Adobe Systems Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno 1 Přednášky z lékařské biofyziky Bezpečnostní aspekty změn tlaku vzduchu a tíhového zrychlení. Biologické účinky ultrazvuku pilot oszi_32[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] 2 Obsah přednášky Rizika spojená s příliš nízkým nebo vysokým tlakem vzduchu Rizika plynoucí ze změn tíhového zrychlení, stavu beztíže, kinetózy Rizika plynoucí z vysokých intenzit ultrazvuku, ultrazvuková kavitace 3 Rizika nízkého tlaku vzduchu Atmosférický tlak klesá s výškou exponenciálně, jeho poloviční hodnoty je dosaženo ve výši 5400 m nad mořem (přibližně 80%-ní sycení krve kyslíkem). Při rychlých výstupech nad 3000 m vzniká u netrénovaných osob výšková hypoxie (nevolnost, bolesti hlavy). První reakcí je zrychlené mělké dýchání Þ roste parciální tlak kyslíku v alveolech a tím i saturace hemoglobinu kyslíkem. Později dochází k uvolnění erytrocytů z rezervních prostorů, zvýšení srdečního výkonu a tepové frekvence (tachykardie). Zásobení mozku a srdce kyslíkem se zvyšuje. 4 Rizika zvýšeného tlaku vzduchu Přetlak zvyšuje parciální tlaky dýchacích plynů a jejich obsah v krvi. Když se okolní tlak sníží na normální hodnotu, přebytečné dýchací plyny difundují z tkání do krve a do alveolárního vzduchu. Problémy nastávají při rychlé dekompresi. Nadbytečný kyslík je rychle metabolizován, avšak dusík zůstává ve tkáních a krvi v podobě bublin Þ dekompresní neboli kesonová nemoc. (Keson je komora bez dna používaná pro práce pod vodou. Zvýšený tlak vzduchu brání jejímu naplnění vodou.) Negativně jsou ovlivněny klouby, mozek a srdeční sval Þ bolesti v kloubech a ve svalech, bolest hlavy, nevolnost a zvracení. Bubliny N2 způsobují plynovou embolii v srdečních cévách. S touto nemocí se často setkáváme u potápěčů. 5 Barokomory a dysbarismus Hypobarické komory: Využití při léčbě respiračních onemocnění – snížení tlaku o 20 - 40 kPa. Roste dechový objem i frekvence (též uvolňování CO2). Plíce jsou lépe prokrveny – je usnadněno vykašlávání a je tlumen úporný kašel. Hyperbarické komory (barokomory) pro fyziologickou dekompresi jsou používány nejen pro terapii dekompresní neboli kesonové nemoci. Po rychlém vynoření z hloubky je provedena terapeutická rekomprese v komoře následovaná pomalou dekompresí. Léčba kyslíkem je také účinná. Přetlak používaný pro jiné terapeutické účely se pohybuje v rozmezí 26 - 54 kPa, někdy i více. Hyperbarické komory (barokomory) se používají v kombinaci s kyslíkovou terapií (dýchání kyslíku pod tlakem). Tato léčba je aplikována u některých respiračních onemocnění, při otravách CO a kyanidy, popáleninách aj. 6 Barokomora – pohled do jejího nitra http://www.stranypotapecske.cz/kontakty/pic/komora2.jpg komora2 V zadní části komory vidíme přístroj pro oxygenoterapii. Zdravotnický personál někdy pacienta do nitra komory doprovází. 7 Dysbarismus Dysbarismus je označením pro problémy způsobené malými změnami tlaku vzduchu (do 5 kPa) – zejména během letecké přepravy. Bolest v uších je výsledkem relativního přetlaku nebo podtlaku ve středoušní dutině, což vede k napínání ušního bubínku. Často k tomu dochází při neprůchodnosti Eustachovy trubice. Opakované polykání napomáhá vyrovnávání tlaků. 8 Rizika plynoucí ze změn tíhového zrychlení Lidé jsou přizpůsobeni normální hodnotě tíhového zrychlení, g = 9,81 m·s-2. Při letecké a kosmické dopravě se v důsledku působení sil setrvačnosti objevují zrychlení několikanásobně vyšší. Kladné zrychlení – síla směřuje od hlavy k nohám. Krev se pohybuje ve stejném směru Þ nedokrevnost mozku a hromadění krve v dolních končetinách. Snížení tlaku krve v mozku způsobuje ztrátu vědomí a tzv. bílou slepotu (nedokrevnost sítnice). Kritická hodnota: kolem +5g. Záporné zrychlení – síla směřuje od nohou k hlavě. Krev se hromadí v hlavě, způsobuje překrvení sítnice – červenou slepotu – objevuje se krvácení do sítnice a do mozku. Kritická hodnota: kolem -3g. Příčné zrychlení – síla je kolmá k ose těla. Kritická hodnota: asi 18 g. Účinky zvýšeného tíhového zrychlení mohou být omezeny vhodnou polohou těla a tzv. antigravitačními obleky. 