Tài liệu giảng dạy môn vật lý lý sinh (phần lý thuyết)

Phụ lục TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÝ LÝ SINH (PHẦN LÝ THUYẾT) GV biên soạn: Trương Thị Ngọc Chinh Trà Vinh, … /20 Lưu hành nội MỤC LỤC Nội dung Trang CHƢƠNG CƠ SINH HỌC BÀI MỞ ĐẦU BÀI CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG VÀ SỰ VẬN CHUYỂN MÁU TRONG CƠ THỂ 11 BÀI KHÍ VÀ SỰ VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ NGƢỜI 22 BÀI CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CƠ THỂ 28 BÀI HOẠT ĐỘNG CO CƠ 32 BÀI VẬN ĐỘNG LIỆU PHÁP 38 CHƢƠNG CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 42 BÀI MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN VỀ NHIỆT HỌC 43 BÀI NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 45 BÀI NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 50 CHƢƠNG SÓNG VÀ ÂM 54 BÀI SÓNG ÂM 54 BÀI ÂM VÀ SIÊU ÂM 56 BÀI SƠ LƢỢT VỀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG NGÀNH Y 66 CHƢƠNG ĐIỆN SINH VẬT 71 BÀI ĐIỆN THẾ SINH VẬT Ở TẾ BÀO SỐNG 71 BÀI ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ CHỨC SỐNG 79 BÀI TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN LÊN CƠ THỂ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU TRỊ 86 CHƢƠNG QUANG SINH HỌC 99 BÀI BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 99 BÀI LASER VÀ ỨNG DỤNG 104 BÀI TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG 112 BÀI MẮT VÀ DỤNG CỤ BỔ TRỢ 117 BÀI PHƢƠNG PHÁP HIỂN VI 128 CHƢƠNG PHÓNG XẠ SINH HỌC 139 BÀI CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA BỨC XẠ ION HÓA 139 BÀI TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ 144 BÀI ỨNG DỤNG BỨC XẠ VÀO Y HỌC 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 162 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh CHƢƠNG CƠ SINH HỌC BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, ngƣời học có thể: - Trình bày đƣợc tầm quan trọng vật lý môn khoa học khác, y học lâm sàng bảo vệ sức khỏe cộng đồng - Dùng đơn vị đo lƣờng nhà nƣớc Việt Nam cơng việc ngày - Giải thích đƣợc biến đổi thể, nhu cầu lƣợng thể Định nghĩa nội dung lý sinh Vật lí học ngành khoa học tự nhi n nghi n cứu nh ng d ng vận động nh t vật ch t tìm cách ứng dụng chúng phục vụ đời sống Trong trình phát triển , ngành khoa học đan xen vào làm nảy sinh ngành khoa học mới, thí dụ nhƣ lý sinh, h a sinh Nh ng phát minh lớn vật lý định luật bảo tồn , tính ch t lƣợng t , nh ng thuyết vật lý v ch t vật ch t c đ c tính chung mức độ khác nhau, c tác dụng giới sống c ng nhƣ kh ng sống, cho n n c thể coi vật lý sở khoa học tự nhi n Lý sinh vật lý v sống quan hệ mật thiết với y học đ i do: - Sự ứng dụng nh ng qui luật vật lý để nghi n cứu nh ng trình sống, để hiểu giải thích nh ng tƣợng xảy tr n thể ngƣời, tr n quần thể sống Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh - S dụng nh ng phƣơng pháp vật lý, nh ng máy m c thiết bị việc ch n đoán bệnh, u trị bệnh, bảo vệ sức khỏe cộng đồng việc bảo vệ m i trƣờng sống - S dụng nh ng phƣơng pháp suy ngh đƣợc th a nhận vật lý cho việc x y dựng giới quan khoa học ngƣời thầy thuốc Khi nghi n cứu tƣợng vật lý xảy tr n vật thể sống ho c kh ng sống, phƣơng pháp phổ biến t o n n hồn cảnh thí nghiệm tƣơng tự nhƣ kiện đ xảy ho c t o n n m hình tƣơng đối giống nhƣ tƣợng đƣợc khảo sát, tr n sở đ mà hoàn ch nh dần u kiện th ng số tƣợng Thí dụ để nghi n cứu v tim hệ tuần hoàn, ngƣời ta c thể chế t o n n hệ th ng ống d n kín mà thành ống c tính đàn hồi máy bơm với c ng su t xác định, ho t động lien tục Cho đến nay, tƣơng vật lý xảy đƣợc giải thích lo i tƣơng tác sau: Tƣơng tác h p d n: tƣơng tác đƣợc di n tả định luật v n vật h p d n Newton Hai vật b t kì hút lực t lệ thuận với khối lƣợng chúng t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Tƣơng tác điện t : tƣơng tác