fizika_fiziologija_2009

Fizika ljudskog organizma

Olivera Klisuri Fizika ljudskog organizma

Doc. dr Olivera KlisuriDepartman za fiziku

PMF, Novi Sad

Fizika ljudskog organizma

1. OSNOVI SISTEMOLOGIJE: ORGANIZAM KAO SISTEM

2. BIOMEHANIKA LOKOMOTORNOG SISTEMA OVEKA3. BIOMEHANIKA KARDIOVASKULARNOG SISTEMA

4. TERMODINAMIKA LJUDSKOG ORGANIZMA

5. TRANSPORTNI PROCESI U LJUDSKOM ORGANIZMU

6. BIOELEKTRINI PROCESI U LJUDSKOM ORGANIZMU7. BIOAKUSTIKA

8. SVETLOST U MEDICINI FIZIKA OKA I VIENJA

Olivera Klisuri Fizika ljudskog organizma

Biomehanika lokomotornog sistema oveka

Lokomotorni sistem omoguuje oveku da se kree u prostoru.U kretanju uestvuju dve vrste elemenata lokomotornog sistema:pasivni elementi - kosti i zglobovi;aktivni elementi - miii.

Olivera Klisuri Biomehanika lokomotornog sistema oveka

FUNKCIJA KOSTIJU U ORGANIZMU Odravanje organizma u odreenom poloaju Hodanje i druge vrste kretanja organizma Zatita osetljivih delova i vitalnih organa (mozak, srce, plua) Stovarite za odreene hemijske materijale koje organizam

moe da koristi po potrebi Stvaranje krvnih elija Ishrana organizma (zubi) Transmisija zvuka (kosti srednjeg uha - jedine kosti koje tokom

celog ivota oveka zadravaju veliinu koju su imale pri roenju)


POLUGE I SISTEMI POLUGAModel funkcionisanja lokomotornog sistema

Osnovnu predstavu o funkcionisanju lokomotornog sistema moemo dobiti ako kosti (ili grupu vrsto povezanih kostiju) posmatramo kao poluge.

Poluge su fiziki posmatrano kruta tela, tj. tela koja se ne deformiu pod dejstvom sile.

Deformacija realnih kostiju pod dejstvom sila koje se generiu u miiima relativno je mala, pa se u prvoj aproksimaciji one mogu uspeno modelirati polugom.


POLUGEPoluga je svako kruto telo koje moe da rotira oko ose, koja prolazi kroz njegov oslonacJednaina ravnotee poluge:

Koeficijent prenosa poluge k:

s2

(a)

A

BA'

B'

s1

F

Q

(b)

A

BF

Q

O

a b

Poluga sile (a)i poluga brzine (b).

bQ=aF

ba=

FQ=k

poluge sile k > 1poluge brzine k

POLUGE

Za analizu funkcionisanja poluga u telu oveka potrebno je znati taan poloaj napadne take sile miia, take oslonca i napadne take tereta.

U odnosu na meusobni poloaj ovih elemenata poluge se dele na:

poluge I vrste poluge II vrste poluge III vrste.


Poluge I vrste

F

Q

T

O

F

Q

O

k > 1k < 1

Primer poluge I vrste u organizmu i njen ematski prikaz.


Poluge II vrste.

O

Q

F

F

Q

O

k > 1

Primer poluge II vrste u organizmu i njen ematski prikaz.


Poluge III vrste

F

O

QR

F

QRO

0k < 1

Primer poluge III vrste u organizmu i njen ematski prikaz.


Primer 1. Dejstvo glave oveka na prvi vratni prljen

FMQ

TO

FMQ

5cm 3cm

FC

Uzajamno dejstvo glave oveka i prvog cervikalnog prljena na kome lei glava; sila vratnog miia odrava glavu u uspravnom poloaju.

NgmQ 30= rr

CM FQFrrr =+

cmQcmFM 35 =rr

NQFM 1853 == rr

NNNFC 483018 =+=r

26,9 mNSFC ==r


Primer 2. Izraunavanje sile u Ahilovoj tetivi

Q

FT

FK

Tibia

Fibula

a b

FT

Q

FK

70

( )( ) 0sin7sin

0cos7cos=

=+

KT

KT

FFFQF

( ) 07cos6,510 = TFQQQFT 8,16,5

10 ==

sin22,0cos8,2 KK FQiFQ ==QFK 8,2=

079,08,222,0tan === 5,4


SISTEMI POLUGA. ZGLOBOVI


ZGLOBOVI


SISTEMI POLUGAModel ruke

O

Fb

QpQ

4

14

30

biceps deltoid

O

Fd

QrQ

18

36

72

Fdsin

4cm x Fb = 14cm x Qp + 30cm x QFb = 3,5 x 15N + 7,5 x 30N

Fb = 277,5 N

18cm x Fd sin = 36cm x Qr + 72cm x QFd = (2 x 60N + 4 x 30N)/ sin160

Fd = 870,7 N


SISTEMI POLUGAModel nogeF'

Ffemur

tibia

miikvadriceps

C

O

A

B

r

Analiza delovanja butnog miia: delovi noge koji uestvuju u uspravljanju (a); analogan fiziki model (b).

F

D

B

A

s

s

/2O

C

DOFrF = '(b)(a)

2cos= sDO

r

sFF 2

cos'

=

2cos

'

==

s

rFFk

Za vrednosti ugla 0

Model kimenog stuba pri podizanju tereta

Q1 - teina trupa (320 N)Q2 - teina ruku, glave i tereta (382 N)A - taka oslonca na L.5AB - poluga kojom se modelira trupAC = 1/2 ABAD = 2/3 ABFM - sila naprezanja u lenim miiimaFR - rezultujua sila koja deluje na L.5

D

A

B

C

30028,50

120

Q2

Q1

FM

FR

y

x

B

A

peti lumbalni prljen (L.5)

Q = 225 N

N=FABQ+QABF MM 338530cos21=78cos

32

21

( ) ( ) N=Q+QT=FiNT=F yRxR 1748+72cos3220=18cos 21( ) ( )( ) N=F+F=F yRxRR 36642/122 ( )( ) ,=FFarctg= xR yR 528


REALNI SISTEMI

U prethodnom izlaganju kosti su u posmatranju zamenjene modelom - polugama, koje se pod dejstvom sila ne deformiu.

Meutim, kod realnih tela, kao to su kosti, uvek dolazi do izvesnog stepena deformacije pod dejstvom spoljnih sila.

Kao protivdejstvo spoljnim, javljaju se unutranje sile koje tee da telu vrate prvobitan oblik.

To su elastine sile. Intenzitet elastinih sila zavisi od sila meu molekulima

od kojih je telo nainjeno.


Elastine deformacije

Postoji vie vrsta deformacija zavisno od pravca i smera delovanja spoljnih sila, kao i od mesta napadne take sile na telu. To su:

1. istezanje i sabijanje (i savijanje kao njihova kombinacija)

2. smicanje i 3. uvrtanje. U optem sluaju, pri proizvoljnom dejstvu sile

moe se istovremeno javiti vie deformacija.


Elastine deformacije

S

FFn

Ft

Razlaganje sile proizvoljnog pravca dejstva na normalnu i tangencijalnu

komponentu.

SF

=iSF

= ttn

n

Stepen deformacije tela odreuje se relativnom deformacijom , koja je jednaka odnosu apsolutne deformacije i prvobitne vrednosti one veliine tela koja je pretrpela deformaciju.

~Engleski fiziar Huk je eksperimentalno utvrdio da je relativna deformacija proporcionalna naponu, tj.

to predstavlja Hukov zakon u optem obliku.


Hukov zakon za longitudinalne deformacije istezanje i sabijanje

L

A

A'LS

F

L

A

A'LS

F

L

A

A'LS

Fn

SF= nn /

LL= /

= 1E

SF

E=

LL n

1

E Jangov modul elstinosti karakterie osobine materijala od koga je telo nainjeno, odnosno stepen elastinosti tela. Materijali velikog modula elastinosti se srazmerno malo deformiu pod uticajem sile.


Savijanje, smicanje i torzija

A

A'

F

A'A

F

L

A'A

F

Deformacije savijanja (a), smicanja (b) i torzije (c).

(a) (b) (c)

Specijalna vrsta kvazi-longitudinalne deformacije je savijanje, koje predstavlja kombinaciju sabijanja i istezanja. Pri deformaciji dolazi do istezanja i izduenja jedne strane tela, sabijanja i skraenja suprotne strane, a srednji deo ostaje praktino nedeformisan.Tangencijalna sila ija je napadna taka na obodu poprenog preseka, a pravac dejstva prolazi kroz osu tela, izaziva elastinu deformaciju smicanja. Torzija (uvrtanje) je specijalan sluaj elastine deformacije smicanja. Javlja se kada sila Fdeluje kao tangenta na povrinu poprenog preseka tela.


Trajna deformacija i kritini napon

Materijal Kritini napon prisabijanju (x106 N/m2)

Kritini napon priistezanju (x106 N/m2)

Jangov modulelastnosti(x109 N/m2)

Modulsmicanja(x109 N/m2)

elikAluminijumPorcelanGuma

552-

552-

827200

52

20770-

0,1

8025--

Kompaktna kostSunerasta kostTetivaMii

1702--

120-

690,55

180,08

--

-10--


Energetika kotane frakture na primeru kompaktne kosti kritini napon

L

LSFn

SS

Fn/S (N/mm2)

L/L (%)

120

0,0120

Grafik zavisnosti relativne deformacije istezanja kompaktne kosti od normalnog napona.

Kritina sila. Znajui vrednost kritinog napona za kidanje odreenog tkiva, moemo izraunati vrednost odgovarajue kritine sile:

S=FSF

= ccc

c

N=mmN=Fc

4242

6 102,410210120

Energetika kotane frakture na primeru kompaktne kosti

Ovako velike vrednosti imaju uglavnom impulsne sile, odnosno sile koje deluju u kratkom vremenskom intervalu.

Primer:ovek mase m = 70 kg u automobilu koji se sudara sa nepominom preprekom pri brzini 1 = 70 km/h. Pretpostavimo da se automobil posle sudara zaustavio na rastojanju od 0,5 m u odnosu na svoj poloaj u trenutku poetka sudara.

02

2

21

22

=

as=

( ) N=msm,kg=m=ma=F 2204

0,52/41970

2s

221

( )tm=

tm=F 12

Prilikom sudara vreme trajanja t dejstva sile je kratko pa je sila F velika.


BIOMEHANIKA KARDIOVASKULARNOG SISTEMA

Olivera Klisuri Biomehanika kardiovaskularnog sistema

1.IDEALNE TENOSTI2.REALNE TENOSTI3.KARDIOVASKULARNI

SISTEM (KVS)

4.POVRINSKI EFEKTI

Fluidi Bez tenosti i gasova, jednom reju fluida, ivot na

Zemlji ne bi bio mogu.

Posebno su voda i vazduh znaajni za bioloke procese na Zemlji.

Krv, fluid koji ini 7% ukupne mase ljudskog organizma, takoe je fliud bez koga ovek ne bi mogao da preivi.


