5. Các bước thực hiện
2.4.3. Ảnhhưởng của môi trường chiếu
Tác dụng sinh học của tia phóng xạ phụ thuộc rất nhiều vào mật độ vật chất (nồng độ), độ linh động của các phân tử cấu tạo, hàm lượng nước và một số chất khác trong đó (oxy chẳng hạn). Vì các yếu tố đó ảnh hưởng đến khả năng chuyển giao năng lượng cho vật
chất của chùm tia, sự lan truyền năng lượng trong môi trường, xác suất tương tác và khả năng ion hóa vật chất, các gốc tự do. Vì vậy các thông số về môi trường vật chất được
chiếu ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng các ion được tạo ra, đến tốc độ và khả năng phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường từ các gốc tự do và từ các sản phẩm mới tạo thành. Từ đó ảnh hưởng đến tác dụng của chùm tia lên tổ chức sinh học.
Chương 3: ỨNG DỤNG MỘT SỐ KỸ THUẬT VẬT LÝ
NGUYÊN TỬ VÀ HẠT NHÂN VÀO Y SINH HỌC
Đã từ lâu các bức xạ ion hóa được sử dụngđể phục vụ con người nhất là trong y sinh học. Khởi đầu là dùng tia Rơnghen để chẩn đoán bệnh, để phân tích cấu trúc vĩ mô và dùng bức xạ để tiêu diệt các tế bào bệnh và các mầm bệnh. Việc sử dụng các đồng vị
phóng xạ ngắn ngày như một nguồn hở để chẩn đoán, điều trị bệnh và nghiên cứu y sinh
học đã phát triển rộng rãi trong những năm gần đây tạo ra những tiến bộ nhảy vọt về y
sinh học.
Dưới đây giới thiệu một số nguyên tắc ứng dụng của các kỹ thuật đó.
3.1. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VẬT CHẤT BẰNG CHÙM TIA X
Khái niệm phân tích cấu trúc vĩ mô để chỉ việc phân tích cấu trúc bên trong của vật nào đó mà trong hoàn cảnh xác định ta không thể tách nó ra làm nhiều phần riêng biệt.
Cấu trúc bên trong ở đây là độ dày mỏng, mật độ cấu tạo và bản chất vật chất của vật đó.
Khái niệm phân tích cấu trúc vĩ mô là xem xét cấu trúc mạng tinh thể, cấu trúc phân tử
của vật chất.
3.1.1. Phân tích cấu trúc vĩ mô của vật chất
Cơ sở của phương pháp phân tích vĩ mô là qui luật hấp thụ và sự phụ thuộc của hệ số
hấp thụ vào đặc tính cấu trúc của vật cần nghiên cứu: những phần dày mỏng khác nhau,
có khối lượng riêng khác nhau sẽ hấp thụ tia Rơnghen không đồng đều như nhau. Sơ đồ
khối của phương pháp phân tích này trình bày trên hình 3.1.
Hình 3.1
Khối 1 phát ra chùm tia Rơnghen cường độ đồng đều trên một tiết diện đủ bao quát đối tượng nghiên cứu (khối 2). Chùm tia Rơnghen sau khi đi qua đối tượng bị hấp thụ khác
nhau ở những vùng khác nhau của tiết diện, nghĩa là vùng nào hấp thụ nhiều thì vùng tia ló yếuvà ngược lại. Chùm tia ló bây giờ tạo một ảnh ẩn của cấu trúc bên trong đối tượng. Khối 3 có nhiệm vụ biến ảnh ẩn thành ảnh hiện, phản ánh cấu trúc bên trong của đối tượng. Khối 3 này có thể là màng huỳnh quang (ở đây tia Rơnghen bị hấp thụ và phát ra tia huỳnh quang nhìn thấy được). Nơi nào chùm tia Rơnghen đập vào có cường độ I
mạnh thì phát ra ánh sáng mạnh, nơi nào chùm tia Rơnghen đập vào có cường độ I yếu
thì phát ra ánh sáng yếu. Khối 3 cũng có thể là phim ảnh và sự khác nhau về cường độ I thể
Bằng những thủ pháp kỹ thuật khác nhau, người ta có thể làm cho hình rõ nét, phân tích cấu trúc của từng lớp vật chất nằm song song nhau trong đối tượng nghiên cứu.
Phương pháp phân tích cấu trúc vĩ mô này là cơ sở của việc chẩn đoán bằng tia Rơnghen (chẩn đoán X quang) trong ngành y tế.
