Bài 1 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Bài CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Nhiệt động học Nhiệt động học phận vật lý học nghiên cứu trình biến đổi lượng tự nhiên, đặc biệt quy luật có liên quan tới biến đổi nhiệt thành dạng lượng khác Nhiệt động học khảo sát trình, chiều tiến triển trình với tập hợp lớn phần tử tạo thành hệ thống vật Thí dụ: Khái niệm áp suất, nhiệt độ khối khí khái niệm tập hợp lớn phần tử phần tử riêng lẻ Nhiệt động học không trả lời cho ta biết chế tượng hay tượng khác mà có thể rõ q trình đó có xảy hay khơng, chiều tiến triển trình đó quan điểm lượng 1.1.2 Hệ nhiệt động Hệ nhiệt động (gọi tắt hệ): Là tập hợp gồm nhiều phần tử, kích thước hệ lớn nhiều so với kích thước phần tử hệ - Phân loại hệ nhiệt động: Tuỳ theo đặc tính tương tác hệ với môi trường xung quanh mà chia hệ làm loại: + Hệ cô lập: Hệ gọi cô lập nó không trao đổi vật chất lượng với mơi trường bên ngồi + Hệ kín: Hệ có trao đổi lượng không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh + Hệ mở: Hệ gọi hệ mở nó trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh - Lưu ý: Cơ thể sinh vật hệ mở nó khác với hệ mở khác ba điểm: Cơ thể dạng tồn tại đặc biệt protid chất khác tạo thành thể, thể có khả tự tái tạo, tự phát triển Các hệ thống sống trình tồn tại phải thực trao đổi vật chất lượng với môi trường xung quanh Hai q trình trao đổi khơng thể tách rời mà bổ sung cho nhau, tạo điều kiện cho Việc khảo sát trình trao đổi chất lượng thể sống làm sáng tỏ ý nghĩa vật lý sống, làm rõ điều kiện tồn tại, trì phát triển sống, làm ta thấy rõ tầm quan trọng môi trường sống - Thông số trạng thái hệ: Ở thời điểm hệ mang tính chất vật lý hố học định Tập hợp tính chất định trạng thái hệ Thông thường trạng thái hệ mô tả nhờ thông số trạng thái: Nhiệt độ T, áp suất p, thể tích V, nội U, entropi S, nồng độ C… Khi hệ chịu q trình biến đổi có thông số trạng thái hệ thay đổi, hay hệ thực trình nhiệt động - Chu trình: trình nhiệt động học khép kín, hệ sau hàng loạt biến đổi lại trở trạng thái ban đầu Những trình lượng xảy thể sống hệ thống sống tuân theo nguyên lý nhiệt động học Bởi nguyên lý thiết lập dựa tổng quát hoá liệu thực nghiệm, nó có vai trò to lớn lí thuyết thực hành kỹ thuật - Năng lượng: độ đo dạng chuyển động xác định vật chất, nó phản ánh khả sinh công hệ Năng lượng có thể biến đổi từ dạng sang dạng khác Trên sở nghiên cứu tự nhiên, vật lý thiết lập định luật tổng quát tự nhiên đó định luật bảo tồn chuyển hố lượng: "Năng luợng không tự sinh ra, không tự đi, nó biến đổi từ dạng sang dạng khác, từ vật sang vật khác" Các trình xảy thể sống tuân theo định luật 1.2 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Nguyên lý thứ nhiệt động học định luật bảo toàn biến đổi lượng ứng dụng vào hệ trình nhiệt động Trong đó khảo sát có mặt nội năng, nhiệt lượng công mà hệ thực 1.2.1 Nội - Khái niệm: Là lượng dự trữ toàn phần tất dạng chuyển động tương tác tất phần tử nằm hệ - Nội kí hiệu U bao gồm thành phần sau: + Động chuyển động hỗn loạn phân tử (tịnh tiến quay) + Thế gây lực tương tác phân tử + Động chuyển động dao động nguyên tử phân tử + Năng lượng vỏ điện tử nguyên tử ion, lượng hạt nhân nguyên tử Đối với khí lí tưởng nội tổng động chuyển động nhiệt phân tử cấu tạo nên hệ Lưu ý: Động chuyển động có hướng tương tác hệ với môi trường xung quanh thành phần nội - Đặc điểm nội + Mỗi hệ có nội xác định, q trình biến đổi ta khơng xác định xác giá trị nội mà xác định độ biến thiên nội ∆U + Giá trị nội phụ thuộc vào trạng thái hệ, U hàm đơn giá trạng thái + Khi hệ thực chu trình ∆U = + Khi hệ biến đổi từ trạng thái đến trạng thái 2: u2 U   dU  U  U u1 - Khi chuyển hệ từ trạng thái sang trạng thái khác lượng (nội năng) hệ thay đổi Có hai cách khác để làm lượng hệ thay đổi là: Thực công truyền nhiệt 1.2.2 Nhiệt lượng Sự truyền nhiệt hình thức trao đổi lượng làm tăng mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử hệ Thí dụ: truyền nhiệt từ vật có nhiệt độ t1 sang vật có nhiệt độ t2 Quá trình truyền nhiệt dừng lại nhiệt độ hai vật t thì: t2 < t < t1 Năng lượng trao đổi vật gọi nhiệt lượng xác định Q  m.c.t Trong đó: m khối lượng vật, c số phụ thuộc vào chất vật t  t  t  t  t - Nhiệt lượng: Là lượng lượng trao đổi trực tiếp phân tử chuyển động hỗn loạn vật tương tác với Đơn vị nhiệt lượng Calo (cal), nhiệt lượng làm nóng gam nước từ 14,5 C lên 15,50C - Nhiệt dung riêng c: Nhiệt lượng cần truyền cho đơn vị khối lượng vật chất để nhiệt độ nó tăng lên 10C: c Q m.t c đặc trưng cho chất vật trao đổi lượng c(H2O) = cal/g.độ Trong thể, phận khác c khác Giá trị nhiệt dung gần nhiệt dung riêng nước tỉ lệ nước mơ lớn Thí dụ: c(máu) = 0,93cal/g.độ c(Cơ thể sống)  0,8 cal/g.độ c(xương)  0,3 - 0,4 cal/g.độ 1.2.3 Công - Sự truyền lượng có liên quan đến dịch chuyển vĩ mô hệ dưới tác dụng lực đó đó thực cơng Thí dụ cơng thực để nâng vật lên cao Cơng kí hiệu chữ A Cơng đặc trưng cho tương tác phương diện lượng - Công học đại lượng đặc biệt đặc trưng cho tác dụng vật lên vật khác gây dịch chuyển   Công lực F thực làm dịch chuyển vật qng đường S cơng A  F S  F S cos xác định:  F Nếu lực vật di chuyển quỹ đạo BC cơng có thể xác định: A  dA   F dS BC BC Đối với khối khí q trình đẳng nhiệt cơng khối khí xác định cơng thức : V2 A    p.dV V1 Đơn vị công Jun (J) * Liên hệ công nhiệt lượng: - Công nhiệt lượng có thứ nguyên lượng dạng lượng hệ mà đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi lượng - Sự truyền lượng nói chung thực dưới hai hình thức khác đó truyền nhiệt lượng thực công học - Công nhiệt lượng xuất trình, đó nó hàm q trình Đương lượng cơng nhiệt là: J = A/Q = 4,18 J/Calo Đương lượng nhiệt công là: J = Q/A = 0,24 Calo/J 1.2.4 Nguyên lý Năng lượng hệ bao gồm động năng, nội hệ W = W d + Wt + U (1.1) Trong đó: Động (Wd) phần lượng ứng với chuyển động có hướng hệ Thế (Wt) ứng với phần lượng tương tác hệ trường lực Nội (U) lượng bên hệ - Giả sử có hệ đó nhận nhiệt lượng δQ, hệ khơng thực cơng tồn lượng dùng làm tăng nội U hệ lượng dU: δQ = dU Nếu hệ thực cơng δA : δA = δQ - dU  δQ = δA + dU (1.2) (1.2) biểu thức toán học nguyên lý I - NĐH Phát biểu: Nhiệt lượng truyền cho hệ dùng làm tăng nội biến thành công thực lực hệ đặt lên mơi trường ngồi Hệ quả: - Nếu δQ = δA = -dU: Nếu khơng cung cấp nhiệt lượng muốn hệ sinh công δA nội phải giảm lượng dU - Theo chu trình: dU = 0, δQ = δA = 0: Hệ sinh công hay chế tạo động vĩnh cửu loại I động không cần cung cấp lượng sinh công mà nội không đổi - Hệ cô lập: δQ = 0, δA = dU = hay nội hệ bảo toàn Định luật Hess: Nội dung: Năng lượng sinh q trình hố học phức tạp khơng phụ thuộc vào giai đoạn trung gian mà phụ thuộc vào trạng thái ban đầu cuối hệ hoá học C1,C2,C3… E1 E2 E A1,A2,A3 … B1,B2,B3… E3 E5 E4 M1,M2,M3 N1,N2,N3… Hình 1.1 Minh họa định luật Hess - Trạng thái ban đầu: A (A1, A2, A3…); Trạng thái cuối: B (B1, B2, B3…) - Trạng thái trung gian: C (C1, C2, C3…), (M1, M2, M3…), (N1, N2, N3…) Theo định luật Hess: E = E1 + E2 = E3 + E4 + E5 Ý nghĩa: Định luật Hess sử dụng rộng rãi lĩnh vực y học để xác định khả sinh nhiệt thức ăn thể Muốn xác định khả sinh nhiệt người ta đốt thức ăn bình đo nhiệt xác định nhiệt toả Nhiệt lượng nhiệt lượng sinh trình oxy hoá thức ăn thể VD: Đốt cháy C theo hai cách: C1 : C + 1/2O2 = CO + 26,42 kcal CO + 1/2O2 = CO2 + 67,63 kcal C2 : C + O2 = CO2 + 94,05 kcal 1.2.5 Áp dụng nguyên lý thứ nhiệt động lực học cho hệ thống sống 1.2.5.1 Các dạng công thể Hoạt động sinh công thể khác với máy nhiệt thông thường, nó sinh thay đổi hệ thống sống nhờ trình sinh hóa thể Trong thể có dạng công - Công hố học: Cơng sinh tổng hợp chất có trọng lượng cao phân tử từ chất có trọng lượng phân tử thấp Thí dụ cơng sinh tổng hợp protein, axidnucleic… - Công học: công sinh dịch chuyển phận thể, quan thể hoặc toàn thể nhờ lực học Công học thực chúng co lại - Công thẩm thấu: công vận chuyển chất khác qua màng hay qua hệ đa màng từ vùng có nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao - Công điện: Là công vận chuyển hạt mang (các ion) điện truờng, tạo nên hiệu điện dịng điện Trong thể, cơng điện thực sinh điện sinh vật dẫn truyền kích thích tế bào Đối với thể, nguồn lượng để thực tất dạng cơng lượng hố học thức ăn (protid, lipid, glucid) toả bị oxy hoá Đầu tiên lượng thức ăn chuyển hoá thành liên kết giàu lượng mà chủ yếu ATP Sau đó ATP phân huỷ tổ chức tương ứng tế bào giải phóng lượng cần thiết để sinh công Tất q trình sinh cơng tế bào xảy sử dụng lượng ATP, đó ATP gọi nhiên liệu vạn 1.2.5.2 Các dạng nhiệt lượng thể Tính chất sinh nhiệt tính chất tổng quát hệ thống sống, nó 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 thơng qua q trình đồng hóa để cải tạo tổ chức tạo thành chất dự trữ vật chất, lượng thể, phát sinh nhiệt để trì nhiệt độ thể chống lại nhiệt môi trường xung quanh dùng để sinh cơng hoạt động sống Nhiều thí nghiệm động vật người chứng tỏ không sinh cơng mơi trường ngồi, nhiệt lượng tổng cộng thể sinh gần nhiệt lượng sinh đốt vật chất hữu nằm thành phần thức ăn cho tới thành CO2 H2O Khi đó, nguyên lý thứ nhiệt động lực học áp dụng cho hệ thống sống viết dưới dạng: ∆Q = ∆E + ∆A + ∆M Trong đó: ∆Q: Năng lượng sinh q trình đồng hố thức ăn ∆E: Năng lượng mát môi trường xung quanh ∆A: Công thể thực để chống lại lực bên ∆M: Năng lượng dự trữ dưới dạng hố Đây phương trình cân nhiệt đối với thể người Ví dụ kết cân nhiệt người sau ngày đêm không sinh công: Năng lượng toả (kcal) Thức ăn đưa vào thể Protêin: 56,8 g tạo 237 Kcal Lipid: 140,0 g tạo 1307 kcal Glucid : 79,98 g tạo 335 Kcal Tổng: 1879 kcal Năng lượng toả xung quanh: Năng lượng toả qua khí thải: Phân nước tiểu: Năng lượng bốc qua hệ hô hấp: Năng lượng bốc qua da: Các số liệu khác: Tổng: 1374 43 23 181 227 31 1879 Nhiệt lượng sinh thể chia làm hai loại: - Nhiệt lượng sơ cấp (còn gọi nhiệt lượng bản) xuất kết phân tán lượng nhiệt trình trao đổi vật chất phản ứng hóa sinh (xảy không thuận nghịch) Nhiệt lượng tỏa sau thể hấp thu thức ăn oxy - Nhiệt lượng thứ cấp (cịn gọi nhiệt lượng tích cực) xuất trình oxy hóa thức ăn dự trữ liên kết giàu lượng (ATP) Khi liên kết đứt, chúng giải phóng lượng để thực công đó 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 Ở điều kiện bình thường, thể có cân loại nhiệt lượng tức giảm nhiệt lượng sơ cấp dẫn tới tăng nhiệt lượng thứ cấp ngược lại Với hoạt động bình thường thể, lượng dự trữ vào liên kết giàu lượng chiếm khoảng 50%, với trình bệnh lí lượng toả dưới dạng nhiệt lượng sơ cấp chiếm phần lớn, cường độ tạo liên kết giàu lượng giảm xuống Tỷ lệ hai loại nhiệt lượng phụ thuộc vào cường độ toả nhiệt cường độ sinh nhiệt thể Nếu thể tăng toả nhiệt tăng sinh nhiệt để nhiệt độ thể không đổi Nhiệt lượng nhiệt lượng loại hai sản co hoặc tiêu dần lượng dự trữ thể (tiêu mỡ động vật ngủ đơng) 1.2.5.3 Một số q trình biến đổi lượng thể sống - Năng lượng trình co + Nhận xét: Hầu hết công thể sinh kết trình co Khi co, chiều dài bị rút ngắn tạo nên lực F, lực có giá trị phụ thuộc chiều dài x2 Acơ =  F ( x)dx x1 F(x): Lực phát sinh co; x: chiều dài cơ; dx: biến đổi nhỏ chiều dài F F Fmax max 38 34 30 20 xmin Xmin Hình 1.2 + Việc tính A lý thuyết có thể dựa vào đồ thị (1.2) theo công thức: Amax= 0,45 Fmax  xmax Trong đó: Fmax lực lớn co sinh ra,  xmax chiều dài bị rút ngắn lớn + Đặc điểm: Để đánh giá trình co ta dùng hiệu suất:   Ac Amax Ac công thực tế Amax : Công tổng cộng theo lí