Biofizyka 26.10.2009

11. zaliczenie ?

WPŁYW CZYNNIKOW MECHANICZNYCG NA ORGANIZM ZYWY

czestotliwosc dzwieku ( wysokosc dzwieku ) → dzwieki o duzych czestotliwosciach odbierane są jako wysokie dzwieki o malych czestotliwosciach odbierane są jako niskie dzwieki .

Natezenie dzwieku I= E / S·t I= (delta p)²/ 2qc

S → powierzchnia; t → czas; E → Energia

Prog slyszalnosci I_o = 10^-12 W·m^-2 ( dla dzwieku o v = 1 kHz )

Prog bolu – I_b = 1W·m^-2

Poziom glosnosci (wzor)

Natezenie dzwieku i poziom glosniosci dla roznych zrodel dzwieku

Zrodlo dzwieku	Natezenie	Poziom glosnosci
Odrzutowiec ( z odleglosci 30m)	10^2	140
Syrena powietrzna z bliska	1	120
Muzyka disco po wzmonieniu	10^-1	110
Mlot do nitowania	10^-3	90
Ruch uliczny o duzym natezeniu	10^-5	70
Rozmowa w domu	10^-6	60
Raioodbiornik Nastawiony niezbyt glosno	10^-8	40

Infradzwieki

fale mechaniczne o czestotliwosci ponizej dolnej granicy slyszalnosci ucha ludzkiego → ponizej 16Hz

Zrodla infradzwiekow

Naturalne zrodla infradzwiekow → w przyrodzie elementy o bardzo duzych masach – ruchy tektoniczne Ziemi, wzburzone morze , wodospady , pioruny i cyklony (80-100dB ) . Zwierzeta ( slonie , nosorozec, wieloryb, tygrysy )

Sztucze zrodla infradzwiekow → wybuchy jadrowe, srodki transportu niektore urzadzenia przemslowe ( dmuchawy,silniki wysokoprezne ,wentylatory )

Infradzwieki → wywoluja drgania rezonansowe klatki piersiowej , przepony brzusznej ,organow trawienia , zaburzenia systemu oddychania .

Infradzwieki odbierana są przez elementy zmyslu rownowagi ( narzad przedsionkowy ) i mechanoreceptory( znajduja się w skorze , sciegnach ) .

Zakresy oddzialywania infradzwiekow na organizm ludzki w zaleznosci od poziomu glosnosci :

1. ponizej 120 dB → przy krotkim dzialaniu brak przykrychwrazen , nie są szkodliwe

2. 120 – 140 dB → może wystapic lekkie zaklucenie procesow fizjologicznych i uczucie nadmiernego zmeczenia

3. 140 – 160 dB → przy krotkim dzialaniu ( 2min. ) wystepuja nieprzyjemne objawy fizjologiczne ( zaklucenia zmyslu rownowagi, wymioty ) dluzsze dzialanie może spowodowac trwale uszodzenie w organizmie

4. powyzej 170 dB → smiertelne dzialanie infradzwiekow spowodowane przewaznie przekrwieniem pluc ( badania na zwierzetach )

Wibracje

Wibracje → drgania infradzwiekowe przez drgania z zakresu nizszych czestotliwosci dzwiekow slyszalnych; przenoszone na zywy organizm przez bezposredni kontakt z ukladem drgajacym.

Wibracje odbierane są przez mechanoreceptory ( skora , sciegna , narzady wew. okolice stawow )

Dzialanie biologiczne wibracji zalezy od amplitudy i czestotliwosci .

Najwieksza wrazliwosc czlowieka wykazuje na drgania 4-8 Hz (czestotliwosc rezonansowa pluc , serca i trzewi)

• 4Hz – rezonans glowy

• 3-5Hz – rezonans konczyn

• 60-90Hz – rezonans galek ocznych

• 35 – 250 Hz – rezonans naczyn krwionosnych

Bole w klatce piersiowej , zaburzenia oddechowe , hormonalne, biochemiczne , zmiany naczyniowe , uszkodzenia stawow i kregoslupa .

Ultradzwieki. Dzialanie ultradzwiekow

Ultradzwieki → dzwieki o czestotliwosciach powyzej 20 kHz ( do 10¹⁴ Hz)

Oddzialywanie ultradzwiekow z materia dzielimy na:

• bierne i czynne (w zaleznosci od zastosowanego natezenia , które decyduje o biologicznym dzialaniu .

Oddzialywanie czynne → natezenie wykorzystywanych dzwiekow 0,5 – 20 kW/m² – wywoluja zmiany fizyczne , chemiczne ,biologiczne w naddzwiekowianym obiekcie. Ultradzwieki wywoluja zmiany nieodwracalne lub utrzymujace się bardzo dlugo

Dzialanie ultradzwiekow ujawnia się w postaci efektu : mechanicznego , termic

znego , fizykochemicznego .

