BIOFIZIKA Vázlatok

A biofizika helye a tudományok között A fizika neve az ógörög ϕ ιζισ [természet] szóból ered. Tulajdonképpen minden ma ismert természettudomány alapjának tekintjük A biofizika az élő anyagot vizsgálja a fizika kutatási módszereivel.

A természettudományos megismerés induktív útja 1. lépés: megfigyelés A természeti jelenséget érzékszerveinkkel megfigyeljük, tapasztalatainkat leírjuk, összegezzük 2. lépés: kísérlet Ha már elegendő tapasztalatunk van a jelenségről, gyakran mesterségesen is meg tudjuk teremteni azokat a körülményeket, hogy az.tetszőleges sokszor. bekövetkezzék, a tapasztalatokat összegezzük

A természettudományos megismerés induktív útja 3. lépés: mérés 4. lépés: törvényfeltárás A mérési adatok ismeretében felismerjük a természeti törvényt, amelyet szóban, a matematikai fogalmak segítségével megfogalmazunk. A könnyebb megjegyezhetőség, illetve más kényelmi okok miatt matematikai képletek, egyenletek formájában is leírjuk.

A természettudományos megismerés induktív útja 5. lépés: modellalkotás 6. lépés: az ismeretek alkalmazása A fizikai törvények ismerete teszi lehetővé, hogy azokat tudatosan alkalmazzuk. Ez. főleg az alkalmazott tudományok /mint például a mérnöki, orvosi, tudományok stb./ feladata.

Alapvető fizikai ismeretek a mecha- nikából A mechanika a fizikának az a fejezete, amely a mozgások (és az egyensúly) leírásával foglalkozik. Ezen belül a mozgások leírását kinetikának is szokták nevezni. A dinamika feladata az, hogy az egyes mozgások ok - okozati összefüggéseit tisztázza

Egyszerű mozgások F e a ∆v (∆I)

Egyenes vonalú egyenletes mozgás: F e = 0; a = 0; v = áll. s = vt

Egyenes vonalú egyenletes mozgás:

Egyenes v. egyenl. vált. mozgás: (v 0 = 0): F e = ma; a = áll. v = at s =a/2*t 2

Egyenletes körmozgás

Egyszerű mozgások Egyenletes körmozgás. Centripetális erő: azaz erőhatás, amely a testet körpályára kényszeríti. F cp = ma cp = mrω 2 Kerületi sebesség: v k = rω

Impulzus I=mv [kgm/s] Zárt rendszerben: ΣI=állandó Rakéta elv

Ballisztokardiográfia Az impulzusmegmaradás elvén működő szerkezet Egy könnyen mozgó asztalon a beteg, az asztal helyzetváltoztatását és a sebességet regisztráló detektorokkal ellátva A bal kamrából kilökődő vér az aortaívbe, vmint az aorta descendesbe áramlik, ellenkező irányba a test elmozdul, ezt lehet mérni Meghat. Perctérfogat, szívizomzat erőbeni állapota, szívműködés fázis ideje

Munka, energia Fizikai értelemben akkor beszélünk munkavégzésről, ha erő hatására elmozdulás történik. W = Fs [Nm = J] (W = F*r ) Energia = (a benne rejlő munka): A testek munkavégző képessége.

Munkavégzés esetei (munkafajták): 1. Emelési munka: W e = mgh 2. Gyorsítási munka: W gy = 1/2mv 2 Konzervatív erő, amelynek a munkája független az úttól, a test az elvégzett munkát megőrzi, elkonzerválja 3. Súrlódási munka: W s = μmgs 4. Rugalmas erő munkája:

Energiafajták 1. Helyzeti energia: a felemelt testnek van. E h = W = mgh 2. Mozgási energia: a mozgó testnek van E m = W gy = ½ mv 2 3. Rugalmas energia: E r = W r = ½ Dx 2 Ha csak konzervatív erők hatnak, a mechanikai energiák összege állandó

Ergométer Az izom munkájának mérése mechanikai munka összevetésével

Merev test mechanikája Merev test: Kiterjedése van, bármely két pontjának egymáshoz viszonyított helyzete változatlan Forgatónyomaték: erő*erőkar; M = Fk [Nm] Forgási tehetetlenség (tehetetlenségi nyomaték): (teta) θ = mr 2 Forgásmennyiség (perdület): N = θω

Merev test mechanikája Egyensúly feltétele: ΣF i =0 ; ΣM i =0 Perdülettétel: Zárt rendszerben: ΣN i =állandó

Emelők: Az ember egész muszkuláris- rendszere, egy egyszerű emelőkből álló rendszer

Body Mass Index, BMI (testtömegindex) Átlagos BMI: kg/m 2 A gyógyszerek hatását erre állítják be

A mechanikai rezgések Harmónikus rezgőmozgás: a test két szélső helyzet között periódikusan változó mozgást végez A rendszert az F=Dy rugalmas erő mozgatja, a test a két szélső helyzetben megáll egy pillanatra, az egyensúlyi helyzetben a sebessége maximális A gyorsulás a szélső helyzetekben maximális, az egyensúlyi helyzetben 0

A mechanikai rezgések A kitérés-idő függvény: y = A sinω ⋅ t

A mechanikai rezgések A sebesség-idő függvény: v = A ω·cosω ⋅ t

A mechanikai rezgések A gyorsulás-idő függvény: a = - A ω2·sinω ⋅ t

A mechanikai rezgések Rezgőképes rendszer sajátrezgésideje: Rezgőképes rendszer sajátfrekvenciája:

A mechanikai rezgések Rezonancia: Ha a kényszererő frekvenciája éppen megegyezik a rezgő rendszer sajátfrekvenciájával, akkor a rezgés amplitúdója a lehető legnagyobb lesz.

Rezonancia 1850-ben 226 katona halt meg a franciaországi Angers-ben lévő függőhíd leszakadásakor, mert a katonák lépést tartva mentek át a hídon. A lépések frekvenciája és a híd sajátfrekvenciája sajnos, megegyezett.

