Přednášky z bioenergetiky pro obor: nutriční terapeut Biofyzikální ústav LF MU (šk. rok: 2011 / 2012) Úvod Co je to biofyzika? ØV lékařské biofyzice se zabýváme fyzikálními principy biomedicínských metod a přístrojů a jejich interakcemi s lidským tělem, které je činí užitečnými ve zdravotní péči, včetně otázek bezpečnosti pacientů i uživatelů a kvality zdravotní péče. ØPopis fyzikálních procesů probíhajících v živém organismu a účinků fyzikálních faktorů na živé organismy považujeme za důležité východisko. • Vazby ØPřírodní vědy (fyzika, chemie a biochemie, biologie) ØMorfologické obory ØFyziologie a patologická fyziologie ØKlinické obory (téměř všechny!) • Doporučená učebnice Tato učebnice a všechny presentace přednášek poskytují informaci nutnou pro úspěch u zkoušky!!! Photo0516 Jak se učit? •Hrazdira, Mornstein: Lékařská biofyzika a přístrojová technika, Neptun, Brno, 2001 •Problém studia lékařské fyziky (biofyziky) není v množství látky, kterou je nutno zvládnout, ale v nutnosti pochopení fyzikálních principů a jejich aplikace. Paměťové učení zpravidla nedostačuje pro úspěch u zkoušky. •Problémům je nutno rozumět, jinak je nelze vyřešit. sisyf_anim Profil absolventa „ nutriční terapeut “ • Cíl studia oboru nutriční terapeut: Připravit odborníky v oblasti klinické výživy, kteří budou schopni v praxi (ve zdravotnických, lázeňských i sociálních zařízení) diagnostikovat a navrženým individuálním dietním režimem napravovat základní výživové problémy. Absolventi studijního oboru jsou připraveni k činnostem pro zajištění výživy v péči o zdraví, prevenci onemocnění i při zajištění stravování nemocných všech věkových skupin. Nutriční terapeut •odborník na výživu (včetně výživy umělé) zdravých i nemocných osob, konzultant vhodné stravy s ohledem na zdravotní stav i věk. Bioenergetika •Popisuje především procesy, které slouží k zabezpečování energie v živých systémech. •Biofyzika / biochemie Metabolické děje: •Metabolické děje: katabolické - soubor rozkladných dějů, při nichž z látek složitějších vznikají látky jednodušší. Při těchto dějích se obvykle uvolňuje energie. Příkladem katabolického procesu je třeba buněčné dýchání. Anabolické - soubor syntetických reakcí (asimilačních), z látek jednodušších vznikají látky složitější (stavební a zásobní látky – bílkoviny), při těchto reakcích se energie spotřebovává (endergonické reakce). Anabolismus převažuje v buňce, která roste a rozmnožuje se. zisk energie ←------→ synthesa látek Vzájemná koordinace a regulace Dělení organismůz hlediska výživy • •(trofika, trofé = výživa) • –Zdroj energie: –Světelné záření → fototrofy –Chemické reakce → chemotrofy ( hetero – organ.látky a autotrofní- oxid uhličitý) • ↓ • Aerobní - proces nebo prostředí, ve kterém je dostatečné množství molekulárního kyslíku (O2) anaerobní - proces nebo prostředí, kde není přítomen vzdušný kyslík. • Základní koncept metabolismu a bioenergetiky • autotrofy heterotrofy Hlavní metabolické dráhy http://www.expasy.org/ Na co se pak energie použije? •® chemická práce •® mechanická práce •® elektroosmotická práce •® informační a regulační práce •® světelná energie •® tepelná energie Energie, práce a výkon Energie a práce: 1J = 107 erg = 0,239 cal = 1 W.s 1 kW.h = 3 600 000 J 1 cal = 4,19 J 1 eV = 1,602 . 