GIÁO TRÌNH vật lí lí sinh y học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC - GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC THÁI NGUYÊN - 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC - GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học quy ngành: Bác sỹ đa khoa, Y học dự phòng, Răng hàm mặt, Cử nhân điều dưỡng) 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 Đông THÁI NGUYÊN - 2013 GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC Chủ biên: TS Bùi Văn Thiện Tham gia biên soạn : TS Bùi Văn Thiện ThS Nguyễn Quang Đông ThS Nguyễn Xuân Hòa CN Vũ Thị Thúy Thư ký biên soạn: ThS Nguyễn Quang Đơng i MỤC LỤC Hình 9.19 Thấu kính tĩnh điện Hình 9.20 Thấu kính từ .79 10.1 THUYẾT SÓNG ĐIỆN TỪ VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 80 10.2.2 Điều kiện để có giao thoa ánh sáng 83 10.2.3 Điều kiện để có cực đại cực tiểu giao thoa 85 10.2.4 Hình dạng vị trí vân giao thoa 87 10.3 HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG .90 10.3.1 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 90 10.4 HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC ÁNH SÁNG 96 10.4.1 Ánh sáng tự nhiên 96 10.4.2 Ánh sáng phân cực .96 10.5 THUYẾT LƯỢNG TỬ VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 97 10.5.1 Hiệu ứng quang điện 97 10.5.1.1 Thí nghiệm 97 10.5.1.2 Đường đặc trưng von - ampe 98 10.5.1.3 Các định luật quang điện 99 10.5.2 Thuyết lượng ánh sáng Einstein giải thích tượng quang điện 100 10.5.2.1 Thuyết lượng tử ánh sáng Einstein 100 10.5.2.2 Giải thích định luật quang điện .101 Bảng 14.1 158 16.4 MẮT VÀ DỤNG CỤ BỔ TRỢ 199 16.4.1 Quang hình học mắt 199 16.4.1.1 Sơ lược cấu tạo mắt 199 16.4.1.2 Quang hình học mắt 201 16.4.1.3 Khả điều tiết mắt 203 16.4.2 Khả phân ly mắt 204 16.4.3 Các tật quang hình mắt dụng cụ bổ trợ 206 16.4.3.2 Các tật quang hình mắt dụng cụ bổ trợ 207 ii 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 đốn xác điều trị có hiệu cao Giảng dạy mơn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y kiến thức vật lý liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, 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 Do đối tượng đào tạo chủ yếu sinh viên miền núi, nên khả tiếp thu kiến thức vật lý có nhiều hạn chế Vì việc biên soạn giáo trình Vật lý - 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 em sinh viên để giáo trình ngày hồn chỉnh Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 27 tháng năm 2012 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Phần thứ nhất: CƠ HỌC CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1.1 Chuyển động học Là thay đổi vị trí vật hay phận vật không gian theo thời gian 1.2 Chất điểm Là vật có khối lượng có kích thước nhỏ khơng đáng kể so với khoảng cách mà ta khảo sát Một tập hợp chất điểm gọi hệ chất điểm (Một vật coi tập hợp vơ số chất điểm) Chất điểm có tính tương đối Ví dụ: Electron chuyển động quĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời coi chất điểm 1.3 Hệ qui chiếu Vật chọn làm mốc, với hệ toạ độ đồng hồ gắn liền z với nó, để xác định vị trí vật khác, gọi hệ qui chiếu 1.4 Phương trình chuyển động chất điểm M(x, y, z) Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí chất điểm M thời điểm xác định toạ độ x, r y, z bán kính véc tơ r , hàm x y thời gian x = x(t); y = y(t); z = z(t) r r r = r(t) Các phương trình gọi phương trình chuyển động chất điểm 1.5 Quỹ dạo chuyển động Quỹ đạo chuyển động đường mà chất điểm vạch không gian chuyển động Muốn xác định dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo Phương trình quỹ đạo phương trình biểu diễn mối quan hệ toạ độ Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) 1.6 Tính chất tương đối chuyển động Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, vật coi đứng yên hay chuyển động Ví dụ: Một người đứng yên tàu hoả, lại chuyển động so với cột số bên đường 1.7 Đơn vị đo lường Mỗi thuộc tính đối tượng vật lý đặc trưng hay nhiều đại lượng vật lý Một vấn đề vật lí học đo lường đại lượng vật lý Người ta phải chọn đại lượng làm mẫu gọi đơn vị Từ năm 1965 người ta chọn hệ đo lường quốc tế SI (System International - Hệ quốc tế) Bảng 1.1 Bảy đại lượng vật lý hệ SI Tên đại lượng Chiều dài Khối lượng Thời gian Cường độ dòng điện Cường độ sáng Nhiệt độ Lượng vật chất Ký hiệu L M T I J Tên đơn vị met kilogam giây ampe candela Kelvin mol θ N Ký hiệu đơn vị m kg s A Cd K Mol Muốn biểu diễn số nhỏ hay lớn, người ta dùng luỹ thừa 10 Ví dụ: 3,6 mA = 3,6.10-3A 2,0 nm = 2,0.10-9m Bảng 1.2 Thừa số Tên tiền tố 12 10 Tera 10 Giga 10 Mega 103 Kilo 10 Hecto 10 Deca 1.8 Thứ nguyên Ký hiệu T G M K H D Thừa số 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 Tên tiền tố dexi centi mili micro nano pico Ký hiệu D C M μ N P Thứ ngun đại lượng vật lí cơng thức nêu lên phụ thuộc đại lượng vào đại lượng Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài/ Thời gian Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LT-1 Đơn vị vận tốc là: m/s Nhờ khái niệm thứ nguyên ta kiểm nghiệm lại độ đắn cơng thức vật lý hai vế cơng thức vật lý phải có thứ ngun Ví dụ: Cơng thức chu kỳ lắc: T = 2π Thứ nguyên hai vế là: T = l g L = T L.T -2 Như mặt thứ nguyên công thức hợp lý 1.9 Các đại lượng vật lý Mỗi thuộc tính đối tượng vật lý (Một vật thể, tượng, trình ) đặc trưng hay nhiều đại lượng vật lý Ví dụ: Khối lượng, thời gian, thể tích, lực, lượng Các đại lượng vật lí vơ hướng hay đại lượng véc tơ (hữu hướng) 1.9.1 Xác định đại lượng vô hướng Nghĩa xác định giá trị nó, có đại lượng vơ hướng khơng âm như: Thể tích, khối lượng , có đại lượng vơ hướng mà giá trị âm hay dương, ví dụ như: điện tích, hiệu điện 1.9.2 Xác định đại lượng véc tơ Nghĩa xác định điểm đặt, phương, chiều, độ lớn véc tơ đặc trưng r ur cho đại lượng Ví dụ: lực F , cường độ điện trường E Chương DAO ĐỘNG VÀ SÓNG 1.1 CHUYỂN ĐỘNG DAO ĐỘNG 1.1.1 Dao