G. Nedelcu

Biofizică şi Imagistică Medicală

- curs -

1

Capitolul I. Elemente de biofizică

Biofizica - este o ştiinţă care utilizează tehnici şi concepte fizico-chimice pentru cercetarea fenomenelor lumii vii.

Luând drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a materiei vii, ramurile principale ale biofizicii sunt urmatoarele:

a. Biofizica electronică (cuantică)b. Biofizica molecularăc. Biofizica celulară d. Biofizica sistemelor complexe

Biofizica foloseşte aproape toate domeniile clasice şi moderne ale fizicii:

Biomecanica - diferitele tipuri de locomoţie animală până la motilitatea celulară; Bioelectricitatea - ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, la nivel celular, tisular şi

de organ; Biotermodinamica şi bioenergetica - generarea, stocarea, conversia energiei la nivel celular

şi problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel supraindividual; Biocibernetica - mecanismele reglării şi transmiterii de informaţii în sistemele biologice; Radiobiologia - fenomenele ce au loc la interacţiunea radiaţiei cu materia vie.

Fenomenele fizice stau la baza funcţionării mecanismelor biologice.

I.1. Mărimi fizice, unităţi de măsură, sisteme de mărimi şi unităţi

Mărimea fizică - o proprietate măsurabilă a unui corp

Mărimile fizice:

Fundamentale → se definesc fără ajutorul altora [lungimea (l), masa (m), timpul (t), temperatura (T), intensitatea curentului electric (i), intensitatea luminoasă (I), cantitatea de substanţă (ν)]

Derivate → se obţin prin relaţii matematice din combinarea celor fundamentale [ex. forţa, lucrul mecanic (combinaţia masei, lungimii şi timpului]

o Pentru măsurarea unei mărimi → se alege o mărime de acelaşi fel cu ea, care se consideră etalon şi, de aceea, se numeşte unitate de măsură.

o A măsura o mărime înseamnă a o compara cu unitatea de măsură aleasă (cu etalonul) şi a vedea de câte ori unitatea de măsură se cuprinde în mărimea de măsurat.

Unităţile de măsură: unităţi fundamentale unităţi derivate

2

În anul 1960 la cea de-a XI-a Conferinţă Generală de Măsuri şi Greutăţi s-au adoptat pe plan internaţional unităţile fundamentale pentru mărimile fundamentale.

metrul (pentru lungime) kilogramul (pentru masă) secunda (pentru timp) kelvinul (pentru temperatură) amperul (pentru intensitatea curentului electric) candela (pentru intensitatea luminoasă) molul (pentru cantitatea de substanţă)

Unităţile derivate sunt cele corespunzătoare mărimilor derivate Exemplu: [F]SI = [m]SI·[a]SI = kg·m/s2

Grupul de unităţi fundamentale stabilite şi toate unităţile derivate din unităţile fundamentale constituie un sistem de unităţi de măsură.

Sistem Internaţional de unităţi de măsură (SI) → ansamblu coerent de unităţi fundamentale şi derivate.

şapte mărimi, respectiv şapte unităţi fundamentale: metrul, kilogramul, secunda, kelvinul, candela, amperul, nr. de moli.

Sistemul tolerat de unităţi este sistemul C.G.S. (centimetru, gram, secundă) a cărui folosire se face în funcţie de necesităţi.

Mărimi fundamentale Unităţi fundamentale

Lungimea Timpul Masa Intensitatea curentului electric

Intensitatea luminoasă

Temperatura Cantitatea de substanţă

Tabelul 1. Mărimi şi unităţi fundamentale.

Mărimi fizice scalare şi vectoriale

Mărimile fizice scalare → se caracterizează prin: valoare numerică unitate de măsură,

de exemplu: temperatura, lungimea, masa etc.

Mărimile fizice vectoriale → se caracterizează prin: valoare numerică unitate de măsură punct de aplicaţie orientare (direcţie şi sens)

de exemplu: forţa (se notează printr-o săgeata deasupra simbolului, )

3

Mărimi derivate în mecanică Unităţi derivate în mecanică

Aria

Volumul

Densitatea

Viteza

Acceleraţia

Forţa

Impuls

Presiunea

Lucrul mecanic

Puterea

Energia Momentul forţei

Momentul cinetic

Tabelul 2. Mărimi şi unităţi derivate în mecanică.

Mărimi derivate în electricitate Unităţi derivate în electricitate

Sarcina electrică

Tensiunea electrică

Capacitatea electrică

Rezistenţa electrică

Inducţia magnetică

Flux magnetic

Inductanţa

Tabelul 3. Mărimi şi unităţi derivate în electricitate.

I.2. Biofizica moleculară

I.2.1. Apa şi importanţa ei în lumea vie

4

a. Clasificarea apei din organismele vii

o În raport cu celulele există apă intracelulară şi extracelulară, care la rândul ei poate fi interstiţială şi circulantă (intravasculara).

o După starea ei de fixare în organism, apa poate fi legată (conţinută în structuri moleculare) şi liberă.

o În funcţie de provenienţă, apa poate fi exogenă (adusă din exterior) sau endogenă (rezultată din procesele metabolice).

b. Proprietăţile fizice ale apei

Datorită proprietăţilor fizice pe care le are, apa are o importanţă deosebită pentru organismele vii, influenţând existenţa, conformaţia şi funcţiile acestora.

c. Variaţia densităţii apei cu temperatura

o Spre deosebire de celelalte lichide, apa îşi măreşte volumul prin solidificare şi îşi micşorează densitatea. Ea are densitatea maximă la 4°C.

o Prin răcire, între 4°C şi 0°C apa se comportă anormal, dilatându-se. Ca urmare, gheaţa are densitatea mai mică decât apa la 4°C şi de aceea pluteşte pe apă.

(Această anomalie se explică prin faptul că, o dată cu scăderea temperaturii, creşte gradul de ordonare al moleculelor de apă, prin creşterea numărului de legături de hidrogen. Reţeaua moleculară devine tot mai structurată, ceea ce determină mărirea volumului gheţii şi scăderea densităţii).

d. Proprietăţile termice ale apei

o Ca urmare a activităţii metabolice, organismele vii produc energie, mai ales sub formă de căldură.

o Dacă se presupune că un organism viu ar fi un sistem izolat având căldura specifică apropiată de cea a apei (1 cal/g·grad), atunci valoarea temperaturii lui ar creşte mult peste 37 – 40°C. (Însă la temperaturi mai mari de 42°C încep să se denatureze proteinele, vitezele reacţiilor chimice ar creşte foarte mult, iar aceste modificări nu mai sunt compatibile cu viaţa).

OBS.Prin proprietăţile fizice şi valorile constantelor termice, apa are un rol deosebit de important în procesele de termoreglare ale organismului (rol termoregulator).

o Organismele vii pot primi din exterior cantităţi însemnate de căldură, care însă produc încălziri mici. Sângele, prin conţinutul ridicat de apă, transportă o mare cantitate de căldură din locul unde se produce în tot organismul, uniformizând temperatura acestuia. Prin intermediul vaselor sanguine din apropierea suprafeţei corpului, sângele cedează căldură mediului exterior prin radiaţii.Conductivitatea termică a apei este mare în comparaţie cu alţi constituenţi organici şi, în concluzie, organismele vii pot evita hipertermiile locale prin transport rapid al căldurii.

