Nguyên lý th ứ nh ấ t nhi ệ t độ ng h ọ c và ứ ng d ụ ng trong y h ọ c
11.1.1 Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động)
Hệ vĩ mô, hay còn gọi là hệ nhiệt động, là tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi các thông số vĩ mô độc lập Tất cả các vật bên ngoài hệ này được gọi là môi trường.
Hệ thống có thể được phân chia thành hai loại chính: hệ cô lập và hệ không cô lập Hệ cô lập không có sự trao đổi vật chất với môi trường bên ngoài, trong khi đó, hệ không cô lập bao gồm cả hệ kín và hệ mở, cho phép sự trao đổi vật chất với môi trường.
- Hệ kín là hệ không trao đổi vật chất, nhưng có trao đổi với môi trường bên ngoài
- Hệ mở là hệ trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài
Hệ sinh vật là một hệ mở, luôn diễn ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh Tuy nhiên, nó khác biệt với các hệ mở khác ở ba điểm quan trọng.
- Cơ thể sinh vật là dạng tồn tại đặc biệt của protit và các chất khác tạo thành cơ thể
- Cơ thể có khả năng tự tái tạo
- Cơ thể có khả năng tự phát triển
11.1.2 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học
Theo định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi, mà chỉ chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác.
Năng lượng của hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng của hệ
Trong đó: Động năng (W d ) là phần năng lượng ứng với chuyển động có hướng của cả hệ
Thế năng (W t ) ứng với phần năng lượng tương tác của hệ trong trường lực
Nội năng (U) là năng lượng bên trong của hệ thống, bao gồm động năng và thế năng của các phân tử, nguyên tử và điện tử, cũng như năng lượng trong hạt nhân nguyên tử Nội năng được coi là một hàm trạng thái, với giá trị khác nhau tùy thuộc vào các trạng thái khác nhau của hệ.
Độ biến thiên năng lượng toàn phần ΔW của hệ trong một quá trình biến đổi được xác định bằng tổng công A và nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong quá trình đó.
Theo định luật bảo toàn cơ năng của hệ W d + W t = const nên ΔW = ΔU do đó ΔU
Độ biến thiên nội năng của hệ được xác định bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi.
Hệ quả: Nếu ký hiệu A, Q là công và nhiệt mà hệ nhận được, thì ký hiệu A’,
Q’ là công và nhiệt mà hệ sinh ra A’ = -A; Q’ = -Q dẫn đến ΔU = A + Q suy ra Q ΔU + A’
Nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình được xác định bằng độ biến thiên nội năng của hệ cộng với công do hệ sinh ra trong quá trình đó.
Trong hệ cô lập: A = Q = 0 → ΔU = 0 → U = const Ta nói nội năng của hệ cô lập được bảo toàn
Nếu Q = 0 → A = - ΔU Nghĩa là nếu không cung cấp nhiệt cho hệ, mà hệ muốn sinh công thì nội năng của hệ phải giảm
11.1.3 Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho hệ thống sống
Hoạt động sinh công của cơ thể khác với máy nhiệt thông thường, được tạo ra từ sự thay đổi của hệ thống sống qua các quá trình sinh hóa Tính chất sinh nhiệt là đặc trưng của hệ thống sống, phản ánh sự chuyển hóa cơ bản của tế bào Mọi chức năng sinh lý đều sinh ra nhiệt lượng, và nguồn gốc nhiệt lượng cho cơ thể là thức ăn Thức ăn được cơ thể đồng hóa để cải tạo tổ chức, tạo ra chất dự trữ vật chất và năng lượng, đồng thời phát sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ cơ thể, chống lại sự mất nhiệt từ môi trường và phục vụ cho các hoạt động sống.
Nguyên lý 1 trong hệ thống sống được diễn đạt qua phương trình ΔQ = ΔE + ΔA + ΔM, trong đó ΔQ đại diện cho nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn, ΔE là năng lượng mất do môi trường xung quanh, ΔA là công mà cơ thể thực hiện, và ΔM là năng lượng dự trữ Phương trình này là cơ sở cho việc hiểu quá trình cân bằng nhiệt của cơ thể người.
Người ta thấy rằng năng lượng do thức ăn cung cấp bằng năng lượng tỏa ra
Nhiệt lượng được sinh ra ở cơ thể được chia làm hai loại: năng lượng sơ cấp và nhiệt lượng thứ cấp
Nhiệt lượng sơ cấp hình thành từ việc phân tán năng lượng nhiệt trong quá trình trao đổi vật chất thông qua các phản ứng hóa sinh không thuận nghịch Nhiệt lượng này được giải phóng khi cơ thể hấp thu thức ăn và oxy.
Nhiệt lượng thứ cấp được hình thành trong quá trình oxy hóa thức ăn và được lưu trữ trong các liên kết năng lượng (ATP) Khi các liên kết này bị phá vỡ, năng lượng được giải phóng để thực hiện các hoạt động và cuối cùng chuyển thành nhiệt Nhiệt lượng tỏa ra từ việc phá vỡ các liên kết này giúp điều hòa các hoạt động của cơ thể, được gọi là nhiệt thứ cấp Ở cơ thể sống bình thường, khoảng 50% năng lượng được dự trữ, nhưng khi có bệnh lý, lượng năng lượng này sẽ giảm Nhiệt lượng sơ cấp mà cơ thể tỏa ra chiếm phần lớn và tỷ lệ này phụ thuộc vào cường độ tỏa nhiệt và sinh nhiệt Đối với động vật máu nóng, khi nhiệt độ môi trường thấp hơn thân nhiệt, chúng phải sinh nhiệt để cân bằng nhiệt độ cơ thể, và nhiệt lượng này được tạo ra từ việc co cơ hoặc tiêu thụ năng lượng dự trữ, như trong trường hợp động vật ngủ đông.
Nguyên lý th ứ hai nhi ệ t độ ng h ọ c và ứ ng d ụ ng trong y h ọ c
11.2.1 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và sự dịch chuyển Entropi trong hệ thống sống
Nhược điểm của nguyên lý 1 là nó không xác định được chiều hướng diễn biến của quá trình biến đổi giữa nhiệt và công Nguyên lý này chỉ cung cấp mối liên hệ về lượng giữa nhiệt và công trong một quá trình cụ thể.
Nguyên lý 2 không chỉ khắc phục những hạn chế của nguyên lý 1 mà còn xác định chiều hướng diễn biến của quá trình vĩ mô Nguyên lý này cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau một cách hiệu quả.
Hệ thống kín được chia thành hai phần bằng nhau, A và B, bởi một vách ngăn, với tổng cộng 6 phần tử giống nhau Khi bắt đầu, tất cả 6 phần tử đều nằm ở phần A, dẫn đến chỉ có một cách sắp xếp duy nhất cho chúng.
- Nếu 5 phân tử ở A, 1 phân tử ở B thì có 6 cách phân phối
Số cách phân phối (W) (Xác suất nhiệt động) Xác suất toán học p
- Xác suất nhiệt động cho ta số cách có thể thực hiện phân phối các phân tử, đại lượng này luôn ≥ 1
- Xác suất toán học p, cho biết khả năng xảy ra một phân phối nào đó
Hệ thống có xu hướng chuyển từ trạng thái với ít cách phân phối sang trạng thái có nhiều cách phân phối, được biểu thị bằng đại lượng W lớn W hoặc lnW được sử dụng để xác định quá trình tự nhiên Entropi S được định nghĩa là S = klnW, trong đó k là hằng số Boltzmann.
Quá trình diễn biến của hệ thống theo chiều tăng entropi được thể hiện qua ví dụ minh họa Định nghĩa 2 cho thấy rằng nhiệt độ của hệ là T, δQ là nhiệt lượng trao đổi, và S là entropi của hệ Biến thiên entropi (S) từ trạng thái (1) đến (2) được tính bằng tích phân ∫.
Hàm trạng thái S là một hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng, không bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái.
- S là đại lượng có tính cộng được nghĩa là S = S1 + S2 + bằng tổng các phần riêng biệt
S được xác định sai kém nhau 1 hằng số
Giá trị của entropi (S) tại gốc tính toán được quy ước là S o = 0 khi nhiệt độ T = 0K, với đơn vị đo là J/K Entropi phản ánh mức độ hỗn loạn của một hệ thống Khi hệ thống nhận nhiệt, chuyển động của các phân tử và nguyên tử tăng, dẫn đến sự gia tăng của S; ngược lại, khi hệ thống tỏa nhiệt, S sẽ giảm.
Công mà hệ thực hiện có thể viết: δA = δQ - dU = TdS - dU δA = - [dU - TdS] = - [dU - dTS] = -d[U - TS] Đặt U - TS = F (F là năng lượng tự do của hệ) → δA = -dF
Năng lượng tự do không phải là một dạng năng lượng đặc biệt, mà là một quy ước để chỉ phần nội năng của hệ có khả năng thực hiện công Nói cách khác, nó phản ánh khả năng sinh công của hệ Trong khi đó, năng lượng liên kết (TS) không có khả năng sinh công.
11.2.1.3 Nguyên lý 2 nhi ệ t độ ng h ọ c
Nguyên lý 2 có một số cách phát biểu như sau:
- Tính trật tự của hệ cô lập chỉ có thể giữ nguyên hoặc giảm dần
Không thể có một chu trình tự nhiên nào mà chỉ chuyển hóa nhiệt thành công mà không để lại dấu vết nào trong môi trường xung quanh.
Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 2, tức là động cơ chuyển động tuần hoàn, vì nó không thể tạo ra công bằng cách nhận nhiệt lượng và làm lạnh từ cùng một nguồn (TomXơn).
Trong hệ cô lập, chỉ những quá trình làm tăng entropi mới có khả năng tự diễn biến Giới hạn của sự tự diễn biến này là trạng thái đạt giá trị cực đại của entropi, theo Nguyên lý tăng S.
11.2.2 Áp dụng nguyên lý 2 cho hệ thống sống
11.2.2.1 Tr ạ ng thái d ừ ng c ủ a h ệ th ố ng s ố ng
Nguyên lý 2 có thể được áp dụng cho hệ thống sống, vì đây là những hệ mở đặc biệt, liên tục diễn ra quá trình trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh.
- Trong hệ cô lập: trạng thái cân bằng được thiết lập sau khi phản ứng hay quá trình biến đổi kết thúc, hệ không thay đổi theo thời gian
Trong hệ thống sống, trạng thái dừng được định nghĩa là trạng thái mà các tính chất của hệ không thay đổi Ở trạng thái này, các thông số vật lý và đại lượng động học, chẳng hạn như độ pH và nhiệt độ, được bảo toàn.
11.2.2.2 S ự bi ế n đổ i entropi trong h ệ th ố ng s ố ng
Khi hệ ở trạng thái dừng S không đổi, sự chuyển đổi giữa các trạng thái dừng khác nhau dẫn đến sự thay đổi của S, được xác định bởi ΔS = S2 - S1 Đối với hệ mở có sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường, S được chia thành hai phần: dS = dSi + dSe Trong đó, dSi là phần thay đổi S do tương tác bên trong hệ và luôn có giá trị dương, trong khi dSe là phần thay đổi S do tương tác bên ngoài, có thể có giá trị dương, âm hoặc bằng 0.
- Khi dSe = 0, dS = dSi phần thay đổi S trong toàn hệ thống được xác định bằng sự tăng S bên trong hệ
- Khi dS e > 0, dS > 0 thì S luôn luôn tăng
- Khi dSe < 0 có 3 trường hợp:
+ | dSe | < | dSi | → dS = dSi + dSe > 0
+| dSe | > | dSi | → dS < 0 ⇒ S giảm, tính trật tự tăng
+ |dSe| = |dSi| → ds = 0 đây là trường hợp ứng với trạng thái dừng là trạng thái có S = const
Từ công thức dS = dS i + dS e , chia cả 2 vế cho dt, ta có: dt dS dt dS dt dS = i + e (11.7)
Phương trình trên được gọi là phương trình Prigôgin Ở trạng thái dừng =0 dt dS (11.8) suy ra =− ≠0 dt dS dt dS i e
Biểu thức này cho thấy: ở trạng thái dừng, tốc độ tăng entropi trong cơ thể bằng tốc độ trao đổi entropi với môi trường xung quanh và khác 0
Để duy trì sự sống, các hệ thống sống cần phải thực hiện trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài Môi trường ngoài đóng vai trò quan trọng, là điều kiện thiết yếu cho sự tồn tại của các sinh vật.
V Ậ N CHUY Ể N V Ậ T CH Ấ T TRONG C Ơ TH Ể SINH V Ậ T
Các hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật
Để cơ thể sống hoạt động và phát triển, các quá trình vận chuyển vật chất phải diễn ra liên tục Những quá trình này, dù ở cấp độ vi mô như vận chuyển qua màng tế bào hay vĩ mô như tuần hoàn máu và hô hấp, đều có nhiệm vụ cung cấp các chất cần thiết cho các cơ quan, bộ phận, mô và tế bào, đồng thời loại bỏ chất thải và chất độc hại.
Quá trình vận chuyển vật chất là một quá trình phức tạp xảy ra theo nhiều cơ chế và phụ thuộc nhiều yếu tố:
- Bản chất của phần tử vận chuyển: Kích thước, điện tích, độ hoà tan
- Hoạt động của cơ thể
Tất cả các quá trình vận chuyển đều diễn ra theo các cơ chế vật lý và có thể được lý giải dựa trên những quy luật vật lý.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong các cơ thể sống, bao gồm sự vận chuyển qua màng tế bào, cũng như quá trình vận chuyển máu và khí trong cơ thể.
12.1.1 Các phân tử, ion và dung dịch trong cơ thể sinh vật
12.1.1.1 Các phân t ử và ion trong c ơ th ể
Mỗi cơ thể sinh vật đều chứa một số lượng lớn các phân tử và ion, được phân bố và sắp xếp một cách có trật tự cao, tạo nên cấu trúc và chức năng sống của chúng.
- Mỗi phân tử hoặc ion trong cơ thể có thể đứng yên (một cách tương đối) hoặc chuyển động (thành dòng hay hỗn loạn)
Các ion như K+, Na+, Cl- thường di chuyển linh hoạt và tạo ra một điện trường dày đặc xung quanh chúng.
- Các ion này cũng có thểở dạng phức tạp , chúng là các phân tử bị ion hoá
Loại ion này thường đứng yên tương đối trong các tế bào Ví dụ các phân tử H 2 O,
- Các phân tử và ion trong cơ thểđảm trách 4 vai trò chính là:
1 Chúng là những yếu tố cấu trúc của cơ thể
2 Dự trữ, vận chuyển và giải phóng năng lượng
3 Một số phân tử chứa đựng toàn bộ thông tin cần thiết cho sự thực hiện chương trình tổ chức cơ thể sống (thông tin di truyền)
4 Tạo nên các điện thế nghỉ, điện thế hoạt động trong các tế bào, mô
12.1.1.2 Dung d ị ch trong c ơ th ể sinh v ậ t
Cơ thể sinh vật chứa nhiều loại dung dịch khác nhau, trong đó nước và lipít đóng vai trò là hai dung môi cơ bản và quan trọng nhất Các dung dịch khác như protein và dung dịch mi xen (hidrô xít kim loại) cũng góp phần vào sự sống và chức năng của cơ thể.
- Vai trò của các dung dịch trong cơ thể sinh vật:
+ Vận chuyển vật chất từ nơi này đến nơi khác của cơ thể
+ Là môi trường để thực hiện các phản ứng hoá sinh
+ Bao bọc và bảo vệ các tế bào, các tổ chức sống
Yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi vật chất qua màng và là yếu tố dẫn điện trong quá trình lan truyền xung điện sinh vật.
12.1.2 Các hiện tượng vận chuyển cơ bản của vật chất trong cơ thể sinh vật
12.1.2.1 Hi ệ n t ượ ng khu ế ch tán
Khuếch tán phân tử là hiện tượng xảy ra khi các phân tử trong hai tập hợp gần nhau chuyển động ngẫu nhiên và xuyên lẫn vào nhau, bất kể chúng ở thể rắn, lỏng hay khí Điều này xảy ra do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử.
Trong một dung dịch với nồng độ chất hòa tan không đồng nhất, quá trình khuếch tán sẽ diễn ra ở mọi điểm, dẫn đến việc san bằng nồng độ chất hòa tan trên toàn bộ thể tích của dung dịch.
Bản chất của hiện tượng khuếch tán là sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các chất hoà tan theo nhiều hướng khác nhau, dẫn đến việc đạt được trạng thái cân bằng nồng độ trong toàn bộ thể tích Đây chính là trạng thái có xác suất nhiệt động lớn nhất.
Một thí nghiệm đơn giản có thể minh họa cho hiện tượng khuếch tán: khi đổ một giọt mực vào cốc nước, mặc dù không có tác động nào, các phân tử mực vẫn sẽ tự động lan tỏa và cuối cùng làm cho toàn bộ cốc nước chuyển sang màu xanh.
Hiện tượng khuyếch tán là sự chuyển động có hướng của các phân tử chất hòa tan trong dung dịch khi có sự chênh lệch nồng độ Các phân tử chất hòa tan di chuyển từ khu vực có nồng độ cao sang khu vực có nồng độ thấp, tức là theo chiều của gradient nồng độ.
Trong hiện tượng khuyếch tán, không cần tác động của ngoại lực hay tiêu tốn năng lượng, mà sự không đồng nhất về nồng độ, hay còn gọi là gradient nồng độ, chính là động lực cho sự vận chuyển có hướng của các chất hòa tan.
Hiện tượng khuyếch tán xảy ra theo chiều giảm dần của Gradiên nồng độ và sẽ dừng lại khi Gradiên nồng độ đạt giá trị bằng không, tức là sự chênh lệch nồng độ đã được triệt tiêu.
* Vai trò của khuyếch tán trong các quá trình sống:
Khuếch tán là hiện tượng vận chuyển vật chất quan trọng trong cơ thể sinh vật, đặc biệt trong quá trình trao đổi khí tại phổi và các tế bào Các ion như Na+, Ca++, K+ và Cl- khuếch tán qua lại qua màng tế bào, đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra các hoạt động điện của tổ chức và tế bào sống.