dộng gì? Chuyển động dao động chuyển động lặp lặp lại vị trí cân sau khoảng thời gian định + Ví dụ: - Dao động lò xo: uur Ở trạng thái cân bằng: Fhl = Dùng ngoại lực kéo lò xo lệch khỏi vị trí cân đoạn x thả ra, vật nặng chuyển động vị trí cân O tác dụng uur lực đàn hồi Fdh Lực đàn hồi ngược chiều với ngoại lực uur r Fdh = − k x (1.1) Dấu (-) lực đàn hồi ngược chiều với vectơ dịch chuyển x k: hệ số đàn hồi lò xo Phụ thuộc chất lò xo Đến vị trí cân Fdh = Nhưng quán tính, vật tiếp tục chuyển động sang trái đoạn x (nếu bỏ qua ma sát khơng khí) Lúc lại xuất lực đàn hồi lò xo phải kéo, lò xo trái đẩy, vật lại qua vị trí cân sang phải Quá trình lặp lại nhiều lần sau khoảng thời gian Người ta gọi chuyển động chuyển động dao động - Con lắc đơn Lấy sợi dây mảnh, không co giãn, chiều dài l Một đầu dây buộc vào vật nặng khối lượng m, đầu buộc vào cố định Ta có lắc đơn Thoạt đầu tác dụng trọng lực u r P lắc đứng yên Hình 1.1 Chương 19 PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 19.1 C¬ së vËt 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 neutron Proton 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 tõ Neutron còng cã spin, còng cã m«men tõ, cã thể xem neutron nh cầu có điện tích phân bố, tính chung điện tích không (neutron trung hòa điện) nhng quay tạo mômen từ Hạt Số Số nhân proton neutron neutron có chªnh lƯch chót Ýt, H 12 nhng nhỏ, vào cỡ 10-27 A.m2 Hạt C 6 13 C nh©n cã thĨ cã nhiỊu proton 14 N 7 neutron, mômen từ hạt nhân 23 Na 11 12 tổng hợp (theo quy tắc lợng 31 P 15 16 39 tử) mômen từ hạt proton K 19 20 neutron Có hạt nhân có mômen từ lớn, có hạt nhân có mômen từ Mômen từ proton nhỏ , có hạt nhân mômen từ Nhng nói chung, mômen từ hạt nhân nhỏ, vào cỡ phần nghìn mômen từ vỏ electron nguyên tử Vì điều kiện để có cộng hởng từ hạt nhân khác với điều kiện để có đợc cộng hởng từ electron Không thế, ngời ta cã thĨ thùc hiƯn céng hëng tõ ®èi víi 254 Hình 19.1 Dới tác dụng từ trờng mômen từ thực chuyển động Larmor loại hạt nhân nguyên tử Thí dụ thể, ngời ta thờng đặc biệt ý hạt nhân nguyên tử hiđro hiđro hai nguyên tố cấu tạo thành nớc (H2O), mà nớc nói chung thể chỗ có Hơn hạt nhân nguyên tử hiđro cho tín hiệu cộng hởng từ mạnh Hạt nhân nguyên tử hiđro đơn giản: có hạt proton, mômen từ hạt nhân hiđrô mômen từ proton 19.1.2 Cộng hởng từ hạt nhân Hạt nhân có mômen từ nằm từ trờng B0 , sÏ thùc hiƯn chun ®éng t sai (chun ®éng Larmor), tức đầu mút vectơ vạch nên đờng tròn quanh phơng B0 B0 Trên hình 19.2 biểu diễn: dới tác dụng từ trờng B0 mômen từ B1 thực chuyển động Larmor Đây chuyển động tuần hoàn, tần số phụ thuộc vào B0 Trong trờng hợp proton, tần số đợc tính theo công thức f = g p µ p B0 (h×nh 19.1) H×nh 19.2 Tõ trêng xoay chiều vuông góc với Bo, quay quanh Bo với tần số góc : tác dụng lên mômen từ m lực tuần hoàn tần số góc , = o xảy tợng cộng hởng Tính B0 1T (Tesla) proton có tần số Larmor 42,58 MHz Chú ý sóng vô tuyến có tần sè 42,58 