Giáo trình Vật lý - Sinh học (giáo trình cao đẳng Y Dược)

là cường độ xung cao nhất) Đặc trưng của một dòng điện xung là : – Hình thể xung. – Tần số xung f (hoặc F) – Tỷ lệ giữa t và t0. – Thời gian của một đợt xung và thời gian nghỉ giữa các đợt xung. – Cách biến điệu theo biên độ hay tần số, biên độ và tần số của biến điệu … hình thể của xung biến điệu (hình 3) Hình 3 : Biên độ và tần số Trong điều trị bằng dòng điện xung hiện nay, người ta dùng tần số xung không quá 5 – 6 KHz và điện thế không quá 300V. Vì thế mới có tên gọi : điện xung tần số thấp và điện thế thấp. Các loại dòng điện xung dùng trong điều trị   Dòng điện faradic (dòng điện xung tam giác) : Đặc trưng : xung gai nhọn, tần số 100Hz, t0 = 1 – 1,5ms, liên tục hoặc có biến điệu theo biên độ hoặc ngắt quãng (dòng faradic có nhịp).  Dòng điện Leduc (dòng điện xung vuông) : theo tên người đầu tiên ứng dụng xung điện vuông trong điều trị. Đặc trưng : xung hình chữ nhật, tần số từ 100 – 1000Hz, t0 = 0,01 – 1ms, dòng điện có thể biến điệu tần số hoặc biên độ.  Dòng điện Lapicque (dòng điện xung hình lưỡi cày) : Đặc trưng : xung hình lưỡi cày, lên và xuống từ từ (theo hàm mũ). Tần số, độ dốc của xung có thể thay đổi được t0 = 1,6 – 60ms. Có thể biến điệu tần số, biên độ, hoặc thay đổi độ dốc lên và xuống.  Dòng điện Bernard hay dòng diadynamic (dòng điện xung hình sin) Đặc trưng : xung cơ bản hình sin, độ dốc xuống có cải biên cho thoai thoải hơn. Tần số cơ bản có hai loại : 50Hz và 100Hz. Các dòng điện xung hình sin có thể dùng riêng hoặc phối hợp với nhau, có nhịp nghỉ, hoặc biến điệu biên độ …  Dòng điện Nemec (dòng điện giao thoa) : Khi đặt hai cặp điện cực chéo nhau thành hình chữ nhật và cùng một lúc cho vào hai dòng điện xung có tần số gần bằng nhau (4.000 và 4.000 ± 10 – 100Hz) thì trong khi lan truyền trong các lớp tổ chức sâu chúng sẽ đan vào nhau, sẽ "giao thoa" với nhau tạo nên một dòng điện xung mới, có tần số thấp, bằng hiệu của hai tần số nói trên, tức là 10 – 100Hz. Tác dụng sinh học của dòng điện xung  Dòng điện xung có cường độ thay đổi đột ngột nên điện trường tác dụng trên cơ thể nằm giữa các điện cực cũng thay đổi đột ngột theo sự lên xuống của các xung. Mặt khác sự tiếp diễn các xung theo một tần số nhất định cũng là một đặc điểm khác với tác dụng liên tục của dòng điện một chiều. Khi cho một dòng điện xung tác dụng trên cơ thể thì ta quan sát thấy các tác dụng sau đây : – Tác dụng kích thích : do sự lên xuống của cường độ, độ dốc lên xuống càng dựng đứng thì tác dụng kích thích càng mạnh. Đó là do mật độ các ion trên màng tế bào và tổ chức bị thay đổi đột ngột mỗi lần điện trường giữa các điện cực thay đổi. Khi tần số xung dưới 20Hz thì mỗi xung giật một cái như có người đập vào và gây co cơ, từ 20 – 60Hz thì có cảm giác rung mạnh và co cơ liên tiếp, trên 60Hz thì cảm giác rung nhẹ dần và co cơ liên tục. Khoảng 4.000 – 5.000Hz thì chỉ còn cảm giác lăn tăn kiến bò nhẹ, các cơ không rung, không co nữa, cảm giác gần giống như khi có một dòng điện một chiều đi qua. – Tác dụng ức chế cảm giác và trương lực cơ : Khi dòng điện xung tác dụng liên tục thì nhanh chóng sau 30 giây đến 1 phút cảm giác rung và co cơ yếu dần. Nếu có hiện tượng co thắt và đau trước đó thì các hiện tượng này giảm đi. Tác dụng ức chế đến nhanh hơn, khi tần số xung cao hơn 60Hz. Tần số gây ức chế tốt nhất là 100 – 150Hz. – Ngoài ra các dòng điện xung tần số thấp và điện thế thấp đều có tác dụng như dòng điện một chiều, có cực dương và cực âm có thể dùng để điện phân thuốc. Phản ứng của cơ thể đối với dòng điện xung và hiệu quả điều trị  Khái niệm về ngưỡng và vùng hiệu lực điều trị điều trị : Ta cho một dòng điện xung nhất định tác động trên một bộ phận cơ thể bệnh nhân và tăng cường độ dòng điện lên dần. Lúc đầu bệnh nhân không cảm thấy gì, phải tăng lên đến một mức nào đó thì bệnh nhân mới cảm thấy dòng điện đi qua như kim châm (thí dụ 1mA). Mức 1mA này chính là ngưỡng cảm giác của bệnh nhân này đối với dòng điện trong thời điểm đó. Tăng dòng điện đến 2mA thì bệnh nhân cảm thấy rung cơ do các thớ cơ co rút theo nhịp xung : 2mA là ngưỡng co cơ. Tăng thêm cường độ thì cảm giác rung càng mạnh đến 4mA thì bệnh nhân thấy đau : 4mA là ngưỡng đau. Khi điều trị, cường độ dòng điện dưới ngưỡng cảm giác thì không có tác dụng, cường độ trên ngưỡng đau thì bệnh nhân chịu không nổi. Cường độ dòng điện phải được duy trì ở giữa ngưỡng đau và ngưỡng cảm giác. Vùng này gọi là vùng có hiệu lực điều trị. Ngưỡng đối với một dòng điện thay đổi từ người này sang người khác ; ở một người thì thay đổi từ lần điều trị này sang lần điều trị khác, không có tiêu chuẩn chung. Khái niệm về quen của cơ thể  Trong thí dụ trên, sau khi đến ngưỡng cảm giác, ta không tiếp tục tăng dòng điện, thì chỉ giây lát sau (từ 15 – 60 giây) bệnh nhân không cảm thấy dòng điện đi qua cơ thể nữa. Đó là hiện tượng "quen". Muốn thấy lại cảm giác ta phải tăng dòng điện lên 1,2 – 1,5mA. Cho nên trong điều trị ta phải tăng dần cường độ để giữ dòng điện nằm "trong vùng có hiệu lực" thì mới đạt được kết quả mong muốn. Các biện pháp chống quen  – Tăng dần cường độ. – "Biến điệu" (tức là thay đổi cường độ dòng điện, còn gọi là biến điệu biên độ) – Biến điệu tần số. – Xen kẽ các nhịp nghỉ vào dòng điện. – Hạn chế thời gian một lần điều trị lâu không quá 6 – 8 phút, và một đợt điều trị không kéo dài quá 5 – 7 ngày. Các đợt điều trị tiếp theo cách đợt trước ít nhất là 3 tuần. Một số chỉ định của dòng điện xung  Dòng điện xung có hai tác dụng chính là kích thích cảm giác, gây co cơ và ức chế thần kinh. Trên thực tế dòng điện xung được sử dụng rộng rãi để : – Kích thích các cơ bị liệt. – Chống đau : do các xung kích thích liên tiếp các sợi thần kinh cảm giác, làm cho trung tâm nhân cảm giác lâm vào tình trạng không phản ứng được, không truyền được cảm giác đau lên trên. – Tăng cường tuần hoàn ngoại vi khi có hiện tượng co thắt mạch, phù nề, xung huyết tĩnh mạch v.v  Bài 4 CÁC HIỆN TƯỢNG ÂM CỦA CƠ THỂ SỐNG Dao động điều hòa Phương trình dao động Dao động điều hòa là dao động được mô tả theo qui luật hàm sin hoặc cosin Khi khảo sát dao động của hệ ta thiết lập phương trình vi phân Giải phương trình trrên ta được: x = Acos(wt + j) x: li độ A: biên độ, là giá trị cực đại của x( A