Podstawy fizyki medycznej.Wprowadzenie. Podstawowe ukady fizjologiczne czowieka i ich parametry fizyczne: ukad krenia, ukad oddechowy, ukad nerwowy, pozostae ukady. rda sygnaw biomedycznych i metody ich pomiaru. Sprzenie zwrotne i jego rola w prawidowym funkcjonowaniu organizmu czowieka. Diagnostyka obrazowa podstawy fizyczne (rentgenodiagnostyka, medycyna nuklearna, ultrasonografia, termografia, diagnostyka fotodynamiczna, rezonans magnetyczny). Podstawy fizyczne elektroterapii, laseroterapii i radioterapii. Fizyka medyczna jest przykadem zastosowania fizyki w medycynie. Na og dotyczy radioterapii, ochrony przed promieniowaniem jonizujcym, diagnostyki obrazowej, ale rwnie opieki zdrowotnej w zwizku z naraeniem zawodowym pracownikw i ogu ludnoci na zewntrzne czynniki fizyczne takie, jak n. p. pole elektryczne stae, pole magnetyczne stae, pola elektromagnetyczne o rnych czstotliwociach (50 Hz, RF: 100kHz do 300MHz, mikrofale: 300MHz 300GHz), ultradwiki, haas, promieniowanie optyczne i inne. Fizycy medyczni pracuj w szpitalach i klinikach (okoo 85% w zakresie terapii, 10% w diagnostyce obrazowej, 5% w medycynie nuklearnej), na uniwersytetach i w instytutach naukowych, prowadzc ksztacenie studentw i doktorantw, badania naukowe i opracowujc nowe metody pomiarowe. Pracuj te w stacjach sanitarno-epidemiologicznych oraz w firmach produkujcych aparatur medyczn. Tematyka badawcza obejmuje nastpujce zagadnienia: radioterapi (teleradioterapi, brachyterapi, terapi hadronow, BNCTBoron Neutron Capture Therapy, n gamma i inne) medycyn nuklearn z zastosowaniem otwartych rde promieniotwrczych w diagnostyce i terapii, fotomedycyn z zastosowaniem promieniowania optycznego w diagnostyce (PDD PhotoDynamic Diagnostic) oraz w terapii (PDT PhotoDynamic Therapy), radiologi diagnostyczn z wykorzystaniem promieniowania X, wczajc radiologi ogln, fluoroskopi, mammografi , tomografi komputerow (CT Computed Tomography), angiografi, radiologi interwencyjn, ultrasonografi,

ochron przed promieniowaniem, w tym QC (Quality Control) i QA (Quality Assurance), rezonans magnetyczny (MR Magnetic Resonance), rne techniki pomiarw parametrw fizjologicznych, modelowanie matematyczne, telemedycyn, informatyk medyczn, DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) i inne.

Program wykadu obejmuje omwienie podstawowych ukadw fizjologicznych czowieka, ich parametrw fizycznych, rde sygnaw biomedycznych i ich pomiaru. Zachowanie staych warunkw wewntrznych w naszym organizmie (temperatura, cinienie i inne), tj. homeostaza, moliwe jest dziki sprzeniu zwrotnemu ujemnemu. Podane zostan rwnie podstawy fizyczne wybranych metod diagnostyki obrazowej, jak i elektroterapii, laseroterapii i radioterapii.

Podstawowe ukady fizjologiczne czowieka i ich parametry fizyczneNauka o budowie ciaa ludzkiego to anatomia, natomiast o jego funkcjonowaniu, to fizjologia. Rozrnia si anatomi ogln (budowa narzdw), topograficzn (topograficzne pooenie narzdw wzgldem siebie), mikroskopow tj. histologi (struktura ogldana pod mikroskopem) i cytologi (dzia histologii, zajmujcy si badaniem struktury, funkcji i rozwoju komrek). Fizjologia moe by sklasyfikowana jako fizjologia komrki oraz patofizjologia (bada zmiany w funkcjonowaniu narzdw, spowodowane chorob). Ponadto wprowadzono podgrupy takie, jak n. p. fizjologia ukadu krenia zwizana z badaniem krenia krwi w organizmie wywoanego prac serca, fizjologia ukadu oddechowego i inne. Ciao ludzkie jest zoone z rnych rodzajw ukadw (systemw) takich, jak elektryczne, mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne, chemiczne, termiczne etc. Midzy tymi ukadami istnieje wewntrzna komunikacja, jak rwnie komunikacja z otaczajcym rodowiskiem zewntrznym. Ukad krenia Ukad krenia jest zoonym zamknitym systemem hydraulicznym, dziki ktremu transportowany jest tlen, dwutlenek wgla, zwizki chemiczne i komrki krwi. Krew stanowi oko 7% masy ciaa, u dorosego czowieka jest to okoo 4.5l. Serce (Fig.8.1) skada si z lewej i prawej czci, z ktrych kada ma przedsionek i komor. Serce ma cztery zastawki:

trjdzieln zastawk midzy prawym przedsionkiem i komor. Skada si ona z trzech patkw. Zapobiega ona przepywowi krwi do tyu tj. z prawej komory do prawego przedsionka. dwudzieln mitraln zastawk midzy lewym przedsionkiem i lew komor. Ma ona dwa patki. Zapobiega przepywowi krwi do tyu z lewej komory do przedsionka. pucna zastawka w prawej komorze, skada si z trzech patkw w ksztacie pksiyca, co zapobiega powrotowi krwi do prawej komory. zastawka aorty midzy lew komor a aort. Zbudowana jest podobnie do zastawki pucnej i nie pozwala na powrt krwi z aorty do lewej komory.

ciana serca skada si z trzech warstw: osierdzia (pericardium), stanowicego zewntrzn wilgotn cz serca, zapobiegajca przed tarciem w czasie bicia (uderze) serca, minia sercowego (myocardium), ktry kurczy si i rozszerza przez cae ycie, wsierdzia (endocardium), wewntrznej warstwy serca zapewniajcej gadk wycik dla pyncej krwi. Krew jest transportowana naczynia krwionone trojakiego typu: arterie maj grube ciany i pynie przez nie krew z serca krew utlenowana, yy maj cienkie ciany i pynie przez nie krew pozbawiona tlenu, kapilary, najmniejsze naczynia, ktrych jest okoo 800000km w naszym organizmie.

Serce pracuje jak pompa robica okoo 72 uderze na minut i przenoszca krew do wszystkich czci naszego ciaa. KREW + NACZYNIA KRWIONONE+SERCE = UKAD SERCOWONACZYNIOWY CVS (Cardiovascular System) Serce jest pierwszym duym narzdem, ktry rozwija si w smym tygodniu ycia podowego. Ukad krenia mona przedstawi w postaci ptli z dwiema pompami (Fig.8.2). Krew z lewej komory pompowana jest wskutek skurczu misni lewej komory przy cinieniu ~125mmHg (1mm Hg=1 torr = 133.31Pa) do ukadu ttniczego, podzielonego na mniejsze ttniczki i w kocu na sie naczy kapilarnych (woniczek), tworzcych oysko woniczkowe (capillary bed). Poprzez naczynia kapilarne krew dostarcza do komrek O2 a odbiera z nich CO2 (Fig.8.4). Nastpnie zbiera si w maych ykach, potem coraz szerszych i do prawej komory wchodzi poprzez dwie yy gwne: grn i doln. Krew zbierana jest w prawym przedsionku i w czasie sabego skurczu (5-6 mm Hg) wpywa do prawej komory. Nastpnie przy skurczu komorowym ~25mm Hg krew pompowana jest przez ttnice pucne do naczy wosowatych w pucach, gdzie w wyniku dyfuzji

oddaje CO2 a otrzymuje O2. Dwutlenek wgla jest wydychany a nasycona tlenem krew przechodzi z puc do lewego przedsionka, gdzie w czasie sabego skurczu (7-8mm Hg) wpywa do lewej komory. Zastawki pozwalaj na przepyw krwi tylko w okrelonym kierunku. Jeeli wystpuje ich wada (nie domykanie lub nie otwieranie cakowite), to pompowanie krwi przestaje by wydajne. Na og potrzebny jest zabieg chirurgiczny: wymiana zastawek na mechaniczne lub przeszczep. Rozrniamy krenie pucne (komora prawa) i krenie wielkie (komora lewa). W ukadzie krenia duego jest ~80% krwi (~15% w ttnicach, ~10% w kapilarach, ~75% w yach), a w ukadzie krenia pucnego ~20% (~7% w naczyniach wosowatych pucnych, ~93% w ttnicach i yach pucnych). Podstawowe skadniki krwi: erytrocyty (ksztat dysku o rednicy ~7 um) ~5.106/mm3 krwi, ~45% obj. krwi, osocze ~55% obj. Krwi, leukocyty (rednica ~9-15um) ~8000/mm3 krwi, pytki krwi (rednica ~1-4um) ~3.105 /mm3 krwi, jony metali n.p. Ca 10mg/100ml, niewielkie iloci hormonw.