Fluidi Tenosti i gasovi uglavnom sadre veoma veliki broj

molekula. Na primer, 1mg vode sadri 3,361020molekula vode. To znai da je nepraktino ili gotovo nemogue svaku od ovih estica posmatrati individualno.

ak iako bismo bili u stanju da izraunamo pozicije i momente za svaku od estica, pitanje je ta bi smo radili sa ovakvom koliinom informacija.

Zbog toga se fluidi, odnosno njihovo kretanje i ponaanje, posmatraju kao kontinuirane sredine tj. ignorie se diskretna priroda materije.


Idealni fluidi Ponaanje fluida moe se ispitivati metodolokom

tehnikom koja se naziva modelovanje.

Pri tome se neke od osobina posmatranog sistema zanemaruju u cilju simplifikacije, budui da su ispitivanja realnih fluida komplikovana i zahtevaju poznavanje velikog broja parametara i injenica.

Jedan od takvih modela predstavlja i model idealne tenosti.


Idealni fluidi Idealna tenost predstavlja fiziki model koji uvaava

sledee pretpostavke: tenosti su nestiljive, to se moe smatrati u velikoj meri

tanim za gotovo sve realne tenosti. Gasovi u laboratorijskim uslovima mnogo su stiljiviji, ali u

ljudskom organizmu, u kome su promene pritiska u fluidima relativno male (to ima za posledicu i zanemarivo male promene u zapremini gasa), protok gasova se moe posmatrati na isti nain kao i protok tenosti.

ne postoji unutranje trenje, to znai da ne postoji elastina deformacija smicanja izmeu zamiljenih zanemarivo tankih slojeva tenosti. Sa mikroskopske take gledita u takvim tenostima ne deluju privlane (kohezione) sile meu molekulima.

Za razliku od prethodne, ova osobina idealnih tenosti ne moe se primeniti na krv.


Hidrostatika Osobine tenosti u

mirovanju prouava hidrostatika.

Tenost se nalazi u mirovanju ako sve spoljne sile deluju normalno na njenu povrinu.

Paskalov zakon nam kae da se pritisak spoljnih sila prenosi kroz tenost u svim pravcima podjednako.

Hidrostatiki pritisak u tenosti se javlja usled njene teine.

hg=p


Hidrodinamika Hidrodinamika je deo

mehanike fluida kojaizuava tenosti u pokretu.

Ako postoji tangencijalna komponenta sile koja deluje na povrinu fluida, fluid se nee samo deformisati nego e se i kretati.

Kretanje tenosti je odreeno ako su poznati poloaj i brzina svakog njenog delia.

Niz geometrijskih taaka kroz koje jedan deli fluida prolazi prilikom njegovog proticanja kroz sistem ini strujnu liniju.


Stacionarno kretanjeStacionarno kretanjeJednaJednaina kontinuitetaina kontinuiteta

Na osnovu zakona o odranju mase kroz bilo koji popreni presek strujne cevi mora da proe ista koliina tenosti u jedinici vremena.

2211 AAconstA

==


Stacionarno kretanjeStacionarno kretanjeBernulijeva jednaBernulijeva jednainaina

22

22

2

21

1 +=+ pp

p=VEp

22

22 =

Vm=

VEk

S1 S2

p1

p2

21


Primena Bernulijeve jednaPrimena Bernulijeve jednaine na KVSine na KVSPrimer 2. Dejstvo pritiska krvi na aneurizamPrimer 2. Dejstvo pritiska krvi na aneurizam

12 pp >

S1

S21 21

2

22 2122

21 +p=+p

( )2/1

2

221

1

22

21

12SS

+p=+p=p 21

2

112

2211

SS

SSconstS

=

==

REALNE TEREALNE TENOSTINOSTI Kod realnih tenosti u kretanju

javlja se unutranje trenje -viskoznost, koje dovodi do tzv. slojevitog - laminarnog toka tenosti. Ako brzine slojeva nisu velike, slojevi klize jedni preko drugih.

Sila viskoznog trenja izmeu slojeva homogene tenosti, koja deluje suprotno od smera njenog kretanja, definisana je Njutnovim zakonom viskoznosti x

S=F


Viskoznost homogenih tenostiKretanje viskozne tenosti preko ravne povrine

.//

yuSF=


Viskoznost homogenih tenostiKretanje viskozne tenosti kroz usku cev

x

R max

0l

p1 p2

pl

R =+=

82

2max0

Poazejev zakonPokazuje da je za proticanje viskozne tenosti kroz usku cev potrebno obezbediti gradijent pritiska na krajevima cevi da bi se savladao hidraulini otpor

HRpp

lRp

lRRSQ ====

88

422

48R

lRH =


Viskoznost disperzionih sredina

Ako su u kontinualnoj masi neke supstancije (npr. u homogenoj tenosti, kao to je ista voda) ravnomerno rasporeeni delii druge supstancije, takva sredina predstavlja disperzni sistem.

Pri malim koncentracijama delia (c


Tenosti kod kojih koeficijent viskoznosti ne zavisi od koncentracije nazivaju se njutnovske i kod njih izmeju gradijenta brzine i gradijenta pritiska postoji linearna zavisnost. Ako to ne vai, to je sluaj kod krvi, onda su to nenjutnovske tenosti.

Krv je disperzna sredina visokoprocentne koncentracije, jer je hematokrit krvi, koji je definisan kao bezdimenzioni odnos zapremine svih krvnih elija i zapremine itave suspenzije, oko 40%.



0

d=1494md=944m

d=370md=114md=11m

plazmavoda

(x10-3Pas)

1

2

20 40 60

3

Hematokrit (%)


Efekat zida

vkrvi>>0vkrvi0


Laminarno i turbulentno kretanje


Rejnoldsov broj

Da li e tok tenosti biti laminaran ili turbulentan zavisie ne samo od brzine proticanja, ve i od karakteristika tenosti i cevi.

Rejnolds je ustanovio da karakter strujanja zavisi od vrednosti jedne bezdimenzione veliine, poznate pod imenom Rejnoldsov broj:

Vrednost Rejnoldsovog broja raste sa: poveanjem protoka, redukcijom poluprenika, smanjivanjem kinematikog koeficijenta viskoznosti.

ke

=R R2

SRQ=R

ke

2


Rejnoldsov broj

Eksperimentalni rezultati pokazuju da je za veinu homogenih tenosti strujanje laminarno ako je Re < 2000.

To vai i za krv, kod koje je eksperimentalno odreena priblina vrednost kritinog Rejnoldsovog broja 1960 160, pri kojoj tok krvi prelazi iz laminarnog u turbulentan.


TurbulencijaTurbulencija Pojava turbulentnog kretanja ima sledee

posledice:1. Proporcionalnost izmedju protoka i razlike u

pritiscima naruena je, jer sa porastom Re raste i razlika pritisaka koja e obezbediti istu vrednost protoka.

2. Za razliku od beumnog laminarnog kretanja, turbulencije izazivaju mehanike vibracije zidova cevi (i krvnog suda) koje se mogu registrovati stetoskopom ili fonografom.

3. Energija potrebna za kretanje tenosti vea je pri turbulentnom nego pri laminarnom kretanju.


4848

Q

Q2

Q1

p1

p2p

p

Q

pc

laminarni tok

turbulentni tok

(a)

(b)

Laminarno i turbulentno kretanjeLaminarno i turbulentno kretanje


Proticanje krvi kroz krvne sudove Pravilna primena izloenih mehanikih fenomena kretanja fluida na

kardiovaskularni sistem nije jednostavna. Ona mora uzeti u obzir brojne karakteristike cirkulatornog sistema oveka, koje nisu bile ukljuene u dosadanje razmatranje. Ovde emo navesti neke od njih.

Krv kroz aortu i arterije cirkulie kao pulsni talas, tako da se merenja moraju vriti u dovoljno dugom vremenskom intervalu koji omoguuje merenje srednjih vrednosti.

Elastinost zidova srca i krvnih sudova omoguuje kontraktilnost krvnih sudova i sranih komora i prisustvo reflektovanih talasa u elastinoj upljini.

Anatomski karakter - razgranatost i razliitost sistemskih i pulmo-narnih krvnih sudova ne dozvoljava da se strujanje krvi svugde posmatra kao jedinstveno i sa istim mehanikim karakteristikama.

Krv nije homogena njutnovska tenost ve predstavlja suspenziju krvnih tela u plazmi pa viskoznost u krvotoku nema svuda istu vrednost, ve zavisi od hematokrita krvi, koji opet zavisi od irine krvnog suda (u uim cevima, zbog efekta zida, hematokrit je manji).


5050

Pulsni talasi i elastiPulsni talasi i elastinost krvnih sudovanost krvnih sudova

t(s)

10

16

p (kPa)

1 2

Pulsni oblik kretanja krvi.

vF

F v (b)

(a)

Kretanje tenosti kroz cevi ne-elastinih (a) i elastinih zidova (b).

Duina arterijskog stabla iznosi najvie 1,4 m pa pulsni talas stie do kraja arterijskog stabla u vremenu t = s/u = 1,4 m/5 ms-1 0,3 s, koje odgovara trajanju sistole. Dakle, dok traje kontrakcija ventrikula pulsni talas proe kroz celo arterijsko stablo i svi krvni sudovi su rastegnuti.

Elastinost krvnih sudova pomae proticanju krvi kroz krvne sudove.


5151

Brzina proticanja krvi kroz krvne sudoveBrzina proticanja krvi kroz krvne sudove

1mm/s

brzina

povrina

30cm/s

3cm218cm2

6000cm2

5cm/s

aorta kapilare vena cava

Promena brzine krvi du krvnog stabla.Karakteristike protoka krvi kroz kapilare

ka venama

pk pkpo pokrviod arterija

Simultano dejstvo krvnog i osmotskog pritiska du kapilare.

Najmanji krvni sudovi su kapilare (dijametar ~ 20 m), ali njihov ukupni popreni presek je ogroman i iznosi oko 6000 cm2 jer ih ima vie miliona. Na preseku aktivnog miia broj kapilara iznosi oko 190/mm2. U 1 kg miine mase ukupna duina kapilara iznosi oko 190 km, a povrina zidova, kroz koje se odvija razmena materije, oko 12 m2. Na taj nain su eije miia u dobrom kontaktu sa kapilarama. U sranom miiu je skoro svaka elija u kontaktu sa kapilarom.

Osmotski pritisak po je oko 3 kPa (20 mm Hg), pk vrednost menja od 3,3 kPa (25 mm Hg) na arterijskom kraju, do 1,3 kPa (10 mm Hg) na venskom kraju.


52

.SA

=l

F =

staklo

vazduh

F1F2

F3

AF1F2

F3

Astaklo

vazduh

Tenost kvasi podlogu Tenost ne kvasi podlogu

FFF=F cos 321 3

21cosF

FF=

Povrinski napon

Kvaenje i nekvaenje

koeficijent povrinskog napona t (tenzija)


IVOT I DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE

Olivera Klisuri ivot i drugi zakon termodinamike

Charles Snow:The Two Cultures and the Scientific

Revolution A good many times I have been present at gatherings of people

who, by the standards of the traditional culture, are thought highly educated and who have with considerable gusto been expressing their incredulity of scientists. Once or twice I have been provoked and have asked the company how many of them could describe the Second Law of Thermodynamics. The response was cold: it was also negative. Yet I was asking something which is the scientific equivalent of: Have you read a work of Shakespeare's?

