Základy biofyziky, biochémie a rádiológie

Παρουσίαση με θέμα: "Základy biofyziky, biochémie a rádiológie"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Základy biofyziky, biochémie a rádiológie
1. OSE, 1. PA, 1. DH, 1. UZS, 1. FYZ FZ PU 1 1 1

2 Základy biofyziky Termodynamika a molekulová biofyzika Biofyzika bunky
Biofyzika tkanív a orgánov Biofyzika vnímania Ekologická biofyzika Biofyzika ionizujúceho žiarenia Medzinárodná sústava jednotiek Šajter V. a kol.: Biofyzika, biochémia a rádiológia. 1. vyd. Martin: Vydavateľstvo Osveta s. Sýkora A., Šanta M.: Základy biofyziky. 1. vyd. FZ PU Prešov: Grafotlač,s.r.o s. 2

3 Termodynamika a molekulová biofyzika
Termodynamika je veda o transformácii energie a fyzikálnych vlastnostiach substancii, ktoré sú jej súčasťou. Predmetom štúdia termodynamiky nie sú jednotlivé atómy či molekuly, ale systémy tvorené veľkými súbormi s veľkým počtom častíc. Molekulová biofyzika študuje zákonitosti fyzikálneho pohybu molekúl a makromolekúl v živom systéme, od molekulového chápania skupenských stavov až po vlastnosti makromolekúl. 3 3 3

4 Termodynamika Termodynamický systém je výsek hmotného sveta obsahujúci
veľký počet interagujúcich častíc napr. reakčná banka, tlaková nádoba, bunka, živý jedinec. Podľa interakcie s okolím definujeme tri druhy systémov: izolovaný, - uzavretý, - otvorený Usporiadanie systému v danom čase udáva stav systému. Je určený stavovými veličinami: p, T, V, n. Vzájomná súvislosť stavových veličín je daná stavovou rovnicou: p.V/T = n.R R je plynová konštanta Ak sa mení stav termodynamického systému, ide o termodynamický dej. Deje pri konštantných podmienkach: - izotermický, - izochorický, - izobarický dej 4 4 4

5 TS – výsek hmotného sveta, obsahujúci veľký počet interagujúcich častíc
5 5

6 Stavové veličiny 6 6

7 Prvá termodynamická veta
Vyjadruje základný princíp o zachovaní energie. Platí všeobecne a absolútne pre jednu alebo nekonečný počet častíc napr. v ľudskom organizme. dU = A+Q dU je prírastok vnútornej energie, A je vykonaná práca, Q je prijaté teplo. Žiadny systém nevykoná prácu bez dodania tepla a bez zníženia vnútornej energie. Entalpia H – tepelný obsah je množstvo tepla, ktorý si systém vymieňa s okolím pri konštantnom tlaku: H = U+pV p = konšt. H je entalpia, U je vnútorná energia, p je tlak, V je objem 7 7 7

8 Transformácia a akumulácia energie v živých systémoch
Zákon o zachovaní energie 8 8

9 Druhá termodynamická veta
Teplo nemožno úplne premeniť na prácu: pri tejto premene sa časť tepla odovzdáva okoliu s nižšou teplotou a nemožno ju v systéme využiť. Energia sa nestráca, ale degraduje na menejcennú formu energie – teplo. Vždy časť energie zostane vo forme tepla:  = Q1–Q2/Q1 = T1–T2/T1  je účinnosť a je menšia ako 1, Q je teplo, T je teplota Deje prebiehajúce jedným smerom sa nazývajú ireverzibilné. Stupeň nevratnosti deja entropia S–miera degradácie energie alebo nevratnosti deja: dS = dQ/T dS je nekonečne malá zmena entropie, dQ je nekonečne malý prírastok tepla T je teplota deja Entropia je mierou neusporiadanosti systému. 9 9 9

10 Skupenské stavy látok Závisia od T a p.
Tuhé skupenstvo–pevné spojenie častíc, priestorovo usporiadané, kmitavý pohyb. Kvapalné skupenstvo–dotyk častíc, zachovanie objemu, pohyb častíc, rôzny tvar, izotropné a anizotropné prostredie, povrchové napätie, viskozita, rozpúšťacia schopnosť.... Kvapalné súčasti organizmu–biologické tekutiny–plazma, lymfa, mozgomiechový mok, kvapalné sekréty. Sú to roztoky. Plynné skupenstvo – voľne pohybujúce sa molekuly, zanedbateľné príťažlivé sily. Stavová rovnica plynov, Daltonov zákon, Henryho zákon. Plazmatický stav–plazma–vysoko ionizovaný plyn, elektricky vodivá. 10 10 10

