21.04.2023 121.04.2023 121.04.2023 1

Základy biofyziky, biochémie a rádiológie

1. OSE, 1. PA, 1. DH, 1. UZS, 1. FYZ

FZ PU

21.04.20232

21.04.202321.04.2023

Základy biofyziky

• Termodynamika a molekulová biofyzika• Biofyzika bunky• Biofyzika tkanív a orgánov• Biofyzika vnímania• Ekologická biofyzika• Biofyzika ionizujúceho žiarenia• Medzinárodná sústava jednotiek

1. Šajter V. a kol.: Biofyzika, biochémia a rádiológia. 1. vyd. Martin: Vydavateľstvo Osveta. 2002. 158 s.

2. Sýkora A., Šanta M.: Základy biofyziky. 1. vyd. FZ PU Prešov: Grafotlač,s.r.o. 2008. 104 s.

21.04.2023 321.04.2023 321.04.2023 3

Termodynamika a molekulová biofyzika

Termodynamika je veda o transformácii energie a fyzikálnych vlastnostiach substancii, ktoré sú jej súčasťou.

Predmetom štúdia termodynamiky nie sú jednotlivé atómy či molekuly, ale systémy tvorené veľkými súbormi s veľkým počtom častíc.

Molekulová biofyzika študuje zákonitosti fyzikálneho pohybu molekúl a makromolekúl v živom systéme, od molekulového chápania skupenských stavov až po vlastnosti makromolekúl.

21.04.2023 421.04.2023 421.04.2023 4

Termodynamika

Termodynamický systém je výsek hmotného sveta obsahujúci veľký počet interagujúcich častíc napr. reakčná banka, tlaková nádoba, bunka, živý jedinec.Podľa interakcie s okolím definujeme tri druhy systémov:- izolovaný, - uzavretý, - otvorený

Usporiadanie systému v danom čase udáva stav systému. Je určený stavovými veličinami: p, T, V, n.Vzájomná súvislosť stavových veličín je daná stavovou rovnicou: p.V/T = n.R R je plynová konštanta

Ak sa mení stav termodynamického systému, ide o termodynamický dej.Deje pri konštantných podmienkach:- izotermický, - izochorický, - izobarický dej

21.04.2023 521.04.2023 5

TS – výsek hmotného sveta, obsahujúci veľký počet interagujúcich častíc

21.04.2023 621.04.2023 6

Stavové veličiny

21.04.2023 721.04.2023 721.04.20237

Prvá termodynamická veta

Vyjadruje základný princíp o zachovaní energie. Platí všeobecne a

absolútne pre jednu alebo nekonečný počet častíc napr. v

ľudskom organizme.

dU = A+Q dU je prírastok vnútornej energie, A je vykonaná práca,

Q je prijaté teplo. Žiadny systém nevykoná prácu bez dodania tepla

a bez zníženia vnútornej energie.

Entalpia H – tepelný obsah je množstvo tepla, ktorý si systém

vymieňa s okolím pri konštantnom tlaku:

H = U+pV p = konšt.

H je entalpia, U je vnútorná energia, p je tlak, V je objem

21.04.2023 821.04.2023 8

Transformácia a akumulácia energie v živých systémoch

Zákon o zachovaní energie

21.04.2023 921.04.2023 921.04.2023 9

Druhá termodynamická veta

Teplo nemožno úplne premeniť na prácu: pri tejto premene sa časť

tepla odovzdáva okoliu s nižšou teplotou a nemožno ju v systéme

využiť. Energia sa nestráca, ale degraduje na menejcennú formu

energie – teplo.

Vždy časť energie zostane vo forme tepla:

= Q1–Q2/Q1 = T1–T2/T1 je účinnosť a je menšia ako 1, Q je teplo,

T je teplota

Deje prebiehajúce jedným smerom sa nazývajú ireverzibilné.

Stupeň nevratnosti deja entropia S–miera degradácie energie alebo

nevratnosti deja: dS = dQ/T dS je nekonečne malá zmena entropie,

dQ je nekonečne malý prírastok tepla T je teplota deja

Entropia je mierou neusporiadanosti systému.

21.04.2023 1021.04.2023 1021.04.2023 10

Skupenské stavy látok

Závisia od T a p.

Tuhé skupenstvo–pevné spojenie častíc, priestorovo usporiadané,

kmitavý pohyb.

Kvapalné skupenstvo–dotyk častíc, zachovanie objemu, pohyb

častíc, rôzny tvar, izotropné a anizotropné prostredie, povrchové

napätie, viskozita, rozpúšťacia schopnosť....

Kvapalné súčasti organizmu–biologické tekutiny–plazma, lymfa,

mozgomiechový mok, kvapalné sekréty. Sú to roztoky.

Plynné skupenstvo – voľne pohybujúce sa molekuly, zanedbateľné

príťažlivé sily. Stavová rovnica plynov, Daltonov zákon, Henryho

zákon.

Plazmatický stav–plazma–vysoko ionizovaný plyn, elektricky

vodivá.

