INTERACŢIUNEA FACTORILOR FIZICI CU SISTEMELE BIOLOGICE

Mediul exterior reprezinta o sursa permanenta de factori de agresiune care induc abaterea de la starea stationara, de echilibru dinamic, a sistemelor vii. Factorii fizici de agresiune constau în fenomene fizice ce pot interactiona cu procesele biologice. Exista doua nivele de interactiune:

nivelul interactiei specifice, mediate si conditionate de consum intern de energie;

nivelul interactiei nespecifice, nemediate, fara contributie energetica directa din partea sistemului.

În prima categorie sunt incluse fenomenele de traducere de semnal de la nivelul structurilor specializate ale analizatorilor, care se caracterizeaza în general printr-un transfer redus de energie, nenociv, dinspre exterior spre interior. Depasirea nivelelor maxime tolerabile poate declansa însa efecte nocive la nivel local, fara afectarea sistemului în ansamblu.

Categoria a doua de interactii se refera la acele efecte datorate interactiei nespecifice dintre anumite forme de variatie a energiei din mediul extern si materialul biologic, cu afectare globala, nespecifica a tuturor structurilor participante la interactie. Aici sunt incluse efectele unor factori fizici precum fenomenele radiative (radiatiile ionizante, UV, laser, microunde, ultrasunete), variatiile de temperatura, curentul electric, variatiile de presiune, câmp gravitational etc. Nocivitatea acestor interactii este dependenta în principal de cantitatea de energie transferata sistemului biologic.

Întelegerea mecanismelor biofizice ale interactiei structurilor vii cu agentii fizici este conditionata de cunoasterea proprietatilor specifice ale acestora din urma.

Influenta temperaturii asupra sistemelor biologice

Generalitati

Prin faptul ca intervine direct la un nivel structural de baza (atomic si molecular), temperatura influenteaza prin modificarile ei toate functiile sistemelor vii.

Fenomenele ce decurg direct din miscarea de agitatie termica a moleculelor si din existenta fortelor de interactiune moleculara, se afla nemijlocit sub influenta temperaturii (difuziunea, osmoza, tensiunea superficiala, vâscozitatea, potentialul electric, de concentratie etc).

Toate celulele sunt expuse la variatii de temperatura ale mediului lor ambiant, iar amplitudinea acestor variatii difera functie de conditiile în care traiesc organismele respective. Cele care traiesc în mediu acvatic sunt expuse unei variatii mult mai limitate de temperatura, dat fiind valoarea ridicata a caldurii specifice a apei, comparativ cu organismele care traiesc pe uscat. Pentru majoritatea organismelor, intervalul de temperatura la care se desfasoara activitatile metabolice celulare, numit zona biocinetica (fereastra biologica), este între 10 si 45⁰C. Exista însa si organisme termofile ce traiesc la temperaturi mai mari de 45⁰C si organisme criofile ce traiesc la temperaturi mai mici de 10⁰C. In general, forme de viata sunt posibile la orice temperatura la care apa celulara ramâne în stare lichida.

Prezentare schematica a unui proces biologic, de la starea initiala la cea finala

Energia de activare (E_a) este dependenta de temperatura dupa urmatoarea expresie:

Prezentare schematica a unui proces biologic, mediat enzimatic

De obicei, activarea enzimei necesita o energie mult mai mica decât energia de activare a procesului mediat, iar activarea enzimei poate fi realizata de o serie de factori chimici locali (mesageri chimici), sau factori fizici externi (de ex. semnale electrice, optice etc).

Efectele nocive ale temperaturii

Se pot distinge mai multe categorii de efecte determinate de valori ale temperaturii în afara zonei biocinetice:

si g sunt independente de x, atunci:

Astfel, doua puncte situate la acelasi nivel, într-un acelasi fluid în echilibru, au aceeasi presiune.

In cazul organismului, presiunea arteriala (mai exact diferenta fata de presiunea atmosferica) trebuie masurata în pozitia decliva pentru a elimina efectul gravitatiei. Astfel, presiunea arteriala pentru vasele cu sectiune egala este aceeasi în toate punctele circulatiei sanguine. Ea variaza de la un maxim (130 mmHg 17 kPa) în cursul sistolei (p_s) la o valoare minima (80 mmHg 10 kPa) în cursul diastolei (p_d).