luôn >0), phụ thuộc vào cách kích thích dao động. w: tần số góc (rad/s) wt + j : pha dao động j : pha ban đầu (rad), phụ thuộc vào điều kiện ban đầu. Chu kỳ dao động điều hòa: T = , chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của hệ, không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài. Nếu trong thời gian t con lắc thực hiện được N dao động, mỗi dao động mất thời gian T, thì: t=N.Tchu kỳ dao động là: Tần số f = = , là số dao động vật thực hiện trong một giây. Biểu thức vận tốc, gia tốc Vận tốc: Vận tốc của vật dao động điều hòa v = -Awsin(wt + j) çv÷max = Aw khi x = 0 (tại VTCB) v = 0 khi x = ± A (tại vị trí biên) Gia tốc: a = – w2Acos(wt + j) = – w2x (giá trị của a phụ thuộc vào giá trị của x) ça÷max = w2A khi xmax (x = ± A) (tại vị trí biên) a = 0 khi x = 0 (tại VTCB) Năng lượng của dao động điều hòa Thế năng: Et = kx2=kA2cos2( - Động năng: Eđ = mv2=kA2sin2( - Cơ năng của con lắc lò xo: E = Et + Eđ = Et max = Eđ max = kA2 = mw2A2 = const . * Chú ý: - Cơ năng không thay đổi và tỉ lệ thuận với bình phương biên độ (A2) - Li độ x, vận tốc v, gia tốc a cùng biến thiên điều hòa với chu kì T (hoặc tần số f) còn động năng và thế năng cùng biến thiên tuần hoàn với chu kì T’ = (hoặc cùng tần số f’ = 2f) Tổng hợp dao động Độ lệch pha giữa hai dao động cùng tần số: x1 = A1cos(wt + j1) và x2 = A2cos(wt + j2) + Độ lệch pha giữa dao động x1 so với x2: Dj = j1 − j2 Nếu Dj > 0 Û j1 > j2 thì x1 nhanh pha hơn x2. Nếu Dj < 0 Û j1 < j2 thì x1 chậm pha hơn x2. + Các giá trị đặc biệt của độ lệch pha: Dj = 2kp với k Î Z → hai dao động cùng pha Dj = (2k+1)p với k Î Z → hai dao động ngược pha Dj = (2k + 1) với k Î Z → hai dao động vuông pha Dao động tổng hợp: x = Acos(wt + j) + Biên độ dao động tổng hợp: A2 = + + 2A1A2cos(j2 – j1) Chú ý: çA1 – A2÷ £ A £ A1 + A2 Amax = A1 + A2 khi x1 cùng pha với x2 Amin = çA1 – A2÷ khi x1 ngược pha với x2 + Pha ban đầu: Sóng cơ học Khái niệm về sóng cơ học Sóng cơ học: là dao động lan truyền trong môi trường vật chất theo thời gian. Sóng ngang: là sóng cơ học mà phương dao động vuông góc với phương truyền sóng. Sóng dọc: là sóng cơ học mà phương dao động trùng với phương truyền sóng. Các đại lượng đặc trưng của sóng cơ Biên độ sóng: là biên độ dao động của 1 phần tử môi trường có sóng truyền qua. Chu kì sóng (T): là chu kì dao động của 1 phần tử môi trường có sóng truyền qua. (với f là tần số sóng.) Tốc độ truyền sóng: là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường. Bước sóng (λ): Là quãng đường mà sóng truyền được trong 1 chu kì sóng.Hoặc là khoảng cách giữa 2 điểm trên phương truyền sóng gần nhau nhất và dao động cùng pha với nhau. Mối liên hệ giữa T, v và λ là: Năng lượng sóng: là năng lượng dao động của các phần tử môi trường có sóng truyền qua. Phương trình sóng cơ Xét sóng tại nguồn: u0 = acosωt Khi sóng truyền tới điểm M cách O khoảng d thì phương trình sóng là: Giao thoa sóng, sóng dừng, sóng âm. Giao thoa sóng cơ a) Điều kiện giao thoa: 2 sóng có cùng tần số, cùng pha hoặc độ lệch pha không đổi theo thời gian (sóng kết hợp). b) Phương trình giao thoa: Phương trình sóng tại nguồn: Phương trình sóng tổng hợp Biên độ c) Vị trí các cực đại, cực tiểu giao thoa - Cực đại giao thoa: Vậy = với k = 0, ±1, ±2… - Cực tiểu giao thoa: Vậy = với k = 0, ±1, ±2… d) Tìm các cực đại, cực tiểu giao thoa trên đường thẳng nối 2 nguồn sóng Giả sử 2 nguồn cách nhau 1 khoảng AB, ta cần tìm cực đại giao thoa khi đó:=;= do 0 < d2 < AB nên Vậy số cực đại là N = 2[k] + 1 với [k] là phần nguyên. Tương tự với các vân cực tiểu. Sóng dừng a) Sự phản xạ của sóng - Phản xạ trên vật cản cố định: sóng phản xạ luôn ngược pha với sóng tới ở điểm phản xạ. - Phản xạ trên vật cản tự do: sóng phản xạ luôn cùng pha với sóng tới ở điểm phản xạ. b) Sóng dừng: - Là sóng mà có các nút và bụng cố định trong không gian. - Khoảng cách giữa 2 nút hay 2 bụng liên tiếp là và khoảng cách giữa 1 nút và 1 bụng là c) Điều kiện để có sóng dừng: - Sóng dừng trên 1 sợi dây có 2 đầu cố định chiều dài l là: - Sóng dừng trên 1 sợi dây có chiều dài l với 1 đầu cố định, 1 đầu tự do là: Sóng âm Khái niệm: Là sóng cơ học có tần số trong khoảng 16(Hz) – 20000(Hz), sóng có tần số nhỏ hơn 16(Hz) gọi là sóng hạ âm, sóng có tần số lớn hơn 20000(Hz) gọi là sóng siêu âm. Chú ý: sóng âm truyền được trong các môi trường rắn, lỏng và khí thông thường thì vận tốc truyền trong môi trường rắn lớn hơn lỏng và trong môi trường lỏng lớn hơn khí. - Nguồn âm: Là vật phát ra âm. Các đặc tính vật lí của âm. - Tần số âm. - Cường độ âm: là lượng năng lượng mà sóng âm tải qua 1 đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng và trong 1 đơn vị thời gian. Kí hiệu là I (W/m2). - Mức cường độ âm: Được đặc trưng bởi có đơn vị là Ben (B) Trong đó: Cường độ âm chuẩn Bên cạnh đó ta còn sử dụng công thức: - Âm cơ bản và họa âm: - Nếu 1 nhạc cụ phát ra 1 âm có tần số f0 thì đồng thời cũng phát ra các có tần số là 2f0, 3f0 … - Âm có tần số f0 gọi là âm cơ bản hay họa âm thứ nhất - Các âm có tần số 2f0, 3f0 … gọi là họa âm thứ 2, thứ 3 … Các đặc tính sinh lí của âm - Độ cao: là 1 đặc tính sinh lí gắn liền với tần số. - Độ to: gắn liền với đặc trưng vật lí là mức cường độ âm. - Âm sắc: Đây là 1 đặc tính sinh lí của âm, giúp ta phân biệt do các nguồn âm khác nhau phát ra. Phân loại sóng âm Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra làm hai loại: sóng dọc và sóng ngang. Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng. Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn. Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng. Sóng dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó truyền được trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí. Phân loại theo tần số: sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính. Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16 Hz. Ví dụ: sóng địa chấn. Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số  20 – 100 kHz. Sóng siêu âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz. Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas Doppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát. Đối với sóng chuyển động trong một môi trường, như sóng âm, nguồn sóng và người quan sát đều có thể chuyển động tương đối so với môi trường. Hiệu ứng Doppler lúc đó là sự tổng hợp của hai hiệu ứng riêng rẽ gây ra bởi hai chuyển động này. Cụ thể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần số tại nguồn là f0, một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽ nhận được tần số f: với c tốc độ lan truyền của sóng trong môi trường, v là thành phần vận tốc chuyển động của nguồn so với môi trường theo phương chỉ đến người quan sát (âm nếu đi về phía người quan sát, dương nếu ngược lại). Tần số tăng lên khi nguồn tiến về phía người quan sát, và giảm đi khi nguồn đi ra xa người quan sát(với điều kiện chuyển động giữa nguồn và người không phải là chuyển động đều). Tương tự, khi nguồn đứng im còn người quan sát chuyển động: Đối với sóng điện từ (ví dụ ánh sáng), lan truyền mà không cần môi trường, hiệu ứng Doppler được tính toán dựa vào thuyết tương đối. Trong hiệu ứng Doppler thật ra tần số của nguồn sóng không bị thay đổi. Để hiểu rõ nguyên nhân tạo ra hiệu ứng Doppler, sự thay đổi tần số, ta lấy ví dụ của hai người ném bóng. Người A ném bóng đến người B tại một khoảng cách nhất định. Giả sử vận tốc trái bóng không đổi và cứ mỗi phút người B nhận được x số bóng. Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, anh ta sẽ nhận được nhiều bóng hơn mỗi phút vì khoảng cách của họ đã bị rút ngắn. Vậy chính số bước sóng bị thay đổi nên gây ra sự thay đổi tần số. Một microphone cố định thu âm tiếng của xe cảnh sát tại độ ngân khác nhau tùy thuộc vào hướng tương đối của chúng Một tiếng còi trên xe cấp cứu tiến đến ta sẽ có tần số cao hơn (chói hơn) khi xe đứng yên. Tần số này giảm dần (trầm hơn) khi xe vượt qua ta và nhỏ hơn bình thường khi xe chạy ra xa. Nhà thiên văn học John Dobson giải thích hiện tượng trên: "lý do mà tiếng còi giảm là do xe không tông bạn". Nói cách khác, nếu chiếc xe đi theo phương thẳng tới bạn, tần số sẽ vẫn giữ nguyên (vì thành phần vận tốc v theo phương chỉ tới bạn không đổi) cho đến khi chúng vượt qua bạn, thì lập tức chuyển sang tần số thấp hơn. Sự khác biệt giữa tần số cao lúc tiến đến so với tần số chuẩn của còi đúng bằng sự khác biệt giữa tần số thấp lúc ra xa so với tần số chuẩn. Khi chiếc xe không tông vào bạn mà chỉ qua mặt bạn, thành phần vận tốc theo phương chỉ tới bạn không giữ nguyên do phương này luôn thay đổi tùy thuộc vị trí của xe: Trong đó v là thành phần vận tốc của xe theo phương chỉ tới bạn, v0 là tốc độ của xe và θ là góc giữa hướng di chuyển của xe và hướng nối từ xe đến bạn. Hiệu ứng Doppler đúng cho mọi loại sóng từ sóng hạ âm, song nghe được cho tới sóng siêu âm, sóng điện từ. Hiệu số giữa song tới và song phản xạ gọi là tần số Doppler tính bằng công thức Δf=|Fr - Fi| =2Fi|cosθ|.v/c Trong đó : Fr : tần số sóng phản xạ Fi : tần số sóng tới c : vận tốc truyền sóng siêu âm trong môi trường v : vận tốc của vật chuyển động θ : góc tạo bởi chùm tia siêu âm và phương chuyển động của vật Ứng dụng sóng âm trong Y học Chuẩn đoán gõ Khi gõ váo các vị trí tương ứng với vị trí các tạng trên lồng ngực, trên bụng, các tạng này sẽ dao động và phát ra âm thanh. Dựa vào âm thanh nhận được ta có thể đoán được vị trí và kích thước của chúng. Ta cũng có thể biết các tạng hoạt động bình thường hay không khi nhận biết được sự thay đổi âm sắc và độ cao. Có thể gõ bằng cách sử dụng ngón tay hoặc thanh gỗ nhỏ gõ tại vị trí tạng cần kiểm tra. Tuy nhiên phương pháp này ít được sử dụng do độ cao và âm sắc là do cảm giác mang lại nên có thể chuẩn đoán không chính xác. Chuẩn đoán nghe Phương pháp này nghiên cứu âm phát ra từ các tạng như tim, phổi…để chuẩn đoán bệnh. Các âm phát ra từ cơ thể thường có tần số thấp không vượt quá 1000Hz. Âm ở phổi có độ cao phụ thuộc vào tiết diện khí quản và cuống phổi, cường độ mạnh hay yếu là do hô hấp nông hay sâu. Âm phát ra ở tim biến đổi do nhiều yếu tố: tình trạng van tim, vận tốc máu, độ nhớt của máu, miệng của van. Để có thể nghe được âm phát ra từ các tạng, người ta dung ống nghe. Tần số dao động riêng của tạng làm màng dao động cưỡng bức. khi tần số dao động của tạng trùng với tần số dao động riêng của màng thì xảy ra cộng hưởng, âm lúc này là to nhất. Ứng dụng của sóng siêu âm Ứng dụng sóng siêu âm trong điều trị Sóng siêu âm có thể truyền qua được các mô trong cơ thể, làm các tế bào bị chấn động, cơ thể hấp thu năng lượng của song siêu âm biến thành nhiệt, vì vậy nó có thể được dung để chữa một số bệnh. Nững bệnh có thể chữa bằng song siêu âm có hiệu quả cao như: đau dây thần kinh, thần kinh tọa, thấp khớp… Do sóng siêu âm dùng thường có tần số >100000Hz nên bị không khí hấp thụ mạnh, do đó để sóng có thể truyền đến cơ thể người ta bôi thêm một lớp dầu trên da để làm môi trường trung gian giữa da và không khí. Chú ý: không trị liệu bằng siêu âm cho người mang thai, bị lao, bị sốt và trẻ em. Gần đây người ta còn dùng siêu âm cường độ cao để phá hủy các tổ chức bệnh như sỏi, u tuyến… Ứng dụng sóng siêu âm vào chuẩn đoán Chuẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm Nguyên lý: - Dựa vào chùm siêu âm truyền qua tương tự như nguyên lý dùng tia X. Dựa vào hình ảnh thu được từ sóng phản xạ qua các mặt phân giới của đối tượng khảo sát. Siêu âm Doppler  Siêu âm Doppler là phương pháp ứng dụng hiệu ứng doppler. Người ta phát song siêu âm tới bộ phận cần khảo sát chức năng và thu hồi song phản xạ. Từ sự khác biệt tần số tới và phản hồi ta sẽ có các thiết bị xủ lý và hiển thị lên màn ảnh. Ảnh này cho biết chức năng hoạt động của các cơ quan ra sao. Về khía cạnh kỹ thuật ta quan tâm tới hai vấn đề: một là phân tích song phản hồi để tính tần số Doppler, nhờ đó tính khảo sát được sự chuyển động của vật cần khảo sát. Hai là hiển thị lên màn ảnh sự phân bố của vật chuyển động đó. Khi đánh giá tín hiệu phản hồi của dòng chảy, các vận tốc của dòng chảy hướng về phía đầu dò được mã màu đỏ trên Doppler màu, còn các vận tốc của dòng chảy hướng ra xa đầu dò sẽ đươc mã màu xanh. Siêu âm doppler có 4 loại : - Doppler sóng liên tục (continuous wave Doppler) - Doppler kép (duplex doppler) – Doppler màu (color doppler) – Doppler năng lượng (power Doppler) Ứng dụng của siêu âm Doppler : Như vậy ta đã biết các đặc tính của siêu âm Doppler, kỹ thuật này đuợc ứng dụng trong khá nhiều trường hợp, thường gặp nhất là khảo sát mạch