MHz lµ øng víi bíc sãng m, từ trờng hai cực nam châm vĩnh cửu mạnh vào cỡ 0,2 T Nh hạt nhân nằm từ trờng B0 trở thành hệ dao động với tần số dao động riêng f phụ thuộc B0 Nếu chiếu thêm sóng điện từ tần số rađiô thích hợp, biến thiên từ 255 trờng sóng rađiô tạo làm cho hạt nhân dao động cộng hởng Trên hình 19.2 biểu diễn từ trờng xoay chiỊu B1 vu«ng → gãc víi Bo, quay quanh Bo với tần số góc : B tác dụng lên mômen từ lực tuần hoàn tần số góc , = o xảy tợng cộng hëng Cơ thĨ trêng hỵp tõ B0 = 1T , đầu mút trờng N2 mômen từ hạt nhân hiđro quay tròn với tần số N1 > N f = 42,58MHz , nÕu chiÕu thªm vào sóng rađiô với bớc sóng 7m (tức tần số 42,58 MHz) đầu mút mômen từ hạt nhân hiđro quay Hình 19.3 Trong từ trêng Bo, N1 proton cã song song víi tõ trêng, N2 proton cã ®èi song víi tõ trêng còng víi tần số nh trớc nhng biên độ lớn hơn, mômen từ prôtôn nghiêng xa so với phuơng B0 , tức nghiêng nhiều phơng vuông gãc víi ph¬ng cđa → B0 Nhng thùc tÕ, thực cộng hởng từ dối với hạt nhân hiđro riêng lẻ mà cộng hởng từ tập hợp hạt nhân hiđro thể tích đó, thí dụ 1mm3 vỏ não Do ta xét tập hợp hạt nhân từ trờng 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 ch©m sÏ n»m quay däc theo tõ tr 256 ờng, mômen từ nam châm song song chiều với từ trờng Nhng tập hợp hạt nhân tập hợp hạt vi mô, tuân theo quy luật lợng tử : nằm từ trờng đa số hạt nhân có m«men tõ quay song song cïng chiỊu víi tõ trêng nhng có hạt nhân có mômen từ song song nhng ngỵc chiỊu víi tõ trêng, ngêi ta gäi nhũng mômen từ đối song Các phép tÝnh to¸n cho thÊy nÕu tõ trêng B0 tỉng cộng có N hạt nhân có N1 hạt nhân có mômen từ song song N2 hạt nhân có mômen từ đối song (Trong từ trờng Bo, N1 → proton cã µ tõ trêng lƯch → song song với từ trờng, N2 proton có đối song với N àB0 , hình 19.3), N1 lớn N2 tỉ số chênh N kT N N1 N = tính theo công thức gần ®óng : N N → ∆N µB0 ≈ víi B0 cờng độ từ trờng tác dụng, mômen từ N kT hạt nhân, k số Boltzmann, T nhiệt độ tuyệt đối Tính ra, nhiệt độ phòng T = 25C , B0 = 1T hạt nhân hiđrô, tỉ số N vào cỡ 10-6 Nói cách khác có N hạt N nhân, N1 hạt nhân có mômen từ hớng song song với từ trờng B0 , N2 hạt nhân cã m«men tõ Z Bo song song nhng híng 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 257 Hình 19.4 Phân tích vectơ thành thành phần phần triệu hớng theo chiều B0 Thật mômen từ có chuyển động Larmor, nhng khử cặp nên cuối xem có N hạt nhân đóng góp vào mômen từ M tổng cộng Từ công thức tìm đợc ta có : M = N ì = Nà B0 kT (19.1) → VËy xÐt chun ®éng Larmor từ trờng B0 N hạt nhân thể tÝch V cđa vËt chÊt, thÝ dơ cđa vá n·o, ta xét đến mômen từ M tổng cộng 19.1.4 Céng hëng tõ mét thĨ tÝch cã nhiỊu hạt nhân tợng liên quan Ta xét thể tích có N hạt nhân, mômen từ hạt Hình 19.4 Khi tắt sóng rađiô, đầu mút vectơ từ hoá M vạch nênđờng nhân từ trờng tác xoắn ốc nhỏ dần dụng B0 Ta thấy N hạt nhân có N hạt nhân có mômen từ song song với B0 N2 hạt nhân có mômen từ đối song với B0 , mặt