Nuclear Magnetic ResonanceResonance (NMR) Magnetyczny Rezonans Jądrowy (MRJ) Magnetyczny: pole magnetyczne niezbędne do zróżnicowania stanów energetycznych; Rezonans: absorpcja promieniowania elektromagnetycznego o określonej długości fali; Jądrowy: obserwacja jąder atomów. NMR -- absorpcja promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej (~100-1000 MHz dla protonów) przez jądra atomów znajdujące się w polu magnetycznym, a następnie emisja promieniowania elektromagnetycznego powstającego w wyniku relaksacji, czyli „powrotu jąder” do stanu równowagi termodynamicznej…

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego NMR jest możliwy dzięki istnieniu spinu. Spin - w dużym uproszczeniu - rotacja wokół osi – podstawowa właściwość cząstek, taka jak masa, czy ładunek elektryczny.

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Elektrony, protony i neutrony mają spin I=½ lub I= – ½ (I – liczba spinowa). Spin - własny moment pędu cząstki w układzie, w którym nie wykonuje ruchu postępowego

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Cząstki obdarzone spinem i ładunkiem elektrycznym ≠ 0 wytwarzają wokół siebie słabe pole magnetyczne.

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Tylko jądra z liczbą spinową I≠0 mogą być obserwowane w NMR

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Do czego potrzebne jest pole magnetyczne ? Bez zewnętrznego pola magnetycznego odległości pomiędzy poziomami, które chcemy badać są zdegenerowane – czyli mają taką sama energię. Próbkę należy umieścić w silnym polu magnetycznym, aby spowodować „rozszczepienie” (powstanie) odpowiednich poziomów energetycznych

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego WPŁYW POLA MAGNETYCZNEGO B

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Orientacja jąder w zewnętrznym polu magnetycznym zależy od liczby magnetycznej

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Graficzna zależność pomiędzy natężeniem pola magnetycznego a częstotliwością promieniowania absorbowaną przez protony

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Częstość precesji (częstość Larmor’a): μ=γ Bo/2π

Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Promieniowanie o częstości Larmor’a powoduje przejście nadmiaru spinów ze stanu podstawowego w stan wzbudzony

Zastosowanie Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Widma 1H BD MAS NMR (νMAS=30 kHz)  oraz 31P-> 1H CP MAS NMR (νMAS=7 kHz) dla hydroksyapatytu syntetycznego, szkliwa oraz zębiny ludzkiej.

Relaksacja podłużna i poprzeczna

Relaksacja podłużna i poprzeczna dla różnych tkanek

Obrazy NMR

WPŁYW PRZYSPIESZEŃ I ZMIAN CIŚNIENIA NA ORGANIZM CZŁOWIEKA

WPŁYW PRZYSPIESZEŃ NA ORGANIZM

WPŁYW PRZYSPIESZEŃ NA ORGANIZM

WPŁYW PRZYSPIESZEŃ NA ORGANIZM Alarmowe zatrzymanie windy a = 2,5g; t = 1s, Lądowanie na spadochronie   a = 3-4g; t = 0,1-0,2s, Katapultowanie z samolotu     a = 10-15g; t = 0,25s, Zderzenie samochodu możliwe do przeżycia  a = 20-100g;  t = 0,1s.   Człowiek wytrzymuje: 3g do 3600 s; 4g do 1200 s; 5g do 480 s; 8g do kilku s; -3g około 30 s; -4,5g około 5 s; -5g około 2 s; -10g mniej niż 1s. 3,5 g – podczas kaszlu 2,9 g – podczas kichania

WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM

WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM spadek głębokości spadek ciśnienia spadek rozpuszczalności gazu w cieczy (prawo Henry'ego) przesycenie!!! wytrącanie się pęcherzyków gazu!!! AZOT - N2 wzrost głębokości wzrost ciśnienia  wzrost rozpuszczalności gazu w cieczy (prawo Henry'ego)

WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Objawy narkozy azotowej 30-45 m -wzmożona pewność siebie, euforia, trudność w różnicowaniu zjawisk, możemy podejmować błędne decyzje,   45-60 m - trudności w koncentracji, zwolnienie reakcji na bodźce, zaburzenia koordynacji ruchowej >70 m - brak koordynacji ruchowej, utrata przytomności – nie jesteśmy w stanie wykonywać nawet najprostszych czynności. Prawo Martini Każde 10m poniżej głębokości 30m, to jedna lamka Martini (1/2 szklanki)

WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Zatrucie tlenem Tlen pod zwiększonym ciśnieniem parcjalnym jest toksyczny. Następuje zatrucie organizmu powodujące konwulsje podobne do napadu epilepsji co w wodzie prowadzi do utonięcia Dopuszczalne ciśnienie parcjalne tlenu 1,4 atmosfery

WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Ebulizacja - wrzenie płynów ustrojowych na wysokości powyżej 10 000 m

WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Niedobór tlenu w organizmie człowieka na skutek obniżenia ciśnienia cząstkowego tlenu w organizmie

Oddziaływanie prądu elektrycznego i pól elektromagnetycznych na organizm człowieka

PRĄD ELEKTRYCZNY Prąd elektryczny – jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Prąd płynie w gazach cieczach i ciałach stałych. W gazach i cieczach przepływ prądu polega na równoczesnym i uporządkowanym ruchu ładunków dodatnich i ujemnych. W ciałach stałych poruszają się elektrony pochodzące z powłok walencyjnych zwane elektronami swobodnymi.

PRĄD ELEKTRYCZNY R - oznacza współczynnik proporcjonalności zwany oporem elektrycznym (rezystancją). 1Ω = 1V/1A. Opór przewodnika równa się 1 omowi, jeżeli niezmienne napięcie równe 1 woltowi istniejące na końcach przewodnika wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera. Opór przewodnika R o długości l, powierzchni przekroju S i oporze właściwym ρ jest równy: R = ρ l/S

PODSTAWOWE PRAWA PRZEPŁYWU PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Prawo Ohma Pierwsze prawo Kirchhoffa Drugie prawo Kirchhoffa          gdzie    – wartość chwilowa sem k-tego źródła;    – napięcie na i-tym elemencie oczka

PRĄD PRZEMIENNY Prąd przemienny – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością.

PRĄD PRZEMIENNY Źródło napięcia, w którym siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie, nazywamy źródłem napięcia przemiennego. W Europie f = 50 Hz, Em = 230 V

PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Wartości prądu rażeniowego przy porażeniach napięciem 220 V człowieka o rezystancji ciała Rcz=2k (wilgotny naskórek).

PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM

PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Objawy działania prądu przemiennego 50 – 60 Hz na człowieka przy przepływie na drodze ręka – ręka lub noga – ręka. Wartość skuteczna prądu [mA] 0 – 0,5 Prąd niewyczuwalny 0,6 – 1,6 Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie) 1,6 – 3,5 Cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie rąk 3,5 – 15 Silne sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni i drżenie rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze skurcze mięśni palców i ramion, zaciskanie się rąk obejmujących przedmiot i niemożność samodzielnego oderwania się 15 – 25 Niekontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost ciśnienia krwi; prąd nie powoduje groźnych następstw przy czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund 25 – 50 Bardzo silne skurcze mięśni rak i klatki piersiowej; nieregularność pracy serca, przy dłuższym działaniu prądu w górnym zakresie – migotanie komór sercowych 50 – 70 Migotanie komór sercowych, porażenie mięśni oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierć przez uduszenie > 70 Przy dłuższym działaniu zwykle kończy się śmiercią

PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Najbardziej niebezpieczny jest dla człowieka prąd przemienny o częstotliwości 50 – 60 Hz Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu stałego niż przemiennego. Dotyczy to natężeń do 20 mA Przy prądzie przemiennym 50 – 60 Hz wyprostowanie palców i samodzielne oderwanie ich od przewodu możliwe jest przy natężeniu prądu: dla kobiet ≤ 10,5 mA, dla mężczyzn ≤ 16 mA

