Giáo trình Vật lý - Lý sinh y học - TS. Bùi Văn Thiện - ĐH Y Dược Thái Nguyên 2014

Chương trình đào tạo bác sĩ vật lý trị liệu tại các trường đại học y dược cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sự nghiệp trong ngành y tế. Tìm hiểu chi

• Tác giả: TS. Bùi Văn Thiện
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý lý sinh y học
• Đề tài: Vật lý - Lý sinh y học
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về môn Vật lý Lý sinh y học

Vật lý - Lý sinh y học là môn học nền tảng tại bộ môn Vật lý – Lý sinh của trường đại học y dược. Môn học nghiên cứu các quy luật vật chất cơ bản. Nó gắn các định luật vật lý với cơ thể sống. Sinh viên ngành Bác sỹ đa khoa, Y học dự phòng, Răng hàm mặt và Cử nhân điều dưỡng đều học môn này. Giáo trình Vật lý - Lý sinh y học trang bị kiến thức cơ học, nhiệt học, điện học và quang học. Các kiến thức này phục vụ trực tiếp cho ngành Y - Dược. Môn học rèn phương pháp tư duy khoa học. Nó kết hợp lý thuyết với thực tiễn lâm sàng. Người học hiểu rõ điện tim, điện não, siêu âm và chụp X quang. Nhờ vậy thầy thuốc chẩn đoán chính xác hơn. Việc điều trị cũng đạt hiệu quả cao hơn. Bộ môn Vật lý – Lý sinh y học đóng vai trò cầu nối giữa khoa học tự nhiên và y khoa hiện đại.

1.1. Vai trò của bộ môn trong đào tạo y khoa

Bộ môn Vật lý – Lý sinh y học đảm nhận giảng dạy kiến thức vật lý cơ bản cho sinh viên năm đầu. Đây là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo. Kiến thức này tạo nền cho các môn chuyên ngành sau. Sinh viên dùng nó khi học Chẩn đoán hình ảnh và Y học hạt nhân. Môn học cũng hỗ trợ Vật lý trị liệu - phục hồi chức năng. Bộ môn giúp người học hiểu nguyên lý các thiết bị y tế. Nhờ vậy việc vận hành máy móc trong bệnh viện trở nên an toàn và chính xác.

1.2. Đối tượng và phạm vi giáo trình

Giáo trình được biên soạn theo chương trình đào tạo tín chỉ mới. Đối tượng chính là sinh viên đại học chính quy. Nội dung phù hợp với khả năng tiếp thu của sinh viên miền núi. Giáo trình bảo đảm tính cơ bản và hệ thống. Nó tuân theo chương trình khung của Bộ Giáo dục. Phạm vi gồm vật lý đại cương và lý sinh y học. Các phần lớn là cơ học, nhiệt học và ứng dụng y học. Tài liệu do nhóm giảng viên giàu kinh nghiệm của bộ môn thực hiện.

II. Phân tích nội dung Vật lý Lý sinh y học

Nội dung môn Vật lý - Lý sinh y học chia thành nhiều phần rõ ràng. Phần vật lý đại cương mở đầu chương trình. Nó gồm cơ học, nhiệt học, điện học và quang học. Chương cơ học trình bày dao động và sóng. Hiệu ứng Doppler được phân tích kỹ vì ứng dụng nhiều trong siêu âm. Cơ học chất lưu là một trọng tâm khác. Phần này giải thích đặc điểm chất lưu và tĩnh học chất lưu. Nó mô tả động lực học chất lưu lý tưởng. Khái niệm đường dòng, ống dòng và chế độ chảy dừng được làm rõ. Lưu lượng chất lỏng được định nghĩa chính xác. Định lý liên tục của dòng giúp hiểu tuần hoàn máu. Phần nhiệt học bàn về hiện tượng bay hơi và sôi. Các điều kiện sôi và nhiệt lượng sôi riêng được phân tích. Mỗi khái niệm đều gắn với ví dụ y học cụ thể. Cách trình bày đi từ lý thuyết tới ứng dụng. Nhờ vậy người học nắm bản chất vấn đề.

