GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC

I HC THI NGUYấN TRNG I HC Y - DC - GIO TRèNH VT Lí - Lí SINH Y HC (Dnh cho Sinh viờn i hc chớnh quy ngnh: Bỏc s a khoa, y hc d phũng, rng hm mt) THI NGUYấN - 2011 http://www.ebook.edu.vn E I HC THI NGUYấN TRNG I HC Y - DC B MễN VT Lí Lí SINH Y HC - GIO TRèNH VT Lí - Lí SINH Y HC (Dnh cho Sinh viờn i hc chớnh quy ngnh: Bỏc s a khoa, y hc d phũng, rng hm mt) Tham gia biờn son : TS Bựi Vn Thin (Ch biờn) Ths Nguyn Quang ụng Ths Nguyn Xuõn Hũa Th ký biờn son: Ths Nguyn Quang ụng THI NGUYấN - 2011 http://www.ebook.edu.vn GIO TRèNH VT Lí Lí SINH Y HC Ch biờn: TS Bựi Vn Thin Tham gia biờn son: TS Bựi Vn Thin ThS Nguyn Quang ụng ThS Nguyn Xuõn Hũa ThS Nguyn Minh Tõn CN V Th Thỳy Th ký biờn son: ThS Nguyn Quang ụng ii http://www.ebook.edu.vn MC LC LI NểI U PHN: VT Lí I CNG Phn th nht: C HC .3 Bi m u: CC KHI NIM I CNG Chng 1: DAO NG V SểNG 1.1 Chuyn ng dao ng .6 1.2 Chuyn ng súng 1.3 Súng õm 10 1.4 Hiu ng doppler v ng dng 16 Chng 2: C HC CHT LU 19 2.1 c im ca cht lu 19 2.2 Tnh hc cht lu .19 2.3 ng lc hc cht lu lý tng 21 2.4 Hin tng nht - ng dng 23 Phn th hai: NHIT HC .25 M u: CC KHI NIM C BN 25 Chng 3: CC NH LUT THC NGHIM V CHT KH 28 3.1 Thuyt ng hc cht khớ v khớ lý tng 28 3.2 Phng trỡnh trng thỏi ca khớ lý tng 30 Chng 4: CHT LNG 32 4.1 Cu to v chuyn ng phng t ca cht lng .32 4.2 Cỏc hin tng mt ngoi ca cht lng 33 4.3 Hin tng mao dn 39 4.4 Hin tng sụi, hin tng bay hi 43 Phn th ba: IN T 45 Chng 5: TNH IN 45 5.1 Khỏi nim m u 45 5.2 nh lut culụng (coulomb) .46 5.3 in trng ca cỏc in tớch im 48 5.4 in th, hiu in th .50 i http://www.ebook.edu.vn Chng 6: DềNG IN KHễNG I 49 6.1 Nhng khỏi nim m u 49 6.2 Nhng i lng c trng ca dũng in .50 Chng 7: T TRNG DềNG IN KHễNG I 54 7.1 Thớ nghim v tng tỏc t ca dũng in .54 7.2 nh lut ampe (amper) v tng tỏc t ca dũng in 55 7.3 Vect cm ng t, vect cng t trng 56 Chng 8: CM NG IN T 62 8.1 Thớ nghim v hin tng cm ng in t .62 8.2 Cỏc nh lut c bn v cm ng in t 63 8.3 Mt s trng hp c bit ca cm ng in t 65 Phn th t: QUANG HC 67 Chng 9: C S CA QUANG HèNH HC - DNG C QUANG HC 67 9.1 Cỏc nh lut c bn ca quang hỡnh hc 67 9.2 Dng c quang hc 71 Chng 10: BN CHT CA NH SNG 82 10.1 Thuyt súng in t v bn cht ca ỏnh sỏng .82 10.2 Hin tng giao thoa ỏnh sỏng .85 10.3 Hin tng nhiu x ỏnh sỏng 92 10.4 Hin tng phõn cc ỏnh sỏng .98 10.5 Thuyt lng t v bn cht ca ỏnh sỏng .99 PHN: Lí SINH Y HC 105 Chng 11: CC NGUYấN Lí NHIT NG V NG DNG TRONG Y HC.106 11.1 Nguyờn lý th nht nhit ng hc v ng dng y hc 106 11.2 Nguyờn lý th hai nhit ng hc v ng dng y hc 108 Chng 12: VN CHUYN VT CHT TRONG C TH SINH VT 113 12.1 Cỏc hin tng chuyn vt cht c bn c th sinh vt .113 12.2 S chuyn ca vt cht qua mng t bo .121 Chng 13: Lí SINH TUN HON V Lí SINH Hễ HP .134 13.1 Lý sinh tun hon 134 13.2 Lý sinh hụ hp 146 ii