biofizica si fizica medicala-curs -adina mincic
Post on 22-Oct-2015
1.493 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
1
Biofizica si fizica medicala
Conf univ dr Adina Mincic
Biofizica - tematica sem I
1 Biofizica ndash domenii de studiu si rolul in contextul stiintelor vietii
2 Notiuni si elemente de fizica atomului si moleculei interactii si legaturi moleculare structura materiei vii tipuri de legaturi in structura materiei biologice rolul apei in procesele biologice
3 Elemente de mecanica Statica dinamica fluidelor Vascozitatea lichidelor Metode de măsurare a vacircscozităţii Notiuni de hemodinamica
4 Soluţii Clasificare proprietăţi Feneomene la nivelul interfeţelor
5 Metode de separare şi studiu al macromoleculelor din soluţii ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Biofizica - tematica sem I
6 Fenomene de transport in solutii de interes biologic Difuzia Legile lui Fick Rolul difuziei in procesele biologice Osmoza Legile osmozei Rolul osmozei icircn procesele din organism
7 Membrana celulară - structură proprietăţi Transport pasiv şi transport activ prin membranele celulare
8 Bioelectrogeneza Fenomene electrice la nivelul membranelor Potenţiale de repaus Potenţiale de acţiune si propagarea lor Transmiterea sinaptica Bioelectrogeneza organelor şi ţesuturilor Metode de icircnregistrare a activităţii electrice a organelor (EMG ECG EEG) Potentiale evocate ndash caracterizare aplicatii clinice
Biofizica - tematica sem I
9Elemente de optică Optica geometrica fenomene de reflexie şi refracţie a luminii si aplicatii in medicina Optica ondulatorie interferenta dispersia polarizarea luminii aplicaţii ale opticii in medicina Instrumente optice microscopul
10 Laserii si aplicatiile lor in medicina Absorbţia luminii emisiespontană şi stimulată fenomenul de pompaj Clasificarea si proprietatile laserilor Parametri fizici ai unui laser Interactia radiaţieilaser cu substanţa si norme de protectie Aplicaţii medicale ale laserului
11 Principiile fizice ale unor metode de diagnostic si tratament in medicina Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie Dozimetrie radioprotecţie Metode de diagnostic prin raze X radiografia CT TEP (PET)
Biofizica - tematica sem I
12 Bazele fizice ale rezonanţei magnetice nucleare imagistica prin RMN spectroscopia prin RMN sistemul RMN aplicatii in medicina
13 Ultrasunete interacţia cu materia vie aplicaţii biomedicale Generarea ultrasunetelor impedanta acustica ecografia
14 Interactia radiatiei infrarosu cu materia vie si aplicatii medicale tomografia optica
15 Metode de radioterapie
16 Biofizica sistemelor complexe Biofizica analizatorilor Analizatorul optic Analizatorul auditiv
17 Biomecanica contractiei musculare Controlul miscarilor Interfata creier-computer in dezvoltarea neuroprotezelor motorii
Bibliografiebull FW Sears MW Zemanski H D Young Fizica Editura Didactică şi
Pedagogică 1983bull D Haliday R Resnick Fizică Editura Didactică şi Pedagogică 1975bull A Popescu Fundamentele Biofizicii Medicale vol I Editura All 1994bull V Vasilescu Biofizica Medicală Editura Didactică şi Pedagogică 1977 bull A Mincic Essentials of Medical Biophysics vol I Editura Universitatii din
Oradea 2008bull Dumitras D Biofotonica Bazele fizice ale aplicatiilor laserilor in medicina
si biologie Editura ALL Educational Bucuresti 1999bull Opris F Elemente de Biofizica si Fizica Medicala Editura Printech
Bucuresti 2000bull Eremia D Biofizica Medicala Editura UMF ldquoCarol Davilardquo Bucuresti
1993bull Mitchell DGCohen M MRI Principles 2nd Edition WBSaunders
Company 2003bull E A Ash C Hill (eds) Acoustical Imaging vol 12 Plenum NY 1983
2
Ce este biofizica
bull Stiinta care aplica teoriile si metodele fiziciiin studiul organizarii si functiilor sistemelorbiologice
-caracter interdisciplinar
Dezvoltarea biofizicii
Erwin Schroumldinger (1887-1961)
-bazele mecanicii cuanticeldquoCe este viatardquo ndash ADN stocareainformatiei genetice in molecule
Progrese in fizica cuantica
Max Delbruumlck (1906-1981)Fizica nucleara studiul organismelorVii (bacterii visusuri)
Dezvoltarea biofiziciibull Progrese in fizica cuantica
Leo Szilard (1898-1964)
-reactorul nuclear Izotopi radioactivi
George Gamow (1904-1968)
-dezintegrare radioactiva alfa
Dezvoltarea biofizicii
Cristalografia prin raze X
Francis Crick (1916-2004)
Structura acizilor nucleici
Enrico Fermi (1901-1954)
Dezintegrare beta
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor
Biofizica ndash aplica teoriile si metodele fizicii in studiul structurii si functiilor organismelor vii
bullBiofizica teoretica ndash modelarea sistemelorbiologice complexe
bullBiofizica experimentala
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor- nivel de organizare a materiei vii
bull Biofizica electronica (cuantica) structura electronica transfer de energiesarcina electrica intre molecule
bull Biofizica moleculara structura si proprietatilemoleculelor biologice (microscopie spectroscopie raze X)
bull Biofizica celulara structura proprietati functii celulare(PA transport receptori)
bull Biofizica sistemelor complexe ansambluri celulare(bioelectrogeneza retele neuronale analizatori sistemmuscular)
3
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor
In functie de subdomeniul fizicii aplicate in studiul materiei vii
bull Biomecanica sistemul locomotorbull Bioelectricitatea fenomene electrice si aplicatii in diagnostic sitratamentbull Biotermodinamica generarea stocarea conversia energiei le nivel celular si sistemic
Domenii noi
-Bionica (solutii tehnice inspirate din organizarea sistemelor vii-Biocibernetica ndash principiile si mecanismele transmiterii informatiei
Domenii ale Biofizicii
bull Biofizica interactiilor materiei vii cu factoriifizici (aspecte fundamentale si aplicative)
bull Biofizica medicala tehnici de diagnostic (imagistica) tratament
Structura materiei vii
bull Elemente chimice ndash oxigen azot fosfor sulfhellip
bull Molecule ndash grupari de atomi combinate chimicCompusi anorganici (in general nu contin C)- ex H2O NaCl alte saruri mineraleCompusi organici ndash contin in general C- carbohidrati (zaharuri) proteine lipide acizi nucleici
Apa (H2O) si rolul său in organism
Dipol electric
Clasifcarea apei in organismele vii
bull A) dupa locul in care se afla in raport cu celulele- intracelulara (70)- extracelulara (30) ndash interstitiala (extravasculara) 23
- circulanta (vasculara) 7bull Dupa distributia in tesuturi ndash tisulara si extratisulara
(cavitara ndash ex umori lichid cefalorahidian sange)bull Dpv al interactiei cu moleculele biologice ndash apa libera si
apa legata (structurata) interactiuni cu gruparihidrofile ale proteinelor acizilor nucleici glucidelor lipidelor
bull Dupa provenienta in organism ndash exogena (din exterior) siendogena (din reactii biochimice ndash eg oxidareananeroba)
Distributia apei in tesuturi
bull Depinde de raportul dintre cantitatea de colesterol(hidrofil) si acizi grasi (hidrofobi) ndash coeficient lipocitic
bull Cantitatea de apa dintr-un organ depinde de intensitateaproceselor metabolice din acel organ
bull Exemple bull par ndash 4 dentina ndash 9 tesut adipos ndash 30 substanta
alba ndash 70 muschi 75 inima 77 substanta cenusiendash 85 plasma 93 tesut embrionar 97
4
Apa si rolul său in organism
bull Organismul uman ~ 75 apa (citoplasma celulara fluidele din organism ndash solutii apoase)
bull Rolul apei in procesele din organism- mediu pentru reactii metabolice- mediu de transport al compusilor spredinspre celule- faciliteaza digestia- contribuie la eliminarea deseurilor din organism prinurina (mecanism ndash rinichi senzatia de sete)- contribuie la mentinerea temperaturii constante printranspiratie (procesele de termoreglare)
Apa si rolul său in organism
bull Asigura protectia la socuri mecanice ale unor sisteme (eg sistemulnervos central emobrion fat)
bull Mediul de transport al moleculelor ionilor macro-moleculelor sicelulelor de la un organ la altul (prin fluidele circulante)
bull Constituie mediul de flotatie al celulelor libere (hematii celulele albeale sangelui)
bull Termoreglarea - termoliza (scaderea temperaturii) transpiratie respiratie vasodilatatie termica conductibilitate termica- termogeneza (cresterea temperaturii) vasoconstrictie periferica contractii musculare (voluntare ndash exercitii fizice involuntare ndashtremuraturi)
Biomolecule
bull Proteine
bull Contin aminoacizi C H O N S
bull Roluri
bull structura membrane siorganite celulare
bull Enzimebull Transportori de substantebull rol imunologic
Hemoglobinaαααα -rosu ββββ-albastru hem- verde
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Forte van der Waals ndash suma fortelor de atractie respingere intremolecule sau intre parti din molecule diferite de legaturile covalente de hidrogen electrostatice intre ioni sau molecule incarcate electric
bull forte intre 2 dipoli permanenti sau dipol permanent-dipol indus sau intre 2 dipoli indusi
bull Legaturi ionice - rezulta din atractia electrostatica intre ioni de sarciniopuse
Legatura covalenta
Punere in comun de electroni intre doi atomi
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Legatura peptidica ndash covalenta intre doua grupari -NH2 si ndashCOOH apartinand la doi aminoacizi diferiti (cu eliminarea unei molecule de apa)
bull grupul functional -C(=O)NH- legatura peptidica
Legatura de hidrogen- intre molecule polare unde H se leaga de atomi puternicelectronegativi ca N O sau F -Interactie de tip dipol-dipol (nu legaturacovalenta)-Poate fi intermoleculara si intramoleculara- intre molecule de apa proteine acizinucleici etc- mai slaba decat legaturile covalente sauionice mai puternica decat cele van derWaals
5
Structura proteinelor
bull Proteinele ndash polimeri polipeptide ndash secvente de α- aminoacizi
bull In scopul indeplinirii functiilor biologice -gt organizare intr-oconfiguratie spatiala prin legaturi necovalente (van der Waals legaturi de hidrogen legaturi ionice impachetari hidrofobice)
bull Dimensiuni de la cativa nanometri la ansambluri de subunitati(agregate) de exemplu sub forma de filamente
bull Metode de investigare a structurii proteinelor cristalografie prinraze X spectroscopie prin RMN interferometrie prin polarizareduala (laser)
Structura proteinelor
bull Relatia structuraharrfunctiebull Modificari structurale reversibile (conformatii)
modificari conformationalebull Structura primară secventa de aminoacizi din
structura lantului polipeptidic (specifica determinafunctia)- rezulta prin formarea legăturilor peptidice covalente
Ex Insulina este compusa din 51 aminoacizi in 2 lanturi
Structura proteinelor
bull Structura secundara ndash se refera la sub-structurilelocale regulate determinate de legaturile de hidrogen
bull ex Helixul α lantul β (intre gruparile NH si CO)
Structura proteinelor
bull Structura tertiara- conformație tridrimensională prin intermediul cuplăriimai multor lanțuri polipeptidice scurte icircntre ele care duce la formarea fibrelor proteice
bull Structura cuaternară se referă la modul icircn care se unescsubunitățile proteice
bull Exemple de proteine cu structura cuaternara hemoglobina canalele ionice
Structura proteinelorLipide
bull Molecule ce contin C H O N S bull Intra in constitutia celulelor (membrane)bull Au rol in stocarea energiei celulare
6
Acizi nucleici
bull Molecule complexe e contin C H O N Pbull Material genetic ndash contin informatii despre
organisme transmise la urmasibull Dirijeaza functiile organismuluibull Rol in sinteza de proteinebull ADN si ARN
Glucide
bull Constituenti structurali ai celulelor
- glucoza (C6H12O6)- dezoxiriboza - constituent al ADN- riboza ndash constituent al ARN sienzimei ATP
bull Surse de energie
bull Sursa de carbon in proceselemetabolice
bull Stocare a energiei celulare riboza
glucoza
Biofizica celulara
bull Celulele ndash unitati structurale si functionale ale organismelor viibull Structura celulara
- membrana- citoplasma (fluid gelatinos in care se gasesc organelele)- nucleul (forma sferica contine cromozomii)
bull Celulele vii ndash sisteme deschise schimb de masa si energie cu mediul
bull Membranele celulare ndash structuri specializate cu rol principal in schimb de substante intre celula si mediul extracelular
Fenomene de transport prin membrane
bull Clasificare ndash pasive (ie fara consum de energie)- active (necesita absorbtie de energie)
bull Transportul pasiv este determinat de- gradienti chimici de concentratie- gradienti de potential electric
bull Transportul pasiv are loc pana cand se atinge un echilibru dinamic chimic al sarcinii electrice
Transport pasiv prin membrana celulara
bull Trei procese implicate in transportul pasiv de substantaprin membrane
a) osmoza ndash responsabila pentru transportul apei
b) difuzia simpla ndash transport al moleculelor mici
c) difuzia facilitata (prin intermediul moleculelorcarrier)
Difuzia
bull Proces de miscare a moleculelor sau ionilor uneisubstante dintr-o zona cu o concentratie (c1) mai mare spre o zona cu o concentratie (c2) mai mica panacand c1-c2=0
bull Mai pronuntata in gaze si lichide mult mai lenta in solide
bull Determinata de miscarea termica (Browniana) a particulelor
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
2
Ce este biofizica
bull Stiinta care aplica teoriile si metodele fiziciiin studiul organizarii si functiilor sistemelorbiologice
-caracter interdisciplinar
Dezvoltarea biofizicii
Erwin Schroumldinger (1887-1961)
-bazele mecanicii cuanticeldquoCe este viatardquo ndash ADN stocareainformatiei genetice in molecule
Progrese in fizica cuantica
Max Delbruumlck (1906-1981)Fizica nucleara studiul organismelorVii (bacterii visusuri)
Dezvoltarea biofiziciibull Progrese in fizica cuantica
Leo Szilard (1898-1964)
-reactorul nuclear Izotopi radioactivi
George Gamow (1904-1968)
-dezintegrare radioactiva alfa
Dezvoltarea biofizicii
Cristalografia prin raze X
Francis Crick (1916-2004)
Structura acizilor nucleici
Enrico Fermi (1901-1954)
Dezintegrare beta
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor
Biofizica ndash aplica teoriile si metodele fizicii in studiul structurii si functiilor organismelor vii
bullBiofizica teoretica ndash modelarea sistemelorbiologice complexe
bullBiofizica experimentala
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor- nivel de organizare a materiei vii
bull Biofizica electronica (cuantica) structura electronica transfer de energiesarcina electrica intre molecule
bull Biofizica moleculara structura si proprietatilemoleculelor biologice (microscopie spectroscopie raze X)
bull Biofizica celulara structura proprietati functii celulare(PA transport receptori)
bull Biofizica sistemelor complexe ansambluri celulare(bioelectrogeneza retele neuronale analizatori sistemmuscular)
3
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor
In functie de subdomeniul fizicii aplicate in studiul materiei vii
bull Biomecanica sistemul locomotorbull Bioelectricitatea fenomene electrice si aplicatii in diagnostic sitratamentbull Biotermodinamica generarea stocarea conversia energiei le nivel celular si sistemic
Domenii noi
-Bionica (solutii tehnice inspirate din organizarea sistemelor vii-Biocibernetica ndash principiile si mecanismele transmiterii informatiei
Domenii ale Biofizicii
bull Biofizica interactiilor materiei vii cu factoriifizici (aspecte fundamentale si aplicative)
bull Biofizica medicala tehnici de diagnostic (imagistica) tratament
Structura materiei vii
bull Elemente chimice ndash oxigen azot fosfor sulfhellip
bull Molecule ndash grupari de atomi combinate chimicCompusi anorganici (in general nu contin C)- ex H2O NaCl alte saruri mineraleCompusi organici ndash contin in general C- carbohidrati (zaharuri) proteine lipide acizi nucleici