Valoarea medie a tensiunii arteriale se calculeaza dupa formula:

Aceste efecte pot fi:

Efecte de vecinatate a electrozilor. Organismul poate fi asimilat unui ansamblu de unitati galvanice foarte mici (celule) umplute cu o solutie conductoare de electrolit. Aplicarea de curent electric continuu de joasa tensiune se face prin intermediul a doi electrozi, între care apare un flux preponderent de electroni. În regiunea electrozilor apar curenti electrotonici în toate directiile. Astfel, la anod se produc curenti anelectrotonici, care au un efect de scadere a pragului de excitabilitate a celulelor excitabile prin inducerea unui deficit de sarcini electrice elementare în spatiul extracelular, iar la catod curenti catelectrotonici cu efect contrar. Prin fenomen de electroforeza, adica migrarea în câmp electric a particulelor încarcate electric, se acumuleaza la anod ioni Cl^-, ceea ce duce la formarea de acid clorhidric (coloratie galbena). La catod se acumuleaza Na⁺ care determina formarea de NaOH (coloratie cenusie).

Efecte la distanta - sunt reprezentate de transportul transcutanat al ionilor, bazat tot pe efecte de electroforeza. Ionii medicamentosi pot fi introdusi în organism fie pe cale electrica fie prin injectie subcutanata. Ultimul procedeu este mai usor de realizat, dar efectul este mai putin durabil. Introducerea electrolitica a ionilor medicamentosi se numeste ionoforeza.

Galvanizarea - actiunea terapeutica a unui curent continuu de pâna la câtiva zeci de mA. Prin galvanizare se urmareste fie scaderea excitabilitatii nervoase, folosita în tratamentul unor nevralgii, fie stimularea excitabilitatii în cazul sindroamelor miastenice sau recuperarilor neuromusculare. Galvanizarea poate fi combinata cu ionoforeza sau cu alte tratamente electrofiziologice, cum este diatermia (vezi mai jos).

Efectele curentului alternativ

Curentul de joasa frecventa (câteva mii de hertzi) produce efecte excitomotoare. Acest curent se aplica în tratamentul atrofiilor musculare si a degenerescentelor neuromusculare.

Curentul alternativ de frecventa medie (câteva zeci de mii de hertzi) produce o crestere a pragului de excitatie. Efectul excitosenzitiv are o actiune stimulativa folosita în cardiologie la reanimarea de urgenta, sau în cazurile cronice, când se asigura inimii un ritm sistolic permanent. Electrosocul se produce atunci când curentul alternativ, de intensitate mai mare, strabate encefalul. El provoaca la om crize convulsive, asemanatoare cu cele epileptice, având proprietati terapeutice în psihiatrie.

Curentul alternativ de înalta frecventa (peste 100 kHz) nu produce nici efecte excitomotoare nici efecte excitosenzitive, ci numai o degajare de caldura, diatermie, depinzând de marimea electrozilor, de frecventa curentului si de structura anatomica a tesutului prin care trece curentul (proprietatile electrice ale tesuturilor). Bisturiul electric (electrocauterul) este reprezentat de un electrod activ cu geometrie ascutita si un electrod de referinta, cu geometrie plana si suprafata mare de contact, pus în contact electric cu zona de tegument din vecinatatea zonei de incizie. Închiderea circuitului la nivelul electrodului activ descarca o mare cantitate de energie pe o suprafata minima de tesut. Sectionarea tesuturilor are la baza fenomene termice violente ce se soldeaza cu evaporarea structurilor organice. Simultan cu "incizia" termoelectrica, se va produce si sigilarea vaselor sanguine incizate (hemostaza), ceea ce reprezinta un avantaj major în chirurgie, mai ales la nivelul mucoaselor, unde procesele de vindecare sunt mai lente.

Electrodiagnosticul

Utilizarea curentului electric în medicina se poate face si în scop diagnostic, existând doua posibilitati:

diagnostic prin stimulare, atunci când se studiaza raspunsul nervilor si muschilor la actiunea curentilor, prin care se urmareste determinarea pragurilor de excitatie. Se pun în evidenta modificari patologice ale reactiilor electrice (cantitative, referitoare la marimea pragului de excitatie si calitative, referitoare la felul de manifestare a reactiilor).

diagnostic prin detectie, când se înregistreaza activitatea electrica spontana a organismului (masurând variatiile de potential ce apar în timpul functionarii diferitalor organe). Astfel, prin utilizarea de electrozi de suprafata se poate înregistra activitatea cardiaca (electrocardiografie), activitatea cerebrala (electroencefalografie) etc.

Precautiuni la utilizarea curentilor electrici

Atunci când trec prin organism, curentii slabi nu produc efecte daunatoare, în schimb curentii puternici (de intensitate mare) pot da nastere la accidente grave (mortale chiar).

