1. Zastosowanie fal elektromagnetycznych w medycynie - charakterystyka fal, podział na zakresy, opis zastosowania każdego z zakresów w medycynie.

W 1639 roku Kartezjusz (Rene Descartes) wydaje pracę przyrodniczą pod tytułem „Dioptrique”, która zawiera prawo załamania światła. W 1800 roku William Herschel odkrywa promienie podczerwone. Posłużył się pryzmatem i rozszczepił światło słoneczne. Następnie zauważył, że temperatura światła przy czerwonym skraju jest większa, a poza nim jeszcze silniejsza. Stwierdził, że promienie podczerwone są niezauważalne dla ludzkiego oka, ale jednak wyczuwalne w postaci ciepła. W 1801 roku Wilhelm Johann Ritter odkrył promienie ultrafioletowe. Zamoczony w azotanie papier oświecał światłem o różnych barwach. Zauważył, że papier namoczony azotanem ściemniał najmocniej po oświetlaniu kolorem fioletowym, a reakcja była jeszcze mocniejsza dla niewidzialnego światła poniżej fioletu. James Maxwell w 1861 roku wprowadził równania, które wykazywały, że elektryczność i magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska - elektromagnetyzmu. Kilkanaście lat później Heinrich Hertz zainspirowany pracami Maxwella skonstruował elektryczny obwód drgający otwarty, nazwany oscylatorem. Odkrył dzięki temu fale radiowe i wykazał, że ulegają odbiciu od powierzchni metalicznych zgodnie z prawami odbicia fal, ulegają załamaniu przy przejściu z jednego dielektryka do drugiego, ulegają interferencji oraz polaryzacji i rozchodzą się z taką samą prędkością co światło. Zgodnie z tą teorią światło jest jednym z rodzajów promieniowania elektromagnetycznego.

W 1895 roku Wilhelm Rontgen zauważył, że po gwałtownym zahamowaniu promieni katodowych w ich ruchu od przeszkody, na której nastąpiło zahamowanie, rozchodzą się nowe promienie. Nazwał je promieniami X. Już początkowe badania ich właściwości wykazały, że mają one zdolność:

1. wzbudzania fluorescencji licznych ciał(świecenie ekranów pokrytych siarczkiem cynku lub platynocyjankiem baru),

2. zaczerniania kliszy fotograficznej,

3. wywoływania jonizacji gazów,

4. przenikania przez materię.

W 1896 roku Antoine Becquerel odkrywa zjawisko radioaktywności rudy uranu.

W 1900 roku Paul Villard odkrył promienie gamma, które charakteryzuje się najmniejszą częstotliwością. Stwierdził, że są one emitowane przez radioaktywne substancje.

Również w 1900 roku Max Planck w celu wytłumaczenia rozkładu natężeń promieniowania ciała doskonale czarnego wysunął hipotezę, że atomy wysyłają energię promienistą nie w sposób ciągły, lecz w postaci określonych porcji, zwanych kwantami. Pojedynczy kwant ma energię proporcjonalną do częstotliwości promieniowania (E=hv, E-energia, v-częstotliwość, h - stała Plancka, tj. 6,625*10-34Js).

W 1905 roku Albert Einstein odkrył zjawisko fotoelektryczne i ustalił związek pomiędzy energią i masą (E=mc2).

Fale elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Zgodnie z pierwszym prawem Maxwella zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne. To pole magnetyczne wytwarza, zgodnie z drugim prawem Maxwella, wirowe zmienne pole elektryczne. Wektor natężenia pola elektrycznego jest zawsze prostopadły do wektora indukcji pola magnetycznego. Iloczyn wektorowy ExB zawsze wyznacza kierunek rozchodzenia się fali. Wszystkie fale elektromagnetyczne, w tym również i światło widzialne, rozchodzą się w próżni z taką samą prędkością (299 792 458 m/s).

Pojęcia charakteryzujące ruch falowy:

DŁUGOŚĆ FALI - odległość pomiędzy powtarzającymi się fragmentami fali. Tradycyjnie oznacza się ją grecką literą lambda. Dla fali sinusoidalnej długość ta, to odległość między dwoma szczytami.

AMPLITUDA - nieujemna wartość skalarna, która mierzy siłę oscylacji. Jeżeli oscylacje mają charakter fali, to amplituda jest różnicą wysokości między szczytem i doliną fali podzieloną przez 2.

