3
Medicínská biofyzika formách – fyzikálně rozpuštěný a chemicky vázaný na hemoglobin. Celkové množství O2 přenášené v 1 l arteriální krve je 200 ml, z čehož jenom 3 ml připadají na rozpuštěný O2 a 197 ml je chemicky vázáno na hemoglobin. Fyzikálně rozpuštěný O2 má význam v tom, že vytváří parciální tlak, a tím umožňuje difuzi. Zvýšení množství O2 rozpuštěného v krvi je možné pouze při zvýšení celkového atmosférického tlaku (hyperbarická oxygenace) anebo při zvýšení procentuálního zastoupení O2 ve vdechovaném vzduchu (přidávání O2 do vdechované směsi). Oxid uhličitý je transportován ve třech formách – fyzikálně rozpuštěný, vázaný ve formě bikarbonátů a ve vazbě na proteiny plazmy a hemoglobin jako karbamínové sloučeniny. V 1 l venózní krve je 30 ml fyzikálně rozpuštěného CO2 (v plazmě i erytrocytech), zbytek, tj. asi 520 ml, je vázaný v dalších dvou formách.
3.5.5 Vliv přetlaku na organismus Jak jsme již uvedli, Henryův zákon popisuje stupeň rozpuštění plynu v kapalinách, kdy množství plynu pohlceného kapalinou je úměrné jeho parciálnímu tlaku nad kapalinou. CO2 je v krvi 20krát rozpustnější než O2 a 46krát než N2. Parciální tlak dusíku ve vzduchu je vysoký, ve vzduchu je ho obsaženo kolem 78 %. Jde o neutrální plyn, který se rozpouští v krvi i ve tkáních a nezúčastňuje se metabolického řetězce. V tukové tkáni se rozpouští pětkrát více N2 než v krvi, proto jeho uvolnění z organismu při poklesu parciálního tlaku trvá déle. Dochází k difuzi N2 z tkání do krve až k vyrovnání s atmosférou. Dojde‑li k rychlé dekompresi, difuze nestačí a vznikají plynové bubliny, které nejsou metabolizovány, zůstávají po určitou dobu ve tkáních a vyvolávají dekompresní syndrom, označovaný rovněž jako kesonová nemoc. Nejčastěji jsou postiženy klouby, mozek a koronární cévy. Důsledkem jsou svalové a kloubní bolesti, mdloby, křeče. Bubliny N2 obsažené ve venózní krvi mohou způsobit uzávěr plicní mikrocirkulace (plynový embolus). Následky rychlé dekomprese mohou být i smrtelné.
3.5.6 Vliv přetlaku a podtlaku na organismus Prevence kesonové choroby je prováděna několikahodinovým dýcháním O2 před potápěním, který vytěsní N2 z tkání a při dekompresi nevzniká nadbytek N2 ve tkáních tak rychle. Další možnou formou prevence je fyziologická dekomprese, při níž se tlak snižuje ve stupních s přestávkami pro postupnou desaturaci tkání dusíkem. Jsou vypracovány dekompresní tabulky. Při nutnosti rychlého výstupu z hloubky je možné provést dekompresi v přetlakové komoře. Přetlakových komor (barokomor) – nejčastěji s kyslíkovým přetlakem – se využívá při léčbě hypoxických stavů na podkladě oběhového selhání, při plicních chorobách, při popáleninách a polytraumatech s těžkými šokovými stavy. K pobytu v barokomoře je rovněž indikací otrava oxidem uhelnatým a kyanidy. Ve všech těchto případech mluvíme o hyperbarické oxygenoterapii. Dysbarismus vzniká zejména při relativním přetlaku nebo podtlaku ve středoušní dutině. Dojde‑li ke snížení barometrického tlaku, je ve středním uchu přetlak, který vede k vyklenutí bubínku. Při přetlaku kolem 2 kPa dochází k úniku vzduchu, tlak se vyrovná a bubínek se vrací do normální polohy. Naopak při negativním středoušním tlaku (sestup letadla, sestup do hloubky) se bubínek vpáčí a k vyrovnání tlaku dochází po polknutí. Při negativním tlaku 10,7–12,0 kPa tato možnost již není. Dochází k ba 98
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS266063
Základy biomechaniky a kineziologie
3
rotraumatu, kdy postižený pociťuje prudkou ušní bolest a hrozí nebezpečí ruptury bubínku. Stav se snažíme upravit tzv. Valsalvovým pokusem, kdy při podtlaku ve středouší preventivně vtlačujeme vzduch Eustachovou trubicí do středouší. Atmosférický tlak klesá s nadmořskou výškou, ve výšce 5400 m asi na polovinu. Za normálního tlaku je sycení arteriální krve kyslíkem asi 94–97%, v uvedené nadmořské výšce asi 80% a rychle klesá. Při náhlém přechodu do výšek nad 3000 m dochází k nevolnosti, jejíž příčinou je nedostatek kyslíku a opožďující se vyrovnávání tlaku vzduchu v lebečních dutinách a ve středním uchu. Mluvíme o syndromu výškové hypoxie, která je charakterizována vyšší srdeční frekvencí, zrychleným mělkým dýcháním, bolestí hlavy, bušením srdce a poruchou rovnováhy. Organismus je schopen se těmto změnám v určité míře přizpůsobit. V důsledku zrychleného dýchání se zvyšuje parciální tlak kyslíku v plicních alveolech, je vyšší sycení hemoglobinu kyslíkem a rovněž obsah O2 v arteriální krvi je větší. Vyplavením červených krvinek ze zásob se zvyšuje jejich počet v krevním oběhu. Zrychlením srdeční frekvence se zvyšuje minutový srdeční objem a zvyšuje se průtok krve životně důležitými orgány – mozkem a srdečním svalem. Pokud uvedené kompenzační mechanismy nepostačí, vyvíjejí se plné příznaky horské nemoci, kdy vedle prohlubujících se dechových a oběhových potíží se objeví bolesti hlavy, nevolnost, otupení intelektu bez jeho smyslového vnímání. Mezi 20. až 30. dnem pobytu v horském prostředí, v závislosti na nadmořské výšce, dochází u zdravého organismu k aklimatizaci bez časového omezení. Zvýšená produkce erytropoetinu zabezpečuje zvýšenou erytropoézu, je zvýšen minutový srdeční objem a rozšíření kapilárního řečiště i novotvorba kapilár usnadňuje difuzi kyslíku z kapilár do tkání. I po návratu do nižších nadmořských výšek přetrvává několik dní hyperventilace, což někdy využívají sportovci. Pro léčebné účely se využívá podtlakových komor, které navozují v organismu podobný efekt jako vysokohorské prostředí. Pobyt v nich je doporučován nemocným, u kterých je třeba zvýšit sekreci z dýchacích cest a usnadnit vykašlávání.