Când atingem cu mâna capetele firelor aflate sub tensiune electrica de zeci sau sute de volti, poate apare în antebrat o contractie dureroasa, de asemenea, poate apare o stare de soc. Daca tensiunea atinge câteva mii de volti, moartea survine imediat.

Pe lânga efectele electrolitice locale, din punctele de contact, accidentele mai grave sunt însotite de arsuri mergând pâna la carbonizare.

Un acelasi curent poate sa provoace accidente cu gravitate diferita, deoarece rezistenta electrica a organismului variaza de la individ la individ (dependent de starea de umiditate, de curatenie a organismului etc).

Când pielea este uscata, datorita rezistentei electrice mari, apare un efect Joule (termic) intens ce determina arsuri, dar curentul electric circula prin organism cu o intensitate relativ mica si electrocutarea este mai putin grava.

Când pielea este umeda si exista contact electric cu pamântul, atunci rezistenta ce o întâmpina curentul la intrarea în organism este mica si electrocutarea este violenta.

Daca rezistenta electrica joaca un rol important, intensitatea curentului electric constituie factorul determinant în producerea accidentelor electrice.

S-a masurat experimental rezistenta electrica totala de la dosul mâinii pâna la regiunea anterioara a abdomenului si s-au obtinut valori cuprinse între 30.000 si 40.000 W. De asemenea, s-a dovedit ca intensitatea minima ce poate provoca accidente periculoase este de 25 mA pentru curentul alternativ si de 50 100 mA pentru curentul continuu (curentul alternativ este de aprox. patru ori mai periculos decât curentul continuu). De exemplu, pentru o rezistenta interna de 10 KW, o tensiune U=10.000 W x 0.025 A = 250 V poate provoca fenomene de electrocutare.

Un rol deosebit îl are si traseul curentului prin organism. Curentul este daunator daca în drumul lui întâlneste inima (daca contactul se face printr-un picior si o mâna).

Influenta vibratiilor mecanice

Generalitati

Sunetul reprezinta o forma de transfer la distanta a energiei prin intermediul unei succesiuni de comprimari-decomprimari autopropagate prin elementele de mediu. Propagarea sunetului este posibila numai prin mediile alcatuite din elemente care pot suferi compresii elastice. In vid, sunetul nu se poate propaga. Viteza de propagare a sunetului depinde de impedanta acustica specifica (Z) a mediului si densitatea acestuia (r :

Impedanta acustica specifica este o constanta, care masoara abilitatea materialului de a propaga undele sonore. Unitatea de masura a impedantei acustice specifice este N s/m³ sau kg∙s/m², iar valorile numerice ale lui Z sunt de ordinul 10²-10³ pentru gaze, 10⁶ pentru lichide si 10⁷ pentru solide.

Caracteristicile fizice ale semnalului acustic sunt interpretate diferit prin perceptia auditiva corticala. Astfel intensitatea acustica sau nivelul acustic are corespondent subiectiv în taria sonora, frecventa semnalului acustic este perceputa subiectiv ca înaltime tonala, iar compozitia spectrala a semnalului acustic induce timbrul sonor. Deosebim, astfel, doua categorii de caracterisitici pentru sunete: fizice si de perceptie.

Caracteristici fizice

Intensitatea acustica într-un punct dat este energia transportata de unda acustica printr-o suprafata de 1 m² asezata perpendicular pe directia de propagare. Se masoara în W/m².

Kg/m³, v = 340 m/s) la N/m², I_max = 1 W/m². Intensitatea minima a unui semnal înca audibil este I_min = 10^-12 W/m² (pentru sunete cu Hz).

Nivelul acustic se exprima prin:

N = 10 log I /I_min

potentiale endolimfatice, dintre mediul intracelular al celulelor auditive si endolimfa, la nivelul polului ciliar, este de aproximativ 100mV

potentialul de repaus al celulelor auditive ciliate (-50 -70 mV), masurat între citoplasma celulelor auditive si perilimfa.

urechea interna - modul de propagare a undelor sonore prin canalul auditiv

Sunt vibratii mecanice cu o frecventa ce depaseste 16 kHz, ajungând pâna la 10⁹ Hz.

Ele se pot produce cu ajutorul unor dispozitive (traductoare) speciale, dintre care cele mai folosite sunt generatoarele piezoelectrice si cele magnetostrictive având gama de frecventa între 1000 si 10.000.000 Hz. Acestea se compun din doua parti principale: un generator ce produce curent electric alternativ de frecventa necesara si un vibrator care transforma energia electrica a generatorului în vibratii mecanice.

