I.3.3. Noţiuni de biomecanicăa. Manifestările mecanice ale contracţiei musculare.Tipuri de contracţii.Muşchiul dezvoltă o forţă de contracţie egală şi de sens contrar forţei căreia i se opune. In funcţie de mărimea acestei forţe muşchiul se poate scurta, alungi sau poate păstra aceeaşi lungime.Contracţie izotonică - muşchiul se contractă contra unei forţe exterioare constante (ridicarea uneigreutăţi). Contracţie neizotonică - forţa variază ca mărime - intinderea unui resort.Contracţie izometrică - contracţie in care lungimea muşchiului nu se modifică, dar tensiunea in el creşte. Forţa dezvoltată este egală cu cea care trebuie invinsă (contracţia posturală sau pentru susţinerea unui obiect). Muşchiul nu efectuează lucru mecanic.Contracţia tetanică - Prin stimulare cu un impuls unic muşchiul se contractă sub forma unei secuse unice (intervalul intre stimuli trebuie să fie mai lung decat timpul necesar contracţiei şi relaxării); la stimulare repetitivă cu o anumită frecvenţă, peste o limită dată, contracţiile individuale fuzionează intr-o contracţie unică - contracţie tetanică (fig.) Frecvenţa depinde de tipul de muşchi (mai mare la muşchii rapizi)(musculatura oculară 350 stimuli/secundă, muşchi solear 30).Alungirea muşchiului - dacă forţa exterioară este mai mare decat valoarea maximă a forţei pe care o poate dezvolta muşchiul, acesta se alungeşte cu toate că se contractă activ.Atat in repaus, cat şi in contracţie, muşchiul degajă căldură. Căldură disipată de muşchi este :- căldura de repaus;- căldura de contracţie, care la randul ei este căldura de menţinere a forţei de contracţie şi- căldura de scurtare (proporţională cu gradul scurtării);- căldura de relaxare, care se produce imediat după incetarea stimulării;- căldura de restabilire, care se produce in urma reacţiilor chimice de regenerare a ATP

b. Echilibrul corpului in poziţie verticalăIn această poziţie, corpul uman este in echilibru stabil, iar verticala CG trece prin interiorul unuipoligon convex de sprijin care in condiţiile pierderii echilibrului işi măreşte suprafaţa prin indepărtarea picioarelor.Condiţiile de echilibru al intregului corp cuprind şi echilibrul capului, trunchiului şi membrelor inferioareCapul- rezemat pe condilii primei vertebre, atlasul- verticala CG (b in Fig. 3) trece cu puţin anterior de articulaţia occipito-atlantoidă, adică in faţa liniei transversale care uneşte cei doi condili, fapt pentru care capul nu se menţine in echilibru fără efort (observaţi un om care doarme, capul său se apleacă inainte); in stare de veghe insă, muşchii cefei, in uşoară contracţie statică, opresc capul de a cădea inainte.Prin urmare, echilibrul craniului este asigurat de muşchii cefei, care produc un moment de rotaţie pd, avand rolul de a anula efectul greutăţii capului. Diferitele vertebre işi menţin poziţia una deasupra celeilalte in acelaşi mod ca şi capul. Pentru regiunea cervicală şi dorsală, intervin muşchii spatelui, in timp ce in regiunea lombară unde verticala CG trece prin spatele vertebrelor, momentul compensator pentru menţinerea echilibrului este format de muşchii abdomenului.Trunchiul

- stă in echilibru pe picioare, rezemat pe capetele celor două femururi;- verticala CG trece prin spatele axei imaginare orizontale care uneşte articulaţiile coxofemurale, momentul compensator fiind realizat de ligamentul lui Bertin, muşchiul psoasiliac şi tensorul fasciei late, care, sprijinindu-se pe coapsă, trag bazinul inainte.Echilibrul coapselor pe tibie- condilii femurului se sprijină pe tibie, iar verticala CG trece la nivelul genunchiului prin faţa axei transversale articulare;- gemenii şi ligamentele genunchiului asigură echilibrul;

- genunchii sunt menţinuţi in extensie prin acţiunea gravitaţiei, in limita permisă de distensia ligamentelor articulare.