11 Disperzné systémy Dvojfázové systémy - disperzné prostredie v nadbytku a disperzný podiel. Podľa veľkosti častíc: Analytické disperzie – do 1 nm, pravé roztoky, prechádzajú cytoplazmatickou membránou, nesedimentujú, rýchlo difundujú. Koloidné disperzie – nm, roztoky makromolekúl alebo miciel, neprechádzajú membránou, viditeľné elektrónovým mikroskopom, sedimentujú v ultracentrifuge, pomaly difundujú. Krvná plazma, roztok škrobu, koloidný roztok bielkovín. Majú elektricky náboj. Hrubé disperzie – častice väčšie ako 1000 nm, neprechádzajú filtračným papierom, viditeľné optickým mikroskopom, sedimentujú v zemskej gravitácii, nedifundujú. 11 11 11

12 12 12

13 Koligatívne vlastnosti roztokov
Vlastnosti, ktoré závisia len od koncentrácie disperzného podielu. Napr. – zníženie tenzie pár, zvýšenie bodu varu, zníženie bodu mrazu, osmotický tlak. Sú určené na stanovenie molekulovej hmotnosti rozpustenej látky. Zníženie tlaku pár nad roztokom – Raoultov zákon : dp/p = p-p´/p = n2/n1 +n2 n1 je počet mólov rozpúšťadla, n2 je počet mólov rozpúšťaných látok, p je tenzia nasýtených pár nad rozpúšťadlom, p´ je tenzia nasýtených pár nad roztokom So znížením tenzie nasýtených pár súvisí zvýšenie bodu varu roztoku - čím väčšia je koncentrácia rozpustenej látky v rozpúšťadle, tým viac sa zvýši jeho bod varu: dtv = E.cm E je ebulioskopická konštanta, cm je mólové teplo vyparovania Pre zníženie bodu tuhnutia platí: dtt = -K.cm K je kryoskopická konštanta, cm je skupenské teplo topenia 13 13 13

14 Povrchové javy Javy na rozhraní fáz sa týkajú povrchového napätia a adsorbcie. Povrchové napätie je sila, pôsobiaca na 1 meter dĺžky kvapaliny:  = F/l N.m-1. Na molekuly povrchu pôsobia van der Waalsove sily. Povrchové napätie spôsobí, že sa kvapalina neroztečie, vytvorí sa kvapka s najmenším povrchom, ďalej spôsobuje kapilárne javy, eleváciu a depresiu, uplatňuje sa pri dýchaní. Adsorpcia je schopnosť povrchovej vrstvy zvýšiť koncentráciu atómov alebo molekúl, látky tuhej ale aj kvapalnej. Adsorbent napr. živočíšne uhlie. Je funkciou teploty a tlaku. Absorpcia je pohlcovanie v celom objeme. 14 14 14

15 15 15

16 Biofyzika bunky Bunka je základná štruktúrna, funkčná a rozmnožovacia jednotka organizmu. Malý, membránou ohraničený systém, naplnený vodným roztokom chemických prvkov v rôznych zlúčeninách. Je to otvorený systém, vymieňajúci si s vonkajškom energiu, informácie a látkovú premenu. Ďalšie deje prebiehajú na bunkovej membráne. Ich najčastejšia veľkosť je μm. Nervové bunky až 1 m, riketsie a mykoplazmy asi 100 nm. 16 16 16

17 Štruktúra a funkcia bunky
Mikroskop, elektrónový mikroskop, röntgenová štruktúrna analýza, magnetická rezonancia, pozitrónová emisná tomografia – informácie o štruktúre a funkcii bunky. Základná štruktúra bunky – cytoplazma a bunková membrána Človek z niekoľko biliónov buniek. Špecializácia buniek – súvis – z vykonávanou funkciou. Bunky určitého funkčného a štruktúrneho typu sa spájajú do tkanív, z ktorých sa vytvárajú jednotlivé orgány. Tvar – rozmanitý Prvky sa delia na: Základné – najviac zastúpené Hlavné – fyziologické procesy a látková výmena Stopové – ich nedostatok spôsobí patologické stavy až smrť 17 17 17

18 18 18

19 Tvary buniek v ľudskom tele
19 19

20 Cytoplazma a jej chemické zloženie
Cytoplazma je základom vnútorného prostredia bunky. Obsahuje 70% vody, 15-20% bielkovín, 2-3% tukov a zvyšok tvoria nukleové kyseliny, uhľovodíky, nízkomolekulové organické látky, minerály a ióny. Štruktúra a funkcia vody v cytoplazme V jej spávaní niektoré anomálie: Najväčšia hustota pri 3,98°C. Molekula H2O má charakter dipólu. Má vysokú dielektrickú konštantu a schopnosť rozpúšťať polárne látky. Funkcie vody: - rozpúšťadlo organických a anorganických látok – tvorí disperzné prostredie – zúčastňuje sa na metabolizme – podieľa sa na termoregulácii – zúčastňuje sa na vytváraní osmotickej rovnováhy – účinkuje pri transporte látok cez bunkovú membránu. V bunke voľná voda – 95% celkového obsahu, funguje ako rozpúšťadlo a disperzné prostredie koloidného systému cytoplazmy a viazaná voda, ktorá sa zúčastňuje na vytváraní väzieb s polárnymi skupinami bielkovín. 20 20 20

