close

Enter

Log in using OpenID

D. Hrupec, Fizika u medicini

embedDownload
Fizika u medicini – nastava fizike u srednjim medicinskim i
zdravstvenim školama
Dario Hrupec
Institut Ruđer Bošković, Zagreb
Uvod
Još 2010. godine Ministarstvo znanosti, obrazovanja i sporta donijelo je odluku o
uvođenju strukovnog kurikuluma za stjecanje strukovne kvalifikacije medicinska sestra/tehničar
opće njege. U nastavni plan i program fizike tada su uvedene mnoge teme iz biologije, medicine i
medicinske tehnike. Izdavačka kuća Neodidacta odlučila je napraviti, prema tom nastavnom
planu i programu, udžbenike Fizika u medicini s multimedijskim sadržajem za 1. i 2. razred
medicinskih i zdravstvenih škola.
Udžbenici su bili dovršeni krajem 2011. godine, prošli recenziju i odobreni od strane
povjerenstva Ministarstva znanosti, obrazovanja i sporta, početkom 2012. godine. Trenutno
čekaju ulazak u Katalog obveznih udžbenika i pripadajućih dopunskih nastavnih sredstava što
znači da neće doći do učenika prije rujna 2014. godine. S jedne strane učenici medicinskih i
zdravstvenih škola nemaju odgovarajuće udžbenike za svoj program, a s druge strane ti udžbenici
postoje i nedostupni su zbog dugačke administrativne procedure.
U svom izlaganju, na 11. hrvatskom simpoziju o nastavi fizike, naglasak sam stavio na
interdisciplinarne probleme te primjere multimedijskih sadržaja i interaktivnih pokusa koji su
sastavni dio udžbenika Fizika u medicini.
S obzirom da se to izlaganje nadovezalo na izlaganje Sanje Dolanski Babić, Fizika i
biofizika za studente medicine, te da je pokazano da gotovo iste nastavne sadržaje trebaju
savladati studenti završnih godina medicine kao i učenici prvih godina srednje strukovne škole,
većina rasprave svela se na kritiku novog strukovnog kurikuluma za stjecanje strukovne
kvalifikacije medicinska sestra/tehničar opće njege.
Kako je tema simpozija bila Nastava fizike i interdisciplinarnost, u ovom će prilogu biti
pokazani odabrani primjeri (tekstovi i slike) iz udžbenika Fizika u medicini koja se odnose
upravo na interdisciplinarne probleme, primjerice: prijenos živčnog signala, utjecaj
elektromagnetskih valova na ljude, primjenu rendgenske cijevi i lasera, računalnu tomografiju
(CT), snimanje magnetskom rezonancijom (MRI) i tomografiju emisijom pozitrona (PET).
Odabrani interdisciplinarni primjeri
PRIJENOS ŽIVČNOG SIGNALA KROZ STANICU
Ljudski živčani sustav prenosi informacije u obliku električnih signala. Signali
putuju kroz živce, a za razumijevanje tog procesa ključan je pojam razlike potencijala,
odnosno napona. Svaki je živac snop aksona, a svaki akson dio živčane stanice ili
neurona. Živčana stanica sastoji se od tijela stanice, brojnih dendrita i samo jednog
aksona. Dendriti imaju ulogu da pretvaraju vanjske podražaje (poput pritiska ili topline)
u električne signale, koji se onda prenose kroz akson. Akson prenosi signal do živčanih
završetaka koji dalje šalju signal preko sinapse na iduću živčanu ili pak mišićnu stanicu.
Tekućina unutar stanice, citoplazma, razlikuje se od izvanstanične tekućine. Obje
tekućine sadrže ione (pozitivno ili negativno nabijene atome), ali se znatno razlikuju po
sastavu. Izvanstanična tekućina sadrži pozitivne ione natrija (Na+) i negativne ione klora
(Cl–). Takav sastav iona ima kuhinjska sol (natrijev klorid), iz čega je razumljivo zašto je
taj kemijski spoj važan sastojak ljudske prehrane. Sol u hrani izvor je iona koji su
neophodni za rad živčanih stanica. Citoplazma pak sadrži pozitivne kalijeve ione (K+) i
negativno nabijene proteine.
Citoplazma je odijeljena od izvanstanične tekućine staničnom membranom koja
ima različitu propusnost za različite ione. Primjerice, kalijevi ioni mnogo lakše izlaze iz
stanice nego što natrijevi ioni ulaze u stanicu. To svojstvo stanične membrane nazivamo
selektivnom propusnošću. Zbog selektivne propusnosti stanične membrane unutrašnjost
stijenke živčane stanice negativno je nabijena, dok je vanjska strana stanice pozitivno
nabijena. Zato između unutrašnjeg i vanjskog dijela stanice postoji razlika potencijala ili
napon. Iznos tog napona je između –40 mV i –90 mV, u prosjeku –70 mV. Slični naponi
postoje na membranama gotovo svih stanica u ljudskom tijelu. Tih –70 mV nazivamo
membranskim potencijalom živca u mirovanju.
