Khái quát về Laser trong y học

Hai thập kỷ đầu của thế kỷ 20, nhà khoa học thiên tài Albert Einstein khi phát hiện có “hiện tượng quang điện” mỗi khi ánh sáng chiếu vào vật chất, ông đã đề xuất ý tưởng loài người có thể chế tạo loại “ánh sáng nhân tạo với năng lượng cao” phục vụ các hoạt động công nghệ trong đời sống, mà giới chuyên môn vật lý gọi là “hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức” gọi tắt là Laser. Nhiều nhà khoa học sau đó đã hăng say tiến công vào việc nghiên cứu Laser và mùa hè 1960, nhà vật lý Theodor Maiman đã chế tạo thành công máy phát Laser đầu tiên trên thế giới, mở đường cho hàng loạt các loại Laser (khác nhau về môi trường hoạt chất) lần lượt ra đời, chủ đích ứng dụng vào các sinh hoạt cần thiết cho con người (từ việc đơn giản như khoan cắt các vật chất cứng, đến việc phức tạp như tạo ra các phản ứng nhiệt hạch trong quân sự quốc phòng...). Thực tế kỹ thuật Laser đã góp phần “tăng tốc độ” to lớn cho sự phát triển khoa học thế giới nói chung, và vào nền y học thế giới nói riêng.

1. Ứng dụng Laser trong y học

Chiếc Laser đầu tiên chào đời vào mùa hè năm 1960. Đó là Laser hồng ngọc do nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman chế tạo. Năm 1961 nhà vật lý Mỹ Javan đã chế tạo thành công chiếc Laser khí đầu tiên. Đó là Laser khí nguyên tử He-Ne làm việc ở bước sóng 632,8 nm. Năm 1962 một nhóm nhà vật lý Liên Xô do Basov N.G và Mỹ do Hall lãnh đạo đã chế tạo thành công chiếc Laser bán dẫn đầu tiên trên thế giới. Đó là chiếc Laser bán dẫn GaAs. Sau đấy hàng loạt các loại Laser khác tiếp nối ra đời. Cho đến nay việc sử dụng Laser được đề cập rộng rãi trong khắp các ngành, từ những việc đơn giản cần có độ chính xác cao và nhanh như khoan cắt bằng Laser đến những việc phức tạp như dùng Laser trong phản ứng nhiệt hành. Những ứng dụng của Laser tạo ra hoặc góp phần tạo ra những thành tựu cực kỳ to lớn cho nền khoa học ngày nay. Nghiên cứu ứng dụng Laser trong y học được tiến hành khá sớm (1962). Nhìn chung quá trình phát triển ứng dụng Laser trong y học là một quá trình liên tục với những điểm tiến bộ có tính nhảy vọt. Từ chỗ dùng Laser như một phương tiện hỗ trợ, bổ sung cho các phương pháp điều trị truyền thống, Laser đã thành một phương tiện độc lập và trong rất nhiều trường hợp đã đem lại những kết quả mà không phương pháp nào trước đây có thể đạt tới nổi. Sau khi đã được thừa nhận rộng rãi trong những năm 1970.

Thực tế trên thế giới đã hình thành một ngành y học mới – ngành y học Laser, với chức năng nghiên cứu phát triển và ứng dụng kỹ thuật Laser phục vụ sức khỏe con người. Từ năm 1974 đã có tổ chức “Hội y học Laser thế giới” với 10.000 hội viên thuộc trên 50 nước tham gia. Trong y học Laser được nghiên cứu theo hai hướng sau đây:

- Sử dụng Laser như một công cụ để nghiên cứu đối tượng sinh học phục vụ cho việc chẩn đoán và xét nghiệm.

- Sử dụng Laser như một công cụ dùng để điều trị. Phương hướng này phát triển nhanh, đa dạng và được chia thành hai nhóm:

+ Nhóm thứ nhất: Sử dụng Laser công suất cao điều trị, được dựa trên các hiệu ứng chính sau đây: Bốc bay hơi tổ chức, quang đông, quang bóc lớp, quang phân cách, quang hoạt hóa. Hướng điều trị có tên gọi là Laser ngoại khoa.

