CÁC NGUYÊN lý NHIỆT ĐỘNG và ỨNG DỤNG TRONG y học

Chương CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động) Mọi tập hợp vật xác định hoàn toàn số thông 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 mơi 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 1.1.2 Các thơng số trạng thái Các tính chất vật biểu thị trạng thái vật đó, ta dùng tập hợp tính chất để xác định trạng thái vật Mỗi tính chất thường đặc trưng số đại lượng vật lý Như trạng thái vật xác định tập hợp đại lượng vật lý xác định, đại lượng vật lý gọi thông số trạng thái Ví dụ thơng số trạng thái như: nhiệt độ, áp suất, thể tích trạng thái vật tương ứng với giá trị nhiệt độ, áp suất, thể tích Biểu thức biểu thị mối liên hệ thông số trạng thái gọi phương trình trạng thái Ví dụ: f(P,V,T) = phương trình trạng thái, có hai thơng số độc lập, thơng số phụ thuộc vào hai thông số Ta xét số thông số trạng thái cụ thể: 1.1.2.1 Áp suất Biểu thức: P = F/S Đơn vị: N/m2 (còn gọi Pascal (Pa) Đơn vị khác: át mốt phe; at = 9,81.104 N/m2 Milimet thuỷ ngân (mmHg) gọi Tor Tor = 1mmHg at = 736 mmHg = 9,81.104 N/m2 1.1.2.2 Nhiệt độ Là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử vật Để đo nhiệt độ người ta dùng nhiệt biểu Nguyên tắc cấu tạo nhiệt biểu dựa vào độ biến thiên đại lượng chiều dài, thể tích, độ dẫn điện vật bị đốt nóng làm lạnh suy nhiệt độ tương ứng Người ta hay dùng số thang chia nhiệt độ sau: - Thang chia nhiệt độ Celsius (1701-1744) dựa nguyên tắc giãn nở vật bị nung nóng Nhiệt độ đông đặc nhiệt độ sôi nước áp suất khí bình thường lấy làm điểm mốc Khoảng thang chia nhiệt độ hai điểm chia thành 100 phần Nhiệt độ đông đặc nước lấy độ Một phần trăm khoảng điểm đông đặc điểm sôi nước gọi độ ký hiệu 1oC - Thang nhiệt độ tuyệt đối (theo Kenvin) 0K gọi độ tuyệt đối Tại nhiệt độ phân tử ngừng chuyển động 0K tương ứng với nhiệt độ C – 273,16oC Công thức liên hệ độ K độ C To = to + 273,16 - Thang Fahrenheit (F) thang Reaumur (R) Độ chia thang F 0,01 khoảng nhiệt độ nhiệt độ tan hỗn hợp tuyết amoni clorua với nhiệt độ bình thường thể người Theo thang chia F nhiệt độ tan băng (0oC) +32o Còn nhiệt độ sơi nước 212oF cách 180oF Nhiệt độ thang R lấy nhiệt độ tan tuyết hay băng giống thang chia độ C, độ chia lấy 1/80 khoảng nhiệt độ nhiệt độ tan tuyết nhiệt độ sơi nước áp suất bình thường Như khoảng từ nhiệt độ tan tuyết đến nhiệt độ sôi nước xác định 80 o R Biểu thức để chuyển nhiệt độ từ thang nhiệt độ sang thang nhiệt độ khác có dạng: to/5 = (ToK – 273,16)/5 = toR/4 = (toF – 32)/9 1.1.2.3 Nhiệt lượng Là lượng lượng chuyển động nhiệt phân tử truyền từ vật sang vật khác trao đổi nhiệt hai vật gọi nhiệt lượng Q Đơn vị nhiệt lượng jun (J) Nhiệt lượng trước đo calo (cal) nhiệt lượng cần thiết để nung nóng 1g nước nguyên chất từ 19,5 oC – 20,5oC áp suất bình thường 1cal = 4,1868 J Nhiệt lượng mà vật thu hay tỏa mà không kèm theo thay đổi nhiệt độ thường gọi nhiệt ẩn Nhiệt lượng nóng chảy nhiệt lượng đông đặc loại nhiệt ẩn 1.1.2.4 Công Khi tác dụng lực làm dịch chuyển vật ta nói lực thực công Công đại lượng đặc trưng cho tác dụng vật lên vật khác gây dịch chuyển có hướng Biểu thức: dA = F.ds Nếu F ds tạo góc  dA = F.ds cos   Đơn vị đo công hệ SI jun (J) jun