từ trường trong sinh học

Tác động của từ trường lên cơ thể sống và ứng dụng trong y học a Hiệu ứng từ nhiệt: Là một hiện tượng nhiệt động học từ tính, là sự thay đổi nhiệt độ bị đốt nóng hay làm lạnh của vật li

Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

TỪ TRƯỜNG

TRONG SINH HỌC GVGD: Huỳnh Quang Linh

SVTH: Trần Văn Hải

Trần Duy Hoàng Hùng Ngô Thông Tân

II Các tác động của từ trường trong sinh học

2 Các hiệu ứng chính của từ trường lên

I Sơ lược về từ trường

1 Khái niệm

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ momen lưỡng cực từ Mỗi điểm trong từ trường được miêu tả bằng đại lượng toán học thông qua hướng và độ lớn mà tại đó từ trường được miêu

Hình 1 : Qui tắc bàn tay trái

2 Một số yếu tố từ trường

 Độ từ hóa.(M)

Là đại lượng được xác định bằng tổng moment từ nguyên tử trên một đơn vị thể tích của vật từ

Hiện tượng từ giảo phụ thuộc phương của từ trường, vector độ từ hóa

và hướng của tinh thể

 Lực kháng từ

Là giá trị từ trường ngược cần đặt vào để triệt tiêu độ từ hóa (M= 0)

 Nhiệt độ Curie, Neel

Nhiệt độ Curie là nhiệt độ chuyển pha trong các vật liệu sắt từ hoặc sắt điện Nó là nhiệt độ chuyển pha của chất sắt từ - thuận từ

Nhiệt độ Neel là nhiệt độ chuyển pha của phản sắt từ - thuận từ

3 Tác động của từ trường lên cơ thể sống và ứng dụng trong y học a) Hiệu ứng từ nhiệt:

Là một hiện tượng nhiệt động học từ tính, là sự thay đổi nhiệt độ (bị đốt nóng hay làm lạnh) của vật liệu từ trong quá trình từ hóa hoặc khử từ Hiệu ứng từ nhiệt thực chất là sự chuyển hóa năng

lượng từ - nhiệt trong các vật liệu từ

Các vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt lớn ở nhiệt độ thấp cho kỹ thuật tạo nhiệt độ rất thấp cỡ miliKelvin hay microKelvin Các vật liệu

có hiệu ứng từ nhiệt lớn ở xung quanh nhiệt độ phòng (hoặc cao hơn) để sử dụng trong các máy lạnh thay thế cho các máy lạnh

truyền thống

b) Hiệu ứng Hall:

Khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim

loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall)

đang có dòng điện chạy qua Lúc đó ta nhận được một hiệu điện

thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall Tỷ

số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện

trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall Hiệu ứng này

gọi là hiệu ứng Hall

c) Hiệu ứng Hopkinson

Là là hiện tượng bão hòa từ trong từ trường thấp trong các vật liệu sắt từ ở gần nhiệt độ Curie do quá trình quay thuận nghịch Hiệu ứng Hopkinson chỉ xảy ra trong các vật liệu sắt từ có tồn tại dị hướng từ tinh thể Hiệu ứng Hopkinson còn được định nghĩa khác

là hiệu ứng mà độ từ thẩm của chất sắt từ đạt cực đại ở gần nhiệt

độ Curie

Dùng để xác định các đặc tính của vật liệu sắt từ Hiệu ứng Hopkinson là bằng chứng khẳng định sự tồn tại của dị hướng từ tinh thể, xác định các tính chất chuyển pha , các tính chất định hướng trong vật liệu, hệ đơn domen, đa domen và xác định nhiệt

II Các tác động của từ trường trong sinh học

1 Khái niệm từ sinh học [1]

Là một môn học mà xem xét các hiện tượng điện , điện từ, và từ đó

phát sinh trong các mô sinh học Những hiện tượng này bao gồm:

o Phản ứng của các mô bị kích thích

o Dòng điện và điện thế trong vật dẫn

o Từ trường tại và vượt ra ngoài cơ thể

o Phản ứng của tế bào dễ bị tác động khi bị kích thích bằng điện trường và từ trường

o Các tính chất điện và từ nội tại của mô

2 Các hiệu ứng chính của từ trường lên cơ thể người [2]

 >10T Hiệu ứng từ thủy động: Tương tác Lorentz của dòng cảm ứng với từ trường =>lực cản trở dòng chảy