đƣợc di n tả định luật Coulomb c d ng tƣơng tự định luật h p d n: Hai điện tích hút ho c đ y lực t lệ thuận với điện tích chúng t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Tƣơng tác h t nh n m nh: tƣơng tác xảy r t đáng kể ph m vi kích thƣớc h t nh n, khoảng -15m, n đảm bảo tồn t i h t nh n nguy n t Tƣơng tác h t nh n yếu: tƣơng tác g n li n với phát x h t nh n nguy n t Thời gian gần đ y, nhi u ngƣời n i đến tồn t i trƣờng sinh học tƣơng ứng với n tƣơng tác trƣờng sinh học nhƣng ch t trƣờng sinh học v n chƣa đƣợc chứng minh r rệt Đo lƣờng đơn vị đo 2.1 ệ ệ ệ M i thuộc tính đối tƣợng vật lý đ c trƣng hay nhi u đ i lƣợng vật lý Một nh ng v n đ vật lý học v n đ đo lƣờng đ i lƣợng vật lý Đo đ i lƣợng vật tức chọn đ i lƣợng lo i làm m u (gọi đơn vị) so sánh đ i lƣợng phải đo với m u đơn vị đ Trị số đo đ i lƣợng đ phải t số: Muốn định ngh a đơn vị đ i lƣợng, ngƣời ta phải chọn trƣớc số đơn vị làm m u gọi đơn vị Các đơn vị khác đƣợc suy t đơn vị gọi đơn vị d n xu t Tùy theo đơn vị chọn trƣớc suy nh ng đơn vị d n xu t khác Tập hợp đơn vị đ chọn đơn vị d n xu t tƣơng ứng gọi hệ đơn vị Các đơn vị thƣờng đƣợc chọn cho thõa mãn số yêu cầu: Các đơn vị phải tiện lợi tính tốn; cơng thức vật lý có nh ng hệ số đơn giản hợp lý; số liệu khoa học đƣợc thống nh t gi a nƣớc để tiện trao đổi Trong khứ, ngƣời ta dùng: - Hệ CGS: đơn vị xăngtimét cm , gam g gi y s - Hệ MKS: đơn vị mét (m), kilogram (kg) giây (s) Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Năm 196 , nhi u nƣớc giới đ họp chọn hệ đơn vị thống nh t gọi hệ SI (international) – hệ quốc tế Năm 1965, phủ Việt Nam đ ban hành Bảng đơn vị đo lƣờng hợp pháp nƣớc Việt Nam dựa tr n sở hệ SI Trong hệ SI đơn vị là: - Đơn vị chi u dài: mét (m) - Đơn vị khối lƣợng: kilogram (kg) - Đơn vị thời gian : giây (s) - Đơn vị cƣờng độ dòng điện: Ampe (A) - Đơn vị cƣờng độ sáng: Candela (cd) - Đơn vị nhiệt độ: độ Kelvin (0K) T đơn vị đ , ngƣời ta định ngh a đơn vị d n xu t Thí dụ đơn vị SI cho cơng su t, gọi ốt (viết t t W đƣợc định ngh a theo đơn vị khối lƣợng, độ dài thời gian 1oat=1W=1kg.m2/s3 Bảng 1.1 Các tiền t c a hệ Ti ầu ngữ Ký hiệu Thừa s Ti m thập phân ầu ngữ Ký hiệu Thừa s Đe ca da 10 Đ xi d 10-1 Hecto 102 Xăngti c 10-2 Kilo k 103 Mili m 10-3 Mega M 106 Micro Giga G 109 Nano n 10-9 Tera T 1012 Pico p 10-12 10-6 Để di n tả số đo lớn ho c nhỏ, ngƣời ta bổ sung vào đơn vị đo ti n tố hệ đếm thập phân bảng 1.1 Do th i quen, ngƣời ta hay dùng đơn vị sau: o - 1Angstron (1 A ) = 10-10m = 10-8 cm - phút = 60s - = 3600 s = 60 phút 2.2 Đạ ô e Một số đ i lƣợng vật lý đơn vị đo c thể đ c trƣng số liệu cách đơn trị, đ đ i lƣợng v hƣớng Thí dụ khoảng thời gian, lƣợng, nhiệt độ, thể tích Các đ i lƣợng khác, chẳng h n tốc độ, gia tốc, lực, cƣờng độ điện trƣờng, cƣờng độ t trƣờng kh ng nh ng đ c trƣng trị số đ mà cần ch r hƣớng chúng kh ng gian, đ đ i lƣợng vectơ Các đ i lƣợng biểu di n tuân theo quy luật đ i số vectơ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 2.3 Độ lớn kh thông dụng ng, chiều dài, th i gian, c a s 1.2 Độ lớn c a kh Bả Đ ng Các s vật lý ng s ng ng vật lý Kh ng (kg) -30 Điện t 0,9.10 Proton 1,67.10-27 Phân t AND 10-15 lit nƣớc Con ngƣời trƣởng thành 0,5 – 0,8.102 Ơ tơ 103 Tàu thủy 107 Trái Đ t 6.1024 M t trời 2.1030 Bảng 1.3 Độ lớn chiều dài s Đ ng vật lý ng Chiều dài Giới h n v trụ (khoảng đƣờng ánh sáng đƣợc t Big Bang tới – khoảng 15 t năm ~1026 Một năm ánh sáng ~1015 Khoảng cách Trái Đ t – M t Trời ~1012 Khoảng cách Trái Đ t – M t Trăng ~109 Chi u cao ngƣời 1,5~1,9 Một số virus ~10-6 Phân t lớn ~10-9-10-8 Kích thƣớc nguyên t ~10-10 Kích thƣớc h t nhân nguyên t 10-15 Cận tr n bán kính điện t 10-18 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Bảng 1.4 Khoảng cách th i gian s trình vật lý Quá trình Khoảng th i gian (s) Thời gian ánh sáng