21 Štruktúra molekuly vody
21 21

22 Vlastnosti cytoplazmy a jej štruktúra
Číra časť cytoplazmy je cytosól. V nej malé, veľké častice a organely rozmerov niekoľko nm (nanometrov) a μm (mikrónov). Bielkoviny cytoplazmy sú štruktúrne a globulárne. Bunková cytoplazma je bezfarebná a prepúšťa viditeľné svetlo. Obsahuje pigmenty. V polarizovanom svetle je cytoplazma izotropná. Je elastická, kontraktilná, rigidná, pohyblivá a primerane pevná. Viskozita cytoplazmy je vyššia v porovnaní s vodou. Je daná väzbami medzi časticami, z ktorých je zložená. Závisí od T a zloženia okolia buniek. K povrchu bunky je väčšia, a mení sa napr. pri bunkovom delení a fagocytóze. Cytoplazma je mierne kyslá pH (približne 6,8) a má veľkú pufrovaciu schopnosť. 22 22 22

23 Funkcia bunkovej membrány
Úloha v živote bunky pri uskutočňovaní základných biologických a fyziologických funkcii: - oddeľuje cytoplazmu - obaľuje organely – zabezpečuje bunkový transport - genézu elektrických potenciálov – dráždivosť a vzrušivosť - energetiku živých systémov – imunita – rozmnožovanie a ďalšie. Štruktúra bunkovej membrány Molekulová dvojvrstva lipidov (fosfolipidy a cholesterol) so zabudovanámi membránovými proteinmi (ektoproteíny a endoproteíny). Dobrú priepustnosť pre vodu a nej rozpustené zabezpečuje veľké množstvo pórov. Bunková membrána plní dve hlavné funkcie: - rozdeľovaciu – integrujúcu. Ich poruchy vyvolávajú ochorenia. 23 23 23

24 Bunková membrána - supramolekulový útvar
24 24

25 Model bunkovej membrány
1-bielkovina, 2-dvojvrstva lipidov, 3-otvor, pór 25 25

26 Transport cez bunkovú membránu
Ide o prenos živín, kyslíka do bunky a vylučovanie odpadu a CO2 z bunky. Výsledkom transportu fyziologických iónov je rozdiel ich koncentrácie vnútri a mimo bunky, čím sa generuje potenciálová diferenciácia - pokojový a akčný potenciál. Poznanie transportov v bunkách je dôležité pre aplikáciu liečiv do tkanív. Existuje pasívny a aktívny transport. Pasívny je prenos látok v smere elektrochemického gradientu, zo stavu s vyššou energiou do stavu z nižšou energiou: osmóza a difúzia. Aktívny je prenos molekúl a iónov proti elektrochemickému gradientu, na úkor energie metabolických procesov bunky: - sodíkovo-draslíková pumpa a kalciová pumpa. 26 26 26

27 Pasívny transport cez bielkovinové kanály
iónový kanál otváraný naviazaním ligandu iónový kanál otváraný elektrický 27 27

28 Model sodíkovo-draslíkovej pumpy, 1-vonkajšia strana, 2- vnútorná strana, 3-membrána
28 28

29 Sodíkovo-draslíková pumpa
29 29

30 Membránový a akčný potenciál
Elektrické prejavy membrány sú významné pri kódovaní a prenose informácii v nervom tkanive a spúšťaní svalovej kontrakcie. Pokojový membránový potenciál sú veľké ióny v cytoplazme a nerovnomerne rozdelené fyziologické ióny (K, Na, Cl) na obidvoch stranách membrány. Akčný potenciál vzrušivých tkanív. Vzrušivosť je schopnosť membrán odpovedať na podnet, čo sa prejaví ich funkčnými zmenami a fyzikálno-chemickými procesmi napr. zmenou ich elektrického stavu. Táto potenciálová zmena je akčný, činnostný potenciál. AP – základný prvok kódovania a prenosu informácií v nervom systéme. V svale je AP prvý článok spustenia svalovej kontrakcie. 30 30 30

31 Hladiny iónov v niektorých bunkách
31 31

32 Pokojový membránový potenciál a rovnovážny
potenciál draslíkových iónov Druhy bunky Vm/mV/ Vk/mV/ Svalová bunka cicavcov -80 -92 Svalová bunka žaby -85 -93 Svalová bunka raka -77 -84 Nervové vlákno /Loligo/ -61 -81 Nervové vlákno /Squid/ -76 -86 Srdcový sval psa -90 -110 32 32

