Biofizyka
Czym zajmuje się biofizyka:
· Fizycznymi i fizykochemicznymi podstawami procesów życiowych
· Wpływem czynników fizycznych na komórki, tkanki i całe organizmy
· Zastosowanie metod fizycznych do badań biologicznych
Wybrane przedrostki:
Piko [p] 10-12
Nano [n] 10-9
Mikro [µ] 10-6
Mili [m] 10-3
Kilo [k] 103
Mega [M] 106
Giga [G] 109
Tera [T] 1012
Bioelektryczność komórki- każda komórka posiada ujemny potencjał elektryczny który sama wytwarza.
Prąd elektryczny jest to uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych. Nośnikami ładunków mogą być elektrony lub jony. W przewodnikach metalowych jest to przepływ elektronów – prądy elektryczne natomiast w układach biologicznych jest to strumień jonów- prądy jonowe.
Jon- atom lub cząsteczka posiadająca ładunek
Elektron- trwała cząstka elementarna będąca jednym z elementów atomu.(ma ładunek ujemny)
Natężenie prądu[i] jest to ilość ładunków przepływających w jednosce czasu przez poprzeczny przekrój przewodnika i= Q/t gdzie: Q-ładunek t- czas wynik jest w [A]- amperach
Gęstość prądu [j] jest to natężenie prądu przepływającego przez jednostkową powierzchnie prostopadłą do kierunku przepływu prądu j=i/S gdzie: i- natężenie prądu S-powierzchnia wynik jest w A/m2
Czynniki powodujące przepływ jonów przez błony:
· Różnice stężeń – zjawisko dyfuzji
· Różnica potencjałów elektrycznych – zjawisko migracji
· Różnica stężeń i różnica potencjałów elektrycznych – zjawisko elektrodyfuzii
Dyfuzja- jest to zjawisko spowodowane różnicą stężeń polegającej na samorzutnym przepływie cząstek z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o stężeniu niższym. Zachodzi zarówno dla cząstek naładowanych elektrycznie jak i obojętnych. Jest wynikiem termicznego ruchu molekuł. Proces ten trwa do momentu wyrównania stężeń. Jest wynikiem termicznego ruchu molekuł.
Strumień dyfuzji [J] jest to ilość jonów przechodzących w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni. J=∆n/∆t
Dyfuzja przez błonę - Pierwsze prawo Flicka J=P∆c [J]- strumień dyfuzji – różnica stężeń jonów P- przepuszczalność błony
Przepuszczalność błony [P]- wielkość charakteryzująca przepuszczalność danego typu jonów; określa prędkość z jaką dany jon przechodzi prze błony. Wyraża się ona w m/s. Przepuszczalność zależy od właściwości jonów i błony a więc od:
· Rozmiaru i kształtu dyfundujących cząstek
· Grubości i struktur błon
· Lepkości środowiska
Elektodyfuzja: Strumień elektrodyfuzji jonów przez błonę jest proporcjonalna do różnic potencjałów
J+= -P∆c+(c+u+z+ F/d)∆V
J-=-P∆c+(c-u-z- F/d)∆V
Gdzie [J]- stężenie jonów (dodatnich lub ujemnych) [P∆c]- dyfuzja przez błone [c]- stęrzenie jonów [u] ?? [z]- wartościowość jonów [F]- stała Foradaya [d]- grubość błony [∆V]- różnica potencjałów elektrycznych
Dyfuzyjny potencjał elektryczny powstaje wówczas gdy:
-występuje różnica stężeń jonów po obu stronach błony
-błona ma różną przepuszczalność dla tych jonów
Wartość potencjału dyfuzyjnego może być obliczona za pomocą wzoru wprowadzonego przez Hendersona: V= P+-P-/P+-P-*RT/F*In*C2/C1
Jak powstaje potencjał elektryczny w komórce:
· Za własności krytyczne komórki odpowiadają głównie jony potasy K+, sodu, Na+ i chloru
· Stężenia tych jonów wewnątrz komórki są inne niż na zewnątrz
· Przepuszczalność błony komórkowej dla każdego z tych jonów jest inna
Powstający pomiędzy wnętrzem a otoczeniem komórki elektryczny potencjał dyfuzyjny nazywa się potencjałem spoczynkowym.