"I now believe that if I had asked an even simpler question -- such as, What do you mean by mass, or acceleration, which is the scientific equivalent of saying, Can you read? -- not more than one in ten of the highly educated would have felt that I was speaking the same language. So the great edifice of modern physics goes up, and the majority of the cleverest people in the western world have about as much insight into it as their neolithic ancestors would have had."

C. P. Snow, The Two Cultures and the Scientific Revolution


II ZAKON TERMODINAMIKE

0S

Entropija univerzuma raste tokom bilo kog spontanog procesa.

Entropija univerzuma nikada ne opada.

Previe komplikovano i prebrzo!!!

TQ

S


II zakon termodinamike i entropija su jednostavni za razumevanje!

II zakon termodinamike je baziran na ljudskom iskustvu.

II zakon termodinamike ne potie iz neke komplikovane teorije i gomile formula.

Kada ve govorimo o iskustvu, o kakvom iskustvu govorimo?


II zakon termodinamike i entropija su jednostavni za razumevanje!

1. Kamen koji podignete i pustite e pasti.2. Tiganj e se hladiti kada ga skinete sa

poreta.3. Gvoe e rati na vazduhu.4. Ledena kockica e se otopiti u toploj

sobi.


II zakon termodinamike, entropija i ivot!



ta se desilo u svakom od ovih procesa? Odreena vrsta lokalizovane ili

koncentrisane energije se raspruje, degenerie, ili

Energija se spontano degenerie ili disperguje iz lokalizovanog oblika ukoliko u tome nije spreena!



Osnova II zakona termodinamike koji je smer konverzije energije u sistemu.



poetno stanje

konano stanje

p1 p2

p

Energy spreading out if it can



Ali ta je sa entropijom, nju jo uvek nismo spomenuli?

Univerzum? Univerzum jednostavno znai sistem koji

posmatrate PLUS njegovo okruenje, odnosno, sve to je blizu sistema.


ENTROPIJA

ta je, stvarno, entropija? Entropija je re koja je mnogo puta i na

razne naine definisana, pogreno upotrebljavana i pogreno vezivana za razliite pojmove.

Na primer: Entropija je mera neureenosti!!!???


ENTROPIJA

ta tu nije dobro? Entropija podrazumeva energiju i njenu konverziju i

disperziju (i temperaturu), a ne izgled neega. Prema II zakonu termodinamike energija se iri i rasipa pre

nego to ostaje lokalizovana na jednom mestu. Entropija je samo mera onoga ta se deava u tom

procesu degeneracije ili rasipanja energije. Zato se kae da se entropija univerzuma poveava jer se

preferentno deavaju reakcije koje podrazumevaju rasipanje energije (spontane reakcije/dogaaji).


ENTROPIJA

Entropija meri razliku izmeu energetske distribucije posle i pre posmatranog dogaaja.

Kako je ta distribucija uvek vea posle posmatranog dogaaja, zbog toga se kae da entropija zatvorenog sistema uvek raste.

Mada bi uvek trebalo govoriti o promeni enetrorije, a ne samo o njenom porastu.


ENTROPIJA

Ako je entropija mera degeneracije enegrije, zato se muimo pa je jo delimo sa apsolutnom temeteraturom (T)?

To je zato to je ne postoji entropija (ili) promena entropije ako ne ukljuimo apsolutnu temperaturu.

Promena entropije S ne meri prosto degeneraciju energije, ve i tano pokazuje kolikije u datom sistemu uticaj promene entropije.

TQ

S


ENTROPIJA Evo analogije koja sve objanjava! Ako u tihoj i mirnoj biblioteci, to je ekvivalentno sistemu sa

niskom temperaturom viknete Hej, ti, svi e se okrenuti ka vama, a bibliotekar e vas mrko pogledati.

Meutim ako to isto uradite na fudbalskoj utakmici (sistem sa visokom temperaturom), to verovatno niko nee primetiti.

Efekat degeneracije energije u procesu vikanja se drastino razlikuje ako se desi u biblioteci ili na stadionu, odnosno, u sistemu sa niskom ili sa visokom temperaturom.


ENTROPIJADa bi zvualo vie nauno isti primer glasi:

>100K100K 10J

KJ

KJ

TQS 1,0

10010 ===

>1000K1000K 10J

KJ

KJ

TQS 01,0

100010 ===


DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE

Poeli smo sa:To je nae ivotno iskustvo Meutim to je II zakon termodinamikeII zakon termodinamike i

glasi: Energija se rasipa ako joj je to dozvoljeno


DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE

Onda smo se pitali da li postoji kvantitativni nain da pokaemo da II zakon termodinamike stvarno radi.

Odgovor je DA To je ENTROPIJA. to je promena entropije vea, vea je i

degeneracija energije, a posmatrani dogaaj je verovatniji.


IVOTIVOT I DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE

ivi organizam kao to je ovek otvoren je i visoko organizovan sistem.

Red (ili nemogunost degeneracije energije na spontane naine), se u oveijem organizmu uspostavlja delovanjem razliitih mehanizama (biokatalizatora) i to sve prema genetikim programima.

Meutim, do tog reda ne dolazi se dabe. Mora da se plati! Moneta kojom plaamo je ATP.



Da li je II zakon termodinamike ugroen time to u procesima koji se deavaju u ljudskom organizmu dolazi do smanjenja entropije?

ivi sistemi ne mogu biti pa se ne mogu ni posmatrati kao izolovani!

Potrebno je samo proiriti granice sistema i ukljuiti sve ono to razmenjuje energiju sa oveijim organizmom i shvatiemo da je promena entropije nenegativna.

In the 1982 textbook Principles of Biochemistry by American biochemist Albert Lehninger:

"living organisms preserve their internal order by taking from their surroundings free energy, in the form of nutrients or sunlight, and returning to their surroundings an equal amount of energy as heat and entropy."



Smanjenje entropije organizma deava se i na molekularnom nivou:

DNA RNA PROTEIN

INFORMACIJA + ENTROPIJA = const.



The second law is the Greatest Good and the Biggest Bad to us

DOBRO: zato to smer toka energije dozvoljava da ivot postoji

LOE: zato to smer toka energije stalno ugroava ivot

Dam the Second Law! Dam the Second Law!


Generisanje i prostiranje elektrinih signala u ljudskom organizmu

Olivera Klisuri Generisanje i prostiranje elektrinih signala u ljudskom organizmu

Uvod

Generisanje elektrinih signala u organizmu akcioni potencijal

Prostiranje elektrinih signala u ljudskom organizmu

Registrovanje elektrinih signala Elektrode


Elektrini signali u organizmu Svaka funkcija ljudskog organizma ili njegovog

dela praena je odgovarajuom promenom rasporeda naelektrisanja.

Takva promena se obino prostire kroz nervni sistem u vidu elektrinog signala.

Ljudski organizam da bi obavio veliki broj funkcija neprekidno generie mnogobrojne elektrine signale i transportuje ih kroz nervni sistem.


Struktura nervnog sistema

U morfolokom smislu nervni sistem se deli na dva osnovna dela:

Centralni nervni sistem Periferni nervni sistem U funkcionalnom smislu nervni sistem se deli na: Somatski (voljni) Autonomni (nevoljni)


Osnovna strukturna jedinica nervnog sistema je neuron, nervna elija specijalizovana za prijem, interpretaciju i prenos elektrinih porukaAferentni nervi prenose senzorsku informaciju mozgu i kimenoj modiniEferentni nervi prenose informaciju od mozga i kimene modine ka odreenim miiima ili lezdama.


Membranski potencijal

Membranski potencijal, koji se naziva jo i potencijal mirovanja, javlja se na membranama skoro svih elija organizma. Nastaje kao posledica dinamike ravnotee dva simultana transporta difuzibilnih jona kroz membranu: aktivnog i pasivnog transporta (difuzije).

Na+ pumpa

_ +

+

+

+

+

_

_

_

_

+

+

+

+

+

_

_

_

_

+_

difuzija Na+

_

V1 - V2 = + 40 mV

+

+

+

+

+

+

_

_

_

_

_

+

+

+

+

+

_

_

_

_

_

difuzija Na+(10/l) Na+ pumpa

(142/l)

K+ difuzija(5/l)pumpa K+

(140/l)

_

_

+

+

+

+

_

_A- (150/l) A- (5/l)

V1 - V2 = - 85 mV

_


Primer: Jonski kanal je uzani otvor formiran od specijalnog proteinskog molekula, koji dozvoljava specifinom jonu da proe kroz elijsku membranu. Za kalijumov jon (K+) dijametar kanala je 0,30 nm. Jaina struje koja protie kroz kanal iznosi 1,8 pA. Ako je kanal otvoren u toku 1 ms, koliko e jona proi kroz njega? Kolika e biti gustina struje u kanalu?

(a) Jaina struje od 1,8 pA moe se predstaviti kao 1,8 pC/s. Ukupno naelektrisanje, koje proe kroz kanal u vremenu od 1 ms, iznosi:

Q = (1,8 pC/s) x (1 ms) = 1,8 x 10-12C/s x 10-3s = 1,8 x 10-15C

Svaki jon nosi jedno elementarno naelektrisanje od 1,6 x 10-19C, pa je broj jona koji su proli kroz jonski kanal u zadatom vremenu:

N = (1,8 x 10-15C)/( 1,6 x 10-19C/jonu) = 1,1 x 104 jona/ms

(b) Gustina struje je jaina struje po jedinici povrine, pa je:J = I/S = I/( r2) = (1,8 x 10-12A)/ (0,15 x 10-9m)2 = 2,5 x 107 A/m2.


REGISTROVANJE ELEKTRINIH SIGNALA

ElektrodeMerenje biopotencijala i jaina biostruja, kao i struja koje se proputaju kroz organizam u cilju dijagnostike ili terapije i odgovora organizma, vri se pomou elektrinih instrumenata koji su sa biolokim sistemom povezani preko elektroda.Na kontaktu izmeu koe (provodnik II reda) i elektrode (provodnik I reda) javljaju se neeljeni efekti:

Elektrohemijski procesi Kontaktni potencijal Polarizacija elektroda

V

-

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + +

- - - - - - - -

- - - - - - - -


Na slici je jedna od elektroda u vidu metalne ploice, dok je druga elektrolit, obino 3% KCl, koji se nalazi u staklenoj cevici. U elektrolit je uronjena ica od srebra. Kapilarni deo staklene cevi, koji se uvodi u unutranjost elije, ima veoma mali unutranji (0,2 m) i spoljni (0,6 m) dijametar i lako se uvodi u eliju.