Rezonancia november 7-én, az Amerikai Egyesült Államok Washington államában található Tacoma folyó fölötti völgyhíd kb.1 óra 15 perc alatt leszakadt, mert ezalatt folyamatosan érték olyan frekvenciájú széllökések (és a vele együtt járó szívó hatású örvényleszakadások a híd túlsó oldalán), amelyeknek frekvenciája a híd sajátfrekvenciájával azonos volt.

Mechanikai hullám Mechanikai hullámról - általános értelemben- akkor beszélünk, ha valamilyen zavar térben és időben tovaterjed egy bizonyos közegben

Mechanikai hullám mechanikai hullám közege bármilyen halmazállapotú anyag lehet. De közeg nélkül nincs lehetőség a hullám kialakulására.

Mechanikai hullám csoportosítása: vonalmenti, vagy pontsoron terjedő hullám: kötélen, spirálrugón, húros hangszer húrján kialakuló hullám. felületi hullám: vízfelületen, gumimembránon, dob felszínén kialakuló hullám térbeli hullám:levegőben vagy folyadékban terjedő hang, diagnosztikai vagy terápiás ultrahang lökéshullám:ha egy pillanatszerű zavar terjed a közegben

Mechanikai hullám csoportosítása: transzverzális hullámnál a hullám terjedési irányára merőleges deformációt láthatunk, longitudinális hullámnál a deformáció a hullám terjedési irányában érzékelhető

Mechanikai hullám jellemzői: Azt a távolságot, amelyre a rezgési állapot a rezgés T periódusideje alatt eljut, a hullám hullámhosszának nevezzük (λ).

Mechanikai hullám jellemzői: λ = c·T

Hullámjelenségek 1 hullámvisszaverődés hullámtörés

Hullámjelenségek 2 hullámelhajlás

Hullámjelenségek 3 Doppler-effektus: a közeledő jármű hangját magasabb hangon halljuk, mint a távolodóét

Hullámjelenségek 4 Interferencia: hullámok találkozása

Huygens-Fresnel-elv A hullámfront minden egyes pontja, mindenirányban tovaterjedő úgynevezett „elemi hullámok” kiindulópontjának tekinthető. A hullámtérben az új hullámfrontot ezen „elemi hullámok” interferenciája határozza meg.

Hullámok polarizációja Ha a hullám útjába teszünk egy olyan lemezt, vagy kartonlapot, amelyen egy keskeny nyílás található, akkor ez a nyílás csak azt a rezgést engedi át a nyílás túloldalára, amelynek rezgési síkja a nyílásra illeszkedik.

A hang Ha egy test mechanikai rezgést végez, és ez a rezgési állapot, s annak energiája valamely rugalmas közegben, térben és időben tovaterjed, akkor hangról beszélünk. A közeg bármilyen halmazállapotú lehet. A hang tehát a mechanikai hullámok egyik típusa. A mechanikai rezgést végző testet hangforrásnak hívják.

Lehetséges hangforrások:

A hang jellemzői: A hang longitudinális hullám: sűrűsödések és ritkulások váltják egymást, amelyek a levegőben nyomásingadozásokat hoznak létre

A hang jellemzői: A fizikai hangteret az alábbi paraméterekkel szokták jellemezni: - időtartam, - frekvencia vagy frekvencia-összetevők, - az intenzitás (hangerő), az ún. spektrum.

A hang jellemzői: Az időtartam az az időmennyiség, amely a hangrezgés megindulásától a rezgés lecsengéséig, azaz a hang megszólalásától annak elhalásáig eltelik. Az időtartam alapján meg szoktak különböztetni: - hanglökéseket, amelyek 200 ms-nál rövidebb időtartamú hangok; - rövid idejű hangokat, amelynek időtartama 200 ms és 1 s (1000 ms) között van; - tartós hangokat, amelyek 1 s-nál hosszabbak.

A hang jellemzői: a frekvencia (rezgésszám), amely nem más, mint a hangforrás, vagy a hanghullám időegység alatti periódusainak száma.

A hang jellemzői: Hangintenzitás (más néven a hangerősség): számértéke az időegység alatt az egységnyi felületen merőlegesen átáramló hangener- giamennyiség átlagos értékével azonos.

A hang jellemzői: A decibel: dB (hangintenzításszint) A hang spektruma: a felhangok szuperpoziciója (felharmónikusok)

Az emberi fül szerkezete

A hallás fizikája A fizikai hangokat a fül, mint hallószerv közvetítésével halljuk. A fülhöz érkező hanghullámok a fülben fizikai, kémiai és biológiai folyamatokat indítanak meg, amelynek eredményeképpen úgynevezett hangérzet keletkezik.

A hallás fizikája Hangforrás rezgése Longitudinális hullám a levegőben Dobhártya transzvezális rezgése Hallócsontocskák transzverzális rezgése Ovális ablak transzverzális rezgése Longitudinális hullám a fülbeli fpolyadékban A szőrsejtek elektromos jelet küldenek az agy felé

Az emberi fül érzékenysége: A hallható hang tartománya 16 Hz-től (20 Hz) kb Hz (20 000Hz)-ig terjed. Az ennél kisebb rezgésszámú hanghullámot infrahangnak nevezik. A hallható hang tartománya fölötti rezgésszámú hangot ultrahangnak nevezik.

Audiometria A fül érzékenységének vizsgálata történik vele Az audometer egy szabályozható frekvenciájú és intenzitású hangforrás, mely által keltett hangot Hz között állítják be A kapott eredeményt ábrázolják és értékelik

Audiometer

Orvosi fonendoszkóp

Ultrahang diagnosztika

UH Ultrahangot úgynevezett elektroakusztikai átalakítókkal keltenek. Az ultrahangot előállító/kibocsátó készüléket.nevezzük adónak- elektromos energiát alakít át mechanikai energiává

UH Piezzoelektromos UH keltés Vannak olyan kristályok, melyek külső mechanikai hatásra a felületén elektromos töltések jelennek meg (pl. kvarc) A jelenség megfordítható, egy ilyen kristály váltakozó feszültség hatására rezegni kezd Elektrostrikció: bizonyos kerámia szerű anyagokban feszültség hatására az előbbi jelenség játszódik le (báriumtitanát)

UH-fej(transzcúder) kvarc egykristályra váltakozó feszültséget kapcsolnak. A kristály kényszerrezgésbe jön, s ha a gerjesztő feszültség frekvenciája és a kristály mechanikai rezgésének sajátfrekvenciája megegyezik, rezonancia lép fel. Ilyenkor a legnagyobb a kristály kialakuló mechanikai rezgésének amplitúdója. Így működik ultrahang-forrásként.