công lực Niu tơn làm vật dịch chuyển 1m Tuy nhiên cần phân biệt khái niệm công học nói với khái niệm " Cơng" mà hay sử dụng hàng ngày Ví dụ: lực sĩ nâng cao tạ nặng tư đứng thẳng chỗ, mệt nhọc nhiều sức lực, trường hợp công học 0! Vì hệ nhiệt động nói chung q trình sống nói riêng, khía niệm Cơng ln gắn liền với q trình trao đổi chuyển đổi dạng lượng nội năng, năng, nhiệt năng, hoá vv - Đối với lực làm biến dạng lò xo F  k x  2  dA  Fdx kxdx x A  dA  kxdx  kx02  1 - Nếu lực thực nén pít tơng V2 A  PdV V1 Từ cơng thức ứng dụng để tính cơng hoạt động tim co bóp chu kì 1.1.2.5 Nội Định nghĩa : Nội năng lượng dự trữ toàn phần tất dạng chuyển động tương tác tất phần tử nằm hệ (kí hiệu U) Năng lượng chuyển động nhiệt, lượng dao động tất phân tử, nguyên tử, lượng điện tử quỹ đạo lượng hạt nhân phần khác nội Mỗi hệ có nội U xác định Ta chưa thể xác định trị số tuyệt đối U , hồn tồn xác định lượng thay đổi tri số U Nội hệ phụ thuộc trạng thái cuả hệ nên hàm trạng thái Khi hệ thực chu trình : U = 0, hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái ta có: U = U2 - U1 1.1.3 Liên hệ công nhiệt lượng Từ quan sát thực nghiệm, thấy chuyển động vật gặp lực ma sát cản, vật phải sinh cơng chống lại cản đó, tượng nhiệt thơng thường kéo theo có nóng lên vật chuyển động vật cản chuyển động Điều có nghĩa cơng làm cho vật tăng nhiệt độ hay nói khác cơng biến thành nhiệt Bằng thực nghiệm Jun thiết lập liên hệ mật thiết nhiệt lượng công theo công thức sau: J = A/Q = 427 kgm/kcal = 4,18 j/cal A= JQ 1.2 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC 1.2.1 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 = Wd + Wt + U 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 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 toàn phần W hệ q trình biến đổi có giá trị tổng công A nhiệt lượng Q mà hệ nhận q trình biến đổi Biểu thức: W = A + Q Vì hệ không đổi Wd + Wt = const nên W = U U = A + Q Phát biểu nguyên lý cách khác ta có độ biến thiên nội hệ có giá trị cơng nhiệt mà hệ nhận trình biến đổi * Hệ Hệ 1: 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 U = A + Q suy Q = U + 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 = → U = → U = const Ta nói nội hệ lập bảo toàn Nếu Q = → A = - U Nghĩa không cung cấp nhiệt cho hệ, mà hệ muốn sinh cơng nội hệ phải giảm Hệ (định luật Hetxơ): Hiệu ứng nhiệt q trình hố học phức tạp khơng phụ thuộc vào giai đoạn trung gian mà phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối q trình Định luật Hecxơ ứng dụng phổ biến y học để xác định khả sinh cơng (chính xác nhiệt lượng) mà phần thức ăn sinh thể hấp thu Để xác định nhiệt lượng người ta đốt thức ăn thiết bị gọi "Bom nhiệt” xác định nhiệt lượng toả đốt cháy hồn tồn Nhiệt lượng đó, theo định luật Hecxơ, nhiệt lượng mà lượng thức ăn sinh q trình đồng hố thức ăn thể 1.2.2 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 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 công hoạt động sống Nguyên lý áp dụng hệ thống sống viết dạng sau: Q = E + A + M Trong đó: Q nhiệt lương sinh q trình đồng hóa thức ăn E lượng môi trường xung quanh A công mà thể thực M 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 mơi 