Elektrohemijski procesiNaCl Na+ + Cl-

A: 2 Cl- + H2O 2 HCl + O-

K: Na+ + H2O NaOH + H+


Pt Pt

H2O2

G

E

I1 I2

P1

2

NaCl +H2O

KA

Polarizacija elektroda

Zn Zn

ZnSO4Zn+++SO4--

Zn++SO4--

G

E

I

KA

A: SO4-- + Zn ZnSO4 + 2 e-K: Zn++ + 2 e- Zn

REE

I p=1


Kontaktni potencijal

+++++

+

+

+

+++++

+

+

+

-----

-----

-

-

-

-

-

-

Zn

U' U''

Cu

H2O

IV

P+

+

+

+

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

---

+++

---

+++

V1 V2

V2-U''

V1-U'

U'

U''

- +

V U0

210 VV=V=U ( )''21 UVU'V=V'

( ) ( )U'UV=U'UVV=V' ''''21'''0''' UUUU ==

flaster

elektroda

tkivo pasta

+++

---

A K

AgAgCl

Ag + Cl- AgCl + e-e-

AgCl + e- Ag + Cl-e-


Merenje biopotencijala

E

RA

CA

RB

CB

R1

R2

r R0 U0E V U0

R1

R2RB

RAA

B

r

(a) (b)

Biogenerator okruen tkivom generie biopotencijal, koji se pod odreenim uslovima moe meriti voltmetrom sa zadovoljavajuom tanou (a); Strujno kolo - fiziki model biogeneratora, koji slui za analizu tanosti merenja (b).

0021

FUNKCIONALNA DIJAGNOSTIKA

Funkcionalna dijagnostika je deo Funkcionalna dijagnostika je deo MEDICINSKE ELEKTRONIKEMEDICINSKE ELEKTRONIKE, koji se , koji se bavi elektribavi elektrinim registrovanjem i analizom parametara u cilju nim registrovanjem i analizom parametara u cilju dobijanja podataka o funkcionisanju pojedinih organa i delova dobijanja podataka o funkcionisanju pojedinih organa i delova organizma.organizma.

Funkcionalna dijagnostika se deli na tri oblasti:Funkcionalna dijagnostika se deli na tri oblasti: ElektrografijaElektrografija -- elektrielektrino registrovanje biostruja i biopotencijala u no registrovanje biostruja i biopotencijala u

ljudskom organizmu;ljudskom organizmu; ElektriElektrino registrovanje neelektrino registrovanje neelektrinih parametaranih parametara vavanih nih

za funkcionisanje ljudskog organizma;za funkcionisanje ljudskog organizma; Endometrija i radio(tele)metrijaEndometrija i radio(tele)metrija, koja se bavi registrovanjem , koja se bavi registrovanjem

parametara u parametara u upljinama ljudskog organizma, direktno ili na daljinu.upljinama ljudskog organizma, direktno ili na daljinu.

Olivera Klisuri Funkcionalna dijagnostika

Biopotencijali se javljaju u Biopotencijali se javljaju u elijama, tkivima i organima kao rezultat elijama, tkivima i organima kao rezultat ivotnih funkcija (membranski potencijal). Promene ovih veliivotnih funkcija (membranski potencijal). Promene ovih veliina ina se manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivogse manifestuju kao kratkotrajni impulsi stalnog ili promenljivogznaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali dejstva.znaka i nazivaju se akcioni potencijali ili potencijali dejstva.Potencijali pojedinih Potencijali pojedinih elija se sabiraju i formiraju zajednielija se sabiraju i formiraju zajedniku ku potencijalsku razliku, koja se mopotencijalsku razliku, koja se moe meriti izmee meriti izmeu pojedinih tau pojedinih taaka aka organa ili tkiva. organa ili tkiva. Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova Registrovanje vremenskih promena ovih potencijala i njihova analiza daju vredne podatke o funkcionisanju pojedinih organa ilanaliza daju vredne podatke o funkcionisanju pojedinih organa ili i tkiva (mitkiva (miiia).a).Na ovaj naNa ovaj nain se mogu registrovati promene biopotencijala:in se mogu registrovati promene biopotencijala:mimiiia (elektromiografija a (elektromiografija -- EMG)EMG)srca (elektrokardiografija srca (elektrokardiografija -- EKG)EKG)mozga (elektroencefalografija mozga (elektroencefalografija -- EEG)EEG)mremrenjanjae ili retine (elektroretinografija e ili retine (elektroretinografija --ERG)ERG)pomeranja oka (elektrookulografija pomeranja oka (elektrookulografija -- EOG).EOG).

Elektrografija

Funkcionalna dijagnostikaOlivera Klisuri

kimena modina

senzorski receptor

motorna jedinica

ploicemiina vlakna

U(mV)

t(ms)-100

1000

A

mikroelektroda

referentna elektroda

+ + + + + +- - -+ ++

+ ++ + + +

+ + + +

- + + + - - - ---

- - - - - - - - - -- 85 mV + 40 mV - 85 mV

++

-

--

smer prostiranja akcionog potencijala

osciloskop ili pisa

miina elija-

Elektrini signali miia - elektromiogram (EMG)

stimulacija 1

X

stimulacija 2snimanje(a)

t1

stimulacija 2

stimulacija 1

t2 vreme(b)

Merenje brzine provoenja impulsa: Raspored elektroda na ruci (a); Registrovanje

stimulacija 1 i 2 na malom prstu (b).

Olivera Klisuri Elektromiogram

Olivera Klisuri Elektromiogram

94

KARDIOVASKULARNI SISTEM

Elektrini signali srca - elektrokardiogram (EKG)

Olivera Klisuri Elektrokardiogram

95

Atrioventrikulski (AV) vor

ematski prikaz srca; LA i DA oznaavaju levi i desni atrijum (predkomora), a LV i DV levi i desni ventrikul (komoru). Radi jednostavnosti aorta nije

prikazana na slici.

Elektrini signali srca elektrokardiogram (EKG)

Sinoatrijski (SA) vor

Hisov snop

LA

DA

DV LV

ka pluima

Vena kava


96

ELEKTRINA AKTIVNOST SRCA


97

-V3+-

V0 V1-V1-V2 V2V2

V3-V4 V4

Distribucija ekvipotencijalnih linija oko dipola

lr

Aproksimativna pravilna distribucija ekvipotencijalnih linija oko dipola srca (a) i realan izgled distribucije (b); vrednosti potencijala

su date u mV.

(a) (b)

+

-

-1-2

-3

12

3V0=0

1mV

3mV

Frontalna ravan

Transverzalna ravan

Sigitalna ravan

Tri elektrokardiografske ravni.

DR LR

LN

DR LR

P T RQ

S

SR

Q

P

T

Ajnthofenov trougao u frontalnoj ravni sa projekcijama

vektora dipola srca na tri odabrana pravca desna ruka-

leva ruka, desna ruka-leva noga i leva ruka-leva noga.

Tri krive P, QRS i T koje opisuje vrh dipola (odnosno vrh srca) pri jednom ciklusu.


98

REGISTROVANJE ELEKTRINE AKTIVNOSTI SRCA


99

MEHANIKA AKTIVNOST SRCA I ELEKTROKARDIOGRAM


Srani dipoli i elektrokardiografski zapisi

Na ovom primeru, srce je prikazano u atrijalno depolarizacijskoj fazi. Srani impuls, nakon nastanka u SA voru, iri se kao talas depolarizacije

kroz atrijalno tkivo.


Ventrikularna depolarizacija Istvaranje QRS kompleksa


Primer elektrokardiograma iz drugog odvoda pokazan na slici 1, izmeren je izmeu desne ruke i leve noge.

Slino tome, odvod I i odvod III elektrokardiograma predstavljaju napon izmeren na preostale dve strane Einthovenovog trougla, kako je prikazano na slici 2.

Simboli + i su univerzalno prihvaene dogovorene polarnosti.

Slika 1 Slika 2


Oprema za snimanje EKG-a je standandizovana tako da 1 cm na vertikalnoj osi predstavlja vrednost od 1 mV, i da 25 mm na horizontalnoj osi predstavlja jednu sekundu.

Veina EKG snimaka sadri kalibracijske signale tako da se abnormalne frekvencije i amplitude lako detektuju.


104

Elektrokardiogram


105

Izvodi za merenje elektrine aktivnosti srca: standardnim nainom (a) i uveanjem (b).

(a) (b)

DR LR

LN

I

IIIIII

LRDR

LN

DR LR

LN

V1 V2V3

V4 V5V6 V1 V2 V3

V4

V5

V6

(a) (b)negativna elektroda

pozitivne elektrode

Merenje elektrine aktivnosti srca u transverzalnoj ravni (a); Transverzalni presek grudnog koa sa poloajima pozitivne elektrode

(b).


106


Prvi EKG Prvi elektrokardiogarf je izumio Willem Einthoven 1903. godine i za to je

osvojio 1924. godine Nobelovu nagradu za medicinu.


A Window to the Mind?

EKG mozga

A window to the mind, jer najvei deo signala koji EEG aparat registruje potie iz modane kore, koja se smatra odgovornom za naa razmiljanja, emocije i ponaanje.

Elektroencefalogram (EEG) predstavljasnimanje elektrine aktivnosti neurona u korteksu mozga.

Mozak sadri nekoliko milijardi neurona koji generiu i proputaju elektrine signale koji se mogu detektovati i zabeleiti izvan mozga. Elektrina aktivnost mozga se manifestuje kao slabi kompleksni elektrini signali, koji se mogu registrovati pomou elektroda.

Olivera Klisuri Elektroencefalogram

Osnovne indikacije za EEG ispitivanje epilepsija i drugi poremeaji svesti ekspanzivni intrakranijalni procesi poremeaji spavanja encefalitisi vaskularna oteenja mozga intoksikacije kraniocerebralne povrede degenerativna oboljenja mozga

Amplituda EEG signala na povrini koe glave se kree u opsegu 10 - 200 V.

EEG signal meren na otvorenom korteksu se kree u rasponu 500 V 1500 V.


110

Elektrini signali mozga elektroencefalogram (EEG)

U1 U2


111


ElektrodeElektrode registruju signal na povrini glave.

1. Postavljanje kape

2. Ubrizgavanje gela

3.Postavljanje elektroda

Elektrode

Najpopularnija ema za postavljanjeelektroda je 10/20 ema.

Poloaj elektroda je odreen tako da se glava podeli na proporcijalne udaljenosti u odnosu na linije uho-uho i nos-potiljak, tako da se dobije ravnomerna pokrivenost svih delova mozga.

Visok kvalitet EEG signala prvenstveno zavisi od kvaliteta EEG elektroda i njihovog ispravnogfunkcionisanja.

EEG snimak sa unipolarnim merenjem (referentna elektroda je levo uho LE)

Primer EEG snimka sa bipolarnim merenjem

MoModani talasi dani talasi A Symphony of the BrainA Symphony of the Brain

Elektrina aktivnost mozga se opisuje pomou modanih talasa. Vie je tipova tih talasa, razliitih amplituda i frekvencija, pri emu svaki tip predstavlja odreeno stanje mozga, a time i organizma.

