FYZIKÁLNÍ PRINCIPY TECHNIKY •So 10. 10. 7:30–10:05 • • •So 24. 10. 11:10–12:50 • • •So 7. 11. 15:45–18:20 • • •So 19. 12. 15:45–17:25 images.jpg FYZIKÁLNÍ PRINCIPY TECHNIKY •ROZSAH: 10h •UKONČENÍ: zápočet •VYUČUJÍCÍ: PhDr. Michaela Šutová –Kontakt: 350140@mail.muni.cz –Konzultační hodiny: Pondělí od 15:45 - 16:30 nebo po předchozí domluvě e-mailem –Do předmětu e-mailu vždy uvádět „fyzikální principy techniky“ DOPORUČENÁ LITERATURA •Základy fyziky. 1, Úvod do studia fysiky; Mechanika; Akustika; Termika (Přid.) : Základy fysiky. 1, Úvod do studia fysiky; Mechanika; Akustika; Termika. info •BEDNAŘÍK, Milan a Miroslava ŠIROKÁ. Fyzika pro gymnázia :mechanika. 3. přeprac. vyd. Praha: Prometheus, 2000. 288 s. ISBN 80-7196-176-0. info •SKLENÁK, Ladislav a Dalibor DVOŘÁK. Fyzika pro střední školy. 1. vyd. Praha: Fortuna, 1997. 142 s. ISBN 80-7168-445-7. info •Fyzika pro gymnázia : mechanika. 1. vyd. Praha, Praha: Prometheus, 1993. 343 s. ISBN 80-901619-3-1. info •BEDNAŘÍK, Milan. Fyzika pro gymnázia :mechanika. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1993. 343 s. ISBN 80-901619-3-6. info •ŠANTAVÝ, Ivan a Ladislav PEŠKA. Fyzika. I, Mechanika, teorie relativity, kinetická teorie látek, termodynamika. 1. vyd. Brno: Ediční středisko VUT, 1984. 234 s. info • FYZIKA VE ZDRAVOTNICTVÍ UOPK_2001 Fyzikální principy techniky PhDr. Michaela Šutová Úvod •S některými lékařskými přístroji a jejich fyzikálními principy se setkáváme již od ZŠ •Důležité jsou poznatky z vlastní zkušenosti (setkání s přístroji u lékaře) OBSAH •RENTGEN •POČÍTAČOVÁ TOMOGRAFIE •MAGNETICKÁ REZONANCE •ULTRAZVUK •LEKSELŮV GAMA NŮŽ •LASER Rentgenové záření •Moderní éra zobrazovací diagnostiky začala zhruba před 120 lety (1895) objevením neznámých (X) paprsků W.C.Röntgenem •Při průchodů paprsků vnitřními orgány dochází k jejich rozdílné absorpci (umožnilo orientační morfologii těla pacienta – zejména odlišit kosti) Rentgenové záření •Elektromagnetické záření o vlnové délce 10-8m až 10-12 m •Vzniká při přeměně energie rychle se pohybujících elektronů, které dopadají na povrch kovové elektrody, na energii elmag záření •Čím je energie dopadajících elektronů větší, tím je kratší vlnová délka W.C.Röntgen (1845 – 1925) •Německý fyzik učinil objev při studiu výbojů v plynech •Zkoumal katodové záření, zjistil, že při dopadu elektronů s velkou kinetickou energií na kovovou anodu vzniká záření, které proniká i neprůhlednými předměty (označil jako paprsky X) •Experimenty: zabalil fotografickou desku do černého papíru a umístil ji do blízkosti výbojové trubice -> po vyvolání zjistil, že emulze zčernala, jakoby byla deska rovnoměrně osvícena –Položil na desku kovový předmět a zobrazila se světlá plocha ve tvaru obrysu daného předmětu –Prvním objektem snímkování byla ruka jeho manželky –1901 udělena Nobelova cena za fyziku 225px-Wilhelm_Conrad_Röntgen_(1845--1923).jpg Vlastnosti rentgenového záření •Schopnost pronikat látkami •Působení na fotografickou emulzi •Ionizace látky, kterou záření prochází •Specifický způsob pohlcování v látkách –Čím kratší je vlnová délka, tím lépe záření látkou proniká a má větší ionizační účinky –Rentgenové záření o kratších vlnových délkách „tvrdé“ –O delších vlnových délkách „měkké“ – léčba nádorů ozařováním (radioterapie) –Pohlcování záření záleží na protonovém čísle (Z) chemického prvku (v kostech 150x více – z fosforečnanu vápenatého, než