Uvod-Skripta-Biomedicinski uredjaji-Elektrotehnika i racunarstvo, Skripte' predlog Biomedicina
jakestyle
jakestyle

Uvod-Skripta-Biomedicinski uredjaji-Elektrotehnika i racunarstvo, Skripte' predlog Biomedicina

33 str.
3broj preuzimanja
788broj poseta
100%od1broj ocena
1broj komentara
Opis
visoka skola za elektrotehniku I racunarstvo,visa skola za elektrotehniku,visa skola za elektrotehniku I racunarstvo,Skripta,Biomedicinski uredjaji,Elektrotehnika i racunarstvo,Uvod u Biomedicinskeuredjaje
20 poeni
poeni preuzimanja potrebni da se preuzme
ovaj dokument
preuzmi dokument
pregled3 str. / 33
ovo je samo pregled
3 prikazano na 33 str.
ovo je samo pregled
3 prikazano na 33 str.
ovo je samo pregled
3 prikazano na 33 str.
ovo je samo pregled
3 prikazano na 33 str.

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1. УВОД

Биомедицински уређајису разноврсни уређаји који се користе медицинској дијагностици и терапији, као и за мерење и регулацију биолошких процеса у делатностима проучавања и очувања животне средине.

Биомедицински уређаји се, у конструктивном погледу, могу класификовати на: - механичке, - пнеуматско – хидрауличне и - електронске, као и - комбиноване: електромеханичке, електрооптичке, електротермичке,

електрохемијске. Електронски биомедицински уређаји имају посебан значај у здравству и заштити

човекове околине. Веома су погодни за праћење и регистрацију различитих процеса, укључујћи и биолошке, и потпуно супериорни за обраду и приказивање параметара посматраних процеса. Користе се за истраживање, испитивање, управљање и различите нивое интеракције са организмима и биосистемима. У биомедицинској електроници постоји област развоја нових уређаја и област примене специјализованих инструмената. У литератури постоје посебне књиге, а у школама посебни предмети, под насловом Биомедицински инжењеринг и Биомедицинска инструментација. Посебно се издвајају и проучавају, због бројности коришћених уређаја, области под називом: Медицинска електроника,Медицинска инструментација или Медицински уређаји.

Од самих почетака развоја електронске технике, почетком двадесетог века, електронски уређаји налазе своју примену у медицини. Развој медицине непосредно зависн од техничке подршке и развоја медицинских уређаја. Медицински инструменти су омогућили да медицинска делатност развија на научним основама и постане ефикаснија у свим доменима. Интензиван развој медицине почиње практично тек у деветнаестом веку захваљујући појави и примени микроскопа. Развој медицине се наставља у двадесетом веку захваљујући примени рентгенског апарата и електреонских дијагностичких и терапеутских инструмената. Медицинска електроника је значајно допринела развоју, како фундаменталних истраживања у медицини, тако и ефикасности откривања болести и лечењу. Без електронских, компјутеризованих, софистицираних уређаје није више могућ развој кључних области за развој цивилизације: микробиологије, генетичког инжењерства, фармације, микрохирургије, протетике, пресађивање органа.

За сагледавање примене биомедицинских уређаја потребно је познавати основну структуру здравствене делатности, у којој се они највише користе. На основу примене прави се и општа класификација медицинских инструмената.

За пројектовање и одржавање биомедицинских уређаја потребна су темељна знања из техничких наука и одређен степен познавања биолошких процеса. Фундаментална наука за конструкторе медицинских уређаја је биофизика, која је гранична област између биолошких и техничких наука.

Биофизика је интердисциплинирана наука у којој се изучавају физичке појаве код живих или биолошких система, односно како је почетком двадесетог века дефинисана ."Биофизика је наука која користи физичке законе за објашњавање појава у биологији״

1

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Објекат истаживања у биофизици је жива супстанца, односно живи или биолошки систем. Методологија истраживања у биофизици се углавном ослања на методику физичких наука. У оквиру биофизике развиле су се многе физичке дисциплине као што су: Биомеханика, (Био)Акустика, Биоелектрицитет, Биооптика, Радијациона биофизика. Према објекту истраживања савремена биофизика се дели на три области׃ Молекуларна биофизика, Биофизика ћелије и Биофизика система.

1.1. Здравство, здравље, организам и медицински уређаји

Здравство је медицинска делатност формиран као систем за одржавање здравља.

Здравље представља стање људског организма са којим човек нормално функционише са осећањем животне радости. Са чисто техничког, инжењерског аспекта, када се човек и његов организам посматрају системски, здравље представља ''исправно'' стање људског организма као система. Општи појам здравља је, свакако, шири и обухвата и психичко стање човека. Здрав човек није депресиван и носи у себи оптимизам са осећањем животне радости.

2

ПРЕВЕНТИВНА ЗАШТИТА И

ОДРЖАВАЊЕ ЗДРАВЉА

ЗДРАВСТВО

ЛЕЧЕЊЕ И ОПОРАВАК

ИНФОРМИСАЊЕ О ЗДРАВЉУ И НАЧИНУ ЖИВЉЕЊА

ПРЕВЕНТИВНА МЕРЕЊА И АНАЛИЗЕ

ВАКЦИНАЦИЈА И ПЕЛЦОВАЊЕ

ЗАШТИТА ЖИВОТНЕ СРЕДИНЕ

ФУНДАМАНТАЛНА ИСТРАЖИВАЊА

ДИЈАГНОСТИКА

НЕГА БОЛЕСНИКА

ТЕРАПИЈА

Сл. 1.1. Поједностављена општа шема здравствене организације

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Организам је биолошки систем у којем се одвијају сложени физиолошки, енергетски и информациони процеси са веома комплексним и осетљивим системом управљања. Структура организма и анализа процеса који се у њему предмет су медицинске науке и праксе. Медицински инструменти су незаобилазна подршка у медицинској делатности, односно здравству.

Систем здравствене организације приказан је општом блок шемом на слици 1.1. У систему здравства постоје, као што је приказано на слици 1.1, две основне

оперативне делатности: превентивна заштита и одржавање здравља, и лечење и опоравак. Превентивна заштита (preventе – спречити) је здравствена делатност спречавања

појаве болести и повреда и одржавања здравља. Основне активности превентивне заштите су: информисање о здрављу и начину живљења, превентивна мерења и анализе, вакцинација и пелцовање и заштита животне средине. У свим овим активностима значајна је улога и подршка разноврсних електронских, као специјализованих тако и уређаја опште намене, као што су радио, телевизија и рачунари.

Лечење и опоравак представљју основни сегмент медицинске делатности који обухвата дијагностику, негу болесника и терапију.