Dynamika serca Praca serca odbywa si z czstotliwoci HR (Heart Rate) ~1.2 Hz i w wyniku tego wypyw krwi z serca jest pulsujcy. Objto krwi wyrzucana w jednym skurczu przez kad z komr nazywa si objtoci wyrzutow SV (Stroke Volume) i jest rwna ~70ml. W czasie 1 minuty serce przepompowuje objto minutow CO (Cardiac Output) ~5l/min. Objto minutowa CO zaley od masy ciaa, wieku, stanu metabolizmu, dlatego wprowadzono wskanik sercowy CI (Cardiac Index) zdefiniowany jako stosunek CO do powierzchni ciaa. W spoczynku CI jest rwny ~3.5l/min.m2, a przy wysiku moe osign ~22l/ min.m2. Wartoci te s stabelaryzowane. Midzy HR, CO i SV zachodzi zwizek: CO = SV.HR [l/min] Po skurczu komr nie caa krew zostaje wyrzucona, a pozostaa nazywa si objtoci rezydualn (pnoskurczow). Wprowadzono frakcj wyrzutow EF (Ejection Fraction) zdefiniowan jako stosunek objtoci wyrzutowej SV do objtoci rezydualnej. W spoczynku EF rwne jest ~ 70%. SV i CO maj takie same wartoci dla lewej i prawej komory serca. Na rysunku 5.2 pokazano SV i CO w funkcji zuycia tlenu dla osb modych, a na rysunku 5.5 wpyw cinienia w prawym przedsionku na CO.

Cykl serca jest to okresowa elektromechaniczna czynno serca, dzielca si na dwie fazy: skurcz i rozkurcz, z ktrych kada dzieli si na podokresy (Rys.5.6). Wyrnia si sze podokresw: diastaza (przerwa) zastawki byy otwarte, komory wypeniy si krwi. Jest to stan spoczynku serca, ktry trwa ~200ms, skurcz przedsionkw wzrost cinienia i objtoci krwi, skurcz izowolumetryczny komr wzrost cinienia w komorze bez zmiany objtoci, komorowy wyrzut krwi otwarcie zastawek komorowo-ttniczych, komory oprniaj si. Cinienie osiga ~125mm Hg (17.2kPa) w lewej i ~25mmHg (3.4kPa) w prawej komorze i zaczyna si zmniejsza, rozkurcz izowolumetryczny koczy si wypyw krwi z komr i cinienie w nich spada, napenianie komr otwieraj si zastawki przedsionkowo-komorowe i nastpuje szybkie napenienie komr krwi. Cykl koczy si gdy komory wypeni si krwi, co trwa ~800ms Rytm serca w spoczynku HR~1.2Hz. Bradykardia - zmniejszenie HR n. p. w czasie snu lub choroby, tachykardia zwikszenie HR n. p. w wyniku wysiku lub choroby. Tony serca sycha gwnie przy otwieraniu i zamykaniu zastawek. Suy do ich osuchu stetoskop, zbudowany po raz pierwszy przez lekarza francuskiego R.T.H. Laenneca w 1816r. By to cylinder o dugoci 30cm, rednicy zewntrznej ~7.5cm i wewntrznej ~1cm. Badania swe opisa w ksice p.t. A treatise on the diseases of the chest and on mediate auscultation(1818). Na Fig.12.6 przedstawiony jest schemat stetoskopu. Jego podstawowymi czciami s: 1) dzwon otwarty (open bell) skra pod nim staje si przepon (tak, jak napita struna), ma czstotliwo rezonansow tym wysz im bardziej jest dociskana; 2) dzwon zamknity (closed bell) z przepon o znanej czstotliwoci, zwykle wysokiej, usuwajc tony o niskiej czstotliwoci; 3) rurka (przewd), charakteryzujcy si maymi stratami dwiku na ciankach; 4) suchawki. Na Fig. 12.7 przedstawiono typowe widmo dwikw pochodzcych od serca i od puc, a na Rys.5.8 miejsca osuchiwania klatki piersiowej dla badania tonw serca. Praca wykonywana przez serce jest sum pracy wewntrznej wytworzenia naprenia mini (w tym energia przemian metabolicznych) Ww i pracy "zewntrznej Wz . Praca caego serca (obu komr) jest rwna sumie ich prac. Obliczenie jej jest trudne. Moc serca Pt mona w przyblieniu przedstawi jako rwn: Pt = Plv+ Prv= CO [pl + pr + 0.5d (vl2 + vr2)] gdzie CO objto minutowa serca, pl i pr odpowiednio cinienie w lewej i prawej komorze, d - gsto krwi, vl i vr prdko krwi wyrzucanej z lewej i prawej komory serca.

Przyjmujc, e pr~1/6 pl oraz, e rednia warto vl2~ vr2 i CO=vav.S (vav rednia prdko wypywu krwi z komory, S pole przekroju aorty) otrzymujemy: Pt ~ (7/6) pl.CO + d, (CO)2/S2 moc moc kinetyczna serca hydrostatyczna serca W tabeli 5.1 podano wartoci pl, CO, d i S, a w tabeli 5.2 wartoci mocy serca w spoczynku i podczas wysiku. Sprawno serca jest ~3% w stanie spoczynku i ~15% podczas wysiku gdy Pt=15W. Cinienie krwi (pierwszy pomiar wykona Stephen Hales w Wielkiej Brytanii u konia). Przyrzd sucy do pomiaru cinienia ttniczego krwi nazywa si manometrem lub sfignomanometrem (sphygm ttno). W pomiarze wykorzystuje si dwiki Korotkoffa zwane te dwikami K (Fig.6.26). Sfignomanometr skada si z rkawa, ktry si pompuje po zaoeniu na przedrami oraz ze stetoskopu lub mikrofonu piezoelektrycznego (czujnik ttna). Rkaw si pompuje do momentu zatrzymania przepywu krwi w rce. Nastpnie stopniowo wypuszcza si powietrze. Kiedy cinienie spadnie poniej cinienia skurczowego (systolic pressure) pojawia si turbulentny przepyw krwi przez ttnice, powodujcy wibracje dwiku syszalne przez stetoskop lub czujnik elektroniczny. Dwiki te nazywane s dwikami Korotkoffa. Pocztek pojawienia si dwikw K poziom cinienia skurczowego. Cinienie powietrza w rkawie nadal ubywa i gdy dwiki K zanikn cinienie rozkurczowe (diastolic pressure). Dawniej do pomiaru cinienia uywana manometru rtciowego, obecnie czujnik do rejestracji dwikw znajduje si w rkawie i odczyty cinienia skurczowego oraz rozkurczowego, jak i ttna rejestrowane s w ukadzie elektronicznym, a nastpnie wywietlane n. p. na wskaniku ciekokrystalicznym. Cinienie w ukadzie krenia zmienia si wzdu ciaa wskutek dziaania siy grawitacji. Na Fig.8.8 a) przedstawiono wartoci cinienia krwi mierzone przy pomocy kapilar u osoby stojcej. Najwiksz warto ma cinienia w stopie: pf = pheart + p gdzie pheart cinienie krwi w sercu, p = dbgh ( db= 1.04g/cm3, g=981cm/s2, h wysoko serca nad stop). Najnisze cinienie jest w gowie. Wartoci cinienia podano w m krwi, a w ( ) w mm Hg (dHg= 13.6g/cm3). Np. 120/80 mm Hg 1560/1040 mm krwi. b) przedstawiono sytuacj, w ktrej przyspieszenie a=3g. Krew dociera tylko na wysoko 43 cm powyej serca. Przykad: w samolocie przy akrobacji, moe nastpi chwilowa utrata przytomnoci. Cinienie ylne jest zwykle w zakresie 8-16 cm krwi. Gdy jest wysze moe to by spowodowane zastoinow niewydolnoci serca. Prawo Bernoulliego w ukadzie krenia dgh + 0.5 dv2 + p = const