qua nucleon 10-24 Chu kỳ dao động h t nhân 10-21 Chu kỳ dao động nguyên t 10-14 Chu kỳ dao động sóng vơ tuyến truy n hình 10-8 Chu kỳ dao động sóng âm 10-3 Nhịp tim 1 năm 108 Đời ngƣời 1010 Xu t ngƣời tr n Trái Đ t 1014 Tuổi v trụ 1018 Bảng 1.5 Các s vật lý thông dụng Tên s Ký hiệu Giá trị c 3.108ms-1 NA 6,023.1023phân t mol-1 Hằng số Boltzmann k 1,381.10-23JK-1 Hằng số h p d n v trụ G 6,672.10-11m3kg-1s-2 Gia tốc trọng trƣờng g 9,81ms-2 Hằng số Coulomb K 9.109N.m2C-2 Khối lƣợng electron m0 9,109.10-31kg Điện tích nguyên tố e 1,602.10-19C Khối lƣợng proton mp 1,673.10-27kg Khối lƣợng notron mn 1,675.10-27kg Hằng số Rydberg RB 1,097.10-7m-1 Bán kính Bohr a0 5,29.10-11m uma 1,66.10-27kg h 6,63.10-34J.s Tốc độ ánh sáng chân không Số Avogadro Đơn vị khối lƣợng nguyên t Hằng số Planck Các dạng lƣợng biến đổi lƣợng thể sống Các hệ thống sống trình tồn t i c ng nhƣ trì ho t động nh t định phải thực trao đổi vật ch t lƣợng với m i trƣờng xung quanh Nhƣ thể lu n tồn t i hai trình quan trọng kh ng thể tách ròi mà bổ sung cho nhau, t o u kiện cho nhau, đồng thời ta c ng th y đƣợc mối quan hệ đ c biệt chúng với m i trƣờng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Năng lƣợng đ i lƣợng đ c trƣng cho mức độ vận động vật ch t Một vật tr ng thái xác định có lƣợng xác định Khi vật không cô lập, ngh a c tƣơng tác với vật bên Sự trao đổi lƣợng thực cách sinh công ho c truy n nhiệt Đối với Lý sinh đ c biệt Lý sinh y học v n đ quan tâm d ng lƣợng biến đổi chúng thể sống Năng lƣợng số đo chung chuyển động vật ch t hình thức chuyển động khác M i hình thức vận động cụ thể tƣơng ứng với d ng lƣợng Cơ thể đƣợc c u t o t nguyên t , phân t vật ch t vận động biến đổi, thể c ng c đầy đủ d ng lƣợng 3.1 C ể Trong thể tùy lúc, tùy nơi mà c thể tồn t i d ng lƣợng sau đ y: 3.1.1.Cơ - Cơ năng lƣợng chuyển động học tƣơng tác học, gi a vật ho c phần t vật Cơ hệ vật tổng động hệ y - Động số đo phần vận tốc n định Trong thể động g p nh ng nơi c chuyển động: di chuyển thể, vận chuyển máu hệ tuần hồn, vận chuyển khí đƣờng hô h p, vận chuyển thức ăn ống tiêu hóa, vận chuyển vật ch t qua màng tế bào - Thế phần hệ quy định tƣơng tác gi a phần với với trƣờng lực Thế công mà lực thực đƣợc di chuyển hệ t vị trí (c u hình xét tới vị trí (c u hình) quy ƣớc Đối với thể, xét v toàn bộ, tồn t i trƣờng h p d n trái đ t có Gi a t ng quan, phận thể c ng tồn t i di chuyển vị trí tƣơng đối nhau, ho c thay đổi c u hình trình thực chức thể sống 3.1.2 Đ ệ Điện năng lƣợng liên quan tới chuyển động phần t mang điện điện tích), nhi u trƣờng hợp đ electron Trong thể, điện c vận chuyển thành dòng ion qua màng tế bào, phát lo i s ng điện t vào kh ng gian xung quanh Điện làm cho hƣng ph n đƣợc d n truy n tế bào, đảm bảo cho ho t động tế bào Kh ng c n thể tồn t i đƣợc 3.1.3 ó Hóa năng lƣợng gi cho nguyên t , nhóm hóa chức có vị trí khơng gian nh t định phân t Năng lƣợng đƣợc giải phóng phân t bị phá vỡ Độ lớn lƣợng đƣợc giải phóng tùy thuộc t ng liên kết H a g p b t nơi c ph n t hóa học, đ n c kh p thể H a thể tồn t i dƣới nhi u hình thức: h a ch t t o hình, h a ch t dự tr nhƣ glycogen, lipid, protid , h a ch t đảm bảo ho t động chức năng, h a hợp ch t giàu lƣợng 3.1.4 Q Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh - Thay quần áo phịng s ch (khơng có ho t tính đ quy định Khơng mang đồ dùng cá nhân vào phịng thao tác với phóng x - Khơng hút thuốc, kh ng ăn uống t i phịng có thao tác với ch t phóng x , đ y cách gây nhi m x quan trọng - Thực biện pháp kiểm tra: đếm số lƣợng tế bào máu tháng lần; mang li u lƣợng kế cá nhân (phim ho c bút), kiểm tra cách thao tác, kiểm tra mức độ s ch phóng x quần áo, dụng cụ * Bảo vệ bệnh nhân Mục tiêu tránh cho bệnh nhân nh ng chiếu x không cần thiết h n chế li u mức th p nh t nhƣng v n đảm bảo đƣợc yêu cầu ch n đoán