5

I.2.2. Noţiuni de fizica sistemelor disperse

Sistem dispers - amestec de două sau mai multe substanţe, având două componente:dispersantă şi dispersată. Prima o conţine pe cealaltă, care se află sub formă de particule, mai mult sau mai puţin fine.Criterii de clasificare a sistemelor disperse, în funcţie de:1. Dimensiunile particulelor: - soluţii adevărate (moleculare) - soluţii coloidale - suspensii Acest criteriu de clasificare nu se poate aplica moleculelor lungi (hidrocarburi)2. Starea de agregare a dispersantului- gazoasă - lichidă - solidă 3. Faze (fază - parte a unui sistem separată de celelalte părţi prin interfeţe - suprafeţe la nivelul cărora se produce o modificare bruscă a proprietăţilor fizico-chimice):- monofazice, care pot fi omogene ( proprietăţi identice în toate punctele sistemului) şi neomogene (proprietăţile diferă de la un punct la altul)- polifazice - heterogene : între părţile componente există suprafeţe de separare.4. Afinitatea dintre componenţi:- liofile (afinitate între solvit - solvent)- liofobe (nu exista afinitate între solvit şi solvent)În organism există toate cele trei clase: soluţii adevărate, coloizi, suspensii. De exemplu sângele este:- soluţie pentru cristaloizi (Na, Cl, K)- coloid (proteine: serumalbumine, globuline.)- dispersie (elemente figurate)În sistemele biologice prezintă interes deosebit cazul în care dispersantul este lichid.

I.3. Biofizica celulară

6

I.3.1. Fenomene de transport

o La toate nivelele de organizare a materiei se întâlnesc, sub diverse forme, fenomene de transport de substanţă şi transfer de energie, care sunt indispensabile funcţionării organismelor vii.

o Fenomenele moleculare de transport se manifestă în sisteme neomogene (asimetrice) şi se desfăşoară în sensul diminuării şi eliminării neomogenităţilor sistemului respectiv.

o În consecinţă va apărea un transport de substanţă şi energie care va avea ca scop diminuarea până la dispariţie a neomogenităţilor sistemului.

o Atingerea stării de echilibru se realizează în mod spontan, fără consum de energie din exterior, numai prin agitaţie termică moleculară.

Importanţă:Fenomenele de transport au o importanţă deosebită în biologie în special în cadrul fenomenelor

de transport prin membrane biologice.

Difuzia simplă. Legile lui Fick

Definiţie 1.Difuzia reprezintă fenomenul de pătrundere a moleculelor unui corp printre moleculele altui

corp aflat în aceeaşi stare de agregare.

ObservaţieLa lichide fenomenul se produce cu o intensitate mai mică decât la gaze, datorită forţelor

intermoleculare mai mari şi a agitaţiei termice mai mici decât în cazul gazelor.Două soluţii de concentraţii diferite (C1>C2), separate printr-un perete despărţitor → flux de

substanţă de la concentraţie mare la concentraţie mică şi va înceta în momentul în care ele devin egale.

Fig. 1. Difuzia simplă.Definiţia 2.Fluxul de substanţă reprezintă cantitatea de substanţă care traversează unitatea de suprafaţă în

unitatea de timp.

Definiţia 3.Fluxul de substanţă transportată este proporţional cu diferenţa de concentraţie de-a lungul

direcţiei după care are loc.

Definiţia 4.

7

Cantitatea de substanţă transportată în unitatea de timp este proporţională cu secţiunea transversală prin care are loc difuzia, cu gradientul de concentraţie, depinde de natura substanţei care difuzează şi de natura mediului în care are loc difuzia.

I.3.2. Fenomene de transport prin membrana celulară

Membrane biologice

Definiţie.Membranele biologice se definesc ca fiind ansambluri compuse din proteine şi lipide care

formează structuri continue bidimensionale, cu proprietăţi caracteristice de permeabilitate selectivă, prin care se realizează compartimentarea materiei vii.

a. Structură şi proprietăţi

Funcţiile pe care le îndeplineşte membrana sunt următoarele: delimitează celula (organitele celulare) de mediul exterior; prezintă permeabilitate specifică pentru ioni şi unele macromolecule; constituie locul unor reacţii enzimatice.

b. Compoziţia biochimică a membranelor biologice

Toate membranele biologice au în principiu o structură comună.Principalele componente ale membranelor biologice sunt: proteinele (60-80 %) lipidele (40-20 %) (resturile glucidice sunt întotdeauna ataşate proteinelor sau lipidelor) alte componente minore (ioni, apă, transportori) (insuficient studiate cantitativ).

Lipidele asigură funcţia de barieră a membranelor. Principalele clase de lipide întâlnite în membranele celulare sunt:

fosfolipidele (55 % din lipidele membranare); glicolipidele; colesterolul.

Proteinele conferă funcţionalitatea membranei. Ele intervin în transportul activ, îndeplinesc funcţii enzimatice sau de receptori. Dimensiunile lor sunt mai mari decât ale lipidelor.

Există 2 categorii de proteine: proteine periferice şi proteine integrate.

Proteine perifericeEle sunt extrinseci şi pot fi extrase uşor prin tratare cu soluţii diluate de săruri; sunt ataşate la exteriorul bistratului lipidic, interacţionând în principal cu grupările polare ale lipidelor sau cu proteinele intrinseci (integrale) prin forţe electrostatice.

Proteine integrateAceste proteine sunt integrate şi nu pot fi extrase decât după distrugerea structurii membranei cu detergenţi; acestea sunt molecule amfifile mici ce formează micele în apă.

c. Caracteristicile fizice ale membranelor biologice

8

Caracterul amfifil – se datorează lipidelor care prezintă un „cap” hidrofil şi o „coadă” hidrofobă; în consecinţă ele formează în mod spontan în apă micelii şi lipozomi (unilamelari, multilamelari) :

Fig. 2. Formarea miceliilor şi a lipozomilor.

Fluiditatea membranelor

Fluiditatea, f, este inversul vâscozităţii şi se aplică lichidelor izotrope (aceleaşi

proprietăţi în toate cele 3 direcţii ale spaţiului).Fluiditatea membranelor→ mobilitatea lor.

Se disting mai multe tipuri de mişcări:

Mişcări în interiorul moleculei fosfolipideloro mişcările de flexiune ale atomilor de carbon din grupările metilenice (-CH2-) din laţurile

acizilor graşi (din ce în ce mai mobile spre centrul stratului dublu lipidic şi mai rigide spre gruparea polară);

o mişcările atomilor din gruparea polară.

Mişcări ale întregii molecule de fosfolipideo mişcarea de deplasare laterală (translaţie)- 2m/so mişcarea de rotaţie în jurul axei longitudinale a moleculei - rapido mişcarea de deplasare transversală (flip-flop) – lent.

d. Clasificarea tipurilor de transport:

Tipurile de transport membranar pot fi clasificate în funcţie de mai multe criterii.

