BIOFIZIKA JEGYZET
Készítette: Bagosi Róbert
2017
Biofizika jegyzet
TARTALOMJEGYZÉK TARTALOMJEGYZÉK ......................................................................................................................1 A BIOFIZIKA TÁRGYA .....................................................................................................................4 ALAPFOGALMAK ..............................................................................................................................5 A nemzetközi mértékegységrendszer (SI) alapegységei .................................................................5 Mértékegységek többszörösei és tört részei (prefixumok)..............................................................5 Skalár– és vektormennyiségek ........................................................................................................5 A testek tehetetlensége, a tömeg .....................................................................................................5 A sűrűség.........................................................................................................................................5 A testek kölcsönhatása, az erő ........................................................................................................6 A nehézségi erő ...............................................................................................................................6 A lendület, a forgatónyomaték, a perdület ......................................................................................6 A mechanikai munka.......................................................................................................................7 A teljesítmény .................................................................................................................................7 A mechanikai energia ......................................................................................................................7 A rezgő mozgás, a rezgő mozgást jellemző mennyiségek ..............................................................7 Rezgéstípusok .................................................................................................................................8 Kényszerrezgés, a rezonancia .........................................................................................................8 Mechanikai hullám ..........................................................................................................................8 A hullámhossz .................................................................................................................................8 A hullám terjedési sebessége ..........................................................................................................9 Hullámtípusok .................................................................................................................................9 Hullámterjedési jelenségek .............................................................................................................9 A hang ...........................................................................................................................................10 A Doppler-hatás ............................................................................................................................10 A hangintenzitás (hangerősség) ....................................................................................................10 Az ultrahang előállítása .................................................................................................................10 Halmazállapotok jellemzése..........................................................................................................11 A diffúzió ......................................................................................................................................11 A nyomás ......................................................................................................................................12 A hidrosztatikai nyomás................................................................................................................12 A légnyomás .................................................................................................................................12 Archimédesz törvénye ...................................................................................................................12 Pascal törvénye..............................................................................................................................12 Áramló folyadékok és gázok.........................................................................................................12 A hő, a hőmérséklet.......................................................................................................................13 A Celsius és a Kelvin hőmérsékleti skála .....................................................................................13 A hőmérséklet mérése, hőmérők ...................................................................................................13 A hővezetés, a hőáramlás, a hősugárzás .......................................................................................13 Az elektromos töltésmennyiség ....................................................................................................14 Az elektromos tér ..........................................................................................................................14 Az elektromos potenciál................................................................................................................14 Az elektromos feszültség ..............................................................................................................14 Egyenfeszültség, váltakozófeszültség ...........................................................................................14 A fémek szerkezete .......................................................................................................................14 Vezetők, szigetelők, félvezetők.....................................................................................................15 Az elektromos áram ......................................................................................................................15 Egyenáram, váltakozó áram ..........................................................................................................15 Az áramerősség .............................................................................................................................15 A áram hatásai ...............................................................................................................................15 1
Biofizika jegyzet
A kondenzátor ...............................................................................................................................16 Az elektromos ellenállás ...............................................................................................................16 Ohm törvénye ................................................................................................................................16 A voltmérő ....................................................................................................................................17 Az ampermérő ...............................................................................................................................17 A mágneses tér ..............................................................................................................................17 Az elektromágnes ..........................................................................................................................17 A mágneses tér erővonalai ............................................................................................................17 A mágneses indukcióvektor ..........................................................................................................17 A Lorentz erő ................................................................................................................................18 Elektromágneses hullámok ...........................................................................................................18 Az elektromágneses sugárzás........................................................................................................18 Az elektromágneses spektrum.......................................................................................................19 A röntgensugárzás .........................................................................................................................19 A fény jellemzői ............................................................................................................................19 A foton ..........................................................................................................................................19 A fényvisszaverődés és törvényei .................................................................................................19 A fénytörés, a törésmutató ............................................................................................................20 A teljes visszaverődés ...................................................................................................................20 Az optikai szál ...............................................................................................................................21 A diszperzió (színszóródás) ..........................................................................................................21 A színkeverés ................................................................................................................................22 A fényinterferencia........................................................................................................................22 A polarizált fény............................................................................................................................22 Lencsék, gyűjtőlencsék, szórólencsék...........................................................................................22 A törőképesség ..............................................................................................................................24 A lézer ...........................................................................................................................................24 Az atom szerkezete .......................................................................................................................24 A rendszám, a neutronszám, a tömegszám ...................................................................................25 Izotópok.........................................................................................................................................25 Az atomi tömegegység ..................................................................................................................25 Elemi részecskék jellemzői ...........................................................................................................25 A Bohr atommodell .......................................................................................................................25 Az erős kölcsönhatás .....................................................................................................................26 A radioaktivitás .............................................................................................................................26 Atommagsugárzások .....................................................................................................................26 A radioaktív sugárzások biológiai hatása ......................................................................................27 Dozimetria .....................................................................................................................................27 A gradiens .....................................................................................................................................28 A koncentráció gradiens................................................................................................................28 Az elektrokémiai potenciálgradiens ..............................................................................................28 AZ ÉLETFOLYAMATOK BIOFIZIKAI ALAPJELENSÉGEI ...................................................29 AZ INGERÜLET ..................................................................................................................................29 SZENZOROS MŰKÖDÉSEK .................................................................................................................30 AZ IZOMMŰKÖDÉS ............................................................................................................................30 A KERINGÉS ......................................................................................................................................30 A szívritmus szabályozó (pacemaker) és a defibrillátor ...............................................................31 A LÉGZÉS ..........................................................................................................................................31 A LÁTÁS ............................................................................................................................................32 BEVEZETÉS .......................................................................................................................................33 AZ ELEKTROTERÁPIA .......................................................................................................................33
2
Biofizika jegyzet
Tüneti kezelés galvánáramokkal ...................................................................................................33 Tüneti kezelések ingeráramokkal ..................................................................................................34 Tüneti kezelések középfrekvenciás áramokkal .............................................................................34 Harántcsíkolt és simaizom-stimuláció ..........................................................................................34 Mágneses tér kezelések .................................................................................................................35 Darsonvalisatio..............................................................................................................................35 Diatermiás kezelés ........................................................................................................................35 Rövidhullámú kondenzátortér kezelés ..........................................................................................35 Mikrohullámú elektromágneses sugárzás .....................................................................................36 Ultranagy frekvenciás kezelés.......................................................................................................36 A FOTOTERÁPIA ................................................................................................................................36 A napfény és a helioterápia ...........................................................................................................36 Infravörös sugárzás .......................................................................................................................37 Látható fény kezelés......................................................................................................................37 Ultraibolya sugár kezelés ..............................................................................................................37 Lézerkezelések ..............................................................................................................................38 A MECHANOTERÁPIA ........................................................................................................................38 A gyógytorna.................................................................................................................................38 Masszázskezelések ........................................................................................................................38 Ultrahangkezelés ...........................................................................................................................38 A TERMOTERÁPIA .............................................................................................................................39 A HIDROTERÁPIA ..............................................................................................................................40 ENDOSZKÓPOS VIZSGÁLATOK .................................................................................................41 ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK ...........................................................................................42 AZ ULTRAHANGOS DIAGNOSZTIKA ..................................................................................................42 A RÖNTGENFELVÉTEL ......................................................................................................................42 A CT (SZÁMÍTÓGÉPES TOMOGRÁFIA) .............................................................................................43 AZ NMR (MAGMÁGNESES REZONANCIA) ÉS AZ MRI (MÁGNESES REZONANCIÁS KÉPALKOTÁS) .43 A PET (POZITRONEMISSZIÓS TOMOGRÁFIA) ..................................................................................44 BIOELEKTROMOS VIZSGÁLATOK ............................................................................................45 AZ EKG (ELEKTROKARDIOGÁFIA) ..................................................................................................45 AZ EEG (ELEKTROENKEFALOGRÁFIA) ...........................................................................................45 AZ ENG (ELEKTRONEUROGRÁFIA) .................................................................................................45 AZ EMG (ELEKTROMIOGRÁFIA) .....................................................................................................45 FELHASZNÁLT FORRÁSOK .........................................................................................................47
3
Biofizika jegyzet
A BIOFIZIKA TÁRGYA A biofizika az élő szervezetek és az életfolyamatok fizikája, a biológiai folyamatok leírása a fizika nyelvén. A biofizika az élő anyagot vizsgálja a fizika módszereivel. A fizika fejlődésével olyan módszerek alakultak ki, melyek lehetővé tették az anyag szerkezetének vizsgálatát a molekulák, az atomok, az elektronszerkezet szintjén. Ezek a vizsgálati módszerek alkalmazásra kerültek a szervezet, a szövetek, a sejtek, a molekulák szintjén a biológiai anyagok esetén is. A biofizikai módszerek különböznek a fizikai módszerektől, mert a biológiai anyag életjelenségeket mutat, szerkezete állandóan változik. Ezért a biofizikai szerkezetvizsgálati módszereket úgy kellett kifejleszteni, hogy követni tudják az időbeli változásokat is. A biofizikában sok mérésre van szükség a pontos eredmények elérésének az érdekében, mert az azonos egyedhez, vagy szövethez tartozó tárgyai a vizsgálatoknak is különböznek egymástól. A biológiai objektumok vizsgálata során ezért először a szerkezet egy adott állapotban való meghatározása történik, majd ezután következik az időbeli változások egymásutániságának a felderítése. A cél a molekuláris szintű szerkezet és működés megismerése. A biofizika állandóan korszerűsödik a biológia és a fizika folyamatos fejlődésének köszönhetően. A biofizika a biológián és a fizikán kívül más tudományokkal is szoros kapcsolatban áll, mint például a kémia, biokémia, informatika. A fizika különböző területeinek megvannak a biológiai, orvosi alkalmazásai is.
4
Biofizika jegyzet
ALAPFOGALMAK A nemzetközi mértékegységrendszer (SI) alapegységei Alapegység méter másodperc kilogramm amper kelvin kandela mól
Jele
Fizikai mennyiség hosszúság idő tömeg áramerősség hőmérséklet fényerősség anyagmennyiség
m s kg A K cd mol
Jele s t m I T I n
Mértékegységek többszörösei és tört részei (prefixumok) Többszörös dekahektokilomegagigatera-
Jele da h k M G T
Váltószám 10 102 103 106 109 1012
Tört rész decicentimilimikronanopiko-
Jele d c m μ n p
Váltószám 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12
Skalár– és vektormennyiségek A fizika mennyiségek a következő két nagy csoportra oszthatók: skalármennyiségek vektormennyiségek A skalármennyiségek egyetlen számadattal (nagysággal) jellemezhetők. pl.: idő, tömeg, térfogat, hőmérséklet A vektormennyiségek egy számadattal (nagysággal) és egy iránnyal jellemezhetők. pl.: elmozdulás, sebesség, gyorsulás, erő Jelölés: x , ahol x a fizikai mennyiség betűjele. A vektorokat irányított szakaszokkal (nyilakkal) ábrázoljuk. A testek tehetetlensége, a tömeg A tehetetlenség törvényének értelmében minden test megőrzi nyugalmi helyzetét, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgását (mozgásállapotát), mindaddig, amíg ezt egy másik test vagy mező meg nem változtatja. A tömeg a testek tehetetlenségét jellemző mennyiség, a testek tehetetlenségének a mértéke. Jele: m, [m] = kg A tömeg számszerűen kifejezi azt, hogy egy test mennyire tehetetlen. A sűrűség A sűrűség megadja az egységnyi térfogatú test tömegét. 5
Biofizika jegyzet
Jele: ρ (ró), [ρ] = kg/m3 Kiszámítási képlete:
ρ
m V
ρ – sűrűség m – tömeg V – térfogat
A testek kölcsönhatása, az erő Ha egy test hat egy másik testre, a másik is visszahat az elsőre (ugyanakkora nagyságú, de ellentétes irányú erővel). A testek kölcsönös egymásra hatása a kölcsönhatás. Az erő a testek kölcsönhatásának a mértéke. Az erő a testek mozgásállapot-változását (sebességváltozását) okozó hatás. Jele: F , [ F ] = N (newton) A nehézségi erő A nehézségi erő a Föld részéről a környezetében található testekre ható gravitációs vonzóerő. Ez az erő (megközelítőleg) a Föld középpontja felé mutat. Egy test súlya az az erő, amellyel a test nyomja az alátámasztást, vagy húzza a felfüggesztést. Jele: G , [ G ] = N Kiszámítási képlete:
G mg
G – súly m – tömeg g – gravitációs gyorsulás (g = 9,81m/s2)
A gravitációs gyorsulás az a gyorsulás, amellyel a szabadon eső testek rendelkeznek, amennyiben a légellenállás nem befolyásolja mozgásukat. Valamely testre ható nehézségi erő nagysága, és annak súlyának nagysága megegyezik. Súlytalanság: a súlytalanság állapotában a testek nem nyomják az alátámasztást, és nem húzzák a felfüggesztést. A szabadon eső testek a súlytalanság állapotában vannak. A tömeg és a súly közötti különbség: a tömeg: a testek tehetetlenségét jellemzi, kilogrammban mérjük a súly: egy erő, newtonban mérjük Valamely test súlya függ a gravitációs körülményektől (pl. különbözik a Földön és a Holdon), tömege viszont minden körülmények között ugyanakkora. A lendület, a forgatónyomaték, a perdület A lendület a testek mozgásállapotát jellemző mennyiség, amely a tömeg és a sebesség szorzataként értelmezett. A forgatónyomaték valamely erő forgatóhatását jellemző mennyiség, mely az erő és annak forgástengelytől mért távolságának a szorzataként értelmezett. A perdület valamely test forgásállapotát jellemző mennyiség, amely a test lendület-nyomatéka.
6
Biofizika jegyzet
A mechanikai munka Egy erő akkor végez munkát, ha a test, amelyre hat elmozdul a hatására. Jele: W, [W] = J (joule) Egy erő akkor nem végez munkát, ha a test, amelyre hat nem mozdul el a hatására. A teljesítmény A teljesítmény a munkavégzés sebességét jellemző fizikai mennyiség. A teljesítmény megadja azt, hogy egy erő egy másodperc alatt mennyi munkát végez. Jele: P, [P] = W (watt) A mechanikai energia Az energia a testek munkavégző képességét jellemző fizikai mennyiség. Ha egy test bármilyen okból kifolyólag munkavégzésre képes, energiával rendelkezik. Jele: E, [E] = J (joule) A rezgő mozgás, a rezgő mozgást jellemző mennyiségek Rezgő mozgást végző test a nyugalmi (egyensúlyi) helyzetéhez viszonyítva szimmetrikusan mozog, és mozgása azonos időközönként megismétlődik.
nyugalmi helyzet
A periódusidő egy teljes rezgés elvégzéséhez szükséges idő. Jele: T, [T] = s A frekvencia az egy másodperc alatt elvégzett rezgések száma. Jele: f, [f] = 1/s = Hz (hertz) f T 1
A kitérés a test aktuális és nyugalmi helyzete közötti távolság. Az amplitúdó a test nyugalmi helyzete és valamelyik szélső helyzete közötti távolság (a test legnagyobb kitérése). A fázis a rezgésállapotot jellemzi. Megadja azt, hogy a rezgő test egy teljes rezgés hányad részét teljesítette egy adott időpontig. Egy teljes rezgésnek megfelel 2·π radián fázisérték. A fáziskülönbség két rezgés között megadja azt, hogy egy teljes rezgés hányad részével előzi meg egyik rezgés a másikat.