Echilibrul gambei pe picior- verticala CG al intregului corp trece prin faţa articulaţiei tibio-tarsiene- acesta este menţinut de tricepsul sural, care in ortostatism se află in stare de contracţie permanentă;- pentru menţinerea echilibrului corpului in poziţie verticală, intervin mai activ muşchii gambeic. Poziţii anormale ale corpului uman- poziţa momentană datorată purtării unei greutăţi – verticala CG se deplasează, şi, ca urmare, omul trebuie să işi schimbe poziţia pană ce această verticală trece din nou prin poligonul de sprijin;- atitudini patologice datorate flexiei sau extensiei anormale a diferitelor segmente;- poziţii vicioase datorate modificărilor scheletului, care rezistă foarte bine la un efort de scurtă durată, dar nu şi la cele mai indelungate şi se deformează sub influenţa contracţiilor musculare anormale de lungă durată;Exemple:1. La un om care are un picior mai scurt, menţinerea echilibrului cere aplecarea trunchiului lateral către piciorul mai scurt, consecinţa acestei aplecări repetate fiind apariţia scoliozei , care este o deformare a coloanei vertebrale a cărei convexitate este indreptată spre partea piciorului mai scurt;2. In anumite condiţii, la adolescenţi mai ales, poate apărea o exagerare a curburii dorsale numită cifoză pentru a cărei compensare se produce o amplificare a curburii lombare cu convexitatea anterioară, numită lordoză3. Piciorul plat reprezintă tot o consecinţă a poziţiei verticale vicioase. Apare datorită discordanţei dintre apăsarea puternică şi continuă a corpului celui care stă mult timp in picioare şi este supraincărcat cu greutăţi şi rezistenţa oaselor şi a ligamentelor (in multe cazuri este vorba despre o boală profesională care apare la persoanele care lucrează mult timp in picioare).d. Elemente de hemodinamicăHemodinamica are ca obiect studiul fenomenelor fizice ale circulaţiei (mecanica inimii şi hidrodinamica curgerii sangelui prin vase elastice), aparatele, modelele precum şi dispozitivele experimentale folosite pentru acest studiu. Studiul circulaţiei sanguine foloseşte modele mecanice datorită numeroaselor analogii care există intre funcţionarea inimii şi cea a unei pompe, intre artere şi tuburile elastice etc.Inima este un organ cavitar musculos care pompează sange (lichid nenewtonian pseudoplastic) in tot organismul prin contracţii ritmice (datorită ciclului cardiac) in vasele de sange de diameter diferite, avand pereţi nerigizi şi parţial elastici. Inima are aproximativ 60-100 bătăi /minut, şi aproximativ 100.000 bătăi/zi. Bătăile inimii sunt accelerate de activitatea musculară şi de temperatura mai ridicată a corpului.Rolul de pompă al inimii

Rolul principal al inimii constă in expulzarea sangelui in circulaţie, prin inchiderea şi deschiderea in mod pasiv a valvulelor care au rol de supapă. Inima este constituită din două pompe, conectate prin circulaţiile pulmonară şi sistemică:- pompa dreaptă care are rolul de a pompa spre plămani sangele dezoxigenat colectat din organism (circulaţia pulmonară)- pompa stângă colectează sangele oxigenat din plămani şi il pompează in corp (circulaţia sistemică)Fiecare parte a inimii este echipată cu două seturi de valvule care, in mod normal, impugn deplasarea sangelui intr-un singur sens, cele două pompe ale inimii avand fiecare cate două camere:-atriul este un rezervor care colectează sangele adus de vene şi ventriculul care pompează sangele in artere. Septul este peretele care desparte atat atriile cat şi ventriculele şi care impiedică trecereasangelui dintr-un atriu/ventricul in celălalt. Etanşeitatea pompelor este determinată de musculatura cardiacă.Mişcarea valvulelor este reglată de diferenţa de presiune dintre atrii, ventricule şi vase sanguine, ele impiedicand sangele să curgă in direcţie greşită. Musculatura cardiacă asigură atat variaţia volumului inimii şi presiunii sangelui precum şi energia necesară funcţionării prin procesele biofizice şi chimio-mecanice din miocardFazele ciclului cardiacActivitatea de pompă a inimii se poate aprecia cu ajutorul debitului cardiac, care reprezintă volumul de sange expulzat de fiecare ventricul intr-un minut. El este egal cu volumul de sange pompat de un ventricul la fiecare bătaie (volum-bătaie), inmulţit cu frecvenţa cardiacă. Volumul bătaie al fiecărui ventricul este, in medie, de 70 ml, iar frecvenţa cardiacă normală este de 70-75 bătăi/min.; astfel, debitul cardiac de repaus este de aproximativ 5 l /min. Inima trebuie să pună in mişcare in fiecare minut, in medie 4 l in repaus, iar in timpul exerciţiilor fizice, pană la 20 l. In somn, debitul cardiac scade, iar in stări febrile, sarcină şi la altitudine, creşte.Fiecare bătaie a inimii constă intr-o anumită succesiune de evenimente, care reprezintă ciclul cardiac. Acesta cuprinde 3 faze:- sistola atrială constă in contracţia celor două atrii, urmată de influxul sanguin in ventricule.Cand atriile sunt complet golite, valvulele atrioventriculare se inchid, impiedicand intoarcerea sangelui in atrii.- sistola ventriculară constă in contracţia ventriculelor şi ejecţia din ventricule a sangelui, care intră astfel in sistemul circulator. Cand ventriculele sunt complet golite, valvula pulmonară şi cea aortică se inchid.- diastola constă in relaxarea atriilor şi ventriculelor, urmată de reumplerea atriilor. Inchiderea valvulelor atrioventriculare şi a celor aortice produce sunetele specifice bătăilor inimii şi pot fi ascultate cu ajutorul stetoscopuluiFazele ciclului cardiac, din punct de vedere mecanic, cu referire la ventriculul stâng sunt: umplerea (diastolă ventriculară), contracţia atrială, contracţia izovolumică sau izometrică, ejecţia şi relaxarea izovolumică (izometrică).Umplerea corespunde diastolei ventriculare care durează 0,50s. Datorită relaxării miocardului, presiunea intracavitară scade rapid pană la caţiva mmHg. In momentul in care devine mai mica decat presiunea atrială, se deschide valvula mitrală ducand la scurgerea sangelui din atriu. Relaxarea continuă a miocardului, permite scăderea in continuare a presiunii, generand umplerea rapidă a ventriculului, urmat de un aflux mai lent, datorită scăderii diferenţei de presiune.