u trị Nguyên t c: - Ch định đúng: c n nh c kỹ, tránh nh ng kiểm tra khơng cần thiết, tránh dùng ch t phóng x cho phụ n có thai, nghi có thai ho c cho bú tr có ch định lâm sàng b t buộc Ch dùng cho trẻ em khơng có biện pháp khác thay ho t tính phóng x phải giảm theo quy định - Tận giảm li u chiếu: máy móc thiết bị chụp chiếu phải đảm bảo thông số kỹ thuật, đảm bảo ch t lƣợng phim chụp, khƣ trú trƣờng nhìn chụp chiếu mức tối thiểu cần thiết - Bảo vệ quan nh y cảm với phóng x thể (tuyến sinh dục, thu tinh thể, tuyến giáp, tuyến vú cần đƣợc che ch n dụng cụ bảo vệ thích hợp (t p d cao su chì, găng tay cao su chì, áo chồng bảo vệ, bình phong chì) chụp chiếu - Bệnh nh n đƣợc dùng phóng x để u trị cần nằm phòng riêng, buồng bệnh đƣợc rải ch t liệu d t y r a phịng bệnh nhân nơn ho c đánh đổ ch t phóng x n n nhà ho c bàn ghế - Bệnh nh n đƣợc phép ngo i trú, nếu: + Tổng li u đƣa vào dƣới 30 mCi Đo x cách bệnh nhân m, su t li u dƣới mR/h  Câu hỏi ( tập) củng cố: Các chế tác dụng x ion hóa với tổ chức sinh học Các lo i tổn thƣơng tia phóng x gây Độ nh y cảm phóng x gì? Ý ngh a x trị cơng tác bảo đảm an tồn x nhƣ nào? Các biện pháp kỹ thuật để giảm li u chiếu phóng x tiếp xúc cơng việc BÀI ỨNG DỤNG BỨC XẠ VÀO Y HỌC  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, ngƣời học có thể: - Trình bày lợi ích ch n đốn hình ảnh tia X ứng dụng x ion hóa y học h t nhân Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 153 - Trình bày đƣợc ngun lý kiểm sốt an tồn x Các phƣơng pháp sử dụng tia X 1.1 Sơ máy phát tia X Năm 1895 nhà bác học Rơnghen ngƣời Đức trình nghiên cứu ph ng điện khí đ phát tia có khả đ m xuy n qua lớp vật ch t mỏng, làm đen kính ảnh, m t ngƣời l i không nhận biết đƣợc Lúc đầu chƣa hiểu rõ ch t tia n n Rơnghen đ t tên cho tia X, sau để ghi nhớ c ng lao ngƣời đ phát ra, ngƣời ta gọi đ tia Rơnghen Quá trình nghiên cứu Rơnghen cộng nhận th y: tia X đƣợc phát t vật r n vật đ bị b n phá chùm electron c lƣợng lớn có ch t s ng điện t có bƣớc sóng khoảng 10-12- 10-8m Ngoài ra, nghiên cứu cịn cho th y: ngồi tính ch t s ng nhƣ ánh sáng tia X cịn có tính ch t h t qua q trình tƣơng tác với vật ch t Cho đến tia X đƣợc h ểu lo i ánh sáng bao gồm hai thuộc tính sóng h t, ch t s ng điện t với bƣớc sóng khoảng 10-12- 10-8m 1.2 Nguồn phát xạ tia X Có lo i bóng phát tia X: - Bóng khí (Crooker) hay ion điện tử: Điện t phát sinh số ion khí cịn l i b ng đánh vào m cực Nhƣ b ng c ng phải có khí, khí cịn q bóng khơng s dụng đƣợc H n chế b ng cƣờng độ bóng th p hết khí ngƣời ta phải bơm khí vào - Bóng chân khơng (Cooligde) hay bóng âm cực cháy đỏ: Điện t phát sinh âm cực đƣợc đốt nóng nhiệt độ cao Nhiệt độ t i âm cực cao nhiệt điện t sinh nhi u, đ cƣờng độ chùm tia X lớn Điện gi a cực cao tốc độ nhiệt điện t lớn, bƣớc sóng chùm tia X nhỏ hay độ đ m xuyên chùm tia lớn Do d dàng u ch nh đƣợc cƣờng độ độ đ m xuy n chùm tia X nên ngày t t máy X quang y tế đ u s dụng nguồn phát tia bóng chân khơng 1.2.1 Cấu tạo c a máy phát tia X Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 154 Hình 6.5 Cấu tạo máy phát tia X Gồm phận nhƣ sau: * Bóng phát tia X - Là bóng thu tinh đ rút gần hết khơng khí, bóng có: + Katot (K): sợi dây Vonfram đƣợc đốt nóng dịng điện h có I= 35A, Katot nóng ≥20000C trở thành nguồn phát nhiệt điện t + Anot (A): t m kim lo i, thƣờng làm Tungsten có nhiệt độ nóng chảy cao, có vai trị kìm hãm điện t đ đƣợc gia tốc t Katot b n sang - B ng phát tia X đƣợc đựng vỏ chì, ch có c a sổ’’ chùm tia X cần dùng qua * Nguồn điện Nguồn điện máy biến gồm phần: + Cuộn sơ c p: nối vào điện lƣới 220v + Cuộn thứ c p: gồm cuộn, cuộn t o n n n ≈ 6V dùng để đốt nóng Katot, cuộn tăng > 100 kV (có thể đến 300kV) tác dụng vào Anot K.atot * Các thiết bị điều khiển điện cƣờng độ dòng điện + K1: u ch nh cƣờng độ dịng điện đốt nóng