phuong phap ky thuat short

Thí dụ nước nặng mà nguyên tử H trong đó là đvpx H-2 deuteri hay H-3 triti thì cơ thể vẫn dùng nhưng chỉ có điều là uống nước đó một thời gian sẽ chết  là chất phóng xạ chuyên biệt được

TÓM TẮT BÀI “ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LÝ KỸ THUẬT TRONG Y

KHOA”

Ứng dụng bức xạ ion hóa trong y khoa

Hai ứng dụng chính

 Trong chẩn đoán hình ảnh : phương pháp đánh dấu phóng xạ Đưa đồng vị phóng xạ

vào cơ thể (với mức độ và liều lượng tương đối an toàn) đề làm chất đánh dấu phóng

xạ Các thiết bị đo bên ngoài sẽ thu được hình ảnh phân bố các chất đánh dấu này trong

cơ thể (xạ hình) để dùng trong chẩn đoán, theo dõi các quá trình trao đổi chất Tùy mục đích người ta dùng các chất phóng xạ khác nhau

Lưu ý : Chất đánh dấu phóng xạ đưa vào cơ thể có thể là uống tiêm hoặc thở Có hai loại:

 bản thân nó cấu thành nên các phân tử, có tham gia vào các quá trình chuyển hóa trong cơ thể nhưng nó là đồng vị phóng xạ ( như đvpx H, C, P, I…) Các phân tử này được tổng hợp nhân tạo Cơ thể không phân biệt được đồng vị bền hay Đvpx

do đó các phân tử được tổng hợp nhân tạo này tham gia bình đẳng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể Thí dụ nước nặng mà nguyên tử H trong đó là đvpx H-2 (deuteri) hay H-3 (triti) thì cơ thể vẫn dùng nhưng chỉ có điều là uống nước đó một thời gian sẽ chết

 là chất phóng xạ chuyên biệt được “gắn” vào phân tử của các chất tham gia các quá trình chuyển hóa trong cơ thể (như Technetium, Thalium, Fluor…)

Yêu cầu: Chất đánh dấu phải có chu kì bán rã ngắn để đào thải nhanh khỏi cơ thể

 Phương pháp xạ trị : dùng tia phóng xạ diệt tế bào ung thư …(xem lại mục “độ nhạy

cảm phóng xạ”)

Phương pháp PET CT

PET – Positron Emission Tomography: chụp cắt lớp dùng bức xạ positron

Chất đánh dấu phóng xạ là đvpx

Fluor F-18 phát ra hạt positron (kèm theo một hạt neutrino) là phản hạt của electron Hạt

positron này sau khi phát ra từ đvpx đi được một quãng ngắn (dài nhất là vài mm) thì chắc chắn sẽ gặp một electron và xảy ra phản ứng hủy hạt e+ + e- = 2 tia γ Năng lượng của các tia

γ này là xác định, tính theo công thức hf = mc2 = 511keV , ở đây m là khối lượng electron 9,1.10-31 kg (cũng là khối lượng positron) Phương hướng của 2 tia γ này cũng đặc biệt, cùng phương và đối xứng hoàn toàn (xem hình minh họa)

F-18 cần phải được gắn với một chất tham gia vào quá trình trao đổi chất của cơ thể Người

ta đã nghĩ ra cách gắn F-18 vào một chất tương tự glucose, chất thu được là

fluordeoxyglucose-18 (FDG)

Chất này có đặc điểm là cũng tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào để tạo ra ATP,

(Tham khảo : không hoàn toàn như quá trình đường phân đối với glucose, quá trình chuyển

hóa FDG tạo ATP với hiệu suất rất thấp)

Phương pháp SPECT (Single-photon emission computed tomography) - Chụp cắt lớp dùng bức xạ gamma

Dùng chất đánh dấu phát ra tia gamma, rất phổ biến là Tc-99m (Technetium- 99m) Chất này được gắn vào với một loại thuốc và được tiêm vào cơ thể Như vậy thuốc ở đâu thì ta đều biết nhờ tia gamma phát ra từ Tc-99m gắn với thuốc  dùng gamma camera thu hình ảnh phân bố thuốc đó trong cơ thể  tình trạng hoạt động của các cơ quan như tim, não, …

Phương pháp quang phổ hấp thụ

Tự đọc (bài thực tập)