Contracţia atrială este faza in timpul căreia se umple complet ventriculul. In timpul acestor faze, valvula sigmoidă este inchisă, iar presiunea aortică este mai mare decat cea ventriculară.In timpul contracţiei izovolumice (la volum constant), ambele valvule sunt inchise, ventriculul contractandu-se ca o cavitate inchisă, asupra unui lichid incompresibil, fapt care duce la o creştere foarte rapidă a presiunii intracavitare. Deoarece musculatura se contractă, forma ventriculului semodifică, dar volumul sangelui conţinut rămane acelaşi. Presiunea sangelui creşte rapid depăşind-o pe cea din aortă, in acest moment deschizandu-se valvula sigmoidă.In timpul ejecţiei, datorită contracţiei miocardului ventricular, sangele este expulzat in aortă, cu viteză mare, la inceput avand loc o ejecţie rapidă (aproximativ 2/3 din debitul sistolic este expulzat in prima jumătate a sistolei). Prin urmare, presiunea aortică şi cea ventriculară devin foarte apropiate ca valoare, la o diferenţă de 2-3 mmHg. Musculatura se relaxează după jumătatea perioadei de ejecţie şi presiunea din ventricul scade, la inceput mai incet decat cea aortică, expulzarea sangelui continuind mai lent. Cand presiunea ventriculară scade sub cea aortică, se inchide valvula sigmoidă.Urmează o perioadă scurtă in care ventriculele devin cavităţi inchise (diastolă izovolumică sau relaxare izovolumică). In acest timp, presiunea intraventriculară continuă să scadă pană la valori inferioare celei din atrii, permiţand deschiderea valvelor atrio-ventriculare. In acest moment, incepeumplerea cu sange a ventriculelor. Această relaxare este foarte rapidă, aşezarea fibrelor musculare instraturi cu orientare diferită şi energia elastică inmagazinată in ţesutul conjunctiv ce leagă straturile reprezentand factori deosebit de importanţi.Măsurarea presiunii arterialePrimul document care atestă măsurarea presiunii arteriale datează din secolul al XVIII-lea. In 1773, cercetătorul englez Stephen Hales a măsurat in mod direct presiunea sangelui unui cal prin inserarea unui tub cu un capăt deschis direct in vena jugulară a animalului. Sangele a urcat in tub pană la inălţimea de 2,5 m adică pană la inălţimea la care presiunea coloanei de sange (greutatea coloanei raportată la suprafaţă) a devenit egală cu presiunea din sistemul circulator. Acest experiment stă la baza utilizăriicateterului pentru măsurarea directă a presiunii arteriale. Cateterul este o sondă care se introduce direct in arteră, prevăzută cu un manometru miniaturizat care permite monitorizarea continuă a presiunii sangelui (metoda este folosită rar, mai ales in urgenţă).In mod uzual, presiunea arterială se măsoară prin metode indirecte bazate pe principiul comprimării unei artere mari cu ajutorul unei manşon pneumatic in care se realizează o presiune măsurabilă, valorile presiunii intraarteriale apreciindu-se prin diverse metode, comparativ cu presiunea cunoscută din manşetă. Dintre metodele indirecte menţionăm: metoda palpatorie, metoda auscultatorie, metoda oscilometrică.Metoda palpatorie (Riva Rocci) măsoară numai presiunea sistolică, prin perceperea primei pulsaţii a arterei radiale (palparea pulsului) la decomprimarea lentă a manşonului aplicat in jurul braţului.In metoda ascultatorie (Korotkow) in loc de palparea pulsului, se ascultă cu ajutorul unui stetoscop plasat in plica cotului zgomotele ce apar la nivelul arterei brahiale la decomprimarea lentă a manşonului, datorită circulaţiei turbulente, urmandu-se a determena atat presiunea sistolică, cat şi cea diastolică. Se pompează aer in manşon pană ce prin stetoscop nu se mai aude nici un zgomot (presiunea din manşon este mai mare cu 30-40 mm Hg peste cea la care dispare pulsul radial), după