+ Nhóm thứ hai: Sử dụng Laser công suất thấp trong điều trị. Trong đó hiệu ứng kích thích sinh học đóng vai trò quyết định. Hướng điều trị này gọi là Laser y học.

2. Laser bán dẫn công suất thấp

a) Sự ra đời của hiệu ứng kích thích sinh học

Khi sử dụng Laser công suất thấp trong điều trị, dựa trên hiệu ứng kích thích sinh học, tuy phương pháp sử dụng có khác nhau. Năm 1965, bác sĩ Mester AR người Hungary tiến hành thí nghiệm như sau: Chiếu chùm tia Laser hồng ngọc làm việc ở bước sóng 694,3nm với công suất thấp lên quần thể tế bào Hela nuôi cấy và quan sát thấy sinh khối phát triển. Ông gọi đó là hiện tượng kích thích sinh học. Tuy về thuật ngữ không thật chính xác nhưng vẫn được sử dụng cho đến tận hôm nay. Cũng cần nói thêm, hàng loạt các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng Laser công suất thấp trong y sinh, đóng góp không nhỏ, để ngày nay chúng ta hiểu rõ về hiệu ứng kích thích sinh học và đáp ứng sinh học do nó mang lại.

b) Nội dung của hiệu ứng kích thích sinh học và những đáp ứng sinh học do nó mang lại

Hiệu ứng kích thích sinh học xảy ra khi chùm tia Laser tác động lên hệ sinh học với mật độ công suất khoảng 10^-4 – 10⁰ W/cm² với thời gian chiếu từ 10 giây đến vài chục phút.

Hiệu ứng kích thích sinh học thông qua hàng loạt phản ứng quang hóa và quang sinh. Phản ứng quang hóa được hiểu như sau: phân tử ở trạng thái trung hòa (ở mức năng lượng cơ bản) thì hoạt tính sinh học của nó yếu (thí dụ như oxy phân tử trong tổ chức sinh học). Dưới tác động của photon trong chùm tia Laser phân tử ấy được chuyển lên trạng thái kích thích ở đấy hoạt tính sinh học của nó mạnh mẽ hơn.

hv + O2 -> O2

Đây chính là ngòi nổ cho hàng loạt các phản ứng khác xảy ra. Trong công trình nghiên cứu kéo dài 6 năm (1981 – 1986) của Karu cho biết, thực chất tác dụng của tia Laser công suất thấp lên hệ sinh học là phản ứng quang sinh. Khi tổ chức sống hấp thu năng lượng photon của chùm tia Laser thì xảy ra sự sắp xếp lại các quá trình phản ứng của tế bào. Nơi nhận photon đầu tiên là mạch hô hấp tế bào. Nhờ những quá trình trên đây làm thay đổi rất đa dạng ở mức độ tế bào, từ đấy tạo nên nhiều đáp ứng tích cực ở mức hệ thống chức năng và mức cơ thể trọn vẹn. Y văn thế giới thường nhấn mạnh những loại hình đáp ứng sau đây:

- Đáp ứng chống viêm;

- Đáp ứng chống đau;

- Đáp ứng của tổn thương tế bào;

- Đáp ứng tái sinh;

- Đáp ứng hệ miễn dịch;

- Đáp ứng hệ tim mạch;

- Đáp ứng hệ nội tiết;

Những điều trình bày trên đây có thể tóm tắt như sau:

Các đáp ứng trên đây là công cụ đắc lực phục vụ cho công tác điều trị bằng Laser công suất thấp. Ở đây cần lưu ý một số điểm sau đây:

- Bất cứ một đáp ứng nào trên đây là kết quả của một loạt quá trình: vật lý, hóa học, hóa lý … rất phức tạp, được khởi phát dưới tác động của photon (quang tử) chùm tia Laser công suất thấp.

