Biofyzika
Ústav nelékařských zdravotnických studií
Iveta Bryjová
LS 2024
Sylabus
• Fyzikální veličiny jednotky.
• Termodynamika a molekulová biofyzika.
• Biofyzika buňky.
• Biofyzika tkání a orgánů.
• Biofyzika vnímání, ekologická biofyzika.
• Účinky tepla, termometrie. Biorytmy.
• Zdroje a druhy ionizujícího záření, detekce ionizujícího záření.
• Biologické účinky ionizujícího záření.
• Demonstrace zdravotnických prostředků, speciální požadavky.
• Práce s elektrickými přístroji, rizika a zásady bezpečnosti u elektrospotřebičů.
• Zdravotnické elektrické rozvody.
• Základy optiky.
14.05.2024 Biofyzika 2
Struktura živé hmoty
Veškerý materiální svět je tvořen částicemi
hmoty (látkou) + energetickými poli (silami)
Živá a neživá hmota – jak se od sebe liší?
14.05.2024 Biofyzika 4
Struktura hmoty
• Cokoliv, co zabírá prostor a má hmotnost je hmota
• Hmota je tvořena z hlediska vnějšího pohledu různými látkami
• Veškerá hmota sestává z + a − nabitých částic
Zákon zachování hmoty
Lavoisiérův zákon
• Hmota se netvoří ani nemůže být zničena
• Při chemický reakcích zůstává hmotnost všech zúčastněných sloučenin konstantní
• Hmotnost v uzavřené soustavě je konstantní
• Energie je nezničitelná, může přecházet v jiné formy
Daltonova atomová teorie
Zákon stálých objemů – 1809 – Guy Lussac zákon
• Plyny se slučují v jednoduchých objemových poměrech:
• 2 objemy H + 1 objem O = 2 objemy vodní páry
14.05.2024 Biofyzika 5
Struktura hmoty
Látkové množství
Avogadrova konstanta NA = 6,022 141 29 (27)×1023 mol−1
Je definována pomocí základní jednotky SI => 𝑁𝐴 =
𝑁
𝑛
Počet atomů C v 0,012 kg (12 g) nuklidu 12C => 𝑀 12C = 𝑁𝐴m 12C
Molární hmotnost – hmotnost 1 molu látky [kg mol−1] => Mc = 12 g mol−1
6,022×1023 mol−1 = 0,012 kg mol−1 = 12 g mol−1
Atomová konstanta vyjadřuje
1
12
klidové hmotnosti 𝐶6
12
=> 𝑚 𝑢 = 1,661 × 10−27kg
Atomová hmotnost => 𝐴 𝑟 =
𝑚 𝑎
𝑚 𝑢
Relativní molekulová hmotnost
14.05.2024 Biofyzika 6
Formy hmoty
Hmota má duální charakter
Pole (záření)
• Převážně vlnový charakter (elektromagnetické, gravitační, jaderné, mezonové
atd.)
• Bosony – základní kvantum elmag pole (foton)
• Nulová klidová hmotnost, rychlost světla, celočíselný spin – neplatí vylučovací princip
• Mezi základními složkami hmoty působí vzájemné síly – silové interakce
Látka
• Převážně korpuskulární charakter
• Soubory základních částic, makroskopické soustavy, kosmická tělesa, atd.
• Základní částice – fermiony
• Nenulová klidová hmotnost (energie), rychlost menší než rychlost světla, poločíselný spin,
vylučovací princip
14.05.2024 Biofyzika 7
Fyzikální veličiny a jednotky
Fyzikální veličiny a jednotky
• Fyzikální veličina charakterizuje fyzikální vlastnosti, stavy fyzikálních objektů a jejich změny, které
lze změřit → číselná hodnota a jednotka.
• Jednotky fyzikálních veličin
• Referenční veličina, kvantitativní porovnání
• Zákonné měřicí jednotky (SI)
• Hlavní jednotky
• Základní (metr, kilogram, sekunda, ampér, kelvin, mol, kandela)
• Odvozené
• Jsou určené definičním vztahem příslušné veličiny
• Doplňkové jednotky (radián, steradián)
• Vedlejší jednotky
• Časové (den, hodina, minuta)
• Objemové (litr)
• Hmotnostní (tuna)
• Astronomická jednotka, parsek eV, °C …
14.05.2024 Biofyzika 9
Fyzikální veličiny a jednotky
• Mezinárodní soustava jednotek SI
• Systéme International Units
• r. 1875, 17 zemí, metrická konvence
• Legislativní orgán Conférence générale des Poids et Mesures (CGPM)
• Generální konference pro váhy a míry
• General Conference on Weights & Measures
• Zasedá každé čtyři roky
• Mezinárodní komise pro váhy a míry
• International Committee for Weights & Measures (CIPM)
• Zasedá jednou ročně
• SI – Georgiho systém (c.g.s. system) cm, g, s
• Roku 1960 prohlášen za mezinárodní systém
• Roku 1971 doplněn o mol
14.05.2024 Biofyzika 10
Použití soustavy v lékařství
30. valné shromáždění WHO květen 1977
U nás přijata r. 1974 zák. 7/1974;
norma ČSN 01 1300
1.1.1980 vstoupila v platnost
Fyzikální veličiny a jednotky
• Jednotky používané z historických důvodů
• mmHg (1 mmHg = 133,322 Pa = 1 Torr)
• 1 cal = 4,1868 J
• Násobné a dílčí jednotky vytvořené z hlavních pomocí předpon
• mili (0,001 / 10−3), mikro (10−6), nano (10−9), piko (10−12), femto (10−15), atto (10−18)
• kilo (1000 / 103), mega (106), giga (109), tera (1012), peta (1015), exa (1018)
• deci (0,1 / 10−1), centi (10−2), deka (101), hekto (102)
14.05.2024 11
Základní veličina Základní jednotka – značka Základní jednotka – název
Délka m metr
Hmotnost kg kilogram
Čas s sekunda
Elektrický proud A ampér
Termodynamická teplota K kelvin
Svítivost cd kandela
Látkové množství mol mol
Fyzikální veličiny a jednotky – odvozené SI
• Rozměr
• Vyjádření nějaké fyzikální
veličiny pomocí základních
veličin
• např. newton [N] m.kg.s−2
• Veličiny
• Skalární
• Čísla
• Velikost a jednotka
• Vektorové
• Šipky
• Velikost, směr, jednotka
• Ԧ𝐹
Odvozená veličina Odvozená jednotka – značka Odvozená jednotka – název Rozměr odvození jednotky
Rovinný úhel rad Radián 1
Prostorový úhel sr Steradián 1
Kmitočet Hz Hertz s−1
Síla N Newton m.kg. s−2
Tlak, (mechanické)
napětí
Pa Pascal m−1.kg.s−1
Energie, práce, teplo J Joule m2.kg.s−2
Výkon W Watt m2.kg.s−3
Elektrický náboj C Coulomb s.A
El. potenciál, el. napětí V Volt m2.kg.s−3.A−1
Kapacita F Farad m−2.kg−1.s4.A2
Elektrický odpor Ω Ohm m2.kg.s−3.A−2
Elektrická vodivost S Siemens m−2.kg−1.s3.A2
Magnetický tok Wb Weber m2.kg.s−2.A−1
Magnetická indukce T Tesla kg.s−2.A−1
Indukčnost H Henry m2.kg.s−2.A−2
Celsiova teplota °C Celsiův stupeň K
Světelný tok Lm Lumen cd.sr
Osvětlenost lx lux cd.m−2
Různé doplňkové jednotky
Decibel (dB) – logaritmická jednotka
• Zejména k vyjádření akustické intenzity
• Rozdíl 20 dB znamená rozdíl 10× větší amplitudy signálu a 100×
většího výkonu
• Ve významu absolutní hodnoty zvuku 0 dB = 10−12 W.m−2 (prahová
intenzita slyšitelnosti čistého tónu o f = 1000 Hz)
Dobsonova jednotka (DU – Dobson Unit)
• Jednotka mohutnosti ozonové vrstvy
• 1 DU = 0,01 mm vrstvy čistého ozonu za standardních podmínek
• Výchozí hodnota 300 DU vychází ze stavu ozonové vrstvy nad
Labradorem
• G. M. B. Dobson, studium ozonové vrstvy v letech 1920–1960
Biofyzika14.05.2024 7
Ionizace
• Vznik iontu
• Obvykle odtržením elektronu od neutrální částice
Druhy záření
• Rádiové vlny (I/N)
• Mikrovlny (I/N)
• Tepelné (I/N)
• Světlo IF, viditelné, UV (I/N)
• RTG záření (I/N)
• Gama záření (I/N)
14.05.2024 Biofyzika 9
Otázky
• Kolik je základních jednotek SI?
• Mezi základní jednotky SI nepatří:
a) A b) V c) cd d) mo
• Vyberte všechny správné odpovědi
Jednotka mmHg používaná ve zdravotnictví:
a) udává tlak b) udává délku c) odpovídá 133 Pa d) odpovídá 1 Torr
• Která elektromagnetická záření patří mezi ionizující?
• Vysvětlete pojem ionizace?
14.05.2024 Biofyzika 16
Atom
• Atom – 5. století př. n. l.