UH-fej (transzcúder) Ez az egység váltott üzemmódban az adó és a vevő is egyben. Az ultrahang-impulzust kibocsátja, majd egy automatika ezt az üzemmódot kikapcsolja, s átállítja vételi állásba, s ez így megy tovább folyamatosan, nagyon gyors váltakozással. A vevő a mechanikai energiát konvertálja át elektromos energiává

UH (szonográfia) a szonográfia fizikai elve az, hogy egy új közeg határára érve az ultrahang-hullám energiájának egy része visszaverődik, s a másik része hatol be az új közegbe. Egy újabb közeg határán ugyanez megismétlődik, és így tovább.

UH A szonográfiás készülék éppen ezekből a visszaverődött ultrahang-jelekből.úgynevezett echókból- ad diagnosztikus információt. A hang intenzitása a terjedés közben csökken A felezési rétegvastagság izmoknál: 2 cm, csontoknál néhány mm

UH Egy körülbelül 18 hetes magzat fejéről készült A- módú ultrahang. A két legnagyobb csúcs a koponya széleinek felel meg, a közötte lévő csúcs, pedig az aggyal kapcsolatos képletet jelzi

UH B-módú leképezés a visszavert ultrahang intenzitásával arányos fényességű képpont formájában tárolja az információt, és a letapogatás befejeztével egy kétdimenziós kép formájában rekonstruálja a pásztázott keresztmetszetet, számítógép segítségével. Ez egy-egy pásztázásról egy-egy sztatikus képet jelent.

UH

Doppler-ultrahang a mozgó szerveken, vagy az áramló folyadékok - elsősorban a vér alakos elemein - visszaverődő frekvencia-eltolódást érzékelik és.jelenítik.meg. A transzcuder áll, a vér alakos elemei a szívműködésnek megfelelően közelednek, vagy távolodnak tőle.

UH egyéb alkalmazásai Terápiás célra: 0,8 -1,2 MHz frekvenciájú; 0,1 - 3 W/cm 2 teljesítmény Az UH energiája a szövetben elnyelődik, hővé alakul→mikromasszázs Fogorvosok: fogkőeltávolítás, kHz Magnetostrikciós fej vesekőzúzás

Termodinamika tételei I. főtétel: ΔE= Q + W II. főtétel: Hidegebb hőtartályból magasabb hőtartályba hő külső munka befektetése nélkül nem fog áramolni III. főtétel: Az abszolúlt 0 o nem érhető el

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel Az emberi test fizikai értelemben egy hőerőgép. Ez leegyszerűsítve annyit jelent, hogy termikus kölcsönhatásban van a környezetével, és mechanikai munkát lehet vele végeztetni. A termikus kölcsönhatás „bemeneti oldala” a táplálékbevitel

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel A termikus kölcsönhatás.bemeneti oldala. a táplálékbevitel Háromféle alapvető élelmiszertípus létezik: szénhidrát, zsír és fehérje

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel Az emésztőrendszerben az emésztés során - a szénhidrátok cukorrá, vagy ahhoz nagyon közeli szerkezetű, úgynevezett monoszacharidokká, - a zsírok glicerinné és hosszú szénláncú zsírsavakká, - a fehérjék aminosavakká bomlanak le.

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel Ezek a szerves anyagok jelentik az „ember- gép” fűtőanyagát, amelyet el fog égetni, azaz oxidálni fog Bármelyik típusú táplálék az égés során vízzé és széndioxiddá alakul át, miközben a folyamatot energia felszabadulása kíséri. 1 kg szénhidrátból 16,7 MJ; 1 kg zsírból 37,7 MJ, és 1 kg fehérjéből 16,7 MJ energia szabadul fel

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel Az emberi szervezet az energiát zsírok és szénhidrátok formájában tárolja A zsírok a zsírszövetben tárolódnak, A szénhidrátok a májban és az izmokban tárolódnak A férfiak testtömegének 10%-a, a nőkének pedig, 25%-a zsírszövet.

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel Testünk termikus egyensúlyban kell, hogy legyen a környezetével. emberi test normális működése közben o C testhőmérsékletű. Az izmaink által termelt „hő” a vért melegítve, a belső testhőmérséklet fenntartását segíti

Az emberi test termikus kölcsönhatása a környezettel nagy hidegben kevésbé fázunk, ha mozgunk Ha testhőmérsékletünk emelkedik, izzadni kezdünk A párolgáshoz hő kell, ezt a testünktől vonja el Fagyasztásos érzéstelenítés Vizes borogatás

Lázas állapot Több hő termelődik a testben, mint amennyi a környezetbe jut 37-37,5 o C-ig hőemelkedésről, szubfebrilitásról; 37, o C lázról, febriszről, pirexiáról; e fölött igen magas lázról, hiperpirexiáról beszélünk, veszélyes, mert a testfehérjék kicsapódhatnak.

Hipertermia A testhőmérséklet emelkedése, de nem láz Napszúrás Daganatos betegek hipertermiás kezelése: a testet mikrohullámú melegítőhöz hasonló berendezés melegíti fel ellenőrzött körülmények között arra a hőmérsékletre, amelyen a fiatal daganatsejtek elpusztulnak

Hipotermia Alacsony testhőmérséklet Vizibalesetek, hajótörés, hideg időjárás(tél) Mentéskor takaróval, A pácienst speciális hővisszaverő takaróval szigetelik el a környezetétől

Elektromosságtani alapismertek A borostyánkő ógörög neve „elektron” volt, megdörzsölve, kisméretű testeket magához vonzott. A semleges testben a pozitív és negatív töltésű mikroszkopikus részecskék egyenlő számban vannak jelen. Az elektromos tulajdonság mögött mindig az elektronok többlete (negatív töltés), vagy hiánya van jelen (pozitív töltés).

Elektromos alapjelenségek A borostyánkő ógörög neve „elektron” volt, megdörzsölve, kisméretű testeket magához vonzott

Coulomb törvénye: - két pontszerű töltés közötti (vonzó vagy taszító) erőhatás egyenesen arányos az egyik- és a másik test elektromos töltésével, és - fordítottan arányos a két test közötti távolság négyzetével.

