Bezpečnostní aspekty změn tlaku vzduchu a tíhového zrychlení. Biologické účinky ultrazvuku Obsah přednášky Ø Rizika spojená s příliš nízkým nebo vysokým tlakem vzduchu Ø Rizika plynoucí ze změn tíhového zrychlení, stavu beztíže, kinetózy Ø Rizika plynoucí z vysokých intenzit ultrazvuku, ultrazvuková kavitace Rizika nízkého tlaku vzduchu Atmosférický tlak klesá s výškou exponenciálně, jeho poloviční hodnoty je dosaženo ve výši 5400 m nad mořem (přibližně 80%-ní sycení krve kyslíkem). Při rychlých výstupech nad 3000 m vzniká u netrénovaných osob výšková hypoxie (nevolnost, bolesti hlavy). První reakcí je zrychlené mělké dýchání Þ roste parciální tlak kyslíku v alveolech a tím i saturace hemoglobinu kyslíkem. Později dochází k uvolnění erytrocytů z rezervních prostorů, zvýšení srdečního výkonu a tepové frekvence (tachykardie). Zásobení mozku a srdce kyslíkem se zvyšuje. Rizika zvýšeného tlaku vzduchu Přetlak zvyšuje parciální tlaky dýchacích plynů a jejich obsah v krvi. Když se okolní tlak sníží na normální hodnotu, přebytečné dýchací plyny difundují z tkání do krve a do alveolárního vzduchu. Problémy nastávají při rychlé dekompresi. Nadbytečný kyslík je rychle metabolizován, avšak dusík zůstává ve tkáních a krvi v podobě bublin Þ dekompresní neboli kesonová nemoc. (Keson je komora bez dna používaná pro práce pod vodou. Zvýšený tlak vzduchu brání jejímu naplnění vodou.) Negativně jsou ovlivněny klouby, mozek a srdeční sval Þ bolesti v kloubech a ve svalech, bolest hlavy, nevolnost a zvracení. Bubliny N[2] způsobují plynovou embolii v srdečních cévách. S touto nemocí se často setkáváme u potápěčů. Barokomory a dysbarismus Ø Hypobarické komory: Využití při léčbě respiračních onemocnění – snížení tlaku o 20 - 40 kPa. Roste dechový objem i frekvence (též uvolňování CO[2]). Plíce jsou lépe prokrveny – je usnadněno vykašlávání a je tlumen úporný kašel. Ø Hyperbarické komory (barokomory) pro fyziologickou dekompresi jsou používány nejen pro terapii dekompresní neboli kesonové nemoci. Představují též jedinou prevenci této nemoci. Po rychlém vynoření z hloubky je provedena terapeutická rekomprese v komoře následovaná pomalou dekompresí. Léčba kyslíkem je také účinná. Ø Přetlak používaný pro jiné terapeutické účely se pohybuje v rozmezí 26 - 54 kPa, někdy i více. Hyperbarické komory (barokomory) se používají v kombinaci s kyslíkovou terapií (dýchání kyslíku pod tlakem). Tato léčba je aplikována u některých respiračních onemocnění, při otravách CO a kyanidy, popáleninách aj. Barokomora http://www.stranypotapecske.cz/kontakty/pic/komora2.jpg Dysbarismus Dysbarismus je označením pro problémy způsobené malými změnami tlaku vzduchu (do 5 kPa) – zejména během letecké přepravy. Bolest v uších je výsledkem relativního přetlaku nebo podtlaku ve středoušní dutině, což vede k napínání ušního bubínku. Často k tomu dochází při neprůchodnosti Eustachovy trubice. Opakované polykání napomáhá vyrovnávání tlaků. Rizika plynoucí ze změn tíhového zrychlení Ø Lidé jsou přizpůsobeni normální hodnotě tíhového zrychlení, g = 9,81 m.s^-2. Při letecké a kosmické dopravě se v důsledku působení sil setrvačnosti objevují zrychlení několikanásobně vyšší. Ø Kladné zrychlení – síla směřuje od hlavy k nohám. Krev se pohybuje ve stejném směru Þ nedokrevnost mozku a hromadění krve v dolních končetinách. Snížení tlaku krve v mozku způsobuje ztrátu vědomí a tzv. bílou slepotu (nedokrevnost sítnice). Kritická hodnota: kolem +5g. Ø Záporné zrychlení – síla směřuje od nohou k hlavě. Krev se hromadí v hlavě, způsobuje překrvení sítnice – červenou slepotu – objevuje se krvácení do sítnice a do mozku. Kritická hodnota: kolem -3g. Ø Příčné zrychlení – síla je kolmá k ose těla. Kritická hodnota: asi 18 g. Ø Účinky zvýšeného tíhového zrychlení mohou být omezeny vhodnou polohou těla a tzv. antigravitačními obleky. Účinky zvýšeného tíhového zrychlení Stav beztíže Ø Na oběžné dráze kolem Země nastává stav beztíže. Způsobuje poruchy v nervosvalové koordinaci z důvodu chybějících podnětů přicházejících z končetin a z důvodu zkresleného vnímání polohy těla vlivem chybné funkce statokinetického ústrojí. Ø V průběhu dlouhodobých pobytů ve stavu beztíže nastává pokles svalové síly a odvápňování kostí. Snížená zátěž pohybového ústrojí může být nahrazena cvičením. Kinetózy Nepravidelné zrychlování a zpomalování dopravních prostředků vyvolává u citlivých osob kinetózu (mořská nemoc apod.). Tato porucha