Phương pháp hiển vi

Độ phóng đại của KHV quang học

• Độ bội giác = độ phóng đại góc = độ phóng đại của KHV =độ phóng đại dài của vật kính x độ phóng đại góc của thị kính

2 1

0 2

0

f f

l f

l f















 ∆

=

Khả năng phân ly của kính hiển vi

• Giới hạn phân giải của KHV là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm mà KHV có khả năng phân biệt được Giới hạn phân giải càng nhỏ thì khả năng phân ly càng cao

• Khả năng phân ly bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ Ảnh của hai điểm sáng là hai vòng tròn sáng, nếu quá gần nhau sẽ hòa làm một

• Người ta đã chứng minh được kính hiển vi chỉ phân ly được hai điểm sáng cách nhau

một khoảng l min là:

θ

λ

sin 61 , 0

min

n

l =

• Trong đó n là chiết suất môi trường giữa vật quan sát và vật kính, θ là góc nhìn vật kính từ vật (coi như vật là một điểm), λ là bước sóng ánh sáng

• Khả năng phân ly của kính hiển vi S là đại lượng nghịch đảo của l min (giới hạn phân giải)

min

1

l

S =

• Tăng khả năng phân ly = cách tăng n (thí dụ: vật kính và tiêu bản chìm trong dầu  tăng k/n phân ly đến 3, 4 lần )

• Cách khác hiệu quả hơn là giảm λ

Kính hiển vi điện tử

• Từ công thức l min khi chiếu sáng kính hiển vi bằng ánh sáng có bước sóng λ chỉ có thể phân giải được các điểm cách nhau vào khoảng λ  Cho dù có giảm f của các thấu kính thì cũng không thể nhìn được rõ đối tượng nhỏ hơn lmin

• Muốn tăng khả năng phân ly cần giảm λ đáng kể

• Trong KHV điện tử người ta thay chùm ánh sáng bằng chùm electron trong môi trường

là chân không electron được gia tốc = điện trường

• Chùm electron chuyển động cũng có tính chất sóng và bước sóng λ (bước sóng liên kết) là:

v e m

h

=

λ

• Gia tốc điện tử bằng điện trường có thế hiệu U thì

2

2

1

v e m U

e

U e m

h

λ

• Như vậy tăng U  giảm λ

• KHV điện tử dùng thấu kính “từ” là các nam châm điện làm lệch hướng chùm điện tử, dòng electron chuyển động cũng là các dòng điện nên bị lực từ trường tác động khúc xạ chùm điện tử

• Tương tự như trong KHV quang học, tia của dòng electron bị vật chất (của đối tượng cần quan sát) chắn lại (hấp thụ,…) thì không đi tiếp, các tia không bị chắn thì đi tiếp và bị khúc xạ khi qua các thấu kính từ  tạo ảnh được phóng đại

Phương pháp chiếu chụp bằng tia X

Nguyên lý phát tia X

Trong bóng phát tia X dòng điện tử từ ca-tốt được gia tốc có v cực lớn đập vào a nốt như một tấm bia làm phát ra các tia X Tia X phát ra từ “bia” có hai bản chất

Bức xạ hãm

- bức xạ hãm gồm tất cả các tia X có các bước sóng khác nhau tạo thành dải phổ liên tục Bản chất: các điện tử bị hãm lại khi đi gần hạt nhân kim loại làm “bia”, chúng mất động năng nhiều ít khác nhau  phần động năng mất mát biến thành photon thuộc bức xạ hãm có năng lượng E = hf =h.c/λ

- Năng lượng photon của bức xạ hãm không thể vượt quá động năng lớn nhất của điện tử khi tới anode EKmax = qe.U (K-A)  Bước sóng ngắn nhất của bức xạ hãm λmin = h.c/EKmax Tức là λmin phụ thuộc U (K-A)

Bức xạ đặc tính

- bức xạ đặc tính gồm các tia X có bước sóng xác định tạo thành các đỉnh nổi vượt lên hẳn trên phổ bức xạ tia X