EFEKTY DZIALANIA ULTRADZWIEKOW

efekt mechaniczny → czastki osrodka wykonuja drgania zalezne od czestotliwosci i amplitudy ultradzwiekow, dochodzi do wzrostu i spadku cisnienia , co prowadzi do zniszczenia struktury osrodka. Wystepuje przy tym zjawisko kawitacji → zwiekszanie objetosci mikroskopijnych pecherzykow w miejscach rozrzedzenia i spadku cisnienia

efekt cieplny → pochlaniana energia fal dzwiekowych przeksztalca się w duzej czesci w cieplo. Czestotliwosci wyzsze są latwiej pochlaniane przez tkanki miekkie ( efekty zaleza od temperatury tkanek )

Najbardziej wrazliwe są : tkanka mozgowa i gruczoly wydzielania wewnetrznego .

Efekt chemiczny → przyspieszenie reakcji chemicznych , rozpad duzych czastek (np. bialka) . Zwieksza się jonizacja, wzrasta dyfuzja przez blony polprzepuszczalne .

Czynne wykorzystanie ultradziwekow w medycynie

zastosowanie terapeutyczne

• litotrypsja – kruszenie zlogow zalegajacych w organizmie czlowieka ( kruszenie kamieni nerkowych)

• operacje zacmy tzw. metoda fakoemulsifikacji

• zabijanie wirusow, grzybow, bakterii

• ultrawirowanie, rozdrabnianie i separacja struktur ( sonikacja → fragmentacja i uwalnianie zawartosci ) komorek lub ich skladnikow ( organella ). Sonikacja chromatyny ma na celu rozbicie ( dyspergowanie ) jej na pojedynczego histony )

• usuwanie kamienia nazebnego

• fizykoterapia ( leczenie chorob reumatycznych przez nagrzewanie tkanek, leczenie chorob narzadow tuchu i tkanki lacznej )

• kosmetyka ( peeling kawitacyjny )

Bierne zastosowanie ultradzwiekow w medycynie

zastosowanie diagnostyczne

oddzialywania bierne → fale dzwiekowe pelnia role przekaznika sygnalu . Natezenie wykorzystywanych dzwiekow I<< 10 kW/m² , dlugosc fali 10^-2 – 10^-5 m, dobre prostoliniowe rozchodzenie się .

Rozchodzenie się ultradzwiekow w tkankach :

• rodzaj tkanki

• czestotliwosc ultradzwiekow

• stosunek dlugosci fali do rozmiarow struktury

• orientacja powierzchnii wzgledem kierunku padajacej fali

• oporu akustycznego osrodka ( impedancja akustyczna )

Zastosowanie diagnostyczne

Ultrasonografia (USG) to badanie narzadow wewnetrznych za pomoca fal ultradzwiekowych. Podstawa wykorzystywania ultradzwiekow w diagnostyce jest fakt, ze fale dzwiekowe rozchodzac się w tkankach miekkich mogą dostarczyc informacji o rozkladzie geometrycznym tkanek, ich strukturze i ruchu.

Metoda diagnostyczna jest oparta na zjawisku echa ultradzwiekowego. Pozwala na uzyskanie informacji topograficznych i anatomicznych narzadow i tkanek .

Ultrasonografia zdobyla szczegolna popularnosc w badaniach serca ( echosonografia ) badania naczyn krwionosnych metoda ultrasonografii wewnatrznaczyniowej oraz w badaniach prenaturalnych, chorob oczu ortopedii .

USG DOPPLEROWSKIE → zblizanie się przeszkody do zrodla fali powodujje wzrost czestotliwosci , a oddalanie – zmniejszenie czestotliwosci odbitej fali )

(zjawisko dopplera )

Biologiczne dzialanie ultradzwiekow → ze względu na dzialanie biologiczne natezenia ultradzwiekow można podzielic na :

• male – 10kW/m²

• srednie 10- 30 10kW/m²

• duze ponad 30 10kW/m²

wpływ ultradzwiekow na komorki :

• male i srednie natezenie – krazenie cytoplazmy, zwiekszenie przepuszczalnosoci blony komorkowe, tworzenie wakuoli .

• Duze natezenie – deformacja jader, przerwanie blony komorkowej i fragmentacja komorki

wpływ ultradziwekow na tkanki i narzady :

• zmienia się pH, rownowaga jonowa , osmotyczna i koloidalna, aktywnosc enzymow, przemiana mterii

• rozpad większych czastek

• wzrost temperatury tkanek i zwiekszenie ukrwienia

• wpływ przeciwbolowy , przeciwskurczowy, przeciwzapalny, przyspieszenie resorpcji

• w koscich – silne przegrzania okostnej, odwapnienia

Ocena szkodliwosci oddzialywania ultradziwkow na obiekty biologiczne

Oddzialywania pierwotne → bezposrednie zmiany fizyczne i chemiczne , ograniczone miejscowo

oddzialywania wtorne → reakcja tkanek i narzadow ( również calego ustroju) oddzialywanie pierwotne.

Najwazniejsza jest wartosc natezenia i czas dzialania .

Wpływ pola elektrycznego i magnetycznego na organizm zywy .

Widmo fal elektromagnetycznych .