• První výzkumy složení látek až v 18. století
• Základy atomové fyziky až na konci 19. století
• Nejmenší částice, na které lze hmotu chemickou cestou rozložit
• Základní pojmy
• Látky jsou složené z atomů, různá skupenství–jiná uspořádání
• Atomový obal + jádro
• Obal – určitý počet elektronů (záporný náboj)
• Jádro – protony (kladný náboj) + neutrony (elektricky neutrální)
• Protony + neutrony = nukleony
• Náboje elektronu a protonu se liší jen znaménkem −/+ VELIKOST je stejná e =1,6.10−19 C
14.05.2024 Biofyzika 17
Termodynamika a molekulová fyzika
Molekulová biofyzika
• Zkoumá složení a vlastnosti látek z hlediska fyzikálního pohybu molekul
• Aplikuje principy molekulová fyziky na živý organizmus a děje v nich probíhající
• Elementární částice hmoty
• Protony, neutrony, elektrony → stavební kameny všech atomů
• Atom
• Nejmenší částice chemického prvku, která má všechny jeho vlastnosti
• 10−10 m
• Jádro, elektronový obal
• Elektronový obal – spektrální a chemické vlastnosti, záporný náboj
• Jádro – (1,6.10−15–15.10−15 ), fyzikální vlastnosti, protony + neutrony, kladný náboj
• Protonové číslo Z – počet protonů v jádře
• Neutronové číslo N – počet neutronů v jádře A = N + Z
• Nukleonové číslo A
14.05.2024 Biofyzika 18
Termodynamika a molekulová fyzika
Izotopy
• Označení pro nuklid v rámci souboru nuklidů jednoho chemického
prvku
Ionizace a ionty
• Působí-li na atom dostatečně velká energie (např. zahřívání, ozáření,
silné elektrické pole), může se z jeho obalu odtrhnout jeden nebo
více elektronů
14.05.2024 Biofyzika 19
Termodynamika a molekulová fyzika
Molekula
• Soubor atomů vázaných pevnými vazbami
• Nejmenší stabilní částice dané látky
Látkové množství
• Počet základních částic (atomů, molekul, iontů) v nějakém souboru
• Jednotka SI 1 mol
• Avogadrova konstanta NA = 6,023.1023 mol−1
• Avogadrův zákon = stejné objemy ideálních plynů obsahují vždy stejný počet
molekul
Interakce v přírodě
Silná — Slabá (intermolekulární, tj. mezimolekulární; van der Waalsovy síly, Londonova
disperzní síla) — Elektromagnetická — Gravitační (Newtonův gravitační zákon)
14.05.2024 Biofyzika 20
Termodynamika a molekulová fyzika
Vazebné interakce
• Atom má tendenci dosáhnout elektronové konfigurace nejbližšího tzv. vzácného
plynu. Tedy zaplnit všechny valenční orbitaly (stabilní elektronová konfigurace)
• Prvky vzácných plynů mají valenční orbitaly kompletně zaplněné elektrony a
jsou chemicky inertní, tj. už nevytvářejí další vazby
• Vazba nastane jen tehdy, vznikne-li přeskupením valenčních elektronů větší
stabilita než elektronovým přeskupením v atomech
Chemická vazba je interakce dvou nebo více atomů
• Iontové (aniont k sobě elektrony připoutal kationt, který elektrony ztratil)
• Kovalentní (atomy zaplňují valenční vrstvu elektronového obalu)
• kovové
• vodíkovým můstkem
14.05.2024 Biofyzika 21
Termodynamika a molekulová fyzika
Nevazebné interakce
• Dipólové interakce (interakce dipól – dipól)
• Indukční interakce (interakce dipól – indukovaný dipól)
• Disperzní interakce (interakce indukovaný dipól – indukovaný dipól)
Účinky nevazebných interakcí:
• Statické (uplatňují se např. v prostorových vztazích částí řetězce molekul
bílkovin)
• Dynamické (rozpoznávání správných partnerů při biochemických reakcích)
Formy hmoty
• Látka – pevné, kapalné, plynné, plazmatické skupenství
• Krystalické látky
• Tekutiny
• Pole (záření) – gravitační pole Země, teplo, světlo, zvuk, elmag., aj.14.05.2024 Biofyzika 22
Termodynamika a molekulová fyzika
Molekulové vlastnosti kapalin
• Ideální kapalina
• Dokonale nestlačitelná
• Bez vnitřního tření
• Pascalův zákon
• Hydrostatický tlak kapaliny o hustotě ρ je v hloubce h pod hladinou
Na čem závisí hydrostatický tlak kapaliny v určité hloubce pod hladinou?
Povrchové jevy
• Na povrchu kapaliny je povrchová vrstva o tloušťce řádově 10−8 m
• Má snahu stahovat povrch kapaliny, aby měl co nejmenší obsah
• Povrchové napětí σ a vzniká v důsledku existence tzv. kohezních sil
• kohezní / adhezní síly
14.05.2024 Biofyzika 23
Termodynamika a molekulová fyzika
Rovnice kontinuity
Bernoulliho rovnice
Co se stane s rychlostí proudící kapaliny v trubici, dojde-li ke zúžení trubice?
14.05.2024 Biofyzika 24
Termodynamika a molekulová fyzika
Transportní jevy
• Viskozita
• Difuze
• Dialýza
• Osmóza
Viskozita
• Charakterizuje vnitřní tření kapaliny
• Závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi
• Kapaliny s větší přitažlivou silou mezi částicemi mají větší viskozitu
• Větší viskozita zpomaluje pohyb kapaliny nebo těles v kapalině
• Převrácená hodnota viskozity se nazývá tekutost
Má větší viskozitu voda nebo krev?
14.05.2024 Biofyzika 25
Termodynamika a molekulová fyzika
Molekulové vlastnosti pevných látek
• Přitažlivé síly mezi částicemi jsou tak silné, že omezují jejich vzájemný pohyb
• Částice konají pouze kmitavý pohyb kolem rovnovážných poloh
• Zachovávají svůj objem i tvar a jsou prakticky nestlačitelné
Z hlediska vazby atomů, molekul či iontů rozdělujeme:
• Krystalické látky
• Iontové mřížky
• Atomové (chemické vazby)
• Molekulové
• Monokrystalické látky
• Polykrystalické látky
• Amorfní látky
Směrová závislost určitých fyzikálních vlastností
• Izotropní – určitá vlastnost je pro všechny směry stejná
• Anizotropní – určité fyzikální vlastnosti závisí na směru
14.05.2024 Biofyzika 26
Termodynamika a molekulová fyzika
Skupenské stavy hmoty
• Kapaliny, plyny, pevné látky, plasmy + mezistavy
• Vlastnosti látek vyplývají ze síly, kterou jsou k sobě vázaný složky látky
• Pevné skupenství – zachovává objem i tvar
• Kapalné skupenství – zachovává objem
• Plynné skupenství – přijímá „tvar“ podle nádoby
• Plasma – přibližuje se plynu
• Plyny
• Dokonale stlačitelné
• Jejich smísením vznikne jediná fáze
• Každý z plynů zaujme celý prostor (objem)
• Každý plyn se projevuje určitým parciálním tlakem
• Rychlost pohybu molekul vysoká
• Difuzní výměna plynů velmi rychlá (dýchání)
14.05.2024 Biofyzika 27
Termodynamika a molekulová fyzika
Skupenské stavy hmoty
Kapaliny
• Nelze zanedbat soudržnost molekul
• Význam tvaru a polarity molekul
• Spojují možnost difuze a možnost zachování struktury – procesy v b. membránách
Pevné látky
• Složky hmoty pevně spojeny v krystalické mřížce
• Látky bez mřížky přechlazení kapaliny s extrémně vysokou viskozitou
Plasma Změny skupenství
• Molekulární a el. nabité částice Způsoby dodávání a odebírání energie
• Vzniká z plynného skupenství pevné – nejpomalejší reakce
• Ionizující molekuly plynu plasma – nejrychlejší reakce
• Příčina – vysoká teplota, př. Slunce14.05.2024 Biofyzika 28
Termodynamika
Termika
Termodynamika
• Obor fyziky zabývající se teplem a tepelnými jevy
• 18. a 19. století první úvahy o teple, průmyslová revoluce
Teplota
• Míra tepelného stavu dané látky
• Část vnitřní energie, která přejde z tělesa o vyšší teplotě na těleso o teplotě nižší,
aniž by se konala práce, tedy měnil objem
Anders Celsius – objektivní měření teploty
0 °C = 273,15 K
Jednotka teploty T – 1 K (kelvin).
Kelvin a °C jsou stejně velké a rozdíl v obou stupnicích je v jejich počátku
14.05.2024 Biofyzika 29
Termodynamika
Stavové veličiny
• Termodynamické jevy se popisují stavovými veličinami:
• Tlak
• Objem
• Teplota
• Látkové množství
Termodynamický děj
Ideální plyn – objem ideálního plynu
Stavová rovnice
Biofyzika 30
Termodynamika
Soustava – soubor těles, mezi nimiž je umožněna výměna tepla či jiných
druhů energie
Podle interakce s okolím
• Otevřená – s okolím výměna energie i hmoty
• Uzavřená – s okolím výměna energie
• Izolovaná – s okolím si nevyměňuje ani energii ani hmotu
• Adiabaticky uzavřená – je dokonale tepelně izolovaná od okolí
Podle skupenství (obsahu fází)
• Homogenní – soustava obsahuje pouze jednu fázi
• Heterogenní – v soustavě se nachází více fází
Vztahy veličin: p, T, V, Q, U, W
Vnitřní energie = součet energií všech částic v tělese
14.05.2024 Biofyzika 31
Hlavní termodynamické zákony
1. Termodynamický zákon – zákon zachování energie
ΔU = Q + W
2. Termodynamický zákon
Určuje směr předávání energie
1. Termodynamický zákon
Nedostupnost absolutní nuly
Žádným konečným počtem konečných termodynamických procesů není možné
dosáhnout nulu absolutní teplotní škály
Entropie – stavová veličina, její změna je nezávislá na způsobu
přechodu mezi jednotlivými stavy, závisí pouze na počátečním a
konečném stavu
14.05.2024 Biofyzika 32
Termodynamika
Izotermický děj
• Teplota plynu se nemění, dT = 0 nebo T = konst.
• Nenarůstá tedy tepelný pohyb částic látky, a tím se nemění ani vnitřní energie
• U = 0
• Všechno teplo dodané soustavě spotřebuje na konání práce.
Izochorický děj
• Objem plynu se nemění, dV = 0 nebo V = konst.
• Nekoná se žádná práce
• ΔW = 0
• Všechno teplo dodané soustavě se spotřebuje na zvýšení její vnitřní energie
Izobarický děj
• Tlak plynu se nemění, dp = 0 nebo p = konst.
• Mění se teplota T a objem V
Adiabatický děj
• Plyn nepřijímá ani neodevzdává teplo
• ΔW = 0
14.05.2024 Biofyzika 33
Termodynamika
Fázová rozhraní
• kapalina – plyn
• plyn – pevná látka
• kapalina – kapalina
Skupenství je dané vzájemnými vztahy mezi molekulami
Skupenské fázové přechody
• tání (přeměna pevné fáze v kapalnou)
• tuhnutí (přeměna kapalné fáze v pevnou)
• vypařování (přeměna kapalné fáze v plynnou)
• kondenzace (přeměna plynné fáze v kapalnou)
• sublimace (přeměna pevné fáze v plynnou)
• desublimace (přeměna plynné fáze v pevnou)
14.05.2024 Biofyzika 34
Termodynamika
Disperzní systémy
• dispersum (rozptýlená složka)
• dispergens (disperzní prostředí)
Disperzní směsi
• heterogenní (složky mají dvě různé fáze-skupenství)
• homogenní (obě složky jsou v jedné fázi)
U roztoků:
• rozpuštěná látka (solutum)
• rozpouštědlo (solvens)
Podle fází ve směsi
• aerosoly (pevné nebo kapalné látky v plynech)
• emulze (dvě nebo více nerozpustných kapalin)
• pěny (plyny v kapalinách)
• suspenze (pevné látky v kapalinách)
14.05.2024 Biofyzika 35
Klasifikace disperzních systémů
14.05.2024 Biofyzika 36
Termodynamické vlastnosti roztoků
Difuze
• Tepelný pohyb částic (disperzního podílu) jedné látky do druhé
• Koncentrační gradient
• Pohyb látek uvnitř a vně buňky
• Ovlivněn T látky
• Zvýšení entropie → stav s nejnižší vnitřní energií
• Matematický popis – Fickovy zákony
1. Fickův zákon
• Hustota difuzního roztoku j je úměrná záporně vzatému gradientu koncentrace
j = −D.grad c
2. Fickův zákon
• Platí pro neustálený stav
• Časová změna koncentrace látky v daném místě je úměrná prostorové změně
gradientu koncentrace
14.05.2024 Biofyzika 37
Termodynamické vlastnosti roztoků
Osmóza
• Zřeďování roztoku samovolným přestupem molekul semipermeabilní
membránou
• Osmotický tlak
• Význam zejména pro vodní regulaci
• Hypotonický roztok – ↓ osmotický tlak než KP
• Hypertonický roztok – ↑ osmotický tlak než KP
• Izotonický roztok – = osmotické tlaky
• Co je to osmotický tlak?