Apa (H2O) si rolul său in organism
Dipol electric
Clasifcarea apei in organismele vii
bull A) dupa locul in care se afla in raport cu celulele- intracelulara (70)- extracelulara (30) ndash interstitiala (extravasculara) 23
- circulanta (vasculara) 7bull Dupa distributia in tesuturi ndash tisulara si extratisulara
(cavitara ndash ex umori lichid cefalorahidian sange)bull Dpv al interactiei cu moleculele biologice ndash apa libera si
apa legata (structurata) interactiuni cu gruparihidrofile ale proteinelor acizilor nucleici glucidelor lipidelor
bull Dupa provenienta in organism ndash exogena (din exterior) siendogena (din reactii biochimice ndash eg oxidareananeroba)
Distributia apei in tesuturi
bull Depinde de raportul dintre cantitatea de colesterol(hidrofil) si acizi grasi (hidrofobi) ndash coeficient lipocitic
bull Cantitatea de apa dintr-un organ depinde de intensitateaproceselor metabolice din acel organ
bull Exemple bull par ndash 4 dentina ndash 9 tesut adipos ndash 30 substanta
alba ndash 70 muschi 75 inima 77 substanta cenusiendash 85 plasma 93 tesut embrionar 97
4
Apa si rolul său in organism
bull Organismul uman ~ 75 apa (citoplasma celulara fluidele din organism ndash solutii apoase)
bull Rolul apei in procesele din organism- mediu pentru reactii metabolice- mediu de transport al compusilor spredinspre celule- faciliteaza digestia- contribuie la eliminarea deseurilor din organism prinurina (mecanism ndash rinichi senzatia de sete)- contribuie la mentinerea temperaturii constante printranspiratie (procesele de termoreglare)
Apa si rolul său in organism
bull Asigura protectia la socuri mecanice ale unor sisteme (eg sistemulnervos central emobrion fat)
bull Mediul de transport al moleculelor ionilor macro-moleculelor sicelulelor de la un organ la altul (prin fluidele circulante)
bull Constituie mediul de flotatie al celulelor libere (hematii celulele albeale sangelui)
bull Termoreglarea - termoliza (scaderea temperaturii) transpiratie respiratie vasodilatatie termica conductibilitate termica- termogeneza (cresterea temperaturii) vasoconstrictie periferica contractii musculare (voluntare ndash exercitii fizice involuntare ndashtremuraturi)
Biomolecule
bull Proteine
bull Contin aminoacizi C H O N S
bull Roluri
bull structura membrane siorganite celulare
bull Enzimebull Transportori de substantebull rol imunologic
Hemoglobinaαααα -rosu ββββ-albastru hem- verde
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Forte van der Waals ndash suma fortelor de atractie respingere intremolecule sau intre parti din molecule diferite de legaturile covalente de hidrogen electrostatice intre ioni sau molecule incarcate electric
bull forte intre 2 dipoli permanenti sau dipol permanent-dipol indus sau intre 2 dipoli indusi
bull Legaturi ionice - rezulta din atractia electrostatica intre ioni de sarciniopuse
Legatura covalenta
Punere in comun de electroni intre doi atomi
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Legatura peptidica ndash covalenta intre doua grupari -NH2 si ndashCOOH apartinand la doi aminoacizi diferiti (cu eliminarea unei molecule de apa)
bull grupul functional -C(=O)NH- legatura peptidica
Legatura de hidrogen- intre molecule polare unde H se leaga de atomi puternicelectronegativi ca N O sau F -Interactie de tip dipol-dipol (nu legaturacovalenta)-Poate fi intermoleculara si intramoleculara- intre molecule de apa proteine acizinucleici etc- mai slaba decat legaturile covalente sauionice mai puternica decat cele van derWaals
5
Structura proteinelor
bull Proteinele ndash polimeri polipeptide ndash secvente de α- aminoacizi
bull In scopul indeplinirii functiilor biologice -gt organizare intr-oconfiguratie spatiala prin legaturi necovalente (van der Waals legaturi de hidrogen legaturi ionice impachetari hidrofobice)
bull Dimensiuni de la cativa nanometri la ansambluri de subunitati(agregate) de exemplu sub forma de filamente
bull Metode de investigare a structurii proteinelor cristalografie prinraze X spectroscopie prin RMN interferometrie prin polarizareduala (laser)
Structura proteinelor
bull Relatia structuraharrfunctiebull Modificari structurale reversibile (conformatii)
modificari conformationalebull Structura primară secventa de aminoacizi din
structura lantului polipeptidic (specifica determinafunctia)- rezulta prin formarea legăturilor peptidice covalente
Ex Insulina este compusa din 51 aminoacizi in 2 lanturi
Structura proteinelor
bull Structura secundara ndash se refera la sub-structurilelocale regulate determinate de legaturile de hidrogen
bull ex Helixul α lantul β (intre gruparile NH si CO)
Structura proteinelor
bull Structura tertiara- conformație tridrimensională prin intermediul cuplăriimai multor lanțuri polipeptidice scurte icircntre ele care duce la formarea fibrelor proteice
bull Structura cuaternară se referă la modul icircn care se unescsubunitățile proteice
bull Exemple de proteine cu structura cuaternara hemoglobina canalele ionice
Structura proteinelorLipide
bull Molecule ce contin C H O N S bull Intra in constitutia celulelor (membrane)bull Au rol in stocarea energiei celulare
6
Acizi nucleici
bull Molecule complexe e contin C H O N Pbull Material genetic ndash contin informatii despre
organisme transmise la urmasibull Dirijeaza functiile organismuluibull Rol in sinteza de proteinebull ADN si ARN
Glucide
bull Constituenti structurali ai celulelor
- glucoza (C6H12O6)- dezoxiriboza - constituent al ADN- riboza ndash constituent al ARN sienzimei ATP
bull Surse de energie
bull Sursa de carbon in proceselemetabolice
bull Stocare a energiei celulare riboza
glucoza
Biofizica celulara
bull Celulele ndash unitati structurale si functionale ale organismelor viibull Structura celulara
- membrana- citoplasma (fluid gelatinos in care se gasesc organelele)- nucleul (forma sferica contine cromozomii)
bull Celulele vii ndash sisteme deschise schimb de masa si energie cu mediul
bull Membranele celulare ndash structuri specializate cu rol principal in schimb de substante intre celula si mediul extracelular
Fenomene de transport prin membrane
bull Clasificare ndash pasive (ie fara consum de energie)- active (necesita absorbtie de energie)
bull Transportul pasiv este determinat de- gradienti chimici de concentratie- gradienti de potential electric
bull Transportul pasiv are loc pana cand se atinge un echilibru dinamic chimic al sarcinii electrice
Transport pasiv prin membrana celulara
bull Trei procese implicate in transportul pasiv de substantaprin membrane
a) osmoza ndash responsabila pentru transportul apei
b) difuzia simpla ndash transport al moleculelor mici
c) difuzia facilitata (prin intermediul moleculelorcarrier)
Difuzia
bull Proces de miscare a moleculelor sau ionilor uneisubstante dintr-o zona cu o concentratie (c1) mai mare spre o zona cu o concentratie (c2) mai mica panacand c1-c2=0
bull Mai pronuntata in gaze si lichide mult mai lenta in solide
bull Determinata de miscarea termica (Browniana) a particulelor
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
3
Biofizica-Clasificarea subdomeniilor
In functie de subdomeniul fizicii aplicate in studiul materiei vii
bull Biomecanica sistemul locomotorbull Bioelectricitatea fenomene electrice si aplicatii in diagnostic sitratamentbull Biotermodinamica generarea stocarea conversia energiei le nivel celular si sistemic
Domenii noi
-Bionica (solutii tehnice inspirate din organizarea sistemelor vii-Biocibernetica ndash principiile si mecanismele transmiterii informatiei
Domenii ale Biofizicii
bull Biofizica interactiilor materiei vii cu factoriifizici (aspecte fundamentale si aplicative)
bull Biofizica medicala tehnici de diagnostic (imagistica) tratament
Structura materiei vii
bull Elemente chimice ndash oxigen azot fosfor sulfhellip
bull Molecule ndash grupari de atomi combinate chimicCompusi anorganici (in general nu contin C)- ex H2O NaCl alte saruri mineraleCompusi organici ndash contin in general C- carbohidrati (zaharuri) proteine lipide acizi nucleici
Apa (H2O) si rolul său in organism
Dipol electric
Clasifcarea apei in organismele vii
bull A) dupa locul in care se afla in raport cu celulele- intracelulara (70)- extracelulara (30) ndash interstitiala (extravasculara) 23
- circulanta (vasculara) 7bull Dupa distributia in tesuturi ndash tisulara si extratisulara
(cavitara ndash ex umori lichid cefalorahidian sange)bull Dpv al interactiei cu moleculele biologice ndash apa libera si
apa legata (structurata) interactiuni cu gruparihidrofile ale proteinelor acizilor nucleici glucidelor lipidelor
bull Dupa provenienta in organism ndash exogena (din exterior) siendogena (din reactii biochimice ndash eg oxidareananeroba)
Distributia apei in tesuturi
bull Depinde de raportul dintre cantitatea de colesterol(hidrofil) si acizi grasi (hidrofobi) ndash coeficient lipocitic
bull Cantitatea de apa dintr-un organ depinde de intensitateaproceselor metabolice din acel organ
bull Exemple bull par ndash 4 dentina ndash 9 tesut adipos ndash 30 substanta
alba ndash 70 muschi 75 inima 77 substanta cenusiendash 85 plasma 93 tesut embrionar 97
4
Apa si rolul său in organism
bull Organismul uman ~ 75 apa (citoplasma celulara fluidele din organism ndash solutii apoase)
bull Rolul apei in procesele din organism- mediu pentru reactii metabolice- mediu de transport al compusilor spredinspre celule- faciliteaza digestia- contribuie la eliminarea deseurilor din organism prinurina (mecanism ndash rinichi senzatia de sete)- contribuie la mentinerea temperaturii constante printranspiratie (procesele de termoreglare)
Apa si rolul său in organism
bull Asigura protectia la socuri mecanice ale unor sisteme (eg sistemulnervos central emobrion fat)
bull Mediul de transport al moleculelor ionilor macro-moleculelor sicelulelor de la un organ la altul (prin fluidele circulante)
bull Constituie mediul de flotatie al celulelor libere (hematii celulele albeale sangelui)
bull Termoreglarea - termoliza (scaderea temperaturii) transpiratie respiratie vasodilatatie termica conductibilitate termica- termogeneza (cresterea temperaturii) vasoconstrictie periferica contractii musculare (voluntare ndash exercitii fizice involuntare ndashtremuraturi)
Biomolecule
bull Proteine
bull Contin aminoacizi C H O N S
bull Roluri
bull structura membrane siorganite celulare
bull Enzimebull Transportori de substantebull rol imunologic
Hemoglobinaαααα -rosu ββββ-albastru hem- verde
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Forte van der Waals ndash suma fortelor de atractie respingere intremolecule sau intre parti din molecule diferite de legaturile covalente de hidrogen electrostatice intre ioni sau molecule incarcate electric
bull forte intre 2 dipoli permanenti sau dipol permanent-dipol indus sau intre 2 dipoli indusi
bull Legaturi ionice - rezulta din atractia electrostatica intre ioni de sarciniopuse
Legatura covalenta
Punere in comun de electroni intre doi atomi
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Legatura peptidica ndash covalenta intre doua grupari -NH2 si ndashCOOH apartinand la doi aminoacizi diferiti (cu eliminarea unei molecule de apa)
bull grupul functional -C(=O)NH- legatura peptidica
Legatura de hidrogen- intre molecule polare unde H se leaga de atomi puternicelectronegativi ca N O sau F -Interactie de tip dipol-dipol (nu legaturacovalenta)-Poate fi intermoleculara si intramoleculara- intre molecule de apa proteine acizinucleici etc- mai slaba decat legaturile covalente sauionice mai puternica decat cele van derWaals
5
Structura proteinelor
bull Proteinele ndash polimeri polipeptide ndash secvente de α- aminoacizi
bull In scopul indeplinirii functiilor biologice -gt organizare intr-oconfiguratie spatiala prin legaturi necovalente (van der Waals legaturi de hidrogen legaturi ionice impachetari hidrofobice)
bull Dimensiuni de la cativa nanometri la ansambluri de subunitati(agregate) de exemplu sub forma de filamente
bull Metode de investigare a structurii proteinelor cristalografie prinraze X spectroscopie prin RMN interferometrie prin polarizareduala (laser)
Structura proteinelor
bull Relatia structuraharrfunctiebull Modificari structurale reversibile (conformatii)
modificari conformationalebull Structura primară secventa de aminoacizi din
structura lantului polipeptidic (specifica determinafunctia)- rezulta prin formarea legăturilor peptidice covalente
Ex Insulina este compusa din 51 aminoacizi in 2 lanturi
Structura proteinelor
bull Structura secundara ndash se refera la sub-structurilelocale regulate determinate de legaturile de hidrogen
bull ex Helixul α lantul β (intre gruparile NH si CO)
Structura proteinelor
bull Structura tertiara- conformație tridrimensională prin intermediul cuplăriimai multor lanțuri polipeptidice scurte icircntre ele care duce la formarea fibrelor proteice
bull Structura cuaternară se referă la modul icircn care se unescsubunitățile proteice
bull Exemple de proteine cu structura cuaternara hemoglobina canalele ionice
Structura proteinelorLipide
bull Molecule ce contin C H O N S bull Intra in constitutia celulelor (membrane)bull Au rol in stocarea energiei celulare
6
Acizi nucleici
bull Molecule complexe e contin C H O N Pbull Material genetic ndash contin informatii despre
organisme transmise la urmasibull Dirijeaza functiile organismuluibull Rol in sinteza de proteinebull ADN si ARN
Glucide
bull Constituenti structurali ai celulelor
- glucoza (C6H12O6)- dezoxiriboza - constituent al ADN- riboza ndash constituent al ARN sienzimei ATP
bull Surse de energie
bull Sursa de carbon in proceselemetabolice
bull Stocare a energiei celulare riboza
glucoza
Biofizica celulara
bull Celulele ndash unitati structurale si functionale ale organismelor viibull Structura celulara
- membrana- citoplasma (fluid gelatinos in care se gasesc organelele)- nucleul (forma sferica contine cromozomii)
bull Celulele vii ndash sisteme deschise schimb de masa si energie cu mediul
bull Membranele celulare ndash structuri specializate cu rol principal in schimb de substante intre celula si mediul extracelular
Fenomene de transport prin membrane
bull Clasificare ndash pasive (ie fara consum de energie)- active (necesita absorbtie de energie)
bull Transportul pasiv este determinat de- gradienti chimici de concentratie- gradienti de potential electric
bull Transportul pasiv are loc pana cand se atinge un echilibru dinamic chimic al sarcinii electrice
Transport pasiv prin membrana celulara
bull Trei procese implicate in transportul pasiv de substantaprin membrane
a) osmoza ndash responsabila pentru transportul apei
b) difuzia simpla ndash transport al moleculelor mici
c) difuzia facilitata (prin intermediul moleculelorcarrier)
Difuzia
bull Proces de miscare a moleculelor sau ionilor uneisubstante dintr-o zona cu o concentratie (c1) mai mare spre o zona cu o concentratie (c2) mai mica panacand c1-c2=0
bull Mai pronuntata in gaze si lichide mult mai lenta in solide
bull Determinata de miscarea termica (Browniana) a particulelor
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
4
Apa si rolul său in organism
bull Organismul uman ~ 75 apa (citoplasma celulara fluidele din organism ndash solutii apoase)
bull Rolul apei in procesele din organism- mediu pentru reactii metabolice- mediu de transport al compusilor spredinspre celule- faciliteaza digestia- contribuie la eliminarea deseurilor din organism prinurina (mecanism ndash rinichi senzatia de sete)- contribuie la mentinerea temperaturii constante printranspiratie (procesele de termoreglare)
Apa si rolul său in organism