7
Biofizika jegyzet
Rezgéstípusok Csillapított rezgés esetén az amplitúdó a rezgés során csökken.
kitérés
idő
Csillapítatlan rezgés estén az amplitúdó a rezgés során nem változik meg kitérés
idő
Kényszerrezgés, a rezonancia Kényszerrezgés esetén a test azonos időközönként ismétlődő (periodikus) külső hatásra végez rezgő mozgást. Kényszerrezgés esetén a rezgés frekvenciája megegyezik a külső hatás frekvenciájával. Kényszerrezgés esetén ha a külső hatás frekvenciája megegyezik a rezgő test saját frekvenciájával, akkor fellép a rezonancia jelensége, melynek során a rezgés amplitúdója maximális. Mechanikai hullám A mechanikai hullám a rezgő mozgás továbbterjedési folyamata rugalmas anyagban. A hullám terjedésekor az anyag részecskéi nem végeznek haladó mozgást, csak rezgő mozgást, amely részecskéről részecskére adódik át. A hullámhossz A hullámhossz az a távolság, amelyre a hullámforrás egy teljes rezgésideje alatt eljut a rezgő mozgás. A hullámhossz két egymáshoz legközelebb lévő, azonos módon rezgő részecske közötti távolság. Jele: λ (lambda), [λ] = m
8
Biofizika jegyzet
λ
λ
A hullám terjedési sebessége A hullám terjedési sebessége az a sebesség amellyel a rezgő mozgás továbbterjed az illető anyagban (közegben). v – sebesség λ λ – hullámhossz v T T – periódusidő vagy f – frekvencia
v λ f
Hullámtípusok Transzverzális (kereszt irányú) hullámok esetén a részecskék rezgési iránya merőleges a hullámterjedés irányára. részecskék rezgési iránya
hullámterjedés iránya
pl.: víz felszínén terjedő hullám Longitudinális (hosszanti irányú) hullámok esetén a részecskék rezgési iránya párhuzamos a hullámterjedés irányával. részecskék rezgési iránya hullámterjedés iránya
pl.: hang Hullámterjedési jelenségek Hullám-visszaverődés: az a jelenség, melynek során a mechanikai hullám elér egy határfelülethez, amely két anyagot elválaszt egymástól, majd onnan visszatér eredeti terjedési közegébe, és ott folytatja tovább az útját. Hullámtörés: az a jelenség, melynek során a mechanikai hullám elér egy határfelülethez, amely két anyagot elválaszt egymástól, majd azon áthaladva megváltoztatja terjedési irányát. A jelenség oka az, hogy a hullámok a különböző anyagokban különböző sebességgel terjednek.
9
Biofizika jegyzet
Hullámelhajlás: az a jelenség, melynek során a mechanikai hullám akadály mellett elhaladva, vagy résen keresztülhaladva megváltoztatja terjedési irányát. A hullámelhajlás mértéke rés esetén függ a rés hullámhosszhoz viszonyított nagyságától (legnagyobb mértékű, ha a két távolság egymással összemérhető). Interferencia (hullámtalálkozás): az a jelenség, melynek során két (vagy több) azonos hullámhosszúságú hullám a tér egy adott pontjában találkozik és egymásra tevődik, erősítve vagy gyengítve egymást. A hang A hang egy longitudinális mechanikai hullám. A hang nem terjed légüres térben. A hang frekvencia szerinti osztályozása: infrahang: f < 20Hz hallható hang: 20Hz < f < 20 000Hz ultrahang: f > 20 000Hz A hang terjedési sebessége: levegőben: 340m/s vízben: 1400m/s acélban: 5100m/s A Doppler-hatás A Doppler-hatás, a megfigyelőhöz viszonyítva mozgásban levő hangforrás, vagy a hangforráshoz viszonyítva mozgásban levő megfigyelő esetén jelentkezik. Ha a hangforrás és a megfigyelő közelednek egymáshoz a hang frekvenciája megnő (a hang magasabbá válik), ha távolodnak egymástól a frekvenciája lecsökken (a hang mélyebbé válik). A frekvencia eltolódás mértéke függ a hangforrás és a megfigyelő egymáshoz viszonyított sebességétől. A hangintenzitás (hangerősség) A hangintenzitás megadja az egységnyi felületen egységnyi idő alatt merőlegesen átáramlott hangenergia mennyiségét. Jele: I, [I] = W/m2 A hangintenzitás decibel-ben (dB) fejezhető ki, amely az adott hang intenzitásának a hallásküszöb hangintenzitásához való viszonyát adja meg. A hallásküszöb I0 = 10-12W/m2 (tapasztalati úton megválasztott érték). I L I 10 lg (decibel) I0 A logaritmusos skálát a hangforrások teljesítményének nagyon széles tartománya (12-13 nagyságrend) miatt volt célszerű bevezetni. Az ultrahang előállítása Az ultrahang előállítása jellemzően az elektrostrikció és a magnetostrikció jelenségén alapul. 10
Biofizika jegyzet
A piezoelektromosság bizonyos kristályok azon tulajdonsága, hogy mechanikai hatásra feszültség jelenik meg bennük. Ez a hatás meg is fordítható. Az elektrostrikció az a jelenség, melynek során egy kristály feszültség hatására rugalmas alakváltozást szenved. Ilyen kristály például a kvarc. Piezoelektromos kristályok segítségével, nagyfrekvenciás feszültség alkalmazásával, ultrahang állítható elő. A magnetostrikció az a jelenség, melynek során bizonyos mágneses anyagok, mágneses térben megváltoztatják alakjukat. Ilyen anyagok segítségével, nagyfrekvenciával változó mágneses tér felhasználásával ultrahang állítható elő. Ilyen anyag például a nikkel. Az ultrahang passzív alkalmazása során kis energiájú ultrahangot alkalmaznak távolság mérésre, vizsgálatok elvégzésére. Az aktív alkalmazás esetén nagy energiájú ultrahangot használnak kémiai reakciók, vagy biológiai folyamatok serkentésére, baktériumok elpusztítására. A gyógyászatban az ultrahang előállítására, illetve érzékelésére az elektrostrikció jelenségét alkalmazzák a transzducernek nevezett ultrahangos fejegység esetében. Halmazállapotok jellemzése A szilárd halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék helyhez kötöttek, nem végeznek haladó mozgást az anyag belsejében, csak rezgő mozgást végeznek egy pont körül. A szilárd anyagok rendelkeznek saját alakkal és saját térfogattal. A folyékony halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék nincsenek helyhez kötve, rendezetlen (össze-vissza) mozgást végeznek az anyag belsejében. A folyadékokat alkotó részecskék közel találhatók egymáshoz a közöttük ható vonzóerők miatt. A folyadékok nem rendelkeznek saját alakkal, de rendelkeznek saját térfogattal. A folyadékok összenyomhatatlanok (gyakorlatilag csak roppant kismértékben nyomhatóak össze). A légnemű (gáz, gőz) halmazállapotú anyagokat alkotó részecskék nincsenek helyhez kötve, rendezetlen mozgást végeznek, és tetszőleges távolságra eltávolodhatnak egymástól (közöttük nem hatnak vonzóerők). A légnemű halmazállapotú anyagok nem rendelkeznek sem saját alakkal, sem saját térfogattal, kitöltik a rendelkezésükre álló teret. A plazma állapot olyan légnemű állapot, amelynek esetében az anyagot alkotó részecskék nem semlegesek elektromos szempontból (mint a légnemű anyagok esetében), hanem töltéssel rendelkeznek. A plazma állapot ionizált gázállapot. A plazmát pozitív töltésű ionok és negatív töltésű elektronok alkotják. Mivel a plazma töltött részecskékből áll, elektromos és mágneses tulajdonságai jelentősen eltérnek a légnemű anyagokéitól. A diffúzió A diffúzió az a jelenség, melynek során két, vagy kettőnél több különböző fajta gáz (vagy folyadék) külső hatás nélkül összekeveredik. A diffúziót az anyagok koncentrációkülönbsége miatt kialakuló részecskeáramlás okozza. A folyamat a koncentrációkülönbség megszűnéséig tart.
11
Biofizika jegyzet
A nyomás A nyomás megadja az egységnyi felületre (1 négyzetméter) ható erő nagyságát. Jele: p, [p] = N/m2 = Pa (pascal) Kiszámítási képlete: p – nyomás F F – erő p A A – terület A hidrosztatikai nyomás A hidrosztatikai nyomás valamely (nyugalomban lévő) folyadékoszlopban jelen levő, a folyadék súlyából származó nyomás. A hidrosztatikai nyomás nagysága függ: a folyadék sűrűségétől a folyadékoszlop magasságától a gravitációs tér erősségétől Kiszámítási képlete: p – hidrosztatikai nyomás ρ – sűrűség p ρgh g – gravitációs gyorsulás (g ≈ 10 m/s2) h – a folyadékoszlop magassága A légnyomás A légnyomás a Földet körülvevő levegőréteg súlyából származó nyomás. A légnyomás értéke függ: a tengerszinttől mért magasságtól a levegő páratartalmától A légnyomás számértéke a tengerszinttől mért magasság növekedésével csökken (ugyanis csökken a levegőoszlop magassága, tehát csökken annak súlya is). A légnyomás értéke tengerszint magasságában: 101000 Pa (= 1 atmoszféra = 760 Hgmm) Archimédesz törvénye Minden folyadékba, vagy gázba merülő testre hat egy függőlegesen felfelé irányuló erő, amelynek nagysága megegyezik az illető test által kiszorított folyadék-, vagy gázmennyiség súlyával. Pascal törvénye Folyadékokra gyakorolt külső nyomás a folyadékban gyengítetlenül továbbterjed (jelen lesz annak minden pontjában) és annak valamely pontjában a nagysága minden irányban ugyanakkora. Áramló folyadékok és gázok Az áramló folyadékok és gázok nyomása kisebb, mint az ugyanolyan körülmények között levő nyugalomban levőké. A nyomáscsökkenés mértéke függ: 12
Biofizika jegyzet
az áramlás sebességétől a sűrűségtől A hő, a hőmérséklet
A hő a termikus kölcsönhatás során bekövetkező energiaváltozás mértéke. Jele: Q, [Q] = J A hőmérséklet a testek hőállapotát számszerűen jellemző mennyiség. Jele: T, [T] = K (kelvin) Valamely test hőmérséklete az azt alkotó részecskék mozgásának hevességével kapcsolatos. A magasabb hőmérséklet hevesebb rezgő, vagy gyorsabb haladó mozgását, míg az alacsonyabb hőmérséklet kevésbé heves rezgő, vagy lassabb haladó mozgását jelenti a részecskéknek. A hőmérséklet egy állapotot jellemez, míg a hő egy folyamatot. A Celsius és a Kelvin hőmérsékleti skála A Celsius-skála alsó határa a -273 °C, jele: t, [t] = °C A Kelvin-skála alsó határa a 0K (abszolút nulla fok), jele: T, [T] = K A két skála közötti különbség az alsó határ értékében van, a két skála el van tolva egymáshoz képest 273 egységgel. A két skála közötti átalakítási képlet: T t 273
A hőmérséklet mérése, hőmérők A testek hőmérséklete hőmérőkkel mérhető. A mérés alapjául szolgálhat például az anyagok hőtágulása, vagy az elektromos ellenállás változása a hőmérséklet változásával. A hagyományos hőmérőkben olyan folyadék található, amely a mérési tartományon belül folyékony halmazállapotú marad. Erre leggyakrabban az alkoholt és a higanyt használják. A hőmérő egy kis keresztmetszetű üvegcsővel ellátott tartályból és az ehhez tartozó skálából áll. A hőmérséklet változásakor a folyadék megváltoztatja térfogatát, ami miatt megváltozik a csőben a folyadékszint. A folyadék (és így a hőmérővel kapcsolatban levő test) hőmérséklete a skáláról olvasható le (a folyadék felszínével egyvonalban levő érték). A digitális hőmérők az elektromos ellenállás változását mérik. A mért analóg jelek digitálisakká kerülnek átalakításra, majd ezek alapján történik az érték kijelzése. A hővezetés, a hőáramlás, a hősugárzás Hővezetés esetén az energia részecskéről – részecskére átadódva terjed. A folyamat során nincs anyagáramlás (részecskeáramlás). A hővezetés a szilárd anyagokra jellemző. Hőáramlás esetén az energiát a részecskék a hőforrástól felveszik, elszállítják, majd leadják. A folyamat során van anyagáramlás (részecskeáramlás). A hőáramlás folyadékokra és gázokra jellemző. Hősugárzás esetén az energiaátadás elektromágneses sugárzás formájában történik. Hősugárzás esetén nincs szükség közegre az energia átadásához (pl.: a Nap melegíti a Földet). 13
Biofizika jegyzet
Az elektromos töltésmennyiség A testek töltöttségének a mértékét jellemző mennyiség. Jele: Q, [Q] = C (coulomb) Egy proton töltése: 1,6·10-19C; egy elektron töltése: -1,6·10-19C. Egy coulombnyi töltésmennyiségnek körülbelül 6·1018 számú proton töltése felel meg. Az elektromos tér Az elektromos tér a töltött testek azon környezete, ahol az elektromos hatás érvényesül. Az elektromos tér: nem érzékelhető kimutatható töltött test segítségével kölcsönhatást közvetít a töltött testek között a töltött testtől távolodva csökken az erőssége Az elektromos tér jellemezhető az erővonalakkal. Ezek olyan görbék, melyek mentén egy töltött test elmozdul. Az erővonalak a pozitív töltésen kezdődnek, a negatívon végződnek, és nem metszik egymást. Az elektromos potenciál Az elektromos potenciál az elektromos tér munkavégző képességét jellemző mennyiség. Az elektromos tér adott pontjának a potenciálja megegyezik azzal a munkával, amelyet a tér végez akkor, amikor egy coulombnyi töltésmennyiséget elmozdít az adott pontból a végtelenbe (vagy egy tetszőleges, nullapotenciálúnak választott pontba). Jele: U, [U] = V (volt) Az elektromos feszültség Az elektromos feszültség az elektromos tér két pontja közötti potenciálkülönbség. Az elektromos tér két pontja közötti feszültség egyenlő azzal a munkával, melyet a tér végez akkor, amikor egy coulombnyi töltésmennyiséget elmozdít a két pont között. Jele: U, [U] = V (volt) Két töltött test közötti feszültség a testek közötti töltéskülönbséget jellemzi. Egyenfeszültség, váltakozófeszültség Egyenfeszültség esetén a feszültségforrás pozitív sarka mindig pozitív, negatív sarka mindig negatív marad (a sarkok nem cserélődnek fel az idő múlásával). Váltakozófeszültség esetén a feszültségforrás pozitív és negatív sarka azonos időközönként ismétlődve felcserélődik (a hálózati 230V-os, 50Hz-es frekvenciájú feszültség esetén másodpercenként 100-szor). A fémek szerkezete A fémeket helyhez kötött pozitív töltésű ionok és az ezek között szabadon mozgó negatív töltésű elektronok alkotják.
