lucrari practice biofizica 2009-partea a ii a

LUCRRI PRACTICE DE BIOFIZICA

.

DETERMINAREA CONCETRAIEI SOLUIILOR PRIN SPECTROFOTOMETRIE DE ABSORBIE N DOMENIUL VIZIBIL 1. Scopul lucrrii Determinarea concentraiei unei soluii de acridin-orange prin msurarea extinciei (la corespunztoare maximului de absorbie) cu ajutorul unui spectrofotometru n domeniul vizibil. 2. Principiul lucrrii Spectrofotometria reprezint o clas larg de metode de investigare. Ea face parte dintr-o clas i mai mare i anume clasa metodelor spectrometrice. Orice metod spectrometric nregistreaz i msoar spectre n general electromagnetice. Un spectru reprezint totalitatea valorilor unei mrimi ce caracterizeaz un sistem. n cazul unui spectru electromagnetic acesta reprezint totalitatea lungimilor de und (frecvenelor) pe care un sistem le poate emite sau absorbi. Atunci cnd un sistem absoarbe radiaii electromagnetice el trece pe un nivel energetic superior iar cnd emite pe unul inferior. Condiia (de rezonan) ce trebuie ndeplinit este: h=Es-Ei unde Es = energia nivelului superior, Ei = energia nivelului inferior, iar = frecvena radiaiei. Din condiia de rezonan rezult c sistemele pot absorbi aceleai radiaii pe care le pot i emite. Vom obine deci, practic, aceleai informaii fie c analizm ce emite sistemul fie c nregistrm ce absoarbe. Dac lungimile de und emise sau absorbite au valori ntr-un domeniu cvasicontinuu obinem spectre de benzi iar dac variaz discontinuu sunt spectre de linii. Spectrele de linii sunt n general specifice substanelor n stare atomic n timp ce spectrele de benzi sunt, n general, specifice substanelor n stare molecular. Din legea absorbiei luminii: I=I010-cd (legea BEER-LAMBERT) unde I0 = intensitatea luminii incidente pe prob, I = intensitatea luminii emergente din prob, = coeficient specific de absorbie zecimal (depinde de natura substanei i de lungimea de und a luminii incidente), c = concentraia substanei absorbante, d = grosimea probei se poate defini extincia (E): E = lg

I0 = cd I

Din definiia extinciei se vede c putem determina concentraia unei substane msurnd extincia. Pentru ca precizia msurtorii s fie ct mai bun extincia trebuie msurat la lungimea de und () corespunztoare maximului de absorbie al substanei. Stabilirea maximului de absorbie se face trasnd curba de absorbie E=f(). Stabilind lungimea de und la care substana prezint maximul de absorbie putem trasa graficul E=f(c) cu valorile extinciei msurate la corespunztoare maximului de absorbie. Graficul trebuie s fie o dreapt care trece prin origine. Odat trasat graficul putem determina concentraia necunoscut prin msurarea extinciei soluiei la aceeai i interpolare sau extrapolare pe grafic. n locul trasrii graficului putem determina ecuaia dreptei de regresie (metoda celor mai mici ptrate) E=a+bc cu ajutorul programului existent pe calculator iar apoi vom determina concentraia necunoscut prin nlocuirea extinciei corespunztoare n ecuaia dreptei.

43


.

Descrierea aparaturii Schema bloc a unui spectrofotometru este reprezentat n Fig. 25:

Fig. 25 Schema bloc a spectrofotometrului S = sursa de radiaii care trebuie s emit toate din domeniul investigat (n cazul nostru este un bec cu incandescen ce emite lumin alb). M = monocromator, alege din ce emite sursa o singur (poate fi cu prism, cu reea de difracie sau filtre). B = solventul (blanc) folosete la etalonarea de T=100% P = proba pentru care msurm E (sau T) D = detectorul transform lumina n curent electric n cazul nostru este o fotocelul dar la aparatele mai performante poate fi un fotomultiplicator sau fotodiod. A = amplificator I = nregistrator, microampermetru gradat liniar n pentru transmisie i logaritmic pentru extincie.

Fig. 26 a) Spectrofotometrul Spekol 3. Mod de lucru cu spectrofotometrul Spekol 1. din butonul 2 se alege (pentru trasarea curbelor de absorbie se vor face msurtori ntre 430 i 530 nm cu citiri din 10 n 10 nm). 2. n cuva aparatului se introduce eprubeta cu solventul (apa distilat) 3. se pune comutatorul 1 pe poziia 0 4. din butonul 3 se regleaz acul aparatului de msur pentru a indica transmisia T=0 % 5. se pune comutatorul 1 pe poziia I 6. din butonul 4 se regleaz acul aparatului de msur la indicaia T=100 % 7. se introduc pe rnd eprubetele cu soluii i se citete extincia E pe scala de sus a aparatului de msur (scal logaritmic de la dreapta la stnga) 8. se repet toate operaiile pentru celelalte

44


.

Fig. 26 b) Spectrofotometrul HELIOS Mod de lucru cu spectrofotometrul HELIOS

Se pornete aparatul din butonul de pornire i se ateapt circa 5 minute pentru ca aparatul s i fac verificrile 1. din butonul 3 se alege modul absorban (extincie) 2. se introduce eprubeta cu ap distilat (B) 3. din butoanele 1 se alege lungimea de und (se vor face citiri ntre 430 i 530 nm din 5 n 5 nm) 4. se apas butonul 2 (aparatul va face automat reglrile de 0 i 100) 5. se introduc pe rnd eprubetele cu soluii iar pe ecranul nregistratorului (I) se citesc absorbanele (extinciile) sau se printeaz prin apsarea butonului 4 6. se modific lungimea de und i se repet toate operaiile Interpretarea rezultatelor Pe aceeai hrtie se traseaz graficele E=f() pentru fiecare soluie. Soluiile fiind de aceeai natur forma graficelor trebuie s fie aceeai i curbele trebuie s aib un maxim la aceeai lungime de und. Cu valorile extinciei corespunztoare (aceeai pentru soluii indiferent de concentraie) la care sau obinut maximele de absorbie se traseaz graficul E=f(C). Pe grafic, prin interpolare sau extrapolare, se determin concentraia necunoscut. Cu rezultatele individuale obinute de fiecare student se va face calculul erorilor (cu ajutorul programului de prelucrare statistic).

45


.

Cu programul de regresie se calculeaz parametrii a i b ai ecuaiei E=a+bC, iar apoi se calculeaz concentraia necunoscut. n final se compar concentraia calculat cu cea determinat grafic.Metode spectrofotometrice utilizate n medicin: Numele Informaii Informaii (aciuni) metodei (aciuni) Indirecte Directe Distrugerea celulelor Gama-terapie Absorbia (preponderent cele (cobaltoterapie) radiaiilor n canceroase) esuturi Scintigrafia nregistrarea Determinarea distribuiei emisiei de radiaii radioizotopilor introdui n organism Radiografie Absorbia Imagini ale organelor radiaiilor X n interne dense (esut esuturi osos) Tomografie Absorbia razelor Imagini a oricrei seciuni computerizat cu X n esuturi prin corp raze X Spectrofotometrie Absorbia acestor Determinarea radiaii de ctre concentraiilor diferitelor molecule molecule Oximetrie Absorbia Determinarea raportului radiaiilor roii i Coxihemoglobin/Chemoglobin infraroii de ctre total snge Rezonan Absorbia Urmrirea proceselor n electronic de microundelor de care apar radicali liberi spin (RES) ctre radicalii liberi aflai n cmp magnetic Detalii privind procesele Tomografie RMN Absorbia n care sunt implicate funcional radioundelor de (local) ctre nuclee cum aceste nuclee ar fi P31, Na23, F119 Imagini in seciune prin Imagistica prin Absorbia tomografie de radioundelor de corp, orientate sub orice ctre nucleele de unghi rezonan hidrogen plasate magnetic nuclear (IRM, n cmp magnetic RMN) Absorbia Spectroscopia Informaii privind prin rezonan radioundelor de metabolii (creatina, magnetic in vivo ctre nuclee cum colina, N-acetilaspartat, ar fi H1, (MRS) P31, lactat etc.), suprapuse pe imagine anatomic Na23, Fl19 Semnificaii Clinice Terapia cancerului

Diagnostic funcional al organului Diagnosticarea fracturilor, fisurilor etc. Imagini cu detalii de ordinul milimetrului (mai ales pe esuturi dense) Diagnosticarea diferitelor maladii (ex. diabetul) msurnd concentraii Monitorizarea gradului de oxigenare a sngelui Se sper c se vor putea urmri procesele metabolice

Informaii privind etapele i cinetica proceselor

Imagini cu informaii anatomice i de evideniere a proceselor patologice

Informaii privind procese tumorale; cnd gradul de malignitate crete, cresc nivelele de colin, lactat i scad NAA i creatinina. Aplicaii n patologia sistemului nervos, prostata.

46


.

DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TENSIUNE SUPERFICIAL 1. Scopul lucrrii Determinarea coeficientului de tensiune superficial pentru o substan tensioactiv folosind stalagmometrul Traube. 2. Principiul lucrrii Tensiunea superficial este cauzat de atracia dintre moleculele de lichid. In volumul de lichid fiecare molecul interacioneaz cu moleculele vecine prin fore egale pe toate direciile, rezultanta acestor fore fiind nul. La suprafaa lichidului moleculele nu sunt la fel de intens atrase de moleculele mediului (gaz, vid sau alt lichid) de deasupra lichidului i ca urmare toate moleculele din stratul superficial sunt supuse unei fore de atracie rezultant indreptat spre interior, care este echilibrat numai de rezistena lichidului la compresiune. Suprafaa stratului superficial, acioneaza n multe cazuri ca o membran elastic, ca de exemplu la baloanele de spun. Lichidul va alege acea form pentru care energia dat de interaciunile moleculelor n contact va fi minim, adic va alege suprafaa minim, deoarece astfel se asigur un numr minim de vecini, deci de interaciuni. Acest fapt explic forma picturilor i a suprafeelor libere de lichid. Aceste fore de tensiune superficial explic comportarea lichidelor pe diverse suprafee solide. Forele n punctele de contact ale lichidului cu celelalte medii determin unghiurile de contact dintre lichid i celelalte medii. Unghiul de contact este mrginit de tangenta la suprafaa lichidului i suprafaa solidului. Meniscurile concave au unghiul de contact mai mic de 900 iar meniscurile convexe au unghiurile de contact mai mari de 900.

Fig. 27 Lichidele care ud suprafeele au forele rezultante de atracie (dintre moleculele de lichid-lichid, lichid-solid, lichid-gaz) orientate n sensul intinderii lichidului

Fig. 28 Lichidele care nu ud suprafeele au forele rezultante de atracie (dintre moleculele de lichid-lichid, lichid-solid, lichid-gaz) orientate n sensul strngerii lichidului ca ntr-o membran

Fig. 29 Forele de interaciune dintre moleculele din stratul superficial dau rezultante orientate spre volumul de lichid, comportndu-se ca o membran elastic

Fig. 30 Plutirea unui obiect usor pe suprafaa unui lichid se datoreaz echilibrului dintre greutatea lichidului i forele de tensiune superficiale laterale, care sunt paralele cu suprafaa n punctul de contact cu lichidul

Experimental se dovedete c forele de tensiune superficial depind numai de lungimea conturului de contact dintre dou medii diferite l, constanta de proporionalitate fiind numit coeficient de tensiune superficial . F= l

47


.