Дијагностика је поступак утврђивања стања организма. Терапија је деловање на побољшању нарушеног здравственог стања организма у

циљу излечења, односно довођења организма у исправно стање. Како за дијагностику тако и за терапију развијени су специјализовани уређаји без којих данас практично нема лечења.

И за фундаментална истраживања, без којих не би био могућ развој медицине и здравства уопште, неопходни су разноврсни специјализовани инструменти. Опште је познато да су, на пример, за истраживање ћелија и микрорганизама неопходани оптички и електронски микроскопи, као и спектрални анализатори за састав ткива.

Електронски медицински уређаји се у односу на примену деле на дијагностичке и терапеутске.

Дијагностички уређаји су медицински уређаји помоћу којих се утврђује стање организма, открива болест, и утврђује степен оболења пацијента. Дијагностички уређаји су по својој природи мерни инструменти. Деле се, генерално, зависно од тога у каквом су односу према организму, на неинвазивне и инвазивне дијагностичке уређаје.

Неинвазивни дијагностички уређаји су класа дијагностичких уређаја који региструју дијагностичке сигнале организма. Ови уређаји не оптерећују организам својим деловањем и зато се класификују као неинвазивни. Неинвазивни дијагностички електронски уређаји су инструменти који мере биоелектричне сигнале, температуру, шумове или механичке помераје организма.

Инвазивни дијагностички уређаји су инструменти који делују на организам енергијом или сигналима и стимулишу рад органа и истовремено региструју одзив организма на енергију или стимулације. Регистровани сигнала се користе код успостављања дијагнозе. Класичан пример је Рентгенски апарат који прозрачује организам рентгенским зрацима и региструје ефекат апсорпције. Ултразвучни апарати делују на организам енергијом ултразвучних таласа и региструју рефлектоване таласе. Томограф на бази нуклеарне магнетне резонансе делује магнетним пољем и радио таласима и региструје резонансу језгара молекула организма.

Инвазивни дијагностички уређаји на бази стимулације региструју одзиве организма на стимулације електричним, оптичким, акустичким или хемијским сигналима.

Терапеутски уређаји су медицински уређаји који се користе у процесу лечења пацијента. По својој природи терапеутски уређаји су инвазивни јер се терапија обавља

3

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

деловањем одређеног облика енергије. Примери електротерапеутских уређаја су уређаји за електрохирургију, разне облике електростимулације и загревања органа организма.

1.1.1. Организам у медицинској дијагностици и терапији

Организам је веома сложен биолошки систем саставлјен од ћелија у којема се одвијају биолошки процеси за реализују животних функција. Ћелије формирају органа у којима се одвијају процеси размене материје, енергије и информација под котролом веома савршеног управљачког система.

Биолошки процесиу организму су процеси за размену и трансформацију материје, енергије и информација на нивоу ћелија, органа и система органа. Стање организма може се сагледати праћењем процеса који се у њему одвијају. Процеси се могу пратити мерењем сигнала који се генеришу у току одвијања процеса. Утврђивање стања организма на основу мерења сигнала које генеришу електрични, термички, хемијски и механички процеси у организму врши се помоћу неинвазивних дијагностичких уређаја.

Стање организма може да се сагледа и помоћу основних метода за испитивање система. Организам се, као и у случају физичких система, посматра као систем који на основу одређених дејстава: материјом, енергијом или сигналима врши одређене функције. Организам поседује своје сензоре за спољашње сигнале из животне средине и регулациони систем који му омогућава прилагођавање на околину и деловање. Медицинским уређајима је могуће генерисати сигнале животне средине и пратити реакције организма на одговарајуће стимулације. На организам се делује, као и на физички систем, и посматра одзив, односно понашање организма. То се у теорији система назива испитивање преносне функције система, а у медицини је то инвазивна дијагностика.

Организам се може представити, у односу на медицински уређај, како је илустровано на слици 1.2 као:

1о- извор сопствених сигнала - S1, 2o- пријемник сигнала или енергије од електронског уређаја - S2, или 3o - претварач сигнала или енергије од електронског уређаја - S2 у S1. На основу приказаних односа, односно функција примене прави се класификација

медицинских уређаја.

4

МЕДИЦИНСКИ УРЕЂАЈ 2

ОРГАНИЗАМ МЕДИЦИНСКИ УРЕЂАЈ 1S

2

2o 1o

3o

S 1

Са. 1.2. Три могућа случаја односа система медицински уређаји-организам

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Организам се, у систему организам – медицински уређај, може представити као предајник сигнала S1, односно енергије, а медицински уређај као пријемник. Овај случај приказан је на слици 1.2 са ознаком 1o. Медицински уређај, у овом случају, служи за утврђивање здравственог стања организма, односно дијагностику.

Систем за неинвазивну дијагностику представљен је на слици 1.3. Организам је у случају неинвазивне дијагностике само предајник а електронски систем само пријемник сигнала.

Основна функција неинвазивних дијагностичких система је снимање, меморисање и обрада сигнала који се добијају од организма. Снимање мерених вредности врши се помоћу мерних претварача, који врше функцију која се означава као трансдјусер или сензор. Регистровање мерених вредности обавља се помоћу писача, магнетских и електронских медија и меморијских екрана. За обраду и анализу измерених вредности користе се рачунарски системи са микропроцесорима.

Када се електронски систем користи за лечење онда је то терапеутски медицински уређај. Електронски систем у том случају производи енергију у облику једносмерне или наизменичне струје, или електромагнетног или ултразвучног зрачења којим се делује на организам.

Систем медицинских уређаја и организма означен као трећи случај на слици 1.2 представља уређаје који се користе за инвазивну дијагностику и терапију. Посебна поједностављена шема система за овај случај дата је на слици 1.5.

5

ЕЛЕКТРОНСКИ СИСТЕМ ОРГАНИЗАМ

Е

ПРЕДАЈНИК ПРИЈЕМНИК

Сл. 1.4. Однос електронског уређаја и организма у случају терапије

ОРГАНИЗАМ Ѕ1

НЕИНВАЗИВНИ ДИЈАГНОСТИЧКИ ЕЛЕКТРОНСКИ СИСТЕМ

ПРЕДАЈНИК ПРИЈЕМНИК

Сл. 1.3. Поједностављен приказ односа организама и електронског система у случају неинвазивне дијагностике

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.1.2. Опште карактеристике медицинских уређаја и система

Дијагностички уређаји се користе у поступку утврђивања стања организма, односно успостављања дијагнозе пацијенту, и могу да се поделе на неинвазовне и инвазивне.

Неинвазивни дијагностички уређаји састоје се из сензора, појачавача и модула за обраду и приказивање сигнала, и имају функцију да осете, измере и прикажу поједине сигнале организма у дијагностичке сврхе. У ову класу спадају уређаји за мерење биоелектричних сигнала срца - електрокардиограф, мозга – електроенцефалограф, мишића - електромиограф, затим телесне температуре, крвног притисака, шумова организма, протока телесних течности и састава ткива.