care aerul este decomprimat lent. Cand presiunea aerului devine egală cu presiunea sistolică, sangele reuşeşte să se deplaseze prin artera brahială dincolo de zona comprimată de manşon, iar instetoscop se aud primele zgomote. In acest moment se citeşte presiunea pe manometru, ea reprezentand valoarea presiunii sistolice. Zgomotele provin de la vartejurile ce apar in coloana de sange care curge cu viteză mare. Curgerea se face in regim turbulent deoarece se ingustează lumenul arterial. Pe măsură ce aerul din manşon este decomprimat, zgomotele se aud tot mai tare deoarece amplitudinea mişcărilor pereţilor arteriali creşte şi odată cu ea se intensifică vibraţiile sonore. In momentul in care presiunea aerului din manşon şi presiunea diastolică sunt egale, artera nu se maiinchide in diastolă, zgomotele scad brusc in intensitate şi dispar. Presiunea citită in acest moment pemanometru este presiunea diastolică. Aşadar, momentul in care se aude in stetoscop primul zgomotmarcheaza presiunea sistolica; momentul in care zgomotele nu se mai aud marchează presiunea diastolica.Metoda oscilometrică (Pachon) permite determinarea presiunii sistolice, diastolice şi medii. Această metodă urmăreşte amplitudinea oscilaţiilor pereţilor arterei brahiale in timpul decomprimării treptate a aerului din manşonul gonflabil. Presiunea sistolică se inregistrează la apariţia oscilaţiilor, presiunea diastolică la dispariţia acestora, iar presiunea medie in momentul in care amplitudinea oscilaţiilor este maximă.Aspecte biofizice ale patologiei circulaţiei sângeluiSe referă la modificări ale vascozităţii sanguine, ale dimensiunilor inimii, precum şi la modificări apărute in diametrele şi elasticitatea vaselor de sange.Creşterea vâscozităţii sanguine duce la o rezistenţă vasculară mărită (conform legii Poiseuille- Hagen). Apare suprasolicitarea cordului prin creşterea presiunilor arteriale in circulaţia sistemică şi in special pulmonară, acest lucru favorizand staza sanguină, aderenţa trombocitară, ateroscleroza şi accidentele vasculare.Creşterea vascozităţii sanguine se poate datora unui număr anormal de leucocite (de exemplu in leucemii) sau unei cantităţi crescute de proteine plasmatice - fibrinogenul (in inflamaţii) sau ca lanţurile K (proteine ce intră in compoziţia anticorpilor) secretate de o linie limfocitară anormală (boală numită macroglobulinemie in care vascozitatea relativă a serului este >4 ). Vascozitatea sangelui creşte in intoxicaţiile cu bioxid de carbon din cauza creşterii volumului hematiilor.Creşterea hematocritului se intalneşte rar, in cazul deshidratării (prin transpiraţie, prin febră, prin vărsături) precum şi in poliglobulie (boală care se caracterizează prin creşterea exagerată a numărului de globule roşii). Din cauza valorilor mari ale hematocritului, creşte vascozitatea sangelui prin stanjenirea mişcării libere a hematiilor care sunt deformate mecanic şi favorizarea apariţiei de aglomerări eritrocitare. Aceste creşteri ale hematocritului pot apărea ca un mecanism compensator inhipoxie (scăderea presiunii parţiale a oxigenului in sange) - de exemplu hipoxia datorată altitudinii sau hipoxia din unele boli ce afectează ventilaţia pulmonară.Conform legii lui Poiseuille, pentru a trece printr-un vas un anumit debit de sange, trebuie să se acţioneze cu o presiune cu atat mai mare cu cat vascozitatea lichidului este mai mare. Prin urmare, creşterea vascozităţii sangelui cere o contracţie mai mare din partea inimii pentru a asigura circulaţia, ceea ce se traduce prin creşterea tensiunii arteriale.Scăderea vâscozităţii sanguine este intalnită in stările de anemie, atingand uneori valoarea 2, cand poate fi cauza apariţiei unor sufluri la un cord normal, prin favorizarea unei curgeri turbulente, in pierderea de sange sau cand se consumă multe lichide inainte de recoltarea sangelui, in hidremie şi hiperglicemie

Modificarea dimensiunilor inimii poate să apară ca urmare a presiunii mărite a sangelui care necesită din partea inimii efectuarea unui lucru mecanic mai mare. In aceste condiţii, inima mărindu-şi dimensiunile (razele de curbură ale pereţilor devenind mai mari), conform legii lui Laplace, pentru a realiza o aceeaşi presiune sistolică se produce o tensiune mai mare in pereţi.Cand pereţii arteriali se rigidizează aportul de lucru mecanic al arterei faţă de inimă dispare sau se micşorează foarte mult, inima fiind nevoită să efectueze un lucru mecanic mai mare decat in mod obişnuit, ceea ce duce la obosirea acesteia. Mai mult, poate să apară şi riscul curgerii turbulente, urmat de creşterea rezistenţei la inaintare a coloanei de sange şi la apariţia unor sufluri.In ateroscleroză depozitele de colesterol de pe pereţii vaselor de sange, micşorează diametrul acestora. Conform ecuaţiei de continuitate, aria secţiunii transversale ingustandu-se, creşte viteza fluidului prin acea secţiune. O creştere a vitezei de curgere a fluidului atrage după sine, conform ecuaţiei lui Bernoulli, o creştere a presiunii dinamice, urmate de o scădere a presiunii statice, vasul putandu-se bloca, la fel cum, de asemenea, este posibil ca un cheag de sange să blocheze vasul ingustat.e. Cateterul. Cateterizarea cardiacă. Angiografia. Angioplastia.Cea mai obişnuită tehnică de măsurare directă a presiunii utilizează un cateter conectat la un traductor de presiune extravascular, prin intermediul unui cateter umplut cu fluid. Această tehnică este pe larg aplicată in practica clinică, atat in cateterizarea diagnosticului (cateterul este conectat de la o arteră periferică spre o arteră centrală), cat şi in monitorizarea ingrijirii critice şi operative (cateterul este fixat pentru o perioadă de timp mai mare intr-o arteră periferică).Cateterul este un tub de cauciuc, teflon sau polietilenă, cu diametrul suficient de mic, intre 110 mm, cu capul rotunjit pentru a permite alunecarea prin artere şi vene, umplut cu lichid (soluţie heparină-salină). Cateterul poate fi folosit atat pentru stabilirea unui diagnostic, cat şi pentru terapie, inclusiv angiografie (radiografie a vaselor sangvine pentru studiul vaselor de sange arterial prin injectare de substanţă de contrast printr-un cateter; debitul de sange este vizualizat prin fluoroscopie, pe bază de raze X) şi angioplastie (cardiologie intervenţională - angioplastia este o metodă nechirurgicală pentru tratamentul stenozelor arterelor coronare; ideea de bază constă in poziţionarea unui cateter balon in interiorul secţiunii ingustate a unei artere; prin umflarea balonului de la capătul cateterului se lărgeşte secţiunea ingustată şi se deschide artera. Procedurile bazate pe cateterizare pornesc de la ideea de a minimaliza traumele datorate introducerii cateterului in vasul de sange.Practic, pacientul nu simte mişcarea cateterului in interiorul vasului de sange. De asemenea, cand este introdus cateterul in vasul de sange, trebuie luate măsuri pentru evitarea coagulării sangelui. Acest fenomen conduce la un tromboembolism, afectand in acelaşi timp şi rezultatul măsurării presiunii. La aproximativ un centimetru de varf se află un orificiu care permite pătrunderea sangelui in cateter. Punctul de acces al cateterului in sistemul cardiovascular poate fi braţul sau piciorul. Prin punctul de acces, sub control radiologic, cateterul este condus spre zona de investigaţie. Presiunea sangelui este transmisă prin această coloană de lichid la traductor. Deplasarea lichidului produce o deformare a diafragmei traductorului care este inregistrată de un sistem electromecanic. Semnalul electric rezultat este apoi amplificat pentru a fi vizualizat, de exemplu, pe un monitor.Procedurile bazate pe cateterizare sunt aplicate in laboratoare speciale in spitale, de către cardiologi, radiologi, cardiologi intervenţionişti şi alţi specilaişti.Cateterizarea cardiacă este o procedură minim invazivă de investigaţie a aparatului cardiovascular, prin care un tub lung şi subţire – cateterul – este ghidat in cavităţile inimii, de obicei printr-un vas de sange de la mană sau picior (o venă periferică, pentru