d gsto pynu, g przyspieszenie grawitacyjne, h wysoko nad poziom morza, v- prdko przepywu, p cinienie statyczne. Prawo Bernoulliego wynika z zasady zachowania energii. Z zasady zachowania masy wynika rwnanie cigoci: dvS = const d - gsto pynu, v prdko przepywu przez przekrj S. Na Fig. 8.10 przedstawiono zmian cinienia statycznego i szybkoci przepywu pynu ze zmian przekroju rury. Na Fig. 8.5 oraz w tabeli 8.1 podano wartoci cinienia krwi w poszczeglnych odcinkach ukadu krenia. Fizyka niektrych chorb ukadu krenia Choroby ukadu krenia stanowi gwn przyczyn zgonw w Polsce. PRACA WYKONYWANA PRZEZ SERCE = NAPRENIE MINIA SERCOWEGO x CZAS DZIAANIA Wynika std, e wzrost naprenia minia sercowego lub wyduenie czasu jego trwania zwiksza prac wykonan przez serce, a wic je obcia. Przykady: Nadcinienie ttnicze proporcjonalnie do wzrostu cinienia wzrasta naprenie minia sercowego. Tachykardia wyduony czas przebywania minia sercowego w skurczu powoduje wzrost obcienia serca. Atak serca spowodowany zablokowaniem jednej lub wikszej liczby ttnic w miniu sercowym i ta cz serca umiera ze wzgldu na brak dopywu krwi (zawa). Wadliwa praca zastawek: niepene otwieranie (zwenie = stenoza) lub nie domykanie (niedomykalno). W zweniu praca serca wzrasta z powodu niedronoci wskiego otwarcia ilo krwi podawana do oglnego krenia jest ograniczona. W niedomykalnoci zastawek cz pompowanej krwi wraca z powrotem do serca, co zmniejsza ilo krwi krcej w organizmie. Ttniak jest wynikiem osabienia cianki ttnicy spowodowanym wzrostem jej rednicy, co prowadzi do wzrostu napicia cian naczynia i moe spowodowa jego pknicie. Jest to tzw. udar naczyniowy. ylaki wystpuj gwnie w nogach jako wynik zego dziaania zastawek ylnych i powodowa mog rne komplikacje na skutek ograniczenia iloci krwi powracajcej do serca. Tworzenie na cianach ttnic stwardniaych pytek, ktre mog powodowa turbulentny przepyw krwi (Fig. 8.16) i w wyniku np. udar mzgu. Ukad oddechowy Wprowadzenie Ciao ludzkie mona porwna do maszyny np. do samochodu, posiadajcej rdo energii i umiejtno jej przetwarzania na energi elektryczn i mechaniczn oraz usuwania produktw ubocznych.

Przykad: rdo energii (paliwo) przetwarzanie energii pokarmowy samochd benzyna spalanie mieszanki czowiek ywno ukad

produkty uboczne i strawione->ka ich usuwanie woda i inne produkty uboczne->mocz

(b.+pow.)energia kinetyczna +O2 gazy spalinowe->ukad wydech. 1) skadniki nie ciepo->chodnica 2)

3)~0.5kg CO2/doba ->puca 4) ciepo -> powierzchnia ciaa

Puca (ukad pucny, ukad oddechowy) zasilaj organizm w tlen i usuwaj gwny produkt uboczny dwutlenek wgla. Krew dostarcza do tkanek tlen i usuwa z nich dwutlenek wgla ukad sercowo-naczyniowy (ukad krenia) suy jak ukad transportowy dostarczajcy do komrek paliwo + O2 i usuwajcy produkty uboczne (w tym CO2). Na Fig.7.1 przedstawiono schematycznie gwne kanay dla powietrza i krwi w ukadzie oddechowym oraz wymian CO2 na O2 midzy krwi pync w kapilarze (woniczce) pucnej (pulmonary capillary) a pcherzykiem pucnym (alveolus). Ze wzgldu na blisk wspprac ukadu krenia i ukadu oddechowego dziaanie jednego wpywa na drugi i choroba puc daje objawy choroby serca lub na odwrt. Dlatego uywa si pojcia puco-serce. Funkcje fizjologiczne wykonywane przez puca: wymiana CO2 na O2 utrzymywanie staego pH krwi wymiana ciepa i utrzymanie rwnowagi pynu w organizmie przez ogrzewanie i nawilanie wdychanego powietrza kontrolowany przepyw powietrza w czasie mwienia, kaszlu, kichania, wzdychania, miechu, wchania, ziewania, wymiotw itp.. Wan funkcj ukadu oddechowego jest wytwarzanie gosu. W czasie rozmowy czas oddechu jest krtszy o ~20%, a ilo wdychanego powietrza dwukrotnie wysza od tej w czasie milczenia. Typowa moc gosu gardo-> krta (2-3cm;w niej struny gosowe)-> ->oskrzele patowe -> pat lewego puca ->oskrzele lewe -> oskrzele patowe -> pat lewego puca ->tchawica (10-12cm)-> -> oskrzele patowe -> pat prawego puca -> oskrzele prawe -> oskrzele patowe -> pat prawego puca -> oskrzele patowe -> pat prawego puca Dychotoniczny (rozgaziony na 2 czci) podzia oskrzeli koczy si na poziomie 16-go rozgazienia. Nastpne podziay mog by dychotoniczne i trychotoniczne (na 3 czci), prowadzc do powstania oskrzelikw oddechowych, ktre zaczynaj bra udzia w wymianie gazowej. Na Rys.6.1 przedstawiono schemat drzewa oskrzelowego puc . Puca s waciwym narzdem oddechowym. Zbudowane s z oskrzelikw zakoczonych pcherzykami pucnymi, otoczonymi sieci kapilarnych naczy krwiononych (Fig.7.2). rednica pcherzykw pucnych w spoczynku jest ~200300um, przy wdechu >, a przy wydechu < od tej wartoci. Grubo cianki pcherzyka pucnego jest ~2-8um. Ich liczba ~3.108 u dorosego czowieka, a 3.107 u dzieci. Pcherzyki pucne s najbardziej ukrwionym narzdem. Przejmuj 100% objtoci wyrzutowej prawej komory serca, przy czym 95% jej bierze udzia w wymianie gazowej. Oddziaywanie krwi i puc W wymianie gazu w pucach bior udzia dwa procesy: perfuzja dostarczanie krwi do pucnego oyska woniczkowego, wentylacja dostarczanie powietrza do powierzchni pcherzykw pucnych. W pucach istniej trzy rodzaje stref wentylacja-perfuzja: 1. strefa z dobr wentylacj i dobr perfuzj, 2. strefa z dobr wentylacj i sab perfuzj, 3. strefa ze sab wentylacj i dobr perfuzj. U zdrowego czowieka strefa 1) obejmuje 90% cakowitej objtoci puc. Przykady chorb:

zator ttnicy pucnej blokuje przepyw krwi do czci puc, co powoduje w niej sab perfuzj, zapalenie puc utrudnia przepyw powietrza w pucach, co powoduje sab wentylacj.

Krew jest pompowana z serca do puc pod cinieniem ~20mm Hg, co stanowi ~15% wartoci cinienia w gwnym ukadzie krenia. Przenoszenie O2 i CO2 do i z krwi jest kontrolowane przez prawa dyfuzji. W pucach mamy dyfuzj zarwno w gazie, jak i w cieczy. Prawo Daltona wyjania zachowanie gazw w pucach, co mona przedstawi na przykadzie zbiornika (1 l) suchego powietrza pod cinieniem atmosferycznym 760mm Hg. Tlen stanowi ~20%, a azot ~80% wic odpowiednio cinienia parcjalne bd rwne pO2=150mm Hg (20% z 760mm Hg) i pN2=610mm Hg (80% z 760mm Hg). Uwzgldni naley jeszcze par wodn jej cinienie zaley od wilgotnoci i w pucach przy temperaturze 370C i wilgotnoci wzgldnej 100% jest rwne ~47mm Hg. Ilo gazu rozpuszczonego w krwi zaley od rodzaju gazu: O2 jest sabo rozpuszczalny w krwi lub w wodzie. W temperaturze ciaa 37oC 1 l osocza krwi przy pO2=100mm Hg zawiera tylko 2.5cm3 tlenu w warunkach normalnych. CO2 w w.w. warunkach pCO2=40mm Hg 1l osocza krwi zawiera okoo 25cm3 dwutlenku wgla. Rna rozpuszczalno tlenu i dwutlenku wgla w tkance wpywa na ich transport przez cianki pcherzykw pucnych. Molekuy tlenu (jako mniejsze) dyfunduj szybciej ni CO2, ale ze wzgldu na ich wiksz liczb liczb w roztworze ich transport jest bardziej wydajny ni tlenu. W przypadku choroby (pogrubienie cianek pcherzykw pucnych) transport O2 jest bardziej utrudniony ni CO2. Wikszo tlenu przenoszona jest dziki czeniu z hemoglobin (Hb) w erytrocytach. Na Fig.7.6 przedstawiono krzyw nasycenia krwi tlenem w pcherzykach pucnych w funkcji pO2. Hemoglobina opuszczajca puca jest nasycona w ~97% O2 przy pO2~100mm Hg. W warunkach spoczynku krew ylna powracajca do serca zawiera ~75% pocztkowej iloci O2 Mieszanina gazw w pucach RNI SI OD skadu POWIETRZA ATMOSFERYCZNEGO poniewa puca nie oprniaj si cakowicie w czasie wydechu. Zwykle zachowuj okoo 30% objtoci, ktra nazywa si FRC (Functional Residual Capacity) -> CZYNNOCIOW POJEMNOCI REZYDUALN (zalegajc). W tabeli 7.1 podano udzia % oraz cinienie parcjalne O2 i CO2 w powietrzu wdychanym, w powietrzu w pcherzykach pucnych oraz w powietrzu wydychanym. Azot nie odgrywa adnej znanej roli w funkcjonowaniu organizmu, ale te rozpuszcza si w krwi. Na Fig.7.5 przedstawiono zmian pO2 w czasie w kapilarach pucnych. Cinienie to osiga szybko warto tak jaka jest w pcherzykach pucnych.