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) 1.3 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG 1.3.1 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 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 q trình vĩ mơ cho phép đánh giá khả sinh công hệ nhiệt động khác 1.3.1.1 Một vài thông số nhiệt động liên quan đến nguyên lý * Gradien: Xét đại lượng Y đó, thơng số trạng thái hệ nhiệt động (HNĐ) Giá trị Y phụ thuộc vào vị trí hệ khơng gian (nhiệt độ, áp suất, nồng độ ) Người ta định nghĩa: Tỷ số hiệu số độ lớn Y hai điểm khoảng cách hai điểm gọi Gradien đại lượng Y grad Y = Y / x (grad đại lượng véc tơ, hàm số đặc trưng độ lớn hướng) Sự có mặt grad tạo khả thực cơng hệ nhiệt động nói chung cho tổ chức, tế bào sống nói riêng Trong hệ thống sống, ln ln tồn nhiều gradien khác (grad C, grad P, vv ) Có thể nói chừng thể sống tồn grad trì thể chết grad bị triệt tiêu * 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 ( (Xác suất nhiệt động) Xác suất toán học p A B 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 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, Q nhiệt lượng mà hệ trao đổi, S entropi hệ Hệ trạng thái entropi (S) hệ cho biến thiên entropi từ Q trạng thái (1) đến (2) có giá trị tích phân  T Q Q  S S  S1  hay dS  T T 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 = S + S2 + tổng phần riêng biệt Q - S S   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 1.3.1.2 Năng lượng tự Q Từ biểu thức : dS  suy : Q = TdS T Cơng mà hệ thực viết: A = Q - dU = TdS - dU A = - [dU - TdS] = - [dU - dTS] = -d[U - TS] Đặt U - TS = F (F lượng tự hệ) → A = -dF U = F + TS 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, khơng có khả sinh cơng 1.3.1.3 Nội dung ngun lý nhiệt động học Nguyên lý có số cách phát biểu sau : - Tính trật tự hệ lập giữ nguyên giảm dần - Không thể tồn tự nhiên chu trình mà kết biến nhiệt thành công, không để lại dấu vết mơi trường xung quanh - Khơng thể chế tạo động vĩnh cửu loại tức động chuyển động tuần hồn, cho ta cơng cách nhận nhiệt lượng làm lạnh từ nguồn - 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) 1.3.2 Áp dụng nguyên lý cho hệ thống sống 1.3.2.1 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 cô lập: trạng thái cân thiết lập sau phản ứng hay trình biến đổi kết thúc, hệ không thay đổi theo thời gian (khả sinh công hệ 0, grad = 0, S hệ lớn nhất) - 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 tồn (khả sinh cơng hệ khác 0, grad = số khác 0, S hệ = số, khác S max) 1.3.2.2 Sự biến đổi entropi hệ thống sống Tại trạng thái dừng S hệ có giá trị khơng đổi, chuyển từ trạng thái dừng đến trạng thái dừng khác, S thay đổi lượng: S = S2 - S1 Đối với hệ mở trao đổi vật chất, lượng với mơi trường ngồi Chia S thành hai phần: dS = dSi + dSe dSi phần thay đổi S tương tác bên hệ (dSi dương) dSe phần thay đổi S tương tác bên (dS e 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 Phương trình gọi phương trình Prigôgin Ở trạng thái dừng suy dS 0 dt dSi dS  e 0 dt dt 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 Chương VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 2.1 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 mô (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 2.1.1 Các phân tử, ion dung dịch thể sinh vật 2.1.1.1 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 10 Hình bên trái bố trí thiết bị đứng n, ta đứng nhìn bệnh nhân từ phía đầu bệnh nhân: S nguồn phát tia (thí dụ bóng phát tia X), F hộp phim, BN bệnh nhân S F gắn vào hai đầu kim loại PP Thanh quay quanh trục B’, S di chuyển sang trái (hoặc sang phải), hộp Hình 18.3 phim F di chuyển theo chiều ngược lại, khoảng cách h1 h2 khơng đổi Bệnh nhân nằm n Trong hình 18.3, S bắt đầu phát tia, vị trí S 1, lớp cắt cần chụp lớp LL’, C nằm ngồi Hình ảnh tạo tương ứng A 1, B1, C1 phim Khi nguồn S di chuyển đến vị trí S2, tia cho ta hình ảnh A 2, B2, C2 A2, B2 phim, vị trí cũ A1, B1 C2 phim Thật vậy: Do  S1AB -  S1A1B1  S2AB -  S2A2B2 ta có: AB = h1 = AB -> A1B1 = A2B2 A1B1 h1 +h A B2 (18.1) Tại vị trí S di chuyển từ S 1đến S2 ta có hình ảnh AB (của lớp cắt LL’) vị trí phim, hình ảnh phần tử khác không nằm LL’ di chuyển , tạo hình ảnh mờ nhạt lam phim, kết ta có hình ảnh rõ nét lớp cắt phim * Đặc điểm hình ảnh kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính: - Máy chụp cắt lớp vi tính cho phép phân biệt khác biệt nhỏ tổ chức có tỷ trọng khác Ví dụ: chụp sọ não phân biệt rõ chất trắng, chất xám, buồng não thất, khối u, ổ apxe, ổ chảy máu mà phim Xquang thông thường không phân biệt - Nếu mở cửa sổ rộng tối đa xương có hình trắng, khơng khí có hình đen, nước có hình xám có độ tương phản hình CTS tốt dễ phân tích 140 - Đối với máy Xquang thường qui, tất thông tin nằm phim, CTS tồn thông 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, CTS bệnh nhân uống tiêm thuốc cản quang để làm bật đối quang 7.4.2.2 Trong điều trị Tia X ứng dụng chủ yếu điều trị bệnh nhân bị ung thư Dựa vào tác dụng sinh vật tia X có khả diệt bào mà người ta áp dụng vào phương pháp điều trị có tên: Xạ trị Xạ trị dùng chủ yếu điều trị ung thư Do tế bào ung thư có độ nhạy cảm phóng xạ lớn tế bào lành, dùng tia X chiếu vào khối u ác tính để làm biến đổi trạng thái hoạt động, hạn chế phát triển dẫn đến tiêu diệt hoàn toàn tế bào ung thư Mục tiêu phải đưa liều xạ mạnh vào nơi ung thư mà không gây thương tổn cho mô lành xung quanh Yêu cầu phải đạt tới liều hấp thu vài chục Gray phải chiếu phân đoạn thành nhiều liều nhỏ Chiếu phân đoạn cần thiết, vừa gây tai biến, vừa nâng cao hiệu lực điều trị Phương pháp đơn giản dùng X quang khoảng 200 kV, khối u sâu phần da bị chiếu với liều cao khối u Trong trường hợp nên dùng xạ mạnh có khả xun sâu, ví dụ: X quang lượng cao khoảng MeV Bên cạnh việc chọn lượng thích hợp, cần giảm bớt liều chiếu xạ mơ lành cách chiếu từ nhiều phía, hướng vào khối u Với máy đại, dùng nguồn xạ quay liên tục quanh khối u để điều trị Như khối u bị chiếu liên tục liều phần mềm lành bên dàn trải nên liều xạ chỗ không lớn 7.5 AN TỒN BỨC XẠ Nhiệm vụ cơng tác an tồn phóng xạ đảm bảo an tồn cho người sử dụng, người sử dụng đảm bảo môi trường phương diện phóng xạ Tại sở điều trị ung thư tia xạ, nguồn phóng xạ chủ yếu nguồn kín (nguồn Coban-60, máy gia tốc ) vấn đề an tồn đề phòng nguy bị chiếu Tại sở y học hạt nhân, tiếp xúc chủ yếu với nguồn phóng xạ hở (dạng nước, dạng bột hay dạng khí) Khi làm việc với nguồn