TƯƠNG TÁC GIỮA ÁNH SÁNG VÀ MÔ

TƯƠNG TÁC GIỮA ÁNH SÁNG VÀ MÔ

Ánh sáng Laser có đặc điểm:

• Kết dính –do tính tự nhiên của sóng ánh sáng, đỉnh và đáy của sóng đồng bộ cùng lúc (ví dụ, một pha cố định liên quan giữa các điện từ của điện từ trường)
• Chuẩn trực– các tia laser song song nhau (gia tăng đường kính của tia) khi tia truyền đi.
• Đơn sắc– chỉ có một bước sóng, ánh sáng đơn màu.
• Mật độ cao-biểu hiện là năng lượng quang cao trên đơn vị diện tích ở cùng mức năng lượng so với nguồn năng lượng của quang phổ rộng.

Ánh sáng với năng lượng quang cao và đơn sắc là yếu tố quan trọng nhất khi xét đến sự tương tác giữa ánh sáng laser và mô trong các chỉ định lâm sàng.
Bước sóng-Wavelength– khi năng lượng laser tiếp xúc với mô đích, có thể xảy ra:

• Xuyên qua-Transmitted
• Phản xạ- Reflected
• Hấp thu-Absorbed
• Tán xạ-Scattered

Để có tương tác sinh học hiệu quả trên mô đích, năng lượng phải được hấp thu- absorbed.
Mỗi mô đích có đặc điểm hấp thu riêng biệt tùy thuộc vào cấu tạo của nó và chromophore mà nó chứa đựng. Các chromophores cơ bản hiện diện ở mô động vật có vú bao gồm:

• Hemoglobin
• Melanin
• Nước
• Protein

Tia hồng ngoại (Infrared) hấp thu tốt bởi nước, trong khi đó tia cực tím và ánh sáng nhìn thấy được lại hấp thu tốt bởi hemoglobin và melanin. Ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn của tia cực tím được tán xạ hay hấp thu bởi các mối liên kết hóa trị trong protein như khả năng xuyên sâu của tia bị giới hạn.

Để tác động đến một mô đích cụ thể, ánh sáng phải có bước sóng được hấp thu mạnh bởi một chromophore có chứa trong mô đó.
Thời gian phát tia-Exposure time: đa phần các chỉ định lâm sàng của laser tùy thuộc vào độ hấp thu của ánh sáng laser để đốt nóng mô đích. Để tránh các tổn thương nhiệt không mong muốn đến các mô lành xung quanh, ánh sáng có thể được cung cấp trong một khoảng thời gian phù hợp với kích thước của cấu trúc mô đích, dựa trên nguyên lý phân hủy quang nhiệt có chọn lọc- Selective Photothermolysis.
Thời gian bán hủy nhiệt-Thermal Relaxation Time (t_r) của một cấu trúc là thời gian cần thiết cho 50% nhiệt được tạo ra bởi sự hấp thu tia laser của mô đích khuếch tán vào mô xung quanh và xấp xỉ bằng bình phương đường kính của cấu trúc mô đích. Thời gian ngăn chặn nhiệt- Thermal Containment Time (t_c) là độ rộng xung-mà tất cả nhiệt được được hấp thu bởi mô đích và gần bằng 25% của t_r.

Độ rộng xung dài hơn tác động hiệu quả nhất lên cấu trúc lớn hơn và ngược lại độ rộng xung nhỏ hơn phù hợp cho cấu trúc nhỏ hơn. Nếu xung quá dài thì sẽ gây tổn thương nhiệt cho mô xung quanh; quá ngắn thì không đủ nhiệt để tác động sinh học hiệu quả lên mô đích.

TƯƠNG TÁC GIỮA ÁNH SÁNG VÀ MÔ

Với bước sóng, độ rộng xung và mật độ năng lượng của laser được lựa chọn phù hợp, tương tác sinh học trên mô đích có thể được tối đa hóa và các tác dụng phụ không mong muốn trên các mô xung quanh được giảm thiểu tối đa.

• Hiệu ứng quang cơ: độ rộng xung cực ngắn (nano giây) và được hấp thu mạnh, tạo cảm ứng nhiệt cực nhanh và hình thành một plasma nhiệt nở ra. Khi plasma nhiệt biến mất, sóng xung kích (shock wave) tạo ra sự đập vỡ cơ học mô đích. Thời gian tác dụng trên mô (dwell time) quá ngắn để tạo ra tác dụng nhiệt đáng kể lên mô xung quanh. Hiệu ứng quang cơ này thấy ở Q-Switched lasers trong điều trị xoá xăm hay các sang thương sắc tố cứng đầu.
• Hiệu ứng quang nhiệt: đa phần các chỉ định lâm sàng dựa vào hiệu ứng này trên cơ sở hấp thu có chọn lọc của năng lượng ánh sáng sử dụng độ rông xung dài hơn (micro giây đến mili giây) gây tác động nhiệt chọn lọc và làm tổn thương nhiệt lên mô đích. Tương tác sinh học là quang đông hay bóc tách mô đích được sử dụng trong laser tái tạo bề mặt da, điều trị các sang thương mạch máu, triệt lông…
• Hiệu ứng quang hóa: năng lượng laser có thể tương tác trực tiếp hay gián tiếp với các cấu trúc hóa học của mô. Laser Khí hiếm halide hay Excimer lasers trong điều trị phẫu thuật LASIK do tác động của năng lượng laser ở bước sóng tia cực tím làm phá vỡ các liên kết hóa trị trong chuỗi. Trong điều trị quang chức năng- Photodynamic Therapy (PDT), năng lượng laser hay ánh sáng phổ hẹp có thể kích hoạt phản ứng hóa học trực tiếp bởi sự tương tác với các yếu tố nhạy cảm với ánh sáng nội sinh trong tế bào.