9 Účinky zvýšeného tíhového zrychlení se mohou projevit zejména u vojenského letectva a při letech do vesmíru. pilot 11ignition 10 Stav beztíže Na oběžné dráze kolem Země nastává stav beztíže. Způsobuje poruchy v nervosvalové koordinaci z důvodu chybějících podnětů přicházejících z končetin a z důvodu zkresleného vnímání polohy těla vlivem chybné funkce statokinetického ústrojí. V průběhu dlouhodobých pobytů ve stavu beztíže nastává pokles svalové síly a odvápňování kostí. Snížená zátěž pohybového ústrojí může být nahrazena cvičením. vernewei Verne: Cesta na Měsíc 11 Kinetózy Nepravidelné zrychlování a zpomalování dopravních prostředků vyvolává u citlivých osob kinetózu (mořská nemoc apod.). Tato porucha nervového systému se projevuje bledostí, povrchním a zrychleným dýcháním, nevolností a zvracením. 12 Rizika spojená s působením ultrazvuku • Pasivní a aktivní interakce ultrazvuku • Aktivní: tepelné, kavitační a jiné účinky ØKavitační – viz dále ØTepelné – viz přednáška o fyzikální léčbě ØJiné účinky – tixotropie a emulgace, zvyšování propustnosti membrán, zrychlení difuze – zvyšování rychlosti některých chemických reakcí aj. 13 Biofyzikální aspekty ultrazvukové kavitace pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] pulsingbubble[1] 14 Historická pozorování kavitace a první pokus o matematické zpracování problému daring[1] Sir John Isaac Thornycroft (1843 - 1928, britský loďař) a Sidney Barnaby pozorovali účinky kavitace vznikající při turbulentním proudění vody kolem lodního šroubu (1895, torpédoborec HMS Daring) Lord (John William Strutt) Rayleigh, 1842 – 1919, popsal matematicky jako první radiální kmity bubliny v kapalině – na objednávku britského válečného námořnictva. rayleigh 15 Od sonaru Paula Langevina k ultrazvukové terapii a diagnostice Langevin[1] Po potopení Titanicu (1912) a ponorkové válce vzrůstá potřeba včasné výstrahy. Paul Langevin (1872 – 1946) společně s Chilowskim si nechávají patentovat ultrazvukový echolokační systém (1918). Tím také vznikl účinný a regulovatelný zdroj ultrazvuku neseného vodou. Wood a Loomis (1926, 1927) – chem. and biol. účinky UZ kavitace. Sokolov (1937), Firestone (1942) - UZ defektoskopy 40. Léta 20.stol. – počátky UZ terapie 50. Léta 20. stol. – první aplikace UZ v zubním lékařství a diagnostice uc071a1 Titanic leaving Belfast Lough (Harland and Wolff) 16 Co to je kavitace? Radiální kmity plynem naplněných mikrobublin Dva hlavní druhy kavitace: •Přechodná (též kolapsová) - IUZ nad ~ 100 W/cm2 (1 MW/m2) •Rezonanční neboli pseudokavitace - IUZ nad ~ 0,2 W/cm2 (2 kW/m2) Kavitační prahy: (obecně různé) – pro mechanické účinky, sonoluminiscenci, chemické účinky, Blakeův práh (nástup přechodné kavitace). 17 Kmity kavitační bubliny Kmity kavitačních bublin nejsou harmonické (tj. závislost r = f(t) není sinusová) – na rozdíl od ultrazvukových vln v okolní kapalině. oszi_32[1] From: Reinhard Geisler (DPI), 1997 http://www.physik3.gwdg.de/~rgeisle/nld/blaf.html 18 Kmity mikrobubliny Bublina 19 Chování mikrobublin na rozhraní pevných látek a kapalin bubble surfacecavitation http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/execsummsono.html: THE CHEMICAL AND PHYSICAL EFFECTS OF ULTRASOUND Kenneth S. Suslick Crum L.A., Cavitation microjets as a contributory mechanism for renal calculi disintegration in ESWL, J. Urol. 140, 1988, p. 1587 - 1590 cavitation3 Mikrofotografie leštěného mosazného povrchu se stopami kavitačního poškození. 20 Jak studovat kavitaci? Teoretický problém: Kavitace je jev na pomezí makro- a mikrosvěta – kavitační bublina je příliš malá a nestabilní pro klasickou fyzikální analýzu a příliš velká pro kvantově-mechanickou analýzu. Matematické modely kmitů bublin jsou velmi složité a popisují téměř výhradně jen jednotlivé kmitající bubliny. Experimentální problém: Jak působí kavitace v nitru živého organismu? Jak je sama kavitace ovlivněna biologickým prostředím? Lze zkoumat kavitaci in vivo? Experimentální studie se zabývají téměř výhradně působením velkých souborů bublin. 