21.04.2023 1121.04.2023 1121.04.2023 11

Disperzné systémy

Dvojfázové systémy - disperzné prostredie v nadbytku a disperzný podiel. Podľa veľkosti častíc:- Analytické disperzie – do 1 nm, pravé roztoky, prechádzajú - cytoplazmatickou membránou, nesedimentujú, rýchlo difundujú.- Koloidné disperzie – 1-1000 nm, roztoky makromolekúl alebo miciel, neprechádzajú membránou, viditeľné elektrónovým mikroskopom, sedimentujú v ultracentrifuge, pomaly difundujú. Krvná plazma, roztok škrobu, koloidný roztok bielkovín. Majú elektricky náboj. - Hrubé disperzie – častice väčšie ako 1000 nm, neprechádzajú filtračným papierom, viditeľné optickým mikroskopom, sedimentujú v zemskej gravitácii, nedifundujú.

21.04.2023 1221.04.2023 12

21.04.2023 1321.04.2023 1321.04.2023 13

Koligatívne vlastnosti roztokov

Vlastnosti, ktoré závisia len od koncentrácie disperzného podielu.

Napr. – zníženie tenzie pár, zvýšenie bodu varu, zníženie bodu

mrazu, osmotický tlak. Sú určené na stanovenie molekulovej

hmotnosti rozpustenej látky.

Zníženie tlaku pár nad roztokom – Raoultov zákon :

dp/p = p-p´/p = n2/n1 +n2 n1 je počet mólov rozpúšťadla, n2 je počet

mólov rozpúšťaných látok, p je tenzia nasýtených pár nad rozpúšťadlom,

p´ je tenzia nasýtených pár nad roztokom

So znížením tenzie nasýtených pár súvisí zvýšenie bodu varu

roztoku - čím väčšia je koncentrácia rozpustenej látky v

rozpúšťadle, tým viac sa zvýši jeho bod varu:

dtv = E.cm E je ebulioskopická konštanta, cm je mólové teplo vyparovania

Pre zníženie bodu tuhnutia platí:

dtt = -K.cm K je kryoskopická konštanta, cm je skupenské teplo topenia

21.04.2023 1421.04.2023 1421.04.2023 14

Povrchové javy

Javy na rozhraní fáz sa týkajú povrchového napätia a adsorbcie.Povrchové napätie je sila, pôsobiaca na 1 meter dĺžky kvapaliny: = F/l N.m-1. Na molekuly povrchu pôsobia van der Waalsove sily.Povrchové napätie spôsobí, že sa kvapalina neroztečie, vytvorí sa kvapka s najmenším povrchom, ďalej spôsobuje kapilárne javy, eleváciu a depresiu, uplatňuje sa pri dýchaní.

Adsorpcia je schopnosť povrchovej vrstvy zvýšiť koncentráciu atómov alebo molekúl, látky tuhej ale aj kvapalnej. Adsorbent napr. živočíšne uhlie. Je funkciou teploty a tlaku.

Absorpcia je pohlcovanie v celom objeme.

21.04.2023 1521.04.2023 15

21.04.2023 1621.04.2023 1621.04.2023 16

Bunka je základná štruktúrna, funkčná a rozmnožovacia jednotka organizmu. Malý, membránou ohraničený systém, naplnený vodným roztokom chemických prvkov v rôznych zlúčeninách. Je to otvorený systém, vymieňajúci si s vonkajškom energiu, informácie a látkovú premenu.

Ďalšie deje prebiehajú na bunkovej membráne.

Ich najčastejšia veľkosť je 1-100 μm. Nervové bunky až 1 m, riketsie a mykoplazmy asi 100 nm.

Biofyzika bunky

21.04.2023 1721.04.2023 1721.04.2023 17

Štruktúra a funkcia bunky

Mikroskop, elektrónový mikroskop, röntgenová štruktúrna analýza, magnetická rezonancia, pozitrónová emisná tomografia – informácie o štruktúre a funkcii bunky.Základná štruktúra bunky – cytoplazma a bunková membránaČlovek z niekoľko biliónov buniek.Špecializácia buniek – súvis – z vykonávanou funkciou.Bunky určitého funkčného a štruktúrneho typu sa spájajú do tkanív, z ktorých sa vytvárajú jednotlivé orgány. Tvar – rozmanitýPrvky sa delia na:1) Základné – najviac zastúpené2) Hlavné – fyziologické procesy a látková výmena3) Stopové – ich nedostatok spôsobí patologické stavy až smrť

21.04.2023 1821.04.2023 18

21.04.2023 1921.04.2023 19

Tvary buniek v ľudskom tele

21.04.2023 2021.04.2023 2021.04.2023 20

Cytoplazma a jej chemické zloženieCytoplazma je základom vnútorného prostredia bunky. Obsahuje 70% vody, 15-20% bielkovín, 2-3% tukov a zvyšok tvoria nukleové kyseliny, uhľovodíky, nízkomolekulové organické látky, minerály a ióny.

Štruktúra a funkcia vody v cytoplazme

V jej spávaní niektoré anomálie: Najväčšia hustota pri 3,98°C. Molekula H2O má charakter dipólu. Má vysokú dielektrickú konštantu a schopnosť rozpúšťať polárne látky.Funkcie vody: - rozpúšťadlo organických a anorganických látok – tvorí disperzné prostredie – zúčastňuje sa na metabolizme – podieľa sa na termoregulácii – zúčastňuje sa na vytváraní osmotickej rovnováhy – účinkuje pri transporte látok cez bunkovú membránu.V bunke voľná voda – 95% celkového obsahu, funguje ako rozpúšťadlo a disperzné prostredie koloidného systému cytoplazmy a viazaná voda, ktorá sa zúčastňuje na vytváraní väzieb s polárnymi skupinami bielkovín.