Trong photodynamic therapy, một thuốc nhạy cảm ánh sáng dạng tiền chất được đưa vào các tế bào đích có chọn lọc trước khi điều trị. Trong suốt thời gian ủ bệnh, tế bào sản xuất ra một yếu tố nhạy sáng, điển hình là porphyrin, khi chiếu ánh sáng vào sẽ tạo ra oxy nguyên tử phá hủy các tế bào đích. Tế bào hoặc porphyrins của vi khuẩn bị phá hủy trực tiếp, ứng dụng trong laser điều trị mụn trứng cá.

• Quang kích thích sinh học (laser kích thích sinh học, điều trị “laser lạnh”): laser năng lượng thấp hay ánh sáng phổ hẹp được sử dụng với nhiều mức độ thành công khác nhau làm kích hoạt hoạt động của tế bào để đạt được tác dụng sinh học như: kích thích mọc lông, tái tạo collagen, làm nhanh quá trình lành thương…. ở hầu hết các trường hợp, cơ chế tác động còn chưa rõ ràng, như kích hoạt quá trình phân bào của tế bào sợi hay làm tăng tính thấm của màng tế bào. Chỉ định được chấp nhận là tái tạo collagen trong điều trị trẻ hóa da, điều trị kháng viêm, và ánh sáng xanh trong điều trị mụn trứng cá.

TƯƠNG TÁC GIỮA ÁNH SÁNG VÀ MÔ

Hấp thu, tán xạ và phản xạ: năng lượng cung cấp cho mô đích phải đủ để đạt được hiệu quả mong muốn nhưng không đủ để gây ra tác dụng phụ lên mô xung quanh. Chọn lựa bước sóng và độ rộng xung thích hợp, hấp thu bởi các chromophores cạnh tranh, tán xạ của ánh sáng ở mô và phản xạ trên bề mặt da là các yếu tố cần tính tới.

• Hấp thu bởi các chromophores cạnh tranh có thể được kiểm soát bằng làm lạnh cấu trúc có chứa các chromophore cạnh tranh để giảm thiểu tổn thương nhiệt phụ thêm. Một trường hợp phổ biến là bảo vệ các tế bào melanin ở lớp biểu mô nhưng lại tác động đến melanin trong nang lông trong điều trị triệt lông. Thời gian bán hủy nhiệt của biểu mô ngăn hơn cho phép nhiệt tàn lụi nhanh hơn và nhiệt độ ban đầu thấp hơn làm gia tăng ngưỡng tổn thương của biểu mô cho phép năng lượng cao hơn tác động an toàn vào nang lông.

• Tán xạ ánh sáng làm rộng tia tới. Tăng spot size lên thì giữ được ánh sáng tán xạ trong hướng tia đến vùng mô đích, tăng mật độ năng lượng ở khối lượng mô đích và làm nó có thể được tập trung vào cấu trúc mô đích mong muốn. Tăng gấp đôi đường kính spot size, thì tăng khối lượng điều trị lên 8 lần, vì thế cung cấp năng lượng ở mức thấp hơn có thể được sử dụng để đạt được mật độ năng lượng hiệu quả tại mô đích.

Khi ánh sáng xuyên qua một bề mặt của vật có tỉ số khúc xạ (refractive indices-RI) khác nhau, ví dụ: khí (RI=1.0) và biểu mô (RI= ~1.5), luôn diễn ra quá trình phản xạ và khúc xạ ánh sáng, làm gia tăng góc tới của tia. Phản xạ và khúc xạ có thể được hạn chế tối thiểu khi chiếu tia tới vuông góc với bề mặt da, các tỉ số này có thể gần giống nhau khi sử dụng miếng làm lạnh hay là gel trong suốt, hay chiếu tia trực tiếp lên da từ thiết bị truyền dẫn, như trong “Photon recycling”.

Bằng việc lựa chọn bước sóng, độ rộng xung và hệ thống truyền dẫn tia cung cấp năng lượng thích hợp, chúng ta có thể đạt được tác dụng chọn lọc như ý muốn trên mô đích.