Mozak ne emituje samo jednu vrstu talasa u datom trenutku, ali je u uvek jedan tip talasa dominantan. Dominantni talas odreuje 'stanje uma' ili stanje svesti. Svako od ovih stanja se pojavljuje u specifinom rasponu frekvencija.

Frekvencijski se modani talasi dele na pet podruja, odnosno, u novije vreme, est :

Elektroretinogram (ERG) Elektrookulogram (EOG)

Olivera Klisuri Elektroretinogram. Elektrookulogram.

Svako naelektrisanje koje se nalazi u Svako naelektrisanje koje se nalazi u stanju promenjivog kretanja stvara oko stanju promenjivog kretanja stvara oko sebe elektromagnetno polje. sebe elektromagnetno polje. BBiostruje u iostruje u organizmu stvaraju promenljiva elektroorganizmu stvaraju promenljiva elektro--magnetna polja, koja su uglavnom slabog magnetna polja, koja su uglavnom slabog intenziteta. Uz upotrebu odgovarajuintenziteta. Uz upotrebu odgovarajue e elektronike ova se polja ipak mogu elektronike ova se polja ipak mogu registrovati i sluregistrovati i sluiti u dijagnostiiti u dijagnostike svrhe. ke svrhe. Jedna od dijagnostiJedna od dijagnostikih metoda u klinikih metoda u klinikim kim ispitivanjima je ispitivanjima je magnetokardiografijamagnetokardiografija. . Sastoji se u registrovanju promena Sastoji se u registrovanju promena elektromagnetnog polja koje se javlja kao elektromagnetnog polja koje se javlja kao posledica generisanja biostruja u srposledica generisanja biostruja u sranom anom mimiiiu u toku sru u toku srane aktivnosti. Promene ane aktivnosti. Promene su mnogo manje nego pri genezi EEGsu mnogo manje nego pri genezi EEG--a pa a pa su aparati za ovakva snimanja veoma skupi su aparati za ovakva snimanja veoma skupi i nisu u svakodnevnoj praksi.i nisu u svakodnevnoj praksi.

U poslednje vreme je u ekspanziji razvoj tehnika koje U poslednje vreme je u ekspanziji razvoj tehnika koje e omogue omoguiti iti registrovanje elektromagnetnih polja mozga. Ova metoda se nazivaregistrovanje elektromagnetnih polja mozga. Ova metoda se nazivamagnetoencefalografijamagnetoencefalografija. . MMagnetoencefalografija daje znatno bolje agnetoencefalografija daje znatno bolje mogumogunosti za ispitivanje funkcije mozga. Za sada ti aparati postoje nosti za ispitivanje funkcije mozga. Za sada ti aparati postoje uglavnom u velikim istrauglavnom u velikim istraivaivakim centrima i izuzetno su skupi, ali treba kim centrima i izuzetno su skupi, ali treba ooekivati da ekivati da e se vremenom pojaviti i u redovnoj klinie se vremenom pojaviti i u redovnoj klinikoj praksi.koj praksi.

Biomagnetizam

BiomagnetizamOlivera Klisuri

Pojava magentoencefalografije (MEG) je veliki tehnoloki korak u budunost. Njene prednosti u odnosu na standardnu EEG su u tanoj lokalizaciji izvora signala bez upotrebe elektroda.

XXI vek

Elektrino registrovanje neelektrinih parametara

Mnogi elektrini merni aparati imaju veliku osetljivost pa su pogodni za merenje malih promena neelektrinih veliina. To je mogue uiniti pod uslovom da su elektrode zamenjenene delom aparature koji se naziva pretvara (transdjuser, transduktor).Pomou njega se promena ma koje fizike veliine pretvara u njoj odgovarajui elektrini impuls. Ovom metodom se u medicini i biologiji meri veliki broj neelektrinih parametara kao to su: pritisak krvi, puls, temperatura, srani umovi, veliina kontrakcije miia,...

Zavisno od vrste parametara koji se pretvaraju u elektrine impulse, pretvarai mogu biti konstruisani na razne naine:

mehaniki - pretvaraju mehanika kretanja u elektrine signale; zvuni - pretvaraju promenu intenziteta zvuka u elektrine signale; toplotni - pretvaraju promenu koliine toplote u elektrine signale; optiki - pretvaraju promenu intenziteta svetlosti u elektrine signale.

Prema principu na kome rade, odnosno na koji nain generiu elektrini signal, pretvarai se dele na:

generatorske i parametarske.

Olivera Klisuri Elektrino registrovanje neelektrinih parametara

Generatorski pretvarai su elektrina kola u kojima nema izvora struje, ve se potencijalska razlika generie kao posledica nekog dejstva (mehanikog, svetlosnog, toplotnog itd.).

Generatorski pretvarai mogu biti:piezoelektrinitermoelektrini indukcioni

fotoelektrini itdParametarski pretvarai su elektrina kola sa sopstvenim izvorom napajanja, odnosno sopstvenom elektromotornom silom. Spoljno dejstvo menja vrednost nekog od parametara strujnog kola i stvara elektrini signal, koji se registruje.Parametarski pretvarai mogu biti:Rezistivni

Induktivni

kapacitivni itd.

S

F

AmA

OP

Prenosna funkcija y = f(x) (y = kx)

Osetljivost pretvaraa Z = x/y


ka generatoru i mernoj tehnici ka pacijentu

metalni sloj

priguni blok

metalno kuiteploica


Endometrija i radio(tele)metrija


Pojaavanje i registrovanje elektrinih signala

Pretvara

Pojaiva

Signal

Elektrini signal

Predajnik Prijemnik

Aparat zaregistro-

vanjesignala

Biopotencijali Amplituda (mV) Koeficijent pojaanjaEMG 0,01 - 0,5 105 106

EKG 0,1 5 103 104

EEG 0,01 50 103


iC

iC

iB

iB

prava linijaamplitudna karakteristika

(a)

iC

iB

(b)

B

Cu

B

Ci u

u=Ai

ii

=A

Ai , Au

Amax

Amax/2

ff1 f2 f3 f4


Aparati za registrovanje elektrinih signala

Poslednji element u kompletnoj medicinskoj aparaturi za merenje jaina biostruja i biopotencijala predstavlja merni aparat za registrovanje biomedicinskih informacija. Osnovna podela ovih aparata bila bi:

aparati koji pokazuju informaciju u relativno kratkom vremenskom intervalu,

aparati koji trajno belee informaciju.

U prvu grupu spadaju osetljivi ampermetri (miliampermetri i galvanometri), voltmetri koji mogu da mere male vrednosti napona i osciloskop.

Drugu grupu ine razne vrste pisaa.

Olivera Klisuri Aparati za registrovanje elektrinih signala

(a)

B (palac)

F (srednji prst)

il (kaiprst)(b)

BN S

iF

Ajnthofenov galvanometar: Elektromagnet i posrebrena ica, kroz koju protie struja koja se registruje (a); Raspored vektora koji ilustruju

Flemingovo pravilo leve ruke (b).

signal sa pojaivaa

N

S

pero

elektrogram

Registrovanje elektrograma pomou pisaa. Provodnik u obliku rama, kroz koji tee struja elektrinog signala, rotira u magnetnom polju i izaziva

pomeranje pera koje belei elektrogram na papiru.

Bli=Frrr

Olivera Klisuri Aparati za registrovanje elektrinih signala

PRIMENA ELEKTRICITETA I MAGNETIZMA NA LJUDSKI ORGANIZAM

Dijagnostika: Nuklearna magnetna rezonanca (NMR ili MRI)

Terapija Elektrostimulacija Dejstvo jednosmerne struje na organizam Visokofrekventne struje Elektroforeza

Ljudski organizam moLjudski organizam moe (namerno ili ne) biti izloe (namerno ili ne) biti izloen dejstvu en dejstvu spoljnog elektrispoljnog elektrinog ili magnetnog polja ili se kroz njega monog ili magnetnog polja ili se kroz njega moe e propuproputati elektritati elektrina struja. Prouna struja. Prouavanje i registrovanje odgovora avanje i registrovanje odgovora organizma, kao sredine specifiorganizma, kao sredine specifinih provodnih karakteristika, na nih provodnih karakteristika, na dejstvo elektridejstvo elektrine struje i uticaj elektrine struje i uticaj elektrinog i magnetnog polja monog i magnetnog polja moe e se uspese uspeno upotrebiti no upotrebiti i i u dijagnostici i terapiji.u dijagnostici i terapiji.

Olivera Klisuri Elektrostimulacija

PRIMENA ELEKTRICITETA I MAGNETIZMA NA LJUDSKI ORGANIZAM

Elektrostimulacija

aksonS A

O

Akcioni potencijal, izazvan na aksonu elektrostimulatorom (S),posle pojaanja pojaivaem (A) registruje se pomou

osciloskopa (O).

a

i (mA)

t (ms)b c di (mA)

t (ms)ti tp tptstuTT

a

H

M

R

I(mA) U(mV)

IR

2IR

tmin tH tRt

Grafik zavisnosti amplitude elektrinog impulsa od vremena.


Elektrostimulacija Elektrostimulacija se iroko koristi u terapiji.

Za stimulaciju neuromuskularnog aparata (ako je, recimo, dolo do njegove atrofije) koriste se impulsi eksponencijalnog oblika, vremena trajanja ti = (3 - 60)ms i frekvencije od (8 - 80)Hz ili trouglasti impulsi vremena trajanja (1 - 1,5)ms i frekvencije 100 Hz.

Amplituda impulsa mora biti iznad praga draenja, tako da se jaina struje reobaze kree od (2 - 12)mA.

Elektrostimulacija se moe primeniti u elektroanalgeziji, elektronarkozi, za izazivanje blokade (zaustavljanja prenosa bola prema viim nivoima ivanog sistema), u elektrokonvulzivnoj terapiji (leenje duevnih bolesti dejstvom impulsa na mozak) itd.


Dejstvo jednosmerne struje na organizam Jaina i gustina struje Omov zakon za jednosmernu struju Linijski i zapreminski provodnici (homogeni i nehomogeni)

Elektrino polje u linijskim i zapreminskim provodnicima. Omov zakon

V2

V2

L

V1

V1

V1 V2

A

A

A B

B

B

S

S1

S1

S2

S2

E

E

E

(a)

(b)

(c)

RI=ISL

=U 1

kL=LSI

=U

U

UABC

A A' BB' L

a

bU=kL, k=const.

U=kL, kconst.

.const=SI

=k .constSI

=k

Olivera Klisuri Dejstvo jednosmerne struje na organizam

Omov zakon Jednaina predstavlja Omov zakon u integralnom obliku za linijski homogeni

provodnik. Na osnovu njega se moe zakljuiti da je elektrina struja u provodniku proporcionalna naponu koji vlada na krajevima provodnika.

Konstanta proporcionalnosti je veliina koja u potpunosti zavisi od karakteristika provodnika i predstavlja termogeni elektrini otpor. On je upravo srazmeran duini provodnika i obrnuto srazmeran povrini njegovog poprenog preseka. Termogeni elektrini otpor dovodi do toplotnih gubitaka u provodniku.