21.04.2023 2121.04.2023 21

Štruktúra molekuly vody

21.04.2023 2221.04.2023 2221.04.2023 22

Vlastnosti cytoplazmy a jej štruktúra

Číra časť cytoplazmy je cytosól. V nej malé, veľké častice a organely rozmerov niekoľko nm (nanometrov) a μm (mikrónov). Bielkoviny cytoplazmy sú štruktúrne a globulárne.Bunková cytoplazma je bezfarebná a prepúšťa viditeľné svetlo. Obsahuje pigmenty. V polarizovanom svetle je cytoplazma izotropná. Je elastická, kontraktilná, rigidná, pohyblivá a primerane pevná.Viskozita cytoplazmy je vyššia v porovnaní s vodou. Je daná väzbami medzi časticami, z ktorých je zložená. Závisí od T a zloženia okolia buniek. K povrchu bunky je väčšia, a mení sa napr. pri bunkovom delení a fagocytóze.Cytoplazma je mierne kyslá pH (približne 6,8) a má veľkú pufrovaciu schopnosť.

21.04.2023 2321.04.2023 2321.04.2023 23

Funkcia bunkovej membrány

Úloha v živote bunky pri uskutočňovaní základných biologických a

fyziologických funkcii: - oddeľuje cytoplazmu - obaľuje organely –

zabezpečuje bunkový transport - genézu elektrických potenciálov

– dráždivosť a vzrušivosť - energetiku živých systémov – imunita –

rozmnožovanie a ďalšie.

Štruktúra bunkovej membrányMolekulová dvojvrstva lipidov (fosfolipidy a cholesterol) so zabudovanámi membránovými proteinmi (ektoproteíny a endoproteíny). Dobrú priepustnosť pre vodu a nej rozpustené zabezpečuje veľké množstvo pórov.Bunková membrána plní dve hlavné funkcie: - rozdeľovaciu – integrujúcu.Ich poruchy vyvolávajú ochorenia.

21.04.2023 2421.04.2023 24

Bunková membrána - supramolekulový útvar

21.04.2023 2521.04.2023 25

Model bunkovej membrány1-bielkovina, 2-dvojvrstva lipidov, 3-otvor, pór

21.04.2023 2621.04.2023 2621.04.2023 26

Transport cez bunkovú membránu

Ide o prenos živín, kyslíka do bunky a vylučovanie odpadu a CO2 z

bunky. Výsledkom transportu fyziologických iónov je rozdiel ich

koncentrácie vnútri a mimo bunky, čím sa generuje potenciálová

diferenciácia - pokojový a akčný potenciál. Poznanie transportov v

bunkách je dôležité pre aplikáciu liečiv do tkanív. Existuje pasívny

a aktívny transport.

Pasívny je prenos látok v smere elektrochemického gradientu, zo

stavu s vyššou energiou do stavu z nižšou energiou: osmóza a

difúzia.

Aktívny je prenos molekúl a iónov proti elektrochemickému

gradientu, na úkor energie metabolických procesov bunky: -

sodíkovo-draslíková pumpa a kalciová pumpa.

21.04.2023 2721.04.2023 27

Pasívny transport cez bielkovinové kanály • iónový kanál otváraný naviazaním ligandu• iónový kanál otváraný elektrický

21.04.2023 2821.04.2023 28

Model sodíkovo-draslíkovej pumpy, 1-vonkajšia strana, 2- vnútorná strana, 3-membrána

21.04.2023 2921.04.2023 29

Sodíkovo-draslíková pumpa

21.04.2023 3021.04.2023 3021.04.2023 30

Membránový a akčný potenciál

Elektrické prejavy membrány sú významné pri kódovaní a prenose informácii v nervom tkanive a spúšťaní svalovej kontrakcie.

Pokojový membránový potenciál sú veľké ióny v cytoplazme a nerovnomerne rozdelené fyziologické ióny (K, Na, Cl) na obidvoch stranách membrány. Akčný potenciál vzrušivých tkanív. Vzrušivosť je schopnosť membrán odpovedať na podnet, čo sa prejaví ich funkčnými zmenami a fyzikálno-chemickými procesmi napr. zmenou ich elektrického stavu. Táto potenciálová zmena je akčný, činnostný potenciál.AP – základný prvok kódovania a prenosu informácií v nervom systéme. V svale je AP prvý článok spustenia svalovej kontrakcie.

21.04.2023 3121.04.2023 31

Hladiny iónov v niektorých bunkách

21.04.2023 3221.04.2023 32

Druhy bunky Vm/mV/ Vk/mV/

Svalová bunka cicavcov -80 -92

Svalová bunka žaby -85 -93

Svalová bunka raka -77 -84

Nervové vlákno /Loligo/ -61 -81

Nervové vlákno /Squid/ -76 -86

Srdcový sval psa -90 -110

Pokojový membránový potenciál a rovnovážny potenciál draslíkových iónov

21.04.2023 3321.04.2023 33

Pemeabilita membrány pre draslíkové a sodíkové ióny

21.04.2023 3421.04.2023 34

Priebeh AP v nervovom vlákne

21.04.2023 3521.04.2023 3521.04.2023 35

Šírenie akčného potenciálu

AP vzniká v mieste podráždenia, šíri sa po membráne nervového a svalového vlákna na miesto určenia. Spôsob šírenia:- Mechanizmom tzv. lokálnych prúdov – rozdiel potenciálov medzi podráždeným a nepodráždeným miestom. Lokálny prúd vyvolá vznik AP na susednom mieste membrány. Proces sa opakuje. - Skokom – v myelizovaných nervových vláknach, myelín nevedie elektrický prúd, vzruch sa šíry skokom od jedného Ranvierovho zárezu k ďalšiemu.