bull Asigura protectia la socuri mecanice ale unor sisteme (eg sistemulnervos central emobrion fat)
bull Mediul de transport al moleculelor ionilor macro-moleculelor sicelulelor de la un organ la altul (prin fluidele circulante)
bull Constituie mediul de flotatie al celulelor libere (hematii celulele albeale sangelui)
bull Termoreglarea - termoliza (scaderea temperaturii) transpiratie respiratie vasodilatatie termica conductibilitate termica- termogeneza (cresterea temperaturii) vasoconstrictie periferica contractii musculare (voluntare ndash exercitii fizice involuntare ndashtremuraturi)
Biomolecule
bull Proteine
bull Contin aminoacizi C H O N S
bull Roluri
bull structura membrane siorganite celulare
bull Enzimebull Transportori de substantebull rol imunologic
Hemoglobinaαααα -rosu ββββ-albastru hem- verde
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Forte van der Waals ndash suma fortelor de atractie respingere intremolecule sau intre parti din molecule diferite de legaturile covalente de hidrogen electrostatice intre ioni sau molecule incarcate electric
bull forte intre 2 dipoli permanenti sau dipol permanent-dipol indus sau intre 2 dipoli indusi
bull Legaturi ionice - rezulta din atractia electrostatica intre ioni de sarciniopuse
Legatura covalenta
Punere in comun de electroni intre doi atomi
Tipuri e legaturi chimice in materia vie
bull Legatura peptidica ndash covalenta intre doua grupari -NH2 si ndashCOOH apartinand la doi aminoacizi diferiti (cu eliminarea unei molecule de apa)
bull grupul functional -C(=O)NH- legatura peptidica
Legatura de hidrogen- intre molecule polare unde H se leaga de atomi puternicelectronegativi ca N O sau F -Interactie de tip dipol-dipol (nu legaturacovalenta)-Poate fi intermoleculara si intramoleculara- intre molecule de apa proteine acizinucleici etc- mai slaba decat legaturile covalente sauionice mai puternica decat cele van derWaals
5
Structura proteinelor
bull Proteinele ndash polimeri polipeptide ndash secvente de α- aminoacizi
bull In scopul indeplinirii functiilor biologice -gt organizare intr-oconfiguratie spatiala prin legaturi necovalente (van der Waals legaturi de hidrogen legaturi ionice impachetari hidrofobice)
bull Dimensiuni de la cativa nanometri la ansambluri de subunitati(agregate) de exemplu sub forma de filamente
bull Metode de investigare a structurii proteinelor cristalografie prinraze X spectroscopie prin RMN interferometrie prin polarizareduala (laser)
Structura proteinelor
bull Relatia structuraharrfunctiebull Modificari structurale reversibile (conformatii)
modificari conformationalebull Structura primară secventa de aminoacizi din
structura lantului polipeptidic (specifica determinafunctia)- rezulta prin formarea legăturilor peptidice covalente
Ex Insulina este compusa din 51 aminoacizi in 2 lanturi
Structura proteinelor
bull Structura secundara ndash se refera la sub-structurilelocale regulate determinate de legaturile de hidrogen
bull ex Helixul α lantul β (intre gruparile NH si CO)
Structura proteinelor
bull Structura tertiara- conformație tridrimensională prin intermediul cuplăriimai multor lanțuri polipeptidice scurte icircntre ele care duce la formarea fibrelor proteice
bull Structura cuaternară se referă la modul icircn care se unescsubunitățile proteice
bull Exemple de proteine cu structura cuaternara hemoglobina canalele ionice
Structura proteinelorLipide
bull Molecule ce contin C H O N S bull Intra in constitutia celulelor (membrane)bull Au rol in stocarea energiei celulare
6
Acizi nucleici
bull Molecule complexe e contin C H O N Pbull Material genetic ndash contin informatii despre
organisme transmise la urmasibull Dirijeaza functiile organismuluibull Rol in sinteza de proteinebull ADN si ARN
Glucide
bull Constituenti structurali ai celulelor
- glucoza (C6H12O6)- dezoxiriboza - constituent al ADN- riboza ndash constituent al ARN sienzimei ATP
bull Surse de energie
bull Sursa de carbon in proceselemetabolice
bull Stocare a energiei celulare riboza
glucoza
Biofizica celulara
bull Celulele ndash unitati structurale si functionale ale organismelor viibull Structura celulara
- membrana- citoplasma (fluid gelatinos in care se gasesc organelele)- nucleul (forma sferica contine cromozomii)
bull Celulele vii ndash sisteme deschise schimb de masa si energie cu mediul
bull Membranele celulare ndash structuri specializate cu rol principal in schimb de substante intre celula si mediul extracelular
Fenomene de transport prin membrane
bull Clasificare ndash pasive (ie fara consum de energie)- active (necesita absorbtie de energie)
bull Transportul pasiv este determinat de- gradienti chimici de concentratie- gradienti de potential electric
bull Transportul pasiv are loc pana cand se atinge un echilibru dinamic chimic al sarcinii electrice
Transport pasiv prin membrana celulara
bull Trei procese implicate in transportul pasiv de substantaprin membrane
a) osmoza ndash responsabila pentru transportul apei
b) difuzia simpla ndash transport al moleculelor mici
c) difuzia facilitata (prin intermediul moleculelorcarrier)
Difuzia
bull Proces de miscare a moleculelor sau ionilor uneisubstante dintr-o zona cu o concentratie (c1) mai mare spre o zona cu o concentratie (c2) mai mica panacand c1-c2=0
bull Mai pronuntata in gaze si lichide mult mai lenta in solide
bull Determinata de miscarea termica (Browniana) a particulelor
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
5
Structura proteinelor
bull Proteinele ndash polimeri polipeptide ndash secvente de α- aminoacizi
bull In scopul indeplinirii functiilor biologice -gt organizare intr-oconfiguratie spatiala prin legaturi necovalente (van der Waals legaturi de hidrogen legaturi ionice impachetari hidrofobice)
bull Dimensiuni de la cativa nanometri la ansambluri de subunitati(agregate) de exemplu sub forma de filamente
bull Metode de investigare a structurii proteinelor cristalografie prinraze X spectroscopie prin RMN interferometrie prin polarizareduala (laser)
Structura proteinelor
bull Relatia structuraharrfunctiebull Modificari structurale reversibile (conformatii)
modificari conformationalebull Structura primară secventa de aminoacizi din
structura lantului polipeptidic (specifica determinafunctia)- rezulta prin formarea legăturilor peptidice covalente
Ex Insulina este compusa din 51 aminoacizi in 2 lanturi
Structura proteinelor
bull Structura secundara ndash se refera la sub-structurilelocale regulate determinate de legaturile de hidrogen
bull ex Helixul α lantul β (intre gruparile NH si CO)
Structura proteinelor
bull Structura tertiara- conformație tridrimensională prin intermediul cuplăriimai multor lanțuri polipeptidice scurte icircntre ele care duce la formarea fibrelor proteice
bull Structura cuaternară se referă la modul icircn care se unescsubunitățile proteice
bull Exemple de proteine cu structura cuaternara hemoglobina canalele ionice
Structura proteinelorLipide
bull Molecule ce contin C H O N S bull Intra in constitutia celulelor (membrane)bull Au rol in stocarea energiei celulare
6
Acizi nucleici
bull Molecule complexe e contin C H O N Pbull Material genetic ndash contin informatii despre
organisme transmise la urmasibull Dirijeaza functiile organismuluibull Rol in sinteza de proteinebull ADN si ARN
Glucide
bull Constituenti structurali ai celulelor
- glucoza (C6H12O6)- dezoxiriboza - constituent al ADN- riboza ndash constituent al ARN sienzimei ATP
bull Surse de energie
bull Sursa de carbon in proceselemetabolice
bull Stocare a energiei celulare riboza
glucoza
Biofizica celulara
bull Celulele ndash unitati structurale si functionale ale organismelor viibull Structura celulara
- membrana- citoplasma (fluid gelatinos in care se gasesc organelele)- nucleul (forma sferica contine cromozomii)
bull Celulele vii ndash sisteme deschise schimb de masa si energie cu mediul
bull Membranele celulare ndash structuri specializate cu rol principal in schimb de substante intre celula si mediul extracelular
Fenomene de transport prin membrane
bull Clasificare ndash pasive (ie fara consum de energie)- active (necesita absorbtie de energie)
bull Transportul pasiv este determinat de- gradienti chimici de concentratie- gradienti de potential electric
bull Transportul pasiv are loc pana cand se atinge un echilibru dinamic chimic al sarcinii electrice
Transport pasiv prin membrana celulara
bull Trei procese implicate in transportul pasiv de substantaprin membrane
a) osmoza ndash responsabila pentru transportul apei
b) difuzia simpla ndash transport al moleculelor mici
c) difuzia facilitata (prin intermediul moleculelorcarrier)
Difuzia
bull Proces de miscare a moleculelor sau ionilor uneisubstante dintr-o zona cu o concentratie (c1) mai mare spre o zona cu o concentratie (c2) mai mica panacand c1-c2=0
bull Mai pronuntata in gaze si lichide mult mai lenta in solide
bull Determinata de miscarea termica (Browniana) a particulelor
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
6
Acizi nucleici
bull Molecule complexe e contin C H O N Pbull Material genetic ndash contin informatii despre
organisme transmise la urmasibull Dirijeaza functiile organismuluibull Rol in sinteza de proteinebull ADN si ARN
Glucide
bull Constituenti structurali ai celulelor
- glucoza (C6H12O6)- dezoxiriboza - constituent al ADN- riboza ndash constituent al ARN sienzimei ATP
bull Surse de energie
bull Sursa de carbon in proceselemetabolice
bull Stocare a energiei celulare riboza
glucoza
Biofizica celulara
bull Celulele ndash unitati structurale si functionale ale organismelor viibull Structura celulara
- membrana- citoplasma (fluid gelatinos in care se gasesc organelele)- nucleul (forma sferica contine cromozomii)
bull Celulele vii ndash sisteme deschise schimb de masa si energie cu mediul
bull Membranele celulare ndash structuri specializate cu rol principal in schimb de substante intre celula si mediul extracelular
Fenomene de transport prin membrane
bull Clasificare ndash pasive (ie fara consum de energie)- active (necesita absorbtie de energie)
bull Transportul pasiv este determinat de- gradienti chimici de concentratie- gradienti de potential electric
bull Transportul pasiv are loc pana cand se atinge un echilibru dinamic chimic al sarcinii electrice
Transport pasiv prin membrana celulara
bull Trei procese implicate in transportul pasiv de substantaprin membrane
a) osmoza ndash responsabila pentru transportul apei
b) difuzia simpla ndash transport al moleculelor mici
c) difuzia facilitata (prin intermediul moleculelorcarrier)
Difuzia
bull Proces de miscare a moleculelor sau ionilor uneisubstante dintr-o zona cu o concentratie (c1) mai mare spre o zona cu o concentratie (c2) mai mica panacand c1-c2=0
bull Mai pronuntata in gaze si lichide mult mai lenta in solide
bull Determinata de miscarea termica (Browniana) a particulelor
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
7
Difuzia
bull Coeficientul de difuzie cantitatea de substanta care traverseaza unitatea de suprafata in unitatea de timp cand gradientul de concentratie este egal cu unitatea
bull Pentru solutii micromoleculare D~10-12
bull Pentru solutii macromoleculare D~10-13
bull Pentru gaze D~10 bull D = f (T 1(vol particula) forma)bull D ndash descreste in mediu vascos
Legile difuziei
bull Forta de frecare care se opune miscarilor particulelor
F = 6 middot π middot η middot r middot v
η = coeficientul de vascozitate r = raza particulei v = viteza particulei
bull Pentru particule coloidale D este dat de formula lui Einstein
D = (k middot T) (6 middot π middot η middot r)
Legile difuziei
Miscarea de difuzie nu este rectilinie particulele se ciocnescintre ele
x=distanta medie parcursa de o particulat = timpul mediu dintre doua ciocniri
Membranele biologicendash permeabile- semi-permeabile ndash permit trecerea apei sau a unor atomi sau molecule
P = -D∆x permeabilitatea membraneiS = suprafata sa ∆t=interval de timp
Legile difuziei
Legea a doua a lui Fick Variatia in timp a concentratiei c in orice punct al solutiei esteproportionala cu variatia spatiala a gradientului de concentratie(dcdx)
Rolul difuziei gazoase in procese biologice
bull Schimburile gazoase la nivel alveolar in plamani difuziamoleculelor O2 Co2 prin membrana alveolara in sangele din capilare O2 Co2 ndash dizolvate in stratul de apa al epiteliuluialveolelor
Schimbul de gaze la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesde difuzie
bull O2 Co2 pot exista sub forma de combinatii chimice (ie oxihemoglobina carboxihemoglobina) sau disociate depinzand de presiunile partiale PO2 PCO2
bull PO2gt PCO2 la nivel aloveolar O2 difuzeaza in sangelecapilar
bull In eritrocite O2 se combina cu hemoglobina ndashoxihemoglobina
bull In tesuturi PO2 lt PCO2 O2 eliberat din complexuloxihemoglobinic
bull PCO2 mai mare formarea carboxihemoglobinei
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
8
Schimbul gazos la nivel alveolar si eritrocitar ndash un procesdifuzie
bull Variatia concentratiei de oxigen in eritrocite
- Coeficient de solubilitate aparenta - α include solubilitatea fizica si legarea chimica cu O2
- Coeficientul de difuzie Co2 ndash mult mai mare decat celal O2 pentru o presiune partiala data difuzia Co2 estemult mai rapida decat cea a O2 (schimbul de Co2 estemai rapid decat absorbtia O2 la nivel eritrocitar)
Schimburile de O2 si Co2 la prin capilare la nivel cerebral
bull Praguri ale nivelului de Co2 si O2 care caracterizeaza instalareaunor stari patologice
bull Hipoxia cand pO2 la capatul venos este 25-28 mm Hg
bull Starea de inconstienta cand pO2 venos este 17-19 mm Hg
bull Pragul letal cand pO2 este 12 mm Hg
Osmoza
bull Doua compartimente separate printr-o menbranapermeabila contin acelasi tip de solutie dar de concentratii diferite difuzia sontana a moleculelor de solvent din solutiamai diluata spre cea cu concentratie mai mare
bull Cand membrana separa o solutie de solventul sau purdifuzia solventului in compartimentul cu solutie
bull Presiunea osmotica presiunea ce trebuie exercitataasupra solutiei pentru a atinge echilibrul cu solventul pur
Ilustrarea fenomenului de osmoza Presiuneaosmotica
Π= ρ middot g middot h
Π= presiunea osmotica
ρ= densitatea lichidului
manometric
g = acceleratia gravitationala
h = inaltimea coloanei de lichid
Teoria molecular-cinetica a fenomenului de osmoza
bull Particulele de solvent exercita o presiune inferioara in compartimentul cu solutie comparativ cu cea din compartimentul cu solvent pur
bull Sub influenta presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichiddifuzata presiunile moleculelor de solvent pe cele doua fete ale membranei devin egale echilibru dinamic
bull Π = p0-pp0=presiunea exercitata de moleculele de solvent din solventul purp =presiunea exercitata de moleculele de solvent din solutie
Legile presiunii osmotice
bull Presiunea osmotica depinde de concentratia molara side temperatura solutiei
A) la T=constant presiunea osmotica este proportionalacu concentratia solutiei
Π ~C (1)C= msolutieV (concentratie masica) (2)
sauC= msolutie(Vmiddotmicro) (concentratie molara micro=masa
molara solvit) (3)
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
9
Legile presiunii osmotice
bull B) la concentratii constante presiunea osmotica esteproportionala cu temperatura solutiei (cand T nu preainalte)
Π~T (4)
Din relatiile (1) - (4)
Π = RmiddotCmiddotT = RmiddotTmiddotmsolute(Vmiddotmicro)= RmiddotTmiddotνV (5)
unde ν=numar de moli de solvit din solutie
R= constanta universala a gazelor
(R=8314middot103NmiddotmkmolmiddotK)
Legile presiunii osmotice
bull Legea vanrsquot Hoff
Π= RmiddotTmiddotνV (5)
Se mai poate scrie sub forma similara legii gazelor ideale