Fora de tensiune superficial este tangent la suprafaa lichidului n contact cu alt mediu i perpendicular pe conturul de contact. Se poate calcula energia potenial superficial nglobat n stratul superficial cu ajutorul lucrului mecanic efectuat pentru a mri suprafaa stratului superficial pna la S: L= - S Din formule se poate deduce coeficientul de tensiune superficial ca fiind egal cu lucrul mecanic necesar pentru mrirea suprafeei libere a unui lichid cu o unitate. = - L/S Coeficientul de tensiune superficial se msoar n N/m i se gsete n tabele pentru diverse lichide. Acest coeficient scade cu cresterea temperaturii. Dintre toate lichidele, cu excepia mercurului, apa are cel mai mare coeficient de tensiune superficial =73x10-3 N/m. Presiunea la suprafee curbe de lichid

Fig. 31 Pelicula de lichid i forele de tensiune superficial Forele de tensiune superficial, care acioneaz asupra unei pelicule de lichid, determin o presiune suplimentar, conform ecuaiei Young-Laplace:

1 1 + p = R R2 1 unde p este diferena de presiune pe feele peliculei i R1 i R2 sunt razele de curbura ale peliculei.

Fig. 32 Imaginea lichidului n contact cu un perete solid. Fora rezultant (a forelor de coeziune i de adeziune) este perpendicular pe suprafaa lichidului, n apropierea peretelui: lichidul nu ud; b) lichidul ud Suprafaa curba a lichidului exercit o presiune suplimentar pozitiv sau negativ, dup cum suprafaa este convex sau concav. De exemplu ntr-un tub capilar de sticl introdus n mercur, nivelul mercurul rmne sub nivelul mercurului din exteriorul tubului i invers, urc n cazul unui tub de cupru, ca n Fig. 33.

48


.

Fig. 33 Acelai lichid poate s ude un material i s nu ude altul Ascensiunea lichidului ntr-un vas capilar este dat de formula lui Jurin, dedus pornind de la egalitatea greutii coloanei de lichid din vas cu forele de tensiune superficial: h=2 cos/(gr) unde este densitatea lichidului, cos este unghiul de racordare i r este raza tubului capilar. Tensiunea superficial scade n general cu creterea temperaturii lichidului, atingnd o valoare critic de 0 la temperatura critic. La dizolvarea unui solvit n ap, coeficientul de tensiune superficial al acesteia poate s rman neschimbat, s creasc usor sau s scad, n funcie de structura molecular a solvitului. Astfel zaharul n soluie nu are nici un efect, srurile anorganice mresc tensiunea superficial, alcoolul reduce tensiunea supeficial, surfactanii reduc tensiunea superficial pn la o valoare minim sub care nu mai au nici un efect. Substanele care micoreaz tensiunea superficial a apei se numesc tensioactive. Substanele care dizolvate n ap mresc sau nu-i modific tensiunea superficial a apei, se numesc tensioinactive. Traube consider c tensioactivitatea substanelor din seria omoloag (alcooli, acizi organici) este cu att mai pronunat cu ct lanul atomilor de carbon este mai lung. Importana tensiunii superficiale n biologie Fenomenele superficiale joac un rol important la nivelul alveolelor pulmonare. Stratul superficial al apei care cptuete alveolele pulmonare are tendina s strng lichidul i ca urmare s expulzeze aerul din alveole. Exist nsa celulele epiteliale specializate (celule epiteliale alveolare de tip II), care ocup 10% din suprafaa alveolelor pulmonare i secret un surfactant agent tensioactiv de suprafa care reduce mult tensiunea superficial. Surfactantul este un amestec complex de fosfolipide, proteine, ioni. Componentul responsabil pentru scderea tensiunii superficiale este dipalmitoil-lecitina, care nu se dizolv n lichidul alveolar ci se rspndete pe suprafaa acestuia deoarece molecula sa are o parte hidrofil ndreptat spre lichidul alveolar i o parte hidrofob orientat spre aerul alveolar. Se formeaz astfel o fa lipidic hidrofob, care are tensiunea superficial de la 1/12 la 1/2 din tensiunea superficial a apei pure, (73x10-3 N/m). Pentru alveolele de 100m, cptuite cu surfactant pulmonar normal, presiunea determinat de tensiunea superficial (p2/r) este de 3 mmHg iar fr surfactant presiunea este de 13,5 mm Hg. Aceast reducere asigur presiunea transpulmonar necesar meninerii plmnilor n stare de expansiune n timpul respiraiei, cnd suprafaa alveolar a plmnului variaz cu 7 m2 . Unele lichide biologice au proprietatea de a-i reface tensiunea superficial scazut datorit prezenei unor substane tensioactive, proprietate numit de tensiotampon, ntlnit i la serul i plasma din snge. Fenomenul se datoreaz prezenei ionilor de Ca++ din snge, care formeaz compleci insolubili netensioactivi cu substana tensioactiv, precum i datorit moleculelor proteice, care adsorb substana tensioactiv. Prin aceste mecanisme homeostatice plasma pastreaz aproximativ constant tensiunea superficial.

49


.

Tensiunea superficial are importan n circulaia periferic a sngelui prin vasele capilare. Exist mecanisme de reglare a diametrelor vaselor sanguine la schimbarea poziiei, care asigur oxigenarea corespunztoare a creierului. Valorile stabilite pentru principalele lichide din organism sunt date n tabelul de mai jos: Plasma oxalat Ser sanguin Lichid cefalo-rahidian Saliva Urina 75,2 x10-3 N/m 64,2-68 x10-3 N/m 73,9 x10-3 N/m 70 x10-3 N/m 58,3-72,6 x10-3 N/m

3. Mod de lucru Din cauza faptului c tensiunea superficial manifest diverse efecte exist mai multe metode de msurare a coeficientului de tensiune superficial. Aceasta se poate determina prin metode dinamice (la suprafaa de lichid care se formeaz) i prin metode statice (suprafee formate deja). La lichidele pure tensiunea superficial static este egal cu cea dinamic. La dizolvarea unei substane tensioactive de obicei tensiunea superficial static este uor mai mic dect cea dinamic deoarece imediat dup formarea suprafeei de lichid ncepe s se adsoarb substana tensioactiv. Metoda stalagmometric Este o metoda dinamic prin care se msoar tensiunea superficial a picturilor care se formeaz i se desprind la captul unui stalagmometru (picurtor). Picturile formate la un orificiu capilar se desprind atunci cnd fora de tensiune superficial orientat n sus este cel puin egal cu greutatea picturii care se formeaz. unde F = l = 2r reprezint fora de tensiune superficial la orificiul cu raza r, 2r este conturul orificiului, iar G=mg=vg=gV/n este greutatea picturii exprimat n funcie de densitatea picturii i de volumul v al picturii. Acest volum poate fi calculat din raportul dintre volumul V care se scurge din balonul de sticla ntre cele dou repere i numrul de picturi. Din aceast ecuaie se obine: = gV/(2rn) Raza capilarului este dificil de msurat i de aceea se face experimentul cu un lichid cu tensiunea superficial cunoscut, de exemplu ap distilat. Astfel se las s curg mai nti acelai volum de ap distilat prin tub i se numr picturile, apoi se face experimentul cu lichidul cu tensiunea superficial necunoscut. Mrimile referitoare la apa distilat sunt indicate prin indicele 0. Se mpart formulele scrise pentru cele dou lichide membru cu membru, astfel: =gV/(2rn) 0=0gV/(2rn0) 0=0,073 N/m /0= n0/0n De unde se determin tensiunea superficial a lichidului necunoscut:

r r F = G

= 0Materiale necesare: - Stalagmometru - Lichidul de cercetat - Lichidul de referin (ap distilat) - Pahare Berzelius

n0 0 n

50


.

- Densimetru Descrierea aparatului: n Fig. 34 este prezentat stalagmometrul Traube. Acesta are forma unui tub de sticl cu un balon ncadrat ntre dou repere pentru a delimita volumul de lichid care se scurge la captul inferior al tubului sub form de picturi.

Fig. 35 Pictura se desprinde atunci cnd greutatea ei depaete fora de tensiune superficial

Fig. 34 Stalagmometrul Traube Pentru lichidul de referin i cel de cercetat se vor determina: Echivalentul stalagmometric (numrul de diviziuni corespunztor unei picturi de lichid); Numrul de picturi cuprinse ntre dou repere. ale stalagmometrului

Determinarea echivalentului stalagmometric 1. Capul stalagmometrului se introduce ntr-un pahar, care conine lichidul de referin i se aspir lichid pn la umplerea lui; 2. Se scoate stalagmometrul din pahar, apoi se scurge o pictur; 3. n momentul n care se desprinde pictura se citete i se noteaz diviziunea pn la care ajunge lichidul; 4. Se scurge urmtoarea pictur i se noteaz diviziunea care indic noul nivel al lichidului din stalagmometru; 5. Numrul de diviziuni dintre cele dou scurgeri reprezint echivalentul stalagmometric al lichidului (e).

51


.

Exemplu : n momentul desprinderii primei picturi meniscul lichidului se afl n dreptul diviziunii 15, iar n momentul desprinderii celei de-a doua picturi meniscul lichidului se afl n dreptul diviziunii 33. Echivalentul stalagmometric al lichidului este 18 diviziuni, deci o diviziune reprezint 1/18 dintr-o pictur de lichid. Observaie: Pentru precizia rezultatului, se recomand determinarea echivalentului stalagmometric prin numrarea diviziunilor ce corespund la 10 picturi. Valoarea echivalentului stalagmometric se va obine prin mprirea numrului de diviziuni la 10. Determinarea numrului de picturi cuprins ntre dou repere 1. Lichidul este determinat s urce n tub prin aspirarea aerului din tub cu ajutorul unei pare de cauciuc, dup ce s-a scufundat extremitatea inferioar a tubului ntr-un pahar cu lichidul de studiat. Dupa ce lichidul a umplut balonul se scoate tubul din paharul cu lichid i se las lichidul din tub s picure napoi n pahar. Se numr picturile care corespund volumului de lichid V. 2. Se repet msurtoarea de 10 ori i se face media. 3. Se repeta experimentul cu lichidul de referin (apa distilat). 4. Dup ce s-au numrat picturile lichidului de referin i ale celui pentru care trebuie calculat coeficientul de tensiune superficial, se nlocuiesc datele experimentale n formul, obinnd astfel valoarea cautat pentru coeficientul de tensiune superficial necunoscut.

52


.

DETERMINAREA COEFCIENTULUI DE VSCOZITATE RELATIVA A LICHIDELOR 1. Scopul lucrarii Folosind vscozimetrul Ostwald se va determina coeficientul de vscozitate relativ n raport cu apa a unor soluii. 2. Principiul lucrarii Pentru a a descrie rezistena fluidelor la curgere se folosete mrimea fizic numit vscozitate. Fluidele opun rezisten la micarea obiectelor imersate n fluid, dar i la micarea straturilor de fluid, care au viteze diferite ntre ele. Pentru un lichid aflat n curgere laminar ntr-un tub de curent (Fig. 36), fora de frecare vscoas este definit drept fora de frecare intern dintre straturile moleculare ale lichidului, care alunec unele pe suprafaa celorlalte i se exprim prin formula:

F = A

v r

unde A este aria lateral a straturilor n contact (aria lateral a cilindrului),

gradientul transversal al vitezei iar este un coeficient de proporionalitate caracteristic fiecrui lichid, numit coeficient de vscozitatea absolut sau dinamic.

v este numit r

Figura 36 Ca mrime vectorial fora de vscozitate are direcia tangent la straturile de lichid i sensul opus micrilor relative ale straturilor de lichid ntre ele. Coeficientul de vscozitate poate fi obinut din formula forei de vscozitate:

=

F v A r

adic este egal cu fora de frecare dezvoltat ntre dou straturi n micare ale unui lichid cu suprafaa de 1m2 i un gradient de vitez de 1m/s. Coeficientul de vscozitate se msoar n SI n Nm-2 s-1. Aceast unitate de msur se numete pascal secunda [Pas] i este folosit rar. Poise-ul [P] este unitatea de msura folosit n tehnic i tiin, dup numele fiziologului francez Jean Louis Poiseuille. 1 pascal secund (Ps)= 10 poise (P) Distribuia vitezelor ntr-un fluid vascos n curgere laminar printr-un tub este conform figurii 37:

Fig. 37 Distributia vitezelor straturilor adiacente de fluid in curgere laminara Conform legii Poisseulle Hagen debitul volumic Q = avea expresia:

V cu aceast distribuie de viteze va t

53


.

p R 4 t = Q= 8 l Vdin care se poate calcula coeficientul de vscozitate:

p R 4 t = 8l VSe poate aprecia de cte ori este mai vscos un lichid dect apa cu ajutorul vscozitaii relative definit prin raportul dintre vscozitatea lichidului cercetat i vscozitatea apei:

r =

l 0

n tabelul de mai jos sunt date vscozitile ctorva substane cunoscute. Vscozitaile unor substane Substana T (C) Alcool etilic 20 Alcool izopropilic 20 Alcool metilic 20 Snge 37 Ser sanguin 37 Urina 37 Glicerina 40 Mercur 15 Lapte 25 Ulei 20 Ap 0 Ap 20 Ap 40 Ap 100 Aer 15 Hidrogen 0 Azot 0 Oxigen 0 Sticla la temperatura camerei Sticla la temperatura de topire (mPas) 1.1 2.4 0.59 3-4 1.21-2.14 1-1.14 280 1.55 3 84 1.79 1.00 0.65 0.28 17.9 8.42 16.7 18.1 1018 - 1021 1012.4

Factorii care influeneaz vscozitatea i importana vscozitaii Vscozitatea este o caracteristic de material. Vscozitatea apei la 20 C este 1.0020 mPas. Cele mai multe lichide au vscozitatea cuprins ntre 1 si 1000 mPas, iar gazele au vscozitatea ntre 1 si 10 Pas. Experimental se constat c vscozitatea variaz cu temperatura. Pentru lichidele simple vscozitatea scade cu creterea temperaturii (pentru ca forele intermoleculare sunt mai slabe cnd temperatura este mai mare din cauza micarii de agitaie termic). Vscozitatea gazelor crete cu temperatura deoarece crete numrul de ciocniri dintre molecule i dezordinea micrii moleculare devine mai mare. Vscozitatea este n mod normal independent de presiune, dar vscozitatea lichidelor la presiuni extreme crete (apa devine un gel la presiuni foarte mari). Vscozitatea gazelor este aproape independent de presiune i densitate. Unele geluri au proprietatea de a se lichefia atunci cand sunt agitate, proprietate numit de tixotropie (de exemplu ketchup-ul). Vscozitatea fluidelor tixotropice scade pna la o valoare constant atunci cnd sunt agitate. Alte substane au proprietatea de a deveni mai vscoase pe msur ce sunt agitate (sunt reopectice), de exemplu cleiurile.

54


.

Vscozitatea lichidelor este cu cteva ordine de mrime mai mare dect vscozitatea gazelor. n mecanica fluidelor se folosete numrul Reynolds definit ca raportul dintre fora de inerie i fora de frecare vscoas. n funcie de valoarea sa se clasific domeniile de curgere n: curgerea laminar pentru valori mici ale numrului Reynolds (pn la 2000), ntre 2000 i 3000 nu este definit domeniul de curgere i la valori mari ale numrului Reynolds (peste 3000) curgerea se consider turbulent. Vscozitatea lichidelor din organismului uman este important pentru existena acestuia. Vscozitaile relative in raport cu apa ale principalelor lichide biologice sunt: Snge 3,9-4,6 Ser sanguin 1,21-2,14 Lichid cefalo-rahidian 1,014 Urina 1-1,14 Vscozitaile relative ale acestor lichide variaz cu vrsta. De exemplu vscozitatea sngelui uman variaz astfel: 0-10 ani 3,9 35-50 ani 4,9 50-80 ani 4,6 Exist stri patologice provocate de creterea vscozitii sngelui, determinat de creterea proteinelor serice, aa cum se ntlnete n sindromul hipervscozitii. Vscozitatea sngelui este mrit i n alte boli de snge precum policitemia. In anemii vscozitatea este redus. Vscozitatea sngelui este determinat de hematocrit (Ht), proteinemie, temperatur. 3. Mod de lucru n lucrarea de laborator se face determinarea vscozitaii unui lichid cu ajutorul vscozimetrului Ostwald, folosind legea Poisseulle Hagen care stabilete debitul volumic al unui lichid ce se scurge printr-un tub capilar sub aciunea presiunii hidrostatice

p = gh

Din aceasta lege s-a dedus coeficientul de vscozitate al lichidului cercetat:

ghR 4 t l = 8l Vunde: este densitatea lichidului; g este acceleraia gravitaional; h este diferena de nivel a lichidului n cele dou ramuri; R este raza capilarului; l este lungimea tubului capilar; V este volumul balonului. Mrimile legate de geometria tubului (h, l, V) pot fi obinute realiznd experimentul cu ap distilat, pentru care se cunoate coeficientul de vscozitate (la temperatura camerei t=260 C vscozitatea apei este 0 = 0,887 10 3 Ns / m 2 = 0,887 mP ):

0 = r =

0 ghR 4 t 8l V l t = 0 0 t 0t 0 t 0

Vscozitatea relativ a lichidului cercetat este:

Msurnd pe rnd timpii de scurgere ai lichidului i apei prin tub i cunoscnd densitaile lichidului i apei, se calculeaz vscozitatea absolut a lichidului.

l = r 0 = r

55


.

Descrierea dispozitivului experimental

Figura 38. Vscozimetrul Ostwald Materiale necesare - Vscozimetrul Ostwald - Cronometru - Pahare Berzelius - Densimetru - Soluii de cercetat n Fig. 38 se prezint vscozimetrul Ostwald. Acesta este un tub de sticl n form de U cu dou baloane de sticl pe fiecare ramur, la nlimi diferite. Una din ramuri este mai larg i are balonul n partea inferioar iar cealalt ramur, care este realizat dintr-un tub capilar, are balonul n partea superioar. n partea superioar a tubului capilar se gsete o par de cauciuc pentru aspirarea lichidului n balon. Se vor urma etapele: 1. Se spal vscozimetrul Ostwad cu ap distilat i se usuc. 2. Se toarn lichidul de cercetat prin ramura mai larg pna ce se umple tubul cu lichid pna la un nivel situat ntre cele dou baloane. 3. Se aspir lichidul n balonul superior cu ajutorul parei de cauciuc, apoi este lsat liber s se scurg n ramura cealalt. 4. Se msoar cu ajutorul cronometrului timpul de scurgere t a lichidului din balonul superior ntre cele doua repere de pe sticl. 5. Se repet experimentul cu ap distilat, msurnd timpul de scurgere t0. 6. Se determin densitile lichidului i apei distilate cu densimetrul i apoi se calculeaz r si l .

56


.

MODIFICAREA CONDUCTIVITII ELECTRICE A UNEI SOLUII N TIMPUL PROCESULUI DE DIFUZIE 1. Scopul lucrrii Se msoar conductivitatea electric a unei soluii de NaCl i se urmrete variaia sa n timpul difuziei ionilor Na+ i Cl- printr-o membran permeabil ce separ dou compartimente n care se afl soluii de NaCl cu concentraii diferite. 2. Principiul lucrrii Conductivitatea electric a unui material conductor reflect abilitatea acestuia de a conduce curentul electric. Spunem c un conductor avnd lungimea de 1 m i aria seciunii de 1 m2 are conductivitatea de 1 -1m-1 dac aplicnd o tensiune de 1 V la capetele sale, prin conductor va circula un curent electric de intensitate 1 A. Relaia care definete conductivitatea electric a unui material conductor este urmtoarea:

=

1 l R S

unde R este rezistena electric a materialului, l este lungimea conductorului, iar S aria seciunii acestuia. n cazul unei soluii, aceasta va conduce curentul electric cu att mai bine cu ct numrul de ioni din soluie va fi mai mare, deci conductivitatea soluiei crete odat cu concentraia sa. Dispozitivul experimental cuprinde o cuv cu dou compartimente separate de o membran permeabil la ionii substanei dizolvate n soluie (NaCl) i un sistem de componente electrice (fire conductoare, rezistene electrice, surs de tensiune alternativ), ca n Fig. 39.

Fig. 39 Schema punii Kohlrausch n cele dou compartimente ale cuvei se pun soluii cu concentraii diferite: c1 = 1/20 N n compartimentul C1 i c2 = 1/30 N n compartimentul C2. Datorit diferenei de concentraie dintre cele dou soluii, ionii Na+ i Cl- vor migra prin membrana permeabil, dinspre soluia mai concentrat spre soluia mai diluat. Sensul fluxului de difuzie va fi deci

57


.

dinspre C1 spre C2. Ca urmare, concentraia ionilor n soluia din C2 va crete n timpul difuziei, deci conductivitatea soluiei din C2 crete, iar rezistena electric scade n timp. La nceput, diferena de concentraie dintre soluii este cea mai mare i de aceea difuzia este foarte rapid. n timpul difuziei, aceast diferen se micoreaz din ce n ce mai mult, ca urmare difuzia devine din ce n ce mai lent. Procesul de difuzie nceteaz atunci cnd concentraiile ambelor soluii devin egale (se atinge starea de echilibru). Deci, dup un timp suficient de lung, conductivitatea i rezistena electric a soluiei din C2 nu se mai modific (rmn constante, atingnd valoarea de echilibru). Cu ajutorul circuitului electric reprezentat mai sus se msoar rezistena electric R a coloanei de lichid cuprinse ntre cei doi electrozi, astfel nct n ecuaia de mai sus, aplicat la acest caz particular, l reprezint distana dintre electrozi, iar S suprafaa electrozilor. n dispozitivul experimental se folosete o surs de curent alternativ pentru a evita depunerile de substan pe electrozi prin procesul de electroliz n curent continuu (n acest caz ar exista pierderi de ioni din soluie i nu s-ar putea urmri procesul real de difuzie). Pentru a msura rezistena soluiei din cuv se folosete metoda Kohlrausch: se variaz poziia punctului C pe conductorul AB pn cnd se obine echilibrul punii. Pentru aceasta se variaz poziia cursorului pe dispozitivul indicator pan cnd valoarea curentului I5, citit cu ajutorul unui ampermetru, devine minim. Dei, teoretic, aceasta ar trebui s fie zero la echilibru, n practic nu se obine cu exactitate poziia punctului C corespunztoare echilibrului, iar n plus dispozitivul de msur, nefiind legat la pmnt, msoar tensiuni reziduale de pe firele de legtur. n condiiile de echilibru al punii se determin valoarea raportului l4/l3 al lungimilor segmentelor AC i CB ale firului conductor AB, conform figurii:

Fig. 40 Valoarea rezistenei fixe R2 este cunoscut. Se poate arta c la echilibrul punii

Rsol R4 = . R2 R3

ntruct rezistena unui conductor de lungime l este direct proporional cu l, obinem

Rsol = R2

l4 , l3

deci,

Rsol = R2

n 100 n

Cunoscnd valoarea rezistenei soluiei (Rsol) i cea a unei soluii etalon (Re) se poate determina conductivitatea soluiei, sol. Ca soluie etalon se folosete o soluie de KCl 1/20 N avnd conductivitatea e = 0.058 -1m-1, pentru care se determin rezistena Re prin metoda Kohlrausch. Deoarece distana dintre electrozi (l) i suprafaa acestora (S) nu depind de natura soluiei din compartimentul C2, mrimea K = l/S

58


.

este specific cuvei C2, fiind denumit constanta celulei de conductivitate, care nu depinde de natura sau concentraia soluiilor din cuve. Rezult

K = e Re = sol Rsoldeci:

sol =

K Rsol

3. Mod de lucru 1. Se realizeaz circuitul electric conform Fig. 39. 2. Se noteaz pe caiet valoarea rezistenei fixe R2 care a fost folosit. 3. Se introduce soluie de KCl 1/20 N n compartimentul C2 al cuvei. Se determin rezistena Re a acestei soluii etalon, prin metoda Kohlrausch. Se pornete sursa de tensiune i se rotete butonul de reglare a poziiei cursorului pn cnd ampermetrul indic o valoare minim. Se noteaz valoarea ne indicat de cursor pe scala gradat. Se golete cuva. 4. Se calculeaz rezistena soluiei etalon: Re = R2

ne . 100 ne

5. Se calculeaz constanta celulei K = e Re folosind valoarea e = 0.058 -1m-1. 6. Se introduce soluie de NaCl 1/20 N n compartimentul C1 i soluie de NaCl 1/30 N n compartimentul C2. La diferite momente t = 0, 2, 4 min., se determin rezistena Rsol prin metoda Kohlrausch: se noteaz valoarea n indicat de cursor n poziia de echilibru a punii i se calculeaz Rsol = R2

n K . Apoi se calculeaz conductivitatea sol = . 100 n Rsol

7. Se continu msurtorile pn cnd se obine starea staionar (adic valoarea sol nu se mai modific). 8. Se completeaz tabelul de mai jos cu valorile obinute: t (min.) n sol (-1m-1) Rsol () 0 2 4 ... 9. Se reprezint grafic sol (t). La momentul t = 0, conductivitatea soluiei din cuva C2 este minim, apoi ncepe s creasc n timpul difuziei. Creterea este cea mai rapid la nceput, apoi devine din ce n ce mai lent. Dup un timp suficient, se atinge o valoare constant att pentru Rsol ct i pentru sol. Ca urmare, se obine o dependen sol (t) de forma:

Fig. 41 Variatia in timp a conductivitatii

59


.