• Jak můžeme popsat difúzi a osmózu?
14.05.2024 Biofyzika 38
Biofyzika buňky
Struktura buněčné membrány
Fyzikální vlastnosti membrány
Transportní mechanismy
Cytoskelet – komponenty, dynamika
Buněčné organely
Biochemické procesy v buňce – metabolismus, signalizace, enzymy
Pokročilé metody v biofyzice buňky – fluorescenční mikroskopie, elektronová
mikroskopie, spektroskopie, elektroforéza, chromatografie
Biofyzika buňky
Buňka je základní morfologickou a funkční jednotkou většiny živých organizmů
Buňka má všechny projevy živé hmoty
• Chemické složení: bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy.
• Chemické procesy: základní metabolismus má stejný průběh (skládání a rozkládání
látek).
• Dynamika, neustálé proměny a výměna látek, energie a informací s prostředím.
• Reakce na podněty z vnějšího prostředí a přizpůsobení se.
• Rozmnožování (reprodukce), vede k zachování rodu a druhu na základě dědičnosti.
• Dědičnost.
• Růst (neplatí obecně).
• Evoluce (vývoj), živé soustavy se neustále dlouhodobě přizpůsobují měnícím se
podmínkám.
• Buňka je základní stavební a funkční jednotkou (výjimku tvoří nebuněčné organismy).
Největší buňka? Nejmenší buňka? Tvar buněk?
Kolik buněk obsahuje lidský organismus?
14.05.2024 Biofyzika 40
Biofyzika buňky – struktura b. membrány
Lipidová dvouvrstva
• lipidová dvouvrstva, amfifilní molekuly fosfolipidů
• semipermeabilní
• umožňuje selektivní transport látek
• udržování homeostázy
• brání samovolné difuzi molekul
• impermeabilní pro většinu molekul rozpustných ve vodě
Membránové proteiny
• tvoří zhruba 50 % hmotnosti většiny plasmatických membrán živočichů – oproti lipidové
dvojvrstvě mnohem větší, jejich počet je asi 50× menší
• zahrnují integrální a periferní proteiny, transport, signální přenos a enzymatická aktivita
Lipidové rafty – kombinace glykosfingolipidů a proteinových receptorů →
organizace plasmatické membrány do malých kompartmentů (mikrodomény)
• Cholesterol a glykolipidy – stabilizace membrány, buněčná komunikace a rozpoznávání
16.05.2024 Biofyzika 41
Biofyzika buňky – fyzikální vlastnosti b. membrány
Fluidita
Závisí na složení lipidů a teplotě
Vyšší obsah nenasycených mastných kyselin zvyšuje fluiditu
Membránový potenciál
Elektrický potenciál napříč membránou, důležitý pro funkci
nervových a svalových buněk
Permeabilita
Selektivní propustnost membrány pro různé molekuly a ionty
16.05.2024 Biofyzika 42
Biofyzika buňky – biochemické procesy v buňce
Metabolismus
Katabolismus: Rozklad molekul za účelem uvolnění energie
Anabolismus: Syntéza složitějších molekul z jednodušších
Signalizace
Receptory a ligandy: Přenos signálů přes membránu
Sekundární poslové: cAMP, IP3, Ca2+ a jejich role v signální
transdukci
Enzymy
Kinetika enzymů: Michaelis-Mentenova rovnice a faktory ovlivňující
enzymovou aktivitu
Inhibice enzymů: Kompetitivní a nekompetitivní inhibice
16.05.2024 Biofyzika 43
Biofyzika buňky – signalizace mezi buňkami
Mezibuněčná komunikace
• koordinace růstu, diferenciace, metabolismu buněk tkání a jiných
mnohobuněčných struktur
• komunikace přímým kontaktem buňka-buňka – spoje v
plasmatické
membráně – výměna malých molekul (např. koordinace
metabolických odpovědí); určení tvaru buněk
• interakce buňka-buňka = počátek vývoje a diferenciace tkání,
vazba specifického proteinu jedné buňky na receptor buňky druhé
• extracelulární signální molekuly – syntetizovány
„signalizujícími“ buňkami, vyvolají odpověď jen v „cílových“
buňkách (s receptory)
• signální transdukce – „přeměna“ extracelulárního signálu na
buněčnou odpověď
16.05.2024 Biofyzika 44
Biofyzika buňky – komunikace extracelulárními signály
1. Syntéza signální molekuly „signalizující“ buňkou
2. Uvolnění signální molekuly „signalizující“ buňkou
3. Transport „signálu“ k cílové buňce
4. Detekce „signálu“ specifickým receptorovým proteinem
5. Změna buněčného metabolismu, funkce nebo vývoje
vyvolaná komplexem signál-receptor
6. Odstranění signálu, obvykle „ukončí“ buněčnou odpověď
16.05.2024 Biofyzika 45
Biofyzika buňky
BUŇKA JE NEJMENŠÍ USPOŘÁDANÁ OTEVŘENÁ DYNAMICKÁ SOUSTAVA
SCHOPNÁ SAMOSTATNÉHO ŽIVOTA
MYŠLENKU ZÁKLADNÍ A FUNKČNÍ JEDNOTKY ORGANIZMU VYSLOVIL
JAKO PRVNÍ J. E. PURKYNĚ V ROCE 1837
Buňka je základní stavební a funkční jednotka všech organismů
tzv. buněčný princip organizace živých systémů – všechna těla jsou vždy
sestavena z buněk a všechny děje organismu se odehrávají díky buňkám
Buňka je membránou ohraničená jednotka naplněná koncentrovaným
vodným roztokem chemických sloučenin schopná vytvářet kopie sama
sebe
Prokaryotické buňky x eukaryotické buňky
14.05.2024 Biofyzika 46
Biofyzika buňky
Pravá buňka
Buněčná hmota
• Protoplazma
Jaderná hmota
• Karyoplazma
• Buněčné jádro
Buněčná hmota
• Cytoplazma
• Buněčné organely
14.05.2024 Biofyzika 47
Biofyzika buňky
• Plazmatická membrána
• Obklopuje buňku, lipidy + proteiny + molekuly sacharidů (glykoproteiny,
glykolipidy)
• Polopropustná, iontové kanály, transportní proteiny
• Podobnou membránou je obklopeno i b. jádro a b. organely
• Průměrná tloušťka buněčných membrán je ~7 nm
• Lipidy – fosfolipidy (fosfatidylcholin a fosfatidylethanolamin)
• Množství proteinů v membráně je závislé na její funkci
• Průměrně membrána obsahuje 50 % proteinů
• Membrány eukaryotických b. obsahují glykosfingolipidy, sfingomyelin a
cholesterol
14.05.2024 Biofyzika 48
Biofyzika buňky – bazální membrána
Bazální vrstva (basal lamina)
Souhrnné označení pro lamina basalis a lamina fibroreticularis
Složena z mnoha typů proteinů, udržují buňky pohromadě, regulují jejich
vývoj, určují jejich růst
CAVE! Bazální lamina x bazální membrána
Bazální membrána = lamina basalis + lamina fibroreticularis)
Bazální lamina (lamina basalis) – selektivní bariéra, odděluje
epitelovou tkáň od pojivové, tloušťka 30–100 nm
14.05.2024 Biofyzika 49
Biofyzika buňky – mitochondrie
• Produkce energie ATP (oxidativní fosforylace)
• Dvojitá membrána + vnitřní hmota (vlastní DNA a ribozomy)
• Ve všech buňkách mnohobuněčných organismů (vyjma erytrocytů)
• Vysokoenergetické molekuly ATP (adenosintrifosfát) → „palivo“ buněk
• Bakteriální původ, vlastní „bakteriální“ DNA dědí se výhradně po matce
14.05.2024 Biofyzika 50
Biofyzika buňky – lyzosomy
Nacházejí se v cytoplazmě buněk
Každý lyzosom obsahuje různé enzymy →
• Odbourává odpadní látky
• Fagocytární vakuola
• Autofágní vakuoly
• Autolytický rozklad při apoptóze (např. krystalky kyseliny močové pohlcují fagocyty při
dně, jejich pohlcení spustí uvolnění lyzosomálních enzymů → kloubní zánětlivá reakce)
Katabolické, transportní (mukolipin…), sekretorní funkce
Primární lyzosomy s enzymy – vznikají v G. aparátu
Sekundární lyzosomy – spojením primárního lyzosomu a fagozomu
(autolyzosomy – likvidují části organel v b.; heterolyzosomy – likvidují
fagocytární části)
Terciální lyzosomy – obsahují nestravitelné zbytky
Poruchy lyzosomálního systému: např. Fabryho choroba a MPS II – Hunter
14.05.2024 Biofyzika 51
Biofyzika buňky – lyzosomy
Biofyzika 52
Shrnutí
• Zajišťují likvidaci buněčných součástí
• Rozkládají buněčné organely
• Rozkládají cizorodé organické látky
• Hydrolytické enzymy štěpí organické látky
Biofyzika buňky – peroxisomy
0,5 μm membránou obalené organely tvořené v endoplazmatickém
retikulu
Membrána => oboustranný transport látek do matrix peroxisomů
• Ochrana proti kyslíkovým radikálům
• Tvorba žlučové kyseliny
• Metabolismus tuků (katabolismus mastných kyselin s velmi dlouhým řetězcem)
Mohou se množit dělením (rozdíl lyzosomy)
Porucha peroxisomového membránového transportéru → adenodystrofie
vázaná na chromozom X , Zellwegerův syndrom
14.05.2024 Biofyzika 53
Biofyzika buňky – peroxisomy
Shrnutí
• Eukaryotické buněčné organely oválného tvaru
obalené jednoduchou membránou
• Neobsahuji DNA, ribosomy
• Proteiny jsou kódovány v jádře
• Betaoxidace mastných kyselin, detoxifikace
reaktivních forem 02, metabolismus purinů,
syntéza éterových lipidů
14.05.2024 Biofyzika 54
Biofyzika buňky – cytoskelet b.
• Dynamika cytoskeletu – polymerizace a depolymerizace, motorové
proteiny
• Systém vláken, který udržuje strukturu buňky
• Umožňuje jí měnit tvar, pohybovat se
• Mikrotubuly (buněčné dělení, transport vesikul), intermediární filamenta
(mechanická stabilita buňky), mikrofilamenta (buněčný pohyb a tvar),
proteiny (→ opora buňky, b. dělení, b. transport)
16.05.2024 Biofyzika 55
Biofyzika buňky – centrozomy
Jsou umístěné poblíž jádra eukaryotických živočišných b.
2 centrioly (párové organely poblíž jádra, svírají
Bez centrozomu není možné jaderné dělení
Význam v proliferaci b.