Całkowity prąd płynący przez błonę [jc] jest równy sumie poszczególnych prądów jonowych
Jc= jK+ jNa+ jCl
Depolaryzacja- przejście z potencjału ujemnego na dodatni
Odkształcenia ciał stałych:
· Ciało stałe ulega odkształceniom (zmienia swój kształt) gdy działają na niego siły zewnętrzne
· Odkształceniem sprężystym nazywamy takie odkształcenie, które znika po odjęciu sił odkształcających
Prawo Hook’a: Odkształcanie ciała jest wprost proporcjonalne do wywołującego jej naprężenia [Pa]
Prawo Hook’a dla rozciągnięcia: wydłużenie względne ciała jest wprost proporcjonalne do wywołującego go naprężenia Sigma= E∆l/l gdzie sigma – siła działająca na jednostkę powierzchni[Pa}
∆l/l- wydłużenie względne l- oznacza długość początkową natomiast ∆l przyrost długości E- moduł Younga(inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej, wielkość określająca sprężystość materiału)
Współczynnik Poissona-jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia ∆w/w=-µ∆l/l gdzie: ∆w/w- względne zwężenie, w oznacza szerokość początkową natomiast ∆w- zmiana szerokości, µ- współczynnik proporcjonalności zwany współczynnikiem poissona , ∆l/l- wydłużenie względne l- oznacza długość początkową natomiast ∆l przyrost długości
Ściskanie
Prawo hook’a- Względna zmiana objętości ciała poddanego ściskaniu jest wprost proporcjonalna do działającego naprężenia. Sigma=k∆V/V gdzie k-moduł ściśliwości
Odkształcenie postaci- powstaje pod wpływem działania sił statycznych do powierzchni odkształconej
Prawo Hook’a dla skręcania- Kąt skręcenia jest wprost proporcjonalny do działającego naprężenia statycznego
Przypomnienie podstaw
Siła[N] – wektorowa wielkość fizyczna będąca miarą oddziaływań fizycznych między ciałami
Siła ma wartość 1 N, jeżeli nadaje ciału o masie 1 kg przyspieszenie 1 m/s². więc: 1N=1kg*1m/s2.
An jest to siła z jaką ziemia przyciąga 0,1 kg więc 1kg=10N
Praca - skalarna wielkość fizyczna, miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach mechanicznych, elektrycznych, termodynamicznych i innych. W=F*s gdzie W-praca F- siła s-przesunięcie
Moc jest skalarną wielkością fizyczną określającą pracę wykonaną w jednostce czasu przez układ fizyczny. P=W/t gdzie: P-moc W-praca t-czas
Ciśnienie-to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność: p=Fn/S gdzie p-ciśnienie w Pascalach Fn-składowa siły prostopadła do powierzchni S- powierzchnia
N/m2=p- Pascal
Granica wytrzymałości jest to wartość naprężenia przy którym następuje zniszczenie ciała
Granica proporcjonalności to wartość naprężenia stanowiąca granice zakresu stosowania prawa Hook’a
Fale akustyczne
W najprostszym drganiu wychylenie ciała od położenia równowagi można opisać funkcją sinusoidalną: x(t)=xmaxsin(2xft) gdzie xmax-amplitudczyli maxymalne wychylenia, x(t)- wychylenie w chwili t, t- czas który upłyną od początku drgań, f- częstotliwość
Częstotliwość kołowa=2πf=2π/T
Ruch Falowy
Fala jest to rozprzestrzenianie się drgań (zaburzenia) w ośrodku sprężystym. Przemieszczanie się energii drgań odbywa się poprzez oscylacje cząsteczek ośrodka wokół ich położeń równowagi (cząsteczki nie są przemieszczane wraz z falą)
Fale podłużne- fale w których kierunek drgań cząsteczek jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się drgań
Ciśnienie akustyczne- zmienne w czasie odchylenie od średniej wartości ciśnienia statycznego panującego w ośrodku, występujące podczas rozchodzenia się w nim fali akustycznej
Równanie fali płaskiej można opisać za pomocą funkcji sinusoidalnej.
Parametry określające falę:
· Długość fali
· Okres, częstotliwość
· Amplituda
-Długość fali [λ] jest to droga jaką przebywa fala w ciągu jednego okresu.- najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań.
-Prędkość fali [v] v=λ/t gdzie λ-długoś fali, t-czas
-Moc fali [P] P=E/t gdzie E- energia fali, t-czas jednostka [W]-wat
-Natężenie fali [I]- ilość energii jaka przechodzi w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni
I= E/S*t gdzie E- energia fali, t-czas, s-powierzchnia prostopadła….. jednostka W/cm2
Natężenie fali jest wprost proporcjonalne do kwadratu ciśnienia akustycznego
-Okres fali- ilość drgań w ciągu sekundy (mowa 3000Hz-5000Hz)
-Okres drgań- czas jednego pełnego drgania
-Poziom natężenia dźwięku L=10log I/l0 gdzie I-natężenie dźwięku badanego, I0 – natężenie wzorcowe równe 10-12W/m2(jest to wartość natężenia progowego dla dźwięku o częstotliwości 1000 Hz)
Natężenie progowe (próg słyszalności) jest to najwyższe natężenie dźwięku, które wywołuje wrażenia słuchowe. Poziom natężenia dźwięku wyraża się w decybelach [dB] 60bD=106 120dB=1012(próg bólu)
Zależnie od częstotliwości fale akustyczne można podzielić na:
· Fale dźwiękowe 16Hz-20 000 Hz (słyszalne przez człowieka)
· Fale infradźwiękowe <16 Hz
· Fale ultradźwiękowe >20 000 Hz
Ultra dźwięki są falami akustycznymi
W terapii stosujemy: 800kHz-2,4MHz w terapii 1MHZ-15MHZ w diagnostyce
Wytwarzanie ultradźwięków-Ultradźwięki można otrzymać wykorzystując odwrotny efekt piezoelektryczny.