Инвазивни дијагностички уређаји садрже предајник који делује енергијом или сигналима на организам и пријемник за регистрацију реакције организма који на емисију предајника. Реакција, односно сигнали одзива организма користе се у дијагностичке сврхе. Примери инвазивних дијагностичких уређаја су уређаји за дијагностику функционисања органа, на пример: чула вида и чула слуха, као и уређаји за визуелизацију унутрашњости организма.

Класичан пример инвазивног дијагностичког уређаја је рентгенски апарат који прозрачује организам и снима неапсорбоване зраке формирајући на тај начин слику унутрашњих органа организма. Рентгенски апарат спада у групу уређаја за одсликавање, визуализацију или једноставно речено снимање унутрашњих шупљина и органа.

Снимање унутрашњих шупљина обавља се са едоскпима који помоћу оптичких влакана осветљавају шупљину и преносе до окулара слику која настаје од рефлектовањем светлости од посматраног објекта.

Попречни пресеци унутрашњих органа снимају се помоћу: - скенера, који синтетише слику на основу вишеструког прозрачивања и

детектовања рентгеских зрака, - ултразвучног апарата, који формира слику на основу мерења времена

рефлексије ултразвука од појединих слојева ткива, и - система нуклеарне магнетне резонансе, који формира слику на основу мерења

времена рефлексије ултразвука од појединих слојева ткива, и - гама камере која снима капиларе кроз који се креће радиоактивни индикатор.

6

ИНВАЗИВНИ ЕЛЕКТРОНСКИ УРЕЂАЈ

ДЕТЕКТОРСКИ ЕЛЕКТРОНСКИ УРЕЂАЈ

Ѕ ЅОРГАНИЗАМ

УПРАВЉАЧКИ СИСТЕМ

Сл. 1.5. Шема система за инвазивну дијагностику и терапију

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Терапеутски уређаји, немају прецизну дефиницију, али се у најширем смислу може рећи да су то уређаји који се користе у процесу терапије. У ужем смислу, терапеутски уређаји су они који својим енергетским деловањем потпомажу оздрављење организма. То су, када је у питању област медицинске електронике, уређаји за електротерапију.

Уређаји за електротерапију се могу поделити на основу снаге деловања и то на: - електротерапију малим енергетским дозама реда џула, ко што су

физиотерапеутски стимулатори, - електростимулацију са већим дозама електрицитета реда десетак џула, као што

је електрошок за реанимацију срца, - електрохирургија са енергетским учинком реда стотинак џула. Терапеутски су, по својој функцији, и уређаји који се користе у току терапеутског

поступка и за допуну функција или потпуну замену органа. Такви су инфузиона пумпа за дозирање лекова, машина срце-плућа, хемодијализатор или вештачки бубрег, давач срчаног ритма – пејс мејкер и слушни уређај.

Дијагностички и терапеутски уређаји се све чешће повезују у јединствен дијагностичко – терапеутски систем. Такви системи су у специјалистичким ординацијама, као што су: стоматолошке, офталмолошке, кардиолошке, педијатријске и оделења интензивне неге. На пример, инкубатор за превремено рођену децу има дијагностичке сензоре за мерење телесне температуре укључене у терапеутсики систем за дозирање топлоте, влаге и кисеоника. Савремени зубарски апарат поред прибора за терапију има и уређаје за преглед и дијагностицирање.

1.1.3. Питања за проверу знања

1. Шта је здравство? 2. Шта је здравље? 3. Како се може представити систем здравствне организације ? 4. Шта је биофизика? 5. Шта је организам? 6. Шта је то превентивна заштита? 7. Шта је то дијагностика а шта терапија ? 8. Шта су и како се могу класификовати дијагностички уређаји? 9. Шта су то терапеутски уређаји и као се могу класификовати?

7

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.2. БИОМЕХАНИКА ЛОКОМОТОРНОГ СИСТЕМА

Механика је областа физике за дејства сила на тела у стању мировања – што се зове статика, понашање тела у кретању под дејством силе – штo se зове динамика, и део у ком се изучава само кретање – кинаматика.

Механика је фундаментална наука на коју се ослањају техничке дисциплине: грађевина, архитектура, машинство и електротехника, посебно роботика. У медицини се знања из механике примењују посредно и непосредно. Посредна примена је преко роботике у протетици, а непосредна у ортопедији и стоматологији.

Биомеханика je област механике за изучавање механике живих система. За медицину су од посебног значаја следеће области биомеханике и то: медицинска и техничка биомеханика и биомеханика рада и спорта.

У следећем одељку изложене су основе механике локомоторог система човека.

1.2.1. Локомоторни систем човека

Локомоторни системомогућава кретање организма а састоји од коштано-зглобног система и мишишног скелета.

Кости су чврста калцијумова ткива која служе за заштиту појединих органа и формирање коштано зглобног система.

Заштитне кости су по облику пљоснате и од њих се формирају лобања и ребра. Кости лобање штите мозак, а кости ребара представљају заштиту за плућа.

Коштано-зглобни систем представља пасивни део локомоторног система и чине га дуге и кратке кости повезане зглобовима.

Зглоб је покретни спој две или више костију. Један део зглоба чини издубљена кост и то је чашица кости, а други део је испупчена кост и то је глава кости. Према покретљивости зглобове делимо на: покретне, полупокретне и непокретне. Чврстину зглоба обезбеђују лигаменти, зглобна чаура и мишићи који га обавијају. Што је већа чврстина зглоба његова покретљивост је мања. У слободној шупљини покретних зглобова налази се слузава вискозна течност која подмазује зглобне површине и смањује трење. Зглобови имају различите степене покретљивости, што зависи од саме структуре зглоба. Покрети у зглобу се врше око фиксне осе, која се назива оса зглоба. Према овоме покретне зглобове делимо на: једноосне, двоосне и троосне.

Кости су са мишићима повезане помоћу тетива. Мишићни скелет је активни део локомоторног система и се састоји од великог

броја мишића, састављених од паралелно груписаних мишићних влакана, који као моторне јединице на принципу контракције омогућавају кретање. Код вретенастих мишића

8

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

мишићна влакна се сужавају ка крајевима и прелазе у тетиве које су везане за кости. На овај начин је остварена веза између кости и мишића.

Дејством електричног надражаја преко нерава мишића долази до контракције мишића. При максималној контракцији мишић се скраћује за једну трћину своје нормалне дужине у неактивном стању. Када спољном силом делујемо на мишић он се за исту толику дужину истегне. Однос максимално истегнутог и максимално скраћеног мишићног влакна је два према један, како је приказано на слици 1.6.