http://www.ebook.edu.vn Chng 14: NG DNG CA SểNG M V SIấU M TRONG Y HC .154 14.1 ng dng ca súng õm 154 14.2 ng dng ca siờu õm 162 Chng 15: CC HIN TNG IN TRấN C TH SNG 168 15.1 Hin tng in sinh vt - c ch phỏt sinh v lan truyn 168 15.2 C ch dn truyn súng hng phn t thn kinh n c 175 15.3 Tỏc dng ca dũng in lờn c th v ng dng iu tr 184 Chng 16: QUANG SINH HC 189 16.1 C ch hp th ỏnh sỏng v phỏt sỏng 189 16.2 Tỏc dng ca ỏnh sỏng lờn c th sng 199 16.3 Mt v dng c b tr 203 16.4 Laser v ng dng y hc .216 Chng 17: Y HC PHểNG X V HT NHN 226 17.1 Tia phúng x 226 17.2 Tỏc dng sinh hc ca bc x ion hoỏ 234 17.3 ng dng ca tia phúng x y hc v an ton phúng x 237 Chng 18: BC X RNGHEN (TIA X) V NG DNG .243 18.1 Hin tng bc x tia x v ng dng y hc 243 18.2 K thut chp ct lp vi tớnh v ng dng 248 Chng 19: PHNG PHP CNG HNG T HT NHN 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 TI LIU THAM KHO .264 iii http://www.ebook.edu.vn LI NểI U Vt lý hc l mt ngnh khoa hc t nhiờn nghiờn cu nhng tớnh cht, quy lut c bn v khỏi quỏt nht ca th gii vt cht Nhng thnh tu ca vt lý c ng dng rng rói nhiu lnh vc, c bit Y hc, nhng ng dng ca Vt lý hc nh: s dng cỏc k thut vt lý chn oỏn v iu tr, in tim, in tõm , in nóo , iu tr bng nhit, bng t trng, ng dng ca õm v siờu õm, chp X quang, si quang hc m ni soi, ng dng ca phúng x, chp hỡnh ct lp vi tớnh, chp cng hng t ht nhõn, mt v cỏc dng c quang hc, ng dng ca ỏnh sỏng iu tr, nhng ng dng ca laser ó lm cho ngnh Y cú mt s phỏt trin vt bc, giỳp cỏc thy thuc chn oỏn chớnh xỏc v iu tr cú hiu qu cao Ging dy mụn Vt lý - Lý sinh y hc nhm trang b cho sinh viờn ngnh Y nhng kin thc vt lý c bn nht liờn quan phc v ngnh ngh Y Dc, rốn luyn cho sinh viờn phng phỏp t khoa hc, kt hp gia lý thuyt vi thc tin, ng thi giỳp h cú th hc cỏc mụn hc khỏc nh: Sinh, Hoỏ, Hoỏ - Lý, Vt lý tr liu - phc hi chc nng, Chn oỏn hỡnh nh, y hc ht nhõn, v cỏc mụn hc khỏc cú liờn quan Giỏo trỡnh ny c biờn son theo chng trỡnh o to mi xõy dng ca trng i hc Y Dc - i hc Thỏi Nguyờn Do i tng o to ch yu l sinh viờn nỳi, nờn kh nng tip thu kin thc vt lý cú nhiu hn ch Vỡ vy vic biờn son mt giỏo trỡnh Vt lý - Lý sinh y hc va m bo tớnh c bn v h thng kin thc, phự hp vi chng trỡnh khung ca B, va phự hp vi i tng o to theo tớn ch l mt vic lm cn thit Trong quỏ trỡnh biờn son giỏo trỡnh, kh nng v kinh nghim cũn hn ch, chc chn khụng trỏnh thiu sút Chỳng tụi rt mong nhn c s gúp ý ca cỏc ng nghip v cỏc em sinh viờn giỏo trỡnh ngy cng c hon chnh hn Xin chõn thnh cm n! Thỏi Nguyờn, ngy 28 thỏng nm 2011 B MễN VT Lí - Lí SINH Y HC http://www.ebook.edu.vn PHN VT Lí I CNG http://www.ebook.edu.vn Phn th nht: C HC Bi m u: CC KHI NIM I CNG 1.1 Chuyn ng c hc L s thay i v trớ ca vt hay mt b phn ca vt khụng gian theo thi gian 1.2 Cht im L mt vt cú lng nhng cú kớch thc nh khụng ỏng k so vi nhng khong cỏch m ta ang kho sỏt Mt