CZĘSTOTLIWOŚĆ - określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. Oznacza się ją literą f lub grecką v. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc(Hz, od nazwiska fizyka Heinricha Hertza). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy.

OKRES - czas, w ciągu którego zachodzi jedno całkowite drganie.

REZONANS - zjawisko wyraźnego wzrostu amplitudy drgań. Powstaje, gdy częstość drgań zewnętrznej siły jest taka sama częstość ciała/układu.

PRĘDKOŚĆ FALI - Stosunek drogi do czasu , w którym fala tę drogę przebyła.

ENERGIA FALI - natężenie fali w danym jej punkcie.

DYFRAKCA (=ugięcie) - zjawisko polegające na zmianie kształtu powierzchni falowej lub zmianie jej kierunku w wyniku przechodzenia w pobliżu dowolnej przeszkody. Refrakcja to załamanie się fali na granicy dwóch ośrodków.

INTERFERENCJA - dodawanie drgań w punktach pola falowego.

Dominującym źródłem promieniowania, w którym wykształciliśmy się i do którego się przystosowaliśmy jest Słońce. Tkwimy też w gąszczu sygnałów radiowych i telewizyjnych. Mogą dosięgać nas mikrofale z radarów oraz telefonicznych stacji przekaźnikowych. Wokół znajdują się fale z żarówek, nagrzanych silników samochodowych, lamp błyskowych, aparatów rentgenowskich, zakopanych materiałów promieniotwórczych, promieniowanie z gwiazd i galaktyk. Niektóre fale elektromagnetyczne, między innymi promieniowanie rentgenowskie(promienie X), promieniowanie gamma i światło widzialne są emitowane przez źródła o rozmiarach atomowych, albo jądrowych. Takimi źródłami rządzą prawa fizyki kwantowej.

Oko również może wykrywać fale elektromagnetyczne (tj. 380 - 760nm). Zakres fal, które widzimy jest nazywany „tęczą Maxwella”.

Promieniowaniem jonizującym nazywamy fale elektromagnetyczne lub strumień cząstek, których energia jest dostatecznie duża, aby wywołać jonizację tj. wybicie elektronu z powłoki elektronowej atomu lub cząsteczki powodując ich jonizację. Najbardziej znane rodzaje promieniowania jonizującego to promieniowanie korpuskularne (cząstki alfa, beta oraz ich antycząstki - pozytony, protony, neutrony) oraz promieniowanie kwantowe (kwanty X i gamma).

W 1906 radioterapeuci francuscy Bergonie i Tribondeau zauważyli, że radioczułość komórek ssaków jest proporcjonalna do szybkości podziałów komórkowych i odwrotnie proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania. Dlatego promienioczułe są komórki płciowe, komórki nabłonka jelit, tkanka limfatyczna oraz szpik. A mniej wrażliwe na promieniowanie są mięśnie, narządy miąższowe, tkanka nerwowa oraz łączna(np. erytrocyty).

Oddziaływanie promieniowania jonizującego na organizm jest wynikiem pochłaniania go i wyzwalania całego szeregu procesów związanych z adsorpcją. Dzielimy je na etapy: fizyczny, chemiczny i biologiczny.

W etapie fizycznym promieniowanie korpuskularne wywołuje jonizację i wzbudzenie atomów ośrodka, z którym się zderzają. Wzbudzone atomy emitują kwanty promieniowania elektromagnetycznego: niskoelektrycznego(fale widzialne lub ultrafioletowe zamieniane na ciepło) oraz wysokoelektrycznego(promieniowanie rentgenowskie). Jeśli energia wybitych elektronów jest mała, to zostaje ona zamieniona na ciepło.

Skutki wywołane adsorpcją promieniowania jonizującego:

1. Radioliza wody (rozpad wody pod wpływem promieniowania). Komórki żywego organizmu składają się w przeważającej ilości z wody, dlatego pod wpływem promieniowania ulegają procesom jonizacji bądź wzbudzenia. Powstają wolne rodniki H+ oraz OH-(powodujący dezaminację białka).

2. Rodniki ulegają rekombinacji lub reagują z tlenem. Tworzą się w tych reakcjach wodór cząsteczkowy, woda oraz nadtlenek wodoru(rozrywanie łańcucha DNA). Efektem jest rozregulowanie pracy komórki prowadzące do jej śmierci i możliwe pojawienie się mutacji w następnych pokoleniach.