- Bản thân các đáp ứng trên lại có thể có nhiều tác động tương hỗ. Chính vì vậy, làm cho việc truy tìm các quá trình sơ cấp rất phức tạp và gặp nhiều khó khăn. Cho nên, việc tiếp nhận các đáp ứng nêu trên đóng vai trò quan trọng. Để hiểu rõ đáp ứng về hệ miễn dịch, cần tiếp cận với kết quả nghiên cứu và kết quả điều trị lâm sàng của hàng loạt tác giả. Một trong những kết quả đó như sau: Kriuk A S và cộng sự đã sử dụng Laser khí He – Ne làm việc ở bước sóng đỏ 632,8 nm để điều trị vết thương nhiễm trùng cho 317 bệnh nhân. Kết quả thu được cho thấy: quá trình tái tạo vết thương diễn ra rất nhanh. Nghiên cứu hệ miễn dịch cho thấy: trong quá trình điều trị, chỉ số miễn dịch tăng, đặc biệt là Globulin miễn dịch G (IgG).

1.2.3. Vai trò của bước sóng trong hiệu ƣ́ng kích thích sinh học

Trong công trình đã được công bố Karu tiến hành khảo sát vai trò trong hiệu ứng kích thích sinh học. Thí nghiệm đựợc tiến hành như sau: tác dụng của ánh sáng đơn sắc vùng khả kiến đối với một số loại vi sinh: E coli, Yeast, Hela. Chỉ tiêu đánh giá là lượng các phân tử ADN và ARN – những phần tử mang thông tin di truyền có vai trò quyết định đối với quá trình tổng hợp protein. Phương pháp định lượng là dùng nguyên tử đánh dấu H3 đối với AND và C14 đối với ARN.

Hình 1. Ảnh hưởng bước sóng ánh sáng đơn sắc vùng nhìn thấy lên tốc độ tổng hợp AND trong tế bào Hela

Trên hình 1 trình bày lượng phân tử ADN so với đối chứng ở các bước sóng khác nhau. Kết quả trên cho thấy, lượng phân tử ADN so với đối chứng phụ thuộc vào bước sóng tác dụng khá phức tạp. Ở một số bước sóng nhất định, lượng này đạt cực đại, nhưng giá trị ở các điểm cưc đại lại khác nhau. Thí dụ ở bước sóng 400 nm, lượng phân tƣử ADN so với đối chứng đạt 128%, ở bước sóng 620 nm đạt 135%, ở bước sóng 780 nm lại đạt 160%. Rất tiếc thí nghiệm trên chỉ tiến hành ở dãy sóng ánh sáng nhìn thấy, còn ở dãy sóng hồng ngoại gần còn bỏ trống. Ở khía cạnh khác, độ xuyên sâu của chùm tia Laser còn là một trong những yếu tố quan trọng nhất xác định khả năng ứng dụng Laser công suất thấp trong y học lâm sàng. Bằng việc mô hình hóa sự lan truyền photon trong da gồm 2 lớp biểu bì và hạ bì bằng phương pháp Monte Carlo, với nồng độ sắc tố khác nhau, các bước sóng khác nhau. Công trình đã thu được những kết quả sau đây:

- Bước sóng hồng ngoại 780 nm, 850 nm và 940 nm (đặc biệt ở bước sóng 940 nm) có khả năng xuyên sâu trong mô hơn bước sóng đỏ 630 nm ở mọi nồng độ sắc tố khác nhau.

- Đối với bước sóng 630 nm, sƣ̣ ảnh hưởng của sắc tố da lên độ xuyên sâu khá lớn, nồng độ sắc tố da càng lớn thì độ xuyên sâu càng ngắn. Trong khi ấy, đối với bước sóng 940 nm, sự ảnh hƣởng nồng độ sắc tố da lên độ xuyên sâu không đáng kể.

Hàm lượng phân tử ATP do bước sóng 940 nm tổng hợp nên lớn hơn nhiều lần so với bước sóng 630 nm. Như chúng ta đã biết ATP là phân tử cung cấp năng lượng cho hầu như mọi phản ứng sinh hóa trong tế bào.