Viteza de propagare, într-un mediu dat, variaza între 300 si 6000 m/s, functie de proprietati fizice precum densitatea sau impedanta acustica.

Ţesuturile traversate de ultrasunete (US) sufera o serie de efecte mecanice, termice si chimice, care au la baza fenomene de absorbtie de energie:

De mentionat ca influenta fenomenului de cavitatie asupra tesuturilor biologice la nivelurile de energie a US folosite în terapie sau diagnostic nu a fost complet elucidata. Efectele US depind de intensitatea acestora si de durata de expunere. In raport cu intensitatea, deosebim:

a)   intensitati mici (<0.5 W/cm²), care nu produc schimbari morfologice ale celulelor;

b)   intensitati    medii (1-5 W/cm²), care pot duce la transformari celulare reversibile (accelerarea fenomenelor fiziologice de reparare);

c)   intensitati mari    (>5 W/cm²), care produc schimbari ireversibile (nucleele celulelor se deformeaza si se lizeaza).

Datorita efectelor produse, US au în medicina o serie de aplicatii:

1. Ultrasonoterapia actioneaza cu frecvente optime cuprinse între 800 - 3000 kHz, adâncimea la care patrund în tesuturi fiind între 5 - 7 cm. Mentionam ca ultrasunetele sunt absorbite dupa o lege exponentiala de forma :

este un coeficient de absorbtie dependent de energia transportata si de mediul strabatut.

Gradul de absorbtie a ultrasunetelor depinde de frecventa. Astfel, ultrasunetele de frecventa înalta sunt puternic absorbite, având efect local. Actiunile generale (sistemice) sunt caracteristice frecventelor joase.

Fenomenul fizic principal determinat de absorbtia ultrasunetelor la nivelul materiei biologice, este efectul termic. Ţesuturile biologice absorb ultrasunetele în cantitate relativ mare (de exemplu, la 1 Mhz si la 37^oC absorbtia în tesutul hepatic este de aproximativ de 600 de ori mai mare decât în apa si de doua ori mai mare în muschi decât în tesutul hepatic, în timp ce grasimile absorb 50% din energia ultrasunetelor). Distributia caldurii în interiorul tesutului depinde de geometria si intensitatea fasciculului, cât si de coeficientul de absorbtie.

Datorita efectelor termice produse, ultrasunetele se utilizeaza în tratamentul starilor reumatismale, în afectiuni ale sistemului nervos periferic, în nevralgii si nevrite, în afectiuni circulatorii etc.

2. Ultrasonografia - un rol deosebit în medicina îl are diagnosticul cu ultrasunete. Principiul metodei consta în emiterea si receptionarea consecutiva a undelor ultrasonice reflectate de pe suprafata de separatie a tesuturilor cu impedanta acustica diferita. Prin aceasta metoda se poate examina structura tesuturilor moi, diagnosticul cu ultrasunete completând pe cel cu raze X. Metoda se aplica cu bune rezultate la examinarea organelor abdominale, a inimii etc, sau chiar pentru aprecierea vitezei sângelui prin vase. In aceste cazuri se utilizeaza efectul Doppler (variatia frecventei de propagarea a sunetului emis de o sursa mobila, functie de viteza de deplasare a acesteia fata de receptor).

In stomatologie, tehnicile ultrasonice sunt folosite mai ales pentru:

diagnosticarea microfracturilor dentare sau a cariilor aparute sub restaurari prin studiul propagarii pulsului ultasonor la nivelul structurilor dintelui; utilizarea sistemelor ultrasonice puls-ecou permite masurarea vitezei undelor ultrasonore la nivelul dintilor intacti, cu detectarea jonctiunilor smalt-dentina sau dentina-pulpa dentara si masurarea grosimii acestor straturi. S-au putut determina vitezele undelor în smalt si dentina pentru fiecare tip de dinte. Exemple de valori ale vitezei undelor ultrasonore de 10 MHz sunt prezentate în tabelul de mai jos:

diagnosticarea afectiunilor parodontale marginale; modificarile de la nivelul osului alveolar pot fi evidentiate prin examen radiografic al marginilor alveolare. In acest caz apar dificultati legate de abordarea regiunii (ce explica diferentele individuale constatate), marginea fiind mascata de umbra tesutului dur al dintelui în regiunea vestibulara si linguala. Prin metoda ultrasonica s-a putut elimina acest impediment, structurile alveolare fiind net deosebite pe ultrasonograma.