2.1. Phần cơ học và cơ học chất lưu

Phần cơ học mở đầu bằng các khái niệm đại cương. Tiếp theo là dao động và sóng. Hiệu ứng Doppler được nhấn mạnh vì liên quan siêu âm chẩn đoán. Cơ học chất lưu khảo sát chất lỏng và khí. Tĩnh học chất lưu giải thích áp suất trong cơ thể. Động lực học chất lưu lý tưởng dùng phương trình liên tục. Hiện tượng nhớt được phân tích rõ. Kiến thức này giúp hiểu dòng chảy của máu trong mạch. Đây là nền tảng cho sinh lý tuần hoàn.

2.2. Phần nhiệt học và hiện tượng chuyển pha

Phần nhiệt học trình bày các khái niệm cơ bản về nhiệt. Hiện tượng bay hơi được mô tả chi tiết. Sự sôi là bay hơi xảy ra cả trong lòng chất lỏng. Bọt hơi chịu nhiều loại áp suất khác nhau. Điều kiện sôi đạt khi áp suất hơi bão hòa vượt áp suất nén. Nhiệt độ sôi là hằng số với mỗi chất. Nhiệt lượng sôi riêng giúp định tính chất lỏng. Kiến thức này ứng dụng trong hấp tiệt trùng dụng cụ y tế.

III. Phương pháp học Vật lý Lý sinh y học hiệu quả

Học tốt môn Vật lý - Lý sinh y học cần phương pháp đúng. Người học nên bám sát giáo trình của bộ môn. Trước hết cần nắm vững khái niệm cơ bản. Sau đó liên hệ ngay với ứng dụng y học. Cách này giúp ghi nhớ lâu hơn. Sinh viên nên học theo thứ tự logic của chương trình. Cơ học học trước, nhiệt học và điện học học sau. Mỗi công thức cần hiểu bản chất, không học vẹt. Ví dụ định lý liên tục của dòng nên gắn với tuần hoàn máu. Hiệu ứng Doppler nên gắn với siêu âm tim. Việc làm bài tập thường xuyên rất quan trọng. Bài tập củng cố lý thuyết và rèn tư duy. Sinh viên cũng nên dự đầy đủ giờ thực hành. Thực hành biến kiến thức trừu tượng thành cụ thể. Thảo luận nhóm giúp giải đáp thắc mắc nhanh. Khi gặp khó, nên hỏi giảng viên bộ môn. Phương pháp kết hợp lý thuyết và thực tiễn cho kết quả tốt nhất.

3.1. Kết hợp lý thuyết với ứng dụng lâm sàng

Vật lý y học trở nên dễ hiểu khi gắn với thực tế. Mỗi định luật nên đi kèm một ví dụ lâm sàng. Định luật chất lưu giải thích huyết áp và dòng máu. Hiện tượng sôi giải thích nguyên lý nồi hấp tiệt trùng. Kiến thức quang học liên quan tới mắt và nội soi. Cách liên hệ này tạo động lực học tập. Sinh viên thấy rõ giá trị của môn học. Nhờ vậy việc ghi nhớ trở nên tự nhiên và bền vững hơn nhiều.

3.2. Vai trò của thực hành và bài tập

Thực hành là phần không thể thiếu của môn học. Giờ thực hành giúp kiểm chứng lý thuyết trên thiết bị thật. Sinh viên rèn kỹ năng đo đạc và xử lý số liệu. Bài tập định lượng củng cố các công thức vật lý. Việc giải bài đều đặn nâng cao tư duy logic. Sinh viên nên làm lại các bài khó nhiều lần. Ghi chú lỗi sai giúp tránh lặp lại. Kết hợp thực hành với bài tập tạo nền kiến thức vững chắc cho các môn chuyên ngành.

IV. Ứng dụng Vật lý Lý sinh y học trong y khoa

Vật lý - Lý sinh y học có ứng dụng sâu rộng trong y khoa. Nhiều thiết bị chẩn đoán dựa trên nguyên lý vật lý. Điện tim và điện não đồ ghi tín hiệu điện sinh học. Siêu âm dùng hiệu ứng Doppler để đo dòng máu. Chụp X quang khai thác tia bức xạ xuyên thấu. Chụp cắt lớp vi tính tái tạo hình ảnh ba chiều. Cộng hưởng từ hạt nhân cho ảnh mô mềm rõ nét. Sợi quang học hỗ trợ mổ nội soi ít xâm lấn. Laser được dùng trong nhiều phương pháp điều trị. Phóng xạ ứng dụng trong y học hạt nhân. Nhiệt và từ trường dùng trong vật lý trị liệu. Nguyên lý sôi ứng dụng trong hấp tiệt trùng dụng cụ. Mỗi ứng dụng đều bắt nguồn từ kiến thức nền của bộ môn. Nhờ vậy ngành Y phát triển vượt bậc. Thầy thuốc chẩn đoán nhanh và chính xác. Hiệu quả điều trị cho người bệnh ngày càng cao.