DYSPERSJA PRZENIKALNOŚCI I PRZEWODNOŚCI ELEKTRYCZNEJ Błona komórkowa – izolator Przewodność – 10-4 – 10-6 Ω-1m-1 (S/m) Przenikalność – 5 – 6 F/m Pojemność dielektryczna – 1 μF/cm3 Cytoplazma – elektrolit Swobodne ładunki (jony) Makrocząsteczki (osłabienie pola zewnętrznego, hamowanie hydrodynamiczne - Dyspersja α – (kilka Hz do kilku kHz) proces ładowania i rozładowywania na błonach -Dyspersja β – (kilka kHz do 30 MHz) wynika z niejednorodnej struktury tkanki -Dyspersja γ – (100 – 1000 MHz) wynika z relaksacji dipolowej struktur subkomórkowych i makrocząsteczek

ODDZIAŁYWANIE PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH Pola elektromagnetyczne powstają: wokół stacji nadawczych radiowych i TV, radarów, urządzeń przemysłowych, zgrzewarek, pieców indukcyjnych, silników, telewizorów… Długotrwałe przebywanie powoduje: bóle i zawroty głowy, zaburzenia snu, zaburzenia pamięci, dolegliwości sercowe, szybkie męczenie, choroby oczu (zaćma).

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE Pole elektromagnetyczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pola te są wzajemnie związane a postrzeganie ich zależy też od obserwatora, wzajemną relację pól opisują równania Maxwella. Własności pola elektromagnetycznego, jego oddziaływanie z materią bada dział fizyki zwany elektrodynamiką.

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE Fala elektromagnetyczna

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych Istnienie pól magnetycznych jest traktowane jako objaw wtórny, jako skutek ruchu ładunków elektrycznych. Ziemia jest wielkim magnesem. Indukcję magnetyczną B definiuje się wykorzystując siłę oddziaływania pola magnetycznego na poruszający się ładunek próbny q0: F = q0(v x B) B = Fmax/q0v [T]

SIŁA LORENTZA B = Fmax/q0v [T] Siłę jaka działa na ładunek elektryczny w polu elektromagnetycznym określa siła Lorentza:                          gdzie: F - siła (w niutonach) E – natężenie pola elektrycznego (w woltach / metr) V/m B - indukcja magnetyczna (w teslach) T q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach) Q v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę) m/s × - iloczyn wektorowy. B = Fmax/q0v [T]

Indukcja magnetyczna 1T - duża jednostka [N/Am] 10 T - uzyskuje się w laboratoriach 100 T – bardzo krótko B = 10-4T – na powierzchni Ziemi Prąd 100 mA w odległości 1 cm B = 2·10-3 T Układ nerwowy w okolicy klatki piersiowej B = 10-11 T

B = µ H Między indukcją magnetyczną B (Tesla) a natężeniem pola magnetycznego H (A/m) zachodzi relacja: B = µ H            µ   – przenikalność magnetyczna ośrodka, wyrażona w henrach na metr. Przenikalność magnetyczna bezwzględna próżni µ0

EFEKT TERMICZNY Efekty termiczne – część energii jest pochłonięta i zamieniona na ciepło. Progowa gęstość mocy wynosi około 10mW/cm2.. Ze wzrostem długości fali wartości te wyraźnie wzrastają co wiąże się z zależnością współczynnika pochłaniania energii elektromagnetycznej od częstotliwości. Ciepło powstające w tkankach pod wpływem pola elektromagnetycznego wytwarzane jest w dwóch procesach: -przepływu nośników ładunku przez ośrodek o pewnym oporze -obrotu dipoli cząsteczkowych w ośrodku lepkim

METODY OCHRONY Bierne: organizacja pracy, automatyzacja, skracanie czasu pracy, zakaz pracy poniżej 18 l., kobiet w ciąży, okresowe badania lekarskie. Czynne: Ekranowanie za pomocą blach, siatek, anteny, odzież ochronna konstrukcja urządzeń. Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na cztery zakresy – w zależności od częstotliwości i dla każdego zakresu określa się dopuszczalny czas przebywania w zależności od występującego w danej strefie natężenia