máu. Trong khảo sát mạch máu, thông tin từ siêu âm Doppler có thể cho ta các thông số về : – Hướng dòng chảy. – Sự phân bố vận tốc dòng chảy – Đặc tính nhịp đập – Động mạch hay tĩnh mạch – Vận tốc và lưu lượng dòng chảy Ngoài ra siêu âm Doppler còn được ứng dụng trong sản phụ khoa để xem xét tình hình phát triển của thai nhi, cung cấp các thông tin hữu ích về sinh lý tử cung trong thời kỳ mang thai của người mẹ. Các ứng dụng khác của siêu âm cũng được ứng dụng khá rộng rãi như : – Khảo sát hoạt động và các thong số chức năng của tim. – Khảo sát hệ thống tĩnh mạch cửa, tĩnh mạch trên của gan – Khảo sát bệnh lý động mạch thận – Khảo sát bệnh lý của động mạch chủ bụng Bài 5. BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG   Mẫu nguyên tử Bor Mô hình nguyên tử Năm 1911, sau nhiều công trình nghiên cứu công phu, Rơ-dơ-pho (Rutherford) đã đề xướng ra mẫu hành tinh nguyên tử. Tuy nhiên mẫu này gặp phải những khó khăn là không giải thích được sự tạo thành các quang phổ vạch của các nguyên tử và tính bền vững của các nguyên tử. Thực vậy, chuyển động của các êlectron quanh hạt nhân bao giờ cũng có gia tốc hướng tâm. Theo thuyết điện từ, một điện tích chuyển động có gia tốc bao giờ cũng phát ra sóng điện từ. Như vậy năng lượng của nguyên tử sẽ giảm dần và êlectron sẽ phải rơi vào hạt nhân. Năm 1913, Bohr đã vận dụng thuyết lượng tử vào hệ thống nguyên tử và đề ra một mẫu nguyên tử mới gọi là mẫu nguyên tử Bo. Mẫu này đã giải thích được sự tạo thành quang phổ vạch của các nguyên tử, đặt biệt là nguyên tử hidrô.     Trong mẫu này, Bohr vẫn giữ mô hình hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho, nhưng ông cho rằng hệ thống nguyên tử bị chi phối bởi những quy luật đặc biệt có tính lượng tử mà ông đề ra dưới dạng hai giả thuyết. Người ta gọi chúng là hai tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên tử.  Các tiên đề của Bohr về cấu tạo nguyên tử Tiên đề về các trạng thái dừng     Nguyên tử chỉ tồn tại trong một sồ trạng thái có năng lượng xác định, gọi là các trạng thái dừng. Khi ở trong các trạng thái dừng thì nguyên tử không bức xạ. Trong các trang thái dừng của nguyên tử, êlectron chỉ chuyển động quanh hạt nhân trên những quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định được gọi là quỹ đạo dừng. Bình thường, nguyên tử ở trong trạng thái dừng có năng lượng thấp nhất và êlectron chuyển động trên quỹ đạo gần hạt nhân nhất. Đó là trạng thái cơ bản.     * Khi hấp thụ năng lượng thì nguyên tử chuyển lên các trạng thái dừng có năng lượng cao hơn và êlectron chuyển động trên những quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Đó là các trạng thái kích thích.     * Các trạng thái kích thích có năng lượng càng cao thì bán kính quỹ đạo của êlectron càng lớn và càng kém bền vững, Thời gian sống trung bình của nguyên tử trong các trạng thái kích thích rất ngắn (chỉ vào cỡ 10-8s). Sau đó nó chuyển dần về các trạng thái có năng lượng thấp hơn, và cuối cùng về trạng thái cơ bản.      * Bohr tìm được công thức tính bán kính quỹ đạo dừng của electron trong nguyên tử hiđrô: Đối với nguyên tử hidrô, bán kính các quỹ đạo dừng tăng tỉ lệ với bình phương của các số nguyên liên tiếp:     Bán kính:       r0    4 r0    9 r0    16 r0    25 r0     36 r0     Tên quỹ đạo: K     L       M      N         O          P n 1 2 3 4 5 6... Tên quỹ đạo K L M N O P...     Với r0 = 5,3.10-11 m; r0 gọi là bán kính Bo.     Ta hiểu năng lượng của nguyên tử bao gồm động năng của êlectron và thế năng tương tác tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân. Tiên đề về sự bức xạ và hấp thụ năng lượng của nguyên tử     Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái dừng có năng lượng (En) sang trạng thái dừng có năng lượng thấp hơn (Em) thì nó phát ra một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En – Em: ε = hfnm = En – Em                 Ngược lại, nếu nguyên tử đang ở trong trạng thái có năng lượng Em mà hấp thụ được một phôtôn có năng lượng đúng bằng hiệu En – Em thì nó chuyển lên trạng thái dừng có năng lượng cao En. (H.47.1)     Tiên đề này cho thấy: nếu một chất hấp thụ được ánh sáng có bước sóng nào thì nó cũng có thể phát ra ánh sáng có bước sóng ấy. Hình 47.1 Phóng xạ đối với cơ thể sống  Con người và phóng xạ Muốn đánh giá một cách chính xác những nguy cơ có liên quan đến các bức xạ ion hóa, cần phải xét đến sự chiếu xạ tự nhiên mà con người hàng ngày nhận được. Tất cả sinh vật trên trái đất đều thích nghi và có khả năng sửa chữa đến một mức độ nào đó những tổn thương do chiếu xạ tự nhiên gây ra.Hàng ngày con người nhận được các bức xạ ion hóa từ các nguồn khác nhau (Nguồn CEA - ủy hội năng lượng nguyên tử Pháp): + Phóng xạ đến từ các tia vũ trụ, mặt trời và trái đất: 60%+ Phóng xạ từ các điều trị y tế: 28%+ Phóng xạ của chính cơ thể con người: 10%+ Phóng xạ từ các nguồn nhân tạo khác: 2%. Đối với các nguồn chiếu xạ từ bên ngoài cơ thể, tia vũ trụ là nguồn chiếu xạ quan trọng nhất. Các bức xạ này đến từ không gian bên ngoài trái đất, đặc biệt là mặt trời. Lớp vỏ khí quyển trái đất là lớp bảo vệ hữu hiệu con người dưới tác động của các tia vũ trụ này. Khi ta lên cao thì liều chiếu xạ bởi các tia vũ trụ này sẽ tăng lên. Liều chiếu xạ tăng lên gấp 100 lần đối với người khi đi trên máy bay đường dài, so với đi trên mặt nước biển. Các nguyên tố phóng xạ chứa trong đất chủ yếu là Uran, Heli, Kali, Cacbon… Một số vùng trên thế giới, nơi chứa nhiều đá granit, liều chiếu xạ sẽ lớn hơn so với các vùng khác. Tính toán cho thấy, trong 1 tấn granit có khoảng 3 gram Uran và các đồng vị phóng xạ khác. Những chất khí phóng xạ thoát ra từ một số sản phẩm phân rã Uran chứa trong đất như Radon, hay Kali, Chì trong thức ăn mà chúng ta hấp thu một phần vào cơ thể cũng gây ra trong cơ thể một liều phóng xạ lớn nhất - Phóng xạ từ bên trong.  