từ tính xem nh chúng khử đôi một, chØ cßn N1 − N = ∆N ~ 10 hạt nhân có đóng góp vào mômen từ tổng cộng Các mômen từ nằm hoàn toàn song song với từ trờng ngoài, chúng đảo nhanh quanh phơng từ trờng nhng góc nghiêng nhỏ Phân tích mômen từ hạt nhân thành → hai vect¬ : mét vect¬ song song víi B0 , ta kÝ hiƯu lµ µ // vµ mét 258 vectơ vuông góc với B0 , kí hiƯu lµ µ ⊥ Khi chØ cã B0 , xem có N hạt nhân có mômen từ hớng B0 đảo quanh B0 Vectơ tổng àp lớn, cỡ gần N Nhng vectơ tổng xem nh không giá trị nhỏ mà 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 tr ờng B0 , vectơ từ hoá dọc theo phơng từ trờng → → → M // = ∑ µ // cùc đại, vectơ từ hoá ngang M = không (hình 19.3) Khi chiếu sóng rađiô có tần số tần số đảo f (hay tÇn sè gãc ω = → 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 hoàn, làm cho nghiêng mạnh phía B1 quay quanh B0 cách đồng pha với Kết 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 259 rađiô có thêm số mômen từ hạt nhân quay phía đối song song, N2 tăng lên, N1 giảm xuèng, ∆N = N1 − N gi¶m → → đáng kể Kết 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 trình hồi phục Trong trình này, 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 thời gian hồi phục T1 vectơ từ hoá dọc thời gian hồi phục T2 vectơ từ hoá ngang không nh nhau, nói chung T1 > T2 Nếu quanh hạt nhân có nhiỊu ph©n tư nhá (nhĐ), nh ph©n tư níc H2O, việc hạt nhân truyền lợng hấp thụ lâu so với quanh hạt nhân ph©n tư lín, cång kỊnh, thÝ dơ víi ph©n tư chất mỡ, chất béo Với tế bào sinh häc, tïy theo chøa Ýt níc, nhiỊu níc, Ýt mì hay nhiỊu mì… T1 thay ®ỉi tõ 300 ®Õn 2000 miligi©y Thêi gian håi phơc T2 còng sÏ cã trị số lớn quanh hạt nhân nớc có trị số nhỏ quanh hạt nhân dịch chứa phân tử lớn nhiều chất mỡ Nhng nói chung, T2 nhỏ T1, thờng thay đổi từ 30 miligiây đến 150 miligiây so với T nhạy cảm với cấu trúc sinh học Tóm lại xét vectơ từ hóa tổng céng M = M // + M ⊥ th× → → → céng hëng ( M // = , M cực đại) đầu mút M vạch nên vòng tròn mặt phẳng vuông góc B0 Khi tắt sóng rađiô, M vừa 260 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 làm thay đổi từ thông qua cuộn dây 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 ăngten thu dòng điện cảm ứng sinh vectơ từ hoá M biến thiên theo đờng xoáy trôn ốc Tín hiệu ăngten thu đợc có tên tín hiệu cảm ứng suy giảm tự FID (free induction decay) Bản thân tín hiệu FID mạnh hay yếu vectơ từ hoá M lớn hay nhỏ, mà độ lớn M lại phụ thuộc vào số hạt nhân phần tử thể tích, cụ thể số prôtôn Vì tín hiệu FID cho biết mật độ proton Phân tích kĩ dạng tín hiệu FID tìm đợc thời gian hồi Máy phát RF máy phục từ hóa ngang T2 v.v Nh đo chia cắt c¬ thĨ ngêi tõng thĨ tÝch nhá cã täa độ x, y, Mẫu z tơng ứng, làm cho hạt nhân thể tích dao động cộng hởng vµ thu tÝn hiƯu N S céng hëng tõ thĨ tÝch ®ã gưi ®i, thÝ dơ tÝn hiƯu FID, thêi gian håi phôc T1, thêi gian håi phôc T2 v.v… quy định độ đậm, nhạt, trắng đen màu sắc Cuộn RF Hình 19.5 