10-19 J Výkon: (práce za čas) 1 W = 1 J.s-1 1 ks = 746 W Struktura hmoty a ionizující záření curie •http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/historical_background.html Látka a pole •Základní stavební elementy organického a anorganického světa jsou identické (stejné fyz. zákony). •Živá hmota se liší od neživé pouze svou vysokou organizovaností. •Látka a pole jsou dvě formy hmoty, které se mohou vzájemně přeměňovat (např. „anihilace“, tvorba elektron-pozitronových párů) Látka a pole •Látka – tvořena elementárními částicemi s klidovou hmotností, atomy, molekulami a složitějšími strukturami. •Pole – zprostředkovávají vzájemné silové působení částic látky. •Vzájemné působení mezi částicemi látky je umožněno: • 4 základními fyzikálními interakcemi 4 základní interakce •Vzájemné působení mezi částicemi látky •je umožněno fyzikálními interakcemi: •slabé (na úrovni atomového jádra - přeměna neutronu a protonu za účasti neutrin, β-rozpad) •silné (celistvost jádra) atom. jádra, element. částice •elektromagnetické mezi částicemi s el. nábojem (přit.a odpud.síla) dle Coulombova zákona F = k.(Q1.Q2)/R2 •gravitační – Newtonovy gravitační zákony •(makroskop.,→ kosmická tělesa) Čtyři základní fyzikální interakce [m31.jpg] revlight5b mush betadecays.gif (31434 bytes) •gravitační •elektromagnetická •silná •slabá Silná : slabá :elektromagnetická : gravitační = 1040 : 1015 : 103 : 1 (při interakční vzdálenosti 10-15 m, tj. přibližně rozměru atomového jádra) Velký silový nepoměr. Základní částice hmoty •Nelze již rozložit na jednodušší objekty! •Dělení: dle klidové hmotnosti,spinu,…. •Fotony (0,1) •Leptony (neutrina,elektrony,miony – 0,1/2) •Mezony (piony, kaony - větší,0) •Baryony (nukleony: protony, neutrony – rel.velká, 1/2),…. hyperony – 3/2 •Hadrony (mezony + baryony) •Kvarky (6 - u,c,t,d,s,b)např. proton:uud, neutron: ddu •Gluony – uskutečňují vzájemné silové působení mezi kvarky •Bosony – spin = 0 nebo celé číslo, fermiony – neceločís. spin Kvantové vlastnosti částic •Fyzikální veličiny popisující stavy a děje •v mikrosvětě (změny nespojité, skokem) •– kvantové. •V makrosvětě – spojité přechody mezi různými hodnotami fyz. veličin. •Vlastnosti částic mikrosvěta – částicově •vlnový dualismus •Např. foton - vlnové vlastnosti (optika – Huygensův princip) • - částice (fotoelektrický jev) Kvantové a vlnové vlastnosti částic •Energie fotonů: E = h.f = h.c/l –h je Planckova konstanta (6,62.10-34 J.s), –f frekvence, –c rychlost světla ve vakuu –l vlnová délka •Foton má hybnost! •Pro částice s klidovou hmotností (elektron) odvodil de Broglie vlnovou délku tzv. hmotnostních vln: • • l = h/p, kde p = m.v (hybnost) • Důkaz existence hybnosti fotonů – ohon komety • (prachové částice jsou působením proudu fotonů uváděny do pohybu směrem od Slunce) m_halley2 Electron diffraction pattern Dualismus částice-vlna difrakce elektronů • Krystalogram - obraz na fotografické desce - vzniká v důsledku difrakce elektronů na krystalové mřížce. (http://www.matter.org.uk/diffraction/electron/electron_diffraction.htm) Důsledek dualismu částice-vlna: Heisenbergovy relace (vztahy) neurčitosti •dr. dp ≥ h/2p •dE. dt ≥ h/2p • •Polohu r a hybnost p částice nelze současně změřit s libovolnou přesností (bude-li se neurčitost polohy částice – dr – blížit k nule, pak neurčitost hybnosti částice – dp -poroste nad všechny meze). Totéž platí pro současné měření velikosti změny energie částice E a času t k této změně potřebnému. •Diracova konstanta: h/2p •Tunelový efekt: •Kvantová teleportace: fotony vznikající při anihilaci částic a antičástic – spojeny (teleportace info) • Význam vlnové funkce •Schrödingerova rovnice – řešení tzv. vlnová fce (Y2 = psí2) •Absolutní hodnota druhé mocniny vlnové funkce |Y2| má význam hustoty pravděpodobnosti výskytu částice v daném místě prostoru. •Schrödingerova rovnice však má řešení jen pro některé hodnoty číselných koeficientů určujících možné hodnoty energie a prostorové lokalizace elektronů. •Tyto číselné koeficienty nazýváme kvantová čísla Kvantová čísla •Hlavní (celková energie elektronu) • n = 1, 2, 3 …. (energetická hladina, slupka - K, L, M, ….) •Vedlejší (orbitální) pro každé n l = 0, 1, 