- Synaptický prenos – medzi nervovými a medzi nervovými a svalovými, synapsa je funkčné spojenie pomocou chemických mediátorov.

21.04.2023 3621.04.2023 36

Schéma šírenia vzruchu cez synapsu

21.04.2023 3721.04.2023 3721.04.2023 37

Biofyzika tkanív a orgánov

Biomechanika kostí – aplikácia zákonov mechaniky v biológii a medicíne. Skúma vlastnosti a dynamiku kostného skeletu, kĺbových spojení a vhodnosť aplikácii náhrad. Skelet a kĺby pripomínajú sústavu pák v gravitačnom poli, pôsobení vonkajších síl a svalov. Biomechanika svalovej kontrakcie – svaly sú hybný systém človeka. Výsledkom svalovej kontrakcie je práca. Kostrový sval je zložený z vlákienok. Myofibrily sú zložené z tenších aktínových a hrubších myozínových vlákienok. Spúšťačom kontrakcie je AP, ktorý uvoľní Ca+2 ióny zo sarkoplazmatického retikula do svalovej bunky. Uvoľnenie nastane po znížení koncentrácie Ca+2 v bunke. Sval odpovedá pohybom alebo ťahovou silou – izometrická akcia (l je konšt.) vzniká pri fixovaných šľachách – izotonická akcia (napätie je konšt.), sval mení dĺžku. Myogram je časový záznam potenciálov svalov.

21.04.2023 3821.04.2023 38

Svalové vlákno – schéma usporiadania kontraktilných elementov, A–anizotropné pásmo, I–izotropné pásmo, Z–disk

21.04.2023 3921.04.2023 3921.04.2023 39

Biofyzika krvného obehu

Krvný obeh je polouzavretý systém tvorený srdcom, cievami a krvou. Srdce je zdrojom mechanickej energie, cievy tvoria rozvodný systém a krv je pohyblivá a nestlačiteľná zložka.Hlavná funkcia je privádzať tkanivám O2 a výživné látky a odvádzať z nich produkty látkovej premeny a CO2.Práca srdca – srdce pracuje ako tlakové čerpadlo. Kontrakciou dutého srdcového svalu vzniká tlak, ktorý vháňa objem krvi do ciev. Srdce vykoná statickú prácu: Wp = p.V Krv získa rýchlosť a vykonáva kinetickú prácu: Wk = 1/2mv2

Mechanická práca W = Wp + Wk a pri jednej systole je 1,13 J.Prúdenie krvi sa riadi rovnicou kontinuity: S1v1 = S2v2

Bernoulliho ronicou: 1/2mv12 + p1.V = 1/2mv2

2 + p2.V Krv prúdi následkom tlakových rozdielov vznikajúcich W srdca. pN = 16kPa/10,5kPa. Krv prúdi laminárne alebo turbulentne.

21.04.2023 4021.04.2023 40

Zloženie srdca

21.04.2023 4121.04.2023 4121.04.2023 41

Biofyzika dýchania

Vonkajšie a vnútorné dýchanie. 4 hlavné časti dýchania:

pulmonálna ventilácia, difúzia plynov, transport plynov,

regulácia dýchania.

Fyzikálne zákony dýchania: Zmes 78%N, 21%O, 1%CO2,

vodné pary a vzácne plyny. Stavová rovnica, Daltonov zákon

– určuje parciálny tlak kyslíka, Henryho zákon – sa týka

rozpustnosti plynov v krvnej plazme a Fickove zákony.

Mechanika dýchania a dychové objemy. Výmena plynov v

pľúcnych alveolach. Inspírium – aktívny proces a expírium –

pasívny proces.

Dychové objemy podľa hĺbky dýchania: - dychový objem

(DO = 0,5 l), - inspiračný objem (IRO = 2,5 až 3 l), - expiračný objem (ERO = 1 l), - reziduálny objem (RO = 1,5 l).

21.04.2023 4221.04.2023 4221.04.2023 42

Frekvencia dýchania, rýchlosť a objemy registrujeme spirometrom a pneumotachogramom. Frekvencia je počet nádychov (výdychov) za minútu.Minútový objem dýchania je objem vzduchu, ktorý sa za minútu vdýchne a vydýchne.

Vznik ľudského hlasu

Hlas vzniká v hrtane a súvisí s dýchaním. Vytvára ho kmitajúci vzduchový stĺpec v rezonančných dutinách nad hlasivkami. Výška hlasu závisí od dĺžky hlasivkových väzov a farba hlasu od veľkosti a tvaru rezonančných dutín (hrtan, ústna, nosová a prínosové dutiny). Sila hlasu závisí od tlaku vydychovaného vzduchu. Akustické prvky ľudskej reči sú samohlásky a spoluhlásky.