Sơ đồ máy cộng hởng từ hạt nhân phòng thí nghiệm xanh đỏ tím vàng ứng với tín hiệu mạnh, yếu, dài, ngắn thu đợc, 261 sở số liệu tọa độ x, y, z phần tử thể tích tín hiệu cộng hởng thu đợc từ phần tử đó, máy tính vẽ hình ảnh cắt lớp hai chiều ảnh ba chiều thể Tùy theo tín hiệu thu để tạo ảnh mạnh hay yếu ảnh cho nớc, đâu 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 vào 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 tắc: M biến thiên làm 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 thành phần M song song với song song với B0 tức M // Từ ta đo đợc thời gian hồi phục dọc Nếu bố trí cuộn dây song song với B0 ta đo đợc biến thiên thành phần vuông góc M , từ xác định đợc thời gian hồi phục ngang Các tín hiệu 262 mà cuộn dây thu đợc nhỏ, ngắn nhng kĩ thuật xử lí tín hiệu ngày cho phép đo xác Giải pháp kĩ thuật quan trọng để có đợc ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân Lauterbur đa năm 1973 Đó thêm vào từ trờng mạnh B từ trờng yếu nhng biến thiên theo khoảng cách, nói cách khác tạo gradien từ trờng Trớc hết ta xét cách tạo từ trờng có gradien theo z tác dụng từ tr- = 1T z Bo + Bz 1,02 T 1,01 T 1,00 T 0,99 T ờng Cuộn dây siêu dẫn tạo từ trờng B mạnh Ngời ta bố trí thêm cuộn dây tạo tõ 0,98 T → trêng yÕu song song víi B0 nhng biến thiên theo z, tức có dạng → → Bz = ( α + βz ) B0 (19.2) Vậy thêm cuộn dây tạo gradien này, từ trờng tổng cộng bên cuộn dây siêu dẫn là: B0 + Bz = (1 + + βz ) B0 H×nh 19.6 Do Bz cã gradien theo z không gian hình trụ đợc chia thành lớp cắt mỏng vuông góc với z, từ trờng Bo +Bz lớp xem không đổi (19.3) Từ trờng mạnh, biến thiên theo z: từ trờng bên hình trụ bị chia thành lớp mỏng, vuông góc với trục z Trong ph¹m vi mét líp, tõ trêng cã thĨ xem không thay đổi Khi từ lớp đến lớp từ trờng tăng dần, thí dụ nh hình vẽ 10.35 0,97T, 0,98T, 0,99T, 1T, 1,01T, 1,02T, 1,03T, Cơ thể ngời đợc đặt hình trụ rỗng, xét mặt từ chia lµm nhiỊu líp: líp n»m tõ trêng 0,97T, líp n»m tõ trêng 0,98T v.v… TÇn sè cđa chun động đảo mômen từ hạt 263 nhân phụ thuộc vào từ trờng ngoài, thí dụ hạt nhân nguyên tử hiđro, từ trờng 1T, tần số chuyển động đảo 42,58 MHz Khi thể nằm từ trờng có građien theo z, chiếu sóng rađio có tần số 42,58 MHz vào thể có hạt nhân nguyên tử hidro n»m tõ trêng 1T míi bÞ céng hëng Nh nhờ cuộn dây tạo gradien từ trờng theo trơc z ta cã thĨ t¹o céng hëng từ hạt nhân lớp vuông góc với z Líp nµy dµy hay máng lµ t thc vµo từ trờng biến thiên nhanh hay chậm, tức 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 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 thu lấy tín hiệu cộng hởng từ từ thể tích phát Có thể điều khiển để chọn lớp cắt lần lợt quét phần tử thể tích cộng hởng theo toàn diện tích lớp cắt Từ tập hợp số liệu tín hiệu cộng hởng vị trí tơng ứng máy tính tạo ¶nh céng hëng tõ cđa líp c¾t Thu thËp sè liệu từ lớp cắt liên tiếp nhau, máy tính dựng lại ảnh ba chiều không gian đối tợng Tuỳ thuộc