Nguồn chiếu xạ nhân tạo: liều lượng chiếu xạ lớn nhất con người nhận được từ nguồn chiếu xạ nhân tạo là từ các hoạt động y tế (X-quang…), sau đó là các hoạt động công nghiệp phi hạt nhân: Đốt than đá, sử dụng phân bón Kali, đồng hồ kim dạ quang… Cuối cùng là các hoạt động hạt nhân: nhà máy tái chế biến chất thải hạt nhân, bụi rơi từ các cuộc thử vũ khí hạt nhân trước đây và của tai nạn Chenobyl…Trung bình một năm mỗi người chúng ta nhận một liều chiếu xạ tương đương khoảng 2,5 mili Sivert. Các nguyên tố phóng xạ hiện diện trên trái đất phát ra các bức xạ alpha, beta, gamma và các hạt nơtron.Tia alpha: Là chùm hạt nhân của nguyên tử Heli chuyển động với vận tốc 107 m/s.Tia beta: Chùm các hạt electron hoặc phản hạt electron (positron) chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Có hai loại tia β:Tia β+ gồm các phản hạt electron (positron) mang điện tích dương -1,6.10-19 CTia β- gồm các hạt electron mang điện tích âm -1,6.10-19 CTia gamma: Là bức xạ điện từ, có bước sóng 10-13 m, có tính chất vừa sóng vừa hạt giống tia X.Tia nơtron: Là chùm các hạt không mang điện tích….+ Khả năng xuyên thấu: Do năng lượng của chúng, các bức xạ ion hóa có khả năng xuyên thấu, nghĩa là có khả năng đi xuyên qua vật chất. Trong quá trình đi xuyên qua vật chất, các tia bức xạ truyền một phần năng lượng của mình cho các hạt vật chất của môi trường xung quanh, hoặc bị các hạt vật chất của môi trường xung quanh hấp thụ.  Tia α: sức xuyên thấu trong không khí kém, chỉ một tờ giấy mỏng cũng đủ để ngăn chặn các hạt nhân Heli. Tia β-: electron, có sức xuyên thấu kém, chỉ đi trong không khí được vài mét. Một lá nhôm vài milimet là có thể năng chặn các hạt electron. Tia β+: positron, không có khả năng xuyên thấu, chúng bị hấp thụ ngay tại chỗ khi gặp hạt electron đầu tiên trên đường đi của nó, positron sẽ bị phá hủy và tạo thành hai photon γ, do đó vấn đề trở thành vấn đề xuyên thấu của tia γ. Tia γ: Sức xuyên thấu lớn, tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Một lớp bê tông hay chì dầy có thể ngăn chặn được chúng. Nơtron: Sức xuyên thấu tùy thuộc vào năng lượng của chúng. Một lớp bê tông, nước, hay paraphin dày có thể ngăn được nơtron.Chiếu xạ tác động lên cơ thể con ngườikiểuchieêuếu ccccTùy theo cách mà bức xạ tác động lên cơ thể con người, người ta chia ra làm hai kiểu chiếu xạ: Chiếu xạ từ bên ngoài và chiếu xạ từ bên trong. Chiếu xạ từ bên ngoài: Nguồn chiếu xạ nằm ngoài cơ thể con người. Việc chiếu xạ xảy ra khi con người nằm trên đường đi của các tia bức xạ phát ra từ một thiết bị phát bức xạ hay các chất phóng xạ nằm bên ngoài cơ thể con người. Việc chiếu xạ có thể xảy ra đối với toàn bộ cơ thể hoặc đối với một phần cơ thể con người. Nó ngừng lại khi cơ thể con người không nằm trên đường đi của bức xạ nữa. Chiếu xạ từ bên trong: Chiếu xạ xảy ra khi chất phóng xạ nằm bên trong cơ thể, những chất này gây ra sự chiếu xạ từ bên trong. Các chất phóng xạ này có thể vào bên trong cơ thể con người bằng đường hô hấp, ăn uống, tổn thương da, sau đó la truyền bên trong cơ thể. Sự nhiễm xạ này chỉ hết khi chất phóng xạ bị đào thảo ra khỏi cơ thể do sự bài tiết và suy giảm cường độ phóng xạ. Chiếu xạ tác động lên cơ thể người Các hiệu ứng của bức xạ tử ngoại (mặt trời) đã được nhiều người biết. Nếu như với liều lượng nhỏ thì chúng gần như vô hại, nhưng nếu với liều lượng lớn, chúng có thể gây nguy hiểm. Ví dụ như phơi nắng quá lâu có thể gây nên hiện tượng cảm nắng, cháy da do tác dụng của các tia tử ngoại, nếu lâu ngày có thể gây nên ung thư da. Các bức xạ ion hóa góp phần vào việc ion hóa các phần tử trong cơ thể sống, tùy theo liều lượng nhận được và loại bức xạ, hiệu ứng của chúng có thể gây hại ít nhiều cho cơ thể. Có hai cơ chế tác động bức xạ lên cơ thể con người: Cơ chế trực tiếp: bức xạ trực tiếp gây iôn hóa các phân tử trong tế bào làm đứt gãy liên kết trong các gen, các nhiễm sắc thể, làm sai lệch cấu trúc và tổn thương đến chức năng của tế bào. Cơ chế gián tiếp: Khi phân tử nước trong cơ thể bị ion hóa sẽ tạo ra các gốc tự do, các gốc này có hoạt tính hóa học mạnh sẽ hủy hoại các thành phần hữu cơ trong tế bào, như các enzyme, protein, lipid trong tế bào và phân tử ADN, làm tê liệt các chức năng của các tế bào lành khác. Khi số tế bào bị hại, bị chết vượt quá khả năng phục hồi của mô hay cơ quan thì chức năng của mô hay cơ quan sẽ bị rối loạn hoặc tê liệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe. Hiệu ứng tức thời: Khi cơ thể nhận được một sự chiếu xạ mạnh bởi các bức xạ ion hóa, và trong một thời gian ngắn sẽ gây ra hiệu ứng tức thời lên cơ thể sống. Làm ảnh hưởng trực tiếp đến hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương. Các ảnh hưởng trên đều có chung một số triệu chứng như: buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác. Đối với da, liều cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét, đối với tuyến sinh dục gây vô sinh tạm thời, đối với mắt gây hư hại giác mạc, kết mạc. Hiệu ứng lâu dài: Chiếu xạ bằng các bức xạ ion hóa với liều lượng cao hay thấp đều có thể gây nên các hiệu ứng lâu dài dưới dạng các bệnh ung thư, bệnh máu trắng, ung thư xương, ung thư phổi, đục thủy tinh thể, giảm thọ, rối loạn di truyền... Bức xạ từ tia α khi đi vào cơ thể mô sống, chúng sẽ bị hãm lại một cách nhanh chóng và truyền năng lượng của chúng ngay tại chỗ. Vì vậy với cùng một liều lượng như nhau, nhưng tia α nguy hiểm hơn so với các tia β, γ là các bức xạ đi sâu vào sâu bên trong cơ thể và truyền từng phần năng lượng trên đường đi.  Hiệu ứng sinh học của bức xạ Tác dụng sinh học của điều trị tia xạ Cấu tạo tế bào của cơ thể người Cơ thể người cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não,… Các cơ quan được cấu tạo từ các mô như mô mỡ, da, xương …Các mô được cấu tạo từ các tế bào. Tế bào là đơn vị sống cơ bản, kích thước tế bào khoảng 20micromet. Trong cơ thể con người có khoảng 1013 đến 1014 tế bào. Tương tác giữa các bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn dẫn đến ung thư. Tế bào gồm có một nhân ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương, bao bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào. Mỗi bộ phận thực hiện chức năng riêng rẽ. Màng tế bào thực hiện chao đổi chất với môi trường ngoài. Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phần tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa), hay tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào. Trong nhân có ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thực hiện sự tổng hợp chất. ADN cũng chứa thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Tác dụng của sinh học chính của bức xạ là sự phá hỏng ADN của tế bào. Hình 1.1 Cấu tạo tế bào của cơ thể người Cơ sở sinh học của điều trị tia xạ Năm (1943), tác giả Albert Bechem đã xuất bản cuốn sách “các nguyên tắc liều lượng Radium, và tia X”, được xem là cơ sở sinh học phóng xạ: Vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ hơn. Các tế bào cơ thể trong giai đoạn phân chia nhạy cảm với tia xạ nhất. Ngày nay ta còn áp dụng phương pháp tăng Oxy, tăng nhiệt ở vùng chiếu tia. Để đề ra các kỹ thuật chỉ định tia xạ, người ta dựa trên các pha “phase” phân chia của tế bào, trên sự phản ứng của các chất gian bào, hình 1-2 (trong việc bảo vệ các tổ chức lành). Tất cả các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tại khối u, giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh. Muốn vậy phải dựa trên sự khác nhau về độ nhạy cảm tia xạ của các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào cụ thể. Tế bào biệt hóa kháng tia hơn loại không biệt hóa. Phân bố hợp lý tổng liều điều trị và liều lượng mỗi lần chiếu. Chu kỳ sinh sản tế bào: Sự tổng hợp S (Sythesis). Phân chia M (Mitotic). Sau phân chia G1: + S: Pha này kéo dài từ 1,5 36h, trung bình 8h, kháng tia. + G2: 30 1,5h + M: 30 2,5h nhạy cảm tia nhất. + G1: Kéo dài hàng tháng. Chu kỳ sinh sản của tế bào được đưa trong hình 1-2. Hình1.2 Chu kỳ sinh sản của tế bào. Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủ yếu thông qua các quá trình ion hóa. Kết quả của quá trình ion hóa trong tế bào là tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bị biến đổi hoặc bị tiêu diệt. Đối với con người, cấu tạo mô cơ thể chủ yếu là nước. Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành các cặp H+ và OH-, các ion này bị kích thích lại tạo ra các ion khác,… năng lượng của bức xạ khi đi qua cơ thể người càng lớn thì số lượng ion tạo ra càng nhiều. Các ion này gây ra phản ứng rất mạnh, tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học phổ biến Là protein, lipit, ADN làm cho cấu trúc của phân tử này bị sai hỏng gây ra những hậu quả: * Kìm hãm hoặc ngăn cản sự phân chia tế bào * Làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết hoặc bị biến đổi chức năng hoặc gây đột biến gen, đó là do các tổn thương sau đó có thể làm mất hoặc xắp xếp lại các vật chất di truyền trên phân tử ADN * làm chết tế bào. Trong đó quá trình làm chết tế bào là quá trình quan trọng nhất trong việc điều trị ung thư. Tương tác của bức xạ ion hóa với cơ thể sống Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng ion hóa, tạo ra các cặp ion hóa có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào làm cho các tế bào bị biến đổi hay hủy diệt. Trên cơ thể con người chủ yếu (>85%) là nước. Khi bị chiếu xạ H2O trong cơ thể phân chia thành H+ và OH -. Bản thân các cặp H+, OH- này tạo thành các bức xạ thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, sự phân chia tế bào sẽ chậm đi hoặc dừng lại. Tác dụng trực tiếp của tia xạ lên sự phá hủy diệt tế bào chỉ vào khoảng 20%. Còn lại chủ yếu là do tác dụng gián tiếp. Năng lượng và cường độ bức xạ khi đi qua cơ thể con người nói riêng hay đi qua cơ thể sinh vật nói chung giảm đi do sự hấp thụ năng lượng của các tế bào. Sự hấp thụ năng lượng của tế bào thường dẫn tới hiện tượng ion hóa các nguyên tử của vật chất sống và hậu quả là tế bào bị phá hủy. Nói chung năng lượng của bức xạ càng lớn, số cặp ion hóa do chúng tạo ra càng nhiều. Thông thường các hạt mang điện có năng lượng như nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốc của hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa có thể khác nhau. Tia anpha thường có vận tốc nhỏ hơn tia bêta nhưng lại có khả năng ion hóa nhanh hơn. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình này 1. Sự ngăn cản phân chia tế bào: tế bào có thể sinh ra và nhân lên về số lượng trong quá trình phân chia tế bào. Đây là một chức năng cơ bản của một cơ thể sống bất kỳ. Ngay ở cơ thể người lớn, quá trình phân chia tế bào vẫn thường xuyên diễn ra để thay thế cho các tế bào đã chết. Những chỗ tổn thương do bức xạ có thể kìm hãm hoặc ngăn cản quá trình phân chia tế bào, và như vậy làm suy yếu chức năng của tế bào và cơ thể. 2. Sự sai sót của nhiễm sắc thể: Bức xạ có thể phá hủy nhiễm sắc thể. Đa số các trường hợp tổn thương thường được hàn gắn và không có hậu quả gì gây ra. Tuy nhiên trong một số tổn thương có thể làm mất hoặc xắp xếp lại các vật chất di truyền, những bộ phận này có thể quan sát được qua kính hiển vi. Những sự cố như vậy được gọi là những sai sót của nhiễm sắc thể. Những sai sót xác định có thể làm chết tế bào hoặc biến đổi một chức năng của tế bào. Tần số xuất hiện kiểu sai sót của nhiễm sắc thể có một mối tương quan xác định đối với liều lượng và do đó người ta có thể sử dụng chúng như là những liều lượng kế sinh học. 3. Đột biến gen: Sự thay đổi lượng thông tin trong gen được biết với thuật ngữ biến đổi gen. Sự hỏng hóc của nhiễm sắc thể có thể dẫn đến đột biến gen. 4. Sự chết của tế bào: Quá trình chiếu xạ có thể làm chết tế bào hoặc có thể dẫn tới tất cả hiệu ứng trên. Quá trình chết tế bào là quá trình quan trong nhất trong điều trị bệnh ung thư. Quá trình này thường được biểu diễn bằng tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu một một liều xác định. Hiệu ứng – liều đối với tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu được biểu diễn trên hình 1-3 . Ở mức liều thấp, đường cong có một đoạn suy giảm chậm. Khoảng này tương ứng với khả năng tự phục hồi của tế bào bị tổn thương. Hình 1.3 Mối tương quan giữa hiện tượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót [6] Tuy nhiên ở liều cao hơn, khả năng sửa chữa của tế bào đạt ở mức bão hòa, tỷ lệ sống sót giảm rất nhanh theo quy luật hàm mũ. Hình 1-4 chỉ sự phụ thuộc độ sai sót của nhiễm sắc thể vào liều lượng. Các mối tương quan hiệu ứng - liều tương tự cũng quan sát thấy đối với hiệu ứng đột biến. Tùy theo liều lượng bức xạ do cơ thể hấp thụ ít hay nhiều mà các biến đổi nói trên có thể được phục hồi. Ngoài các yếu tố liều lượng, tác hại của bức xạ còn phụ thuộc vào yếu tố thời gian. Cùng với một liều lượng bức xạ, nếu cơ thể hấp thụ làm nhiều lần, thì các biến đổi về bệnh lý ít xảy ra hơn so với trường hợp hấp thụ ngay một lúc. Nguyên nhân này liên quan tới khả năng tự phục hồi của tế bào ở cơ thể sống. Hình 1.4 Mối tương quan giữa liều hấp thụ và sai sót của nhiễm sắc thể Các đơn vị đo liều bức xạ Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ nào đó chính là số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian. Nếu trong một lượng chất phóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, thì hoạt độ phóng xạ của nó được tính theo công thức sau hay A = l. N (1.14) Trong đó: A là hoạt độ phóng xạ, l là hằng số phân rã phóng xạ, N là số hạt nhân phóng xạ hiện có. Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel, viết tắt là Bq. Một Becquerel tương ứng với một phân rã trong 1 giây. Trước kia, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Curie, viết tắt là Ci. Curie là hoạt độ phóng xạ của 1 gam226Ra, tương ứng với 3,7.1010 phân rã trong một giây. Theo định nghĩa, Becquerel và Curie có mối liên hệ như sau: 1Ci = 3,7.1010Bq. Liều chiếu và suất liều chiếu a. Liều chiếu Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, còn môi trường chiếu xạ là không khí. Liều chiếu ký hiệu là X, được xác định theo công thức: (1.15) Trong đó: dm là khối lượng không khí tại đó chùm tia X hoặc chùm bức xạ gamma bị hấp thụ hoàn toàn, kết quả tạo ra trên dm tổng các điện tích cùng dấu là dQ. Trong hệ đo SI, đơn vị đo liều chiếu là Coulomb trên kilôgam, viết tắt là C/kg. Coulomb trên kilôgam được định nghĩa như sau: "1 C/kg là liều bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1kilôgam không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó 1 Coulomb ion cùng dấu". Ngoài đơn vị C/kg, trong kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị đo liều chiếu là Rơnghen, viết tắt là R. Theo định nghĩa Rơnghen là một lượng bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó tổng điện tích của các ion cùng dấu là 2,58.10-4C. Theo định nghĩa có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilôgam sang Rơnghen theo tỷ lệ như sau: 1R = 2,58.10-4 C/kg. b. Suất liều chiếu Suất liều chiếu chính là liều chiếu trong một đơn vị thời gian. Suất liều chiếu, ký hiệu là được xác định theo công thức: (1.16 ) Trong đó X là liều chiếu trong thời gian t. Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s. Tuy nhiên trong thực nghiệm đơn vị đo suất liều chiếu thường dùng là Rơnghen/giờ. Rơnghen/giờ được ký hiệu la R/h, thông thường suất liều chiếu thường dùng nhiều hơn cả là mR/h. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ Liều hấp thụ Thực tế cho thấy những sự thay đổi trong môi trường chiếu xạ phụ thuộc chủ yếu vào liều hấp thụ và liều tương đương. Với khái niệm liều hấp thụ và liều tương đương, cho phép mở rộng đối tượng bức xạ nghiên cứu và môi trường chiếu xạ. Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trường chiếu xạ là không khí. Còn liều hấp thụ và liều tương đương sẽ áp dụng cho các loại bức xạ ion hóa khác nhau và môi trường được chiếu xạ khác nhau. Liều hấp thụ ký hiệu là D, được định nghĩa là thương số , trong đó dE là năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất môi trường có khối lượng là dm. Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là June/kilôgam, viết tắt là J/kg. 1 J/kg là lượng bức xạ chiếu vào môi trường chiếu xạ sao cho chúng truyền cho 1kg môi trường vật chất đó một năng lượng là 1J. Trong thực tế, ngoài đơn vị đo liều hấp thụ là J/kg, người ta còn dùng đơn vị là Gray viết tắt là Gy và Rad để đo liều hấp thụ. Rad được viết tắt từ: “Radiation absorbed dose”. Chuyển đổi từ J/kg sang Rad hoặc Gray và ngược lại theo tỷ lệ sau [8,10]: 1Gy = 1J/kg 10-2 J/kg = 1rad. 1 Gy = 1J/kg = 102 rad. Qua các định nghĩa trên về liều hấp thụ và liều chiếu, nhận thấy giữa liều hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ với nhau. Với loại bức xạ ion hóa xác định, môi trường chiếu xạ cho trước, thì liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu. Liều hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ nhau theo công thức sau: D = f.X (1.17) Trong đó D là liều hấp thụ, X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ f thực chất là hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ. Giá trị của f tùy thuộc vào môi trường chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tương ứng. Đối với không khí, hệ số tỷ lệ f = 0,869 còn trong cơ thể con người hệ số tỷ lệ f = 0,869. b. Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ chính là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Suất liều hấp thụ được xác định theo công thức: (1.18) Trong đó D là liều hấp thụ trong thời gian t. Đơn vị đo suất liều hấp thụ là Gy/s hay rad/s. Liều tương đương và suất liều tương đương a. Liều tương đương Với liều hấp thụ D cho trước, hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ được sử dụng, điều kiện chiếu xạ, khoảng thời gian chiếu xạ. Đối với một sinh vật cho trước, để gây ra một tổn thưong xác định, trong các lần chiếu khác nhau thì cần một liều hấp thụ khác nhau. Khi đánh giá ảnh hưởng của bức xạ đến hiệu ứng sinh học, thay cho liều hấp thụ ta dùng liều tương đương, ký hiệu là H. Với một loại bức xạ và môi trường sống xác định, liều tương đương tỷ lệ với liều hấp thụ. Liều tương đương và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau: H = QND Trong đó: D là liều hấp thụ tính bằng rad còn H là liều tương đương tính bằng rem; Q là hệ số phẩm chất của bức xạ còn N là hệ số tính đến các yếu tố khác nhau như sự phân bố của liều chiếu. Hệ số phẩm chất Q dùng trong an toàn bức xạ đánh giá ảnh hưởng của các loại bức xạ lên đối tượng sinh học, cho biết mức độ nguy hiểm của từng loại bức xạ đối với cơ thể sống. Giá trị hệ số phẩm chất do ICRP khuyến cáo được cho trong Bảng 1.1. Bảng 1.1. Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ Loại bức xạ và năng lượng Hệ số phẩm chất Q Bức xạ gamma và tia X với mọi năng lượng 1 Electrôn với mọi năng lượng 1 Nơtrôn năng lượng nhỏ hơn 10keV 5 Nơtrôn năng lượng từ 10keV đến 100keV Từ 10 đến 20 Nơtrôn năng lượng từ 100keV đến 2MeV 20 Nơtrôn năng lượng từ 2 MeV đến 20MeV 10 Nơtrôn năng lượng lớn hơn 20MeV Từ 5 đến 10 Proton năng lượng nhỏ hơn 2 MeV Từ 3 đến 5 Proton năng lượng lớn hơn 2 MeV 5 Hạt alpha và hạt nặng, mảnh phân chia 20 Trong hệ SI, đơn vị đo liều tương đương là Sievert, kí hiệu là Sv. Đối với bức xạ gamma, tia X và electron nếu liều tương đương là 1Sv. Từ công thức 1.18 nếu D đo bằng rad, thì H đo bằng rem, còn nếu liều hấp thụ đo bằng Gy thì liều tương đương được tính ra rem. Vì 1Gy = 100Rad, nên theo biểu thức (1.18) suy ra 1Sv = 100 rem. Như vậy, với cùng một đối tượng chiếu xạ và liều hấp thụ như nhau chẳng hạn D = 100 rad, khi bức xạ chiếu là tia gamma liều hiệu ứng sinh học tương đương là 100rem, còn với nơtron nhanh liều tương đương sẽ là 1000 rem. b. Suất liều tương đương Suất liều tương đương chính là liều tương đương trong một đơn vị thời gian. Suất liều tương đương ký hiệu được xác định theo công thức: (1.20) Trong đó t là thời gian, H là liều tương đương mà cơ thể sống nhận được trong thời gian t. Đơn vị đo suất liều tương đương là Sv/s hoặc Sv/h. Với suất liều chiếu gamma cho trước, liều hiệu dụng tương đương tỷ lệ thuận với thời gian chiếu. Giữa liều hiệu dụng tương đương và suất liều chiếu liên hệ với nhau theo công thức sau: H = f.Q.N..t (1.21) Trong đó f là hệ số tỷ lệ tùy thuộc vào môi trường, với không khí f = 0,869; Q là hệ số phẩm chất; N là hệ số tính đến điều kiện chiếu và độ đồng đều khi chiếu, t là thời gian chiếu; là suất liều chiếu; H là liều hiệu dụng tương đương. Liều giới hạn Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm mà người làm việc trực tiếp với bức xạ hạt nhân có thể chịu được, sao cho nếu bị chịu một liều hấp thụ tích lũy liên tục như vậy trong nhiều năm liên tục vẫn không ảnh hưởng đến sức khỏe của bản thân. Liều hấp thụ cho phép còn phụ thuộc vào độ tuổi. theo quy định chung về luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở nên mới được làm việc trong cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân. ICRP đã khuyến cáo công thức tính liều hấp thụ tích lũy cho phép trong một năm đối với nhân viên, chuyên viên làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ trong một năm như sau. D = 50(N – 18) mSv hay D = 5(N – 18) rem Trong đó: N là độ tuổi của nhân viên chuyên nghiệp N 19, D là liều hấp thụ tích lũy trong một năm. Tính trung bình, liều tích lũy cho phép là D = 50 mSv/năm. Đối với các đối tượng khác liều hấp thụ cho phép giảm 10 lần. Giá trị liều hấp thụ tích lũy toàn thân cho phép D được các cơ quan ICRP khuyến cáo tại các thời điểm khác nhau, được cho ở bảng 1. 2 Bảng 1.2 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc với bức xạ tại thời điểm khác nhau. Giới hạn liều Thời gian đề nghị Cơ quan đề nghị 150 mSv/năm 1950 ICRP 50 mSv/năm 1977 IRCP 20 mSv/năm 1990 IRCP Các phương pháp xạ trị Có hai phương pháp xạ trị phổ biến đã và đang được sử dụng là xạ trị ngoài hay còn gọi là xạ trị từ xa và xạ trị trong (còn gọi là xạ trị áp sát). Xạ trị trong hay còn gọi là xạ trị áp sát là kỹ thuật xạ trị mà khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến các khối u là rất nhỏ. Trong phương pháp này người ta sử dụng các nguồn phóng xạ có dạng kim, dạng ống, tube để đưa sát lại vùng có khối u. Xạ trị ngoài hay còn gọi là xạ trị từ xa là phương pháp xạ trị mà nguồn phát tia ở cách bệnh nhân một khoảng nào đó. Đây là phương pháp rất phổ biến trong điều trị ung thư hiện nay. Phương pháp này được tiến hành với chùm photon từ nguồn phát như nguồn Co60 hoặc chùm phát tia X năng lượng cao được tạo bởi chùm electron đã được gia tốc bởi máy gia tốc tuyến tính lái cho đập vào bia, cũng có thể dùng trực tiếp chùm electron đã được gia tốc phát ra từ máy gia tốc. Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc Kỹ thuật xạ trị tư xa trước đây thường được sử dụng những thiết bị tạo chùm tia photon là loại máy Cobalt, máy phát tia X. Đây là những loại máy đơn giản cho năng lượng chùm tia tạo ra không cao. Trong đó máy Cobalt được ứng dụng rộng rãi nhất. Ở Việt Nam, máy gia tốc trong xạ trị được đưa vào sử dụng đầu tiên vào tháng một năm 2001, tại Bệnh viện Ung Thư Trung Ương tạo ra hiệu quả điều trị ung thư rất cao, hầu hết bệnh nhân điều trị đều cho kết quả điều trị rất tốt. Được sử dụng để điều trị ung thư vú, ung thư vòm họng, ung thư cổ tử cung, phổi, não, xoang, hàm, ung thư da, … Bất lợi lớn nhất của phương pháp xạ trị này là chi phí mua sắm, xây dựng cơ bản và bảo dưỡng hàng năm rất lớn. Giá trị một chiếc máy gia tốc khoảng 21 tỉ đồng, thời hạn sử dụng khoảng 15 năm. Tại Mỹ điều trị theo phương pháp này bệnh nhân phải trả 30 000 USD. Đồng thời, để hỗ trợ cho xạ trị cần đến các công đoạn chụp X quang, chụp cắt lớp CT, MRI, … để xác định chu vi, thể tích, vị trí khối u để lập kế hoạch điều trị chính xác. Quy tắc bảo vệ phóng xạ Bảo vệ phóng xạ là một tập hợp các biện pháp để bảo vệ sức khỏe dân chúng và những người làm việc với bức xạ. Ba nguyên tắc để bảo vệ con người chống lại các nguồn bức xạ: + Tránh xa các nguồn bức xạ vì cường độ bức xạ giảm dần theo khoảng cách. + Đặt một hay nhiều tấm chắn giữa các nguồn bức xạ với con người (ví dụ trong công nghiệp hạt nhân, nhiều tấm chắn được sử dụng để bảo vệ các nhân viên làm việc. Đấy là những bức tường bê tông, vách ngăn bằng chì hay thủy tinh đặc biệt pha chì…). + Giảm tối thiểu thời gian chiếu xạ.Đối với các nguồn phóng xạ phát ra bức xạ, có thêm các biện pháp bổ sung: + Chờ đợi, nếu có thể, sự suy giảm tự nhiên của hoạt độ phóng xạ các nguyên tố phóng xạ. + Sử dụng phương pháp pha loãng: khi làm việc với các chất khí phóng xạ.  Ví dụ các cơ sở hạt nhân không phá dỡ ngay sau khi ngừng hoạt động mà chờ cho hoạt độ phóng xạ giảm dần theo thời gian. Trong các hầm lò khai thác Uran, mọi sự thông hơi hữu hiệu cho phép nồng độ Radon thấp trong không khí. Những nhân viên làm việc với các nguồn bức xạ có thể bị chiếu các tia bức xạ ion hóa trong quá trình làm việc, cần phải mang “phim” hoặc thiết bị đo cường độ phóng xạ bên người. Các thiết bị ngay cho phép cảnh báo, đảm bảo cho người mang không phải nhận một liều chiếu xạ lớn hơn tiêu chuẩn cho phép và đánh giá mức độ nghiêm trọng của việc chiếu xạ. Hình 1.5 Mô hình hệ thống xạ trị cơ bản Bài tập C1. Trình bày mẫu hành tinh nguyên tử của Rơ-dơ-pho. C2. Em hiểu thế nào là các trạng thái có năng lượng hoàn toàn xác định? C3. Em hiểu thế nào là các quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định? C4. Nếu phôtôn có năng lượng lớn hơn hiệu En – Em thì nguyên tử có hấp thụ không?