1.2.4 Vai trò của hiệu ứng hai bước sóng trong hiệu ứng kich thích sinh học

1.2.4.1 Hiệu ứng hai bước sóng

Phối hợp hai tia laser làm việc ở hai bước sóng khác nhau tác động lên tổ chức sinh học nhằm nâng cao hiệu ứng kích thích sinh học gọi là hiệu ứng hai bước sóng.

1.2.4.2. Tác động của hiệu ứng hai bước sóng lên hiệu ứng kích thích sinh học

Karu là ngừời khám phá ra hiệu ƣ́ng hai bước sóng, đồng thời cũng là một trong những người nghiên cứu cơ bản sâu về ảnh hưởng hiệu ứng hai bước sóng lên hiệu ứng kích thích sinh học.

Thí nghiệm thứ nhất: khảo sát tốc độ phân chia tế bào. Tốc độ phân chia tế bào đối với một bước sóng được làm đối chứng.

Chiếu chùm tia Laser He-Cd, làm việc ở bước sóng xanh 441,6 nm với mật độ công suất 300 mw/cm2, nghỉ 15 phút, sau đó chiếu chùm tia Laser He-Ne làm việc ở bước sóng đỏ 632,8 nm cũng với cùng mật độ công suất nói trên. Kết quả thu được trình bày ở Bảng 1.

Bảng 1. Ảnh hưởng của hiệu ứng hai bước sóng lên sự phân chia tế bào

Thí nghiện thứ hai: Khảo sát hàm lƣợng ARN trong nhân tế bào. Hàm lượng ARN đối với một số bước sóng đƣợc làm đối chứng. Chiếu chùm tia Laser He-Cd, làm việc ở bước sóng 441,6 nm với mật độ công suất 300 mw/cm2, nghỉ 10 phút, sau đó chiếu chùm tia Laser He-Ne làm việc ở bước sóng 632,8 nm cũng với mật độ công suất nói trên. Kết quả thu được trình bày ở Bảng 2.

Bảng 2. Ảnh hưởng của hiệu ứng hai bước sóng lên hàm lượng ARN

Từ hai thí nghiệm trên đây, cho chúng ta thấy, vai trò tích cực của hiệu ứng 2 bước sóng đối với hiệu ứng kích thích sinh học.

1.2.4.3 Sử dụng hai bước sóng trong điều trị lâm sàng

Kruik A.S và cộng sự là một trong những ngừời dầu tiên sử dụng hiệu ứng hai bước sóng trong điều trị lâm sàng. Sử dụng hiệu ứng hai bước sóng được tác giả tiến hành điều trị cho 448 bệnh nhân có vết thương lâu lành, 535 loét loạn dưỡng sâu do suy tĩnh mạch mãn tính, 211 viêm tủy xương mãn sau khi chấn thương. Các vết loét rộng từ (10 – 150) mm2, từ 2 năm đến 22 năm.

Phương pháp tiến hành như sau: đầu tiên chiếu tia Laser He-Cd, làm việc ở bước sóng 441,6 nm (màu xanh) lên 10 điểm xung quanh vết loét. Tổng thời gian không quá 20 phút mỗi buổi điều trị. Kết quả thu được như sau:

- Điều trị bằng phương pháp kinh điển: đạt kết quả 51%.

- Sử dụng chỉ một loại Laser He-Ne: đạt kết quả 73%.

- Hiệu ứng hai bước sóng (He-Ne + He-Cd): đạt kết quả 92%.

Điều trị bằng hiệu ứng hai bước sóng đã tạo ra khả năng do những vết thương rộng dưới 100 mm² liền sẹo chắc chắn. Trong khi đó nếu chỉ dùng 1 bước sóng của Laser He-Ne chỉ có hiệu quả với vết thương rộng từ 40 – 50 mm².

1.2.5 Vai trò của hiệu ứng hai bƣớc sóng đồng thời, do hai loại Laser bán dẫn làm việc ở hai bước sóng khác nhau tạo nên, trong hiệu ứng kích sinh học

Để các đáp ứng sinh học (do hiệu ứng kích thích sinh học mang lại) xảy ra nhanh và mạnh hơn, năm 1985 phòng thí nghiệm công nghệ Laser trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đề xuất sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời do hai loại Laser bán dẫn công suất thấp làm việc ở hai bước sóng khác nhau tạo nên.