Coulomb törvénye: ahol Q 1 és Q 2 a két ponttöltés töltésének nagysága, r pedig a közöttük lévő távolság.

Elektromos mező

Az elektromos mező forrásos, és örvénymentes

Elektromos feszültség Az elektromos térben két pont közötti potenciálkülönbség

Kondenzátorok A kondenzátorok azt a célt szolgálják, hogy „tárolják” a töltéseket, és ezáltal energiasűrítők

Kondenzátorok Az oxiológiában használatos defibrillátor lényegében egy kondenzátor, amelyet különböző feszültségre tölthetnek. A kondenzátor fegyverzeteit a beteg testfelületére helyezik, és a kondenzátort kisütik. A szívizmon áthaladó áramlökéssel szüntetik meg az izom ritmus nélküli fibrillációját (rángatózását).

Hordozható defibrillátor

Elektromos áram A töltéshordozók rendezett mozgása potenciálkülönbség (feszültség) hatására Konvektív áram: ha mechanikai úton hozzuk létre a potenciálkülönbséget Konduktív áram: ha az elektromos mező hozza létre a potenciálkülönbséget

Elektromos áram A töltések (fémes vezető esetében az elektronok) áramlását az áramerősséggel jellemezhetjük: Ha I=állandó, akkor stacionárius, vagy egyenáramról beszélünk

Elektromos áram

Ohm törvénye A vezető (fogyasztó) kivezetésein mért feszültség, és a rajta átfolyó áram erőssége egyenesen arányos, hányadosuk állandó

Hosszú, egyenes vezető ellenállása az ellenállás arányos a vezeték.l. hosszával (R ~ l); fordítottan arányos a vezeték.A. keresztmetszetével és függ a vezeték anyagi minőségétől

Elektromos áram hatásai Minden áramjárta vezető melegszik, mert az elektromos áram munkát végez rajta, és ezért a fém belső energiája és hőmérséklete növekszik. Ez a hatás, általában káros, mert hűtést kell alkalmazni, például a számítógépekben. Más esetekben, mint például a wolframszálas izzóban, vagy a hősugárzókban pontosan ezt a hatást alkalmazzák.

Izzólámpa

Elektromos áram hatásai Az áramjárta vezetők körül mágneses mező keletkezik, ami nem mindig kívánatos jelenség. Ugyanakkor például, az MRI képalkotó diagnosztikai vizsgálatnál tudatosan állítanak elő igen erős mágneses mezőt.

Elektromos áram hatásai - kémiai (vegyi) hatás: az elektrolitok ionjai az elektromos vonzó és taszító erők hatására a bemerülő, ellentétes előjelű elektródok felé áramlanak. A negatív ionok a pozitív elektróda (az anód) felé, ezért őket anionoknak hívják. A pozitív ionok a negatív elektróda (a katód) felé mozognak, ezért kationoknak nevezik őket.

Elektromos áram hatásai - biológiai (élettani) hatás: az élő szervezet szöveteiben is vannak ionok, gondoljanak, például a sejtműködés kálium- és nátriumionjaira! A szövetek működését befolyásolni lehet a rajta átfolyó árammal. Kis áramerősség a működést élénkíti (stimulálja). Ezt használja fel a galván-, vagy az ingeráram terápia a fizikoterápiában.

Egyenáram hatása az emberi szervezetre ha az áram a szíven keresztül 0,3 másodpercnél hosszabb ideig folyik: mA (milliamper) áramerősség gyenge rázásérzetet, mA-es áram a végtagokban fájdalmas görcsöt okoz, de még el tudjuk engedni a vezetéket, mA esetén erős fájdalom és a légzőizmok görcse tapasztalható, mA-s áramnál kamrafibrilláció áll be mA-nél beáll a szívbénulás, a klinikai halál.

Pacemaker(programozható mikroprocesszor) A szív ingerképzőközpontjának hibás működése során szívritmus zavarok lépnek fel, ezek ingerlésére szolgál Működése: elektromos ingerimpulzusok segítségével tartja fenn a szabályos szívműködést Áramforrás: nagy élettartamú Li-elem

Pacemaker

Magnetosztatika Az ókori görög birodalom Kisázsiában fekvő Magnesia nevű városában figyeltek fel először olyan vasércre, amely a vasat vonzotta. A Földnek is van mágneses mezeje, ez teszi lehetővé az iránytűvel (egy kis mágnesrúddal) való tájékozódást

Elektromágnes Az áramjárta vezető maga körül mágneses mezőt hoz létre Az elektromágnes: áramjárta tekercs, melynek pólusai az áram irányától függenek

Mágneses mező A mágneses mező forrásmentes, és örvényes mágneses fluxus: egy „A” nagyságú felület fluxusa alatt a felületet merőlegesen átdöfő indukcióvonalak számát értjük: Φ = B·A, 1 V·s,

A mágneses mező

Elektromágneses indukció

Faraday: ha egy tekercsben a mágneses mező nagyságát változtatjuk, a tekercsben áram indukálódik Fajtái: -mozgási: U=-B l v -nyugalmi:

Váltakozó áram előállítása:

Váltakozó áram tulajdonságai U = U 0 ·sin ωt I = I 0 ·sin ωt

Elektromágneses rezgések

A feltöltött kondenzátort a tekercsen keresztül kisütjük A változó elektromos mező változó mágneses mezővé alakul, és a folyamat periódikusan váltakozik Az elektromos energia átalakul mágneses energiává, és vissza…

Elektromágneses rezgések Energiaátalakulás: Sajátrezgésidő: Sajátfrekvencia:

Energiaátalakulás rezgőkörben:

Elektromágneses hullámok Az elektromágneses hullámok keltése úgy képzelhető el, hogy az elektromágneses rezgőkörben előállított elektromágneses rezgés energiáját kisugározzuk a körülötte lévő térbe.