thuyết Cơ sử dụng lượng để trì căng thẳng phần chuyển thành nhiệtnăng (khoảng 1,6.10-2 J/kg.s) Hiệu suất phụ thuộc vào giới tính, tuổi tác, q trình tập luyện, nghề nghiệp… độ tuổi 25 - 28 hiệu suất lớn η 100% Namnam 75 50 nữ Nữ 25 20 40 60 tuổi Tuổi Hình 1.3 Năng lượng co cơ: Được lấy từ ATP L1 L2 L3 A • ATP có sẵn (khơng nhiều) S B • ATP tổng hợp thơng qua phản ứng: O1 B O2 F1’ O3 O Mắt F2 B1 F2’ Phosphocreatin + ADP → ATP + Creatin • Phân huỷ glycogen: A2 Glucose + 3H3PO4 + 2ADP → 2lactat + 2ATP + 2H2O Khi co mạnh máu thời không cung cấp đủ phản ứng tạo lượng cho đủ để hoạt động đó q trình cung cấp lượng yếm khí - Công hô hấp + Định nghĩa: Đó công thực hô hấp để thắng tất lực cản thơng khí + Đặc điểm: Công hô hấp không xác định trực tiếp mà xác định gián tiếp cơng thức: tích số áp suất thể tích thay đổi tương ứng: Ahh = p.dV • Thể tích tăng Ahh tăng • Trong thực tế có thể xác định Ahh phế dung kế • Thở sâu thở với tần số thích hợp chi phí cho Ahh nhỏ (phụ thuộc vào hệ thống điều khiển hô hấp trình luyện tập) - Năng lượng tim mạch + Tim giống bơm hoạt động thường xuyên để tạo áp suất đẩy máu vào mạch Do van tim mạch máu hệ tuần hoàn mà máu chuyển động theo chiều xác định + Đặc điểm • Cơng suất học tim khoảng 1,3 - 1,4 W (nhỏ nhiều so với giá trị chuyển hoá tồn thể ~ 100 W) • Tim ngồi việc thực cơng học cịn liên tục hoạt động để giữ độ căng định gọi trương lực • Cơng tổng cộng tim ~ 13 W gồm: * Tạo áp suất đẩy máu (p) * Tạo độ căng định tim gọi trương lực (T) • Áp lực trương lực quan hệ với công thức: 1 p  T(  ) r1 r2 (Biểu thức định luật Laplace) p: áp lực; T: Trương lực r1, r2 bán kính hai trục vng góc với mặt lồi mặt lõm + Nếu tim bị giãn rộng r1, r2 tăng suy T tăng vì: Tp 1  r1 r2 + Nếu lượng để sinh T tăng giá trị công tạo p giảm, trạng thái đó dần đến giá trị giới hạn dẫn đến suy tim + Năng lượng tim lấy từ liên kết hoá học giàu lượng ATP ATP lấy từ phân ly đường đơn glucose: Oxy hoá phospho lipid (chủ yếu) + Hiệu suất sử dụng lượng tim lớn, lúc lao động nặng có thể lên tới 20 - 30% 1.3 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Nhược điểm nguyên lý khơng cho biết chiều diễn biến q trình biến đổi từ nhiệt công, cho biết liên quan lượng chúng chúng tham gia vào trình cho trước Nguyên lý độc lập khắc phục hạn chế nguyên lý 1, nó xác định chiều diễn biến q trình vĩ mơ cho phép đánh giá khả sinh công hệ nhiệt động khác 1.3.1 Một vài thông số nhiệt động quan trọng 1.3.1.1 Entropi - Xét ví dụ: hệ bình kín chia làm phần A, B Trong bình có phần tử giống đánh số từ đến Có khả xảy sau: Số phần tử Số cách phân phối (Xác suất nhiệt động học W) A B 0 Tổng cộng Xác suất toán học 15 20 15 1/64 6/64 15/64 20/64 15/64 6/64 1/64 64 Xác suất nhiệt động học W cho ta thấy số cách có thể phân phối phần tử để tạo trạng thái hệ W lớn hoặc Cịn xác suất tốn học cho khả xảy biến cố đó Nhận xét: + W lớn khả - - + Nếu để tự diễn biến trình tự nhiên có xu hướng dần tới trạng thái số phần tử bên A số phần tử bên B + Có thể sử dụng lnW để xác định chiều hướng diễn biến trình tự nhiên - Định nghĩa hàm entropi: Đại lượng S = k.lnW gọi entropi hệ Trong đó: S: Entropi k: Hằng số Bozlman, k = 1,381.10-23 J/K W: Xác suất nhiệt động học Khi W lớn S lớn Như trạng thái có entropi lớn trạng thái dễ xảy - Biến thiên entropi: Gọi T nhiệt độ tuyệt đối, ∆Q nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S entropi hệ độ biến thiên entropi, ta có: dS  Nếu T thay đổi Q T S  i 1 n Qi Ti Q  SB  SB T A B S   10 - Cơ chế: Năng lượng chùm tia truyền trực tiếp hay gián tiếp cho phân tử hữu tại chỗ chiếu hay lan xung quanh Bức xạ ion hố có thể kích thích hoặc ion hoá nguyên tử cấu tạo nên phân tử, từ đó phá vỡ mối liên kết, phân ly phân tử, tạo sản phẩm hoá học mới gây nên tổn thương lớn lan rộng Do đó sau chiếu xạ xuất tổ chức sinh học phân tử có trọng lượng nhỏ hơn, có cấu trúc khác trước - Biểu tổn thương phân tử chiếu xạ là: + Giảm hàm luợng hợp chất hữu định: Thông thường enzym, protein đặc hiệu v.v Nguyên nhân: Quá trình tổng hợp sinh sản chúng bị kìm hãm hoặc bị phân huỷ trình chiếu xạ, cụ thể nhóm chức gốc NH 2, COOH, SH bị tách lìa khỏi phân tử hữu + Hoạt tính sinh học phân tử hữu bị suy giảm hoặc hẳn cấu trúc phân tử bị phá vỡ hay bị tổn thương Ảnh hưởng đến phát triển hoạt động tế bào, giảm khả hoạt động chức số mô Một tổn thương phân tử ảnh hưởng đến chức sinh học quan trọng tổn thương phân tử ADN, tổn thương phân tử ADN ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động di truyền tế bào + Tăng hàm lượng số chất có sẵn hoặc xuất chất lạ tổ chức sinh học Thông thường đó chất có hại, độc cho tổ chức sinh học Đó sản phẩm mới phân huỷ phân tử hữu hoặc phản ứng hoá học mới xảy chiếu xạ Điển hình H2O2, histamin Một tổn thương quan trọng mức độ phân tử tổn thương ADN Bức xạ ion hóa có thể làm thay đổi phản ứng sinh tổng hợp base, ngưng q trình nhân đơi base, làm biến đổi cấu trúc hoặc tách base khỏi khung ribophotphat ADN, làm đứt chuỗi polinucleotid, tạo mảnh đứt phân tử ADN Từ đó tạo tượng khâu mạch, tạo gel, xếp lại nhiễm sắc thể Tóm lại, chiếu xạ phân tử ADN có thể bị loại tổn thương sau: - Tổn thương base gốc đường, - Gãy mạch nối đơn cấu trúc ADN, - Phá hủy cấu trúc không gian phân tử ADN Tổn thương ADN ảnh hưởng đến thuộc tính di truyền mà phân tử ADN đảm nhận việc sản xuất hợp chất sinh học cần thiết đảm bảo việc chuyển thuộc tính phân bào Với phân tử protein tác dụng tia phóng xạ phức tạp, nhiều biến đổi bên cấu trúc phân tử có thể xảy khó phát Tổn thương protein có loại biến đổi sau: - Gãy đứt mạch chính, làm giảm trọng lượng phân tử - Khâu mạch: chắp nối sai lệch mảnh lại với Có loại: khâu mạch bên phân rprotein khâu mạch phân tử hệ - Phá hủy cấu trúc thứ cấp, cấu trúc không gian Tổn thương protein dẫn tới làm thay đổi tính chất lý hóa độ dẫn điện, độ nhớt, trọng lượng phân tử, tính chất quang phổ, độ hịa tan 115 Trong loại protein, men đối tượng quan tâm men có ý nghĩa quan trọng hoạt động sinh học, nhiều nghiên cứu phóng xạ sinh học tiến hành loại men sinh học 6.2.2.2 Tổn thương mức độ tế bào - Độ nhạy cảm phóng xạ * Tổn thương chức năng: Khi phân tử cấu tạo nên tế bào bị tổn thương xạ hoạt động chức tế bào bị ảnh hưởng Mỗi loại tế bào có chức đặc hiệu, chức đặc hiệu gắn với tổn thương loại phân tử định, "phân tử chủ chốt" ADN Các tổn thương có thể xảy ra: - Giảm hoặc khả sinh sản protein đặc hiệu phục vụ cho hoạt động tế bào Kết làm giảm khả hô hấp, chuyển hóa, trao đổi chất, lượng miễn dịch tế bào - Tốc độ phân chia tế bào chức sinh sản tế bào bị ảnh hưởng Có biểu hiện: phân bào chậm trễ hoặc có thể chết Nguyên nhân tổn thương cấu trúc hoặc trình tự xếp ADN gen tạo nên đột biến gen, từ đó sinh tế bào hoạt động khơng bình thường Ngồi ra, tia phóng xạ có thể làm giảm lượng ADN tổng hợp, ảnh hưởng đến tốc độ phân chia tế bào Rối loạn chức tế bào gắn với tượng nhiễm độc tố mới tạo sau chiếu xạ hoặc men tràn từ phá hủy tiểu vật bào tương * Tổn thương cấu trúc: Tuỳ thuộc vào loại tế bào, liều lượng điều kiện chiếu mà cấu trúc tế bào có thể bị hư hại theo nhiều mức độ khác nhau: - Tổn thương màng tế bào: Xảy sớm, tinh vi nhanh sau chiếu Liều nhỏ: làm cho trình trao đổi chất lượng tế bào qua màng bị rối loạn, tính thấm chọn lọc giá trị gradien tồn tại hai phía màng bị thay đổi Liều lớn: Có thể gây thủng, rách màng dẫn đến tiêu huỷ tế bào - Các thuộc tính bào tương bị thay đổi: Liều nhỏ: Bào tương bị quánh lại (quan sát dưới kính hiển vi) bị đun nóng Liều lớn: Phá huỷ tiểu thể bào tương ti thể, lạp thể, riboxom làm cho men chứa đó trào bào tương môi trường, gây hư hại cho môi trường bào tương tế bào Tuy nhiên tổn thương nhẹ bào tương dễ phục hồi nhân màng tế bào - Nhân tế bào: Dễ bị tổn thương nhạy cảm với tia phóng xạ Liều nhỏ: Nhân tế bào có thể bị trương lên, nứt nẻ, biến dạng Liều lớn: Nhân có thể bị tách thành nhiều mảnh, mảnh đó nằm rải rác bào tương bị phá huỷ, dẫn đến huỷ diệt tế bào Tổn thương nhân trước hết biểu tổn thương nhiễm sắc thể Thực nghiệm cho thấy: Các tia phóng xạ có tạo nhiễm sắc thể bất thường đứt đoạn, gãy; đoạn gãy có thể bị tiêu tan, hoặc tự gắn lại với nhau, hoặc gắn vào nhiễm sắc thể 116 khác tạo thành nhiễm sắc thể khổng lồ, nhiễm sắc thể hai tâm, hoặc thể nhiễm sắc mà trật tự gen bị xáo trộn cấu trúc Tổn thương nhiễm sắc thể số theo dõi tác dụng xạ lên tế bào Sự thay đổi đặc tính tế bào có thể xảy nhân nguyên sinh chất chúng sau chiếu xạ Trong nhiều trường hợp thể tích tế bào tăng hình thành khoảng trống nhân nguyên sinh chất Nếu bị chiếu liều cao, tế bào có thể bị phá hủy hoàn toàn Tóm lại: Tổn thương phóng xạ lên tế bào có thể làm: - Tế bào chết tổn thương nặng nhân nguyên sinh chất - Tế bào không chết không phân chia - Tế bào không phân chia số nhiễm sắc thể tăng gấp đôi để trở thành nhiễm sắc thể khổng lồ - Tế bào phân chia thành hai TB mới có rối loạn chế di truyền Tất tổn thương có thể dẫn đến huỷ diệt tế bào Cái chết tế bào có thể không xảy tức khắc mà có thể xảy hệ sau phân chia sinh sản Như tổng số tế bào tồn tại sau chiếu hoặc sau thời gian định giảm Bằng thực nghiệm với hệ đơn bào vi sinh vật người ta mối tương quan liều chiếu số lượng tế bào sống theo đồ thị sau: Gọi đồ thị D37 S Thực nghiệm với hệ đơn bào cho thấy liều chiếu thực tế lớn liều tính tốn lí thuyết Như có tia không gây tác dụng diệt bào * Giả thuyết tâm nhạy trình tác dụng phóng xạ lên tế bào: (B) (A) D0 D Hình 6.5 Đồ thị D37 Mỗi tế bào có vùng nhỏ (khoảng  m3) đó tập trung nhiều cấu trúc chức quan trọng tế bào gọi tâm nhạy tế bào Nếu tâm nhạy hấp thụ lượng định bị tổn thương kéo theo hủy diệt tế bào Nếu lượng đó tổn thương nhẹ hơn, ảnh hưởng đến chức tế bào chức sinh sản, “cái chết” có thể xảy hệ sau Những tế bào đơn bội có tâm nhạy, tế bào lưỡng bội có thể có 2, tâm nhạy Từ đồ thị D37 ta có D0 liều lí thuyết mà với liều đó tất tế bào bị huỷ diệt Tuy nhiên thực nghiệm với liều đó khoảng 37% tế bào sống Đồ thị thước đo độ nhạy cảm tế bào Độ nhạy cảm tế bào cao số sống sót tế bào thấp ngược lại Độ nhạy cảm tế bào nói lên mức độ khả tái sinh tế bào, nghĩa mức độ huỷ diệt tế bào sau chiếu xạ Nói cách khác độ nhạy cảm tế bào khả đáp ứng tế bào đối với tác dụng tia phóng xạ nó ngược với sức đề kháng phóng xạ tế bào Giá trị độ nhạy cảm không cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố 117 * Định luật độ nhạy cảm phóng xạ (đối với tia X): Các tia X tác dụng mạnh lên tế bào có khả phân chia mạnh, tế bào xa giai đoạn cuối trình phân bào, tế bào có cấu trúc chức chưa biệt hố Chính mà tổ chức ung thư có độ nhạy cảm phóng xạ cao tổ chức lành, sở việc sử dụng xạ trị để điều trị ung thư 6.2.2.3 Tổn thương mô Sự hư hại nhiều tế bào có thể dẫn đến tổn thương mô Tổn thương mô xạ bị ảnh hưởng nhiều yếu tố mà trước hết độ nhạy cảm phóng xạ loại mô khác Có thể chia loại mô có độ nhạy cảm khác nhau: - Rất nhạy cảm: tủy xương, tổ chức limpho, tổ chức sinh dục, niêm mạc ruột - Nhạy cảm vừa: da niêm mạc tạng - Nhạy cảm trung bình: mơ liên kết, mao mạch sụn xương - Nhạy cảm thấp: xương, phủ tạng, tuyến nội niết - Rất nhạy cảm: bắp, nơron thần kinh Sau mô tả tổn thương số mô đặc biệt: + Máu quan tạo máu (tuỷ xương): Biểu sớm tác dụng tia phóng xạ thay đổi hình ảnh tế bào tạo máu tuỷ xương số lượng tế bào máu ngoại vi Ở tủy đồ, xảy sụt giảm hồng cầu đến bạch cầu đa nhân Trong máu ngoại vi ngược lại, số lượng tế bào máu giảm trước hết dòng bạch cầu tế bào dòng