14.05.2024 Biofyzika 56
Biofyzika buňky – cilie
• Pohyblivé výběžky na povrchu některých epitelových b.
• Podobají se řasám
• Pohyb umožněn dyneinem, molekulární motory
• Podobnost s centriolami (ve stěně mají 9 tubulárních struktur)
• Bazální granulum
• DC, vejcovody
• Komunikační prostředek b.
14.05.2024 Biofyzika 57
Biofyzika buňky – ER
Komplexní soubor tubulů a dutých lamel prostupujících
hustě b. cytoplasmou eukaryotických buněk
Stěny tubulů tvoří membrána
Drsné (granulární) ER – ribozomy (také volné)
• Syntéza proteinů
Hladké (agranulární) ER
• Syntéza steroidních hormonů, detoxikační procesy,
sarkoplazmatické retikulum (kosterní b., srdeční sval)
14.05.2024 Biofyzika 58
14.05.2024 Název prezentace 59
Biofyzika buňky – ribozomy
• Hlavní funkcí je produkce bílkovin
• Jsou tvořeny proteiny a ribozomální RNA
• V cytoplazmě jsou buď vázané na
membránu drsného ER, nebo volně
rozptýleny
• Vázané syntetizují veškeré
transmembránové proteiny
• Volné syntetizují cytoplazmatické proteiny
14.05.2024 Biofyzika 60
Biofyzika buňky – Golgi
• Soubor uzavřených cisteren (váčků)
• U všech eukaryot jeden nebo více GA
• Obvykle uloženy poblíž jádra
• Endomembránový systém b. (G. aparát
+ b. jádro + ER + b. membrána)
• Hlavní funkce je transport látek
• Polarizovaná struktura s cis/trans částí
14.05.2024 Biofyzika 61
Biofyzika buňky – jádro
Jádro (latinsky nukleus, řecky karyon)
• Základní stavební složka buňky
• Řídí a kontroluje činnost celé buňky
• DNA uložené v chromozomech
• Řízení a rozmnožování b.
• Předávání genetické informace
• Chybí jen v erytrocytech
• Tvar kulovitý, ovoidní, vřetenovitý, tyčinkovitý …
Jádro se skládá z:
• Jadérko retikulárního typu
• Heterochromatin
• Euchromatin
14.05.2024 Biofyzika 62
Biofyzika buňky – jádro
Jaderná membrána
• Obaluje jádro
• Dvojitá (vnější a vnitřní list), mezi listy je perinukleární prostor
• Povrch porézní – tok látek mezi jádrem a cytoplazmou
Chromatin Chromozómy
• Hmota vyplňující vnitřek jádra Chromozomální sada
• Složena z DNA a bílkoviny Haploidní Diploidní
Jadérko (nucleolus) 23 párů chromozomů (22 + 1)
• Na svém povrchu nemá membránu Počet v jádře celkem 46
• Zhuštěna hmota jádra
• Zóna perinukleárního chromatinu Chromozómy jsou patrné pouze ve fázi mitózy
• Pars granulosa, pars fibrosa
• Obsahuje velké množství RNA
14.05.2024 Biofyzika 63
Biofyzika buňky – jádro
Buněčné jádro je největší buněčná organela umístěná ve středu buňky
• Je obaleno jadernou membránou s póry pro transport látek, uvnitř jádra je tekutá
hmota (karyoplazma, nukleoplazma).
• Karyoplazma je hmota podobná cytoplazmě, ale vyskytuje se pouze v buněčném
jádře.
• Je to vysoce viskózní kapalina obsahující chromozomy a jadérko.
• Obsahuje nukleotidy nutné pro stavbu DNA a enzymy řídící biochemické pochody v
jádře.
V jadérku přímo vzniká velké množství rRNA a následně ribozomy, ty jsou po spojení
s rRNA jadernými póry transportovány do cytoplazmy.
• Jadérko není stálou buněčnou strukturou, při mitotickém dělení jádra mizí a objevuje
se znovu na konci jaderného dělení.
Základní funkcí jádra je řízení přepisu dědičných informací v buňce a jejich
přenos na ribozomy, podílí se na přesném rozdělení genetického materiálu do
nových buněk při buněčném dělení (mitóze).
14.05.2024 Biofyzika 64
Biofyzika buňky – shrnutí fcí hlavních organel
Jádro – obsahuje buněčný genom (veškerou buněčnou informaci), syntéza DNA a RNA. I v
mnohobuněčném organismu má každá buňka stejnou genetickou informaci (krom červených krvinek).
Rozdíly jsou dány jen rozdílnou expresí genů. V jádře probíhá syntéza DNA, musí DNA replikovat a buňka
potřebuje vyjádřit nějakou informaci z DNA, tak zde musí docházet k transkripci (tedy přepis z DNA do
RNA).
Cytosol – syntéza proteinů (některých), glykolýza, metabolické dráhy pro syntézu aminokyselin (=
základní stavební kameny proteinů), nukleotidů (základní stavební kameny nukleových kyselin).
Endoplasmatické retikulum – syntéza membránových (např. přenašečové proteiny, kanály,
transportéry atd.) a sekrečních proteinů a většiny lipidů. Zbytek proteinů je syntetizován v cytosolu.
Golgiho aparát – kovalentní modifikace proteinů z ER, třídění proteinů a lipidů pro sekreci a transport
do jiných částí buňky.
Mitochondrie – syntéza ATP oxidační fosforylací.
Chloroplasty – syntéza ATP a fixace uhlíku fotosyntézou, specifické pro rostlinné buňky.
Lyzosomy – membránové struktury, kde dochází k odbourávání látek uvnitř buňky (enzymaticky).
Endosomy – membránové struktury, které slouží k třídění materiálu z endocytózy a GA.
Peroxisomy – staré organely, oxidace toxických molekul, beta oxidace (odbourávání) mastných kyselin.
14.05.2024 Biofyzika 65
Biofyzika buňky – transport via b. membránu
Pasivní transport
• Difuze
• Prostá – průchod látek po koncentračním spádu, bez spotřeby energie, molekuly malých rozměrů
• Facilitovaná – ve směru koncentračního spádu, bez spotřeby energie, aminokyseliny, větší ionty
• Osmóza
• Prostup iontovými kanály
Aktivní transport – řízený přenos látek, ATP
• Iontové pumpy
Endocytóza
• Fagocytóza – pohlcování větších částic, panožky, částice se obklopí do měchýřku
• Pinocytóza – tekutiny, vchlípení části plazmatické membrány, vytvoření váčku s transportovanou tekutinou
Exocytóza
14.05.2024 Biofyzika 66
Biofyzika buňky – transport via b. membránu
• Spřažený transport (sekundární aktivní transport)
• Aktivní transport
• Endocytóza a exocytóza
• Prostá difúze
• Podle energetických nároků na přechod látek přes buněčnou membránu dělíme
transport na pasivní (není závislý na přísun energie) a aktivní (vyžaduje energii)
• Z hlediska zapojení membrány resp. membránových proteinů
• Přímý transport přes membránu
• Transport za účasti membránových proteinů (kanály, přenašeče)
• Transport prostřednictvím membránových váčků (exocytóza a endocytóza)
14.05.2024 Biofyzika 67
14.05.2024 Biofyzika 68
Membránový potenciál
• Je dán nerovnoměrným rozdělením iontů po obou stranách buněčné
membrány – důsledek koncentračního gradientu iontů Na (uvnitř 30× více než
vně buněk).
• Je dán nerovnoměrným rozdělením fyziologických iontů (K+, Na+, Cl−, Ca +) po
stranách buněčné membrány.
• Rozdíl elektrických potenciálů vzniká aktivním transportem (klidový
membránový potenciál) a pasivním transportem (akční potenciál) iontů přes
buněčnou membránu.
• Buněčná membrána je pro ionty Na+ propustná, ty začínají pronikat vně.
• Elektrický náboj který nesou ale vytvoří na vnějším povrchu membrány kladné
napětí, které další pronikání zastaví.
14.05.2024 Biofyzika 69
Akční potenciál
AP (činnostní) je rychlá změna napětí na membráně některých buněk.
Intracelulární prostor se z hodnoty −90 mV dostává za krátkou dobu
jednotek milisekund na hodnotu +20 až +30 mV.
• Možnost se u vzrušivých membrán šířit i do okolí.
• Může být vyvolán chemickými ději, vnějšími jevy, příchodem vzruchu nebo
změnou napětí na membráně.
• Časové a napěťové poměry na membráně závisejí na typu buňky.
Které ionty jsou dominantní při jevech na buněčné membráně?
14.05.2024 Biofyzika 70
Biofyzika buňky – AP v kardiomyocytech
Klidový potenciál – záporné napětí na membráně ~ – 90 mV
• POUZE v tomto období je možné vyvolat depolarizaci a AP
Akční potenciál
• V průběhu AP nelze vyvolat další depolarizaci, buňka je v refrakterní fázi, čímž
brání vzniku tetanického stahu
Fáze:
• Depolarizace
• Fáze plató – její hlavní funkcí je prodloužení refrakterity buňky (absolutní
refrakterita, nelze vyvolat další AP)
• Repolarizace – relativní refrakterita (další příchozí AP může vyvolat
následnou depolarizaci, která je však patologická)
14.05.2024 Biofyzika 71
Biofyzika buňky – AP v kardiomyocytech
• Depolarizace – vstup Na+ do buňky
(Na je depolarizačním iontem,
rychlý)
• Fáze plató – vstup Ca2+ do buňky a
výstup K+ z buňky (zároveň
pumpování Na+ a Ca2+ z buňky)
• Repolarizace – výstup K z buňky
(zároveň pumpování Na+ (Na/KATPáza)
a Ca2+ z buňky (Ca-ATPáza))
14.05.2024 Biofyzika 72
Biofyzika tkání a orgánů
Mechanické vlastnosti tkání a orgánů
Mechanické vlastnosti tkání a orgánů
Mechanické vlastnosti biomateriálů jsou dány stavbou a uspořádáním tkáně
Elastin, kolagen – základní stavební prvky
• Elastin – pružné deformace
• Kolagen – tuhost, pevnost v tahu
Biologické tkáně – viskoelasticita, nelinearita
• Viskoelasticita – poddajnost biologických struktur, široká variabilita
Základní mechanické vlastnosti
• Tuhost
• Pevnost
• Elasticita
• Plasticita
• Mez pružnosti
• Biologická pevnost
14.05.2024 Biofyzika 74
Biomechanika tkání a orgánů
Biomechanika
• Zabývá se mechanickou strukturou
• Mechanickým chováním
• Mechanickými vlastnostmi živých organismů
• Mechanickými interakcemi
Studium odezvy živé tkáně na vnější energetické působení
Mechanika pohybu těla – soustava jednotlivých segmentů
• Velikost
• Délka
• Hmotnost
• Hustota 𝜌 =
𝑚
𝑉
≈ 1100 𝑘𝑔 ∙ 𝑚−3
• Těžiště – působiště tíhové síly KDE?
