Biofyzika faktorov vonkajšieho prostredia

Ekobiofyzika – interakcie organizmu s fyzikálnymi faktormi vonkajšieho prostredia

Kontakt s okolitým prostredím– koža– dýchací systém– tráviaci systém

Faktory vonkajšieho prostredia – fyzikálne, chemické biologické, spoločenské

Fyzikálne faktory: – mechanické– akustické– klimatické– elektrické– magnetické– ionizujúce a neionizujúce žiarenie

Účinky mechanických faktorov

• charakter – statický a dynamický

účinky gravitácie a zrýchlenia

• ľudský organizmus – adaptovaný na jednosmerné pôsobenie gravitačného zrýchlenia (g = 9,81 m.s-2)

• preťaženie – niekoľkonásobné zrýchlenie ako g – kladné preťaženie – pôsobiaca sila smeruje od hlavy

k nohám• biela slepota• kritická hodnota 5 g

– záporné preťaženie – pôsobiaca sila smeruje od nôh k hlave

• červená slepota• kritická hodnota 3 g

– priečne preťaženie - kritická hodnota 18 g

beztiažový stav – odstredivá a dostredivá sila sú v rovnováhe– zaniká dráždenie

vestibulárneho systému

kinetózy – opakované nepravidelné striedanie záporného a kladného zrýchlenia

účinky tlaku

• zmeny atmosférického tlaku – podtlak– pretlak

• tlak klesá s nadmorskou výškou

- výšková hypoxia

– náhly výstup do výšky nad 3000 m

- horská (výšková) choroba

Henryho zákon pV

V

k

p .

Kesónova choroba

- pretlakové komory

• dysbarizmus

• barotrauma

účinky mechanickej energie

• mechanická trauma organizmu – pri náraze, náhlej zmene smeru pohybu, pri dlhodobom pôsobení tlaku– otrasy mozgu, srdca

• mechanické kmitanie hmotných telies s f menšou ako 25 Hz otrasy

• otrasy s vyššou f vibrácie

účinky akustických faktorov• zvuk 16 Hz – 20 kHz (pod 16 Hz – infrazvuk, nad 20

kHz – ultrazvuk)– intenzita zvuku– hladina intenzity

• hluk – nežiadúci zvuk neperiodického charakteru s rôznou frekvenciou, intenzitou a hlasitosťou, ktorý vyvoláva rušivý alebo nepríjemný vnem

účinky hluku

• faktory rozhodujúce o škodlivosti hluku:– fyzikálna charakteristika– charakter hluku– čas trvania– charakter práce

poškodenie sluchu: - akútne - chronické

prevencia: - technické opatrenia - osobná ochrana

akustický úder

účinky ultrazvuku

• zdroj ultrazvuku – mechanické,

magnetostrikčné a piezoelektrické generátory

- šíri sa ako zvuk, rozdiel je v absorpcii pri prechode rôznymi prostrediami (vyššia absorpcia v plynoch)

medicína:• nízkofrekvenčný ultrazvuk (20-100 kHz) – chirurgia• vysokofrekvenčný ultrazvuk (1-3 MHz) – fyzikálna terapia,

diagnostika

- interakcia ultrazvukových vĺn s organizmom závisí od ich intenzity:

– vyššia intenzita – aktívna interakcia – zmena biologického prostredia (terapia, chirurgia, laboratórne pokusy)

– nižšia intenzita – pasívna interakcia – zmena časového a priestorového priebehu ultrazvukovej vlny (diagnostika)

mechanizmy účinku ultrazvuku: • ohrev• mechanické účinky• kavitácia

ovplyvňovanie biologických systémov:• inhibičné účinky• stimulačné účinky

Účinky klimatických faktorov

Klíma – súbor priemerných hodnôt klimatických faktorov prevažne fyzikálneho charakteru (teplota, vlhkosť a prúdenie vzduchu, elektroklíma a i.)

Účinky tepelnej energie a vlhkosti

Telesná teplota – rovnováha medzi tvorbou a výdajom tepla

• teplota povrchu tela – kolíše v širokom rozmedzí

• teplota telesného jadra je stála → termoregulačné mechanizmy

• termostatické centrum – v hypotalame (36,5°C)

• koža – termoreceptory, tukové tkanivo – tepelný izolátor a regulátor

• Termoregulácia organizmu

– správanie

– zmeny metabolizmu

– fyzikálne mechanizmy

Teplota kože < teplota vzduchu → organizmus teplo prijímaTeplota kože > teplota vzduchu → organizmus teplo vydáva → 4 fyzikálne mechanizmy:

Kondukcia (vedenie) – 1% z celkového tepelného výdaja org.

Konvekcia (prúdenie) – 15%

Radiácia (sálanie) – 55-65%

Evaporácia (vyparovanie) – 20 – 25% - závisí od vlhkosti vzduchu

Účinky zvýšenej teploty a vlhkosti prostredia

nízka vlhkosť - nepriaznivé účinky zvýšenej teploty vonkajšieho prostredia znesiteľnejšie → evaporácia (potenie), vazodilatácia, endokrinné regulačné mechanizmy

• Prehriatie organizmu a zlyhanie termoregulácie – tepelný úpal

• Nadmerné ožiarenie slnečným žiarením – slnečný úpal (insolácia)

Účinky zníženej teploty a vlhkosti prostredia

Znížená teplota prostredia

→zvýšená tvorba tepla v organizme (zrýchlenie metabolizmu, chladový tras)

→ zníženie výdaja (vazokonstrikcia v koži)

Dlhodobé podchladenie a telesné vyčerpanie

• spánok → ďalšie ochladenie organizmu

• zníženie telesnej teploty pod 25°C ohrozenie života, pod 20°C smrť

Miestne poškodenie chladom – omrzlina

• Zmiernenie následkov – normalizácia krvného obehu (hypertermický kúpeľ)

• Hypotermia – chirurgické zákroky, zvýšenie činnosti štítnej žľazy, prehĺbenie dýchania, zníženie metabolizmu

Účinky elektroklímy

Elektroklíma – el. pole Zeme, priestorový náboj a iné el. polia

• Kladné ióny priestorového náboja – dráždivé účinky, únava, bolesti hlavy → ťažkosti pred búrkami

• Záporné ióny – priaznivé účinky → úľava po búrke

Počasie – okamžitý stav súboru klimatických faktorov nepravidelne kolísajúcich okolo priemeru určeného klímou

Biotropné účinky počasia – komplexné pôsobenie niekoľkých meteorologických

faktorov na reaktivitu veg. nerv. systému – Magnetické búrky, zvýšená frekvencia erupcií na Slnku,

prechod frontov

• Následky – obehové a dýchacie ťažkosti, bolesti v patologicky zmenených tkanivách, vplyv na psychiku

• Klimatoterapia – liečba pobytom v oblastiach s priaznivým účinkom klímy na človeka

Účinky elektrického prúdu

• Elektrický prúd – pohyb voľného elektrického náboja• Elektrické vodiče – pohyb voľných elektrických nábojov (e-

v kovoch, ióny v elektrolytoch, e- a ióny v plynoch)• Dielektrické látky – elektrické náboje sú viazané na

polarizované atómy a molekuly – posúvaním a otáčaním nábojov sa dielektrikum polarizuje → posuvný elektrický prúd

• Jednosmerný prúd – prechádza tkanivom ako pohyb iónov – elektrolyticky, šíri sa medzibunkovou hmotou– polarizácia dielektrika

• Striedavý prúd – prechádza tkanivom ako posuvný prúd– nízkofrekvenčný - membrány kladú veľký odpor– vysokofrekvenčný - prechádza bunkovými membránami

ľahko

Elektrický prúd prechádza v organizme cestou najmenšieho odporu - pozdĺž obalov nervových vlákien, ciev a medzibunkovými priestormi

- Najväčšia vodivosť - likvor a krvná plazma

- Najmenšia vodivosť - kosti

• Dráždivosť – schopnosť reagovať na podnet – Jednosmerný prúd - nemá za normálnych okolností

dráždivé účinky (iba pri náhlej zmene intenzity, pri dosiahnutí prahovej intenzity, ktorá pôsobí určitý čas)

• Reobáza – najnižšia intenzita el. prúdu, ktorá je potrebná na vyvolanie podráždenia

• Chronaxia – čas, ktorý je potrebný na vyvolanie podráždenia impulzom, ktorý má veľkosť dvojnásobku reobázy– charakteristická pre každý sval – Jednosmerný prúd spôsobuje zmeny podráždenia,

ktoré sú spojené aj so zmenou iónového prostredia – elektrotonus

• v oblasti katódy – zvýšená dráždivosť motorických nervov

• v oblasti anódy znížená dráždivosť senzorických nervov (analgetický účinok) → elektroterapia

Dráždivé účinky - elektrostimulácia

• Defibrilátor – obnovenie srdcovej akcie pri jej zastavení

• Kardiostimulátor – normalizácia a obnovenie srdcového rytmu

• Neurostinulátor – dráždenie mozgu a miechy pri Dg alebo Th

• Elektrošok – striedavý prúd vysokej intenzity (strata vedomia, epileptiformný kŕč všetkého svalstva – strata pamäti) – liečba ťažkých depresívnych stavov

účinky jednosmerného elektrického prúdu

• zmeny iónového prostredia – pohyb disociovaných iónov (transport iónov)

• elektroforéza - pohyb nedisociovaných elektricky nabitých makromolekúl a koloidov

• elektroosmóza - redistribúcia vody mebránovými štruktúrami smerom ku katóde

• účinok aj na vazomotorické nervy – zvýšenie prekrvenia svalov

Liečebné využitie jednosmerného prúdu – galvanoterapia– ionoforéza– galvanizácia

Ionoforéza

• vpravovanie liekov s elektrickým nábojom do tkanív pôsobením jednosmerného el. prúdu (kĺby, oko)

• z anódy: K+, Li+, Ca2+, acetylcholín, neomycin• z katódy: Cl-, I-, vitamín C, penicilín

• liečba ekzémov, zápalových, reumatických, alergických ochorení

Galvanizácia• aplikácia jednosmerného prúdu do tkanív pomocou

elektród umiestnených vo vodnom kúpeli• vyvoláva zvýšenie metabolizmu, hyperémiu v koži

a svaloch• analgetický účinok (pri úrazoch, zápaloch nervov,

svalov a kĺbov, trombózach, chronických kĺbových ochoreniach)

Účinky striedavého elektrického prúdu

• dráždivé účinky sú závislé od frekvencie

– do 100 Hz - dráždivosť sa zvyšuje so stúpajúcou frekvenciou

– nad 100 Hz – zvýšená frekvencia znižuje dráždivý účinok

– nad 3 kHz – dráždivý účinok sa výrazne znižuje– pri 10 kHz – dráždivý účinok sa úplne stráca, pretože

dĺžka trvania impulzu je kratšia ako najkratšia chronaxia

Nízkofrekvenčný striedavý prúd

• dráždivé, tepelné a čiastočne aj elektrolytické účinky

• liečebne sa využíva v impulzoterapii – pri rozcvičovaní zdravých a čiastočne degenerovaných svalov,

elektrostimulácii hladkých svalov,

liečbe porúch srdca,

zastavení srdca (defibrilácia)

Vysokofrekvenčný striedavý prúd

• nad 1 MHz nemá ani dráždivé a ani elektrolytické účinky• dielektrický ohrev

Vysokofrekvenčná terapia – – vysokofrekvenčný striedavý prúd + magnetické polia

+ elektromagnetické vlnenie

– hĺbkový ohrev tkanív bez priameho kontaktu a bez absorpcie infračerveného žiarenia

– krátkovlnná diatermia (f = 27,12 MHz, λ = 11,06 m)– ultrakrátkovlnná diatermia (f = 433,92 MHz, λ = 69 cm)– mikrovlnná diatermia (f = 2,45 GHz, λ = 12,25 cm)

Nepriaznivé účinky elektrického prúdu

• Najnebezpečnejší prúd pri f = 50 - 60 Hz• Pri f > 10 kHz už nie je nebezpečenstvo úrazu• možnosť úrazu závisí od napätia a od

celkového odporu v obvode (najnebezpečnejšie - zdroje s nízkym vnútorným odporom)

• Najcitlivejšie – mozog, respiračné svaly hrudníka, centrum riadiace dýchanie a srdcovú činnosť, srdce

• Bezpečný prúd pri f do 1 kHz:

– pri striedavom prúde približne 10 mA– pri jednosmernom 25 mA

• Pri úrazoch striedavým prúdom:

– do 25 mA – zástava dýchania– do 80 mA – reverzibilné zastavenie srdcovej činnosti– nad 80 mA – pribúda podiel smrteľných úrazov– nad 1 A – smrť– pri blesku – 104 - 106 A

Účinky magnetických polí

Magnetické polia podľa časových zmien:• statické – intenzita sa nemení (permanentný magnet, vodiče jednosmerného prúdu,

geomagnetické pole Zeme)• premenné – intenzita sa mení (vodiče striedavého

elektrického prúdu)• pulzné – vodiče elektrických impulzov

Magnetické polia podľa rozloženia magnetického poľa v priestore:

• homogénne – vo všetkých bodoch rovnaká veľkosť a smer

• nehomogénne – rôzna veľkosť a smer

magnetická indukcia - B

B = μ.H• H – intenzita magnetického poľa• μ – relatívna magnetická permeabilita

podľa hodnoty μ sa látky delia:• feromagnetické – μ >> 1, (Fe, Co, Ni)

• paramagnetické – μ > 1, (O2, Al, Pt)

• diamagnetické – μ < 1, (H2O, NaCl, Bi)

• v ľudskom organizme - prevažne diamagnetické a paramagnetické látky– pri zmene orientácie a koncentrácie, hlavne diamagnetických

látok - zmena kinetiky biochemických reakcií i iných fyzikálne – chemických procesov

Nepriame pôsobenie magnetického poľa – voľné radikály, ktoré vznikajú v dôsledku magnetochemických reakcií– statické polia – utlmujú metabolické procesy, znižujú dráždivosť

nervového systému– premenné polia – stimulujú metabolické procesy, zvyšujú

dráždivosť nervového systému

Magnetické polia vysokej intenzity - zmeny reakčného času, spomalenie sedimentácie erytrocytov, zníženie odporu kože, poruchy inervácie srdcovo-cievneho systému – dočasné zmeny

Využitie: • Dg. – magnetická rezonancia• Th. – nízkofrekvenčné – liečba zápalov periférnych

nervov, urýchlenie hojenia rán po úrazoch a operáciách - vysokofrekvečné – premena magnetickej energie na tepelnú – diatermia