14
Biofizika jegyzet
ionok elektronok
A szabad elektronok jelenléte okozza azt, hogy a fémek jól vezetik az elektromosságot. Vezetők, szigetelők, félvezetők A vezetők olyan anyagok, melyekben jelen vannak szabad töltéshordozók (elektronok, ionok), melynek következtében ezek jól vezetik az elektromosságot. A szigetelők olyan anyagok, melyekben nincsenek jelen szabad töltéshordozók, ezért ezek rosszul vezetik az elektromosságot. A félvezetők olyan anyagok, melyekben szobahőmérsékleten találhatók szabad elektronok, de ezek száma függ a hőmérsékletétől. A hőmérséklet növekedésével a szabad elektronok száma növekszik, a félvezető ellenállása csökken (ellentétben a vezetőkkel). A legismertebb félvezetők a szilícium és a germánium. A félvezetőket adalékolják (szennyezik) olyan atomokkal, melyeknek eggyel több, vagy kevesebb elektronja van a külső elektronhéjon, mint a félvezetőnek (5 vagy 3), így létrehozva n-, illetve ptípusú félvezetőt. Az elektromos áram Az elektromos áram az elektronok rendezett mozgása a fémekben. Mivel áram nem csak fémekben folyhat (hanem például folyadékokban, vagy gázokban is), általánosabb megfogalmazásban az áram a töltéshordozók rendezett mozgása valamilyen anyagban. Az áramkörökben az áram az áramforrás pozitív sarka felől folyik a negatív felé (az elektronok ezzel ellentétes irányba mozognak a vezetőben). Egyenáram, váltakozó áram Egyenáram esetén az elektronok mozgási iránya a vezetőben nem változik meg (az elektronok a vezetőben mindig ugyanabba az irányba haladnak). Váltakozó áram esetén az elektronok mozgási iránya a vezetőben azonos időközönként ismétlődve ellentétesre változik (az elektronok rezgő mozgást végeznek a vezetőben). Az áramerősség Az áramerősség megadja azt, hogy egy vezető keresztmetszetén egységnyi idő alatt mekkora mennyiségű töltés halad keresztül. Jele: I, [I]=A (amper) A áram hatásai Hőhatás: Az árammal átjárt vezetők a bennük folyó áram hatására felmelegszenek. A felmelegedés mértéke függ a vezető keresztmetszetétől és a vezetőben folyó áram erősségétől. 15
Biofizika jegyzet
Alkalmazás: vasaló, izzó, olvadó biztosíték, villanyrezsó, kenyérpirító, stb. Mágneses hatás: Az árammal átjárt vezetők környezetében mágneses tér van jelen. A mágneses tér erőssége függ a vezetőben folyó áram erősségétől. Alkalmazás: elektromágnes, hangszóró, villanymotor, stb. Kémiai (vegyi) hatás: Árammal átjárt folyadékból, a folyadékba helyezett elektródoknál anyag válik ki az áram hatására. Alkalmazás: elektrolízis (pl. a víz felbontása H2-re és O2-re), fémek védőréteggel történő bevonása, stb. Biológiai hatás: Az élő szervezetekben az áram izomreakciókat válthat ki és égési sérüléseket okozhat. Kellően nagy erősségű áram halálos is lehet. A nagyfrekvenciájú áram a vezető (a test) felületén folyik, nem annak belsejében, így ilyen esetekben nem vált ki izomreakciót (Skin-hatás). A kondenzátor A kondenzátor két, egymással párhuzamosan elhelyezett fémlemezből áll, melyek egymástól el vannak szigetelve. A fémlemezek a fegyverzetek, a közöttük található szigetelő anyag a dielektrikum. A kondenzátor fegyverzetein töltések halmozhatók fel. A töltésbefogadó képessége a kondenzátornak a kapacitása. A kapacitás mértékegysége a farad. Az elektromos ellenállás A vezetők akadályozzák a bennük folyó áramot, gátolják a töltéshordozók mozgását. Az elektromos ellenállás kifejezi azt, hogy egy vezető milyen mértékben akadályozza a benne folyó áramot. Jele: R, [R]=Ω (ohm) (Ω – omega) Adott fémvezeték elektromos ellenállása függ: az anyagi minőségétől a keresztmetszetétől a hosszúságától a hőmérsékletétől (növelve a fém hőmérsékletét ellenállása megnő, csökkentve azt, ellenállása lecsökken) A szupravezetés bizonyos fémek és más összetett vegyületek azon tulajdonsága, hogy kellően alacsony hőmérsékleten elektromos ellenállásuk nullára csökken. Az anyag fajtájától függően ez jellemzően -170°C alatti hőmérsékleten jön létre. Ebben az állapotában az anyag „kitaszítja” magából a mágneses teret. Nagy erősségű elektromágnesekben szupravezető anyagokat alkalmaznak. Ohm törvénye Kapcsolatot teremt egy vezető (fogyasztó) ellenállása, a rá kapcsolt feszültség és a benne folyó áram erőssége között.
I
U R
I – áramerősség U – feszültség R – elektromos ellenállás
Egy vezetőben folyó áram erőssége egyenesen arányos a rá kapcsolt feszültséggel és fordítottan arányos a vezető elektromos ellenállásával. 16
Biofizika jegyzet
A voltmérő Feszültségmérésre alkalmas eszköz. Használatakor, az áramkörbe a fogyasztóval (fogyasztókkal) párhuzamosan kell kapcsolni. Elektromos ellenállása nagy, az áramkörben található fogyasztó (fogyasztók) ellenállásához viszonyítva.
R
U
I
Az ampermérő Áramerősség mérésre alkalmas eszköz. Használatakor, az áramkörbe a fogyasztóval (fogyasztókkal) sorosan kell kapcsolni. Elektromos ellenállása kicsi, az áramkörben található fogyasztó (fogyasztók) ellenállásához viszonyítva.
R
U
I
A mágneses tér A mágneses teret az elektronok rendezett mozgása hozza létre. Az egyes anyagok mágneses tulajdonsága az elektronok atomon belüli mozgására vezethető vissza. A mágneses tulajdonságot mutató (mágnesezhető) fémek a vas, a nikkel és a kobalt. Az anyagok mágneses tulajdonsága hőmérsékletfüggő. A hőmérséklet növekedésével az illető anyag mágnesezettsége csökken, és kellően magas hőmérsékleten ez meg is szűnik. Az elektromágnes Az elektromágnes estén a mágneses teret elektromos áram hozza létre. Az elektromágnes egy tekercsből és egy vasmagból áll. Az elektromágnes tekercse hozza létre a mágneses teret, melyet a tekercs belsejében elhelyezett vasmag magába sűrít. Az elektromágnes mágneses terének erőssége az áramerősség változtatásával széles tartományban változtatható. A mágneses tér erővonalai A mágneses tér jellemezhető az erővonalaival, amelyek olyan zárt görbék, melyek a mágnes északi pólusából indulnak ki és a délibe érkeznek. Ezek zárt vonalak, melyek a mágnes belsejében is folytatódnak. Az erővonalakat pl. vasreszelékkel lehet szemléltetni (láthatóvá tenni). A homogén mágneses tér esetén az erővonalak egyenesek, egymással párhuzamosak és egyenlő távolságra találhatók egymástól. A mágneses indukcióvektor A mágneses tér jellemezhető egy fizikai mennyiséggel, a mágneses indukcióvektorral. Jele: B ; [ B ] = T (tesla) Egy másik mértékegysége a gauss (1T = 10000gauss). 17
Biofizika jegyzet
Az indukcióvektor nagysága a mágneses tér erősségét, irány a mágneses tér erővonalait jellemzi. Néhány példa a mágneses tér erősségére: Föld: 0,05mT hűtőmágnes: 100mT ferrit mágnes: 0,35T neodímium mágnes: 1-1,4T MRI: 1-3T LHC szupravezető dipól mágnesei: 8,3T A Lorentz erő Mágneses térben mozgó elektromosan töltött testre, valamint mágneses térben található árammal átjárt vezetőre erő hat, a Lorentz erő. Elektromágneses hullámok Változó erősségű mágneses tér a környezetében elektromos teret kelt. Változó erősségű elektromos tér a környezetében mágneses teret kelt. Az elektromágneses tér változó erősségű elektromos és mágneses terekből tevődik össze, melyek kölcsönösen létrehozzák egymást. Az elektromágneses térnek a gyorsuló elektromos töltésről leváló és attól függetlenül a térben terjedő formája az elektromágneses hullám. Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége egyenlő a fénysebességgel: légüres térben (vagy levegőben): c = 300000 km/s. Elektromágneses hullámok esetén az elektromos és a mágneses terek változási síkjai egymásra merőlegesek. B
E
E
terjedési irány
Az elektromágneses sugárzás Elektromágneses sugárzást (hullámot) gyorsuló, töltéssel rendelkező részecskék bocsátanak ki. Elektromágneses sugárzást (rádióhullámokat) bocsátanak ki az antennák, melyekben az elektronok rezgő mozgást végeznek. Elektromágneses sugárzást (fényt) bocsátanak ki az atomok elektronjai, azt követően, hogy az atomok valamilyen formában energiát kaptak. Elektromágneses sugárzást (röntgensugárzást) bocsátanak ki a hirtelen lefékeződő nagy sebességű elektronok. 18
Biofizika jegyzet
Elektromágneses sugárzást (gamma sugárzást) bocsátanak ki az atommagok magátalakulásokkor. Az elektromágneses spektrum Megnevezés Hullámhossz (m) Frekvencia (Hz) Hosszúhullámok > 1000 < 3∙105 Középhullámok 1000 – 200 3∙105 – 1,5∙106 Átmeneti hullámok 200 – 100 1,5∙106 - 3∙106 Rövidhullámok 100 – 10 3∙106 - 3∙107 Ultrarövid hullámok 10 - 1 3∙107 - 3∙108 Mikrohullámok 0,3 - 3∙10-5 109 - 1013 Infravörös fény 3∙10-5 – 10-6 1013 - 3∙1014 Látható fény 10-6 – 10-7 3∙1014 - 3∙1015 Ultraibolya fény 10-7 – 10-8 3∙1015 - 3∙1016 Röntgensugarak 10-8 – 10-12 3∙1016 - 3∙1020 Gammasugarak 10-12 - 3∙10-14 3∙1020 - 1022 Kozmikus sugarak < 3∙10-14 > 1022 A fenti adatok csak tájékoztató jellegűek, a tartományok között nem húzható éles határ, azok részben fedik egymást. A röntgensugárzás Röntgensugárzást bocsátanak ki a fémnek ütköző nagy sebességű elektronok, miközben lelassulnak (fékezési sugárzás). Röntgensugárzást bocsátanak ki azok a fématomok, melyeknek nagyenergiájú elektronok ütköznek. Ekkor a becsapódó elektron az atom belső elektronhéjáról kiüt egy elektront, melynek helyére egy másik elektron ugrik egy külsőbb héjról, miközben elektromágneses sugárzást bocsát ki. A fény jellemzői
kettős természetű: elektromágneses hullám és részecske – terjedéskor elektromágneses hullámként, az anyaggal történő kölcsönhatásakor részecskeként (foton) viselkedik egyenes vonal mentén terjed terjedési sebessége légüres térben (vagy levegőben): c = 300000km/s más átlátszó anyagban sebessége kisebb; pl.: vízben: 225000km/s, üvegben: 200000km/s hullámhossz tartománya: 760nm - 380nm A foton
A fény az energiát nem folytonosan, hanem adagokban (kvantumokban) szállítja (ezért az energia kibocsátás és elnyelés is csak adagokban történhet). A foton az elektromágneses tér legkisebb energiaegysége. Nyugalmi tömege 0, és csakis fénysebességgel terjedhet. Energiája: h·f, ahol f a fény frekvenciája, h a Planck állandó (h = 6,63∙10-34J·s). A fényvisszaverődés és törvényei A fényvisszaverődés az a jelenség, melynek során a fény egy határfelülethez érve – amely két anyagot elválaszt egymástól – visszatér eredeti terjedési közegébe. 19
Biofizika jegyzet
beeső fénysugár
visszavert fénysugár
i
1. anyag
i’ határfelület 2. anyag
beesési merőleges i – beesési szög, i’ – visszaverődési szög
I.: A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van. II.: A beesési és a visszaverődési szögek egymással egyenlők (i = i’). A fénytörés, a törésmutató A fénytörés az a jelenség, melynek során a fény egy határfelülethez érve - amely két átlátszó anyagot elválaszt egymástól – átlép a második közegbe, úgy, hogy megváltozik terjedési iránya. A jelenség azért következik be, mert a fény a különböző anyagokban különböző sebességgel terjed. A törésmutató a fénytörés mértékét jellemző arányszám. Jele: n Kiszámítási képlete (abszolút törésmutató): n
a fény terjedési sebessége légüres térben a fény terjedési sebessége az illető anyagban
A törésmutató számértéke nem lehet 1-nél kisebb (n = 1 légüres tér, vagy levegő esetén). pl.: nvíz = 1,33; nüveg = 1,5 Ha a fény kisebb törésmutatójú anyagból lép át nagyobb törésmutatójú anyagba (pl.: levegőből vízbe), akkor a törési szög (r) kisebb, mint a beesési (i), ha nagyobb törésmutatójú anyagból lép át kisebb törésmutatójú anyagba (pl.: vízből levegőbe), akkor a törési szög nagyobb, mint a beesési. A merőlegesen beeső fénysugár nem törik meg. beeső fénysugár
megtört fénysugár
beesési merőleges
beesési merőleges
n1 pl. levegő
i
r
n2 pl. víz
6
i
n2 pl. levegő
n1 pl. víz
beeső fénysugár
megtört fénysugár
A teljes visszaverődés Ha a fény nagyobb törésmutatójú anyagból lép át kisebb törésmutatójú anyagba, akkor a törési szög nagyobb, mint a beesési szög (ábra: 1-es és 2-es fénysugár).