ELECTROCARDIOGRAMA 1. Scopul lucrarii Const n nregistrarea unei electrocardiograme folosind computerul. 2. Principiul lucrrii Electrocardiograma este nregistrarea grafic a activitii electrice a muchiului cardiac. n timpul unui ciclu cardiac, fibrele musculare ce compun cele dou atrii i cei doi ventriculi sunt activate ntr-o manier specific, ordonat, ce are ca rezultat funcionarea normal a inimii. n fiecare moment, activitile electrice ale tuturor acestor fibre se compun vectorial i dau ca rezultant vectorul cardiac, ce caracterizeaz activitatea miocardului din momentul respectiv. nregistrarea electrocardiografic a acestui vector rezultant este foarte important din punct de vedere medical, deoarece poate da informaii despre: - orientarea anatomic a cordului, - dimensiunea relativ a atriilor i a ventriculilor, - tulburri de conducere i de ritm cardiac, - prezena i localizarea ischemiei miocardului, - efecte datorate concentraiei modificate a electroliilor, - influena anumitor medicamente. Activitatea electric a cordului poate fi nregistrat, ca orice semnal electric, cu ajutorul electrozilor. Aceti electrozi se plaseaz pe suprafaa corpului i nregistreaz la nivelul tegumentelor variaiile cmpului electric creat de miocard. Prin urmare, electrocardiograma va reprezenta nregistrarea proieciei vectorului rezultant pe anumite drepte de referin (axe de derivaie), determinate de poziia electrozilor respectivi. Aparatul utilizat pentru nscrierea electrocardiogramei se numete electrocardiograf. Odat cu construirea primului electrocardiograf, n 1903, Einthoven a stabilt primul sistem de derivaii. El a realizat cel mai simplu circuit nchis, un triunghi echilateral (triunghiul lui Einthoven), plasnd electrozii pe umrul drept, pe umrul stng i n regiunea pubian (fig. 1a). n acest circuit nchis se poate considera c centrul electric cardiac se afl n centrul triunghiului i c cei trei electrozi sunt plasai la distan egal de cord. Acest sistem de electrozi nregistreaz proiecia n plan frontal a vectorului cmp electric iar diferena de potenial dintre doi electrozi reprezint proiecia acestui vector pe linia ce unete cei doi electrozi. Astfel au fost introduse cele trei derivaii standard, care delimiteaz triunghiul lui Einthoven: D1, D2 i D3. Ele sunt numite derivaii bipolare deoarece fiecare utilizeaz cte doi electrozi cu pondere egal, aflai la distan egal de cord. Convenional, D1 nregistreaz diferena de potenial B-A, D2 nregistreaz diferena de potenial C-A i D3 nregistreaz diferena de potenial C-B (Fig. 42b). Cum suma diferenelor de potenial ntre punctele A, B i C trebuie s fie egal cu zero (conform legii a doua a lui Kirchoff), rezult c: D1 + D3 = D2, relaie cunoscut sub numele de legea lui Einthoven.

60


.

A

B

A

D1

+B

D2C

D3

+Cb

+

a

Fig. 42.a) Poziia electrozilor ce formeaz triunghiul lui Einthoven. b) Definirea celor trei derivaii standard i a polaritii lor. Analiza scalar a electrocardiogramei Electrocardiograma scalar reprezint nregistrarea n timp a diferenei de potenial dintre doi electrozi. Ea este caracterizat de segmente, deflexiuni i intervale (fig. 2). Atunci cnd cei doi electrozi au acelai potenial, pe electrocardiogram va apare un segment (o linie izoelectric). Cnd depolarizarea cardiac se deplaseaz ctre electrodul pozitiv, pe electrocardiogram se va nregistra o deflexie n sus (o und pozitiv), iar cnd vectorul depolarizare este orientat ctre electrodul negativ, pe electrocardiogram se va nregistra o deflexie n jos (o und negativ). Intervalele reprezint durata acestor deflexiuni i segmente. Activarea miocardului este realizat de stimulul produs de nodul sinusal. Acesta este situat la jonciunea dintre atriul drept i vena cav superioar i este constituit din celule diferite de cele ale miocardului, dotate cu cel mai nalt automatism. Aceste celule se depolarizeaz spontan periodic (aproximativ 70/minut) si genereaz poteniale de aciune, dup care se repolarizeaz la valorile iniiale. Potenialele astfel generate se propag n masa atriului drept prin fasciculele internodale James, producnd depolarizarea i contracia acestuia. Totodat, stimulul avanseaz ctre atriul stng prin fasciculul interatrial Bachman. Datorit vitezei mari cu care este transmis excitaia electric (0,8-1 m/s), cele dou atrii sunt activate aproape simultan. Depolarizrii atriale i corespunde pe electrocardiogram unda P. Ea este, n mod normal, monofazic, avnd o form rotunjit, o durat de 0,08-0,11s i o amplitudine de 0,10,25mV. Schimbri ale acestor parametri pot semnala stri patologice. O und P bifid, cu o durat mai mare, se ntlnete n cazul hipertrofiei atriale stngi iar o und P ascuit, cu o amplitudine crescut dar cu o durat normal, se ntlnete n cazul hipertrofiei atriale drepte. Depolarizarea atriilor este urmat de repolarizare. Spre deosebire de depolarizare, ns, repolarizarea atriilor, lipsit de energia imprimat de stimul, se desfoar lent i genereaz poteniale electrice foarte slabe. Aceste poteniale nu se nregistreaz practic pe electrocardiogram dect sub forma unei linii izoelectrice. Dup strbaterea atriilor, excitaia electric ajunge la nodul atrioventricular. Acesta este situat ntre orificiul sinusului coronarian, septul membranos i inseria valvulei septale a tricuspidei. Celulele acestui nod acioneaz, de asemenea, ca un generator spontan de poteniale electrice, ns cu o frecven mai mic (aproximativ 40/minut). Centrul cu frecvena mai mare (nodul sinusal) l depolarizeaz pe cel cu frecvena mai mic (nodul

61


.

atrioventricular), impunndu-i propria frecven. De la nivelul nodului atrioventricular, depolarizarea este transmis prin intermediul fasciculului His i apoi rspndit foarte rapid prin reeaua Purkinje n masa celor doi ventriculi, producnd contracia simultan a acestora. Intervalul PQ este delimitat de nceputul undei P i nceputul undei Q, reprezentnd timpul necesar ca stimulul pornit de la nodul sinusal s strbat cele dou atrii, s ajung la nodul atrioventricular i s-l depolarizeze. Durata sa este n mod normal de 0,12-0,20s. O prelungire acestui interval se ntlnete n cazul unor tulburri de conducere (blocaj atrioventricular etc.). Procesului de activare ventricular i corespunde pe electrocardiogram complexul QRS. Acesta este alctuit dintr-o succesiune de trei unde de form triunghiular, cu pante abrupte i unghiuri ascuite: unda Q (negativ), unda R (pozitiv) i unda S (negativ). Complexul QRS are tipic o durat de 0,06-0,10s. Modificarea formei complexului QRS poate indica prezena unor tulburri de conducere (bloc intraventricular) iar mrirea amplitudinii sau a duratei lui sunt ntlnite n cazul unor hipertrofii ventriculare. Segmentul ST este delimitat de sfritul undei S i nceputul undei T. El reprezint o combinaie de poteniale finale de depolarizare i iniiale de repolarizare ventricular, care se anuleaz prin nsumare, determinnd o linie izoelectric. Durata normal a intervalului ST este de aproximativ 0,15s. Procesul de repolarizare ventricular se desfoar lent, comparativ cu cel de depolarizare. Sensul de orientare al vectorului electric corespunztor repolarizrii ventriculare este acelai ca n cazul depolarizrii ventriculare (de la endocard spre epicard). Din aceast cauz, unda T care este nregistrat pe electrocardiogram n timpul repolarizrii ventriculare este o deflexie pozitiv. Ea are o form rotunjit i o durat de 0,15-0,30s. n anumite stri patologice apare supradenivelarea segmentului ST i o und T negativ (infarctul miocardic).

R

T P ST PQ Q S QRS T

Fig. 43 Aspectul electrocardiogramei normale, ilustrnd cele mai importante deflexiuni, segmente i intervale. Analiza vectorial a electrocardiogramei Datorit faptului c activitatea electric a cordului este o mrime vectorial, simpla nregistrare electrocardiografic a diferenelor de potenial dintre electrozi nu este suficient pentru determinarea acestui vector. Pe fiecare din cele trei derivaii ce constituie triunghiul lui Einthoven se va obine o electrocardiogram.

62


.

Fig. 44

Aceste electrocardiograme vor reprezenta proieciile vectorului cardiac pe cele trei derivaii (Fig. 45) i vor fi, evident, diferite ntre ele (de exemplu depolarizarea ventricular determin complexul QRS n D1, dar numai undele R i S sunt nregistrate n D2 i D3, cu unda R cea mai ampl n D2). Determinarea vectorului cardiac, att ca modul dar mai ales ca direcie (axa electric), este extrem de important. n practica medical se calculeaz: - pentru depolarizarea atrial (reprezentat prin unda P), vectorul mediu rezultant (P) i axa electric electric medie a activrii atriale (P), - pentru depolarizarea ventricular (reprezentat prin complexul QRS), vectorul mediu rezultant (QRS) i axa electric medie a activrii ventriculare (QRS), - pentru repolarizarea ventricular (reprezentat prin unda T), vectorul mediu rezultant (T) i axa electric electric medie a repolarizrii ventriculare (T). Pentru obinerea unor informaii ct mai precise despre funcionarea cordului, n practic se mai utilizeaz i alte derivaii, cum ar fi derivaiile unipolare ale membrelor, derivaiile unipolare ale planului orizontal (precordiale) etc.