12.1.2.2 Hi ệ n t ượ ng th ẩ m th ấ u
S ự v ậ n chuy ể n c ủ a v ậ t ch ấ t qua màng t ế bào
Tất cả các cơ thể sống đều được cấu thành từ tế bào, đơn vị cơ bản có khả năng tự chuyển hóa, tự điều hòa và tự sinh sản, từ đó hình thành các mô và cơ quan Tế bào luôn cần trao đổi chất với môi trường xung quanh, và chúng chỉ có thể hoạt động trong điều kiện mà các chất nội bào và dịch ngoại bào không vượt quá giới hạn nhất định Ngay cả khi tách rời khỏi cơ thể, tế bào vẫn có thể sống lâu nếu được nuôi dưỡng trong môi trường có đầy đủ chất cần thiết và điều kiện vật lý tương tự như trong cơ thể Các cơ thể sống có nhiều cơ chế để duy trì sự ổn định của môi trường bên trong và bên ngoài tế bào, mà sự ổn định này không phải là trạng thái tĩnh mà là trạng thái cân bằng động Cân bằng động này liên quan chặt chẽ đến chức năng của màng sinh học và các cơ chế vận chuyển chất qua màng tế bào như khuếch tán thụ động, vận chuyển tích cực, thực bào và ẩm bào.
Tế bào về phương diện vật lý là một hệ nhiệt động mở, luôn luôn trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh
Ngày nay, nghiên cứu hiện đại đã chứng minh rằng tế bào có cấu trúc phức tạp, với mỗi loại tế bào được thiết kế phù hợp với chức năng và nhiệm vụ riêng Tất cả các tế bào đều bao gồm ba phần chính: màng tế bào, nguyên sinh chất (bào tương) và nhân tế bào.
Mọi tế bào đều được bao bọc bởi màng tế bào Màng tế bào đóng vai trò:
Màng tế bào đóng vai trò quan trọng trong việc bảo bọc tế bào, phân định ranh giới giữa tế bào và môi trường xung quanh Nó tạo nên sự toàn vẹn cho tế bào, giúp bảo vệ các thành phần bên trong khỏi những tác động từ môi trường bên ngoài.
Tiếp nhận và xử lý thông tin từ môi trường là quá trình quan trọng, bao gồm việc nhận diện tế bào quen thuộc và lạ, cũng như kẻ thù Quá trình này kích thích hoặc ức chế sự tương tác giữa các tế bào và tế bào với cơ chất, đồng thời phản ứng với các thông tin như phấn điện và chuyển động.
Tế bào thực hiện trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường, giúp duy trì các chức năng sống thông qua việc điều hòa các phản ứng enzym Điều này cho phép tế bào sử dụng hiệu quả các dạng năng lượng như cơ, thẩm thấu và điện hóa.
Màng tế bào có cấu trúc phù hợp để thực hiện các chức năng sinh học, với độ dày khoảng 50÷120μm Trên bề mặt màng có các lỗ thủng có đường kính 7÷8μm, với khoảng 10^10 lỗ trên mỗi cm², chiếm chỉ 0,06% diện tích bề mặt tế bào Mặc dù màng tế bào ở các mô khác nhau có các thuộc tính lý hóa khác nhau, nhưng vẫn giữ được những tính chất chung.
- Sức căng mặt ngoài nhỏ
- Cấu trúc không đồng nhất
Màng tế bào bao gồm hai lớp phân tử phospholipid được sắp xếp vuông góc với bề mặt tế bào, ngăn cản sự đi qua của các ion và chất hòa tan trong nước Bên ngoài và bên trong màng là lớp protein dạng sợi, mang lại tính đàn hồi và sức căng mặt ngoài nhỏ Lớp protein dạng cầu cùng với protein nhầy và glycolipid tạo thành lớp ngoài cùng và trong cùng, trong đó glycolipid chứa các acid amin trung tính và nhóm COOH, tạo nên lớp điện tích âm ở bề mặt ngoài của màng tế bào.
12.2.2 Vận chuyển của vật chất qua màng Để nghiên cứu sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào có thể dùng các phương pháp sau:
Phương pháp thẩm thấu được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi thể tích tế bào khi đặt trong các dung dịch ưu trương với nồng độ khác nhau Quá trình này bao gồm việc ly tâm để tách tế bào, đo thể tích tế bào, và xác định mật độ quang học cũng như chiết suất của dung dịch.
Phương pháp sử dụng các chất màu dựa trên việc khảo sát tốc độ thâm nhập của chúng Tuy nhiên, khi nồng độ chất màu thấp, việc xác định kết quả trở nên khó khăn, trong khi nồng độ cao có thể gây độc hại cho tế bào.
- Phương pháp phân tích vi lượng hoá học dựa trên sự nghiên cứu các chất có trong tế bào bằng phương pháp phân tích kinh điển
Phương pháp đồng vị phóng xạ cho phép nghiên cứu sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào bằng cách thay thế đồng vị thường bằng đồng vị phóng xạ Phương pháp này mang lại kết quả định lượng chính xác cao nhất mà không gây ra biến đổi bất thường cho các đối tượng cần duy trì ở trạng thái sống.
Phương pháp này có khả năng phân tách các dòng vật chất trong tế bào, nội bộ cơ thể và từ môi trường bên ngoài Nó cũng giúp tách các chất độc hại và lạ, đồng thời xác định trạng thái và cấu trúc của chúng.
Dựa vào các thành phần vật chất đi qua màng sinh vật người ta chia các loại màng trên cơ thể sinh vật ra làm 4 loại sau:
1- Màng gần lý tưởng về bán thấm, chỉ cho các phân tử nước đi qua
2- Màng cho phân tử nước và một số phân tử có tạo tinh thểđi qua
3- Màng cho tất cả các chất hoà tan, trừ chất keo đi qua
Màng sinh vật hoạt động như một rây, cho phép tất cả các chất hòa tan, bao gồm cả keo, đi qua Phần lớn các loại màng trong cơ thể sinh vật thuộc loại 2 và 3; ví dụ, màng tế bào là loại 2, trong khi thành mao mạch thuộc loại 3 Màng loại 4 rất hiếm gặp trong cơ thể, thường chỉ xuất hiện trong trường hợp tổn thương, như khi bệnh nhân thiếu oxy, khiến thành mao mạch có xu hướng cho phép protein đi qua.
Về phương thức vận chuyển vật chất qua màng người ta nhận thấy có hai phương thức chủ yếu:
Các chất hữu cơ không hòa tan trong nước, cùng với các hợp chất chứa nhóm phân cực như metyl (CH3), etyl (C2H5) và phenyl (C6H5), có khả năng hòa tan vào lipid trong màng tế bào Phương pháp vận chuyển này cho phép các chất này đi qua màng tế bào một cách hiệu quả.
Xâm nhập vào tế bào qua lỗ màng cho phép vận chuyển các ion và phân tử hòa tan trong nước, cũng như các chất chứa nhóm phân cực như hydroxyl (OH), cacboxyl (COOH) và amin (NH2) Các nghiên cứu bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đã chỉ ra rằng sự xâm nhập này không phải lúc nào cũng xảy ra do quá trình thẩm thấu.
Trong các lỗ màng chứa đầy nước, các ion dương và âm được hấp thụ, dẫn đến việc các hạt mang điện trái dấu dễ dàng thâm nhập vào tế bào, trong khi các hạt cùng dấu bị đẩy ra Khi hai phần tử tích điện cùng dấu lọt vào lỗ màng, chúng sẽ cản nhau Mặc dù ion hydro và hydroxyl có bán kính nhỏ, nhưng chúng không thể xâm nhập vào tế bào do tính linh động cao, dễ dàng xếp thành nhóm trên bề mặt màng tế bào, từ đó đẩy các điện tích cùng dấu Do đó, tế bào trở nên không thấm đối với các acid và bazơ mạnh, trong khi các acid và bazơ yếu có thể thấm dễ dàng.
12.2.3 Động lực và cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế bào
Lý sinh tu ầ n hoàn
Sự vận chuyển máu có vai trò quan trọng trong cơ thể, nó đem dinh dưỡng,
O2 là yếu tố quan trọng cho cơ thể, cung cấp năng lượng và nhận khí CO2 từ các cơ quan Ngoài ra, nó còn giúp điều hòa thân nhiệt Do đó, nếu ngừng hoạt động tuần hoàn chỉ trong thời gian ngắn, cơ thể sẽ gặp nguy hiểm và có thể dẫn đến cái chết.
Trong hệ tuần hoàn máu tim và mạch máu đóng vai trò động lực
13.1.1 Tính chất vật lý của hệ tuần hoàn
Hệ tuần hoàn gồm 2 vòng kép kín:
- Vòng tiểu tuần hoàn: máu chuyển từ tim phải đến phổi, ở đó máu thải CO2 và hấp thụ O 2 rồi lại chảy về tim trái
Vòng đại tuần hoàn là quá trình tuần hoàn máu từ tim trái đến động mạch, cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cho các cơ quan, sau đó thu nhận carbon dioxide và chất thải qua tĩnh mạch trước khi quay trở lại tim phải.
Trong buồng tim, máu di chuyển từ tâm nhĩ đến tâm thất theo một chiều nhất định, nhờ vào sự co bóp của tim, tính đàn hồi của mạch máu và hoạt động của các van trong buồng tim cũng như trong lòng mạch.
Hoạt động của tim: co bóp đều đặn
Hoạt động co giãn cơ tim tuần tự theo chiều dọc từ N (nhĩ) → T (thất) nhưng đồng thời với nhau theo chiều ngang nghĩa là 2 nhĩ và
Trong quá trình co bóp của tim, tâm nhĩ co trước, sau đó đến lượt tâm thất co, tạo thành một chu kỳ điều hòa liên tục.
Chu kỳ tim bao gồm các hoạt động của tâm nhĩ thu và tâm thất thu, cùng với quá trình tâm nhĩ giãn và tâm thất giãn Thời gian diễn ra các hoạt động này phụ thuộc vào nhịp đập của tim.
Hệ tuần hoàn của tim hoạt động theo chu kỳ 0,8 giây ở người bình thường, trong đó tâm nhĩ thu kéo dài 0,1 giây và tâm nhĩ trương 0,7 giây Đồng thời, tâm thất thu diễn ra trong 0,3 giây và tâm thất trương trong 0,5 giây.
Thực ra tâm thất thu có 2 giai đoạn:
Giai đoạn tăng áp kéo dài 0,25 giây, trong thời gian này trương lực cơ tăng lên nhưng sợi cơ chưa rút ngắn Tiếp theo là giai đoạn đẩy máu, diễn ra trong 0,05 giây, lúc này máy được đẩy ra tối đa vì sợi cơ đã rút lại ngắn nhất.
Tim hoạt động đều tạo nhịp 60 ÷ 80 lần co giãn/phút
Buồng tim có thể coi là dạng cầu, khi máu chứa đầy buồng tim các sợi cơ được giãn dần ra dưới tác dụng của lực F
P: Áp suất trong buồng tim
S: Diện tích bề mặt trong buồng tim
F max khi máu về tim nhiều nhất lúc đó p tăng lúc đó buồng tim được giãn rộng làm cho S tăng
Người bình thường ở cuối tâm trương thể tích tâm thất 85 ml nhưng cuối tâm thu giá trịđó là 25ml
Lực F của cơ tim thay đổi theo thời gian tùy thuộc vào giá trị của S Cụ thể, giá trị lực toàn phần của cơ tim được đo là 89 N ở đầu tâm thu và giảm xuống còn 67 N ở cuối tâm thu.
Mỗi lần tim co bóp, nó đẩy ra một lượng máu với áp suất gần bằng áp suất trong buồng thất trái, khoảng 120 - 150 tor Lượng máu được tim bơm ra phụ thuộc vào sức co bóp của cơ tim.
Bằng cách sử dụng phương pháp pha loãng với các chất màu hoặc đồng vị phóng xạ, người ta xác định rằng lượng máu được bơm ra trong mỗi lần co bóp của tim khoảng 40 - 70ml, tương đương với khoảng 4 - 6 lít mỗi phút.
* Cấu tạo của thành mạch
Hệ thống mạch máu trong cơ thể có cấu tạo dày đặc và phân bố đồng đều Động mạch chủ và tĩnh mạch chủ có đường kính lớn nhất, trong khi mao mạch có đường kính nhỏ nhất.
Cấu tạo của các thành mạch chủ yếu là các cơ liên kết, cơ sợi đàn hồi và các thớ cơ trơn
Sự co giãn cơ trơn để thay đổi tiết diện lòng mạch được điều khiển bằng hệ thần kinh thực vật và các nội tiết tố
Trong lòng mạch còn chứa các hệ thống van, làm cho máu chỉ chảy theo một chiều nhất định
* Tác dụng đàn hồi của thành mạch
Thành động mạch là yếu tố then chốt trong việc duy trì dòng chảy liên tục và tăng cường áp suất dòng chảy Để minh chứng cho vai trò của ống đàn hồi, chúng ta sẽ tiến hành một thí nghiệm theo mô tả trong hình vẽ bên.
Cho kẹp tháo nước liên tục ta thấy ở ống cứng nước chảy ngắt quãng theo nhịp kẹp đóng mở
Còn ở ống cao su nước chảy thành dòng liên tục và lưu lượng lớn hơn Trong thành ống xuất hiện sóng đàn hồi có thể quan sát được
Mỗi khi mở kẹp chất lỏng, áp suất được cung cấp để tạo ra chuyển động, đồng thời năng lượng cũng giúp chất lỏng giãn nở Sự biến dạng đàn hồi của thành ống đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển chất lỏng, tương tự như chuyển động của máu trong hệ mạch.
Lực đặt lên thành mạch tại một điểm được xác định bởi hệ thức:
Trong đó: ℓ là chiều dài vật và Δ ℓ là sự biến dạng theo chiều dài của vật; E là mô đun đàn hồi hay mô đun Young của vật
Công thực hiện do sự biến dạng này sẽđược tính theo giá trị trung bình F
Công này tạo ra thế năng Et của biến dạng đàn hồi với
Vậy thế năng của thành mạch tỷ lệ với bình phương của độ biến dạng (ΔA 2 )
Khi mạch giãn rộng (Δ ℓ lớn), thế năng dự trữ tăng lên đáng kể Thế năng này thay đổi theo Δ ℓ tại mỗi thời điểm Trong giai đoạn tim không co bóp, áp suất dòng chảy giảm dần Thế năng tích trữ trong thành mạch sẽ duy trì áp suất cho dòng chảy liên tục và ổn định trong suốt thời kỳ tâm trương.
Sóng mạch, kèm theo sự lan truyền áp suất dọc theo thành mạch, có thể cảm nhận được dưới tay và có tốc độ từ 4m/s đến 5m/s tại động mạch chủ Sau mỗi lần co bóp của tim (tâm thu) kéo dài khoảng 0,3 giây, sóng mạch đã lan truyền được từ 1,2 đến 1,5 mét Tốc độ lan truyền của sóng mạch không phụ thuộc vào tốc độ chảy của máu trong lòng mạch Ở người lớn tuổi, do sự thay đổi về thành phần và cấu trúc của thành mạch, tính đàn hồi giảm, dẫn đến tốc độ lan truyền của sóng mạch tăng lên.
Lý sinh hô h ấ p
Hoạt động hô hấp thực hiện ở cơ quan hô hấp; tuần hoàn máu, mô và tế bào trong cơ thể
Cơ quan hô hấp gồm: mũi, hầu, phế khí quản và phổi, đường hô hấp thông từ mũi đến tận các phế nang
Phổi là cơ quan xốp nằm sát lồng ngực, được bao bọc bởi các màng phổi, cho phép chúng co giãn theo chuyển động của lồng ngực Thành phần chính của phổi là phế nang, những túi nhỏ và rỗng có khả năng chứa không khí, được cấu tạo từ lớp tế bào mỏng Điều này giúp khối khí trong phế nang dễ dàng tiếp xúc với các mao mạch xung quanh.
Hoạt động thở bao gồm động tác hít vào và thở ra một cách điều hòa
Hoạt động hô hấp được điều khiển bởi trung tâm hô hấp của hệ thần kinh trung ương, với cơ chế điều chỉnh phức tạp Nhịp độ thở, độ sâu và số lượng phế nang hoạt động được điều chỉnh dựa trên nhu cầu của cơ thể và các yếu tố khác thông qua các xung động thần kinh từ trung tâm hô hấp.
Trong lồng ngực, phổi được duy trì trong trạng thái giãn căng nhờ vào tính đàn hồi của tổ chức phổi Khi áp suất ở phế nang (Pn) cân bằng với tổng áp suất trong khoang màng phổi (PK) và áp suất do tính đàn hồi (PP), điều này tạo ra một trạng thái cân bằng ổn định cho phổi.
Áp suất trong khoang nhỏ hơn áp suất phế nang một giá trị bằng áp suất của phổi Áp suất khi quyển tác động lên lồng ngực (Pat) cân bằng với tổng áp suất không (PK) và áp suất do tính đàn hồi của lồng ngực (Pl) gây ra.
Áp suất khoang (PK) thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, tạo thành giá trị âm nếu coi áp suất khí quyển bằng 0 Áp suất âm trong khoang khiến lồng ngực co lại, ngược với sức căng của phổi Hành động hít vào diễn ra khi thể tích lồng ngực tăng lên nhờ vào việc nâng các xương sườn và hạ cơ hoành Cơ hoành đóng vai trò quan trọng trong hô hấp, đảm bảo khoảng 2/3 quá trình thông khí ở phổi.
Khi thể tích lồng ngực tăng lên, áp suất trong khoang màng phổi giảm, cho phép phổi giãn ra Theo định lý Bô - Marit, áp suất trong các phế nang cũng giảm, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa khí quyển và phế nang Điều này khiến không khí di chuyển từ bên ngoài vào trong phổi.
Lưu lượng khí được tính theo công thức: V R ΔP
V- là lưu lượng khí được tính bằng lít/giây Δ P - Là hiệu áp suất giữa khí quyển và phế nang
R là sức cản động học của chất khí, được hình thành do ma sát giữa các dòng khí và thành đường hô hấp, cũng như lực nội ma sát bên trong lòng chất khí.