Podstawowe wielkoci spirometryczne Statyczne wielkoci spirometryczne: TV (Tidal Volume) objto oddechowa tj. objto powietrza pobranego w swobodnym wdechu; IRV (Inspiratory Reserve Volume) zapasowa objto wdechowa tj. objto powietrza, ktr mona jeszcze przyj po swobodnym wdechu; ERV (Expiratory Reserve Volume) rezerwowa objto wydechowa tj. objto, ktr mona usun dodatkowo po swobodnym wydechu; RV (Residual Volume) objto zalegajca (rezydualna) tj. objto powietrza pozostajca w pucach po nasilonym wydechu, ktry nastpuje po swobodnym wydechu (ERV). RV~1-3.5l i zaley od wieku oraz masy czowieka. IC (Inspiratory Capacity) - pojemno wdechowa=objto oddechowa + zapasowa objto wdechowa: IC = TV + IRV FRC (Functional Residual Capacity) czynnociowa pojemno rezydualna = rezerwowa objto wydechowa + objto rezydualna: FRC = ERV + RV FRC~2-5l i zaley od wieku oraz masy czowieka (podobnie jak RV). VC (Vital Capacity)- pojemno yciowa tj. objto powietrza, ktr mona zmieci w pucach podczas natonego wdechu, wykonanego po natonym wydechu. VC~2-6l. TLC (Total Lungs Capacity) cakowita objto puc = pojemno yciowa + objto rezydualna: TLC = VC + RV ; TLC ~3.5-6l Na rys. 6.4 przedstawiono te wielkoci w funkcji czasu. Urzdzenie stosowane do pomiaru przepywu (objtoci) powietrza DO i Z puc w funkcji czasu nazywa si SPIROMETR. Na rys. 7.7 przedstawiono jego przekrj poprzeczny, a na Fig.7.8 wynik pomiaru uzyskany tym aparatem. Czynno wentylacyjna ukadu oddechowego jest cykliczna i obejmuje dwie fazy: 1. WDECH 2. WYDECH PRZERWA WYDECHOWA 1. WDECH 2. WYDECH Na rys. 6.3 przedstawiono zmian objtoci klatki piersiowej w fazie wdechu i wydechu. Wentylacja minutowa [l/min] = objto oddechowa x czstotliwo oddychania U dorosych jest zwykle 10-16 oddechw/min, a wentylacja minutowa jest rwna 5-8l/min w spoczynku i ~40l/min w czasie duego wysiku. Dynamiczne wielkoci spirometryczne FVC (Forced Vital Capacity) natona pojemno yciowa tj. maksymalna objto powietrza, ktra moe by bardzo szybko wydmuchana po maksymalnym wdechu; FEVT (Forced Expiratory Volume) - natona objto wydechowa T-sekundowa tj. objto gazu, ktry moe by wydmuchany z puc z najwiksz si i

szybkoci w czasie T sekund, liczonym od chwili najgbszego wdechu (T=0.5; 0.75; 1; 2; 3s); PF (Peak Flow)- maksymalny przepyw w rodku natonego wydechu; FEFV1-V2(Forced Expiratory Flow)- natony przepyw wydechowy zdefiniowany jako rednie natenie objtociowe wydychanego powietrza (od V1 do V2). Dynamiczne wielkoci spirometryczne zale od czasu, pozycji ciaa i wysiku fizycznego (Rys. 6.7): TVl 0 grzanie gdy Tf < Ta , to (dQ/dt)in < 0 chodzenie (ciepo jest usuwane z ukadu). Wada: gdy Ta si zmienia, to Tf zmienia si o tak sam warto. Potrzebny byby system sprzenia zwrotnego, ktry zmiany Ta przekazywaby do ukadu kontroli grzejnika.

b) zaleno temperatury T od czasu: dla t=0 T= Tf , ale ulega zmianie Ta lub moc grzejnika, co powoduje ustalenie si po pewnym czasie temperatury Tf , odpowiadajcej rwnowadze termicznej. Zaleno T=T(t) mona znale z rwnania: dT/dt = (Tf T)/to przyjmujc jw. dla t=0 T= Tf otrzymujemy: T = Tf + (Tf Tf ) [1 exp(-t/to)]

Warto to = C/[s] moe by wiele godzin lub dni gdy izolacja domu jest dobra (dua bezwadno termiczna). Dla usunicia efektu narastania temperatury do Tf potrzebne jest sprzenie zwrotne. 2) Sterowanie WCZ/WYCZ (ukad ze sprzeniem zwrotnym) uywane do utrzymania okrelonej temperatury Ts (np. w domu) wymaga zainstalowania czujnika mierzcego aktualn temperatur T, a waciwie (Ts T). Czujnik ten musi by poczony z efektorem (np. bimetal), ktry wcza grzejnik, gdy Ts T > T i wycza gdy T > Ts + T , a wic kontroluje temperatur T w zakresie: Ts T < T < Ts + T Przykad na Fig.6.21. 3) Regulacja proporcjonalna - zmiana mocy grzejnika ~(Ts T) (Fig.6,23) i inn.

Kontrola temperatury ciaa ludzkiego Wprowadzenie Metabolizm obejmuje nastpujce procesy: anabolizm wszystkie procesy syntezy (biosynteza biaek, kwasw nukleinowych, tuszczw i wglowodanw, katabolizm procesy rozpadu (rozpad skadnikw wielkoczsteczkowych),

odbywajce si w ywym ustroju i zapewniajce budow i odbudow tkanek, wytwarzanie ciepa dla utrzymania temperatury ciaa oraz dostarczanie energii wszystkim procesom yciowym. BMR = BASAL METABOLIC RATE okrela szybko zmniejszania energii wewntrznej organizmu pozostajcego w spoczynku bez poywienia. Np. mczyzna o masie 65kg w wieku 25 lat ma BMR~1500kcal/dzie, kobieta o masie 55kg w tym samym wieku ma BMR~1260kcal/ dzie, mysz o masie 20g ma BMR~3kcal/dzie. BMR oznacza szybko katabolizmu: dE/dt. Dla ssakw: dE/dt = C.M3/4 gdzie C~90kcal/(kg)3/4 , M[kg] masa ssaka.

Temperatura ciaa u zdrowego czowieka (37+/-2)oC. Jeeli temperatura do 41oC to orodkowy ukad nerwowy (CNS) przestaje funkcjonowa normalnie i pojawiaj si konwulsje. Dalszy wzrost T do 45oC powoduje denaturacj biaka (zmiany w strukturze prowadzce do utraty aktywnoci biologicznej) i mier. Gdy temperatura ciaa (tzw. temperatura gboka ciaa Core Temperature) obniy si do 33oC, to funkcje nerwowe si obniaj a do utraty przytomnoci.