2, …. n – 1 (s, p, d, f, g, h) •Magnetické pro každé l m = 0, ±1, ±2, …±l (orientace orbitu v prostoru) •Spinové pro každé m s = ±1/2 • •Pauliho princip výlučnosti – v jednom elektronovém obalu atomu se nemohou vyskytovat dva elektrony popsané stejnými kvantovými čísly Excitace a ionizace atomů •Základní energetický stav atomů – minimální hodnota energie e- •Excitovaný energetický stav – 1a více e- jsou na vyšší energetické hladině •Ionizace - e- zcela mimo oblast působení elektrostatického pole atomového jádra ANd9GcR5_gNyz32vymwo9H9layiUfk4qIXp9bCcBdJnYDHNuxyWIUyxn Excitace a ionizace atomů •Energie vazby – ionizační,výstupní práce (elektronu) EV – závisí především na hlavním kvantovém čísle Vazebná energie •Atomy → excitace, ionizace (10-8 – 10-5 s) •Metastabilní stav (stav s vyšší pravděpodobností) → (min.až hod.) •Vazebná energie (ionizační energie, výstupní práce) - energie potřebná k ionizaci atomu. Spektra - emisní Viditelné emisní spektrum vodíku. Zpracováno dle: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch6/bohr.html Přechody mezi diskrétními energetickými stavy umožňují vyzařovat fotony pouze s určitými energiemi, tj. záření o určitých vlnových délkách Jádro atomu Protonové (atomové) číslo – Z Nukleonové (hmotnostní) číslo – A Neutronové číslo – N N = A - Z •Atomová hmotnostní jednotka u = 1,66.10-27 kg, tj. 1/12 hmotnosti jádra izotopu uhlíku C-12 •Elektrický náboj jádra Q = Z.1,602.10-19 C •Nuklid – látka tvořená atomy, jejichž jádra mají stejné složení a energii •Izotopy – nuklidy, jejichž jádra mají stejné Z a různé A •Izobary – nuklidy, jejichž jádra mají různé Z a stejné A •Izomery – nuklidy, jejich jádra mají stejné Z a stejné A, avšak různé energie •Radionuklidy – nuklidy schopné radioaktivního rozpadu Zákon radioaktivního rozpadu (přeměny) •Rychlost radioaktivního rozpadu radionuklidu je úměrná celkovému počtu nerozpadlých jader v daném okamžiku ve vzorku: •dN je počet jader rozpadlých během času dt, dN/dt je rychlost rozpadu, l je rozpadová (dezintegrační, přeměnová) konstanta. Znaménko „-“ vyjadřuje, že dochází k úbytku jader. N je skutečný počet jader na počátku časového úseku dt. Rovnici řešíme integrací: N se mění od N0 do Nt a t se mění od nuly do t: •Nt = N0.e-l.t •aktivita – počet rozpadů za 1 s ve vzorku. •becquerel (Bq) [s-1] •curie (Ci, aktivita 1 g radia): 1 Ci = 3,7.1010 Bq Poločas rozpadu •Tf – fyzikální poločas rozpadu (radioaktivní přeměny) čas potřebný k poklesu radioaktivity vzorku na polovinu výchozí hodnoty: •Tf = ln2/lf tedy Tf = 0,693/lf •Tb – biologický poločas – doba potřebná pro odstranění poloviny nějaké látky z těla • lb – poměrná rychlost vylučování látky (biologická „rozpadová“ konstanta) •Biologický a fyzikální proces sloučíme: •Tef – efektivní poločas • lef – efektivní rozpadová konstanta •Platí: lef = lb + lf a 1/Tef = 1/Tf + 1/Tb Druhy radioaktivního rozpadu (přeměny) •Rozpad a (alfa) •Seaborgium se přeměňuje na rutherfordium a uvolňuje se heliové jádro – částice a (http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/nuclearstability.html) Rozpad a (alfa) •Jádra (He) s nukleonovým číslem větším než 150 • • ANd9GcTeALRoaHlnJkEMDJ5oPeAo6kwiEGb45hHpNdz84o7ooLYENpkg Druhy radioaktivního rozpadu (přeměny) • Rozpad b (beta), vyzáření elektronu nebo pozitronu K - záchyt b rozpad je izobarická transmutace, při které vznikají vedle b částic i neutrina (elektronové antineutrino a elektronové neutrino ne) β rozpad •Vyzáření elektronu → β- •Vyzáření pozitronu → β+ •Záchyt elektronu Druhy radioaktivního rozpadu (přeměny) •Rozpad g (gama) Přeměna dysprosia v metastabilním stavu Rozpad g (gama) •Z jádra atomu je vyzářeno elektromagnetické záření – foton g •nadbytek jaderné energie (různý