A

D1

B

D2

D3

CFig. 45 Vectorul cardiac i proieciile lui pe cele trei derivaii bipolare ce delimiteaz triunghiul lui Einthoven. 3. Mod de lucru nregistrarea electrocardiogramei se va face cu ajutorul unei interfee conectate la computer. Aceast interfa permite achiziionarea de ctre computer a semnalelor electrice

63


.

provenite de la electrozi i afiarea electrocardiogramei pe cele trei derivaii standard. n loc de modul de conectare al electrozilor descris de Einthoven, pentru comoditate, n practic se prefer plasarea electrozilor pe membre (braul drept, braul stng i piciorul stng). De asemenea, se utilizeaz i un alt electrod, legat la pmnt (plasat pe piciorul drept), pentru eliminarea curenilor parazii, provenii de la surse de tensiune exterioare organismului. 1. Se verific conectarea interfeei la computer i se pornete computerul. 2. Programul de nregistrare a electrocardiogramei se gsete n directorul D:\CASSY i se numete ecg.exe. Aadar, se tasteaz D: i , apoi se folosete comanda cd cassy i . Cu ajutorul comenzilor dir/w sau dir/p se poate afia coninutul directorului curent. Se tasteaz ecg i i astfel se lanseaz n execuie programul respectiv. 3. Dup afiarea mesajelor de ntmpinare, cu tasta se intr n meniul principal. Diferitele opiuni se pot activa cu ajutorul tastelor - sau cu ajutorul tastelor cu sgei urmate de . Tasta (Help) afieaz descrierea tuturor acestor opiuni. 4. Cele patru benzi elastice se fixeaz strns n jurul braelor i gambelor, astfel nct electrozii s realizeze un contact bun cu partea ventral a braelor i partea dorsal a gambelor. Cele patru cabluri se fixeaz astfel: - conectorul rou la braul drept, - conectorul galben la braul stng, - conectorul verde la gamba stng, - conectorul negru la gamba dreapt. 5. n meniul principal, se poate modifica durata nregistrrii cu (Select measurement time) iar amplitudinea nregistrrii se poate modifica prin schimbarea scalei cu (Select measurement range). 6. Dup tastarea (Start measurement) este afiat meniul Select measurement quantities, din care se poate selecta nregistrarea electrocardiogramei pe cte una din derivaiile standard (ECGI, ECGII, ECGIII) sau pe toate trei concomitent (ECG I-III). Tasta (Automatic) pornete nregistrarea, ce va decurge pn cnd se tasteaz din nou (Stop). Tasta (Start) realizeaz o nregistrare numai pe durata programat, oprirea fcndu-se automat la sfritul acesteia. Este important ca n timpul msurtorilor s se limiteze micrile pentru a evita artefactele. 7. Dup terminarea nregistrrii electrocardiogramei, se revine n meniul principal cu tasta . Msurtorile pot fi salvate n directorul D:\STUD1 selectnd din meniul (Disk operation) opiunea Save measurement. 8. Comanda (Evaluate in graph) afieaz curbele nregistrate. Tasta (Help) afieaz detalii despre operaiunile ce pot fi efectuate. 9. Se observ undele i segmentele principale ale electrocardiogramei. Se msoar duratele acestora precum i duratele intervalelor PQ, QT i ST. Se msoar amplitudinile undelor P, R i T i se noteaz dependena acestor amplitudini de derivaia pe care au fost nregistrate.

64


.

DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE ATENUARE AL UNOR ECRANE DE PROTECIE MPOTRIVA RADIAIEI 1. Scopul lucrrii Scopul lucrrii de fa este studierea atenurii radiaiilor prin diverse materiale, prin calcularea coeficientului de atenuare liniar . 2. Principiul lucrrii Sursele radioactive sunt tot mai des ntlnite i, n afara surselor de radiaii X i folosite pentru diagnostic i terapie i activitii unor produi naturali ca Ra i Rd, sunt reprezentate de reactoare nucleare, acceleratoare de particule, surse de cobalt i cesiu pentru terapia cancerului precum i de ali produi de uz medical i industrial. Radiaiile ionizante (X, , , , neutroni) acioneaz prin mecanisme directe i indirecte producnd leziuni biochimice ce genereaz o serie de modificri histologice diferite funcie de doza i timpul expunerii. Efectul biologic al aceleiai doze este dependent de rata administrrii: o singur doz administrat rapid poate fi fatal, n timp ce aceeai doz administrat n sptmni sau luni poate fi tolerat fr nici un efect msurabil. n mod obinuit iradierea medical este mai mic dect 0 ,05 Gy (frecvent 30 Gy: predomin sindromul cerebral (fatal): grea, vom, tremor, convulsii (imediate) >4 Gy: sindrom gastrointestinal (deces n cteva ore): grea, vom, diaree, deshidratare, colaps 2-10 Gy: sindrom hematopoetic: sngerri, anemie, susceptibilitate la infecii Ru de iradiere (dup radioterapie, n special abdominal): grea, diaree, anorexie, dureri de cap, tahicardie

Efecte Expunere prelungit/repetat la doze mici: amenoree, infertilitate, anemie, intermediare leucopenie, trombocitopenie, cataract Doze mai mari, localizate: cderea prului, atrofia pielii, keratosis. Injurii de organ apar mai frecvent dup depirea dozelor n radioterapie: pneumonie de iradiere, deteriorarea funciei renale, miopatii, mielopatii, fibroze, ulcere cronice, perforaii intestinale. Efecte Somatice:cancer de tiroid, piele, os, leucemii tardive Genetice: mutaii transmise urmailor

65


.

Actualmente, radiaiile ionizante au aplicaii multiple n medicin: radiodiagnostic, radioterapie, sterilizare. Este necesar monitorizarea atent att a pacienilor ce beneficiaz de aceste aplicaii (exist protocoale ce stabilesc doza total, doza aplicat la o singur edin, intervalul dintre edine etc.) ct i a personalului medical. Cel mai bun mod de a ne proteja fizic mpotriva radiaiilor ionizante exterioare este s evitm zonele n care se gsesc astfel de surse de radiaii. n situaia n care acest lucru nu este posibil (anumit personal medical), va trebui s utilizm ecrane de protecie. Aceste ecrane de protecie interacioneaz cu radiaiile ionizante, atenundu-le i astfel diminueaz cantitatea de radiaii ce ajunge la corpul nostru. Pentru protecia mpotriva radiaiilor ionizante, n mod uzual se folosesc diferite ecrane, n funcie de tipul radiaiei: - (nuclee de heliu) - sunt suficieni civa centimetri de aer sau o foaie de hrtie. - (electroni) - sunt suficiente ecrane din metale uoare (aluminiu, cupru), plastic (plexiglas), sticl. - Fotoni sau X - de obicei se utilizeaz ecrane din plumb. - Neutroni (n special cei produi n reactoarele nucleare) - se utilizeaz mai multe ecrane, primul din ap grea (pentru ncetinirea lor), apoi un ecran din cadmiu (cu care neutronii interacioneaz prin reacii nucleare, producnd, printre altele, fotoni - pe care apoi i atenum utiliznd ecrane din plumb). La trecerea unui fascicul de radiaii printr-un anumit material, intensitatea fasciculului incident scade conform urmtoarei legi de atenuare:

I = I 0 e dunde: - I0, I reprezint intensitatea fasciculelor de radiaii incident respectiv emergent. - reprezint coeficientul de atenuare liniar a radiaiei (depinde de natura materialului din care este alctuit ecranul dar i de natura i energia radiaiei). - d reprezint distana parcurs de radiaie prin material. Avnd n vedere c intensitatea fasciculului depinde direct proporional de numrul de particule nregistrat de detector: N=g I, unde g este un factor ce depinde de caracteristicile geometrice ale detectorului i de distana detector-surs, formula de mai sus este echivalent cu urmtoarea:

N = N 0 e dunde: - N0, N reprezint numrul de particule incidente respectiv emergente.3. Mod de lucru n prezenta lucrare se folosesc surse - radioactive, ecrane sub forma unor plcue de cupru, aluminiu, plumb i plastic, precum i un detector de radiaii conectat la un computer. Sursele radioactive se prezint sub forma unor plcue metalice sau recipiente metalice discoidale, de mici dimensiuni, n interiorul crora se afl radioizotopii. Sursele radioactive sunt pstrate n recipiente din plumb iar cele n containere de plexiglas. Detectorul de radiaii utilizat n prezenta lucrare este contorul Geiger-Mller. El d informaii despre intensitatea radiaiilor ce provin de la o anumit surs radioactiv prin nregistrarea ionilor produi de radiaie n gazul din interiorul detectorului. Computerul, care ndeplinete funcia de numrtor de particule (un dispozitiv electronic ce numr impulsurile electrice provenite de la detectorul de radiaii). Numrtoarele de particule au diverse reglaje, putnd realiza numrarea particulelor pe diferite perioade de timp i putnd stabili un prag de energie de la care particulele s fie nregistrate.

66


.

Rata de numrare va consta dintr-un anumit numr de pulsuri nregistrate ntr-un anumit interval de timp. Rata de numrare nu este ntotdeauna aceeai, datorit faptului c dezintegrarea radioactiv este un fenomen statistic, aleator. Din aceast cauz, va trebui s facem mai multe msurtori i apoi media acestora. Se vor urma etapele: 1. Se verific conectarea interfeei la computer i se pornete computerul. 2. Se lanseaz n execuie programul poisson.exe, ce se gsete n folderul CASSY. 3. Dup afiarea mesajelor de ntmpinare, cu tasta se intr n meniul principal. Diferitele opiuni se pot activa cu ajutorul tastelor - sau cu ajutorul tastelor cu sgei urmate de . Tasta (Help) afieaz descrierea tuturor acestor opiuni. n meniul principal, se poate modifica intervalul de timp pentru numrarea pulsurilor cu (Select gate time), care se va fixa la 10s. Numrul maxim de msurtori efectuat (n) i numrul maxim de pulsuri nregistrate n msurtori (x) se poate schimba cu (Select max n and x). Se vor face cte zece msurtori (n=10). 4. Se msoar fondul natural de radiaii (n mediul nconjurtor exist n permanen radiaii, ns n limite care nu afecteaz n mod normal negativ organismul), 10 msurtori a cte 10s fiecare, obinndu-se astfel Nfn, ce se va scdea din toate msurtorile ulterioare. 5. Dup tastarea (Start new measurement) este afiat graficul care reprezint numrul de pulsuri (x) nregistrat la fiecare msurtoare. Tasta (Start/Stop after 10 measurements) pornete nregistrarea, ce va decurge pn cnd s-au efectuat cele 10 msurtori. 6. Se revine n meniul principal cu tasta . Comanda (Evaluate in graph) afieaz msurtorile. Cu tasta , computerul marcheaz pe grafic media msurtorilor i cu computerul calculeaz aceast medie. Astfel se obine Nfn. 7. Se aeaz sursa radioactiv sub detectorul de radiaii astfel nct distana surs-detector s fie de 2-3 cm (poziia sursei i a detectorului nu vor fi modificate n msurtorile ulterioare). Se msoar radiaiile fr ecran, ca la pasul precedent, obinndu-se astfel N0. Din N0 se scade fondul natural de radiaii Nfn, obinndu-se astfel N0 ef. 8. Se msoar radiaiile cu ecrane de diverse grosimi (care se obin prin suprapunerea ecranelor din acelai material), obinndu-se astfel Ni. Dup efectuarea celor 10 msurtori pentru fiecare grosime de material, din rezultatul final pentru respectiva grosime se scade fondul natural de radiaii Nfn, obinndu-se astfel Ni ef. 9. Pentru fiecare grosime a ecranului, folosindu-se valorile N0 coeficientul de atenuare liniar i, folosind formula:ef

i Ni ef, se calculeaz

ln

N ief N 0ef

= d

10. Din valorile lui i pentru diferite grosimi ale ecranului se calculeaz , care reprezint coeficientul de atenuare liniar pentru materialul respectiv. Coeficientul de atenuare liniar este o constant de material. Rezultatele se trec ntr-un tabel, conform modelului prezentat mai jos. Material Grosime (m) d=0N0

N 0 N f = N 0 ef

Fr ecran

N0 =

67


.

MaterialMaterial

Grosime (m) di di ...

Ni-j

Nf

N i N f = N ief

i

N1-1 = N2-1 = ...

Se poate calcula eficacitatea 11. Se reprezint grafic curba N = N (d ) (Fig. ecranului, folosind formula: 46). Se va obine o funcie exponenial N 0 ef N def descresctoare.