Деловање мишића на кост може бити статичко и динамичко. Ако је дужина мишића у току времена стална каже се да он на кост делује статички, а ако се та дужина мења, мишић делује динамички. Поред овог, мишић може да делује и активно када је контрахован, и пасивно када је максимално истегнут. Ово деловање мишића се може физички изразити преко интензитета мишићног деловања.

Са локомоторним системом који се састоји од великог броја костију и још већим бројем различитих и испреплетаних мишића човек може да прави разноврсне покрете и остварује различита кретања. Интересантно је да се веома сложени и брзи покрети као што су, на пример, спортске игре, борилачке вештине или балет остварују по принципу функционисања полуге са силом која врши само контракцију, односно скраћење мишића. Сила контракције мишића преноси се на кости које представљају полуге. Зглобови имају улогу да повежу коштане полуге у систем покретних полуга.

9

M a k s . K o n t r a k c i j a

N e a k t i v n o s t a n j e

1

2

3

4 M a k s . I s t e g n u t o s t

Сл. 1.6. Контракција мишића

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.2.3. Полуга и примери простих полуга у локомоторном систему

Полуга је механички систем састављен од чврстог тела које може да се окреће око осе кроз једну тачку која се зове ослонац, и користи се за трансформацију интензитета сила које на њу делују. На слици 1.7 приказана је полуга са карактеристичним параметрима.

Поједини делови човечијег локомоторног система могу да се анализирају преко модела просте полуге.

Када се на један крај полуге делује силом F, на другом крају полуге се јавља преиначена сила F`. Однос интензитета активне F и преиначене силе F'' назива се коефицијент преноса полуге K и једнак је односу растојања од ослонца: K=F/F`=a/b. Јачина преиначене F = bF`/a силе може ce подешавати како самом активном силом тако и местом ослонца односно величином крака полуге а. Са великим а и малим b може се постићи велка преиначена сила F` и савладати велико оптерећење Q, отуда изрека: ''Дајте ми полугу и ослонац па ћу сам померити Земљу!''. Када постоји оптерећење Q, које је истог интензитета као и сила F` али супротног смера, онда је полуга у равнотежи како је приказано на слици слици 1.7.

Просте полуге класификују се на основу: • узајамног положаја нападних тачака активне силе F и оптерећења Q у односу на

ослонац полуге – на полуге I, II и III врсте, • вредности коефицијента преноса, где постоје полуге силе и полуге брзине, и • облика, где постоје праве и угаоне полуге.

10

b a F=bF`/a

Сл. 1.7. Полуга са означеним карактеристичним параметрима: 0 – ослонац полуге, а и b - краци полуге, Q – оптерећење полуге, F – активна, и F `– преиначена сила

F`

F

QO

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Ако се ослонац полуге налази између нападних тачака сила F и Q онда се ради о полугама I врсте. Један пример полуге I врсте је глава човека у нормалном положају приказан на слици 1.8а. На слици су јасно означени ослонац О и нападне линије силе оптерећења Q и активне силе F. Може се приметити да је нападна линија силе оптерећања много ближа ослонцу него нападна линија активне силе. Ово значи да би глава била у равнотежи, довољна је неколико пута мања активна сила F од силе Q.

Код полуге II врсте, као на слици 1.8б, нападна тачка оптерећења се налази између ослонца О и активне силе F. Као пример једне овакве полуге може се навести стопало човека који се подигао на прсте. И овде се може уочити да је довољна мања активна сила F од силе оптерећења Q па да буде задовољено равнотежно стање.

За разлику од предходних полуга, полуга III врсте има особину да јој је активна сила F знатно већа од силе оптерећења. То наводи на закључак да се у овом случају нападна тачка активне силе F налази између ослонца и нападне тачке силе оптерећења Q. Пример једне овакве полуге илустрован је на слици 1.9. Са ове слике се примећује да је активна сила стварно много пута већа од силе оптерећења.

Полуге II и III врсте се зову још и једнокраке полуге, јер се нападне тачке активне силе и оптерећења налазе са исте стране ослонца.

11

QF

T0

0

F Q

а) б)

Сл. 1.8. Примери полуга скелетног система: а) I врсте, и б) II врсте

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Када је коефицијент преноса полуге К = F/F` kao однос преиначене силе и дејствујуће силе, већи од 1, тада се ради о полугама силе. Све полуге II врсте су полуге силе. Ако је К мањи од 1, онда се ради о полугама брзине. Типичне полуге брзине су полуге III врсте. Може се рећи: ако је преиначена сила већа од активне силе онда су то полуге силе, а ако није,онда су то полуге брзине. Полуге I врсте могу, у одређеним случајевима, бити и полуге силе и полуге брзине, што зависи од тога да ли је нападна тачка активне силе више или мање удаљена од ослонца у односу на нападну тачку силе оптерећења.

1.2.4. Систем полуга у локомоторном систему

Очигледно је да теорија просте полуге може да се примени на човеков локомоторни систем само у случају када он врши најједноставније покрете. Међутим, много чешће имамо случај да човеков локомоторни систем при извођењу одређених природних покрета делује као систем полуга.

Систем полуга jе скуп више полуга које су повезане зглобовима. Један од најједноставнијих и најважнијих примера који је битан за човеков локомоторни систем је пример такозваних пар полуга. То је систем од две полуге које су повезане једноосним зглобом. Натколеница и потколеница заједно са зглобом колена чине један такав систем

12

F

F

Q

Q

0

0

Сл. 1.9. Пример полуге III врсте

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

полуга. И овде се може спровести анализа овог система, али се у њу нећемо упуштати јер је она много сложенија.

Контролна питања из Основа биомеханике

1. Шта је Механика, а шта Биомеханика? 2. Шта чини Локомоторни систем човека и коју функцију врши? 3. Шта су кости и како се разликују функцији и облику? 4. Шта је коштано зглобни систем? 5. Шта је мишићни скелет? 6. Шта је код локомоторног система ппример полуге I врсте? 7. Шта је код локомоторног система ппример полуге II врсте? 8. Шта је код локомоторног система ппример полуге III врсте?

13

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.3. ОСНОВИ ФИЗИОЛОШКЕ АКУСТИКЕ

Акустика је област физике у којој се проучавају појаве и системи за генерисање, простирање, пријем и перцепцију звука.

Физиолошка акустика је грана акустике у којој је предмет проучавања звук првенствено са аспекта биолошких система за генерисанје и перцепцију.

Звук представља механички талас, односно процес преношења осциловања материјалних честица, са учестаншћу од 16 до 16.000 херца које детектује човечије чуло слуха. Често каже, у циљу лакшег памћења, да су учестаности звучних осцилација у опсегу 20 до 20000 херца. Такође се каже, што се може прихватити као субјективна дефиницаија:'' Звук је све оно што човек чује''.