4.1. Ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

Chẩn đoán hình ảnh dựa nhiều vào vật lý y học. X quang dùng tia xuyên thấu để dựng ảnh xương. Chụp cắt lớp vi tính ghép nhiều lát cắt thành ảnh khối. Cộng hưởng từ hạt nhân khai thác từ trường mạnh. Siêu âm dùng sóng âm phản hồi tạo hình ảnh thời gian thực. Hiệu ứng Doppler đo tốc độ dòng máu. Các kỹ thuật này giúp phát hiện bệnh sớm. Bác sỹ quan sát cơ quan bên trong mà không cần phẫu thuật.

4.2. Ứng dụng trong điều trị và tiệt trùng

Vật lý còn hỗ trợ nhiều phương pháp điều trị hiện đại. Laser dùng trong phẫu thuật chính xác và da liễu. Nhiệt trị liệu giúp phục hồi chức năng cơ xương khớp. Từ trường được dùng giảm đau và kích thích mô. Phóng xạ điều trị một số loại ung thư. Nguyên lý sôi ứng dụng trong hấp tiệt trùng dụng cụ y tế. Tăng áp suất làm nhiệt độ sôi tăng, diệt khuẩn hiệu quả. Các ứng dụng này nâng cao chất lượng chăm sóc người bệnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC --------------------- GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC THÁI NGUYÊN - 2014 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y - DƯỢC BỘ MÔN VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC --------------------- GIÁO TRÌNH VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC (Dành cho Sinh viên Đại học chính quy ngành: Bác sỹ đa khoa, Y học dự phòng, Răng hàm mặt, Cử nhân điều dưỡng) Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện (Chủ biên) Ths. Nguyễn Quang Đông Ths. Nguyễn Xuân Hòa Thư ký biên soạn: Ths. Nguyễn Quang Đông THÁI NGUYÊN - 2014 2 GIÁO TRÌNH VẬT LÝ – LÝ SINH Y HỌC Chủ biên: TS. Bùi Văn Thiện Tham gia biên soạn : TS. Bùi Văn Thiện ThS. Nguyễn Quang Đông ThS. Nguyễn Xuân Hòa ThS. Vũ Thị Thúy Thư ký biên soạn: ThS. Nguyễn Quang Đông 3 LỜI NÓI ĐẦU Vật lý học là một ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu những tính chất, quy luật cơ bản và khái quát nhất của thế giới vật chất. Những thành tựu của vật lý được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong Y học, những ứng dụng của Vật lý học như: Điện tim, điện tâm đồ, điện não đồ, điều trị bằng nhiệt, bằng từ trường, ứng dụng của âm và siêu âm, chụp X quang, sợi quang học trong mổ nội soi, ứng dụng của phóng xạ, chụp hình cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ hạt nhân, mắt và các dụng cụ quang học, ứng dụng của ánh sáng trong điều trị, những ứng dụng của laser . đã làm cho ngành Y có một sự phát triển vượt bậc, giúp các thầy thuốc chẩn đoán chính xác và điều trị có hiệu quả cao. Giảng dạy môn Vật lý - Lý sinh y học nhằm trang bị cho sinh viên ngành Y những kiến thức vật lý cơ bản nhất liên quan phục vụ ngành nghề Y – Dược, rèn luyện cho sinh viên phương pháp tư duy khoa học, kết hợp giữa lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp họ có thể học các môn học khác như: Sinh, Hoá, Hoá - Lý, Vật lý trị liệu - phục hồi chức năng, Chẩn đoán hình ảnh, y học hạt nhân,… và các môn học khác có liên quan. Giáo trình này được biên soạn theo chương trình đào tạo mới xây dựng của trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên. Do đối tượng đào tạo chủ yếu là sinh viên miền núi, nên khả năng tiếp thu kiến thức vật lý có nhiều hạn chế. Vì vậy việc biên soạn một giáo trình Vật lý - Lý sinh y học vừa đảm bảo tính cơ bản và hệ thống kiến thức, phù hợp với chương trình khung của Bộ, vừa phù hợp với đối tượng đào tạo theo tín chỉ là một việc làm cần thiết. Trong quá trình biên soạn giáo trình, do khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các em sinh viên để giáo trình ngày càng được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 27 tháng 2 năm 2014 BỘ MÔN VẬT LÝ - LÝ SINH Y HỌC 4 MỤC LỤC PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG . 8 Phần thứ nhất: CƠ HỌC. 9 CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG . 9 Chương 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG. Chuyển động dao động. Chuyển động sóng. Hiệu ứng Doppler và ứng dụng. 22 Chương 2: CƠ HỌC CHẤT LƯU. Đặc điểm của chất lưu . Tĩnh học chất lưu . Động lực học chất lưu lý tưởng . Hiện tượng nhớt và ứng dụng . 29 Phần thứ hai: NHIỆT HỌC . 31 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN. 31 Chương 3: CÁC ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM VỀ CHẤT KHÍ. Thuyết động học chất khí và khí lý tưởng . Phương trình trạng thái của khí lý tưởng . 36 Chương 4: CHẤT LỎNG. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng . Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng . Hiện tượng mao dẫn . Hiện tượng sôi, hiện tượng bay hơi. 49 Phần thứ ba: ĐIỆN TỪ. 51 Chương 5: TĨNH ĐIỆN. Khái niệm mở đầu . Định luật culông (coulomb). Điện trường của các điện tích điểm . Điện thế, hiệu điện thế . 56 5i Chương 6: DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI . Những khái niệm mở đầu . Những đại lượng đặc trưng của dòng điện . 53 Chương 7: TỪ TRƯỜNG DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI. Thí nghiệm về tương tác từ của dòng điện . Định luật ampe (amper) về tương tác từ của dòng điện. Vectơ cảm ứng từ, vectơ cường độ từ trường. 58 Chương 8: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ. Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ. Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ . Một số trường hợp đặc biệt của cảm ứng điện từ. 66 Phần thứ tư: QUANG HỌC . 68 Chương 9: CƠ SỞ CỦA QUANG HÌNH HỌC. DỤNG CỤ QUANG HỌC. Các định luật cơ bản của quang hình học . Dụng cụ quang học . 72 Chương 10: BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG. Thuyết sóng điện từ về bản chất của ánh sáng . Hiện tượng giao thoa ánh sáng . Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng . Hiện tượng phân cực ánh sáng . Thuyết lượng tử về bản chất của ánh sáng . 99 Phần thứ năm: VẬT LÝ HẠT NHÂN. 105 Chương 11: PHÓNG XẠ HẠT NHÂN . Hiện tượng phóng xạ. Tương tác của bức xạ ion hoá với vật chất . Sự hấp thụ năng lượng bức xạ - liều lượng bức xạ . 125 PHẦN: LÝ SINH Y HỌC. 137 Chương 12: CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và ứng dụng trong y học. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng trong y học . 141 ii 6 Chương 13: VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SINH VẬT. Các hiện tượng vận chuyển vật chất cơ bản trong cơ thể sinh vật . Sự vận chuyển của vật chất qua màng tế bào . 152 Chương 14: LÝ SINH TUẦN HOÀN VÀ LÝ SINH HÔ HẤP. Lý sinh tuần hoàn . Lý sinh hô hấp . 177 Chương 15: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC. Ứng dụng của sóng âm. Ứng dụng của siêu âm . 192 Chương 16: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRÊN CƠ THỂ SỐNG. Hiện tượng điện sinh vật - cơ chế phát sinh và lan truyền . Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn từ thần kinh đến cơ . Tác dụng của dòng điện lên cơ thể và ứng dụng trong điều trị . 214 Chương 17: QUANG SINH HỌC . Cơ chế hấp thụ ánh sáng và phát sáng. Ứng dụng quang phổ hấp thụ phân tử . Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống . Mắt và dụng cụ bổ trợ . Laser và ứng dụng trong y học . 