21.04.2023 4321.04.2023 4321.04.2023 43

Pasívne elektrické vlastnosti tkanívTkanivá sú vodiče II. rádu – elektrolytické pomocou iónov alebo iných nabitých koloidných častíc. Vodivosť tkanív závisí od elektrického prúdu (I) a druhu tkaniva (jeho štruktúry). Tkanivo je paralelne zapojený elektrický obvod odporu R a kapacity C.

Aktívne elektrické vlastnosti tkanívPrejavom vzrušivého tkaniva sú AP. AP orgánov sú integrálom činnostných potenciálov buniek. Ich snímanie sa využíva v diagnostike.

ElektrokardiografiaSrdce má vlákna špecializované na prácu a na vedenie AP (Purkyňové vlákna). Srce si sa generuje AP v generátore (sinoatrálny uzol). AP trvá viac ako 200 ms. AP možno snímať s povrchu tela – elektrokardiogram (EKG).

21.04.2023 4421.04.2023 44

Tkanivo Merný odpor /Ω.m/

Cytoplazma bunky 1

Telové tekutiny 0,8-1,3

Svaly 3

Parenchymatózne tkanivo 4-6

Tukové tkanivo 10-15

Kostné tkanivo 30

Merný odpor tkanív

21.04.2023 4521.04.2023 45

RC obvod tkanivaR-odpor tkaniva, C kapacita tkaniva

21.04.2023 4621.04.2023 46

Jednoduchá elektrokardiografická krivka

21.04.2023 4721.04.2023 47

Elektrokardiografické vyšetrenie

21.04.2023 4821.04.2023 4821.04.2023 48

Elektroencefalografia

Snímanie AP z CNS hlavne z mozgu. Obraz sa zaznamená elektródami na povrchu hlavy (EEG), alebo priamo z povrchu mozgu (ECOG).

Elektroretinografia (ERG) – snímanie AP zo sietnice oka, elektrogastrografia (EGG) – snímanie AP žalúdkovej steny, elektromyografia (EMG) – zo svalov.Majú diagnostický význam.

Magnetické signály tkanív

Snímanie a registrácia biomagnetických prejavov (magnetických polí) srdca, svalov a mozgu.

21.04.2023 4921.04.2023 4921.04.2023 49

Biofyzika vnímania

Zmyslové vnímanie je príjem a uvedomovanie si informácií z

vonkajšieho a vnútorného prostredia organizmu, prostredníctvom

receptorov.

Receptory: fotoreceptory, chemoreceptory, mechanoreceptory,

termoreceptory a ďalšie. R sú to meniče energie, na elektrický

signál – receptorový potenciál. AP ide senzitívnym nervom do

CNS, kde sa analyzuje a človek získa informácie.

Vzťah podnetu a vnemuIntenzita vnemu sa zvyšuje intenzitou podnetu. Čím je priemer

nervového vlákna väčší, tým je aj rýchlosť šírenia vyššia.

21.04.2023 5021.04.2023 5021.04.2023 50

Vnímanie chuti a čuchu

Chuť a čuch majú podobný mechanizmus vzniku podráždenia. Na recepciu čuchu je čuchový epitel. Čuchové receptory sa rýchlo adaptujú, až zmiznú činnostné potenciály.Chemoreceptory chuti – chuťové poháriky v sliznici jazyka. Chuťové vnemy závisia od podráždenia čuchu.

Vnímanie zvukuProces zachytenia, prenos a spracovanie zvukového signálu v sluchových analyzátoroch.Zvuk je mechanické kmitanie prostredia s kmitočtom 16-20000Hz. Rýchlosť závisí od vlastnosti prostredia.Človek vníma zvuk pomocou sluchového orgánu. Vlastným akustickým receptorovým systémom je Cortiho orgán vo vnútornom uchu.Úlohou vestibulárného systému je vnímanie polohy, pohybu a zrýchlenia.

21.04.2023 5121.04.2023 51

Umiestnenie čuchových receptorov

21.04.2023 5221.04.2023 52

Látka Rýchlosť zvuku [m/s]

Vzduch (13,4 °C)Voda (25 °C)OrtuťBetonĽadOceľSklo

3401 5001 4001 7003 2005 0005 200

Rýchlosť šírenia zvuku

21.04.2023 5321.04.2023 53

Druh zvuku Hlasitosť /Ph/ Intenzita /W.m-2 /

Prah počutia 0 10-12

Šum lístia, šepot 10-20 10-11 – 10-10

Tichá hudba 40 10-8

Rozhovor 50-60 10-7 – 10-6

Pouličný hluk 60-70 10-6 – 10-5

Pneumatické kladivo 100 10-2

Dýzový motor 120 1

Hlasitosť zdrojov zvuku

21.04.2023 5421.04.2023 54

Sluchové pole

21.04.2023 5521.04.2023 55

Stavba ucha

21.04.2023 5621.04.2023 5621.04.2023 56

Zrakový analyzátor

Príjem a spracovanie informácií v zrakovom centre je výsledkom dopadu fotónov svetla na receptory v oku.Svetlo je elekromagnetické vlnenie s λ = 400-780 nm. Má vlnovo-časticový charakter.Oko vytvára obraz predmetu a mení energiu fotónov. Optická mohutnosť oka je 60D (dioptria). Zmena optickej mohutnosti je akomodácia. Obraz na sietnici a bodovo je oko emetropické. V opačnom prípade ametropické. Pred sietnicou – krátkozrakosť (myopia). Za – ďalekozrakosť (hypermetropia). Predmet zobrazený nie bodovo –astigmatizmus.Sietnica – na ne fotoreceptory. Obraz prevrátený, zmenšený. Bioelektrická aktivita sietnice je výsledok fotochemických reakcií. Sleduje ich ERG.