nervového systému se projevuje bledostí, povrchním a zrychleným dýcháním, nevolností a zvracením. Rizika spojená s působením ultrazvuku Biofyzikální aspekty ultrazvukové kavitace Historická pozorování kavitace a první pokus o matematické zpracování problému Od sonaru Paula Langevina k ultrazvukové terapii a diagnostice Co to je kavitace? Ø Radiální kmity plynem naplněných mikrobublin Ø Dva hlavní druhy kavitace: • Přechodná (též kolapsová) - I[UZ] nad ~ 100 W/cm^2 (1 MW/m^2) • Rezonanční neboli pseudokavitace - I[UZ] nad ~ 0.1 W/cm^2 (1kW/m^2) Ø Kavitační prahy: (obecně různé) – pro mechanické účinky, sonoluminiscenci, chemické účinky, Blakeův práh (nástup přechodné kavitace). Kmity kavitační bubliny Kmity kavitačních bublin nejsou harmonické (tj. závislost r = f(t) není sinusová) – na rozdíl od ultrazvukových vln v okolní kapalině. Kmity mikrobubliny Chování mikrobublin na rozhraní pevných látek a kapalin Jak studovat kavitaci? Ø Teoretický problém: Kavitace je jev na pomezí makro- a mikrosvěta – kavitační bublina je příliš malá a nestabilní pro klasickou fyzikální analýzu a příliš velká pro kvantově-fyzikální analýzu. Ø Matematické modely kmitů bublin jsou velmi složité a popisují téměř výhradně jen jednotlivé kmitající bubliny. Ø Experimentální problém: Jak působí kavitace v nitru živého organismu? Jak je sama kavitace ovlivněna biologickým prostředím? Lze zkoumat kavitaci in vivo? Ø Experimentální studie se zabývají téměř výhradně velkými soubory bublin. Metody studia kavitačních jevů v biofyzice Ø akustické (měření akustických emisí a změny echogenicity tkáně) Ø optické (tzv. schlieren-metoda pro zobrazení akustického pole, vysokorychlostní fotografie, měření kmitů „ukotvené“ bubliny pomocí laserového paprsku, měření sonoluminiscence) Ø chemické (chemická dosimetrie) Ø biologické (hemolýza, histologie – např. hledání drobných krvácení do plicní tkáně u experimentálních zvířat) Ø Vyhodnocování mechanického poškození způsobeného kavitací, např. na kovových fóliích vystavených působení ultrazvuku. Jak lze tyto metody aplikovat in vivo? Sonochemie vzduchem nasycených vodných roztoků Sonolýzu vody můžeme srovnat s radiolýzou vody. Uvnitř kavitačních bublin dochází k excitaci molekul plynu. Příklady reakcí: Za nepřítomnosti kyslíku v ozvučované vodě se volný kyslík může objevit v důsledku těchto rekací: H[2]O[2] + •OH •HO[2] + H[2]O •HO[2] + •OH H[2]O + O[2] V plynné fázi je zvýšená pravděpodobnost reakcí vedoucích k tvorbě peroxidu vodíku: H[2]O (excit.) •H + •OH •HO[2] + •HO[2] H[2]O[2] + O[2] V okolní vodě mohou excitované molekuly vody vstoupit do reakcí vedoucích k tvorbě primárních produktů sonolýzy vody: H[2]O (excit.) + H[2]O H[2] + H[2]O[2] Jiné sonochemické procesy Ø Existují látky, které mohou potlačit ultrazvukovou kavitaci a tím i výtěžek sonochemických reakcí. Ø Tyto látky pronikají do kavitačních bublin a brání jejich kompresi nebo kolapsu, například alkoholy, ethery a aldehydy s vysokou tenzí par. Chemické účinky kavitace jsou též tlumeny některými plyny, např. CO[2], CO, H[2]S, N[2]O. Chemické dozimetrické metody Frickeho dozimetr je založen na oxidaci Fe^2+ na Fe^3+. Jodidová dozimetrie: KI rozpuštěný v destilované vodě. Po ozvučení je měřena koncentrace uvolněného jódu. Cerový dozimetr je založen na redukci Ce^4+ na Ce^3+ Taplinův dozimetr (dvousložkový) - chloroform je překryt vodou. Tvoří se HCl, měří se pH. Stanovení H[2]O[2] na základě měření luminiscence luminolu. Fluorescence kyseliny tereftalové po interakci s volnými radikály. Uvolňování chlóru z tetrachlormetanu. Chlór vytváří barevnou sloučeninu s O-tolidinem. Zdroje ultrazvuku použité v následujících pokusech Jódová dozimetrie kavitace – měření absorbance při 350 nm Hemolýza vyvolaná ultrazvukovou kavitací Kavitace – riziko nebo prospěch v medicíně Ø Přímé riziko: v ultrasonografii a při dopplerovských metodách, zejména za přítomnosti ultrazvukových kontrastních prostředků, které mohou působit jako kavitační jádra. V experimentu krvácení do plic. Mimotělová litotripse rázovou vlnou po aplikaci ultrazvukových kontrastních prostředků. Ø Hlavní účinný mechanismus: chirurgické aplikace, angioplastika, fakoemulgace, rozprašovače, dezintegrátory, čističky Ø Vedlejší účinný mechanismus: aplikace rázových vln, ultrazvukové odstraňovače zubního kamene Využití kavitace v chirurgii – HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) Závěry Autor: Vojtěch Mornstein