245 Chương 18: Y HỌC PHÓNG XẠ VÀ HẠT NHÂN. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá . Ứng dụng của tia phóng xạ trong y học và an toàn phóng xạ . 258 Chương 19: BỨC XẠ RƠNGHEN (TIA X) VÀ ỨNG DỤNG. Hiện tượng bức xạ tia x và ứng dụng trong y học . Kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính và ứng dụng . 269 Chương 20: PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN. C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p céng h−ëng tõ h¹t nh©n . Chôp ¶nh c¾t líp céng h−ëng tõ h¹t nh©n . 280 TÀI LIỆU THAM KHẢO.285 iii 7 PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 8 Phần thứ nhất: CƠ HỌC CÁC KHÁI NIỆM ĐẠI CƯƠNG 1. Chuyển động cơ học Là sự thay đổi vị trí của vật hay một bộ phận của vật trong không gian theo thời gian. Chất điểm Là một vật có khối lượng nhưng có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách mà ta đang khảo sát. Một tập hợp chất điểm gọi là hệ chất điểm (Một vật có thể coi là tập hợp của vô số chất điểm). Chất điểm có tính tương đối. Ví dụ: Electron chuyển động trên quĩ đạo quanh hạt nhân; Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời được coi là chất điểm. Hệ qui chiếu Vật được chọn làm mốc, cùng với hệ toạ độ và một chiếc đồng hồ gắn liền với nó, để xác định vị trí z của vật khác, gọi là hệ qui chiếu. Phương trình chuyển động của chất điểm M(x, y, z) Trong hệ toạ độ Đề các, vị trí của chất điểm M tại một thời điểm nào đó được xác định bởi 3 toạ độ x, x G y, z hoặc bởi bán kính véc tơ r , đều là những hàm của y thời gian. x = x(t); y = y(t); z = z(t) G G r = r(t) Các phương trình trên gọi là các phương trình chuyển động của chất điểm. Quỹ dạo chuyển động Quỹ đạo chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động. Muốn xác định được dạng quỹ đạo, ta phải tìm phương trình quỹ đạo. Phương trình quỹ đạo là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các toạ độ. Ví dụ: y = ax2 + bx +c (Quỹ đạo parabol) 9 1. Tính chất tương đối của chuyển động Chuyển động có tính tương đối, tuỳ theo hệ qui chiếu ta chọn, một vật có thể coi là đứng yên hay chuyển động. Ví dụ: Một người đang đứng yên trên tàu hoả, nhưng lại chuyển động so với cột cây số bên đường. Đơn vị đo lường Mỗi một thuộc tính của một đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay nhiều đại lượng vật lý. Một trong những vấn đề cơ bản của vật lí học là đo lường các đại lượng vật lý. Người ta phải chọn một đại lượng làm mẫu gọi là đơn vị. Từ năm 1965 người ta đã chọn hệ đo lường quốc tế SI (System International - Hệ quốc tế). Bảy đại lượng vật lý cơ bản trong hệ SI Tên đại lượng Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị Chiều dài L met m Khối lượng M kilogam kg Thời gian T giây s Cường độ dòng điện I ampe A Cường độ sáng J candela Cd Nhiệt độ θ Kelvin K Lượng vật chất N mol Mol Muốn biểu diễn những số rất nhỏ hay rất lớn, người ta dùng luỹ thừa 10.2 Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu Thừa số Tên tiền tố Ký hiệu 1012 Tera T 10-1 dexi D 109 Giga G 10-2 centi C 106 Mega M 10-3 mili M 103 Kilo K 10-6 micro μ 102 Hecto H 10-9 nano N 101 Deca D 10-12 pico P 10 1. Thứ nguyên Thứ nguyên của một đại lượng vật lí là công thức nêu lên sự phụ thuộc của đại lượng đó vào các đại lượng cơ bản. Ví dụ: Vận tốc = Chiều dài/ Thời gian Ta kí hiệu thứ nguyên vận tốc là: [Vận tốc] = L/T = LT-1 Đơn vị của vận tốc là: m/s. Nhờ khái niệm thứ nguyên ta có thể kiểm nghiệm lại độ đúng đắn của một công thức vật lý vì hai vế của một công thức vật lý phải có thứ nguyên như nhau.