hp cht im gi l h cht im (Mt vt cú th coi l hp ca vụ s cht im) Cht im cú tớnh tng i Vớ d: Electron chuyn ng trờn qu o quanh ht nhõn; Trỏi t quay xung quanh Mt Tri c coi l cht im 1.3 H qui chiu Vt c chn lm mc, cựng vi h to v mt chic ng h gn lin vi nú, xỏc nh v trớ z ca vt khỏc, gi l h qui chiu 1.4 Phng trỡnh chuyn ng ca cht im M(x, y, z) Trong h to cỏc, v trớ ca cht im M ti mt thi im no ú c xỏc nh bi to x, x G y, z hoc bi bỏn kớnh vộc t r , u l nhng hm ca y thi gian x = x(t); y = y(t); z = z(t) G G r = r(t) Cỏc phng trỡnh trờn gi l cỏc phng trỡnh chuyn ng ca cht im 1.5 Qu chuyn ng Qu o chuyn ng l ng m cht im vch khụng gian chuyn ng Mun xỏc nh c dng qu o, ta phi tỡm phng trỡnh qu o Phng trỡnh qu o l phng trỡnh biu din mi quan h gia cỏc to Vớ d: y = ax2 + bx +c (Qu o parabol) http://www.ebook.edu.vn 1.6 Tớnh cht tng i ca chuyn ng Chuyn ng cú tớnh tng i, tu theo h qui chiu ta chn, mt vt cú th coi l ng yờn hay chuyn ng Vớ d: Mt ngi ang ng yờn trờn tu ho, nhng li chuyn ng so vi ct cõy s bờn ng 1.7 n v o lng Mi mt thuc tớnh ca mt i tng vt lý c c trng bi mt hay nhiu i lng vt lý Mt nhng c bn ca vt lớ hc l o lng cỏc i lng vt lý Ngi ta phi chn mt i lng lm mu gi l n v T nm 1965 ngi ta ó chn h o lng quc t SI (System International - H quc t) Bng 1.1 By i lng vt lý c bn h SI Tờn i lng Ký hiu Tờn n v Ký hiu n v Chiu di L met m Khi lng M kilogam kg Thi gian T giõy s Cng dũng in I ampe A Cng sỏng J candela Cd Nhit Kelvin K Lng vt cht N mol Mol Mun biu din nhng s rt nh hay rt ln, ngi ta dựng lu tha 10 Vớ d: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9m Bng 1.2 Tha s Tờn tin t Ký hiu Tha s Tờn tin t Ký hiu 1012 Tera T 10-1 dexi D 109 Giga G 10-2 centi C 106 Mega M 10-3 mili M 103 Kilo K 10-6 micro 102 Hecto H 10-9 nano N 101 Deca D 10-12 pico P http://www.ebook.edu.vn - i vi mỏy Xquang thng qui, tt c thụng tin nm trờn phim, cũn CTS thỡ ton b thụng tin b nh v ngi iu khin chnh lý mỏy chn hỡnh nh cú ý ngha chn oỏn Khi cn thit, ngi thy thuc cú th lm hin li hỡnh nh ca cỏc b phn chp ca bnh nhõn - Ging Xquang, ụi CTS bnh nhõn cũn c ung hoc tiờm thuc cn quang lm ni bt s i quang 18.2.4 An ton bc x i vi tia X 18.2.4.1 Bo v cho cỏn b nhõn viờn * Gim ti a s tip xỳc vi bc x: - Trc tin hnh chp chiu, phi chc chn l cỏc ca phũng X quang ó c úng kớn - Khụng chựm tia X ri vo cỏc ca s ca phũng, hoc trc tip ri vo tng, tr trng hp c bit - Tt c nhõn viờn lm vic nu khụng ng sau tm chn thỡ phi mc ỏo bo v v cn thit phi eo gng tay - Cỏc thit b che chn ca mỏy X quang c nh cng nh X quang c ng u phi b trớ cho cú th che chn tt nht chng bc x khuch tỏn - Cỏn b nhõn viờn X quang nu cn gi bnh nhõn chiu chp, cn mc ỏo bo v, eo gng tay, ng sang mt bờn trỏnh b mỏy phỏt tia X ri vo trc tip - Thit b X quang ó b h hng thỡ khụng c dựng, ch no kim tra li thy t tiờu chun mi c s dng * Yờu