Cụ thể trên hệ thống quang học đặc biệt, đặt hai loại Laser bán dẫn hồng ngoại công suất thấp:

- Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 940 nm.

- Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 780 nm.

Nhờ vào hệ thống quang học, chùm tia của hai loại Laser này trộn lẫn với nhau, nên:

1. Tại mỗi điểm của vùng tổn thương được tác động đồng thời cùng lúc hai bước sóng. Chính điều này làm cho đáp ứng sinh học xảy ra nhanh hơn và mạnh hơn. Điều này đã được các nghiên cứu thực nghiệm khẳng định.

2. Do hai bước sóng: 940 nm và 780 nm có khả năng xuyên sâu vào mô so với các bước sóng khác (điều này đã được chứng minh bằng mô phỏng ở [17]), nên việc điều trị các tổn thương nằm sâu bên trong cơ thể, chỉ cần chiếu từ bề mặt da tương ứng, điều này làm cho việc điều trị trở nên vô cùng đơn giản.

3. Hiệu ứng hai bước sóng tạo ra khả năng điều trị những vết thương rộng dưới 100 mm² liền sẹo chắc chắn. Trong khi đó nếu chỉ dùng 1 bước sóng của Laser He-Ne chỉ có hiệu quả với vết thương rộng từ 40 – 50 cm².

4. Khi sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời chiếu lên bề mặt một vùng nào đó, tạo ra ảnh hưởng tốt với cơ quan nói chung và đặc biệt có ảnh hưởng thuận lợi nhất lên tình trạng của máu. Điều này đã được phòng thí nghiệm công nghệ Laser khảo sát kỹ và các tác giả khác nghiên cứu.

Hiệu ứng hai bước sóng đồng thời đƣợc phòng thí nghiệm công nghệ Laser trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh sử dụng trong nhiều loại thiết bị điều trị bằng Laser bán dẫn công suất thấp khác nhau. Khi sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời trong điều trị lâm sàng mang lại hiệu quả cao.

1.2.6 Phương thức điều trị dựa trên kích thích sinh học

Dựa vào hiệu ứng kích thích sinh học đưa ra ba phương thức điều trị sau đây:

- Sử dụng công suất thấp chiếu trực tiếp lên huyệt kinh điển trong châm cứu cổ truyền phương Đông. Phương thức điều trị này đƣợc gọi là châm bằng Laser (quang châm).

- Sử dụng Laser công suất thấp chiếu trực tiếp lên vùng bị tổn thương. Đây là phương thức điều trị đơn giản nhất và được gọi là trị liệu bằng Laser (quang trị liệu).

- Chiếu chùm tia Laser công suất thấp vào nội tĩnh mạch. Phương thức điều trị này được gọi là nội tĩnh mạch (Laser nội tĩnh mạch).

Các bài khác

Những ứng dụng mới của laser trong lĩnh vực nha khoa và da liễu (09.07.2018)
Ngành cơ khí phải khỏe lên để trụ vững cho công nghiệp Việt Nam. (09.07.2018)
Ngành cơ khí còn nhiều cơ hội để tham gia vào chuỗi giá trị sản xuất của Samsung, LG, Intel (09.07.2018)
Khai mạc Triển lãm quốc tế về máy công cụ, cơ khí chính xác (09.07.2018)
175 doanh nghiệp sẽ tham gia triển lãm về cơ khí, chế tạo (09.07.2018)
Cơ khí Việt Nam đã chủ động nội địa hóa cao (09.07.2018)
Nhiều “ông lớn” ngành cơ khí hội tụ tại MTA HANOI 2017 (09.07.2018)
Không để ngành cơ khí phát triển “tự phát” (09.07.2018)
Ngành cơ khí Việt Nam và câu chuyện cơ chế, chính sách (09.07.2018)
Sau 15 năm, ngành cơ khí vẫn "chập chững" bước đi đầu (09.07.2018)