- Bản chất: do hiệu ứng quang điện Đọc thêm : Điện tử từ ca tốt bắn phá nguyên tử

anode làm điện tử quĩ đạo mức năng lượng thấp của chất làm anode (bia) bị bật ra Điện tử quĩ đạo khác mức năng lượng cao hơn lại nhảy vào lấp chỗ trống Trong khi điện tử nhảy xuống từ mức năng lượng cao hơn xuống mức năng lượng thấp hơn thì giải phóng năng lượng ∆E = hf dưới dạng tia X tạo thành các đỉnh bức xạ đặc tính trên phổ

- Giá trị các λ đặc tính phụ thuộc bản chất kim loại làm anod

Các phương pháp chiếu chụp = tia X

Dùngtính chất hấp thụ chùm tia X của đối tượng được chụp để thu hình ảnh

2 phương pháp :Chụp cổ điển Chụp cắt lớp ( CT)

Chụp cắt lớp CT

 Dùng nhiều tia X trong một chùm tia dẹt, hình rẻ quạt quét qua một lát mỏng trên đối tượng chụp



 chùm tia X dẹt đi qua một lát cắt có chiều dày, lát cắt được chia thành các khối chữ nhật gọi là voxel (xem hình dưới) Mặt phẳng của lát cắt tương ứng được chia thành các pixel giống ma trận, mỗi pixel trên hình ảnh phẳng sẽ đặc trưng cho sự hấp thụ tia X của một voxel

 Mỗi tia X trong chùm đi qua một dãy các voxel trên lát căt, bị hấp thụ, yếu đi Tia X ló ra đập vào một cảm biến tia X nhất định (bố trí trên vành tròn) cho biết cường độ mạnh yếu tia ló cho ta biết tổng độ hấp thụ của một dãy voxel mà nó đi qua

 Coi độ hấp thụ tia X của mỗi voxel trên lát cắt là một ẩn số

 Mỗi tia X đi qua một dãy các voxel  ta thu được một phương trình bậc 1

 Các tia X của chùm rẻ quạt ló ra được các cảm biến tương ứng đo được cho ta nhiều phương trình bậc 1 có các ẩn số là độ hấp thụ tia X của các voxel

 Chùm tia rẻ quạt lại được quay quanh đối tượng chụp  rất nhiều phương trình bậc 1

 Máy tính xử lý tất cả các phương trình bậc 1 đó và tìm được các ẩn số là độ hấp thụ tia X của từng voxel trên lát cắt Trên hình ảnh 2D của mặt phẳng lát cắt, độ đậm nhạt các pixel cho ta biết độ hấp thụ các voxel tương ứng

 Các dữ liệu của nhiều lát cắt nối tiếp nhau sẽ cho hình ảnh 3D

Một số điểm cần lưu ý

Độ nét ≠ độ phân giải ≠độ tương phản

• Độ phân giải cho biết đơn vị nhỏ nhất phân biệt được của đối tượng chụp có kích thước là bao nhiêu (ảnh chụp chia ra càng nhiều pixel-voxel càng có độ phân giải cao)

• Độ tương phản phản ánh sự khác biệt về màu sắc, đậm nhạt giữa hai vùng có bản chất khác nhau trong đối tượng chụp Tăng độ tương phản = cách đưa vào một số chất cản quang có độ hấp thụ tia X cao

• Độ nét phản ánh tính rõ ràng của các đường ranh giới của các vùng trong đối tượng Thuật ngữ:

Tỷ trọng quang tuyến X (viết tắt TTQT)= mật độ quang tuyến X = đại lượng phản ánh độ hấp thụ mạnh yếu tia X của vật chất Đây thực chất cũng là mật độ quang học của vật chất nhưng đối với tia X (xem bài quang phổ hấp thụ)

 Trong chụp CT, voxel có TTQT càng lớn tia X bị hấp thụ càng nhiều

 Đơn vị của tỷ trọng quang tuyến trong chụp CT là Housfield viết tắt là HU

 Người ta qui ước nước tinh khiết có TTQT là 0 HU, không khí là -1000 HU, trong cơ thể xương sọ hấp thụ tia X mạnh nhất qui ước là 1000 HU

 Các giá trị TTQT khác nhau được mã hóa thành màu đậm nhạt trên bậc thang xám để thu được hình ảnh CT đen trắng, (Ngày nay người ta chia các cấu trúc cơ thể đến tận 4000 mức độ TTQT)