ΠmiddotV= νmiddotRmiddotT (6)
Presiunea osmotica a gazelor este numeric egala cu presiunea exercitatade moleculele solvitului daca in stare gazoasa ar ocupa un volum egalcu volumul solutiei
Presiunea osmotica nu depinde de natura solvitului doar de concentratiasa molara si de temperatura
Clasificarea solutiilor in functie de presiuneaosmotica
bull Solutia ce contine un numar de molecule osmotic active egal cu numarul lui Avogadro NA=6022middot1023 mol-1
se numeste solutie osmolara
(la t=0oC presiunea sa este de 224 atm)
- solutii izotone doua solutii la temperaturi si concentratiiegale in acelasi solvent (au presiuni osmotice egale)
- Doua solutii (1 si 2) cu presiuni osmotice diferite (Π1 siΠ2 Π1ltΠ2) 1 - solutie hipotona 2 ndash solutie hipertona
Masurarea presiunii osmotice Tuburi manometrice
Ilustrarea unui tub manometric Presiunea osmotica a unei solutiidetermina o diferenta in nivelul lichidului manometric in cele doua
ramuri ale tubului
Procese osmotice in celule aflate in solutiiLimite de aplicabilitate ale legilor osmozei
1 Legile osmozei sunt valabile doar pentru solutiimicromoleculare neeletrolitice la temperaturi sub 40oC
2 In cazul electrolitilor care disociaza creste numarulparticulelor osmotic active
legea osmozei devine
ΠmiddotV = imiddotνmiddotRmiddotT (7)
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
10
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutiile macromoleculare nu satisfac legea vanrsquot Hoff Πare expresia
Π = (C micro) middot R middot T + B middot C2 (8)
Sau in forma echivalenta
(Π C) = (R middot T) micro + B middot C (9)
B = constanta ce depinde de fortele de interactiune intre
moleculele de solvent si solvit
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
3 Solutii macromoleculare (cont)
Variatia Pentru aceeasi substanta in diferiti solventidepinde de interactia intre moleculele de solvent si solvit 123 indica
Interactiuni puternice slabe si respectiv foarte slabe
Limite de aplicabilitate ale legilor osmozei
4 In cazul cand macromoleculele dizolvate suntpolielectroliti disociati are loc o distributie diferita a ionilor de cele doua parti ale membranei semipermeabile(potential de membrana) si un dezechilibru in presiuneaosmotica a ionilor difuzibili conduce la stabilireaechilibrului de membrana Donnan
5 In cazul barierelor biologice in vivo permeabilitateaselectiva pentru anumite substante si polarizareamembranelor restrang aplicabilitatea legilor osmozei
Lucrul osmotic
bull Osmoza are loc cu transport de substanta deci implicalucru mecanic
bull Lucrul osmotic = lucrul mecanic necesar transportului de substanta sub influenta presiunii osmotice
W = R middot T middot log (Πf Πi) = R middot T middot log (Cf Ci)
bull Pentru a transporta solvent impotriva presiunii osmoticetrebuie efectuat lucru mecanic (lucru contra-osmotic)
Rolul osmozei in fenomenele de transport la nivelcapilar
bull Lichidele biologice (plasma lichidul cefalorahidian urinaetc) ndashsolutii apoase ce contin ioni de Na+ K+ Ca2+ etc molecule mici nedisociate (glucoza aminoacizi) macromolecule ndash proteine (albumine globuline)
bull Presiunea osmotica
Presiunea coloid-osmotica exercitata de macromolec ndash 65 globuline- 35 albumine-mica ~1micro
Osmoza
bull La nivelul capilarelor schimbul de lichide intre mediile vascular siinterstitial are loc sub actiuneapresiunii rezultante
Pb=presiunea hidrostatica a sangelui datorita elasticitatii peretilor vasuluicapilar (32 mm Hg la capatul arterial si 12 mm la cel venos)
Pil=presiunea hidrostatica a lichidului interstitial (1-9 mm Hg)
ΠplCo=presiunea coloid osmotica a sangelui (28 mm Hg)
Πil=presiunea coloid-osmotica a lichidului interstitial (01-5 mm Hg)
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
11
Osmoza in procese de trasport la nivel capilarPgt0 transport de lichid dinspre vas spre spatiul interstitialPlt0 transport de lichid dinspre interstitii spre vasul sangvin
Formarea edemelor
bull Acumularea excesiva a apei in tesuturi maladii caracterizate prinperturbari ale valorilor termenilor p sau Π din ec (1) =gt dereglariultrafiltrarereabsorbtie
Cand pot aparea edemele
bull Concentratia albuminelor din plasma lt25 iar concentratia totalaa proteinelorlt 55 (ρrel plasma lt1023) =gt ΠPllt ΠLi deci antreneazatransportul apei dinspre lumenul capilar spre interstitii
bull Inanitie severa ndash concentratia proteinelor plasmatice devine foartescazuta transfer masiv al apei in tesuturi
bull Nefrita ndash secretarea proteinelor plasmatice (predominant albumine) in cantitate mare in urina =gt scade concentratia lor in plasma ΠPl
Formarea edemelor
Cand pot aparea edemele
bull Permeabilizarea membranei capilarelor (arsuri severe sauintoxicare) =gt trecerea proteinelor plasmatice in interstitii crestepresiunea lor osmotica trecerea apei in tesuturi
bull Infarctul ventriculului drept al inimii sau obstructia venelor mari scaderea fluxului de sange de la capatul venos al capilarelor spreinima ph pl venos foarte mare =gt scade reabsorbtia edem
Ecuatia Nernst
bull In cazul celulelor vii ndash concentratii diferite de ioni de cele douaparti ale membranei c1 si c2 Daca c1gtc2 difuzie ioni dinspre 1 spre 2
bull Diferenta de potential electric E1neE2 difuzie de ioni dinsprezona cu potential de acelasi semn spre zona cu potential de semnopus
bull Tendintele pot fi contrare fluxuri ionice in sensuri contrare panala echilibru dinamic
Ecuatia Nernst
bull Potential electrochimic ndashmarime termodinamica ce include energiainmagazinata sub forma de potential chimic si sub forma de potential electric pentru un anumit tip de particule
bull Potential electrochimic ndash lucrul mecanic pentru a aduce un mol de particule de la o stare standard la o stare caracterizata prin c E specifice
F=eNA=9648533 Coulombmol NA=6023 x 1023 mol-1
F- constanta Faraday NA- Nr Avogadro
(1)
Ecuatia Nernst
bull Potentialele electrochimice ale ionilor Az+ de cele doua partiale membranei
(2)
(3)
ZF E- energia necesara pentru a aduce un mol de ioni de valenta z de laPotential nul la potential E
(4)
(5)
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
12
Ecuatia Nernst
Reprezinta diferenta de potential membranar corespunzatoare diferenteide concentratie a unei specii de ioni de valenta z
Ex In cazul ionilor de Cl- z=-1
Ecuatia Nernst
bull Exemplu ndash cazul fibrei musculare concentratiile ionilor de K+ Na+ Cl- a interior si exterior diferite
Din ec Nernst pt ioni =gt Dar Ei-Ee = -90 mV
Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz
bull Dar Ei-Ee = -90 mV daca K+ si Cl- transportati pasiv Na+ transportat activ (impotriva gradientilor)
bull Ecuatia Goldman-Hodgkin-Katz ndash ia in considerare contributiacelor trei tipuri de ioni in mod corespunzator concordanta cu rezultatele experimentale
Pi ndash permeabilitateamembranei pentru un anumittip de ioni
Echilibrul de membrana Donnan
bull O membrana permeabila pentru ioni mici separa doua compartimentendash 1 (intracelular) ce contine un ion macromolecular Az+ (proteina) si 2 (extracelular)
bull 1 si 2 puse in contact (la t=0)
Dupa un timp t -gt echilibrutermodinamic pt ionii difuzibili
X- nr de ioni de Na+difuzati
Echilibrul de membrana Donnan
bull Difuzia ionilor mici egalitatea potentialelor electrochimice
Inloc expresia micro
Echilibrul de membrana Donnan
Prezenta unui ion macromolecular nedifuzibil concentratie diferita aionilor difizibili ie concentratie intracelulara mai mica pt microioniicu sarcina electrica de acelasi semn cu macroionul concentratie extracelularasi concentratie extracelulara mai mica pt ionii de semn opus macroionului
Diferenta de potential electric pentru un anumit tip de ioni
In mediul extracelular concentratia ionilor de acelasi semn cu macroionul Mai mare decat la interiorul celulei
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
13
Bioelectrogeneza
Bioelectrogeneza celulara
bull Fenomenul de generare de electricitate de catre materiavie
bull La nivel celular consta in - producerea unei diferente de potential intre fata internasi externa a membranei (potential de repaus)
- variatie tranzitorie a diferentei de potential care se poate propaga prin curenti de membrana
Potentialul de repaus celular
bull Reprezinta diferenta de potential dintre citoplasma simediul extracelular
bull Se datoreaza distributiei diferite a ionilor (micro- simacromoleculari) datorita proceselor de transport transmembranar si a activitatii metabolice
bull Este de ordinul zecilor de milivolti interiorul celulei fiindincarcat electric negativ fata de exterior
Potentialul de repaus celular
bull Poate fi estimat cu ajutorul ecuatiei Goldman-Hodgkin-Katz
[K+] [Na+] [Cl-] = concentratiile ionicePK+ PNa+ PCl- = permeabiliatile ionice
bull Se poate masura cu ajutorul microelectrozilor unul in interiorul celulei
altul in spatiul extracelular
Potentiale de actiune
bull Reprezinta variatia de scurta durata a diferentei de potential intrespatiul intra- si extracelular (Ei-Ee)
bull Inregistrarea potentialelor de actiune ndash prezentare schematica
Potentiale locale si potentiale de actiune prezentare comparativa
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
14
Fazele potentialului de actiune Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele de actiune- satisfac legea ldquotot sau nimicrdquo- au loc dupa o perioada de latenta de la actiuneastimulului- prezinta o faza ascendenta una descendenta perioade corespunzatoare post-potentialului negativ post-potentialului pozitiv- propagarea lor de-a lungul axonului are loc fara pierderi(in fibrele mielinizate)-reprezinta unitatea de transmitere a informatiei prinfibrele nervoase
Caracteristici ale potentialelor locale si de actiune
bull Potentiale locale
bull Amplitudinea lor depinde de intensitatea stimulului
bull Se propaga din aproape in aproape in mod decremental(cu pierderi)
bull Are un caracter local (propagare limitata)
bull Amplitudinea lor scade exponential in timp
Propagarea potentialelor de actiune
bull Caracteristicile functionale ale axonului- dupa declansarea potentialului de varf (spike) fibra este total inexcitabila perioada refractara absoluta (faza ascendenta siinceputul fazei descendente)
- perioada refractara relativa (de la sfarsitul fazei descendente panala inceputul post-potentialului negativ)
- hiperexcitabilitate - perioada post-potentialului pozitiv
-hipoexcitabilitate ndash perioada post-potentialului negativ
Propagarea potentialelor locale si de actiune
bull Potentialele locale (cu propagare decrementala)provenind din diferite zone ale corpului neuronal se insumeaza la nivelulconului axonal
Daca AigtAprag declansarea unui tren de potentiale de actiune
Daca AiltAprag nu apare potential de actiune
Propagarea recurenta a potentialelor de actiune
bull Are loc in axonii nemielinizatibull prin curenti transmembranari (curenti Hermann) de la zona
neexcitata la cea excitata pe fata exterioara si in directieopusa in axoplasma
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
15
Propagarea saltatorie a potentialului de actiune in fibrele mielinizate
Biofizica transmiterii sinaptice
bull Sinapsa ndash jonctiunea functionala dintre neuroni- specializata in transmiterea influxului nervos de la o
celula la alta (eg neuron neuron neuron fibramusculara)
Clasificarea sinapselor ndash be baza modului transmiterii influxului nervos
Sinapse chimice ndash transmiterea influxului mediata de neurotransmitatori (eg acetilcolina adrenalina dopamina)
Sinapse electrice ndash transmiterea influxului se face prin inductieelectrica nu implica mediatori chimici
Structura sinapsei Fazele transmiterii sinaptice
A) influxul nervos ajunge la butonul terminal al axonului presinapticdetermina schimburi ionice transmembranare si eliberarea moleculelorde neurotransmitatori in fanta sinaptica (prin exocitoza)
B) Propagarea trans-sinaptica a influxului nervos ndash neurotransmitatorultraverseaza fanta sinaptica si determina depolarizarea membranei post-sinaptice si generarea unui potential local (PL) post-sinaptic ce se propaga spre axon
C) Sumarea spatio-temporala a PL provenite de la diferite segmente ale corpului neuronal la depasirea unei amplitudini prag declansareapotentialului de actiune post-sinaptic
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
Bioelectrogeneza organelor si tesuturilor
bull Rezultanta activitatiatii tesuturilor si a organelor
bull Nu exista potential de repaus tisular dar exista
∆V =(Vnormal-Vpatologic)
bull Masurarea potentialului de actiune- invaziv- neinvaziv
cellulartimpspatiu
VΣΣ
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
16
Electrograme
bull Electroneurograma ndash activitatea electrica a nervilor
Electromiograma (EMG)
bull Activitatea electrica a muschilor (mV)
bull Electrozi plasati pe tegument in dreptul muschiuluisuccesiuni de potentiale de actiune neregulate(potentiale de actiune ale unitatii motorii ndash neuron+ fibrele musculare inervate) in timpul contractiei
bull Utilizat in diagnosticul patologiei neuromusculare
Electrooculograma (EOG) ndash masoara variatiile de potential corneo-retinal asociate miscarilor globilor oculari (300-1200
microV)
Activitatea electrica a inimii ndash modelata ca un dipol electric ndashvectorul cardiac(vector M cu activitate variabila in timp)
EKG ndash plasarea electrozilor Triunghiul luiEinthoven
httpwwwmymedroanalize_ekghtml
Electrocardiograma (ECG sau EKG)
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
17
Metoda de amplasare ldquo10-20rdquo a electrozilor in obtinerea EEG
Indexarea electrozilor eg F3F T P O = frontal temporal parietal occipitalNumere impare ndash corespund emisferei cerebrale stangiNumere pare ndash corespund emisferei cerebrale drepte
Tipuri de unde electrice cerebrale in functie de frecventa si amplitudine
EEG ndash utilizat in monitorizarea nivelului de anestezie- in diagnosticarea unor afectiuni neurologice
Pana la 3 Hz
3-7 Hz
12-30 Hz
8-12 Hz
Taboul EEG
bull Depinde de varsta si starea subiectuluibull Diferente intre EEG copii si adulti sanatosibull Variaza in functie de fazele somnului
- stadiul I ndash similar cu EEG in stare de molesala (darr zone posterioare)- stadiul II ndash ldquospindlesrdquo (variatii tranzitorii a activitatii ritmice 12-14 Hz predominant frontal)- stadiile III si IV ndash prezenta undelor theta - stadiul REM (rapid eye movement somn paradoxal) ndash similar cu starea de trezire
bull Depinde de starea de anestezie si de tipul de anestezic
Importanta EEG in investigatiile clinice
bull Monitorizarea nivelului de anesteziebull Diagnosticul afectiunilor neurologice
- hemoragii intre cortex si craniu (hematoame) AEEGdarr
- spasme (epilepsie) ndash unde puternic sincronizate ndashstimulare ritmica puternica a cailor motorii convulsiimusculare
bull Moarte cerebrala ndash absenta activitatii electrice (8-12rsquo faraoxigen)
bull Masurare de potentiale evocate (EP ERP) A=1divide 10 microV
Pattern EEG ndash pacient epileptic Tabloul EEG ndash grand mal (convulsie generalizata)
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
18
Potentiale evocate
-Ca raspuns la stimuli sau in timpul efectuarii unor sarcini cognitive -obtinute prin medierea a zeci sau sute de procese
(K Tilocskhulkai)
Exemple - ERP precoce ndash C1 si N1 (or N100)
bull raspund la stimuli vizuali ndashpotentiale evocate vizual(VEP)
bull C1 - peak la 65-90 ms dupa prezentarea stimulului- reflecta activitatea in cortexul primar vizual- nu este modulata atentional
bull N1 - peak la ~100 ms dupa actiunea stimulului- probabil reflecta activitatea in cortexul extrastriat- Amplit modulata atentional
Sursele electrice corticale ale semnalelor EEG
S Baillet et al 2001
Avantaje si limitari ale EEG