3.5.7 Umělá ventilace plic Dýchací systém člověka představuje složitý komplex diferencovaných struktur a funkčních mechanismů, které zajišťují výměnu plynů mezi zevním a vnitřním prostředím organismu. Celý proces uvedené výměny je regulovatelným procesem. Regulace dýchání představuje kontrolu a řízení všech mechanismů a faktorů, které se rozhodujícím způsobem podílejí na výměně plynů. Určité patologické stavy mohou rušit přirozené regulační procesy a následně vyvolat poruchy dýchání. V tomto případě se stává součástí terapeutického působení umělá ventilace prostřednictvím technického zařízení, tzv. ventilátoru. Jde tedy o technické zařízení, jímž se zabezpečuje ventilace plic pacienta, pokud vznikla porucha regulace dýchání, nebo došlo k zastavení dýchání. Spontánní dýchání je stav, kdy pacient úplně ovládá vykonávání dýchacích pohybů v průběhu celého cyklu a dechový objem a dechová frekvence zabezpečují požadovaný tlak pO2 a pCO2 v krvi. Jde o „podtlakovou“ ventilaci. Úlohou umělé ventilace je přesun vzduchu z přístroje do pacienta, změna inspirace na exspiraci, přesun vzduchu z plic do přístroje anebo atmosféry a nakonec změna exspirace na inspiraci tak, aby takto vytvořený cyklus zabezpečil potřebný tlak pO2 a pCO2 v krvi. Klasická umělá ventilace je ventilací „přetlakovou“. Jenom při 99
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS266063
3
Medicínská biofyzika ventilaci použitím tzv. železných plic se používala ventilace přerušovaným podtlakem. Tělo pacienta s výjimkou hlavy bylo uložené do hermeticky uzavřeného prostoru, ve kterém se vytvářel rytmicky podtlak kolem těla, přičemž se rozpínal hrudník a nastal umělý nádech. Výdech byl pasivní.
3.6
Mechanické a tepelné vlastnosti zubů a jejich náhrad
Josef Hanuš
Materiály používané v zubním lékařství přicházejí do přímého styku s prostředím ústní dutiny, což na ně klade některé obecné požadavky společné pro všechny medicínské přípravky trvale či krátkodobě aplikované v lidském organismu. Musí být na jedné straně odolné vůči působení organismu a na druhé straně nesmí být pro lidský organismus toxické. Obecně se tedy jedná o souhrn fyzikálních, chemických a biologických vlastností, který zaručuje, že zdravotnický materiál je biokompatibilní (bioinertní). Dentální materiály však musí navíc vyhovovat dalším specifickým požadavkům souvisejícím s tím, že nahrazují zub nejen po estetické, ale zejména pak po funkční stránce. V tomto případě jde navíc o souhrn fyzikálních vlastností souvisejících s jejich mechanickým a tepelným namáháním v ústní dutině. Více podrobností k biokompatibilním materiálům najdete v kapitole 13.
3.6.1 Mechanické namáhání v tlaku a tahu Nejběžnějším způsobem namáhání zubu je jeho deformace v tlaku. K této deformaci dojde, jestliže uvažujeme normálovou složku působící síly, tj. složku, která je kolmá na rovinu povrchu zubu v místě dotyku. Předpokládejme, že tato síla způsobí deformaci, tj. změnu tvaru zubu. Rozeberme tuto situaci podrobněji. Předpokládejme pro jednoduchost, že zub má tvar válce o délce l a průřezu S. Normálová síla Fn způsobí změnu jeho délky o Δl (obr. 3.24). s. d , Re =
p=
2 , r
C=
V . p p 1000 , PB
V= Pro Δl platí vztah: l= 100
Obr. 3.24 Namáhání v tlaku působením normálové síly
k l Fn , S =
l l
,
F Ukázka elektronické knihy
[1] [2]