Promieniowanie elektromagnetyczne pochłaniane jest w jednych z następujących procesów:

1. Zjawisko fotoelektryczne (pochłonięcie energii przez elektrony i ich wybicie - jonizacja). Wybity elektron ulega przy tym termalizacji - oddaje większość swojej energii kinetycznej.

2. Efekt Comptona (rozproszenie fotonów w wyniku zderzenia z elektronami).

3. Pary negaton(elektron)-pozyton (zamiana energii promieniowania na masę pary).

Zastosowanie elektromagnetyzmu w medycynie możemy podzielić na cele diagnostyczne, terapeutyczne oraz badawcze.

1. Światło widzialne (400-800nm):

Naturalnym jego źródłem jest Słońce. Stymuluje ono układ nerwowy, rytm okołodobowy, wzmaga przemianę materii, podwyższa przyswajalność witamin oraz tlenu. Do zabiegów medycznych używa się co najmniej 2000 luksów. Leczenie z wykorzystaniem światła słonecznego to helioterapia. Najczęściej ma miejsce w leczeniu uzdrowiskowym.

Laser to przyrząd do wzmacniania światła i nadawania mu spójności. Dzieli się je na jonowe(oparte na krysztale), gazowe(anotowy, argonowy), półprzewodnikowe (arsenek lub fosfoarsenek galu), barwnikowe (kuramina, rodamina) i organiczne (organiczne chelaty, lantanowce). Wykorzystuje się je do zmniejszania dolegliwości bólowych, redukcji wysięku i stanu zapalnego oraz przyspieszenia restytucji tkanek. Szybciej regeneruje się tkanka chrzęstna i kości. Na rany i owrzodzenia zwykle stosuje się lasery helowo-neonowe, a w stanach zapalnych Nd-YAG(półprzewodnikowe podczerwieni, dla penetracji głębszych warstw). Lasery można podzielić również na termiczne i nietermiczne(luminescencyjne). Zjawisko świecenia na niebiesko luminolu pod wpływem działania katalitycznego hemoglobiny(żelaza) jest wykorzystywane przez lekarzy sądowych od 1928 roku do wykrywania śladów krwi.

Koloroterapia to leczenie za pomocą światła spolaryzowanego, polichromatycznego i niskoenergetycznego. Mieści się z zakresie długości 400-2000nm. Działa w podobny sposób na człowieka, jak laser, jest jedną z najpopularniejszych form terapii. Działa na struktury lipidowe, wzmaga procesy metaboliczne. Wyraźnie zwiększa reakcję immunologiczną. Wykorzystywana jest do leczenia ran i owrzodzeń, które trudno się leczą. Oraz w terapii pourazowej i w chorobach reumatycznych. Jest wykorzystywana także podczas planowania wystroju pomieszczeń oraz przyborów z uwagi na wpływ na zachowanie i samopoczucie (np. kolor niebieski ułatwia koncentrację).

2. Promieniowanie podczerwone (800nm - 0,3mm):

Ciała o temperaturze większej od zera bezwzględnego są źródłem promieniowania podczerwonego, którego ilość i długość określają prawa Stefana-Boltzmanna i Wiena (1879 rok).

Promieniowanie podczerwone dzielimy na trzy zakresy:

• bliską podczerwień (IR-A) : 780-1500 nm - przenika do ciała nawet na kilkanaście centymetrów

• średnią podczerwień (IR-B) : 1500-5600 nm - przenika na 1-2 cm

• daleką podczerwień (IR-C) : 5600-10000 nm - skupia się na powierzchni ciała - przenika na 0,5 mm

Wnikając do tkanek energia jest niemal całkowicie zamieniana na ciepło i nie powoduje w organizmie reakcji fotochemicznych. Dzięki temu promieniowaniu następuje w tkankach rozszerzenie naczyń krwionośnych, zwiększenie liczby leukocytów, zmniejszenie napięcia mięśni. Jest jednak ono szkodliwe dla oka(stany zapalne, zaćma). Wykorzystywane w medycynie jest do leczenia chorób skóry, stawów, zmniejszenia bólu(w tym nerwobóle) i przyspieszenia gojenia się ran. A także do elektrokoagulacji i cięcia w chirurgii tkanek.

Dużą popularnością cieszy się łaźnia fińska(sauna). Należy ją traktować przede wszystkim jako jeden z najefektywniejszych środków restytucji powysiłkowej przy zmęczeniu dużych partii mięśniowych. Niekiedy jest stosowana przy łagodnych postaciach nadciśnienia tętniczego, zaburzeniach wydzielania gruczołów dokrewnych i doleczaniu stanów pourazowych.