1. Din punct de vedere energetic:- transport pasiv (fără consum energetic, în sensul gradientului de concentraţie sau al celui electrochimic)- transport activ (cu consum energetic, în sens opus gradientului de concentraţie sau al celui electrochimic)

2. După natura substratului:- transportul prin bistratul lipidic- transportul prin polipeptide (oligopeptide)- transportul prin proteine

9

3. După cinetică:- difuzia simplă- difuzia facilitată

Sisteme de: macrotransport

transp. dir. al unor macromolecule prin membrane (de ex. la bacterii în cursul procesului de transformare genetică, în care moleculele de ADN trec atât prin peretele celular cât şi prin plasmalemă)

transp. prin vezicule:- endocitoza (pinocitoza, fagocitoza)- exocitoza- transcitoza

Endocitoza: materialele pătrund în celulă înglobate în vezicule ce se desprind din plasmalemă.fagocitoza – pătrunderea substanţelor solide în celulăpinocitoza – pătrunderea macromoleculelor lichide în celulăExocitoza: se varsă în exteriorul celulei produsle secretate în celulă (se produce prin fuziunea unor vezicule din citoplasmă cu plasmalema şi materialele din vezcule sunt vărsate în afara celulei)Transcitoza: realizează transortul moleculelor prin celulele endoteliului capilar.

microtransport1. transport pasiv2. transport activ

I.3.3. Noţiuni de biomecanică

a. Manifestările mecanice ale contracţiei musculare.

Tipuri de contracţii.

Muşchiul dezvoltă o forţă de contracţie egală şi de sens contrar forţei căreia i se opune. În funcţie de mărimea acestei forţe muşchiul se poate scurta, alungi sau poate păstra aceeaşi lungime.Contracţie izotonică - muşchiul se contractă contra unei forţe exterioare constante (ridicarea unei greutăţi). Contracţie neizotonică - forţa variază ca mărime - întinderea unui resort.Contracţie izometrică - contracţie în care lungimea muşchiului nu se modifică, dar tensiunea în el creşte. Forţa dezvoltată este egală cu cea care trebuie învinsă (contracţia posturală sau pentru susţinerea unui obiect). Muşchiul nu efectuează lucru mecanic.Contracţia tetanică - Prin stimulare cu un impuls unic muşchiul se contractă sub forma unei secuse unice (intervalul între stimuli trebuie să fie mai lung decât timpul necesar contracţiei şi relaxării); la stimulare repetitivă cu o anumită frecvenţă, peste o limită dată, contracţiile individuale fuzionează într-o contracţie unică - contracţie tetanică (fig.) Frecvenţa depinde de tipul de muşchi (mai mare la muşchii rapizi)(musculatura oculară 350 stimuli/secundă, muşchi solear 30).

Alungirea muşchiului - dacă forţa exterioară este mai mare decât valoarea maximă a forţei pe care o poate dezvolta muşchiul, acesta se alungeşte cu toate că se contractă activ.

Atât în repaus, cât şi în contracţie, muşchiul degajă căldură. Căldură disipată de muşchi este :

- căldura de repaus;

10

- căldura de contracţie, care la rândul ei este căldura de menţinere a forţei de contracţie şi căldura de scurtare (proporţională cu gradul scurtării);

- căldura de relaxare, care se produce imediat după încetarea stimulării;- căldura de restabilire, care se produce în urma reacţiilor chimice de regenerare a ATP.

b. Echilibrul corpului în poziţie verticală

În această poziţie, corpul uman este în echilibru stabil, iar verticala CG trece prin interiorul unui poligon convex de sprijin care în condiţiile pierderii echilibrului îşi măreşte suprafaţa prin îndepărtarea picioarelor.

Condiţiile de echilibru al întregului corp cuprind şi echilibrul capului, trunchiului şi membrelor inferioare

Capul- rezemat pe condilii primei vertebre, atlasul- verticala CG (b în Fig. 3) trece cu puţin anterior de articulaţia occipito-atlantoidă, adică în faţa

liniei transversale care uneşte cei doi condili, fapt pentru care capul nu se menţine în echilibru fără efort (observaţi un om care doarme, capul său se apleacă înainte); în stare de veghe însă, muşchii cefei, în uşoară contracţie statică, opresc capul de a cădea înainte.

Fig. 3. Echilibrul capului.

Prin urmare, echilibrul craniului este asigurat de muşchii cefei, care produc un moment de rotaţie pd, având rolul de a anula efectul greutăţii capului. Diferitele vertebre îşi menţin poziţia una deasupra celeilalte în acelaşi mod ca şi capul. Pentru regiunea cervicală şi dorsală, intervin muşchii spatelui, în timp ce în regiunea lombară unde verticala CG trece prin spatele vertebrelor, momentul compensator pentru menţinerea echilibrului este format de muşchii abdomenului.

Trunchiul- stă în echilibru pe picioare, rezemat pe capetele celor două femururi;- verticala CG trece prin spatele axei imaginare orizontale care uneşte articulaţiile

coxofemurale, momentul compensator fiind realizat de ligamentul lui Bertin, muşchiul psoasiliac şi tensorul fasciei late, care, sprijinindu-se pe coapsă, trag bazinul înainte.

Echilibrul coapselor pe tibie- condilii femurului se sprijină pe tibie, iar verticala CG trece la nivelul genunchiului prin faţa

axei transversale articulare;- gemenii şi ligamentele genunchiului asigură echilibrul;

11

- genunchii sunt menţinuţi în extensie prin acţiunea gravitaţiei, în limita permisă de distensia ligamentelor articulare.

Echilibrul gambei pe picior- verticala CG al întregului corp trece prin faţa articulaţiei tibio-tarsiene- acesta este menţinut de tricepsul sural, care în ortostatism se află în stare de contracţiepermanentă;- pentru menţinerea echilibrului corpului în poziţie verticală, intervin mai activ muşchiigambei

c. Poziţii anormale ale corpului uman- poziţa momentană datorată purtării unei greutăţi – verticala CG se deplasează, şi, ca urmare,

omul trebuie să îşi schimbe poziţia până ce această verticală trece din nou prin poligonul de sprijin;- atitudini patologice datorate flexiei sau extensiei anormale a diferitelor segmente;- poziţii vicioase datorate modificărilor scheletului, care rezistă foarte bine la un efort de scurtă

durată, dar nu şi la cele mai îndelungate şi se deformează sub influenţa contracţiilor musculare anormale de lungă durată;

Fig. 4. Tipuri de scolioză.Exemple:1. La un om care are un picior mai scurt, menţinerea echilibrului cere aplecarea trunchiului

lateral către piciorul mai scurt, consecinţa acestei aplecări repetate fiind apariţia scoliozei (Fig. 4) care este o deformare a coloanei vertebrale a cărei convexitate este îndreptată spre partea piciorului mai scurt;

2. În anumite condiţii, la adolescenţi mai ales, poate apărea o exagerare a curburii dorsale numită cifoză (Fig. 5),

12

Fig. 5. Cifoza.

pentru a cărei compensare se produce o amplificare a curburii lombare cu convexitatea anterioară, numită lordoză (Fig. 6);

Fig. 6. Lordoza.

3. Piciorul plat (Fig. 7) reprezintă tot o consecinţă a poziţiei verticale vicioase. Apare datorită discordanţei dintre apăsarea puternică şi continuă a corpului celui care stă mult timp în picioare şi este supraîncărcat cu greutăţi şi rezistenţa oaselor şi a ligamentelor (în multe cazuri este vorba despre o boală profesională care apare la persoanele care lucrează mult timp în picioare).

13

Fig. 7. Platfus.

d. Elemente de hemodinamică

Hemodinamica are ca obiect studiul fenomenelor fizice ale circulaţiei (mecanica inimii şi hidrodinamica curgerii sângelui prin vase elastice), aparatele, modelele precum şi dispozitivele experimentale folosite pentru acest studiu. Studiul circulaţiei sanguine foloseşte modele mecanice datorită numeroaselor analogii care există între funcţionarea inimii şi cea a unei pompe, între artere şi tuburile elastice etc.