21 Metody studia kavitačních jevů v biofyzice - akustické (měření akustických emisí a změny echogenity tkáně) - optické (tzv. schlieren-metoda pro zobrazení akustického pole, vysokorychlostní fotografie, měření kmitů „ukotvené“ bubliny pomocí laserového paprsku, měření sonoluminiscence) - chemické (chemická dosimetrie) -biologické (hemolýza, histologie – např. hledání drobných krvácení do plicní tkáně u experimentálních zvířat) - Vyhodnocování mechanického poškození způsobeného kavitací, např. na kovových fóliích vystavených působení ultrazvuku. Jak lze tyto metody aplikovat in vivo? 22 Sonochemie vzduchem nasycených vodných roztoků Sonolýzu vody můžeme srovnat s radiolýzou vody. Uvnitř kavitačních bublin dochází k excitaci molekul plynu. Příklady reakcí (tečky označují volný radikál, tedy molekulu s nespárovaným elektronem): Za nepřítomnosti kyslíku v ozvučované vodě se volný kyslík může objevit v důsledku těchto reakcí: H2O2 + •OH •HO2 + H2O •HO2 + •OH H2O + O2 V plynné fázi je zvýšená pravděpodobnost reakcí vedoucích k tvorbě peroxidu vodíku: H2O (excit.) •H + •OH •HO2 + •HO2 H2O2 + O2 V okolní vodě mohou excitované molekuly vody vstoupit do reakcí vedoucích k tvorbě dalších primárních produktů sonolýzy vody: H2O (excit.) + H2O H2 + H2O2 23 Jiné sonochemické procesy Existují látky, které mohou ovlivnit ultrazvukovou kavitaci a tím i výtěžek sonochemických reakcí. Tyto látky pronikají do kavitačních bublin a brání jejich kompresi nebo kolapsu, například alkoholy, ethery a aldehydy s vysokou tenzí par. Chemické účinky kavitace jsou též tlumeny některými plyny, např. CO2, CO, H2S, N2O. 24 Chemické dozimetrické metody (příklady) Frickeho dozimetr je založen na oxidaci Fe2+ na Fe3+. Jodidová dozimetrie: KI rozpuštěný v destilované vodě. Po ozvučení je měřena koncentrace uvolněného jódu. Cerový dozimetr je založen na redukci Ce4+ na Ce3+ Taplinův dozimetr (dvousložkový) - chloroform je překryt vodou. Tvoří se HCl, měří se pH. Stanovení H2O2 na základě měření luminiscence luminolu. Fluorescence kyseliny tereftalové po interakci s volnými radikály. Uvolňování chlóru z tetrachlormetanu. Chlór vytváří barevnou sloučeninu s O-tolidinem. 25 Zdroje ultrazvuku použité v následujících pokusech 7 2 3 Piezon Master 400 (zubní zařízení) UZD – 21 (dezintegrátor) BTL – 07 (terapeutický přístroj) 26 Jódová dozimetrie kavitace – měření absorbance při 350 nm 27 Hemolýza vyvolaná ultrazvukovou kavitací 28 Kavitace – riziko nebo prospěch v medicíně Přímé riziko: v ultrasonografii a při dopplerovských metodách, zejména za přítomnosti ultrazvukových kontrastních prostředků, které mohou působit jako kavitační jádra. V experimentu krvácení do plic. Mimotělová litotripse rázovou vlnou po aplikaci ultrazvukových kontrastních prostředků. Hlavní účinný mechanismus: chirurgické aplikace, angioplastika, fakoemulgace, rozprašovače, dezintegrátory, čističky Vedlejší účinný mechanismus: aplikace rázových vln, ultrazvukové odstraňovače zubního kamene 29 04 soniprep.JPG (15185 bytes) son110_2 hospital phacoemulsification son_1 30 Využití kavitace v chirurgii – HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) hifu-equipment Nádor je lokalizován pomocí CT a následně je rozbíjen kavitačním ultrazvukem. 31 Závěry Ultrazvuková kavitace je významnou komponentou biologických účinků ultrazvuku. Vzniká za podmínek srovnatelných s podmínkami terapeutických aplikací ultrazvuku. V ultrazvukové diagnostice je považována za potenciální rizikový faktor při vysokých výkonech sond a za přítomnosti mikrobublin echokontrastních prostředků. Adobe Systems 32 Autor: Vojtěch Mornstein pulsingbubble[1] Obsahová spolupráce: Carmel J. Caruana Grafika: Lucie Mornsteinová Poslední revize a ozvučení: duben 2021