33 Pemeabilita membrány pre draslíkové a sodíkové ióny
33 33

34 Priebeh AP v nervovom vlákne
34 34

35 Šírenie akčného potenciálu
AP vzniká v mieste podráždenia, šíri sa po membráne nervového a svalového vlákna na miesto určenia. Spôsob šírenia: Mechanizmom tzv. lokálnych prúdov – rozdiel potenciálov medzi podráždeným a nepodráždeným miestom. Lokálny prúd vyvolá vznik AP na susednom mieste membrány. Proces sa opakuje. Skokom – v myelizovaných nervových vláknach, myelín nevedie elektrický prúd, vzruch sa šíry skokom od jedného Ranvierovho zárezu k ďalšiemu. Synaptický prenos – medzi nervovými a medzi nervovými a svalovými, synapsa je funkčné spojenie pomocou chemických mediátorov. 35 35 35

36 Schéma šírenia vzruchu cez synapsu
36 36

37 Biofyzika tkanív a orgánov
Biomechanika kostí – aplikácia zákonov mechaniky v biológii a medicíne. Skúma vlastnosti a dynamiku kostného skeletu, kĺbových spojení a vhodnosť aplikácii náhrad. Skelet a kĺby pripomínajú sústavu pák v gravitačnom poli, pôsobení vonkajších síl a svalov. Biomechanika svalovej kontrakcie – svaly sú hybný systém človeka. Výsledkom svalovej kontrakcie je práca. Kostrový sval je zložený z vlákienok. Myofibrily sú zložené z tenších aktínových a hrubších myozínových vlákienok. Spúšťačom kontrakcie je AP, ktorý uvoľní Ca+2 ióny zo sarkoplazmatického retikula do svalovej bunky. Uvoľnenie nastane po znížení koncentrácie Ca+2 v bunke. Sval odpovedá pohybom alebo ťahovou silou – izometrická akcia (l je konšt.) vzniká pri fixovaných šľachách – izotonická akcia (napätie je konšt.), sval mení dĺžku. Myogram je časový záznam potenciálov svalov. 37 37 37

38 Svalové vlákno – schéma usporiadania kontraktilných elementov, A–anizotropné pásmo, I–izotropné pásmo, Z–disk 38 38

39 Biofyzika krvného obehu
Krvný obeh je polouzavretý systém tvorený srdcom, cievami a krvou. Srdce je zdrojom mechanickej energie, cievy tvoria rozvodný systém a krv je pohyblivá a nestlačiteľná zložka. Hlavná funkcia je privádzať tkanivám O2 a výživné látky a odvádzať z nich produkty látkovej premeny a CO2. Práca srdca – srdce pracuje ako tlakové čerpadlo. Kontrakciou dutého srdcového svalu vzniká tlak, ktorý vháňa objem krvi do ciev. Srdce vykoná statickú prácu: Wp = p.V Krv získa rýchlosť a vykonáva kinetickú prácu: Wk = 1/2mv2 Mechanická práca W = Wp + Wk a pri jednej systole je 1,13 J. Prúdenie krvi sa riadi rovnicou kontinuity: S1v1 = S2v2 Bernoulliho ronicou: 1/2mv12 + p1.V = 1/2mv22 + p2.V Krv prúdi následkom tlakových rozdielov vznikajúcich W srdca. pN = 16kPa/10,5kPa. Krv prúdi laminárne alebo turbulentne. 39 39 39

40 Zloženie srdca 40 40

41 Biofyzika dýchania Vonkajšie a vnútorné dýchanie. 4 hlavné časti dýchania: pulmonálna ventilácia, difúzia plynov, transport plynov, regulácia dýchania. Fyzikálne zákony dýchania: Zmes 78%N, 21%O, 1%CO2, vodné pary a vzácne plyny. Stavová rovnica, Daltonov zákon – určuje parciálny tlak kyslíka, Henryho zákon – sa týka rozpustnosti plynov v krvnej plazme a Fickove zákony. Mechanika dýchania a dychové objemy. Výmena plynov v pľúcnych alveolach. Inspírium – aktívny proces a expírium – pasívny proces. Dychové objemy podľa hĺbky dýchania: - dychový objem (DO = 0,5 l), - inspiračný objem (IRO = 2,5 až 3 l), - expiračný objem (ERO = 1 l), - reziduálny objem (RO = 1,5 l). 41 41 41

42 Frekvencia dýchania, rýchlosť a objemy registrujeme spirometrom a pneumotachogramom. Frekvencia je počet nádychov (výdychov) za minútu. Minútový objem dýchania je objem vzduchu, ktorý sa za minútu vdýchne a vydýchne. Vznik ľudského hlasu Hlas vzniká v hrtane a súvisí s dýchaním. Vytvára ho kmitajúci vzduchový stĺpec v rezonančných dutinách nad hlasivkami. Výška hlasu závisí od dĺžky hlasivkových väzov a farba hlasu od veľkosti a tvaru rezonančných dutín (hrtan, ústna, nosová a prínosové dutiny). Sila hlasu závisí od tlaku vydychovaného vzduchu. Akustické prvky ľudskej reči sú samohlásky a spoluhlásky. 42 42 42

