TRƯỜN G ĐẠI HỌC VÕ TRƯỜNG TOẢN KHOA DƯỢC  BÀI GIẢNG MÔN HỌC LÝ SINH Đơn vị biên soạn: KHOA DƯỢC XÁC NHẬN BCN KHOA DƯỢC Hậu Giang – Năm 2018 MỤC LỤC Chương 11: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC.106  11.1 Nguyên lý thứ nhiệt động học ứng dụng y học 106  11.2 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học ứng dụng y học 108  Chương 12: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 113  12.1 Các tượng vận chuyển vật chất thể sinh vật .113  12.2 Sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào .121  Chương 13: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP .134  13.1 Lý sinh tuần hoàn 134  13.2 Lý sinh hô hấp 146  Chương 14: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC .154  14.1 Ứng dụng sóng âm 154  14.2 Ứng dụng siêu âm 162  Chương 15: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG 168  15.1 Hiện tượng điện sinh vật - chế phát sinh lan truyền 168  15.2 Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến 175  15.3 Tác dụng dòng điện lên thể ứng dụng điều trị 184  Chương 16: QUANG SINH HỌC 189  16.1 Cơ chế hấp thụ ánh sáng phát sáng 189  16.2 Tác dụng ánh sáng lên thể sống 199  16.3 Mắt dụng cụ bổ trợ 203  16.4 Laser ứng dụng y học .216  Chương 17: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN 226  17.1 Tia phóng xạ 226  17.2 Tác dụng sinh học xạ ion hoá 234  17.3 Ứng dụng tia phóng xạ y học an tồn phóng xạ 237  Chương 18: BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG .243  18.1 Hiện tượng xạ tia x ứng dụng y học 243  18.2 Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính ứng dụng 248  Chương 19: PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 253 19.1 Cơ sở vật lý phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân 253 19.2 Chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân 259  TÀI LIỆU THAM KHẢO .264  Chương 11 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.1 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.1.1 Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động) Mọi tập hợp vật xác định hồn tồn số thơng số vĩ mô độc lập với nhau, gọi hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động (gọi tắt hệ) Tất vật bên hệ gọi mơi trường Mọi hệ chia làm hai loại: Hệ cô lập hệ không cô lập Hệ cô lập hệ không trao đổi vật chất với mơi trường bên ngồi Hệ khơng lập gồm hệ kín hệ mở - Hệ kín hệ khơng trao đổi vật chất, có trao đổi với mơi trường bên ngồi - Hệ mở hệ trao đổi vật chất lượng với môi trường bên ngồi Hệ sinh vật hệ mở ln ln trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh Tuy nhiên, hệ sinh vật khác với hệ mở khác ba điểm - Cơ thể sinh vật dạng tồn đặc biệt protit chất khác tạo thành thể - Cơ thể có khả tự tái tạo - Cơ thể có khả tự phát triển 11.1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động học Theo định luật bảo toàn chuyển hóa lượng ta có: “Năng lượng khơng tự nhiên sinh không tự nhiên mà biến đổi từ dạng sang dạng khác” Năng lượng hệ bao gồm động năng, nội hệ W = W d + Wt + U (11.1) Trong đó: Động (Wd) phần lượng ứng với chuyển động có hướng hệ Thế (Wt) ứng với phần lượng tương tác hệ trường lực 106 Nội (U) lượng bên hệ bao gồm động phân tử, nguyên tử, điện tử nguyên tử phần lượng hạt nhân nguyên tử Nội hàm trạng thái trạng thái khác có giá trị khác * Phát biểu nguyên lý Độ biến thiên lượng tồn phần ΔW hệ q trình biến đổi có giá trị tổng cơng A nhiệt lượng Q mà hệ nhận trình biến đổi Biểu thức: ΔW = A + Q (11.2) Theo định luật bảo toàn hệ Wd + Wt = const nên ΔW = ΔU ΔU = A + Q Phát biểu nguyên lý cách khác ta có độ biến thiên nội hệ có giá trị cơng nhiệt mà hệ nhận q trình biến đổi Hệ quả: Nếu ký hiệu A, Q công nhiệt mà hệ nhận được, ký hiệu A’, Q’ cơng nhiệt mà hệ sinh A’ = -A; Q’ = -Q dẫn đến ΔU = A + Q suy Q = ΔU + A’ Vậy nhiệt truyền cho hệ q trình có giá trị độ biến thiên nội hệ công hệ sinh q trình Trong hệ lập: A = Q = → ΔU = → U = const Ta nói nội hệ lập bảo toàn Nếu Q = → A = - ΔU Nghĩa không cung cấp nhiệt cho hệ, mà hệ muốn sinh