CuprinsCuprins................................................................................................................... 1

INTERACIUNEA FACTORILOR FIZICI CU SISTEMELE BIOLOGICE

Mediul exterior reprezinta o sursa permanenta de factori de agresiune care induc abaterea de la starea stationara, de echilibru dinamic, a sistemelor vii. Factorii fizici de agresiune constau n fenomene fizice ce pot interactiona cu procesele biologice. Exista doua nivele de interactiune: nivelul interactiei specifice, mediate si conditionate de consum intern de energie;

nivelul interactiei nespecifice, nemediate, fara contributie energetica directa din partea sistemului.

1

n prima categorie sunt incluse fenomenele de traducere de semnal de la nivelul structurilor specializate ale analizatorilor, care se caracterizeaza n general printr-un transfer redus de energie, nenociv, dinspre exterior spre interior. Depasirea nivelelor maxime tolerabile poate declansa nsa efecte nocive la nivel local, fara afectarea sistemului n ansamblu. Categoria a doua de interactii se refera la acele efecte datorate interactiei nespecifice dintre anumite forme de variatie a energiei din mediul extern si materialul biologic, cu afectare globala, nespecifica a tuturor structurilor participante la interactie. Aici sunt incluse efectele unor factori fizici precum fenomenele radiative (radiatiile ionizante, UV, laser, microunde, ultrasunete), variatiile de temperatura, curentul electric, variatiile de presiune, cmp gravitational etc. Nocivitatea acestor interactii este dependenta n principal de cantitatea de energie transferata sistemului biologic. ntelegerea mecanismelor biofizice ale interactiei structurilor vii cu agentii fizici este conditionata de cunoasterea proprietatilor specifice ale acestora din urma.

Influenta temperaturii asupra sistemelor biologice Generalitati Prin faptul ca intervine direct la un nivel structural de baza (atomic si molecular), temperatura influenteaza prin modificarile ei toate functiile sistemelor vii. Fenomenele ce decurg direct din miscarea de agitatie termica a moleculelor si din existenta fortelor de interactiune moleculara, se afla nemijlocit sub influenta temperaturii (difuziunea, osmoza, tensiunea superficiala, vscozitatea, potentialul electric, de concentratie etc). Toate celulele sunt expuse la variatii de temperatura ale mediului lor ambiant, iar amplitudinea acestor variatii difera functie de conditiile n care traiesc organismele respective. Cele care traiesc n mediu acvatic sunt expuse unei variatii mult mai limitate de temperatura,2

dat fiind valoarea ridicata a caldurii specifice a apei, comparativ cu organismele care traiesc pe uscat. Pentru majoritatea organismelor, intervalul de temperatura la care se desfasoara activitatile metabolice celulare, numit zona biocinetica (fereastra biologica), este ntre 10 si 450C. Exista nsa si organisme termofile ce traiesc la temperaturi mai mari de 450C si organisme criofile ce traiesc la temperaturi mai mici de 100C. In general, forme de viata sunt posibile la orice temperatura la care apa celulara ramne n stare lichida. Pentru explicarea mecanismului prin care temperatura influenteaza procesele biologice este necesara interpretarea din punct de vedere energetic a acestor procese. Orice transformare (proces biologic) decurge cu scaderea energiei libere din starea initiala catre o valoare finala. n momentul angajarii unui proces, particula (sau sistemul biologic) sufera un proces de activare care este absolut necesar pentru depasirea barierei energetice ce asigura, n starea inactiva, echilibrul energetic.

Prezentare schematica a unui proces biologic, de la starea initiala la cea finala Energia de activare (Ea) este dependenta de temperatura dupa urmatoarea expresie:

unde q10 este un coeficient de temperatura egal cu raportul vitezelor de reactie masurate la o diferenta de temperatura de 10 grade, R - constanta gazelor iar T - temperatura absoluta initiala. Rolul de catalizator al enzimelor este tocmai acela de a reduce energia de activare a proceselor biologice, ceea ce mareste foarte mult viteza de reactie.

3

Prezentare schematica a unui proces biologic, mediat enzimatic De obicei, activarea enzimei necesita o energie mult mai mica dect energia de activare a procesului mediat, iar activarea enzimei poate fi realizata de o serie de factori chimici locali (mesageri chimici), sau factori fizici externi (de ex. semnale electrice, optice etc).

Efectele nocive ale temperaturii Se pot distinge mai multe categorii de efecte determinate de valori ale temperaturii n afara zonei biocinetice: 1. efectele nocive ale cresterii temperaturii sunt reprezentate n principal de denaturarea ireversibila a conformatiei tridimensionale a macromoleculelor cu rol structural sau functional. Apar formatiuni globulare determinate de ruperea si rearanjarea legaturilor de H. Aceste conversii structurale sunt incompatibile cu o functionare normala, iar celula moare n momentul depasirii mecanismelor de refacere. Cauzele majore de moarte celulara sunt: denaturarea ireversibila a ADN, a ribozomilor cu blocarea sintezei de proteine precum si a enzimelor, cu pierderea proprietatilor de catalizatori. In final, la valori mai mari de temperaturaa se produce lichefierea bistratului lipidic membranar si dezintegrarea celulei. Cresterile violente de temperatura pot determina direct evaporarea si carbonizarea materialului biologic. la scaderea temperaturii sub nivelul minim al "ferestrei biologice" celula reactioneaza diferit n functie de viteza de scadere a temperaturii: la congelarea rapida apar cristale de gheata prin nghetarea apei libere att din afara ct si din interiorul celulei. Microcristalele produc ruperea structurilor membranare si a altor formatiuni intracelulare (chiar nucleul) ce determina moartea celulei. Totodata, apare si o hiperosmolaritate relativa tranzitorie intracitoplasmatica ce contribuie suplimentar la destabilizarea si deteriorarea moleculelor proteice. la congelarea lenta, ngheata mai nti apa libera extracelulara, ce determina un eflux pasiv de apa din celula ce reduce cantitatea de apa libera intracitoplasmatica. Se4

2.

mpiedica astfel formarea de microcristale cu efect nociv, iar temperatura de congelare a macromoleculelor nconjurate de apa legata (structurala) scade la aproximativ 40C. Ramne nsa prezent efectul datorat hiperosmolaritatii tranzitorii care determina leziuni ce nu permit reluarea functiilor dupa dezghetare. In procedurile de crioprezervare se combate efectul nociv al microcristalelor de apa prin utilizarea unor substante de tipul glicerolului. Moleculele de glicerol interactioneaza puternic prin punti de H cu moleculele de apa, integrndu-se competitiv n structura tridimensionala a apei. La scaderea miscarilor de agitatie termica (la reducerea temperaturii) moleculele de apa se agrega progresiv n jurul proteinelor, integrarea glicerolului mpiedicnd formarea microcristalelor. Se formeaza adevarate retele protectoare fata de socul osmotic n jurul macromoleculelor si de-a lungul formatiunilor lipidice membranare care permite pastrarea intacta pentru timp ndelungat a viabilitatii celulare. Prin aceste procedee se pot conserva pe termen nelimitat celule seminale, celule stem pluripotente sau chiar elemente tisulare simple (cornee, cristalin). Glicerolul este un compus chimic utilizat n metabolismul lipidic celular, astfel ca, la dezghetarea celulelor, prezenta lui nu este nociva, el fiind utilizat chiar la sinteza de glicogen. Din categoria substantelor crioprotectoare mai fac parte si dextranul sau dimetilsulfoxidul (DMSO).

Efectele acceleratiei si imponderabilitatii asupra circulatiei sngelui Intr-un fluid de masa volumica r, la o variatie de altitudine dx corespunde o variatie de presiune dp.

Daca

si g sunt independente de x, atunci:5

Astfel, doua puncte situate la acelasi nivel, ntr-un acelasi fluid n echilibru, au aceeasi presiune. In cazul organismului, presiunea arteriala (mai exact diferenta fata de presiunea atmosferica) trebuie masurata n pozitia decliva pentru a elimina efectul gravitatiei. Astfel, presiunea arteriala pentru vasele cu sectiune egala este aceeasi n toate punctele circulatiei sanguine. Ea variaza de la un maxim (130 mmHg 17 kPa) n cursul sistolei (ps) la o valoare minima (80 mmHg 10 kPa) n cursul diastolei (pd). Valoarea medie a tensiunii arteriale se calculeaza dupa formula:

si este de aproximativ 100 mmHg n aorta, 35 mmHg n arteriole si 25 mmHg n capilare. Pentru un subiect n ortostatism, intervine gravitatia, astfel ca pentru o valoare medie de 100 mmHg la nivelul inimii, se gaseste o presiune arteriala medie de 60 mmHg (8 kPa) la nivelul capului si de 200 mmHg (26 kPa) la picioare. Datorita lucrului efectuat de pompa cardiaca, sngele nu se acumuleaza n partile inferioare. Presiunea venoasa masurata n pozitie de decubit dorsal la nivelul venei cave este de 10 mmHg si 15 mmHg n venule. Aceasta presiune creste mult n ortostatismul prelungit ce favorizeaza staza venoasa la nivelul membrelor inferioare cu aparitia varicelor (dilatatii cronice a venelor) si a edemelor ortostatice. In manevrele aviatice s-a constatat ca n timpul unui "looping" are loc o crestere a acceleratiei datorita fortei centrifuge de 3-4 ori. In acest caz acceleratia este ndreptata spre picioare (acceleratie negativa) si presiunea sistolica de la nivelul creierului scade la -12 mmHg. Arterele creierului se vor nchide rezultnd o ischemie cerebrala tranzitorie urmata de pierderea vederii (val negru) si chiar a cunostintei. Pilotii tineri la antrenament nu pot suporta acceleratii de acest fel mai mult de 20 sec. Folosirea unor costume speciale gonflabile (anti-g) ce mpiedica aceste fenomene prin crearea unei presiuni externe la nivelul trunchiului si membrelor. De asemenea, se face o asezare a corpului n asa fel (ca n cazul lansarii unei rachete cu om la bord) nct forta centrifuga sa actioneze transversal pe corp. Atunci cnd se efectueaza manevre n picaj, pilotul este expus la acceleratii "pozitive" (acceleratia este ndreptata de la picioare spre cap). In acest caz sngele se acumuleaza spre creier, cu hipertensiune n vasele cerbrale si risc crescut de accident vascular. Se produce o congestionare a retinei cu senzatie de val rosu ocular.

6

In ceea ce priveste efectul imponderabilitatii (g=0) asupra circulatiei sngelui nu sunt manifestari spectaculoase, apar unele manifestari care sunt compensate, n mare parte, de catre reflexele de reglare cardiovasculara. Efectele principale ale imponderabilitatii (apar dupa o perioada mai lunga de expunere) se manifesta la nivelul aparatului locomotor, prin atrofie musculara si demineralizare osoasa. Aceste tulburari necesita precautii speciale la reintegrara cosmonautilor dupa perioade ndelungate de sedere n afara spatiului gravitational terestru. Astfel, pot apare fracturi la nivelul oaselor lungi si dificultati de locomotie, semne de insuficienta cardiaca acuta.

7

Influenta curentului electric Curentul electric reprezinta unul din factorii fizici cei mai folositi n practica medicala. Ca bioexcitant, curentul electric prezinta o serie de nsusiri care-l fac stimul universal: la valori convenabile nu lezeaza tesuturile si poate fi aplicat n mod repetitiv, actioneaza imediat (perioada scurta de latenta), genereaza efecte n orice tip de celula sau tesut, poate fi masurat cu precizie,

poate fi aplicat n zone restrnse prin intermediul electrozilor (anod, electrodul pozitiv si catod, electrodul negativ). Cnd un curent electric are o durata foarte scurta (mai mica de o miime de secunda) el se numeste impuls. Se caracterizeaza prin forma de variatie n timp, amplitudine, durata si frecventa de repetitie. Graficul unui impuls n sistemul de coordonate intensitate-timp poate fi un dreptunghi, un triunghi sau o curba exponentiala (figura).

Impulsurile rectangulare se obtin cu ajutorul unor dispozitive electronice numite generatoare de functii. Undele rectangulare produse n acest fel au o durata cuprinsa ntre 10 si 10-5 secunde. Impulsurile exponentiale se produc prin descarcarea condensatorilor. Impulsurile de durata mare se supun legii Pflger conform careia, la nchiderea circuitului electric, efectul excitant se produce la catod iar la deschiderea circuitului, excitarea se produce la anod. Curentii electrici produc un mare numar de efecte biologice, cele mai multe fiind folosite n practica medicala (diagnostic si terapeutica).

8

Efectele curentului continuu. Aceste efecte pot fi: Efecte de vecinatate a electrozilor. Organismul poate fi asimilat unui ansamblu de unitati galvanice foarte mici (celule) umplute cu o solutie conductoare de electrolit. Aplicarea de curent electric continuu de joasa tensiune se face prin intermediul a doi electrozi, ntre care apare un flux preponderent de electroni. n regiunea electrozilor apar curenti electrotonici n toate directiile. Astfel, la anod se produc curenti anelectrotonici, care au un efect de scadere a pragului de excitabilitate a celulelor excitabile prin inducerea unui deficit de sarcini electrice elementare n spatiul extracelular, iar la catod curenti catelectrotonici cu efect contrar. Prin fenomen de electroforeza, adica migrarea n cmp electric a particulelor ncarcate electric, se acumuleaza la anod ioni Cl-, ceea ce duce la formarea de acid clorhidric (coloratie galbena). La catod se acumuleaza Na+ care determina formarea de NaOH (coloratie cenusie).

Efecte la distanta - sunt reprezentate de transportul transcutanat al ionilor, bazat tot pe efecte de electroforeza. Ionii medicamentosi pot fi introdusi n organism fie pe cale electrica fie prin injectie subcutanata. Ultimul procedeu este mai usor de realizat, dar efectul este mai putin durabil. Introducerea electrolitica a ionilor medicamentosi se numeste ionoforeza. Galvanizarea - actiunea terapeutica a unui curent continuu de pna la ctiva zeci de mA. Prin galvanizare se urmareste fie scaderea excitabilitatii nervoase, folosita n tratamentul unor nevralgii, fie stimularea excitabilitatii n cazul sindroamelor miastenice sau recuperarilor neuromusculare. Galvanizarea poate fi combinata cu ionoforeza sau cu alte tratamente electrofiziologice, cum este diatermia (vezi mai jos).

Efectele curentului alternativ9

Curentul de joasa frecventa (cteva mii de hertzi) produce efecte excitomotoare. Acest curent se aplica n tratamentul atrofiilor musculare si a degenerescentelor neuromusculare. Curentul alternativ de frecventa medie (cteva zeci de mii de hertzi) produce o crestere a pragului de excitatie. Efectul excitosenzitiv are o actiune stimulativa folosita n cardiologie la reanimarea de urgenta, sau n cazurile cronice, cnd se asigura inimii un ritm sistolic permanent. Electrosocul se produce atunci cnd curentul alternativ, de intensitate mai mare, strabate encefalul. El provoaca la om crize convulsive, asemanatoare cu cele epileptice, avnd proprietati terapeutice n psihiatrie. Curentul alternativ de nalta frecventa (peste 100 kHz) nu produce nici efecte excitomotoare nici efecte excitosenzitive, ci numai o degajare de caldura, diatermie, depinznd de marimea electrozilor, de frecventa curentului si de structura anatomica a tesutului prin care trece curentul (proprietatile electrice ale tesuturilor). Bisturiul electric (electrocauterul) este reprezentat de un electrod activ cu geometrie ascutita si un electrod de referinta, cu geometrie plana si suprafata mare de contact, pus n contact electric cu zona de tegument din vecinatatea zonei de incizie. nchiderea circuitului la nivelul electrodului activ descarca o mare cantitate de energie pe o suprafata minima de tesut. Sectionarea tesuturilor are la baza fenomene termice violente ce se soldeaza cu evaporarea structurilor organice. Simultan cu "incizia" termoelectrica, se va produce si sigilarea vaselor sanguine incizate (hemostaza), ceea ce reprezinta un avantaj major n chirurgie, mai ales la nivelul mucoaselor, unde procesele de vindecare sunt mai lente. Electrodiagnosticul Utilizarea curentului electric n medicina se poate face si n scop diagnostic, existnd doua posibilitati: diagnostic prin stimulare, atunci cnd se studiaza raspunsul nervilor si muschilor la actiunea curentilor, prin care se urmareste determinarea pragurilor de excitatie. Se pun n evidenta modificari patologice ale reactiilor electrice (cantitative, referitoare la marimea pragului de excitatie si calitative, referitoare la felul de manifestare a reactiilor). diagnostic prin detectie, cnd se nregistreaza activitatea electrica spontana a organismului (masurnd variatiile de potential ce apar n timpul functionarii diferitalor organe). Astfel, prin utilizarea de electrozi de suprafata se poate nregistra activitatea cardiaca (electrocardiografie), activitatea cerebrala (electroencefalografie) etc.

Precautiuni la utilizarea curentilor electrici10

Atunci cnd trec prin organism, curentii slabi nu produc efecte daunatoare, n schimb curentii puternici (de intensitate mare) pot da nastere la accidente grave (mortale chiar). Cnd atingem cu mna capetele firelor aflate sub tensiune electrica de zeci sau sute de volti, poate apare n antebrat o contractie dureroasa, de asemenea, poate apare o stare de soc. Daca tensiunea atinge cteva mii de volti, moartea survine imediat. Pe lnga efectele electrolitice locale, din punctele de contact, accidentele mai grave sunt nsotite de arsuri mergnd pna la carbonizare. Un acelasi curent poate sa provoace accidente cu gravitate diferita, deoarece rezistenta electrica a organismului variaza de la individ la individ (dependent de starea de umiditate, de curatenie a organismului etc). Cnd pielea este uscata, datorita rezistentei electrice mari, apare un efect Joule (termic) intens ce determina arsuri, dar curentul electric circula prin organism cu o intensitate relativ mica si electrocutarea este mai putin grava. Cnd pielea este umeda si exista contact electric cu pamntul, atunci rezistenta ce o ntmpina curentul la intrarea n organism este mica si electrocutarea este violenta. Daca rezistenta electrica joaca un rol important, intensitatea curentului electric constituie factorul determinant n producerea accidentelor electrice. S-a masurat experimental rezistenta electrica totala de la dosul minii pna la regiunea anterioara a abdomenului si s-au obtinut valori cuprinse ntre 30.000 si 40.000 W. De asemenea, s-a dovedit ca intensitatea minima ce poate provoca accidente periculoase este de 25 mA pentru curentul alternativ si de 50 100 mA pentru curentul continuu (curentul alternativ este de aprox. patru ori mai periculos dect curentul continuu). De exemplu, pentru o rezistenta interna de 10 KW, o tensiune U=10.000 W x 0.025 A = 250 V poate provoca fenomene de electrocutare. Un rol deosebit l are si traseul curentului prin organism. Curentul este daunator daca n drumul lui ntlneste inima (daca contactul se face printr-un picior si o mna).

11

Influenta vibratiilor mecanice Generalitati Sunetul reprezinta o forma de transfer la distanta a energiei prin intermediul unei succesiuni de comprimari-decomprimari autopropagate prin elementele de mediu. Propagarea sunetului este posibila numai prin mediile alcatuite din elemente care pot suferi compresii elastice. In vid, sunetul nu se poate propaga. Viteza de propagare a sunetului depinde de impedanta acustica specifica (Z) a mediului si densitatea acestuia (r):

Impedanta acustica specifica este o constanta, care masoara abilitatea materialului de a propaga undele sonore. Unitatea de masura a impedantei acustice specifice este N s/m3 sau kgs/m2, iar valorile numerice ale lui Z sunt de ordinul 102-103 pentru gaze, 106 pentru lichide si 107 pentru solide. Caracteristicile fizice ale semnalului acustic sunt interpretate diferit prin perceptia auditiva corticala. Astfel intensitatea acustica sau nivelul acustic are corespondent subiectiv n taria sonora, frecventa semnalului acustic este perceputa subiectiv ca naltime tonala, iar compozitia spectrala a semnalului acustic induce timbrul sonor. Deosebim, astfel, doua categorii de caracterisitici pentru sunete: fizice si de perceptie. Caracteristici fizice Intensitatea acustica ntr-un punct dat este energia transportata de unda acustica printr-o suprafata de 1 m2 asezata perpendicular pe directia de propagare. Se masoara n W/m2.

Intensitatea semnalului acustic se exprima prin relatia:12

unde pa este presiunea acustica, definita ca amplitudinea maxima a variatiei presiunii atmosferice. pa maxima a unui semnal acustic nociv este de 30 N/m2, fiind mult mai mica dect presiunea atmosferica (~ 105 N/m2). Sunetele audibile au o frecventa cuprinsa ntre 16 16.000 Hz. pa minima pentru un sunet audibil este de 10-5 N/m2 pentru . In relatia de mai sus, r este densitatea mediului iar v este viteza de propagare a semnalului acustic. Pentru aer ( Kg/m3, v = 340 m/s) la N/m2, Imax = 1 W/m2. Intensitatea minima a unui semnal nca audibil este Imin = 10-12 W/m2 (pentru sunete cu Hz). Nivelul acustic se exprima prin: N = 10 log I /Imin unde I este intensitatea sonora, iar Imin este intensitatea minima a unui sunet de 1000 Hz care mai poate fi auzit, Imin = 10-12 W. N se exprima n decibeli (dB). Nivelul n decibeli al unui sunet de intensitate I poate fi calculat cu relatia: N = 10 log I + 120 Se observa ca un sunet de intensitate minima are 0 db iar unul cu intensitate de 1 W/m2 are 120 db. Caracterul nociv al efectelor produse de sunete este determinat de intensitatea poluarii sonore si de timpul de expunere la actiunea ei si se manifesta prin scaderea capacitatii de munca, boli profesionale, afectarea unor functii fiziologice, tulburari psihice. Nivelul zero de intensitate a zgomotelor si sunetelor corespunde pragului de audibilitate al omului, iar nivelul superior de 200 dB este echivalent cu cel produs de o racheta cosmica n momentul lansarii. Alte zgomote apreciate sunt: fosnetul frunzelor - 10/15 dB, o convorbire telefonica - 35/40 dB, un motor de autoturism - 70 dB, traficul marilor orase - 80/85 dB, un perforator pneumatic - 110/120 dB, un avion cu reactie - 140 dB. Frecventa semnalelor sonore este cuprinsa ntre 0 si infinit. Semnalele acustice cu frecventa sub 16 Hz se numesc infrasunete, ntre 16 si 16.000 Hz - sunete, ntre 16.000 Hz si 10 9 Hz ultrasunete iar peste 109 Hz - hipersunete. n natura se pot deosebi urmatoarele tipuri de sunete: sunetul pur - reprezinta sunetul alcatuit dintr-o singura unda cu o anumita frecventa

13

sunetul muzical (armonic) - sunet compus din mai multe frecvente supradaugate din care componenta cu frecventa cea mai joasa este frecventa fundamentala, iar celelalte sunt armonice cu frecventa egala cu un multiplu ntreg al frecventei de baza. Armonicele pot avea diferite amplitudini. zgomotul alb - sunet compus care contine toate frecventele posibile si cu amplitudine egala. Este echivalentul luminii albe. zgomotul - sunet compus cu o combinatie neomogena de frecvente si amplitudini.

Caracteristici de perceptie In ceea ce priveste caracterele perceptiei sonore, ele sunt codificate la nivel cortical n felul urmator: naltimea tonala, sub care se percepe frecventa semnalului acustic este codificata spatial, fiecare frecventa componenta a semnalului acustic fiind receptata distinct si trimisa sub forma potentialelor de actiune (PA) prin neuronii auditivi ntr-o anumita regiune a cortexului. Taria sonora cu care percepem intensitatea semnalului acustic se codifica, la fel ca n toate mesajele cantitative senzoriale, prin frecventa de repetitie a impulsurilor nervoase. Cnd intensitatea depaseste capacitatea de transmisie a unei fibre (mai multe sute de impulsuri pe secunda) are loc fenomenul de recrutare neuronala, prin care doua sau mai multe fibre participa la transmiterea aceluiasi semnal. Receptia senzoriala auditiva Semnalele auditive sunt transformate n potentiale electrice locale la nivelul celulelor auditive din organul Corti (urechea interna). La nivelul organului auditiv putem deosebi doua tipuri de potentiale electrice: 1. potentiale permanente, neconditionate de prelucrarea semnalelor acustice: potentiale endolimfatice, dintre mediul intracelular al celulelor auditive si endolimfa, la nivelul polului ciliar, este de aproximativ 100mV. potentialul de repaus al celulelor auditive ciliate (-50 -70 mV), masurat ntre citoplasma celulelor auditive si perilimfa.

Aceste potentiale nu sunt implicate direct n prelucrarea informationala ce constituie perceptia auditiva, ci asigura pragul energetic necesar traducerii mecano-electrice. 2. potentiale de prelucrare informationala a semnalelor acustice n care distingem:

14

potentiale locale produse de vibratiile membranei bazilare si care se culeg direct la nivelul celulelor auditive ciliate. Aceste potentiale locale stimuleaza neuronii ganglionari ce produc PA transmise spre centri corticali din aria auditiva. Stimularea celulelor auditive, dispuse de-a lungul canalului cohlear pe membrana bazilara, se produce numai n acele zone n care membrana bazilara vibreaza cu amplitudine maxima. Aceste zone sunt selectate de fenomenul de rezonanta la transmiterea undelor sonore prin lichidul endocohlear (endolimfa), de la nivelul ferestrei rotunde spre helicotrema si napoi.

urechea interna - modul de propagare a undelor sonore prin canalul auditiv potentialul microfonic cohlear, ce se poate culege prin electrozi plasati de o parte si de alta a membranei bazilare, ntre endolimfa si perilimfa, avnd o serie de caracteristici si anume: amplitudinea sa nu respecta legea "tot sau nimic", nu are prag de detonare, apare pentru orice frecventa, depasind spre infrasunete (sub 16 Hz) si ultrasunete (peste 16 kHz) zona acustica si nu contribuie la transmiterea semnalelor acustice spre cortex. potentiale de actiune (PA) din fibrele nervoase auditive, prin care se transmit, modulat n frecventa de catre neuronii ganglionari, informatiile acustice traduse de la nivelul celulelor ciliate auditive catre aria corticala auditiva. Aceste potentiale contin codificate doua tipuri de informatii: 1. naltimea tonala, codificata prin originea de la nivelul canalului cohlear si zona de proiectie. Sunetele cu frecventa mare origineaza la baza melcului iar cele cu frecventa scazuta la varf. 2. taria sunetului, codificata prin frecventa de repetitie a impulsurilor. Timbrul sonor se formeaza prin stimularea simultana a diferitelor zone din aria corticala. Explorarea functiei auditive presupune aprecierea cantitativa a sensibilitatii urechii. Audiometria este metode de determinare a pragului de audibilitate (limita inferioara) ce reprezinta presiunea sonora minima a unei vibratii sonore cu o anumita frecventa ce poate fi perceputa de ureche ntr-un mediu foarte linistit. Curba de superioara reprezinta pragul

15

senzatiei dureroase. Suprafata nchisa de cele doua curbe reprezinta suprafata de audibilitate. Ea scade cu ct auzul subiectului este mai slab.

Audiograma normala Ultrasunetele Sunt vibratii mecanice cu o frecventa ce depaseste 16 kHz, ajungnd pna la 109 Hz. Ele se pot produce cu ajutorul unor dispozitive (traductoare) speciale, dintre care cele mai folosite sunt generatoarele piezoelectrice si cele magnetostrictive avnd gama de frecventa ntre 1000 si 10.000.000 Hz. Acestea se compun din doua parti principale: un generator ce produce curent electric alternativ de frecventa necesara si un vibrator care transforma energia electrica a generatorului n vibratii mecanice. Viteza de propagare, ntr-un mediu dat, variaza ntre 300 si 6000 m/s, functie de proprietati fizice precum densitatea sau impedanta acustica. esuturile traversate de ultrasunete (US) sufera o serie de efecte mecanice, termice si chimice, care au la baza fenomene de absorbtie de energie: Efectele chimice sunt caracterizate prin procese de oxidare, marirea vitezei de reactie si a efectului catalizatorilor etc. Efectele termice se manifesta prin ridicarea temperaturii tesuturilor. Reprezinta principala forma de interactie datorata fenomenului de absorbtie a energiei undelor US la trecerea prin tesuturi. Efectele mecanice sunt legate de producerea fenomenului de cavitatie, ruperi ale lichidului strabatut de US. Aceste goluri se umplu cu gazele dizolvate n lichid. Cavitatile se produc n procesul de destindere a undei care se propaga. Peretii cavitatii fiind foarte apropiati permit producerea de descarcari electrice n gazele rarefiate din cavitate. Presiunea si temperatura din cavitate sunt scazute. In procesul de formare a cavitatii se produc excitari, ionizari si se formeaza radicali liberi (atomi, molecule sau fragmente de molecule ce au un electron periferic cu spinul necompensat). Cum n mediul biologic apa se afla n cantitate foarte mare, US pot produce "sonoliza" apei cu formarea de H+, OH-,16

H, OH etc. Durata de viata a acestor radicali liberi este foarte scurta (10-210-4s) dar mai mare ca cea a cavitatii n sine (10-6s), ei acumulndu-se n lichid si constituind un factor determinant n producerea efectelor nocive ale US. Procesul de formare a cavitatii este urmat de anihilarea acesteia (n procesul de comprimare a undei). Presiunea si temperatura cresc foarte mult, cu efecte asupra mediului nconjurator al zonei n care s-au aflat cavitatile (descompunerea moleculelor, depolimerizari, inactivari etc.). Datorita aceastor efecte, la nivel celular, US produc ruperea membranei biologice, clarificarea continutului citoplasmatic, descompunerea acizilor nucleici, desfacerea proteinelor la nivelul legaturii peptidice etc, n general afectarea ntregului metabolism celular (celulele tinere sunt mult mai sensibile). De mentionat ca influenta fenomenului de cavitatie asupra tesuturilor biologice la nivelurile de energie a US folosite n terapie sau diagnostic nu a fost complet elucidata. Efectele US depind de intensitatea acestora si de durata de expunere. In raport cu intensitatea, deosebim: a) intensitati mici (5 W/cm2), care produc schimbari ireversibile (nucleele celulelor se deformeaza si se lizeaza).

Datorita efectelor produse, US au n medicina o serie de aplicatii: 1. Ultrasonoterapia actioneaza cu frecvente optime cuprinse ntre 800 - 3000 kHz, adncimea la care patrund n tesuturi fiind ntre 5 - 7 cm. Mentionam ca ultrasunetele sunt absorbite dupa o lege exponentiala de forma :

unde I0 este intensitatea la nivelul sursei, I la distanta d de sursa, e este baza logaritmilor naturali (e=2.71), iar este un coeficient de absorbtie dependent de energia transportata si de mediul strabatut. Gradul de absorbtie a ultrasunetelor depinde de frecventa. Astfel, ultrasunetele de frecventa nalta sunt puternic absorbite, avnd efect local. Actiunile generale (sistemice) sunt caracteristice frecventelor joase. Fenomenul fizic principal determinat de absorbtia ultrasunetelor la nivelul materiei biologice, este efectul termic. esuturile biologice absorb ultrasunetele n cantitate relativ mare (de exemplu, la 1 Mhz si la 37oC absorbtia n tesutul hepatic este de aproximativ de 600 de ori mai mare dect n apa si de doua ori mai mare n muschi dect n tesutul hepatic, n timp ce grasimile absorb 50% din energia ultrasunetelor). Distributia caldurii n interiorul tesutului depinde de geometria si intensitatea fasciculului, ct si de coeficientul de absorbtie.17

Datorita efectelor termice produse, ultrasunetele se utilizeaza n tratamentul starilor reumatismale, n afectiuni ale sistemului nervos periferic, n nevralgii si nevrite, n afectiuni circulatorii etc. 2. Ultrasonografia - un rol deosebit n medicina l are diagnosticul cu ultrasunete. Principiul metodei consta n emiterea si receptionarea consecutiva a undelor ultrasonice reflectate de pe suprafata de separatie a tesuturilor cu impedanta acustica diferita. Prin aceasta metoda se poate examina structura tesuturilor moi, diagnosticul cu ultrasunete completnd pe cel cu raze X. Metoda se aplica cu bune rezultate la examinarea organelor abdominale, a inimii etc, sau chiar pentru aprecierea vitezei sngelui prin vase. In aceste cazuri se utilizeaza efectul Doppler (variatia frecventei de propagarea a sunetului emis de o sursa mobila, functie de viteza de deplasare a acesteia fata de receptor). In stomatologie, tehnicile ultrasonice sunt folosite mai ales pentru: 1. diagnosticarea microfracturilor dentare sau a cariilor aparute sub restaurari prin studiul propagarii pulsului ultasonor la nivelul structurilor dintelui; utilizarea sistemelor ultrasonice puls-ecou permite masurarea vitezei undelor ultrasonore la nivelul dintilor intacti, cu detectarea jonctiunilor smalt-dentina sau dentina-pulpa dentara si masurarea grosimii acestor straturi. S-au putut determina vitezele undelor n smalt si dentina pentru fiecare tip de dinte. Exemple de valori ale vitezei undelor ultrasonore de 10 MHz sunt prezentate n tabelul de mai jos:

Material Aer Apa Dentina Smalt

Densitate (kg/m3) 1.2 1000 2100 2900

Viteza (m/s) 330 1480 3800 5700

Impedanta acustica (kg/m2/s x 106) 0.0004 1.48 8.0 16.5

In imagine se poate observa jontiunea smalt-dentina la nivelul coroanei unui molar, obtinuta prin reconstructie 2D a datelor experimentale, comparativ cu imaginea sectiunii aceluiasi dinte.

18

2. diagnosticarea afectiunilor parodontale marginale; modificarile de la nivelul osului alveolar pot fi evidentiate prin examen radiografic al marginilor alveolare. In acest caz apar dificultati legate de abordarea regiunii (ce explica diferentele individuale constatate), marginea fiind mascata de umbra tesutului dur al dintelui n regiunea vestibulara si linguala. Prin metoda ultrasonica s-a putut elimina acest impediment, structurile alveolare fiind net deosebite pe ultrasonograma.

19