Živac koji je na potencijalu mirovanja ne prenosi signal. Za prijenos signala
odgovorna je promjena potencijala koju nazivamo akcijskim potencijalom. Kad neuron
primi vanjski poticaj, membrana postaje propusna za pozitivne ione natrija. Ti ioni ulaze
u stanicu. U kratkom vremenu, od 1 do 2 milisekunde, potencijal lokalno poraste s
–70 mV na otprilike +35 mV. Istodobno kalijevi pozitivni ioni izlaze iz stanice te vraćaju
potencijal na početnu vrijednost. Tu promjenu nazivamo akcijskim potencijalom. Taj
ulazak natrijevih i izlazak kalijevih iona događa se kao lančana reakcija ili domino-efekt.
Na taj način električni signal putuje duž živaca.
UTJECAJ ELEKTROMAGNETSKIH VALOVA NA LJUDE
Zračenje koje emitiraju mobiteli neionizirajuće je zračenje, uglavnom u
radiovalnom području. Njegova je navodna štetnost i dalje vrlo diskutabilna. Nema
čvrstih dokaza da je zračenje mobitela štetno. Međutim, mudro je biti na oprezu i izlagati
se što manje. Mogu se, primjerice, izbjegavati dugi razgovori pri kojima je mobitel
pritisnut na uho. Čak i malo povećanje razmaka između mobitela i uha znatno smanjuje
potencijalnu opasnost. Naime, intenzitet zračenja opada s kvadratom udaljenosti. Ako,
dakle, povećamo udaljenost s jednog milimetra na jedan centimetar (10 puta), intenzitet
zračenja smanji se čak 100 puta. Korištenje malih slušalica s mikrofonom, pri čemu
mobitel može biti u džepu ili torbi, još je bolje rješenje.
PRIMJENA RENDGENSKE CIJEVI I LASERA
Njemački fizičar Wilhelm Röntgen uočio je 1895. godine da metal izložen snažno
ubrzanim elektronima emitira dotad nepoznatu vrstu zračenja. To nepoznato zračenje
Röntgen je označio simbolom X, tipičnim simbolom nepoznanice u matematici.
Rendgensko zračenje ili X-zračenje ima neobično svojstvo da prolazi kroz tvar. Različite
tvari propuštaju ga različito, primjerice kosti i meko tkivo, što omogućuje “pogled u
unutrašnjost”. Rendgensko snimanje brzo je pronašlo primjenu u medicini, ali i industriji.
Primjerice, u proizvedenim dijelovima stroja rendgenska snimka može otkriti unutrašnje
nepravilnosti koje bi eventualno mogle dovesti do lomova.
Početkom 60-ih godina 20. stoljeća kvantna je fizika rezultirala drugim velikim
doprinosom tehnologiji – izumom lasera. Riječ laser engleski je akronim za light
amplification by the stimulated emission of radiation, što znači pojačanje svjetlosti
stimuliranom emisijom zračenja. Kao i u običnoj žarulji, svjetlost lasera nastaje kad
atomi prelaze iz višeg u niže kvantno stanje. Kod lasera, za razliku od žarulje, svi atomi
emitiraju svjetlost posebnih svojstava: (1) izrazito je jednobojna – svi emitirani fotoni
imaju gotovo jednaku valnu duljinu; (2) vrlo je usklađena – koherentna – poklapaju se
bregovi i dolovi svih valova; (3) vrlo je usmjerena – svi emitirani fotoni putuju u istom
smjeru i (4) može se oštro fokusirati – snop laserske svjetlosti može biti vrlo uzak, što
znači da gustoća energije može biti vrlo velika. Laseri stoga mogu uzrokovati oštećenja
oka. S druge strane, laserskom se operacijom vrlo precizno preoblikuje rožnica (prednji,
prozirni dio oka). Na taj se način mogu riješiti mnogi problemi vida.
RAČUNALNA TOMOGRAFIJA (CT)
Računalna tomografija poznatija je po engleskom akronimu CT, početnih slova
izraza computed tomography. Riječ tomografija znači snimanje slojeva tijela. Tomos je
režanj ili sloj tkiva, a grafija je način crtanja. CT je dijagnostička metoda rendgenskog
snimanja niza slojeva tijela i potom sastavljanja (uz pomoć računala) jedne prostorne
(trodimenzionalne) slike unutrašnjosti tijela. CT uređaj stoga pomiče pacijenta ispod
rendgena koji zahvaća samo uzak sloj. Za razliku od obične rendgenske snimke koja je
crno-bijela i plošna, CT snimka je trodimenzionalna i obojena (takozvanim lažnim
bojama koje kompjutor određuje prema gustoći tkiva).