Elektromágneses hullámok a változó elektromos mező örvényes mágneses mezőt, a változó mágneses mező, pedig örvényes elektromos mezőt indukál……… Az antenna elektromágneses sugárforrás

Elektromágneses hullámok főbb tulajdonságai Terjedési sebessége vákumban: c= km/s Transzverzális hullám (visszaverődés, törés, interferencia, elhajlás, polarizáció) Terjedéséhez nincs szükség közegre

Elektromágneses hullámok spektruma Az elektromágneses színkép mintegy 28 nagyságrendnyi frekvencia és hullámhossztartományt ölel át A fizioterápiában, a hydrogalván (elektromos fürdő kisfrekvenciás árammal) kezelésnél alkalmaznak 10 4 – 10 5 Hz-es hullámot

Elektromágneses hullámok spektruma A fizioterápiás rövidhullámú kezelés a 1, – frekvenciatartományban található. A legtöbb ilyen készülék 11 méter hullám- hosszon, azaz 27 MHz frekvencián dolgozik. A fizioterápiában szintén használják a – Hz ultrarövid hullámú sávot (diatermiás kezelés, elektromos szike, bőrgyógyászati elváltozások leégetése)

Elektromágneses hullámok spektruma A fizioterápiában alkalmazott mikrohullám 2400 MHz ± 50 MHz frekvenciájú, amely körülbelül 12,5 cm hullámhossznak felel meg. Megfelelő erősségű sugárzással a testszövetek hőmérséklete kíméletesen emelkedik, a vérellátás fokozódik, a tünetek enyhülnek.

Fizoterápia

Elektromágneses hullámok spektruma Az infravörös hullámok a látható fény színképe vörös színű összetevőjénél nagyobb hullámhosszúságú tartományt jelentenek. Az orvosi gyakorlatban hőfényképek, termoviziós képalkotó diagnosztika

Hőfénykép

Elektromágneses hullámok spektruma Az ultraibolya sugárzás a látható fény ibolyaszínű összetevőjének hullámhosszánál kisebb hullámhosszúságú tartományt jelent. Az UV-A jótékony hatású az emberi szervezetre, elősegíti a D-vitamin képződését Az UV-B káros, bőrrákot okozhat

A látható fény Elektromágneses hullám (400 nm-700 nm) Terjedési sebessége vákumban: m/s Ugyanakkor kölcsönhatásra képes anyag (foton) Megkülönböztetünk elsődleges és másodlagos fényforrást

Fénytan A fehér fény összetett fény, melyet a prizma színeire bont

Néhány fényvisszaverődéssel kapcsolatos jelenség, alkalmazási terület

Síktükör

Homorú gömbtükör

Homorú gömbtükör alkalmazása A homorú tükör az egyszeres fókuszon kívüli tárgyról fordított állású, valódi képet ad, a fókuszon belüli tárgyról egyenes állású, látszólagos képet ad Gépkocsik reflektora, elemlámpa Műtőkben az operálási terület intenzív megvilágítására Gégészek „lyukas” tükre

Domború gömbtükör

Domború gömbtükör alkalmazása A domború tükör a tárgyról mindig egyenes állású, kicsinyített, látszólagos képet ad Beláthatatlan útkereszteződésekben Gépkocsik visszapillantó tükrei Áruházak tolvajleső tükrei

Fénytörés

Fénytörés lencsén

Az optika törvényei

Optikai szál

Endoszkóp Az endoszkópoknál a testüregek megvilágítására hidegfényű fényforrásokat használnak. Ezek a testen kívül vannak, és fényüket egy optikai rendszer továbbítja az üregbe. Az üregek kitöltésére,.felfújására. levegőt, vagy vizet használnak. A készülékekhez fényképezőgép, vagy videofelvevő is csatlakoztatható, s a rögzített képi információ a lelet tartozéka lesz, s bármikor visszakereshető.

Endoszkóp Az endoszkóppal együtt, -a.munkacsatornában.- kiegészítő tartozékokat is be lehet vezetni a testüregbe. Ezekkel kisebb beavatkozásokat (hagyományos vágást, lecsípést, elektromos leégetést, lézeres elpárologtatást, stb.) is el tud végezni az orvos, és a műtéti maradványok ugyanezen a csatornán el is távolíthatóak.

Az emberi szem

A szemlencse leképezési hibái

A farkasvakság (hemeralopia): A betegség során pálcikák folyamatosan pusztulnak. Ezek biztosítják az ideghártya perifériás részén a sötét-világos látást, illetve a perifériás alaklátást. A betegség legtöbbször fiatal felnőtteknél jelentkezik, akik először szürkületben érzékelik, hogy nem látnak jól. Később mindinkább szűkül a látóterük, és úgynevezett csőlátás alakul ki

Az astigmia a szaruhártya görbülete különböző síkokban nem egyenlő, így az asztigmiás szemnek egy gyűjtőpont helyett két, egymásra merőleges tengelyű „gyűjtővonala” van Az asztigmia a látóélességet távolra és közelre egyaránt rontja. Korrigálása úgynevezett „hengerlencsékkel” (cilinder-lencsékkel) történik

Öregszeműség (presbyopia) Az életkor előrehaladtával a szemlencsét alkotó sejtek, rostok, izmok öregednek, megvastagodnak, rugalmatlanok lesznek Egyre jobban távolodik az a pont, amelyet még élesnek látunk →távollátás

Színtévesztés a színeket érzékelő csap-pigmentek részleges hiánya okozza Megállapítása az úgynevezett pszeudoizochromatikus táblák segítségével lehet

Szürkehályog (cataracta) megváltozik a lencse fénytörő képessége. A lencse teljesen homályossá, átlátszatlanná válik, a beteg folyamatosan elveszíti a látását Műtéttel a lencsét kicserélik

Zöldhályog (glaucoma) A csarnokvíz állandóan újratermelődik, a felesleg eltávozik a csarnokzugon keresztül A glaukóma a szem belső nyomásának az ideghártyára gyakorolt hatásából ered. A normál nyomás max. 18 Hgmm Kezelése: szemcseppel műtéttel

Tonometer Impressziós: a corneára egy fémhüvely talpát nyomják rá, a deformáció fordított arányos a nyomással Applanációs: fémlemezt addig nyomják a corneára, míg teljesen rásimul→a deformálhatóság a szemnyomástól függ

Tonométer

Tonometer

Tonométer

Mikroszkóp A mikroszkóp két darab, nem szorosan összeillesztett gyűjtőlencséből áll Közös tubusba szerelik az objektívet és az okulárt Nagyítás: N = N objektív *N okulár

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fényerősítés a sugárzás indukált emissziója révén speciális fényforrások, amelyek nagyon keskeny hullámhossztartományban állítanak elő sugárzást

A lézere alkalmazási területei - fül-orr-gégészet, - nőgyógyászat, - bőrgyógyászat, - plasztikai sebészet, - ortopédia - urológia, - idegsebészet, - gasztroenterológia onkológia, - általános sebészet.