 Nếu mã hóa TTQT từ nhỏ nhất đến lớn nhất của cơ thể theo bậc thang xám có nghĩa là không khí -1000 HU là đen (nhất), xương sọ +1000 HUlà trắng (nhất), thì một số bộ phận có TTQT khác nhau đáng kể nhưng trên hình ảnh đen trắng mắt người lại không phân biệt được

 Nhưng bề rộng của dải tỷ trọng quang tuyến của một bộ phận so với toàn bộ cơ thể hẹp hơn nhiều, nên ta chọn điểm giữa của mỗi cửa sổ là số đo TTQT trung bình cấu trúc cần khám xét TTQT nhỏ nhất và lớn nhất của một bộ phận nhất định sẽ có màu đen nhất và màu trắng nhất trên bậc thang xám Như thế bậc thang xám đối với cấu trúc ta quan tâm được chia thành

ít mức độ hơn, thích hợp với khả năng phân biệt của mắt người Từ đó ta có thể có hình ảnh

có độ tương phản cao ở các nơi khác nhau trong cơ thể bằng cách chọn cửa sổ tương ứng dải TTQT của bộ phận.

Phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân

Dưới đây chúng ta chỉ xét hạt nhân đơn giản nhất là hạt nhân Hydro là proton

• Hạt nhân tự quay quanh trục(spin - quay)mỗi hạt nhân có vector moment từ µ (giống nam châm)

• Hướng các nam châm (hay moment từ) này hoàn toàn hỗn loạn Chúng đều nằm ở một mức năng lượng

•

•

• Trong từ trường B0 phương các vector µ (các nam châm con) này sắp xếp lại trật tự, gần song song B0, khoảng một nửa có cùng hướng B0tức có hướng song song, một nửa ngược hướngB0 tức có hướng đối song

• Về mặt năng lượng, các hạt nhân có µ song song ở mức năng lượng cao hơn hạt nhân

có µ đối song B0

• Chênh lệch mức năng lượng giữa hai loại là ∆E = kB0 – trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc loại hạt nhân ; B0 rất lớn

• Chênh lệch tổng số 2 loại hạt nhân này là ∆N, đối song nhiều hơn song song một chút

N(E cao )/ N(E thấp ) = exp(- ∆E/ kT) (xem hình minh họa để có khái niệm về ∆N)

•

Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân:

• Khi được đặt trong từ trường B0 , các hạt nhân của vật chất hấp thụ mạnh đột biến (hấp thụ chọn lọc) các photon có ε = hf0 =∆E, quá trình kèm theo t hạt nhân nhảy từ mức thấp lên mức cao hơn  hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

• Photon gây cộng hưởng từ hạt nhân có tần số thuộc dải sóng radio f 0= ∆E /h = kB0/h

• Trong trường hợp của proton là hạt nhân của H-1 đang xét đến, photon gây cộng hưởng khi từ trường ngoài B0 = 1 Tesla sẽ có tần số f0 = 42.58MHz

Nguyên lý phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân

• Đối tượng ( cơ thể )cần chụp 2D, 3D các cấu trúc bên trong được đặt trong từ trường tĩnh cực manh B0 giá trị 0.5 – 2 Tesla So sánh: từ trường trái đất 5.10 - 5 Tesla

• Chiếu sóng radio có tần số thích hợp vào đối tượng để tạo ra hiện tượng cộng hưởng

từ hạt nhân của các proton của nguyên tử Hydro trong đối tượng (nước, chất béo, protein,…)

• Tắt sóng radio, các proton vừa nhảy lên mức năng lượng cao hơn dần dần chuyển xuống lại mức năng lượng thấp hơn, quá trình kèm theo sự phát ra photon có E =hf giống như photon được hấp thụ tức là phát ra sóng radio

• Thu lấy sóng radio được phát ra (hay “dội lại”) và dùng máy tính phân tích có thể dựng được hình ảnh 2D, 3D mật độ vật chất và bản chất vật chất bên trong đối tượng

Các từ trường bổ sung tạo gradient

• Nếu trong toàn bộ không gian của đối tượng chỉ có từ trường ngoài đều B0 thì sóng radio dội lại từ mọi điểm trong đối tượng chụp sẽ chỉ có một tần số nhất định