lymphocyt, bạch cầu đa nhân, tiểu cầu cuối dòng hồng cầu Sự suy giảm tế bào máu gây bệnh cảnh suy tuỷ, giảm tế bào máu (xanh, yếu) giảm sức đề kháng thể, dễ xuất huyết + Bào thai: Tuỳ vào tuổi thai liều lượng chiếu xạ mà mức độ tổn thương có thể theo mức độ: Bào thai bị chết, dị tật bẩm sinh, ảnh hưởng đến phát triển thai nhi + Các mơ sinh dục: Bức xạ ion hố có thể tiêu diệt tế bào sinh sản tinh trùng mô sinh dục nam Người ta thấy với liều - Gy có thể gây nên chứng vô sinh nam giới Liều LD50 đối với nang buồng trứng 0,1 Gy Ngoài việc tiêu diệt tế bào buồng trứng gây vô sinh nữ, tác dụng sinh học tia phóng xạ gây nên rối loạn hoocmon tế bào buồng trứng biểu chứng rối loạn kinh nguyệt + Da niêm mạc: xuất sau thời kỳ tiềm tàng - tuần Triệu chứng: Viêm đỏ da, niêm mạc, tiếp đó viêm da khô, loét Viêm da khơ: Da bị teo, bóng, khơ tiết mồ hơi, biến đổi màu sắc tích nhiều sắc tố bề mặt da Viêm ướt: Các tổ chức da bị loét, nhiễm trùng, hoại tủy tổ chức xuống mô sâu Tổn thương da phụ thuộc nhiều vào liều lượng: + lần với 10Gy/lần: gây viêm da đỏ + lần với 15Gy/lần: gây viêm da khô + lần với 30Gy/lần: gây hoại tử da 118 + lần với 25 - 40Gy/lần: gây loét dạ dày, loét giác mạc, đục thủy tinh thể dẫn đến mù Tùy vào vị trí niêm mạc mà tổn thương có triệu chứng khác nhau: niêm mạc dạ dày, ruột, đường hô hấp, Trong niêm mạc thường có tuyến tiết, tổn thương niêm mạc làm ảnh hưởng đến việc sản sinh loại dịch tuyến đảm nhận dịch dạ dày, dịch ruột 6.2.2.4 Tổn thương toàn thân Biểu toàn thân tổn thương xạ gọi bệnh phóng xạ Bệnh nhiễm xạ cấp có thể có nhiều hình thái khác phụ thuộc vào liều lượng phóng xạ Bệnh phóng xạ sinh bị chiếu hoặc nhiễm chất phóng xạ vào thể hoặc hai Bệnh phóng xạ chia làm hai loại: - Bệnh phóng xạ cấp tính: thể bị chiếu tồn thân liều lượng nhỏ liên tiếp hoặc liều lớn thời gian ngắn Mức độ nhiễm xạ phụ thuộc vào liều lượng xạ Với tiến công tác an tồn phóng xạ bệnh phóng xạ cấp tính có thể gặp tai nạn hạt nhân điều trị phóng xạ liều Bệnh có thể phát triển theo giai đoạn: + Giai đoạn khởi phát: thường kéo dài - ngày đầu + Giai đoạn tiềm ẩn: Hệ thần kinh sau bị kích thích chuyển sang trạng thái ức chế Các biểu giai đoạn khởi phát có thể bị lắng xuống Giai đoạn có thể kéo dài vài tuần + Giai đoạn toàn phát: Các triệu chứng bộc lộ ạt, đầy đủ với thể lâm sàng rõ Nếu không chạy chữa gây hậu xấu + Giai đoạn phục hồi: Do sức đề kháng thể thể nhẹ hoặc điều trị có thể phục hồi hoàn toàn hoặc để lại di chứng - Bệnh phóng xạ mãn tính: Xuất thể bị chiếu liều nhỏ thời gian dài, có thể gặp người nghề nghiệp phải thường xuyên tiếp xúc với phóng xạ Sự nhiễm xạ xảy có thể bị chiếu từ vào thể hoặc nhiễm chất phóng xạ vào bên Tổn thương có thể xuất sớm hoặc muộn, có thể xuất toàn thân hoặc phủ tạng đó thể Biểu toàn thân bệnh gồm thể lâm sàng máu (kể bệnh bạch huyết), hệ tiêu hóa, ung thư, giảm tuổi thọ tổn thương di truyền Bệnh nhiễm xạ mãn có thể diễn biến thành giai đoạn: + Giai đoạn 1: Xuất triệu chứng không đặc hiệu như: mệt mỏi, nhức đầu, yếu ốm, dễ bị kích thích Xét nghiệm máu có thể có thay đổi không nhiều tăng hoặc giảm bạch cầu, tăng hồng cầu lưới, giảm tiểu cầu mạch ngoại vi Nếu phát kịp thời, ngừng tiếp xúc với phóng xạ có thể nhanh chóng phục hồi sức khỏe + Giai đoạn 2: Các triệu chứng chủ quan thay đổi công thức máu tăng lên Có thể xuất tổn thương da niêm mạc 119 + Giai đoạn 3: Xuất thể lâm sàng rõ xuất bệnh máu trắng, đục thủy tinh thể, suy tủy xương, rối loạn kinh nguyệt giảm khả sinh sản, viêm loét da niêm mạc, ung thư - Tác dụng gây ung thư tia phóng xạ: Ung thư có thể xuất sớm hoặc muộn sau chiếu lượng lớn hoặc tích luỹ liều nhỏ Cơ chế gây ung thư có giả thuyết: Tia phóng xạ có thể tăng xác suất đột biến gen tế bào bị chiếu xạ, hoặc tia phóng xạ kích thích tác dụng gây ung thư virut đặc hiệu tại đó Giai đoạn tiềm tàng bệnh ung thư có thể kéo dài tới 30 năm Riêng đối với bệnh máu trắng giai đoạn tiềm tàng thường ngắn 6.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA 6.3.1 Ảnh hưởng chất lượng tia Tác dụng sinh học chùm tia phụ thuộc vào số lượng cặp ion hoá Khả ion hoá phụ thuộc chất tia lượng tia Trong vật lý: LET (hệ số truyền lượng) diễn đạt khả ion hoá tia phóng xạ LET cao ion hố mạnh Vậy chất, lượng tia ảnh hưởng đến tác dụng xạ ion hố Ví dụ: Loại tia phóng xạ Tia gama từ nguồn 60Co Tia Beta 0,6 KeV Chùm hạt nơtron Chùm hạt anphal Giá trị LET Tác dụng sinh học 0,3 5,5 45,5 110,0 Thấp Cao 6.3.2 Tác dụng liều lượng, suất liều yếu tố thời gian - Liều chiếu yếu tố quan trọng định tính chất tổn thương sau chiếu xạ Liều lớn tổn thương nặng, xuất sớm Liều chiếu (R) Tổn thương - Triệu chứng lâm sàng 25R Liều ngưỡng, dưới liều đó chưa có dấu hiệu lâm sàng 25R – 100R Giảm bạch cầu lympho Liều 75R coi liều công 100r Buồn nôn, nôn 100R - 200R Giảm bạch cầu rõ rệt kéo dài, xuất triệu chứng bệnh nhiễm xạ cấp tính, gây tử vong 50% trường hợp xuất nhiễm xạ cấp liều 150R 200R Giảm tất loại tế bào máu 225R Xuất bệnh nhiễm xạ 100% 250R Tử vong xảy 5% trường hợp bệnh nhiễm xạ 120 400R Tử vong 50% vòng 30 ngày đầu 600R Tử vong 95% vòng 30 ngày đầu > 600R Tử vong 100% - Cùng với yếu tố liều lượng, yếu tố thời gian có vai trò quan trọng Thực nghiệm cho thấy: Nếu chiếu toàn thân chuột liều 25r ta không quan sát thấy tổn thương Nếu tiếp tục chiếu liều đó liên tục 10 ngày đến ngày cuối xuất triệu chứng chiếu lần với liều lượng 250r Nếu giảm suất liều xuống 5r/1lần phải sau 60 lần chiếu mới thấy tổn thương đó Như có tượng tích luỹ liều thể chuột Nếu giảm suất liều xuống 3r/1lần hoặc 1r/1lần không thấy tổn thương xuất dù liều tổng cộng lên tới 250 - 300r Như liều lượng chia nhỏ rải thời gian dài tác dụng sinh học giảm Người ta cho thời gian suất