt trăng để xác định khoảng cách từ trái đất tới mặt trăng với sai số chỉ vài mét. Trong y học, đặc tính này giúp dễ dàng tập trung chùm laser vào một diện tích tổ chức đủ nhỏ và tạo ra một mật độ công suất đủ lớn để gây tác dụng (chẳng hạn nhờ một thấu kính hội tụ). Vì thế laser công suất chỉ vài watt đã có thể dùng trong phẫu thuật.

B. Tính đơn sắc:

Một chùm sáng gồm vô số các photon bao giờ cũng có các bước sóng cực đại và cực tiểu. Hiệu số Dl = lmax – lmin đặc trưng cho độ đơn sắc của chùm sáng. Dl càng nhỏ chùm sáng càng đơn sắc và ngược lại.

Laser có độ đơn sắc rất cao khi Dl đạt tới 0,01 nm. Tức gấp khoảng 100 lần độ đơn sắc của chùm sáng sáng thông thường qua hệ kính lọc hiện đại nhất. Vì các phân tử sinh học có một số bước sóng hấp thụ đặc trưng nên nếu chế tạo được loại laser thích hợp. Ta có thể tác động chọn lọc lên các hệ sinh học, thậm chí ở mức phân tử. Chẳng hạn bước sóng 585 nm được dùng để điều trị u máu. Vì đó là bước sóng hấp thụ đặc trưng của oxyhemoglobin, chứ không phải của melanin (hình 9.4 và 9.5).

C. Độ chói phổ:

Là tỷ số của công suất phát P và độ đơn sắc Dl. Nên độ chói phổ của laser rất cao. Chẳng hạn laser helium-neon công suất 1 mW cũng có độ chói phổ lớn hơn mặt trời hàng vạn lần. Điều đó cho phép laser không chỉ tác động đến từng loại phân tử sinh học. Mà số photon tại bước sóng đặc trưng đó còn đủ lớn để gây hiệu ứng mong muốn.

D. Tính kết hợp:

Với các photon có cùng bước sóng (hoặc khác nhau không đáng kể) và đồng pha. Laser là loại ánh sáng có tính kết hợp cao. Vì thế khi tác động lên vùng tổ chức đích, các photon laser gây tác động tương hỗ, cộng hưởng, chứ không triệt tiêu nhau.

Hình 9.4: Phổ hấp thụ của melanin và oxyhemoglobin
Hình 9.5: Điều trị u máu bằng laser màu 585 nm

5. Các loại laser- Vật lý laser.

5.1: Phân loại theo vật liệu:

Laser được phân loại tùy theo bản chất vật liệu đặt giữa các bề mặt phản xạ. Có đến hàng ngàn loại laser, với hoạt môi bao gồm tinh thể và thạch anh (chất rắn), khí và excimer, chất bán dẫn, chất màu lỏng và chất hóa học.

A. Laser tinh thể:

Điển hình là laser ruby tổng hợp (oxide nhôm và chromium) và laser Nd:YAG (neodymium, ytrium, nhôm và garnet). Vật liệu tổng hợp thường được dùng vì có độ tinh khiết cao, điều kiện quan trọng để phát laser.

B. Laser khí:

Được phát triển năm 1961, ngay sau laser ruby. Phổ biến là các laser HeNe (helium – neon), argon và CO2. HeNe là loại laser khí công suất thấp duy nhất tại Mỹ được nghiên cứu để ứng dụng trong điều trị.

C. Laser bán dẫn hoặc laser diode:

Xuất hiện năm 1962. Laser GaAs (gallium arsenide) là loại đầu tiên được chế tạo và là loại công suất thấp thứ hai được triển khai nghiên cứu trong y học tại Mỹ.

D. Laser lỏng:

Được gọi là laser màu vì hoạt môi là chất màu hữu cơ. Thay đổi tỷ lệ hỗn hợp các chất màu, bước sóng laser sẽ thay đổi.

Laser hóa học thường có công suất rất cao và được dùng trong quân sự.

5.2. Phân loại theo công suất.

Trong vật lý laser người ta phân chia laser thành laser công suất thấp và laser công suất cao. Tùy thuộc vào năng lượng mà nó chuyển tải.