Poniej 30oC uszkodzony zostaje system regulujcy temperatur, a w 28oC pojawia si migotanie serca i nastpuje mier. Czowiek pracujcy na zewntrz, gdzie zmiany temperatury mog by w zakresie + 40oC do - 30oC przeyje jeeli bdzie odpowiednio ubrany tak, aby organizm mg utrzyma temperatur ciaa w wskim zakresie. Termiczne wasnoci ciaa ludzkiego Cakowita szybko grzania (dQ/dt)tot ciaa ludzkiego jest rwna: (dQ/dt)tot = (dQ/dt)met + (dQ/dt)control (dQ/dt)out gdzie: (dQ/dt)met metabolizm +aktywno fizyczna; (dQ/dt)control produkcja lub usuwanie ciepa z ciaa przez system regulujcy; (dQ/dt)out straty ciepa przez skr, konwekcj i wypromieniowanie. Zakadajc, e ciao ma jednakow temperatur (Tc gbok ciaa) mona napisa: (dQ/dt)tot = C(dT/dt) gdzie C[cal/oC] - pojemno cieplna ciaa np. dla cw~0.83kcal/(oC.kg) i dla czowieka o masie 70kg C~58kcal/oC . (dQ/dt)tot = 58kcal/oC (dT/dt) 13 Z danych dla BMR: (dQ/dt)basal = 70kcal/godz. = Po std: (dQ/dt)met=m. Po 1 Z1(woda/metal), to R 1. Aby wprowadzi ultradwiki do drugiego orodka naley zastosowa warstw substancji sprzgajcej np. el. Wspczynnik transmisji (przenikania) T natenia fali: R+T=1 T = (4Z1Z2)/(Z1+ Z2)2

Przetwornik piezoelektryczny jako rdo i detektor ultradwikw Przetwornik przetwarza energi np. elektryczn na energi akustyczn (ultradwiki)rdo i energi akustyczn (ultradwiki) na energi np. elektryczn detektor. Zjawisko piezoelektryczne proste (odkryte w 1883r. przez P. i J. Curie): Pe~naprenia mechanicznego (detektor). Zjawisko piezoelektryczne odwrotne: naprenie mechaniczne~napicia U (rdo). Materia piezoelektryczny: kwarc (SiO2). Podstawy ultrasonografii i parametry obrazu Obrazowanie ultrasonograficzne wykorzystuje metod : IMPULS - ECHO (Rys.1.8) Sposoby prezentacji obrazu echa: Prezentacja A (Amplitude) echoskop ultradwikowy Przetwornik piezoelektryczny wytwarza krtkie impulsy i nastpnie rejestruje echo, ktre powraca z odlegoci d po czasie t = 2d/c gdzie c jest prdkoci fali ultradwikowej w orodku. Przykad na Rys.3.2 dla badania gaki ocznej. Z rnicy t2 t1= 2(d2 d1)/c mona wyznaczy wymiar L struktury: L = (d2 d1) = c (t2 t1)/2 Prezentacja B (Brighteness) echa ultradwikowe zamieniane s na plamki na ekranie monitora, ktrych jasno jest proporcjonalna do amplitudy echa. Obraz odwzorowuje si w rnych odcieniach szaroci (16, 32 i 64 poziomy) lub w kolorze. Oko ludzkie rozrnia od 30 do 40 poziomw jaskrawoci.

Dwuwymiarowa prezentacja B (Rys.3.9) amplituda echa wpywa na jasno plamki jw., nastpnie przesuwajc gowic otrzymuje si now lini ech. Powtarzajc ten proces gsto otrzymuje si obraz 2D. Prezentacja M (Motion) rozjaniane s jedynie miejsca pojawiania si ech : na ekranie o pionowa (y) pooenie echa, a o pozioma (x) czas (Rys.3.5 i 3.6). Metoda stosowana jest w badaniach czynnoci i struktur serca, w badaniach ttniakw i inn. Obrazowanie 3D (Rys.3.27) Parametry obrazu Rozdzielczo przestrzenna r. osiowa (poduna) zaley od dugoci impulsu, r. poprzeczna zaley od szerokoci wizki (Rys.2.7), r. w elewacji zaley od gruboci warstwy obrazowanego narzdu. Rozdzielczo czasowa definiowana jest jako ilo niezalenych obrazw rejestrowanych w jednostce czasu (od kilku do ok.30/s) Rozdzielczo kontrastowa zdolno systemu pomiarowego do wytwarzania rozrnialnych obrazw tkanek jednorodnych rnicych si poziomem echogenicznoci.

Pomiary w ultrasonografii: Liniowe (Rys.3.33 i 3.34) Powierzchni (Rys.3.35) Objtoci (Rys.3.36) Przykady zastosowa medycznych Na Ryc. 374 i 375 pokazano rne rodzaje gowic ultradwikowych, a na Rys. 3.10 ksztat uzyskiwanych obrazw ultrasonograficznych. Na Ryc.373 przedstawiony jest uniwersalny ultrasonograf z kompletem gowic ultradwikowych. Metod oceny ultrasonografw pod ktem poprawnoci obrazowania jest wykonanie kontrolnych ultrasonogramw dla wzorcw symulujcych tkanki (Rys.3.37, 3.38, 3.39, 3.40). Zbudowane s one z materiaw tkanko-podobnych pod wzgldem akustycznym (prdko dwiku, rozproszenie i tumienie) warunki te spenia elatyna z dodatkami proszku wolframowego, grafitu itp.. Ultrasonografia jest szeroko stosowana w badaniach ukadu krenia: Badanie wasnoci sprystych ciany ttnicy szyjnej (metod impuls-echo wyznacza si wewntrzne rednice max i min- ttnicy szyjnej, do ktrych odnosi si odpowiednio cinienie skurczowe i rozkurczowe krwi, miezone mankietem w ttnicy ramiennej);

Badania dopplerowskie daj informacj o funkcji i dynamice narzdu.

Przykad: dla ttnicy szyjnej prdko krwi w skurczu jest 0.5m/s, w rozkurczu 0.1m/s. Prdko ultradwikw w krwi jest c = 1570m/s, czstotliwo nadawcza fn=4MHz, czstotliwo fd rejestrowanego echa (od erytrocytw): fd = 2 fn(v/c) gdzie v jest prdkoci przepywu krwi. Dla rozkurczu fdr=510Hz, a dla skurczu fds=2548Hz Rozrnia si nastpujce wersje tego badania: a) metoda fali cigej przetwornik wysya fal w sposb cigy. Pomiar przesunicia dopplerowskiego f w detektorze czstotliwoci. Metoda stosowana jest w prze-skrnych i rd-operacyjnych pomiarach przepywu krwi; b) metoda impulsowa pomiar przepywu krwi na wybranej gbokoci. Stosowana w pomiarach rzutu minutowego serca, ocenie przpyww rdczaszkowych, w poonictwie i inn. W tabeli zestawiono wskazania do badania ultradwikowego. Bezpieczestwo bada ultrasonograficznych Wybr dopuszczalnej mocy fali ultradwikowej dokonywany jest tak aby zminimalizowa efekty biologiczne. W Europie wartoci te podaje IEC (International Electrotechnical Commission), a w USA FDA (Food and Drug Administration) Center for Devices and Radiological Health. Obecny poziom dopuszczalnej mocy dla wszystkich zastosowa klinicznych w diagnostyce, to 720mW/cm2. Termografia Wprowadzenie Podstawy fizyczne Przykady zastosowa w medycynie Wprowadzenie Termografia (TI=Thermal Imaging, DITI=Digital Infrared Thermal Imaging, MII=Medical Infrared Imaging) jest technik polegajc na przetworzeniu promieniowania termicznego, emitowanego przez przedmiot (krajobraz) na obraz widzialny dla oka. Zalety termografii: pomiary mona wykonywa niezalenie od pory dnia bez uycia zewntrznego rda wiata, idealna jest do detekcji gorcych lub chodnych obiektw lub obszarw o rnej zdolnoci emisyjnej,

promieniowanie termiczne (podczerwie IR Infrared) przenika przez dym, mg atwiej ni wiato widzialne (VIS Visible), jest technik czasu rzeczywistego.

Jest stosowana m. inn. w przemyle, meteorologii, medycynie i w wojsku. Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Podstawy fizyczne Promieniowanie temperaturowe: kade ciao o temperaturze T emituje w sposb cigy promieniowanie elektromagnetyczne, ktrego widmo i ilo wypromieniowanej energii w jednostce czasu zale od T i zdolnoci emisyjnej. Ciao doskonale czarne jest ciaem, ktre absorbuje cae (100%) padajce na nie promieniowanie i odwrotnie jest doskonaym emiterem. Prawo Plancka opisuje moc emisyjn W (lub liczb emitowanych fotonw P) i jej zaleno od dugoci fali oraz temperatury T ciaa:

W(, T) = 2hc2/{ 5 [e(hc/ kBT) 1]} P(, T) = 2c/{ 4 [e(hc/2kBT) 1]}

[W cm-2m-1]

[l.fot. s-1cm-2m-1]

gdzie h 6.625x10-34 J.s (staa Plancka), c 3x108m/s, kB = R/NA staa Boltzmanna Na Fig. 1.1 przedstawiono zaleno W i P od dugoci fali dla trzech temperatur ciaa doskonale czarnego: 290K, 500K i 1000K. Prawo przesuni Wiena dla W(, T) dla P(, T) mWx T = 2898m.K mPx T = 3670m.K np. dla T=290K mW =10.0m mP =12.7m