21.04.2023 5721.04.2023 57

Stavba oka

21.04.2023 5821.04.2023 58

Krátkozrakosť a ďalekozrakosť a korekcia okuliarmia) pred korekciou, b) po korekcii

21.04.2023 5921.04.2023 5921.04.2023 59

Ekologická biofyzika

Životné prostredie, prostredie kde žijeme, výsledkom jeho narušenia je zvýšený počet ochorení. Výsledkom interakcií organizmu s prostredím je: - reakcia, - poškodenie, -adaptácia.Fyzikálne podnety: -mechanické faktory, - elektrcké a magnetické polia, - teplo a meteorologické faktory, - zvuk, ultrazvuk a infrazvuk, - neionizujúce žiarenie, - ionizujúce žiarenie.Účinok závisí od: - druhu podnetu, - intenzity, - trvania podnetu, - miesta pôsobenia, - reaktivity organizmu.Fyzikála terapia je pôsobenie priaznivých podnetov pri liečbe, prejaví sa vyšším prekrvením, zlepšenou regulačnou schopnosťou a obnovením narušených biologických funkcií.

21.04.2023 6021.04.2023 6021.04.2023 60

Účinky mechanických síl (geobiofyzika)Gravitačné zrýchlenie: - preťaženie kladné, - preťaženie záporné

Účinky podtlaku a pretlaku (barobiofyzika)

Atmosféricky tlak pôsobí stále na organizmus. Vysoké nadmorské výšky: - brachykardia, - tachykardia, horská choroba.Počas tretieho týždňa vysokohorského pobytu – aklimatizácia. Zmena intermediárneho metabolizmu – zvýšenie výkonnosti pri nízkej spotreba O – liečenie chorôb respiračného systému. Podtlakové komory – tlak vzduchu znížený o 20-40 kPa.Pri potapaní – kesónová choroba.Pretlak sa využíva v pretlakových komorách (barokomorach), kde je 26,7-53,3 kPa. Terapia hypoxických stavov a pľúcneho emfyzému.Hyperbarická oxygenoterapia sa využíva pri otravách CO, kyanidmi, popaleninách a polytraumách.

21.04.2023 6121.04.2023 6121.04.2023 61

Účinky elektrických a magnetických polí

Tkanivá sú komplikované vodiče I. Tkanivo je elektrická impedancia s vodivosťou, kapacitou a indukčnosťou. Priaznivé účinky I sa využívajú ako elektroliečba.Účinky jednosmerného I – preteká tkanivo elektrolyticky, pohybom iónov. Nemá dráždivé účinky, má tepelné účinky. Galvanoterapia – liečba jednosmerným I: - galvanizácia (liečba chronických ochorení, poúrazových stavov, porúch prekrvenia, spazmov svalstva a iných) a – ionoforéza (aplikácia liečiva, ktorých molekula má na povrchu elektrický náboj).

Účinky striedavého nízkofrekvenčného I – má predovšetkým dráždivé účinky – rozcvičovanie svalstva, defibriláciu a stimuláciu.Impulzoterapia – liečebná aplikácia nízkofrekvenčných I: - rozcvičovanie svalov, - stimulovanie hladkého svalstva, - elektrostimuláciu totálne denervovaných svalov a - diagnostiku.

21.04.2023 6221.04.2023 62

Ionoforéza

21.04.2023 6321.04.2023 63

Hoowergova a Weissova krivka, I-intenzita prúdového impulzu, t-trvanie impulzu.

21.04.2023 6421.04.2023 64

Fyziologické účinky striedavého prúdu (60Hz), prechádzajúceho cez kožu (neporušenú) do tela

1 mA prah pocitu

5 mA bezpečný prúd cez kožu, ale nie cez implantovaný stimulátor srdca

10 20 mA začína svalová kontrakcia

50 mA bolesť, možnosť porúch srdca a dýchania

100 300 mA

fibrilácia komôr (srdce prestáva pracovať ako pumpa)

6 A trvalá kontrakcia srdcových komôr, popáleniny na koži

21.04.2023 6521.04.2023 6521.04.2023 65

Účinky striedavého vysofrekvenčného prúdu–majú frekvenciu vyššiu ako 1 MHz, a majú najmä tepelný účinok.Diatermia – hĺbkový tepelný vplyv.Úrazy I: - pri prechode I s vyššou intenzitou. Najcitlivejšie tkanivá sú mozgové, respiračné svaly hrudníka, nervové centrá a srdce.