Katot + K2: u ch nh điện áp tác dụng vào Anot Katot * Bộ phận lọc định hƣớng tia X - Bộ phận lọc tia X: Đƣợc làm t m kim lo i pha chì g n vào bóng X quang, phía trƣớc c a sổ có tia X phát + Tác dụng: để c chùm tia X tƣơng đối đơn s c Tia X đơn s c, chiếu chụp hình ảnh r nét Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 155 - Bộ phận định hƣớng tia X: Đƣợc làm nh ng ống kim lo i có hình trụ ho c hình n n, thƣờng đƣợc kết hợp với phận lọc tia X đ t hộp trƣớc bóng X quang + Tác dụng: khu trú, hƣớng chùm tia X vào phận cần chụp giảm diện tích thể bị chiếu 1.2.2 Nguyên lý phát xạ tia X Chùm tia X phát t Anot b ng phát tia X theo hai chế: phát x hãm x đ c trƣng - Bức x hãm: xu t có chùm electron c động đủ lớn đến đập lên Anot Do tác dụng trƣờng gi a h t nhân lớp vỏ electron nguyên t ch t làm Anot nên electron bị làm chậm l i (bị hãm) Vì bị hãm electron m t phần lƣợng, phần lƣợng m t đ đƣợc phát dƣới d ng s ng điện t đ tia X h m - Bức x đ c trƣng: tia X đ c trƣng xu t electron b n t Catot c động lớn xuyên sâu vào nh ng lớp bên vỏ nguyên t làm bật electron t lớp vỏ bên khỏi ngun t có electron mức lƣợng cao nhảy v chiếm ch đồng thời phần lƣợng dƣ th a phát dƣới d ng s ng điện t đ tia X đ c trƣng 1.3 Tính chất c a tia X - Tia X c đầy đủ tính ch t ánh sáng nhƣ truy n thẳng, phản x , nhi u x , khúc x giao thoa - Tia X c cƣờng độ lớn đ c khả đ m xuy n qua m i trƣờng vật ch t - Tia X có khả ion hố ch t khí - Tia X có khả g y phát quang số muối Ví dụ: muối NaCl, KCl, Platino cyanua Bari việc chế t o huỳnh quang, bìa tăng quang muối đƣợc s dụng - Tia X có khả g y phản ứng h n hợp làm biến màu số muối Ví dụ muối b c (màu tr ng dƣới tác dụng tia X chuyển thành màu đen Ngƣời ta s dụng tính ch t làm phim chụp 1.4 Ứng dụng c a tia X y học 1.4.1 Trong chẩ * Có phƣơng pháp: - Chiếu X quang: hình ảnh tổ chức đƣợc phản ánh huỳnh quang Trong phƣơng pháp nh n vi n X quang ngồi sau hình quan sát hình ảnh phủ t ng bệnh nhân hình Hình ảnh cần phải liên tục khoảng 30 s ho c n a Ngày với việc áp dụng tăng sáng, hình ảnh đƣợc tăng độ đậm nh t, hình ảnh r nét giảm đƣợc li u chiếu x cho bệnh nhân cho nhân vi n Đ c biệt, hình ảnh truy n qua máy thu hình, cán X quang ngồi t i phòng khác, đƣợc che ch n tốt mà v n ch n đoán đƣợc qua hình ảnh - Chụp X quang: hình ảnh tổ chức đƣợc phản ánh phim X quang Thƣờng c phƣơng pháp đƣợc ứng dụng lâm sàng: Chụp X quang thƣờng chụp c t lớp vi tính (CT scanner) Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 156 + Chụp X quang thƣờng: hình ảnh phận đƣợc phản ánh cách đơn giản ho c bị chồng l p, không th y hết đƣợc kích thƣớc,chi u s u,độ lớn phận tổn thƣơng thể,thƣờng để phát tổn thƣơng xƣơng tổ chức cản quang + Chụp cắt lớp: Một nguồn X quang chiếu qua ngƣời bệnh tới hệ thống đầu dò c định hƣớng Hệ thống đầu dò đƣợc quay quanh thể, hình ảnh thu đƣợc hình ảnh c t lớp, phƣơng pháp làm r đƣợc chi tiết mà chụp X quang thông thƣờng bị chồng l p, phát đƣợc nh ng khối u sâu * Nguyên tắc tạo hình ảnh: huỳnh quang tr n phim đƣợc trình bày qua mơ hình sau: Hình 7.6 Ngun tắc cấu tạo ảnh T ó: (1) y X (2) phận cần chụp chi u (3) phận hình ảnh - Chùm tia X máy (1) phát xuyên qua phận ngƣời bệnh (2) đập vào ch n (3) (màn huỳnh quang ho c t m phim) - Do tƣợng h p thụ, qua (2) chùm tia X bị tổ chức h p thụ không đồng đ u kết điểm khác ch n (3) bị chùm tia X tác động với cƣờng độ khác t o nên nh ng vùng sáng tối khác - Ngoài ra, kỹ thuật X quang ngƣời ta s dụng ch t tăng quang cản quang để làm tăng hiệu hình ảnh thu đƣợc T nguyên t c ta th y: + Trong chiếu X quang: khối (3) huỳnh quang vùng h p thụ nhi u tia X ảnh vùng đ tối; cụ thể xƣơng, tim đen vùng phổi, + Trong chụp X quang: khối (3) t m phim chụp đƣợc kẹp gi a hai tăng quang hộp dẹt đƣợc gọi Cát-xét Trên phim chụp X quang, nh ng vùng h p thụ nhi u tia X có hình tr ng (nhƣ xƣơng, tim nh ng vùng h p thụ tia X c hình đen nhƣ phổi, 1.4.2 T ều trị Tia X đƣợc ứng dụng chủ yếu u trị nh ng bệnh nhân bị ung thƣ Dựa vào tác dụng sinh vật tia X có khả diệt bào mà ngƣời ta áp dụng vào phƣơng pháp u trị có tên: Xạ trị Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 157 X trị đƣợc dùng chủ yếu u trị ung thƣ Do tế bào ung thƣ c độ nh y cảm phóng x lớn tế bào lành, đ dùng tia X chiếu vào khối u ác tính để làm biến đổi tr ng thái ho t động, h n chế phát triển d n đến tiêu diệt hoàn toàn tế bào ung thƣ Mục tiêu phải đƣa đƣợc li u x m nh vào nơi ung thƣ mà kh ng g y thƣơng tổn cho mô lành xung quanh Yêu cầu phải đ t tới li u h p thu vài chục Gray phải chiếu ph n đo n thành nhi u li u nhỏ Chiếu ph n đo n r t cần thiết, v a gây tai biến, v a nâng cao hiệu lực u trị Phƣơng pháp đơn giản dùng X quang khoảng kV, nhƣng khối u s u phần da bị chiếu với li u cao khối u Trong trƣờng hợp nên dùng x m nh có khả xuy n s u, ví dụ: X quang lƣợng cao khoảng MeV Bên c nh việc chọn lƣợng thích hợp, cần giảm bớt li u chiếu x mô lành cách chiếu t nhi u phía, hƣớng vào khối u Với nh ng máy đ i, dùng nguồn x quay liên tục quanh khối u để u trị Nhƣ khối u bị chiếu liên tục nhƣng li u phần m m lành b n đƣợc dàn trải nên li u x t ng ch không lớn Ứng dụng tia phóng xạ y học 2.1 Ứng dụng c a tia phóng xạ chẩ - Cơ sở: dựa tr n sở phƣơng pháp nguy n t đánh d u h p thụ x khác gi a tế bào m c ng nhƣ m lành m bệnh - Yêu cầu: lựa chọn đồng vị phóng x c độc tính phóng x th p, d thu nhận máy đo x , chu kỳ bán rã không ng n ho c dài quá, thải tr khỏi thể thời gian khơng dài Ví dụ: P32 có T= 14,5 ngày, phát tia β c lƣợng 1,7 MeV Dùng để ch n đoán u trị bệnh v máu, u trị giảm đau di ung thƣ xƣơng, I131 có T= 8,05 ngày, phát tia β c lƣợng 0,2 MeV tia γ có lƣợng 0,008; ,282; 363; ,637 MeV Dùng để ch n đoán chức tuyến giáp, chức thận, h p thụ đƣờng tiêu hoá - Phân loại: phƣơng pháp ch n đốn đồng vị phóng x đƣợc phân thành nhóm chính: + Ch n đốn toàn thể bệnh nhân (in vivo) + Ch n đoán dịch thể sinh vật nhƣ nƣớc tiểu, máu hay tổ chức tế bào (in vitro) - Các phƣơng pháp chẩn đốn: dựa theo tính ch t kỹ thuật phƣơng tiện nghiên cứu ngƣời ta chia thành phƣơng pháp sau: + X kế ống nghiệm: Là phƣơng pháp xác định độ phóng x m u (x kế in vitro) Tuỳ theo yêu cầu ch n đoán mà ngƣời ta đƣa đồng vị phóng x vào thể, sau đ l y m u máu, nƣớc tiểu, dịch thể sinh vật Căn vào trang bị máy móc đo đƣợc toàn khối lƣợng dịch thể ho c ch đo phần nhỏ tính độ phóng x tồn (Ví dụ: xác định lƣợng máu lƣu hành thể) + X kế l m sàng: Dùng để theo dõi tích tụ ch t phóng x tổ chức quan đ thể Ví dụ: Đo độ tập trung Iode t i tuyến giáp, mức độ h p thụ Na tổ chức m , Thƣờng dùng trƣờng hợp cần đo x lần ho c nhi u lần cách nh ng khoảng thời gian nh t định Giá trị đo đƣợc biểu thị t số phần trăm so với tổng số lƣợng ch t phóng x đƣa vào ho c so với độ phóng x khu vực lành cần đối chứng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 158 + X ký lâm sàng: phƣơng pháp sau khối khuyếch đ i ngƣời ta thay tự ghi cho đếm xung đ kết ho t tính phóng x đƣợc biểu di n thành đƣờng cong liên tục theo thời gian nhƣ x thận đồ, x t m đồ, x n o đồ + X hình: phƣơng pháp ghi hình ảnh phân bố phóng x bên phủ t ng cách đo ho t độ phóng x chúng t b n thể Phƣơng pháp đƣợc tiến hành qua bƣớc: - Đƣa dƣợc ch t phóng x (DCPX) DCPX đ phải tập trung đƣợc nh ng m , quan định nghiên cứu phải đƣợc lƣu gi đ thời gian đủ dài - Sự phân bố không gian DCPX đƣợc ghi thành hình ảnh Hình ảnh đƣợc gọi x hình đồ, ghi hình nh p nháy X hình khơng ch phƣơng pháp ch n đốn hình ảnh đơn v hình thái mà giúp ta hiểu đánh giá đƣợc chức quan, phủ t ng số biến đổi bệnh lý khác 2.2 Ứng dụng c a tia phóng xạ ều trị - Cơ sở: việc dùng đồng vị phóng x u trị hiệu ứng sinh vật học