Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

49
1 Biofizica si fizica medicala Conf. univ. dr. Adina Mincic Biofizica - tematica sem. I 1. Biofizica – 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 vâscozităţii. 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 în 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 înregistrare a activităţii electrice a organelor (EMG, ECG, EEG). Potentiale evocate – caracterizare, aplicatii clinice. . Biofizica - tematica sem. I 9.Elemente 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, emisie spontanăşi stimulată, fenomenul de pompaj. Clasificarea si proprietatile laserilor. Parametri fizici ai unui laser. Interactia radiaţiei laser 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 Bibliografie F.W. Sears, M.W. Zemanski, H. D. Young, Fizica, Editura Didactică şi Pedagogică 1983 D. Haliday, R. Resnick, Fizică, Editura Didactică şi Pedagogică 1975 A. Popescu, Fundamentele Biofizicii Medicale, vol. I, Editura All, 1994 V. Vasilescu, Biofizica Medical ă", Editura Didactică şi Pedagogică, 1977 A. Mincic, Essentials of Medical Biophysics, vol. I, Editura Universitatii din Oradea, 2008 Dumitras D., Biofotonica. Bazele fizice ale aplicatiilor laserilor in medicina si biologie. Editura ALL Educational, Bucuresti, 1999 Opris, F. Elemente de Biofizica si Fizica Medicala, Editura Printech, Bucuresti, 2000 Eremia, D., Biofizica Medicala, Editura UMF “Carol Davila”, Bucuresti, 1993 Mitchell D.G.,Cohen M., MRI Principles, 2nd Edition, W.B.Saunders Company 2003 E. A. Ash, C. Hill (eds.), Acoustical Imaging, vol. 12, Plenum, NY 1983

description

33

Transcript of Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

Page 1: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 2: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 3: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 4: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 5: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 6: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 7: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 8: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 9: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 10: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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

Page 11: Biofizica Si Fizica Medicala-CURS -Adina Mincic

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 sup