TÓM TẮT BÀI “ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LÝ KỸ THUẬT TRONG Y KHOA” Ứng dụng xạ ion hóa y khoa Hai ứng dụng Trong chẩn đoán hình ảnh : phương pháp đánh dấu phóng xạ Đưa đồng vị phóng xạ vào thể (với mức độ liều lượng tương đối an toàn) đề làm chất đánh dấu phóng xạ Các thiết bị đo bên thu hình ảnh phân bố chất đánh dấu thể (xạ hình) để dùng chẩn đoán, theo dõi trình trao đổi chất Tùy mục đích người ta dùng chất phóng xạ khác Lưu ý : Chất đánh dấu phóng xạ đưa vào thể uống tiêm thở Có hai loại: thân cấu thành nên phân tử, có tham gia vào trình chuyển hóa thể đồng vị phóng xạ ( đvpx H, C, P, I…) Các phân tử tổng hợp nhân tạo Cơ thể không phân biệt đồng vị bền hay Đvpx phân tử tổng hợp nhân tạo tham gia bình đẳng trình trao đổi chất thể Thí dụ nước nặng mà nguyên tử H đvpx H-2 (deuteri) hay H-3 (triti) thể dùng có điều uống nước thời gian chết chất phóng xạ chuyên biệt “gắn” vào phân tử chất tham gia trình chuyển hóa thể (như Technetium, Thalium, Fluor…) Yêu cầu: Chất đánh dấu phải có chu kì bán rã ngắn để đào thải nhanh khỏi thể Phương pháp xạ trị : dùng tia phóng xạ diệt tế bào ung thư …(xem lại mục “độ nhạy cảm phóng xạ”) Phương pháp PET CT PET – Positron Emission Tomography: chụp cắt lớp dùng xạ positron Chất đánh dấu phóng xạ đvpx Fluor F-18 phát hạt positron (kèm theo hạt neutrino) phản hạt electron Hạt positron sau phát từ đvpx quãng ngắn (dài vài mm) chắn gặp electron xảy phản ứng hủy hạt e+ + e- = tia γ Năng lượng tia γ xác định, tính theo công thức hf = mc2 = 511keV , m khối lượng electron 9,1.10-31 kg (cũng khối lượng positron) Phương hướng tia γ đặc biệt, phương đối xứng hoàn toàn (xem hình minh họa) F-18 cần phải gắn với chất tham gia vào trình trao đổi chất thể Người ta nghĩ cách gắn F-18 vào chất tương tự glucose, chất thu fluordeoxyglucose-18 (FDG) Chất có đặc điểm tham gia vào trình trao đổi chất tế bào để tạo ATP, (Tham khảo : không hoàn toàn trình đường phân glucose, trình chuyển hóa FDG tạo ATP với hiệu suất thấp) Phương pháp SPECT (Single-photon emission computed tomography) - Chụp cắt lớp dùng xạ gamma Dùng chất đánh dấu phát tia gamma, phổ biến Tc-99m (Technetium- 99m) Chất gắn vào với loại thuốc tiêm vào thể Như thuốc đâu ta biết nhờ tia gamma phát từ Tc-99m gắn với thuốc dùng gamma camera thu hình ảnh phân bố thuốc thể tình trạng hoạt động quan tim, não, … Phương pháp quang phổ hấp thụ Tự đọc (bài thực tập) Phương pháp hiển vi Độ phóng đại KHV quang học • Độ bội giác = độ phóng đại góc = độ phóng đại KHV =độ phóng đại dài vật kính x độ phóng đại góc thị kính ∆ l ∆ l0 K = = f1 f f1 f Khả phân ly kính hiển vi • Giới hạn phân giải KHV khoảng cách nhỏ hai điểm mà KHV có khả phân biệt Giới hạn phân giải nhỏ khả phân ly cao • Khả phân ly bị giới hạn tượng nhiễu xạ Ảnh hai điểm sáng hai vòng tròn sáng, gần hòa làm • Người ta chứng minh kính hiển vi phân ly hai điểm sáng cách khoảng lmin là: lmin = 0,61 λ n sin θ • Trong n chiết suất môi trường vật quan sát vật kính, θ góc nhìn vật kính từ vật (coi vật điểm), λ bước sóng ánh sáng • Khả phân ly kính hiển vi S đại lượng nghịch đảo lmin (giới hạn phân giải) S = lmin • Tăng khả phân ly = cách tăng n (thí dụ: vật kính tiêu chìm dầu tăng k/n