43 Pasívne elektrické vlastnosti tkanív
Tkanivá sú vodiče II. rádu – elektrolytické pomocou iónov alebo iných nabitých koloidných častíc. Vodivosť tkanív závisí od elektrického prúdu (I) a druhu tkaniva (jeho štruktúry). Tkanivo je paralelne zapojený elektrický obvod odporu R a kapacity C. Aktívne elektrické vlastnosti tkanív Prejavom vzrušivého tkaniva sú AP. AP orgánov sú integrálom činnostných potenciálov buniek. Ich snímanie sa využíva v diagnostike. Elektrokardiografia Srdce má vlákna špecializované na prácu a na vedenie AP (Purkyňové vlákna). Srce si sa generuje AP v generátore (sinoatrálny uzol). AP trvá viac ako 200 ms. AP možno snímať s povrchu tela – elektrokardiogram (EKG). 43 43 43

44 Merný odpor tkanív Tkanivo Merný odpor /Ω.m/ Cytoplazma bunky 1
Telové tekutiny 0,8-1,3 Svaly 3 Parenchymatózne tkanivo 4-6 Tukové tkanivo 10-15 Kostné tkanivo 30 44 44

45 R-odpor tkaniva, C kapacita tkaniva
RC obvod tkaniva R-odpor tkaniva, C kapacita tkaniva 45 45

46 Jednoduchá elektrokardiografická krivka
46 46

47 Elektrokardiografické vyšetrenie
47 47

48 Elektroencefalografia Magnetické signály tkanív
Snímanie AP z CNS hlavne z mozgu. Obraz sa zaznamená elektródami na povrchu hlavy (EEG), alebo priamo z povrchu mozgu (ECOG). Elektroretinografia (ERG) – snímanie AP zo sietnice oka, elektrogastrografia (EGG) – snímanie AP žalúdkovej steny, elektromyografia (EMG) – zo svalov. Majú diagnostický význam. Magnetické signály tkanív Snímanie a registrácia biomagnetických prejavov (magnetických polí) srdca, svalov a mozgu. 48 48 48

49 Biofyzika vnímania Vzťah podnetu a vnemu
Zmyslové vnímanie je príjem a uvedomovanie si informácií z vonkajšieho a vnútorného prostredia organizmu, prostredníctvom receptorov. Receptory: fotoreceptory, chemoreceptory, mechanoreceptory, termoreceptory a ďalšie. R sú to meniče energie, na elektrický signál – receptorový potenciál. AP ide senzitívnym nervom do CNS, kde sa analyzuje a človek získa informácie. Vzťah podnetu a vnemu Intenzita vnemu sa zvyšuje intenzitou podnetu. Čím je priemer nervového vlákna väčší, tým je aj rýchlosť šírenia vyššia. 49 49 49

50 Vnímanie chuti a čuchu Vnímanie zvuku
Chuť a čuch majú podobný mechanizmus vzniku podráždenia. Na recepciu čuchu je čuchový epitel. Čuchové receptory sa rýchlo adaptujú, až zmiznú činnostné potenciály. Chemoreceptory chuti – chuťové poháriky v sliznici jazyka. Chuťové vnemy závisia od podráždenia čuchu. Vnímanie zvuku Proces zachytenia, prenos a spracovanie zvukového signálu v sluchových analyzátoroch. Zvuk je mechanické kmitanie prostredia s kmitočtom Hz. Rýchlosť závisí od vlastnosti prostredia. Človek vníma zvuk pomocou sluchového orgánu. Vlastným akustickým receptorovým systémom je Cortiho orgán vo vnútornom uchu. Úlohou vestibulárného systému je vnímanie polohy, pohybu a zrýchlenia. 50 50 50

51 Umiestnenie čuchových receptorov
51 51

52 Látka Rýchlosť zvuku [m/s] 340 1 500 1 400 1 700 3 200 5 000 5 200
Rýchlosť šírenia zvuku Látka Rýchlosť zvuku [m/s] Vzduch (13,4 °C) Voda (25 °C) Ortuť Beton Ľad Oceľ Sklo 52 52

53 Hlasitosť zdrojov zvuku
Druh zvuku Hlasitosť /Ph/ Intenzita /W.m-2 / Prah počutia 10-12 Šum lístia, šepot 10-20 10-11 – 10-10 Tichá hudba 40 10-8 Rozhovor 50-60 10-7 – 10-6 Pouličný hluk 60-70 10-6 – 10-5 Pneumatické kladivo 100 10-2 Dýzový motor 120 1 53 53