x ion hoá tr n thể sống Độ nh y cảm phóng x lo i tế bào mô r t khác nhau, đ c biệt tế bào ung thƣ nh ng tế bào phát triển m nh r t nh y cảm với tia x Do chiếu li u x tiêu diệt đƣợc m ung thƣ cịn m bình thƣờng khơng có biến đổi nguy hiểm Đ c ng nguyên t c u trị tia phóng x - Các phƣơng pháp điều trị: Đi u trị chiếu ngoài: S dụng máy phát tia γ cứng máy gia tốc để hu diệt tổ chức bệnh Đ y phƣơng pháp chủ yếu u trị ung thƣ Mục tiêu phải đƣa đƣợc li u x m nh để tiêu diệt tế bào ung thƣ mà kh ng ảnh hƣởng đến tế bào lành, phải chiếu ph n đo n thành nhi u li u nhỏ chiếu t nhi u phía Ví dụ: S dụng tác dụng sinh học tia Gamma t nguồn Co60 hay tia X t máy gia tốc vòng, để u trị nhi u lo i ung thƣ nhƣ ung thƣ vòm họng, ung thƣ vú, ung thƣ bàng quang Đi u trị áp sát: Dùng dao Gamma để u trị bệnh máu hay u trị tổ chức ngồi da (u máu nơng) t m áp P32 Phƣơng pháp đƣa nguồn tới sát vị trí cần chiếu qua hệ thống ống d n gọi phƣơng pháp u trị áp sát n p nguồn sau Ví dụ: u trị áp sát để u trị nhi u lo i ung thƣ, đ c biệt ung thƣ hốc tự nhiên thể nhƣ ung thƣ trực tràng, ung thƣ cổ t cung, Đi u trị chiếu u trị nguồn hở) Nguyên lý phƣơng pháp: dựa tr n định đ Henvesy 1934 : Cơ thể sống không phân biệt đồng vị nguyên tố Đi u đ c ngh a đƣa vào thể sống đồng vị nguyên tố chúng tham gia vào phản ứng sinh học chịu chung số phận chuyển hố Vì vậy, biết ngun tố hố học ho c ch t đ tham gia vào q trình chuyển hố tổ chức ho c quan đ thể, thuốc phóng x tập trung t i tổ chức bệnh phát huy tác dụng u trị Ví dụ: - Đi u trị bệnh lý tuyến giáp tr ng Basedow, ung thƣ, I-131 Phƣơng pháp s dụng tác dụng sinh học x β nguồn phóng x để tiêu diệt tế bào tuyến giáp Do tuyến giáp háo iode, nên bệnh nh n đƣợc uống iode phóng x , thuốc tập Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 159 trung t i tuyến giáp tổ chức di để diệt tế bào bệnh Bức x β c qu ng đƣờng mô ng n cỡ vài cm, đ ch có tác dụng t i ch mà khơng ảnh hƣởng đến tế bào lành xung quanh - Đi u trị giảm đau di ung thƣ xƣơng P-32, Sr-89, Sm-153 Đ y phƣơng pháp u trị giảm đau hiệu quả, không gây nghiện, tác dụng thuốc kéo dài - Ngoài ra, dƣợc ch t phóng x cịn đƣợc dùng để u trị nhi u bệnh lý khác Nhƣ bệnh máu đa u tu ,bệnh b ch huyết, bệnh đa hồng cầu ) hay số ung thƣ kh ng c ch định ph u thuật hoá trị liệu 2.3 Dùng nguồn chi u sinh học * Phƣơng pháp chiếu xạ gây biến dị để tạo giống Qua trình s dụng nguồn tia phóng x tác dụng l n đối tƣợng sinh vật, gây biến dị để t o giống mới, nhà khoa học đ rút nh ng nhận xét sau: - Kết chiếu x chịu ảnh hƣởng vào u kiện h t chiếu x nhƣ nhiệt độ, độ m, oxy, độ pH Do vậy, với l đem chiếu x , phải chọn h t đồng nh t v trọng lƣợng, kích thƣớc, độ m, nhiệt độ, nồng độ oxy, độ pH v.v - Li u chiếu x g y đột biến để t o giống thƣờng s dụng t KRad đến 100KRad - Su t li u lƣợng ảnh hƣởng đến số lƣợng đột biến Li u g y đột biến g p đ i đột biến xu t ng u nhiên gọi "li u g p đ i" Thực tế xác định khoảng t 15-30 Rad lần chiếu chiếu li u th p thời gian chiếu lâu "li u g p đ i" lên tới 100 Rad Khi tổng li u chiếu nhỏ KRad s dụng su t li u 10-100 Rad/phút tổng li u chiếu lớn KRad s dụng su t li u 500 Rad/phút - Sau chiếu x , tần số g y đột biến có lợi r t th p đa số trƣờng hợp đột biến xu t đ kh ng di truy n đƣợc cho hệ sau Qui trình chiếu x để chọn giống mới, theo bƣớc sau: Chiếu x h t để g y đột biến Th nghiệm để chọn lọc nh ng đột biến có lợi Xác định thuộc tính có lợi mức độ ổn định qua hệ Nhân giống * Ứng dụng phƣơng pháp chiếu xạ để tiêu diệt trùng có hại Có nhi u phƣơng pháp để tiêu diệt côn trùng gây h i nhƣng s dụng phƣơng pháp chiếu x l i r t hiệu không gây ô nhi m m i trƣờng Phƣơng pháp s dụng chiếu x l n c n trùng để t o nh ng thuộc tính b t lợi cho c n trùng nhƣ chết yểu, đực vơ sinh, đẻ trứng hay có t lệ sinh đực cao Kết đ thu đƣợc ruồi gây h