Konstanta srazmernosti, specifini otpor , karakterie prirodu provodnika. Za dobre provodnike kao to su metali specifini otpor je mali (Ag = 1,5310-8 m, Cu = 1,7210-8 m). Specifini otpor se menja sa temperaturom po formuli

t = 0(1 + t), gde su t i 0 specifini otpori na temperaturama t i 0C respektivno, dok je

temperaturski koeficijent otpora. Ovo ujedno znai da i otpor provodnika zavisi od temperature po istoj relaciji.

Posle metala dolaze materijali sa znatno veim specifinim otporom, iji je red veliine 10-3 - 108 m. To su poluprovodnici (selen, bakaroksid, mnogi minerali, nekaneorganska jedinjenja i drugi). Otpor poluprovodnika izrazito zavisi od temperature. Materijali, iji je otpor vei od 108 m, predstavljaju izolatore i oni praktino ne provode struju.

RI=ISL

=U 1


Zagrevanje provodnika elektrinom strujom.Dulov zakon

tIU=QtR

U=QitRI=Q2

2

2

1

22

12

2

1

RR=

tRItRI=

QQ

( )( ) 1222 12

2

1

//

RR=

tRUtRU=

QQ

Paralelna veza otpornika

Redna veza otpornika


R1

R2

U

II1

I2

(b)

R1 R2(a)

U2U1

I

R3R1

R2(c)

R3

R1(d)

R2

Dulov zakon se moe primeniti na ljudski organizam kao zapreminski provodnik. Ljudski organizam je, kako je to vereeno, lo zapreminski nehomogeni provodnik. Meutim, postoje u njemu relativno velika podruja sa konstantnim specifinim otporom. Tako je, na primer specifini otpor krvi 2104 m, miinog tkiva 1,7104 m, masnog tkiva 5105 m, suve koe 3107 m, kosti 21010 m. Zahvaljujui tome organizam (ili deo organizma koji se ispituje) se moe modelirati kombinacijom veeg broja meusobno povezanih homogenih provodnika, odnosno otpornika, budui da se svaki provodnik u strujnom kolu moe posmatrati kao otpornik odreenog otpora R.

Elektroterapija jednosmernom strujom

kost

A

B

koa masno tkivo

miino tkivo

(a)

Transverzalno postavljenim elektrodama zagrevaju se sva tkiva (osim kosti), ali najvie koa (a); Longitudinalno postavljene elektrode dovode do

zagrevanja miinog tkiva i krvnih sudova u njemu vazodilatacija (b).

B

A

(b)

+

-

Transverzalna galvanizacija; elektrode napravljene od savitljivog materijala prate oblik noge koja se izlae galvanizaciji.

Galvanizacija moe biti transverzalna i longitudinalna. Kod transverzalne galvanizacije se prostrujava ceo ekstremitet (ili neki drugi deo tela), dok je kod longitudinalne galvanizacije efekt dejstva galvanizacije uglavnom povrinski.

Impulsna galvanizacija umesto konstantne jednosmerne struje koristi jednosmerne impulse, koji se mogu podeavati po amplitudi, frekvenciji i ostalim karakteristikama.


Visokofrekventne struje

Magnetna indukcija. Faradejev zakon.

Dobijanje i osobine naizmenine struje

Visokofrekventne struje - dobijanje i osobine

Olivera Klisuri Visokofrekventne struje

t=ems SB=SB= cosrr

N

S

12O

O'

SB

P

tBSdt

tBSt

ems sincos ===

tE=ems sin0tU=u sin0

tI=tR

U=Ru=i sinsin 00

u,i

u=U0 sin ti=I0 sin t

t

U0I0

T

L C E

P

12 + +_ _

R

tI=i 00 sin LC=i

21

0

Visokofrekventne struje u dijatermiji

Visokofrekventne struje u dijatermiji Dijatermija predstavlja oslobaanje toplote u ljudskom organizmu

proputanjem visokofrekventne elektrine struje u cilju leenja. Koliina osloboene toplote srazmerna je kvadratu intenziteta struje (Q = I2Rt), to znai da e do znatnijeg zagrevanja organizma doi ako se kroz njega proputa struja dovoljne jaine. Jednosmerne struje i naizmenine struje niske frekvencije, meutim, izazivaju niz neeljenih efekata (elektroliza, izazivanje akcionih potencijala) te nisu pogodne za ovakvu primenu.

Visokofrekventne struje zbog brze promene smera ne mogu izazvati elektrolizu. Sa druge strane, one ne izazivaju ni stvaranje akcionog potencijala jer je period njihovog oscilovanja reda veliine T = 1/n ~ 10-6 s, dok je za stvaranje akcionog potencijala potrebno minimalno vreme dejstva od 0,1 ms (10-4 s). Opseg frekvencija koje se koriste u visokofrekventnoj dijatermiji je 0,5 3000 MHz. Dakle, visokofrekventne struje ne mogu izazvati neeljenu kontrakciju miia koja se manifestuje kao intenzivan bol i moe pri upotrebi niskofrekventnih struja da dovede i do smrti, imajui u vidu da su struje koje se koriste u dijatermiji reda veliine 2 4 A.

ElektroforezaElektroforeza je fenomen migracije naelektrisanih estica, suspendovanih ili rastvorenih u vodi, pod dejstvom spoljnog elektrinog polja (bakterije, virusi, molekuli globularnih proteina, sintetiki stvorene estice). Kvantitativna ispitivanja njihovog kretanja pod dejstvom elektrinog polja (drift) predstavljaju glavne metode u biohemijskim istraivanjima, ukljuujui odreivanje mase bioloki znaajnih molekula i makromolekula. Elektroforeza ima i kliniki znaaj. injenica da brzina drifta zavisi od naelektrisanja i mase estica (makromolekula), omoguuje fiziku separaciju proteina pomou tehnike elektroforeze.

Dejstvo sile elektrinog polja i sile trenja na esticu naelektrisanja Ze u neprovodnom

medijumu (a) i u elektrolitu (b).

-Ze

E

FE = Ze E

Fv = - f D

+

(a)

-Ze

E

FE = Ze E

Fv = - f D

+ -++ +

++

+ +

+- -

--

-- -

(b)

EfeZ=EeZ=f DD

rrrr

EU=iR

eZ=feZ=U D

rr6

-

E

++

- -

+Na+

tkivo

Cl-

Transport jona natrijuma i hlora u tkivo pomou

jontoforeze.

Olivera Klisuri Elektroforeza

142

BIOAKUSTIKA

1. MEHANIKE OSCILACIJE I TALASI2. ZVUK3. ULTRAZVUK

4. LJUDSKO UHO KAO SLUNI APARAT

Olivera Klisuri Bioakustika

143

Zvuk i ljudsko uho. Subjektivne karakteristike zvuka

Intenzitet (W/m2)

Nivo intenziteta (dB) k = 10

Nivo ujnosti k = f(,I)

A=I 20202

1

1

2logIIk=L

0log

IIk=S

L(dB)

120

100

80

60

40

20

0

-2050 100 500 1000 5000 10000 (Hz)

I(W/m2)

1

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10

10-12

prag bola

prag ujnosti 0 fona20 fona

120 fona

40 fona

60 fona

80 fona

100 fona

L0 = 10 log (I0/I0) = 10 log 1 = 0 dB

S0 = 0 fona (na 1000 Hz)

p0 = 2 x 10-5 Pa

Lmax = 10 log (Imax/I0) =

10 log (1/10-12) = 120 dB

S0 = 120 fona (na 1000 Hz)

p0 = 20 Pa


144

Veliina Minimalna vrednost Maksimalna vrednostFrekvencija n(Hz) 20 20.000Amplituda A(m) pri n=1kHz 1,1 x 10-11 1,1 x 10-5Intenzitet I (W/m2) pri n=1kHz 10-12 1Nivo intenziteta L(dB) pri n=1kHz 0 120Nivo ujnosti S(fon) pri n=1kHz 0 120Promena pritiska Dp (Pa) pri n=1kHz 2 x 10-5 20


145

SPOLJANJE, SREDNJE I UNUTRANJE UHO


146

UHO I PROCES UVENJA


147

L = 2,5 cm

= 4 x 2,5 cm = 10 cm = / = 343ms-1/0,1m = 3430 Hz

Transmisioni deo spoljno i srednje uho


148

S bubne opne 65 mm2

D bubne opne 0,1 mm

Abo = 10-11 10-7 m


149

Transmisioni deo spoljno i srednje uho

3 cm2 cm1 cm


Sistem koica/poluga - sila zvunog pritiska se uveava za oko 1,3 putaPritisak na membranu ovalnog prozora oko 20 puta vei u odnosu na pritisak koji trpi bubna opna.Akustika impedancija koica je slina po vrednosti sa impedancijom bubne opne i opne ovalnog prozora pa ne dolazi do znaajnih gubitaka u trnasportu zvuka usled refleksije.

150

Prijemni deo unutranje uho

Pu (kohlea) je deo unutranjeg uha u kome se mehaniki zvuni talasi pretvaraju u elektrine impulse.To je spiralna cev savijena dva i po puta u obliku pua veliine vrha malog prsta komplikovane strukture. Sastavljen od preko milion delia koji se pomeraju.Pu je akustiki pojaiva, frekventni analizator i pretvara mehanikih u elektrine impulse.Kada bi se cev pua ispravila, njena duina bi iznosila 3,4 cm


151

Cev je po uzdunoj osi podeljena u tri dela: skale vestibuli i tipmani (endolimfa) i izmeu njih skala medija (perilimfa).Skala vestibuli i skala medija su odvojene vestibularnom membranom.Izmeu skale medija i skale timpani nalazi bazilarna membrana i Kortijev organ.Na jednom kraju skale vestibuli nalazi se ovalni prozor, koji povezuje srednje i unu-tranje uho, dok su na vrhu (helikotrema) povezane skale vestibuli i timpani.

U Kortijevom organu se mehanike oscilacije pretvaraju u elektrine impulse, koje sluni nervi sprovode u sluni deo kore velikog mozga. Receptori u Kortijevom organu su ulne elije, koje su primarni pretvarai (transduktori) zvune energije u nervne impulse.


152

Zvune vibracije baze uzengije preko ovalnog prozora izazivaju pomeranje perilimfe duskale vestibuli. Ako je pomeranje sporo, ono e se prenositi preko helikotreme na perilimfu u skali timpani izazivajui na kraju ispupenje membrane na okruglom prozoru (relaksirajui prozor), koji se nalazi u blizini ovalnog prozora.Ako je pomeranje uzengije jae i bre talas nema vremena da putuje preko helikotreme, ve e se bazilarna membrana izboiti pri samoj bazi pua ka ovalnom prozoru. Ova elastina napetost se u vidu putujueg talasa prostire du bazilarne membrane.


153

20 Hz 1000 Hz5000 Hz 20000 Hz

34 mm

bazilarna membrana

Distribucija frekvencija du bazilarne membrane.

a - visoka frekvencija

b - srednja frekvencija

c - niska frekvencija

Put zvunih talasa razliite frekvencije dubazilarne membrane.