 1- 10T Hiệu ứng từ định hướng: Các đại phân tử định hướng lại dưới tác dụng của từ trường

 0,1-1T Hiệu ứng tinh thể lỏng: Bình thường các domen hoàn toàn hỗn loạn, khi có từ trường, các domen sắp xếp lại hướng à thay đổi cấu trúc tinh thể lỏng =>ảnh hưởng dòng vận chuyển chất, năng lượng, thông tin qua các màng sinh học

 <100mT Hiệu ứng từ spin, hiệu ứng lượng tử: Từ trường thay đổi tốc

độ chuyển dời giữa các trạng thái spin của các hạt thuận từ =>thay đổi động học các phản ứng hóa sinh trong cơ thể

3 Ảnh hưởng của từ trường lên các cơ quan

 Hệ tuần hoàn:

Tái tạo mách máu: Kích thích sinh tổng hợp AND, hình thành các cấu trúc tương tự mao mạch trong thời gian vài ngày

Gây hiệu ứng sắt từ, tăng tốc dòng chảy: Tác động lên chính phân tử

Hb Từ trường làm cho độ từ thẩm của Hb tăng làm ma sát bị giảm xuống nguyên do là các moment từ tương tác đẩy nhau làm giảm ma sát=> giảm độ nhớt Điều này làm tăng vi tuần hoàn, giảm nguy cơ nghẽn mạch sau chấn thương Tác động này xảy ra rất tích cực ở những nơi máu chảy chậm và nồng độ ôxy cao (như ở các động mạch chủ)

Hiệu ứng giãn mạch: Tác dụng này ảnh hưởng hệ đông máu và các cục máu đông, cải thiện mức độ nuôi dưỡng ở các vùng bị thương tổn

 Hệ miễn dịch:

Điện từ trường xung thích hợp làm tăng hoạt tính thực bào, thể hiện ở các chỉ số: % bạch cầu thực bào, số hạt trung bình được 1 bạch cầu thực bào

Thống kê trong 10 năm ở viện Odessa tại liên bang Nga trên 920 bệnh nhân hở xương khớp có mủ được điều trị bằng từ trường cho thấy: so với phác đồ kinh điển thì tỷ lệ tàn phế do các biến chứng nhiễm trùng giảm 3 lần

 Hệ thần kinh:

Ở người cũng có 1 cơ quan tương tự, chính là tuyến tùng, có thể bị từ trường tác động làm các thay đổi tâm sinh lý của cơ thể, bao gồm cả các khả năng dị thường như ngoại cảm, liên lạc từ xa, dùng ý chí di chuyển đồ vật,…

o Tăng tổng hợp các chất căn bản xương

o Canxi hóa tổ chức sụn sợi của can non (quan trọng nhất)

o Tân tạo mạch máu và xâm nhập mạch máu vào sụn sợi

 Vận chuyển chất qua màng

Do cấu trúc tinh thể lỏng, các hạt trong màng có liên hệ bên trong với các mạng lưới vi sợi dưới màng-> rất nhạy cảm với Ca++

Trường điện từ sẽ kích thích hệ thụ cảm -> biến dạng các liên kết Ca++ với glycoprotein dọc mặt màng -> khuếch đại những kích thích yếu ban đầu thành sự thăng giáng lớn của dòng Ca++ qua màng > trở thành tín hiệu liên bào

Nếu những tín hiệu này phù hợp với những tín hiệu vẫn được truyền qua bình thường thì nó sẽ có tác dụng dương tính đến các mức cấu trúc trên tế bào

III Ứng dụng trong y học

1 Chẩn đoán hình ảnh

á chụp cộng hưởng từ RI

a) Khái niệm

Chụp cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonance Imaging) là một

kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio, dựa trên nguyên lý cộng hưởng từ hạt nhân được hai nhà khoa học Felix Block và Edward Puroel phát hiện vào năm