Atomfizika Atommodellek Démokritosz: az anyag apró kis golyócskákból épül fel, amely már tovább nem osztható →atom

Atommodellek Felfedezte az elektront Thomson-modell: pozitív szétkent felhőben a negatív elektronok →”mazsolás puding”

Thomson-modell az atom - gömb alakú - belsejét kocsonyaszerű, pozitív elektromos töltésű anyag tölti ki, mely töltéseloszlása egyenletes - ebben az anyagban az elektronok harmonikus rezgőmozgást végeznek saját egyensúlyi helyzetük körül. - A.kocsonyás. anyag össztöltése és az elektronok össztöltése abszolút értékben egyenlő egymással, így az atom elektromos szempontból.kifelé. semleges tulajdonságot mutat.

Atommodellek Rutherford aranyfóliát α részekkel bombázott Felfedezte az atommagot, mely pozitív, és az atom tömege benne koncentrálódik

Atommodellek Rutherford-modell: a pozitív mag körül, mint ahogy a bolygók a Nap körül keringenek a negatív elektronok →„bolygó-modell” Hibája: az elektronok energiát sugároznak ki, és spirálisan belezuhannak a magba

Atommodellek Bohr-modell: a negatív elektronok a pozitív mag körül meghatározott energiájú pályákon keringenek, s ekkor az atom nem sugároz ki energiát

Bohr-modell Az atom elektronjai csak meghatározott sugarú körpályákon keringhetnek a mag körül. - Ezeken a pályákon az elektron nem sugároz. - Ezeket a.kitüntetett. pályákat kvantumpályáknak nevezte el

Bohr-modell Az atom csak akkor sugároz, ha az elektron egy nagyobb sugarú pályáról egy másik, kisebb sugarú pályára ugrik. Ilyenkor a két pálya energiája közötti energiakülönbséget egy foton formájában bocsátja ki h· f = E m - E n

Energia-átmenetek a hidrogénatomban

Bohr-Schrődinger-modell az új modell szerint a kvantumpályák alakja kör és ellipszis lehet.

Bohr-Schrődinger-modell 1. Főkvantumszám (alapvetően az elektron energiáját határozza meg) Jele: n. Lehetséges értékei: 1; 2; 3,. stb. (azaz a pozitív egész számok) A főkantumszám adja meg az elektron pályáját, azaz egy-egy elektronhéjat. Minden főkvantumszámhoz ugyanannyi darab mellékkvantumszám tartozhat, mint a főkantumszám maga

Bohr-Schrődinger-modell 2. A mellékkvantumszám az elektron pályájának alakjával kapcsolatos, az ún. pályamenti impulzusmomentum (pályamenti perdület) kvantáltságát fejezi ki. Jele: l Lehetséges értékei: 0; 1; 2;...; n-1 A mellékkvantumszám egy-egy alhéjat határoz meg egy elektronhéjon belül, és az elektron energiáját kismértékben befolyásolja.

Bohr-Schrődinger-modell 3. A mágneses kvantumszám az elektron pályájának térbeli orientációját szabja meg, és az ún. mágneses nyomaték (mágneses momentum) nevű fizikai mennyiség kvantumos természetét fejezi ki. Jele: m Lehetséges értékei: -l; -l+1; -l+2;.; -2; -1; 0; 1; 2; 3;..; l-1; l

Bohr-Schrődinger-modell 4. A spinkvantumszám az elektron ún. sajátperdületének (sajátimpulzusának) állását (irányultságát) határozza meg. Jele: S Lehetséges értékei: +½ és -½ Pauli-elv: minden egyes elektron más-más kvantumállapotban van.

Fotoeffektus (fényelektromos hatás) ha bizonyos anyagokat fénnyel megvilágítunk, akkor abból a fény hatására elektronok lépnek ki

Fotoeffektus a kilépő elektronok száma a megvilágító fény erősségével arányos, a fény színétől független; a kilépő elektronok sebessége, mozgási energiája, pedig különböző színű, de azonos erősségű fények esetében különböző. Nagyobb sebességűek akkor lesznek, ha rövidebb hullámhosszúságú (vagyis nagyobb frekvenciájú) fényt használunk.

Fotoeffektus fény energiája kvantumos Egy foton energiája: ε = h·f h = 6,63· J·s. fényelektromos egyenlet:

A radioaktivítás H. Becquerel 1896-ban fedezte fel; a természetben vannak olyan elemek, amelyek mindenféle külső behatás nélkül sugároznak ki energiát

A radioaktiv sugarak fajtái: α- pozitív, He atommagok árama β- negatív, elektronok árama γ- semleges, elektromágneses sugárzás

Az alfa-sugárzás. α-bomlás Kísérleti tapasztalat, hogy a radioaktív magok, bomlás után, más kémiai elem atommagjai lesznek.

A béta-sugárzás. β-bomlás az elem rendszáma eggyel növekszik, a tömegszám pedig változatlan marad. A keletkező mag általában nem alapállapotban van, ezért a felesleges energiáját egy γ-foton formájában kisugározza

A γ-sugárzás Az alfa-, és béta-bomlásokat kísérő γ- sugárzásról kiderült, hogy elektromágneses hullám. a bomlások közben születő úgy leányelemek atommagjai gerjesztett állapotúak, és az alapállapotba való.legerjesztődésükkor. bocsátják ki a γ-fotont

Radioaktív bomlástörvény Felezési idő: T 1/2

A sugárzással kapcsolatos mennyiségek Aktivítás az időegység (1 másodperc) alatti bomlások száma. 1Bq ANTSZ határérték A = 3,7·10 5 Bq. Az elnyelt dózis: 1Gy 1Gy=100rad, 6Gy az egész testfelszínen már halálos

A sugárzással kapcsolatos mennyiségek Az egyenértékdózis a sugárzás biológiai hatását leíró dózismennyiség H = D·w r, D: az elnyelt dózis, w r : a sugárzási tényező Mért.egys.:1Sv; 1Sv=1Gy

A sugárzással kapcsolatos mennyiségek Sugárterhelésnek a szervezetet érő ionizáló sugárzás dózisát értjük. Ennek hatására lépnek fel a fizikai, kémiai, biokémiai változások, amelyek a szervek, szövetek működési zavaraihoz, vagy kóros alaki és szövettani elváltozásokhoz vezethetnek.