cơng nội hệ phải giảm 11.1.3 Áp dụng nguyên lý thứ cho hệ thống sống Hoạt động sinh công thể khác với máy nhiệt thơng thường, sinh thay đổi hệ thống sống nhờ q trình sinh hóa thể Tính chất sinh nhiệt tính chất tổng quát hệ thống sống, đặc trưng cho tế bào có chuyển hóa Những chức sinh lý kéo theo sinh nhiệt Nguồn gốc nhiệt lượng cung cấp cho người thức ăn Thức ăn thể sử dụng thông qua trình đồng hóa để cải tạo tổ chức tạo thành chất dự trữ vật chất, lượng thể, phát sinh nhiệt để trì nhiệt độ 107 thể chống lại nhiệt môi trường xung quanh dùng để sinh công hoạt động sống Nguyên lý áp dụng hệ thống sống viết dạng sau: ΔQ = ΔE + ΔA + ΔM Trong đó: (11.3) ΔQ nhiệt lương sinh q trình đồng hóa thức ăn ΔE lượng môi trường xung quanh ΔA công mà thể thực ΔM lượng dự trữ Đây phương trình trình cân nhiệt thể người Người ta thấy lượng thức ăn cung cấp lượng tỏa Nhiệt lượng sinh thể chia làm hai loại: lượng sơ cấp nhiệt lượng thứ cấp Nhiệt lượng sơ cấp xuất kết phân tán lượng nhiệt trình trao đổi vật chất phản ứng hóa sinh (xảy khơng thuận nghịch) Nhiệt lượng tỏa sau thể hấp thu thức ăn vào oxy Nhiệt lượng thứ cấp xuất q trình oxy hóa thức ăn dự trữ liên kết giàu lượng (ATP) Khi liên kết đứt, chúng giải phóng lượng để thực cơng cuối biến thành nhiệt Nhiệt lượng tỏa đứt liên kết giàu lượng dự trữ thể để điều hòa hoạt động chủ động thể quy ước nhiệt thứ cấp Đối với thể sống bình thường: lượng lượng dự trữ vào thể khoảng 50% Khi bệnh lý lượng lượng giảm xuống Phần lượng thể tỏa dạng nhiệt lượng sơ cấp chiếm phần lớn Tỷ lệ phụ thuộc vào tỷ lệ cường độ tỏa nhiệt cường độ sinh nhiệt Đối với động vật máu nóng nhiệt độ mơi trường thấp thân nhiệt, nhiệt tỏa môi trường, để cân nhiệt thể phải sinh nhiệt Nhiệt lượng nhiệt lượng loại hai sản co tiêu dần lượng dự trữ thể (tiêu mỡ động vật ngủ đông) 11.2 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 11.2.1 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học dịch chuyển Entropi hệ thống sống 108 Nhược điểm nguyên lý không cho biết chiều diễn biến q trình biến đổi từ nhiệt cơng, cho biết liên quan lượng chúng chúng tham gia vào trình cho trước Nguyên lý độc lập khắc phục hạn chế nguyên lý 1, xác định chiều diễn biến trình vĩ mơ cho phép đánh giá khả sinh công hệ nhiệt động khác 11.2.1.1 Khái niệm Entropi Xét hệ bình kín chia làm hai phần A B vách ngăn, có phần tử giống Ban đầu phần tử A có cách xếp - Nếu phân tử A, phân tử B có cách phân phối Số phân tử phần Số cách phân phối (W) Xác suất toán học p A B (Xác suất nhiệt động) 1/64 6/64 15 15/64 3 20 20/64 15 15/64 6/64 1/64 - Xác suất nhiệt động cho ta số cách thực phân phối phân tử, đại lượng ln ≥ - Xác suất tốn học p, cho biết khả xảy phân phối 109 Ta thấy hệ ln ln có xu hướng chuyển từ trạng thái có cách phân phối sang trạng thái có nhiều cách phân phối (W lớn) Người ta dùng W hay lnW làm đại lượng để xác định chiều diễn biến trình tự nhiên Định nghĩa 1: Entropi S định nghĩa sau: Đại lượng S = klnW entropi hệ k số Bonzman Qua ví dụ minh họa ta thấy chiều hướng diễn biến trình theo chiều tăng entropi Định nghĩa 2: Gọi T nhiệt độ hệ, δQ nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S entropi hệ Hệ trạng thái entropi (S) hệ cho biến thiên entropi từ trạng thái (1) đến (2) có giá trị tích phân δQ ∫T → ΔS = S − S1 = ∫ δQ T hay dS = δQ T (11.4) Nhận xét: - S hàm trạng thái nghĩa hàm phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trình thay đổi trạng thái - S đại lượng có tính cộng nghĩa S = S1 + S2 + tổng phần riêng biệt - S = S0 + ∫ δQ T S xác định sai số So giá trị S gốc tính tốn, quy ước So = T = 0K Đơn vị S J/K Ý nghĩa entropi (S) cho ta biết khái niệm mức độ hỗn loạn hệ Khi hệ nhận nhiệt chuyển động phân tử, nguyên tử tăng tương ứng với S tăng ngược lại hệ tỏa nhiệt S giảm 11.2.1.2 Năng lượng tự Từ biểu thức: dS = δQ T suy ra: δQ = TdS Công mà hệ thực viết: δA = δQ - dU = TdS - dU δA = - [dU - TdS] = - [dU - dTS] = -d[U - TS] Đặt U - TS = F (F lượng tự hệ) → δA = -dF 110 U = F + TS (11.5) Năng lượng