investigarea inimii drepte, sau o arteră periferică, pentru investigarea inimii stangi). Cateterul permite verificarea presiunii sangelui din vase şi cavităţile inimii, evaluarea cantităţii de sange, vizualizarea arterelor coronare de la suprafaţa inimii, eventual chiar şi aorta - efectuarea angiocardiografiei, verificarea nivelului de oxigen din sange - oximetriei sanguine, obţinerea curbelor de diluţie pentru substanţe marker.Cateterizarea cardiacă reprezintă unul din cele mai precise teste pentru diagnosticul bolilor arterelorcoronare. In situaţii speciale se pot executa, tot prin intermediul cateterului, tratamente nechirurgicale precum angioplastie, stentare , implantare de pacemaker, valvuloplastie sau embolizare.Angioplastia este o procedură utilizată pentru deschiderea arterelor ingustate de ateroscleroză.Pentru depistarea zonei blocate arterele coronare sunt vizualizate prin radiografiere cu ajutorul razelor X (angiografie). Pentru angiografie, un fir conducător este inserat printr-o arteră in braţ sau in picior, apoi condos prin aortă in poziţia necesară. In acest moment, un cateter este inserat de-a lungul firului conducător şi este injectată substanţa de contrast in vasele de sange, pentru o bună vizualizare pe imaginea radiografică (alb). Deoarece vasele de sange sunt iluminate, suprafeţele ingustate sau identifică blocajul.Dispozitivul pentru angioplastia cardiacă este un cateter (tub flexibil, subţire şi lung) care este introdus intr-un vas de sange al inimii (artera coronară) pentru a deschide o suprafaţă ingustată sau blocată.In angioplastie cateterul balon urmăreşte firul conducător pană in artera coronară blocată.Balonul este umflat şi impinge plaga spre pereţii arterei. Balonul este desumflat, iar cateterul şi firul conducător sunt retrase.Vasul de sange ingustat datorită aterosclerozei este deschis prin angioplastie şi este menţinut deschis prin utilizarea stent-ului. Pentru introducerea stent-ului este introdus mai intai un fir conducător in zona ingustată a arterei. Un cateter balon cu un stent este plasat in artera ingustată.Prin umflarea balonului acesta expandează şi impinge plaga spre pereţii arterei. Cateterul balon este desumflat, iar stent-ul rămane in zona de interes pentru a menţine artera deschisă. Cateterul şi firulconducător sunt retrase. După un anumit interval de timp, plaga poate recidiva, reformandu-se in jurul stent-ului. Pentru a preveni acest lucru se pot folosi stent-uri cu medicament care este absorbit in timp de organism.