METODY OCHRONY strefa pola bezpiecznego, strefa pola pośredniego – W dziedzinie ochrony przed promieniowaniem elektromagnetycznym stosuje się podział widma na następujące zakresy częstotliwości: do 0.1 MHz 0.1 - 30  MHz 30 - 300  MHz 300 MHz - 300 GHz strefa pola bezpiecznego, w której dowolnie długie przebywanie uważa się za nieszkodliwe - do 1 V/m, strefa pola pośredniego – przebywanie w niej wymaga okresowej kontroli lekarskiej - 1 - 10 V/m, strefa pola szkodliwego – dopuszcza się przebywanie w ograniczonym czasie 10 - 1000 V/m, strefa pola niebezpiecznego, w której przebywanie jest zabronione - powyżej 1000 V/m.

BEZPIECZNY CZAS PRZEBYWANIA W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM METODY OCHRONY BEZPIECZNY CZAS PRZEBYWANIA W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM Dla zakresu częstotliwości 0.1 - 30 MHz należy podzielić liczbę 80 przez zmierzoną wartość natężenia pola (w woltach na metr ). Do wykonania pomiaru natężenia pola potrzebny jest specjalistyczny skalowany przyrząd.

DOPUSZCZALNE POZIOMY PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH W MIEJSCACH DOSTEPNYCH DLA LUDNOŚCI   Składowa Zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego elektryczna magnetyczna 1 0 Hz 10 kV/m 2.500 A/m 2 od 0 Hz do 0,5 Hz - 3 od 0,5 Hz do 50 Hz 60 A/m 4 od 0,05 kHz do 1 kHz 3 A/m 5 od 0,001 MHz do 3 MHz 20 V/m 6 od 3 MHz do 300 MHz 7 V/m 7 od 300 MHz do 300 GHz

DIATERMIA Efekty termiczne w tkankach wywołane przepływem prądów wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w praktyce medycznej jako diatermia. Obecnie prawie wyłącznie stosowane są aparaty krótkofalowe i mikrofalowe. Zastosowanie diatermii: przewlekłe stany zapalne mięśni, tkanki łącznej, stawów i nerwów.

DIATERMIA Diatermia krótkofalowa Przegrzanie tkanek pod wpływem pola elektrycznego lub pola magnetycznego o wysokiej częstotliwości w celu uzyskania rozluźnienia mięśni. Diatermia nie uszkadza tkanek. Wyróżnia się w niej dwie metody: kondensatorową indukcyjną Diatermia kondensatorowa -wykorzystuje do nagrzania tkanek pole elektryczne Nagrzewa ona głównie tkanki płytko położone takie jak tkanka tłuszczowa. Diatermia indukcyjna -wykorzystuje do nagrzania tkanek pole magnetyczne, wokół którego zgodnie z prawami Maxwella powstaje wirowe pole elektryczne nagrzewające głównie głęboko położone takie jak mięśnie.

DIATERMIA Częstotliwość generowana: 27,12 MHz Emisja: ciągła i pulsacyjna, Moc wyjściowa: Zakresy 0 - 400 W emisja ciągła, 0 - 1000 W emisja pulsacyjna, Czas trwania pulsu: 400 mikrosekund

DIATERMIA Diatermia mikrofalowa diatermia, w której wykorzystuje się pole elektromagnetyczne o częstotliwości 0,3–3,0 GHz; Z powodu płytkiego wnikania mikrofal w głąb tkanek wskazania obejmują głównie wybrane choroby laryngologiczne i skóry. Diatermie mikrofalową stosuje się w onkologii.

ROZKŁAD TEMPERATURY W TKANKACH

DIATERMIA Diatermia chirurgiczna służy do cięcia i koagulacji tkanek, stosowana m.in. w chirurgii plastycznej i dermatologii (częstotliwość ok. 0,5-1,75 MHz, moce rzędu 100-300 W)