54 Sluchové pole 54 54

55 Stavba ucha 55 55

56 Zrakový analyzátor Príjem a spracovanie informácií v zrakovom centre je výsledkom dopadu fotónov svetla na receptory v oku. Svetlo je elekromagnetické vlnenie s λ = nm. Má vlnovo-časticový charakter. Oko vytvára obraz predmetu a mení energiu fotónov. Optická mohutnosť oka je 60D (dioptria). Zmena optickej mohutnosti je akomodácia. Obraz na sietnici a bodovo je oko emetropické. V opačnom prípade ametropické. Pred sietnicou – krátkozrakosť (myopia). Za – ďalekozrakosť (hypermetropia). Predmet zobrazený nie bodovo –astigmatizmus. Sietnica – na ne fotoreceptory. Obraz prevrátený, zmenšený. Bioelektrická aktivita sietnice je výsledok fotochemických reakcií. Sleduje ich ERG. 56 56 56

57 Stavba oka 57 57

58 Krátkozrakosť a ďalekozrakosť a korekcia okuliarmi
a) pred korekciou, b) po korekcii 58 58

59 Ekologická biofyzika Životné prostredie, prostredie kde žijeme, výsledkom jeho narušenia je zvýšený počet ochorení. Výsledkom interakcií organizmu s prostredím je: - reakcia, - poškodenie, -adaptácia. Fyzikálne podnety: -mechanické faktory, - elektrcké a magnetické polia, - teplo a meteorologické faktory, - zvuk, ultrazvuk a infrazvuk, - neionizujúce žiarenie, - ionizujúce žiarenie. Účinok závisí od: - druhu podnetu, - intenzity, - trvania podnetu, - miesta pôsobenia, - reaktivity organizmu. Fyzikála terapia je pôsobenie priaznivých podnetov pri liečbe, prejaví sa vyšším prekrvením, zlepšenou regulačnou schopnosťou a obnovením narušených biologických funkcií. 59 59 59

60 Účinky mechanických síl (geobiofyzika)
Gravitačné zrýchlenie: - preťaženie kladné, - preťaženie záporné Účinky podtlaku a pretlaku (barobiofyzika) Atmosféricky tlak pôsobí stále na organizmus. Vysoké nadmorské výšky: - brachykardia, - tachykardia, horská choroba. Počas tretieho týždňa vysokohorského pobytu – aklimatizácia. Zmena intermediárneho metabolizmu – zvýšenie výkonnosti pri nízkej spotreba O – liečenie chorôb respiračného systému. Podtlakové komory – tlak vzduchu znížený o kPa. Pri potapaní – kesónová choroba. Pretlak sa využíva v pretlakových komorách (barokomorach), kde je 26,7-53,3 kPa. Terapia hypoxických stavov a pľúcneho emfyzému. Hyperbarická oxygenoterapia sa využíva pri otravách CO, kyanidmi, popaleninách a polytraumách. 60 60 60

61 Účinky elektrických a magnetických polí
Tkanivá sú komplikované vodiče I. Tkanivo je elektrická impedancia s vodivosťou, kapacitou a indukčnosťou. Priaznivé účinky I sa využívajú ako elektroliečba. Účinky jednosmerného I – preteká tkanivo elektrolyticky, pohybom iónov. Nemá dráždivé účinky, má tepelné účinky. Galvanoterapia – liečba jednosmerným I: - galvanizácia (liečba chronických ochorení, poúrazových stavov, porúch prekrvenia, spazmov svalstva a iných) a – ionoforéza (aplikácia liečiva, ktorých molekula má na povrchu elektrický náboj). Účinky striedavého nízkofrekvenčného I – má predovšetkým dráždivé účinky – rozcvičovanie svalstva, defibriláciu a stimuláciu. Impulzoterapia – liečebná aplikácia nízkofrekvenčných I: - rozcvičovanie svalov, - stimulovanie hladkého svalstva, - elektrostimuláciu totálne denervovaných svalov a - diagnostiku. 61 61 61

62 Ionoforéza 62 62

63 Hoowergova a Weissova krivka, I-intenzita prúdového impulzu, t-trvanie impulzu.
63 63

64 Fyziologické účinky striedavého prúdu (60Hz), prechádzajúceho cez kožu (neporušenú) do tela
1 mA prah pocitu 5 mA bezpečný prúd cez kožu, ale nie cez implantovaný stimulátor srdca 10  20 mA začína svalová kontrakcia 50 mA bolesť, možnosť porúch srdca a dýchania 100  300 mA fibrilácia komôr (srdce prestáva pracovať ako pumpa) 6 A trvalá kontrakcia srdcových komôr, popáleniny na koži 64 64