Inima este un organ cavitar musculos care pompează sânge (lichid nenewtonian pseudoplastic) în tot organismul prin contracţii ritmice (datorită ciclului cardiac) în vasele de sânge de diametre diferite, având pereţi nerigizi şi parţial elastici. Inima are aproximativ 60-100 bătăi /minut, şi aproximativ 100.000 bătăi/zi. Bătăile inimii sunt accelerate de activitatea musculară şi de temperatura mai ridicată a corpului.

Fig. 8. Compartimentele inimii

Rolul de pompă al inimii

Rolul principal al inimii constă în expulzarea sângelui în circulaţie, prin închiderea şi deschiderea în mod pasiv a valvulelor care au rol de supapă. Inima este constituită din două pompe (Fig. 8), conectate prin circulaţiile pulmonară şi sistemică:

- pompa dreaptă care are rolul de a pompa spre plămâni sângele dezoxigenat colectat din organism (circulaţia pulmonară)

14

- pompa stângă colectează sângele oxigenat din plămâni şi îl pompează în corp (circulaţia sistemică)

Fiecare parte a inimii este echipată cu două seturi de valvule care, în mod normal, impun deplasarea sângelui într-un singur sens, cele două pompe ale inimii având fiecare câte două camere: atriul este un rezervor care colectează sângele adus de vene şi ventriculul care pompează sângele în artere. Septul este peretele care desparte atât atriile cât şi ventriculele şi care împiedică trecerea sângelui dintr-un atriu/ventricul în celălalt. Etanşeitatea pompelor este determinată de musculatura cardiacă.

Mişcarea valvulelor este reglată de diferenţa de presiune dintre atrii, ventricule şi vase sanguine, ele împiedicând sângele să curgă în direcţie greşită. Musculatura cardiacă asigură atât variaţia volumului inimii şi presiunii sângelui precum şi energia necesară funcţionării prin procesele biofizice şi chimio-mecanice din miocard.

Fazele ciclului cardiac

Activitatea de pompă a inimii se poate aprecia cu ajutorul debitului cardiac, care reprezintă volumul de sânge expulzat de fiecare ventricul într-un minut. El este egal cu volumul de sânge pompat de un ventricul la fiecare bătaie (volum-bătaie), înmulţit cu frecvenţa cardiacă. Volumul-bătaie al fiecărui ventricul este, în medie, de 70 ml, iar frecvenţa cardiacă normală este de 70-75 bătăi/min.; astfel, debitul cardiac de repaus este de aproximativ 5 l /min. Inima trebuie să pună în mişcare în fiecare minut, în medie 4 l în repaus, iar în timpul exerciţiilor fizice, până la 20 l. În somn, debitul cardiac scade, iar în stări febrile, sarcină şi la altitudine, creşte.

Fiecare bătaie a inimii constă într-o anumită succesiune de evenimente, care reprezintă ciclul cardiac. Acesta cuprinde 3 faze:

- sistola atrială constă în contracţia celor două atrii, urmată de influxul sanguin în ventricule. Când atriile sunt complet golite, valvulele atrioventriculare se închid, împiedicând întoarcerea sângelui în atrii.

- sistola ventriculară constă în contracţia ventriculelor şi ejecţia din ventricule a sângelui, care intră astfel în sistemul circulator. Când ventriculele sunt complet golite, valvula pulmonară şi cea aortică se închid.

- diastola constă în relaxarea atriilor şi ventriculelor, urmată de reumplerea atriilor. Închiderea valvulelor atrioventriculare şi a celor aortice produce sunetele specifice bătăilor inimii şi pot fi ascultate cu ajutorul stetoscopului (Fig. 9).

Fig. 9. Pozitia valvelor în timpul diastolei si a sistolei.

15

Fazele ciclului cardiac, din punct de vedere mecanic, cu referire la ventriculul stâng sunt: umplerea (diastolă ventriculară), contracţia atrială, contracţia izovolumică sau izometrică, ejecţia şi relaxarea izovolumică (izometrică).

Umplerea corespunde diastolei ventriculare care durează 0,50s. Datorită relaxării miocardului, presiunea intracavitară scade rapid până la câţiva mmHg. În momentul în care devine mai mică decât presiunea atrială, se deschide valvula mitrală ducând la scurgerea sângelui din atriu. Relaxarea continuă a miocardului, permite scăderea în continuare a presiunii, generând umplerea rapidă a ventriculului, urmat de un aflux mai lent, datorită scăderii diferenţei de presiune.

Contracţia atrială este faza în timpul căreia se umple complet ventriculul. În timpul acestor faze, valvula sigmoidă este închisă, iar presiunea aortică este mai mare decât cea ventriculară.

În timpul contracţiei izovolumice (la volum constant), ambele valvule sunt închise, ventriculul contractându-se ca o cavitate închisă, asupra unui lichid incompresibil, fapt care duce la o creştere foarte rapidă a presiunii intracavitare. Deoarece musculatura se contractă, forma ventriculului se modifică, dar volumul sângelui conţinut rămâne acelaşi. Presiunea sângelui creşte rapid depăşind-o pe cea din aortă, în acest moment deschizându-se valvula sigmoidă.

În timpul ejecţiei, datorită contracţiei miocardului ventricular, sângele este expulzat în aortă, cu viteză mare, la început având loc o ejecţie rapidă (aproximativ 2/3 din debitul sistolic este expulzat în prima jumătate a sistolei). Prin urmare, presiunea aortică şi cea ventriculară devin foarte apropiate ca valoare, la o diferenţă de 2-3 mmHg. Musculatura se relaxează după jumătatea perioadei de ejecţie şi presiunea din ventricul scade, la început mai încet decât cea aortică, expulzarea sângelui continuind mai lent. Când presiunea ventriculară scade sub cea aortică, se închide valvula sigmoidă.

Urmează o perioadă scurtă în care ventriculele devin cavităţi închise (diastolă izovolumică sau relaxare izovolumică). În acest timp, presiunea intraventriculară continuă să scadă până la valori inferioare celei din atrii, permiţând deschiderea valvelor atrio-ventriculare. În acest moment, începe umplerea cu sânge a ventriculelor. Această relaxare este foarte rapidă, aşezarea fibrelor musculare în straturi cu orientare diferită şi energia elastică înmagazinată în ţesutul conjunctiv ce leagă straturile reprezentând factori deosebit de importanţi.

Măsurarea presiunii arteriale

Primul document care atestă măsurarea presiunii arteriale datează din secolul al XVIII-lea. În 1773, cercetătorul englez Stephen Hales a măsurat în mod direct presiunea sângelui unui cal prin inserarea unui tub cu un capăt deschis direct în vena jugulară a animalului. Sângele a urcat în tub până la înălţimea de 2,5 m adică până la înălţimea la care presiunea coloanei de sânge (greutatea coloanei raportată la suprafaţă) a devenit egală cu presiunea din sistemul circulator. Acest experiment stă la baza utilizăriicateterului pentru măsurarea directă a presiunii arteriale. Cateterul este o sondă care se introduce direct în arteră, prevăzută cu un manometru miniaturizat care permite monitorizarea continuă a presiunii sângelui (metoda este folosită rar, mai ales în urgenţă).

În mod uzual, presiunea arterială se măsoară prin metode indirecte bazate pe principiul comprimării unei artere mari cu ajutorul unei manşon pneumatic în care se realizează o presiune măsurabilă, valorile presiunii intraarteriale apreciindu-se prin diverse metode, comparativ cu presiunea cunoscută din manşetă. Dintre metodele indirecte menţionăm: metoda palpatorie, metoda auscultatorie, metoda oscilometrică.