Maksima emisji promieniowania wykorzystywane w termografii le w zakresie dugoci fali od 2 do 15m. Na Fig.1.2 przedstawiono przepuszczalno (transmisj [%]) IR przez warstw atmosfery ziemskiej o gruboci 1km. Bardzo silna absorpcja wystpuje dla pary

wodnej i dwutlenku wgla. W wyniku tego stosuje si dwa okna pomiarowe (o dobrej przepuszczalnoci): 8-13m dla obiektw o temperaturze pokojowej (ze wzgldu na lepsz przepuszczalno) 3-5m dla gortszych obiektw. Pomiar temperatury: Jakociowy, Ilociowy. i

DETEKTORY IR stosowane w termografii dziel si na: Detektory termiczne (bolometry: R=R(T); cieke krysztay cholesterolowe: selektywne odbicie; detektory pyroelektryczne: zmiany temperatury powoduj zmiany polaryzacji elektrycznejmateriay pyroelektryczne: TGS-Triglycine Sulphate albo PZT-Lead Zirconate Titanate - ceramiczny). Detektory kwantowe (fotonowe) s to pprzewodniki, ktrych przewodno elektryczna () zmienia si w wyniku absorpcji energii

fotonu Ef jeeli Ef Eg gdzie Eg jest szerokoci przerwy energetycznej w pprzewodniku. Ef =hf hc/ std czstotliwo odcicia fc=Eg/h dla f < fc zjawisko nie zachodzi, dugo fali odcicia c=hc/Eg dla >c te nie zachodzi. Istniej dwa rodzaje detektorw fotonowych: fotoprzewodniki (PhotoConductive Detectors PC) fotodiody i detektory zczowe (PhotoVoltaic Detectors PV).

W tabeli 1.2 podano przykady detektorw wraz z temperatur ich pracy oraz c. Dla uzyskania maksymalnej czuoci termicznej buduje si zestawy detektorw o konfiguracji: szeregowej, rwnolegej i szeregowo-rwnolegej. W tabeli 1.1 zestawiono podstawowe parametry (najczciej stosowanych) czujnikw temperatury. MATERIAY W UKADACH OPTYCZNYCH IR Na Fig.1.10 pokazano zaleno transmisji (przepuszczalnoci) materiaw

optycznych stosowanych w IR od dugoci fali. Najczciej stosowanymi materiaami s MgF2 i Al2O3 dla pasma 3-5m (powierzchnie odbijajce), Si (3-5m) i Ge (8-13m) na soczewki. Pokrycia anty-odbiciowe pokrywaj powierzchnie soczewek i okienek. Wspczynnik odbicia R dla promieniowania padajcego prostopadle jest rwny: R = (n-1)2/(n+1)2 Np. dla Ge n=4 R=0.36 Z teorii cienkich warstw mona obliczy grubo warstwy d z materiau 1 (n1) do pokrycia podoa 2 (n2): (n1)2 = n2 n1d = /4 Np. Ge n2=4, std n1=2 (diament) i dla =10 m d=1.25 m Na Rys.2.1 przedstawiono schemat blokowy pirometru (przyrzd do punktowego pomiaru temperatury)/termografu (przyrzd do obrazowania rozkadu temperatury na powierzchni badanego obiektu). W praktyce termograficznej wikszo obiektw jest nieprzeroczysta. Elementy toru pomiarowego: stosuje si systemy soczewkowe (refrakcyjne) i systemy zwierciadlane (refleksyjne). W tabeli 3.1 zestawiono ich cechy. W systemach refrakcyjnych soczewki najczciej wykonane s z monokrysztau Si (nSi3.6, transmisja IR w zakresie 1.5 -14m) lub Ge (nGe 4.1, transmisja IR w zakresie 2 -20m). Wspczynniki odbicia R s wysokie (niska transmisja) dla obu materiaw i dlatego soczewki pokrywa si warstwami przeciwodbiciowymi, zwikszajcymi transmisj do ponad 90%. Zwierciada wykonuje si ze szka pokrytego warstw odbiciow ze zota. Parametry charakteryzujce detektor: znormalizowana wykrywalno widmowa (okrela stosunek sygnau do szumu znormalizowanego wzgldem pasma czstotliwociowego ukadu pomiarowego I powierzchni detektora) [cm.Hz1/2W-1] Rys.3.5, wykrywalno temperaturowa (podaje jaki jest stosunek sygnau do szumu przy zmianie temperatury rda (ciao doskonale czarne) o 1oC, minimalna wykrywalna rnica temperatury (podawana tylko dla wybranej temp.), maksymalna warto mierzonej mocy, oraz: wymiar obszaru czynnego detektora, staa czasowa i fc.

Systemy obrazowania Na rys. 3.8 przedstawiono jeden z pierwszych systemw zawierajcy jeden detektor termiczny (termistor) oraz jedno zwierciado skanujce obiekt w poziomie i w pionie. Nastpnie wprowadzono detektory pprzewodnikowe z InSb (chodzone) 26m, Potem detektory HgCdTe i kamery dugofalowe, pracujce w pamie 7-14m. Pojedyncze detektory zastpiono linijkami detektorw, co zwikszyo szybko rejestracji obrazu (Rys.3.9). Od 2000r. produkuje si kamery z nie chodzonymi matrycami FPA( Focal Plane Array), pracujcymi w paszczynie ogniskowej systemu optycznego. Detektorami s bolometry rezystancyjne i piroelektryczne. Przykady zastosowa w medycynie Termografia umoliwia wykrywanie wielu chorb we wczesnym stadium np. nowotworw, zmian zapalnych, zmian w mikro-kreniu,wkniako-miniakw, toksyn i inn., ktrych nie mona stwierdzi ani w konwencjonalnej diagnostyce rentgenowskiej, ani w CT ani w MRI. Obecne kamery rejestruj zmiany temperatury ~10-2 oC. Badania termograficzne mog by prowadzone w sposb statyczny lub dynamiczny. TERMOGRAFIA STATYCZNA Oto kilka przykadw: badanie sutka (piersi): piersi zdrowe

stan zapalny zatok, choroby ozbnej, przekrwienie wzw chonnych Ble plecw Cukrzyca we wstpnym stadium pojawia rkawiczka Nerki i jelita

TERMOGRAFIA DYNAMICZNA Na Rys. 7.1 pokazano proces badania dynamicznego, a na Rys.7.2 stanowisko do bada dynamicznych w podczerwieni.

Na Rys. 7.3 przedstawiono sposoby pobudzenia w termografii impulsowej. Przykady zastosowa: Diagnostyka oparze, Monitoring rd-operacyjny w kardiochirurgii, Diagnostyka nowotworw piersi.

Diagnostyka fotodynamiczna (PhotoDynamic Diagnosis) Wprowadzenie Podstawy fizyczne Przykady zastosowa PDD i PDT Wprowadzenie Podstaw nieinwazyjnej metody diagnostycznej (PDD - PhotoDynamic Diagnosis) i terapeutycznej (PDT - PhotoDynamic Therapy) stanowi wykorzystanie promieniowania optycznego i selektywnego wizania niektrych foto-czuych barwnikw (tzw. fotouczulaczy) z tkankami zmienionymi nowotworowo. Metoda PDD nie wymaga pobrania tkanki do analizy. Podstawy fizyczne W metodzie PDD wykorzystuje si zjawisko fluorescencji optycznej wywoane w tkance, do ktrej uprzednio wprowadzono fotouczulacz, a nastpnie owietlono promieniowaniem laserowym o energii (dugoci fali) powodujcej wzbudzenie. Zjawisko fluorescencji i fosforescencji przedstawia diagram Jaboskiego. Odziaywanie fal elektromagnetycznych z materi

Diagram Jaboskiego Emisja fotonu w wyniku zjawiska fluorescencji F nastpuje po 10-7 10-12s od chwili wzbudzenia. Natomiast emisja fotonu w wyniku zjawiska fosforescencji P zachodzi po czasie kilku godzin, a w niektrych przypadkach nawet kilku dni.