Sức cản động học của chất khí tăng theo chiều tăng của lưu lượng khí khi chuyển động từ dòng lớp sang dòng xoáy
Dòng xoáy hình thành khi dòng khí gặp phải các chướng ngại vật như dị dạng, khối u nhỏ trên thành ống, hoặc các dịch nhày cản trở sự chuyển động.
Khi bị hen suyễn sức cản này có thể tăng lên 7-8 lần so với người bình thường
Khi thể tích lồng ngực giảm, không khí từ phổi được đẩy ra ngoài, dẫn đến việc áp lực trong khoang màng phổi tăng lên Sự co lại của các phế nang làm cho áp suất không khí trong phế nang cao hơn áp suất khí quyển, từ đó tạo ra dòng không khí chảy ra ngoài từ phổi.
Cơ chế làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống khi thở ra như sau:
Khi trương lực cơ hít vào giảm, các lực đàn hồi của lồng ngực và các cơ quan bên trong bắt đầu tác động, dẫn đến giảm thể tích lồng ngực một cách tự nhiên mà không cần gắng sức Một số cơ như cơ liên sườn trong và cơ bụng co lại, làm cho thể tích lồng ngực tiếp tục giảm Cơ hoành nâng lên cũng góp phần làm hẹp thể tích lồng ngực Hơn nữa, quá trình thở ra còn chịu ảnh hưởng từ lực đàn hồi của các phủ tạng trong bụng, bị ép xuống tối đa khi hít vào.
Khi lực đàn hồi của phổi đạt đến sự cân bằng với áp suất trong khoang màng phổi, quá trình thở ra sẽ dừng lại Do đó, vẫn còn một lượng không khí nhất định trong phổi chưa được thải ra ngoài.
Tác động của các cơ hô hấp lên phổi diễn ra thông qua sự thay đổi áp suất trong khoang ngực, ảnh hưởng đến áp suất trong các phế nang Khi lồng ngực bị thủng hoặc có hiện tượng tràn khí màng phổi, phổi sẽ bị xẹp, gây rối loạn quá trình hô hấp và dẫn đến suy hô hấp.
13.2.2 Sự vận chuyển khí trong cơ thể
13.2.2.1 S ự v ậ n chuy ể n c ủ a khí trong hô h ấ p tuân theo các đị nh lu ậ t v ậ t lý c ơ b ả n (ch ủ y ế u đị nh lu ậ t khu ế ch tán)
Theo định luật Henry, lượng khí thâm nhập vào chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí trên bề mặt chất lỏng Hệ số khuếch tán của khí phụ thuộc vào bản chất của các thành phần trong hỗn hợp khí Định luật Đanton cũng có những quy định quan trọng liên quan đến sự khuếch tán khí.
Trong trường hợp khí lý tưởng, tổng các áp suất riêng phần của các chất khí thành phần bằng áp suất của cả hỗn hợp khí
P là áp suất của hỗn hợp khí
Máu có nhiều thành phần, do đó, việc khí xâm nhập vào máu không chỉ phụ thuộc vào thành phần của khí mà còn liên quan đến đặc điểm của máu.
Cecenov đã nghiên cứu sự thẩm thấu của CO2 vào dung dịch và phát hiện rằng lượng khí hòa tan vào dung dịch tỷ lệ nghịch với nồng độ muối và các chất hòa tan như protein, lipid.
Tác giả tìm được công thức biểu thị mối liên hệ giữa nồng độ C của chất điện ly trong dung dịch và lượng khí hòa tan S là: lg KC
S 0 là lượng khí hòa tan vào nước
S là lượng khí hòa tan vào dung dịch có chất điện ly ở nông độ C, K hằng số
13.2.2.2 S ự ph ụ thu ộ c và áp su ấ t riêng ph ầ n c ủ a các khí thành ph ầ n
Ứ ng d ụ ng c ủ a sóng âm
Có nhiều phương pháp tạo ra âm thanh, nhưng phương pháp phổ biến nhất là làm cho một vật rắn, như màng căng hoặc dây căng thẳng, thực hiện dao động đàn hồi.
Tần số dao động âm tạo ra ở dây có thể tính theo công thức: f = M
Trong đó: f là tần số âm
L là chiều dài của dây căng
M là khối lượng một đơn vị của chiều dài dây
P là lực căng của dây Ở động vật, thanh quản và các dây âm thanh là cơ quan phát âm quan trọng nhất Tiếng nói có vai trò đặc biệt trong cuộc sống con người, thuộc về hệ thống tín hiệu thứ hai, hình thành qua quá trình lao động sáng tạo và phát triển cấu trúc cơ thể Nó là công cụ thể hiện và truyền bá tư duy Mặc dù tiếng nói là âm thanh do con người phát ra, nhưng chúng ta vẫn hiểu biết quá ít về cơ chế phát âm của chính mình Có nhiều giả thuyết giải thích về sự phát âm ở người.
Thuyết cơ đàn hồi, hay thuyết cơ học, giải thích rằng hai dây âm thanh là bộ phận phát âm chính, với cấu trúc đặc biệt cho phép điều chỉnh độ căng Hai dây này thường nằm song song và khép kín vào nhau Khi phát âm, không khí từ phổi được đẩy lên với áp suất nhất định, làm cho luồng khí đi qua khe hẹp giữa các dây và khiến chúng rung lên Thần kinh trung ương điều khiển mức độ căng của dây, từ đó xác định tần số dao động Tần số sóng âm phát ra được tính theo công thức (14.1) Tuy nhiên, nhiều hiện tượng sinh lý liên quan đến phát âm vẫn chưa được giải thích đầy đủ bằng thuyết này.
Giả thuyết luồng thần kinh của Housson cho rằng dây âm thanh có khả năng dao động với các tần số khác nhau, nhưng tần số này không phụ thuộc vào độ căng của dây hay áp lực luồng khí, mà do luồng thần kinh đến dây âm thanh quyết định Điều này có nghĩa là dây âm thanh phản ứng theo nhịp kích thích của thần kinh trung ương, và nhịp kích thích này xác định tần số dao động âm Nghiên cứu cho thấy trung tâm phát ra các xung động thần kinh tạo âm thanh có nhịp điệu nằm ở vùng đồi thị của vỏ não, trong khi tiếng nói được hình thành ở vùng trung não.
Dựa trên lý thuyết này, việc đánh giá xếp loại giọng ca của một người có thể thực hiện thông qua khả năng đáp ứng kích thích của dây thần kinh quặt ngược X, vốn liên quan đến cơ quan phát âm Khả năng này thường được đo bằng thời trị (chronaxi) Ngoài ra, tần số tối đa mà một cá nhân có thể phát ra được tính theo công thức f M c k.
Trong đó: k là hệ số tỷ lệ c là thời trị của dây thần kinh quặt ngược f M là tần số tối đa của âm có thể phát ra
Cấu tạo của dây âm thanh hiện nay cho thấy niêm mạc của nó rất loãng và không dính chặt vào tổ chức bên dưới, cho phép dao động xảy ra ở từng bộ phận Những phát hiện này bổ sung cho các quan điểm cơ học và thần kinh về cơ chế phát âm.
Các xoang cộng hưởng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định âm sắc của giọng nói Khi phát âm nguyên âm như a, o, u, các xoang này chia thành hai phần, tạo ra hai tần số cộng hưởng khác nhau Đối với phụ âm, âm thanh được hình thành nhờ sự ma sát qua kẽ răng và các khe giữa lưỡi và vòm hầu Ngoài ra, âm thanh cũng có thể phát ra từ các hốc xương mặt, đặc biệt là xoang mũi, khi ngâm nga hoặc nói thầm.
14.1.2 Cơ chế của quá trình nghe
Khi sóng âm đến tai ngoài, áp suất thay đổi khiến màng nhĩ rung động Rung động này làm căng màng trên cửa sổ bầu dục, truyền động qua hệ thống xương con (búa, đe, bàn đạp) ở tai giữa Cuối cùng, dao động tại cửa sổ bầu dục tạo ra chuyển động dịch trong ốc tai.
Hệ thống xương con trong tai có vai trò quan trọng trong việc lan truyền sóng âm, vừa khuếch đại áp lực âm thanh vừa bảo vệ tai trong khỏi âm thanh có cường độ lớn Xương con hoạt động như một đòn bẩy để tăng cường áp lực âm thanh, đảm bảo hiệu suất nghe tốt hơn.
(hình 14.1) Hệ số giữa hai cánh tay đòn ở hệđòn bẩy này là
1 r r = 1,3 Ta thấy, nếu tại cửa sổ bầu dục có lực tác dụng F 2 và lực F 1 tác dụng ở màng nhĩ, thì F 2 =
Diện tích S2 của cửa sổ bầu dục nhỏ hơn 17 lần so với diện tích S1 của màng nhĩ, dẫn đến áp suất tác dụng lên cửa sổ bầu dục lớn hơn 17 lần áp suất không khí tác động lên màng nhĩ Tổng áp suất lên dịch phía sau cửa sổ bầu dục cao hơn 22 lần so với áp suất lên màng nhĩ từ tai ngoài Mặc dù có hao hụt năng lượng do ma sát, sự khuếch đại này vẫn đạt gần 20 lần Âm trở của màng nhĩ phụ thuộc vào tần số sóng âm nhưng thường có giá trị xấp xỉ âm trở của không khí là 4,3 x 10² kg/s Âm trở của cửa sổ bầu dục tương đương với âm trở của ngoại dịch perilympho, gần giống với âm trở của nước, với giá trị là 1,5 x 10⁶ kg/m²s.
Hệ xương con trong tai có vai trò quan trọng trong việc dẫn truyền sóng âm, giúp giảm thiểu sự hao hụt năng lượng do phản xạ Nếu không có hệ xương này, 99,9% năng lượng sóng âm sẽ bị phản xạ, chỉ còn khoảng 0,1% được truyền vào ngoại dịch perilympho Hệ xương con giúp tối ưu hóa quá trình truyền âm qua các môi trường có độ âm trở khác nhau.
Hệ xương con có tác dụng bảo vệ tai trong khỏi âm thanh lớn nhờ vào hệ thống dây chằng co giãn, giúp giảm chấn động và tạo điểm tựa cho đòn bẩy.
Hình 14.1 Cấu trúc tai người
Quá trình tiếp nhận và cảm thụ âm thanh ở tai trong xảy ra phức tạp hơn nhiều
Nghiên cứu của Helmholtz và đặc biệt là công trình của Bekesy đã làm sáng tỏ cơ chế lý sinh thính giác Công trình nghiên cứu công phu này đã giúp George von Bekesy nhận giải Nobel vào năm 1961, nhấn mạnh tầm quan trọng của cơ chế cảm thụ âm thanh, bao gồm các yếu tố như búa, đe, bàn đạp, điểm tựa, tay đòn, cửa sổ bầu dục, màng nhĩ và ốc tai.
Hình 14.2 Sơđồ thiết diện ngang ốc tai
1 Kênh tiền đình 2 Kênh màng nhĩ 3 Kênh ốc tai
4 Màng tiền đình 5 Màng đáy 6 Thể Corti
7 Màng phủ 8 Thần kinh thính giác
Tai trong chủ yếu được cấu tạo bởi ốc tai, có chiều dài khoảng 35 mm và cuộn theo hình ốc khoảng 2,75 vòng Bên trong ốc tai có ba kênh chứa dịch, được gọi là scala, ngăn cách nhau bởi các màng Kênh tiền đình bắt đầu từ cửa sổ bầu dục và thông với kênh màng nhĩ qua một lỗ nhỏ ở đỉnh ốc tai, trong khi kênh màng nhĩ dẫn đến cửa sổ tròn Dịch perilympho trong hai kênh này được gọi là ngoại dịch, còn kênh ốc tai chứa dịch endolympho, hay nội dịch Màng đáy ngăn cách kênh màng nhĩ và kênh ốc tai, trong khi màng trước ngăn cách kênh ốc tai và kênh tiền đình Màng đáy được cấu tạo bởi hệ thống vòng xoắn gọi là thể Corti, nơi chứa các cơ quan cảm thụ của tế bào thần kinh thính giác.
Theo lý thuyết của Bekesy, dao động của cửa sổ bầu dục gây ra chuyển động xoáy của dịch perilympho, dẫn đến áp suất khác nhau dọc theo chiều dài kênh tiền đình Áp suất này truyền tới dịch endolympho trong ốc tai, tạo ra sóng trên màng đáy Màng đáy chịu tác động của áp suất khác nhau, và qua một cơ chế phức tạp, thể Corti có khả năng phân tích tần số âm thanh.
Ứng dụng của siêu âm
Nguyên lý tạo ra sóng âm là làm cho vật rắn, màng căng hoặc dây căng dao động đàn hồi Để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi cần có tần số trên 20.000 Hz, thường nhờ vào các nguồn dao động đặc biệt như tinh thể thạch anh hoặc tinh thể Niken.
Có hai cách phát siêu âm: + Dựa vào hiệu ứng áp điện nghịch
+ Dựa vào hiện tượng từ giảo
14.2.1.1 Ngu ồ n phát siêu âm d ự a vào hi ệ u ứ ng áp đ i ệ n ngh ị ch
Bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với quang trục sẽ tạo thành một bản thạch anh áp điện Để sử dụng, người ta thường mạ hai mặt của bản thạch anh này nhằm tạo thành một tụ điện, hoặc kẹp nó giữa hai bản của một tụ điện phẳng.
Khi kết nối hai bản điện cực với nguồn điện một chiều, bản thạch anh sẽ bị biến dạng và cong về một bên Khi thay đổi chiều dòng điện, bản thạch anh sẽ cong ngược lại.
Khi thay nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay chiều tần số cao, bản thạch anh sẽ liên tục biến dạng theo tần số dòng điện và phát ra siêu âm khi tần số vượt quá 20.000Hz Cường độ siêu âm đạt cực đại khi tần số dao động điện phù hợp với tần số dao động riêng của bản thạch anh Năng lượng từ nguồn điện chuyển hóa thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm, có thể lan truyền vào môi trường xung quanh với tần số lên đến 50MHz.
14.2.1.2 Ngu ồ n phát siêu âm d ự a vào hi ệ n t ượ ng t ừ gi ả o
Khi một thanh sắt từ hoặc thanh kền bị từ hoá, chiều dài của nó sẽ giảm nhẹ do hiện tượng từ giảo Khi đặt thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây nối với nguồn điện một chiều, hiện tượng này làm cho chiều dài của thanh sắt từ ngắn lại Tuy nhiên, khi ngắt dòng điện, từ trường trong cuộn dây không còn tác động, khiến thanh sắt từ không trở về chiều dài ban đầu Khi cuộn dây được kết nối với nguồn điện xoay chiều có tần số cao, từ trường trong cuộn dây sẽ biến thiên liên tục theo tần số của dòng điện xoay chiều.
Hiện tượng từ giảo khiến thanh sắt từ dao động với tần số gấp đôi tần số của dòng điện, dẫn đến việc phát ra siêu âm khi tần số vượt quá 20.000Hz Cường độ siêu âm đạt mức tối đa khi dao động của dòng điện đồng bộ với dao động riêng của thanh sắt từ Nguồn phát siêu âm này có thể đạt tới 1000MHz.
14.2.2 Ứng dụng của siêu âm trong y học
Kỹ thuật siêu âm hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng hải và địa chất với các thiết bị thăm dò độ sâu, dò tìm đá ngầm và phát hiện luồng cá Trong quân sự, siêu âm được sử dụng để phát hiện mìn, thuỷ lôi và theo dõi mục tiêu Ngoài ra, trong công - nông nghiệp, siêu âm hỗ trợ kiểm tra chất lượng sản phẩm, phát hiện khuyết tật và gia công vật liệu cứng Các ngành công nghiệp thực phẩm, hoá dược và thông tin liên lạc cũng đã áp dụng công nghệ siêu âm một cách hiệu quả.
Hình 14.5 Đặc biệt trong lĩnh vực y học, sóng siêu âm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị
14.2.2.1 Ứ ng d ụ ng c ủ a siêu âm trong đ i ề u tr ị
Siêu âm tác động lên tế bào và tổ chức sống, tạo ra ba hiệu ứng chính: cơ học, nhiệt học và hóa học Những hiệu ứng này làm thay đổi tính chất và chức năng sinh lý của các tổ chức trong cơ thể, đóng vai trò quan trọng trong cơ chế của các liệu pháp điều trị bằng kỹ thuật siêu âm.
Khi sóng siêu âm tác động vào một môi trường vật chất, nó sẽ gây ra những biến đổi áp lực và dịch chuyển các phần vật chất xung quanh vị trí cân bằng của chúng, dẫn đến quá trình nén giãn môi trường Quá trình này có thể dẫn đến việc liên kết của các phần tử bị đứt gãy tại vùng giãn, tạo ra hiện tượng tạo lỗ vi mô.
Siêu âm có cường độ vừa và nhỏ ( 30 MHz và < 400 MHz tức bước sóng cỡ 70 cm - 10 m
- Sóng cực ngắn: là dòng điện biến thiên có tần số > 400 MHz và < 2500 MHz tức là có bước sóng cỡ 10 - 70 cm
15.3.2 Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị
Chúng ta đã biết: cơ thể sinh vật là một môi trường chứa đầy các dung dịch điện ly, bao gồm các ion dương và ion âm
Trong vật lý và kỹ thuật, khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly, các phản ứng hóa học xảy ra tại các điện cực, dẫn đến sự hình thành các chất mới Tính chất này được biết đến là tác dụng điện hoá của dòng điện một chiều.
Trong y học, tác dụng điện hoá của dòng điện 1 chiều đã được ứng dụng trong 1 phương pháp chữa bệnh có tên gọi là điện giải liệu pháp:
Các điện cực được đặt trực tiếp lên các vị trí cần điều trị trên cơ thể, thiết lập một điện trường không đổi Bằng cách chọn các điện cực có tính chất hóa học khác nhau, có thể tạo ra các loại acid, bazơ hoặc phức hợp hóa chất cần thiết để điều trị các bệnh tương ứng.
Dưới tác động của điện trường từ hai điện cực trái dấu, các ion trong dung dịch sẽ di chuyển về phía các điện cực tương ứng, với ion âm hướng về cực dương và ion dương di chuyển về cực âm Tính chất này được ứng dụng trong y học thông qua phương pháp điều trị gọi là Ion hoá liệu pháp.