I.3.4. Elemente de termodinamică biologicăNoţiuni generale.Definiţie. In accepţiunea originală, termodinamica este acea ramura a fizicii care se ocupă de relaţiile intre căldură (Q) şi lucru mecanic (L), dar intr-un sens mai larg, ea este ştiinţa care studiază transformările reciproce ale diferitelor forme de energie in sistemele naturale şi in cele construite deom. Termodinamica biologică se ocupă cu studiul transformărilor de energie in sistemele biologice.a. Sisteme termodinamice.Sistem - ansamblu de componente aflate in interacţiune, delimitate de mediul extern care il inconjoară.Sistem termodinamic - sistem macroscopic alcătuit dintr-un număr foarte mare de atomi şi molecule, aflate in interacţiune energetică atat intre ele cat şi cu mediul exterior.Clasificarea sistemelor termodinamice:

-deschise - schimbă cu exteriorul atat energie cat şi substanţă- inchise - schimbă cu exteriorul numai energie- izolate - nu au nici un fel de schimburi cu exteriorul, de care sunt separate prin pereţi adiabatici.Sistemul izolat este o abstractizare, caz limită, util numai pentru simplificarea unor raţionamente. In natură nu există sisteme izolate.Starea sistemului termodinamic - este reprezentată de totalitatea parametrilor săi de stare (care sunt mărimi fizice măsurabile)Parametrii de stare sunt de două feluri:- intensivi - au valori definite in orice punct al sistemului, care nu depind de dimensiuni (presiunea, concentraţia, temperatura);- extensivi - depind de dimensiunile sistemului şi de cantitatea de substanţă existentă in sistem (volumul, masa, numărul de moli).Starea de echilibru termodinamic - este caracterizată de următoarele proprietăţi:- parametrii de stare sunt constanţi in timp;- parametrii intensivi sunt constanţi in spaţiu (omogenizare);- dezordinea este maximă (entropia termodinamică este maximă);- schimburile de energie şi substanţă, atat intre componentele sistemului, cat şi cu mediul inconjurător incetează;- producerea de entropie incetează.Starea staţionară se caracterizează prin:- parametrii de stare sunt constanţi in timp;- parametrii intensivi nu sunt constanţi in spaţiu;- schimburile de substanţă şi energie intre componentele sistemului şi cu mediul extern nu incetează;- producerea de entropie este minimă, fără a fi egală cu zero.Procese termodinamice - treceri ale sistemului termodinamic de la o stare (staţionară sau de echilibru termodinamic) la altă stare (staţionară sau de echilibru termodinamic) prin modificarea in timp a parametrilor termodinamici. Ele pot fi :- reversibile - sunt procese cvasistatice; in orice moment sistemul este in echilibru termodinamic. Dacă se schimbă semnul parametrilor termodinamici, sistemul evoluează de la starea finală spre starea iniţială pe acelaşi drum;- ireversibile – sunt, in general, procese necvasistatice. Revenirea la starea iniţială (dacă este posibilă) se face pe alt drum şi pe seama unei intervenţii active din exterior (nu poate decurge de la sine).b. Principiul I al termodinamiciiIn urma eşecurilor de a construi o maşină care, odată pornită, să funcţioneze la nesfarşit fără a consuma energie (perpetuum mobile de speţa I-a) s-a ajuns la concluzia că nu se poate “crea” energie, ci pentru furnizarea unei energii este necesară consumarea alteia. In 1840, H. Hess a formulat regula după care căldura eliberată sau absorbită într-o reacţie chimică nu depinde de etapele intermediare prin care poate decurge această reacţie ci numai de starea iniţială şi cea finală a reactanţilor. Intre 1842 şi 1850 o serie de cercetători (J.R. Mayer, J. Joule, H. Helmholtz) au descoperit echivalenţa dintre lucru mecanic şi energie şi au determinat echivalentul mecanic al caloriei.Principiul I al termodinamicii sau principiul conservării energiei, postulează existenţa unuiparametru caracteristic oricărui sistem, numit energie internă (U) a sistemului, parmetru care exprimă capacitatea totală a sistemului de a efectua acţiuni de orice tip şi are o valoare bine determinată in fiecare stare a sistemului.Aplicaţii ale principiului I in biologie

Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise, iar procesele biologice sunt procese termodinamice ireversibile. Organismele vii sunt sisteme a căror energie internă poate creşte sau scădea in funcţie de diferite condiţii (varsta, starea fiziologică etc.). Pentru a aplica corect principiul I in cazul organismelor, trebuie să se ţină seama de faptul fundamental că ele sunt sisteme deschise care iau şi degajă in exterior energie, astfel incat problema conservării energiei se pune numai pentru sistemul inchis format din organismul respectiv impreună cu mediul său inconjurător.Bilanţul energetic al organismului.Aplicand principiul I in cazul unui organism, se poate formula următorul bilanţ energetic: energia preluată din mediu = travaliul mecanic efectuat + căldura degajată + energia depozitată în rezevele organismului.Testul clinic al intensităţii metabolismului bazal, prin care se stabileşte valoarea de referinţă la care să fie raportat efectul diferiţilor factori care influenţează metabolismul energetic, este un exemplu de asemenea bilanţ in condiţii simplificate. Subiectul este in repaus (nu efectuează lucru mecanic) şi nu a mancat 12 ore (nu preia energie din mediu). In acest caz, bilanţul energetic se poate scrie:căldura degajată = - energia depozitată = energia utilizată