Diatermia krótkofalowa(DKF) wykorzystuje pole elektryczne lub magnetyczne, stosowana jest przy stanach zapalnych ostrych i przewlekłych, ale i jako zabieg przygotowujący tkanki do ćwiczeń. Właściwa technika zabiegu pozwala na wytworzenie ciepła endogennego w wybranym miejscu i na pożądanej głębokości. Diatermia mikrofalowa wykorzystuje pole elektromagnetyczne. Pochłaniane jest ono szczególnie w tkankach, które zawierają dużo wody. Przez tkankę tłuszczową przenikają z większą łatwością, niż przez mięśnie.

1. Nadfioletowe (10nm - 400nm)

Wyróżnia się następujące zakresy widma ultrafioletu (UV):

• UV-A : 315-380 nm

• UV-B : 290 (280) -315 nm

• UV-C : 180-290 (280) nm

Przenika skórę ludzką na głębokość ok. 2mm (do skóry właściwej). Dotyczy to jednak tylko promieniowania dłuższego, ponieważ fale krótsze nie wykraczają poza warstwę rogową naskórka.

W mikroskopach często jest używane promieniowanie nadfioletowe, gdyż mniejsze długości fal promieniowania magnetycznego umożliwia badanie znacznie drobniejszych szczegółów, niż te, jakie w tym samym mikroskopie można obserwować przy wykorzystaniu światła widzialnego. W mikroskopie elektronowym wiązki takie mogą mieć efektywną długość fali rzędu 10-5 długości światła widzialnego. Przy użyciu takich wiązek można badać bardzo subtelne struktury, np. obraz żyły z czerwonymi krwinkami, które w mikroskopie optycznym byłyby rozmyte przez dyfrakcję.

Promieniowanie UV-B wywołuje rumień skóry i jej pigmentację(opalanie) oraz przemianę 7-dehydrocholesterolu w witaminę D3. Działa korzystnie na odporność immunologiczną, zmniejsza poziom cholesterolu oraz ciśnienie. Zwiększa wydzielanie licznych hormonów oraz aktywność enzymów. Naświetlanie stosuje się do leczenia chorób skóry takich jak: czyraki, trądzik, łuszczyca.

Promieniowanie UV-C jest wykorzystywane do sterylizacji - działa bakteriobójczo na pałeczki błonicy, okrężnicy, duru brzusznego, gronkowce i prątki gruźlicy.

IV. Promieniowanie rentgenowskie (promienie X; 0,1 nm - 1nm): to promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu fal rzędu 10-13m do 5*10-8m.

Zdjęcia rentgenowskie otrzymujemy dzięki zdolności promienia Rontgena do zaczerniania kliszy fotograficznej oraz luminescencji. Stopień jej zaczernienia zależy od ilości docierającego do niej promieniowania. Miejsca bardziej zaczernione odpowiadają strukturom mniej pochłaniającym. Obraz otrzymany jest obrazem negatywnym, jednak przy opisie zdjęć rentgenowskich stosuje się terminologię odpowiadającą pozytywowi, tzn.: mniejsca jasne na kliszy opisywane są jako zaciemnienia. Luminescencja aktywnych cząsteczek warstwy wzmacniającej powoduje dodatkowe zaczernienie emulsji fotograficznej i wzmocnienie obrazu. Jako luminofory stosowane są związki wolframu (CaWO4) lub pierwiastki ziem rzadkich o wysokich liczbach atomowych, zazwyczaj lantan. Pierwiastki ziem rzadkich - 15 lantanowców, skand i itr.

Rezonans magnetyczny należy do metod diagnostycznych wykorzystujących pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości. Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez Purcella i Blocha w 1946 roku. Jądra atomów mają właściwości magnetyczne. Zadziałanie na nie falą elektromagnetyczną powoduje ich naładowanie, a później wytworzenie przez nie fali rezonansowej, w celu powrócenia do pierwotnego stanu. W obrazowaniu wykorzystuje się jądra atomów wodoru. Na obrazie światło naczyń jest czarne, ponieważ krew przepływa w czasie naświetlania pod danym kątem, a naświetlanie to trwa od 1-6 sekund.