bull Rezolutie spatiala slababull Sensibila la potentiale post-sinaptice din straturi superficiale
corticale nu si intracerebralbull Surse de artefacte
ndash semnale de origine necerebrala (∆V asociate miscariloe oculare miscarilor ale limbii EKG)- Externe ndash miscari ale capuluicorpului nepamantarea sistemului de inregistrare (electrozi)
bull Procesarea EEG inainte de interpretare
Sursele electrice corticale ale semnalelor MEG
Sistemul MEG -senzori SQUIDrsquoS
- sistem de amplificare-computer control si
achizitie de date
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
19
Sisteme disperse Clasificare si propritetati Fenomene la nivelul interfetelor
Sisteme disperse
bull Sistem dispers ndash format dintr-un mediu continuu (mediudispersant)
- substanta dispersata in acest mediu (fazadispersata discontinua)
dArr
Sistem heterogen ex Solutiile ndash solventul (mediudispersant)
- substanta dizolvata(faza dispersata)
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
1) Dupa marimea particulelor fazei dispersatea) solutii moleculare ndash contin micromolecule
(Mlt1000 dlt10 Aring)b) solutii coloidale ndash contin macromolecule
(M gt 103-104 10 Aring ltdlt 1000 Aring)c) suspensii ndash particulele dispersate sedimenteaza
(dgt1000 Aring)
Sisteme coloidale (eg celulele vii) ndash arie mare a interfeteidintre cele 2 faze fenomene superficiale si de adsorbtie
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
2) Dupa mediul dispersant si faza dispersataMediu dispersat faza dispersata denumire
Gaz lichid ceatasolid fum (praf)
Lichid gaz spumalichid suspensie
emulsieSolid gaz spume solide
lichid sisteme capilaresoli solizi
solid sticle aliaje
Clasificarea solutiilor (sistemelor disperse)
3) Dupa numarul de dimensiuni care sunt microdisperse
a) toate 3 dimensiunile intre 10-1000 Aring solutii propriu-zise
b) 2 dimensiuni diperse vase capilare sau moleculefiliforme
c) 1 dimensiune sisteme de membrane
Tranzitii sol - gel
bull Solutia coloidala cu 10 Aringltdlt1000 Aring cu proprietati de lichid sol
SOL ------------ GEL----------- PRECIPITAT
prin absorbtiesau agitatie mecanica
Prin pierderea uneiCantitati de solvent
Sinereza pierderea majoritatii solventului
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
20
Tranzitii sol ndash gel- precipitat
bull Coagularea ndash micsorarea dispersiei cu formare de particule mari ce se depun formand precipitatul
Sol coagulare gt precipitat
bull Gelificare - unirea particulelor intr-o retea laxa ale careiochiuri contin solventul
Tranzitii sol - gel
PRECIPITAT
GELSOLgelificare
sinerezaumflarecoagulare
peptizare
Sisteme disperse in materia vie
bull Citoplasma ndash dupa natura particulelor dispersateSolutie moleculara (sarurile)Solutie coloidala (proteinele)Suspensie (organite celulare)
Tinde sa se scurga din orificiile membranei sol
Elasticitatea si tendinta de curgere mult reduse gel
Citoplasma ndash stare intermediara intre sol si gel retea de moleculeproteice filiforme cu puncte de contact intre ele ndash citoscheletul si reteauamicrotrabeculara
Fenomene la nivelul interfetelor Tensiuneasuperficiala
bull Forta sub actiunea careia se reduce suprafata de contact dintre doua faze nemiscibile din care cel putinuna e lichida
σ = ∆W ∆S
σ = coeficientul de tensiune superficiala∆W = energia consumata pt marirea suprafetei lichidului∆S = variatia suprafetei lichidului
Tensiunea superficiala
bull Coeficientul σ depinde dendash Natura solventuluindash Natura solvituluindash Concentratia solvituluindash Temperatura
bull Fortele de tensiune superficiala- de coeziune (intre moleculele aceleiasi faze)- de adeziune (interactii lichid-solid)
Reprezentarea schematica a fortelor de coeziune (FC) de adeziune (FA) sia rezultantei lor ce actioneaza asupra unei particule de lichid
Solid liofil FAgtFC
(uda peretii vasului)Solid indiferent Solid liofob FAltFC
(nu uda peretii vasului)
Fenomene superficiale la interfata lichid - solid
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
21
Legea lui Jurin
a) Ascensiune capilarab) Depresiune capilara FL=G
σ= coeficient de tensiune superficiala a lichidului
φ=unghiul dintre peretele capilarului si tangenta la suprafata menisculuir=raza capilarului
ρ= densitatea lichiduluig=acceleratia gravitationala
Substante tensioactive
bull Sisteme in care solvitul micsoreaza tensiunea superficiala a solventului sau modifica tensiunea superficiala la interfata dintredoua lichide
bull Mecanismul actiunii substantelor tensioactive (ex detergentii) micsoreaza tensiunea superficiala la interfata apa-mediu hidrofob- au la un capat o grupare polara (-COO- -SO3
-) ce formeaza puntide H2 cu molecule de O2
- la celalalt capat au o catena de hidrocarbura suficient de lunga pt a forma o pelicula monomoleculara- intre capetele catenei detergentilor si molecule de ulei apar forte Van der Waals
bull Adsorbtia ndash sorbtia la suprafata sorbantuluibull Absorbtia ndash sorbtia in intreg volumul solventului
Fenomene electrice la interfete
bull La contactul dintre doua faze apare o diferenta de potential electric - faza cu constanta dielectrica mai mare se incarcapozitiv adsorbtia unor ioni sau disocierea unor ioni pesuprafata materialului
dArr
sarcina suprafeteidArr
atrage contraioni din solutie si formeaza un strat dublude sarcina electrica opusa
Stabilitatea si structura solutiilor coloidale
bull Conditionata de
ndash Tensiunea superficiala tinde sa micsoreze interfatadintre faze scade suprafata de separare scadedispersia
ndash Sarcina electrica a particulelor coloidale respingereintre ele asigura stabilitatea solului (se opunescaderii gradului de dispersie)
Clasificarea coloizilor
bull Hidrofili (liofili) FsuperfltFsuperf apa soluri stabile- Solutii de polizaharide si de proteine ce contin grupariionizate -COO- -NH3
+ OH- ndashCO-NH-
bull Hidrofobi (liofobi) Fsuperf mare tind sa coagulezendash Lipidele emulsionate in cursul digestiei ndash tensiunea
superficiala scade prin adsorbtia de acizi biliari(substante tensionactive)
Structura particulei coloidale
-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+-NH-CH-C-ll
l
O
R
n
-COO-
-COO-
-COO-
-COO-
Na+
Na+
Na+ Cl-
Na+Cl-
Cl-
Na+
Lichidintermicelar
Nucleuinsolubil
Sarcinilegate
Apalegata
Apa libera cu stratdifuz de contraioni
Micela
Granula
Potential Electrocinetic zeta (ζ)
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
22
Structura particulei coloidale
bull Sarcina electrica a granulei este ndash(n-x)e in loc de ndashne(x- nr de contraioni din granula) iar valoareapotentialului electric la limita stratului de apa legatapotentialul electrocinetic zeta (ζζζζ)
bull Stratul difuz de contraioni cu apa liberabull Coagularea solutiilor coloidale ndash prin aducerea la
pH=pHi (punct izolelectric PI) sarcina electrica nulabull Salifiere ndash prin adaugare de saruri solubile in
concentratii mari hidratare ionilor sarii H2O liberascade depunerea coloidului
bull Coagulare ndash prin adaugare de ioni cu valenta ridicata zuarr conc necesara pt coagularedarr
Solutii micelare
bull Substantele tensioactive in concentratii ce depasesc un anumit prag de dizolvare in solutii micele
bull Prag de micelare ndash concentratia peste care concentratiaionilor monomeri din sarurile acizilor grasi(CH3-(CH2)n-COO-Na+) nu mai creste unire =gtpicaturide ulei
bull darr tens superficiale a unui detergent -gt maxima candconcentratia sa atinge pragul de micelare
Tensiunea superficiala ndash implicatii in proceseledigestive
bull Lichidele biologice σlt σapa (biomoleculele- tensioactive)bull Acizii biliari ndash glicocolic si taurocolic + ioni de metale alcaline
saruri solubile in apa Na-glicocolat si Na-taurocolat puternictensioactive =gt rol in digestie
bull In duoden darrσgrasimi alimentare emulsificare uarrsuprafataparticulelor de lipide =gt metabolizarea lor de catre enzime
bull Tensiunea superficiala ndash inflpermeabilitatea membranelor =gt agentitensioactivi ajuta la schimburi dintre celule si exterior =gt unelemedicamente administrate cu surfactanti
bull σser = 6710-3 Nm σurina = 6710-3 Nm (conditii normale)bull σurina darr 5010-3 Nm ex In leziuni hepatice agenti activi in urina
Elemente de mecanica fluidelor
Proprietatile lichidelor in curgere
bull Lichide reale ndash putin compresibile si cu vascozitatebull Cugerea in straturi vecine subtiri paralele
particula aksub Sk vak=vk=constparticula amsub Sm vam=vm=constvknenevm
bull Intre moleculele dintr-un strat si intre straturi forte de atractie van der Waals franeaza deplasarea relativa a straturilor =gt frecare interna (vascozitate)
Fortele ce actioneaza asupra unor straturi de lichid vecine(suprafata de contact S) aflate in curgere laminara cu
vitezele v si respectiv v+dv
Fv - forta de frecare dx- distanta dintre straturi
Fv~SFv~1dx Fv~dv dx
dvSF
vsdotsdot=η
Legea lui Newton
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
23
Vascozitatea lichidelor
η=f(natura lichid T)
[ ] 2minussdotsdot= smNSIη
ϕη
=1 Fluiditate dinamica
Lichidele biologice (LCR plasma sangvina ser sangvin urina) - lichide newtoniene (satifsaclegea lui Newton)
Vascozitatea sangelui
ηsange ~ 4 x ηapa la 37oC
Sangele ndash sistem dispers heterogen suspensie de celule in plasma (solutie apoasa de electroliti neelectroliti si macromolecule)
- lichid nenewtonian
Hematocrit ( volum elemente figurate) ndashgt 45- 50 la omul sanatos
Plasma sangvina ndash 92 apa 7 proteine plasmatice (albumine 60 globuline35 fibrinogen alte proteine reglatoare) 1 alti solviti
Vascozitatea lichidelor biologice
bull Solutiile coloidale si macromoleculare ndash in care η=f(concentratia particulelor dispersate cf legii luiEinstein) lichide nenewtoniene
( )KVd +sdot= 1ηη
Legea lui Einstein
ηd- coeficient de vascozitate dinamica a mediului de dispersieV- volumul fazei dispersate din unitatea de volum a suspensieiK ndash constanta f(natura si marimea particulelor dispersate)
ex pentru globuline K= 4divide10
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Legea lui Einstein pt coeficientul de vascozitate - liniara
( )KVd +sdot= 1ηη
In cazul sangelui ndash dependenta (1) ~ exponentiala
In cazul poliglobuliilor hematocrit ~ 80 =gt ηr=ηlηapa~1
(1)
Coeficientul relativ de vascozitate=f (diametrul capilarului vascozimetrului)=gt
Hematocritul prin capilare cu dlt300 microm -gt mai mic decat la intrarea in capilar
darrdarrdarrdarrFenomenul Fahraeus - Lindqvist
Dependenta ηr de hematocrit Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
bull Dependenta coeficientului ηr de raza tubului capilar
2
1
+
= infin
R
dr
ηη
ηinfin = coeficient de vascozitate masurat cu un tub de raza foarte mared- diametrul eritrocitarR ndash raza capilarului
Relevanta pentru fiziologie ndash lucrul mecanic cardiac la pomparea sangeluiprin capilare (d~5 mm) mult mai mic decat valorile asteptate
Pries et al 1992
Fenomenul Fahraeus-Lindqvist
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
24
Fenomenul de acumulare axiala a eritrocitelor
Vascozitatea sangelui darr cand v curgere uarr
tendinta eritrocitelor de a se deplasa spre axul vasului sangvin =gt scade frecarea cu peretii vasculari
Acumularea axiala a eritrocitelor ndash limita de saturatie la vltvcirculatie in arborele vascular
rArr η~ constant
rArr Modificari ale vascozitatii ηr sange in poliglobulii (ηr ~24) anhidremie hipertensiune asfixie (uarr conc CO2 in sange umflarea celulelor uarr d) consum de alcool si cafea
rArr Cresterea ηr sange creste efortul cardiac in mentinerea debituluisangvin normal creste tensiunea arteriala
rArr Cresterea ηr sange + vasoconstrictie capilara -gt stagnare a circulatieiperiferice -gt necroza tesuturilor irigate de capilare -gt degeraturi
Regimuri de curgere
La v de curgere mici ndash straturiledeplasare in paralel-In tuburi de sectiune mica (ex capilare sangvine)
La vgtvcritic si sau la sectiuni mariale tuburilor -gt vartejuri (consumde energie)
Regimuri de curgere a sangelui in arterele mari
bull Numarul lui Reynolds ndash descrie curgerea lichidelor in conducte
ηρ
rvR
e
sdotsdot=
r ndash raza tubuluiρ - densitatea fluiduluiv ndash viteza de curgereη - coeficientul de vascozitate a lichidului
Pentru sangele din arterele mari Recr=1000
a) Pentru ReltRecr curgere laminara
b) Pentru Recr=1000ltRelt2000 curgere nestabila
c) Pentru Regt2000 curgere turbulenta
Regimuri de curgere in arborele vascular
bull Curgere turbulentaa) in conditii normale- in aorta imediat deasupra valvulelor sigmoide la expulzarea sangelui(vsange=vmax) -gt zgomote caracteristice- arborele vascular adaptat in special pentru curgerea laminara (consumenergetic minim)
debitul sangvin I=Sv = πr2v In aorta I= 100 cm3s r~15 cm ρ=11 gcm3
b) in conditii patologice ndash si in alte vase cand ηsange foarte mica (anemii hidremie scaderea CO2 in sange)
1000gtsdotsdot
ηρ rv
bull in general in conditii normale curgerea sangelui in cea mai mare parte aarborelui vascular este laminara
Metode de separare si studiu al macromoleculelor din solutii
ultracentrifugarea electroforeza spectrofotometria
Electroforeza
bull Migrarea in camp electric a particulelor incarcateelectric (fenomen electrocinetic)
- catelectroforeza ndash migrarea particulelor spre catod
- anelectroforeza ndash migrarea particuleor spre anod
Fenomene electrocinetice electroforeza electroosmozaefectul de curgere si efectul de sedimentare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
25
Ilustrarea fenomenului de electroforeza a particulelor de argila
A Popescu 1994
E - sursa de tensiune continuaCA - anodcatodSE ndash solutie electroliticaPA ndash particule de argila (-)
Efectul de sedimentare (Dorn)
ndash aparitia unei tensiuni electriceintre doua puncte ale unui electolitintre care are loc sedimentareaunor particule incarcate electric
- Fenomen opus electroforezei
A Popescu 1994
PI ndash particule incarcate electric
Electroosmoza
-Deplasare unei fazeelectrolitice lichide pelanga o faza solida inprezenta unui camp electric
dArrDiferenta de nivel a lichidului h Intre cele doua ramuri ale vasului
CA ndash catodanodMP ndash material porosSE ndash solutie electrolitica
A Popescu 1994
Efectul de curgere (Quincke)
- Aparitia unei diferente de potential Ue de o parte si de alta a uneimembrane poroase strabatuta de o solutie electrolitica sub presiune
A Popescu 1994
Particule biologice in solutii fiziologice Potentialulelectrocinetic zeta (ζ)
bull In solutii electrolitice fiziologice (ie izotone cu lichidele biologice ndashpH ~ 74 pt plasma LI LCR la t=37oC) macromoleculele particulele celulare celulele prezinta un exces de sarcini negative fata de cele pozitive
bull pH izoelectric ndash valoarea la care particula in ansamblu este neutra(Q+ = Q-)
bull Incarcarea electrica negativa ndash intrinseca (grupari ionice apartinandparticulelor -COO- -NH3
+ -S- -H2PO4- etc)
- extrinseca ndash datorita absorbtiei ionilor din mediu (eg absorbia de ioni de Cl- sau deNa+)
darrdarrdarrdarrdarrdarrdarrdarrAparitia unui strat dublu electric la suprafata particulelor biologice
Distributia ionilor in straturile electrice din jurul uneiparticule aflate intr-un electrolit
SDEC SDED ndash strat dubluelectric compact respectivdifuzPHA ndash plan hidrodinamic dealunecare ndash delimiteaza stratulcare se deplaseaza cu particulaSS ndash start SternA Popescu 1994
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
26
Mobilitatea electroforetica
bull Mobilitate electroforetica ndash viteza particulei intensitatea campuluielectric
E
vu =
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
( ) 2
122
infin=sum
kT
nezi
ii
εχ
( ) ( )V
Nn i
i
infin=infin
( )0
rf χ
[ ] 112 minusminus= sVmuSI
Mobilitatea particulei in functie de potentialul electrocinetic (teoria lui Henry)
χ- parametrul Debye-Hȕckel