20
Biofizika jegyzet
Ha a beesési szög elér egy kellően nagy értéket, akkor a törési szög 90° lesz – a fény nem lép át a második anyagba (ábra: 3-as fénysugár). Ez a beesési szög a határszög (ℓ). Ha a beeső fénysugár beesési szöge kisebb, mint a határszög, akkor fénytörés jön létre, ha pedig nagyobb, akkor teljes visszaverődés (ábra: 4-es fénysugár). Teljes visszaverődés esetén a fény 100%-a visszaverődik a határfelületről.
1 n2 pl. levegő 2 3
határfelület
ℓ 4
4 3 2
n1 pl. víz
1
Az optikai szál Az optikai szál egy könnyen hajlítható, nagy tisztaságú, átlátszó anyagból készült szál, mely fénytovábbításra alkalmas. Az optikai szálak a teljes visszaverődések sorozatának eredményeként továbbítják a fényt. Az optikai szálak egy nagyobb törésmutatójú magból és az ezt körülvevő kisebb törésmutatójú héjból állnak. A teljes visszaverődés a két réteg határfelületén megy végbe. A diszperzió (színszóródás) A fehér fény összetett, nagyon sok különböző színű fénysugárból tevődik össze. Fénytöréskor a különböző színű összetevők különböző mértékben törnek meg, így a fehér fény felbomlik összetevőire. Ez a jelenség a diszperzió vagy színszóródás. Prizma: egy háromszög alapú üveghasáb, melynek segítségével a fehér fény összetevőire bontható. ernyő
fehér fénysugár
prizma
21
vörös narancs sárga zöld kék ibolya
Biofizika jegyzet
A színkeverés A fehér fény színekre bontásakor keletkező színeket összekeverve (egymásra vetítve) visszakapható a fehér szín. A fehér fény összetevőiből elegendő három, a vörös a zöld és a kék színt megfelelő arányban összekeverni, a fehér szín előállításához. A három alapszín megfelelő arányú keveréséből bármilyen szín előállítható az additív (összeadó) színkeverés segítségével. A színkeverésnek egy másik módja a szubtraktív (kivonó) színkeverés, melynek alapszínei a cián, a sárga és a magenta. Ezen technika esetében a fehér fényből színszűrők segítségével adott komponenseket kell kivonni a kívánt szín előállításához. Az összeadó színkeverés az elektronikus megjelenítők esetében, a kivonó a nyomdatechnikában kerül alkalmazásra. A fényinterferencia Az a jelenség, melynek során ugyanazon fényforrásból származó két fénysugár a tér egy adott pontjában találkozik, és egymásra tevődik, erősítve, vagy gyengítve egymást. A kétréses interferencia: A fényforrás fényét két résen kell keresztülbocsátani, majd ernyőn felfogni, amelyen interferenciakép jelenik meg (világos és sötét sávok követik egymást).
világos sáv sötét sáv világos sáv sötét sáv világos sáv sötét sáv világos sáv sötét sáv világos sáv
egyszínű fényforrás
Az ernyő adott pontjában találkozó fénysugarak útkülönbségének a hullámhosszhoz viszonyított mértéke befolyásolja azt, hogy az illető pontban világos, vagy sötét sáv jelenik meg. A polarizált fény A fény transzverzális hullám. A polarizált fény olyan fénysugarakból áll, melyek elektromos tere csak egy bizonyos síkban változik (nem pedig nagyon sok, bármilyen irányú síkban). pl. az üvegről bizonyos szögben visszaverődő fénysugarak polarizáltak, vagy bizonyos típusú LCD kijelzők polarizált fényt bocsátanak ki. Lencsék, gyűjtőlencsék, szórólencsék A lencsék olyan átlátszó anyagból készült optikai eszközök, melyeknek legalább az egyik felülete nem síkfelület, és melyek működése a fénytörésen alapul. A gyűjtőlencsék középtájon vastagabbak, a szélek felé pedig elvékonyodnak. 22
Biofizika jegyzet
Jelölés:
O
F
F
optikai főtengely
optikai főtengely – a lencse szimmetriatengelye O pont – optikai középpont F pont – fókusz Az optikai főtengellyel párhuzamos fénysugarak a lencsén áthaladva úgy törnek meg, hogy keresztülmennek a fókuszon.
O
F
F
A szórólencsék középtájon vékonyabbak, a szélek felé pedig vastagabbak.
Jelölés:
O
F
F
optikai főtengely
Az optikai főtengellyel párhuzamos fénysugarak a lencsén áthaladva úgy törnek meg, hogy meghosszabbításaik keresztülmennek a fókuszon.
23
Biofizika jegyzet
F
O
F
A törőképesség A törőképesség a lencsék méterben megadott fókusztávolságának reciproka. Jele: D, [D] = 1/m (dioptria) D
1 f
f – fókusztávolság (OF szakasz hossza)
A gyűjtőlencsék törőképessége pozitív, a szórólencséké negatív szám (mert a gyűjtőlencsék fókusztávolsága pozitív, a szórólencséké negatív). A lézer A lézer (LASER – fényerősítés gerjesztett sugárzás kibocsátással) egy olyan fényforrás, amely egyszínű (monokromatikus), párhuzamos fénysugarakból álló fénynyalábot bocsát ki, melyben a fénysugarak fázisban vannak (koherensek). A lézerfény esetén az energia kis térrészbe koncentrálódik, ugyanis csak kismértékben széttartó a fénysugár, ezért nagy az energiasűrűsége. A lézer fényt elő lehet állítani megfelelő gáz, folyadék, vagy szilárd halmazállapotú anyag segítségével. A lézeranyag egy rezonátorban található, amely két, egymással párhuzamosan elhelyezett tükörből áll, melyek közül az egyik féligáteresztő. A lézeranyag atomjait gerjesztik (energiát adnak át nekik) fénnyel, vagy elektromos árammal. A kapott energiát az atomok fény formájában kisugározzák, amely a két tükör között oda – vissza verődik, újabb fénykibocsátást eredményezve a lézeranyagban. A rezonátorból a fény egy része a féligáteresztő tükrön keresztül kilép. A lézerfény kibocsátás lehet folytonos, vagy impulzus üzemű. A lézerforrás által kibocsátott fény színe a lézeranyagtól függ. Vannak olyanok, melyek fénye nem esik a látható tartományba. A nagyobb teljesítményű lézerek sebészeti beavatkozásra (vágásra) is alkalmasak. Az atom szerkezete Az atomokat protonok, neutronok (együttesen nukleonok) és elektronok alkotják. Az atom központi részében, az atommagban találhatók a protonok (töltésük: +1) és a neutronok (töltésük: 0), míg az elektronok (töltésük: -1) az ezt körülvevő elektronfelhőben. 24
Biofizika jegyzet
Az elektromosan semleges atomokban a protonok és az elektronok száma megegyezik. A rendszám, a neutronszám, a tömegszám Egy elem rendszáma megegyezik az atommagjában található protonok számával. Jele: Z Egy elem neutronszáma megegyezik az atommagjában található neutronok számával. Jele: N Egy elem tömegszáma megegyezik az atommagjában található protonok és neutronok számával. Jele: A A fenti három mennyiség között az alábbi összefüggés áll fenn: A Z N
Az atomok a vegyjelükkel jelölhetők (mely általában az elem nevének első betűiből tevődik össze). A vegyjel mellett a bal felső sarokban a tömegszám, a bal alsó sarokban a rendszám található: AZ X . Pl.:
16 8
O,
35 17
Cl
Izotópok Az izotópok az azonos rendszámú de különböző tömegszámú atommagok (latinul: izo – azonos, topos – hely). Pl.: hidrogén ( 11 H ), deutérium ( 21 H ), trícium ( 31 H ) Az atomi tömegegység Az atomi tömegegység egyenlő a 12-es szénizotóp tömegének tizenketted részével. Jele: u, [u] = kg 1u = 1,6605·10-27kg Elemi részecskék jellemzői Részecske proton neutron elektron
Tömeg (kg) 1,6726·10-27 1,6749·10-27 9,1093·10-31
Tömeg (u) 1,007262 (≈ 1) 1,008647 (≈ 1) 0,000548 (≈ 0)
Töltés +1 0 -1
Töltés (C) +1,602·10-19 0 -1,602·10-19
A Bohr atommodell A modell értelmében az atom egy körülbelül 10-15m átmérőjű, pozitív töltésű magból áll, mely körül keringenek körpályákon az elektronok. Az elektronok mozgása a mag körül úgy képzelhető el, mint a bolygók mozgása a Nap körül. Az elektronokat az elektrosztatikus vonzóerő tartja körpályán a mag körül. Az egész atomnak az átmérője körülbelül 10-10m. Az atom rendelkezik kötött állapotokkal, melyekben nem nyel el és nem bocsát ki energiát (elektromágneses sugárzást – fotont), illetve csak akkor nyel el vagy bocsát ki energiát, ha az egyik kötött állapotból egy másikba megy át. Az atom a különböző kötött állapotaiban különböző energiákkal rendelkezik. Energia felvételkor (gerjesztéskor) az atom valamely elektronja veszi fel jól meghatározott adagokban (kvantumokban) az energiát. 25
Biofizika jegyzet
Kellően nagy energia hatására az elektron kívül kerül az atomon. Ebben az esetben az atom ionizálódik. A jelenleg elfogadott atommodell a kvantummechanikai modell, melynek értelmében az elektronok atomon belüli pontos helye nem, csak tartózkodási valószínűsége határozható meg. Az erős kölcsönhatás Az atommagban található protonok taszítják egymást (mivel töltéseik azonos előjelűek), ami az atommagot szét kellene „lökje”. A nukleonok között hat a gravitációs vonzóerő, de ennek nagysága jóval kisebb, mint az elektrosztatikus taszításé. Az atommagot alkotó nukleonok közötti, vonzásban megnyilvánuló kölcsönhatás az erős kölcsönhatásnak (ez tartja egyben az atommagot). Az erős kölcsönhatást a magerő közvetíti, amely erősen vonzó jellegű, töltésfüggetlen, nagyon rövid hatótávolságú. A radioaktivitás A radioaktivitás a nem stabil atommagok spontán bomlásának (külső hatás nélküli átalakulásának) folyamata. Ezen folyamat során az atommag különböző fajta sugárzásokat bocsát ki, miközben más atommaggá alakul. Radioaktív sugárzással, vagy neutronbesugárzással a nem radioaktív elemek is azzá tehetők (mesterséges radioaktivitás). Adott fajtájú radioaktív atommagok esetén másodpercenként mindig a kezdetben jelenlevő atommagok számának ugyanaz a tört része bomlik el. Az elemek radioaktivitására jellemző a felezési idő, amely egyenlő azzal az időtartammal, amely alatt a radioaktív izotóp atommagjainak a fele elbomlik (ez milliomod másodperc és milliárd évek közötti időtartam lehet). A felezési idő mellett a radioaktív anyagok az aktivitással is jellemezhetők, amely megadja az egy másodperc alatt bekövetkező bomlások számát (mértékegysége a becquerel – Bq) Az atommagok átalakulása mesterségesen is előidézhető az atommag különböző fajta részecskével (pl.: α részecske, neutron), vagy elektromágneses sugárzással történő kölcsönhatásának eredményeként. Atommagsugárzások Az atommagok átalakulását atommagsugárzások kísérik, melyek három félék lehetnek: α (alfa) sugárzás: He atommagból, azaz két protonból és két neutronból összetevődő atommagokból álló sugárzás. Alfa sugárzás kibocsátásakor az atom rendszáma 2-vel, tömegszáma 4-el csökken. Az α sugarak kis áthatolóképességgel rendelkeznek (levegőben néhány centiméter). β (béta) sugárzás: Elektronból (β-), vagy pozitronból (β+) (a pozitron az elektronnal megegyező tömegű, de ellentétes töltésű részecske – az elektron antirészecskéje) álló sugárzás, melynek esetén az atom tömegszáma nem változik, csak rendszáma. A β sugarak az α-nál nagyobb áthatoló képességgel rendelkeznek (levegőben néhány méter). γ (gamma) sugárzás: Nagy frekvenciájú (1,1·1019 – 6·1020Hz) elektromágneses sugárzás. Nagy áthatoló képességű sugárzás (akár több tízcentiméteres vastagságú betonfalon is keresztülhatol).