Звук, односно механичке таласе, генерише физички систем који осцилује у еластичној материјалној средини. Генератор звука, односно звучни извор изазива осциловање молекула у преносној средини формирајући звучни талас који стиже до мембране пријемника, детектора звука. Пријемник звучних таласа садржи механички осцилаторни систем са мембраном која осцилује у ритму приспелих звучних таласа.

Звук се не простире кроз вакуум. Школски пример за демонстрацију неопходности потребе постојања преносне супстанце за простирање звука је експеримент са звонцем које у стакленом балону не може да произведе звук ако је из њега извучен ваздух.

Људи и животиње најчешће комуницирају помоћу звука. Примера ради, китови ''разговарају'' и певају на ниским учестаностима које залазе у подручје инфразвука, а делфини и слепи мишеви то чине са звуком чије су компоненте на високим учестаностима од којих неке прелазе границу чујности човека, изнад 16 килохерца и залазе у подручје ултразвука. Инфра и ултра - звук су ван опсега чујног подручја људи. Звук животињама служи и за просторну орјентацију – отуда два уха. Слепи мишеви ''виде'' и без очију захваљујући ултразвуку. Начин на који виде слепи мишеви искористили су електроинжењери за конструкцију ултразвучних уређаја за визуализацију унутрашњих органа.

Постоје пријатни и непријатни звуци и корисни и штетни извори звука. Корисни звучни извори, као што су гласне жице, музички инструменти и звучници,

проучавају се да би се даље усавршавали и да би им се повећавали ефикасност и коефицијент искоришћења.

Штетни звучни извори се проучавају из супротних разлога, да им се смањи звучна ефикасност и да се уведу заштите од буке.

14

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

У оквиру акустике постоји одељак који се зове Физиолошка и Психолошка акустика, док назив Биоакустика није одомаћен.

Биомедицинска електроника обухвата проучавање генерисања, простирања и пријема звука и конструкцију звучних извора и сензора. Од посебног је интереса звук високих учестаности изнад чујног подручја – ултразвук. На бази ултразвука пројектују се уређаји помоћу којих се добија слика пресека унутрашњости организма.

На основу сазнања о перцепцији звука инжењери у области медицинске електронике конструишу слушне апарате за особе са оштећеним слухом.

1.3.1. Физичке и биофизичке карактеристике звука

Физичке или такозване објективне карактеристике звука су: јачина, основна учестаност, звучни спектар и интензитет звука. Човек преко органа слуха може да региструје све ове величине и да их претвори у разне звучне осећаје. Ти осећаји нису објективни, већ субјективни. Због тога се дефинишу биофизичке карактеристике звука: висина тона, боја звука и јачина звука или гласност.

Висина тона представља човеков осећај учестаности осциловања звучног таласа. Ниски тонови, односно дубоки тонови су ниско фреквенцијски док су високи тонови из чујног подручја великих вредности учестаности. Људско ухо може да чује тонове у фреквенцијском опсегу од око 20Hz па до око 16kHz, а због лакшег памћења се каже да је чујно подручје од 20Hz до 20kHz. Ово су оријентационе вредности јер једни људи су више осетљиви на високе, а други на ниске учестаности, што зависи и од доба старости. На пример, бебе чују високе учестаности (500 – 20000Hz) па зато реагују на звонце, пиштаљку, звечку и слично. Старе особе, због закречења елемената слушног система и смањене еластичности, престају да чују високе учестаноссти изнад неколико килохерца.

Тонови које може да региструје људско ухо деле се на дубоке - до 250Hz, средње - од 250Hz до 1500Hz, и високе - преко 1500Hz. Нормално уво може да запази промену висине звука око 0.5 - 0.6%. Осећај висине звука, међутим, не зависи само од учестаности, већ и од интензитета звука. Зато се тон исте учестаности када има већи интензитет чини дубљим.

Боја звука је квалитет који допушта да се препознају два звука исте висине и истог осећаја јачине када су емитовани са два различита звучна извора. Боја звука је карактеристична за сложене звуке какве најчешће чујемо у природи. Сложени звуци поред основног тона имају и више тонове или како их зовемо, више хармонике. Пример једног сложеног звука је глас ''А''. Овај глас различито звучи када га изговара човек, жена и дете. Постоје разлике и од човека до човека. Боју звука одређује и број виших хармоника, њихов

15

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

интензитет и њихова фазна разлика у односу на основни тон. Помоћу овог осећаја ми можемо да препознамо глас саговорника на телефону иако се није представио.

1.3.2. Јачина звука

Јачина звука или гласност је осећај снаге звука, која зависи од снаге звучног извора и још више од интензитета звучног таласа на пријему.

Човечије ухо може да региструје врло велики интревал јачине звука. Праг чујности је најмања јачина звучног таласа која изазива једва приметан осећај звука за дату фреквенцију. Праг чујности није исти за све фреквенције јер је човечије уво мање или више осетљиво на различите учестаности. Усвојено је да се за референтну јачину звука узима интензитет звука на учестаности од 1000 Hz, јер је човечије ухо најосетљивије у околини те учестаности, и она износи 10 рW/m2. Горња граница чујности или праг бола је највећа јачина звука коју човек може јасно да чује. Интензитет прагa бола за учестаност од 1000 Hz износи 10 W/m. Из овога се може уочити да је динамика човечијег ува врло велика, јер оно може да разликује звуке који се по јачини разликију чак за 13 редова величине. Показало се да човечије чуло слуха на линеарну промену звука не реагује линеарно, већ логаритамски. То значи када би се интензитет звука мењао експоненцијално човек би чуо линeарно. Ово је суштина Вебер – Фехнеровог психофизичког закона. Због тога се уводи појам ниво (eng. level) интензитета звука као погодно средство за изражавање јачине звука. Ниво звука се дефинише као логаритамски однос измереног интензитета I и рефернтног интензитета Io , помножен са 10: L=10 log (I/Io) [dB]

За референтну вредност узима се да је то Io=10-12 W/m2, што представља интензитет прага чујности на 1000 Hz. Ниво прага бола се добија заменом I=10 W/m2 у горњу једначину: L=10 log (10 W/m2/ 10-12 W/m2) = 10 log 1013 = 130 dB

Ово је доста велики ниво звука, па се често каже да је праг бола око 120 dB. При овом нивоу звука још увек нема никаквих показатеља бола у ушима. Најјачи звук у природи је око 160 dB и он може настати при нуклеарним експлозијама. Код нормалног уха при нивоу звука већег од 120 dB долази до бола, а негде око 140 dB долази до пуцања бубне опне. У диско клубовима је ниво звука око 105 – 110 dB. Најмања промена нивоа звука коју човек може да примети је 1 dB.