65 Účinky striedavého vysofrekvenčného prúdu–majú frekvenciu vyššiu ako 1 MHz, a majú najmä tepelný účinok. Diatermia – hĺbkový tepelný vplyv. Úrazy I: - pri prechode I s vyššou intenzitou. Najcitlivejšie tkanivá sú mozgové, respiračné svaly hrudníka, nervové centrá a srdce. Účinky magnetických polí – biologické sú výsledkom pôsobenia na receptory, ovplyvňujú reakcie radikálov a výmenu iónov (Ca+2), vyvolávajú vazodilatáciu, analgéziu, podporujú hojenie a myorelaxáciu. Magnetoterapia – liečba poúrazových stavov, podpora vhojenia endoprotéz, urýchlenie hojenia zlomenín, hovenia mäkkých tkanív, pri chronických zápaloch, ochoreniach pohybového systému, bolestiach chrbtice, reumatizme, obrne nervov a... Nevhodná pre tehotné ženy, osoby s anémiou, s implantovaným elektronickým zariadením, u pacientov s aktívnou TBC, s poruchami funkcie endokrinných žliaz, nádorovými ochoreniami a psychózami. 65 65 65

66 Diatermia 66 66

67 Magnetoterapia 67 67

68 Účinky tepla Q – forma energie, úhrnná kinetická energia neusporiadaného pohybu molekúl látky. Čím vyššia je Ek tým vyššia je t. Pri absolútnej nule t = - 273,15°C sa látky nepohybujú. Telesná teplota – človek si udržiava konštantnú t tela –rovnováha medzi tvorbou a výdajom Q termoreguláciou v hypotalame –36,5°C. Mechanizmus tvorby a prenosu tepla. Teplo sa tvorí metabolizmom vo svalstve, pečeni a ostatných orgánoch. Teplo z okolia. Strata tepla kondukciou, konvekciou, radiáciou a evaporáciou. Reakcia na teplo závisí od intenzity a formy tepelného podnetu a od reaktivity organizmu. Termoterapia celková a lokálna využíva priaznivé účinky tepla. Účinky počasia a klímy skúma bioklimatológia: - humánna, -zoologická, - botanická, - kozmická. 68 68 68

69 Rozsah termoregulácie človeka a poruchy
69 69

70 Termoterapia 70 70

71 Účinky zvuku, ultrazvuku a infrazvuku
Nežiaduci zvuk rôznych frekvencií a intenzít sa nazýva hluk. Akustický tresk je tlaková vlna. Účinky ultrazvuku. Ultrazvuk má frekvenciu = Hz. V medicíne sa používa na terapiu a diagnostiku. Používa sa aj na meranie rýchlosti prietoku krvi. Nadmerná intenzita dráždi a poškodzuje tkanivo. Účinky neionizujúceho žiarenia NŽ – viditeľné svetlo, UV, IR a mikrovlny. VS – fotosyntéza, videnie, fyziologické účinky. Prevencia, doplnková liečba TBC, rekonvaleciacia a helioterapia kožných ochorení. Úpal a prehriatie. Laserové žiarenie sú opakované impulzy úzkeho zväzku monochromatického žiarenia od IR, VS, UV po RTG. Laser – kvantový generátor. 71 71 71

72 Dopplerov jav, zdroj vlnenia a) v kľude, b) v pohybe
72 72

73 Ošetrenie kožných lézií laserom
73 73

74 Elektromagmetické žiarenie
74 74

75 Účinky IR - IR tvorí dlhovlnná časť optického spektra
Účinky IR - IR tvorí dlhovlnná časť optického spektra. Má tepelný efekt a analgetický, spazmolytický a stimulačný účinok na imunologické reakcie. Účinky UV - Má výrazne biologické (denaturácia bielkovín, zmeny DNA, vznik mutácii, ccromozomových a morfologických zmie) a fotochemické účinky. Účinky mikrovlnného žiarenia - Šírenie rozhlasového a televízneho signálu, v rádiotelegrafii a bezdrôtovom spojení. V tkanivách vznik tepla. Biologické rytmy - Oscilácie procesov organizmu v čase patria medzi prejavy organizmu. Sú dedičné podľa teórie biologických hodín. 24 hodinový cyklus je základný biorytmus, pri ňom sa mení vyše 300 funkcií a procesov. Prelety cez časové pásma ovplyvňujú biorytmy. Starnutie – rozladenie a vymiznutie biorytmov. Klinický význam – vznik choroby. 75 75 75

76 Biofyzika ionizujúceho žiarenia
Rádiačná biofyzika sa zaoberá účinkami IŽ na biologické systémy. Prirodzené a umelé rádioizotopy, ktorých jadro je nestabilné. Samovoľný rozpad jadier je rádioaktivita a riadi sa fyzikálnymi zákonmi. Základný zákon rozpadu: - počet rádioaktívnych častíc klesá v závislosti od času a rýchlosti rozpadu. Druhy rozpadu - rozpad α (vznik častice α), - rozpad β (počet nukleónov je zachovaný), - γ (emisia elektromagnetického žiarenia) Podľa ionizácie – priamo ionizujúci s nábojom – e-, p+, α, a - nepriamo ionizujúce bez náboja – elektromagnetické žiarenie, neutróny, RTG, γ. IŽ je charakterizované energiou v elektrónvoltoch (eV). Prírodné a umelé zdroje IŽ. Priemerné dávky týchto zdrojov sú 2,5mSv – 3,5mSv. Radón spôsobuje polovicu radiačnej zaťaženosti obyvateľstva. 76 76 76