W

i e l k P

o c i D T

d

o z y m

e t r y c z n

e

P

a r a m e t r y sW y g an s a n o c i f o t W c h a e s mn oi c zc n eo p u o i o p t y c z n e g o u c z u l a c z a o r o d k a D u p r o m g o f a l S t e n i e n i o w a n i a i e w Fi ao t t o a s t a b i e W s p c z y n a b s o r p c j i

n

N

a t e n

i l n

o W s p c z y n n r o z p r a s z a n o r

C

z a s

n

a w

i eW t l ya dn a aj n o k w G a r n u t b o ow a i t w o r z e n i a R O S

System D-Light C firmy Karl Storz (Niemcy) Jest to urzdzenie endoskopowe, w ktrego skad wchodz: silne rdo wiata (niebieskie), specjalny teleskop oraz bardzo czua kamera endoskopowa. Pod wpywem wiata niebieskiego obszar nowotworowy (do ktrego uprzednio wprowadzono fotouczulacz) wieci na czerwono w wyniku zjawiska fluorescencji. Natomiast tkanka zdrowa wykazuje kolor niebieski. W wietle biaym taka rnica nie jest moliwa. D-Light C moe by te wykorzystany do badania procesw autofluorescencji (AF=Autofluorescence) substancji pod bon luzow, ktre wzbudzane wiatem o okrelonej dugoci fali ulegaj chwilowemu wzbudzeniu i nastpnie wracaj do stanu podstawowego wysyajc foton o innej dugoci fali ni fala wzbudzajca. Metoda PDD i AF znajduje zastosowanie w bronchoskopii, urologii, neurochirurgii, laparoskopii i ginekologii. Poniej pokazano przykad obrazw pcherza moczowego, otrzymanych przy uyciu systemu D-Light z wykorzystaniem biaego (WLC=White Light Cytoscopy) i wiata niebieskiego (PDD). Nowotwr brodawkowy wieci intensywnie na kolor czerwony pod wpywem wiata niebieskiego, a czerwone plamki (luz) mog by objawem nowotworu zoliwego w miejscu (in situ).

Rezonans magnetyczny Wprowadzenie Wasnoci magnetyczne atomw Magnetyczny rezonans jdrowy (MR = Magnetic Resonance)

Zastosowania medyczne MR Wprowadzenie Metody rezonansw magnetycznych: EPR (Electron Paramagnetic Resonance) zjawisko odkryte przez E. Zawojskiego (ZSRR) w 1945 r. ESR (Electron Spin Resonance) NMR (Nuclear Magnetic Resonance) MR (Magnetic Resonance) Magnetic Resonance) zjawisko odkryte przez Felixa Blocha i wsp. (Stanford University, Stanfors, CA, USA) oraz Edward M. Purcella i wsp. (Harvard University, Cambridge, MA, USA) Nagroda Nobla 1952 r. FMR (Ferromagnetic Resonance) AFMR (Antiferromagnetic Resonance) NQR (Nuclear Quadrupole Resonance ) ENDOR (Electron Nuclear Double Resonance) AEPR (Acoustic Electron Paramagnetic Resonance) ANMR (Acoustic Nuclear Magnetic Resonance)

Wasnoci magnetyczne atomw dipolowy moment magnetyczny elektronw zwizany z ruchem orbitalnym: l = - (e/2me) L zwizany ze spinem: s = - (e/me) S magneton Bohra: B = e h/ (4 me) 9.27x10-24J/T gdzie e=1.6x10-19C adunek elementarny; h staa Plancka; me=9.1x10-31kg masa elektronu Wartoci momentw magnetycznych wybranych atomw podano w tabeli. Przenikalno magnetyczn prni o 4.10-7H/m Wzgldna przenikalno magnetyczna: r = / o Diamagnetyki r < 1 Paramagnetyki r > 1 Ferromagnetyki r >> 1 dipolowy moment magnetyczny jdra I = g I N I gdzie gI wspczynnik giromagntyczny; N= eh/(4mp) 5.05x10-27J/T; mp 1.67x10-27kg masa protonu

Moment magnetyczny wolnego protonu p 2.7928N (Fig.3-2) Moment magnetyczny neutronu n -1.9135N (Struktura subtelna widm : J = L + S; struktura nadsubtelna: F = J + I )

Namagnesowanie (magnetyzacja) N = limV->0[ i /V] [A/m] Cakowite pole magnetyczne B w danym orodku jest sum zewntrznego pola Bo i pola N wytworzonego przez atomy orodka. Warto magnetyzacji zaley od wartoci zewntrznego pola magnetycznego.

Magnetyczny rezonans jdrowy (MR = Magnetic Resonance) Jeeli dipol magnetyczny znajdzie si w polu magnetycznym o indukcji B, to dziaa na niego moment siy M: M=xB powodujc zmian momentu pdu I (ruch precesyjny): dI/dt = x B , ale = I , gdzie dla protonu p = 2.675.108s-1T-1

co powoduje te zmian (ruch precesyjny): d/dt = ( x B) z czstoci Larmora L = B . Wartoci L przy B=1T podano poniej dla kilku wybranych jder.

Jdro H-1 F-19 P-31 Na-23

L [MHz] 42.58 40.05 17.24 11.26

Kademu ustawieniu I (a tym samym ) odpowiada inna energia E: E = . B E = . B cos< (,B) Z mechaniki kwantowej wiadomo, e moliwe ustawienia okrela magnetyczna liczba kwantowa mI dla I , co dla protonu (I=1/2) daje mI =+/- (1/2)

i E+ = + (1/2)(phB/2) dla spinw skierowanych do gry (niszy poziom energetyczny), a E- = - (1/2)(phB/2) dla spinw skierowanych w d (wyszy poziom energetyczny) - (h staa Plancka). Rnica energii midzy tymi poziomami jest: E = phB/2 = Lh/2 i jeeli dostarczymy promieniowanie elektromagnetyczne o czstotliwoci fo (o=2 fo) speniajcej warunek rezonansu: h fo =E fo = E/h o = L foton hfo zostanie pochonity i ukad przejdzie ze stanu E+ do stanu E- ! W tabeli 10.1 zestawiono gwne rodzaje widm czsteczkowych wraz z widmami EPR i MR. Na Fig.3-3 pokazano schematycznie precesj jdra i rezonans w polu mgt. Na Fig. 3-1 przedstawiono schematycznie zasad NMR, a na Fig.3-4 proces wzbudzenia jdra przez sygna RF oraz na Fig.3-5 odwzbudzenie jdra i emisj sygnau RF. Przesunicie chemiczne (chemical shift) czstotliwoci rezonansowej spowodowane jest otoczeniem, co pokazano dla protonu w tuszczu i w wodzie (Fig.3-6). Podstawowe elementy systemu obrazowania MR znajduj si na Fig.2-1. Pacjent umieszczony jest w polu mgt. (Fig.2-2), wytworzonym przez nadprzewodzcy elektromagnes (obecnie B 7T) lub jak na Fig.2-3 magnes stay (B>1 Cechy ludzkiego organizmu istotne w aspekcie dziaania pola EM: Masa o rnej gstoci i rnych wasnociach dielektrycznych, Ramowa konfiguracja przekroju w paszczyznach do dugiej osi organizmu, Wasnoci elektryczne i magnetyczne tkanek (r , , r), Budowa czonowa: gowa tuw, koczyny, Budowa warstwowa: skra, tuszcz, minie, bony, koci- powodujca odbicie i zaamanie fali, Skadniki wykazujce zjawiska piezoelektryczne i rezonansowe, Przebiegi elektryczne (potencjay, EKG, EEG i inne), bdce wynikiem ruchu jonw, metabolizmu i funkcji, Ukady koordynujce i scalajce: nerwowy, hormonalny i odpornociowy, Podatno do akumulacji adunkw elektrostatycznych (zwaszcza na powierzchni), Brak swoistych receptorw dla fal EM

Elektroterapia Wasnoci elektryczne tkanek Tkanki stanowi ukad dielektrykw (np. woda), przewodnikw jonowych i pprzewodnikw, co schematycznie mona przedstawi jako przestrzenn sie poczonych szeregowo pojemnoci i opornoci. Mikroskopowy opis wasnoci elektrycznych tkanek umoliwia zrozumienie wpywu na nie pola elektrycznego E (natenie pola): a) dipol elektryczny pe=ql w polu E dziaa na niego moment siy M=pe x E ustawiajc go w kierunku pola i powodujc pojawienie si polaryzacji elektrycznej Pe ~E b) jony - na adunek q dziaa sia F = qE , powodujc ich ruch przepyw prdu

Oddziaywanie pl EM na organizm a) stae pole elektryczne (Fig.415) Indukuje dipole elektryczne i dziaa na dipole trwae powodujc polaryzacj elektryczn Pe = eoE [C/m2] Indukowanie prdu staego: na kady swobodny adunek elektryczny q dziaa sia F = qE , gsto prdu j ~E

Przepyw prdu moe powodowa zmian koncentracji jonw i miejscowe rnice potencjaw. Indukowanie na powierzchni ciaa adunkw elektrycznych. b) stae pole magnetyczne Oddziaywanie elektrodynamiczne sia Lorentza Fm = qvxB dziaa na poruszajce si jony np. w krwi, co prowadzi do powstawania potencjaw elektrycznych, widocznych w obrazie EKG przy B = 1T; Oddziaywanie magnetomechaniczne: moe wystpi albo ruch obrotowy dla struktur o anizotropii magnetycznej np. dla DNA a osignie minimum energii potencjalnej albo ruch postpowy czstek para- i ferromagnetycznych w polu niejednorodnym o gradiencie ~125T/m; Oddziaywanie na stany spinowe elektronw przy polach ~mT zjawiska kwantowe, zachodz etapowo i w etapie porednim powstaj rodniki, ktrych oddziaywanie chemiczne zaley od stanu spinowego. Jeeli stan spinowy ulegnie zmianie, to zmieni si kinetyka reakcji.

c) zmienne pole elektryczne Wystpuje zaleno = (f) i = (f). Energia rozproszona w dielektryku jest ~E2 , a wspczynnik stratnoci zaley od oraz C ukadu, a te zale od f. Pojemno elektryczna czowieka w pozycji stojcej 100pF. Dla maych f zjawiska relaksacyjne, przy czym zaleno = (f) moe by nieliniowa. Energia Ee deponowana w organizmie powoduje jego nagrzewanie dielektryczne: Ee = CV2/2. Pole o f = 50Hz fala EM 6000km wymiary obiektw biologicznych 4-6min Denaturacja biaka/ koagulacja/ usuwanie (ablacja)/ odparowywanie

Mechanizm dziaania

Zamarzanie/ odtajanie. Rozerwanie bony komrkowej

Wynik

Natychmiastowe niszczenie komrki.