Concentratia ionului de tip ldquoirdquo
unde
functia de corectie tabelata [1 32]
r0 ndash raza particulei ε- permitivitate electrica a mediului e ndash sarcina electrica elementara
T ndash temperatura k- constanta lui Boltzmann
Mobilitatea electroforetica
bull Pentru particule mai mari - eg celulele
( )03
2rfu χ
ηεζ
sdotsdot=
1000 gtrχ ( )2
31000 =gtrf χ η
εζ=u
bull Pentru particule de dimensiuni mai mici ndash eg virusurile
=gt mobilitatea
100 gtrχ ( ) 10 =rf χmicro
εζsdot=
3
2u=gt mobilitatea
bull Pentru particule de dimensiuni intermediare ndash mobilitatea ndashgtFormula lui Henry
( )0rf χ Valori din tabel
Tehnici electroforetice
Dispozitivul de electroforeza Grassman
S ndash seringa cu amestecsupus electroforezeiAC ndash anod respectiv catodHF ndash hartie de filtruEC ndash eprubete colectoarev ndash viteza de deplasare a ParticulelorST ndash solutii tampon
-Aplicatii la separarea pe clase a particulelor dintr-un amestec ndash eg separare a
proteinelor serice identificarea unor populatii celulare pe baza prop electrocinetice
Tehnici electroforetice
Dispozitivul pentru electroforeza pe hartie Electroforegrama plasmeisangvine umane A- fractia albuminica α1α2 β γ ε - globuline φ - fibrinogen-Combinare EF cu tehnici imunologice evidentierea de anticorpi(γ- globuline)
Spectrofotometria
I0 ndash intensitatea fasciculului luminosIncidentI ndash intensitatea fasciculului luminos ladistanta x de planul de incidentadx ndash grosimea stratului de substantaStrabatut de luminadI ndash variatia intensitatii luminiikn - coeficient de absorbtie
Studiul absorbtiei radiatiilor electromagnetice de catre solutii
Legea Bouguer - Lambert
x12 ndash grosimea de injumatatire
I(x)=I0exp(-kx)
dI = - kIdx la x=0 I=I0
dArr
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
27
Transmisia si extinctia unei substante
T () = (II0)100Transmisia
Extinctia E=ln(1T) = ln (I0I) = knx
Extinctia este o marime aditiva amestec de solutii E1 E2 E3 hellipEn
E= ΣiEi
Kn- coeficient natural de absorbtie
Coeficient de absorbtie (absorbanta)
( ) 10011000
0 sdotminus=sdotminus
= TI
IIA
Legea Lambert-Beer
bull Valabila pentru solutii diluate
E(λ)= ε(λ)middotCmiddotx
ε(λ)= coeficient molar de extinctie
C = concentratia solutiei (moldm3)
x=grosimea stratului de solutie
λ= lungimea de unda a radiatiei ce interactioneaza cu solutia
Spectre de absorbtie ε= f(λ)
Determinarea concentratiei unei solutii din curba E= f(C)
- Prin masurarea extinctiei si interpolare din curba de calibrare E = f(c)
C1 C2 C3 Cx masurarea extinctiei =gt E1 E2 E3 -gt curba de calibrare
Spectrele de absorbtie (in UV) ale bazelor azotate din structura acizilor nucleici
ADNbull A- adeninabull C- citozinabull G ndash guaninabull T- timina
OD- densitate optica sauabsorbanta
Absorbanta in UV a ADN
distrugerea microorganismelor =gt radiatia UV pt sterilizare
-gt mutatii care inactiveaza mecanismele reglatoare in diviziunea
celulara =gt cancer cutanat
Spectrele de absorbtie in domeniul vizibilale pigmentilor vizuali
Celulele fotoreceptoare din retina ndash conuri fotopigmenti care au maxime de absorptie
specifice Senzitivitatea spectrala ndash secventa de aminoacizi din opsina
Aplicatii ale spectrofotometriei in practica medicala
bull Spectrele de absorbtie ale macromoleculelor ndash ldquoamprenterdquo-gt identificarea lor-gt dozarea lor-gt natura legaturilor chimice intre atomi-gt grupari organice libere
bull Cromoforii (C=O C=N C=C) din bazele azotate ale ANDARN -gt benzi de absorbtie in IR si UV dar nu in vizibil
bull Analiza spectrala aplicatii in laboratoare de analize de rutina din spitale in cercetarea medicala si in biologie
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
28
Ultracentrifugarea
bull Permite evaluarea cantitativa a masei moleculare a macromoleculelor de interes biologic prin determinareavitezei lor de sedimentare
bull Factorul de acceleratie
β = FcfG = gg0
Clasificarea centrifugelor in functie de β
a) obisnuite (βlt1000)
b) supercentrifugi (1000ltβlt20000)
c) ultrcentrifugi 20000ltβlt400000
d) ultracentrifugi de experienta (βgt400000)
Prezentarea schematica a fortelor ce actioneazaasupra unei particule supuse centrifugarii
x1 x2 x3 ndash pozitiile particulei la momentele de timp t1 t2 t3
Ff Fcf Fa ndash fortele de frecare si resepctiv centrifuga si arhimedica
Elemente de optica
Optica
bull Domeniul fizicii care studiaza lumina radiatia electromagneticavizibila dar si domeniul adiacent (IR si UV) si interactia acesteia cu substanta
bull Clasificare ndash in functie de fenomenele specifice studiatendash Optica ondulatorie ndash studiaza fenomenele in care se manifesta
preponderent caracterul ondulatoriu al luminii (eg interferenta difractia polarizarea)
ndash Optica fotonica (corpusculara) ndash studiaza fenomenele in care se manifesta preponderent caracterul corpuscular al luminii (efectfotoelectric efect Compton emisia si absorbia luminii)
ndash Optica geometrica- utilizeaza raze de lumina neluand in considerare nici aspectul corpuscular nici cel ondulatoriu al luminii
Natura electromagnetica a luminii
bull Lumina ndash unda electromagnetica- doua componente ndash camp electric si camp magnetic- Senzatia luminoasa este data de componenta electrica
Spectrul electromagnetic
-Caracterul de unda nu explica unele fenomene cum sunt emisia de lumina de catre corpurile incandescente si distributia energiei dupalungimea de unda-Max Planck (1900) ndash lumina este emisa sub forma de cuante de energie luminoasa sau fotoni (corpusculi de lumina)- Einstein ndash lumina are caracter dual de unda si corpuscul
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
29
Reflexia luminii
S=suprafata de separaredintre doua medii diferite
I = punct de incidentai = unghi de incidentar = unghi de reflexie
ir Legea refractiei
sin (i) = sin (r)
Optica geometrica
Descrie in special fenomene luminoase care au loc la suprafata de separaredintre doua medii si aplicatiile lor la construirea unor instrumente optice
Refractia Legea refractiei
i
r
i
r
i
r
i = unghi de incidentar = unghi de refractie
Legea refractiei
n1 n2 = indicii de refractie ai mediului 1 respectiv 2V1 V2 = viteza luminii in mediul 1 respectiv 2n = cV
Reflexia la unghi limita i = l r = 90o n2=n1middotsin l
Aplicatii ale reflexiei si refractiei in medicina sitehnica dentara
bull In estetica dentara se utilizeaza ceramici a carorstructura fina produce reflexia refractia si transmisialuminii similare cu cea a dintilor naturali
bull aceste tipuri de ceramici dau dintilor artificiali un aspect foarte apropiat de cel natural
Dispersia luminii
bull Variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda
descompunerea luminii in spectrul vizibilbull Vidul ndash mediu nedispersiv restul materialelor sunt dispersive
Dispersia luminii prin prisma
Polarizarea luminii
bull Lumina - naturala -gt E oscileaza dupa toate directiile in spatiu- partial polarizata E oscileaza dupa directii preferentiale
- total polarizata E oscileaza dupa o singura directie
Lumina a) total polarizata b) naturala c) partial polarizata
Substante optic active ndash proprietatea de a roti planul luminii polarizate
Metode de obtinere a luminii total polarizate
bull Fenomenul de birefringenta (dubla refractie) ndash la trecerea luminii princristale anizotrope
bull doua raze emergente ndash raza ordinara - ldquoascultardquo de legea refractiei
- raza extraordinara ndash nu satisface legearefractiei
httpphysicsphystuiasiro~pnica
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
30
Metode de obtinere a luminii polarizate
bull Polarizarea prin reflexie ndash la suprafata de separare dintre douamedii transparente
Pentru o valoare a unghiului de incidenta (unghiul Brewster) se obtinelumina reflectata este total polarizata
bull La trecerea prin pelicule de polaroid ndash E oscileaza dupa o directieparalela cu dispunerea lanturilor moleculare din structura peliculei
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Obtinerea luminii polarizate cu ajutorul prismei lui Nicol
httpphysicsphystuiasiro~pnica
Aplicatii ale polarizarii luminii in medicina si tehnica dentara
bull Lumina polarizata poate fi utilizata la detectarea schimbarilor care au loc in tesuturile dentare si implicit la diagnosticul unor afectiunidentare (eg cariile)
bull Sistem de detectare optic sensibil la lumina polarizata- se ilumineaza tesutul dentar cu lumina polarizata- Se masoara starea de deploarizare a luminii imprastiate utilizand tehnici
de imagistica prin polarimetrie optica
- Pentru a permite caracterizarea tesutului dentar in profunzime diagnosticul prin polarimetrie poate fi incorporat in sisteme de reflectometrie in domeniul de coerenta optica si tomografie care permit identificarea locurilor de depolarizare in profunzimea tesutului dentar sicare sunt asociate cu demineralizari ale osului sau smaltului
Interferenta luminii
Suprapunerea undelor luminoase in spatiu intensitatea undelor suprapusetrece prin maxime si minime formarea franjelor luminoase
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Dispozitivul lui Young
Difractia luminii
httpwwwcsiduptrocourse_docsfizica
Difractia printr-o fanta
Ocolirea de catre lumina a obstacolelor atunci cand dimensiunea lor areun ordin de marime comparabil cu lungimea de unda a radiatiei incidente
Instrumente optice
bull Ansamble de lentile oglinzi si diafragme cu ajutorul carora se obtinimagini (cu detalii neobservabile cu ochiul liber) ale diferitelorobiecte
bull Sistem optic centrat axele optice ale componentelor sa coincida cu axul geometric al instrumentului
bull Clasificare ndash din punct de vedere al naturii imaginilora) instrumente care dau imagini reale eg aparatul fotografic aparat de proiectieb) instrumente care dau imagini virtuale eglupa microscopul optic Au doua componente-obiectiv si ocular
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
31
Caracteristici optice
bull Marimi ce permit compararea a doua instrumente optice de acelasifel si alegerea celui care indeplineste anumite cerinte
bull Marirea (β) = raprtul dintre o dimensiune liniara a imaginii si aceeasidimensiune liniara a obiectului
bull Marirea transversala
β=y2y1=(lungimea imaginii perp pe axul optic)(lungimea obiectuluiperp ax optic)
bull Utila in cazul instrumentelor ce produc imagini reale (dimensiunilelor pot fi masurate)
Caracteristici optice
bull Puterea
P = tg α2 y1α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrument
y1 = dimensiunea liniara a obiectului perp pe axul optic
Caracterizeaza instrumentele care dau imagini virtuale
bull Grosismentul (marirea unghiulara)
G = tg α2 tg α1
tg α2 = unghiul sub care se vede obiectul prin instrumentul optictg α1 = unghiul sub care se obiectul privit cu ochiul liber asezat la distanta optima de vedere clara
Caracteristici optice
bull Puterea separatoare ndash caracterizeaza capacitateainstrumentului de a forma imagini distincte separate ale obiectului
bull Puterea unui instrument optic mai mare pot fi distinsepuncte mai apropiate ale obiectului care dau imaginidiferite
bull Putere separatoare - liniara- unghiulara
Instrumente care dau imagini virtuale
bull Lupa ndash sistem convergent alcatuit din una sau mai multe lentile
bull Obiectul plasat intre focar si lentila lupa de deplaseaza intre obiect si ochiastfel incat imaginea obiectului sa se formeze la distanta optima de vedereclara
Formarea imaginii unui obiect prin lupa
Microscopul optic
Componente 1) Oculare2) revolverul pe care se fixeaza
obiectivele3) Obiective4) Tambur de reglare grosiera5) Tambur de reglare fina6) Masuta pe care se plaseaza proba7) Sistemul de iluminare ndash sursa de
lumina oglinda (redirectionareafasciculului de lumina)
8) Condensor
httpenwikipediaorgwikiOptical_microscope
Formarea imaginii unui obiect prin microscop
irsquo=imaginea obiectului prin obiectiv (imagine realarol de obiect pentru ocular)
i=imaginea finala (virtuala rasturnata marita) preluatade ochiul uman
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
32
Microscopia electronica
bull Bazata pe principiul lui Louis de Broglie ndash orice particula (electron proton neutronhellip) in miscare are si un caracter ondulatoriu
mv
h
p
h==λ λ- lungime de unda
p- impulsh- constanta lui Planckν- frecventa undeiE- energieνhE =
Microscopia electronica
Fenomenul de difractie al electronilor pe planele cristalografice intensitateamaxima a undelor rezultate dupa interferenta cand diferenta de drum δ - nr intreg de λ
λϑδ nd =sdot= sin2 n=1 2 3 hellipd - distanta interplanara
λ- modificata f(tensiunea de accelerare U) -gt intensitatea curentuluidetectat in functie de viteza electronilor incidenti variaza (maxime si minime)
Difractia electronilor
tun electronic
Pattern de difractie
λelectroniltλlumina (de 100000 ori)
e- pot produce imagini cu Rezolutie de 01 nm
Schema comparativa ndash microscop optic si microscopelectronic
Microscopul electronicAplicatii ale microscopiei electronice in medicina
bull Microscopul electronic cu transmisie (Transmission Electron MicroscopeTEM) imagine 2D a unei probe formata prin fasciculele de electroni transmise prinspecimen magnificare ~ 500000
bull Microscopul electronic cu scanare (Scanning Electron Microscope SEM) imagine 3D a unei probe prindetecția electronilor emisi de pe suprafața specimenuluidatorită excitării acestuia de către un fascicul incident de
electroni magnificare ~100000
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
33
Prepararea probelor in microscopia electronica
bull Procedura complexa grosimea L a specimenului maxim de ordinula sute de nm
bull Probe de calitate -gt L comparabila cu drumul mediu liber al electronilor prin proba (cateva zeci de nm)
bull Fixare chimica Stabilizarea macrostructurii mobile a probeibull Criofixare Inghetarea foarte rapida a probei -gt conservarebull Deshidratare Eliminarea apei din proba inlocuirea ei cu (de
exemplu) etanolbull Incapsulare in rasini pentru sectionarebull Sectionare in straturi foarte fine semitransparente pentru
electronibull Colorare (staining) includere de metale grele -gt imprastiere
electroni contrastbull Inghetarea si fracturarea probei studiul membranelor celuare
Aplicatii ale microscopiei electronice in medicina
Sectiune prin axonii nervului optic observata la microscopul electronic
K-ANaveMPI f Experimental Medicine
Matricea din jurul corpului neuronal (dendrite axoni butoni terminali celule gliale)
calvetupennedu
Aplicatii ale ME in medicina
Imaginea unui neuron motor la microscopul electronic
- studiul celulelor si al componentelor celulare (organite citoscheletetc) - diagnostic histopathologic - investigarea specimelor clinice in diagnosticul unor boli renale- investigarea unor procese tumorale (differentiere celulara) - identificarea unor agenti infectiosi patogeni ldquosubmicroscopicirdquo (virusi ndash morfologie)
Cercetare ndash investigarea ultrastructuriisinapselor intelegerea morfologiei sifunctionarii sistemulul nervos
Structura ochiului uman Ochiul ca sisem optic
httpwwwmikofmdroanatomy-of-eyeshtml
Formarea imaginii in ochiul normal Defecte de vedere sicorectarea lor
a) Miopia formarea imaginilor inaintea retinei se corecteaza cu lentiledivergente
Defecte de vedere si corectarea lor
c) Astigmatism ndash datorita curburii neuniforme a corneii razele provenitedin directii diferite sunt focalizate in puncte diferite corectare cu lentilecilindrice
b) Presbiopia si hipermetropia formarea imaginilor in spatele retinei se corecteaza cu lentile convergente
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
34
Laserii si aplicatiile lor in practica medicala
Tranzitii spontane si tranzitii induse
bull Sistemele cuantice (eg atomi molecule) ndash la echilibru ndash stare cu energieminima (stare stationara)