Phương pháp này nhằm mục đích sử dụng dòng điện một chiều để đưa các ion thuốc cần thiết vào cơ thể, ví dụ như trong các kỹ thuật điện châm và thủy châm.
Lưu ý: Cần tránh tác dụng điện hoá của dòng điện một chiều bằng cách quấn điện cực bằng bông có tẩm dung dịch dẫn điện (KCl)
Dòng 1 chiều khi truyền qua cơ thể tạo ra các tác dụng sinh lý đặc hiệu, bao gồm việc giảm ngưỡng kích thích của sợi cơ vận động và giảm tính đáp ứng của thần kinh cảm giác, từ đó giúp giảm đau Phương pháp này cũng gây giãn mạch tại khu vực giữa hai điện cực, đồng thời tăng cường dinh dưỡng cho vùng có dòng điện đi qua Đây chính là nguyên tắc của Ganvany liệu pháp, một phương pháp điều trị sử dụng dòng điện 1 chiều.
15.3.2.2 Tác d ụ ng c ủ a dòng đ i ệ n xoay chi ề u
* Tác dụng của dòng điện xoay chiều hạ tần và trung tần:
Dòng điện xoay chiều hạ tần và trung tần khác biệt so với dòng điện 1 chiều ở chỗ cường độ của nó thay đổi liên tục, gây ra sự co và giãn của cơ Hiện tượng này giúp tập luyện cơ bắp, từ đó tăng cường sức mạnh cơ bắp hiệu quả.
Dòng điện xoay chiều có tần số từ 40Hz đến 180Hz rất hiệu quả trong việc kích thích và chống teo cơ, đồng thời tăng cường lưu thông máu khi cơ bị co giật, giúp cải thiện dinh dưỡng cho cơ Đối với dòng trung tần với tần số từ 5000 Hz trở lên, tác động kích thích vận động trở nên rõ rệt hơn, giúp cơ co mà không gây cảm giác đau.
Các loại xung vuông có tần số thích hợp trong vùng trung tâm được sử dụng để gây “choáng điện”, tạo ra cơn co giật nhân tạo (kích thích điện xuyên qua sọ), phương pháp này rất hiệu quả cho một số bệnh tâm thần có chu kỳ Những xung vuông với biên độ 150 V kéo dài 1-2/1000 giây có khả năng kích thích tim từ ngoài lồng ngực, thường được áp dụng hiệu quả trong trường hợp tim ngừng đập ở giai đoạn tâm trương Hiện nay, trong trường hợp đau tim kéo dài, bệnh nhân có thể mang theo máy Pace-Maker, một thiết bị phát xung điện kích thích nhỏ gọn, chạy bằng pin và các điện cực kích thích được bố trí trên màng tim để đảm bảo nhịp tim ổn định.
* Tác dụng của dòng cao tần:
Dòng cao tần tác dụng vào cơ thể không gây hiện tượng điện phân và không kích thích cơ thần kinh
Năng lượng dòng cao tần chuyển hóa thành nhiệt năng tại khu vực có dòng điện, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe Tác dụng nhiệt của dòng cao tần giúp tăng cường lưu thông máu, giảm đau, cải thiện chuyển hóa vật chất và thư giãn hệ thần kinh cũng như cơ bắp Vì vậy, dòng cao tần thường được áp dụng trong điều trị các bệnh viêm thần kinh, một số vấn đề ngoài da và đau ở các khớp nông.
Hiệu ứng nhiệt của dòng cao tần được sử dụng để cắt hoặc đốt nhiệt, là phương pháp hiệu quả để tiêu diệt các tổ chức sống trong cơ thể mà không gây chảy máu, không tạo mủ và để lại sẹo nhỏ trắng không dính.
15.3.3 Những nguy hiểm do điện - đề phòng tai nạn do điện gây ra
Dòng điện, giống như nhiều yếu tố vật lý khác, có thể mang lại lợi ích tích cực cho con người khi được áp dụng đúng mức.
Trong trường hợp tai biến bất ngờ, khi điện tác động lên cơ thể vượt quá ngưỡng cho phép, nó có thể trở thành mối nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khoẻ và tính mạng con người thông qua các cơ chế khác nhau.
C ơ ch ế h ấ p th ụ ánh sáng và phát sáng
16.1.1 Định luật hấp thụ ánh sáng
Chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc song song vào một lớp môi trường giới hạn bởi hai mặt phẳng song song với bề dày l, tạo ra hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng.
Cường độ chùm sáng chiếu tới mặt trước được ký hiệu là I0, trong khi phần ánh sáng bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường là I f Ánh sáng bị tán xạ trong môi trường được gọi là I x, và phần ánh sáng bị các phân tử hấp thụ là I h Cuối cùng, phần ánh sáng còn lại truyền qua khối môi trường được ký hiệu là It Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng các phần này phải bằng cường độ chùm sáng ban đầu.
Giả sử mặt ngăn cách của môi trường rất nhẵn và phẳng, các tia sáng tới sẽ đập vuông góc với bề mặt, do đó phần ánh sáng phản xạ I f có thể xem là không đáng kể.
Môi trường trong suốt va đồng nhất thì ánh sáng bị tán xạ cũng có thể bỏ qua
Để xác định phần năng lượng ánh sáng mà phân tử môi trường hấp thụ, ta có thể sử dụng mối quan hệ giữa I0 và It theo định luật Bouguer - Lambert - Bear Cụ thể, I0 = Ih + It, trong đó Ih được xác định gián tiếp thông qua việc đo lường I0 và It.
Trong một lớp môi trường có bề dày dx, cách mặt trước của môi trường là x, cường độ chùm sáng khi tới mặt dx được ký hiệu là i, trong khi cường độ chùm sáng khi đi ra khỏi lớp dx là (i-di) Khi chùm sáng đi qua lớp này, cường độ đã giảm đi một lượng -di Độ giảm -di của cường độ chùm sáng tỷ lệ thuận với i và độ dày dx.
Trong đ ó k là m ộ t h ệ s ố t ỉ l ệ , g ọ i là h ệ s ố h ấ p th ụ c ủ a môi tr ườ ng, k ph ụ thu ộ c vào b ả n ch ấ t, m ậ t độ môi tr ườ ng, vào b ướ c sóng ánh sáng
Giải phương trình vi phân (16.3):
Biểu thức (4) chính là biểu thức toán học của định luật Bugơ - Lambe
Khi chuyển từ cơ số tự nhiên (e) sang cơ số thập phân (10) thì biểu thức (4) trở thành:
I t = I 0 10 -k'l (16.5) Trong đó k ' gọi là hệ số tắt, k' = 0.43k
1, vậy hệ số tắt có giá trị bằng nghịch đảo bề dày mà với nó cường độ ánh sáng yếu đi 10 lần
Trong môi trường hấp thụ ánh sáng là dung dịch loãng với nồng độ C, hệ số tắt k' tỷ lệ thuận với C, được biểu diễn bằng công thức k' = ε.C (16.6) Hệ số ε, đặc trưng cho khả năng hấp thụ của dung dịch, không phụ thuộc vào nồng độ mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất tan và bước sóng (λ) của ánh sáng chiếu vào dung dịch.
Phối hợp các biểu thức (16.5) và (16.6) ta được phương trình biểu diễn định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng, định luật Bugơ- Lambe- Bia:
Định luật hấp thụ ánh sáng chứng tỏ rằng hệ số hấp thụ của một chất tỷ lệ thuận với khối lượng lớp môi trường mà ánh sáng đi qua, tương ứng với số phân tử chất hấp thụ trên một đơn vị độ dài Ý nghĩa vật lý của định luật này là khả năng hấp thụ ánh sáng của một phân tử không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các phân tử khác xung quanh, điều này chỉ đúng trong các dung dịch loãng Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách giữa các phân tử giảm, dẫn đến sự tương tác giữa chúng gia tăng, gây ra sự sai khác so với định luật Bugơ - Lambe - Bia Hơn nữa, trong nhiều trường hợp, hệ số hấp thụ ε không chỉ phụ thuộc vào chất tan mà còn vào dung môi, cho thấy sự tương tác giữa các phân tử chất tan và dung môi cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của dung dịch.
Vậy điều kiện để áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng là:
- Chùm sáng phải đơn sắc
- Dung dịch đo phải loãng (nằm trong khoảng nồng độ thich hợp)
- Dung dịch phải trong suốt (trừ chuẩn độđo quang)
- Chất thử phải bền trong dung dịch và bền dưới tác dụng của ánh sáng UV-VIS
* Một sốđại lượng thông dụng
Độ truyền qua (T-Transmittance) là một chỉ số quan trọng phản ánh độ trong suốt quang học của dung dịch Nó thể hiện khả năng ánh sáng đi qua dung dịch, từ đó giúp đánh giá tính chất quang học của các chất lỏng.
Thường T tính ra phần trăm (%) Một chất cho T=1 (hay 100%), nghĩa là hoàn toàn không hấp thụ ánh sáng, người ta nói chất đó trong suốt hoàn toàn
- Độ h ấ p th ụ Độ hấp thụ (hay còn gọi là mật độ quang D - Density, hoặc độ tắt E - Extinction) được định nghĩa:
Đối với một chất xác định có độ hấp thụ riêng (ε), thường được đo trong một cốc có độ dày chuẩn là 1 cm, độ hấp thụ sẽ tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch.
A = K.C (K=ε.l) (16.10) Đây chính là cơ sở lý thuyết của phương pháp định lượng bằng quang phổ hấp thụ
Theo công thức A =ε.C.l, nếu l = 1cm, C=1% thì
A = ε = E 1 1 cm % ( thường viết tắt là E 1 1)
E 1 1 là độ hấp thụ của dung dịch với nồng độ 1%, sử dụng cốc đo có bề dày 1 cm Đối với một chất tan cụ thể, tại một bước sóng λ nhất định, E 1 1 được coi là một hằng số.
Hệ số hấp thụ phân tử, hay hệ số tắt mol, là chỉ số thể hiện độ hấp thụ của dung dịch với nồng độ 1 M/l, được đo trong cốc có độ dày 1 cm.
Cũng như E 1 1 , với một chất xác định, trong những điều kiện đo xác định (λ, dung môi, nhiệt độ ), εμlà một hằng số
Giữa E 1 1 và ε μ có mối liên hệ:
10 (16.11) Ởđây M là phân tử gam của chất tan
Ứng dụng quang phổ hấp thụ phân tử cho thấy rằng hầu hết các chất trong suốt có hệ số hấp thụ k, hay còn gọi là độ hấp thụ A, thay đổi theo bước sóng (λ) Những chất này được gọi là các chất hấp thụ lọc lựa Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ (A) vào bước sóng ánh sáng chiếu vào chất đó được gọi là phổ hấp thụ.
Phổ hấp thụ của mỗi chất được đặc trưng bỏi hình dạng đường cong hấp thụ, số lượng, vị trí và cường độ của các cực đại
Ngày nay, phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV, VIS, IR) đã trở thành công cụ phân tích phổ biến tại các phòng thí nghiệm nghiên cứu, trường học, trạm kiểm nghiệm và xí nghiệp sản xuất dược phẩm Phương pháp này được ưa chuộng nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó.
1 Độ chính xác (precision), độ lặp lại (reproducibility) của phương pháp khá cao
2 Sai số tương đối của phương pháp (UV-VIS) nhỏ, thường vào khoảng 0,5-1%
Phương pháp này có độ nhạy cao, cho phép phân tích các dung dịch loãng ở mức 10 -4 μg/l (khoảng chục μg/ml), rất phù hợp cho các phép phân tích vết, đặc biệt trong lĩnh vực phân tích độc chất.
4 Thời gian phân tích nhanh chóng, chỉ cần 5-10 phút có thể cho biết ngay kết quả
5 Kỹ thuật thao tác đơn giản, máy móc ngày càng hoàn thiện, gon nhẹ, trình độ tựđộng hoá, tin học hoá cao
Dưới đây chỉ giới thiệu một cách ngắn gọn một số lĩnh vực áp dụng của phổ hấp thụ phân tử trong ngành Dược
16.1.2.1 Phân tích đị nh tính
Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử dựa trên mối liên hệ giữa phổ của một chất và cấu trúc hóa học của nó, bao gồm cấu trúc lớp vỏ phân tử, mối liên kết, nhóm chức và cấu hình không gian Nếu hai chất có phổ (đặc biệt là phổ IR) giống hệt nhau khi được đo trong điều kiện tương tự, có thể kết luận rằng chúng có cấu trúc hóa học tương đồng Phân tích phổ được thực hiện dựa trên các chỉ tiêu cụ thể.
- Bước sóng hấp thụ cực đại: λ max (với phổ IR thường dùng đại lượng là số sóng: ν 1
=λ (cm -1 ) Ví dụ, phổ của dung dịch vitamin B 12 (cyanocobalamin) trong nước có các λ max = 278; 361; 548 nm Phổ của dung dịch vitamin B2 (riboflavn) trong nước có λ max = 223; 267; 375 và 444 nm
- Dựa vào tỷ số độ hấp thụ tại các cực đại hoặc tại cực đại với cực tiểu hấp thụ Thí dụ, với vitamin B 12 ta có tỷ số A 278 /A 361 = 0.57; A 548 /A 361 = 0.30
Tác d ụ ng c ủ a ánh sáng lên c ơ th ể s ố ng
16.2.1 Đại cương tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống
Quá trình quang sinh diễn ra khi một chùm photon chiếu vào cơ thể sinh vật, dẫn đến nhiều hiệu ứng và quá trình bên trong cơ thể đó.
Khi nghiên cứu một quá trình quang sinh, người ta thường xem xét theo 2 quan điểm sau:
• Quan điểm năng lượng: theo quan điểm này, các qúa trình quang sinh được chia thành 4 giai đoạn chính kế tiếp nhau như sau:
Giai đoạn 1 diễn ra khi chùm phôton được hấp thụ bởi các sắc tố hoặc chất khác, dẫn đến việc tạo ra trạng thái kích thích Điều này đồng nghĩa với việc năng lượng được tích lũy trong sinh hệ.
Giai đoạn 2 là quá trình khử trạng thái kích thích của cơ thể, trong đó năng lượng kích thích được giải phóng thông qua các quá trình quang lý như tỏa nhiệt hoặc phát quang.
Hoặc bằng các quá trình quang hoá dẫn tới các sản phẩm quang hoá đầu tiên
Giai đoạn 3 bao gồm các phản ứng tối trung gian, trong đó các sản phẩm quang hóa không bền tham gia để tạo ra các sản phẩm quang hóa bền vững Những phản ứng này được gọi là phản ứng tối vì không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng.
- Giai đoạn 4: Đó là giai đoạn xảy ra các hiệu ứng sinh vật, hay nói cách khác là các diễn biến sinh lí và cấu trúc của sinh hệ
•Quan điểm hiệu ứng hiệu ứng sinh vật: theo quan điểm này, các phản ứng quang sinh được chia thành hai nhóm lớn như sau:
* Nhóm các ph ả n ứ ng sinh lý ch ứ c n ă ng:
Các phản ứng quang hợp diễn ra khi ánh sáng tham gia trực tiếp, tạo ra các sản phẩm cần thiết cho tế bào nhằm thực hiện các chức năng sinh lý bình thường Những phản ứng này có thể được chia thành ba loại khác nhau.
- Phản ứng tạo năng lượng (ví dụ: quang hợp)
Phản ứng thông tin diễn ra khi các photon kích thích các cơ quan khuếch đại đặc biệt, giúp sinh hệ thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài Ví dụ, ở động vật, quá trình này liên quan đến thị giác, trong khi ở thực vật, nó thể hiện qua hướng quang và quang hình thái.
- Sinh tổng hợp các phân tử hữu cơ (các chất diệp lục, vitamin )
* Nhóm các ph ả n ứ ng phá hu ỷ bi ế n tính
Là chuỗi các phản ứng xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng mà kết quả là: gây bệnh lý, gây đột biến di truyền và gây tử vong
Khi chiếu ánh sáng tới cơ thể sống để gây nên hiệu ứng sinh vật thì đối tượng phải hấp thụ phôton
Hiệu suât lượng tử ϕ = số phân tử bị kích thích/ số phân tửđã hấp thụ ánh sáng
Cho chúng ta biết hiệu suất sử dụng năng lượng của quá trình quang sinh được khảo sát
Phổ tác dụng là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa hiệu ứng sinh học do ánh sáng gây ra và bước sóng của ánh sáng.
Sử dụng 10 ống nghiệm chứa vi khuẩn với mật độ, thể tích và thời gian chiếu sáng khác nhau bởi các bước sóng từ λ1 đến λ10, chúng ta sẽ xác định tỷ lệ vi khuẩn bị khử độc tính Tỷ lệ này sẽ là chỉ số đặc trưng cho hiệu ứng quang sinh, từ đó cho phép chúng ta vẽ đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa tỷ lệ vi khuẩn bị khử hoạt tính và bước sóng.
16.2.2 Một số quá trình quang sinh và ứng dụng
Quang hợp là ví dụ điển hình về loại phản ứng tạo và tích lũy năng lượng trong nhóm các phản ứng sinh lý chức năng
Quang hợp là quá trình xảy ra ở cây xanh dưới tác động của ánh sáng, trong đó cây hấp thụ carbonic (CO2), tạo ra oxy (O2) và hợp chất hydrat carbon (CH2O) Kết quả của quá trình này là cây xanh tích lũy năng lượng từ ánh sáng thông qua các chất được hình thành.
Sơđồ tổng quát của các phản ứng xảy ra ở hạt diệp lục của cây xanh tóm tắt như sau:
Quá trình quang hợp diễn ra thông qua việc truyền điện tử, trong đó phản ứng cơ bản là sự di chuyển của nguyên tử H từ phân tử H2O đến CO2, nhằm tạo ra các sản phẩm cần thiết cho sự sống.
Quá trình di chuyển Hydro bao gồm hai giai đoạn chính: di chuyển điện tử và di chuyển proton (H+) Giai đoạn di chuyển điện tử yêu cầu năng lượng, trong khi giai đoạn di chuyển proton luôn có sẵn một lượng proton đáng kể trong nội bào, giúp chúng dễ dàng tham gia vào các trung tâm phản ứng.