c. Principiul II al termodinamiciiPrincipiul II al termodinamicii generalizează constatarea practică a imposibilităţii ca o maşină termică să transforme integral o cantitate de căldură in lucru mecanic, randamentul de transformare fiind intotdeauna subunitar.Există mai multe formulări ale principiului II. In varianta care indică sensul spontan al desfăşurării proceselor termodinamice, principiul II se numeşte principiul creşterii entropiei.Conform acestei variante, procesele ireversibile care se desfăşoară spontan in sistemele termodinamice izolate au acel sens care duce la creşterea entropiei.Entropia este un parametru de stare care măsoară gradul de dezordine a unui sistem termodinamic.d. Principiul III al termodinamiciiEntropia unui sistem tinde spre o valoare constantă atunci cand temperatura se apropie de zero absolut.Pe măsură ce sistemul se apropie de zero absolut , agitaţia termică se reduce şi sistemul tinde să devină ordonat. Odată cu aceasta fluctuaţiile de entropie se reduc şi ele.e. Transportul căldurii prin conducţie, convecţie şi radiaţieTransportul căldurii prin conducţieFenomenul de transport al căldurii se numeşte conductibilitate termică şi a fost studiat de către Fourier. Sistem neuniform incălzit, adică există o diferenţă de temperatură intre diferite puncte ale sale. In consecinţă → flux de căldură (JQ) → echilibru termic (se egalează temperaturile).Mecanismul de transmitere → energia cinetică a moleculelor fiind mai mare la capătul mai cald duce la o ciocnire mare a moleculelor şi energia calorică se transmite din aproape in aproape la capătul opus.Definiţia 3.Cantitatea de căldură transportată in unitatea de timp este proporţională cu secţiuneatransversală prin care are loc conductibilitatea, cu gradientul de temperatură şi depinde denatura substanţei

Conductibilitatea termică a cristalelor depinde de direcţie deoarece sunt sisteme anizotrope. Conductibilitatea termică a lichidelor este mai mică decat a solidelor, iar a gazelor este mai mică decat cea a lichidelor.Conductibilitatea termică şi cea electrică cresc atunci cand temperatura scade.Transportul căldurii prin convecţie (curenţi) Are loc numai in cazul lichidelor şi al gazelor care vin in contact cu un material solid compact aflat la altă temperatură. Dacă solidul cu care vine in contact masa de fluid (ex. aer) este la o temperatură mai scăzută decat a acestuia, atunci fluidul cald cedează peretelui o parte din energie şi se va răci. Devenind prin răcire mai dens, aerul va „cădea”, urmand să fie inlocuit de o cantitate de aer mai cald din incintă. In acest fel se realizează o deplasare continuă de aer in jurul peretelui şi totodată se realizează un transfer de căldură de la aerul cald la peretele rece Prin incălzire, la locul de contact cu o sursă caldă, fluidul işi modifică densitatea şi ca urmare se formează curenţi ascendenţi.Transportul căldurii prin radiaţie Spre deosebire de conducţie şi convecţie, la transportul căldurii prin radiaţie nu este necesar un mediu material pentru a transporta energia. Energia calorică se transmite prin unde electromagnetice cu lungime de undă mai mare decat a luminii de culoare roşie din spectrul vizibil (>roşu), care sunt purtătoare cu căldură. Ele se numesc radiaţii infraroşii. Corpurile care permit trecerea radiaţiilor infraroşii se numesc diatermane iar cele care nu permit trecerea lor se numesc atermane. Cand un corp metalic atinge o temperatură de 5000C el se inroşeşte şi devine luminos. Odată cu creşterea in continuare a temperaturii culoarea lui variază spre alb. Căldura pe care o primeşte corpul prin incălzire se transformă in energie radiantă. Energia radiantă emisă in unitatea de timp se numeşte putere emiţătoare a corpului. Un corp care absoarbe toate radiaţiile care cad asupra lui se numeşte corp negru. Atunci cand un corp negru este incălzit, el emite toate radiaţiile posibile. Corpul negru este definit ca emitor şi totodată absorbant perfect de radiaţie.Transportul căldurii în organism Organismul uman produce căldură care se transmite din centrul corpului spre suprafaţă, iar de aici spre mediul exterior. Cantitatea de căldură şi temperatura din interiorul organismului diferă de la un organ la altul.Căldura este transportată din locurile cu temperatura mai ridicată spre cele cu temperatura mai scăzută prin conducţie şi convecţie. Conductibilitatea termică a ţesuturilor este redusă, mai ales a celor groase, astfel incat rolul principal in transportul căldurii il constituie sangele. Transmiterea căldurii prin intermediul sangelui este favorizată şi de căldura lui specifică mare, fiind aproximativ egală cu cea a apei (1 calg ・ grad sau 4185 J/kg ・grad).Transmisia căldurii spre exterior se realizează prin conducţie, convecţie, radiere şi evaporarea apei prin transpiraţie.Transmiterea căldurii prin conducţie, convecţie şi radiere reprezintă aproximativ 70 – 80 % din totalul căldurii transmise mediului exterior, iar prin evaporare se cedează 20 – 30 % din aceasta.