Przyspieszona naprawa tkanki.

Szybka (natychmiast) mier komrki

Widmo czstotliwociowe promieniowania elektromagnetycznego Czstotliw o f [Hz] Rodzaj promieniowania i zastosowanie Energia fotonu hf [eV] Jonizuj ce

>1021 1018 1015 1012 109 103 0

Promienie gamma terapia nowotworw Promienie X diagnoza Ultrafiolet sterylizacja wiato widzialne telekomunikacja i medycyna Podczerwie telekomunikacja, medycyna, grzanie i widzenie w nocy RF i MW promieniowanie (3kHz-300GHz) radar, satelity, TV, nawigacja, telefonia komrkowa, przemys (grzanie) i medycyna Pola ELF (Extremely Low Frequency) 0-3kHz silniki, pocigi, metro, kineskopy Prd stay

>106 103 1 10-3

Tak Tak Nie Nie Nie Nie

Laseroterapia Laser jest rdem wiata monochromatycznego, koherentnego (spjnego), emitowana wizka jest rwnolega i posiada moc kilka rzdw wielkoci wiksz ni konwencjonalne rda wiata. Istniej rne rodzaje laserw: gazowe, stae, pprzewodnikowe i cieczowe. Emituj one promieniowanie optyczne w penym zakresie tj. od nadfioletu do podczerwieni. W terapii wykorzystuje si promieniowanie nadfioletowe, widzialne i podczerwone. Lasery terapeutyczne dzielimy na chirurgiczne i biostymulacyjne. Lasery chirurgiczne do niszczenia fotoablacyjnego i maj moce sigajce do GW przy impulsach trwajcych pikosekundy). Fotoablacja powoduje rozbicie zwizkw chemicznych oraz uwolnienie elektronw i jder atomowych, co daje efekt mikrowybuchu z wyparowaniem materii i z pominiciem procesw termicznych.

Innym przykadem jest terapia fotodynamiczna, w ktrej promieniowanie laserowe powoduje niszczenie tylko tej tkanki ( np. nowotworowej), w ktrej zostaa zaabsorbowana substancja zwana fotouczulaczem. Oddziaywanie promieniowania podczerwonego na organizm ludzki polega na dziaaniu ciepa, ktre powoduje zwikszony przepyw krwi ttniczej w wyniku rozszerzenia naczy wosowatych skry, zmniejszenie napicia mini, wzmoenie przemiany materii oraz pojawienie si skutkw wynikajcych z dziaania ciepa. W biostymulacji wykorzystuje si bezporednie dziaanie wiata laserowego na procesy tkankowe bez uszkodzenia tkanki. Uywa si promieniowanie z zakresu podczerwieni i czerwieni, poniewa ono najgbiej przenika do tkanek, oraz mocy 1 do 500 mW. Moc ta jest za saba aby wywoa efekt termiczny. Czas trwania impulsw generowany przez wikszo laserw nie przekracza 200 ns. Podzia medyczny laserw biostymulacyjnych: sabe do 5mW rednie od 6 do 100 mW silne powyej 100 mW

Zabiegi kontaktowe (na uszkodzonej skrze) i bezkontaktowe. Procesy zachodzce przy nawietlaniu promieniowaniem laserowym: a) odbicie i rozproszenie promieniowania - napotykajc skr ulega odbiciu od 20 do 80% padajcego promieniowania zalenie od barwy i struktury, ale te od odlegoci gowicy lasera od skry i geometrii wizki. b) absorpcja i przenikanie, ktre zale od dugoci fali oraz skadu chemicznego i budowy tkanek. Woda absorbuje promieniowanie o dugoci fali krtszej od 400 nm i duszej od 1100 nm. Pomidzy tymi wartociami znajduje si "okno optyczne, przez ktre promieniowanie wnika w gb tkanek. W oknie tym hemoglobina absorbuje promieniowanie zielone o dugoci fali 600 nm, a melanina absorbuje pasmo do 700 nm. Najgbiej docieraj fale z zakresu od 700 -1100 nm. Jest to skrajne promieniowanie czerwone i podczerwone. Wnika ono na gboko od 1-2 mm, sigaj wic do skry waciwej. Jednak 35% tego promieniowania jest absorbowana w czci zrogowaciaego naskrka, a dalsze 30 - 40 % w nastpnych warstwach. c) Przykady zastosowa laseroterapii: dziaanie przeciwblowe, ostre procesy chorobowe, zesp blowy krgosupa, w neurologii, po urazach narzdu ruchu, po operacjach, w stanach wymagajcych pobudzenia gojenia ubytkw tkankowych, w procesie regeneracyjnym, w chorobie zwyrodnieniowej staww, w gocu tkanek mikkich, w chorobach dermatologicznych ( blizny, wykwity, ylakowate owrzodzenia podudzi), w chorobach laryngologicznych, w chorobach oczu, w stomatologii.

d) Terapeutyczne lasery skadaj si ze sterownika (cz zasilajca i kontrolna) i aplikatora (laser). e) Zalet zabiegw z uyciem lasera jest brak fizycznego kontaktu narzdzia z tkankami leczonej osoby, dziki czemu praktycznie eliminuje si ryzyko zakaenia; ponadto precyzja zabiegu jest zazwyczaj znaczco wysza, ni przy uyciu technik klasycznych.

Radioterapia Wprowadzenie Radioterapia jest jedn z metod leczenia nowotworw, wykorzystujc promieniowanie jonizujce otrzymywane z uyciem akceleratorw lub rde promieniotwrczych. Powszechnie stosuje si promieniowanie X (promieniowanie hamowania), elektrony i promieniowanie gamma. Obecnie rozwija si terapia hadronowa z uyciem protonw lub jder C-12. Celem radioterapii jest wyleczenie nowotworu, przy moliwie najmniejszym uszkodzeniu tkanek zdrowych, znajdujcych si w jego pobliu. Jeeli rdo promieniowania znajduje si z dala od pacjenta metod leczenia nazywamy teleradioterapi, a gdy umieszczone jest wewntrz chorej tkanki lub w jej ssiedztwie to jest to brachyterapia. Wpyw promieniowania jonizujcego na komrk Promieniowanie jonizujce przechodzc przez orodek materialny np. tkank oddziauje z atomami i czsteczkami, jonizujc je lub wzbudzajc, czego wynikiem jest przekazywanie energii orodkowi. W ukadach biologicznych oddziaywanie to prowadzi do zmian w komrkach. Radiobiologia opisuje szczegowo te zmiany i wyjania mechanizmy dziaania promieniowania jonizujcego na ukady biologiczne..

Skutki biologiczne promieniowania zale od dawki pochonitej D[Gy] i rwnie od rodzaju promieniowania oraz od napromienianej tkanki. Dawka rwnowana (HT), zdefiniowana dla danego narzdu (tkanki), uwzgldnia rodzaj promieniowania poprzez wprowadzenie wspczynnika wagowego promieniowania (wR): HT = wR x DT,R [Sv] gdzie - suma obejmuje wszystkie rodzaje promieniowania (R), padajcego na dany narzd (tkank): DT,R jest redni dawk promieniowania ( R ) pochonit przez narzd (T). W tabeli 1 podano wartoci wspczynnikw wagowych (jakoci) promieniowania (wR).

Tabela 1. Wartoci wspczynnikw wagowych promieniowania (wR ). Rodzaj promieniowania i zakres energii Promieniowanie X i gamma (wszystkie energie) Elektrony i miony (wszystkie energie) Protony o energii powyej 2 MeV (z wyczeniem protonw odrzutu) Czstki alfa, fragmenty rozszczepienia, cikie jdra Neutrony o energii