tự dạng đặc biệt lượng, quy ước gọi tên phần nội hệ dùng để thực cơng đó, nói khác đặc trưng cho khả sinh cơng hệ TS gọi lượng liên kết, khả sinh cơng 11.2.1.3 Ngun lý nhiệt động học Nguyên lý có số cách phát biểu sau: - Tính trật tự hệ lập giữ nguyên giảm dần - Khơng thể tồn tự nhiên chu trình mà kết biến nhiệt thành công, khơng để lại dấu vết mơi trường xung quanh - Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại tức động chuyển động tuần hồn, cho ta cơng cách nhận nhiệt lượng làm lạnh từ nguồn (TomXơn) - Trong hệ lập q trình kéo theo việc tăng entropi tự diễn biến, giới hạn tự diễn biến chúng trạng thái có trị số cực đại entropi (Nguyên lý tăng S) 11.2.2 Áp dụng nguyên lý cho hệ thống sống 11.2.2.1 Trạng thái dừng hệ thống sống - Ta áp dụng nguyên lý vào hệ thống sống hệ thống sống hệ mở đặc biệt, xảy trao đổi vật chất lượng với mơi trường bên ngồi - Trong hệ lập: trạng thái cân thiết lập sau phản ứng hay trình biến đổi kết thúc, hệ không thay đổi theo thời gian - Đối với hệ thống sống ta dùng khái niệm trạng thái dừng trạng thái tính chất hệ khơng thay đổi, thơng số hóa lý, đại lượng động học bảo tồn (ví dụ độ pH, To ) bảo toàn 11.2.2.2 Sự biến đổi entropi hệ thống sống Tại trạng thái dừng S hệ có giá trị không đổi, chuyển từ trạng thái dừng đến trạng thái dừng khác, S thay đổi lượng: ΔS = S2 - S1 Đối với hệ mở trao đổi vật chất, lượng với mơi trường ngồi Chia S thành hai phần: dS = dSi + dSe 111 (11.6) dSi phần thay đổi S tương tác bên hệ (dSi dương) dSe phần thay đổi S tương tác bên ngồi (dSe có giá trị dương, âm 0) - Khi dSe = 0, dS = dSi phần thay đổi S toàn hệ thống xác định tăng S bên hệ - Khi dSe > 0, dS > S ln ln tăng - Khi dSe < có trường hợp: + | dSe | < | dSi | → dS = dSi + dSe > +| dSe | > | dSi | → dS < ⇒ S giảm, tính trật tự tăng + |dSe| = |dSi| → ds = trường hợp ứng với trạng thái dừng trạng thái có S = const Từ cơng thức dS = dSi + dSe, chia vế cho dt, ta có: dS dSi dSe = + dt dt dt (11.7) Phương trình gọi phương trình Prigơgin Ở trạng thái dừng suy dS =0 dt (11.8) dSi dS =− e ≠0 dt dt (11.9) Biểu thức cho thấy: trạng thái dừng, tốc độ tăng entropi thể tốc độ trao đổi entropi với mơi trường xung quanh khác Tóm lại: Để trì sống cần phải trao đổi vật chất lượng với mơi trường ngồi Nói khác mơi trường ngồi điều kiện tồn hệ thống sống 112 Chương 12 VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 12.1 CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT CƠ BẢN TRONG CƠ THỂ SINH VẬT Để đảm bảo cho thể sống hoạt động phát triển phải khơng ngừng diễn trình vận chuyển vật chất Các trình dù đựơc diễn dạng vi mơ (như vận chuyển vật chất qua màng tế bào) hay dạng vĩ mô (như vận chuyển máu hệ tuần hồn, vận chuyển khí hệ hơ hấp ) nhiệm vụ chúng mang chất cần thiết tới quan, phận, mô tế bào đào thải chất thải, chất có hại cho sống Quá trình vận chuyển vật chất trình phức tạp xảy theo nhiều chế phụ thuộc nhiều yếu tố: - Bản chất phần tử vận chuyển: Kích thước, điện tích, độ hồ tan - Hoạt động thể Tuy nhiên tất trình vận chuyển xảy theo chế vật lí giải thích quy luật vật lí Phần đây, đề cập đến tượng vận chuyển vật chất thể sống, giải thích vận chuyển vật chất qua màng tế bào, vận chuyển máu khí thể sống 12.1.1 Các phân tử, ion dung dịch thể sinh vật 12.1.1.1 Các phân tử ion thể - Mọi thể sinh vật chứa số vơ lớn phân tử ion, phân bố xếp cách có trật tự cao - Mỗi phân tử ion thể đứng yên (một cách tương đối) chuyển động (thành dòng hay hỗn loạn) - Các ion dạng đơn giản ion K+, Na+, Cl- ion thường vận động cách linh động chúng tạo xung quanh chúng điện trường dày đặc - Các ion dạng phức tạp , chúng phân tử bị ion hoá Loại ion thường đứng yên tương đối tế bào Ví dụ phân tử H2O, H2, C6 H6 , Hemoglobin 113 - Đối với máy Xquang thường qui, tất thông tin nằm phim, cịn CTS tồn thơng tin nhớ người điều khiển chỉnh lý máy để chọn hình ảnh có ý nghĩa chẩn đốn Khi cần thiết, người thầy thuốc làm lại hình ảnh phận chụp bệnh nhân - Giống Xquang, đơi CTS bệnh nhân cịn uống tiêm thuốc cản quang