phóng xạ hở, 141 ngồi việc đề phòng nguy bị chiếu ngồi làm việc với nguồn phóng xạ kín phải đề phòng nguy bị chất phóng xạ xâm nhập vào bên thể (nhiễm xạ trong) 7.5.1 Các ngun tắc làm việc với nguồn phóng xạ kín Nguồn phóng xạ kín nguồn có kết cấu kín chắn khơng để chất phóng xạ lọt ngồi môi trường sử dụng, bảo quản vận chuyển nguồn xạ kín nguồn Co60 , Cs137 , kim Radi để điều trị ung thư Vì làm việc với nguồn kín cần tuân thủ biện pháp chống chiếu sau: * Giảm thời gian tiếp xúc với xạ Rút ngắn thời gian tiếp xúc với phóng xạ biện pháp đơn giản có hiệu để giảm liều chiếu Vì nhân viên thạo nghề yếu tố quan trọng để giảm thời gian tiếp xúc với phóng xạ Muốn vậy, nhân viên phải luyện tập thao tác thành thạo chuẩn bị kĩ lưỡng trước bắt đầu cơng viêc tiếp xúc với phóng xạ * Tăng khoảng cách từ nguồn tới người làm việc Đây biện pháp đơn giản đáng tin cậy cường độ xạ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Thường dùng thiết bị thao tác từ xa Trong sở đặc biệt có sử dụng nguồn xạ có hoạt tính cao, thường dùng người máy thiết bị điều khiển tự động (máy xạ trị) * Che chắn xạ Khi kéo khoảng cách thấy chưa an toàn người ta dùng chắn để hấp thụ phần lượng xạ Thông thường, người ta chia làm loại chắn sau: - Tấm chắn dạng bình chứa (cơngtennơ): chủ yếu dùng để bảo quản vận chuyển chất phóng xạ trạng thái không làm việc - Tấm chắn thiết bị (glove box, tủ hoot): bao bọc toàn nguồn phát trạng thái làm việc nhân viên thường di động vùng hoạt động lớn (tấm chì di động, gạch chì, ) - Tấm chắn phận cơng trình xây dựng: tường, trần, cửa nhà phòng máy phải thiết kế đặc biệt để bảo vệ cho phòng lân cận - Màn chắn bảo hiểm cá nhân: áo chì, kính chì, quần áo, găng tay, ủng pha chì để bảo vệ nhân viên bệnh nhân trình chẩn đoán điều trị tia xạ 142 Nguyên liệu dùng che chắn phóng xạ - Với tia , nguyên liệu tốt để giảm lượng chì Nhưng dùng gang, bêtơng trộn Barit, bêtơng cốt sắt để giảm giá thành Ngồi ra, nước gạch dùng để cản tia chùm hạt nơtron - Với tia , vật liệu thường dùng thuỷ tinh thường, thuỷ tinh hữu pha chì, chất dẻo, nhôm Suất liều dạng xạ định việc lựa chọn nguyên liệu chiều dày chắn 7.5.2 Các nguyên tắc làm việc với nguồn xạ hở * Kỹ thuật an toàn xạ nhân viên làm việc Nhân viên làm việc sở y học hạt nhân cần trọng tránh nguy nhiễm xạ nhỏ thường xuyên Cần tuân theo quy tắc sau: - Giữ tuyệt đối diện tích làm việc Rải giấy thấm mặt bàn thao tác với phóng xạ, để thấm chất phóng xạ rơi rớt - Tuyệt đối không ngậm miệng hút pipet, phải dùng cách có hệ thống quy trình thao tác có khoảng cách - Thao tác với phóng xạ phải giữ khoảng cách thích hợp, tận dụng phương tiện cản tia cất nguồn vào kho sau thao tác xong - Thay quần áo phòng (khơng có hoạt tính) quy định Khơng mang đồ dùng cá nhân vào phòng thao tác với phóng xạ - Khơng hút thuốc, khơng ăn uống phòng có thao tác với chất phóng xạ, cách gây nhiễm xạ quan trọng - Thực biện pháp kiểm tra: đếm số lượng tế bào máu tháng lần; mang liều lượng kế cá nhân (phim bút), kiểm tra cách thao tác, kiểm tra mức độ phóng xạ quần áo, dụng cụ… * Bảo vệ bệnh nhân Mục tiêu tránh cho bệnh nhân chiếu xạ không cần thiết hạn chế liều mức thấp đảm bảo yêu cầu chẩn đoán điều trị 143 Nguyên tắc: - Chỉ định