14.05.2024 Biofyzika 75
Biomechanika tkání a orgánů
Biomechanika zkoumá mechanické parametry kostí, šlach a vazů,
chrupavek, kloubních spojení, svalů.
• Pohybový systém:
• Pasivní – neprodukuje energii, neslouží jako primární zdroj energie k vykonání
pohybu; kosterní soustava, šlachy, vazy, chrupavky, klouby.
• Aktivní
• Kosti
• Pevnost – základní mechanická vlastnost
• Působením síly se deformují
• Wolfův zákon o transformaci kostí
14.05.2024 Biofyzika 76
Biomechanika tkání a orgánů
Šlachy a vazy
• Přenos svalové síly na kost nebo chrupavku
• Uložení elastické energie
• Vazy stabilizují klouby
• Podílejí se na spojení kostí
• Pohyblivost kloubních spojení
• 70 % voda, pevná část – 75 % kolagen
• Elastinová vlákna – 150–200 % pružné deformace, menší pevnost
• Kolagenní vlákna větší pevnost, tuhost, protažení kolem 10 %
S rostoucím věkem dochází ke snížení meze pevnosti v tahu!
14.05.2024 Biofyzika 77
Biomechanika tkání a orgánů
Chrupavka
• Mechanické vlastnosti jsou dány uspořádáním vláken a tekutiny mezibuněčné hmoty
• Vlákna kolagenu a elastinu tvoří pórovitou substanci prostoupenou tekutinou – tvoří až 80 % hmotnosti
chrupavky
• Funkce: přenos tlakového zatížení v kloubním spojení; tlumení rázových zatížení, snižování koeficientu tření
Kloubní spojení
• Cirkumdukce
• Pohyb v kloubu je omezován kloubním pouzdrem
Svalový subsystém
• 40–45 % hmotnosti lidského těla
• Dráždivost, vodivost, stažlivost, přizpůsobení tvaru a možnosti regenerace
• Anatomická jednotka – příčně pruhované svalové vlákno
• Funkční jednotka – motoneuron
• Stah, kontrakce, fixace, kinetika
14.05.2024 Biofyzika 78
Biomechanika tkání a orgánů
Svalová síla
• Chlapci ve věku 15–18 let stisknou rukou silou 390–490 N
• Dívky 290–390 N
• Praváci mívají v průměru o 50 N větší sílu v pravé ruce
• U leváků nemusí být levá ruka silnější
• Sílu stisku ruky měříme dynamometrem
• Žvýkací svaly člověka vyvinou sílu až 4 000 N.
• Sval se při kontrakci zkracuje o 30–40 % své délky
Mechanické vlastnosti svalů
• Pevnost svalu v tahu v klidu je 0,26 až 0,9 MPa
• Pevnost maximálně kontrahovaného svalu je různá pro různé svaly 1,25 MPa
(menší než u šlach)
14.05.2024 Biofyzika 79
Biomechanika tkání a orgánů
Výkon při svalové kontrakci
• Okamžitý výkone je cca 50–150 W
• Bazální výkon celého organismu cca 100 W a s věkem mírně klesá
• Celkový výkon srdce na čerpání krve a na stálé napětí svalů je přibližně 13 W
• Jen cca 10 % výkonu srdce je určeno na čerpání krve
• Téměř 90 % je spotřebováno na napětí srdečního svalu
• Účinnost svalové práce je asi 20 %, 80 % energie se mění na teplo
Účinnost svalové kontrakce
• Účinnost je poměr spotřebované energie k energii dodané
• Maximální účinnost v lidském svalu při delší práci je asi 15–17 %
14.05.2024 Biofyzika 80
Biomechanika tkání a orgánů
Mechanická funkce srdečně-cévního systému
• Srdce – práce, zdroj mechanické energie
• Cévy – rozvodový systém, zákony proudění
• Krev – pohyblivá složka, mechanické vlastnosti tekutin
• Přenos živin, krevních plynů, odvádění metabolitů
• Velký (srdce – tělo) Malý (srdce – plíce)
• KO je jednosměrný
Krev proudí díky tlakovým rozdílům mezi tepennou a žilní částí
systému, způsobených činností srdce
14.05.2024 Biofyzika 81
Biomechanika tkání a orgánů
Srdce
• Srdce pracuje jako píst, který při každém pohybu vytlačí tlakem p objem krve ΔV
• p = 13,3 kPa, V = 70 ml, v = 0,5 m ∙ s−1
• Normální tlak v aortě je při stahu komorové svaloviny (systola) cca 16 kPa, při uvolnění (diastola)
cca 10,5 kPa
Srdeční práce
• Levá komora při systole vykoná práci W = 0,93 J
• Práce pravé komory činí 20 % práce komory levé
• Celková mechanická práce je pak rovna 1,12 J
• Kromě toho musí srdce konat práci potřebnou k udržení svalového tonu
• Celkový srdeční výkon je13 W (13 % celkového klidového výkonu organismu)
• Práce, kterou srdce vykoná za 60 let života, je větší než 2 GJ
14.05.2024 Biofyzika 82
Biomechanika tkání a orgánů
Cévy
• Tepny s převahou elastických vláken – pružníkové – vyrovnávají pulsační proud krve,
mají málo vláken hladkého svalstva, nemohou aktivně měnit světlost, velké a středně
velké tepny
• Tepny s převahou hladkého svalstva ve stěně (oblast arteriol) – muskulární – mohou
měnit průsvit cévy, mohou ovlivnit krevní průtok a periferní odpor
Mechanické vlastnosti cév
• Cévní odpor závisí především na geometrických poměrech cév
• Odpory jednotlivých úseků se řadí do série, tím získáme celkový periferní odpor
• Rozhodující význam má úsek arteriol (cca 40 %)
• Vazodilatace vede ke snížené periferního odporu, vazokonstrikce ho zvyšuje
Napětí stěny roztaženého dutého tělesa je přímo úměrné součinu tlaku uvnitř tělesa a
poloměru křivosti tělesa a nepřímo úměrné tloušťce stěny
14.05.2024 Biofyzika 83
Biomechanika tkání a orgánů
Proudění krve v cévách
• Laminární
• Turbulentní
• Reynoldsovo číslo Re – chování proudící kapaliny
• Za fyziologických podmínek je tok krve v cévách laminární – rovnoběžný s podélnou osou
cévy
• Rychlost proudění závisí na vzdálenosti od stěny cévy, čím blíže, tím je proudění pomalejší
• Turbulence se objevují zejména za zúžením cévy (ateroskleróza) nebo při stavech se
sníženou viskozitou krve (anémie)
Proudění krve v kapilárách
• Prostup živin a kyslíku z krve do intersticiální tekutiny
• Dialyzační membrána – filtrace, resorpce, ve směru koncentračního gradientu
14.05.2024 Biofyzika 84
Krev je nenewtonovská kapalina
– viskózně-elastická –
Složení lidského těla – vybrané tělesné parametry
Průměrný mladý muž
Bílkoviny a podobné organické sloučeniny 18 % celkové hmotnosti
Minerální látky 7 %
Tuky 15 %
Voda 60 %
ICT 40 %
ECT 20 %
Rychlost „sesychání“ mezi 20–60 rokem je u mužů vyšší 9 % (u žen 5 %)
Př.: Muž ve věku 20 let s hmotnosti 69 kg má v těle obsaženo asi 42 kg vody a jen 27 kg
ostatních látek (bílkoviny, tuky, minerály apod.). Ve věku 60 let při hmotnosti 83 kg má v těle
obsaženo jen asi o 1 kg více vody ve srovnání s věkem 20 let (43 kg), zatímco obsah ostatních
látek se zvýší téměř o 13 kg (na asi 40 kg).
Žena ve věku 20 let s hmotností 60 kg má v těle obsaženo asi 30,7 kg vody a 29,3 kg ostatních
látek. Ve věku 60 let při hmotnosti 66,5 kg má v těle obsaženo prakticky nezměněné množství
vody (30,6 kg), obsah ostatních látek se zvýší přibližně o 6,6 kg proti věku 20 let (na asi 36 kg).
14.05.2024 Biofyzika 85
Složení lidského těla – vybrané tělesné parametry
Měření výšky a stanovení hmotnosti
• Základní kritérium pro výpočet hmotnostního indexu
• Výška – výškoměr, měření v poloze vzpřímené, naboso, ráno
• Hmotnost – ve spodním prádle, bez obuvi, ráno, nalačno
Hmotnostní index
• Brocův index
• WHR index
• BMI (Queteletův index) 𝐵𝑀𝐼 =
hmotnost v kg
(výška v m)2
• Hodnota BMI pouze orientační kritérium, pouze u člověka s normální
rozložením tuku
14.05.2024 Biofyzika 86
Biofyzika vnímání
Biofyzika vnímání – zvuk a audiometrie
14.05.2024 Biofyzika 88
Zvuk
Mechanické vlnění
20–20 000 Hz
Od UZV se liší jen kvantitativně
Ultrazvuk
Zvuk s frekvencí nad 20 kHz
UZV diagnostika 2–30 MHz
Horní mez slyšitelnosti je pro lidské
ucho okolo 20 kHz, u dětí až 40 kHz,
ve stáří klesá
Biofyzika vnímání – zvuk a audiometrie
• Zvuk – mechanické (akustické) vlnění
• Zdravé ucho vnímá frekvenci 16–20 000 Hz
• U každé frekvence je rozlišitelný rozsah intenzit, které slyšíme
• Oblast slyšení omezena prahem slyšení a prahem bolesti
• U každé slyšitelné frekvence existuje intenzita, kdy neslyšíme zvuk a vnímáme bolest
• Schopnost posoudit dva zvuky stejně silně slyšitelné
• Izofon = křivka stejné hlasitosti
• 0 izofona = práh slyšení, 120 izofona = práh bolesti
• Nejcitlivější vnímání 1–5 kHz
• Son – jednotka hlasitosti (1 son = 1000 Hz/40 dB) Fon – hladina hlasitosti
14.05.2024 Biofyzika 89
Biofyzika vnímání – audiometrie
Audiometrie – ušní vyšetření
• Snížení vnímání některých frekvenčních oblastí nebo celého rozsahu
• Kvalitativní a kvantitativní posouzení poruch slyšení
• Audiometr – frekvence a hladina intenzity tónu
• Audiogram
Vyšetřovaná onemocnění
• Presbyakusie (degenerativní onemocnění)
• Akutní trauma sluchového aparátu (výbuch)
• Úrazy hlavy, infekční onemocnění (spalničky)
• Neurinom
14.05.2024 Biofyzika 90
Audiometrie
14.05.2024 Biofyzika 91
Subjektivní
Pomocí řeči s
pacientem
Klasická zkouška
sluchu
Ladičkové zkoušky
(k odlišení převodní
a percepční
nedoslýchavosti
Audiometrie –
tónová, prahová,
nadprahová
Objektivní
Metody na principu
AP
Tympanometrie
(impedanční
audiometrie)
Otoakustické emise
(OAE)
ECoG – elektrokochleografie (vyšetření
evokovaných odpovědí hlemýždě)
BERA, ASSR – (vyšetření
evokovaných odpovědí mozkového
kmene)
CERA – (vyšetření evokovaných
odpovědí mozkové kůry)
VEMP
Hodnocení výsledků audiometrie
Ztráta sluchu je často popisována takto:
• za normální sluch se považuje sluch do 15 dB ztrát,
• percepční porucha se projeví ztrátou symetrickou ve vedení kostním i
vzdušném,
• převodní nedoslýchavost se projeví ztrátou ve vedení vzdušném,
zatímco vedení kostní je normální.