Tốc độ hấp thụ CO2 từ môi trường phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu tới Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy có thể được sử dụng để tính số photon tối thiểu cần thiết để khử một phân tử CO2 Lượng năng lượng cần thiết để khử một phân tử CO2 cho đến khi tạo thành hydrat cacbon khoảng 112 kcal/mol, tương đương 4,9 eV cho mỗi phân tử.
Chất diệp lục (Chlorophyl) là một sắc tố quan trọng trong quá trình quang hợp, được tìm thấy trong các hạt lục lạp, với mỗi hạt chứa khoảng 100 phân tử diệp lục.
- Sự sắp xếp tương hỗ của các phân tử diệp lục, protit, lipit trong các hạt lục lạp cũng có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp
Quá trình quang hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường năng lượng tự do, đồng thời giảm entropi tương đối của hệ sinh thái Điều này xảy ra do sinh hệ hoạt động như một hệ mở, cho phép trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường xung quanh.
- Do tính chất dự trữ năng lượng, giải phóng O2 và khử CO2 nên quang hợp là một quá trình hết sức quan trọng đối với sự sống
Một trong những phản ứng quang sinh lý chức năng quan trọng cho sự tồn tại và phát triển của sự sống là quá trình quang tổng hợp các sắc tố và vitamin.
M ắ t và d ụ ng c ụ b ổ tr ợ
16.3.1 Quang hình học của mắt
16.3.1.1 Sơ lược về cấu tạo của mắt
Mắt, hay còn gọi là nhãn cầu, có hình dạng cầu với đường kính khoảng 22mm theo trục trước sau Bên ngoài, mắt được hỗ trợ bởi sáu bó cơ vận động, cho phép mắt quay và định hướng khi nhìn Vỏ của mắt được cấu tạo từ ba lớp màng đàn hồi, xếp chồng từ ngoài vào trong.
- Củng mạc là màng ngoài cùng, bao kín 3/4 phía sau con mắt Là lớp xơ dày, dai, trắng như sứ, ánh sáng không lọt qua được
Giác mạc là lớp mô trong suốt nằm ở phía trước của mắt, cho phép ánh sáng xuyên qua Nó có bán kính cong nhỏ hơn so với bán kính cong của củng mạc.
Mạch mạc, hay còn gọi là màng mạch, nằm trong củng mạc của mắt Màng mạch chứa nhiều mạch máu, có vai trò quan trọng trong việc nuôi dưỡng mắt Ngoài ra, nó còn chứa nhiều sắc tố đen, giúp duy trì môi trường tối bên trong nhãn cầu.
Ngay sau giác mạc, màng mạch tạo thành một màng chắn màu đen hoặc nâu, với một lỗ hở hình tròn có đường kính thay đổi, gọi là đồng tử Ánh sáng đi qua giác mạc sẽ xuyên qua đồng tử và vào bên trong mắt.
Đồng tử có khả năng tự điều chỉnh bán kính, giúp kiểm soát lượng ánh sáng tác động vào võng mạc Khi ánh sáng mạnh chiếu vào mắt, đồng tử co lại để giảm bớt ánh sáng, trong khi khi ánh sáng yếu, đồng tử giãn ra, tăng cường lượng ánh sáng vào mắt.
Võng mạc là lớp màng trong cùng của mắt, bao gồm nhiều lớp tế bào, trong đó tế bào thần kinh thị giác là quan trọng nhất Các tế bào này tập trung thành các sợi thần kinh nhỏ nối với dây thần kinh thị giác Có hai loại tế bào thần kinh cảm thụ ánh sáng: tế bào nón và tế bào que, với khoảng 7 triệu tế bào nón và 130 triệu tế bào que ở mắt người Sự phân bố của hai loại tế bào này khác nhau, với tế bào nón tập trung gần điểm vàng, nơi võng mạc mỏng hơn và tạo thành hố trung tâm, có mật độ tế bào nón cao khoảng 150.000 tế bào/mm² Khi nhìn vào một vật, hình ảnh của vật sẽ hiện lên tại hố trung tâm này.
Thuỷ tinh dịch §iÓm vμng
Mạch tâm có sự phân bố không đồng đều của tế bào thần kinh trong võng mạc Càng xa điểm vàng, mật độ tế bào nón giảm dần trong khi mật độ tế bào que tăng lên, dẫn đến vùng xa điểm vàng chỉ còn tế bào que Hai loại tế bào này có đặc điểm và chức năng khác nhau, đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận và xử lý thông tin thị giác.
Tế bào nón có khả năng cảm thụ ánh sáng mạnh, giúp phân biệt hình thể, màu sắc và chi tiết của vật Trong khi đó, tế bào que nhạy hơn với ánh sáng yếu, nhưng chỉ cho phép cảm nhận sự sáng tối Vì vậy, ở vùng xa điểm vàng, con người chỉ cảm nhận được độ sáng mà không phân biệt được màu sắc hay chi tiết.
Môi trường bên trong nhãn cầu được chia thành hai phần, ngăn cách bởi thủy tinh thể Thủy tinh thể là một cấu trúc trong suốt, có hai mặt lồi, với mặt cong phía trước có bán kính lớn hơn mặt cong phía sau Sự thay đổi sức căng của dây chằng treo thủy tinh thể và tính đàn hồi của nó cho phép thay đổi bán kính cong của mặt trước, giúp mắt điều chỉnh sự hội tụ khi quan sát các vật ở xa hoặc gần Thủy tinh thể có chiết suất khoảng 1,43 và độ tụ từ 12 đến 14 điôp.
Giữa giác mạc và thủy tinh thể có chứa dịch trong suốt, trong khi khoảng không gian giữa thủy tinh thể và võng mạc chứa dịch kính Áp suất trong mắt duy trì ổn định nhờ vào sự lưu thông của các thể dịch, với giá trị dao động từ 12 đến 25 mmHg.
16.3.1.2 Quang hình học của mắt
Mắt được cấu tạo từ các môi trường chiết quang khác nhau, được ngăn cách bởi các mặt cầu khúc xạ, tạo thành ba lưỡng chất cầu trong cấu trúc quang hình của nó.
Lưỡng chất cầu giác mạc là một quang hệ hình thành từ sự ngăn cách giữa giác mạc và môi trường không khí với thuỷ dịch Giác mạc có độ dày khoảng 1mm, bán kính cong 8mm, với chiết suất của thuỷ dịch là 1,336, tạo ra độ tụ quang hệ đạt 45 điôp.
Mặt cong trước của thủy tinh thể tạo ra một lưỡng chất cầu, ngăn cách thủy dịch với thủy tinh thể Bán kính cong của mặt trước thủy tinh thể khoảng 10mm, với chiết suất trung bình là 1,388 và độ tụ của hệ là 7 điôp.
Lưỡng chất cầu thuỷ tinh thể được tạo ra bởi mặt cong phía sau của thuỷ tinh thể, điều này tạo ra sự ngăn cách giữa thuỷ tinh thể và dịch thuỷ tinh Bán kính cong của mặt sau thuỷ tinh thể khoảng
8mm, chiết suất dịch thuỷ tinh là 1,36 và độ tụ của quang hệ khoảng 12 điôp
Ba lưỡng chất cầu trong hệ quang học của mắt có cùng trục chính và kết hợp thành một hệ thống quang học duy nhất Hệ này được cấu thành từ ba hệ quang học với các chỉ số chiết suất khác nhau Khi ánh sáng đi vào mắt, nó sẽ bị khúc xạ qua ba lưỡng chất cầu và tác động lên các tế bào thần kinh ở võng mạc Nhờ đặc điểm này, chúng ta có thể thay thế ba hệ quang học bằng một lưỡng chất cầu tổng hợp, hay còn gọi là con mắt ước lược.
Laser và ứ ng d ụ ng trong y h ọ c
Laser, một trong những phát minh vĩ đại của thế kỷ XX, được phát triển dựa trên lý thuyết về hiện tượng phát xạ cưỡng bức do nhà vật lý Albert Einstein đề xuất vào năm 1917.
Năm 1954, các nhà vật lý Baxốp, Prokhôxốp (Liên Xô), Savêlốp và Taoxơ (Mỹ) đã công bố nguyên lý của Laser và nhận giải Nobel Vật lý năm 1964 Laser, viết tắt của cụm từ tiếng Anh "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", nghĩa là sự khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức Máy laser đầu tiên, được chế tạo bởi Meiman vào năm 1960, là laser hồng ngọc (Rubi) Sau đó, nhiều chất khác đã được phát hiện có khả năng phát tia laser, bao gồm hỗn hợp khí Heli-Neon (He-Ne) vào năm 1961, bán dẫn Gallium arsen (Ga-As) năm 1964, và tinh thể Yurium Aluminium Garnet (YAG).
Từ năm 1964 với sự ra đời của laser màu, tiếp theo là laser khí Cacbonnic (CO2) vào năm 1966 và 1968, laser đã trở thành yếu tố quan trọng thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp và quốc phòng.
Laser đã được ứng dụng trong y học từ những năm 1960, với việc sử dụng laser Argon trong nhãn khoa vào năm 1966 và nghiên cứu hiệu ứng của laser CO2 trên mô sống vào năm 1971 Hiện nay, laser đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực y tế khác nhau.
- Chẩn đoán: dựa trên cơ sở nghiên cứu phổ huỳnh quang để đánh giá chức năng của các tổ chức khác nhau
- Điều trị: dựa trên hiệu ứng kích thích sinh học (laser công suất thấp), dựa trên hiệu ứng nhiệt trong phẫu thuật (laser công suất cao)
16.4.2 Nguồn gốc của tia Laser
* Mô hình nguyên tử của Bohr (1913)
Nguyên tử bao gồm một hạt nhân nhỏ và các điện tử quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Mỗi quỹ đạo điện tử tương ứng với một mức năng lượng cụ thể, trong đó điện tử ở lớp quỹ đạo ngoài có năng lượng cao hơn lớp trong Mức năng lượng thấp nhất được gọi là mức cơ bản, trong khi các mức năng lượng cao hơn được gọi là mức kích thích.
* Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
Khi một chùm ánh sáng đơn sắc chiếu vào một hệ có hai mức năng lượng, photon có thể bị các điện tử ở mức năng lượng thấp E1 hấp thụ, dẫn đến việc điện tử nhảy lên mức năng lượng cao E2 Hiện tượng này được gọi là hiện tượng hấp thụ, trong đó các điện tử hấp thụ photon làm cho ánh sáng yếu đi.
Hiện tượng phát xạ tự do của điện tử xảy ra khi điện tử nhảy lên mức kích thích trong khoảng thời gian nhất định, thường khoảng 10^-8 giây Sau khi thời gian này trôi qua, điện tử sẽ trở về mức cơ bản và giải phóng năng lượng thừa mà nó nhận được từ các photon.
- Nếu năng lượng giải phóng ra không đủ lớn thì năng lượng giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng (phonon) làm cho môi trường nóng lên
- Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn thì năng lượng được giải phóng ra dưới dạng các hạt ánh sáng (photon thứ cấp) ΔE = hλ = E2-E1 (16.21)
Trường hợp phát xạ photon gọi là hiện tượng phát xạ tự do (16.19.b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi theo mọi hướng
* Hiện tượng phát xạ cưỡng bức
Khi chiếu một chùm ánh sáng đơn sắc vào môi trường vật chất, photon tương tác với các điện tử ở mức năng lượng cao hơn, có khả năng cưỡng bức chúng rời khỏi mức kích thích sớm hơn thời gian sống của chúng Quá trình này dẫn đến việc nguyên tử phát xạ một photon mới có cùng năng lượng và các tính chất như hướng truyền, độ phân cực, và pha với photon ban đầu.
Trong hiện tượng phát xạ cưỡng bức, photon không bị mất mát như trong quá trình hấp thụ, mà vẫn duy trì tính năng của nó, khiến ta không thể phân biệt giữa photon gây cưỡng bức và photon sinh ra từ dịch chuyển cưỡng bức điện tử Hiện tượng này có tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền, với 1 photon sinh ra 2, và 2 photon sinh ra 4, làm tăng số lượng photon và tác động ngược lại với sự hấp thụ Sự phóng photon cưỡng bức chính là nguồn gốc tạo ra chùm tia laser.
Hình 16.19 Các hiện tượng quang học: a- hấp thụ; b- phát xạ tự do; c- phát xạ cưỡng bức a b c
16.4.3 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy phát tia Laser
16.4.3.1 C ấ u trúc đ i ể n hình c ủ a máy phát tia Laser
Như vậy khi chiếu một chùm ánh sáng vào một môi trường vật chất sẽ có
Ba hiện tượng quang học cơ bản gồm hấp thụ, phát xạ tự do và phát xạ cưỡng bức là những yếu tố quan trọng trong việc tạo ra chùm tia Laser Để máy phát tia Laser hoạt động hiệu quả, nó cần có ba bộ phận chính.
Trong cuộc sống hàng ngày, hiện tượng hấp thụ và dẫn truyền ánh sáng rất phổ biến, trong khi hiện tượng khuyếch đại ánh sáng lại hiếm gặp do các nguyên tử chủ yếu ở trạng thái cơ bản Để tạo ra hiệu ứng laser, cần có một môi trường đặc biệt nơi hiện tượng phát xạ cưỡng bức mạnh hơn hiện tượng hấp thụ Điều này chỉ xảy ra khi số điện tử ở mức kích thích (n2) lớn hơn số điện tử ở mức cơ bản (n1) Môi trường này, được gọi là môi trường đảo ngược độ tích luỹ, là thành phần cơ bản của mọi máy laser và được biết đến với tên gọi hoạt chất laser.
* Nguồn kích thích (nguồn nuôi, bơm năng lượng):
Mỗi loại laser đều cần một nguồn nuôi cung cấp năng lượng, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho hoạt chất của laser Nhờ vào nguồn năng lượng này, các hoạt chất có thể hoạt động hiệu quả hơn.
Cấu trúc điển hình của laser bao gồm quá trình hình thành tia laser, trong đó điện tử được kích thích và duy trì trạng thái đảo ngược độ tích luỹ trong hoạt chất của laser Nguồn bơm năng lượng có thể là bộ phận phát sáng như đèn Xênôn cho laser Rubi, máy phát tần số cao cho laser khí, hoặc dòng điện có mật độ lên tới hàng ngàn A/cm² cho laser bán dẫn.
- Buồng cộng hưởng có chức năng tăng cường sự khuyếch đại ánh sáng bằng cách làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần qua hoạt chất
Buồng cộng hưởng có cấu trúc hình dạng đa dạng, với loại đơn giản nhất bao gồm hai gương đối diện, cho phép trục quang học trùng nhau ở hai đầu buồng quang học Cấu trúc này giúp chùm ánh sáng tương tác với hoạt chất nhiều lần trước khi đạt trạng thái ổn định, từ đó phát ra tia laser qua gương bán mờ với tỷ lệ phản xạ 70%.
Buồng cộng hưởng trong laser chỉ cho phép ánh sáng có bước sóng λ thỏa mãn điều kiện λ = 2L/m, với L là độ dài giữa hai gương và m là số tự nhiên, dẫn đến tính đơn sắc của laser đạt tới 98%.
16.4.3.2 S ơ đồ m ứ c n ă ng l ượ ng và nguyên lý ho ạ t độ ng
* Tập hợp những đường ngang dưới đây là sơ đồ mức năng lượng và việc tạo thành tia laser:
Hình 16.21 Sơ đồ mức năng lượng tạo tia laser
- E 1 , E 2 , E 3 , E 4 … là các mức năng lượng có thể của các hạt tạo nên môi trường hoạt động (môi trường laser)
- Sự chuyển E4 → E3 → E2 không kèm theo phát quang, theo xu thế các hạt muốn chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp
- Bước chuyển E 2 → E 1 là bước chuyển phát tia laser
- Bước chuyển từ E 1 → E 2 , E 3 , E 4 thực hiện được là do quá trình cung cấp năng lượng kích thích môi trường laser (bơm năng lượng)
Tia phóng xạ
Bức xạ ion hoá là hiện tượng mà môi trường vật chất phát ra ion âm, ion dương và điện tử tự do Hiện tượng này xảy ra do sự tương tác giữa các nguyên tử và phân tử trong môi trường với các nguồn chiếu xạ có năng lượng cao, dẫn đến việc tạo ra các hạt mang điện.
- Nguồn gây ra bức xạ ion hoá có thể có sẵn trong tự nhiên (bức xạ tự nhiên) hoặc do con người tạo ra (bức xạ nhân tạo)
Trong y sinh học, người ta quan tâm đến hai loại nguồn bức xạ:
Bức xạ ion hoá có thể gây nên những tác động ảnh hưởng đến cấu trúc, chức năng sinh lý của các cơ thể sống
Hiện tượng phóng xạ là quá trình tự biến đổi của hạt nhân nguyên tử, trong đó nguyên tử phân rã để chuyển đổi thành hạt nhân của nguyên tố khác hoặc chuyển từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp hơn Trong quá trình này, hạt nhân phát ra tia phóng xạ, hay còn gọi là bức xạ hạt nhân, với năng lượng cao.
17.1.1.2 Các d ạ ng phân rã phóng x ạ th ườ ng g ặ p
Phân rã bêta âm (negatron β -) là hiện tượng mà một số nguyên tố hóa học có số nơtron vượt trội hơn số proton trong hạt nhân có thể biến đổi một nơtron thành proton Quá trình này đi kèm với sự phát ra của một hạt electron, được gọi là hạt β -.
Sơđồ phân rã negatron (β - ) Sơđồ phân rã phóng xạ của P 32
Phương trình biến đổi của phân rã β - :
Bản chất của phân rã này là: n →p + β - + Q (17.2)
Bức xạ β - dẫn đến tăng điện tích hạt nhân lên một đơn vị nhưng không làm thay đổi số khối của nó
* Phân rã bêta d ươ ng (Pozitron β )
Dưới những điều kiện nhất định, một số nguyên tố hóa học với số proton nhiều hơn số neutron có thể biến đổi một proton thành một neutron, đồng thời phát ra hạt pozitron (β +) Hạt pozitron này có khối lượng tương đương với điện tử nhưng mang điện tích trái dấu, do đó được gọi là điện tử dương.