26
Biofizika jegyzet
A radioaktív sugárzások biológiai hatása Az atommagsugárzások hatással vannak az élő szövetekre: károsíthatják, elpusztíthatják a sejteket, a szövetek, szervek működési zavarát okozhatják, azok kóros elváltozásaihoz vezethetnek. Az atommagsugárzások ionizációt okoznak, illetve molekulákat hasíthatnak szét, melynek következtében a sejt károsodhat. A sugárzás fajtájától, illetve a sugárzást ért szövetek típusától függően a biológiai hatások eltérőek. A szövetek regenerálódásának köszönhetően a nem túl nagymértékű sugárzásnak nincs maradandó káros hatása. Az élőlények állandó jelleggel ki van téve a környezet részéről sugárzásnak, a háttérsugárzás-nak, illetve az élő szervezetekben is találhatók radioaktív izotópok. A radioaktív sugárzások genetikai elváltozásokat is okozhatnak, amely miatt hatása csak az utódokban jelentkezik. A sugárzás hatása annál nagyobb, minél erősebb a sugárforrás, minél hosszabb ideig tart a besugárzás és minél kisebb a sugárforrástól való távolság. Dozimetria A szervezetet érő ionizáló sugárzások fizikai és biológiai dózisfogalmakkal, dózismennyiségekkel jellemezhetők. Az elnyelt dózis az anyagban elnyelt összes sugárzási energia és a test tömegének hányadosa. Jele: D, [D] = Gy (gray) Az elnyelt dózis egy régebbi mértékegysége a rad (1Gy = 100rad). Az elnyelt dózisteljesítmény az időegység alatt elnyelt dózis. Mértékegysége a Gy/s, de a gyakorlatban a Gy/h használatos. Az egyenértékdózis a sugárzás biológiai hatását leíró dózismennyiség. Az egyenértékdózis az elnyelt dózis és egy, a sugárzás típusától függő arányossági tényező szorzata. Jele: H, [H] = Sv (sievert) 1Sv dózis-egyenértékű sugárzás károsító hatása megegyezik 1Gy röntgen-, vagy gammasugárzás elnyelt dózisának a hatásával. Az effektív dózis az emberi test összes szövetére vagy szervére vonatkozó súlyozott egyenértékdózisok összege (a különböző szövetekre, szervekre különböző hatással vannak a sugárzások). Jele: E, [E] = Sv Példák sugárterhelésre: 1 évig élni 80 km-re egy normálisan működő atomreaktortól 1 db banán elfogyasztása 1 évig élni 80 km-re egy széntüzelésű erőműtől Egy kézröntgen felvétel Képcsöves monitor használata 1 éven át Egy napi külső forrásból eredő természetes sugárterhelés Magyarországon Egy napi természetes eredetű sugárterhelés Magyarországon Egy mellkas-átvilágítás Egy tengerentúli repülőút Egy mammográfiás felvétel Egy évi természetes eredetű sugárterhelés Magyarországon Egy mellkasi tomográf (CT) felvétel Az évi dóziskorlát a sugárveszélyes helyen dolgozók esetén A legkisebb dózis, amely már egyértelműen növeli a rákbetegség kockázatát A baleseti mentésben résztvevők számára megengedett legnagyobb dózis A legkisebb dózis, amely már közvetlen egészségügyi hatásokat okozhat
27
0,00009 mSv 0,0001 mSv 0,0003 mSv 0,001 mSv 0,001 mSv 0,002 mSv 0,008 mSv 0,02 mSv 0,05 mSv 3 mSv 2,4 mSv 5,8 mSv 20 mSv 100 mSv 250 nSv 400 mSv
Biofizika jegyzet
A gradiens Valamely mennyiség gradiense megadja az illető mennyiség legnagyobb változásának irányát. A koncentráció gradiens Valamely oldatban megadja az oldott anyag (ionok) legnagyobb koncentrációváltozásának irányát. Az elektrokémiai potenciálgradiens Adott két különböző koncentrációjú oldat olyan féligáteresztő hártyával elválasztva egymástól, amely a pozitív és a negatív ionokat nem egyforma mértékben ereszti át. A nagyobb koncentráció oldatból megindul az ionok átvándorlása a hártyán keresztül a kisebb koncentrációjúba (a jelen levő koncentráció gradiens hatására). Ezzel együtt, mivel a pozitív és a negatív ionok nem egyforma számban jutnak át membránon, kialakul egy egyre növekvő feszültség (elektromos gradiens, vagy potenciálkülönbség) a két oldat között. Az ionok mozgását a koncentráció gradiens és a feszültség együttesen határozzák meg, melyeket együttesen az elektrokémiai potenciálgradiens megnevezést kapták.
28
Biofizika jegyzet
AZ ÉLETFOLYAMATOK BIOFIZIKAI ALAPJELENSÉGEI AZ INGERÜLET Az idegi impulzusok gerjesztését és továbbítását az idegsejtek valósítják meg. Az ingerület kiváltásához az ingernek el kell érnie egy bizonyos erősséget, az ingerküszöböt, illetve kellő hirtelenséggel kell hatnia. A küszöbértékű (vagy a feletti) ingerek az idegsejtben fizikai – kémiai változásokat idéznek elő. A sejtek belseje és a körülötte levő folyadék között állandó potenciálkülönbség (feszültség) áll fenn, melynek értéke a különböző sejttípusok esetén -50mV és -100mV közötti (a sejten kívüli térre vonatkoztatva). Ez a feszültséget nyugalmi potenciál. Az idegsejtek sejtmembránjának külső és belső oldala közötti potenciálkülönbség (a sejt nyugalmi állapotában) nyugalmi membránpotenciál. Ezt a sejtben zajló energiafüggő folyamatok hozzák létre, melynek értéke a sejtre jellemző, és állandó. A nyugalomban levő idegsejtek esetén értéke -70mV körüli. A sejtmembrán két oldalán a különböző ionok koncentrációja különbözik, ami a nyugalmi membránpotenciált létrehozza. A sejt belsejében negatív fehérjék, nukleinsavak találhatók. A K+ koncentráció a sejt belsejében nagyobb, mint azon kívül, a Na+ koncentráció a sejten belül kisebb, mint azon kívül, és a Cl- koncentráció a sejten belül kisebb, mint azon kívül. Ezek az ionok járulnak legnagyobb mértékben hozzá a nyugalmi membránpotenciál kialakulásához, valamint az ingerület vezetéséhez. A sejtek a pozitív ionok (kationok) mozgatásával változtatják meg a membránpotenciált. A sejt nyugalmi állapotában a sejtmembránon a K+ ionok mintegy 20-szor könnyebben jutnak át, mint a Na+ ionok. A K+ és a Na+ ionok mozgását egyrészt az elektrokémiai potenciálgradiens befolyásolja, másrészt a K+-Na+ pumpa, amely folyamatosan visszajuttatja a sejtbe a K+ ionokat és eltávolítja onnan a Na+ ionokat. A folyamat az ATP (adenozin-trifoszfát) segítségével valósul meg (egy ATP molekula két K+ iont szállít a sejtbe és három Na+ iont távolít onnan el). Küszöbértékű inger (-20mV és -50mV közötti) hatására depolarizáció megy végbe, vagyis csökken abszolút értékben a membránpotenciál. Ennek hatására a sejtmembrán feszültségérzékeny membráncsatornái hirtelen kinyílnak és átjárhatóvá válnak a Na+ ionok számára, melyek beáramlanak a sejt belsejébe. Ez egy gyorsan kialakuló, ideiglenes pozitív feszültséget hoz létre a sejt külseje és belseje között, melynek értéke elérheti a +40mV-ot is. Ez az akciós potenciál. A beáramló Na+ ionok miatt megváltozott potenciálkülönbség hatására újabb membráncsatornák nyílnak ki, egy öngerjesztő folyamatot hozva létre. Ezért az akciós potenciál továbbterjed a sejtmembránon, mint egy depolarizációs hullám. Az akciós potenciál kialakulása során a Na+ ionokat átengedő membráncsatornák bezáródnak, és kinyílnak a K+ ionokat átengedők. A K+ ionok sejtből történő kilépésével (és a Na+ ionok be nem lépésével) létrejön a repolarizáció, melynek során a membránpotenciál visszaáll eredeti értékére. Az akciós potenciál másképp terjed a myelinhüvelyes és a csupasz axonokon, ezért az előbbiekben az ingerület sebessége néhány tíz m/s (akár a 120m/s-ot is elérheti), az utóbbiakban viszont csak 1m/s körüli. A depolarizáció és a repolarizáció ideje alatt, ami 3-5 milliszekundum, a szövet nem ingerelhető újra.
29
Biofizika jegyzet
SZENZOROS MŰKÖDÉSEK Az érző receptorok ingerlékeny sejtek (vagy csupasz idegsejtnyúlványok, pl. fájdalomérzékelés esetén), melyek valamilyenfajta energiát képesek átalakítani akciós potenciállá. A receptorok négyféleképpen osztályozhatók: az ingerforrás elhelyezkedése szerint: exteroreceptorok, interoreceptorok az energia szerint, melyre reagálni képesek: mechanikai, hő-, foto- és kemoreceptorok a kiváltott érzet szempontjából: tapintás-, meleg-, hideg-, fájdalom-, fény-, hang-, íz- és szagreceptorok az adaptáció módja szerint: gyorsan adaptálódó (dinamikus, fázisos), lassan adaptálódó (tónusos vagy statikus) receptorok A receptorok jelátalakítóként működnek. Az energiát, amelyre érzékenyek, egy bizonyos ponton felveszik, aminek hatására az adott terület depolarizálódik és létrejön a receptor-, vagy generátorpotenciál. Ha az inger erőssége kellően nagy volt, az érzékelősejt akciós potenciálsorozatot ad le, melynek frekvenciája arányos az inger erősségével.
AZ IZOMMŰKÖDÉS A harántcsíkolt izomzat összehúzódását a küszöbértéket meghaladó erősségű idegimpulzus váltja ki. Az idegimpulzus helyi depolarizációt hoz létre, mely akciós potenciált vált ki. Ez 30m/s sebességgel terjed a sejthártya mentén minden irányba, ezzel az izomrostok összehúzódását okozva. A zsigeri sima izomzat mozgása spontán, független a beidegzéstől. Kevésbé ingerelhető, mint a harántcsíkolt izomzat. Az impulzus átviteli sebessége legfeljebb néhány centiméter másodpercenként. A vegetatív beidegzés szerepe az összehúzódás módosítása, nem pedig annak kiváltása. Az innervált simaizomzat működése akaratlagosan nem befolyásolható. Összehúzódása nem terjed nagyobb távolságra.
A KERINGÉS A szív kettős működést valósít meg: szivattyú és pumpa egyben. Egy összehúzódásának és elernyedésének időtartama átlagosan 0,8 másodperc. Ütemes működését az elsődleges ingerképző központ, a szinuszcsomó által keltett ingerületek vezérlik. A szívizomban nodális ingerületkeltő és vezető szövet található, amely a működést biztosítja. Egyetlen összehúzódásakor a szív 70-90 milliliter vért pumpál az aortába és a nagy osztóerekbe. Ezeknek az ereknek a fala rugalmas, ezért szisztolékor a szívből kiáramló vér nyomásásnak a hatására kitágulnak, elraktározva a vér nyomásának egy részét. Diasztolékor az erek fala visszanyeri nyugalmi állapotának megfelelő méretét, nyomást gyakorolva a vérre (a vér nem tud visszaáramlani a szívbe). Ezeknek az ereknek a rugalmassága hozzájárul a vér állandó áramlásához. Az osztóeres vérnyomás szisztolékor 120-140 Hgmm, amely diasztolékor 70-80 Hgmm-re csökken (az 1 atmoszférás légnyomás felett). A gyűjtőerek térfogata háromszorosa az osztóerekének, falvastagságuk kisebb, rugalmasabbak. A vér a gyűjtőerekben sokkal lassabban kering, mint az osztóerekben. A vérnek a szívbe történő visszajutását több mechanizmus befolyásolja, melyek közül a legfontosabbak: a mellkas szívóhatása a kamrák összehúzódásai 30
Biofizika jegyzet
a hajszálerekben levő vér nyomása az osztóerek lüktetése a gravitáció (a szív feletti gyűjtőerekben segíti a vér keringését) A szívritmus szabályozó (pacemaker) és a defibrillátor
A szívritmus-szabályozó olyan implantátum, amely elektródák segítségével kapcsolódik a szívhez és elektromos impulzusokkal vezérli a szívizmok összehúzódását. A pacemakert szívritmus zavarok esetében alkalmazzák. A szívritmus szabályozás a betegség típusától függően többféleképpen is megvalósulhat: bőrön keresztüli: a mellkasra helyezett két tappancs segítségével történik; nem alkalmazható hosszabb ideig epikardiális: jellemzően nyitott szívműtétek esetében, átmeneti megoldásként alkalmazzák; az elektródákat a kamra külső falára helyezik a megfelelő szívteljesítmény fenntartására vénán keresztüli: ideiglenes megoldás, melynek során az elektródát vénán keresztül vezetik a szívbe; maga a pacemaker a testen kívül található végleges: a mellkas bőr alatti zsírszöveteibe kerül beültetésre, elektródáit a szívbe ültetik; hermetikusan lezárt, jellemzően titán esetleg arany burkolatú, zsebórányi méretű eszközök, melyek tartalmazzák az áramforrást is; a modern típusok igen rugalmasan programozhatók, jellemzően csak szükség esetén avatkoznak be a szívműködésbe; léteznek MRI-kompatibilis, illetve defibrillátort tartalmazó típusai is. Fibrilláció esetén a szívizomzat szabálytalan, gyors mozgást (remegést) végez, amelynek során a szívben kaotikus elektromos folyamatok zajlanak le. A defibrillátor jellemzően kamrafibrilláció esetében alkalmazható, amely olyan ingerképzési zavar, aminek a során a kamrai izomzat nem húzódik kellően össze a vér kipumpálásához. A defibrillátor lehet implantátum, vagy külső eszköz, amellyel egy elektromos sokk alkalmazható. A defibrillátorok egyik fontos jellemzője a sokkolás energiája, amelyet jouleban mérnek. A külső defibrillátorok egy másik fontos jellemzője az alkalmazott hullámforma, amely meghatározza a két elektróda között folyó áram irányát és nagyságát. Ezt a készülék gyártói fejlesztik ki és nagymértékben befolyásolja az eljárás sikerességét.
A LÉGZÉS A tüdőben történő gázcsere a belégzés és a kilégzés ütemes váltakozásával valósul meg. A belégzés aktív folyamat, melynek során a belégzőizmok összehúzódnak, a mellkas és ezt követve a tüdő térfogata megnő. Ennek hatására a tüdőben levő nyomás a külső légköri nyomáshoz viszonyítva 2-3 higanymilliméterrel csökken, ezért a levegő beáramlik a tüdőbe. A kilégzés (rendes körülmények között) passzív folyamat, melynek során a belégzőizmok elernyednek, a mellkas és vele együtt a tüdő nyugalmi méretre húzódik össze. Ezáltal tüdőben a nyomás 2-4 higanymilliméterrel meghaladja a légköri nyomást, ezért a levegő kiáramlik a tüdőből. Nyugalmi állapotban a légzőmozgások száma percenként 16-18. Normális belégzéskor, illetve kilégzéskor 0,5 liter levegő áramlik be, illetve ki a tüdőből. Erőltetett belégzéssel még körülbelül 1,5 liter levegő szívható be a tüdőbe, erőltetett kilégzéssel pedig 1-1,5 liter préselhető ki onnan. Az
31
Biofizika jegyzet
összes levegő erőltetett kilégzéssel sem préselhető ki a tüdőből (még körülbelül 1,5 liter marad benne).
A LÁTÁS Az emberi szem fénytörő részei a szaruhártya, a csarnokvíz, a szemlencse és az üvegtest, melyek eltérő, de 1,3-1,4 közötti törésmutatóval rendelkeznek. A fény ezeken keresztülhaladva jut a retinára, ahol az érzékelő sejtek találhatók. A négy közeg együttes törőképessége 60 dioptria körüli.
csarnokvíz
szemlencse
szaruhártya
üvegtest
pupilla
ideghártya
A szem a szemlencse alakjának, így törőképességének a változtatásával képes éles, fordított állású képet alkotni a retinára. A retinára jutó fény mennyiségét a pupilla szabályozza, melynek átmérője a fényviszonyoknak megfelelően változik. A jellemző érzékelési fényerőség tartomány három nagyságrendet fog át, de akár tíz is lehet megfelelő akkomodáció esetén. A fény érzékelésében két receptor típus vesz részt, a csapok és a pálcikák. Ezek alakítják át a rájuk eső fényjelet idegi impulzusokká. A nappali látásban a kevésbé érzékeny csapok, míg az éjszakaiban a jóval érzékenyebb pálcikák vesznek részt. A pálcikák nem képesek a színek érzékelésére, térbeli felbontásuk kisebb a pálcikákénál. A csapok színérzékenyek, és három típusuk különböztethető meg, melyek a vörös, a zöld és a kék színek tartományát érzékelik. Normális fényviszonyok mellett az emberi szem a sárgás-zöld színre a legérzékenyebb. A szem felbontóképessége, a látásélesség, amely megadja az adott távolságból megkülönböztethető egymás melletti pontok közötti legkisebb távolságot. Ez jellemzően egy méteres távolságból 0,3 milliméter.