E=

N 0ef

100

d

Fig. 46 Scderea exponenial a numrului de particule emergente funcie de grosimea ecranului strbtut

obinndu-se un numr ce indic procentul din radiaiile incidente care sunt oprite de ecran. Se vor compara eficacitile diferitelor ecrane. De asemenea, de pe grafic se poate obine grosimea ecranului la care cantitatea de radiaii se reduce la jumtate (d1/2). Din grosimea de njumtire (d1/2) se poate calcula coeficientul de atenuare al materialului respectiv fa de radiaiile utilizate conform relaiei:

N

=

ln 2 d1 / 2

68


.

DETERMINAREA COMPUTERIZAT A TENSIUNII ARTERIALE I A PULSULUI CARDIAC 1. Scopul lucrrii n cadrul acestei lucrri experimentale, se vor nregistra cu ajutorul computerului tensiunea arterial i pulsul cardiac. 2. Principiul lucrrii Pulsul i tensiunea arterial sunt manifestri ale activitii mecanice a inimii, depinznd totodat i de starea patului vascular. Presiunea arterial poate msurat direct sau indirect, modul direct implicnd introducerea n arter a unui cateter prevzut cu un manometru. Se obine o curb de variaie a presiunii n timp (Fig. 47).

Fig. 47 Variaia n timp a presiunii arteriale

Poriunea ascendent a curbei ncepe odat cu deschiderea valvei aortice i corespunde ptrunderii sngelui n artere (energia potenial nmagazinat prin destinderea pereilor elastici arteriali va fi transmis coloanei sangvine n diastol). La sfritul sistolei ventriculare presiunea scade, revine puin n momentul nchiderii valvei aortice i scade treptat pn la un minim numit presiune diastolic. Depresiunea dinaintea nchiderii valvei aortice reprezint incizura dicrot. Metoda se folosete rar, n serviciile de terapie intensiv i atunci mai ales pentru msurarea presiunilor n circulaia pulmonar. Metodele indirecte (palpatorie, auscultatorie, precum si cea oscilometric) utilizeaz un manon pneumatic nfurat fie pe bra, fie pe ncheietura minii sau pe deget i conectat la un manometru. Metoda auscultatorie const n auscultarea (cu ajutorul unui stetoscop) a zgomotelor produse n vecintatea n vecintatea unei artere situate sub manon, concomitent cu varierea presiunii aerului n manon. Cnd presiunea n manon este mai mare dect presiunea sistolic, lumenul arterei brahiale este complet nchis datorit presiunii exterioare i nici un zgomot nu este auzit. Cnd presiunea aerului devine mai mic dect presiunea sistolic i mai mare dect cea diastolic apar deschideri (n timpul sistolei ventriculare) de scurt durat ale lumenului vascular; zgomotele auzite se datoreaz vrtejurilor aprute n coloana de snge care trece printr-un lumen ngustat, precum i vibraiilor peretelui arterei brahiale silite s se deschid i s se nchid succesiv. Cnd presiunea aerului din manon devine egal sau mai mic dect presiunea diastolic, artera nu se mai nchide (nici mcar n diastol) iar zgomotele dispar. Practic, dup ce este plasat pe braul pacientului, manonul este umflat cu aer (folosindu-se n acest scop o par din cauciuc) pn ce presiunea citit pe manometru este cu aproximativ 20 mm Hg peste valoarea la care zgomotele n stetoscop au disprut, apoi aerul este lsat s ias (lent). n momentul apariiei primelor zgomote pe manometru se citete presiunea sistolic, iar n momentul dispariiei lor se citete presiunea diastolic.

69


.

Fig. 48 Variaia presiunii aerului din manon Metoda palpatorie este asemntoare, dar urmrete momentul apariiei pulsului la nivelul arterei brahiale n timpul decomprimrii treptate a aerului din manon. Presiunea citit pe manometru n acest moment corespunde presiunii arteriale sistolice (metoda nu permite determinarea valorilor diastolice). Metodele (semi)automate folosesc n locul stetoscopului un traductor mecanoelectric (de exemplu, un cristal piezoelectric capabil s separe pe suprafee sarcini opuse atunci cnd este supus unei presiuni mecanice). n cazul dispozitivelor semiautomate umflarea manonului se face manual i apoi se ateapt pn ce rezultatele sunt afiate pe un ecran cu cristale lichide; de obicei este msurat n paralel i pulsul.

Fig. 49 Tensiometru cu mercur (stnga), tensiometru cu manometru aneroid (dreapta)

n general se folosesc dispozitive complet automate sau semiautomate (Fig. 50). n cazul dispozitivelor semiautomate umflarea manonului se face manual i apoi se ateapt pn ce rezultatele sunt afiate pe un ecran cu cristale lichide; de obicei este msurat n paralel i frecvena pulsului. Metoda d rezultate calitativ inferioare fa de cea ausculatorie, dar are avantajul c poate fi aplicat fr ca operatorul s aib cunotine medicale, de exemplu pentru urmrirea tensiunii arteriale la domiciliu. De asemenea, fiind complet automat, se poate folosi pentru monitorizarea ambulatorie pe 24 de ore (informaia este stocat electronic i poate fi ulterior prelucrat pe computer), precum i n seciile de chirurgie i terapie intensiv.

70


.

Fig. 50 Tensiometru electronic automat

Standardul de aur pentru msurarea tensiunii arteriale este manometrul cu mercur. Alte tipuri de tensiometre trebuie calibrate periodic (cel puin anual) fa de un manometru cu mercur.Variaii ale presiunii arteriale: 1. Fiziologice: - cu mrimea arterei: cu ct artera este mai mic, presiunea este, de asemenea, mai mic (de ex. la nivelul arterei radiale presiunea este mai mic dect la nivelul arterei brahiale); - cu poziia corpului: este minim in poziie culcat, este mai mare n poziie eznd i maxim n poziie ortostatic; - n poziie ortostatic presiunea este mai mic n arterele cerebrale dect n cele ale membrelor inferioare (ex: daca n poriunea iniial a aortei este de 120 mmHg, n arterele cerebrale este de aproximativ 80 mmHg, iar n artera dorsal a piciorului poate atinge 200 mmHg, pentru o persoan de nlime normal). Cauza este reprezentat de presiunea suplimentar exercitat de coloana de snge sub aciunea gravitaiei (presiunea hidrostatic); - n timpul efortului fizic aerob (izotonic) crete presiunea sistolic, iar cea diastolic rmne constant sau scade uor; - n timpul efortului fizic anaerob (izometric) cresc ambele valori; de aceea, acest gen de efort este, n general, contraindicat la persoane cardiace; - stress-ul psihic poate duce la creterea presiunii arteriale; - cu vrsta: la natere este de aproximativ 60/40 mmHg, la un an de 80/60 mmHg; presiunea arterial crete apoi, progresiv, pn la pubertate, cnd se stabilizeaz la valorile adultului. La vrstnici presiunea normal are aceleai valori ca la adultul tnr; - exist, de asemenea, variaii circadiene complexe ale presiunii (pe parcursul zilei i n timpul somnului), i, de asemenea, n cursul sarcinii. 2. Patologice: Hipertensiunea arterial este o boal cronic i se caracterizeaz prin valori mai mari dect cele normale ale presiunii arteriale care se menin pe termen lung. n majoritatea cazurilor, nu se cunoate cauza exact a bolii i aceasta nu poate fi vindecat definitiv, medicaia urmrind doar reducerea valorilor presionale pe perioada tratamentului. Reprezint, alturi de diabet, unul dintre cei mai importani factori de risc pentru infarct i accident vascular cerebral, ceea ce este adevrat chiar pentru valori moderate (ex. 150/100 mmHg), la care pacientul nu are, de obicei, nici un fel de simptom. Tratamentul variaz de la o simpl reducere a consumului de sare pn la asocieri complexe de medicamente antihipertensive; acesta trebuie urmat toat viaa. Creterile mari i rapide ale presiunii arteriale sunt, de asemenea, periculoase i trebuie tratate agresiv. Hipotensiunea arterial este mai puin clar definit; se consider c o persoan este hipotensiv dac prezint simptomele caracteristice (ameeli, senzaie de lein).

71


.

Acestea pot aprea chiar la scderi mici, de ex. de 20 mmHg sub valorile obinuite ale persoanei respective, chiar dac aceste valori sunt mai mari dect normalul. De cele mai multe ori apare datorit deshidratrii sau supradozrii tratamentului antihipertensiv. Are frecvent caracter ortostatic (apare doar cnd pacientul se ridic din pat). Valori de 100/60 mmHg sau chiar mai mici sunt frecvent ntlnite la tineri i sunt de cele mai multe ori normale. Scderile mari i brute ale presiunii arteriale (astfel nct presiunea medie scade sub 60 mmHg), nsoite de semne de hipoperfuzie (suferin a organelor datorit aportului insuficient de snge oxigenat), poart denumirea de oc. Acesta se poate produce datorit hemoragiei sau deshidratrii (oc hipovolemic), datorit unei reacii alergice extrem de puternice (oc anafilactic) etc. ocul este o condiie acut, care amenin viaa pacientului i este ntotdeauna o urgen.Pulsul arterial poate fi simit prin compresia unei artere pe un plan profund dur i aduce informaii att asupra activitii cardiace (frecvena, ritm, debit), ct i asupra sistemului vascular (de exemplu asupra permeabilitaii sau elasticitii pereilor arteriali). Prin monitorizarea pulsului cu ajutorul unui traductor electromecanic se obine o curb (carotidogram) asemntoare cu cea obinut prin msurarea direct a tensiunii arteriale; n Fig. 52 sunt artate carotidograma normal i modificrile ei n modificrile suferite n cteva situaii patologice. Pulsul hipochinetic (hipovolemii, pericardit) se caracterizeaz printr-o amplitudine redus datorit volumului mic de snge ejectat n sistol (volum-btaie). n stenoza aortic sever apare pulsul parvus et tardus cu amplitudine mic (volum-btaie mic) i ntrzierea punctului maxim (pant lent ascendent) datorit obstruciei. n insuficiena aortic, datorit volumului-btaie exagerat, exist dou vrfuri palpabile n sistol (pulsul bisferiens); primul este datorat expulziei sngelui n aort, al doilea apare prin reflectarea undei n periferie. n cazul cardiomiopatiei hipertrofice aspectul de puls bisferiens se datoreaz unei scurte scderi a presiunii la mijlocul sistolei prin obstrucia cii de ejecie a ventricului stng cauzat de contracia septului interventricular hipertofiat. Pulsul hiperchinetic (insuficiena mitral, defect septal ventricular, persisten canal arterial, anemie, febr) este un puls cu amplitudine mare datorit volumului-btaie crescut. Pulsul dicrotic apare n cardiomiopatiile dilatative; exist dou unde palpabile, una n sistol i una n diastol. n cazul pulsului alternant ntlnit n unele cazuri de insuficien ventricular stng sever exist o alterare a amplitudinii undei pulsatile (fiecare und normal este urmat de una cu amplitudine redus), n pofida unui ritm cardiac regulat. Sunt implicate alterri ale contractilitii, pre- i postsarcinei ventriculare (de exemplu scderea presiunii arteriale asociat cu o btaie slab duce la scderea a rezistenei la ejecie a ventricului stng pentru urmtoarea btaie i viceversa).

Fig. 51 Pulsoximetru

nregistrarea automat a pulsului se face cu ajutorul unui traductor (cristal piezoelectric) amplasat la nivelul degetului. De obicei, aceast nregistrare se face n paralel cu msurarea saturaiei n oxigen a sngelui arterial (aparatul numit puls-oximetru) sau se prefer urmrirea ritmului cardiac n paralel cu monitorizarea electrocardiografic.

72


.