Để tăng thêm độ tương phản giữa tổ chức lành và tổ chức bệnh qua hình ảnh phân tích
vĩ mô bằng tia X người ta áp dụng các kỹ thuật dùng các chất cản quang như Barit,
lipiodol hoặc bơm hơi (không khí) vào nơi cần thăm khám. Kỹ thuật này đã mở ra một
chuyên khoa riêng trong y học, đó là X quang chẩn đoán.
Gần đây kỹ thuật chụp cắt lớp bằng tia X (computerized tomography: CT scanner)
được ứng dụng nhiều trong y học để chẩn đoán bệnh (Hình 3.2a, Hình 3.2b). Kỹ thuật
này mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho việc chụp hình chi tiết các phủ tạng, mô trong cơ
thể. Kỹ thuật CT Scanner do Hounsfield (Anh) và Cormak (Mỹ) phát minh năm 1971.
Phát minh này có tầm vóc ngang với phát minh ra tia X của Rơnghen, nên năm 1979 họ đã được giải thưởng Nobel về y học.
Chiếc máy CT Scanner đầu tiên trên thế giới hoạt động ở Anh năm 1971. Việt Nam bắt đầu có CT Scanner vào tháng 2/1991 ở bệnh viện Hữu Nghị Việt Xô cũ nay là Bệnh viện
Hữu Nghị ở Hà Nội.
Từ khi có CT Scanner chất lượng chẩn đoán của nhiều bệnh đã có những thay đổi hẳn,
nhất là đối với các bệnh ở sọ não.
Trong CT Scanner người ta dùng chùm tia X chiếu xoay quanh bệnh nhân. Khi qua khỏi cơ thể bệnh nhân, chùm tia được tiếp nhận bởi một bộ phận điện tử. Bộ phận này có
độ nhạy rất cao, gấp trên 100 lần so với phim X quang. Do vậy với máy CT Scanner, khi
chụp sọ não có thể phân biệt được rất rõ các bộ phận khác nhau như chất trắng, chất xám,
các buồng não thất, các khối u, các ổ áp xe, các ổ chảy máu... mà phim X quang thông
thường không cho phép phân biệt.
Hình 3.2b: Máy chụp cắt lớp vi tính
CT Scanner NeuViz 16 [7]
Nhờ hệ thống máy tính xử lý nên có thể thu nhận và tái tạo hình ảnh bằng các tín hiệu
tia X phát ra trên các bình diện khác nhau của cơ thể. Từ đó ta có các hình ảnh của các
lớp theo những “lớp cắt” dọc, ngang... khác nhau.
Trong máy CT Scanner có các bộ nhớ, hình ảnh đã chụp được thu lại vào các băng từ
hoặc đĩa từ. Do đó khi cần thiết, bất cứ lúc nào người thầy thuốc cũng có thể làm hiện lại
hình ảnh các bộ phận đã chụp của các bệnh nhân.
3.1.2. Phân tích cấu trúc vi mô vật chất bằng tia X
Tia Rơnghen (tia X) có bản chất là sóng điện từ như ánh sáng nên cũng có các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, và giao thoa khi gặp những điều kiện thích hợp.
Một số vật chất có cấu tạo tinh thể, tức là có cấu trúc thành mạng không gian mà ở nút
mạng là những nguyên tử hoặc các ion. Ví dụ điển hình của cấu trúc mạng đó là tinh thể
phân tử NaCl (Hình 3.3).
Hình 3.3: Cấu trúc mạng tinh thể phân tử NaCl
Khoảng cách giữa hai ion cạnh nhau trong tinh thể này khoảng 2,8 x 10-8 cm, tương đương với bước sóng của photon tia X. Năm 1912 Laue và Bragg đã tiến hành thí nghiệm
về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa của tia X trên các mạng tinh thể như thế. Nếu chiếu
một chùm tia X đơn sắc và song song vào mạng tinh thể (Hình 3.4) mỗi một nguyên tử
trên nút mạng sẽ trở thành một trung tâm tán xạ theo mọi hướng.
Hình 3.4
Các tia R1, R2, R3 song song, tạo ra các tia phản xạ R1’, R2’, R3’ từ các nguyên tử trên các mặt phẳng mạng cạnh nhau. Chỉ có những tia được xác định bởi mộtphương nào đó
(đặc trưng bằng góc) mới có cực đại giao thoa và hiệu đường đi của các tia phản xạ phát
từ các nguyên tử bằng một số nguyên lần bước sóng theo hệ thức:
2d sin = k
k = 0,1,2… trong đó d là khoảng cách giữa hai lớp (mặt phẳng) cạnh nhau trong mạng
tinh thể và có góc phản xạ là .