Míra ztráty sluchu se hodnotí jako:
• Mírně těžká ztráta sluchu = 25–40 dB,
• Středně těžká ztráta sluchu = 41–65 dB,
• Těžká ztráta sluchu = 66–90 dB,
• Velmi těžká porucha včetně hluchoty = 90 a více dB.
14.05.2024 Biofyzika 92
Biofyzika vnímání – audiometrie
14.05.2024 Biofyzika 93
Audioloogie, foniatrie, neurootologie
• Audiologie – zabývá se jak studiem zdravého, tak i poškozeného
sluchu
• Foniatrie se věnuje poruchám řeči, sluchu a hlasu. Využívá
chirurgické, medikamentózní i edukační metody (nácvik správné
hlasové tvorby, především u hlasových profesionálů, například
zpěváků, hlasatelů nebo herců).
• Neurootologie se zabývá závratěmi ORL původu a ušními
šelesty.
14.05.2024 Biofyzika 94
Biofyzika vnímání – rezonance
Dutiny – rezonátory
Akustické vlnění vzniká prouděním vzduchu z plic mezi
štěrbinou hlasivek → rozechvějí se → od nich se rozechvěje
proud vzduchu → dopad na ucho => hlas
Zvuk je ovlivněn velikostí štěrbiny a tvarem rezonančních
dutin
• Dutina hrtanová
• Dutina ústní
• Změna tvaru některé dutiny → změna barvy hlasu
• Změna tvaru dutin v různých místech dýchacích cest → různě
znějící kašel
• Tvar dutiny ústní – výslovnost samohlásek
• Každá samohláska má vlastní tvar úst a frekvenci = formant hlásky
• Formant se mění podle polohy jazyka, vzdáleností zubů a rtů
14.05.2024 Biofyzika 95
Biofyzika vnímání – funkce hrtanu
Tvorba hlasu, dýchání, kašlání a polykání
• Výška hlasu je určena délkou, napětím, postavením hlasivek a tlakem vydechovaného vzduchu
• Rozsah hlasu 2–5 oktáv
• Síla hlasu je dána velikostí rozkmitu hlasivek – mohutnost výdechového proudu
• Hlas je formován hrtanovou záklopkou, hrtanem, hltanem, jazykem, měkkým patrem, tváří
• Rozpětí se snižuje při mutaci a ve stáří
Dýchání probíhá pomocí otevírání hlasové štěrbiny
Štěrbina se oproti tomu krátce uzavírá při kašli
Po uzavření následuje nárazový výdech, díky němuž se sliznice dýchací trubice čistí a zbavuje hlenu
nebo jiných těles zvenčí
Automatickým reflexem se štěrbina také uzavírá, když hrozí vnik vody nebo dalších cizích těles do
plic
Polykání bez nebezpečí udušení umožňuje sklopení hrtanové příklopky
14.05.2024 Biofyzika 96
Zdravotnické prostředky
Demonstrace zdravotnických prostředků, speciální požadavky
Zdravotnický prostředek (ZP)
definice § 2 zákona č. 268/2014 Sb., o zdravotnických prostředcích
Povinnosti výrobce jsou dány zákonem č. 268/2014 Sb., o zdravotnických prostředcích a Nařízením vlády č.
54/2015 Sb., o technických požadavcích na zdravotnické prostředky
„se rozumí nástroj, přístroj, zařízení, programové vybavení, materiál nebo jiný předmět, použitý samostatně
nebo v kombinaci, včetně programového vybavení určeného jeho výrobcem ke specifickému použití pro
diagnostické nebo léčebné účely a nezbytného k jeho správnému použití, určený výrobcem pro použití u člověka
za účelem
— stanovení diagnózy, prevence, monitorování, léčby nebo mírnění choroby,
— stanovení diagnózy, monitorování, léčby, mírnění nebo kompenzace poranění nebo zdravotního postižení,
— vyšetřování, náhrady nebo modifikace anatomické struktury nebo fyziologického procesu,
— kontroly početí,
a který nedosahuje své hlavní zamýšlené funkce v lidském organismu nebo na jeho povrchu farmakologickým,
imunologickým nebo metabolickým účinkem, jehož funkce však může být takovými účinky podpořena.“
14.05.2024 Biofyzika 98
Demonstrace zdravotnických prostředků, speciální požadavky
Třídy ZP
• Podle míry zdravotního rizika, kterou představuje jejich použití pro uživatele,
popřípadě pro jinou fyzickou osobu (např. obsluhu), se zdravotnické
prostředky rozdělují do rizikových tříd I, IIa, IIb a III, přičemž třída I
soustřeďuje nejméně rizikové zdravotnické prostředky.
• Třídu zdravotnického prostředku určuje jeho výrobce při uvedení
zdravotnického prostředku na trh, přičemž musí respektovat klasifikační
pravidla stanovená prováděcími předpisy.
14.05.2024 Biofyzika 99
Demonstrace zdravotnických prostředků, speciální požadavky
Třídy ZP
• ZP se dělí do tříd I, IIa, IIb a III podle vzrůstající míry rizikovosti.
• Klasifikace se provádí podle klasifikačních kritérií uvedených v příloze č. 9
nařízení vlády.
• Klasifikaci ZP stanovuje jeho výrobce a musí být uvedena v ES prohlášení o
shodě.
• Klasifikaci stanovuje výjimečně poskytovatel zdravotní péče, není-li známa.
• Poskytovatel nesmí měnit zatřídění ZP.
Klasifikační kritéria – zvláštní pravidla
14.05.2024 Biofyzika 100
Demonstrace zdravotnických prostředků, speciální požadavky
Klasifikační kritéria – zvláštní pravidla
• Prostředky zvlášť určené k použití při dezinfekci, čištění, oplachování,
případně hydrataci kontaktních čoček spadají do třídy IIb.
• Prostředky zvlášť určené k použití při dezinfekci zdravotnických prostředků
spadají do třídy IIa. ►M5 Pokud nejsou zvlášť určeny pro dezinfekci
invazivních prostředků, kdy spadají do třídy IIb. ◄
• Toto pravidlo se nepoužije pro výrobky určené k fyzikálnímu čištění
zdravotnických prostředků, které nejsou kontaktními čočkami.
14.05.2024 Biofyzika 101
Demonstrace zdravotnických prostředků, speciální požadavky
Kdo může provádět instruktáž ke zdravotnickým prostředkům?
Novela zákona č. 268/2014 Sb., o zdravotnických prostředcích a o změně zákona č. 634/2004 Sb., o
správních poplatcích, ve znění pozdějších předpisů, v § 61, odst. 2 uvádí: „Instruktáž může provádět
pouze osoba, která na základě odpovídajícího vzdělání, praktických zkušeností a proškolení výrobcem
nebo jím pověřenou osobou, popřípadě zplnomocněným zástupcem daného výrobce nebo jím
pověřenou osobou, poskytuje dostatečnou záruku odborného provádění instruktáže o správném
používání daného zdravotnického prostředku. Poskytovatel zdravotních služeb, který používá tyto
zdravotnické prostředky, je povinen zajistit provedení instruktáže pracovníků, kteří jsou určeni k jejich
používání či obsluze.“
Z uvedeného vyplývá, že okruh osob, které mohou instruktáž provádět se podle výše uvedené citace
§ 61 odst. 2 rozšířil o osobu pověřenou výrobcem, popřípadě zplnomocněného zástupce daného
výrobce nebo jím pověřenou osobu. Osoby, které mohou provádět instruktáž jsou tedy:
• Osoba proškolená výrobcem
• Osoba proškolená osobou pověřenou výrobcem
• Osoba proškolená zplnomocněným zástupcem daného výrobce
• Osoba proškolená osobou pověřenou zplnomocněným zástupcem daného výrobce
14.05.2024 Biofyzika 102
Aktivní ZP
• Podle § 2 odst. 4 ZoZP rozumí zdravotnický prostředek, jehož činnost je
závislá na zdroji elektrické nebo jiné energie, která není přímo dodávána
lidským organismem nebo gravitací.
Je poskytovatel zdravotních služeb povinen zajistit instruktáž k
implantabilnímu zdravotnickému prostředku, který není aktivní, a ke
zdravotnickým prostředkům rizikové třídy IIb a III, které nejsou
aktivními zdravotnickými prostředky?
• Pokud výrobce nestanovil, že osoba obsluhující implantabilní zdravotnický
prostředek, který není aktivní, a zdravotnický prostředek rizikové třídy IIb
nebo III, který není aktivní, musí absolvovat instruktáž, není poskytovatel
zdravotních služeb v souladu s § 61 ZoZP povinen instruktáž zajistit.
14.05.2024 Biofyzika 103
Návod k použití ZP
Mohu používat ZP, pokud nemám k dispozici český návod k použití?
• Ustanovení § 60 zákona č. 268/2014 Sb. uvádí, že „Poskytovatel zdravotních
služeb je povinen zajistit, aby byl uživateli dostupný návod k použití
zdravotnického prostředku v českém jazyce a informace, které se vztahují k
jeho bezpečnému používání; povinnost zajištění dostupnosti návodu k použití
neplatí u zdravotnického prostředku rizikové třídy I nebo IIa, u něhož výrobce
stanovil, že jej není třeba pro bezpečné používání zdravotnického prostředku“.
• V případě, že poskytovatel nebude moci zajistit, aby byl návod k použití v
českém jazyce uživateli dostupný, nelze ZP při poskytování zdravotních služeb
používat. Zákon č. 268/2014 Sb. v tomto nepřipouští žádnou výjimku, tedy ani
pro ZP dodané před rokem 2000. Lze tedy dovodit, že povinnost
poskytovatele zdravotních služeb zajistit návod k použití ZP v českém jazyce
se vztahuje na všechny ZP vyjma těch, u nichž výrobce stanovil, že jej není pro
bezpečné použití třeba.
14.05.2024 Biofyzika 104
Opakované použití jednorázových ZP
Je možné použít zdravotnické prostředky pro jedno použití po jejich
resterilizaci / reprocessingu?
Není. V případě opakovaného použití zdravotnického prostředku pro jedno
použití dochází kromě porušení § 59 zákona č. 268/2014 Sb., i k závažnému
porušení zákona č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví, ve znění
pozdějších předpisů.
Nejsou dodrženy podmínky stanovené prováděcím předpisem – vyhláškou č.
306/2012 Sb., příloha 3 „opakovaně používané zdravotnické prostředky se
dezinfikují, čistí a sterilizují podle návodu výrobce. Jednorázové pomůcky se
nesmí opakovaně používat ani po jejich sterilizaci; “.