• Để phân biệt được sóng radio từ proton trong các voxel ở các tọa độ khác nhau người

ta tạo ra gradient từ trường trong không gian đặt đối tượng

• Trục z có phương là chiều từ trường tĩnh đều B0 Người ta tạo các từ trường bổ sung

không đều khác Bx, By, Bz có cùng phương B 0 để tạo ra các gradient từ trường theo cả

3 hướng x, y, z Thí dụ Bz = B 0 (a + bz)

• Các từ trường này Bx, By, Bz bổ sung này không phải là các từ trường thường xuyên

mà được bật tắt khi cần Độ lớn khoảng 18 – 27 mTesla

• Khi bật Bx hoặc By hoặc Bz thì đối tượng khi đó thực chất được đặt trong từ trường

không đều B = B0 + Bz (hoặc B0 + Bx hoặc B0 + By) Nhờ các gradient từ trường này

mà mỗi lát cắt nhất định của cơ thể chịu tác động của một từ trường giá trị nhất định  tần số photon gây cộng hưởng từ đối với các lát cắt khác nhau là khác nhau Máy tính

có thể phân tích được sóng radio với một tần số nào đó phát ra từ lát cắt nào

Sóng radio gây cộng hưởng và sóng radio thu được từ đối tượng phát ra

• Sóng radio chiếu vào đối tượng để gây ra hiện tượng cộng hưởng từ có 2 thành phần vec tơ điện trường và vec tơ từ trường B1 Người ta bố trí để B1 vuông góc B0

• Tắt sóng radio chiếu vào và thu lại sóng radio phát ra từ đối tượng để xây dựng hình ảnh cấu trúc Tín hiệu radio thu được gọi là tín hiệu cảm ứng suy giảm tự do FID (free induction decay)

• Sự suy giảm sóng radio phát lại từ đối tượng được giải thích sơ lược trên góc độ các mức năng lượng của hạt nhân như sau: khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ, các proton nhảy từ mức thấp lên mức cao, dừng chiếu sóng radio kích thích thì các proton

bị kích thích nhảy dần xuống từ mức cao xuống mức thấp, thời gian để tất cả các proton bị kích thích đó nhảy xuống hết quyết định tốc độ tắt dần của sóng FID

• Tốc độ tắt dần của sóng FID cho ta hai dữ liệu quan trọng nhất để xây dựng hình ảnh là thời gian hồi phục T1, T2

Thời gian hồi phục T1, T2

• Thông thường qui ước trục z có phương là chiều từ trường tĩnh đều B0

• Phân tích vectơ moment từ µ của từng hạt nhân thành 2 thành phần: µ⊥ theo mặt phẳng xy và µ// song song trục z

• Đặt trong từ trường B0, trong một đơn vị thể tích nhât định dV hay 1 voxel, mômen

từ tổng cộng của hệ N hạt nhân là M có thành phần theo phương vuông góc với B0 là

M⊥ = Σµ⊥ = 0 ; còn thành phần song song với B0 là M//= Σµ// có độ lớn xác định max kí hiệu là Mz(max)

• Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân xảy ra khi có một sóng điện từ thuộc dải radio có tần số đúng bằng tần số cộng hưởng Larmor f0 và có từ trường B1 vuông góc B0 tức vuông góc trục z chiếu vào hệ các proton nằm trong từ trường Các hạt nhân cộng hưởng sẽ nhảy từ mức năng lượng thấp lên cao

• Khi xảy ra cộng hưởng thành phần M// trở thành = 0 Còn thành phần M⊥ có độ lớn xác định max kí hiệu là Mxy(max)

• Khi tắt sóng radio, diễn ra quá trình ngược lại, nhóm proton bị kích thích lại trở về

trạng thái cũ , diễn ra hai quá trình phục hồi với thời gian khác nhau T1 : M// từ 0 về giá trị ban đầu Mz(max) ; T2 : M⊥ từ Mxy(max) về 0

Các loại dữ liệu để máy tính xử lý và các thông tin thu được

• Ảnh lớp cắt sử dụng tín hiệu T1, T2 cho biết rõ phần tử thể tích nghiên cứu chứa chất gì: nước, máu, mỡ …

• Biên độ cực đại ban đầu mạnh yếu của sóng dội lại cho ta biết ∆N cũng có nghĩa là biết số N nói chung  cho biết mật độ proton có trong phần tử thể tích vật chất nghiên cứu Nhưng T1, T2 quan trọng hơn