Trong số các tia tán xạ có những tia mà hiệu số khoảng cách giữa trung tâm tán xạ và
ảnh của nó trên màn bằng một số nguyên lần bước sóng tia thì tại đó trên màn hình sẽ
xuất hiện cực đại giao thoa. Khi có một số lớn n trung tâm tán xạ đạt điều kiện đó thì
cường độ tổng cộng sẽ đạt giá trị I. 2 1 = = n t t E I
bởi vì Ii tỷ lệ thuận với bình phương của cường độ điện trường Ei tại đó.
Trên cơ sở đó người ta tạo ra máy phân tích cấu trúc vi mô vật chất bằng tia X như
hình 3.5
Hình 3.5: Sơ đồ máy phân tích cấu trúc vi mô vật chất bằng tia X
Như vậy để cường độ giao thoa đạt cực đại có thể tiến hành một trong hai cách sau
đây:
- Thay đổi liên tục bước sóng và sẽ có một giá trị nhất định của làm cho hệ thức
trên thỏa mãn.
- Quay tinh thể xung quanh một trục nhất định làm cho góc thay đổi và có giá trị để
thỏa mãn điều kiện trên.
Dựa vào nguyên tắc đó ta xác định được khoảng cách và góc không gian của các phân
tử trên mạng tinh thể. Bằng kỹ thuật này đã xác định được cấu trúc của nhiều phân tử
Bảng 3.1 Cấu trúc không gian của một số phân tử sinh học [1]
Tên phân tử Cấu trúc không gian 3 chiều (A
o ) Góc Trọng lượng phân tử (đvtlnt) a b c Độ Insulin Hemoglobin Chymotrypsin Ribonucleotid 44,0 102 45,0 29,1 51,4 56,0 62,5 30,1 30,4 49,0 57 51,0 134 112 114 66.700 21.500 13.000
H.C. Crick, Watson J.D và Kendrew J.C đã có đóng góp rất quan trọng trong việc xác
lậpđược cấu trúc ADN và ARN bằng tia X. Kỹ thuật này cũng đã giúp ích rất nhiều trong
việc xác lập cấu trúc của các virus gây bệnh. [1]
3.2. PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
(Nuclear Magnetic Resonance: NMR)
Để có được hình ảnh của các tổ chức sống trong cơ thể người y học đã áp dụng nhiều
kỹ thuật ghi hình khác nhau.
Những năm gần đây y học đã đặt hy vọng lớn vào một phương pháp mới là phương
pháp chụp hình bằng cộng hưởng từ hạt nhân (Magnetic Resonance Imaging: MRI) dựa
trên tính chất hấp thụ năng lượng có chọn lọc của hạt nhân nằm trong từ trường.
Hình ảnh thu được bằng phương pháp này có độ phân giải và tương phản cao, chứa đựng nhiều thông tin hơn so với các kỹ thuật chụp hình khác. Đặc biệt phương pháp này do không sử dụng bức xạ ion hóa nên phạm vi ứng dụng của nó được mở rộng sang nhiều
lĩnh vực. Để hiểu được những ưu điểm của phương pháp này chúng ta cần tìm hiểu một
số cơ sở vật lý của hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân và phổ của cộng hưởng từ hạt
nhân.
3.2.1. Cơ sở vật lý của phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân [1]
3.2.1.1. Mômen từ hạt nhân
Hạt nhân của nguyên tử được đặc trưng bởi một mômen động lượng tổng cộng J bao gồm mômen quĩ đạo L và mômen động lượng riêng S gắn với chuyển động tự quay
quanh nó thường gọi chung là spin hạt nhân J =LS. Tùy thuộc số proton và notron có trong hạt nhân, spin hạt nhân có thể nhận các giá trị khác nhau.
Hạt nhân với spin tổng cộngJ khác O sẽ được xem như một nam châm vi mô với
mômen từ m. Lý thuyết lượng tử cho phép biểu diễn mối liên hệ giữam,Jdưới dạng:
J
m= (3.1)
Trong đó - tỷ số hồi chuyển.
Theo qui tắc lượng tử hóa mômen động lượng tổng cộng J và hình chiếu JZ của nó, JZ
Bảng 3.2: Spin của một số hạt nhân quan trọng trong cơ thể người (đơn vị ħ) [1]
Hạt nhân Số proton Z Số notron N Spin S
1 H 12 C 13 C 14 N 23 Na 31 P 39 K 1 6 6 7 11 15 19 0 6 7 7 12 16 20 1/2 0 1/2 1 3/2 1/2 1/2
3.2.1.2. Lưỡng cực từ trong từ trường ngoài
Xét tác dụng của từ trường cảm ứng từ B0 đối với một hạt nhân có mômen từm=J. Các phân tích và tính toán cho thấy mômen từ sẽ chuyển động tuế sai quanh B0 với tần
số góc 0 = B0 liên hệ với tần số Larmor 0 theo hệ thức:
2 2 0 0 0 B = = (3.2)
Từ (3.2) ta thấy tần số Larmor biến thiên tuyến tính theo cường độ từ trường.