Fig. 52 Inregistrarea pulsului la nivelul carotidei. A aspect normal; B puls hipochinetic (hipovolemii, pericardit); C - puls parvus et tardus (stenoza aortic); D puls bisferiens (insuficiena aortic, cardiomiopatia hipertrofic); E puls hiperchinetic (insuficiena mitral, defect septal ventricular, persisten canal arterial, anemie, febr); F puls dicrotic (cardiomiopatii dilatative) ; G puls alternant (insuficien ventricular stng sever 3. Mod de lucru Se verific conectarea interfeei la calculator. Se pornete calculatorul. Iniial vor fi cerute identitatea (username) i parola (password); se tasteaz stud1, apoi stud. Programele de msurare a tensiunii arteriale i pulsului sunt aflate n directorul D:\CASSY. Se tasteaz D: , apoi se folosete comanda cd\CASSY. Cu ajutorul comenzilor dir/w sau dir/p se poate afia coninutul directorului curent. Dup fiecare tastare (comand) se apas tasta . a. Msurarea tensiunii arteriale

1. Dup intrarea n directorul D:\CASSY se tasteaz blood, se apas i se ateapt afiarea mesajelor de ntmpinare. Se apas orice tast, apoi tasta pentru a intra n meniul principal. Cu ajutorul tastelor cu sgei i a tastei sau apsnd tastele F1 - F9 se pot activa principalele opiuni. Se apas (HELP) pentru descrierea opiunilor posibile. Se revine n meniul principal cu . Inial trebuie stabilit directorul n care vor fi salvate rezultatele msurtorilor; se alege din meniu opiunea disk operations, apoi change path name i se nlocuiete directorul D:\CASSY\FILES cu D:\STUD1; se revine apsnd . 2. Se nfoar manonul tensiometrului n jurul braului. Traductorul mecanoalectric trebuie plasat anterior, aproximativ n dreptul locului de proiecie al arterei brahiale. Manonul este conectat printr-un furtun la o pomp de cauciuc prevzut cu o supap. Rotind spre stnga butonul pompei se mpiedic ieirea aerului din manon. 3. Se apas tasta F1 (start measurement). Se observ c n partea dreapt a ecranului este indicat tensiunea din manon (n milimetri coloan de mercur). Se umfl manonul pn la 180-200mmHg apoi se apas din nou tasta F1 pentru a ncepe msurtoarea. Se rotete spre dreapta butonul pompei astel nct se obine o vitez de decompresie convenabil. 4. Pe ecran se pot observa concomitent scderea presiunii n manon i oscilaiile surprinse de traductor. Acestea cresc n amplitudine cnd presiunea aerului din manon scade sub presiunea sistolic, sunt diminuate cnd se apropie de presiunea diastolic i aproape dispar cnd presiunea exercitat de manon este sub presiunea diastolic. Este important

73


.

ca n timpul msurtorii s se limiteze micrile pentru a evita artefactele. Odat ce acestea s-au terminat se revine n meniul principal (apsnd ). Msurtoarea poate fi salvat n directorul stud1 (opiunea save measurement din meniul disk operations). 5. Apsnd tasta F6 (evaluate in graph) se revine la graficul anterior unde va marca presiunile sistolice i diastolice iar le va afia numeric. Prin apsarea se obin detalii despre alte operaiuni ce pot fi efectuate: suprapunerea unei grile, selectarea i analiza unei poriuni din grafic, adugarea unor comentarii.b. Msurarea pulsului Fiierul executabil este numit pulse.exe i se afl n directorul D:\CASSY. Traductorul se plaseaz la nivelul unui deget. Exist mai multe posibiliti: 1. Afiarea digital a numrului de bti pe minut. Opiunea se selecteaz prin apsarea tastei F1. 2. Reprezentare grafic (tasta F2). Se poate alege () ntre un grafic ce reprezint numrul btilor dintr-un interval de timp i unul ce permite msurarea timpului dintre bti. Evaluarea n grafic () permite unele opiuni ca afiarea unor valori medii sau selecia i analiza anumitor intervale. Posibilitile de prelucrare sunt detaliate n meniul Help (tasta F10). Aplicaii Msurarea presiunii arteriale i palparea pulsului sunt obligatorii n cursul examinrii oricrui pacient. n repaus, presiunea arterial nu trebuie s depeasc valoarea de 140 / 90 mm Hg. O mrime frecvent folosit n clinic este presiunea arterial medie

+ 2 PAdiastolica PA PAmediu = sistolica 3 a crei valoare nu trebuie s scad sub 60 mm Hg. Aparatele automate permit urmrirea presiunii arteriale i a pulsului pe perioade mai lungi i sunt mai frecvent folosite intraoperator sau n seciile de terapie intensiv. Exist i dispozitive portabile (monitorizare Holter) care permit urmrirea pe 24 de ore, fiind utile de exemplu pentru monitorizarea eficienei unui tratament medicamentos. Informaia este stocat pe disc magnetic i poate fi ulterior prelucrat pe computer.

74


.

VIZUALIZAREA I MSURAREA SEMNALELOR ELECTRICE CU AJUTORUL OSCILOSCOPULUI CATODIC 1. Scopul lucrrii n cadrul acestei lucrri de laborator se urmrete familiarizarea studenilor cu osciloscopul catodic, aparat foarte des ntlnit n practica de laborator i cea medical. Cu ajutorul acestuia se vor nregistra caracteristicile unui semnal electric. 2. Principiul lucrrii Osciloscopul catodic (=OsC) este un instrument electronic de msur care permite vizualizarea unor diferene de potenial sub forma unui grafic bidimensional pe ecranul unui tub catodic prin asocierea parametrilor semnalului electric cu poziia unui spot luminos pe ecran. Astfel, el asociaz pe axa orizontal (axa timpului) distane proporionale cu timpul i pe axa vertical distane proporionale cu diferena de potenial, fcnd acest instrument util n evaluarea evoluiei n timp a potenialelor unui semnal. Pentru semnalele repetitive, el permite msurarea frecvenei i amplitudinii acestora. Principiul de funcionare al osciloscopului catodic: Semnalul electric analizat aplicat la intrarea aparatului este prelucrat de blocul de preamplificare i este apoi aplicat intrrii unui amplificator Ay. Acesta produce la ieire o tensiune proporional cu cea analizat dar mrit cu un factor de amplificare care poate fi reglat din butonul de comanda V/div. Tensiunea produs de amplificatorul Ay este aplicat plcilor de deflexie Y pe vertical i produce un cmp electric care deviaz fasciculul de electroni produs de tunul de electroni. Ca urmare a devierii acestui fascicul, spotul luminos cauzat de impactul electronilor cu substana fluorescent de pe ecran i modific poziia cu o amplitudine proporional cu tensiunea aplicat la intrarea oscilospului. Pentru studierea dinamicii semnalelor de intrare, tensiunea de intrare este exprimat ca o funcie de timp Uy(t); fasciculul de electroni descrie sub aciunea combinat a celor 2 cmpuri electrice o micare bidirecional, iar pe ecran apare graficul funciei traiectoriei Uy(Ux), unde Ux este proporional cu variabila timp datorit generatorului bazei de timp i produce deplasarea pe orizontal a spotului de electroni cu o vitez v = f(t). Alctuirea osciloscopului catodic (Fig. 53) Componentele esentiale ale osciloscopului catodic sunt: Tubul catodic, Preamplificatorul semnalului de intrare analizat, Amplificatoarele sistemului de deflexie, Generatorul bazei de timp, Blocul de sincronizare, Generatorul intern de semnale de calibrare. Tubul catodic este principala component a OsC. Acesta este, n principiu, o incint vidat coninnd o surs ce genereaz un fascicul ngust de electroni care lovesc un ecran fluorescent, i un sistem de deviere a acestui fascicul n funcie de parametrii semnalului investigat. Elementele tubului catodic sunt urmtoarele: - Tunul de electroni, - Sistemul de deflexie, - Ecranul fluorescent (8) Tunul de electroni este format din civa electrozi metalici dintre care ultimii 3 de form cilindric: 1) un termocatod care emite la incandescen un nor de electroni 2) un cilindru Wehnelt care comad intensitatea fasciculului de electroni 3) un anod de focalizare care asigur ingustimea fasciculului de electroni 4) un anod de accelerare care asigur energia cinetic a electronilor

75


.

Tubul catodicTunul de Placi

Fig. 53 Alctuirea tubului catodic al OsC Sistemul de deflexie este format din 2 condensatoare plane (2 perechi de plci) pe care se aplic o tensiune proporional cu cea studiat i care au rolul de a devia fasciculul de electroni n plan vertical (plcile orizontale (5) de deflexie Y, i n plan orizontal - plcile verticale (6) de deflexie X). Ecranul (8) este o suprafa de sticl acoperit pe faa intern cu un strat fluorescent care emite lumin la ciocnirea electronilor accelerai.

PreAmp

Placi deflexie Y Ay

Placi deflexie X

Uy

V/div

Ux

Ax

SincronizatorRef

Baza de timp

NivelFig. 54 Schema bloc a Osciloscopului Catodic

Preamplificatorul semnalului analizat este un bloc complex care are rolul de a prelucra (filtra, atenua etc.) semnalul brut de intrare (Uy) pregtindu-l pentru amplificare precum i de a furniza un semnal blocului de sincronizare pentru baza de timp. De

76


.

asemenea, acest bloc permite modificarea gradat a dimensiunii imaginii pe ecran, permind reglarea sensibilitii de msur pe vertical cu ajutorul unui comutator gradat n V/div. Amplificatoarele sistemului de deflexie, notate n schema bloc (Fig. 54) cu Ay pentru cel pe vertical i respectiv Ax pentru cel pe orizontal, folosesc tensiuni foarte mari, proporionale cu cea a semnalului analizat (Ay) sau a semnalului produs de generatorul bazei de timp (Ax), necesare pentru obinerea unor deviaii semnificative ale spotului de electroni. n principiu, s-ar putea aplica direct tensiunea semnalul analizat pe plcile de deflexie, dar datorit vitezei mari a electronilor, deviaia acestora ar fi insesizabil n lipsa unei tensiuni de ordinul kV.

Fig. 55 Osciloscopul catodic Generatorul bazei de timp, (notat Baza de timp) produce un semnal periodic n dini de fierstru aa cum se vede n Fig. 56, i are rolul de a asigura deplasarea spotului luminos pe orizontal de la stnga la dreapta pn la extremitatea ecranului cu vitez constant i reglabil i revenirea acestuia la nceputul cursei. n poriunea ascendent a pantei graficului, tensiunea pe plcile de deflexie orizontal crete i produce deplasarea spotului luminos pe orizontal de la stnga la dreapta pe toat laimea ecranului (spotul baleiaz ecranul i este vizibil). Momentul la care spotul luminos a atins marginea dreapt a ecranului coincide cu maximul curbei (punctul ade inflexiune superior al curbei). Dup atingerea acestui punct spotul revine la marginea stng a ecranului datorit scderii brute a tensiunii pe plcile de deflexie orizontal pn la valoarea minim (primul punct de inflexiune inferior bal graficului) corespunztoare marginii stngi a ecranului. ntre momentul atingerii marginii stngi a ecranului i nceputul cursei vizibile corespunznd celui de-al doilea punct de inflexiune inferior c de pe grafic, exist o perioad de laten a crei durat este controlat de sincronizator. Perioada de repetiie a impulsurilor bazei de timp poate fi reglat discret cu un comutator gradat n uniti de timp/div.

77


.