1946

Chụp MRI là phương pháp đưa cơ thể vào vùng từ trường cực mạnh đang hoạt động theo một chiều nhất định, tất cả các nguyên tử trong phân tử nước của cơ thể đang chuyển động tự do theo nhiều chiều

và dưới sự tác động của từ trường có định hướng của hệ thống MRI sẽ thay đổi chiều chuyển động theo một hướng nhất định Sau đó các hệ thống thu tín hiệu sẽ bắt được chiều chuyển động của các nguyên tử này để truyền về hệ thống vi tính xử lý tín hiệu và tạo ra hình ảnh Khi cơ thể ra khỏi vùng từ trường này thì các nguyên tử trong phân tử nước lại trở lại trạng thái bình thường

Cộng hưởng từ MIR cho hình ảnh chất lượng cao có độ phân giải

& độ tương phản tốt, giúp Bác sỹ đánh giá chi tiết các phần cơ thể và chẩn đóan bệnh lý chính xác tốt hơn so với các kỹ thuật hình ảnh khác như Siêu âm, X quang và CT

Ứng dụng của cộng hưởng từ: Cộng hưởng từ giúp chẩn đoán các bệnh lý ở : vùng đầu , vùng mặt và cổ, vùng ngực, tuyến vú, tim, vùng bụng – chậu, cơ xương khớp, cột sống

b) Cấu tạo má RI

Thiết bị MRI gồm bốn phần chính: nam châm tạo từ trường B0, cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo không gian G (Gx, Gy, Gz), cuộn phát thu sóng điện từ và hệ thống

máy tính xử lý

1 Nam châm (magnet): có dạng hình trụ,

rỗng bên trong, đủ lớn để bệnh nhân có

thể nằm lọt bên trong Nam châm này sẽ

tạo ra từ trường B 0 đồng nhất (cố định) ở

không gian bên trong ống trụ này

2 Cuộn tạo từ trường biến thiên (the

gradient coil): tạo ra các từ trường tĩnh

theo thời gian, nhưng thay đổi theo

không gian Có tác dụng giúp định vị các

vị trí cần quan sát

3 Một cuộn phát thu sóng điện từ RF

(radiofrequency coil): để phát ra xung

điện từ B 1 làm xoay từ trường M ra khỏi

chiều của từ trường B 0 và để thu nhận tín

hiệu cộng hưởng do quá trình xoay của từ

trường M về lại chiều ban đầu dưới tác dụng

của B 0 Hình 3: Cấu tạo máy MRI

4 Máy tính và các phụ kiện: để quản lý nam châm, bộ phát thu, và cuộn tạo từ trường biến thiên; để xử lý và lưu trữ tín hiệu cộng hưởng từ; và để tái tạo, lưu trữ và hiển thị ảnh

Sơ đồ khối của thiết bị :

Ngu ên lý hoạt động:

Nguyên lý của cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên hiệu ứng con quay – sự quay của spin khi tần số kích thích bằng tần số tuế sai và H spin Các proton ngoài chuyển động quay (spin ) còn có chuyển động thứ 2 là chuyển động đảo quanh vector từ trường B

Hiệu ứng con quay: B=2 f  

Trong đó : f là tần số

 là hệ số hồi chuyển từ của hạt nhân

hf=i B/I

h: hằng số Planck

Sử dụng xung kích thích thì =kT; T là thời gian kích thích của xung

Hình 5: Sự suy giảm của từ trường

(a)Tín hiệu suy giảm với hằng số thời gian T2 để mặt X-Y biên độ A=A0e-t/T2

(b)Sự bao trùm của từ trường với vị trí cân bằng với trục Z:

A= A0e-t/T1e-t/T0

Quá trình chụp MRI gồm có 4 giai đoạn Ngu ên lý của 4 giai đoạn như sau:

 Giai đoạn 1: Sắp hàng hạt nhân

Mỗi proton trong môi trường vật chất đều có một mômen từ tạo ra bởi spin (xoay) nội tại của nó Trong điều kiện bình thường, các proton sắp xếp một cách ngẫu nhiên nên mômen từ của chúng triệt tiêu lẫn nhau do