liều tạo hội cho tổ chức sinh học khắc phục bồi bổ trở lại tổn thương trước đó Suất liều nhỏ, thời gian suất liều dài tổn thương khả phục hồi lớn để có thể không xuất tổn thương có hoặc xuất sau tổng liều lớn Tùy mục đích cơng việc, tùy mơ đối tượng chiếu mà người ta lựa chọn liều lượng tổng cộng, suất liều thời gian cách quãng hai lần chiếu cho thích hợp cơng việc thực tế Với liều hấp thụ nhau, thời gian chiếu kéo dài làm giảm hiệu ứng sinh học xạ Nguyên nhân giải thích khả phục hồi thể mức liều khác Với liều nhỏ, tốc độ phát triển tổn thương cân với mức độ phục hồi thể Nếu tăng suất liều lên trình phục hồi giảm xuống, mức tổn thương tăng lên, hiệu ứng sinh học tăng lên Trong điều trị chiếu xạ, để đạt tác dụng điều trị định trước cần phải có liều tích luỹ đủ lớn suất liều thích hợp thời gian chiếu kéo dài 6.3.3 Ảnh hưởng môi trường chiếu - Diện tích chiếu: Mức độ tổn thương sau chiếu xạ cịn phụ thuộc nhiều vào diện tích chiếu, chiếu phần (chiếu cục bộ) hay chiếu toàn thể Liều tử vong chiếu xạ toàn thân thường thấp nhiều so với chiếu xạ cục - Hiệu ứng nhiệt độ: Giảm nhiệt độ làm giảm tác dụng xạ ion hoá Hiện tượng giải thích nhiệt độ xuống thấp, tốc độ vận chuyển gốc tự (được tạo nên xạ phân phân tử nước) tới phân tử sinh học giảm xuống, dẫn đến giảm số phân tử sinh học bị tổn thương chiếu xạ Hiệu ứng có ý nghĩa thực tế Người ta áp dụng kỹ thuật xạ trị điều kiện tăng nhiệt độ để bảo quản chế phẩm sinh học có gắn phóng xạ người ta hạ nhiệt độ đến mức đóng băng để giảm chế tác dụng gián tiếp xạ - Hiệu ứng oxy: Độ nhạy cảm phóng xạ sinh vật tăng theo nồng độ oxy, giảm nồng độ oxy giảm Khi tăng nồng độ oxy, lượng H2O, H2O2 tạo nhiều làm tăng số phân tử sinh học bị tổn thương chiếu xạ Hiệu ứng oxy tăng dần đến giá trị oxy điều kiện bình thường khơng khí (21%), sau đó tăng cao hiệu ứng khơng cịn tác dụng Hiệu ứng oxy thể 121 rõ nét xạ có khả ion hoá thấp, với xạ có khả ion hoá cao alpha, proton hiệu ứng biểu hoặc không biểu - Hàm lượng nước: Hàm lượng nước lớn gốc tự tạo nhiều, số gốc tự tác động lên phân tử sinh học tăng đó hiệu ứng sinh học tăng lên - Các chất bảo vệ: Qua nghiên cứu người ta thấy có số chất đưa vào thể bị chiếu có tác dụng làm giảm hiệu ứng xạ ion hoá Năm 1942 Deili người nhận thấy thioure có tác dụng chống phóng xạ Sau đó số chất khác systein, MEA (mercaptoethylamin)… chứng minh có tác dụng chống phóng xạ Ngày nay, người ta tìm nhiều chất có nguồn gốc từ động, thực vật có tác dụng trên, nhiên chế tác dụng chúng chưa giải thích đầy đủ 6.4 ỨNG DỤNG CỦA TIA PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC 6.4.1 Ứng dụng tia phóng xạ chẩn đoán - Cơ sở: dựa sở phương pháp nguyên tử đánh dấu hấp thụ xạ khác tế bào mô mô lành mô bệnh - Yêu cầu: lựa chọn đồng vị phóng xạ có độc tính phóng xạ thấp, dễ thu nhận máy đo xạ, chu kỳ bán rã không ngắn hoặc dài quá, thải trừ khỏi thể thời gian không dài Ví dụ: P32 có T = 14,5 ngày, phát tia β có lượng 1,7 MeV Dùng để chẩn đoán điều trị bệnh máu, điều trị giảm đau di ung thư xương, I131 có T = 8,05 ngày, phát tia β có lượng 0,2 MeV tia γ có lượng 0,008; 0,282; 0,363; 0,637 MeV Dùng để chẩn đoán chức tuyến giáp, chức thận, hấp thụ đường tiêu hoá - Phân loại: phương pháp chẩn đoán đồng vị phóng xạ phân thành nhóm chính: + Chẩn đốn tồn thể bệnh nhân (in vivo) + Chẩn đoán dịch thể sinh vật nước tiểu, máu hay tổ chức tế bào (in vitro) - Các phương pháp chẩn đốn: dựa theo tính chất kỹ thuật phương tiện nghiên cứu người ta chia thành phương pháp sau: + Xạ kế ống nghiệm: phương pháp xác định độ phóng xạ mẫu (xạ kế invitro) Tuỳ theo yêu cầu chẩn đoán mà người ta đưa đồng vị phóng xạ vào thể, sau đó lấy mẫu máu, nước tiểu, dịch thể sinh vật Căn vào trang bị máy móc có thể đo toàn khối lượng dịch thể hoặc đo phần nhỏ tính độ phóng xạ tồn (Ví dụ: xác định lượng máu lưu hành thể) + Xạ kế lâm sàng: dùng để theo dõi tích tụ chất phóng xạ tổ chức quan đó thể Ví dụ: Đo độ tập trung Iode tại tuyến giáp, mức độ hấp thụ Na tổ chức mô, Thường dùng trường hợp cần đo xạ lần hoặc nhiều lần cách khoảng thời gian định Giá trị đo biểu thị tỷ số phần trăm so với tổng số lượng chất phóng xạ đưa vào hoặc so với độ phóng xạ khu vực lành cần đối chứng 122 + Xạ ký lâm sàng: phương pháp sau khối khuếch đại người ta thay tự ghi cho đếm xung, đó kết hoạt tính phóng xạ biểu diễn thành đường cong liên tục theo thời gian xạ thận đồ, xạ tâm đồ, xạ não đồ + Xạ hình: phương pháp ghi hình ảnh phân bố phóng xạ bên phủ tạng cách đo hoạt độ phóng xạ chúng từ bên thể Phương pháp tiến hành qua bước: • Đưa dược chất phóng xạ (DCPX) DCPX đó phải tập trung mô, quan định nghiên cứu phải lưu giữ đó thời gian đủ dài • Sự phân bố khơng gian DCPX ghi thành hình ảnh Hình ảnh gọi xạ hình đồ, ghi hình nhấp nháy Xạ hình khơng phương pháp chẩn đốn hình ảnh đơn hình thái mà nó giúp ta hiểu đánh giá chức quan, phủ tạng số biến đổi bệnh lý khác Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân Ngoài việc ứng dụng tia phóng xạ y học nêu trên, người ta dùng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân việc chẩn đốn bệnh cách xác an tồn So với chụp ảnh cắt lớp tia X (X-ray computed tomography) vài cách chụp ảnh dùng hạt nhân phóng xạ, phương pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân có ưu điểm lớn không đưa vào thể người xạ ion hóa Khi chụp ảnh, thể người chịu ba tác dụng vật lí: từ trường tĩnh mạnh, biến thiên gradien từ trường sóng radiô Từ trường tĩnh thường sử dụng vào cỡ Tesla trở lên, mạnh gấp 20.000 lần từ trường Trái Đất Theo nhiều kết nghiên cứu từ trường mạnh vào cỡ đó chí đến 2,5 Tesla chưa có tác hại đến thể Cịn gradien từ trường biến thiên mạnh gây thể dòng điện cảm ứng với mật độ dòng vào