16

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.3.3. Субјективна јачина звука

Изражавање јачине звука помоћу скале у децибелима има својих недостатака. Главни недостатак је што се два звука објективно исте јачине у децибелима, али различите учестаности, могу доста другачије регистровати у човечијем уху. Може се чак десити да се један звук уопште не чује ако је ниске учестаности, а да се други сасвим солидно чује на учестаности око 1000 Hz. Оваква појава се објашњава тиме што осетљивост ува није иста на свим учестаностима. Због овог разлога уведена је нова јединица за субјективну јачину звука или само јачину звука. Та нова јединица се назива фон.

Фон је јединица за субјективно мерење објективне вредности интензитета, односно јачине звука. Обично кажемо да два звука имају исти број фона ако за људско уво изгледају као да су исте јачине, без обзира који објективни ниво имају. Усвојено је да јачина звука у фонима одговара нивоу звука у dB на учестаности од 1000 Hz. За друге учестаности јачина звука у фонима може се одредити само експериментално. То се ради тако што се звук непознате јачине упоређује са звуком познате јачине и учестаности 1000 Hz. На овај начин су добијене изофонске линије или линије исте јачине звука. Данас се доста користи фамилија изофонских линија коју су одредили Флечер и Мансон. То су линије које повезују исте осећаје јачине звука за различите учестаности. Графички приказ изофонских линија приказан је на слици 1.10. Помоћу изофонских линија може да се одреди јачина звука за звуке чија је учестаност различита од 1000 Hz, што помоћу децибелске скале то није било могуће.

1.3.4. Чујно подручје чула слуха

Постоји одређени опсег учестаности и одређени опсег јачине звука у коме човек може да чује. Границе ових опсега одређују чујно подручје уха.

Чујно подручје чула слуха представља динимички опсег звука који се може чути и представити графички помоћу дијаграма који су први дали истраживачи Вегел и Флечер. Они су вршили испитивања са здравим младим особама и тако су експериментално одређене Вегел – Флечерове криве гласности. На том графику су дате и границе чујног подручја музике и говора. Ове границе представљају неку статистичку средњу вредност за велики број здравих и младих људи. Људи са болесним и оштећеним чулом слуха могу да имају знатно суженије чујно подручје. Обољења у средњем уву изазивају оштећења дубоких тонова, а обољење у унутрашњем уху доводи до оштећења високих тонова. Ако је

17

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

чуло слуха оштећено, а средње уво здраво, онда преко кости можемо да чујемо звук који је за 30 dB слабији. Ова појава се зове коштана проводност. Бејкеш је проучавајући ову појаву добио Нобелову награду за акустику. Он је стављао вибратор на стопала људи и утврдио да се звук, иако ослабљен за 30 dB, ипак може чути. Деца са оштећеним слухом, ако им је средње ухо здраво, на овај начин могу да науче да говоре. Ако дете не научи да говори до своје осме године, никада више то неће моћи научити. Због овога је Бејкешово откриће добило велику практичну примену.

Са дате слике се види да се на учестаности од око 3 kHz налази апсолутни праг чујности који износи око –9 dB. Ова појава се објашњава тиме што на тој учестаности долази до резонанције ваздушног стуба у ушном каналу. Зато је човечије уво за слабе звуке осетљивије на 3 kHz него на 1 kHz.

1 2 0

1 1 0 1 0 0

9 0 8 0

7 0

6 0

5 0

4 0 3 0

2 0

1 0 0 - 1 0

D B

F R E K V E N C I J A ( H z )

1.3.5. Ултразвук

Ултразвук је звук на високим учестаностима осциловања изнад 20 кHz па све до 1 GHz. Човек не може да региструје ултразвучне таласе помоћу чула слуха. У односу на чујни звук, ултразвук има мању таласну дужину у истој сразмери у којој има већу учестаност. На мањим таласним дужинама се може остварити већа енергетска густина,

18

P r a g s l u h a

P r a g b o l a

Сл. 1.10. а) Изофонске линије по Флечеру и Мансону, б) Чујно подручје и подручје говора и музике

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

односно већи интензитет звука. Ултразвук се може генерисати помоћу високофреквенцијског осцилатора и претварача. Електричне осцилације се помоћу пиезоелектричне плочице претварају у механичке осцилације које генеришу ултразвучни талас. Предност рада са ултразвуком је што може да се, због мале таласне дужине, која у ткиву износи 75 μm до 1,5 mm, фокусира и на веома мали простор.

Најчешћа примена ултразвука у медицини је за електродијагностику за одсликавање унутрашњих органа и меких ткива. У односу на одсликавање са рентгенским апаратом велика предност ултразвучних апарата је што се сматрају безопасним.

Ултразвук се примењује и у терапеутске сврхе. Најпознтијаа примена ултразвука у терапији је за разбијање камена у бубрезима и жучној кеси. Постоје одређене примене ултразвука и за загревање ткива, ултразвучне масаже, као и за специфичне захвате у хирургији - ултразвучна хирургија.

Одсликавање или визуелизација унутрашњих органа и меких ткива помоћу ултразвука заснива се на мерењу времена рефлексије ултразвучних таласа од појединих слојева ткива. У електродијагностици се користе ултразвучни таласи које емитују извори у опсегу од 1 до 10 МНz. У меким ткивима, где је брзина звука око 1000 метара у секунди, ултразвучни таласи су између 0,1 и 1 милиметар. Са ултразвуком ових таласних дужина могуће је остварити оштрину слике унутрашњих органа реда милиметра.

Контролна питања из акустике

1. Шта је акустика и како се дефинише звук ? 2. Шта представљају висина тона, боја звука и јачина звука ? 3. Шта представља фон и изофонске линије ? 4. Како се може представити чујно подручје уха ? 5. Шта је ултразвук? 6. Које су примене ултразвука у медицини ?

19

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.4. БИОЕЛЕКТРИЦИТЕТ

Биоелектрицитет представља појаву наелектрисања мембрана код живих организама. Појам наелектрисање означава скуп честица истоименог електричног полартета који се манифестује појавом електричног поља и електричне силе. Под појом електрицитета практично се подразумева појам наелектсања.

Електрицитет, односно слободно некомпензовано наелектрисање у природи је релативно ретка појава. Електрични потенцијали, односно раздвојена позитивна и негативна наелектрисања, изван техничких система, практично се манифестују само као атмосферски електрицитет. Пражњење атмосферског електрицитета, због пратећег светлосног и звучног ефекта, одувек изазива страхопоштовање човека.

Код човека се нису развијала чула за осећај наелектрисања и то је највероватнији разлог зашто се, у свом дугом еволутивном и цивилизацијском развоју, касно почео бавити електрицитетом. Електричне појаве су, у поређењу са другим природним појавама, релативно касно проучене.