A. Laser công suất thấp:

Việc dùng laser công suất thấp (laser “lạnh” hoặc “mềm”) để chữa vết thương và giảm đau là một lĩnh vực còn tương đối mới.

Những laser này có công suất cỡ mW và gây tác động quang hóa (kích thích sinh học, do quang năng của laser biến thành hóa năng của các phản ứng trong cơ thể). Hơn là quang nhiệt và quang cơ, trên tổ chức sinh học.

Cho đến nay, laser công suất thấp đã được dùng trong y học tại châu Âu được khoảng gần 50 năm. Tại Mỹ khoảng 25 năm và tại Việt Nam khoảng 30 năm. Nó được ứng dụng chủ yếu để điều trị đau, tổn thương gân và dây chằng, viêm khớp, phù nề, tổn thương mô mềm, loét và vết bỏng hoặc hạn chế tạo sẹo. Các kỹ thuật laser châm cũng cần được nhắc đến. Nhất là khi đại dịch AIDS đang hoành hành trên toàn thế giới.

B. Laser công suất cao:

Laser công suất cao còn được gọi là laser nhiệt vì tác dụng nhiệt mà nó sinh ra. Chúng được dùng trong nhiều chuyên khoa y học nhờ tác dụng bay hơi tổ chức (tác dụng cắt) và quang đông. 

Công suất phát laser tối đa lên tới một vài chục Watt (W), cao hơn từ 30-50 lần so vói laser công suât thấp truyền thống.

Nhờ công suất phát laser cao nên tia laser có khả năng xuyên thấu tới gần như bất kỳ độ sâu nào của cơ thể (công suất 12W cho phép tỷ lệ hấp thu tối ưu và kích thích hiệu quả các thụ thể đau ở độ sâu lên tới 12cm). Điều này đem lại cho laser cường độ cao khả năng kích thích và chữa lành bất cứ điểm đau nào trong cơ thể.

Việc sử dụng laser dạng xung với bước sóng gần 1000nm (980nm, 1064nm) còn tạo ra sóng quang cơ trong mô dưới da. Kích thích quang cơ học này ức chế cảm giác đau và mang lại hiệu quả giảm đau tức thì.

Các bước sóng khác nhau của laser công suất cao khi chiếu lên cơ thể sẽ gây ra các phản ứng hấp thu nước, máu, melanin khác nhau

 

Như vậy, có thể nói tác dụng tổng quát chung của Laser cường độ cao là sự kêt hợp giữa hiệu ứng kích thích sinh học và hiệu ứng kích thích quang cơ học tại mô đích, giúp kích thích vi tuần hoàn cục bộ, hồ trọ dần lưu bạch huyêt ớ vùng bệnh lý và giảm đau hiệu quả hơn so với các laser trong nhóm công suất thấp nói chung.

Việc kết hợp công suất cao cùng lựa chọn đúng bước sóng cho phép tia laser xuyên sâu vào mô tốt hơn, trong khi đó hiệu ứng kích thích sinh học giúp đây nhanh quá trình làm lành và tái tạo mô. Liệu pháp laser cường độ cao thuộc nhóm không xâm lấn và dễ dàng đạt được mục đích điều trị với bất kỳ điểm đau nào trên cơ thể và mang lại hiệu quả điều trị cho các tổn thương cấp cũng như mạn tính.

  • Ưu điểm nội bật của laser công suất cao ứng dụng trong điều trị bao gồm:
    • Không giới hạn độ xuyên sâu.
    • Thời gian trị liệu ngắn.
    • Hiệu quả giảm tức thì.
    • Phạm vi chỉ định rộng từ tổn thương cấp tính đến mạn tính.
    • Người bệnh cảm thấy rất thoải mái trong quá trình điều trị.

 

Đọc tiếp: Bài 52: Kết luận ( Bấm để đọc )

Theo dõi thêm các thông tin liên quan về VLTL- PHCN tại đây.

Hãy liên hệ ngay với chúng tôi khi cần tư vấn và giúp đỡ!

Nhắn Zalo
Gọi ngay
Nhắn Facebook
Liên hệ