Metoda palpatorie (Riva Rocci) măsoară numai presiunea sistolică, prin perceperea primei pulsaţii a arterei radiale (palparea pulsului) la decomprimarea lentă a manşonului aplicat în jurul braţului.

În metoda ascultatorie (Korotkow) în loc de palparea pulsului, se ascultă cu ajutorul unui stetoscop plasat în plica cotului zgomotele ce apar la nivelul arterei brahiale la decomprimarea lentă a manşonului, datorită circulaţiei turbulente, urmându-se a determena atât presiunea sistolică, cât şi

16

cea diastolică. Se pompează aer în manşon până ce prin stetoscop nu se mai aude nici un zgomot (presiunea din manşon este mai mare cu 30-40 mm Hg peste cea la care dispare pulsul radial), după care aerul este decomprimat lent. Când presiunea aerului devine egală cu presiunea sistolică, sângele

reuşeşte să se deplaseze prin artera brahială dincolo de zona comprimată de manşon, iar în stetoscop se aud primele zgomote. În acest moment se citeşte presiunea pe manometru, ea reprezentând valoarea presiunii sistolice. Zgomotele provin de la vârtejurile ce apar în coloana de sânge care curge cu viteză mare. Curgerea se face în regim turbulent deoarece se îngustează lumenul arterial. Pe măsură ce aerul din manşon este decomprimat, zgomotele se aud tot mai tare deoarece amplitudinea mişcărilor pereţilor arteriali creşte şi odată cu ea se intensifică vibraţiile sonore. În momentul în care presiunea aerului din manşon şi presiunea diastolică sunt egale, artera nu se mai închide în diastolă, zgomotele scad brusc în intensitate şi dispar. Presiunea citită în acest moment pe manometru este presiunea diastolică. Aşadar, momentul în care se aude în stetoscop primul zgomot marcheazã presiunea sistolica; momentul în care zgomotele nu se mai aud marchează presiunea diastolica.

Metoda oscilometrică (Pachon) permite determinarea presiunii sistolice, diastolice şi medii. Această metodă urmăreşte amplitudinea oscilaţiilor pereţilor arterei brahiale în timpul decomprimării treptate a aerului din manşonul gonflabil. Presiunea sistolică se înregistrează la apariţia oscilaţiilor, presiunea diastolică la dispariţia acestora, iar presiunea medie în momentul în care amplitudinea oscilaţiilor este maximă.

Aspecte biofizice ale patologiei circulaţiei sângelui

Se referă la modificări ale vâscozităţii sanguine, ale dimensiunilor inimii, precum şi la modificări apărute în diametrele şi elasticitatea vaselor de sânge.

Creşterea vâscozităţii sanguine duce la o rezistenţă vasculară mărită (conform legii Poiseuille-Hagen). Apare suprasolicitarea cordului prin creşterea presiunilor arteriale în circulaţia sistemică şi în special pulmonară, acest lucru favorizând staza sanguină, aderenţa trombocitară, ateroscleroza şi accidentele vasculare.

Creşterea vâscozităţii sanguine se poate datora unui număr anormal de leucocite (de exemplu în leucemii) sau unei cantităţi crescute de proteine plasmatice - fibrinogenul (în inflamaţii) sau ca lanţurile K (proteine ce intră în compoziţia anticorpilor) secretate de o linie limfocitară anormală (boală numită macroglobulinemie în care vâscozitatea relativă a serului este >4 ). Vâscozitatea sângelui creşte în intoxicaţiile cu bioxid de carbon din cauza creşterii volumului hematiilor.

Creşterea hematocritului se întâlneşte rar, în cazul deshidratării (prin transpiraţie, prin febră, prin vărsături) precum şi în poliglobulie (boală care se caracterizează prin creşterea exagerată a numărului de globule roşii). Din cauza valorilor mari ale hematocritului, creşte vâscozitatea sângelui prin stânjenirea mişcării libere a hematiilor care sunt deformate mecanic şi favorizarea apariţiei de aglomerări eritrocitare. Aceste creşteri ale hematocritului pot apărea ca un mecanism compensator în hipoxie (scăderea presiunii parţiale a oxigenului în sânge) - de exemplu hipoxia datorată altitudinii sau hipoxia din unele boli ce afectează ventilaţia pulmonară.

Conform legii lui Poiseuille, pentru a trece printr-un vas un anumit debit de sânge, trebuie să se acţioneze cu o presiune cu atât mai mare cu cât vâscozitatea lichidului este mai mare. Prin urmare, creşterea vâscozităţii sângelui cere o contracţie mai mare din partea inimii pentru a asigura circulaţia, ceea ce se traduce prin creşterea tensiunii arteriale.

Scăderea vâscozităţii sanguine este întâlnită în stările de anemie, atingând uneori valoarea 2, când poate fi cauza apariţiei unor sufluri la un cord normal, prin favorizarea unei curgeri turbulente, în pierderea de sânge sau când se consumă multe lichide înainte de recoltarea sângelui, în hidremie şi hiperglicemie.

17

Modificarea dimensiunilor inimii poate să apară ca urmare a presiunii mărite a sângelui care necesită din partea inimii efectuarea unui lucru mecanic mai mare. În aceste condiţii, inima mărindu-şi dimensiunile (razele de curbură ale pereţilor devenind mai mari), conform legii lui Laplace, pentru a realiza o aceeaşi presiune sistolică se produce o tensiune mai mare în pereţi.

Când pereţii arteriali se rigidizează aportul de lucru mecanic al arterei faţă de inimă dispare sau se micşorează foarte mult, inima fiind nevoită să efectueze un lucru mecanic mai mare decât în mod obişnuit, ceea ce duce la obosirea acesteia. Mai mult, poate să apară şi riscul curgerii turbulente, urmat de creşterea rezistenţei la înaintare a coloanei de sânge şi la apariţia unor sufluri.

Fig. 10. Îngustarea peretelui vascular în ateroscleroza.

În ateroscleroză (Fig. 10) depozitele de colesterol de pe pereţii vaselor de sânge, micşorează diametrul acestora. Conform ecuaţiei de continuitate, aria secţiunii transversale îngustându-se, creşte viteza fluidului prin acea secţiune. O creştere a vitezei de curgere a fluidului atrage după sine, conform ecuaţiei lui Bernoulli, o creştere a presiunii dinamice, urmate de o scădere a presiunii statice, vasul putându-se bloca, la fel cum, de asemenea, este posibil ca un cheag de sânge să blocheze vasul îngustat.

e. Cateterul. Cateterizarea cardiacă. Angiografia. Angioplastia.

Cea mai obişnuită tehnică de măsurare directă a presiunii utilizează un cateter conectat la un traductor de presiune extravascular, prin intermediul unui cateter umplut cu fluid. Această tehnică este pe larg aplicată în practica clinică, atât în cateterizarea diagnosticului (cateterul este conectat de la o arteră periferică spre o arteră centrală), cât şi în monitorizarea îngrijirii critice şi operative (cateterul este fixat pentru o perioadă de timp mai mare într-o arteră periferică).