původ) •vnitřní konverze záření – Augerovy elektrony (analogie fotoelektrického jevu) •→ emise charakteristického RTG záření! • Druhy radioaktivního rozpadu (přeměny) •Jiné druhy radioaktivního rozpadu: •Emise protonu, deuteronu, neutronu … •Štěpení těžkých jader FG19_07 Interakce ionizujícího záření s hmotou •Důsledkem interakce záření s hmotou je zpravidla vznik sekundárního záření, které se od primárního liší energií a často i druhem částic. •Primární i sekundární záření přímo nebo nepřímo ionizuje prostředí a vytváří i volné radikály. •Část energie záření se vždy přeměňuje v teplo. •Úbytek energie primárního záření popisujeme pomocí lineárního přenosu energie (LET, linear energy transfer), který vyjadřuje ztrátu energie částice v daném prostředí na jednotkové délce její dráhy. Útlum záření •Svazek ionizujícího záření prochází látkou: •absorpce + rozptyl = útlum •I = I0.e-m.x •I je intenzita záření prošlého vrstvou tloušťky x, I0 je intenzita dopadajícího záření, m je lineární koeficient útlumu [m-1] závislý na druhu záření, interagující látce i na její hustotě. Interakce záření rtg a gama - fotoelektrický jev (FJ) •Foton zaniká a vyráží elektron z některé vrstvy obalu atomu - typicky K. Energie fotonu h.f je nutná pro přeměnu ve výstupní práci elektronu (= energii nutnou pro přemístění elektronu z dané vrstvy do „nekonečna“) a v jeho kinetickou energii (1/2m.v2). Platí Einsteinova rovnice pro fotoelektrický jev: •h.f = W + 1/2m.v2, •W je výstupní práce (vazebná energie) elektronu. • •Hmotnostní koeficient útlumu závisí na energii dopadajících fotonů. Uvolněná místa ve vrstvách musí být rychle zaplněna jinými elektrony. Atomu však nadále chybí elektron, je ionizován. Vzniká sekundární charakteristické rentgenové záření, interagující s elektronovými obaly jiných atomů - opět dochází k FJ a energie sekundárních fotonů přitom klesá. • •K FJ dochází především při nižších energiích fotonů rtg záření 50 - 500 keV, v závislosti na protonovém čísle atomů prostředí. Fotoelektrický jev u3_18 Interakce záření rtg a gama – Comptonův rozptyl (CR) • •Při vyšších energiích fotonů je vazebná energie elektronů W zanedbatelná ve srovnání s energií fotonu. Energie fotonu není zcela absorbována - vzniká foton o nižší energii. Můžeme napsat: • •h.f1 = (W) + h.f2 + 1/2m.v2, • •kde f1 je frekvence dopadajícího fotonu a f2 je frekvence fotonu rozptýleného. CR převažuje při energiích fotonů 0.5 - 5 MeV. Comptonův rozptyl U3_19 Interakce záření rtg a gama – tvorba elektron pozitronových párů (TP) •Energie fotonu se přeměňuje do hmotnosti a kinetické energie elektronu a pozitronu v blízkosti těžkých atomových jader. Energie E „ukrytá“ v každé částici je dána: •E = m.c2, •m je hmotnost částice, c je rychlost světla ve vakuu. Hmotnosti elektronu a pozitronu jsou shodné. Energie interagujícího fotonu musí být větší než energie dle výše uvedeného vzorce. Minimální energie fotonu potřebná pro TP je 1.02 MeV. Pravděpodobnost TP je vysoká jen při energiích podstatně vyšších. •Pozitron rychle interaguje (anihiluje) s libovolným elektronem v blízkosti, vznikají dva „nové“ fotony, každý o energii 0,51 MeV. Tvorba elektron pozitronových párů u3_20 Interakce částicového jaderného záření •Záření b - tj. rychlé elektrony nebo pozitrony, ionizují prostředí jako při vzniku brzdného a charakteristického rtg záření. Po vyražení elektronu se atom stává kladně nabitým. Elektron z vrstvy K může být zachycen jádrem, které následně emituje charakteristické rtg záření. Přebytečná energie jádra je vyzářena jako záření g. Dráha částice b měří ve vodném prostředí řádově několik milimetrů. •Záření a ionizuje přímo nárazem. Podél velmi krátké dráhy látkou (mm) se tvoří velké množství iontů - proto ztrácí velmi rychle energii a jeho dráha je krátká. •Neutrony ionizují pružnými a nepružnými nárazy do atomového jádra. Výsledek pružného nárazu se liší dle poměru hmotnosti neutronu a atomového jádra. Pokud zasáhne rychlý neutron jádro těžkého prvku, je odražen téměř bez ztráty energie. Srážky s lehkými jádry vedou k velkým ztrátám energie. • Při nepružném nárazu pronikají pomalé (moderované, tepelné) neutrony do jádra, a pokud jsou z něho opět emitovány, nemají stejnou energii jako neutrony dopadající. Mohou vyvolat i emisi jiné částice nebo štěpení těžkých jader. Jednotky charakterizující ionizující záření •Energie částic je velmi malá ve srovnání s joulem (J). Proto zaveden elektronvolt (eV). 1 eV je kinetická energie elektronu urychleného z klidu elektrostatickým polem o potenciálovém rozdílu 1 volt. •1 eV = 1,602.10-19 J. •Energii předanou prostředí vyjadřujeme pomocí absorbované dávky (D) - jednotka gray (Gy). Je to střední množství energie odevzdané prostředí o určité hmotnosti, dělené touto hmotnosti. Gray = 1 J předaný 1 kg látky [J.kg-1]. •Dříve: rad (rad) (radiation absorbed dose). •1 Gy = 100 rad •Dávková rychlost vyjadřuje absorbovanou dávku vztaženou na jednotkový časový interval [J.kg-1.s-1]. Tatáž absorbovaná dávka může být dosažena při různých dávkových rychlostech. Jednotky používané pro hodnocení ionizujícího záření •Rtg záření nebo záření g, které prochází vzduchem, můžeme kvantifikovat pomocí expozice (ozáření): V jednotlivém místě svazku záření je dána poměrem q/m, kde q je celkový záporný (nebo kladný) náboj vytvořený v malém objemu vzduchu o hmotnosti m. Jednotkou expozice je coulomb na kilogram (C.kg-1). Expozice se někdy označuje jako absorbovaná dávka ve vzduchu. Od ní je odvozena míra intenzity rtg či g-záření, zahrnující časový faktor - expoziční rychlost - definovaná jako coulomb na kilogram za sekundu (C.kg-1.s-1). Jednotky charakterizující ionizující záření •Stupeň poškození biologických objektů zářením závisí především na absorbované dávce, zatímco dávková rychlost určuje dobu, za kterou k poškození dojde. •Dávkový ekvivalent De vyjadřuje relativní biologickou účinnost záření. Je dán součinem dávky záření a faktoru jakosti (QF) - dohodnutého faktoru odvozeného od LET ve vodě. QF slouží k posouzení rizikovosti jednotlivých druhů záření pro člověka. Dávkový ekvivalent má rozměr J.kg-1. Jednotkou je sievert (Sv). • 1 Sv = 100 rem Faktor kvality Druh záření hustota střední ionizace [iont. párů/mm] Lineární přenos energie [keV/mm] Faktor kvality g, rtg, b 100 2 - 40 1 pomalé neutrony 100 - 500 5 - 50 3 rychlé neutrony, protony 200 - 1000 20 - 80 5 a 1000 - 3000 50 - 150 10 štěpné produkty 3000 - 5000 100 - 200 10 - 20 Biologické účinky ionizujícího záření •Fyzikální fáze - časový úsek primárních účinků. Dochází k absorpci energie záření v atomech nebo molekulách. Průměrná doba se odhaduje na 10-16 s. •Fyzikálně-chemická fáze - doba mezimolekulárních interakcí spojených s absorpcí energie a vlastním energetickým transferem. Asi 10-10 s. •Chemická (biochemická) fáze - tvorba volných radikálů a jejich interakce s biologicky významnými molekulami, především s nukleovými kyselinami a bílkovinami. Asi 10-6 s. •Biologická fáze - komplex interakcí produktů předešlých fází s biologickým systémem na všech úrovních organismu. Podle těchto úrovní kolísá délka tato fáze od sekund po léta. Biologické účinky ionizujícího záření •Přímý účinek - fyzikální a fyzikálněchemický proces absorpce zářivé energie, vedoucí přímo ke změnám ve významných buněčných strukturách. Převládá v buňkách s nízkým obsahem vody. Teorie přímého účinku je označována jako teorie zásahová. Její podstatou je fyzikální přenos energie. •Nepřímý účinek je zprostředkován produkty radiolýzy vody, zejména volnými radikály H* a OH*, které vedou k molekulovým produktům (H2, O2, H2O2), působícím na biologicky významné struktury. Převažuje v buňkách s vysokým obsahem vody. Volné radikály mají volný nepárový elektron, který z nich činí velmi reaktivní látky. Štěpí různé druhy vazeb v biomolekulách a degradují jejich strukturu. Teorie nepřímého účinku - teorie radikálová - má za základ chemický přenos energie. Biologické účinky ionizujícího záření na buňku •U proliferujících buněk nacházíme tyto stupně radiačního poškození: •dočasné zastavení proliferace •reproduktivní smrt buněk (dočasné uchování funkce při ztrátě proliferační schopnosti) •okamžitá smrt buněk •Citlivost buněk vůči ionizujícímu záření (radiosenzitivita), či jejich odolnost (radiorezistence) závisí na mnoha faktorech, především na reparační schopnosti buňky. Biologické účinky ionizujícího záření na buňku •Faktory ovlivňující biologické účinky obecně: •Fyzikální a fyzikálně chemické: dávkový ekvivalent, dávková rychlost, teplota, prostorové rozdělení absorbované dávky, přítomnost vody a kyslíku •Biologické: druh organismu, orgánu nebo tkáně, stupeň diferenciace buněk, fyziologický stav organismu, schopnost spontánní reparace, repopulace a regenerace, fáze buněčného cyklu (S-fáze!) •Velmi citlivé jsou proto buňky embryonální, germinativní, epidermální, retikuloendotelové a též nádorové Biologické účinky ionizujícího záření – citlivost tkání •lymfatická •zárodečný epitel varlete •kostní dřeň •gastrointestinální epitel •vaječníky •buňky kožních zhoubných nádorů •pojivová tkáň •játra •pankreas •ledviny •nervová tkáň •mozek •svaly Pořadí od nejvíce citlivých tkání k nejméně citlivým: Ochrana před zářením •Fyzikální ochrana: –Vzdálenost: expoziční příkon se snižuje s druhou mocninou vzdálenosti. Ochranný faktor času: maximální zkrácení doby pobytu u zdroje. Pro stínění se volí vhodný absorbent. –Záření a má ve vzduchu dosah několik desítek cm, ve vodě desítek mm. K ochraně stačí oděv, papír, apod. U záření a je velmi nebezpečná vnitřní kontaminace. –Záření b má dosah ve vzduchu několik metrů, ve vodě desítky milimetrů. Ke stínění se užívají lehké materiály, omezující vznik brzdného záření. Stačí většinou 3-5 mm silný Al-plech a k odstínění brzdného záření 5 mm olova. –Záření g se odstiňuje materiály s vyššími protonovými čísly (ocel, olovo, barytový beton). –Neutrony se nejprve zpomalí látkami obsahujícími hodně vodíku a pak se pohltí látkami s výraznou absorpční schopností pro neutrony, např. Cd nebo B. Kombinované stínění: např. polyetylén obsahující sloučeniny bóru. jnbcd Ochrana před zářením •Chemická ochrana: radioprotektivní látky, chrání organismus proti zejména nepřímému účinku záření. Vychytávají volné radikály nebo vyvolávají hypoxii buněk s následným omezením tvorby toxických produktů radiolýzy vody. • •Biologická ochrana je nespecifická a spočívá ve zlepšování stavu výživy organismu a ve zvyšování jeho odolnosti (podávání vitaminů - vitamin E chrání proti volným radikálům - imunizace proti infekčním onemocněním aj.) Lékařské přístroje: Úvod Co to je lékařský přístroj? •“Jakýkoliv nástroj, přístroj, spotřebič, materiál nebo jiný předmět, používaný samostatně nebo v kombinaci s jiným, včetně softwaru potřebného pro vlastní aplikaci, zamýšlený výrobcem pro použití na lidských bytostech za účelem: –Diagnózy, prevence, monitorování, léčby nebo ulehčení nemoci, –Diagnózy, monitorování, léčby nebo ulehčení či kompenzaci při zraněních nebo tělesném postižení, –Zkoumání, nahrazování nebo modifikování částí těla či fyziologických procesů, –Kontroly početí • a který nedosahuje svého základního zamýšleného účinku na lidský organismus farmakologicky, imunologicky nebo metabolicky, který však takto může být podpořen ve své funkci.” (Směrnice EU o lékařských přístrojích, článek 1(2a)) Aktivity v oblasti zdravotní péče ØPrevence ØDiagnóza ØLéčba ØRehabilitace ØPaliativní péče (jestliže léčba není možná) Lékařské zobrazovací přístroje (in vivo diagnostika) ØProjekční rtg přístroje ØVýpočetní tomografie (CT) ØUltrazvukové zobrazení včetně dopplerovského ØMagnetická rezonance (MRI) ØRadionuklidové zobrazení (nukleární medicína) Øtermografie Øatd. ultrasound ultrasound •Teoretické pozadí: • •Ionizující záření (vznik, měření, interakce s látkou), vlastnosti atomového obalu a jádra, základní pojmy akustiky, spektrum elektromagnetického záření…. Lékařské zobrazovací přístroje (in vivo diagnostika) Lékařské laboratorní přístroje (in vitro diagnostika) ØSeparační technika, centrifugy atd. ØElektroforéza, kapilární elektroforéza ØpH-metry, iontově selektivní elektrody ØPočítače částic a buněk ØSpektrofotometry ØFlow-cytometrie ØMikroskopie ØVysokotlaká kapalinová chromatografie ØPřístroje pro klinickou biochemii, hematologii, imunologii ØScintilační počítače ØPřístroje pro genetickou analýzu Ø…… Cover3 •Teoretické pozadí: • •Struktura biopolymerů, vlastnosti vody a elektrolytů, elektrické vlastnosti živé hmoty, galvanický článek, sedimentace částic, dozimetrie, absorpce světla… Lékařské laboratorní přístroje (in vitro diagnostika) Přístroje pro sledování fyziologických projevů organismu (in vivo diagnostika) ØPřístroje pro měření fyzikálních a chemických veličin in vivo •teploměry •Měření parametrů kardiovaskulárního systému: monitory krevního tlaku, průtokoměry, dopplerovské ultrazvukové systémy •Přístroje pro elektrofyziologická měření: EKG, EEG, EMG •Audiologické a oftalmologické přístroje •Měření parametrů respiračního systému: spirometry, pulzní oximetry, impedanční pneumografy •Endoskopy Přístroje pro sledování fyziologických projevů organismu (in vivo diagnostika) •Teoretické pozadí • •Úvod do termodynamiky, základní zákony hydrodynamiky, vznik bioelektrických potenciálů, vlastnosti zvuku a světla, ucho a sluch, oko a zrak, mechanické vlastnosti živé hmoty… spirometer [USEMAP] EKG [USEMAP] Tonometr pro měření tlaku krve Obrazovka víceúčelového klinického monitoru POC (Point of Care) přístroje ØSplňují požadavky klinických lékařů na rychlý přístup k informacím podporujícím rozhodování v péči o pacienty v kritickém stavu ØPokroky v mikroelektronice a výrobě biosenzorů umožňují použití miniaturizované techniky přímo u lůžka pacienta. ØPříklady: –Provádění krevních testů u lůžka pacienta místo v centrální laboratoři –Přenosné (hand-held) ultrazvukové zobrazovací přístroje Přístroje pro radioterapii ØZdroje rentgenového záření a elektronových svazků (urychlovače, s možností měnit plynule tvar, směr a intenzitu svazku záření) ØRadioizotopové zdroje záření gama, např. s využitím Co-60 ØSystémy pro plánování radioterapie ØSimulátory ØPřístroje pro brachyterapii ØDosimetry Lineární urychlovač Leksellův gama-nůž Přístroje pro radioterapii •Teoretické pozadí • •Ionizující záření (vznik, měření, interakce s látkou), vlastnosti atomového jádra, radioaktivita, biologické účinky ionizujícího záření, dozimetrie... Přístroje pro radioterapii ØZdroje rentgenového záření a elektronových svazků (urychlovače, s možností měnit plynule tvar, směr a intenzitu svazku záření) ØRadioizotopové zdroje záření gama, např. s využitím Co-60 ØSystémy pro plánování radioterapie ØSimulátory ØPřístroje pro brachyterapii ØDosimetry Lineární urychlovač Leksellův gama-nůž Přístroje pro radioterapii •Teoretické pozadí • •Ionizující záření (vznik, měření, interakce s látkou), vlastnosti atomového jádra, radioaktivita, biologické účinky ionizujícího záření, dozimetrie... Přístroje pro fyzikální terapii ØElektroterapie ØUV a IR terapie ØKrátkovlnná diatermie ØUltrazvuková terapie ØLaserová terapie… Myostimulátor Laserová terapeutická jednotka Ultrazvuková terapeutická jednotka Krátkovlnná diatermie Přístroje pro fyzikální terapii •Teoretické pozadí • •Biologické interakce ultrazvuku, elektromagnetických polí, elektrického proudu, infračerveného, viditelného a ultrafialového záření…. Přístroje používané na operačních sálech, litotriptory [USEMAP] Operační lampy anestézie elektrokauter kryokauter Přístroje používané na operačních sálech, litotriptory •Teoretické pozadí • •Biologické interakce ultrazvuku, elektromagnetických polí, elektrického proudu, infračerveného, viditelného a ultrafialového záření, princip laseru, působení nízkých teplot na živou hmotu, akustické rázové vlny… neuro surgery Přístroje používané na operačních sálech intensive unit Přístroje používané na operačních sálech Přístroje pro náhradu a podporu orgánů - implantáty robot6-sm cortical-screw-4 prosthetics dr2 multiple-posterior-graphic Robotické zařízení pro implantaci kolenní endoprotézy Přístroje pro náhradu a podporu orgánů – „umělé orgány“ artificial-heart-abiocor-hand FullVent-small 6 Retinal Implant ear implant diagram Umělé srdce Kochleární implantát Sítnicový implantát Plicní ventilátor Mimotělní oběh Jednorázová zařízení a pomůcky Suction Catheter Odsávací katétr Umbilical Cord Clamp, Sterile - Regular Pupečníková svorka I.V. Cannulae - Size: 22G - Blue I.V. kanyla Přístroje pro samovyšetření pacientů (‘domácí přístroje’) Ø‚přístroje pro samovyšetření` jsou jakékoliv přístroje určené výrobcem k laickému použití v domácím prostředí ØTeploměry, tlakoměry atd. ØVyšetřovací soupravy používané v těhotenství a pacienty trpícími cukrovkou (stanovení hladiny glukózy v krvi) Glukometr Přístroje pro vyhodnocování ukazatelů výkonnosti přístrojů •I takováto zařízení považujeme za lékařské přístroje low Testování rozlišení kontrastu u rtg přístroje Co je účelem…… ØUvědomit si, že by lékařský přístroj měl být používán efektivně a bezpečně (snížit pacientské, pracovní i jiné riziko na minimum) ØPoužívat lékařské přístroje profesionálním a vědeckým způsobem ØPoznat užitnou hodnotu lékařských přístrojů v klinických oblastech a ve výzkumu ØMít základní představu o používání některých přístrojů v jiných profesích Některé kompetence uživatelů lékařských přístrojů ØSpecifikovat diagnostické, terapeutické aj. přínosy používání daného přístroje ØVysvětlit fyzikální principy, které jsou základem činnosti přístroje a protokolu pro práci s tímto přístrojem ØPopsat hlavní části komerčně dostupných přístrojů, včetně uživatelského nastavení a ovládání ØIdentifikovat možná zdravotní rizika (např. mechanická, elektrická, radiační aj.) pro pacienta, sebe i spolupracovníky ØPopsat měřitelné objektivní ukazatele výkonnosti přístroje, které mají přímý vztah k efektivními využívání přístroje nebo bezpečnosti Pokračování….. ØBýt schopen pracovat s přístrojem tak, aby byla zajištěna požadovaná úroveň efektivity a byla minimalizována rizika pro pacienty i zdravotnický personál ØVysvětlit omezení při používání přístroje a kontraindikace jeho použití ØZnát dopad chybného fungování přístroje a chybného protokolu na efektivitu jeho používání i z toho plynoucí rizika ØRozpoznat aktuální vadnou funkci přístroje a vědět, jak se s ní vypořádat ØMít dovednosti v oblasti preventivní údržby a kontroly kvality včetně kalibrace na uživatelské úrovni ØVědět, že přístroj by měl být zkontrolován před použitím a po práce zanechán ve stavu potřebném pro další práci s ním ØDodržovat mezinárodní, evropskou, národní a místní legislativu či omezení při práci s daným přístrojem