phân ly đến 3, lần ) • Cách khác hiệu giảm λ Kính hiển vi điện tử • Từ công thức lmin chiếu sáng kính hiển vi ánh sáng có bước sóng λ phân giải điểm cách vào khoảng λ Cho dù có giảm f thấu kính nhìn rõ đối tượng nhỏ lmin • Muốn tăng khả phân ly cần giảm λ đáng kể • Trong KHV điện tử người ta thay chùm ánh sáng chùm electron môi trường chân không electron gia tốc = điện trường • Chùm electron chuyển động có tính chất sóng bước sóng λ (bước sóng liên kết) là: λ= h mev • Gia tốc điện tử điện trường hiệu U qeU = mev λe = h 2meU • • Như tăng U giảm λ KHV điện tử dùng thấu kính “từ” nam châm điện làm lệch hướng chùm điện tử, dòng electron chuyển động dòng điện nên bị lực từ trường tác động khúc xạ chùm điện tử • Tương tự KHV quang học, tia dòng electron bị vật chất (của đối tượng cần quan sát) chắn lại (hấp thụ,…) không tiếp, tia không bị chắn tiếp bị khúc xạ qua thấu kính từ tạo ảnh phóng đại Phương pháp chiếu chụp tia X Nguyên lý phát tia X Trong bóng phát tia X dòng điện tử từ ca-tốt gia tốc có v cực lớn đập vào a nốt bia làm phát tia X Tia X phát từ “bia” có hai chất Bức xạ hãm - xạ hãm gồm tất tia X có bước sóng khác tạo thành dải phổ liên tục Bản chất: điện tử bị hãm lại gần hạt nhân kim loại làm “bia”, chúng động nhiều khác phần động mát biến thành photon thuộc xạ hãm có lượng E = hf =h.c/λ - Năng lượng photon xạ hãm vượt động lớn điện tử tới anode EKmax = qe.U (K-A) Bước sóng ngắn xạ hãm λmin = h.c/EKmax Tức λmin phụ thuộc U (K-A) Lưu ý: Có dạng tập tính λ biết U(K-A) Bức xạ đặc tính - xạ đặc tính gồm tia X có bước sóng xác định tạo thành đỉnh vượt lên hẳn phổ xạ tia X - Bản chất: hiệu ứng quang điện Đọc thêm : Điện tử từ ca tốt bắn phá nguyên tử anode làm điện tử quĩ đạo mức lượng thấp chất làm anode (bia) bị bật Điện tử quĩ đạo khác mức lượng cao lại nhảy vào lấp chỗ trống Trong điện tử nhảy xuống từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp giải phóng lượng ∆E = hf dạng tia X tạo thành đỉnh xạ đặc tính phổ - Giá trị λ đặc tính phụ thuộc chất kim loại làm anod Các phương pháp chiếu chụp = tia X Dùngtính chất hấp thụ chùm tia X đối tượng chụp để thu hình ảnh phương pháp :Chụp cổ điển Chụp cắt lớp ( CT) Chụp cắt lớp CT Dùng nhiều tia X chùm tia dẹt, hình rẻ quạt quét qua lát mỏng đối tượng chụp chùm tia X dẹt qua lát cắt có chiều dày, lát cắt chia thành khối chữ nhật gọi voxel (xem hình dưới) Mặt phẳng lát cắt tương ứng chia thành pixel giống ma trận, pixel hình ảnh phẳng đặc trưng cho hấp thụ tia X voxel Mỗi tia X chùm qua dãy voxel lát căt, bị hấp thụ, yếu Tia X ló đập vào cảm biến tia X định (bố trí vành tròn) cho biết cường độ mạnh yếu tia ló cho ta biết tổng độ hấp thụ dãy voxel mà qua Coi độ hấp thụ tia X voxel lát cắt ẩn số Mỗi tia X qua dãy voxel ta thu phương trình bậc Các tia X chùm rẻ quạt ló cảm biến tương ứng đo cho ta nhiều phương trình bậc có ẩn số độ hấp thụ tia X voxel Chùm tia rẻ quạt lại quay quanh đối tượng chụp nhiều phương trình bậc Máy tính xử lý tất phương trình bậc tìm ẩn số độ hấp thụ tia X voxel lát cắt Trên hình ảnh 2D mặt phẳng lát cắt, độ đậm nhạt pixel cho ta biết độ hấp thụ voxel tương ứng Các liệu nhiều lát cắt nối tiếp cho hình ảnh 3D Một số điểm cần lưu ý Độ nét ≠ độ phân giải ≠độ tương phản • Độ phân giải cho biết đơn vị nhỏ phân biệt đối tượng chụp có kích thước (ảnh chụp chia nhiều pixel-voxel có độ phân giải cao) • Độ tương phản phản ánh khác biệt màu sắc, đậm nhạt hai vùng có chất khác đối tượng chụp Tăng độ tương phản = cách đưa vào số chất cản quang có độ hấp thụ tia X cao • Độ nét phản ánh tính rõ ràng đường ranh giới vùng đối tượng Thuật ngữ: Tỷ trọng quang tuyến X (viết tắt TTQT)= mật độ quang tuyến X = đại lượng phản ánh độ hấp thụ mạnh yếu tia X vật chất Đây thực chất mật độ quang học vật chất tia X (xem quang phổ hấp thụ) Trong chụp CT, voxel có TTQT lớn tia X bị hấp thụ nhiều Đơn vị tỷ trọng quang tuyến chụp CT Housfield viết tắt HU Người ta qui ước nước tinh khiết có TTQT HU, không khí -1000 HU, thể xương sọ hấp thụ tia X mạnh qui ước 1000 HU Các giá trị TTQT khác mã hóa thành màu đậm nhạt bậc thang xám để thu hình ảnh CT đen trắng, (Ngày người ta chia cấu trúc thể đến tận 4000 mức độ TTQT) Nếu mã hóa TTQT từ nhỏ đến lớn thể theo bậc thang xám có nghĩa không khí -1000 HU đen (nhất), xương sọ +1000 HU trắng (nhất), số phận có TTQT khác đáng kể hình ảnh đen trắng mắt người lại không phân biệt Nhưng bề rộng dải tỷ trọng quang tuyến phận so với toàn thể hẹp nhiều, nên ta chọn điểm cửa sổ số đo TTQT trung bình cấu trúc cần khám xét TTQT nhỏ lớn phận định có màu đen màu trắng bậc thang xám Như bậc thang xám cấu trúc ta quan tâm chia thành mức độ hơn, thích hợp với khả phân biệt mắt người Từ ta có hình ảnh có độ tương phản cao nơi khác thể cách chọn cửa sổ tương ứng dải TTQT phận Phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân Dưới xét hạt nhân đơn giản hạt nhân Hydro proton • Hạt nhân tự quay quanh trục(spin - quay)mỗi hạt nhân có vector moment từ µ (giống nam châm) • Hướng nam châm (hay moment từ) hoàn toàn hỗn loạn Chúng nằm mức lượng • • • • • • • Trong từ trường B phương vector µ (các nam châm con) xếp lại trật tự, gần song song B , khoảng nửa có hướng B tức có hướng song song, nửa ngược hướng B tức có hướng đối song Về mặt lượng, hạt nhân có µ song song mức lượng cao hạt nhân có µ đối song B0 Chênh lệch mức lượng hai loại ∆E = kB0 – k hệ số tỷ lệ phụ thuộc loại hạt nhân ; B0 lớn Chênh lệch tổng số loại hạt nhân ∆N, đối song nhiều song song chút N(Ecao)/ N(Ethấp) = exp(- ∆ E/ kT) (xem hình minh họa để có khái niệm ∆N) • Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân: Khi đặt từ trường B0 , hạt nhân vật chất hấp thụ mạnh đột biến (hấp • thụ chọn lọc) photon có ε = hf0 =∆E, trình kèm theo t hạt nhân nhảy từ mức thấp lên mức cao tượng cộng hưởng từ hạt nhân Photon gây cộng hưởng từ hạt nhân có tần số thuộc dải sóng radio f 0= ∆E /h = kB0/h • Trong trường hợp proton hạt nhân H-1 xét đến, photon gây cộng • hưởng từ trường B0 = Tesla có tần số f0 = 42.58MHz Nguyên lý phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân • Đối tượng ( thể )cần chụp 2D, 3D cấu trúc bên đặt từ trường tĩnh cực manh B0 giá trị 0.5 – Tesla So sánh: từ trường trái đất 5.10 - Tesla • Chiếu sóng radio có tần số thích hợp vào đối tượng để tạo tượng cộng hưởng từ hạt nhân proton nguyên tử Hydro đối tượng (nước, chất béo, protein,…) • Tắt sóng radio, proton vừa nhảy lên mức lượng cao chuyển xuống