cu c bit vi mỏy X quang c ng: Khi mỏy X quang c ng c a khoa X quang n mt bung bnh no ú thỡ phi tuõn theo nhng nguyờn tc sau õy: - Phi kim tra hng v kớch c ca chựm tia X - Phi thit k che chn ti ni mỏy s hot ng - Phi m bo tia X khụng chiu vo nhng bnh nhõn khỏc bung bnh (trc tip hoc tỏn x) - Ngi iu khin mỏy phi cỏch xa ngun búng phỏt x ti thiu v phi mc qun ỏo bo v 250 http://www.ebook.edu.vn * Ch kim tra theo dừi: Nhõn viờn cn eo phim hoc mt thit b o liu (bỳt o, cỏc thit b o bng nhit hunh quang ) tt c thi gian lm vic Khi mc qun ỏo bo v, thit b o liu cn phi o ci t phớa ca ỏo bo v Nu nhõn viờn lm vic phi kim tra X quang cho bn thõn thỡ phi thỏo thit b o liu ngi Nu l nhit hunh quang thỡ phi gi v trung tõm kim tra c kt qu theo nh k, nu l loi bỳt o liu t c c thỡ cn ghi chộp tng thỏng sau ú li a v s khụng tip o cho thỏng sau 18.2.4.2 Bo v cho bnh nhõn * Nguyờn tc chung: im khỏc c bn gia ngi bnh v nhõn viờn l ngi bnh c nhiu ớch li chiu chp X quang: hiu c bnh tt c th cú phng hng x lý iu tr v nh vy X quang mang li li ớch cho ngi bnh nhiu hn l gõy hi Nu thy chiu chp X quang khụng cn thit bng cỏc xột nghim khỏc thỡ khụng nờn dựng X quang Ch dựng X quang no thy tt hn cỏc bin phỏp chn oỏn khỏc i vi trng hp bnh lý ú Cn cõn nhc li hi i vi tr em v ph n cú thai dựng X quang * Bin phỏp c th + Gim thiu s tip xỳc vi phúng x: - Nờn dựng nhng bin phỏp v k thut tt nht hn ch mc chiu x cho bnh nhõn - Nờn chp ớt phim nht Chp vi din tớch cng nh cng tt + Phi hng chựm tia X vo ỳng ch cn thit: trỏnh chiu vo ngc v b phn sinh dc + Che chn: nu cú th c phi dựng chỡ (khong 1mm) che chn vựng sinh dc nu phi khỏm xột nhng b phn lõn cn Trng hp b a chn thng, ln khỏm u tiờn khụng c che chn vỡ nú cú th lm cho khụng phỏt hin c gy xng khu vc liờn quan 251 http://www.ebook.edu.vn + Khong cỏch tiờu c ti a: ớt nht l 30 cm, cng xa cng tt + Cht lng bc x: tng in th s tng sc õm xuyờn ca tia X v nh vy mc chiu x s gim i + Lc: l mt bin phỏp gim nhng bc x nng lng yu v tng c nng lng trung bỡnh ca chựm tia X, gim c mc chiu x cho bnh nhõn + Chiu tia X vi bnh nhõn cú thai: Ch s dng phng phỏp X quang cho bnh nhõn cú thai khụng cũn phng phỏp no thay th, nu phi chiu chp X quang thỡ c gng che chn v gim thiu s chiu x vo thai 252 http://www.ebook.edu.vn Chng 19 PHNG PHP CNG HNG T HT NHN 19.1 Cơ sở vật lý 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 có spin, có mômen từ, 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 chút ít, nhng nhỏ, vo cỡ 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 Số proton 6 11 15 19 Số 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 nguyên tử Vì điều kiện để có cộng B0 hởng từ hạt nhân khác với điều kiện để có đợc cộng hởng từ electron Không thế, ngời ta thực cộng hởng từ 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 cấu tạo thnh