Cateterul este un tub de cauciuc, teflon sau polietilenă, cu diametrul suficient de mic, între 110 mm, cu capul rotunjit pentru a permite alunecarea prin artere şi vene, umplut cu lichid (soluţie heparină-salină). Cateterul poate fi folosit atât pentru stabilirea unui diagnostic, cât şi pentru terapie, inclusiv angiografie (radiografie a vaselor sangvine pentru studiul vaselor de sânge arterial prin injectare de substanţă de contrast printr-un cateter; debitul de sânge este vizualizat prin fluoroscopie, pe bază de raze X) şi angioplastie (cardiologie intervenţională - angioplastia este o metodă nechirurgicală pentru tratamentul stenozelor arterelor coronare; ideea de bază constă în poziţionarea unui cateter balon în interiorul secţiunii îngustate a unei artere; prin umflarea balonului de la capătul cateterului se lărgeşte secţiunea îngustată şi se deschide artera. Procedurile bazate pe cateterizare pornesc de la ideea de a minimaliza traumele datorate introducerii cateterului în vasul de sânge. Practic, pacientul nu simte mişcarea cateterului în interiorul vasului de sânge. De asemenea, când este introdus cateterul în vasul de sânge, trebuie luate măsuri pentru evitarea coagulării sângelui. Acest fenomen conduce la un tromboembolism, afectând în acelaşi timp şi rezultatul măsurării

18

presiunii. La aproximativ un centimetru de vârf se află un orificiu care permite pătrunderea sângelui în cateter. Punctul de acces al cateterului în sistemul cardiovascular poate fi braţul sau piciorul. Prin punctul de acces, sub control radiologic, cateterul este condus spre zona de investigaţie. Presiunea sângelui este transmisă prin această coloană de lichid la traductor. Deplasarea lichidului produce o deformare a diafragmei traductorului care este înregistrată de un sistem electromecanic. Semnalul electric rezultat este apoi amplificat pentru a fi vizualizat, de exemplu, pe un monitor.

Procedurile bazate pe cateterizare sunt aplicate în laboratoare speciale în spitale, de către cardiologi, radiologi, cardiologi intervenţionişti şi alţi specilaişti.

Cateterizarea cardiacă este o procedură minim invazivă de investigaţie a aparatului cardiovascular, prin care un tub lung şi subţire – cateterul – este ghidat în cavităţile inimii, de obicei printr-un vas de sânge de la mână sau picior (o venă periferică, pentru investigarea inimii drepte, sau o arteră periferică, pentru investigarea inimii stângi). Cateterul permite verificarea presiunii sângelui din vase şi cavităţile inimii, evaluarea cantităţii de sânge, vizualizarea arterelor coronare de la suprafaţa inimii, eventual chiar şi aorta - efectuarea angiocardiografiei, verificarea nivelului de oxigen din sânge - oximetriei sanguine, obţinerea curbelor de diluţie pentru substanţe marker. Cateterizarea cardiacă reprezintă unul din cele mai precise teste pentru diagnosticul bolilor arterelor coronare. In situaţii speciale se pot executa, tot prin intermediul cateterului, tratamente nechirurgicale precum angioplastie, stentare , implantare de pacemaker, valvuloplastie sau embolizare.

Angioplastia este o procedură utilizată pentru deschiderea arterelor îngustate de ateroscleroză. Pentru depistarea zonei blocate arterele coronare sunt vizualizate prin radiografiere cu ajutorul razelor X (angiografie). Pentru angiografie, un fir conducător este inserat printr-o arteră în braţ sau în picior, apoi condos prin aortă în poziţia necesară. În acest moment, un cateter este inserat de-a lungul firului conducător şi este injectată substanţa de contrast în vasele de sânge, pentru o bună vizualizare pe imaginea radiografică (alb). Deoarece vasele de sânge sunt iluminate, suprafeţele îngustate sau identifică blocajul.

Dispozitivul pentru angioplastia cardiacă este un cateter (tub flexibil, subţire şi lung) care este introdus într-un vas de sânge al inimii (artera coronară) pentru a deschide o suprafaţă îngustată sau blocată (percutaneous transluminal coronary angioplasty or PCTA).

În angioplastie cateterul balon urmăreşte firul conducător până în artera coronară blocată. Balonul este umflat şi împinge plaga spre pereţii arterei. Balonul este desumflat, iar cateterul şi firul conducător sunt retrase.

Vasul de sânge îngustat datorită aterosclerozei este deschis prin angioplastie şi este menţinut deschis prin utilizarea stent-ului. Pentru introducerea stent-ului este introdus mai întâi un fir conducător în zona îngustată a arterei. Un cateter balon cu un stent este plasat în artera îngustată. Prin umflarea balonului acesta expandează şi împinge plaga spre pereţii arterei. Cateterul balon este desumflat, iar stent-ul rămâne în zona de interes pentru a menţine artera deschisă. Cateterul şi firul conducător sunt retrase. După un anumit interval de timp, plaga poate recidiva, reformându-se în jurul stent-ului. Pentru a preveni acest lucru se pot folosi stent-uri cu medicament care este absorbit în timp de organism.

I.3.4. Elemente de termodinamică biologică

19

Noţiuni generale.

Definiţie. În accepţiunea originală, termodinamica este acea ramura a fizicii care se ocupă de relaţiile între căldură (Q) şi lucru mecanic (L), dar într-un sens mai larg, ea este ştiinţa care studiază transformările reciproce ale diferitelor forme de energie în sistemele naturale şi în cele construite de om. Termodinamica biologică se ocupă cu studiul transformărilor de energie în sistemele biologice.

a. Sisteme termodinamice.Sistem - ansamblu de componente aflate în interacţiune, delimitate de mediul extern care îl

înconjoară.Sistem termodinamic - sistem macroscopic alcătuit dintr-un număr foarte mare de atomi şi

molecule, aflate în interacţiune energetică atât între ele cât şi cu mediul exterior.Clasificarea sistemelor termodinamice:

-deschise - schimbă cu exteriorul atât energie cât şi substanţă- închise - schimbă cu exteriorul numai energie- izolate - nu au nici un fel de schimburi cu exteriorul, de care sunt separate prin pereţi adiabatici.

Sistemul izolat este o abstractizare, caz limită, util numai pentru simplificarea unor raţionamente. În natură nu există sisteme izolate.

Starea sistemului termodinamic - este reprezentată de totalitatea parametrilor săi de stare (care sunt mărimi fizice măsurabile)

Parametrii de stare sunt de două feluri:- intensivi - au valori definite în orice punct al sistemului, care nu depind de dimensiuni

(presiunea, concentraţia, temperatura);- extensivi - depind de dimensiunile sistemului şi de cantitatea de substanţă existentă în sistem

(volumul, masa, numărul de moli).Starea de echilibru termodinamic - este caracterizată de următoarele proprietăţi:- parametrii de stare sunt constanţi în timp;- parametrii intensivi sunt constanţi în spaţiu (omogenizare);- dezordinea este maximă (entropia termodinamică este maximă);- schimburile de energie şi substanţă, atât între componentele sistemului, cât şi cu mediul

înconjurător încetează;- producerea de entropie încetează.Starea staţionară se caracterizează prin:- parametrii de stare sunt constanţi în timp;- parametrii intensivi nu sunt constanţi în spaţiu;- schimburile de substanţă şi energie între componentele sistemului şi cu mediul extern nu

încetează;- producerea de entropie este minimă, fără a fi egală cu zero.Procese termodinamice - treceri ale sistemului termodinamic de la o stare (staţionară sau de

echilibru termodinamic) la altă stare (staţionară sau de echilibru termodinamic) prin modificarea în timp a parametrilor termodinamici. Ele pot fi :

- reversibile - sunt procese cvasistatice; în orice moment sistemul este în echilibru termodinamic. Dacă se schimbă semnul parametrilor termodinamici, sistemul evoluează de la starea finală spre starea iniţială pe acelaşi drum;

- ireversibile – sunt, în general, procese necvasistatice. Revenirea la starea iniţială (dacă este posibilă) se face pe alt drum şi pe seama unei intervenţii active din exterior (nu poate decurge de la sine).