đó không có từ trường dư ra để ghi nhận được Khi đặt cơ thể vào máy chụp MRI, dưới tác động từ trường mạnh của máy, các mômen từ của proton sẽ sắp hàng song song cùng hướng hoặc ngược hướng của từ

trường Tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là vectơ từ hóa

thực (net magnetization vector) Các vectơ từ sắp hàng song song cùng

chiều với hướng từ trường máy có số lượng lớn hơn các vectơ từ sắp hàng ngược chiều và chúng không thể triệt tiêu cho nhau hết Do đó vectơ từ

hoá thực có hướng của vectơ từ trường máy Đó là trạng thái cân bằng

Trong trạng thái cân bằng không có một tín hiệu nào có thể được ghi nhận Khi trạng thái cân bằng bị xáo trộn sẽ có tín hiệu được hình thành Ngoài sự sắp hàng theo hướng của từ trường máy, các proton còn có chuyển động đảo (Precession), tức quay quanh trục của từ trường máy Chuyển động đảo là một hiện tượng vật lý sinh ra do sự tương tác giữa từ trường và động lượng quay của proton Chuyển động đảo giống như hiện tượng con quay, nó làm cho proton không đứng yên mà đảo quanh trục của từ trường bên ngoài Tần số của chuyển động đảo nằm trong dải tần

số của tín hiệu RF và được xác định bằng phương trình Lamor Khi phát xung RF cùng tần số với proton đang chuyển động đảo thì proton hấp thụ năng lượng xung tạo nên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

Hình 6: Mô tả một proton có mômen từ µ được đặt trong từ trường ngoài

B0 và có chuyển động đảo ρ

 Giai đoạn 2: Kích thích hạt nhân

Sau giai đoạn sắp hàng hạt nhân, cuộn phát tín hiệu (transmitter coil) của máy phát ra các xung điện từ ngắn (đo bằng mili giây) gọi là xung tần số vô tuyến (radiofrequency pulse: xung RF) Vì các xung phát ra có tần số RF tương ứng với tần số cộng hưởng của proton nên một số năng lượng sẽ được proton hấp thụ Sự hấp thụ năng lượng này sẽ đẩy vectơ

từ hoá làm chúng lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy Hiện tượng này gọi là kích thích hạt nhân (Hình 7)

Hình 7: Mô tả quá trình kích thích hạt nhân (cộng hưởng) và quá trình

dãn (bức xạ năng lượng dưới dạng tính hiệu RF)

Có hai khái niệm quan trọng trong xử lý tín hiệu đó là từ hóa dọc (longitudinal magnetization), song song với từ trường của máy và từ hóa ngang (transverse magnetization), vuông góc với từ trường máy

Từ hóa dọc là hiện tượng từ hóa do ảnh hưởng của từ trường máy Đó chính là trạng thái cân bằng như đã trình bày ở trên Trạng thái này được

duy trì cho đến khi có một xung RF tác động làm vectơ từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy Khi phát xung RF, sau một thời gian nào đó, vectơ từ hoá lại khôi phục trở về vị trí dọc ban đầu Quá trình khôi phục (recovery) theo hướng dọc của từ trường máy gọi là quá trình dãn theo trục dọc (longitudinal relaxation).Thời gian dãn theo trục dọc(longitudinal relaxation time) là thời gian cần thiết để hiện tượng từ hóa dọc đạt 63% giá trị ban đầu của nó Thời gian này còn gọi là thời gian T1

Từ hóa ngang xảy ra khi phát xung RF lên mô Xung này thường là xung 900 Do hiện tượng cộng hưởng nên vectơ từ hoá lệch khỏi hướng của vectơ từ trường máy và bị đẩy theo hướng ngang tạo nên vectơ từ hóa ngang (transverse magnetization vector) Từ hóa ngang là trạng thái không ổn định, kích thích và nhanh chóng phân rã khi kết thúc xung RF

Từ hoá ngang cũng là một quá trình dãn gọi là dãn theo trục ngang (transverse relaxation) Khi ngắt xung RF, vectơ từ hóa ngang mất pha, suy giảm nhanh chóng và dần dần trở về 0 Thời gian cần thiết

để 63% giá trị từ hoá ban đầu bị phân rã gọi là thời gian dãn theo trục

ngang (transverse relaxation time) Thời gian này còn gọi là thời gian T2 Thời gian T2 ngắn hơn nhiều so với thời gian T1

Hình 8: Mô tả quá trình từ hoá dọc và từ hoá ngang M0 là vectơ từ hoá thực ở trạng thái cân bằng Y là hướng của vectơ từ hoá ngang MZ là

vectơ từ hoá khi dãn theo trục dọc

 Giai đoạn 3: Ghi nhận tín hiệu

Khi ngắt xung RF, các proton hết bị kích thích, trở lại sắp hàng như

cũ dưới ảnh hưởng của từ trường máy (gọi là quá trình dãn theo trục dọc như đã trình bày ở trên) Trong quá trình này, khi mômen từ của các proton khôi phục trở lại vị trí dọc ban đầu, chúng sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng các tín hiệu tần số vô tuyến Các tín hiệu này sẽ được cuộn thu nhận tín hiệu (receiver coil) của máy ghi lại