Với B0 = 1 Tesla, tần số Larmor tính cho proton có giá trị 0 = 42,58 MHz. Mặc khác ta có năng lượng tương tác giữa mômen từ và từ trường ngoài B0 là:
0
0 .
.B B
Ep =m =mZ (3.3) Với B0 định hướng theo trục Z.
Sử dụng qui tắc lượng tử hóa đối với JZ và thay công thức (3.1) vào (3.3) Epj = -mjħ.B0 ,ħ =
2
h
Nếu B0 = 0 tất cả các mức năng lượng Ep ứng với cùng một giá trị 0, nhưng khi B0 0 các mức này bị tách ra.
Trong một từ trường ngoài hạt nhân với j = 1/2 (proton) có hai mức năng lượng ứng
với mj = 1/2 và hiệu năng lượng Ep giữa chúng là:
Ep = ħ.B0 = ħ0 = ħ0 (3.4)
Công thức (3.4) cho thấy sự hấp thụ hay phát xạ sóng điện từ tần số 0 sẽ ứng với một bước chuyển giữa hai mức năng lượng cách nhau Ep = ħ.B0. Hình 3.6 mô tả trường hợp đơn giản nhất: proton được phân bố ở hai mức năng lượng ứng với các định hướng khác
nhau của spin hạt nhân so với từ trường ngoài B0 và chỉ phụ thuộc giá trị ms. Trong
Hình 3.6
3.2.1.3. Nguyên lý của phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân
Theo công thức (3.4) ta thấy nếu ngoài từ trường không đổi cảm ứng từ B0, tác dụng từ trường biến thiên có tần số 0 sao cho:
h0 = ħB0 (3.5)
thì sẽ xảy ra hấp thụ cộng hưởng sóng điện từ bởi hạt nhân và ta có hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Ta cũng thấy có thể thực hiện điều kiện cộng hưởng (3.5) hoặc bằng
cách giữ nguyên B0 và thay đổi 0, hoặc bằng cách giữ nguyên 0 mà thay đổi B0. Dưới
tác dụng của điện từ trường biến thiên hạt nhân bị kích thích và trạng thái của nó chuyển
lên mức năng lượng cao hơn, khi trở về trạng thái cân bằng chúng sẽ phát xạ năng lượng dư thừa. Bằng cách dùng một cuộn dây (anten) có trục vuông góc với B0 ta có thể ghi lại
tín hiệu điện với biên độ xác định, điều đó chứng tỏ đã xảy ra sự hấp thụ (hay phát xạ) năng lượng (Hình 3.7).
Hình 3.7
Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân có thể được xét theo quan điểm vi mô. Trong một
từ trường ngoài không đổi B0, ở điều kiện cân bằng nhiệt động hệ N hạt nhân sẽ có một
mômen từ có giá trị được tính theo công thức sau:
trong đó k – hằng số Boltzmann; T – nhiệt độ.
M =Nm B0
Trong từ trường cảm ứng từ B0 mômen từ M tuế sai quanh B0 với vận tốc góc0 =
B0; nếu ngoài B0 tác dụng thêm từ trường biến thiên B1(B1B0) với tần số góc . Trên hình 3.8a ta thấy rõ khi cơ tăng vectơ từ suất M (mômen từ trong một đơn vị thể
tích) sẽ vẽ nên một hình xoắn ốc nội tiếp trong cầu tâm O. Nếu phân tích vectơ từ suất M
thành hai thành phần M// (so với B0) và M (Hình 3.8b): khi tăng lên, M lệch ra xa
0
B thì thành phần M// giảm trong khi M lại tăng lên và đạt cực đại khi M quay đi một
góc 90o (tương ứng với tần số cộng hưởng 0). Nếu tiếp tục tăng (hoặc bỏ từ trường
1
B ) vectơ từ suất M sẽ trở về vị trí cân bằng, tuế sai quanh B0 (Hình 3.9a).
Hình 3.8
Để đặc trưng cho quá trình trở về vị trí cân bằng của mômen từ khi ngừng tác dụngB1
chúng ta có khái niệm thời gian phục hồi T// và T, tương ứng cho các thành phần M// và M.
Thời gian hồi phục T// liên quan mật thiết với sự trao đổi năng lượng xảy ra giữa spin và môi trường xung quanh nên T// còn gọi là thời gian hồi phục spin-mạng, trong khi đó
T chỉ liên quan đến tương tác giữa các spin và được gọi là thời gian hồi phục spin-spin.