để làm bật đối quang 18.2.4 An toàn xạ tia X 18.2.4.1 Bảo vệ cho cán nhân viên * Giảm tối đa tiếp xúc với xạ: - Trước tiến hành chụp chiếu, phải chắn cửa phịng X quang đóng kín - Không để chùm tia X rọi vào cửa sổ phòng, trực tiếp rọi vào tường, trừ trường hợp đặc biệt - Tất nhân viên làm việc khơng đứng sau chắn phải mặc áo bảo vệ cần thiết phải đeo găng tay - Các thiết bị che chắn máy X quang cố định X quang động phải bố trí cho che chắn tốt chống xạ khuếch tán - Cán nhân viên X quang cần giữ bệnh nhân chiếu chụp, cần mặc áo bảo vệ, đeo găng tay, đứng sang bên tránh bị máy phát tia X rọi vào trực tiếp - Thiết bị X quang bị hư hỏng khơng dùng, kiểm tra lại thấy đạt tiêu chuẩn sử dụng * Yêu cầu đặc biệt với máy X quang động: Khi máy X quang động đưa khỏi khoa X quang đến buồng bệnh phải tn theo ngun tắc sau đây: - Phải kiểm tra hướng kích cỡ chùm tia X - Phải thiết kế che chắn nơi máy hoạt động - Phải đảm bảo tia X không chiếu vào bệnh nhân khác buồng bệnh (trực tiếp tán xạ) - Người điều khiển máy phải cách xa nguồn bóng phát xạ tối thiểu mét phải mặc quần áo bảo vệ 250 * Chế độ kiểm tra theo dõi: Nhân viên cần đeo phim thiết bị đo liều (bút đo, thiết bị đo nhiệt huỳnh quang ) tất thời gian làm việc Khi mặc quần áo bảo vệ, thiết bị đo liều cần phải đo cài đặt phía áo bảo vệ Nếu nhân viên làm việc phải kiểm tra X quang cho thân phải tháo thiết bị đo liều khỏi người Nếu nhiệt huỳnh quang phải gửi trung tâm kiểm tra đọc kết theo định kỳ, loại bút đo liều tự đọc cần ghi chép tháng sau lại đưa số không để tiếp đo cho tháng sau 18.2.4.2 Bảo vệ cho bệnh nhân * Nguyên tắc chung: Điểm khác người bệnh nhân viên người bệnh nhiều ích lợi chiếu chụp X quang: hiểu bệnh tật thể để có phương hướng xử lý điều trị X quang mang lại lợi ích cho người bệnh nhiều gây hại Nếu thấy chiếu chụp X quang không cần thiết xét nghiệm khác khơng nên dùng X quang Chỉ dùng X quang thấy tốt biện pháp chẩn đoán khác trường hợp bệnh lý Cần cân nhắc lợi hại trẻ em phụ nữ có thai dùng X quang * Biện pháp cụ thể + Giảm thiểu tiếp xúc với phóng xạ: - Nên dùng biện pháp kỹ thuật tốt để hạn chế mức chiếu xạ cho bệnh nhân - Nên chụp phim Chụp với diện tích nhỏ tốt + Phải hướng chùm tia X vào chỗ cần thiết: tránh chiếu vào ngực phận sinh dục + Che chắn: phải dùng chì (khoảng 1mm) che chắn vùng sinh dục phải khám xét phận lân cận Trường hợp bị đa chấn thương, lần khám khơng che chắn làm cho không phát gẫy xương khu vực liên quan 251 + Khoảng cách tiêu cự tối đa: 30 cm, xa tốt + Chất lượng xạ: tăng điện tăng sức đâm xuyên tia X mức chiếu xạ giảm + Lọc: biện pháp giảm xạ lượng yếu tăng lượng trung bình chùm tia X, giảm mức chiếu xạ cho bệnh nhân + Chiếu tia X với bệnh nhân có thai: Chỉ sử dụng phương pháp X quang cho bệnh nhân có thai khơng cịn phương pháp thay thế, phải chiếu chụp X quang cố gắng che chắn giảm thiểu chiếu xạ vào thai 252 Chương 19 PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 19.1 C¬ së vËt lý cđa phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân 19.1.1 Mô men từ hạt nhân Hạt nhân nguyên tử gồm có hai loại hạt: proton v neutron Proton l hạt mang điện tích dơng, giá trị điện tích electron, nhng có khối lợng lớn cỡ hai nghìn lần khối lợng electron Proton tơng tự nh hạt mang điện dơng tự quay tròn, có mômen từ Neutron cịng cã spin, cịng cã m«men tõ, cã thĨ xem neutron nh cầu có điện tích phân bố, tính chung điện tích không (neutron trung hòa điện) nhng quay tạo mômen từ Mômen từ proton v neutron có chênh lệch chót Ýt, nh−ng rÊt nhá, vμo cì 10-27 A.m2 Hạt nhân có nhiều proton v neutron, mômen từ hạt nhân l tổng hợp (theo quy tắc lợng tử) mômen từ hạt proton v neutron Có hạt nhân có mômen từ lớn, có hạt nhân có mômen từ nhỏ , Hạt nhân H 12 C 13 C 14 N 23 Na 31 P 39 K Sè proton 6 11 15 19 Sè neutron 7 12 16 20 có hạt nhân mômen từ Nhng nói chung, mômen từ hạt nhân nhỏ, vo cỡ phần nghìn mômen từ vỏ electron B0 nguyên tử Vì điều kiện để có cộng hởng từ hạt nhân khác với điều kiện để có đợc cộng hởng từ electron Không thế, ngời ta cã thĨ thùc hiƯn céng h−ëng tõ ®èi víi tõng loại hạt nhân nguyên tử Thí dụ thể, ngời ta thờng đặc biệt ý l hạt nhân nguyên Hình 19.1 Dới tác dụng từ tử hiđro hiđro l hai nguyên tố trờng B0 mômen từ thực chuyển động Larmor cÊu t¹o thμnh n−íc (H2O), mμ n−íc nãi chung → l thể chỗ no có Hơn hạt nhân nguyên tử hiđro cho tín hiệu cộng hởng từ mạnh 253 Hạt nhân nguyên tử hiđro đơn giản: có hạt proton, mômen từ hạt nhân hiđrô l mômen từ proton 19.1.2 Cộng hởng từ hạt nhân Hạt nhân có mômen từ l nằm tõ tr−êng B0 , sÏ thùc hiƯn chun → ®éng tuế sai (chuyển động Larmor), tức l đầu mút vectơ vạch nên đờng tròn quanh phơng B0 Trên hình B0 19.2 biểu diễn: d−íi t¸c dơng cđa tõ tr−êng → → → B0 mômen từ thực chuyển động B1 Larmor Đây l chuyển động tuần hon, tần số phụ thuộc vo B0 v Trong trờng hợp Hình 19.2 Từ trờng xoay chiều proton, tần số đợc tÝnh theo c«ng thøc B1 vu«ng gãc víi Bo, quay quanh → → f = g p μ p B0 (hình 19.1) Bo với tần số góc : B1 tác dụng lên mômen từ m lực tuần hon tần sè gãc ω, ω = ωo x¶y hiƯn t−ỵng céng h−ëng TÝnh nÕu B0 b»ng 1T (Tesla) proton có tần số Larmor l 42,58 MHz Chú ý l sóng vô tuyến có tần số 42,58 MHz lμ øng víi b−íc sãng m, cßn tõ tr−êng hai cực nam châm vĩnh cửu m¹nh chØ vμo cì 0,2 T → Nh− vËy h¹t nh©n n»m tõ tr−êng B0 trë thμnh mét hƯ dao động với tần số dao động riêng l f phơ thc B0 NÕu chiÕu thªm mét sóng điện từ tần số rađiô thích hợp, biến thiên từ trờng sóng rađiô tạo lm cho hạt nhân dao động cộng hởng Trên hình 19.2 biểu diễn từ trờng xoay chiều B1 vuông gãc → víi Bo, quay quanh Bo víi tÇn sè góc : B1 tác dụng lên mômen từ lực tuÇn hoμn tÇn sè gãc ω, ω = ωo xảy tợng cộng hởng 254 Cụ thể trờng hợp từ trờng N2 B0 = 1T , đầu mút mômen từ hạt nhân hiđro quay tròn với tần số N1 > N2 f = 42,58MHz , chiếu thêm vo sóng rađiô với bớc sóng 7m (tức l tần số 42,58 MHz) đầu mút mômen Hình 19.3 Trong từ trờng Bo, N1 từ hạt nhân hiđro quay với proton cã μ song song víi tõ tr−êng, tÇn sè nh trớc nhng biên độ lớn hơn, N2 proton có đối song với từ trờng N B0 mômen từ prôtôn nghiêng xa so N với phuơng B0 , tức l nghiêng kT nhiều phơng vuông góc với phơng B0 Nhng thực tế, l thực cộng hởng từ dối với hạt nhân hiđro riêng lẻ m l cộng hởng từ tập hợp hạt nhân hiđro thể tích no đó, thÝ dơ 1mm3 ë vá n·o Do ®ã ta xét tập hợp hạt nhân từ trờng v xét tợng cộng hởng tập hợp 19.1.3 Mômen từ tập hợp hạt nhân thể tích Nếu xét tập hợp nam châm nhỏ nằm từ trờng có chiều xác định nam châm nằm quay dọc theo từ trờng, mômen từ nam châm ny sÏ song song cïng chiỊu víi tõ tr−êng Nh−ng tËp hợp hạt nhân l tập hợp hạt vi mô, tuân theo quy luật lợng tử : nằm từ trờng đa số hạt nhân sÏ cã m«men tõ quay song song cïng chiỊu víi từ trờng nhng có hạt nhân có mômen tõ song song nh−ng ng−ỵc chiỊu víi tõ tr−êng, ng−êi ta gọi l nhũng mômen từ đối song C¸c phÐp tÝnh to¸n cho thÊy nÕu tõ tr−êng B0 tổng cộng có N hạt nhân có N1 hạt nhân có mômen từ song song v N2 hạt nhân có mômen từ đối song (Trong tõ tr−êng Bo, N1 proton cã μ song song víi tõ tr−êng, N2 proton cã μ ®èi song víi tõ trờng N B0 , hình 19.3), N1 lớn N2 v tỉ số chênh lệch N kT N N1 − N cã thĨ tÝnh theo c«ng thøc gần : = N N 255 N B0 với B0 l cờng độ từ trờng tác dụng, l mômen từ hạt N kT nhân, k lμ h»ng sè Boltzmann, T lμ nhiƯt ®é tut ®èi Tính ra, nhiệt độ phòng T = 25C , B0 = 1T hạt nhân hiđrô, tỉ sè ΔN vμo cì 10-6 Nãi c¸ch kh¸c nÕu cã N hạt nhân, N1 hạt nhân có mômen từ N → h−íng song song víi tõ tr−êng B0 , N2 hạt nhân có mômen từ song song nhng hớng theo chiều ngợc lại Nếu hai mômen từ ngợc bù trừ cho thật N hạt nhân thực chất lại N = N1 N chiÕm tØ lƯ cì mét phÇn Z Bo → triƯu lμ h−íng theo chiỊu B0 ThËt mômen từ ny có chuyển động μ μ // Larmor, nh−ng cịng v× khư tõng cặp nên cuối xem có N hạt nhân đóng góp vo mômen từ M tổng cộng Từ công thức tìm đợc ta có : M = ΔN × μ = Nμ B0 kT (19.1) Hình 19.4 Phân tích vectơ thnh → → thμnh phÇn μ // vμ μ ⊥ VËy xÐt chun ®éng Larmor → tõ tr−êng B0 N hạt nhân thể tích V vËt chÊt, thÝ dơ cđa vá n·o, ta chØ xÐt ®Õn m«men tõ M tỉng céng ®ã 19.1.4 Céng h−ëng từ thể tích có nhiều hạt nhân v B0 tợng liên quan Ta xét thể tích có N hạt M nhân, mômen từ hạt nhân l v tõ tr−êng ngoμi t¸c dơng lμ B0 B1 Ta đà thấy N hạt nhân có Hình 19.4 Khi tắt sóng rađiô, đầu mút N1 hạt nhân có mômen từ song song vectơ từ hoá M vạch nênđờng xoắn ốc nhỏ dần 256 với B0 v N2 hạt nhân có mômen từ đối song với B0 , vỊ mỈt tõ tÝnh xem nh− chóng khư đôi một, N1 N = N ~ 10 hạt nhân có đóng góp vo mômen từ tổng cộng Các mômen từ nằm hon ton song song với từ trờng ngoi, chúng đảo nhanh quanh phơng từ trờng nhng góc nghiêng nhỏ Phân tích mômen từ hạt nhân thμnh hai vect¬ : mét vect¬ song song → → → → víi B0 , ta kÝ hiƯu lμ // v vectơ vuông góc với B0 , kÝ hiÖu lμ μ ⊥ Khi chØ cã → → → B0 , cã thĨ xem cã ΔN h¹t nhân có mômen từ hớng B0 v đảo quanh B0 Vectơ tổng p lớn, cỡ gần N Nhng vectơ tỉng → ∑ μ ⊥ xem nh− b»ng kh«ng kh«ng phải l giá trị nhỏ m l mômen từ đảo quanh B0 , tần số nhng không đồng pha, vectơ hớng trớc, sau, phải, trái cách lộn xộn, cộng vectơ lại chúng triệt tiªu lÉn Nh− vËy, → chØ cã tõ trờng ngoi B0 , vectơ từ hoá dọc theo phơng cña tõ tr−êng ngoμi → → → → M // = // cực đại, vectơ từ hoá ngang M = không (hình 19.3) Khi chiếu sóng rađiô có tần số tần số đảo f (hay tần số góc = f0 ) theo phơng vuông góc với B0 , nh ta đà thấy, có cộng hởng xảy ra: vectơ từ trờng B1 sóng rađiô (sóng điện từ) tạo ra, quay quanh B0 với tần số góc tác dụng lên mômen từ hạt nhân lực tuần hon, lm cho nghiêng mạnh phía B1 v quay quanh B0 cách đồng pha với Kết lμ céng → → h−ëng vect¬ tõ hãa ngang M = cực đại Còn vectơ từ hóa dọc, mặt nghiêng B1 nên giá trị // nhỏ đi, mặt khác hấp thụ cộng hởng lợng sóng rađiô có thêm số mômen từ hạt nhân quay phía đối song song, N2 tăng lên, N1 giảm xuống, 257 N = N1 N giảm đáng kể Kết l cộng hởng vectơ từ hoá dọc M // = // không Khi tắt sóng rađiô, tập hợp hạt nhân từ trạng thái cộng hởng chuyển trạng thái bình thờng ban đầu Ngời ta gọi l trình hồi phục Trong trình ny, vectơ từ hoá dọc M // có độ lớn từ giá trị không trở giá trị cực đại, vectơ từ hoá ngang có độ lớn từ giá trị cực đại M trở giá trị không Tuy nhiên thời gian trở về, tức l thời gian hồi phục T1 vectơ từ hoá dọc v thời gian hồi phục T2 vectơ từ hoá ngang không nh nhau, nói chung T1 > T2 Nếu quanh hạt nhân có nhiều phân tử nhỏ (nhẹ), nh phân tử nớc H2O, việc hạt nhân truyền lợng đà hấp thụ lâu so với quanh hạt nhân l phân tử lớn, cồng kềnh, thí dụ với phân tử chất mỡ, chất bÐo… Víi c¸c tÕ bμo sinh häc, tïy theo chøa Ýt n−íc, nhiỊu n−íc, Ýt mì hay nhiỊu mì… T1 thay đổi từ 300 đến 2000 miligiây Thời gian hồi phơc T2 cịng sÏ cã trÞ sè lín quanh hạt nhân l nớc v có trị số nhỏ quanh hạt nhân l dịch chứa phân tử lớn nhiều chất mỡ Nhng nói chung, T2 nhỏ T1, thờng thay đổi từ 30 miligiây đến 150 miligiây v so với T1 nhạy cảm với cấu trúc sinh học Tóm lại xét vect¬ tõ hãa tỉng céng M = M // + M ⊥ th× céng h−ëng → → → ( M // = , M cực đại) đầu mút M vạch nên vòng tròn mặt phẳng vuông góc B0 Khi tắt sóng rađiô, M vừa quay tròn, vừa co nhỏ lại, lúc M // từ giá trị không, lớn dần lên Do đầu mút M vạch nên đờng xoắn ốc nhỏ dần (Hình 19.4) Về nguyên tắc, để cuộn dây điện gần biến thiên từ trờng M gây lm thay đổi từ thông qua cuộn dây v sinh dòng điện cảm ứng cuộn dây Trong kÜ thuËt céng h−ëng tõ, ng−êi ta bè trÝ ăngten để phát sóng rađiô theo xung, xung tắt, trình hồi phục nh đà mô tả xảy v ăngten thu dòng điện cảm ứng sinh vectơ từ hoá M biến thiên theo đờng xoáy trôn ốc 258 Tín hiệu ăngten thu đợc ny có tên l tín hiệu cảm ứng suy giảm tự FID (free induction decay) Bản thân tín hiệu FID ny mạnh hay yếu l vectơ từ hoá M lớn hay nhỏ, m độ lớn M lại phụ thuộc vo số hạt nhân phần tử thể tích, cụ thể l số prôtôn Vì tín hiệu FID cho biết mật độ proton Phân tích kĩ dạng tín hiệu FID tìm đợc thời gian hồi phục từ hóa ngang T2 v.v Nh chia cắt thể ng−êi tõng thĨ tÝch nhá cã täa ®é x, y, z tơng ứng, lm cho hạt nhân thể tích dao Máy phát RF v máy đo ®éng céng h−ëng vμ thu tÝn hiÖu céng h−ëng tõ thĨ tÝch ®ã gưi ®i, thÝ dơ tÝn hiƯu FID, thêi gian håi phôc T1, thêi gian håi phôc T2 v.v v quy định độ đậm, nhạt, Mẫu N S trắng đen mu sắc xanh đỏ tím vng ứng với tín hiệu mạnh, yếu, di, ngắn thu đợc, sở số liệu tọa độ x, y, z cđa phÇn tư thĨ tÝch vμ tÝn hiƯu céng hởng thu đợc từ phần tử đó, máy B0 Cuộn RF B1 Hình 19.5 Sơ đồ máy cộng hởng từ hạt nhân phòng thí nghiệm tính vẽ mn hình ảnh cắt lớp hai chiều ảnh ba chiều thể Tùy theo tín hiệu thu để tạo ảnh mạnh hay yếu ảnh ny cho l nớc, đâu l chất mỡ, máu, xơng v.v 19.2 Chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân Trớc hết ta xét cách thực cộng hởng từ hạt nhân phòng thí nghiệm nghiên cứu tính chất vật liệu Thiết bị gồm nam châm vĩnh cửu để tạo từ trờng B0 hai cực (hình 19.5) Giả sử mẫu nghiên cứu đặt ống hình trụ chung quanh có cuộn dây điện, hai đầu cuộn dây B1 vuông góc với B0 Ngời ta ®iỊu khiĨn tÇn sè cđa B1 cho cã hiƯn tợng cộng hởng từ xảy Lúc công suất máy phát vô tuyến tăng vọt hẳn Nh vậy, theo dõi công suất máy phát phụ thuộc vo tần số, ta xác định đợc tần số ứng víi cã céng → h−ëng tõ x¶y mÉu Mọi biến thiên mômen từ tổng cộng M mẫu gây nên dòng cảm ứng cuộn dây đặt chung quanh mẫu theo nguyên 259 tắc: M biến thiên lm biến thiên từ thông di qua cuộn dây, biến thiên từ thông sinh dòng điện cảm ứng Nếu bố trí cuộn dây vuông góc với B0 ta đo đợc biến thiên cđa thμnh phÇn M song song víi song song víi B0 tøc lμ M // Tõ ®ã ta ®o ®−ỵc → thêi gian håi phơc däc NÕu bè trÝ cuộn dây song song với B0 ta đo đợc biến thiên thnh phần vuông góc M , từ xác định đợc thời gian hồi phục ngang Các tín hiệu m cuộn dây thu đợc nhá, rÊt ng¾n nh−ng kÜ tht xư lÝ tÝn hiƯu ngy cho phép đo xác Giải pháp kĩ thuật quan trọng để có đợc ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân l Lauterbur đa năm 1973 Đó l thêm vo từ trờng mạnh B từ trờng yếu nhng biến thiên theo khoảng cách, nói cách khác l tạo gradien từ trờng Trớc hết ta xét cách tạo tõ tr−êng cã → B = 1T gradien theo z vμ t¸c dơng cđa tõ tr−êng nμy → Cuộn dây siêu dẫn tạo từ trờng B mạnh v Ngời ta bố trí thêm cuộn dây tạo từ trờng yếu song song với B0 nhng biến thiên theo z, tøc lμ cã d¹ng → → Bz = (α + β z ) B0 tr−êng tỉng céng bªn cuộn dây siêu dẫn l: Bo + Bz 1,02 T 1,01 T 1,00 T 0,99 T 0,98 T (19.2) Vậy thêm cuộn dây tạo gradien ny, từ z → B0 + Bz = (1 + α + β z ) B0 (19.3) Tõ tr−êng nμy rÊt mạnh, biến thiên theo Hình 19.6 Do Bz có gradien theo z không gian hình trụ đợc chia thnh lớp cắt mỏng vuông góc với z, từ trờng Bo +Bz lớp xem l không đổi z: từ trờng bên hình trụ bị chia thμnh tõng líp máng, vu«ng gãc víi trơc z Trong ph¹m vi mét líp, tõ tr−êng cã thĨ xem l không thay đổi Khi từ lớp ny đến lớp từ trờng tăng dần, thí dụ nh ë h×nh vÏ 10.35 lμ 0,97T, 0,98T, 0,99T, 1T, 1,01T, 1,02T, 1,03T, Cơ thể ngời đợc đặt hình trụ rỗng, xét mặt từ có 260 thể chia lμm nhiỊu líp: líp n»m tõ tr−êng 0,97T, líp n»m tõ tr−êng 0,98T v.v… TÇn sè cđa chuyển động đảo mômen từ hạt nhân phụ thuộc vo từ trờng ngoi, thí dụ hạt nhân nguyên tử hiđro, từ trờng ngoi l 1T, tần số chuyển động đảo l 42,58 MHz Khi thể n»m tõ tr−êng ngoμi cã gra®ien theo z, nÕu chiếu sóng rađio có tần số 42,58 MHz vo thể có hạt nhân nguyên tử hidro n»m tõ tr−êng 1T míi bÞ céng h−ëng Nh nhờ cuộn dây tạo gradien từ trờng theo trơc z ta cã thĨ t¹o céng h−ëng từ hạt nhân lớp vuông góc với z Líp nμy dμy hay máng lμ tuú thuéc vμo tõ tr−êng biÕn thiªn nhanh hay chËm, tøc lμ phơ thuộc độ lớn dH/dz từ trờng Có thể dịch chuyển vị trí cộng hởng hai cách: Cách : giữ nguyên tần số sóng radio, dịch chuyển gradien từ trờng Cách : giữ nguyên gradien từ trờng, thay đổi tần số sóng radio máy tạo ảnh cắt lớp cộng hởng từ có tất ba cuộn tạo gradien từ trờng theo phơng x, phơng y v phơng z Phối hợp sử dụng ba cuộn, nguyên tắc tạo đợc cộng hởng từ phần tử thể tích có toạ ®é x, y, z cđa c¬ thĨ vμ thu lÊy tín hiệu cộng hởng từ từ thể tích phát Có thể điều khiển để chọn lớp cắt v lần lợt quét phần tử thể tích cộng hởng theo toμn bé diƯn tÝch cđa líp c¾t Tõ tËp hợp số liệu tín hiệu cộng hởng v vị trí tơng ứng máy tính tạo ¶nh céng h−ëng tõ cđa líp c¾t Thu thËp sè liệu từ lớp cắt liên tiếp nhau, máy tính dựng lại ảnh ba chiều không gian đối tợng Tuỳ thuộc vo việc lấy tín hiệu cộng hởng no để tạo ảnh v cộng hởng Chất xám Cơ bắp chất trắng gan Thí dụ, tín hiệu c¶m øng tõ suy gi¶m FID da h−ëng tõ cho ta thông tin tơng ứng Mật độ proton xơng xảy hạt nhân no, ảnh cắt lớp cộng phụ thuộc vo độ lớn vectơ từ hoá M phần tử thể tích m M lại phụ thuộc vo số Hình 19.7 So sánh mật ®é proton ë m«men tõ cđa proton, ®ã tÝn hiệu ny phận thể mạnh hay u phơ thc vμo mËt ®é proton lín hay nhá, từ ta lý giải chỗ đậm nhạt ảnh tơng ứng với chất no (hình 19.7) 261 Thông thờng ngời ta hay sử dụng tín hiêu liên quan đến thời gian hồi phục dọc v ngang Nh đà nêu trên, thời gian håi phơc T1 vμ T2 rÊt phơ thc phÇn tư thể tích chứa chất : chất nớc, chất dịch, nÃo tuỷ, ung th Do ảnh cắt lớp sử dụng loại tín hiệu T1, T2 dễ thấy rõ đâu l máu, đâu l mỡ, đâu l nÃo v phân biệt máu chảy dều mạch máu hay mạch máu bị vỡ, máu chảy ngầm ngoi Bằng kỹ thuật xử lý ảnh, chỗ cã tÝn hiƯu céng h−ëng øng víi x−¬ng ng−êi ta cho mu trắng đục, chỗ ứng với máu có mu đỏ, chỗ ứng với mỡ có mu vng nhạt v.vdo ngời bác sĩ dễ dng nhận định chẩn đoán bệnh So với chụp ảnh cắt lớp tia X (X-ray computed tomography) v vi cách chụp ảnh dùng hạt nhân phóng xạ, phơng pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân có u điểm lớn l không đa vo thể ngời xạ iôn hóa no Khi chụp ảnh, thể ngời chịu ba tác dụng vật lí: từ trờng tĩnh mạnh B0 , biến thiên gradien từ trờng v sóng radiô Từ trờng tĩnh B0 đợc sử dụng thờng vo cỡ Tesla trở lên, mạnh gấp 20.000 lần từ trờng Trái Đất Theo nhiều kết nghiên cứu từ trờng mạnh vo cỡ chí đến 2,5 Tesla cha có tác hại đến thể Còn gradien từ trờng biến thiên mạnh gây thể dòng điện cảm ứng với mật độ dòng vo cỡ 1A/cm2 Giá trị ny nhỏ không gây hại Dới tác dụng sóng rađio chiếu vo, thể hÊp thơ hÕt 0,7 W, t−¬ng øng chØ cã thĨ lm nhiệt độ thể tăng cỡ 0,1-0,2o C Điều hạn chế phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân l thể không đợc có mảnh kim loại, vật liệu từ, thí dụ mảnh bom, viên đạn sót lại có dới tác dụng từ trờng loại vật liệu từ ny bị hút mạnh v nóng lên Đặc biệt l ngời dùng máy trợ tim, đa vo từ trờng mạnh, máy bị háng vμ ng−êi mang m¸y khã tr¸nh khái tư vong Phơng pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân có nhiều u điểm so với phơng pháp chụp ảnh cắt lớp khác y học Tín hiệu cộng hởng để tạo độ đậm, nhạt, đen, trắng hay mu sắc ảnh nhạy cảm với cấu tạo, tổ chức sinh học thể Trên ảnh tổ chức, chỗ bất thờng nh mạch máu bị rạn nứt, máu rỉ ngoi, khối u nhỏ chèn dây thần kinh dễ phân biệt v phát 262 Hình 19.8 Máy chụp hình cộng hởng từ hạt nhân (hình trên) Hình ảnh mặt cắt dọc vùng đốt sống cổ (hình dới, bên trái) v hình ảnh mặt cắt ngang tuỷ sống (hình dới, bên phải) 263 TI LIU THAM KHO Jay Newman (2008), Physics of the life sciences, Springer Nico A.M Schellart (2009), Compendium of Medical physics, Medical technology and Biophysics, Dept of Medical physics, University of Amsterdam Paul Davidovits (2008), Physics in Biology and Medicine (Third Edition), Academic Press Phan Sỹ An – Nguyễn Văn Thiện (Chủ biên) (2006), Vật lý - Lý sinh y học, NXB Y học Phan Sỹ An (Chủ biên) (2005), Lý sinh y học, NXB Y học Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Bài tập vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2005), Giải tập toán Cơ sở vật lý (5 tập), NXB Giáo dục Phan Văn Duyệt (1979), Phóng xạ y học, NXB Yhọc Hà Nội 10 David Halliday tác giả (2001), Cơ sở vật lý (6 tập), NXB Giáo dục 11 Dương Xuân Đạm (2004), Vật lý trị liệu đại cương, NXB Văn hố thơng tin 12 Nguyễn Thị Kim Ngân (2001), Lý sinh học, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 13 Lê Văn Trọng (2001), Giáo trình lý sinh học, NXB Đại học Huế 14 Trần Đỗ Trinh (1994), Hướng dẫn đọc điện tim, NXB Y học Hà Nội 15 Vật lý đại cương, Bộ mơn Vật lý - Tốn, Đại học Dược Hà Nội - 2000 264