Sơđồ phân rã β + Sơđồ phân rã N 13
Phương trình biến đổi phân rã β + :
Bản chất của phân rã này là: p → n + β + + Q (17.4)
Bức xạ β + dẫn đến việc giảm điện tích hạt nhân đi một đơn vị nhưng không làm thay đổi số khối của nó
Phân rã alpha chỉ xảy ra ở các hạt nhân của nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn, trong đó hạt nhân phát ra hạt alpha, chính là hạt nhân của nguyên tử heli Quá trình này dẫn đến sự giảm đáng kể về khối lượng và điện tích của hạt nhân, với khối lượng giảm 4 và điện tích giảm 2.
Sơđồ phân rã α Sơđồ phân rã α của 88 Ra 226
Phương trình biến đổi của phân rã α:
Quá trình phân rã hạt nhân ZX A tạo ra các hạt anpha Z-2 Y A-4 và 2 He 4, kèm theo năng lượng Q là 17.5 Các hạt anpha phát ra từ cùng một loại phân rã của cùng một loại hạt nhân đều có năng lượng giống nhau, thể hiện đặc điểm đơn năng của chùm tia anpha.
Khi hạt nhân chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cơ bản hoặc về trạng thái bị kích thích với mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ phát ra tia gamma Tia gamma là sóng điện từ với bước sóng cực ngắn, do đó quá trình phát xạ tia gamma không làm thay đổi thành phần cấu tạo của hạt nhân, mà chỉ thay đổi trạng thái năng lượng của nó.
Sơđồ phân rã phóng xạ của Co và Th
27Co 60 (5,2 năm) 90Th 228 (1,9 năm) β - (0,31 MeV) α 1
Hầu hết các hạt nhân mới hình thành sau các quá trình phân rã β ± và α đều ở trạng thái kích thích, dẫn đến việc phát ra tia gamma Khi xảy ra hiện tượng phóng xạ ở một hạt nhân, nó có thể trải qua nhiều lần biến đổi, do đó có khả năng phát ra nhiều tia phóng xạ khác nhau.
Tia phóng xạ là các tia phát ra từ hạt nhân bị biến đổi phóng xạ, mang năng lượng cao Chúng có thể là các hạt vi mô tích điện như tia β ± hoặc α, hoặc là lượng tử năng lượng cao dưới dạng sóng điện từ với bước sóng cực ngắn như tia gamma.
17.1.1.3 Quy lu ậ t phân rã phóng x ạ
Trong một nguồn phóng xạ số hạt nhân có tính phóng xạ sẽ giảm dần theo thời gian Số hạt nhân có tính phóng xạở thời điểm t là:
N = No e -λ.t (17.6) Trong đó: N = số nhân phóng xạở thời điểm t
N0 = số nhân phóng xạ ở thời điểm ban đầu λ = hằng số phân rã; t = thời gian
Người ta còn dùng một số đại lượng khác để biểu diễn quy luật phân rã phóng xạ, như:
Chu kỳ bán rã, ký hiệu là T 1/2, là khoảng thời gian cần thiết để số lượng hạt nhân phóng xạ của một nguồn giảm xuống còn một nửa so với giá trị ban đầu.
Thời gian bán rã của một nguồn phóng xạ chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân của nguồn đó Chẳng hạn, thời gian bán rã (T1/2) của I-131 là 8,04 ngày, của Co-60 là 5,26 năm, và của Tc-99m là 6,04 giờ.
Tốc độ phân rã phóng xạ, hay còn gọi là hoạt độ phóng xạ, được định nghĩa bằng khái niệm hoạt độ (activity), ký hiệu là A, với công thức A = λN Đơn vị đo hoạt độ bao gồm curie (Ci), millicurie (mCi), microcurie (μCi) và theo hệ đơn vị quốc tế (SI) là becquerel (Bq) Do đơn vị Bq rất nhỏ, nên thường sử dụng kilobecquerel (kBq) và megabecquerel (MBq) để dễ dàng hơn trong việc đo lường.
1Ci=3,7x10 10 phân rã /giây; 1mCi=3,7x10 7 phân rã /giây
1μCi =3,7x10 4 phân rã /giây; 1Bq=1phân rã /giây
Cần lưu ý rằng A không chỉ đơn thuần là số tia phóng xạ phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian, mà một hạt nhân phân rã có thể phát ra nhiều tia phóng xạ cùng lúc.
Mật độ bức xạ tại một điểm trong không gian được xác định là số lượng tia phóng xạ đi qua một đơn vị diện tích vuông góc với hướng truyền của tia tại điểm đó trong một khoảng thời gian nhất định.
Giả sử một nguồn phóng xạ phát ra n tia phóng xạ mỗi đơn vị thời gian và được coi là nguồn điểm Do các tia phát ra theo mọi hướng, mật độ tia phóng xạ tại một điểm cách nguồn một khoảng R sẽ được xác định dựa trên khoảng cách này.
Ta thấy ngay là mật độ bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tới nguồn
Tác d ụ ng sinh h ọ c c ủ a b ứ c x ạ ion hoá
17.2.1 Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống
Năng lượng từ bức xạ trực tiếp cung cấp cho các phân tử cấu tạo nên tổ chức sống, chủ yếu là các đại phân tử hữu cơ Năng lượng này tạo ra những tác động quan trọng đến sự sống.
+ Các quá trình kích thích và ion hoá các nguyên tử, phân tử
+ Các phản ứng hoá học xảy ra giữa các phân tử mới tạo thành sau khi bị kích thích hoặc ion hoá
Hậu quả của việc tổn thương các phân tử hữu cơ quan trọng trong tổ chức sống dẫn đến nhiều tác dụng sinh học tiêu cực, bao gồm tổn thương chức năng hoạt động, gây ra đột biến gen và hủy diệt tế bào.
Các quá trình kích thích và ion hoá nguyên tử, phân tử, cùng với các phản ứng hóa học giữa các phân tử, gây ra tổn thương ban đầu và có khả năng lan truyền ra các phân tử xung quanh.
17.2.1.2 C ơ ch ế tác d ụ ng gián ti ế p
Bức xạ ion hoá tác động lên phân tử nước, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm hóa học mới như ion dương và âm (H2O-, H2O+, H+, OH-) cùng với các phân tử ở trạng thái kích thích (H2O*, H*, OH*, HO2*).
Các sản phẩm mới này sẽ gây nên các phản ứng hoá học với các phân tử hữu cơ của tổ chức sinh học và làm biến đổi chúng
Năng lượng của chùm tia tác động lên các phân tử hữu cơ trong tổ chức sống, thông qua phân tử nước có mặt trong đó.
Cả cơ chế tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp đều có giá trị quan trọng trong các quá trình phóng xạ sinh học Tùy thuộc vào môi trường và điều kiện, một trong hai cơ chế có thể đóng vai trò lớn hơn Hai cơ chế này hỗ trợ lẫn nhau, giúp chúng ta hiểu sâu sắc hơn về bản chất của hiện tượng phóng xạ sinh học.
17.2.2 Tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống
Bức xạ ion hóa tác động lên các sinh vật sống gây ra tổn thương và rối loạn chức năng sinh lý Độ nhạy cảm của các cơ thể sống đối với bức xạ ion hóa và khả năng phục hồi sau khi bị chiếu xạ có sự khác biệt rõ rệt.
Tổn thương sớm thường xảy ra khi cơ thể tiếp xúc với liều cao trong thời gian ngắn Những biểu hiện của tổn thương này có thể thấy ở một số cơ quan khác nhau.
Với liều chiếu rất cao gây chết ngay trong vài phút hay vài giờ sau chiếu xạ chủ yếu do các rối loạn của hệ thần kinh trung ương
-Máu và cơ quan tạo máu
Mô lympho và tuỷ xương rất nhạy cảm với bức xạ, và sau khi chiếu xạ liều cao, chúng có thể ngừng hoạt động, dẫn đến giảm nhanh chóng số lượng tế bào trong máu ngoại vi Mức độ tổn thương và thời gian kéo dài phụ thuộc vào liều chiếu và thời gian chiếu Các triệu chứng lâm sàng bao gồm xuất huyết, phù và thiếu máu Xét nghiệm máu cho thấy sự giảm sút số lượng limpho, bạch cầu hạt, tiểu cầu và hồng cầu, trong khi xét nghiệm tuỷ xương cho thấy giảm sinh sản ở cả ba dòng tế bào, với dòng hồng cầu bị ảnh hưởng đầu tiên.
Chiếu xạ liều cao gây tổn thương niêm mạc ống vị tràng, ảnh hưởng đến khả năng tiết dịch của các tuyến tiêu hóa, dẫn đến các triệu chứng như tiêu chảy, sút cân, nhiễm độc máu và giảm sức đề kháng Những thay đổi trong hệ thống tiêu hóa có thể quyết định hậu quả của bệnh phóng xạ.
Sau khi chiếu xạ liều cao, da thường xuất hiện các triệu chứng như ban đỏ, viêm da và xạm màu Những tổn thương này có thể tiến triển thành viêm loét, thoái hóa, hoại tử da, hoặc thậm chí dẫn đến sự hình thành các khối u ác tính trên da.
Các tuyến sinh dục rất nhạy cảm với bức xạ, trong đó cơ quan sinh dục nam nhạy cảm hơn so với cơ quan sinh dục nữ Liều bức xạ 1Gy có thể gây ra vô sinh tạm thời ở nam giới, trong khi liều 6Gy có khả năng gây vô sinh lâu dài cho cả nam và nữ.
- Sự phát triển ở phôi thai
Trong quá trình mang thai, việc người mẹ bị chiếu xạ, đặc biệt ở giai đoạn đầu, có thể gây ra nhiều bất thường trong sự phát triển của phôi thai và thai nhi Những tác động này có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như xẩy thai, thai chết lưu, hoặc sinh ra trẻ với dị tật bẩm sinh.
Hiệu ứng muộn thường xuất hiện ở những người tiếp xúc với mức độ phóng xạ thấp và kéo dài, đặc biệt là trong các nghề liên quan đến phóng xạ Các hiệu ứng này được chia thành hai loại chính.
Hiệu ứng sinh thể có thể dẫn đến giảm tuổi thọ và tăng nguy cơ mắc các bệnh như đục thủy tinh thể Ngoài ra, tần suất xuất hiện các loại ung thư cũng cao hơn bình thường, với các loại ung thư phổ biến bao gồm ung thư máu, ung thư xương, ung thư da và ung thư phổi.
- Hiệu ứng di truyền: tăng tần số xuất hiện các đột biến về di truyền, dị tật bẩm sinh, quái thai
17.2.3 Tác dụng của bức xạ ion hóa lên tế bào
Dưới tác dụng của Bức xạ ion hoá, tế bào có thể lâm vào tình trạng:
- Chết do tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất
- Ngừng phân chia do tổn thương chất liệu di truyền
- Tế bào không phân chia được nhưng số nhiễm sắc thể vẫn tăng lên gấp đôi và trở thành tế bào khổng lồ
- Tế bào vẫn phân chia thành hai tế bào mới nhưng có sự rối loạn trong cơ chế di truyền
Trong tế bào, những thành phần nhạy cảm nhất với bức xạ ion hoá là Màng, ty lạp thể và lưới nội nguyên sinh
Ứ ng d ụ ng c ủ a tia phóng x ạ trong y h ọ c và an toàn phóng x ạ
17.3.1 Ứng dụng của tia phóng xạ trong chẩn đoán
Cơ sở của nghiên cứu này dựa trên phương pháp nguyên tử đánh dấu, khai thác sự khác biệt trong khả năng hấp thụ bức xạ giữa các tế bào và mô, cũng như giữa mô lành và mô bệnh.
Khi lựa chọn đồng vị phóng xạ, cần ưu tiên các loại có độc tính phóng xạ thấp và dễ dàng được phát hiện bằng máy đo xạ Thời gian bán rã của các đồng vị này không nên quá ngắn hoặc quá dài, đồng thời khả năng thải trừ khỏi cơ thể cũng phải diễn ra trong thời gian hợp lý.
P32 có thời gian bán hủy T = 14,5 ngày và phát tia β với năng lượng 1,7 MeV Nó được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị các bệnh về máu, cũng như để giảm đau do di căn ung thư xương.
I 131 có T= 8,05 ngày, phát tia β có năng lượng 0,2 MeV và tia γ có năng lượng 0,008; 0,282; 363; 0,637 MeV Dùng để chẩn đoán chức năng tuyến giáp, chức năng thận, hấp thụởđường tiêu hoá
- Phân loại: phương pháp chẩn đoán bằng đồng vị phóng xạđược phân thành
+ Chẩn đoán trên toàn bộ cơ thể bệnh nhân (in vivo)
+ Chẩn đoán bằng các dịch thể sinh vật như nước tiểu, máu hay tổ chức tế bào (in vitro)
- Các phương pháp chẩn đoán: dựa theo tính chất kỹ thuật và phương tiện nghiên cứu người ta chia thành 4 phương pháp sau:
Xạ kế trên ống nghiệm là phương pháp xác định độ phóng xạ của các mẫu (xạ kế in vitro) bằng cách đưa đồng vị phóng xạ vào cơ thể Sau đó, các mẫu như máu, nước tiểu và dịch thể sinh vật được lấy ra để phân tích Tùy thuộc vào trang thiết bị, có thể đo toàn bộ khối lượng dịch thể hoặc chỉ một phần nhỏ, từ đó tính toán độ phóng xạ tổng thể, ví dụ như xác định lượng máu lưu hành trong cơ thể.
Xạ kế lâm sàng là phương pháp theo dõi sự tích tụ chất phóng xạ trong các cơ quan của cơ thể, như đo độ tập trung Iode tại tuyến giáp hoặc mức độ hấp thụ Na ở các mô Phương pháp này thường được áp dụng khi cần đo xạ một lần hoặc nhiều lần với khoảng thời gian nhất định Giá trị đo được thể hiện bằng tỷ lệ phần trăm so với tổng lượng chất phóng xạ đã đưa vào hoặc so với mức độ phóng xạ ở khu vực lành để đối chứng.
Xạ ký lâm sàng là phương pháp sử dụng bộ đếm xung thay cho bộ tự ghi sau khối khuyếch đại, cho phép biểu diễn kết quả hoạt tính phóng xạ dưới dạng đường cong liên tục theo thời gian Kỹ thuật này được áp dụng trong các lĩnh vực như xạ thận đồ, xạ tâm đồ và xạ não đồ.
Xạ hình là phương pháp ghi lại hình ảnh phân bố phóng xạ trong các cơ quan nội tạng bằng cách đo hoạt độ phóng xạ từ bên ngoài cơ thể Quy trình thực hiện xạ hình bao gồm hai bước chính.
Để nghiên cứu hiệu quả, cần đưa dược chất phóng xạ (DCPX) vào các mô, cơ quan mục tiêu và đảm bảo rằng DCPX được tập trung tại đó trong một khoảng thời gian đủ dài.
- Sự phân bố trong không gian của DCPX sẽ được ghi thành hình ảnh Hình ảnh này được gọi là xạ hình đồ, ghi hình nhấp nháy
Xạ hình không chỉ đơn thuần là phương pháp chẩn đoán hình ảnh mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về chức năng của các cơ quan và phủ tạng, cũng như đánh giá các biến đổi bệnh lý khác.
17.3.2 Ứng dụng của tia phóng xạ trong điều trị
Việc sử dụng đồng vị phóng xạ trong điều trị dựa trên hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa đối với cơ thể sống Các loại tế bào và mô có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau, trong đó tế bào ung thư, do đang phát triển mạnh, rất nhạy cảm với tia xạ Khi chiếu một liều bức xạ nhất định, mô ung thư có thể bị tiêu diệt trong khi mô bình thường không bị ảnh hưởng nghiêm trọng Đây chính là nguyên tắc cơ bản của điều trị bằng tia phóng xạ.
- Các phương pháp điều trị:
Điều trị chiếu ngoài sử dụng máy phát tia γ cứng và các máy gia tốc để tiêu diệt tổ chức bệnh, chủ yếu trong điều trị ung thư Mục tiêu của phương pháp này là cung cấp liều xạ mạnh nhằm tiêu diệt tế bào ung thư mà không gây tổn hại cho tế bào lành Để đạt được điều này, cần chiếu phân đoạn với nhiều liều nhỏ và từ nhiều hướng khác nhau.
Tia Gamma từ nguồn Co 60 và tia X từ máy gia tốc vòng được ứng dụng rộng rãi trong điều trị nhiều loại ung thư, bao gồm ung thư vòm họng, ung thư vú và ung thư bàng quang.
Điều trị áp sát là phương pháp sử dụng dao Gamma để điều trị các bệnh máu và tổ chức ngoài da như u máu nông Kỹ thuật này áp dụng tấm áp P 32, đưa nguồn phát xạ tới gần vị trí cần chiếu qua hệ thống ống dẫn, được gọi là phương pháp điều trị áp sát nạp nguồn sau.
Điều trị áp sát là phương pháp hiệu quả trong việc điều trị nhiều loại ung thư, đặc biệt là ung thư ở các hốc tự nhiên của cơ thể như ung thư trực tràng và ung thư cổ tử cung.
+ Điều trị chiếu trong (điều trị bằng nguồn hở)
Phương pháp này dựa trên định đề Henvesy (1934), cho rằng cơ thể sống không phân biệt các đồng vị của cùng một nguyên tố Khi các đồng vị này được đưa vào cơ thể, chúng tham gia vào các phản ứng sinh học và có số phận chuyển hoá giống nhau Do đó, nếu biết một nguyên tố hóa học hoặc chất nào đó tham gia vào quá trình chuyển hoá tại một tổ chức hoặc cơ quan cụ thể, thuốc phóng xạ sẽ tập trung tại tổ chức bệnh và phát huy tác dụng điều trị.
- Điều trị các bệnh lý tuyến giáp trạng (Basedow, ung thư, ) bằng I-131
Hi ệ n t ượ ng b ứ c x ạ tia x và ứ ng d ụ ng trong y h ọ c
Vào năm 1895, nhà bác học người Đức Wilhelm Röntgen đã phát hiện ra tia X trong quá trình nghiên cứu sự phóng điện trong khí kém Tia này có khả năng xuyên thấu qua các lớp vật chất mỏng và làm đen kính ảnh, trong khi mắt người không thể nhận biết được Ban đầu, do chưa hiểu rõ bản chất của tia, Röntgen đã đặt tên cho nó là tia X Để ghi nhớ công lao của ông, ngày nay, tia này được gọi là tia Röntgen.
