Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně Biologické účinky mechanických faktorů a neionizujícího záření Účinky podtlaku * Graf sycení krve kyslíkem * http://www.alma.nrao.edu/memos/html-memos/alma162/medical0.gif Účinky přetlaku Barokomory a dysbarismus * Přetlakové komory - barokomory se využívají léčebně i při jiných onemocněních než u kesonové nemoci. Používaný přetlak kolísá v rozmezí 26 - 54 kPa, někdy i více. Často se používá barokomora s kyslíkovým přetlakem (hyperbarická oxygenoterapie). Této léčby se využívá u některých plicních onemocnění, u otrav CO a kyanidy, u popálenin aj. Ve velkých barokomorách lze s výhodou provádět některé srdeční operace. * Dysbarismus - obtíže při tlakových změnách menšího rozsahu (do 5 kPa), které se projevují především v letecké dopravě. Bolestí v uších v důsledku relativního přetlaku nebo podtlaku ve středoušní dutině, který vede k vyklenutí nebo vpáčení bubínku. Příčinou bývá omezená průchodnost Eustachovy trubice. K vyrovnání tlaků napomáhá aktivní polykání. Barokomra * http://www.stranypotapecske.cz/kontakty/pic/komora2.jpg Účinky přetížení * Člověk je adaptován na gravitační zrychlení, g = 9,81 m.s^-2. V letectví a při kosmických letech však může působit zrychlení několikanásobně vyšší -- přetížení. Dle směru působící setrvačné síly rozlišujeme přetížení ve směru podélné a příčné osy těla. Přetížení ve směru podélné osy: kladné a záporné. * Kladné přetížení - síla směřuje od hlavy k nohám. Přesun krve ve směru působící síly TH nedokrevnost mozku a městnání krve v nohách. Pokles TK v mozku může vést ke ztrátě vědomí a k tzv. bílé slepotě (nedokrvení sítnice). Kritická hodnota - přibližně 5 g. * Záporné přetížení - působí síla od nohou k hlavě. Krev se městná v hlavě, překrvení sítnice vede k tzv. červené slepotě, může dojít ke krvácení do sítnice i do mozku. Kritická hodnota - 3 g. * Při přetížení ve směru kolmém k podélné ose těla je oběhový systém ovlivňován méně, kritická hodnota - asi 18 g. * Účinek přetížení je možno snížit vhodnou polohou těla vzhledem ke směru pohybu a tzv. antigravitačním oblekem. Stav beztíže, kinetózy * Při pohybu po oběžné dráze kolem Země je odstředivá i dostředivá síla v rovnováze a dochází k tzv. beztížnému stavu. Dochází k poruše nervosvalové koordinace následkem nedostatku dostředivých vzruchů z končetin a k poruše vnímání polohy v prostoru v důsledku vyřazení vestibulárního aparátu z činnosti. Při delším pobytu v beztížném stavu se snižuje svalová síla a odvápňují se kosti. Cvičení může nahradit sníženou zátěž pohybového aparátu. * Nepravidelné zrychlování a zpomalování při přepravě dopravními prostředky vede u citlivých jedinců ke vzniku kinetóz, vyvolaných vegetativním nervovým systémem a charakterizovaných bledostí, povrchním a zrychleným dýcháním, nevolností a zvracením. Biofyzika ultrazvuku Historická pozorování kavitace a první pokus o matematické zpracování problému Od Paula Langevina a sonaru k UZ terapii a diagnostice Co to je kavitace? * Kmity mikrobublin, nejčastěji vzduchových ve vodě, které jsou RADIÁLNI = periodické změny poloměru. * Tři druhy kavitace: O/ Přechodná (transient, též kolapsová) - I[UZ] nad ~ 100 W/cm^2 (1MW/m^2) O/ Rezonanční neboli pseudokavitace - I[UZ] řádově nad 0,1 W/cm^2 (1kW/m^2) O/ Aktivace plynových těles (gas body activation) * Kavitační prahy: (obecně různé) - pro mechanické účinky, sonoluminiscenci, chemické účinky, Blakeův práh (přechod ke kolapsové kavitaci). Kmity kavitační bubliny * Kmity kavitačních bublin jsou neharmonické, jejich časový průběh (r = f(t)) není sinusový (na rozdíl od průběhu akustického tlaku v okolní kapalině) Komprese mikrobubliny Chování mikrobublin na rozhraní kapalné a pevné fáze AFM snímky leštěného povrchu platiny před a po aplikaci UZ, kavitační poškození mosazné destičky Jak lze kavitaci zkoumat? * PROBLÉM FYZIKÁLNÍ: Kavitace jako fenomén na pomezí makrosvěta a mikrosvěta - kavitační bublina je objektem příliš malým a nestabilním pro klasickou fyzikální analýzu a příliš velkým pro analýzu kvantovou. * PROBLÉM BIOFYZIKÁLNÍ: Jak působí kavitace v nitru živých organismů? Jak ovlivňuje toto prostředí samu kavitaci? Lze vůbec kavitaci zkoumat in vivo? Teoretický popis kavitace Rayleigh -- Plessetova rovnice: Biofyzikálně relevantní metody studia kavitačních jevů * akustické (měření akustické emise a změn odrazivosti) * optické (šlírová metoda zobrazení akustického pole, vysokorychlostní fotografie a stroboskopie, snímání kmitů "ukotvené" bubliny laserem, měření sonoluminiscence) * chemické (chemická dozimetrie) * biologické (hemolýza, histologie - např. výskyt krvácení do plicní tkáně u experimentálních zvířat) * sledování mechanických stop kavitace např. na kovových foliích vložených do UZ pole. Jaká je použitelnost těchto metod in vivo? Sonochemie vodných roztoků nasycených vzduchem Sonolýzu vody lze srovnat s radiolýzou vody. V nitru kavitačních bublin dochází k excitaci molekul plynu. Za nepřítomnosti kyslíku se v ozvučované vodě může objevit kyslík v důsledku těchto reakcí : H[2]O[2] + *OH *HO[2] + H[2]O *HO[2] + *OH H[2]O + O[2 ] V plynné fázi je pravděpodobnější reakce, při které vzniká i peroxid vodíků : H[2]O (excit.) *H + *OH *HO[2] + *HO[2] H[2]O[2] + O[2 ] V okolní kapalině mohou excitované molekuly vody také vstoupit do reakcí, vedoucích k prvotním produktům sonolýzy vody: H[2]O (excit.) + H[2]O H[2] + H[2]O[2 ]Jiné sonochemické procesy * Existuje řada látek, které snižují intenzitu ultrazvukové kavitace a tím i výtěžnost sonochemických reakcí. Pronikají do kavitační bubliny a brání tak jejímu zmenšování nebo kolapsu -- např. různé alkoholy, étery a aldehydy vyznačující se vysokou tenzí par. Dále inhibují chemický účinek kavitace některé plyny, jako CO[2], CO, H[2]S, N[2]O. Chemické dozimetrické metody Frickeho dozimetr využívá oxidace Fe^2+ na Fe^3+. Jodidová dozimetrie: KI rozpuštěný v destilované vodě. Po ozvučení je měřena koncentrace vyloučeného jódu. Cerový dozimetr využívá redukci Ce^4+ na Ce^3+ Taplinův dozimetr dvousložkový dozimetr - chloroform převrstvený vodou. Vzniká HCl, měří se pH. Stanovení H[2]O[2] na základě měření luminiscence luminolu. Fluorescence kys. tereftalové po interakci s volnými radikály. Uvolňování chlóru z tetrachlórmetanu. Chlór vytváří barevnou sloučeninu s O-tolidinem Použité zdroje ultrazvuku Jodidová dozimetrie kavitace buzené přístroji Piezon Master 400, BTL 07 a UZD 21 -- měření absorbance prováděno při 350 nm Hemolýza jako účinek UZ kavitace Kavitace - jev v medicíně žádoucí i nežádoucí * Rizika: v ultrasonografii i dopplerovské diagnostice, se zvláštním zřetelem ke kontrastním prostředkům, vnášejícím do prostředí zárodky kavitačních bublin. Plíce. * ESWL po použití kontrastních prostředků. * Vedlejší účinný mechanismus: aplikace rázových vln, stomatologický ultrazvuk * Hlavní účinný mechanismus: chirurgické aplikace, fakoemulgátory, nebulizéry, dezintegrátory, čističky Závěry Perspektivy * Stálé testování nových diagnostických i terapeutických metod z hlediska kavitační bezpečnosti -- oblast zájmu "Komise pro bezpečnost ultrazvukového záření" při EFSUMB (European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology) * Hledání a optimalizace metod kvantifikace kavitačních jevů in vivo * Využití kavitace v chirurgii -- HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) a LMRV (buzení kavitace dvojitými rázovými vlnami) Vedení elektrických proudů ve tkáních Měrný odpor tkání Polarizace tkáně Elektrická dráždivost Reobáze a chronaxie -- I/t křivka Elektrotonus, elektrokinetické jevy Frekvenční závislost dráždivých účinků Tepelné účinky vf proudů Úrazy elektrickým proudem Úrazy elektrickým proudem Účinky magnetických polí Magnetomechanické a magnetochemické účinky Magnety v medicíně Světelné záření Zdroje záření Molekulové mechanismy biologického účinku světla Účinky viditelného světla Účinky ultrafialového záření Pronikání UV záření Účinky ultrafialového záření Účinky infračerveného záření * Snížení intenzity světla na 35 % původní hodnoty * http://www.depilazione.net/news4.htm Souhrn Účinky mikrovln a radiofrekvenčního záření Kaly% o'recy!