REZONANTNA TEORIJA

154

Unutranje ulne elije (d = 12 m) formiraju niz od oko 3.500 elija, proteu se du bazilarne membrane (detekcija i registracija zvuka).Spoljne ulne elije (d = 8 m), tri do etiri reda elija u ukupnom broju od oko 20.000 (pojaanje slabih zvunih signala).Na vrhu ulnih elija se nalaze tanke dlaice - cilije duine nekoliko mikrometra i veoma kompleksne strukture. Na svakoj ulnoj eliji se nalazi stotinak cilija.

Kortijev organ - pretvara zvunih talasa u elektrine signale

155

Donji delovi slunih elija su u perilimfi skale timpani a vrhovi sa cilijama u endolimfi skale medije. Izmeu endolimfe (velika koncentracija K i mala koncentracija Na) i perilimfe(koncentracije obrnute), vlada potencijalska razlika od 80 mV - endokohlearni potencijal.Ista potencijalska razlika je i na krajevima ulnih elija. One imaju na donjem kraju potencijal od -70 mV u odnosu na perilimfu, a na gornjoj povrini gde dlaice ulaze u endolimfu potencijal od -150 mV (ukupno 80 mV).Kada se bazilarna nit savije prema skali vestibuli dolazi do pomeranja cilija i depolarizacije ulne elije. Savijanjem u suprotnom smeru, ulna elija se hiperpolarie.Promena polarizacije generie akcioni potencijal, koji se preko slunih ivaca prenosi do kore velikog mozga. itav proces uvenja se odigrava u vremenu od nekoliko milisekundi.

156

Vestibularni aparat centar za ravnoteu

SVETLOST U MEDICINIFizika oka i vienja

Olivera Klisuri Fizika oka i vienja

SVETLOST U MEDICINIFIZIKA OKA I VIENJA

1. ELEKTROMAGNETNA PRIRODA SVETLOSTI

2. INTERAKCIJA SVETLOSTI I MATERIJE

3. FIZIKA OKA I VIENJA


Svetlost i okoElektromagnetno zraenje

nc /= =

hhE ==


Spektar elektromagnetnog zraenja


Prikaz apsorpcije odreenih delova elektromagnetnog spektra od strane atmosfere.


Vidljiva svetlostDijagnostika i terapija

Dijagnostika - transiluminacija: Dijagnoza hidrocefalusa (vodene glave) kod dece Dijagnoza pneumotoraksa (kolaps plua) kod dece Terapija - Svetlost je vid energije koja se selektivno

apsorbuje od strane nekih molekula koji ulaze u sastav ljudskog organizma, zbog ega svetlost ima odgovarajui fizioloki efekt:

Helioterapija Svetlost povoljno deluje na prevremeno roene bebe

koje esto imaju fizioloku uticu, pri kojoj jetra lui poveane koliine bilirubina (plava svetlost 450 nm).


ULTRALJUBIASTO ZRAENJEUltraljubiasto (UV) zraenje obuhvata oblast talasnih duina od 400 - 100 nm.Glavni prirodni izvor - SunceVetaki izvori: usijana tela i elektrino pranjenje kroz razreene gasove i pare (ivina -kvarcna lampa i ksenonska lampa).Medicinska primena UV zraenja zavisi od njihove talasne duine:

UVA (390 - 315 nm) UVB (315 - 280 nm)UVC (280 - 200 nm)

UV zraci iz C oblasti se koriste u dezinfekciji prostorija (baktericidno dejstvo).

U terapiji se najvie koristi hemijsko dejstvo UV zraenja, pri kome se moe stvoriti vitamin D iz njegovog provitamina (antirahitino dejstvo helioterapije). UV zraenje koje dolazi sa Sunca deluje na melanin izazivajui stvaranje pigmenta, ali moe izazvati i opekotine tetne po kou i organizam uopte. Talasne duine koje izazivaju opekotine su oko 300 nm i nalaze se na samom kraju minimalnih vrednosti talasnih duina sunevog spektra.U dijagnostici se UV zraenje esto koristi posredno, zbog svoje osobine da izaziva fluorescenciju. Vana je primena u UV mikroskopiji, gde se, zahvaljujui razliitoj apsorpciji zraka u razliitim strukturama, dobijaju slike bogatog kontrasta. Mo razluivanja takvih mikroskopa je dobra zahvaljujui maloj talasnoj duini UV zraka.


ZATO NE VIDIMO UV ZRAENJE?

do 280300320340360

6100%

92453734

161412

2384852 2

11

(nm) apsorp. iris

soivo

Vodeno telokornea

staklasto teloretina

Procenat UV zraenja apsorbovanog razliitim komponentama oka.


INFRACRVENO ZRAENJE

IC elektromagnetno zraenje obuhvata oblast talasnih duina od 750 - 106 nm.Naziva se jo i toplotno zraenje jer izaziva jak toplotni efekt u telu:

IC zraci obino nisu opasni po ljudski organizamZraci veih talasnih duina i intenziteta mogu da izazovu opekotineIzlaganje oka IC zraenju bez odgovarajue zatite izaziva oteenje retine (ronjaa i ono soivo vre fokusiranje IC zraenja slino vidljivoj svetlosti)IC zraenje se ne vidi, jer fotoni nemaju dovoljnu energiju

eVJmsmJschhE 65,11065,2

10750/1031062,6 199

834 =

===

U medicini se IC zraenje koristi u dijagnostici i terapiji.


Za medicinsku terapiju je interesantno samo IC zraenje od 770 - 5.000 nm. Zraenja vee talasne duine iritiraju kou i oteuju je, a sa druge strane su praktino nekorisna jer se potpuno apsorbuju ve u epitelu. Deli se na:

ICA (770 - 1.500 nm)ICB (1.500 - 3.000 nm)ICC (3.000 - 5.000 nm)

U terapiji se najvie koristi IC zraenje talasne duine 1.500 nm.Terapija - termostimulacija - moe biti kontinuirana i diskretna (dinamika)DIJAGNOSTIKAEmisivna IC fotografija - registruje duge IC zrake emitovane od strane tela ili dela tela, da bi se dobile informacije o njegovoj temperaturi i naziva se termovizija ili termografija Refleksiona IC fotografija - koriste se talasne duine od 700 - 900 nm da bi se prikazale vene koje se nalaze odmah ispod koe

Wavelength - 480 3400 nmDegree of polarization >95% (590 - 1550nm)Specific power density - av. 40 mW / cmLight energy per minute - av. 2.4 J / cm

TERAPIJA IC ZRAENJEM


INTERAKCIJA SVETLOSTI I MATERIJEProlaenje svetlosti kroz homogenu sredinu

Svetlosni snop na granici dveju homogenih sredina

I0 IxxIx

I0

xx

I

0(a) (b)

kxx eII = 0

1. Refleksija, refrakcija, totalna refleksija - SVETLOVODNA OPTIKAsoivo

izvor svetlosti

staklena vlakna

(a) (b)

Osnovni deo endoskopa je sveanj od oko 200.000 elastinih staklenih vlakana koja formiraju optiki kabl.Vlakno se sastoji od staklenog jezgra dijametra 8 m, omotanog staklenim materijalom manjeg indeksa prelamanja. Dijametar cevi je 3 - 5 mm.

Najvanija primena: u medicini (endoskopi) i u telekomunikacionim sistemima.


Endoskopija

FIZIKA OKA I VIENJA


Sistem ula vida

ulo vida se sastoji od tri glavne komponente:

1. Oi koje fokusiraju sliku koju gledamo na retinu ili mrenjau,

2. Sistem miliona nerava koji prenose informacije do mozga

3. Vizualni korteks, deo mozga gde se sve slae u sliku koju gledamo.


Anatomija okaulo vida moemo podeliti na tri osnovne funkcionalne celine: ona jabuica, pomone strukture oka i vidni putevi (sa vizuelnim korteksom).


Oko kao fotografski aparat


Oko kao zatvoren kolor TV sistem


Specijalne osobinePeriferni vid


Specijalne osobineAkomodacija

Brz, automatski sistem za fokusiranje omoguava da u jednom trenutku gledate objekat na 20 cm od oka dok, a ve u drugom objekat u beskonanosti.


Specijalne osobine1. Kada trepemo svaki put istimo nasu ronjau tako da oko ima

ugraen sistem za ienje i podmazivanje. Tu postoji jo jedna prednost jer svaki kapak moe da se zatvara nezavisno od drugog, to nam pomae u komunikaciji sa suprotnim polom .

2. Oko ima automatsku blendu iris ili zenicu3. Ronjaa ima ugraen sistem za otklanjanje oiljaka, bez obzira

to se ne snadbeva krvlju napravljena je od ivih elija koje su sposobne da se obnavljaju.

4. Oko ima sopstevni sistem za regulaciju pritiska koji odrava unutranji pritisak na oko 1,6 kPa (12 mm Hg) i tako odrava oko u obliku u kome ga imamo.

5. Na retini se slika koju vidimo pojavljuje izokrenuta, ali mozak to automatski koriguje

6. Mozak sklapa sliku sa oba oka i daje oseaj dubine i pravi utisak tree dimenzije.

7. Miii oka omoguavaju fleksibilne pokrete u svim pravcima. Uz malo vebe oi bi ak mogle da se kreu i kruno


Fokusirajui elementi oka

Deo oka Indeks prelamanja

Ronjaa 1.376Ona vodica 1.336Omota soiva 1.38Centar soiva 1.41Staklasto telo 1.336

Ukupna optika jaina oka je 59 dioptrija (oko prilagoeno za gledanje u daljinu):Prednja povrina ronjae: 48 dioptrijaZadnja povrina ronjae: -4 dioptrijeSoivo: 15 dioptrija


Mrenjaa

Horizontalne elije

Vidna linijaSvetlost

epii

tapii

Bipolarneelije

Ganglijskeelije

Amakrineelije

Svetlost

Sloj optikih nerava Sloj bipolarnih elija Neuroepitelni sloj Pigmentni sloj

Svetlosni detektor oka - mrenjaa

1. Slepi deo mrenjae (duini i cilijarni)

2. Vidni deo mrenjae:Makula - uta mrlja (1,5-2 mm)Centralna jamica

Papila - slepa mrlja (1,5 mm)


Distribucija epia i tapia u oku; vidna linija je na 00.

Hiperpolarizacija tapia usled raspadanjarodopsina (vidnog purpura)


Hiperpolarizacija tapiausled raspadanja rodopsina

(vidnog purpura)


epii i tapii nisu jednako osetljivi na sve talasne duine.Maksimum osetljivosti epia je na oko

550 nm u uto-zelenoj oblastitapii su najosetljiviji na talasne duine svetlosti od 500 nm.

Za detekciju boje u oku odgovorni su epii, koji poseduju pigmente sa razliitnom spektralnom osetljivou. Razlikujemo tri vrste epia: crvene L (oko 564 nm), zelene M (oko 533 nm),plave S (oko 437 nm). Ova tri tipa epia omoguuju takozvani trohromatski vid. Vizualni sistem kombinuje informacije iz svakog tipa receptora da bi stvorio oseaj raznih boja. Pigmenti prisutni u L- i M- epiima kodirani su u X-hromozomu; slepilo za boje je prouzrokovano defektima na ovom hromozomu.