Quá trình nghiên cứu của Rơnghen cho thấy rằng tia X được phát ra từ vật rắn khi bị bắn phá bởi chùm electron có năng lượng lớn Tia X có bản chất là sóng điện từ với bước sóng nằm trong khoảng từ 10^-12 đến 10^-8 mét.
Các nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra rằng, ngoài tính chất sóng, ánh sáng tia X còn thể hiện tính chất hạt thông qua các quá trình tương tác với vật chất.
Tia X là một loại ánh sáng có hai thuộc tính chính là sóng và hạt, thuộc bản chất sóng điện từ với bước sóng dao động trong khoảng từ 10^-12 đến 10^-8 mét.
Có 2 loại bóng phát tia X:
- Bóng khí kém (Crooker) hay ion điện tử: Điện tử phát sinh do một số ion của khí còn lại trong bóng đánh vào âm cực
Như vậy bóng này khi nào cũng phải có một ít khí, nếu khí còn quá ít bóng sẽ không sử dụng được
Hạn chế của bóng này là cường độ của bóng thấp và khi hết khí người ta phải bơm khí vào
Bóng chân không (Cooligde) hay bóng âm cực cháy đỏ là nguồn phát điện tử khi âm cực được đốt nóng ở nhiệt độ cao Nhiệt độ cao tại âm cực tạo ra nhiều điện tử hơn, dẫn đến cường độ chùm tia X lớn hơn Khi điện thế giữa hai cực tăng, tốc độ điện tử cũng tăng, làm giảm bước sóng và tăng độ đâm xuyên của chùm tia X Nhờ khả năng điều chỉnh cường độ và độ đâm xuyên dễ dàng, bóng chân không hiện nay được sử dụng phổ biến trong tất cả các máy X quang y tế.
Gồm 4 bộ phận chính như sau:
- Là một bóng thuỷ tinh đã rút gần hết không khí, trong bóng có:
+ Katot (K): là một sợi dây
Vonfram sẽ được đốt nóng bằng dòng điện hạ thế có I= 3-5A, khi Katot nóng ≥
2000 0 C thì sẽ trở thành nguồn phát nhiệt điện tử
Anot (A) là một tấm kim loại, thường được làm từ Tungsten, nổi bật với nhiệt độ nóng chảy cao Vai trò chính của anot là kìm hãm các điện tử đã được gia tốc từ Katot bắn sang, giúp duy trì hiệu suất hoạt động trong các thiết bị điện tử.
- Bóng phát tia X được đựng trong một vỏ bằng chì, chỉ có một “cửa sổ’’ để cho chùm tia X cần dùng đi qua
Nguồn điện là một máy biến thế gồm 2 phần:
+ Cuộn sơ cấp: nối vào điện lưới 220v
Cuộn thứ cấp bao gồm hai cuộn: một cuộn tạo ra điện thế khoảng 6V để đốt nóng Katot, và một cuộn tăng thế có điện áp lớn hơn 100kV, có thể lên đến 300kV, tác động lên Anot và Katot.
* Các thiết bị điều khiển điện thế và cường độ dòng điện
+ K1: điều chỉnh cường độ dòng điện đốt nóng Katot
+ K 2 : điều chỉnh điện áp tác dụng vào Anot và Katot
* Bộ phận lọc và định hướng tia X
+ Được làm bằng một tấm kim loại pha chì gắn vào bóng X quang, phía trước cửa sổ có tia X phát ra
+ Tác dụng: để có chùm tia X tương đối đơn sắc Tia X càng đơn sắc, khi chiếu chụp thì hình ảnh càng rõ nét hơn
- Bộ phận định hướng tia X:
+ Được làm bằng những ống kim loại có hình trụ hoặc hình nón, thường được kết hợp với bộ phận lọc tia X đặt trong một hộp trước bóng X quang
+ Tác dụng: khu trú, hướng chùm tia X vào đúng bộ phận cần chụp và giảm diện tích của cơ thể bị chiếu
Chùm tia X phát ra từ Anot của bóng phát tia X theo hai cơ chế: phát bức xạ hãm và bức xạđặc trưng
Bức xạ hãm xảy ra khi một chùm electron có động năng lớn va chạm với Anot Dưới tác động của trường giữa hạt nhân và lớp vỏ electron của nguyên tử tại Anot, các electron bị làm chậm lại, dẫn đến việc chúng mất một phần năng lượng Phần năng lượng này được phát ra dưới dạng sóng điện từ, tạo thành tia X hãm.
Tia X đặc trưng được hình thành khi các electron có động năng lớn từ Catot xuyên sâu vào vỏ nguyên tử, làm bật các electron từ các lớp bên trong Khi các electron ở mức năng lượng cao hơn nhảy về vị trí trống, năng lượng dư thừa được phát ra dưới dạng sóng điện từ, tạo ra tia X đặc trưng.
- Tia X có đầy đủ tính chất của ánh sáng như truyền thẳng, phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ và giao thoa
- Tia X có cường độ lớn do đó có khả năng đâm xuyên qua môi trường vật chất
- Tia X có khả năng ion hoá các chất khí
- Tia X có khả năng gây phát quang một số muối
Ví dụ: muối NaCl, KCl, Platino cyanua Bari…vì vậy các muối này được sử dụng trong việc chế tạo màn huỳnh quang, bìa tăng quang
- Tia X có khả năng gây ra các phản ứng hỗn hợp làm biến màu một số muối
Ví dụ muối bạc (màu trắng) dưới tác dụng của tia X chuyển thành màu đen Người ta sử dụng tính chất này làm phim chụp
18.1.4 Ứng dụng của tia X trong y học
* Có 2 ph ươ ng pháp:
Chiếu X quang là phương pháp giúp hiển thị hình ảnh tổ chức trên màn huỳnh quang Trong quá trình này, nhân viên X quang sẽ ngồi sau màn hình để quan sát hình ảnh các phủ tạng của bệnh nhân Để đạt được kết quả chính xác, hình ảnh cần được duy trì liên tục trong khoảng 30 giây hoặc lâu hơn.
Hiện nay, việc sử dụng màn tăng sáng giúp tăng cường độ sắc nét của hình ảnh, giảm liều chiếu xạ cho bệnh nhân và nhân viên y tế Đặc biệt, với công nghệ này, cán bộ X quang có thể ngồi ở một phòng khác, được bảo vệ tốt, nhưng vẫn có thể chẩn đoán chính xác thông qua hình ảnh truyền qua máy thu hình.
- Chụp X quang: hình ảnh của tổ chức được phản ánh trên phim X quang
Thường có 2 phương pháp được ứng dụng trên lâm sàng: Chụp X quang thường và chụp cắt lớp vi tính (CT scanner)
Chụp X-quang thường cung cấp hình ảnh các bộ phận cơ thể một cách đơn giản, nhưng có thể bị chồng lấp, dẫn đến việc không thể thấy rõ kích thước, chiều sâu và độ lớn của các tổn thương Phương pháp này thường được sử dụng để phát hiện các tổn thương xương và tổ chức cản quang trong cơ thể.
Một nguồn X quang chiếu qua cơ thể bệnh nhân tới hệ thống đầu dò định hướng, được quay xung quanh cơ thể Phương pháp này tạo ra hình ảnh cắt lớp, giúp làm rõ các chi tiết mà chụp X quang thông thường không thể hiện rõ, từ đó phát hiện các khối u nằm sâu bên trong.
* Nguyên t ắ c t ạ o hình ả nh: trên màn huỳnh quang và trên phim được trình bày qua mô hình sau:
Trong đó: (1) là máy phát tia X
(2) là bộ phận cần chụp chiếu
(3) là bộ phận hiện hình ảnh
- Chùm tia X do máy (1) phát ra xuyên qua một bộ phận của người bệnh (2) sẽđập vào màn chắn (3) (màn huỳnh quang hoặc tấm phim)
Khi chùm tia X đi qua tổ chức, hiện tượng hấp thụ không đồng đều xảy ra, dẫn đến việc các điểm khác nhau trên màn chắn bị ảnh hưởng bởi chùm tia X với cường độ khác nhau Kết quả là tạo ra những vùng sáng tối khác nhau trên màn chắn.
- Ngoài ra, trong kỹ thuật X quang người ta còn sử dụng các chất tăng quang và cản quang để làm tăng hiệu quả của hình ảnh thu được
Từ nguyên tắc trên ta thấy:
+ Trong chiếu X quang: khối (3) là màn huỳnh quang thì vùng nào hấp thụ nhiều tia X ảnh vùng đó sẽ tối; cụ thể xương, tim đen hơn vùng phổi, cơ
Trong chụp X-quang, khối (3) là tấm phim được kẹp giữa hai màn tăng quang trong một hộp dẹt gọi là Cát-xét Trên phim X-quang, các vùng hấp thụ nhiều tia X như xương và tim sẽ hiển thị màu trắng, trong khi các vùng hấp thụ ít tia X như phổi và cơ sẽ có màu đen.
Tia X được ứng dụng chủ yếu trong điều trị những bệnh nhân bị ung thư
Dựa vào tác dụng sinh vật của tia X có khả năng diệt bào mà người ta áp dụng vào một phương pháp điều trị có tên: Xạ trị
K ỹ thu ậ t ch ụ p c ắ t l ớ p vi tính và ứ ng d ụ ng
18.2.1 Đại cương về kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính
Máy chụp cắt lớp vi tính (Computer Tomography Scanner) do nhà vật lý người Mĩ A.M Cormark và kỹ sư người Anh G.M Hounsfield phát minh năm
1971 Đến năm 1979 phát minh của 2 ông được nhận giải Nobel về y học
Hình chụp sọ não đầu tiên bằng kỹ thuật chụp cắt lớp được tiến hành năm
Vào năm 1971, tại một bệnh viện ở London, việc chụp và tính toán một quang ảnh mất khoảng 2 ngày Đến năm 1974, Ledley (Mỹ) đã hoàn thành việc chụp cắt lớp vi tính toàn thân đầu tiên với thời gian chỉ vài phút Hiện nay, nhiều máy chụp cắt lớp hiện đại có thể cung cấp một quang ảnh chỉ trong khoảng từ 1/10 đến 1/30 giây.
Máy chụp cắt lớp đầu tiên tại Việt Nam được lắp đặt vào tháng 2 năm 1991 tại Bệnh viện Hữu Nghị Việt Xô, Hà Nội Hiện nay, nhiều cơ sở y tế trên toàn quốc đã trang bị máy chụp cắt lớp, hỗ trợ các bác sĩ trong việc chẩn đoán bệnh hiệu quả hơn.
18.2.2 Nguyên lý tạo hình trong chụp cắt lớp
Phương pháp này nhằm làm rõ hình ảnh của một lớp mỏng trong cơ thể, trong khi các lớp khác sẽ bị làm mờ đi.
Hình bên trái bố trí thiết bị đứng yên, ta đứng nhìn bệnh nhân từ phía đầu bệnh nhân: S là nguồn phát tia
Trong thí dụ về bóng phát tia X, F đại diện cho hộp phim và BN là bệnh nhân S và F được kết nối vào hai đầu của một thanh kim loại PP, thanh này có khả năng quay quanh một trục.
B’, khi ấy S sẽ di chuyển sang trái (hoặc sang phải), còn hộp phim F sẽ di chuyển theo chiều ngược lại, khoảng cách h1 và h2 không đổi Bệnh nhân nằm yên
Trong hình 18.3, khi S bắt đầu phát tia, ở vị trí S 1 , lớp cắt cần chụp là lớp LL’, C nằm ngoài Hình ảnh tạo ra tương ứng là A 1 , B 1 , C 1 trên phim Khi nguồn S
Hình 18.3 di chuyển đến vị trí S2, các tia cho ta hình ảnh A2, B2, C2 nhưng bây giờ A2,B2 vẫn trên phim, đúng vị trí cũ A 1 , B 1 còn C 2 đi ra ngoài phim
Do ΔS1AB - ΔS1A1B1 và ΔS2AB - ΔS2A2B2 ta có:
Khi di chuyển từ S1 đến S2, hình ảnh AB của lớp cắt LL' luôn xuất hiện tại một vị trí cố định trên phim, trong khi các hình ảnh của các phần tử khác không nằm trên LL' sẽ di chuyển và tạo ra hình ảnh mờ nhạt ở nền phim Kết quả là, chúng ta thu được hình ảnh rõ nét của một lớp cắt trên phim.
18.2.3 Chụp cắt lớp dùng vi tính (CTS - Computer Tomography Scanner)
Trong máy CT Scanner, hộp phim X quang được thay thế bằng một hộp đầu dò có hàng vạn đầu dò nhỏ, mỗi đầu dò khi bị chiếu tia sẽ gửi tín hiệu điện về bộ xử lý Các đầu dò này có thể được thay thế bằng tinh thể nhấp nháy lỏng, mang lại độ nhạy cao Tín hiệu được khuyếch đại, lưu trữ và xử lý trong máy tính trước khi chuyển đến phần hiện hình Để tạo hình cắt lớp rõ nét, phần mềm máy vi tính thu thập dữ liệu từ các mô hình người với các giả định khác nhau như khối u ở dạ dày hay não Nhờ vào việc xử lý hình ảnh, máy CT cho phép quan sát các lớp cắt ngang và dọc, giúp phát hiện những bất thường trong cơ thể mà phương pháp X quang thông thường không thể nhìn thấy Bộ nhớ máy tính cũng hỗ trợ bác sĩ trong việc tái hiện lại các hình ảnh cần khảo sát.
* Đặ c đ i ể m hình ả nh trong k ỹ thu ậ t ch ụ p c ắ t l ớ p vi tính:
Máy chụp cắt lớp vi tính (CT) có khả năng phân biệt chính xác các tổ chức với tỷ trọng khác nhau, cho phép nhận diện rõ ràng các thành phần trong não như chất trắng, chất xám, buồng não thất, khối u, ổ apxe và ổ chảy máu, điều mà phim X-quang thông thường không thể thực hiện được.
Khi mở cửa sổ tối đa, xương hiển thị màu trắng, không khí màu đen, và nước màu xám, tạo ra độ tương phản tốt giữa các hình ảnh của CTS, giúp việc phân tích trở nên dễ dàng hơn.
Máy X-quang thường quy lưu trữ toàn bộ thông tin trên phim, trong khi máy chụp CT (CT Scanner) lưu trữ thông tin trong bộ nhớ Người điều khiển có thể lựa chọn hình ảnh phù hợp để phục vụ cho chẩn đoán Khi cần thiết, bác sĩ có khả năng tái hiện hình ảnh của các bộ phận đã chụp của bệnh nhân để phục vụ cho quá trình điều trị.
- Giống trong Xquang, đôi khi trong CTS bệnh nhân còn được uống hoặc tiêm thuốc cản quang để làm nổi bật sựđối quang
18.2.4 An toàn bức xạ đối với tia X
* Giảm tối đa sự tiếp xúc với bức xạ:
- Trước khi tiến hành chụp chiếu, phải chắc chắn là các cửa phòng X quang đã được đóng kín
- Không để chùm tia X rọi vào các cửa sổ của phòng, hoặc trực tiếp rọi vào tường, trừ trường hợp đặc biệt
- Tất cả nhân viên khi làm việc nếu không đứng sau tấm chắn thì phải mặc áo bảo vệ và khi cần thiết phải đeo găng tay
Các thiết bị che chắn của máy X-quang cố định và X-quang cơ động cần được sắp xếp hợp lý để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong việc bảo vệ chống lại bức xạ khuếch tán.
Cán bộ nhân viên X quang cần mặc áo bảo vệ và đeo găng tay khi giữ bệnh nhân trong quá trình chiếu chụp Họ cũng nên đứng sang một bên để tránh bị tia X chiếu trực tiếp.
- Thiết bị X quang đã bị hư hỏng thì không được dùng, chỉ khi nào kiểm tra lại thấy đạt tiêu chuẩn mới được sử dụng
* Yêu cầu đặc biệt với máy X quang cơ động:
Khi máy X quang cơ động được đưa ra khỏi khoa X quang đến một buồng bệnh nào đó thì phải tuân theo những nguyên tắc sau đây:
- Phải kiểm tra hướng và kích cỡ của chùm tia X
- Phải thiết kế che chắn ngay tại nơi máy sẽ hoạt động
- Phải đảm bảo tia X không chiếu vào những bệnh nhân khác trong buồng bệnh (trực tiếp hoặc tán xạ)
- Người điều khiển máy phải cách xa nguồn bóng phát xạ tối thiểu 2 mét và phải mặc quần áo bảo vệ
* Chếđộ kiểm tra theo dõi:
Nhân viên cần đeo phim hoặc một thiết bị đo liều (bút đo, các thiết bị đo bằng nhiệt huỳnh quang ) trong tất cả thời gian làm việc
Khi sử dụng quần áo bảo vệ, thiết bị đo liều cần được đặt ở bên trong áo Nếu nhân viên phải thực hiện kiểm tra X quang, họ cần tháo thiết bị đo liều ra khỏi cơ thể.
Đối với nhiệt huỳnh quang, cần gửi về trung tâm để kiểm tra và đọc kết quả định kỳ Nếu sử dụng bút đo liều tự đọc, cần ghi chép số liệu hàng tháng và reset về số không để tiếp tục đo cho tháng tiếp theo.
X-quang mang lại nhiều lợi ích cho người bệnh, giúp họ hiểu rõ tình trạng bệnh tật trong cơ thể và xác định phương hướng điều trị phù hợp Điều này cho thấy, so với những rủi ro có thể xảy ra, lợi ích mà X-quang mang lại cho người bệnh vượt trội hơn rất nhiều.
Chỉ nên thực hiện chụp X-quang khi nó mang lại lợi ích hơn so với các phương pháp chẩn đoán khác Cần xem xét kỹ lưỡng sự cần thiết của X-quang, đặc biệt đối với trẻ em và phụ nữ mang thai, để đảm bảo an toàn cho sức khỏe.