Metodu je početkom 70-ih godina 20. stoljeća osmislio William Oldendorf, a
razvili su je Godfrey Newbold Hounsfield i Allan MacLeod Cormack, za što su 1979.
godine dobili Nobelovu nagradu. Intenzitet X-zračenja obično je manji kod CT-a nego
kod uobičajenog rendgenskog snimanja. S druge strane, CT snimke su mnogo preciznije.
Mogu pokazati detalje složenih lomova, izljev krvi u mozak kod moždanog udara ili
oblik i položaj tumorskih izraslina.
SNIMANJE MAGNETSKOM REZONANCIJOM (MRI)
Snimanje magnetskom rezonancijom ili MRI (engl. magnetic resonance imaging)
ima važno mjesto u medicinskoj dijagnostici te za kliničke pretrage i praćenje
metaboličkih procesa. Osnova je MRI uređaja nuklearna magnetska rezonancija ili NMR
(engl. nuclear magnetic resonance). NMR je metoda koja se temelji na međudjelovanju
magnetizma atomskih jezgara s vanjskim magnetskim poljem uz dodatnu pobudu jezgara
s radiovalovima. Budući da je NMR nedestruktivna metoda (ne koristi ionizirajuće
zračenje) i može detektirati čak stotinjak različitih jezgri, brzo se proširila iz fizike u
kemiju, biologiju i medicinu.
Medicinski MRI uređaji stvaraju magnetsko polje od 0,2 T do 3 T. Budući da
atomske jezgre imaju svoj vlastiti magnetizam one reagiraju (preusmjeravajući se) na to
magnetsko polje. To se preusmjeravanje može dodatno potaknuti radiovalovima posebne
frekvencije. Kad frekvencija radiovalova odgovara vlastitoj frekvenciji određene vrste
atomske jezgre, dolazi do rezonancije. Tako se iz odziva radiovalova emitiranih u tkivo
može odrediti prostorni raspored pojedinih vrsta atoma u živom organizmu.
Zahvaljujući razlikama u sastavu tkiva, kompjutorski se mogu vizualizirati
prostorne slike unutrašnjih dijelova tijela (posebno mekih tkiva), primjerice mozga, srca,
krvožilnog sustava, bubrega ili pluća. Na NMR snimkama vrlo se precizno vide razlike
između zdravog i bolesnog tkiva. Lako se izdvajaju tumori, slabo prokrvljena područja ili
oštećenja mozga zbog multiple skleroze. Metoda se počela razvijati još 80-ih godina
prošlog stoljeća. No tek su nedavno, 2003. godine, Paul Lauterbur i Peter Mansfield
dobili Nobelovu nagradu za medicinu i fiziologiju za svoja otkrića u medicinskoj
primjeni magnetske rezonancije.
TOMOGRAFIJA EMISIJOM POZITRONA (PET)
Tomografija emisijom pozitrona ili PET (engl. positron emission tomography)
metoda je snimanja u medicini kojom je moguće dobiti trodimenzionalne slike
funkcionalnih procesa u tijelu. Koristi se najviše za dijagnostiku u onkologiji (za tumore),
neurologiji (za živčani sustav i mozak) i kardiologiji (za srce i krvne žile).
Metoda se temelji na radioaktivnoj tvari koja se unosi u krv pacijenta, a preko
krvi dolazi u određena tkiva i organe koji su od interesa. To se postiže tako da se
kratkoživući radioaktivni izotop prethodno ubaci u one molekule koje se u tijelu vežu za
tkiva i organe koji se žele snimati. Radioaktivni se izotop raspada emisijom pozitrona
(čestice slične elektronu, ali pozitivnog električnog naboja). Pozitron u interakciji s
elektronom stvara par gama-zraka koje izlaze iz tijela i mogu se detektirati. Računalo
rekonstruira mjesta emisije gama-zraka i stvara trodimenzionalnu sliku unutrašnjosti
tijela. Dobiju se precizno ocrtani obrisi tkiva i organa u kojima je povećana koncentracija
radioaktivnih molekula. Još važnije, te se molekule gibaju kroz tijelo, ulaze u većoj ili
manjoj koncentraciji u određena tkiva pa slike odražavaju i procese koji se odvijaju u
tijelu. Dobro se vidi, primjerice, prokrvljenost tkiva, koja se posebno jako mijenja u
prisustvu tumora.
PET se često kombinira s CT-om u istom uređaju. Američki časopis Time
proglasio je PET/CT-skener najvećim medicinskim izumom za 2000. godinu.
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
2 150 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content