Електрицитет је, иако за њега нису развијена чула, од фундаменталне важности за постанак и одржање живота. Живи свет се у најелементарнијем облику развио захваљујући формирању мембрана које раздвајају две средине са различитим концентрацијама јона. Жива ћелија је систем који просторно ограничава селективно пропустљива ћелијска мембрана. Мембрана се састоји од поларисаних макромолекула. У формирању ћелијске мембране учествују поларисани хидрофобни и хидрофилни макромолекули.

Основа за стварање електрицитета је електролитичка средина. Тело се састоји из течности коју чини вода и соли, а то су основни елементи за електролизу. Кључну улогу у раздвајању поларисаних молекула – јона и стварању електричних потенцијала имају ћелијске мембране.

Ћелијска мембрана или опна одваја ћелију од екстрацелуларне течности. Мембрана физички раздваја поједине биолошке елементе, али истовремено омогућава да се размењују супстанце и енергија под посебним условима. Мембрана не само да раздваја ћелију од околине, већ раздваја поједине делове ћелије. На пример, мембраном је одвојена митохондрија која снабдева ћелију енергијом, менбрана одваја ћелијско једро које одређује целокупно дејство ћелије, и слично.

Органске мембране су толико значајне да се еволутивни настанак мембране изједначава са настанком живота.

Унутар простора који ограђује одвијају се биохемијски процеси који су карактеристика сложених живих организама. Настанак и облици живота на земљи се повезују са развојем биолошке мембране, а данашња истраживања у развоју биолошких

20

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

структура намењених регенерацији или стварању нових облика живота, као и развоју биолошких рачунара разматрају и откривају функционисање мембране. Основне супстанце које чине ћелијску мембрану су масти то јест липиди као и беланчевине, односно протеини. Највећи део липида садржи фосфатне групе, и називамо их фосфолипиди.

Протеински молекули могу да се слободно крећу по површини мембране. У сложеним ензимским процесима протеини производе високо енергетске молекуле. Најзначајнији од њих су ATP – аденозин трифосфат.

Поред производње енергије протеини имјау и још три задатка: реагују са антителима и тако успостављају имунолошку функцију, својим положајем, који може да заузима простор кроз читаву мембрану, делују као пора кроз коју материја може да прође са једне на другу страну, и преносе материју кроз мембрану такозваним активним механизмом

Ћелијска мембрана је поларисана и напон ћелијске мембране је у опсегу 40 до 150 mV. Електрицитет представља основу за формирање градивне структуре органских ткива и основу управљачког система у ћелији, сложеним вишећелијским системим и организмима.

Функцију управљачког система код животиња и човека врши нервни систем који функционише помоћу биоелектричних сигнала. На мембрани нервних ћелија биоелектрични потенцијал је 70 mV.

Феноменом биоелектрицитета истраживачи се баве више од два века и још увек се фасцинирају том појавом. Настанак живота прати успостављање биоелектричних потенцијала док се живот гаси нестајањем електричних нaпона на мембранама ћелија.

Иако је значајан број биоелектричних појава објашњен, многи феномени везани за манифестацију биоелектрицитета још увек су велика тајна. Фасцинантано је како један мали инсект, звани свитац, претвара пола свог тела у живи фар који периодично емитује бело светло.

Истраживачи су успели да објасне настајање и одржавањаенапона од 70 mV између спољне и унутрашње површине мембране живе нервне ћелије, као и формирање акционих потенцијала и генерисање биоелектичних сигнала.

Интересантно је је да човек за мање од 150 година бављења електрицитетом толико развио његову примену да су сва обележја савремене цивилизације практично базирана на примени електрицитета, односно коришћењу електричних и електронски уређаја.

21

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.4.1. Биоелектрични сигнали и основна структура нервног система

Биоелектрични сигнали су електрични сигнали који се генеришу у системима управљања у живим организмима. Код човека се биоелектрични сигнали генеришу у нервном систему и помоћу њих се преносе и обрађују информације и врши управљање читавим организмом.

Нервни систем човека је веома сложени управљачки систем, практично најсложенији управљачки систем у природи, који регулише рад свих органа и управља свим животним функцијама. Нервни систем изграђен је од великог броја нервних ћелија – неурона и садржи више подсистема. Процењује се да човечији организам садржи око сто милијарди нервних ћелија. Поједностављена општа шема нервног система на којој су приказана само три основна подсистема, означена као централни, периферни и аутономни нервни систем, дата је на слици 1.11.

Централни нервни систем чини велики мозак и у њему се врши обрада информација највишег нивоа и формира свест.

Аутономни нервни систем састоји се од међумозга, средњег мозга, малог мозга и продужене мождине, и управља радом аутономних функција појединих органа и мишића.

Периферни нервни систем сачињавају неурони који повезују аутономни и централни нервни систем са телесним органима, и свим деловима тела.

Нервне ћелије – неурони су високоспецијализоване, нерегенеришуће, племените ћелије које имају способност да генеришу, обрађују и преносе биоелектричне сигнале.

Нервне ћелије, које преносе надражаје од чула до централног нервног систем и обрнуто, представљају биоелектрични информациони канал. Аналогији електронским колима и мрежама садрже улазе, преноснни пут и излазе.

22

Р

Ф

Р

Ф

Е НА

ПНС периферн

и нервни систем

ЦНС централни

нервни систем

АНС аутономни

нервни систем

Сл. 1.11. Поједностављена општа шема нервног система: ЕН – ефекторна (одводна) нервна влакна,

АН – аферентна (доводна) нервна влакна, Р – рецептори (пријемници) спољних сигнала,

Ф – повратна спрега, ФМ – feed back muscle – мишићна стимулација - СМ

ФМ/СМ

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

Улаз нервне ћелије има структуру корена и садржи велики број влакана – дентрита Д која се гранају око тела ћелије. Дентрити су повезани у чвор који се звове синапса С. Синапса има функцију специфичног логичког И кола. Синапса прослеђује даље импулсе који долазе преко дентрита тек кад је истовремено побуди одређен минимални број импулса. Синапсе проводе на основу неког алгоритма.

Нервна ћелија или неурон је основна градивна компонента нервног система за генерисање, преношење, пријем и обраду биоелектричних сигнала. Постоје нервне ћелије различитих облика, величине и функција. Неурон има једро из којег се формира разграната структура као што је приказано на слици 1.12.

Нервно влакно, неурит или аксон Н прослеђује биоелектричне сигнале од тела ћелије ка излазним, завршним, терминалним влакнима Т. Биоелектрични сигнали се формирају од таласа асционих потенцијала.