Účinky magnetických polí – biologické sú výsledkom pôsobenia na receptory, ovplyvňujú reakcie radikálov a výmenu iónov (Ca+2), vyvolávajú vazodilatáciu, analgéziu, podporujú hojenie a myorelaxáciu.Magnetoterapia – liečba poúrazových stavov, podpora vhojenia endoprotéz, urýchlenie hojenia zlomenín, hovenia mäkkých tkanív, pri chronických zápaloch, ochoreniach pohybového systému, bolestiach chrbtice, reumatizme, obrne nervov a...Nevhodná pre tehotné ženy, osoby s anémiou, s implantovaným elektronickým zariadením, u pacientov s aktívnou TBC, s poruchami funkcie endokrinných žliaz, nádorovými ochoreniami a psychózami.

21.04.2023 6621.04.2023 66

Diatermia

21.04.2023 6721.04.2023 67

Magnetoterapia

21.04.2023 6821.04.2023 6821.04.2023 68

Účinky teplaQ – forma energie, úhrnná kinetická energia neusporiadaného pohybu molekúl látky. Čím vyššia je Ek tým vyššia je t. Pri absolútnej nule t = - 273,15°C sa látky nepohybujú.

Telesná teplota – človek si udržiava konštantnú t tela –rovnováha medzi tvorbou a výdajom Q termoreguláciou v hypotalame –36,5°C.

Mechanizmus tvorby a prenosu tepla. Teplo sa tvorí metabolizmom vo svalstve, pečeni a ostatných orgánoch. Teplo z okolia. Strata tepla kondukciou, konvekciou, radiáciou a evaporáciou. Reakcia na teplo závisí od intenzity a formy tepelného podnetu a od reaktivity organizmu. Termoterapia celková a lokálna využíva priaznivé účinky tepla.

Účinky počasia a klímy skúma bioklimatológia: - humánna, -zoologická, - botanická, - kozmická.

21.04.2023 6921.04.2023 69

Rozsah termoregulácie človeka a poruchy

21.04.2023 7021.04.2023 70

Termoterapia

21.04.2023 7121.04.2023 7121.04.2023 71

Účinky zvuku, ultrazvuku a infrazvukuNežiaduci zvuk rôznych frekvencií a intenzít sa nazýva hluk. Akustický tresk je tlaková vlna.

Účinky ultrazvuku. Ultrazvuk má frekvenciu = 20000 Hz. V medicíne sa používa na terapiu a diagnostiku. Používa sa aj na meranie rýchlosti prietoku krvi.Nadmerná intenzita dráždi a poškodzuje tkanivo.

Účinky neionizujúceho žiareniaNŽ – viditeľné svetlo, UV, IR a mikrovlny. VS – fotosyntéza, videnie, fyziologické účinky. Prevencia, doplnková liečba TBC, rekonvaleciacia a helioterapia kožných ochorení. Úpal a prehriatie.Laserové žiarenie sú opakované impulzy úzkeho zväzku monochromatického žiarenia od IR, VS, UV po RTG. Laser – kvantový generátor.

21.04.2023 7221.04.2023 72

Dopplerov jav, zdroj vlnenia a) v kľude, b) v pohybe

21.04.2023 7321.04.2023 73

Ošetrenie kožných lézií laserom

21.04.2023 7421.04.2023 74

Elektromagmetické žiarenie

21.04.2023 7521.04.2023 7521.04.2023 75

Účinky IR - IR tvorí dlhovlnná časť optického spektra. Má tepelný efekt a analgetický, spazmolytický a stimulačný účinok na imunologické reakcie.Účinky UV - Má výrazne biologické (denaturácia bielkovín, zmeny DNA, vznik mutácii, ccromozomových a morfologických zmie) a fotochemické účinky. Účinky mikrovlnného žiarenia - Šírenie rozhlasového a televízneho signálu, v rádiotelegrafii a bezdrôtovom spojení. V

tkanivách vznik tepla. Biologické rytmy - Oscilácie procesov organizmu v čase patria medzi prejavy organizmu. Sú dedičné podľa teórie biologických hodín. 24 hodinový cyklus je základný biorytmus, pri ňom sa mení vyše 300 funkcií a procesov. Prelety cez časové pásma ovplyvňujú biorytmy. Starnutie – rozladenie a vymiznutie biorytmov. Klinický význam – vznik choroby.

21.04.2023 7621.04.2023 7621.04.2023 76

Biofyzika ionizujúceho žiarenia

Rádiačná biofyzika sa zaoberá účinkami IŽ na biologické systémy. Prirodzené a umelé rádioizotopy, ktorých jadro je nestabilné. Samovoľný rozpad jadier je rádioaktivita a riadi sa fyzikálnymi zákonmi. Základný zákon rozpadu: - počet rádioaktívnych častíc klesá v závislosti od času a rýchlosti rozpadu.Druhy rozpadu - rozpad α (vznik častice α), - rozpad β (počet nukleónov je zachovaný), - γ (emisia elektromagnetického žiarenia) Podľa ionizácie – priamo ionizujúci s nábojom – e-, p+, α, a - nepriamo ionizujúce bez náboja – elektromagnetické žiarenie, neutróny, RTG, γ.IŽ je charakterizované energiou v elektrónvoltoch (eV).Prírodné a umelé zdroje IŽ. Priemerné dávky týchto zdrojov sú 2,5mSv – 3,5mSv. Radón spôsobuje polovicu radiačnej zaťaženosti obyvateľstva.