ve tkáních – z vody) -> proto se na rentg. snímku jeví kosti světleji než tkáně nejbizarnejsi-rengenovy-snimek-13.jpg 54463.jpg Podle způsobu vzniku RTG záření rozlišujeme dva základní případy: •BRZDNÉ ZÁŘENÍ –Vzniká důsledkem zpomalování pohybu elektronů, které velkou rychlostí dopadají na povrch kovu –Změna rychlosti elektronů má za následek vyzařování elmag vln, jejich frekvence se spojitě mění –Proto je spektrum záření spojité •CHARAKTERISTICKÉ ZÁŘENÍ –Souvisí se změnami energie atomu kovu, které je získaly působením dopadajících elektronů –Spektrum je čárové image002.jpg Zdroje RTG záření •RENTGENKA = rentgenová trubice –Tvořena evakuovanou baňkou v níž jsou umístěny dvě elektrody (katody a anoda) –trubice s vakuem uvnitř, jejíž součástí je žhavená katoda, která slouží jako zdroj elektronů. Tyto elektrony jsou urychlovány, dopadají na terčík neboli anodu, čímž vzniká rentgenové záření. –více zde: unimat.jpg RTG přístroj – univerzální RTG přístroj UNIMAT •TRANSFORMÁTOR – dodává vysoké napětí (100kV) •USMĚRŇOVAČ – vytváří ze střídavého proud stejnosměrný •RENTGENKA •OVLÁDACÍ PULT – umístěn mimo vyšetřovací místnost/olověným ochranným štítem •SEKUNDÁRNÍ CLONA – absorbuje 80% rozptýleného záření •KAZETA S RADIOGRAFICKÝM FILMEM – v dnešní době se využívají detektory umožňující digitalizaci snímků a ukládání do PC SNÍMKOVÁNÍ POMOCÍ RENTGENU •Z rentgenky vychází rentgenové záření a šíří se do okolí •Fotony o nižší energii jsou absorbovány ve stěně rentgenky •Svazek záření je dále vymezen pomocí posuvných clon (díky nim vznikne úzký směrovaný svazek) •Rentgenové paprsky procházejí tělem pacienta a dochází k absorpci / rozptylu -> projdou sekundární clonou •Na fotografickém filmu se vytvoří obraz •VIDEO ZDE: Počítačová tomografie CT •Pro přesnou diagnostiku nestačil pouze dvojrozměrný RTG snímek, ale bylo potřeba získat snímek příčného (tomografického) řezu •CT kombinuje klasické RTG vyšetření s PC systémem, který informace zpracovává •Vznik kolem 60. let 20. století •Pojem lidově zvaný jako „tunel“ Discovery_PET_CT_710_spolight3.jpg CT •SKLÁDÁ SE Z: –RENTGENOVÉ TRUBICE – slouží jako zdroj rentgenového záření –SOUSTAVY DETEKTORŮ RTG ZÁŘENÍ – registrují pokles intenzity záření po průchodu tělesnými orgány PRINCIP CT •pacient je zasunut na vyšetřovacím stole do tunelu, kde jej po kruhové dráze obíhá zařízení složené z rentgenky a soustavy detektorů •Na monitoru přístroje se zobrazí reálný anatomický řez pacienta •Velkou nevýhodou je vystavení RTG záření •https://www.youtube.com/watch?v=eLI8hQAtixs •https://www.youtube.com/watch?v=VN1eWjLZ-4Y • MAGNETICKÁ REZONANCE - MRI •Metoda nemá žádné nežádoucí účinky •Využívá účinků magnetického pole a elmag záření v oblasti radiových vln •Zařízení pro MRI na první pohled připomíná „tunel“ PRINCIP MRI •Mozkem celého přístroje je výkonný PC, který řídí všechny procesy •Centrální jednotkou je silný magnet, který vytváří homogenní magnetické pole •Třetí součástkou systému jsou radiofrekvenční cívky, které slouží jednak jako antény vysílající elmag signál a jednak jako modifikátory magnetického pole •video zde NEBEZPEČÍ MRI •V okolí přístroje se nachází velmi silné magnetické pole, proto nesmí mít pacient při vyšetření v těle žádné kovové předměty (kovové protézy) •Malé kovové předměty vedou ke znehodnocení diagnostického snímku a větší mohou být z těla pacienta vytrženy •video zde: MAGNETOTERAPIE •Magnetické pole se v lékařství nevyužívá jen k diagnostice, ale také k rehabilitaci •Terapeutická metoda, užívající magnetické pole = magnetoterapie –Ve sportu, očním lékařství atd. –Princip je založen na prostupování magnetického pole tkáněmi •Dochází ke zvýšenému prokrvování, okysličování a lepšímu odvádění zplodin v exponované tkáni ULTRAZVUK •Vývoj v 2.sv. válce – lokalizace ponorek pomocí sonaru •Dvojrozměrné zobrazování •Založeno na Dopplerově principu (umožňují získávat směr a rychlost pohybu) •V dnešní době největší zastoupení v gynekologii a porodnictví ULTRAZVUK •Nejdůležitější součástí je SONDA –Podle tvaru dělíme na: 1.LINEÁRNÍ – tvořena řadou lineárně uspořádaných piezoelektrických krystalů -> výsledný snímek má obdélníkový tvar –Výhodou: zviditelnění oblasti blízké sondě –Nevýhodou: omezené zorné pole ve větších hloubkách lidského těla 2. SONDY SE SEKTOROVÝM TVAREM ŘEZU – náročná elektronická sonda, vysoce kvalitní snímky - trojrozměrné FYZIKÁLNÍ PRINCIP •Akustické vlnění s frekvenčním spektrem mezi 20kHz a 1GHz (frekvence nad hranicí slyšitelnosti) – v medicíně se využívá pásmo 2 až 30MHz •Vysíláním ultrazvukového signálu z diagnostické sondy se tělem pacienta šíří podélná tlaková vlna – při každé interakci vlny s tkáněmi jednotlivých orgánů je část signálu tkání pohlcen, část rozptýlen a část odražen •Takto zeslabený signál lze po výstupu z pacienta změřit a získat celkovou informaci o vlastnostech vyšetřovaných tkání VZNIK ULTRAZVUKOVÉ VLNY •Vlny lze generovat různými způsoby, které mohou využívat: –Elektromechanického –Optického –Termického –Piezoelektrického principu přeměny energie Piezoelektrický jev •Založen na oboustranné přeměně mechanické deformační energie v elektrickou a naopak •Přivede-li se na piezoelektrický krystal střídavý proud, začne se krystal periodicky deformovat, začne kmitat s frekvencí rovnou frekvenci použitého střídavého proudu a stane se zdrojem ultrazvukového vlnění •Pokud vlnění naopak rozkmitá krystal -> stává se krystal detektorem dopadajícího ultrazvukového vlnění •V každé sondě je tedy zabudováno více krystalů, které umožňují současně vysílat i detekovat ultrazvukové impulzy piezoelektrický krystal obr41.JPG Šíření ultrazvukové vlny lidským tělem LEKSELŮV GAMA NŮŽ •Využívá gama záření – využívá úzké paprsky gama záření –Radioaktivní elmag záření s vlnovými délkami kratšími než 300pm, lze je zeslabit silnou vrstvou olova; neodchyluje se v elektrickém ani magnetickém poli •Přístroj těžký asi 2 tun, který nemá s nožem ani jiným ostrým nástrojem nic společného LEKSELŮV GAMA NŮŽ 705313_18700_gama_nuz.jpg Konstrukce gama nože •Radiační jednotka – obsahuje 201 zdrojů kobaltových záření •Kolimátorová helmice – obsahuje 201 otvorů pravidelně umístěných po celé ploše, slouží jako přístupové cesty paprsků do nitra helmice, kde se nachází ozařovaný objekt (nádor v lebce); hmotnost cca 130kg •Stereotaktický koordinační rám společně s PC systémem – slouží k přesnému zacílení paprsků do konkrétního místa • –Celý gama nůž je obsluhován z kontrolního panelu v přilehlé místnosti LASER –V OFTALMOLOGII •Např. přichycení odchlíplé oční sítnice, odstranění šedého zákalu, úpravy tvaru rohovky pro korekci krátkozrakosti a dalekozrakosti •Výhodou je možnost bezdotykového ostře ohraničeného řezu tkání, ale i odstranění velmi malých struktur bez poškození okolí DĚKUJI ZA POZORNOST