Талас акционог потенцијала – ТАП је електрични импулс који се формира на нервној мембрани и преноси дуж нервних влакана. Са таласима акционог потенцијала формирају се различити биоелектрични сигнали који могу да се мере. За мерење биоелектричних сигнала користе се различити уређаји. Ти уређаји се међусобно разликују у зависности са којих делова тела мере биоелектричне сигнале. Пример је електроенцефалограф, уређај који мери сигнале са коре мозга и електрокардиограф, уређај којим се мере сигнали рада срца. За подробније објашњење појаве таласа акционог потенцијала потребно је анализирати електрично стање нервног влакна у три могућа случаја и то:

− Нервно влаконо у стању мировања – поларизације,

− Нервно влаконо у стању побуде – деполаризације

− Нервно влаконо у стању поновне поларизације – реполаризације

23

Д

Н

ДМ

Т

С

Сл. 1.12. Нервна ћелија – неурон: С – синапсе, Д – дентрити, Н – неурит, М – мијелински омотач, Т – завршни, терминални наставци

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

1.4.2. Нервно влаконо у стању мировања - поларизације Потенцијал на мембрани нервних ћелија формира се првенствено помоћу јона

калијума, натријума и хлора. Унутар живе ћелије концентрација јона калијума може бити 10 до 20 пута већа него ван ћелије. За јоне натријума и хлора однос концентрација је истог реда величине али супротног смера. Концентрације натријума и хлора су, значи, знатно веће ван него у ћелији. Концентрације соли ће тежити да се изједначе па ће се при преласку јона јавити нека неравнотежа и створиће се напон на полупропусној, биолошкој мембрани што се види на слици 1.13. Напон на опни неурита износи око -70 mV .

Мембрана садржи билипидне слојеве који у чистом стању веома тешко пропуштају наелектрисане честице, поларне молекуле и јоне. Да би њихов пролаз, ипак, био могућ у билипидни слој су уметнути транспортни протеини. Молекули протеина уграђени у мембрану омогућавају контролисан пролаз неких честица или јона. Постоје протеини специјализовани за пренос одређеног јона, молекула или групе честица. Унутар ћелијске мембране налазе се два основна типа транспортних протеина:

- протеински носачикоји могу обављати и активан и пасиван транспорт и подсећају на сићушне молекуларне пумпе, и

- протеински канал, који подсећају на сићушне цевчице које пасивно пропуштају честице.

Оба типа протеина омогућују да честице пређу кроз билипидни слој, али на различит начин. Носачи се могу упоредити са скелом, а канали са мостом преко реке.

Протеински носачи везују за себе препознату честицу и премештају је са једне на другу страну мембране. Пренос честице има три фазе. На почетку се са једне стране мембране споје протеин и честица. У другој фази се спој пресели на другу страну мембране. На крају се честица ослобађа везе са протеином. Транспорт је обављен. Неки протеини носачи једноставно пуштају да честице иду ``низбрдо``. Други померају млаз честица ``узбрдо``. Речи низбрдо и узбрдо означавају померање у смеру електрохемијског градијента односно у супротном.

Протеински канали представљају водом испуњене цевчице које су уметнуте у билипидни слој. Оне повезују унутрашњу и спољашњу страну мембране. Ови канали пропуштају јоне одређене величине и наелектрисања у смеру електрохемијског градијента. Брзина проласка јона кроз канале је око 1000 пута већа од брзине коју постижу протеински носачи. Протеински канали су у мировању затворени капијом. Обично се капија отвара реагујући на одређен поремећај у стању мембране. Отворено стање капије је краткотрајно и привремено. Поремећаји су, на пример, промена мембранског потенцијала. На промену потенцијала реагују ови канали са напонским отварањем капије. Друге капије се отварају када на њих стигне неуротрансмитер. Неуротрансмитер је хемијски преносилац поруке.

Постоје две главне разлике између протеинског јонског канала и просте водом испуњене цевчице. Прва разлика је што су протеински канали селективни и пропуштају само јоне одређене величине и наелектрисања. Са повећањем концентрације јона проток канала у почетку расте пропорционално. Са даљим порастом концентрације у једном тренутку долази до засићења. Тада је постигнут максимално могућ проток. Друга разлика је у томе што протеински канали нису стално отворени. Они имају ``капије``. Капије се отварају на неко време, а затим поново затварају.

24

Мартиновић Д, Жорић А, Поповић Х: Биомедицински уређаји 1. Увод

На слици 1.13 приказани су основни елементи који учествују у производњи потенцијала. У мембрани постоје тзв. Na/K ''пумпе'' које стварају концентрације Co и Ci, тј. померају јоне Na, K, Cl. Те пумпе стално раде и врше транспорт брзином од 200Na+ и 130K+jona/sec. Густина расподеле на површини неурона је (100-200) пумпи/ μm2 . Као ''гориво'' за ове процесе користи се ATP (Adenozin TriPhosfat) и оно се у процесу претвара у ADP (Adenozin DiPhosfat) – енергија пумпе настаје цепањем ATP у ADP, услед хемијских реакција ових једињења јони се пребацују са једне на другу страну мембране. Натријумско калијумска пумпа на сваки разграђени молекул ATP-а испумпа 3 јона Na+ напоље, а убаци 2 јона К+ у унутрашњост ћелије. Очигледно је да у сваком циклусу у унутрашњости ћелије остаје мање позитивних наелектрисања. У мирном стању молекулске пумпе одржавају потенцијал на – 70 mV. Знак минус означава да је он унутар ћелије негативан.

Јачина ел. поља у мембрани је: 70 8,75 8

U mV kVE mmd nm   

Пробојни напон износи: (20-30) kV mm .

Капацитет влакна односно површинска капацитивност мембране износи: Cm=1μFcm2εr=6,2 , док је површинска густина наелектрисања:

270mCQm CmU cm 

Мерења показују, да је са унутрашње стране мембране концентрација К+ јона много већа од концентрације Na+ јона. Мембрана је у равнотежном стању много пропустљивија за јоне калијума него за јонe натријума. Тако јони калијума могу да дифундују кроз мембрану и достижу равнотежно стање. Равнотежно стање настаје када се струја дифузије изједначи са струјом услед створеног градијента потенцијала.

Поред јона калијума и натријума у ћелији се налазе и јони хлора и велики број беланчевинастих анјона који обезбеђују електронеутралност интрацелуларне течности. За

25

IL

(3-10)Na+

Na+

ATP

Na/K

ADP пумпе 2K+

K+

I L

(40-50)К+ Cl-

15Cl-

C out

C in

унутрашња концентрац

ија

d=8nm70mV U

+ спољашња

концентрација

Сл. 1.13. Шематски приказ поларизоване биолошке мембране

_

IL

ovo je samo pregled
3 prikazano na 33 str.