In condiţii de efort fizic pierderea de căldură prin evaporare este de 60–70 % din totalul căldurii. In cazul muncilor fizice grele corpul poate pierde 4 –12 l apă prin evaporare, ceea ce reprezintă o cedare considerabilă de căldură.Din cauza aderării unui strat de aer de circa 4 – 8 mm la suprafaţa pielii, numit strat marginal, corpul se va opune cedării căldurii prin curenţii de convecţie şi conducţie. Grosimea acestui strat scade atunci cand corpul este in mişcare.SterilizareaEtuvele, autoclavele sunt dispozitive in care se pot obţine şi menţine temperaturi relativ mari. Etuvele permit obţinerea de temperaturi mari şi distrugerea germenilor in general in condiţii uscate.Autoclavele fiind incinte ermetic inchise, permit sterilizarea umedă la temperaturi şi presiuni mari (la presiunea de 1 atm apa ar fierbe şi s-ar evapora la 100°C). Diverşii germeni (bacterii, toxine etc.) pot fi distruşi la temperaturi mari fie prin blocarea unor procese vitale din microorganisme, fie prin descompunerea efectivă a unor molecule complexe. Distrugerea acestora este insă un proces statistic şi de aceea temperatura trebuie menţinută un timp minim pentru ca probabilitatea de distrugere să fie cat mai apropiată de 1 (deci rata de supravieţuire a germenilor să fie practic zero).I.3.5. Fenomene bioelectricePrezenţa, atat in citoplasma oricărei celule, cat şi in fluidele extracelulare, a numeroase tipuri de atomi şi molecule ionizate, deci incărcate electric, şi faptul că activitatea metabolică menţine diferenţe de concentraţii ale acestor ioni, fac ca fenomenele electrice să fie proprii tuturor celulelor.Potenţialul de repaus al celulelorO caracteristică de bază a unei celule vii este existenţa unei diferenţe de potenţial electric intre faţa externă şi cea internă a membranei celulare. In interiorul celulei, respectiv in mediul interstiţial, potenţialul este acelaşi. Deci diferenţa de potenţial se stabileşte intre aceste medii. Această diferenţă de potenţial se numeşte potenţial de repaus celular (PR)(spre deosebire de cel din timpul activităţii).Are valori cuprinse intre (– 50) – (-100) mV. Pentru a explica modul in care apare PR se vor analiza cateva sisteme bicompartimentale simple dintre care ultimul este apropiat de sistemul citoplasmă –lichid interstiţial.Potenţialul de acţiune celularSistemul nervos periferic şi central constituie o vastă reţea de comunicaţie in cadrul organismului, reţea in care pentru transmiterea semnalelor este utilizat un fenomen de natură bioelectrică, influxul sau impulsul nervos.Impulsul nervos reprezintă variaţia tranzitorie şi propagabilă a potenţialului de membrană al fibrelor nervoase, numită potenţial de acţiune (PA), produsă de un stimul (uneori există şi o activitate celulară spontană).Potenţialul de acţiune este o depolarizare trecătoare a membranei celulare prin care interiorul celulei devine mai puţin negativ decat in stare de repaus şi diferenţa de potenţial de-o parte şi de alta a membranei celulare scade. Există şi potenţiale de acţiune hiperpolarizante, de exemplu in celulelereceptoare retiniene.Declanşarea potenţialului de acţiune se realizează prin deschiderea porţilor unor canale cationice sau anionice (uneori prin inchiderea porţilor cationice, in cazul PA hiperpolarizante). Apar fluxuri de ioni care determină producerea unui semnal electric. Ionii implicaţi sunt in special ionii de Na+ (in faza ascendentă a PA) şi de K+ (in faza descendentă). In celula musculară, in faza ascendentă sunt implicaţi ionii de Ca++.Fazele potenţialului de acţiune

Intre momentul acţiunii excitantului şi răspunsul celulei există un interval de timp, characteristic fiecărui tip de celule, numit perioadă de latenţă. Prima fază a potenţialului de acţiune este reprezentată de un potenţial local şi se numeşte prepotenţial. Faza următoare este potenţialul de vârf, cu fazele ascendentă şi descendentă. Faza a treia este alcătuită din postpotenţialele pozitiv şi negativ. Din punct de vedere funcţional se disting două perioade refractare, perioada refractară absolută, in care celula nu poate fi excitată, in faza ascendentă şi parţial in faza descendentă, şi perioada refractară relativă, in care excitabilitatea este redusă, in celelalte faze ale PA.Atunci cand asupra fibrelor nervoase acţionează un stimul de durată are loc o acomodare manifestată prin creşterea pragului de excitabilitate. Acomodarea poate fi rapidă (fibrele din nervii motori) sau lentă (unele fibre senzitive).Propagarea potenţialului de acţiunePropagarea potentialului de actiune de-a lungul membranei excitabile Mecanismul propagarii excitatiei este explicat cu ajutorul teoriei cablului.

Zona excitata B este caracterizata printr-o inversare a polarizarii. Ca urmare a acestei inversari apar curenti locali atat in interiorul fibrei cat si in exterior. Acesti curenti tind sa excite dintr-o zona excitata si zonele vecine. Propagarea se face din aproape in aproape in sensul indicat mai sus, deoarece zona C care a fost excitata inaintea zonei B nu mai este sensibila la depolarizare pentru ca ea se gaseste intr-o perioada refractara. Excitatiile se propaga deci intr-un singur sens Viteza impulsului nervos atinge zeci de metri pe secunda in cazul fibrelor amielinice. La fibrele mielinice conducerea (propagarea) excitatiei se face in salturi si mult mai repede decat in cazul fibrelor amielinice. Stratul de mielina este de natura lipo-proteica si deci este un bun izolant. In acest caz curentii locali trec in afara, prin lichidul interstitial, fapt ce determina o crestere a conductiei.