Tomografia komputerowa jest techniką pozwalającą na zobrazowanie rozkładu promieniowania rentgenowskiego w pojedynczej warstwie badanego obiektu. Urządzenie do TK nazywamy tomografem, a uzyskany obraz tomogramem. Wiązka promieniowania przechodzi przez element i jest przez niego pochłaniana. Pomiar pochłaniania tej wiązki pozwala ma określenie współczynnika pochłaniania. Następnie wykonuje się serię takich pomiarów co jeden stopnień w obrocie. Komputer sumuje pomiary i konstruuje obraz.

Promienie X zabijają komórki nowotworowe, dlatego stosowane są w radioterapii.

V. Fale radiowe: (10 km - 0,3mm)

Długie 1km - 10km

Średnie 100m - 1km

Krótkie 10m - 100m

Ultrakrótkie 1m - 10m

Radarowe 0,3 m - 1m

Zastosowanie w medycynie narzędzi elektrochirurgicznych jest ograniczone z powodu przepływu prądu do prawidłowej tkanki nerwowej wokół miejsca elektrokoagulacji, co grozi jej uszkodzeniem. Ograniczenia te nie odnoszą się do narzędzi działających z wykorzystaniem pole elektromagnetycznego. Urządzenia wykorzystujące fale radiowe są przydatne do wycinania twardych tkanek w operacjach przeprowadzanych przez małe lub głębokie dostępy operacyjne.

Radiofrekwencja(energia fal radiowych) jest wykorzystywana w sposób podobny do działania lasera. Celem zabiegu z jej użyciem jest podwyższenie temperatury tkanek. Pod jej wpływem włókna kolagenowe kurczą się, co jest wykorzystywane w kosmetyce do likwidacji zmarszczek i większenia elastyczności skóry.

Fale radiowe używane są np. w endoskopii kapsułkowej (kapsuła wysyła drogą radiową obraz do komputera).

VI. promieniowanie gamma: (poniżej 0,1 nm)

W elektrochirurgii stosowany jest nóż gamma do nie uszkadzającego układ nerwowy koagulowania naczyń krwionośnych.

Scyntygraf to urządzenie wychwytujące promienie gamma wysyłane przez radiofarmaceutyk umieszczony w organizmie pacjenta. Takie obrazowanie pozwala dzięki technice planarnej na odtworzenie interesującego nas narządu w obrazie trójwymiarowym.

Promieniowanie gamma wykorzystywane jest także w obrazowaniu metodą PET(pozytonowa tomografia emisyjna). Zastosowanie izotopu bogatego w protony może spowodować jego rozpad na neutrony, pozytony i neutrino. Ich przemieszczenie w organizmie i połączenie pozytonu z elektronem - anihilacji. W wyniku tego powstają dwa fotony poruszające się w przeciwnych kierunkach. Anihilacja jest wykrywana przez detektory(umieszczone, w taki sposób, aby tworzyły pierścień), które wysyłają dane do komputera i tam powstaje obraz. Jeżeli w dwóch detektorach, zlokalizowanych naprzeciwko siebie powstaje impuls, to jest możliwe, że pochodzi z tego samego miejsca.

obrazek

http://fizyka.maszyna.pl/4promieniowanie_podczerwone.php

http://ocean.ug.edu.pl/~adam/OS_lic/

http://pl.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Röntgen

M. Skorko: Fizyka. PWN, Warszawa 1978, wydanie V.

J. Ginter: Fizyka III. WsiP, Warszawa, 1994, wydanie piąte.

M. Cedrik: Ćwiczenia z fizyki. PWN, Warszaw, 1977, wydanie III.

M. Wójcik: Repetytorium z fizyki. Skrypt, Warszawa, 2005

Halliday, Resnick, Walker: Podstawy Fizyki. PWN, Warszawa, 2003 tom 4.

http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/matedu/raport15.pdf

A. Pilawski: Podstawy biofizyki. PZWL, Warszawa, 1985.

J. Nowotny: Podstawy fizjoterapii. Kasper, Kraków 2004, wydanie IV, część II.

Halliday, Resnick, Walker: Podstawy Fizyki. PWN, Warszawa, 2003, tom 4.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_rentgenowskie

http://www.mp.pl/artykuly/?aid=32694

http://www.mediderm.com.pl/cms/home/radiofrekwencja-focus-trio-rf-3d

M. Wójcik: Repetytorium z fizyki. Skrypt, Warszawa, 2005.

http://astrophysics.fic.uni.lodz.pl/medtech/pakiet12/pkt_12_21.html

L. Kleinsmith: Principles of Cancer Biology. Benjamin Cummings, San Francisco 2006.

---