Doziméter

Az inger és az ingerület Inger: minden olyan változás, amely a külső környezetben, vagy az élő szervezetben bekövetkezik, és amelyekre a szervezet anyagcseréjének és energiacseréjének fokozásával, vagy csökkentésével válaszol. Ingerület: a szervezet válasza, amelyet az idegpályákon át az agyba továbbít

A nyugalomban, és az ingerületben lévő sejt tulajdonságai és értelmezésük Diffúzió:ha koncentrációkülönbség alakul ki az anyag belsejében, akkor a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé egy áramlás indul meg. Ez lehet részecskék, ionok vagy energia áramlása

A nyugalomban, és az ingerületben lévő sejt tulajdonságai és értelmezésük A sejt belsejét a sejthártya választja el a környezetétől→biológiai membrán Ez a hártya lehet teljesen áteresztő, v. féligáteresztő→ozmózis A membrán két oldalán ionkoncentráció- különbség tapasztalható, melynek eredménye kb mV potenciál- különbség, azaz feszültség→nyugalmi potenciál

A nyugalomban, és az ingerületben lévő sejt tulajdonságai és értelmezésük Az ingerület közvetítése, átvitele egy feszültséghullámmal történik→akciós potenciál

Szenzoros működések Szenzoros működéseknek nevezzük azokat a folyamatokat, amelyek során az élő szervezetek feldolgozzák a külvilág felől érkező, valamint a belsejükből származó ingereket. - a fény érzékelésére és feldolgozására a szem, a látóideg és az agy látóközpontja; - a hang érzékelésére és feldolgozására a fül, a hallóideg és az agy hallóközpontja;

A szenzoros működés biofizikai vonatkozásai mindenfajta inger a megfelelő érző idegeken akciós potenciálhullámot vált ki a receptorsejteken, megy végbe az ingerjelek átalakítása elektromos jelekké. Ez egy analóg jelfeldolgozó rendszer

Példák a szenzoros működésre A hallás A látás Az izomműködés Az egyensúly érzékelése A vérkeringés A légzés

A vérkeringés. A vérnyomás és mérése Az emberi szervezet egy szabályozott energetikai rendszer. Minden ilyen rendszerben szükség van szállításra. A szállítást a keringési rendszer végzi az idegi és hormonális szabályozási szint, és a sejtek, mint biokémiai energiatermelők szintje között.

A vérkeringés. A vérnyomás és mérése a szívben található szinusz-csomóból indul el az a receptorpotenciál(hullám), amelyhez nincs szükség külső ingerre, periodikusan újra és újra ismétlődik, s a szív izmain végigfut az akciós potenciálhullám. Ezt az állapotot nevezik szisztolenak, amikor az összehúzódó szívizomzat kipréseli magából a vért az erekbe. Két szisztole közötti elernyedt állapotot diasztolenak nevezik

A vérkeringés. A vérnyomás és mérése A vérerek zárt csőrendszer, ahol nyomáskülönbség tartja fenn az áramlást A vérnyomás mérésére a vérnyomásmérők szolgálnak. A legpontosabbak a higanyos mérők

A légzés. A légzésfunkciós vizsgálat A légzés szerve a tüdő, amelynek feladata a tüdő szellőztetése (ventilációja), a gázok diffúziója a tüdőből a vérbe és fordítva. A tüdőtérfogat és a ventiláció mérésére alkalmas adat a vitális kapacitás

A légzés. A légzésfunkciós vizsgálat Normális esetben a lélegzetvételek száma percenként Az ennél magasabb értéket hiperventilációnak nevezik. Ilyenkor szaporán és mélyeket lélegzünk, ezért az artériás vérben csökken a széndioxid mennyisége. Ellenkező esetben hipoventilációról beszélünk. Ekkor csökken a forgalmazott levegő mennyisége, és a CO 2 felhalmozódik az artériás vérben.

A test felületén regisztrálható feszültségek. az akciós potenciálhullám olyan elektromos mezőt hoz létre, amely megváltoztatja a sejtfalon átáramló ionok áramlását. A potenciálhullám tovaterjed a környezetében, és egy megfelelő erősítő segítségével a test felületén mért potenciálkülönbségek jól mérhetővé válnak

EKG(Elektrokardiográfia) A szív működésének vizsgálatára alkalmas. az akciós potenciálhullám időbeli változását leíró függvénygörbék alkotják az elektrokardiogramot. Einthoven→

EKG Olyan potenciálokat mérünk, amelyek a szív működésével kapcsolatosan a test felszínén jelentkeznek Az úgynevezett Einthoven-féle standard elvezetések során három elektródot alkalmaznak: - a jobb karon (JK), - a bal karon (BK), és - a bal lábon (BL).

EKG

Az orvosi gyakorlatban 12 elvezetéses rendszer: 3 Einthoven, 3 un. Unipoláris végtagi, 6 mellkasi A szívműködésről teljes információt nyújt az egész törzset elektróddal történő elvezetések→számítógép értékel

EEG(Elektroencefalográfia) az agy működésének vizsgálatára alkalmas.

EEG α-hullámok: 8-13 Hz frekvenciájú 20 µV amplitúdójú →pl. alvás kezdetén β-hullámok: Hz frekvenciájú →szellemi munka γ-hullámok: Hz →magasabbrendű szellemi tevékenység δ-hullámok: 0,5. 4 Hz frekvenciájú, körülbelül µV amplitúdójú →mély alvás θ-hullámok: meditációs gyakorlatok

EMG(Elektromiográfia) az izmok működésének vizsgálatára alkalmas. A vizsgálathoz használt elektródákat vagy a bőr felületére helyezik, de inkább tűelektródák formájában az izomba szúrva alkalmazzák.