nớc (H2O), m nớc nói chung l thể chỗ no có Hơn hạt nhân nguyên tử hiđro cho tín hiệu cộng hởng từ mạnh 253 http://www.ebook.edu.vn 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 từ trờng B0 , thực chuyển động tuế sai (chuyển động Larmor), tức l đầu mút vectơ vạch nên đờng tròn quanh phơng B0 Trên hình B0 19.2 biểu diễn: dới tác dụng từ trờng 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 tính theo công thức B1 vuông góc với Bo, quay quanh f = g p p B0 (hình 19.1) Bo với tần số góc : B1 tác dụng lên mômen từ m lực tuần hon tần số góc , = o xảy tợng cộng hởng Tính B0 1T (Tesla) proton có tần số Larmor l 42,58 MHz Chú ý l sóng vô tuyến có tần số 42,58 MHz l ứng với bớc sóng m, từ trờng hai cực nam châm vĩnh cửu mạnh vo cỡ 0,2 T Nh hạt nhân nằm từ trờng B0 trở thnh hệ dao động với tần số dao động riêng l f phụ thuộc B0 Nếu chiếu thêm 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 góc với Bo, quay quanh Bo với tần số góc : B1 tác dụng lên mômen từ lực tuần hon tần số góc , = o xảy tợng cộng hởng 254 http://www.ebook.edu.vn Cụ thể trờng hợp từ trờng N2 B0 = 1T , đầu mút mômen từ hạt nhân hiđro quay tròn với tần số N1 > N 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 có song song với từ trờng, tần số nh trớc nhng biên độ lớn hơn, N2 proton có đối song với từ trờng N B0 mômen từ prôtôn nghiêng xa so N kT với phuơng B0 , tức l nghiêng 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, thí dụ 1mm3 vỏ não Do 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 song song chiều với từ trờng Nhng tập hợp hạt nhân l tập hợp hạt vi mô, tuân theo quy luật lợng tử : nằm từ trờng đa số hạt nhân có mômen từ quay song song chiều với từ trờng nhng có hạt nhân có mômen từ song song nhng ngợc chiều với từ trờng, ngời ta gọi l nhũng mômen từ đối song Các phép tính toán cho thấy từ trờng 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 từ trờng Bo, N1 proton có song song với từ trờng, N2 proton có đối song với từ trờng N B0 , hình 19.3), N1 lớn N2 v tỉ số chênh lệch N kT N N1 N tính theo công thức gần : = N N 255 http://www.ebook.edu.vn N B0 với B0 l cờng độ từ trờng tác dụng, l mômen từ hạt N kT nhân, k l số Boltzmann, T l nhiệt độ tuyệt đối Tính ra, nhiệt độ phòng T = 25C , B0 = 1T hạt nhân hiđrô, tỉ số N vo cỡ 10-6 Nói cách khác có N hạt nhân, N1 hạt nhân có mômen từ N hớng song song với từ trờng 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 chiếm tỉ lệ cỡ phần Z Bo triệu l hớng theo chiều B0 Thật mômen từ ny có chuyển động // Larmor, nhng khử cặp nên cuối xem có N hạt nhân đóng góp vo mômen từ M tổng cộng Từ công thức tìm đợc ta có : M = N ì = N B0 kT (19.1) Hình 19.4 Phân tích vectơ thnh thnh phần // v Vậy xét chuyển động Larmor từ trờng B0 N hạt nhân thể tích V vật chất, thí dụ vỏ não, ta xét đến mômen từ M tổng cộng 19.1.4 Cộng hởng 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 từ trờng ngoi tác dụng l B0 B1 Ta 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 http://www.ebook.edu.vn với B0 v N2 hạt nhân có mômen từ đối song với B0 , mặt từ tính xem nh chúng khử 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 thnh hai vectơ : vectơ song song với B0 , ta kí hiệu l // v vectơ vuông góc với B0 , kí hiệu l Khi có B0 , xem có N hạt nhân có mômen từ hớng B0 v đảo quanh B0 Vectơ tổng p lớn, cỡ gần N Nhng vectơ tổng xem nh không 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 tiêu lẫn Nh vậy, có từ trờng ngoi B0 , vectơ từ hoá dọc theo phơng từ trờng ngoi 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 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 l cộng hởng vectơ từ hóa 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 http://www.ebook.edu.vn 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 hấp thụ lâu so với quanh hạt nhân l phân tử lớn, cồng kềnh, thí dụ với phân tử chất mỡ, chất béo Với tế bo sinh học, tùy theo chứa nớc, nhiều nớc, mỡ hay nhiều mỡ T1 thay đổi từ 300 đến 2000 miligiây Thời gian hồi phục T2 có trị số lớn 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 vectơ từ hóa tổng cộng M = M // + M cộng hởng ( 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 kĩ thuật cộng hởng từ, ngời ta bố trí ăngten để phát sóng rađiô theo xung, xung tắt, trình hồi phục nh mô tả xảy v ăngten thu dòng điện cảm ứng sinh vectơ từ hoá M biến thiên theo đờng xoáy trôn ốc 258 http://www.ebook.edu.vn 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 ngời thể tích nhỏ có tọa độ x, y, z tơng ứng, lm cho hạt nhân thể tích dao Máy phát RF v máy đo động cộng hởng v thu tín hiệu cộng hởng từ thể tích gửi đi, thí dụ tín hiệu FID, thời gian hồi phục T1, thời gian hồi phục 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 phần tử thể tích v tín hiệu cộng 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 điều khiển tần số B1 cho có 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 với có cộng hởng từ xảy mẫu Mọi biến thiên mômen từ tổng cộng M mẫu gây nên dòng cảm ứng cuộn dây đặt chung quanh mẫu theo nguyên 259 http://www.ebook.edu.vn 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 thnh phần M song song với song song với B0 tức l M // Từ ta đo đợc thời gian hồi phục dọc Nếu bố trí 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 nhỏ, ngắn nhng kĩ thuật xử lí tín hiệu 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 từ trờng có B = 1T gradien theo z v tác dụng từ trờng ny z Bo + Bz 1,02 T 1,01 T 1,00 T 0,99 T 0,98 T 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, tức l có dạng Bz = ( + z ) B0 (19.2) Vậy thêm cuộn dây tạo gradien ny, từ trờng tổng cộng bên cuộn dây