32
Biofizika jegyzet
FIZIOTERÁPIA BEVEZETÉS A fizioterápia a természet eszközeit használja fel a gyógykezeléshez. A fizioterápia a gyógyítás legősibb ága, hiszen már az ősember felhasználta a természet erőit ilyen célokra. Feladata a megelőzés, a specifikus kezelés, a tüneti kezelés és a kutatás. Megelőzés alatt értendő mind a betegség kialakulásának, mind a már lezajlott betegség kiújulásának a megakadályozása. A specifikus kezelés olyan beavatkozás, amelyet más kezeléssel helyettesíteni nem lehet. A tüneti kezelés lehet egy bizonyos tünet mérséklése több, azonos célt szolgáló beavatkozással, vagy több, helyes egymás utáni sorrendbe állított beavatkozással. A kutatás egyrészt a beavatkozásnál használt energia kifejlesztésével, annak dózisának a beállításával foglalkozik, másrészt a kezeléssel elérhető biológiai válasszal, harmadrészt a kialakult biológiai válasz gyógyhatásával. Fizioterápiás beavatkozás esetén csak az az energia tud hatás kifejteni, amely elnyelődik. Ezen kezelések esetén többnyire a helyi hatás elérése a cél. A fizioterápiás beavatkozások a bevitt energia típusa szerint a következőképpen osztályozhatók: elektroterápia, fototerápia, hidroterápia, termoterápia, mechanoterápia, balneoterápia, klímaterápia, inhaláció és diéta. Az első öt csoport alkotja a fizikoterápiát.
AZ ELEKTROTERÁPIA Elektroterápia során az elektromos áramot használják gyógyítási célokra. Az alkalmazott áram frekvenciája szerint az elektroterápiás kezelések három csoportra oszthatók: kisfrekvenciájú kezelések: 0Hz < f < 1000Hz középfrekvenciájú kezelések: 1000Hz < f < 100000Hz nagyfrekvenciájú kezelések: f > 100000Hz A kis- és középfrekvenciás elektroterápiás kezelések körébe tartoznak a galvánárammal (egyenáram), az ingerárammal és a középfrekvenciás áramokkal történő tüneti kezelések, a harántcsíkolt és simaizom-stimulációk és a mágneses tér kezelés. A nagyfrekvenciás elektroterápiás kezelések körébe tartoznak a darsonvalisatio, a diatermiás kezelés, a rövidhullámú kondenzátortér kezelés, a mikrohullámú elektromágneses sugárzás és az ultranagy frekvenciás kezelés. Tüneti kezelés galvánáramokkal A galvánáramok hatására megváltozik az idegek vezetése. A kialakuló biológiai válasz függ az áram irányától és az idegek típusától. Felszálló kezelés esetén a motoros ideg ingerküszöbe csökken, ingerelhetősége növekszik. Galvánáram hatására az érzőideg ingerlési küszöbe emelkedik. A galvánáram fájdalomcsillapító hatása a szimpatikus tónus csökkentése révén is megnyilvánul, mely a szimpatikus rostok ingerületvezetésének gátlása révén jön létre. Kimutatták, hogy galvánáram hatására normalizálódik egyaránt a fokozott és a csökkent izomtónus. A galvánáram motoros idegszövetekre gyakorolt hatásának egyik jellemzője az, hogy nem hoz létre izom-összehúzódást, de az ingerületvezetés fokozódik. Különleges elektródokkal, vagy speciális galvánkezelési eljárásokkal is végezhetők galvánkezelések. 33
Biofizika jegyzet
A galvánkezelés kombinálható fürdőkezeléssel. Ekkor hidrogalván kezelésről van szó, mely lehet teljes, vagy részleges elektromos fürdő. Teljes elektromos fürdő esetén a beteg egy elektródokkal ellátott, folyadékkal feltöltött kádban fekszik. Az áramforrás egyik pólusa a kádban levő elektródokhoz kapcsolódik, a másikat a betegnek kell megfognia. A részleges elektromos fürdő esetén a betegnek csak a végtagjai találhatók kádakban (egy végtag egy kádban). Galvánáramokkal kémiai anyagok (gyógyszerek) is a szervezetbe juttathatók. A kémiai anyagok az oldatokban disszociálnak, ionokra bomlanak, melyek az áram hatására mozgásba jönnek és a bőrön keresztül a szervezetbe jutnak. Ez az eljárás iontoforézis, vagy ionterápia. Tüneti kezelések ingeráramokkal A kis frekvenciájú ingeráramok hatására az izomszövet összehúzódása következik be. A kezelések biológiai hatását az alkalmazott ingeráramok frekvenciája és az egyes impulzusok ideje határozza meg. A tüneti kezelések elsődleges célja a fájdalom csillapítása, de helyi anyagcsere és a keringés fokozására is alkalmazható. A kezelés az alkalmazott frekvenciától függően az izom tónusának fokozására vagy csökkentésére, az izom relaxálására is alkalmas. A fájdalom csillapítható elektromos impulzusok segítségével, idegrendszeri gátlás révén. A fájdalominger továbbításában több idegpálya vesz részt, ezért az idegi gátlás különböző szinteken hozható létre. Tüneti kezelések középfrekvenciás áramokkal Bár a középfrekvenciás áramok esetén a frekvencia az 1000Hz – 100000Hz tartományba esik, a gyógyászatban csak a 3900Hz – 5000Hz frekvenciájú áramokat használják. A középfrekvenciás áramokkal kétféle kezelés terjedt el: A hagyományos, Nemec által bevezetett, melynek a lényege az, hogy két, keresztezett készülékkel hoznak létre interferenciaáramokat. A két készülék által létrehozott áramok frekvenciája 4000Hz körüli intervallumban változtatható. A vizsgálatok kimutatták, hogy az idegrostok akkomodációjának megakadályozására változtatni kell az áramok frekvenciáját. A másik alkalmazott eljárás az amplitúdómodulált középfrekvenciás kezelés. Ennek esetében az alkalmazott áramok amplitúdóját, erősségét megfelelő mértékben változtatják. Az interferenciaáram kezeléseknél különböző fajta elektródok alkalmazhatók (lap, vákuum, kesztyű). Harántcsíkolt és simaizom-stimuláció A harántcsíkolt és a simaizomszövet nemcsak akaratlagos ingerléssel, hanem mesterségesen, ingerárammal is összehúzódásra bírható. Az ingerárammal történő kezelés szelektív, mert míg a tornakezelés esetén az agonista izom működtetése mellett az antagonista izom összehúzódása is bekövetkezik, addig ezen esetben csak a kiválasztott agonista izom összehúzódására kerül sor. A szelektív ingeráram kezelés célja a degenerálódott vagy sorvadt izom erőteljes, fájdalommentes összehúzódásának kiváltása az ép izomzat ingerlése nélkül. Az izom összehúzódására az inger erősségén kívül hatással van annak iránya is, valamint az, hogy az áramkör záródik, vagy nyitódik-e. A stimulációhoz különböző intenzitású, különböző ideig ható és különböző impulzusformájú áramokat használnak, melyek esetében eltérő lehet az áram iránya is, valamint az impulzusok közötti szünet. 34
Biofizika jegyzet
A szelektív ingeráram kezelés során az izom stimulálható direkt vagy indirekt módon. Direkt kezelési mód esetén az elektródokat az izom fölé helyezik, míg az indirekt esetében az izom idegen keresztüli stimulációját valósítják meg. Mágneses tér kezelések A mágneses tér az erőssége szempontjából három csoportra osztható: gyenge, melynek erőssége 10-3 – 10 gauss közötti (a biológiai szövetekre gyenge hatást fejt ki) közepes, melynek erőssége 100 – 1000 gauss közötti (reverzibilis funkció-változásokat eredményez) erős, melynek erőssége 1000 gauss fölötti (genetikai károsító hatású) A gyógyászatban folyamatos és impulzus mágneses tereket alkalmaznak, melyek különböző biológiai választ eredményeznek. A kezelések végrehajtásakor különböző méretű elektromágnesek közül lehet választani a kezelendő testrésznek megfelelően. Darsonvalisatio Ezen kezelés esetén nagyfrekvenciás, csillapított hullámmal váltanak ki bőringert. Ez a felületi erekben értágulást idéz elő és ingerli a bőr érzősejtjeit. A darsonvalisatio a bőr érzékeléscsökkenésének és a helyi anyagcseréjének javítására, valamint viszkető bőrfolyamatok kezelésére alkalmazható. A kezelés során az elektródot közvetlenül a bőrre helyezik. Diatermiás kezelés Nagyfrekvenciás kezelés, melynek során nagy hullámhosszúságú csillapított hullámokat állítanak elő, amely nem a bőrfelszínen, hanem a felületi szövetekben idéz elő hőképződést. Az elektródokat a bőrfelszínre helyezik fel. A szövetek ellenállásuk függvényében melegszenek fel. Rövidhullámú kondenzátortér kezelés A frekvenciaspektrum alapján a rövidhullámok hullámhossztartománya 100m – 10m. Mivel biológiai hatás szempontjából nincs különbség köztük és az ultrarövid hullámok között (melyek hullámhossztartománya 10m – 1m), az elektroterápia az 100m – 1m hullámhosszúságú hullámokat tekinti rövidhullámoknak, melyek frekvenciatartománya 3MHz – 300MHz. Ennek a kezelésnek az esetében a szövetet nem elektromágneses sugárzás éri, hanem kondenzátortérben található, ami nem más, mint két fémlemez között kialakított elektromos tér. A kezelésre használt berendezés csillapítatlan rezgést állít elő, mely a fegyverzetek között változó elektromos teret hoz létre. Ez az elektromos tér rezgésbe hozza a szövetekben található ionokat, mely folyamat hőképződéssel jár (endogén hő). A hőképződés az elektromos tér erősségének megfelelően oszlik el (legtöbbször a cél az egyenletes eloszlás kialakítása). A szövetekben kialakuló hőképződés függ a szövetek ellenállásától, vezetőképességétől és elnyelő képességétől. Leginkább a zsírszövetek melegszenek fel, azután az ideg-, az izom-, és a csontszövetek. A kezelendő testrésztől függően különböző fajta elektródokat használnak.
35
Biofizika jegyzet
A rövidhullámú kezelések körébe tartozik a kondenzátortér kezelésen kívül a tekercstér kezelés, amely esetében tekercsekben váltakozó áram folyik. Ennek hatására a tekercs környezetében változó erősségű mágneses tér alakul ki (tulajdonképpen elektromágneses tér). Mikrohullámú elektromágneses sugárzás A mikrohullámok tartományából az elektroterápia a 12,5cm hullámhosszúságú hullámokat nevezi annak. A mikrohullámok magnetronnal állítják elő, melyben elektronok (megfelelő mozgásukkal) bocsátják ki a mikrohullámokat, amit speciális sugárzófejekhez továbbítanak. A kibocsátás lehet folytonos, vagy pulzáló. A mikrohullámokra bizonyos (különösen folyadékban gazdag) szövetek rendkívül érzékenyek, ezért ezeket védeni kell a sugárzástól. A védelem 1mm-nél nem nagyobb rácsozatú rézhálóval valósítható meg. A kezelőhelyiség is árnyékolt kell legyen a sugárzásokkal szemben. A mikrohullámú sugárzás hatására endogén hőképződés alakul ki, főleg az izmokban és a folyadékban gazdag szövetekben, valamint fokozódik a keringés. Ultranagy frekvenciás kezelés Az ultranagy frekvenciás (vagy deciméterhullámú) kezelés esetén 69cm hullámhosszúságú, ennek megfelelően 433MHz frekvenciájú elektromágneses sugárzást alkalmaznak. Ezen kezelés során is, mint a mikrohullámú kezeléses esetén, bizonyos testrészeket rézhálóval védeni kell a sugárzástól, és szintén árnyékolt helyiségben kell végezni. A kezelés során alkalmazott elektromágneses sugárzás körülbelül 30%-át (mérések szerint) a bőr visszaveri. Az elnyelődött sugárzás a zsírszöveteken áthatolva a mélyen levő szövetekben alakít ki hőképződést.
A FOTOTERÁPIA A napfény és a helioterápia A helioterápia napfénykezelést jelent. A Nap által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossza a 30000nm – 200nm tartományba esik. Az infravörös sugárzás a 30000nm–től 2200nm-ig hosszúhullámú, 2200nm-től 760nm-ig rövidhullámú. A látható fény hullámhossz szerinti eloszlása: vörös: 760nm-640nm narancssárga: 640nm-585nm sárga: 585nm-560nm zöld: 560nm-490nm kék: 490nm-420nm ibolya: 420nm-380nm Az ultraibolya sugárzás hullámhossza a 380nm-200nm tartományba esik. A helioterápiában a három fajta fény együttesen fejti ki hatását. A napfénysugárzás részben direkt, részben szórt sugárzás formájában éri a szervezetet. A helioterápiának károsító mellékhatásai is lehetnek. 36
Biofizika jegyzet
Infravörös sugárzás A gyógyászatban a rövidhullámú infravörös sugárzást alkalmazzák, mert behatoló képessége 0,5-1 centiméter, szemben a hosszúhullámú infravörös sugarakkal, melyeké 1-2 milliméter. Előállítása infravörös izzókkal történhet, melyekben egy wolfram izzószál található, mely magas hőmérsékletre izzik fel az áram hatására. Az izzószál mögött félgömb alakú tükör található. Az infravörös sugárzás kibocsátása történhet még kerámia, vagy más anyagba elhelyezett izzószál segítségével is. Az infravörös sugárzás a szervezet felszíni részében, lokális felmelegedést okoz, javítja a vérellátást és az izom tónusát is befolyásolja. A helytelenül végzett kezelésekkor, túladagolások esetén káros hatások is felléphetnek. Látható fény kezelés A látható fény terápiás alkalmazásában a kék és a fehér fény szerepel. A kék (490-420 nanométeres hullámhosszúságú) fényt a kékfény-kezelés (kromoterápia) keretén belül az újszülöttek sárgaságának kezelésére alkalmazzák. A polarizált fehér fényt felületi hámsérülések és fekélyek kezelésére alkalmazzák leggyakrabban. Ultraibolya sugár kezelés Az ultraibolya sugárzásokat a hatásuknak megfelelően három csoportba sorolták: „A” típusú sugárzás, hullámhossztartománya 380nm-315nm „B” típusú sugárzás, hullámhossztartománya 315nm-280nm „C” típusú sugárzás, hullámhossztartománya 280nm-200nm Az ultraibolya sugárzás az üvegen nem hatol át. Előállítására kvarc burkolattal készült higanygőzt tartalmazó ultraibolya forrásokat használnak. Ezekben fém-halogén is található, ami megakadályozza a higanygőzök kicsapódását a sugárzó falára. Vannak olyan sugárzók is, melyek a fénycsövekhez hasonlítanak, de ezek igen kis teljesítményűek. Léteznek még olyan sugárzók is, melyeket közvetlenül a bőrre kell ráhelyezni. A sugárzás csak akkor nyelődik el, ha közvetlenül éri a bőrfelszínt, és behatolási mélysége függ a sugárzás típusától. A „C” típusú sugárzás a bőrről visszaverődik, ezért azt csak szobák, egészségügyi helyiségek csírátlanítására, levegőjének tisztítására használják (antibakteriális hatása miatt). A „B”típusú sugárzás pigmentációt okoz a bőrben, melyet egyfajta gyulladásos reakció (erythema) előz meg, egy védekező mechanizmus eredményeként. Az „A”típusú sugárzás szintén pigmentációt okoz, de ezt nem előzi meg erythema kialakulása. Az „A” típusú ultraibolya sugárzás után a pigmentáció már néhány órával jelentkezhet, míg a „B” típusú után általában 24 óra elteltével. Az „A” típusú sugárzás okozta pigmentáció redoxi folyamat eredménye, a „B” típusú okozta pigmentáció pedig sejtszétesésé. A sugárzás biológiai hatásai közül csak a D3 vitamin képződés és a pigmentáció elfogadott. Ezeken kívül számos más fotobiológiai hatásával lehet találkozni az ultraibolya sugárzásoknak, melyek azonban vitathatóak. A nem megfelelően végzett kezeléseknek károsító hatásai lehetnek.