21.04.2023 7721.04.2023 77

Rozpadový zákon a) lineárny súradnicový systém, b) semilogaritmický systém

21.04.2023 7821.04.2023 78

Zdroje IŽ v životnom prostredí

21.04.2023 7921.04.2023 7921.04.2023 79

Interakcia ionizujúceho žiarenia

Interakcia medzi žiarením a absorpčným prostredím: - excitácia, ionizácia, vznik brzdného žiarenia, rozptyl, fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrón-pozitrónových párov a jadrové reakcie.α – strácajú energiu postupne s dĺžkou dráhy, ionizáciou (odtrhnutie e-) a excitáciou (vzbudenie e-). Dolet vo vzduchu je do 10 cm, vo vode a biologickom tkanive 0,1 mm.β – častice majú 10x slabšie ionizačné schopnosti ako α. Naráža na atómy prostredia a mení dráhu,ktorá je v tkanive 4x dĺhšia ako pri α. Vo vzduchu je niekoľko metrov.λ – nejprenikavejšie, vo vzduchu niekoľko 100 m. Tri spôsoby interakcie: fotoefekt, Comptonov rozptyl, tvorba elektrón-pozitrónových párov.Neutróny bez náboja, interakcie s jadrom atómu.

21.04.2023 8021.04.2023 80

Fotoefekt Comptonov rozptyl

Tvorba elektrón- pozitronových párov

21.04.2023 8121.04.2023 8121.04.2023 81

Detekcia a dozimetria ionizujúceho žiarenia

Nemáme receptory na vnímanie IŽ.Detektory podľa spôsobu registrácie IŽ: - pulzné a – integrálnePodľa účinku IŽ: -ionizačné, - scintilačné, - fotografické, - polovodičové, - tepelné, - chemické.

Biologické účinky IŽ

Procesy začínajú absorpciou energie IŽ. Radiobiologický efekt zložený z fyzikálnych, fyzikálnochemických, chemických a biologických dejov.

Ochrana pred IŽ

Cieľom je zabrániť radiačnému poškodeniu organizmu. Ochrana má fyzikálny, chemický alebo biologický charakter.

21.04.2023 8221.04.2023 82

Gaiger-Müllerov počítač, A-katóda, A-anóda, R-pracovný odpor

Scintilačný počítač, Kr-scintilátor, Fk-fotokatóda, D-dynódy, A-anóda

21.04.2023 8321.04.2023 83

Senzitomerická charakteristika, S-sčernanie, D-dávka žiarenia1-úsek linearity, 2-úsek nelinearity, 3-úsek desolarizácie

21.04.2023 8421.04.2023 84

Somatické Genetické

Včasné Neskoré

Akútna choroba z ožiarenia

Akútne poškodeniekože

Poruchy plodnosti

Poškodenie vývinu Plodu

Chronický útlmkrvotvorby

Chronický zápalkože

Zákal očnejšošovky

Nádorové ochoreniarôznych orgánovLeukémia

Genetickénásledkyu potomkov

Nestochastické Stochastické

Biologické účinky ionizujúceho žiarenia

21.04.2023 8521.04.2023 8521.04.2023 85

Medzinárodná sústava jednotiek SI zavedená 1.1.1980

SI: - základné jednotky, - doplnkové jednotky, -odvodené jednotky, - násobky a diely jednotiek SI.Prehľad skupín jednotiek:

Veličina Jednotka Značka

DĺžkaHmotnosťČasElektrický prúdTermodynamická teplotaLátkové množstvoSvietivosť

meterkilogramsekundaampérkelvinmolkandela

mkgsAKmolcd

21.04.2023 8621.04.2023 86

Predpona Značka Faktor

Predpony násobkov jednotiek

exa- peta- tetra- giga- mega- kilo- hekto- deka-

E P T G M K H da

1018

1015

1012

109

106

103

102

101

Predpony dielov jednotiek

deci- centi- mili- mikro- nano- piko- femto- atto-

d c m µ n p f a

10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

10-18

21.04.2023 8721.04.2023 87

Názov Symbol, Hodnota Jednotka

Atómová hmotnostná jednotka u = 1,66057. 10-27

kg

Avogradova konštanta Na = 6,02252. 1023

mol-1

Boltzmannova konštanta k = 1,38054. 10-23

J. K-1

Diracova konštanta h = 1,0545. 10-34

J. s

Elementárny náboj e = 1,6021. 10-19

A. s

Faradayova konštanta F = 9,6487. 104

A. s. mol-1

Gravitačná konštanta κ = 6,67. 10-11

m. N. kg-1

Normálne tiažové zrýchlenie gn = 9,80665 m. s-2

Molový objem ideálneho plynu Vm= 22,4136. 10-3

m3

. mol-1

Permeabilita vákua μo = 1,256637. 10-6

H. m-1

Permitivita vákua ε0 = 8,85419. 10-12

F. m-1

Planckova konštanta h = 6,6256. 10-34

J. s

Plynová konštanta R = 8,3143 J. K-1

. mol-1

Pokojová hmotnosť elektrónu m e = 9,109558. 10-31

kg

Pokojová hmotnosť neutrónu mn = 1,67482. 10-27

kg

Pokojová hmotnosť protónu mp = 1,67252. 10-27

kg

Rýchlosť svetla vo vákuu c = 2,997925. 108

m. s-1

Stefanova-Boltzmannova konštanta σ = 5,6697. 10-8

W. m-2

. K-4