cỡ 1μA/cm2 Giá trị nhỏ không gây hại Dưới tác dụng sóng rađio chiếu vào, thể hấp thụ hết 0,7 W, tương ứng có thể làm nhiệt độ thể tăng cỡ 0,1 - 0,2o C Điều hạn chế phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân thể không có mảnh kim loại, vật liệu từ, thí dụ mảnh bom, viên đạn sót lại Nếu có, dưới tác dụng từ trường loại vật liệu từ bị hút mạnh nóng lên Đặc biệt người dùng máy trợ tim, đưa vào từ trường mạnh, máy bị hỏng người mang máy khó tránh khỏi tử vong Phương pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân có nhiều ưu điểm so với phương pháp chụp ảnh cắt lớp khác y học Tín hiệu cộng hưởng dùng tạo độ đậm, nhạt, đen, trắng hay màu sắc ảnh nhạy cảm với cấu tạo, tổ chức sinh học thể Vì ảnh dễ thấy rõ đâu máu, đâu mỡ, đâu não… ứng với xương màu trắng đục, chỗ ứng với máu có màu đỏ, chỗ ứng với mỡ có màu vàng nhạt v.v… Trên ảnh, tổ chức, chỗ bất thường mạch máu bị rạn nứt, máu rỉ ngoài, khối u nhỏ chèn dây thần kinh… dễ phân biệt phát hiện, đó người bác sĩ dễ dàng nhận định chẩn đoán bệnh 6.4.2 Ứng dụng tia phóng xạ điều trị 123 - Cơ sở việc dùng đồng vị phóng xạ điều trị hiệu ứng sinh vật học xạ ion hoá thể sống Độ nhạy cảm phóng xạ loại tế bào mô khác nhau, đặc biệt tế bào ung thư tế bào phát triển mạnh nhạy cảm với tia xạ Do chiếu liều xạ tiêu diệt mơ ung thư cịn mơ bình thường khơng có biến đổi nguy hiểm Đó nguyên tắc điều trị tia phóng xạ - Các phương pháp điều trị: + Điều trị chiếu ngoài: Sử dụng máy phát tia γ cứng máy gia tốc để huỷ diệt tổ chức bệnh Đây phương pháp chủ yếu điều trị ung thư Mục tiêu phải đưa liều xạ mạnh để tiêu diệt tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến tế bào lành, phải chiếu phân đoạn thành nhiều liều nhỏ chiếu từ nhiều phía Ví dụ: Sử dụng tác dụng sinh học tia Gamma từ nguồn Co 60 hay tia X từ máy gia tốc vòng, để điều trị nhiều loại ung thư ung thư vòm họng, ung thư vú, ung thư bàng quang + Điều trị áp sát: Dùng dao Gamma để điều trị bệnh máu hay điều trị tổ chức da (u máu nông) áp P32 Phương pháp đưa nguồn tới sát vị trí cần chiếu qua hệ thống ống dẫn gọi phương pháp điều trị áp sát nạp nguồn sau Ví dụ: điều trị áp sát để điều trị nhiều loại ung thư, đặc biệt ung thư hốc tự nhiên thể ung thư trực tràng, ung thư cổ tử cung, + Điều trị chiếu (điều trị nguồn hở) Nguyên lý phương pháp: dựa định đề Henvesy (1934): Cơ thể sống không phân biệt đồng vị nguyên tố Điều đó có nghĩa đưa vào thể sống đồng vị nguyên tố chúng tham gia vào phản ứng sinh học chịu chung số phận chuyển hố Vì vậy, biết nguyên tố hoá học hoặc chất đó tham gia vào q trình chuyển hố tổ chức hoặc quan đó thể, thuốc phóng xạ tập trung tại tổ chức bệnh phát huy tác dụng điều trị Ví dụ: - Điều trị bệnh lý tuyến giáp trạng (Basedow, ung thư, ) I-131 Phương pháp sử dụng tác dụng sinh học xạ β nguồn phóng xạ để tiêu diệt tế bào tuyến giáp Do tuyến giáp háo iode, nên bệnh nhân uống iode phóng xạ, thuốc tập trung tại tuyến giáp tổ chức di để diệt tế bào bệnh Bức xạ β có quãng đường mô ngắn cỡ vài cm, đó có tác dụng tại chỗ mà không ảnh hưởng đến tế bào lành xung quanh - Điều trị giảm đau di ung thư xương P-32, Sr-89, Sm-153 Đây phương pháp điều trị giảm đau hiệu quả, không gây nghiện, tác dụng thuốc kéo dài - Ngoài ra, dược chất phóng xạ dùng để điều trị nhiều bệnh lý khác Như bệnh máu (đa u tuỷ, bệnh bạch huyết, bệnh đa hồng cầu ) hay số ung thư khơng có định phẫu thuật hố trị liệu 6.5 CÁC NGUYÊN TẮC VỀ KIỂM SOÁT VÀ AN TOÀN PHÓNG XẠ 6.5.1 Những nguồn chiếu xạ ảnh hưởng đến người - Nguồn tự nhiên: Tia vũ trụ, nguồn phóng xạ tự nhiên K40, C14, H3 Tác dụng lên tủy xương: D C = 122mR/năm 124 Tác dụng lên quan sinh dục: DC = 125mR/năm - Nguồn nhân tạo: + Ơ nhiễm mơi trường + Công nghiệp sử dụng nguồn hở: I131, P32, U, Ra, Th, Ac + Các vụ nổ hạt nhân: 13755Cs, 9038Sr, 8938Sr Vụ nổ TekNoBull (Ukrain) đêm ngày 26/4/1986, nguyên liệu bùng nổ trải rộng 200000km2 Thảm họa: cơng nhân chết khơng tìm thấy xác, 29 cơng nhân sau đó chết, 1000 người mắc ung thư tuyến giáp, 9200 người mắc bệnh ung thư khác, dự báo số người chết bệnh ung thư có thể cao gấp 10 lần, kéo dài hàng trăm năm sau Hiện dùng bê tơng đổ kín 6.5.2 Các quy định liều chiếu an toàn xạ Theo Ủy ban quốc tế an toàn phóng xạ (CIRP - International Committee Of Radiation Protection): 1950: 0,2r/ngày  0,1R/ngày (20mSv/ngày  10mSv/ngày) 1954: 0,3r/tuần (r: rad; R: Rơnghen; Sv: Sievert) 1956: 0,1r/tuần  5R/năm (50mSv/năm) Ngày nay: Liều < 25R/lần - Chiếu xạ nghề nghiệp: Liều giới hạn 20mSv/năm (cho chiếu xạ chiếu xạ trong) Một số lưu ý: có thể chấp nhận liều tối đa 50mSv/năm năm đó liều chiếu trung bình năm 20mSv/năm Đối với công việc cứu chữa khẩn cấp để hạn chế tai nạn, liều chiếu có thể cho phép tối đa 500mSv/năm cho lần suốt trình hoạt động nghề nghiệp Giới hạn không khác cho nam nữ Phụ nữ có thai hoặc cho bú không tiếp xúc với nguồn phóng xạ hở Liều giới hạn suốt thời gian có thai 2mSv/năm - Chiếu xạ với dân cư: Liều giới hạn 1mSv/năm Trường hợp đặc biệt có thể chấp nhận tăng liều năm vòng năm phải đảm bảo liều chiếu trung bình 1mSv/năm 6.5.3 Các biện pháp chủ yếu để đảm bảo an tồn phóng xạ 6.5.3.1 Các phương pháp bảo vệ làm việc với nguồn xạ kín Nguồn xạ kín nguồn có kết cấu kín chắn, khơng để chất phóng xạ nguồn lọt mơi trường bên ngồi sử dụng, bảo quản vận chuyển Các nguồn xạ kín dùng y tế máy chụp chiếu X quang, nguồn Co 60, Cs - 137, Kim Radi dùng để điều trị khối u… Như nhân viên làm việc với nguồn kín có thể bị chiếu ngoài, biện pháp bảo vệ đặt điều kiện đó là: - Bảo vệ rút ngắn thời gian tiếp xúc 125 Rút ngắn thời gian tiếp xúc với phóng xạ biện pháp đơn giản có hiệu để giảm liều chiếu Muốn nhân viên phải luyện tập thao tác thành thạo chuẩn