Efekt piezoelektryczny
Polega na poustawianiu potencjałów elektrycznych na powierzchni kryształu podczas jego ściskania lub rozciągania. Kryształ piezoelektryczny to kryształ jonowy nie posiadający środka symetrii np. kryształ kwarcu. Odwrotny efekt piezoelektryczny polega na kurczeniu bądź rozszerzaniu się kryształu pod wpływem przyłożenia zmiennego napięcia elektrycznego. Kryształy hydrostatyków znajdujące się w kościach są piezoelektrykami.
Prędkość fal w danym ośrodku jest stała, zależy od gęstości ośrodka i od jego własności sprężystych. Prędkość fal w ciałach stałych określa się wzorem: V=pierwiastek z E/p gdzie E- moduł Junga, p-gęstość lub V= pierwiastek z k/p gdzie: k-moduł ściśliwości, p-gęstość
Fale ultradźwiękowe ulegają w komórkach
· Odbiciu
· Załamaniu
· Ugięciu
· Rozproszeniu
· Absorbcji
Zjawisko odbicia fal ultradźwiękowych jest zależne oporności akustycznej ośrodka [z] którą wylicza się ze wzoru z=pv=pierwiastek pK gdzie p-gęstość ośrodka v-prędkość fali K- prędkość ultradźwięków w ośrodku.
Fala akustyczna ulega odbiciu na granicy ośrodków różniących się opornościami akustycznymi. Z1- oporność akustyczna jednego ośrodka, Z2- oporność drugiego ośrodka
Gdy Z1=Z2 – brak odbicia(absorbcja załamanie) Jeżeli Z1>Z2 lub Z1<Z2 to część fali ulega rozbiciu a część przechodzi do drugiego ośrodka. Jeżeli Z1>>Z2 wtedy całą fala ulega odbiciu (dzieje się tak na granicy powietrza i tkanki)
Zadanie: Ile wynosi częstotliwość fali w tkance miękkiej o długości 1mm
F=V/λ V=1500 m/s=1 500 000 mm/s λ=1mm 1 500 000/1=1 500 000Hz= 1,5MHz
Ultrasonografia(usg)
-bazuje na zjawisku odbicia, metoda echa
Amplitudy powracających ech zamienia się na różny stopień jasności punktów wyświetlanych na ekranie
Chronografia- diagnostyka tkanek mięśniowych, stosowane częstotliwości to 1-15 MHz. Przy doborze częstotliwości uwzględnia się: możliwość obserwacji szczegółów, głębokość narządów, bezpieczeństwo.
Absorbcja fal ultradźwiękowych
Fala przechodząc przez tkankę traci energie, jej natężenie maleje
Prawo absorbcji: I=I0e-kr I0- natężenie fali padającej
Warstwa połowiąca d1/2 (warstwa połówkowa) to taka grubość tkanki, która zmniejsza natężenie fali o połowę.
Współczynnik absorbcji zależy od : częstotliwości fali, własności tkanki
Im wyższa częstotliwość fali tym fala jest silniej absorbowana przez tkankę
Przy 800 KHz d1/2=3cm przy 2,4MHz d1/2=1cm
Podstawy działania leczniczego ultradźwięków:
· Zwiększenie przepuszczalności błon komórkowych
· Usprawnienie oddychania tkankowego i pobudzenie przemiany materii komórek
· Zmiana w ich strukturze koloidów tkankowych i ich uwodnienie
· Zmiany w okładach jonowych tkanek
· Zmiana odczynu tkanek w kierunku zasadowym
· Oddziaływanie na struktury krystaliczne
Skutki lecznicze:
· Poprawiają ukrwienie
· Działają przeciwbólowo
· Powodują wzrost potencjału błonowego
· Polepszają przewodnictwo nerwów
· Hamują procesy zapalne
· Zmniejszają napięcie mięśni szkieletowych
· Zmniejszają napięcie błony mięśniowej gładkiej
· Zwiększają rozciągliwość włókien kolagenowych
· Przyśpieszają gojenie ran
Warstwa połówkowa- wartość do której wejdzie połowa fali
Oddziaływanie ultradźwięków z tkankami:
· Oddziaływanie czynne- w terapii 0,5-2 W/m2
· Oddziaływanie bierne- w diagnostyce zachodzą przy natężeniu I<<W/cm2 nie wywołują skutków biologicznych
· Mechaniczne (mikromasaż)
· Cieplne
...
agatkaagata