37
Biofizika jegyzet
Lézerkezelések A lézerfény monokromatikus, nagy teljesítménysűrűségű és koherens. A lézerfény a felhasznált lézeranyag függvényében lehet infravörös, látható, vagy ultraibolya fény. A lézerek teljesítményük alapján három csoportba sorolhatók: kisteljesítményűek, melyek teljesítménye néhány milliwatt közepes teljesítményűek, melyek teljesítménye 1- 20 watt közötti nagyteljesítményűek, melyek teljesítménye 10- 100 watt közötti A nagyteljesítményű lézereket sebészi lézereknek is nevezik, mert nagyfokú hőképződést és vaporizációt (elpárologtatást) váltanak ki, ezáltal alkalmasak sebészi beavatkozásokra. Vágásra alkalmas a széndioxid lézer, melynek hullámhossza 1060nm, behatolási mélysége 0,1mm. A keletkező nagy hőmérséklet miatt a 0,5mm átmérőjűnél kisebb erek, nyirokerek elzáródnak, és baktericid hatás lép fel. Az argonion lézer behatolási mélysége 1-2 milliméter, a Neodynium-Yag lézeré elérheti a 4 millimétert. A lézerek a vágáson, coaguláláson és vaporizáláson kívül biostimulációra is alkalmasak. A kisteljesítményű lézerek közé tartozik a Hélium-Neon lézer, melynek hullámhossza 632nm. A lézerfény biológiai hatásai közé tartozik a vérkeringés, a helyi anyagcsere és a szöveti regeneráció fokozása, az antibakteriális hatás (a hőképződés miatt).
A MECHANOTERÁPIA A gyógytorna A gyógytorna egy specifikus kezelés, mert más fizioterápiás kezeléssel nem helyettesíthető. Egy olyan speciális mozgásterápia, mely a megbetegedett szerv vagy testrész helyreállítására gyakorlatokat alkalmaz. A kezelés célja a mozgás és egyéb funkciók (vérkeringés, légzés, idegműködés) helyreállítása, javítása. Masszázskezelések A masszázs egy olyan, bőrfelületen végzett beavatkozás, mely módszeresen rendezett, adagolt erejű fogássorozatokból áll. A kezelési cél függvényében többféle masszázs különböztethető meg: gyógyító, vagy orvosi masszázs, mely az orvos által előírt frissítő masszázs, mely fokozza az izmok vérbőségét, erősíti az izomzatot sportmasszázs, mely izomfejlesztő, vérkeringést javító, frissítő, aktivizáló hatású diagnosztikus masszázs, mely a bőr, a bőr alatti kötőszövet és az izomzat felmérését szolgálja Ultrahangkezelés Az ultrahang terápiás és diagnosztikai célokra egyaránt alkalmazható. Terápiás célokra 800kHz és 1MHz (vagy e körüli) frekvenciájú ultrahangot használnak. Az ilyen nagyfrekvenciájú mechanikai hullámokat már nagyon vékony (egy mikron) levegőréteg visszaveri, ezért levegőben nem terjednek. A szövetekben a sebessége 1500m/s körüli, de az értéke függ a szövet tömörségétől (sűrűségétől). A különböző fajta szövetek határfelületéről az ultrahang részben visszaverődik. A szövetekben terjedő ultrahang egy bizonyos mélységig henger alakú (közeltér), majd kiszélesedik (távoltér). Gyógyászati alkalmazásokban csak a közeltérnek van szerepe, melynek terjedelme függ a hullám frekvenciájától és a hullámforrás átmérőjétől (minél nagyobb a frekvencia 38
Biofizika jegyzet
és a hullámforrás átmérője, annál hosszabb a közeltér). Az ultrahang csak közvetlen érintkezéssel juttatható a szervezetbe. Ezért kontaktanyagot használnak az ultrahangkezelésekkor. A szervezetbe bejutó ultrahang mechanikai és hőhatást fejt ki. Mindkét hatás mértéke függ a frekvenciától, de míg a mechanikai hatás mértéke nő a frekvencia növekedésével, addig a hőhatásé csökken. A két hatás együttes szempontjából legkedvezőbbnek a 800kHz frekvenciájú ultrahangot találták. Az ultrahang intenzitása átlagosan 4cm-enként felére csökken a szervezetben. Ez a távolságot felezési réteg. A szervezetbe jutó ultrahang mechanikai és hőhatást fejt ki. A mechanikai hatás a szövetek összenyomódását és kiterjedését jelenti az ultrahang frekvenciájának megfelelően. A szövetek kiterjedését üregképződés (cavum) kíséri, melynek mértéke az ultrahang intenzitásától függ. Terápiás célra csak kis intenzitású ultrahang használatos, mely nem hoz létre üreget, és nem roncsol, nem okoz molekuláris károsodást. Az ultrahang hőhatása az elnyelődés következtében megjelenő endogén hőképződést jelenti. Az ultrahang segítségével gyógyszeroldatok, kenőcsök juttathatók a szervezetbe (ez a sonophoresis, vagy phonophoresis). Az ultrahang segítségével porlasztás is megvalósítható, melynek felhasználásával aeroszol kezelések hajthatók végre. Az ultrahangnak oxidáló hatása is van, hatására gyorsulnak a diffúziós folyamatok, befolyásolja a besugárzott rész pH értékét. Az ultrahang biológiai hatásai többnyire helyiek. Hatására javul a vérkeringés, növekszik a kötőszövetek folyadékfelvevő képessége, normalizálódik az izomzat tónusa. Az ultrahangkezelést más terápiás eljárásokkal együtt is alkalmazzák.
A TERMOTERÁPIA A termoterápia hőkezelést jelent, melynek során a szervezetnek hőt adnak át, vagy vonnak el. Az indifferens hőmérséklet a 35°C hőmérséklet. A termoterápiás kezelések meleghatású és hideghatású kezelésekre csoportosíthatók. A meleg- és hideghatásokra a szervezet különbözőképen reagál. A meleghatás fájdalomcsillapító, értágulást okoz, csökkenti az izomtónust. A hideghatás fájdalomcsillapító, növeli az izomtónust, érösszehúzódást eredményez. A termoterápiás hatás nemcsak a normálistól eltérő külső hőhatástól és a kiindulási bőrhőmérséklettől függ, hanem a hőmérsékletváltozás sebességétől is. Meleghatású kezelések többféleképen történhetnek: parafinpakolás: 60-70 Celsius fokra felmelegített parafint kennek a testrészre, mely egyenletes és lassú hőleadást biztosít hőlégkamra: 60-80 Celsius fokra, elektromosan felfűtött kamra, mely az egész test kezelését lehetővé teszi gőzkamra: a hőlégkamrához hasonló, de a páratartalom 60-70% szauna: egy 80-100 Celsius fokra felfűtött hőlégkamrából és egy hidegvizes medencéből, vagy zuhanyból áll, melynek használatakor a felmelegedett szervezetet hirtelen le kell hűteni (a melegítés és hűtés egymás után többször is ismételhető) A hideghatású kezelések is több módon valósíthatók meg. A 0°C alatti hőmérsékleten történő kezelés a krioterápia. A hideghatású kezelések esetén megkülönböztethetők a rövid és hosszú időtartamú kezelések. A krioterápiás kezelések esetén hűtőgélt, vagy folyékony nitrogént használnak. 39
Biofizika jegyzet
A HIDROTERÁPIA A hidroterápiás kezelések során a víz fizikai hatásait használják fel: felhajtóerő, hidrosztatikai nyomás, hőmérséklet. Az ilyenkor alkalmazott víz általában nem tartalmaz jelentős mennyiségű ásványi anyagokat. A vízbe merülő testre Archimédesz törvényének értelmében felhajtóerő hat, mely súlycsökkenést okoz. A csökkent izomerejű emberek ilyen körülmények között könnyebben tudnak aktív mozgást végezni. A víz hidrosztatikai nyomása elősegíti a különböző folyadékgyülemek felszívódását, összenyomja a felületi vénákat és nyirokereket, így segíti a vénás vér visszafolyását. Hátránya, hogy gátolja a mellkas kitérését. A hidroterápiás kezelések során alkalmazott víz osztályozható annak hőmérséklete szerint: hideg: 28°C alatti hőmérsékletű hűvös: 28°C-31°C közötti hőmérsékletű indifferens: 34°C-35°C közötti hőmérsékletű meleg: 36°C-39°C közötti hőmérsékletű forró: 40°C feletti hőmérsékletű Az indifferensnél alacsonyabb hőmérsékletű víz érreakciót (összehúzódást majd kitágulást) vált ki. A meleghatás fokozza az anyagcserét, javítja a bőr vérellátását. A hidroterápiás kezelések körébe tartoznak a borogatások és a pakolások, a lemosások és a leöntések, a fürdőkezelések, a zuhanykezelések, a szénsavas fürdők és a súlyfürdőkezelés.
40
Biofizika jegyzet
ENDOSZKÓPOS VIZSGÁLATOK Az endoszkópok olyan száloptikás eszközök, melyek segítségével kis nyílásokon át lehet vizsgálatokat végezni. A megvilágításhoz szükséges fényt optikai szálak segítségével vezetik a vizsgált területre. A visszavert fényt az objektív lencse a szemlencséhez továbbítja, vagy lencserendszer, vagy optikai szál segítségével. Az endoszkópok lehetnek merev szárúak vagy hajlékonyak és képrögzítő/kivetítő berendezés is csatlakoztatható hozzájuk. Bizonyos típusaik beavatkozások elvégzésére is alkalmasak, ebben az esetben a megfelelő eszköz egy, az endoszkópban található csatornán keresztül kerül bevezetésre. A merev szárú endoszkópok szárának egyik végén a markolat található, amelyhez a szemlencse van rögzítve. A másik végén egy kitekintőablak található, amelyen keresztül kilép a fény, illetve amely mögé be van építve a tárgylencse. Az optikai szál közvetítésével megvilágított területről a képet egy lencserendszer továbbítja a tárgyoptikától a szemlencséig. Ez a fajta endoszkóp a tengelyiránytól eltérő nézőiránnyal is rendelkezhet, amennyiben a tárgylencse mögé prizma van elhelyezve. Az eszköz markolati részén állítható az élesség, itt lehet elhelyezve egy körbeforgatásra szolgáló tárcsa is. A megvilágításra egy külső egységben elhelyezett fényforrást használnak, amely optikai szállal van a markolathoz csatlakoztatva. A flexibilis endoszkópok olyan szondával rendelkeznek, amely több irányba elhajolhat, illetve maga a szár is hajlékony lehet. A hajlékonyságot és a hajlíthatóságot a szár burkolata és a benne található bowden-rendszer teszi lehetővé. A szondától a kép továbbítása optikai szálrendszer segítségével történik. Az endoszkópok egy másik típusának az esetében a kép érzékelése elektronikus úton történik, a digitális kamerákhoz hasonlóan CCD érzékelő segítségével. Ebben az esetben szonda végétől a jel vezetékeken keresztül, nem pedig optikai szálakon kerül továbbításra a feldolgozó egység felé. Léteznek olyan endoszkópok is, amelyek esetében a megvilágítást biztosító fény nem optika szálon keresztül jut el a vizsgált területre, hanem a szonda végén található LED-ek szolgáltatják azt.
41
Biofizika jegyzet
ORVOSI KÉPALKOTÓ ELJÁRÁSOK AZ ULTRAHANGOS DIAGNOSZTIKA Az ultrahang olyan mechanikai hullám, melyet az emberi fül nem képes érzékelni, magas frekvenciája miatt. Az ultrahangos eljárások nagy előnye, hogy segítségével a legkisebb kockázat mellett lehet láthatóvá tenni a szervezet különböző részeit. Az ultrahangos diagnosztika a hullám – visszaverődésen és a Doppler-hatáson alapul. Az ultrahang kibocsátása piezoelektromos kristállyal történik. A szervezetbe való bejuttatása érdekében egy zselés anyagot visznek fel a bőrre. Az ultrahang a szervezetben a különböző szervek felületéről, vagy különböző szövetek határfelületéről visszaverődik. A visszavert hullámokat ugyanaz a kristály érzékeli, amely azokat kibocsátotta. A kibocsátás és a visszavert hullám érzékelése között eltelt időből kiszámítható a távolság, ahonnan a visszaverődés történt. A detektor mozgatásával feltérképezhető egy felület, melyről egy számítógép képet alkot. A mintavételezés a mérés során nagyon sűrűn is történhet (másodpercenként akár egy milliószor). A Doppler-hatás az érrendszer állapotának a felmérésére szolgál. Ebben az esetben a visszavert hullám frekvenciájából meghatározható a vér sebessége az erekben, vagy a szívben, melyből ezek állapotára lehet következtetni. A számítástechnika fejlődése napjainkra lehetővé tette három- és négydimenziós ultrahangfelvételek készítését. A négydimenziós felvételek esetén a folyamatok időbeli változása is nyomon követhető. Az ultrahangos vizsgálat történhet kontrasztanyag beadásával is. Ebben az esetben a kontrasztanyag néhány mikron átmérőjű gáz tartalmú (például foszfolipid burkolattal rendelkező kén-hexafluorid) mikrobuborékokat tartalmaz. Ezek képesek átjutni a tüdő kapillárisain, így kilélegezhető a gáz. A szervezetbe juttatott mikrobuborékok rezegni képesek az ultrahang hatására és azok rezonanciafrekvenciáján nagyobb az ultrahang fejbe visszaérkező jel intenzitása. Ezt felhasználva készíthető intravascularis kontrasztanyagos ultrahang felvétel.