vào việc lấy tín hiệu cộng hởng để tạo ảnh cộng hởng xảy hạt nhân nào, ảnh cắt lớp cộng hởng từ cho ta thông tin tơng ứng ThÝ dơ, tÝn hiƯu c¶m øng tõ suy gi¶m FID phụ thuộc vào độ lớn vectơ từ hoá M phần tử thể tích mà M lại phụ thuộc vào số mômen từ proton, 264 tín hiệu mạnh hay yếu phụ thuộc vào mật ®é proton lín hay nhá, tõ ®ã ta cã thĨ lý giải chỗ đậm nhạt ảnh gan xơng nêu trên, thời gian hồi phục T1 da Mật ®é proton gian håi phơc däc vµ ngang Nh ®· Chất xám dụng tín hiêu liên quan đến thời Cơ bắp Thông thờng ngời ta hay sử chất trắng tơng ứng với chất (hình 19.7) T2 rÊt phơ thc phÇn tư thĨ tÝch chøa chÊt : chất nớc, chất dịch, não tuỷ, ung th Do ảnh cắt lớp sử dụng loại tín hiệu T1, T2 dễ thấy rõ đâu máu, Hình 19.7 So sánh mật độ proton phận thể đâu mỡ, đâu não phân biệt máu chảy dều mạch máu hay mạch máu bị vỡ, máu chảy ngầm Bằng kỹ thuật xử lý ảnh, chỗ cã tÝn hiƯu céng hëng øng víi x¬ng ngêi ta cho màu trắng đục, chỗ ứng với máu có màu đỏ, chỗ ứng với mỡ có màu vàng nhạt v.vdo ngời bác sĩ dễ dàng nhận định chẩn đoán bệnh So với chụp ảnh cắt lớp tia X (X-ray computed tomography) vài cách chụp ảnh dùng hạt nhân phóng xạ, phơng pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân có u điểm lớn không đa vào thể ngời xạ iôn hóa Khi chụp ảnh, thể ngời chịu ba tác dụng vật lí: từ trờng tĩnh mạnh B0 , biến thiên gradien từ trờng sóng radiô Từ trờng tĩnh B0 đợc sử dụng thờng vào cỡ Tesla trở lên, mạnh gấp 20.000 lần từ trờng Trái Đất Theo nhiều kết nghiên cứu từ trờng mạnh vào 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 265 dòng vào cỡ 1àA/cm2 Giá trị nhỏ không gây hại Dới tác dụng sóng rađio chiếu vào, thể chØ hÊp thơ hÕt 0,7 W, t¬ng øng chØ cã thể làm nhiệt độ thể tăng cỡ 0,1-0,2 o C Điều hạn chế phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân 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 bị hút mạnh nóng lên Đặc biệt ngời dùng máy trợ tim, đa vào từ trờng mạnh, máy bị hỏng 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 màu 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 ngoài, khối u nhỏ chèn dây thần kinh dễ phân biệt phát 266 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) hình ảnh mặt cắt ngang tuỷ sống (hình dới, bên phải) 267 TI LIU THAM KHO 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 268 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC - GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học quy ngành: Bác sỹ đa khoa, Y học dự phòng, Răng hàm... VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Phần thứ nhất: CƠ HỌC CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1.1 Chuyển động học Là thay đổi vị trí vật hay phận vật không gian theo thời gian 1.2 Chất điểm Là vật. .. th y thuốc chẩn đốn xác điều trị có hiệu cao Giảng d y mơn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y kiến thức vật lý liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn luyện cho sinh