20

b. Principiul I al termodinamicii

În urma eşecurilor de a construi o maşină care, odată pornită, să funcţioneze la nesfârşit fără a consuma energie (perpetuum mobile de speţa I-a) s-a ajuns la concluzia că nu se poate “crea” energie, ci pentru furnizarea unei energii este necesară consumarea alteia. În 1840, H. Hess a formulat regula după care căldura eliberată sau absorbită într-o reacţie chimică nu depinde de etapele intermediare prin care poate decurge această reacţie ci numai de starea iniţială şi cea finală a reactanţilor. Între 1842 şi 1850 o serie de cercetători (J.R. Mayer, J. Joule, H. Helmholtz) au descoperit echivalenţa dintre lucru mecanic şi energie şi au determinat echivalentul mecanic al caloriei.

Principiul I al termodinamicii sau principiul conservării energiei, postulează existenţa unui parametru caracteristic oricărui sistem, numit energie internă (U) a sistemului, parmetru care exprimă capacitatea totală a sistemului de a efectua acţiuni de orice tip şi are o valoare bine determinată în fiecare stare a sistemului.

Dacă scriem expresia principiului I:U = Q - L = Q - pVcantitatea de căldură Q va fi:Q = U + pV = (U + pV) = H, deci:H = Qizobar (căldura schimbată de sistem izobar)

Mărimea H = U + pV se numeşte entalpia sistemului şi este foarte utilă în studiul termodinamic al reacţiilor chimice. Când H > 0 sistemul primeşte căldură (reacţii endoterme) şi când H< 0 sistemul cedează căldură (reacţii exoterme).

Aplicaţii ale principiului I in biologie

Sistemele biologice sunt sisteme termodinamice deschise, iar procesele biologice sunt procese termodinamice ireversibile. Organismele vii sunt sisteme a căror energie internă poate creşte sau scădea în funcţie de diferite condiţii (vârsta, starea fiziologică etc.). Pentru a aplica corect principiul I în cazul organismelor, trebuie să se ţină seama de faptul fundamental că ele sunt sisteme deschise care iau şi degajă în exterior energie, astfel încât problema conservării energiei se pune numai pentru sistemul închis format din organismul respectiv împreună cu mediul său înconjurător.

Bilanţul energetic al organismului. Aplicând principiul I în cazul unui organism, se poate formula următorul bilanţ energetic:

energia preluată din mediu = travaliul mecanic efectuat + căldura degajată + energia depozitată în rezevele organismului.

Testul clinic al intensităţii metabolismului bazal, prin care se stabileşte valoarea de referinţă la care să fie raportat efectul diferiţilor factori care influenţează metabolismul energetic, este un exemplu de asemenea bilanţ în condiţii simplificate. Subiectul este în repaus (nu efectuează lucru mecanic) şi nu a mâncat 12 ore (nu preia energie din mediu). În acest caz, bilanţul energetic se poate scrie:căldura degajată = - energia depozitată = energia utilizată

c. Principiul II al termodinamicii

Principiul II al termodinamicii generalizează constatarea practică a imposibilităţii ca o maşină termică să transforme integral o cantitate de căldură în lucru mecanic, randamentul de transformare fiind întotdeauna subunitar.

21

Există mai multe formulări ale principiului II. În varianta care indică sensul spontan al desfăşurării proceselor termodinamice, principiul II se numeşte principiul creşterii entropiei. Conform acestei variante, procesele ireversibile care se desfăşoară spontan în sistemele termodinamice izolate au acel sens care duce la creşterea entropiei.Entropia este un parametru de stare care măsoară gradul de dezordine a unui sistem termodinamic.

d. Principiul III al termodinamicii

Entropia unui sistem tinde spre o valoare constantă atunci când temperatura se apropie de zero absolut.

Pe măsură ce sistemul se apropie de zero absolut , agitaţia termică se reduce şi sistemul tinde să devină ordonat. Odată cu aceasta fluctuaţiile de entropie se reduc şi ele.

e. Transportul căldurii prin conducţie, convecţie şi radiaţie

Transportul căldurii prin conducţie

Fenomenul de transport al căldurii se numeşte conductibilitate termică şi a fost studiat de către Fourier.

Sistem neuniform încălzit, adică există o diferenţă de temperatură între diferite puncte ale sale.

În consecinţă → flux de căldură (JQ) → echilibru termic (se egalează temperaturile). Mecanismul de transmitere → energia cinetică a moleculelor fiind mai mare la capătul mai cald

duce la o ciocnire mare a moleculelor şi energia calorică se transmite din aproape în aproape la capătul opus.

Fig. 11. Transportul căldurii prin conducţie.

Definiţia 1.Fluxul de căldură (JQ) reprezintă cantitatea de căldură Q ce trece prin unitatea de arie S în

unitatea de timp.

Definiţia 2.Fluxul de căldură depinde de gradientul de temperatură şi de natura substanţei.

Definiţia 3. Cantitatea de căldură transportată în unitatea de timp este proporţională cu secţiunea

transversală prin care are loc conductibilitatea, cu gradientul de temperatură şi depinde de natura substanţei.

22

Conductibilitatea termică a cristalelor depinde de direcţie deoarece sunt sisteme anizotrope. Conductibilitatea termică a lichidelor este mai mică decât a solidelor, iar a gazelor este mai

mică decât cea a lichidelor.Conductibilitatea termică şi cea electrică cresc atunci când temperatura scade.

Transportul căldurii prin convecţie (curenţi)

Are loc numai în cazul lichidelor şi al gazelor care vin în contact cu un material solid compact aflat la altă temperatură.

Dacă solidul cu care vine în contact masa de fluid (ex. aer) este la o temperatură mai scăzută decât a acestuia, atunci fluidul cald cedează peretelui o parte din energie şi se va răci.

Devenind prin răcire mai dens, aerul va „cădea”, urmând să fie înlocuit de o cantitate de aer mai cald din incintă.

În acest fel se realizează o deplasare continuă de aer în jurul peretelui şi totodată se realizează un transfer de căldură de la aerul cald la peretele rece

Prin încălzire, la locul de contact cu o sursă caldă, fluidul îşi modifică densitatea şi ca urmare se formează curenţi ascendenţi.

Transportul căldurii prin radiaţie

Spre deosebire de conducţie şi convecţie, la transportul căldurii prin radiaţie nu este necesar un mediu material pentru a transporta energia.

Energia calorică se transmite prin unde electromagnetice cu lungime de undă mai mare decât a luminii de culoare roşie din spectrul vizibil (>roşu), care sunt purtătoare cu căldură. Ele se numesc radiaţii infraroşii.

Corpurile care permit trecerea radiaţiilor infraroşii se numesc diatermane iar cele care nu permit trecerea lor se numesc atermane.

Când un corp metalic atinge o temperatură de 5000C el se înroşeşte şi devine luminos. Odată cu creşterea în continuare a temperaturii culoarea lui variază spre alb.