lại mức lượng thấp hơn, trình kèm theo phát photon có E =hf giống photon hấp thụ tức phát sóng radio • Thu lấy sóng radio phát (hay “dội lại”) dùng máy tính phân tích dựng hình ảnh 2D, 3D mật độ vật chất chất vật chất bên đối tượng Các từ trường bổ sung tạo gradient Nếu toàn không gian đối tượng có từ trường B sóng • radio dội lại từ điểm đối tượng chụp có tần số định Để phân biệt sóng radio từ proton voxel tọa độ khác người • ta tạo gradient từ trường không gian đặt đối tượng Trục z có phương chiều từ trường tĩnh B0 Người ta tạo từ trường bổ sung • không khác Bx, By, Bz có phương B0 để tạo gradient từ trường theo hướng x, y, z Thí dụ Bz = B0 (a + bz) Các từ trường Bx, By, Bz bổ sung từ trường thường xuyên • mà bật tắt cần Độ lớn khoảng 18 – 27 mTesla Khi bật Bx By Bz đối tượng thực chất đặt từ trường không B = B0 + Bz (hoặc B0 + Bx B0 + By) Nhờ gradient từ trường mà lát cắt định thể chịu tác động từ trường giá trị định tần số photon gây cộng hưởng từ lát cắt khác khác Máy tính phân tích sóng radio với tần số phát từ lát cắt Sóng radio gây cộng hưởng sóng radio thu từ đối tượng phát Sóng radio chiếu vào đối tượng để gây tượng cộng hưởng từ có thành phần • vec tơ điện trường vec tơ từ trường B1 Người ta bố trí để B1 vuông góc B0 Tắt sóng radio chiếu vào thu lại sóng radio phát từ đối tượng để xây dựng hình • ảnh cấu trúc Tín hiệu radio thu gọi tín hiệu cảm ứng suy giảm tự FID (free induction decay) • Sự suy giảm sóng radio phát lại từ đối tượng giải thích sơ lược góc độ mức lượng hạt nhân sau: xảy tượng cộng hưởng từ, proton nhảy từ mức thấp lên mức cao, dừng chiếu sóng radio kích thích proton bị kích thích nhảy dần xuống từ mức cao xuống mức thấp, thời gian để tất proton bị kích thích nhảy xuống hết định tốc độ tắt dần sóng FID Tốc độ tắt dần sóng FID cho ta hai liệu quan trọng để xây dựng hình ảnh • thời gian hồi phục T1, T2 Thời gian hồi phục T1, T2 Thông thường qui ước trục z có phương chiều từ trường tĩnh B0 • Phân tích vectơ moment từ µ hạt nhân thành thành phần: µ⊥ theo mặt • phẳng xy µ// song song trục z • • Đặt từ trường B , đơn vị thể tích nhât định dV hay voxel, mômen từ tổng cộng hệ N hạt nhân M có thành phần theo phương vuông góc với B M⊥ = Σµ⊥ = ; thành phần song song với B M//= Σµ// có độ lớn xác định max kí hiệu Mz(max) Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân xảy có sóng điện từ thuộc dải radio có • tần số tần số cộng hưởng Larmor f0 có từ trường B1 vuông góc B tức vuông góc trục z chiếu vào hệ proton nằm từ trường Các hạt nhân cộng hưởng nhảy từ mức lượng thấp lên cao Khi xảy cộng hưởng thành phần M// trở thành = Còn thành phần M⊥ có độ lớn • xác định max kí hiệu Mxy(max) Khi tắt sóng radio, diễn trình ngược lại, nhóm proton bị kích thích lại trở • trạng thái cũ , diễn hai trình phục hồi với thời gian khác T1 : M// từ giá trị ban đầu Mz(max) ; T2 : M⊥ từ Mxy(max) Các loại liệu để máy tính xử lý thông tin thu Ảnh lớp cắt sử dụng tín hiệu T 1, T2 cho biết rõ phần tử thể tích nghiên cứu chứa chất • gì: nước, máu, mỡ … Biên độ cực đại ban đầu mạnh yếu sóng dội lại cho ta biết ∆N có nghĩa • biết số N nói chung cho biết mật độ proton có phần tử thể tích vật chất nghiên cứu Nhưng T1, T2 quan trọng 10