+ Giảm thiểu sự tiếp xúc với phóng xạ:
- Nên dùng những biện pháp và kỹ thuật tốt nhất để hạn chế mức chiếu xạ cho bệnh nhân
- Nên chụp ít phim nhất Chụp với diện tích càng nhỏ càng tốt
+ Phải hướng chùm tia X vào đúng chỗ cần thiết: tránh chiếu vào ngực và bộ phận sinh dục
C ơ sở vật lý của ph−ơng pháp cộng h−ởng từ hạt nhân
19.1.1 Mô men từ hạt nhân
Hạt nhân nguyên tử bao gồm hai loại hạt chính: proton và neutron Proton là hạt mang điện tích dương, có giá trị điện tích tương đương với electron nhưng khối lượng lớn hơn khoảng hai nghìn lần Proton có thể được coi như một hạt mang điện dương đang quay, tạo ra mômen từ Ngược lại, neutron có spin và mômen từ, mặc dù nó không mang điện tích (là hạt trung hòa điện), nhưng khi quay vẫn tạo ra mômen từ.
Mômen từ của proton vμ của neutron có chênh lệch nhau chút ít, nh−ng rất nhỏ, vμo cỡ
10 -27 A.m 2 Hạt nhân có thể có nhiều proton vμ neutron, mômen từ của hạt nhân lμ tổng hợp
Mômen từ của hạt nhân, bao gồm các hạt proton và neutron, có sự đa dạng lớn: một số hạt nhân có mômen từ lớn, trong khi một số khác có mômen từ nhỏ hoặc thậm chí không có Thông thường, mômen từ của hạt nhân chỉ bằng khoảng phần nghìn so với mômen từ của vỏ electron trong nguyên tử Do đó, điều kiện để đạt được cộng hưởng từ hạt nhân rất khác biệt so với điều kiện cần thiết để có cộng hưởng từ electron.
Cộng hưởng từ có thể thực hiện đối với từng loại hạt nhân nguyên tử, trong đó hạt nhân của nguyên tử hiđro được chú ý đặc biệt trong cơ thể Hiđro là một trong hai nguyên tố cấu thành nước (H2O), và nước có mặt ở khắp nơi trong cơ thể Hơn nữa, hạt nhân của nguyên tử hiđro phát ra tín hiệu cộng hưởng từ rất mạnh.
Hạt nhân Số proton Số neutron
Hình 19.1 D−ới tác dụng của từ tr−ờng B → 0 mômen từ → μ thực hiện chuyển động Larmor
Hạt nhân của nguyên tử hiđro rất đơn giản: chỉ có một hạt proton, mômen từ của hạt nhân hiđrô chính lμ mômen từ của proton
19.1.2 Cộng h−ởng từ hạt nhân
Hạt nhân có mômen từ μ khi nằm trong từ trường B = 0 sẽ thực hiện chuyển động tuế sai, hay còn gọi là chuyển động Larmor Điều này có nghĩa là đầu mút của vectơ μ sẽ vạch nên những đường tròn quanh phương của B = 0.
19.2 biểu diễn: d−ới tác dụng của từ tr−ờng
B 0 mômen từ → μ thực hiện chuyển động
Larmor Đây lμ chuyển động tuần hoμn, tần số phụ thuộc vμo B → 0 vμ μ Trong tr−ờng hợp proton, tần số đó đ−ợc tính theo công thức
Nếu B 0 bằng 1T (Tesla), tần số Larmor của proton là 42,58 MHz, tương ứng với bước sóng 7 m Từ trường giữa hai cực của một nam châm vĩnh cửu mạnh chỉ đạt khoảng 0,2 T.
Hạt nhân trong từ trường B → 0 trở thành hệ dao động với tần số dao động riêng f 0 phụ thuộc vào B → 0 Khi chiếu sóng điện từ tần số rađiô thích hợp, biến thiên từ trường do sóng rađiô tạo ra có thể làm cho hạt nhân dao động cộng hưởng Hình 19.2 minh họa từ trường xoay chiều B → 1 vuông góc với Bo, quay quanh Bo với tần số góc ω B → 1 tác động lên mômen từ μ với lực tuần hoàn tần số góc ω, và khi ω = ω o, hiện tượng cộng hưởng xảy ra.
H×nh 19.2 Tõ tr−êng xoay chiÒu
B 1 vuông góc với Bo, quay quanh
Bo với tần số góc ω: B → 1 tác dụng lên mômen từ m lực tuần hoμn tần số góc ω, khi ω = ω o xảy ra hiện t−ợng cộng h−ởng
Cụ thể trong tr−ờng hợp từ tr−ờng
B 0 =1 , đầu mút của mômen từ của hạt nhân hiđro sẽ quay tròn với tần số
Khi chiếu sóng radio có bước sóng 7m (tần số 42,58 MHz) vào từ trường B, mômen từ của hạt nhân hydro sẽ quay với tần số tương tự nhưng biên độ lớn hơn Điều này dẫn đến mômen từ của proton nghiêng xa hơn so với phương của từ trường B, cụ thể là nghiêng nhiều về phương vuông góc với phương của B.
Trong thực tế, cộng hưởng từ không chỉ diễn ra với từng hạt nhân hydro riêng lẻ mà là với toàn bộ tập hợp hạt nhân hydro trong một thể tích nhất định, chẳng hạn như trong 1mm³ ở vỏ não Vì vậy, cần xem xét hiện tượng cộng hưởng từ trong mối quan hệ với toàn bộ tập hợp hạt nhân trong từ trường.
19.1.3 Mômen từ của tập hợp các hạt nhân trong một thể tích
Khi xem xét một tập hợp nam châm nhỏ trong một từ trường có hướng xác định, các nam châm sẽ xoay theo chiều của từ trường Mômen từ của các nam châm này sẽ song song và cùng chiều với từ trường.
Các hạt nhân là tập hợp các hạt vi mô tuân theo quy luật lượng tử Khi nằm trong từ trường, phần lớn hạt nhân có mômen từ quay song song với chiều của từ trường Tuy nhiên, cũng có những hạt nhân có mômen từ quay song song nhưng ngược chiều với từ trường, được gọi là mômen từ đối song.
Trong từ trường B → 0, nếu tổng cộng có N hạt nhân, sẽ có N1 hạt nhân có mômen từ song song và N2 hạt nhân có mômen từ đối song Cụ thể, trong từ trường Bo, N1 proton có mômen từ μ song song với từ trường, trong khi N2 proton có mômen từ μ đối song với từ trường kT.
, hình 19.3), N 1 luôn lớn hơn N 2 vμ tỉ số chênh lệch
N = 1 − 2 Δ có thể tính theo công thức gần đúng :
H×nh 19.3 Trong tõ tr−êng Bo, N 1 proton cã → μ song song víi tõ tr−êng,
N 2 proton có → μ đối song với từ trường kT
N μ 0 Δ ≈ với B → 0 lμ cường độ từ trường tác dụng, μ lμ mômen từ của hạt nhân, k lμ hằng số Boltzmann, T lμ nhiệt độ tuyệt đối
Tính ra, ở nhiệt độ phòng T = 25 ° C , khi B 0 = 1T đối với hạt nhân hiđrô, tỉ số
Nếu có N hạt nhân, trong đó N1 hạt nhân có mômen từ hướng song song với từ trường B và N2 hạt nhân có mômen từ theo chiều ngược lại, thì hai mômen từ này sẽ bù trừ cho nhau Kết quả là trong N hạt nhân, chỉ còn lại một phần mômen từ thực chất.
N = − Δ chiếm tỉ lệ cỡ một phần triệu lμ h−ớng theo chiều B → 0 Thật ra các mômen từ nμy đều có chuyển động
Larmor cho thấy rằng việc khử nhau từng cặp dẫn đến chỉ có ΔN hạt nhân đóng góp vào mômen từ M tổng cộng Từ các công thức đã tìm được, ta có thể xác định được giá trị kT.
Khi nghiên cứu chuyển động Larmor trong từ trường B → 0 của N hạt nhân trong thể tích V của vật chất, chẳng hạn như vỏ não, chúng ta chỉ tập trung vào mômen từ M tổng cộng.
19.1.4 Cộng h−ởng từ trong một thể tích có nhiều hạt nhân vμ những hiện t−ợng liên quan
Ta xét một thể tích có N hạt nhân, mômen từ của mỗi hạt nhân lμ → μ vμ từ tr−ờng ngoμi tác dụng lμ B → 0
Ta đã thấy trong N hạt nhân có
N 1 hạt nhân có mômen từ song song
Hình 19.4 Phân tích vectơ → μ thμnh
Khi tắt sóng rađiô, đầu mút của vectơ từ hoá M vạch nên đường xoắn ốc nhỏ dần với B → 0 N 2 hạt nhân có mômen từ đối song song với B → 0, về mặt từ tính, chúng khử nhau từng đôi một, chỉ còn lại N 1 − N 2 = ΔN ~ 10 − 6 hạt nhân có đóng góp vào mômen từ tổng cộng Các mômen từ không hoàn toàn song song với từ trường ngoài, chúng đảo rất nhanh quanh phương từ trường nhưng góc nghiêng rất nhỏ Phân tích mômen từ → μ của hạt nhân thành hai vectơ: một vectơ song song với B → 0 (ký hiệu là μ → //) và một vectơ vuông góc với B → 0 (ký hiệu là μ → ⊥).
B 0, có thể xem có ΔN hạt nhân có mômen từ hướng về B → 0 vμ đảo quanh B → 0
C hụp ảnh cắt lớp cộng h−ởng từ hạt nhân
Đầu tiên, chúng ta xem xét cách thực hiện cộng hưởng từ hạt nhân trong phòng thí nghiệm nghiên cứu tính chất vật liệu Thiết bị sử dụng một nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường đều B → 0 giữa hai cực Mẫu nghiên cứu được đặt trong một ống hình trụ, bao quanh là cuộn dây điện, với hai đầu cuộn dây B → 1 vuông góc với B → 0.
Người ta điều khiển tần số của từ trường B để tạo ra hiện tượng cộng hưởng từ, dẫn đến sự gia tăng công suất của máy phát vô tuyến Việc theo dõi công suất máy phát cho phép xác định các tần số tương ứng với hiện tượng cộng hưởng từ trong mẫu Mọi biến thiên của mômen từ tổng cộng M đều có thể gây ra dòng cảm ứng trong cuộn dây xung quanh mẫu, theo nguyên tắc rằng biến thiên của M sẽ làm thay đổi từ thông qua cuộn dây, từ đó sinh ra dòng điện cảm ứng Khi cuộn dây được bố trí vuông góc với B, ta có thể đo biến thiên của thành phần M song song với B, từ đó xác định thời gian hồi phục dọc Ngược lại, khi cuộn dây song song với B, ta đo được biến thiên của thành phần vuông góc M, giúp xác định thời gian hồi phục ngang Mặc dù tín hiệu thu được từ các cuộn dây rất nhỏ và ngắn, nhưng công nghệ xử lý tín hiệu hiện nay cho phép đo lường với độ chính xác cao.
Giải pháp kỹ thuật quan trọng nhất để thu được ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân là do Lauterbur đề xuất vào năm 1973 Giải pháp này bao gồm việc thêm vào từ trường mạnh B → 0 các từ trường yếu, nhưng biến thiên đều theo khoảng cách, hay nói cách khác là tạo ra các gradient từ trường.
Tr−ớc hết ta xét cách tạo ra từ tr−ờng có gradien theo z vμ tác dụng của từ tr−ờng nμy
Cuộn dây siêu dẫn tạo ra một từ trường B → 0 mạnh mẽ và đồng đều Để cải thiện, người ta bố trí thêm một cuộn dây khác, tạo ra từ trường yếu song song với B → 0, có sự biến thiên đều theo trục z.
Vậy thêm cuộn dây tạo gradien nμy, từ tr−ờng tổng cộng bên trong cuộn dây siêu dẫn lμ:
Từ trường trong hình trụ rất mạnh và biến thiên đều theo trục z, được chia thành các lớp mỏng vuông góc với trục này Trong mỗi lớp, từ trường được coi là không thay đổi, nhưng khi di chuyển từ lớp này sang lớp khác, từ trường tăng dần, ví dụ như ở hình vẽ 10.35 với các giá trị từ 0,97T đến 1,03T Cơ thể người được đặt trong hình trụ rỗng, tạo ra một môi trường từ trường đặc biệt để nghiên cứu.
H×nh 19.6 Do B z cã gradien theo z không gian trong hình trụ đ−ợc chia thμnh những lớp cắt mỏng vuông góc với z, từ tr−ờng
Trong mỗi lớp hạt nhân, B o +B z được coi là không đổi và có thể chia thành nhiều lớp khác nhau, như lớp nằm trong từ trường 0,97T và lớp nằm trong từ trường 0,98T Tần số chuyển động đảo của mômen từ hạt nhân phụ thuộc vào từ trường bên ngoài; ví dụ, đối với hạt nhân nguyên tử hiđro, khi từ trường bên ngoài là 1T, tần số chuyển động đảo đạt 42,58 MHz.
Khi cơ thể nằm trong từ trường có gradien theo trục z, việc chiếu sóng radio tần số 42,58 MHz vào cơ thể sẽ chỉ kích thích các hạt nhân nguyên tử hydro trong từ trường 1T Nhờ cuộn dây tạo ra gradient từ trường theo trục z, ta có thể tạo ra cộng hưởng từ hạt nhân chỉ trong một lớp vuông góc với trục z Độ dày của lớp này phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường, tức là độ lớn dH/dz Có hai phương pháp để dịch chuyển vị trí cộng hưởng này.
Trong máy tạo ảnh cắt lớp cộng hưởng từ, có hai cách để điều chỉnh sóng radio: giữ nguyên tần số và dịch chuyển gradient từ trường, hoặc giữ nguyên gradient từ trường và thay đổi tần số Máy sử dụng ba cuộn để tạo gradient từ trường theo ba phương x, y và z, cho phép tạo ra cộng hưởng từ trong một phần tử thể tích với tọa độ x, y, z cụ thể Qua việc phối hợp cả ba cuộn, tín hiệu cộng hưởng từ có thể được thu thập từ thể tích đó Quá trình này cho phép chọn lớp cắt và quét các phần tử thể tích cộng hưởng trên toàn bộ diện tích lớp cắt Từ các số liệu thu thập được, máy tính có khả năng tạo ra ảnh cộng hưởng từ của lớp cắt và từ đó dựng lại ảnh ba chiều của đối tượng trong không gian.
Tín hiệu cộng hưởng mà chúng ta sử dụng để tạo ảnh và cộng hưởng phụ thuộc vào loại hạt nhân được khảo sát Ảnh cắt lớp cộng hưởng từ sẽ cung cấp thông tin tương ứng với tín hiệu đó.
Tín hiệu cảm ứng từ do suy giảm FID phụ thuộc vào độ lớn của vectơ từ hoá M, mà M lại phụ thuộc vào số mômen từ của proton Do đó, tín hiệu này mạnh hay yếu tùy thuộc vào mật độ proton, giúp lý giải sự khác biệt về độ đậm nhạt trên ảnh, tương ứng với các chất khác nhau.
Hình 19.7 So sánh mật độ proton ở các bộ phận trong cơ thể x − ơng da gan chất trắ ng Cơ bắ p Chất x ám
Trong y học, tín hiệu thời gian hồi phục T1 và T2 đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích hình ảnh y tế, vì chúng phụ thuộc vào loại chất liệu trong thể tích, chẳng hạn như nước, dịch, não tuỷ hay tế bào ung thư Nhờ vào các tín hiệu này, bác sĩ có thể dễ dàng phân biệt các mô như máu, mỡ và não trong ảnh cắt lớp Kỹ thuật xử lý ảnh cho phép hiển thị các vùng khác nhau với màu sắc đặc trưng: xương được thể hiện bằng màu trắng đục, máu bằng màu đỏ và mỡ bằng màu vàng nhạt, từ đó giúp bác sĩ đưa ra chẩn đoán chính xác hơn.
So với chụp ảnh cắt lớp bằng tia X và các phương pháp chụp ảnh sử dụng hạt nhân phóng xạ, phương pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân có ưu điểm lớn là không đưa vào cơ thể người bất kỳ bức xạ ion hóa nào.
Khi chụp ảnh, cơ thể ng−ời chỉ chịu ba tác dụng vật lí: từ tr−ờng tĩnh rất mạnh
B 0, biến thiên của gradien từ tr−ờng vμ sóng radiô
Từ trường tĩnh B → 0 thường được sử dụng với cường độ từ 1 Tesla trở lên, mạnh gấp 20.000 lần từ trường Trái Đất Nghiên cứu cho thấy từ trường mạnh đến 2,5 Tesla vẫn không gây hại cho cơ thể, trong khi gradient từ trường chỉ tạo ra dòng điện cảm ứng với mật độ khoảng 1μA/cm², mức này là quá nhỏ để gây hại Khi tiếp xúc với sóng radio, cơ thể chỉ hấp thụ 0,7 W, dẫn đến tăng nhiệt độ khoảng 0,1-0,2 °C Tuy nhiên, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân có hạn chế là không được có kim loại hoặc vật liệu từ trong cơ thể, như mảnh bom hay viên đạn, vì chúng có thể bị hút và nóng lên dưới tác dụng của từ trường Đặc biệt, người sử dụng máy trợ tim cần cẩn trọng, vì nếu vào từ trường mạnh, máy sẽ hỏng và có nguy cơ tử vong.
Phương pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp chụp ảnh cắt lớp khác trong y học Tín hiệu cộng hưởng rất nhạy cảm với cấu trúc và tổ chức sinh học của cơ thể, giúp tạo ra độ tương phản rõ rệt trên ảnh Nhờ đó, các tổ chức và bất thường như mạch máu rạn nứt, máu rỉ ra ngoài, hay khối u chèn ép dây thần kinh dễ dàng được phát hiện và phân biệt.
Máy chụp hình bằng cộng hưởng từ hạt nhân cho phép quan sát chi tiết cấu trúc bên trong cơ thể Hình ảnh mặt cắt dọc của vùng đốt sống cổ và mặt cắt ngang của tuỷ sống được hiển thị rõ nét, giúp các bác sĩ chẩn đoán và điều trị hiệu quả hơn.