Legislativní změny v této oblasti však mohou přijít v souvislosti s připravovaným
evropským předpisem (evropským nařízením), týkajícím se zdravotnických
prostředků.
14.05.2024 Biofyzika 105
Proškolení k používání ZP
Jaké náležitosti by měl obsahovat doklad o proškolení výrobcem nebo jím pověřenou
osobou, popřípadě zplnomocněným zástupcem daného výrobce nebo jím pověřenou
osobou, pro osobu provádějící instruktáž dle § 61 odst. 2 zákona č. 268/2014 Sb.?
Z ustanovení § 61 vyplývá, že z dokladu by mělo být jasné, že se jedná o proškolení v oblasti
instruktáže, že proškolení bylo poskytnuto výrobcem nebo jím pověřenou osobou,
popřípadě zplnomocněným zástupcem daného výrobce nebo jím pověřenou osobou.
Vhodné je uvádět:
– identifikační údaje ZP, pro které bylo provedeno proškolení
– identifikace výrobce (název, obchodní firma výrobce)
– datum, kdy bylo proškolení provedeno,
– jméno osoby, která proškolení provedla, (včetně podpisu)
– jméno osoby, která absolvovala proškolení,
– informace o rozsahu provedeného proškolení (jaké činnosti a čeho se proškolení týkalo)
14.05.2024 Biofyzika 106
Instalace ZP
Kdo a jak může instalovat zdravotnický prostředek u poskytovatele
zdravotních služeb?
Ustanovení § 59 odst. 1 písm. d) ZoZP stanoví, že Poskytovatel zdravotních
služeb je povinen zajistit, aby při nakládání se zdravotnickým prostředkem byla
dodržována pravidla podle § 45 odst. 2 přiměřeně. V ustanovení § 45 odst. 2
písm. a) ZoZP se pak zmiňuje nutnost nakládání se zdravotnickým prostředkem
v souladu s návodem k použití a dalšími pokyny výrobce. Z výše uvedeného
vyplývá, že tato povinnost se vztahuje přiměřeně i na poskytovatele
zdravotních služeb.
Při instalaci, jako jednoho z úkonů předcházejících používání ZP, je tedy nutné,
aby se ZP bylo nakládáno v souladu s jeho návodem k použití a dalšími pokyny
výrobce, tj. pokud výrobce uvede požadavky vztahující se k instalaci ZP (např.
specifikaci osoby, která může instalaci ZP provádět), je nutné jeho pokyny v
rámci nakládání se ZP, tedy při instalaci, respektovat.
14.05.2024 Biofyzika 107
Překlady návodů k použití ZP
• Distributor/Dovozce smí distribuovat a dovážet na trh České republiky
pouze zdravotnické prostředky (dále též „ZP“) s návodem k použití v
českém jazyce, které má zajistit přímo výrobce ZP.
• V praxi je však běžné, že výrobce návod nepřeloží a autorizuje k
překladu návodů přímo distributora/dovozce.
• Distributor/dovozce má tak od výrobce doklad, kde je psáno, že jej
výrobce autorizuje k překladu a úpravě návodů.
14.05.2024 Biofyzika 108
… a ještě k jazyku návodům k použití ZP
Lze místo návodu k zdravotnickému prostředku mít návod ve slovenském
jazyce? Jedná se o starší přístroj, jiný návod k němu není a slovensky všichni
rozumí.
• Ne. Zákon č. 268/2014 Sb. v § 60 odst. 1 explicitně požaduje po
poskytovateli zdravotních služeb zajištění návodu v českém jazyce.
• Dále pak v § 59 se píše, že poskytovatel zdravotních služeb nesmí používat
zdravotnický prostředek při poskytování zdravotních služeb, jestliže nemá k
dispozici návod k použití v českém jazyce; tato podmínka nemusí být splněna
u zdravotnického prostředku rizikové třídy I nebo IIa, u něhož výrobce
stanovil, že jej není třeba pro bezpečné používání zdravotnického prostředku.
• Z výše uvedeného je tak zřejmé, že návody ke zdravotnickým prostředkům
musí být vždy v jazyce českém.
14.05.2024 Biofyzika 109
Zdravotnické elektrické obvody
Zdravotnické elektrické rozvody
• Bezpečná energie pro všechny elektrické přístroje
• Bezpečnostní a provozní parametry → standardy
• ČSN 33 2140 Elektrický rozvod v místnostech pro lékařské účely
• ČSN 34 1720 Zdravotnická rentgenová pracoviště
• ČSN 36 0082 Umělé osvětlování ve zdravotnických zařízeních
• Z principu musí norma pro elektrické rozvody navazovat na obecně platnou normu
a vhodným způsobem ji modifikovat pro potřeby zdravotnictví.
• ČSN 33 2140 doplněn textem z budoucí normy pro elektrické rozvody ČSN 33 2000-
7-710.
• TNI 33 2140 doplňují nové informace pro uživatele z oblasti elektrických rozvodů v
místnostech pro lékařské účely a obsahují řešení odpovídající poznání v oboru po
roku 2000.
14.05.2024 Biofyzika 111
Zdravotnické elektrické rozvody – požadavky
1. Ochrana proti přímému elektrickému nebezpečí
Ohrožení nebezpečným dotykovým napětím (ochrana před úrazem elektrickým
proudem).
2. Ochrana proti nepřímému elektrickému nebezpečí
Ohrožení způsobené přerušením dodávky elektrické energie, výbuchem, požárem,
nebezpečnými účinky statické elektřiny a elektromagnetickým rušením citlivých
zdravotnických přístrojů.
Oblast použití normy TNI 33 2140
• nemocnice, kliniky a polikliniky (i mobilní),
• sanatoria, domovy pro seniory, pečovatelské ústavy,
• ordinace praktických lékařů a stomatologů,
• jiná ambulantní zařízení (pracovní a sportovní lékařství)
14.05.2024 Biofyzika 112
Zdravotnické elektrické rozvody – základní podmínky
• Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím musí ve všech místnostech
zdravotnických zařízení vyhovovat ČSN 33 2000-4-41.
• V místnostech pro lékařské účely musí být použity rozvodné soustavy TN-S, TT nebo
IT.
• Zásuvkové vývody musí být umístěny tak, aby bylo možné připojit zdravotnické
přístroje bez prodlužovacích šňůr a rozboček.
• Rozváděč zdravotnického oddělení je posledním bodem, ve kterém může dojít ke
změně rozvodné soustavy TN-C na TN-S, nesmí být ale umístěn v místnosti pro
lékařské účely.
• Pro zdravotnické prostory musí být napájení elektrickou energií bezpečné,
spolehlivé a kvalitní i v mezních situacích. Vodič PEN v rozvodné soustavě TN-C musí
mít průřez minimálně 10 mm2.
14.05.2024 Biofyzika 113
Zdravotnické elektrické rozvody – definice
• Zdravotnický prostor – prostor určený ke stanovení diagnózy, pro léčení (i
kosmetické), sledování a péči o pacienty. K zajištění ochrany pacientů před
možnými elektrickými nebezpečími musí být v lékařských prostorech použita
doplňující ochranná opatření v závislosti na poskytované péči (podle terapie
nebo diagnózy). Podle způsobu používání zdravotnických prostor jsou
prostory rozděleny do skupin 0, 1 nebo 2 pro jednotlivé zdravotnické postupy.
• Pacient – živá bytost (osoba nebo zvíře) podstupující zdravotnické nebo
dentální vyšetření nebo léčbu.
• Elektrický zdravotnický přístroj – určený výrobcem pro diagnostiku, léčení
nebo monitorování pacienta nebo detekuje přenos energie do pacienta nebo
z něj, má jedno připojení k napájecí síti.
• Příložná část – část zdravotnického elektrického přístroje, která při
normálním použití přichází nezbytně do fyzického dotyku s pacientem, aby
zdravotnický přístroj mohl plnit svoji funkci.
14.05.2024 Biofyzika 114
Zdravotnické elektrické rozvody – definice
• Skupina 0 – nejsou použity žádné příložné části, zkrat zdroje nemůže způsobit ohrožení
života.
• Skupina 1 – prostor, kde při závadě je možné připustit přerušení funkce zdravotnických
elektrických přístrojů, aniž by došlo k ohrožení pacienta. Vyšetření nebo ošetření lze
opakovat. Příložné části se přikládají zevně nebo uvnitř těla, ale ne na srdci.
• Skupina 2 – zdravotnický prostor, kde se předpokládá:
– intrakardiální použití příložných částí (operační sál, JIP),
– přerušení napájení může ohrozit život pacientů nebo jejich vyšetření,
– ošetření není
• Klasifikace zdravotnického prostoru musí být provedena ve spolupráci se zodpovědnými
pracovníky zdravotnických zařízení, kteří budou elektroinstalaci používat, na základě toho,
jaké zdravotnické procedury se budou v prostorech vykonávat a jaké přístroje používat.
• Zdravotnický elektrický systém – sestava zdravotnických přístrojů.
• Pacientské prostředí – prostor, ve kterém může nastat úmyslný nebo neúmyslný kontakt
mezi pacientem a elektrickým zdravotnickým přístrojem nebo mezi pacientem a osobami
dotýkajícími se částí zdravotnického elektrického přístroje možné opakovat.
14.05.2024 Biofyzika 115
Zdravotnické elektrické rozvody – definice
Pacientské prostředí
14.05.2024 Biofyzika 116
Zdravotnické elektrické rozvody – barevné značení el. zásuvek
V místnostech pro lékařské účely se používá několik druhů napájecích systémů,
které musí být jednoznačně od sebe odlišeny, protože v důsledku může
nesprávné použití způsobit nepříjemnosti, případně i ohrožení zdraví nebo
života pacientů. Podle ČSN 33 2140 musí být použita:
• Zelená barva – pro připojení zdravotnických i jiných elektrických přístrojů,
které musí mít zajištěno nouzové napájení, ale přerušení do 2 minut (což je
nejdelší čas, kdy dojde k obnovení napětí na těchto vývodech) neohrozí život
nebo zdraví pacientů, neohrozí základní provoz zdravotnického zařízení a
nezpůsobí nenahraditelné škody.
• Při bezporuchovém provozu jsou tyto zásuvky napájeny ze základního zdroje, při
závadě na základním zdroji nebo závadě na přívodu jsou napájeny z hlavního
nouzového zdroje.
• Nouzovým zdrojem je zpravidla dieselagregát s automatickým startem. Tento zdroj dodává
elektrickou energii po celou dobu přerušení napájení ze základního zdroje.
• Při písmenovém označení bude použito písmeno D, protože obvody, které mají
zajištěno napájení z hlavního nouzového zdroje, se nazývají důležité obvody.
14.05.2024 Biofyzika 117
Zdravotnické elektrické rozvody – barevné značení el. zásuvek
• Žlutá barva víčka zásuvek pro zdravotnickou izolovanou soustavu, která se používá pro
napájení zdravotnických elektrických přístrojů, jejichž charakter použití vylučuje likvidovat
prvou závadu izolace přerušením napájení a tím vypnutí přístroje, protože vyřazení
přístroje z provozu by mohlo ohrozit život nebo zdraví pacientů.
• Transformátor, použitý pro vytvoření zdravotnické izolované soustavy má primární vinutí napájené z
důležitých obvodů.
• Závada zdravotnické izolované soustavy je signalizována optickou a akustickou signalizací.
• Při písmenovém označení bude použito písmeno Z jako zkratka pro zdravotnickou izolovanou soustavu.
• Oranžová barva víčka zásuvek je určena pro vývody velmi důležitých obvodů, což je v
principu zdravotnická izolovaná soustava s ještě vyšším stupněm zajištění dodávky
elektrické energie, protože primární vinutí jejího ochranného oddělovacího transformátoru
je napájeno z UPS, prakticky vždy provozovaného v on-line režimu, tedy bez přerušení
napájení připojených přístrojů (podle ČSN 33 2140 maximálně 15 sekund).
• Protože nouzový zdroj má omezený výkon a omezenou dobu provozu, mohou být z tohoto typu zásuvek
napájeny pouze zdravotnické přístroje, které podporují nebo nahrazují základní životní funkce, nemají
zajištěno nouzové napájení jiným způsobem a doba obnovení napětí hlavního nouzového zdroje je pro
ně příliš dlouhá.
• Při písmenovém označení budou označeny písmenem V, protože obvody s popsaným způsobem zajištění
dodávky elektrické energie se nazývají velmi důležité obvody.
14.05.2024 Biofyzika 118
Zdravotnické elektrické rozvody
Vývody, určené pro napájení zdravotnických přístrojů musí
mít prakticky ve všech případech použitý proudový chránič s
citlivostí 30 mA.
14.05.2024 Biofyzika 119
14.05.2024 Biofyzika 120
A) kombinace
žlutooranžová
1. Tyto zásuvky povinně použít pro připojení zdravotnických přístrojů (a žádných jiných el.
spotřebičů) v: předoperačních a pooperačních místnostech, operačních sálech, operačních
sádrovnách, hemodialyzačních odděleních, katetrizační sálech (katetrizace cév a srdečních dutin),
místnostech intenzívní péče, odděleních s centrálním sledováním pacientů (lůžkové monitory
připojené na centrální monitor), angiografických pracovištích.
2. Doporučeno pro připojení zdrav. přístrojů na pracovištích, kde se provádějí endoskopické výkony, na
zákrokových sálech, pro přístroje připojené na katétry zaváděné jinam než do srdečně cévního systému. Jeli
možné, preferovat před zásuvkami s jiným značením.
3. Vzhledem k omezenému elektrickému příkonu této napájecí soustavy nepřipojujte zařízení s velkou
spotřebou – obvykle jsou to spotřebiče, které nejsou vodivě spojené s pacientem nebo s obsluhou (např.
generátory chladu či tepla pro matrace/přikrývky na op. sálech, různé kompresory, chladničky, mrazicí
boxy, dočasná výpomocná topidla či chlazení pro úpravu teploty v místnosti apod.). Natož obecné
nepřístrojové spotřebiče (mikrovlnné trouby, varné konvice, chlazené zásobníky Beck pitné vody apod.)
Žlutá barva značí, že zásuvka poskytuje speciální a zároveň maximální možný stupeň ochrany před úrazem
elektrickým proudem, a to i v případě izolační závady na zdravotnickém přístroji. I při takové závadě
(oznamované opticky a akusticky) se může práce nerušeně dokončit.
Oranžová barva značí, že zásuvka je napájena z centrálního náhradního zdroje elektřiny, který dodává el.
proud bez přerušení (tzv. UPS). Přístroje zapojené do této zásuvky „nepoznají“ výpadek ve veřejné elektrovodné
síti.
B) kombinace žlutozelená
Pro připojení přístrojů jak je uvedeno v A-bod 1 nebo A-bod 2, jako druhá volba, pokud nejsou k dispozici
zásuvky s barvou žlutooranžová. Opět platí zásada rozumného a nezbytného zatěžování (viz A-bod 3).
Žlutá barva viz A
Zelená barva značí, že v případě výpadku el. proudu ve veřejné elektrovodné síti začne být zásuvka během 20-
30 sekund napájená z dieselagregátu. Na rozdíl od zálohy typu UPS vznikne tedy prodleva, během níž není
v zásuvce napětí. Většina přístrojů obsahuje citlivé počítačové prvky a musí být uváženo, zda po obnově
napájení nenastane potřeba opětného startu, resetu apod., což může představovat další zdržení a stress pro
obsluhu, případně potřebu přivolat technickou pomoc. Je také třeba počítat s tím, že krátkodobé přerušení proudu
v zásuvce nastane v okamžiku, kdy dodávka elektřiny z veřejné sítě se obnoví a dieselagregát se odpojí.
C) samotná oranžová
nebo oranžová s bílým
Vhodné pro přístroje vyžadující elektrické napájení bez přerušení, přitom nespadající do výčtu v A-bod 1, příp. v
A-bod 2. Opět platí zásada rozumného a nezbytného zatěžování (viz A-bod 3).
14.05.2024 Biofyzika 121
v zásuvce nastane v okamžiku, kdy dodávka elektřiny z veřejné sítě se obnoví a dieselagregát se odpojí.
C) samotná oranžová
nebo oranžová s bílým
rámečkem
Vhodné pro přístroje vyžadující elektrické napájení bez přerušení, přitom nespadající do výčtu v A-bod 1, příp. v
A-bod 2. Opět platí zásada rozumného a nezbytného zatěžování (viz A-bod 3).
Význam oranžové barvy vysvětlen v A. Pozor, zásuvka neposkytuje žádný zvláštní, zvýšený stupeň ochrany
před úrazem elektrickým proudem.
D) zelená
Vhodné pro přístroje, které by neměly být dlouho bez el. napájení, ale nevadí jim jeho přerušení na 15-20
sekund, přitom nespadající do výčtu v A-bod 1, příp. v A-bod 2.
Příkonové omezení není tak silné jako u zásuvek nesoucích žlutou nebo oranžovou barvu a proto lze rozumně a
důvodně rozšířit jejich použitelnost na přístroje a zařízení vyjmenovaná v A-bod 3.
Význam zelené barvy vysvětlen v B. Pozor, zásuvka neposkytuje žádný zvláštní, zvýšený stupeň ochrany
před úrazem elektrickým proudem.
E) béžová s bílým
rámečkem nebo tmavě
šedá
Přednostně zdravotnické přístroje na jiných pracovištích než je vyjmenováno v A-bod 1, příp. bod 2. Velmi
vhodné pro spotřebiče vyjmenované v A-bod 3.
Béžová nebo tmavě šedá barva značí, že zásuvka poskytuje zvýšenou ochranu před úrazem elektrickým
proudem. Ale pozor, není ošetřeno proti výpadku napájení z veřejné elektrovodné sítě.
F) bílá
Normální spotřebiče (případně zdravotnické přístroje na jiných pracovištích než je vyjmenováno v A, bod 1,
příp. 2., jestliže není jiná, lepší možnost).
Normální stupeň ochrany před úrazem elektrickým proudem (jako v domácnosti, v kanceláři, v denní místnosti
personálu apod.). Žádné zálohování nouzovým zdrojem el. proudu při výpadku napájení z veřejné elektrovodné
sítě.
G) červená nebo bordó
s bílým rámečkem nebo
červená s klíčem v
zásuvkových otvorech
Určeno pro počítače (zvýšená ochrana proti rušení elektrickými impulsy).
Napájení není zálohováno ani UPS, ani dieselagregátem. Normální stupeň ochrany před úrazem el. proudem.
Základy optiky
Vnímání zrakových podnětů
Světlo a jeho podstata – optika
Světlo je částí spektra elektromagnetického záření – optické záření je v
rozsahu vlnových délek:
• Viditelné 50 % (365–780 nm)
• Infračervené 45 % (780 nm–1 mm)
• Ultrafialové 5 % (100–365 nm)
Geometrická optika
Vlnová optika
Elektromagnetická optika
Kvantová optika
14.05.2024 Biofyzika 123
Oko – optický systém
Zobrazení obrazu okolního světa
Příjem a zpracování informace
Fotony viditelného světla – 380 až 780 nm
Fyzikální, fyziologický, psychologický proces
Optická a fotochemická cesta primárního obrazu vnějšího světa
Informace se dostává do mozku po optické dráze a ve zrakovém centru
v mozkové kůře je zpracována
14.05.2024 Biofyzika 124
Anatomie oka
14.05.2024 Biofyzika 125
Bulbus oculi – průměr cca 24 mm
Sclera
Cornea
Conjuctiva
Choroidea
Retina
Corpus ciliare
Iris
Pupila
Lens crystalina
Corpus vitreum
Nervus opticus
Světlocitlivé buňky – fotoreceptory (tyčinky 75–150 mil., slouží k vidění za šera; čípky 3,5–7 mil., slouží k
vidění za denního světla)
Žlutá skrvna
Slepá skvrna
Zpracování optické informace
Tyčinky a čípky – adaptace oka na světlo
• Fotopické (denní) – čípky, citlivost má maximum na 555 nm
Při jasu vyšším než 102 cd.dm−2
• Mezopické – při snížené intenzitě, čípky i tyčinky, max. při 509 nm
• Skotopické (noční) – tyčinky, ztráta barevného vidění
• Při jasu nižším než 10−3 cd.dm−2
Světlolomný aparát – rohovka, čočka, komorová voda, sklivec (vytvoření obrazu)
Světlocitlivý aparát – tyčinky a čípky (fotoreceptory)
14.05.2024 Biofyzika 126
Světlolomný aparát – vytvoření obrazu
Gullstrandův model oka
Při vytváření obrazu musí světelný paprsek projít cestou k sítnici čtyřmi
optickými prostředími:
• rohovka
• komorová voda
• čočka
• Sklivec
Jednotka lomivosti D (m−1)
Akomodace oka
14.05.2024 Biofyzika 127
Světločivný aparát – fotoreceptory
Tyčinky – funkce
Rodopsin (tzv. zrakový purpur) → retinal + opsin – reverzibilní rychlá reakce
Při silném osvětlení se mění na retinol – reverzibilní pomalá reakce
Avitaminóza A?
Čípky – funkce
Žlutá skvrna
Fotopické vidění, zraková ostrost, intenzita, barva, sytost
Trichromatická teorie
Barvocit
14.05.2024 Biofyzika 128
Vady oka a jejich korekce
Krátkozrakost (myopie) – konkávní čočky (rozptylky)
Dalekozrakost (hypermetropie) – spojky
Vetchozrakost (presbyopie) – „staré oko“
Astigmatismus – cylindry
Poruchy barevného vidění – barva předmětu představuje vjem vznikající
souhrou tří jevů:
• Barva souvisí s vlastnostmi pozorovaného objektu
• Barva souvisí se zdroji osvětlení scény a jejich vlastnostmi
• Barva souvisí s mechanismy vnímání člověkem
14.05.2024 Biofyzika 129
• Protanomálie
• Deuteranomálie
• Protanopie
• Deuteranopie
• Tritanopie