siêu dẫn l: B0 + Bz = (1 + + z ) B0 (19.3) Từ trờng ny 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 thnh lớp mỏng, vuông góc với trục z Trong phạm vi lớp, từ trờng xem l không thay đổi Khi từ lớp ny đến lớp từ trờng tăng dần, thí dụ nh hình vẽ 10.35 l 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 http://www.ebook.edu.vn thể chia lm nhiều lớp: lớp nằm từ trờng 0,97T, lớp nằm từ trờng 0,98T v.v Tần số 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 nằm từ trờng ngoi có građien theo z, chiếu sóng rađio có tần số 42,58 MHz vo thể có hạt nhân nguyên tử hidro nằm từ trờng 1T bị cộng hởng Nh nhờ cuộn dây tạo gradien từ trờng theo trục z ta tạo cộng hởng từ hạt nhân lớp vuông góc với z Lớp ny dy hay mỏng l tuỳ thuộc vo từ trờng biến thiên nhanh hay chậm, tức l phụ 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 độ x, y, z thể v thu lấy 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 ton diện tích lớp cắt Từ tập hợp số liệu tín hiệu cộng hởng v vị trí tơng ứng máy tính tạo ảnh cộng hởng từ lớp cắt Thu thập số 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 cảm ứng từ suy giảm FID da hởng từ 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 độ proton mômen từ proton, tín hiệu ny phận thể mạnh hay yếu phụ thuộc vo mật độ proton lớn hay nhỏ, từ ta lý giải chỗ đậm nhạt ảnh tơng ứng với chất no (hình 19.7) 261 http://www.ebook.edu.vn Thông thờng ngời ta hay sử dụng tín hiêu liên quan đến thời gian hồi phục dọc v ngang Nh nêu trên, thời gian hồi phục T1 v T2 phụ thuộc phần tử 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 có tín hiệu cộng hởng ứng với xơng ngời 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 hấp thụ hết 0,7 W, tơng ứng 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 hỏng v ngời mang máy khó tránh khỏi tử 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 http://www.ebook.edu.vn 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 http://www.ebook.edu.vn 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 S An Nguyn Vn Thin (Ch biờn) (2006), Vt lý - Lý sinh y hc, NXB Y hc Phan S An (Ch biờn) (2005), Lý sinh y hc, NXB Y hc Lng Duyờn Bỡnh (Ch biờn) (2001), Vt lý i cng (3 tp), NXB Giỏo dc Lng Duyờn Bỡnh (Ch biờn) (2001), Bi vt lý i cng (3 tp), NXB Giỏo dc Lng Duyờn Bỡnh (Ch biờn) (2005), Gii bi v bi toỏn C s vt lý (5 tp), NXB Giỏo dc Phan Vn Duyt (1979), Phúng x y hc, NXB Yhc H Ni 10 David Halliday v cỏc tỏc gi (2001), C s vt lý (6 tp), NXB Giỏo dc 11 Dng Xuõn m (2004), Vt lý tr liu i cng, NXB Vn hoỏ thụng tin 12 Nguyn Th Kim Ngõn (2001), Lý sinh hc, NXB i Hc Quc Gia H Ni 13 Lờ Vn Trng (2001), Giỏo trỡnh lý sinh hc, NXB i hc Hu 14 Trn Trinh (1994), Hng dn c in tim, NXB Y hc H Ni 15 Vt lý i cng, B mụn Vt lý - Toỏn, i hc Dc H Ni - 2000 264 http://www.ebook.edu.vn