ERG(Elektroretinográfia) A vizsgálathoz használt elektródákat a szem szaruhártyájára (cornea) helyezik. A csapok és a pálcikák működését lehet vele vizsgálni különféle (fény)viszonyok között. A kapott jelek frekvenciája 0, Hz közötti, amplitúdója 0,02 - 0,3 mV

Katódsugárcső

A röntgensugárzás

RTG-cső

Az izzókatódból kilépő elektronok a gyorsító feszültség hatására az anódba zuhannak Az elektronok lefékeződnek, energiájuk 99%-a hővé alakul, 1%-ból pedig nagy energiájú e.m.s. lesz

RTG-sugár hatásai Lumineszcencia keltő hatás→egyes anyagok RTG hatására világítanak Fotográfiai hatás→a fényképezőlemezt megfeketíti Ionizáló hatás→pl. a gázok vezetőképessége megnő Kémiai hatás→vízben RTG hatására H 2 O 2 hidrogénperoxid keletkezik

RTG-sugár hatásai Biológiai hatás→az atomok gerjesztett állapotba kerülnek →a molekulákban kémiai folyamatok indulnak el Az orvosi gyakorlatban λ=5-120 pm Kisebb λ→nagyobb áthatolóképesség Nagyobb λ→kisebb áthatolóképesség

RTG diagnosztikai alkalmazása Alapja: a sugárzást a különböző szövetek különböző mértékben nyelik el (a lágy szövetek átlátszóbbak, mint a csontok) A különböző sejtek máshogy reagálnak a RTG-sugárra (pl. a sejtmegújulóak érzékenyebbek)

Szummációs kép A szummációs képen az egymás mögött lévő részletek árnyéka egymásra vetül A lágy szövetek kevésbé nyelik el a RTG-t, mert alacsony rendszámú elemeket tartalmaznak

Tomográfia Hagyományos rétegfelvételi eljárás A szummációs képen a hasonló denzitású szövetek elfedhetnek fontos részleteket

DSA(digitális szubtrakciós angiográfia)

DSA Erekről azonos felvételi pozícioban készítenek digitális képsorozatot a kontrasztanyag bejuttatása előtt és után A számítógép kivonja a két képet képpontonként egymásból

CT(computer tomográfia) a röntgencső és az érzékelő szinkronban mozog A röntgencső egy-egy pozíciójában átvilágítja a testet egy igen keskeny röntgensugár- nyalábbal.

CT az érzékelőkön kialakul egy-egy analóg jel →abszorpciós profil Sok-sok ilyen abszorpciós profilt digitalizál a számítógép Pl. egy 20×20 cm-es részről felvétel készül

Fogorvosi speciális eljárások Leggyakrabban hagyományos felvétel→film a fog mögé, é s készítenek egy felvételt Panoráma RTG: a RTG-cső és a film körbejárja a páciens fejét

Nukleáris diagnosztika radioaktív nyomjelzés radioaktív gyógyszeradagot (sugárgyógyszert, radiofarmakont) adnak be a betegnek, és a kijövő gammasugarak eloszlását speciális gamma kamerák észlelik.

Nukleáris diagnosztika

Pozitronkibocsátásos tomográfia (PET) Segítségével egyedülálló diagnosztikai információ nyerhető a szövetek és szervek rétegfelvételes méréseiből A PET vizsgálatnál legáltalánosabban használt radionuklidok: - - szén-11, 11 C (felezési idő: 20 perc), - - nitrogén.13; 13 N (10 perc), - - oxigén.15; 15 O (2 perc), - - fluor.18; 8 F (110 perc)

PET Ezekkel a „biológiai" izotópokkal, az élő szervezetekben található molekulák nagyon nagy hányada megjelölhető anélkül, hogy azoknak megváltoznának a biokémiai sajátosságai.

A radioaktivitás terápiás alkalmazásai alapja, hogy a nagy energiájú, ionizáló sugárzás elpusztítja a tumor fiatal sejtjeit. A kobaltágyú 60 Co izotópot használ jód→pajzsmirigy holmium→izületek technécium→vese, máj, csontok

A radioaktivitás terápiás alkalmazásai 1. A jód csak a pajzsmirigyhez kötődik, ha onnan kiválasztódik, kiürül. 2. A holmium-phytát nagy molekulasúlya miatt nem jut ki a térdből. Amikor a károsodott ízületi hártya elpusztult, kimossák az ízületből. 3. A technécium esetében, a beteg bőséges folyadékfogyasztásával érik el, hogy a vizeletben kiválasztódó technécium koncentrációja a vesében és a húgyhólyagban minél kisebb legyen, és a beteg minél gyorsabban kiürítse.

MRI Magnetic Resonance Imaging magmágneses rezonancián alapuló képalkotó eljárás

MRI A nem 0 spinű töltött részecske rendelkezik mágneses momentummal is. Az ilyen atomok mágneses térben rendeződnek Ahhoz, hogy a mágneses momentum elforduljon a mágneses térben, energiára van szükség (ΔE=hf)

MRI A ΔE a két energianívó közötti energiakülönbség Mivel az energiaelnyelés kvantált, lesz olyan frekvencia, amikor az energia elnyelés maximális, tehát az atomból kijövő energiasugárzást jelző detektor minimumot jelez→NMR-jel

MRI az élő szervezetek leggyakoribb építőkövei, közül, csak a hidrogén atommagjának van spinje Az élő emberi testszövet 1 mm 3 -ében lévő kb. 5 ⋅ proton (hidrogénmag) egyidejű precessziós mozgása által indukált, csillapodó elektromos rezgésből indul ki a számítógépes képrekonstrukció, melynek végén mátrixkép formájában jelenik meg a vizsgált testrész metszete

MRI Néhány MHz-es elektromágneses hullámot vezetnek keresztül a vizsgálandó mintán Egy adótekercs rövid idejű impulzusokat ad, majd az atomból kiinduló relaxációját egy vevőtekercs érzékeli Az információk mennek a számítógépbe az értékel

VÉGE Köszönöm megtisztelő figyelmüket