bull Tranzitie cuantice La furnizarea de energie din exterior stare excitata(temporara) dezexcitare (tranzitii cuantice in stari de energie mai joasa)
bull Dezexcitarea sistemului caracterizata de probabilitatea de tranzitie in
unitatea de timp
∆sdot
∆minus=
rarr∆ tN
NP
t
1lim
0
∆N ndash nr de sisteme care au efectuat tranzitia in ∆tN ndash nr de sisteme in stare excitata
PdtN
dNminus=sdot
1
Variatia in timp a numarului de sisteme in stare excitata
dtPN
dNsdotminus= intint sdotminus=
tN
N
dtPN
dN
00
PtN
Nminus=
0
ln PteNN minus=0
P
1=τ
τteNN
minus= 0
rArr
rArr
Timp mediu de viata al starii excitate
dArr
Legea de variatie a nr de sisteme in stare excitata
τ=f(caracteristicile interne ale sistemului)
Emisia spontana si emisia indusa
bull Atomii in stare excitata τ~10-8 s tranzitie spontana pe nivel inferior foton tranzitia spontana
bull Nivele metastabile ndash excitate un timp mai indelungat gtgt10-8 s tranzitia in stare fundamentala are loc intr-un timp mai indelungat
bull Daca atomul in stare metastabila este stimulat dupa tltτ rArr posibiladezexcitare inainte de expirarea timpului de viata
emisia de fotoni = emisie stimulata (indusa) - foton incident + foton emis cu ∆E=Em-En = hν (tranzitie intrenivelele energetice metastabil m si cel inferior n)- fotonii incidenti ndash intalnesc multi atomi in stare excitata nr mare de fotoni emergenti (interactii rezonante)- o radiatie electromagnetica incidenta intr-un mediu activ (favorabilinteractiilor rezonante) mult amplificata
Emisia spontana si emisia indusa Inversia populatiilor
bull repartitia atomilor pe nivele energetice E1 E2 (E2gtE1) la echilibrutermodinamic legea de distributie a lui Boltzmann
kT
EE
eNN12
12
minusminus
=
kT
EE
eN
N 12
1
2
minusminus
=
12 EE gt
rArr12
NN lt
La incalzirea sistemului N2uarr pentru Trarr infin N2 rarrN1
(1)
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
35
Inversiunea populatiilor Temperatura absoluta negativa
bull Fenomenul prin care N2gtN1 ndash inversiune de populatiedin (1) rArrT negativa
1
2
12
lnN
Nk
EET
minusminus=
Efectul LASER ndash light amplificated by stimulated emssion of radiation
bull Daca se iradiaza proba in care avem inversie de populatie intre E1 siE2 mai multe interactiuni foton- atomi excitati pe E2 decat pe E1
bull Daca E fascicul incident = E2-E1 =gt dezexcitarea indusa a atomilor cu emisia unui nou foton cu E = E2-E1 fasciculul emergent mai intensdecat cel incident (amplificare a radiatiei)Conditii 1) inversia populatiilor intre 2 nivele energetice date
2) emisia stimulata intre aceste nivele (intensitatearadiatiei de pompaj I gt I prag)
bull Fenomenul de amplificare a radiatiei electromagnetice bazat peemisia stimulata ndash efect LASER
bull Primele dispozitiva LASER ndash 1958 ndash Basov si Prohorov Townesbull In Romania ndash I Agarbiceanu
Proprietatile laserilor
bull Intensitatea foarte mare (gtgtI surse obisnuite de zeci de ori gt Iemisa la suprafata Soarelui)
bull Radiatia este monocromatica ndash emisia este stimulataintre doua nivele de E inguste bine determinate
bull Radiatia este coerenta ndash radiatia emisa in faza cu radiatia stimulatoare
bull Directionalitatea ndash lumina laser este emisa sub forma unui fascicul paralel (fasciculul contine fotoni directionatiin lungul axei cavitatii rezonante (ex Cilindru in laserulcu cristal de rubin)
Aplicatii ale laserilor in medicina
bull Chirurgie fara hemoragie inlaturarea pietrelor la rinichi chirurgie oculara medicina dentara
bull Tratamente cosmetice acnee celulita inlaturarea parului in exces inlaturarea ridurilor a tatuajelor
Tipuri de laseri utilizati in medicina
Dupa tipul de design ndash in special
bull laseri cu CO2 ndash laseri cu unde continue cu puterea cea mai mare ndash utilizat in proceduri chirurgicale tratamente cosmetice ndash facelifts dermabaraziune etc)
bull diode laseri ndash mediul activ este un semiconductor (jonctiune p-n) ndash utilizat in medicina dentara in chirurgia tesuturilor moi in hemostaza (absorbtie mare de catre hemoglobina in 800-980 nm)
bull Laseri cu coloranti organici (mediul activ) ndash utilizati in dermatologie (inlaturarecicatrice tatuaje) inlaturarea pietrelor la rinichi
bull laseri cu excimeri (excited dimer) -gt fascicule laser in impulsuri scurte (10 ndash 25 ns) cu energie mare pe impuls la diferite lungimi de unda in domeniulultraviolet ndash energie suficient de mare pentru a distruge legaturi moleculare la suprafata tesuturilor dezintegrarea lor controlata prin ablatiune (vaporizare) fara a fi arse sau taiate utilizate in chirurgia ochiului ndash LASIK (Laser-Assisted in situ Keratomileusis chirurgia refractiva) ndash remodelarea corneei pentru a corectarea defectelor de vedere (miopie hipermetropie astigmatism etc)
Tipuri de laseri utilizati in medicina
bull laseri cu fibre ndash mediul activ este din fire optice dopate cu elementedin grupa metalelor rare (Yb Nd Dy Pr Tm)
bull laseri cu gaz ndash un curent electric intr-un gaz ndash producere de luminacoerenta (conversie de energie electrica in lumina laser ex He-Ne Co2 etc)
bull laseri cu electroni liberi ndash mediul activ electronii care se misca liberintr-o structura magnetica (acopera frecventa cea mai mare si esteajustabila) ndash utilizat in chirurgia ablativa a tesuturilor moi corneei tesutului cerebral etc in tratarea aterosclerozei si a bolilor de inima
prin distrugerea depunerilor de grasime
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
36
Laserii in chirurgie
bull scalpel cu laser ndash taiere sau ablatie a tesuturilorvii prin energia laserului vaporizarea tesuturilormoi cu continut ridicat de apa
bull biologia celulara ndash microscalpel cu laser ndashsectiuni de dimensiuni subcelulare
Domenii medicale de aplicatie ale laserilor
bull angioplastiebull diagnostic si tratment al canceruluibull tratamente cosmeticebull dermatologiebull litotriptiebull mamografiebull Imagistica medicalabull microscopie (confocal laser micropscopy)bull oftalmologie (Lasik fotocoagulare laser) bull tomografie in coerenta opticabull chirurgieprostatectomie
Elemente de optica biologicaProprietatiledioptrilor oculari Mecanismele biofizice ale
receptiei vizuale
Analizatorul vizual
bull Perceptia vizuala ndash capacitatea de a reflecta lumeainconjuratoare prin procesarea informatiei continute in lumina vizibila
bull Se realizeaza la nivelul analizatorului vizual ndash sistemcare implica structuri extrem de specializate implementeaza functii complexe cum sunt receptialuminii formarea de reprezentari monoculare binoculare(din perechi de proiectii bidimensionale) identificarea sicategorizarea obiectelor aprecierea distantei dintreobiecte (orientare in spatiu) ghidarea miscarilor corpuluiin raport cu pozitia obiectelor
Analizatorul vizual - componente
bull ochiul ndash in special retinabull nervul opticbull chiasma opticbull tractul opticbull corpul lateral geniculatbull cortexul vizual primarbull cortexul vizual de asociatie
Analizatorul vizual - componente
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
37
Structura ochiuluiProprietatile dioptrilor oculari
bull Ochiul ndash forma globularaInvelisurile
- sclerotica -gt anterior corneea- coroida ndash anterior se ingroasa -gt corpul ciliar ndash muschi ciliar
- procese ciliare
anterior prezinta un diafragm ndash irisul cu un orificiu central pupila
Aparatul optic al globului ocular
bull Cristalinulndash lentila biconvexa situata inapoia irisului- mentinut de ligamentul suspensor (zonula) inserat pe sclerotica- imparte globul ocular in 2 camere
ndash anterioara (cu umoare apoasa)- posterioara (cu umoare vitroasa)
bull Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
a) modelul de ochi redus la un singur dioptru care asigura mersulrazelor de lumina ca in mediul real- modele de ochi redus (Listing Gullstrand) ndashgt ochiul ndash dioptru sfericcu r~6 mm separa aerul de un mediu transparent cu n~133Convergenta ochiului C=60 dioptrii
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
uvn=1336
Modelul de ochi redus
Ochiul ndash sistem optic central capabil de focalizare automata neglijareadetaliilor de curbura a cristalinului si a diferentelor intre indici de refractie afluidelor oculare
Studiul ochiului dpv al opticii geometrice
bull Model ce studiaza mersul razelor prin toti cei 4 dioptri al globului ocular (convecsi si concavi)
Convergenta totala
C= 40 D + 20 D =Ccornee+Ccristalin
Acomodarea la distanta
Procesul prin care se formeaza pe retina imaginea obiectelor situate la dlt 6m de ochi -gt contractia muschiului ciliar -gt modificarea curburii cristalinului
Ochiul normal (emetrop) ndash imaginea obiectelor foarte indepartate se formeaza pe retina cele apropiate necesita acomodare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
38
Acomodarea la distanta
Punctum remotum ndash cel mai indepartat care poate fi vazut clar fara acomodare-La infin pt ochiul emetrop la dltinfin pentru ochiul miop la dgtinfin pentru ochiul hipermetropPunctum proximum ndash cel mai apropiat care poate fi vazut clar cu acomodare maxima- 25 cm pentru ochiul emetrop dlt25 cm ndash miopie dgt25 cm hipermetropie
Cataracta
bull Opacizarea cristalinului datoritaunor boli congenitale a diabetuluizaharat a imbatranirii (tulburari de nutritie) expunere indelungata la radiatii intense
bull In loc sa fie focalizata lumina esteimprastiata
bull Opacitatea creste =gt imprastierealuminii creste vedere neclara
bull Se poate remedia prin implant de lentila convexa (extragereacristalinului)
Adaptarea la lumina
Lumina puternica Lumina slaba
Mecanismele biofizice ale receptiei
vizuale
Structura retinei
Retina - membrana pe fata interna a ochiului contine celule receptoare(conuri si bastonase) responsabile de transformarea luminii icircn semnale nervoase
Celule fotoreceptoare
Contin rodopsina Contin iodopsina
Retina contine ~100 milioane de bastonase ~7 milioane de conuri
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
39
Structura si fuctia celulelor receptoare cu conuri sibastonase
bull Celulele cu bastonas ndash au o prelungire sub forma de bastonas (segmentulextern) care contine discuri membranare suprapuse
bull Membranele sunt formate din subunitati de diametru de 5 nm in centrulcarora se afla o molecula de rodopsina formata dintr-o proteina ndash opsina sialdehida vitaminei A ndash retinol
bull Membrana prezinta numeroase canale pt Na+ (deschise in intuneric) care intra in celula datorita gradientului electrochimic mare
bull Na+ scos din celula datorita pompelor de Na+ =gt curent electric transportatde ionii de Na+ - curent de intuneric
V intracel=-20 mV Vextracel=0 mV
La actiunea luminii - activarea rodopsinei -gt inchiderea canalelor de Na+ (dispare curentul de intuneric) hiperpolarizarea celulei (-35mV) =gt ∆V -gt excitatia neuronilor bipolari cu terminatiile in contact cu celulele receptoare- Plocale din neuronii bipolari -gt excitatia neuronilor ganglionari trenuri de potentiale de actiune de tip ldquotot sau nimicrdquo mezencefal scoartacerebrala (occipital scizura calcarina)
Comparatie intre celule cu conuri si celule cu bastonase
bull Celulele cu conuri ndash adaptate la lumina intensa- vedere in culori (diurna)- forma -gt lipsa discurilor- au falduri ale membranei- pigment ndash iodopsina ndash varietati distincte
- eritrolab ndash absoarbe intens rosu- clorolab ndash absoarbe intens verde- cianolab ndash absoarbe intens violet
- functioneaza ca si celulele cu bastonas lumina -gt hiperpolarizare -gt potential de actiune in neuronii bipolari- mai raspandite in zona foveii centrale
Comparatie intre celule cu conuri si celulecu bastonase
bull Celulele cu bastonase ndashadaptate la lumina scazuta- specializate in vedere alb-negru (crepusculara)- au aceeasi senzitivitatepentru lumina independent de λ =gt nu pot detecta diferentede culoare- contin pigmentul rodopsina(carenta de vitamina A ndashdiminuarea vederii nocturne)- au discuri- sunt mai raspandite in zonelede margine ale retinei
Curbe de absorbtie spectrala
Conuri ndash max 560 nmBasonase ndash max 500 nm
Distributia celulelor cu conuri si bastonase Mecanismele fotoreceptiei
bull Retinal ndash fotoizomerizare (necesita 1 foton)bull Conversie 11-cis retinal 11-trans retinal =gt induce
schimb conformational in molecula de opsinabull Declansarea unui semnal intracelular in cascada -gt
transductiebull Inchiderea canalului ionicbull Variatie de potential electric celular (participa si ioni de
K+ Ca2+ etc)
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
40
Vederea cromatica
bull Prin combinarea diferitelor tipuri de culori -gt perceptia de noi culoriex Rosu+verde = galben
rosu + albastru = violetverde+albastru= cyan
bull Suprapunere de rosu verde albastru -gt lumina albabull La nivelul ochiului uman ndash 3 tipuri de conuri
ndash Datorita absentei (transmise genetic) a unuia sau a mai multor tipuri de conuri - gt deficiente de vedere cromatica ndash inabilitatea de a percepeanumite culori
ndash 8 dintre barbati 05 dintre femei ndash deficiente de perceptie rosu-verde (deuteranopia)
Deficiente ale vederii cromatice
Vederea normala Deuteranopia(deficit verde-rosu)
Tritanopia(deficit albastru-galben)
Biofizica receptiei auditive
Urechea ndash 3 segmente 1) urechea externa ndash pavilion conduct auditiv timpan2) urechea medie ndash contine oase ligamente si muschi (ciocan nicovala scarita FO FR)3) Urechea interna ndash vestibul V 3 canale semicirculare CS melcul (M)
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
bull Ptimpan ext= Ptimpan int datorita trompei lui Eustachio care comunicacu nasofaringele
bull Vibratiile timpanului ciocan nicovala scarita fereastraovala a melcului (FFO=13 x Ftimpan
bull Muschii inserati pe osicioare realizeaza variatia nivelului de amplificare - control automat (pentru protejarea urechii interne)
bull Amplificarea sunetului ndash la nivelul FO (urechea medie)
15
timpan
FO
SS =31=
t
FO
F
F
31int =sdot
sdot
ta
FOernaurechei
Sp
Sp PaPaS
Spp
FO
ta
ernaureche 201153131
int asympsdotsdot=sdotsdot
=
tatimpanSpF sdot=
SFO= suprafata membranei FO pa=presiunea acustica din conductul auditiv
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
1-organul lui Corti2-canal vestibular3- canal timpanic
Sectiune prin melc
Drumul parcurs de semnalele acustice in ureche
Vibratiile coloanei de lichid(perilimfa) din CV si CT sunt inopozitie de faza ldquomasajrdquo al canalului mediu ce contine endolimfaStare de vibratie a membranei bazi-lare cu structurile de pe ea
Sectiune transversala prin melc
Sistemul mecanic de captaresi transmitere a vibratiilor aeruluiasigura functionarea urechii atatpentru semnalele aflate la limitapragului de audibilitate cat sipentru cele aflate la limita durerii
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
41
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Pe membrana bazilara- 2 straturi de celule tunel siruri de celule receptoarecu cili in contact cu terminatiile nervoase ale nervului auditiv
Organul lui Corti
Celule recpetoare cu cili din urechea interna
httpwwwsickkidscaResearchAuditory-science-laboratory
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Deasupra organului lui Corti pluteste membrana tectoria (acelulara)alcatuita din proteine intens hidratate ea atinge usor cilii celulelorreceptoare
bull La trecerea semnalului acustic prin canalul vestibular si timpanic membrana bazilara vibreaza si odata cu ea vibreaza si celulelereceptoare ndash cilii -gt deformare (indoire sau inclinare) in contact cu membrana tectoria rArr variatie de potential de repaus al celuleireceptoare (potential de actiune local) in terminatiile nervului auditiv