Căldura pe care o primeşte corpul prin încălzire se transformă în energie radiantă. Energia radiantă emisă în unitatea de timp se numeşte putere emiţătoare a

corpului. Un corp care absoarbe toate radiaţiile care cad asupra lui se numeşte corp negru. Atunci

când un corp negru este încălzit, el emite toate radiaţiile posibile. Corpul negru este definit ca emitor şi totodată absorbant perfect de radiaţie.

Transportul căldurii în organism

Organismul uman produce căldură care se transmite din centrul corpului spre suprafaţă, iar de aici spre mediul exterior.

Cantitatea de căldură şi temperatura din interiorul organismului diferă de la un organ la altul. Căldura este transportată din locurile cu temperatura mai ridicată spre cele cu temperatura mai scăzută prin conducţie şi convecţie.

Conductibilitatea termică a ţesuturilor este redusă, mai ales a celor groase, astfel încât rolul principal în transportul căldurii îl constituie sângele.

Transmiterea căldurii prin intermediul sângelui este favorizată şi de căldura lui specifică mare, fiind aproximativ egală cu cea a apei

(1 calg·grad sau 4185 J/kg·grad).

23

Transmisia căldurii spre exterior se realizează prin conducţie, convecţie, radiere şi evaporarea apei prin transpiraţie.

Transmiterea căldurii prin conducţie, convecţie şi radiere reprezintă aproximativ 70 – 80 % din totalul căldurii transmise mediului exterior, iar prin evaporare se cedează 20 – 30 % din aceasta.

În condiţii de efort fizic pierderea de căldură prin evaporare este de 60–70 % din totalul căldurii. În cazul muncilor fizice grele corpul poate pierde

4 –12 l apă prin evaporare, ceea ce reprezintă o cedare considerabilă de căldură. Din cauza aderării unui strat de aer de circa 4 – 8 mm la suprafaţa pielii, numit strat

marginal, corpul se va opune cedării căldurii prin curenţii de convecţie şi conducţie. Grosimea acestui strat scade atunci când corpul este în mişcare.

Sterilizarea Etuvele, autoclavele sunt dispozitive în care se pot obţine şi menţine temperaturi relativ mari.

Etuvele permit obţinerea de temperaturi mari şi distrugerea germenilor în general în condiţii uscate. Autoclavele (Fig. 12), fiind incinte ermetic închise, permit sterilizarea umedă la temperaturi şi presiuni mari (la presiunea de 1 atm apa ar fierbe şi s-ar evapora la 100°C). Diverşii germeni (bacterii, toxine etc.) pot fi distruşi la temperaturi mari fie prin blocarea unor procese vitale din microorganisme, fie prin descompunerea efectivă a unor molecule complexe. Distrugerea acestora

Fig. 12. Autoclava.

este însă un proces statistic şi de aceea temperatura trebuie menţinută un timp minim pentru ca probabilitatea de distrugere să fie cât mai apropiată de 1 (deci rata de supravieţuire a germenilor să fie practic zero).

I.3.5. Fenomene bioelectrice

Prezenţa, atât în citoplasma oricărei celule, cât şi în fluidele extracelulare, a numeroase tipuri de atomi şi molecule ionizate, deci încărcate electric, şi faptul că activitatea metabolică menţine diferenţe de concentraţii ale acestor ioni, fac ca fenomenele electrice să fie proprii tuturor celulelor.

Potenţialul de repaus al celulelor

O caracteristică de bază a unei celule vii este existenţa unei diferenţe de potenţial electric între faţa externă şi cea internă a membranei celulare. În interiorul celulei, respectiv în mediul interstiţial, potenţialul este acelaşi. Deci diferenţa de potenţial se stabileşte între aceste medii. Această diferenţă de potenţial se numeşte potenţial de repaus celular (PR)(spre deosebire de cel din timpul activităţii). Are valori cuprinse între (– 50) – (-100) mV. Pentru a explica modul în care apare PR se vor analiza

24

câteva sisteme bicompartimentale simple dintre care ultimul este apropiat de sistemul citoplasmă – lichid interstiţial.

Potenţialul de acţiune celular

Sistemul nervos periferic şi central constituie o vastă reţea de comunicaţie în cadrul organismului, reţea în care pentru transmiterea semnalelor este utilizat un fenomen de natură bioelectrică, influxul sau impulsul nervos.

Impulsul nervos reprezintă variaţia tranzitorie şi propagabilă a potenţialului de membrană al fibrelor nervoase, numită potenţial de acţiune (PA), produsă de un stimul (uneori există şi o activitate celulară spontană).

Potenţialul de acţiune este o depolarizare trecătoare a membranei celulare prin care interiorul celulei devine mai puţin negativ decât în stare de repaus şi diferenţa de potenţial de-o parte şi de alta a membranei celulare scade. Există şi potenţiale de acţiune hiperpolarizante, de exemplu în celulele receptoare retiniene.

Declanşarea potenţialului de acţiune se realizează prin deschiderea porţilor unor canale cationice sau anionice (uneori prin închiderea porţilor cationice, în cazul PA hiperpolarizante). Apar fluxuri de ioni care determină producerea unui semnal electric. Ionii implicaţi sunt în special ionii de Na+ (în faza ascendentă a PA) şi de K+ (în faza descendentă). În celula musculară, în faza ascendentă sunt implicaţi ionii de Ca++.

Fazele potenţialului de acţiune

Între momentul acţiunii excitantului şi răspunsul celulei există un interval de timp, caracteristic fiecărui tip de celule, numit perioadă de latenţă. Prima fază a potenţialului de acţiune este reprezentată de un potenţial local şi se numeşte prepotenţial. Faza următoare este potenţialul de vârf, cu fazele ascendentă şi descendentă. Faza a treia este alcătuită din postpotenţialele pozitiv şi negativ. Din punct de vedere funcţional se disting două perioade refractare, perioada refractară absolută, în care celula nu poate fi excitată, în faza ascendentă şi parţial în faza descendentă, şi perioada refractară relativă, în care excitabilitatea este redusă, în celelalte faze ale PA.

Atunci când asupra fibrelor nervoase acţionează un stimul de durată are loc o acomodare manifestată prin creşterea pragului de excitabilitate. Acomodarea poate fi rapidă (fibrele din nervii motori) sau lentă (unele fibre senzitive).

Propagarea potenţialului de acţiune

Propagarea potentialului de actiune de-a lungul membranei excitabile (Fig. 13):

25

Fig. 13. Propagarea potenţialului de acţiune.Mecanismul propagarii excitatiei este explicat cu ajutorul teoriei cablului. Zona excitata B este caracterizata printr-o inversare a polarizarii. Ca urmare a acestei inversari apar curenti locali atât în interiorul fibrei cât si în exterior. Acesti curenti tind sa excite dintr-o zona excitata si zonele vecine. Propagarea se face din aproape în aproape în sensul indicat mai sus, deoarece zona C care a

fost excitata înaintea zonei B nu mai este sensibila la depolarizare pentru ca ea se gaseste într-o perioada refractara.

Excitatiile se propaga deci într-un singur sens Viteza impulsului nervos atinge zeci de metri pe secunda în cazul fibrelor amielinice. La fibrele mielinice conducerea (propagarea) excitatiei se face în salturi si mult mai repede

decât în cazul fibrelor amielinice. Stratul de mielina este de natura lipo-proteica si deci este un bun izolant. În acest caz curentii

locali trec în afara, prin lichidul interstitial, fapt ce determina o crestere a conductiei.

26