bị kỹ lưỡng trước bắt đầu công việc tiếp xúc với nguồn phóng xạ Trong chụp chiếu X quang, có thể giảm liều chiếu cho nhân viên bệnh nhân phòng X quang thực tối thày thuốc trước đó ngồi phịng đủ lâu để mắt thích nghi với bóng tối - Bảo vệ tăng khoảng cách với nguồn phóng xạ Tăng khoảng cách từ nguồn tới người làm việc biện pháp đơn giản đáng tin cậy Để tăng khoảng cách người ta thường dùng biện pháp sau: Sử dụng cặp dài, thao tác từ xa Trong sở đặc biệt có dùng nguồn phóng xạ có hoạt tính cao người ta thường dùng người máy hoặc thiết bị điều khiển tự động - Bảo vệ che chắn: Khi kéo dài khoảng cách người ta dùng che chắn để hấp thụ phần lượng xạ Theo công dụng, chắn chắn chia làm loại: + Tấm chắn dạng bình chứa (cơngtenơ) chủ yếu dùng để bảo quản vận chuyển chất phóng xạ trạng thái không làm việc, muốn chuyển sang trạng thái làm việc, cửa sổ bình chứa mở + Tấm chắn thiết bị bao bọc toàn nguồn phát trạng thái làm việc có tác dụng che chắn để cơng suất liều bên ngồi khơng vượt q mức cho phép + Tấm chắn di động để bảo vệ chỗ làm việc nhân viên thường di chuyển vùng định (ví dụ chắn bác sĩ chụp X quang) + Tấm chắn phận cơng trình xây dựng: tường, trần, cửa nhà thiết kế đặc biệt để bảo vệ cho vùng lân cận + Tấm chắn bảo hiểm cá nhân áo giáp, kính chì, quần áo, găng tay, ủng pha chì dùng để bảo vệ cho nhân viên bệnh nhân trình chẩn đoán điều trị phóng xạ 6.5.3.2 Các nguyên tắc bảo vệ làm việc với nguồn phóng xạ hở Nguồn phóng xạ hở nguồn mà chất phóng xạ có thể làm ô nhiễm môi trường sử dụng Nhân viên làm việc với nguồn phóng xạ hở có nguy bị chiếu bị chiếu chất phóng xạ có thể thâm nhập vào thể qua đường hơ hấp, tiêu hố, da Do đó cần thực hai biện pháp: An toàn chống chiếu an toàn chống chiếu Do cần thực tất biện pháp bảo vệ làm việc với nguồn phóng xạ kín, ngồi cịn phải ý thêm biện pháp sau đây: - Phân vùng làm việc: Vùng làm việc sở có sử dụng phóng xạ hở phân theo nguyên tắc: Liều phóng xạ giảm dần từ ngoài, hoặc từ dưới lên có nhiều tầng - Thơng khí: Nhằm giữ cho nơi làm việc có hoạt tính phóng xạ thấp Gió thổi từ nơi có hoạt tính phóng xạ cao đến nơi có hoạt tính thấp Có thể kết hợp thơng khí với lọc khí để giữ bụi, thơng thường dùng tủ hốt Labo 126 - Thường xuyên kiểm tra ô nhiễm phóng xạ: Đo ô nhiễm bề mặt làm việc đo nhiễm xạ thể - Xử lí chất thải phóng xạ, đặc biệt y tế công nghiệp 6.5.3.3 Đối với nhân viên xạ Là người phải thường xuyên tiếp xúc với nguồn xạ cần áp dụng biện pháp sau để hạn chế liều nhiễm đề phòng rủi ro: - Thực đầy đủ nội quy vệ sinh cá nhân - Khi làm việc phải sử dụng phương tiện phòng hộ cá nhân quần áo phòng hộ, mũ, găng tay, áo chì, tạp dề chì để phù hợp với loại công việc - Tuân thủ quy tắc an tồn xạ - Khơng dùng mồm hút pipet phóng xạ - Không hút thuốc, ăn uống, trang điểm phịng làm việc có tính phóng xạ - Trước khỏi nơi làm việc với chất phóng xạ, phải kiểm tra nhiễm bẩn phóng xạ tay, quần áo Người nhiễm bẩn phóng xạ phải tẩy xạ theo quy định - Theo dõi chiếu xạ cá nhân: Việc theo dõi liều chiếu cá nhân thường xuyên việc làm cần thiết quan trọng giúp việc theo dõi liều chiếu người tạo cảm giác yên tâm, an toàn làm việc với nguồn phóng xạ - Kiểm tra sức khoẻ định kỳ: Mục đích việc kiểm tra tránh đưa người không phù hợp sức khỏe vào làm công việc có tiếp xúc với nguồn phóng xạ ngăn chặn tai nạn phóng xạ thiếu sức khoẻ 6.5.3.4 An toàn cho bệnh nhân Bảo vệ bệnh nhân chẩn đoán điều trị xạ cần quan tâm Mục đích tránh cho bệnh nhân bị chiếu xạ không cần thiết hạn chế liều thấp đảm bảo yêu cầu chẩn đoán điều trị Để đạt mục tiêu cần tuân thủ nguyên tắc: - Chỉ định đúng: + Mọi phương pháp chẩn đoán điều trị xạ phải định thầy thuốc phóng xạ phải cân nhắc kỹ lưỡng xem có thực cần thiết không dựa việc so sánh với phương pháp khác lợi ích thiệt hại Khi có hai phương pháp chẩn đoán điều trị đưa đến kết khơng dùng phương pháp phóng xạ + Tham khảo thông tin lần khám trước để tránh có kiểm tra bổ sung không cần thiết + Tránh dùng chất phóng xạ cho phụ nữ có thai, nghi có thai hoặc cho bú, trừ có định lâm sàng bắt buộc Trong trường hợp đó phải sử dụng biện pháp cần thiết để giảm liều tối thiểu cho thai nhi + Chỉ dùng dược chất phóng xạ cho trẻ em không có phương pháp khác thay - Tận giảm liều chiếu: Giảm liều chiếu cho bệnh nhân mức thấp đạt mục đích khám chữa bệnh 127 + Máy móc, thiết bị phải đảm bảo thông số kỹ thuật + Đảm bảo chất lượng phim chụp để đưa thông tin xác, tránh cho bệnh nhân phải chụp nhiều lần + Khu trú trường nhìn chụp chiếu mức tối thiểu cần thiết biện pháp có hiệu việc tận giảm liều chiếu vơ ích cho bệnh nhân 6.5.3.5 Bảo vệ môi trường - Nguồn ô nhiễm môi trường: + Thử vũ khí hạt nhân + Các sở khai thác sử dụng nguyên liệu hạt nhân: mỏ khai thác Uran, nhà máy làm giàu, nhà máy chế biến nguyên liệu hạt nhân, + Các quan, xí nghiệp, phịng thí nghiệm, bệnh viện sử dụng đồng vị phóng xạ - Biện pháp vảo vệ môi trường: + Sử dụng công nghệ sản xuất đại, đảm bảo tạo chất lượng thải tối thiểu hạn chế đến mức thấp thẩm thấu chất phóng xạ môi trường bên ngồi + Làm vơ hại: tập trung, bảo quản xử lí đắn chất thải phóng xạ + Thực biện pháp tổ chức, vệ sinh phân vùng làm việc TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ môn Y vật lý - Lý sinh - Trường ĐH y Hà Nội - năm 2005 Lý sinh y học NXB Y học Bộ môn Vật lý - Lý sinh y học - Trường Đại học Y Thái Nguyên Xuất 2011 Giáo trình: Vật lý- Lý Sinh y học Bộ môn Vật lý - Hóa lý Trường Đại học Dược Hà Nội - năm 2014 Vật lý đại cương NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Phạm Thị Cúc (chủ biên), Tạ Văn Tùng - Bộ y tế (2014) Vật lý đại cương - NXB giáo dục - Khác: Các tài liệu trang web.vn: http://yhoctructuyen.com; http://yduocvn.com 128 129