(rys. )

Pola wolnozmienne i pola o niskiej czestotliwosci - < 3*10⁵ Hz

Fale radiowe – 3*10⁵ – 3*10¹⁰ Hz ( 10^{3 –} 1m)

Mikrofale – 3*10¹⁰ – 3*10¹²Hz (10^-2 – 10^-4 m)

Podczerwien IR – 3*10¹² – 3*10¹⁴ Hz (10^-4 – 10^-7 m )

Swiatlo – 3*10¹⁴ – 8 *10¹⁴ Hz (750 nm – 350 nm)

Ultrafiolet UV – 8*10¹⁴ – 3*10¹⁶ Hz ( 10^-7 – 10^-8 m )

Promieniowanie Roentgena – 3*10¹⁶ – 3*10¹⁹ Hz ( 10^-8 – 10^-11 m )

proieniowanie gamma > 3*10¹⁹ Hz ( <0,1 nm)

Pole elektryczne → zrodlem pol elekrtycznych są ladunki elekrtyczne ( spoczywajace i poruszajace się )

Warunkiem przeplywu pradu elektrycznego jest istnienie pole elektrycznego i swobodnych ladunkow elektrycznych .

Wlasnosci elektryczne substancji → wlasnosci elektryczne cial okreslone są przez ich : przewodnosc wlasciwa i przenikalnosc elektryczna .

1. Konduktywnosc ( przewodnosc wlasciwa ) k → zalezy od rodzaju i stezenia ladunkow swobodnych oraz warunkow ich ruchu po przylozeniu polka elektrycznego .

   S = n_iq_iu_i

   (wzor) n_iq_iu_i → odpowiednio , koncentracja i ruchliwosc i-tych nosnikow ladunkow

Sredni opor wlasciwy tkanek organizmu ludzkiego – 1,5 (oma) *m

większość tkanek naszego ciala można zaliczyc do polprzewodnikow .

przewodniki ( metale – 10^-8 (oma) m ; izolatory (drewno – 10¹⁰ – 10¹⁶ (oma)* m )

dipolem elektrycznym nazywamy dwa roznoimienne punktowe ladunki q znajdujace się w odleglosci l od siebie i zwiazane ze soba w jeden obiekt.

2. Przenikalnosc elektryczna e → zalezy od rozkladu przestrzennego ladunkow oraz ich zdolnosci do wzajemnego przesuwania się w polu elektrycznym

większość tkanek organizmu czlowieka ma wlasnosci dielektryczne .

Przykład : komorka z elektrolitem zamknietym w przestrzeni ograniczonej blona komorkowa ( cytoplazma komorkow - elektrolit, otaczajaca blona komokowa - izolator)

Podzial substancji e względu na ich właściwości elektyczne

• przewodniki , w których wystepuja , w większym lub mniejszym stopniu, ruchome ladunki elektryczne

  • I rodzaju → przewodnictwo ma charakter elektronowy ( metale )

  • II rodzaju → przewodnictwo ma charakter jonowy ( elektrolity ) krew

• polprzewodniki → wielopierscieniowe porfiryny, zwlaszcza zawierajace metal ( wit. B₁₂ (Co) , cytochrom c (Fe) ,) Kwasy nukleinowe i bialka

• izolatory → dielektryki w których nie ma swobodnych nosnikow elektrycznosci i nie może dosjc do przeplywu pradu ( sucha skora , blony komorkowe )

Pole magnetyczne

Zrodlem pol magnetycznych są poruszajace się ladunki

Pole magnetyczne nie dziala na naladowana ,ale spoczywajaca czasteczke!

Dziala na poruszajaca się naladowana czasteczke sila magnetyczna F_m .

Właściwości magnetyczne cial

Ciala diamagnetyczne → nieznaczne zmniejszenie zewnetrzneg pola magnetycznygo ( woda ,szklo,miedz ,azot, gazy szlachetne, zwiazki organiczne )

Ciala paramagnetyczne → nieznaczne zwiekszenie zewnetrznego pola magnetycznego (powietrze, aluminium , cyna , hemoglobina krwi , roztwory wodne soli zawierajacych jony pierwiastkow przejsciowych)

Ciala ferromagnetyczne → znacznie zwiekszaja zewnetrzne pole magnetyczne ( zelazo , kobalt ,nikiel, gadolin )

Zrodla pol elektromagnetycznych

• procesy zachodzace na sloncu

• stacje nadawcze radiowe i telewizyjne

• urzadzenia radarowe

• aparaty medyczne wytwarzajce pola wysokiej czestotliwosci

• urzadzenia przemyslowe (piece dielektryczne ,piece indukcyjne, zgrzewarki )

• lacznosc satelitarna i komorkowa

• komputery

• AGD I RTV

Dzialanie pola elektromagnetycznego na organizm zywy

oddzialywanie pola elektromagnetycznego (PEM) zwiazane jest z oddzialywaniem na organizm :

• promieniowania fal radiowych (RF)

• promieniowania mikrofalowego (MF)

• pola elektromagnetycznego o niskich i bardzo niskich czestotliwosciach, w tym stalego pola elektrycznego i magnetycznego.