bull In functie de amplitudinea potentialului local din terminatia nervoasain fibrele nervului auditiv iau nastere trenuri de potentiale de actiunede tip ldquotot sau nimicrdquo frecventa lor creste cu cresterea AP Local
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Mecanismele posibile care determina la indoirea cililor si aparitiaPreceptor
bull deschidere a canalelor Na+ sau K+ printr-un efect pur mecanic sauintervin proprietati piezoelectrice ipotetice ale cililor celulelorreceptoare
bull Perilimfa din CV si CT - bogata in ioni de Na+
bull Endolimfa din CMediu ndash bogata in ioni de K+
bull Endolimfa este incarcata negativ (~80-100 mV) fata de perilimfabull La un semnal acustic apar variatii ale acestui potential (potentiale
microfonice) care daca sunt culese si amplificate pot reda intr-un difuzor cu exactitatea unui microfon piezoelectric de foarte bunacalitate semnalul acustic receptionat
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
bull Capacitatea urechii interne de a face deosebire intre sunetele de tonalitate joasainalta (cu frecv micamare)
bull Teoria Helmholtz ndash datorita fenomenului de rezonanta ndash similar cu corzile harpei sau pianului ndash intra in vibratie cele cu o lungimepotrivita cu frecv Vibratiei a semnalului acustic recpetionat
bull Membrana bazilara ndash ingusta la baza melcului lata la varf alcatuitadin 42000 fibre paralele ca si corzile harpei
bull Sunetele joase ndash receptionate la varful melcului cele inalte la bazamelcului
Mecanismul biofizic al receptiei auditivea sunetelor de diferite tonalitati
Sunetele audibile - frecventa 20 - 20000 Hz (20 kHz)
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
42
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Teoria lui Von Bekeacutesy (a undei calatoare)
bull In membrana bazilara ia nastere un val care se deplaseaza sprehelicotrema
bull La inceput inaltimea acestui val este mica dar intr-un anumit punctal membranei bazilare ce depinde de frecv semnalului acustic inaltimea valului acustic creste brusc apoi scade la fel de brusc
bull Valoare maxima (hmax) - la baza melcului pentru sunete cu ν inalte- la varful melcului pentru sunete cu ν joase- acolo unde se produce celulele receptoare
ating membrana tectoria si initiaza excitatia auditiva (hmax=1microm pt semnalele acustice cele mai intense)
Mecanismul biofizic al receptiei auditive
Modelul propus pentru explicarea fenomenelor bioelectrice
Audiograma
bull Grafic care arata praguri audibile pentru frecvente standard measurate cu un audiometru Axa Y - intensitatea masurata in decibeli axa X frecventa masurata in Hertz (sau pe scalalogaritmica a frecv)
bull Domeniul de frecvente acoperite de audiograma 100 - 8000 Hz (include frecventa fundamentala a sunetelor in vorbire)
bull Pragul de audibilitate - reprezentat relativ la o curba standard care reprezinta auzul normal in dB
bull Auzul ldquomediurdquo normal ndash considerat aproape de 0 dB de la 250 Hz la 8 kHz
bull Determinarea pragurilor auditive ndash audiometrie prezentarea a diferite tonuri la o frecventa si intensitate specifice persoanaraspunde cand percepe sunetul se inregistreaza sunetul cu intensitatea minima auzita
Audiograma - exemplu
Interactia materiei vii cu factorii fiziciPrincipiilefizice ale unor metode de diagnostic
si tratament in medicina
Radiatii ionizante si interactia lor cu materia vie
Spectrul electromagnetic
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
43
Radiatii ionizante
bull Radiatii din spectrul electromagnetic (fotonice) saufascicule corpusculare care au suficienta energie pentrua smulge electroni din atomi sau molecule ionizare
bull Tipuri de radiatii ionizantendash Fotonice ndash raze X raze γndash Corpusculare ndash fascicule α (nuclee de heliu)
- fascicule β+ β- (electroni pozitroni)- fascicule de neutroni (prin interactiiindirecte)
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul fotoelectric ndash eliberarea unui electron din invelisul atomic
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Efectul Compton ndash interactia fotonului cu un electron liber sau din paturile atomice exterioare imprastierea fotonului
Interactia radiatiilor X cu substanta
bull Producerea de perechi ndash la interactiunea unui foton cu o energie suficient de mare (gt 102 MeV) cu campulnuclear
bull Fotonul dispare si se genereaza o pereche electron-pozitron (e+ - e-) prin conversia masa-energieEe+=Ee-=m0c2=051 MeV (energie de creare a particulelor)
bull Pozitronul rezultat este anihilat de o antiparticula doifotoni (E=051 MeV) ce se propaga in directii diferite
Atenuarea unui fascicul de fotoni
Intensitatea fasciculului emergentIntensitatea fasciculului incidentCoeficient de atenuareGrosimea stratului de substanta traversat de radiatie
micro - masoara probabilitatea de interactie a fotonului incident cuun anumit tip de substanta
Probabilitatea mecanismelor de interactie raze X-substantain functie de energia fotonilor si de numarul atomic Z
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
44
Dozimetria radiatiilor Marimi si unitati
bull Masurarea efectelor biologice ale radiatiilor ndash utila din punctul de vedere al aplicatiilor medicale (diagnostice si terapeutice)
bull Doza de radiatii primita1) Doza de ioni se bazeaza pe efectul ionizant al radiatiilor
raportul dintre sarcina electrica totala a ionilor de un anumit semn produsi direct sau indirect de radincidenta in aer uscat la 0oC si 1013 bar si
I = dQdm (1 roentgen=1 C1 Kg)2) Doza de energie absorbita (D)
considera absorbtia de energie de catre materie raportul dintre energia (E) transferata de catre radiatii
unei substante si masa substantei iradiate (m)
D=dEdm (in SI I Gray = 1 J1 Kg = 100 rad)
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Intensitatea efectelor depinde de tipul de radiatii folosite (eg o cantitate de energie mai mica transferata de radiatie α produce acelasi efect ca si o cantitate mai mare de radiatie β sau γ
dArrefectivitate biologica a unei radiatii (EB)
(se raporteaza la efectivitatea biologica a unei radiatii standard ndash rad X accelarata la 200 kV)
X β γ η = 1neutroni η = 5-10protoni η = 10alfa η = 20
Efectele biologice ale radiatiilor ionizante
bull Doza biologica B = ηmiddotDbull [B]SI = 1 Sievert (1 Sv = 100 rem) doza de energie a
unei radiatii ce produce in conditii identice aceleasiefecte biologice ca si doza de 1 Gy provenita de la radiatia X standard
Actiunea radiatiilor ionizante asupra biomoleculelor- Modificari de greutate moleculara dezaminari in lantul
peptidic inactivarea enzimelor coagularea substantelorcoloidale
- Ionii rezultati intra in reactii noi cu substante din tesuturi
Actiunea radiatiilor ionizante asuprabiomoleculelor
bull Depinde de dozabull Alterarea ADN cromozomii modificati
transmit noilor celule caractere anormalebull La doze mari efecte neoplazicebull Efectele nocive ndash apar dupa o perioada de
latenta
Aplicatii ale radiatiei X in diagnostic ndash radiografia
bull Se bazeaza pe atenuarea (absorbtia) diferentiata a fotonilor X la trecerea prin tesuturi (cu constituenti diferiti si densitati diferite)
bull Fasciculul rezultat este captat pe un filmbull 3 nivele distincte de absorbtie 3 grade diferite de innegrire a
filmului radiologica) absorbie foarte redusa de aerul in cavitati ndash zone opace pe
filmb) absorbtie ceva mai pronuntata de celulele moi (muschi
tesuturi cu grasime vase sanguine) ndash tonuri de gric) absorbie pronuntata ndash oase dinti ndash cu continut ridicat de
saruri minerale ndash apar translucente pe film
Aplicatii ale radiografiei
bull Investigarea de rutina ndash A sistemului ososndash A patologiei pulmonare si cardiacendash A patologiei dentare
Radiatii X ndash dure ndash cu energie si penetrare mare investigarea
tesuturilor osoase si a dintilor- Moi (mai putin penetrante) pentru investigarea tesuturilor
mai putin dense
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
45
Aplicatii ale radiografiei - exemple
httpwwwdentistryinworldcomimg_stiriphpid=41
Radiografie dentara
httpwebupaczasitefilesImage4512891633FAQ20What20is20radiography201jpg
Tomografia computerizata (TC)
bull Tehnica pentru obtinerea imaginilor sectionale ale unuiorgan prin transmisia radiatiilor X si procesarecomputerizata
bull Etapele obtinerii unei TCndash Achizitia de date pentru obtinerea unei imaginindash Procesarea datelor cu ajutorul unui computerndash Afisarea imaginilor
Tomografia computerizata ndash prezentareschematica
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Tehnica ce produce harti tridimensionale functionale ale anumitor regiuni ale corpului
bull Bazata pe detectia de perechi de raze γ emise de un radioizotop care se leaga de o molecula metabolic activa(eg glucoza apa) injectata in circulatia sanguina
bull Compusii astfel marcati (radiotrasori) se acumuleaza in tesutul investigat si radionuclidul se dezintegreazaemitand un pozitron
bull Pozitronul se propaga pana se ciocneste cu un electron reactie de anihilare producere de perechide fotoni γ
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Fotonii γ se propaga in directii opuse ajung la un material scintilator in dispozitivul de scanare
dArr
Fascicul luminos detectat de fotodiode in avalansa
bull Suprapunerea hartilor metabolice obtinute prin PET cu imagini anatomice obtinute prin RMN sau CT pentrulocalizare
Tomografia prin emisie de pozitroni (TEPPET)
bull Radionuclizii utilizati ndash cu timp de injumatatire scurt
bull limitare ndash producerea de radionuclizi necesita existentaunui ciclotron in vecinatatea clinicii
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
46
Aplicatii biomedicale ale PET
bull PET ndash utilizat in practica clinica si in cercetare pentru a investiga activitatea organelor (eg inima creier etc)
bull In oncologie detectarea tumorilorbull In neurologie detectarea unor tipuri de dementabull In cardiologie aterosclerozabull Psihiatrie investigarea schizofreniei depresiei
dependentei de droguribull In farmacologie identificarea tesuturilor in care se
acumuleaza un nou medicament
Aplicatii biomedicale ale PET
PET implica expunerea la radiatiiionizante (doza de ~ 3 ori mai maimare decat cea provenita de la radiatiacosmica intr-un an 22 mSv)
Scanare PET cu F-18 FDG imaginea arataacumularea de complex in stomac
httpenwikipediaorg
Rezonanta magnetica nucleara (RMN)
P-moment de spin (cuantificat)
Valorile spinilor pentru diferite specii nucleare
I = numar cuantic de spin
Constanta lui Planck
Interactia momentului magnetic de spin cu un camp magnetic
Momentul magnetic nuclear de spin
γ = factor giromagnetic
Energia unui spin nuclear intr-un camp extern B
Despicarea Zeeman a nivelelor energetice
Pz este cuantificat
Energia unui spin intr-un camp magnetic
mI=numar cuantic magnetic de spin
Ecuatia Larmor
Energia absorbita de la undele RF
ω = frecventa Larmor
Distributia spinilor nucleari pe nivelele energetice statistica Boltzmann
Nivelul energetic mai jos(spin ldquosusrdquo) este mai populat magnetizare neta
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
47
Procese de relaxare legi exponentiale
Relaxarea spin-retea (longitudinala)
- Interactia spinilor cu campul retelei- Masurata prin timpul de relaxare longitudinal T1- T1 masoara un effect energetic (revenirea componentei Mz
la starea de echilibru M0)- Pentru atingerea saturatiei Mz multe pulsuri la tltT1 sursa de contrast in imagistica RMN
Relaxarea spin-spin (transversala)
- Interactia intre spinii nucleari- Masurata prin timpul de relaxare transversal T2
- Defazarea spinilor descresterea Mxy (transversala)- T2 masoara un efect de entropie- T2 descrie descresterea semnalului detectabil
Semnalul RMN
In probe biologice T2ltT1
T2 - include efectul neomogenitatii campului
T2ltltT2ltT1
I Proba in B0 polarizataII Puls RF Mz rotit in plan perpendicularIII Componenta longitudinala M 0 Mz
IV Un camp magnetic variabil un curent variabil in bobina de detectie = masurarea semnalului RMN
Aplicatii RMN
bull Campul magnetic ldquosimtitrdquo de un spin nuclear - sensibil la vecinatate spectroscopia RMN- poate fi manipulat prin gradienti de camp imagistica RMN
Spectroscopia RMN
bull Electronii perturba momentul magnetic ldquosimtitrdquo de spinii nucleari ecuatia Larmor
Constanta de ecranare
Molecula
Frecventa Larmor pentru ionii H+
Deplasarea chimica ndash depinde de campul aplicat B0
Spectroscopia RMNDeplasarea chimica in raport cu o linie de referinta in proba
Spectrul RMN al protonilor din metanol
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
48
Aplicatii ale spectroscopiei RMN
bull diagnostic neinvaziv intr-o gama larga de patologiibull Informatii asupra caracteristicilor metabolice ale
organelorbull Nuclee de interes pentru SRMN 1H 13C 19F 31Pbull Compusi biochimici studiatibull - creatina (metabolism energetic)bull - compusi pe baza de colina (constituenti ai
membranelor)bull - zaharuri (eg glucoza)bull - lactate alanina nivel ridicat in unele tumori
Imagistica prin RMN Contrastul imaginii si timpiide relaxare
bull Contrastul imaginii C depinde de- densitatea protonilor- timpul de relaxare spin-retea T1- timp de relaxare spin-spin T2- curgerea sanguina
bull T1 = f (tip de tesut intensitatea B)bull La B=15 T
T1(creier ndash materie cenusie) = 871 msT1(creier ndash materie alba) = 515 msT1(creier ndash LCR) = 1900 ms
Instalatia RMN ndash reprezentare schematica
httpneurocogpsytuftseduimagesmri-scanner1gif
Instalatia RMN
httpwwwmagnetfsuedueducationtutorialsmagnetacademymriimagesmri-scannerjpg
Imagini RMN conventionale
T1- ponderata T2- ponderata
Imagistica RMN ndash metoda de diagnostic- nu utilizeaza radiatii ionizante
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Ultrasunetele (US) ndash unde mecanice longitudinale ν gt 20 kHzbull Generate prin
a) fenomene piezoelectrice ndash generare de vibratii elastice in anumite materiale (cristale de quartz unele materiale ceramice) la aplicarea unei tensiuni alternative
b) fenomene magnetostrictive ndash inducere de oscilatii intr-un material feromagnetic la aplicarea unui camp magnetic variabil
Interactia US cu materia fascicul incident imprastiere (reflexie refractie) absorbite transmisie la interfata de separare intre douamedii cu densitati diferite (ie la suprafata organelor)
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
49
Ultrasunete ndash proprietati si aplicatii medicale
bull Atenuarea US ndash descrisa de o lege exponentiala
I = intensitatea fasciculului la distanta x in mediul parcursI0 = intensitatea fasciculului incident (la x=0)micro = coeficientul de atenuare
bull In tesuturi
a = constanta ce depinde de natura tesutului (3ltalt20)
Ultrasunetele (US) ndash aplicatii medicale
bull Ultrasonografia ndash metoda de diagnostic- Plasarea unor transductori acustici (generatori de pulsuri US pesuprafata corpului in dreptul organului investigat- penetrarea US in corp si la intalnirea unei zone de impedantaacustica diferita reflexia US si detectarea ecoului- ecourile vibratia transductorului transformarea in imagine digitala cu ajutorul calculatorului si a unor metode complexe de reconstructie
bull Ultrasonografia ndash efectiva in investigarea tesuturilor moi sau a organelor ce contin fluide (eg inima tiroida rinichii organeleabdominale ndash ficat pancreas) a regiunii pelvine si a dezvoltariifetale
Ultrasunete ndash aplicatii medicale
bull Metode Doppler bazata pe efectul Doppler modificarea frecventei unei unde sonore cand sursa se misca in raport cu detectorul- Detectarea semnalului de la fluidele in miscare din corp(eg sangele)- Metoda de diagnostic in patologia cardiovasculara
bull In stomatologie ndash US sunt utilizate in detartrare
top related