Funkcija zenice i adaptacija oka na mrak

Promena otvora zenice u zavisnosti od intenzitetasvetlosti; d-dijametar zenice.

0 2

2

2 4 4

4

6

6 6 8

8

10 300

svetlo tama

d (mm)

t (s)

Zenica predstavlja otvor u centru duice.Ona izgleda crna zato to se sva svetlost koja ulazi apsorbuje u unutranjosti oka.Pri svetlosti srednjeg inteziteta dijametar zenice je d = 4 mm.Zenica se moe smanjiti na oko 1,5 mmili poveati ak na 8 mm u preniku, ime se koliina svetlosti koja ulazi u oko promeni do trideset puta.

Oko 300 sekundi je potrebno zenici da se potpuno otvori, a oko 5 sekundi da se zatvori. Na taj nain zenica pomae oku poveavanjem i smanjivanjem koliine svetlosti koja stie na mrenjau, dok se ona ne prilagodi novim svetlosnim uslovima.Adaptacija na mrak traje nekoliko minuta i predstavlja vremenski interval potreban da se povea zaliha fotoosetljive supstancije u fotoreceptorima.epii se bre prilagoavaju, oko 5 minuta je potrebno da centralna jamica dostigne svoju najveu osetljivost. tapii se prilagoavaju izmeu 30 i 60 minuta, mada se vei deo procesa adaptacije odigra u prvih 15 minuta.


Interakcija fotona i fotoreceptoraOd 90 fotona koji ulaze u oko samo e se 10 apsorbovati u fotoreceptorima.ta se deava sa ostalima?Oko 3% fotona e se reflektovati sa povrine ronjae; narednih 50% e biti apsorbovani od raznih struktura oka; od fotona koji stignu do retine samo e 20% (odnosno, oko 10% od poetnog broja) biti apsorbovano od strane fotoreceptora, dok e ostali biti apsorbovani u sloju retine koji se nalazi iza fotoreceptora i oni e biti izgubljeni za proces vienja.Neke od ivotinja (maka, na primer) imaju refleksioni sloj iza fotoreceptora. Fotoni koji su se reflektovali sa ovog sloja mogu u povratku da reaguju sa fotoreceptorima, zbog ega oi takvih ivotinja svetle u mraku.

Ako ve postoji jednostruka interakcija izmeu fotona i fotoreceptora, moe se postaviti pitanje zato oko ne vidi jedan foton? Glavni razlog je elektrini fon, koji se javlja kao posledica nasumine aktivacije fotoreceptora u retini. Svaki tapi alje tako generisan elektrini signal u proseku svakih 5 minuta, dok se kod epia to jo ee deava. Ako znamo da se u retini jednog oka nalazi oko 120 miliona tapia, jasno je da je ovako stvoreni fon prilino veliki.


Optika refraktivne greke

Da bismo dobili jasan lik na retini mora postojati slaganje izmeu dioptrijske moi refrakcionih komponenata oka i njihove aksijalne razdvojenosti.

Za oko koje nema ovo slaganje (kada se posmatraju udaljeni objekti) kae se da ima AMETROPIJU.

Veliina ove ametropije oznaava se kao refrakciona greka, a moe se definisati kao optika mo (soiva) potrebna da vrati fokus paralelnih svetlosnih zraka na retinu (kada je akomodacija iskljuena).

Za oko koje ima odgovarajue slaganje izmeu optike moi i aksijalne duine se kae da je emetropno, odnosno njegova refrakciona greka je nula, nekada se obeleava sa plano ili pl.

Ametropija je podeljena u tri osnovne kategorije:1. Miopija (kratkovidost)2. Hiperopija (dalekovidost)3. Astigmatizam


emetropia:Definicija:Paralelni zraci sa objekta u beskonanostiFokusiraju se na retini.

Objekat je u beskonanosi

Paralelni svetlosni zraci

1. Svetlost je prelomljena na ronjai i soivu Optika mo(konvergentna, konveksna, +ve)

3 .Svetlost je fokusirana na retini

4 . Optika mo i aksijalna duinase savreno slau:Lik je jasan, korekciono soivo je nepotrebno

2. Konvergentni svetlosni zraci

Normalno oko

Normalno graeno oko (emetropno oko) podrazumeva da se svetlosni zraci, koji dolaze iz daljine, prelamaju i seku u samoj utoj mrlji bez uea akomodacije.

Najdalja taka jasnog vida (punctum remotum p.r.) nalazi se u beskonanosti, dok se najblia taka jasnog vida (punctum proximum p.p.) nalazi ispred oka na daljini na kojoj oko sa maksimalnim naprezanjem miia jo jasno vidi bliske predmete.

Veliina oka, tanije reeno prednje zadnji dijametar kod emetropnog oka iznosi 24 mm.


5. negativno, konkavno, divergentno,Korektivno soivo ima zadatak da pomeri fokus na retinu

kratkovidost:Definicija:Paralelni zraci sa objekta u beskonanostiFokusiraju se ispred retine.

Objekat je u beskonanosti


4. Ili je optika mo prevelika ili je aksijalna duina predugaka

2. Fokus ispred retine

3. Nejasan krug na retini

1. Refrakcija na ronjai i soivu

FIZIKA OKA I VIENJAKRATKOVIDOST (MYIOPIA)

5. Pozitivno, konveksno, konvergentnoKorektivno soivo ima zadatak da pomeri fokus nazad na retinu

dalekovidost:Definicija:Paralelni zraci sa objekta u beskonanostiFokusiraju se iza retine.

1. Refrakcija naronjai i soivu

4. Ili je optika mo premala ili je aksijalna duina prekrata



3. Nejasan krug na retini

2. Fokus iza retine

FIZIKA OKA I VIENJADALEKOVIDOST (HYPEROPIA)



Emetropija:Fokus je na retini:Nije potrebno korektivno soivo

Kratkovidost:Fokus ispred retine:potrebno ve soivo za korekciju

Dalekovidost:Fokus iza retine:potrebno +ve soivo za korekciju

Konano za refrakcione mane imamo sledeu optiku:

1 Objekat je u beskonanosti

4 Mutan krugna retini

Akomodacija:Objekat se pribliava:emmetrope postaje mutnijihypermetrope postaje jo mutnijimyope postaje jasniji (do trenutka kada biva fokusiran na retinu, od tada postaje mutniji)

1 Paralelni zraci

2 Blizak objekat

2 Divergentnizraci

Refrakciona mone promenjena

3 Fokus pomerenunazad

Akomodacija omoguuje da: emmetrope da fokusiraju bliske objekte (likovi bliskih i dalekih objekata jasni: ali ne u isto vreme!):hypermetrope fokusiraju udaljene i (manjom snagom) bliske objekte (kako stepen dalekovidosti raste, i udaljeni objekti postaju mutniji).myope: potrebna im je akomodacija samo da fokusiraju objekte koji su blie ngo to je to njihova daleka taka jasnog vida(bliski objekti jasni, daleki objekti mutni).

3 Fokus se pomera unazad, mutan krug se smanjuje dok se ne doe do fokusa

2 Postaju svekonvergentniji1 Pojaana optika mo

tako to se poveava optikamo soiva.

4 Udaljeni objektisada imaju mutanlik na retini

Bliski objekti: Divergentni zraci

ASTIGMATIZAM Astigmatizam je ametropija kod koje ne postoji fokus nigde

du optike ose. Formiraju se dve fokalne linije, a izmeu njih se nalazi krug

najmanje konfuzije. Astigmatizam je nedostatak, koji moe biti vezan za optiko

soivo - to je fiziki astigmatizam ili za ljudsko oko - to je fizioloki astigmatizam.

U sluaju fizikog astigmatizma ovaj nedostatak je povezan sa nemogunou dobijanja jasnog lika za snop svetlosnih zraka, koji padaju na soivo pod veim uglom u odnosu na optiku osu.

Fizioloki astigmatizam oka je posledica injenice da granina sferna povrina ronjae nema rotacionu simetriju, tj. da preseci ronjae sa ravnima normalnim na glavnu optiku osu nemaju isti poluprenik krivine.


ASTIGMATIZAM

Aksijalni astigmatizam nastaje kada oko ima razliite optike moi u razliitim meridijanima.

Dva meridijana koja imaju najveu i najmanju optiku mo nazivaju se glavni meridijani.

Jedan od naina da se grafiki opie refrakciona greka kod astigmatizma je optiki krst.


Optiki krst

170

-5,00

80

-2,00

Optiki krst je jednostavna prezentacija dva glavna meridijana predstavljena tako kao da se gledaju s preda.

(-2,00 -3,00 80)Olivera Klisuri Fizika oka i vienja

Astigmatizam


Korekcija astigmatizma

Korekcija astigmatizma korekcija se vri samo u vertikalnoj ravni.

horizontalni presek

vertikalni presek

F F

F F

Sabirno (plus) i negativno (minus) cilindrino soivo.

plus cilindar minus cilindar

osa


Prezbiopija

Prezbiopija ili staraka dalekovidost se najee javlja kod osoba starijih od 45 godina. Akomodacija tokom ivota opada, funkcije cilijarnog miia su sve slabije i smanjuje se elastinost soiva.

Koriguje noenjem odgovarajuih konveksnih, sabirnih soiva prema principu da preostali obim akomodacije i dodatna korekcija omogue normalan rad i na udaljenosti od 25 cm.

Emetropne osobe starije od 45 godina dobijaju prezbiopnu korekciju + 0,75 D ili + 1,0 D.

Jaina naoara se koriguje obino svakih pet godina za + 0,75 D, sve do 6570. godine, kada korekcija od + 4 D ostaje do kraja ivota.


Korekcija prezbiopije

70

Sposobnost akomodacije oka tokom ivota

10 20 30 40 500 60

20

10

Akomodacija (D)

Starost (u godinama)


Laserska korekcija - LASIK


Hvala na panji!

Doc. dr Olivera KlisuriDepartman za fiziku, PMF, Novi Sad

[email protected]/4852808

Fizika ljudskog organizmaFizika ljudskog organizmaBiomehanika lokomotornog sistema ovekaFUNKCIJA KOSTIJU U ORGANIZMUPOLUGE I SISTEMI POLUGAModel funkcionisanja lokomotornog sistemaPOLUGEPOLUGEPoluge I vrste Poluge II vrste. Poluge III vrste Primer 1. Dejstvo glave oveka na prvi vratni prljenPrimer 2. Izraunavanje sile u Ahilovoj tetiviSISTEMI POLUGA. ZGLOBOVIZGLOBOVIZGLOBOVISISTEMI POLUGAModel rukeSISTEMI POLUGAModel nogeModel kimenog stuba pri podizanju tereta REALNI SISTEMIElastine deformacije Elastine deformacije Hukov zakon za longitudinalne deformac

fizika_fiziologija_2009

Documents