77 Rozpadový zákon a) lineárny súradnicový systém,
b) semilogaritmický systém 77 77

78 Zdroje IŽ v životnom prostredí
78 78

79 Interakcia ionizujúceho žiarenia
Interakcia medzi žiarením a absorpčným prostredím: - excitácia, ionizácia, vznik brzdného žiarenia, rozptyl, fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrón-pozitrónových párov a jadrové reakcie. α – strácajú energiu postupne s dĺžkou dráhy, ionizáciou (odtrhnutie e-) a excitáciou (vzbudenie e-). Dolet vo vzduchu je do 10 cm, vo vode a biologickom tkanive 0,1 mm. β – častice majú 10x slabšie ionizačné schopnosti ako α. Naráža na atómy prostredia a mení dráhu,ktorá je v tkanive 4x dĺhšia ako pri α. Vo vzduchu je niekoľko metrov. λ – nejprenikavejšie, vo vzduchu niekoľko 100 m. Tri spôsoby interakcie: fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrón-pozitrónových párov. Neutróny bez náboja, interakcie s jadrom atómu. 79 79 79

80 Fotoefekt Comptonov rozptyl
Tvorba elektrón- pozitronových párov 80 80

81 Detekcia a dozimetria ionizujúceho žiarenia
Nemáme receptory na vnímanie IŽ. Detektory podľa spôsobu registrácie IŽ: - pulzné a – integrálne Podľa účinku IŽ: -ionizačné, - scintilačné, - fotografické, - polovodičové, - tepelné, - chemické. Biologické účinky IŽ Procesy začínajú absorpciou energie IŽ. Radiobiologický efekt zložený z fyzikálnych, fyzikálnochemických, chemických a biologických dejov. Ochrana pred IŽ Cieľom je zabrániť radiačnému poškodeniu organizmu. Ochrana má fyzikálny, chemický alebo biologický charakter. 81 81 81

82 Gaiger-Müllerov počítač, A-katóda, A-anóda, R-pracovný odpor
Scintilačný počítač, Kr-scintilátor, Fk-fotokatóda, D-dynódy, A-anóda 82 82

83 Senzitomerická charakteristika, S-sčernanie, D-dávka žiarenia
1-úsek linearity, 2-úsek nelinearity, 3-úsek desolarizácie 83 83

84 Biologické účinky ionizujúceho žiarenia
Somatické Genetické Včasné Neskoré Akútna choroba z ožiarenia Akútne poškodenie kože Poruchy plodnosti Poškodenie vývinu Plodu Chronický útlm krvotvorby Chronický zápal Zákal očnej šošovky Nádorové ochorenia rôznych orgánov Leukémia následky u potomkov Nestochastické Stochastické 84 84

85 Medzinárodná sústava jednotiek SI zavedená 1.1.1980
SI: - základné jednotky, - doplnkové jednotky, -odvodené jednotky, - násobky a diely jednotiek SI. Prehľad skupín jednotiek: Veličina Jednotka Značka Dĺžka Hmotnosť Čas Elektrický prúd Termodynamická teplota Látkové množstvo Svietivosť meter kilogram sekunda ampér kelvin mol kandela m kg s A K cd 85 85 85

86 Predpona Značka Faktor
Predpony násobkov jednotiek exa- peta- tetra- giga- mega- kilo- hekto- deka- E P T G M K H da 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 dielov deci- centi- mili- mikro- nano- piko- femto- atto- d c m n p f a 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 86 86

87 Názov Symbol, Hodnota Jednotka
Atómová hmotnostná jednotka u = 1, kg Avogradova konštanta Na = 6, mol-1 Boltzmannova konštanta k = 1, J. K-1 Diracova konštanta h = 1, J. s Elementárny náboj e = 1, A. s Faradayova konštanta F = 9, A. s. mol-1 Gravitačná konštanta κ = 6, m. N. kg-1 Normálne tiažové zrýchlenie gn = 9,80665 m. s-2 Molový objem ideálneho plynu Vm= 22, m3. mol-1 Permeabilita vákua μo = 1, H. m-1 Permitivita vákua ε0 = 8, F. m-1 Planckova konštanta h = 6, Plynová konštanta R = 8,3143 J. K-1. mol-1 Pokojová hmotnosť elektrónu m e = 9, Pokojová hmotnosť neutrónu mn = 1, Pokojová hmotnosť protónu mp = 1, Rýchlosť svetla vo vákuu c = 2, m. s-1 Stefanova-Boltzmannova konštanta σ = 5, W. m-2. K-4 87 87