i cho ngành chăn nu i phía Nam nƣớc Mỹ Mehico cách thả 50 triệu đực vô sinh, cuối giống ruồi đ bị tiêu diệt * Sử dụng phƣơng pháp chiếu xạ để khử trùng Phƣơng pháp kh trùng dùng tia x ion hóa r t hiệu s ch, đ c biệt nh ng vi khu n n m mốc, kh trùng nhiệt độ cao đ kh ng ti u diệt hết đƣợc Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 160 Trong công tác kh trùng nhiệt, ngƣời ta hay dùng li u t vong 90% (ký hiệu LD90) li u cần thiết để diệt 90% số vi khu n đem chiếu x gọi li u thập phân Li u thập phân (LD90) r t thích hợp cho việc tính tốn li u kh trùng Với chủng vi khu n có N0 số tế bào ban đầu cịn N số tế bào vi khu n sống sót sau chiếu x li u D li u chiếu đƣợc tính theo cơng thức: D = LD90 (logN -logN) o (6.5) Để kh trùng thực ph m, năm 196 , Smit Nate đ đ xu t phƣơng pháp xác định trực tiếp li u LD90 với quần thể ban đầu 109 bào t Cách thực hiện: chọn 20 hộp thịt (hay nƣớc hoa quả) cần kh trùng, đƣợc c y thêm vào m i hộp 1ml h n dịch chứa 108 bào t Clostridium botilium đ ng hộp l i Sau chiếu x li u D xác định để hộp vào tủ m 370 C thời gian (chẳng h n tháng) Sau tháng, kiểm tra xem có hộp bị hỏng nhƣ c độc tố ho c bị nhi m khu n Trƣờng hợp c độc tố, tách chiết độc tố tiêm phúc m c chuột để th độc tính Gọi M tổng số bào t đ ti m vào 20 hộp thịt D li u chiếu x N số hộp có chứa độc tố Li u thập ph n đƣợc xác định theo công thức: (6.6) Trong thực tế để diệt n m mốc vi khu n, ngƣời ta hay áp dụng li u t 300KRad đến triệu Rad * Sử dụng phƣơng pháp chiếu xạ để bảo quản lƣơng thực, thực ph m Ph m vi áp dụng li u s dụng nhƣ sau: - Chiếu x li u nhỏ KRad để chống nảy mầm khoai tây, hành, tỏi v.v , làm trái chậm chín nhƣ chuối, cam, quýt , tiêu diệt côn trùng để bảo quản ng cốc nhƣ lúa, ngô, l c, đậu tƣơng v v - Chiếu x li u t KRad → triệu Rad để bảo quản thịt tƣơi, cá tƣơi, trứng v.v - Chiếu li u t triệu Rad → triệu Rad để kh trùng ch t phụ gia, gia vị, chế ph m enzyme v.v  Câu hỏi ( tập) củng cố: Nêu kỹ thuật dùng tia X vai trò t ng kỹ thuật đ ch n đoán bệnh Ngƣời ta s dụng đồng vị phóng x để làm cơng tác y tế Nêu ví dụ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 161 TÀI LIỆU THAM KHẢO  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỂ BIÊN SOẠN NỘI DUNG MÔN HỌC: - Phan Sỹ An (2012), Lý Sinh, NXB Giáo Dục Việt Nam - Phan Sỹ An cộng (2006), Vật lý – Lý sinh y học - Nguy n Thị Kim Ngân, Lý Sinh Học, NXB Đ i học Quốc Gia Hà Nội - Đoàn Suy Ngh , L Văn Trọng , Lý Sinh, ĐH Huế - Đ ng Diệp Minh Tân (2014), Giáo trình Vật lý Đ i cƣơng A1 Trƣờng ĐH Trà Vinh - Nguy n Văn Sáu 14 , Giáo trình Vật lý Đ i cƣơng A2 Trƣờng ĐH Trà Vinh - Giáo trình thực hành Cơ Nhiệt đ i cƣơng– Bộ môn Vật lý – Khoa Khoa học – trƣờng Đ i học Cần Thơ  TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐỀ NGHỊ CHO HỌC VIÊN: - Bài giảng môn học Vật lý Lý sinh lƣu hành nội bộ) - Bộ môn Vật lý – khoa Khoa học Cơ - trƣờng Đ i học Trà Vinh - Bài giảngThực hành Vật lý Lý sinh lƣu hành nội bộ) - Bộ môn Vật lý – khoa Khoa học Cơ - trƣờng Đ i học Trà Vinh - Phan Sỹ An (2012), Lý Sinh, NXB Giáo Dục Việt Nam Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh 162 ... HỌC 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 162 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh CHƢƠNG CƠ SINH HỌC BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau học xong... trọng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý Lý sinh tƣợng sinh học quy luật ngành khoa học khác c ng tu n theo quy luật chung vật lý học Câu hỏi (bài tập) củng cố: Xác định sơ lƣợc quan hệ gi a môn học Lý. .. động liệu pháp? Nêu vài ví dụ Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý Lý sinh 41 CHƢƠNG CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Nhiệt động học hệ sinh vật hƣớng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật