3. BIOFIZICA SISTEMELOR COMPLEXE
BIOACUSTICĂ
Acustica studiază anumite vibraţii ale corpurilor materiale, care se reflectă în simţuri sub formă desunet. Urechea umană este sensibilă pentru sunete alcătuite din vibraţii cu frecvenţa între 16 şi 20000
perioade pe secundă (herţi).
Sunetul
Sunetul este un fenomen fizic care stimulează simțul auzului. La oameni, auzul are loc când vibrațiile
de frecvențe între 15 si 20.000 de hertzi ajung la urechea internă. Hertzul, sau Hz, este unitatea de
masură a frecvenței egală cu o perioadă pe secundă. Astfel de vibrații ajung la urechea internă când
sunt transmise prin aer și sunetul este restricționat. Sunetele cu frecvențe mai mari de 20.000 Hz sunt
numite ultrasonice. În general, undele se pot propaga transversal sau longitudinal. În ambele cazuri,
doar energia mișcarii undei este propagată prin mediu; nici o parte din mediu nu se mișcă prea
departe. O undă sonoră este o undă longitudinală. În timp ce energia mișcarii undei se propagă în
exteriorul sursei, moleculele de aer se miscă în față și în spate, paralel la directia de mișcare a undei.
Așadar, o undă sonoră este o serie de compresii și extensii alternative ale aerului. Fiecare moleculă
dă energie moleculei vecine, dar după ce unda sonoră a trecut, fiecare moleculă rămâne în aceeași
pozitie ca la început.
Amplitudinea
Amplitudinea este caracteristica undelor sonore pe care o percepem ca volum. Distanța maximă pe
care o unda o parcurge de la pozitia normală, sau zero, este amplitudinea; aceasta corespunde cu
gradul de mișcare în moleculele de aer ale unei unde. Când gradul de mișcare în molecule crește,
acestea lovesc urechea cu o forță mai mare. Din cauza aceasta, urechea percepe un sunet mai
puternic. O comparație de unde sonore la amplitudine scazută, medie și înaltă demonstrează
schimbarea sunetului prin alterarea amplitudinii. Aceste trei unde au aceeași frecvență și ar trebui să
sune la fel, doar că există o diferență perceptibilă în volum. Amplitudinea unei unde sonore este
gradul de mișcare al moleculelor de aer din undă. Cu cât amplitudinea unei unde este mai mare, cu
atât moleculele lovesc mai puternic timpanul urechii și sunetul este auzit mai puternic. Amplitudinea
unei unde sonore poate fi exprimată în unități măsurând distanța pe care se întind moleculele de aer,
sau diferența de presiune între compresie și extensie ale moleculelor, sau energia implicată în proces.
Când cineva vorbeste normal, de exemplu, se produce energie sonoră la o rată de aproximativ o sută
de miime dintr-un watt. Toate aceste măsuratori sunt extrem de dificil de făcut și intensitatea
sunetului este exprimată, în general, prin compararea cu un sunet standard, măsurat în decibeli.
Caracteristici fizice
Orice sunet simplu, cum ar fi o notă muzicală, poate fi descrisă în totalitate, specificând trei
caracteristici perceptive: înălțime, intensitate și calitate (timbru). Aceste caracteristici corespund
exact cu trei caracteristici fizice: frecvența, amplitudinea și constituția armonică, sau respectiv forma
undei. Zgomotul este un sunet complex, o mixare de multe frecvențe diferite sau note care nu sunt
legate armonic.
Frecvența
Noi percepem frecvența, ca sunete mai "înalte" sau sunete mai "joase". Frecvența unui sunet este
numărul de perioade sau oscilații, pe care o undă sonoră le efectuează într-un timp dat. Frecvența este
masurată în hertzi. Undele se propagă la frecvențe mari și la frecvențe joase, dar oamenii nu sunt
capabili sa le audă în afara unei raze relativ mici. Sunetele pot fi produse la frecvențe dorite prin
metode diferite.
De exemplu, un sunet de 440 Hz poate fi creat activând o boxă cu un oscilator care acționează pe
această frecvență. Un curent de aer poate fi întrerupt de o roată dințată cu 44 de dinți, care se rotește
cu 10 rotații/secundă; această metodă este folosită la sirenă. Sunetul produs de boxă și cel produs de
sirena, la aceeași frecvență este foarte diferit în calitate, dar corespund la înălțime.
Intensitatea sunetului
Intensitatea sunetului este măsurată în decibeli(dB).
De exemplu, intensitatea la minimul auzului este 0 dB, intensitatea șoaptelor este în medie 10 dB și
intensitatea foșnetului de frunze este de 20 dB. Intensitățile sunetului sunt aranjate pe o scara
logaritmică, ceea ce înseamnă că o mărire de10 dB corespunde cu o creștere a intensității cu o rata de
10. Astfel, foșnetul frunzelor este de aproape 10 ori mai intens decat șoapta. Distanța la care un sunet
poate fi auzit depinde de intensitatea acestuia.
Percepția notelor
Dacă urechea unei persoane tinere este testată de un audiometru, se va observa ca este sensibilă la
toate sunetele de la 15-20 Hz până la 15.000-20.000 Hz. Auzul persoanelor în vârstă este mai puțin
acut, mai ales la frecvențe mai înalte. Gradul în care o ureche normală poate separa două note de
volum puțin diferit sau de frecvență puțin diferită variază în diferite raze de volum și frecvență a
notelor.
Reflexia: Sunetul este guvernat de reflexie, respectând legea fundamentală, adică unghiul de reflexie
este egal cu cel de incidență. Rezultatul reflexiei este ecoul. Sistemul de radar subacvatic depinde de
reflexia sunetelor propagate în apă. Un megafon este un tub tip cornet care formează o rază de unde
sonore reflectând unele dintre razele divergente din parțile tubului. Un tub similar poate aduna
undele sonore dacă se îndreaptă spre sursa sonoră capătul mai mare; astfel de aparat este urechea
externă a omului.
Refracția: Sunetul, într-un mediu cu densitate uniformă, se deplasează înainte într-o linie dreaptă.
Însă, ca și lumina, sunetul este supus refracției, care îndepărtează undele sonore de direcția
lor originală.
Exemplu: În regiuni polare, unde aerul de lângă pământ este mai rece decât cel ce se află la înălțimi
mai ridicate, o undă sonoră îndreptată în sus care intra in zona mai caldă din atmosfera este refractată
spre pământ. Recepția excelentă a sunetului în direcția în care bate vântul și recepțiaproastă invers
direcției vântului se datoreaza tot refracției.
Ultrasunetele
Dintre vibraţiile sonore care ies din limitele de audibilitate ale urechii omeneşti, de un mare interes,
din punct de vedere practic, sunt ultrasunetele, adică sunetele a căror frecvenţă este mai mare de
20000 Hz.
Exemplu: Orientarea liliecilor se bazează pe faptul că aceştia emit semnale unde ultrasonore scurte
de frecvenţe între 30 – 60 kHz. Liliacul în zbor emite în medie cca. 30 semnale pe secundă. O parte
din acestea sunt recepţionate de urechile mari ale liliacului sub formă de semnale ecou, după un timp
cu atât mai scurt cu cât obstacolul este mai aproape. Pe măsura apropierii de obstacol, liliacul emite
din ce în ce mai multe semnale într-o secundă, ajungând ca de exemplu la un metru de obstacol să
emită până la 60 semnale pe secundă. Aceasta permite liliacului să simtă precis poziţia sa faţă de
obstacole.
Importanţa practică a ultrasunetelor este legată de lungimea de undă mică a acestora. Din această
cauză, ultrasunetele pot fi emise şi se propagă ca şi razele de lumină sub formă de fascicule, spre
deosebire de sunetele obişnuite care se împrăştie în toate direcţiile. Astfel se constată experimental că
dacă lungimea undei emise este mai mică decât dimensiunile liniare ale sursei, unda se va propaga în
linie dreaptă sub formă de fascicul. În afară de aceasta, datorită lungimii de undă mici, fenomenul de
difracţie (ocolirea obstacolelor) nu apare decât pentru obstacolele de dimensiuni foarte mici, în timp
ce sunetele obişnuite ocolesc practic aproape orice obstacol întâlnit în cale.
Ultrasunetele au efecte biologice importante. La ultrasonarea unui lichid se poate produce o diferenţă
de presiune de mai multe atmosfere între două puncte situate la o distanţă egală cu jumătatea
lungimii de undă a vibraţiei ultrasonore. Acestă diferenţă de presiune poate fi uneori mortală. Astfel,
aplicaţiile cu ultrasunete au mare importanţă în sterilizarea diferitelor alimente.
Deasemenea, ultrasunetele au efecte distructive mecanice, fizice, chimice.
Ca aplicaţii medicale se folosesc aparate generatoare de ultrasunete, cu frcvenţă de 800 kHz, care au
ca piesă de aplicare un cap de iradiere care se pune pe corp după ce acesta a fost uns cu ulei
de parafină. Datorită încălzirii, acesta se deplasează permanent pe regiunea iradiată. Se pot folosi şi
medicamente care se întind pe piele apoi se aplică ultrasonarea.
Recepţia auditivă
Pentru ca vibraţia mecanică să dea naştere senzaţiei auditive, ea trebuie prcepută de analizatorul
auditiv, care transformă senzaţia în excitaţie nervoasă care produce senzaţia auditivă. Senzaţiile
auditive pot fi: plăcute (sunete muzicale) sau neplăcute (zgomote). Sunetul este transmis prin canalul
auditiv şi pune în vibraţie timpanul şi lanţul de osicioare auditive, transmiţănd vibraţiile spre
fereastra ovală. Osicioarele auditive au o importanţă capitală. Ciocănelul şi nicovala, deşi articulate
între ele, sunt strîns legate, astfel că oscilează împreună ca un singur organ în timpul vibraţiei sonore.
Aceste mişcări se transmit scăriţei care este fixată de fereastra ovală.
Fonaţia
Fonaţia este un proces complex care constă din emiterea unor sunete de către organul vocal uman.
Organul vorbirii este laringele, care are forma unei pîlnii al cărei tub este traheea. Laringele prezintă
două îndoituri numite coarde vocale inferioare, care au proprietăţi contractile. Coardele vocale se pot
apropia şi depărta făcînd să varieze şi întinderea lor. Deasupra coardelor vocale inferioare se află alte
două îndoituri, adică coardele vocale superioare. Aceastea delimitează deschiderea, numită glotă.
Sunetele vocale se formează în laringe, acesta funcţionînd ca un tub sonor cu aerul pulmonar. La
emiterea sunetului, coardele vocale se contractă şi glota se îngustează. După aceea, curentul de aer
trece prin glotă în timp ce coardele vocale intră în vibraţie. Emisiunea vocală nu constă numai din
sunetele laringiene, ci şi din suprapunerea altor vibraţii, de rezonanţă ale diferitelor cavităţi ale
organismului. Sunetele joase sunt însoţite de o vibraţie a pereţilor toracici, iar pentru sunetele înalte
rezonanţa are loc în cavităţile supralaringiene.
OPTICĂ BIOLOGICĂ
legătură organismele cu mediul, producînd prin analizatorul vizual senzaţia subiectivă de vedere.
Ochiul
Ochiul are o formă aproape sferică cu diametrul de 22 mm. Învelişul extern este constituit
din sclerotică, restul este corneea transparentă în partea anterioară.
Pe partea interioară a scleroticii se află coroida care se continuă cu irisul. Retina este membrana cea
mai internă a globului ocular şi este constituită din prelungirea nervului optic.
Globul ocular conţine trei medii transparente: umoarea apoasă, umoarea sticloasă şi cristalinul.
Factorul obiectiv în procesul vederii este lumina; acţiunea ei asupra retinei dă naştere la fenomene
fotochimice şi electrice complexe, care determină impulsuri nervoase transmise de la receptorul
periferic la scoarţa cerebrală, ceea ce caracterizează senzaţia vizuală.
Perceperea luminii
Sistemul optic al ochiului dă pe retină o imagine reală, inversată şi mai mică a obiectelor aflate în
afara ochiului. În locul în care intră nervul optic în ochi, lumina nu este percepută (pata oarbă).
Elementele fotosensibile ale retinei sunt conurile şi bastonaşele, care au roluri diferite în formarea
senzaţiei vizuale. Bastonaşele au o sensibilitate mult mai mare decît conurile, dar nu funcţionează ca
elemente de distingere a culorilor. Senzaţia de culoare se produce numai la excitarea conurilor.
Vederea diurnă este legată de excitarea conurilor şi funcţionează la iluminări suficient de mari
permiţînd distingerea culorilor şi perceperea unui număr mare de amănumte. Vederea
nocturnă(periferică) este legată de excitarea bastonaşelor. De obicei, ambele moduri de vedere
funcţionează simultan, iar în cazul iluminării foarte slabe funcţionează numai vederea periferică.
Adaptarea ochiului la diferite străluciri se produce în două feluri: prin reflexul pupilar şi prin
migraţia pigmentului retinian. Adaptarea de la lumină la întuneric cere mai mult timp decît invers.
3. BAZELE FIZICE ALE IMAGISTICII MEDICALE
Imagistica cu raze röentgen: röntgendiagnostic
Radiaţia descoperită în 1895, la Universitatea Wurzburg, de către fizicianul Röntgen, denumită
radiaţia X, este o radiaţie electromagnetică, cu lungime de undă extrem de mică, în medie de 10.000
de ori mai mică decât cea a luminii. Se produc raze X, ori de câte ori electroni aflaţi în mişcare foarte
rapidă, se lovesc de corpuri materiale, unde produc dislocări de electroni de pe orbitele energetice ale
atomilor acestor corpuri. Pentru a se menţine echilibrul, electronii de pe orbitele mai periferice,
ale corpului izbit, vor lua locul electronilor dislocaţi de pe orbitele mai centrale. Din acest salt de pe
un nivel energetic pe altul, în sensul menţionat mai sus, rezultă un plus de energie, adică razele X.
Modificările suferite de energia radiantă la diverse nivele în corpul omenesc alcătuiesc în ansamblul
lor elemente utile, pe care fascicolul de raze X le poate transmite examinatorului sub formă de
imagini radiologice, produse datorită modificărilor care au loc în fascicolul de raze X la nivelul
ţesuturilor şi organelor de examinat. Coeficientul de absorbţie este proporţional cu numărul atomic la
puterea a patra din corpul traversat– structurile cu număr atomic mare vor atenua mai mult fascicolul
de raze X, iar din punct de vedere radiologic vor fi mai opace(exemplu: segment scheletic).
Producerea radiaţiei X se face în tubul de raze- tubul Coolidge.
Este un tub în care se află un vid foarte avansat, unde electronii emişi de catod(un filament de
wolfram ce a fost adus la incadescenţă) sunt accelerați la diferenţe de potential de zeci de mii de
volți, se ciocnesc cu materialul anodic, unde cea mai mare parte din energia lor se pierde prin ionizări
şi excitări în straturile superioare ale materialului anodic, iar o parte produce radiaţie Röntgen.
Proprietăţiile radiaţiei X sunt comune cu ale radiaţiilor electromagnetice, intensitatea lor scade
invers proporţional cu pătratul distanţei.
Proprietăţile speciale:
-penetrabilitate– invers proporţională cu lungimea de undă;
-sunt absorbite de corpurile prin care trec, absorbţia fiind direct proporţională cu numărul atomic la
puterea 3, densitatea şi grosimea obstacolului;
-determină fenomenul de luminiscenţă;
-determină efect de fotosensibilitate (reduce emulsia de argint la argint metalic);
-produc ionizare;
-au efecte biologice asupra ţesuturilor vii prin ionizări şi prin excitaţii care produc alteraţii în aceasta.
Efectele celulare ale radiaţiilor
a) Mecanismul de acţiune este direct şi indirect
.- acţiunea directă este sub forma rupturii arhitecturii moleculare şi în special la nivelul unor structuri
ca genele, cromozomii sau enzime- doza este fără importanţă;
.- acţiunea indirectă- este dată de substanţele născute din reacţiile directe.
b) Natura leziunilor- A.D.N-ul este ţinta preferată a radiaţiilor, adică materialul genetic.
c) Efectele somatice- sunt asupra individului în totalitate şi pot apare la interval de ore, până la ani.
La nivel somatic acţionează legea conform căreia, cu cât un ţesut este mai tânăr cu atât el este
mai sensibil şi vulnerabil(Bergonier şi Tribondeau).
d) Manifestarile clinice- ale leziunilor apar numai excepţional în cadrul iradierii diagnostice. Ele pot
fi văzute la medicii radiologi sub forma de boala profesională.
e)Efecte feto-embrionare- sunt diferite după vârsta produsului de conceptie:
- la stadiul de ou acţionează legea: tot sau nimic. Oul trăieste normal sau moare;
- la stadiul de organogeneză în primele trei luni se produc malformaţii grave;
- fătul mai mare de 3 luni este mult mai puţin radiosensibil.
f)Efecte genetice- mutaţii care apar indiferent de doză, dar se dublează după 30-50 rds.
g)Efecte cancerigene au o frecvenţă mică, dar există.
Efectele la nivel tisular sau ale întregului organism reprezintă suma(nu neapărat matematică)
modificărilor celulare. Acumularea în timp a tuturor acestor modificări duce în ultima instanță la
moartea individului prin alterări funcționale şi organice ireversibile.
Protecţia împotriva radiaţiilor
În lumea contemporană, orice fiinţă vie de pe suprafaţa pământului suportă o iradiere care nu poate fi
evitată.
- 87% din această iradiere este dată de iradierea naturală;
-13% este procentul de iradiere artificială, din care 11,5% reprezintă iradierea medicală.
Aceasta din urma se datorează în principal iradierii cu scop diagnostic. Evoluţia tehnologiilor de
diagnostic, în special dezvoltarea imagisticii medicale şi în mod particular, a tehnicilor de explorare
fără radiaţii Röntgen(Ecografia şi Imagistica prin Rezonanţă Magnetică) nu au modificat esenţial
acest procent, care continuă să rămână ridicat, oriunde pe suprafaţa planetei. Mecanismul iradierii
încă foarte mari este diferit în diferite zone geografice:
Astfel, în regiunile cu slabă dezvoltare economică iradierea se datorează utilizării în continuare a
unor tehnologii învechite de emisie, control şi utilizare a radiaţiilor. În ţările cu înaltă dezvoltare
tehnologică, iradierea este aproape similară, dar este determinate de excesul de investigaţie. Aceasta
poate apărea ca un corolar al sistemelor sofisticate de sănătate publică, în care gestul medical
subvenţionat împinge la excese şi la risipă.
Ţara noastră este între cele două, încercând eforturi remarcabile de reînnoire şi actualizare a
echipamentelor radiologice şi de raţionalizare a explorării, în contextul unui sistem de sănătate, care
implementat la mare distanţă de alte sisteme din care s-a inspirat, are datoria de a preveni defectele
modelelor. Ca răspuns la situaţia semnalată mai sus singurele măsuri de protecţie eficiente şi
aplicabile sunt:
-raţionalizarea explorării radiologice în special la grupele de populaţie cu factori de risc (copii,
gravide etc.);
-modernizarea echipamentelor, cu extinderea tehnologiilor de achiziţie şi prelucrare digitală.
Pentru o raţionalizare corectă a explorărilor trebuie cunoscute dozele proporţionale de radiaţii
încasate de pacienţi. Acestea se pot cunoaşte din tabele şi dau uneori date surprinzătoare.
Examenul radiologic toracic la un copil fără semne clinice de boală cardiacă sau pulmonară este un
exces, tot un exces uzual este şi radiografia de coloană vertebrală repetată cu ocazia fiecărei
internari la un bolnav cu leziuni degenerative. Tot raţionalizare se numeşte şi alegerea dintre mai
multe posibilităţi de explorare a aceleia care aduce maximum de informaţii şi poate înlocui metode
mai iradiante. Deşi ideea pare fantezistă, cea mai bună metodă de diagnostic radiologic a afecţiunilor
sinusurilor feţei este computertomografia.
Suspiciunea de diagnostic de adenom hipofizar obligă la examen prin Rezonanţă Magnetică; astfel se
evită iradiarea prin alte explorări radiologice mai neperformante în situaţia dată. O solicitare de
examen radiologic trebuie redactată în scris, lizibilă şi precisă. Ea trebuie să indice contextul clinic,
pentru ca radiologul să poată întelege problemele particulare pentru care se solicită explorarea
respectivă. Este de datoria şi de calificarea radiologului să stabilească metoda şi tehnica optimală
pentru situaţia dată.
Receptarea informaţiei se face în mai multe moduri:
-radioscopie: radiaţia reziduală acţionează asupra unui mediu cu proprietăţi fluorescente şi produce
o imagine dinamică real- time a structurilor traversate;
-radiografie: impresionarea chimică directă şi prin emisie luminoasă obţinută cu ajutorul ecranelor
întăritoare asupra emulsiei de săruri de argint de pe suprafaţa unui film radiografic.
Aparatura de radiodiagnostic
Orice instalaţie radiologică se compune din două părţi:
-aparatul propriu-zis;
-accesorii.
Aparatul se compune din:
-tubul radiogen;
-transformatorul de înaltă tensiune;
-transformatorul de încălzire;
-de joasă tensiune;
-cablurile sau troleele;
-masa de comandă.
Tubul radiogen– constă dintr-un balon, construit dintr-o sticlă specială, fabricată pentru a rezista la
temperaturi deosebit de ridicate. Balonul are două tuburi laterale situate unul în faţa celuilalt:
- catodul – polul negativ al tubului format dintr-un filament de tungsten, dispus în formă de spirală,
adus la incadescenţă de un transformator de încălzire;
- anodul – polul pozitiv format din aliaj de metale greu fuzibile care au proprietatea de a transmite
rapid căldura primită,facilitând răcirea tubului produsă şi prin rotaţia sa(3000 ture/min).
Transformatorul de inaltă tensiune: transformă tensiunea obişnuită de la reţea în tensiune înaltă,
cu cât tensiunea este mai mare se vor produce raze mai dure –de aici rezultă calitatea razelor.
Masa de comandă: serveşte la punerea în funcţiune şi la oprirea aparatului. Aceasta este înzestrată
cu aparate care permit: măsurarea curentului de la reţea; măsurarea timpului; butonul de punere
în funcţiune.
Receptorul
a) radioscopia- clasică sau analogică- imagine obţinută direct pe ecranul ce este constituit
dintr-o foaie de material celulozic sau plastic, pe care este dispersat un material fluorescent:
platinocianura de bariu, tungstatul de cadmiu sau sulfura de zinc şi cadmiu. Astăzi sunt folosiţi
compuşi de cesiu, titan, ytrium sau pământuri rare. Pentru protecție, în faţa ecranului este o sticlă
specială
b) radiografia simplă- se bazează pe efectul fotochimic al radiaţiilor având avantaje: document,
doză de iradiere redusă, cost relativ scăzut. Filmul radiografic este format dintr-un suport
transparent, acoperit de o emulsie de cristale de bromură de argint suspendată în gelatină.
Formarea imaginii radiologice- imaginea radiologică există în formă latentă în relieful spectral al
fascicolului emergent. Întrucât organele au structuri neomogene, compoziţie chimică, densitate,
grosime variabile, relieful fascicolului emergent va traduce pe planul de proiecţie variaţii
de absorbţie determinate de aspectul neuniform al organului de cercetat, fapt ce va duce la
impresionarea discontinuă inegală a sistemului detector.