đúng: cân nhắc kỹ, tránh kiểm tra không cần thiết, tránh dùng chất phóng xạ cho phụ nữ có thai, nghi có thai cho bú trừ có định lâm sàng bắt buộc Chỉ dùng cho trẻ em khơng có biện pháp khác thay hoạt tính phóng xạ phải giảm theo quy định - Tận giảm liều chiếu: máy móc thiết bị chụp chiếu phải đảm bảo thông số kỹ thuật, đảm bảo chất lượng phim chụp, khư trú trường nhìn chụp chiếu mức tối thiểu cần thiết - Bảo vệ quan nhạy cảm với phóng xạ thể (tuyến sinh dục, thuỷ tinh thể, tuyến giáp, tuyến vú…) cần che chắn dụng cụ bảo vệ thích hợp (tạp dề cao su chì, găng tay cao su chì, áo chồng bảo vệ, bình phong chì) chụp chiếu - Bệnh nhân dùng phóng xạ để điều trị cần nằm phòng riêng, buồng bệnh rải chất liệu dễ tẩy rửa phòng bệnh nhân nơn đánh đổ chất phóng xạ nhà bàn ghế - Bệnh nhân phép ngoại trú, nếu: + Tổng liều đưa vào 30 mCi + Đo xạ cách bệnh nhân m, suất liều mR/h 7.5.3 An toàn xạ tia X 7.5.3.1 Bảo vệ cho cán nhân viên * Giảm tối đa tiếp xúc với xạ: - Trước tiến hành chụp chiếu, phải chắn cửa phòng 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 144 * 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 * 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 7.5.3.2 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 khơng cần thiết xét nghiệm khác không 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 145 * 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 + 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 phương pháp thay thế, phải chiếu chụp X quang cố gắng che chắn giảm thiểu chiếu xạ vào thai 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 David Halliday tác giả (2001), Cơ sở vật lý (6 tập), NXB Giáo dục Dương Xuân Đạm (2004), Vật lý trị liệu đại cương, NXB Văn hố thơng tin Nguyễn Thị Kim Ngân (2001), Lý sinh học, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 10 Lê Văn Trọng (2001), Giáo trình lý sinh học, NXB Đại học Huế 11 Trần Đỗ Trinh (1994), Hướng dẫn đọc điện tim, NXB Y học Hà Nội 12 Vật lý đại cương, Bộ môn Vật lý - Toán, Đại học Dược Hà Nội - 2000 13 Jay Newman (2008), Physics of the life sciences, Springer 14 Nico A.M Schellart (2009), Compendium of Medical physics, Medical technology and Biophysics, Dept of Medical physics, University of Amsterdam 15 Paul Davidovits (2008), Physics in Biology and Medicine (Third Edition), Academic Press 147 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu tính chất, quy luật khái quát giới vật chất Những thành tựu vật lý ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, đặc biệt Y học, ứng dụng Vật lý học như: Điện tim, điện tâm đồ, điện não đồ, điều trị nhiệt, từ trường, ứng dụng âm siêu âm, chụp X quang, sợi quang học mổ nội soi, ứng dụng phóng xạ, chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân, mắt dụng cụ quang học, ứng dụng ánh sáng điều trị, ứng dụng laser làm cho ngành Y có phát triển vượt bậc, giúp thầy thuốc chẩn đoán xác điều trị có hiệu cao Giảng dạy môn Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y kiến thức vật lý liên quan phục vụ ngành nghề, rèn luyện cho sinh viên phương pháp tư khoa học, kết hợp lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp họ học mơn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật lý trị liệu - phục hồi chức năng, Chẩn đốn hình ảnh, y học hạt nhân,… mơn học khác có liên quan Giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo xây dựng trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên Với đặc điểm đối tượng đào có kiến thức vật lý nhiều năm khơng sử dụng, có nhiều hạn chế, việc biên soạn giáo trình Lý sinh y học vừa đảm bảo tính hệ thống kiến thức, phù hợp với chương trình khung Bộ, vừa phù hợp với đối tượng đào tạo theo tín việc làm cần thiết Trong trình biên soạn giáo trình, khả kinh nghiệm hạn chế, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận góp ý đồng nghiệp sinh viên để giáo trình ngày hồn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 09 tháng năm 2014 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC 148 MỤC LỤC Chương 1: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 1.1 Các khái niệm 1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động học 1.3 Nguyên lý thứ hai nhiệt động Chương 2: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 10 2.1 Các tượng vận chuyển vật chất thể sinh vật 10 2.2 Sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào 17 Chương 3: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP 30 3.1 Lý sinh tuần hoàn 30 3.2 Lý sinh hô hấp 42 Chương 4: SÓNG ÂM, SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC .49 4.1 Bản chất vật lý sóng âm, siêu âm 49 4.2 Nguồn phát sóng âm siêu âm 52 4.3 Ứng dụng sóng âm siêu âm y học 55 Chương 5: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG .63 5.1 Hiện tượng điện sinh vật - chế phát sinh lan truyền 63 5.2 Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến 70 5.3 Tác dụng dòng điện lên thể ứng dụng điều trị 79 Chương 6: QUANG SINH HỌC 84 6.1 Bản chất ánh sáng 84 6.2 Cơ chế hấp thụ ánh sáng phát sáng 85 6.3 Tác dụng ánh sáng lên thể sống 89 6.4 Mắt dụng cụ bổ trợ 93 6.5 Laser ứng dụng y học 106 Chương 7: BỨC XẠ ION HÓA VÀ ỨNG DỤNG .116 7.1 Tia phóng xạ 116 7.2 Bức xạ rơnghen (tia x) 128 7.3 Tác dụng sinh học xạ ion hoá 131 7.4 Ứng dụng xạ ion hóa y học 134 7.5 An toàn xạ 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 146 149 150 TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC - GIÁO TRÌNH LÝ SINH Y HỌC THÁI NGUYÊN - 2014 151 TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC - GIÁO TRÌNH LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học tập trung năm ngành Bác sỹ đa khoa Cử nhân điều dưỡng chức) Tham gia biên soạn : TS Bùi Văn Thiện (Chủ biên) Ths Nguyễn Quang Đơng Ths Nguyễn Xn Hòa Thư ký biên soạn: Ths Nguyễn Quang Đơng THÁI NGUN - 2014 152 GIÁO TRÌNH LÝ SINH Y HỌC Tham gia biên soạn: TS Bùi Văn Thiện ThS Nguyễn Quang Đơng ThS Nguyễn Xn Hòa 153 ... Nguyên lý thứ hai nhiệt động 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. .. đại entropi (Nguyên lý tăng S) 1.3.2 Áp dụng nguyên lý cho hệ thống sống 1.3.2.1 Trạng thái dừng hệ thống sống - Ta áp dụng nguyên lý vào hệ thống sống hệ thống sống hệ mở đặc biệt, x y trao đổi... chế nguyên lý 1, xác định chiều diễn biến q trình vĩ mô cho phép đánh giá khả sinh công hệ nhiệt động khác 1.3.1.1 Một vài thông số nhiệt động liên quan đến nguyên lý * Gradien: Xét đại lượng Y