 Giai đoạn 4: Tạo hình ảnh

Các tín hiệu vô tuyến bức xạ từ vật thể mô sau khi được cuộn thu nhận tín hiệu của máy ghi lại sẽ được xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh Cường độ bức xạ từ một đơn vị khối lượng mô được thể hiện trên phim chụp theo một thang màu từ trắng đến đen Trong đó màu trắng là cường

độ tín hiệu cao, màu đen là không có tín hiệu

Hình 9: Mô tả mối liên hệ giữa thời gian T1, T2 với mức độ từ hoá và

cường độ tín hiệu trên phim chụp

Trong quá trình dãn (tăng lại) của từ hoá dọc, các mô khác nhau sẽ

có mức từ hoá khác nhau Vì thế tốc độ tăng sẽ khác nhau, hay nói cách khác giá trị T1 khác nhau Mô với giá trị T1 ngắn hơn có tốc độ tăng lại

sự từ hoá dọc nhanh hơn Do vậy, trong suốt thời gian này nó có mức từ hoá cao hơn, tạo tín hiệu mạnh hơn và xuất hiện trên ảnh sáng hơn

Trong quá trình phân rã sự từ hoá ngang, các mô khác nhau có mức

từ hoá khác nhau do đó tốc độ phân rã khác nhau, hay T2 khác nhau Giá trị T2 dài tức mô có mức nhiễm từ cao, tạo ra tín hiệu mạnh hơn và sáng hơn trong ảnh so với mô có giá trị T2 ngắn Tại thời điểm bắt đầu chu kỳ, không có tương phản T2, nhưng tương phản T2 tăng dần trong quá trình dãn

Có thể thấy rằng, phương thức tạo ảnh MRI có hai pha khác nhau Một pha đi cùng với sự từ hoá dọc và pha kia đi cùng với sự từ hoá ngang Mặt khác, như trên đã trình bày, trong thời gian T1 khi mômen từ của các proton khôi phục theo chiều dọc dưới ảnh hưởng của từ trường

máy thì tổng tất cả mômen từ của proton lúc này được gọi là vectơ từ

hóa thực Độ lớn của vectơ từ hoá thực phụ thuộc vào mật độ proton của

mô đó Giữa hai mô lân cận, dù thời gian T1 có thể bằng nhau nhưng nếu mật độ proton khác nhau thì mức độ từ hoá sẽ khác nhau Vì thế cường độ tín hiệu bức xạ ra cũng khác nhau nên sẽ tạo ra tương phản ảnh khác nhau Nhờ đó ta có thể nhận biết riêng biệt được chúng qua sự tương phản trên ảnh Nếu hai mô có giá trị T1 khác nhau, thì sự tương

phản sẽ càng tăng lên Nhưng khi các mô tiến dần đến trạng thái cân

bằng thì mật độ proton lại trở thành một yếu tố chính ảnh hưởng đến

tương phản giữa hai mô

Như vậy, ưu điểm vượt trội của phương pháp tạo ảnh MRI so với các phương pháp khác là ở chỗ ta có thể chọn các đặc tính khác nhau của mô để tạo ra tương phản hiển thị trên phim chụp

2 Kỹ thuật tách từ sinh học

Mục tiêu:

- Cố định, cô lập, sửa đổi, phát hiện, xác định và loại bỏ một loạt các hợp chất hoạt tính sinh học, thành phần tế bào và các tế bào

- Phân lập acid nucleic ( cả hai RNA và DNA ) và oligonucleotide

Nguyên tắc: Có hai cách tiến hành đối với các cấu trúc mục tiêu khi làm

việc với các hợp chất hoạt tính sinh học và các tế bào

- Trường hợp 1: Cấu trúc để được cung cấp vào môment từ nội tại để thao tác từ có thể được thực hiện mà không cần bất kỳ thay đổi Thông thường để chỉ rõ các chất có thể sử dụng các chất hấp thụ từ khác nhau

cho các mục tiêu liên quan