A RÖNTGENFELVÉTEL A röntgensugárzás a látható fényhez hasonló elektromágneses sugárzás, de annál kisebb hullámhosszúságú és nagyobb áthatolóképességű. A röntgensugárzás a különböző anyagokban különböző mértékben nyelődik el. Mivel az emberi szervezet különböző, változatos eloszlású szövetekből épül fel, ezért a röntgensugárzás alkalmas ennek vizsgálatára. A röntgenfelvételek készítéséhez szükséges egy röntgensugárzást kibocsátó forrás, és egy érzékelő felület. A röntgensugarak érzékelésére több módszer létezik. Legrégebbi, de még napjainkban is használt a fotózásban is alkalmazott filmhez hasonló érzékelő felület használata. Ebben a sugárzás hatására kémiai folyamatok zajlanak le, a sugárzás erősségétől függően. A filmet, a felvétel készítését követően elő kell hívni, ami különböző vegyszerek felhasználásával történik. Másik módszer a fluoreszcens ernyő használata, mely a röntgensugárzás hatására látható fényt bocsát ki (ilyen például a ZnS-al bevont ernyő). Ez a módszer sokkal pontatlanabb és nagyobb sugárterhelést okoz, mint a felvételkészítés, előnye viszont az, hogy gyorsabb és azonnal látható. A digitális technikának és a detektorok fejlődésének köszönhetően lehetségessé vált a röntgenfelvétel közvetlenül a számítógépre történő rögzítése. Ehhez egy kétdimenziós, helyzetérzékeny fotondetektort használnak, ami a beérkező röntgenfoton hatására egy impulzust bocsát ki, és megadja 42
Biofizika jegyzet
a beérkezés helyét is. Felbontása kisebb, mint a filmeké, de kisebb sugárterhelést okoz, és nincs szükség előhívásra. Bár a szervek összetételében van különbség, ez nem minden esetben elegendő a megfelelően részletes, kontrasztos kép előállításához. Ezekben az esetekben olyan kontrasztanyagot kell a szervezetbe juttatni, amely növeli a kontrasztot a felvételen. Az ilyen anyagok jobban elnyelik a röntgensugarakat, a környező szövetetknél. Az érzékenység növelésének egy másik lehetősége a fáziskontraszt-leképezés. Ez a technika azt használja ki, hogy a röntgensugárzásnak nemcsak az erőssége, hanem a fázisa is megváltozik az anyagon való áthaladáskor. Ezen módszer esetén az áthaladó hullám fázisát mérik egy másik hulláméhoz viszonyítva. A szervek térbeli elhelyezkedésének megállapítása érdekében gyakran két különböző irányból készítenek röntgenfelvételt.
A CT (SZÁMÍTÓGÉPES TOMOGRÁFIA) Röntgenfelvételek esetén nem állapítható meg a szervek térbeli elhelyezkedése és alakja. A tomográfiás eljárások ezt a hiányt pótolják azzal, hogy egy részletes, háromdimenziós képet nyújtanak a vizsgált területről. Ehhez egymás utáni képszeleteket készítenek a testrészről, amelyekből aztán háromdimenziós kép állítható elő. A CT készülékek a felvételek elkészítéséhez röntgensugarakat használnak fel, melyeket detektorok érzékelnek. A detektorok elektromos jeleket állítanak elő, melyekből számítógép segítségével háromdimenziós kép készül. A röntgenforrással szemben találhatók a körívben elhelyezett detektorok. A vizsgált személyt közéjük helyezik el. A röntgensugárzást megszűrik és a sugár alakját beállítják, annak érdekében, hogy a sugár csak a megfelelő irányba haladjon. A sugár vastagságának változtatásával állítható be a szeletvastagság, egyetlen képszelet vastagsága. A detektorok száma néhány száz és néhány ezer között változhat. Működésük vagy a sugárzás ionizáló hatásán alapul (ionizációs detektorok), vagy azon, hogy bizonyok anyagokban a röntgensugarak hatására felvillanások jönnek létre (szcintillációs detektorok). A röntgencső, a detektorok és az adatgyűjtő rendszer egy gyűrűben található, mely a függőleges irányhoz képest 25-30 fokos szögben dönthető. A vizsgálat során, egy képszelet elkészítésekor a röntgencső a detektorokkal együtt körbefordul. Egy másik készüléktípus esetén a detektorok körbe helyezkednek el, és csak a röntgenforrás forog. Vannak olyan CT berendezések, melyek egyszerre több képszeletet tudnak elkészíteni.
AZ NMR (MAGMÁGNESES REZONANCIA) ÉS AZ MRI (MÁGNESES REZONANCIÁS KÉPALKOTÁS) Mindkét eljárás a hidrogénatomok valamiféle válaszának az érzékelésén alapul, de míg az MRI csak a vízben található hidrogénre érzékeny, addig az NMR a testben található összes hidrogénre. Mindkét eljárással a forrássűrűség mérhető. Vannak olyan atomok, melyekre erő hat, ha mágneses térbe helyezik őket. Ez az erő az atomok spinjét (mágneses perdületét) a mágneses tér irányába állítja. Kitérítve egy ilyen atomot az egyensúlyi helyzetéből, az rezgésbe jön. A rezgés frekvenciája a mágneses tér erősségétől függ. Ha egy ilyen atomot olyan elektromágneses sugárzás ér, melynek frekvenciája megegyezik az atom 43
Biofizika jegyzet
sajátfrekvenciájával (szabad rezgésszámával), maximális energiát vesz fel a térből. Az atomok az elnyelt energia mennyiségével arányos energiát sugároznak ki, melyet detektorokkal fel lehet fogni. A mágneses tér erősségének, valamint az elektromágneses tér frekvenciájának a változtatásával az atomok rezonanciája idézhető elő. A rezonáló atomok által kibocsátott sugárzás frekvenciájának, a gerjesztő forrásnak, valamint a detektorok helyzetének pásztázásával térképezhető fel az adott testrész. A vizsgáló berendezésekben jellemzően szupravezető mágnesek találhatók. Az sMRI (strukturális MRI) az agy felépítésének feltérképezésére, míg az fMRI (funkcionális MRI) az idegi aktivitás vizsgálatárára szolgál.
A PET (POZITRONEMISSZIÓS TOMOGRÁFIA) A pozitron az elektron antirészecskéje, tömege megegyezik az elektronéval, töltése viszont azzal ellentétes. Egy pozitron és egy elektron találkozásakor mindkettő megsemmisül (anihilálódik), miközben két nagyenergiájú foton sugárzódik ki, egymással ellentétes irányba. Az eljárás során az anyagcserében aktívan résztvevő molekulával kombinált, rövid felezési idejű (jellemzően néhány tíz perc) radioaktív izotópot juttatnak a szervezetbe, amely pozitronkibocsátással alakul át. A keletkező pozitron, elektronnal találkozva anihilálódik. A kibocsátott fotonokat detektorok érzékelik. Tipikus példa a radioaktív anyagra a fluor 18-as izotópja, melyet egy cukorral rokon vegyületben megkötve juttatnak a szervezetbe. Használatosak még a 11C, 13N, 15O izotópok is, melyek szinte bármilyen molekulához köthetők. Ez az anyag így a szervezet azon helyeire jut el, ahova a cukor is eljut (vagy ahová eljut az az anyag, amihez az izotópot kötötték). A kibocsátott pozitronok száma, és ezzel együtt a keletkező fotonok száma, arányos a fluoratomok (vagy más alkalmazott izotópok) számával. A felvételek készítésekor csak a fotonpárokat veszi a berendezés figyelembe, tehát azokat amelyek egyszerre érkeznek a detektorokba, ugyanis ezek ugyanarról a helyről indultak ki. A két foton beérkezési helyének ismeretében meghatározható kiindulási helyük a szervezetben. Képszeletek (melyek általában néhány milliméter vastagságúak) készítésével feltérképezhető a jelzőanyag sűrűsége, tehát intenzitástérkép készíthető, melyből következtetni lehet az anyagcsere folyamatokra és azok időbeli lezajlására. Hátránya az eljárásnak, hogy rossz a képek felbontása, ugyanis a pozitronok több milliméteres utat is megtehetnek a szervezetben, mire elektronnal találkoznak és létrejön a foton-párkeltés. Problémát jelent továbbá az alkalmazott izotópok előállítása, valamint rövid felezési ideje (ami miatt nem tárolhatók hosszabb ideig).
44
Biofizika jegyzet
BIOELEKTROMOS VIZSGÁLATOK AZ EKG (ELEKTROKARDIOGÁFIA) Az elektrokardiográf a szív elektromos tevékenységét papírszalagra rajzolt görbék formájában jeleníti meg. Segítségével vizsgálható a szívverések szabályossága, a szív ingerképzése, ingervezetése, az ezekkel kapcsolatos kórállapotok. Információ kapható a kamrák faláról, az alkalmazott gyógyszerek hatásairól is. Az eljárás során a berendezés a szívben zajló elektromos folyamatokat érzékeli, felerősíti és papírra, vagy számítógépre rögzíti. A mérés alapját a szívizom elektromos tevékenysége, illetve ennek érzékelése képezi. A szív működésekor 100mV nagyságú elektromos impulzusok keletkeznek és terjednek a szívizomban. Ezek a test felszínén elhelyezett elektródákkal érzékelhetők, bár erősségük jelentősen lecsökken. A mérés szempontjából nagyon fontos az elektródák helyzete a testen, ugyanis ez befolyásolja a mért feszültség értékét. Kétfajta mérési módszer terjedt el: unipoláris: a mellkas egy adott pontján jelenlevő potenciálértéket mérik egy nulla potenciálú, referencia elektródához képest bipoláris: a mellkasra helyezett elektródák közötti feszültséget mérik A gyakorlatban 6-12 elektródát helyeznek fel a testre.
AZ EEG (ELEKTROENKEFALOGRÁFIA) Az elektroenkefalográf segítségével az agyi aktivitás vizsgálható, az agy működését kísérő elektromos potenciálváltozások érzékelésével. Az elektroenkefalográf az elektrokardiográfhoz hasonlóan működik. Az elektródákat, melyek száma általában 6-8 (de akár 64 is lehet) a fejbőr megfelelő pontjaira helyezik. Az érzékelt jeleket az eszköz felerősíti és rögzíti.
AZ ENG (ELEKTRONEUROGRÁFIA) Az ENG az idegek állapotáról, működéséről szolgáltat információkat. A módszerrel a mozgató- és érzőidegek is vizsgálhatók. A mozgatóidegek vizsgálatakor az ideget bőrön keresztül árammal ingerlik. Ennek eredményeként érzékelhető a megfelelő izomcsoportok reakciója, mérhető az ingerület nagysága és vezetési sebessége, melyből következtetni lehet bizonyos betegségekre. Az érzőidegek vizsgálatakor az ideg lefutása mentén két pontra helyeznek egy ingerlő és egy érzékelő elektródát. A két pont között így mérhetővé válik a vezetés sebessége és az ingerület nagysága. Az ENG vizsgálatok fontos szerepet játszanak a traumás idegi sérülések, idegkompressziók, gerincvelői idegek károsodása, stb. vizsgálatában.
AZ EMG (ELEKTROMIOGRÁFIA) Az EMG vizsgálat a vázizmok (akaratlagosan szabályozható működésű izmok) motoros egységeinek működéséről ad felvilágosítást. A vizsgálat alatt az izom mozgása során az izomsejtekben létrejövő elektromos aktivitást mérik felszíni vagy tűelektródák segítségével. Műszerrel rögzítik az izomválaszkor kialakuló elektromos változásokat, melyek alkalmasak a megfelelő következtetések levonására. 45
Biofizika jegyzet
A vizsgálat eredményeként következtetni lehet anyagcsere során kialakult betegségekre, izomsorvadásra, stb. Az ENG és az EMG vizsgálatokat külön-külön és együttesen is alkalmazzák.
46
Biofizika jegyzet
FELHASZNÁLT FORRÁSOK DR. CSERMELY MIKLÓS: Fizioterápia, Medicina Könyvkiadó Rt.. Budapest, 2001 BAGOSI RÓBERT: Fizika jegyzet a szakközépiskolás és gimnáziumi tanulók számára SAUFERET JÁNOS: Biofizika DR. I. TEODORESCU EXARCU, ILEANA CIUHAT, SILVIA GHEORGHESCU, MARIA ŞOIGAN: Biológia, Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti, 1991 FAIGEL GYULA: Orvosi képalkotó eljárások, Fizikai szemle, 2005 SOHÁR PÁL: Az NMR-sztori, Magyar Kémiai Folyóirat DR. NAGY JÓZSEF, DR. ODHIAMBO RAYMOND, IFJ. DR. VITTAY PÁL: Pozitron emissziós tomográfia MARTOS JÁNOS, ZARÁND PÁL: MRI: forradalmi változás az orvosi képi diagnosztikában, Magyar Kémiai Folyóirat DÉRI GÁBOR, KASZA SÁNDOR TAMÁS: Eészségmonitorozás mobiltelefonnal DR. BARTHA TIBOR, DR. FRENYÓ V. LÁSZLÓ, DR. KACSKOVICS IMRE, DR. MURAY TIBOR, DR. RUDAS PÉTER, DR. SZLAMKA PÉTER, DR. ZOLNAI ANNA: Bevezetés az idegrendszer élettanába, Budapest, 1991 JOAN G. CREAGER: Human anatomy and physiology, Wm. C. Brown Publishers DR. ZSÚDEL LÁSZLÓ: Biofizika, Egészségügyi Szakképző és Továbbképző Intézet, 2006 Balázs Zoltán: A szem (http://uni-obuda.hu/users/balazsz/FizikaIInemv%E9dett/Latas.pdf) Urbán Csaba: A defibrillálás alapelve (https://medicaltechblog.wordpress.com/2014/01/15/adefibrillalas-alapelve/) http://mek.oszk.hu http://www.freeweb.hu http://www.hazipatika.com http://www.hu.wikipedia.org http://www.katasztrofavedelem.hu http://www.hu.webbeteg.hu http://www.radiologia.hu
47