Cursa vizibila

a

b c Timp de latenta

Revenirea spotuluiFig. 56 Semnalul periodic n dini de fierstru al generatorului bazei de timp Blocul de sincronizare (sincronizatorul) are rolul de a compara semnalul de la intrarea amplificatorului de deflexie Y cu o valoare de referin presetat (Ref) i de a comanda n funcie de nivelul semnalului de intrare sincronizarea generatorului bazei de timp, evitnd astfel sincronizarea cu semnale parazite i/sau desincronizarea lui. Condiia ca imaginea de pe ecranul osciloscopului s fie stabil este ca frecvena bazei de timp s fie un submultiplu sau multiplu ntreg al frecvenei semnalului vizualizat. Blocul de sincronizare asigur stabilitatea raportului dintre cele dou frecvene prin sincronizare intern, funcie de o valoare de referin care se poate regla manual cu ajutorul unui buton de nivel (Nivel) . Calibrarea OsC Pentru o msurtoare corect, OsC trebuie mai nti calibrat pe ambele axe. Acest lucru se realizeaz cu ajutorul unor semnale de calibrare, de amplitudine i frecven cunoscute i standardizate, generate de surse externe sau interne. OsC moderne sunt prevzute cu un generator intern de semnale de calibrare integrat, folosit ca surs de semnale cu caracteristici cunoscute necesare calibrrii aparatului nainte de de folosire. Folosind butonul de sincronizare se regleaz nivelul semnalului de referin pentru sincronizarea frecvenei semnalului cu cea a generatorului bazei de timp, i se realizeaz stabilizarea imaginii (imaginea rmne nemicat pe ecran). Reglarea amplificrii pe vertical i pe orizontal se face cu butoanele care comand amplificatoarele de deflexie, modificnd factorii de amplificare ai acestora. Reglarea amplificrii pentru deflexia Y pe vertical se face cu butonul V/div care seteaz tensiunea corespunztoare unei diviziuni verticale a grilei de pe ecran, astfel nct semnalul s fie extins ct mai mult pe vertical (pentru a avea o sensibilitate de msur maxim), dar limitele superioar i inferioar ale acestuia trebuie s se gseasc n interiorul grilei de pe ecran. Amplitudinea se va determina numrnd diviziunile de pe gril corespunznd semnalului. Reglarea se va face cu butonul V/div astfel ca valoarea msurat a amplitudinii adic cea corespunznd mrimii imaginii pe ecran - s corespund exact valorii amplitudinii cunoscute a semnalului de referin aplicat. Reglarea amplificrii pentru deflexia X pe orizontal se face cu butonul T/div care seteaz timpul corespunztor unei diviziuni orizontale a grilei de pe ecran, astfel nct semnalul s fie extins ct mai mult pe orizontal (pentru a avea o sensibilitate de msur maxim), dar limitele laterale ale acestuia trebuie s se gseasc n interiorul grilei de pe ecran. Reglarea se va face cu butonul T/div astfel ca valoarea msurat a perioadei semnalului de referin adic cea corespunznd mrimii imaginii pe ecran - s corespund exact valorii perioadei cunoscute a semnalului de referin aplicat. Amplificarea pe orizontal se seteaz adecvat msurrii semnalului de analizat funcie de viteza de variaie a tensiunii analizate, o lrgire a bazei de timp permind vizualizarea i analizarea unor evenimente care se petrec foarte rapid.

78


.

Blocul de preamplificare a semnalului de intrare analizat are i un circuit care permite eliminarea componentei continue a unui semnal. n cazul msurrii unor semnale la care este important componenta continu (msurtori n curent continuu etc.), acest circuit poate fi untat prin manevrarea unui levier n poziia cc (sau dc).Utilizarea osciloscopului catodic n practica medical n principiu, osciloscopul se poate folosi la analiza oricror fenomene electrice care nsoesc sau sunt generate de activitai fioziologice ale organismului uman. De asemenea, dac se realizeaz n prealabil conversia fenomenelor de alt natur n variaii de potenial, se deschide o palet practic nelimitat de fenomene care pot fi analizate cu ajutorul osciloscopului catodic. O prim aplicaie a osciloscopului catodic a fost vizualizarea (nc din anul 1960), a variaiilor de potenial electric generate de activitatea electric a miocardului (EKG) culese cu ajutorul unor electrozi plasai n contact cu pielea. n acelai tip de aplicaii se nscriu analiza activitii electrice nervoase (electroencefalografie), analiza activitii electrice musculare (electromiografie) etc. Datorit rezoluiei temporale foarte bune, cea mai important utilizare a osciloscoapelor catodice este analiza fenomenelor electrice care au loc cu vitez foarte mare i care genereaz variaii de potenial foarte mici, cum ar fi activitatea unor canale ionice, cinetica unor reacii chimice sau fotochimice, evidenierea transportului prin membrane, studiul propagrii sunetului n urechea medie, studiul potenialelor de aciune generate de contactul unor molecule odorante cu mucoasa olfactiv, descrcarea de mediatori chimici n sinapsele neuronale etc. n aceste aplicaii osciloscoapele catodice nu au fost nc nlocuite dect de osciloscoapele digitale sau de cele computerizate. 3. Mod de lucru Se vor msura cu ajutorul osciloscopului din laborator: - tensiunea continu la bornele unei baterii sau acumulator, - tensiunea alternativ la bornele de ieire ale unui transformator de reea, - frecvena tensiunii alternative la bornele unui transformator de reea,. - tensiunea alternativ la ieirea unui circuit de filtrare, 1. Dup calibrarea prealabil pe ambele axe a osciloscopului se va proceda la efectuarea msurtorilor. Pentru fiecare parametru msurat se vor efectua 10 msurtori (replicate), valorile se vor trece ntr-un tabel i se va calcula valoarea parametrului msurat prin efectuarea mediei aritmetice a valorilor obinute n cele 10 msuratori replicate efectuate.

2. Pentru msurarea tensiunii continue ca cea de la bornele unei baterii sau a unui acumulator, se va manevra nti levierul corespunztor de pe panoul frontal al osciloscopului n poziia cc (sau dc) i apoi se vor conecta sondele sau clemele crocodil la bornele bateriei. 3. Pentru msurarea tensiunii alternative ca cea de la bornele de ieire (ale circuitului secundar) ale unui transformator de reea, se va manevra nti levierul corespunztor de pe panoul frontal al osciloscopului n poziia ca (sau ac) i apoi se vor conecta sondele sau clemele crocodil la bornele de ieire ale transformatorului. 4. Tensiunea se va determina prin numrarea diviziunilor de pe axa vertical corespunznd amplitudinii semnalului (distana dintre maximul i minimul amplitudinii semnalului exprimat n diviziuni de pe ecran) i nmulind acest numr cu valoarea n uniti de tensiune a unei diviziuni conform setrii amplificrii din butonul V/div. 5. Frecvena se va determina msurnd perioada T a acelui semnal prin numrarea diviziunilor de pe axa orizontal corespunznd perioadei (distana dintre dou maxime exprimat n diviziuni de pe ecran) i nmulind acest numr cu valoarea n uniti de timp a unei diviziuni conform setrii din butonul t/div. Se vor nota parametrii semnalului (tensiunea i frecvena) i se va observa forma semnalului.

79


.

6. Dup analizarea caracteristicilor semnalului nefiltrat livrat direct de secundarul transformatorului, se vor analiza caracteristicile semnalului filtrat de un circuit de filtrare i se vor urmri aceeai parametrii, precum i eficiena filtrrii. 7. Pe ecranul osciloscopului se vor urmri semnalele electrice n diferite puncte ale unui montaj simplu de redresare i filtrare. Schema montajului este dat n Fig. 54, acesta fiind format dintr-un transformator cobortor de tensiune, un redresor monoalternan (o diod) i un condensator de filtrare. Montajul se alimenteaz la 220 V c.a.

Fig. 54 Montajul de redresare i filtrare 1. Transformator, 2. Diod redresoare, 3. Condensator de filtrare, 4. ntreruptor, A, B, C puncte de msurare, D punct de referin (mas)

n secundarul transformatorului (n punctul A) apare o tensiune sinusoidal, cu frecvena de 50Hz (frecvena reelei) i amplitudinea dat de raportul de transformare al transformatorului n (Fig. 55 a).

VA =

220 V n

Datorit faptului c prin diod trece curent numai pe semialternana pozitiv, n punctul B (avnd ntreruptorul 4 deschis) apare tensiunea redresat monoalternan (Fig. 55 b). Dac se nchide ntreruptorul 4, condensatorul 3 se ncarc la creterea tensiunii pe semialternana pozitiv (atunci cnd dioda conduce), urmnd ca la scderea tensiunii (tot pe semialternana pozitiv, ns atunci cnd dioda nu conduce) acesta s se descarce, furniznd tensiune n circuit. Constanta de timp la descrcare este = R C , n care C este capacitatea condensatorului iar R este rezistena de sarcin, n cazul nostru rezistena de intrare a osciloscopului. Astfel, n punctul de msur C apare tensiunea filtrat (vezi Fig. 55 c).

Fig. 55 Formele de und n diferitele puncte ale montajului de redresare i filtrare a. Tensiunea n secundarul transformatorului, b. Tensiunea redresat monoalternan, c. Tensiunea filtrat

80


.

DETERMINAREA CONCENTRAIEI UNEI SOLUII OPTIC ACTIVE PRIN METODA POLARIMETRIC 1. Scopul lucrrii Determinarea concentraiei unei soluii optic active cu ajutorul unui polarimetru. Se va utiliza faptul c o substan optic activ rotete planul de polarizare al luminii cu un unghi direct proporional cu concentraia acesteia n soluie. 2. Principiul lucrrii Unda este o perturbaie a unei stri de echilibru care se deplaseaz (propag) n timp dintr-o regiune n alta. Dac perturbaia are loc pe o direcie paralel cu direcia de deplasare a perturbaiei, unda se numeste und longitudinal (un exemplu este unda sonor) (Fig. 56a). Dac perturbaia are loc pe o direcie perpendicular pe direcia de deplasare a perturbaiei, unda se numete und transversal (un exemplu sunt radiaiile electromagnetice din care face parte i radiaia luminoas) (Fig. 56b). Spre deosebire de fenomenele de interferen i difracie care apar la toate tipurile de unde, fenomenul de polarizare apare doar la undele transversale. Unda luminoas const n oscilaii a 2 cmpuri, electric i magnetic. n studiul fenomenelor optice este important componenta electric, de aceea componenta magnetic este neglijat.Directia de oscilatie Directia de propagare a oscilatiei

(a)

(b)

Fig. 56: (a) unda sonor const n compresii i decompresii succesive ale mediului pe care l strabate. Unda sonor este o und longitudinal. (b) Unda luminoas este o und transversal. Intensitatea cmpului electric variaz pe o direcie perpendicular pe direcia de deplasare a undei (componenta magnetic a undei este neglijat n cadrul acestei prezentri).

Sursele de lumin conin atomi ce pot ctiga energie prin diverse procese i care elibereaz ulterior aceast energie prin dezexcitare, cu emisie de radiaie luminoas (radiaie electromagnetic cu lungime de und ntre 450nm i 750nm). Datorit agitaiei termice, moleculele ce conin aceti atomi au orientri spaiale aleatoare astfel c lumina emis este compus din radiaii cu diverse orientri ale cmpului electric. De remarcat c, indiferent de direcia pe care variaz intensitatea cmpului electric, aceasta se va pstra totdeauna perpendicular pe direcia de deplasare a undei (Fig. 57). Lumina a crei direcie de oscilaie a intensitii cmpului electric (E) are o orientare aleatoare se numete und nepolarizat. Lumina emis de soare, de un bec electric sau de flacra unei lumnri, toate sunt exemple de lumin nepolarizat. Dac, prin diverse metode, se selecteaz doar anumite direcii de oscilaie ale lui E atunci unda se numete parial polarizat. Dac se selecteaz o singur direcie de oscilaie a lui E atunci unda se numete total polarizat.

81


.

(a) (b) Figura 57: Unda electromagnetica (lumina) (a) lumina nepolarizat, vectorul intensitate cmp electric variaz ca orientare (pentru simplitate s-au reprezentat doar 3 orientari), (b) aceeai lumin nepolarizat vzut de pe direcia ei de propagare (radiaia se deplaseaz perpendicular pe planul foii), se observ distribuia uniform, aleatoare a vectorului E. Exist mai multe metode de a obine unde parial/total polarizate. Dintre ele menionm folosirea de filtre de polarizare, fen

lucrari practice biofizica 2009-partea a ii a

Documents