Az orvosi jelfeldolgozás egyes problémái

Fourier-tétel: egy tetszőleges egy dimenziós, periodikus f(x) függvény kifejezhető pozitív és negatív szinusz és koszinusz függvények lineáris kombinációjaként: (x) = 1/A(k)coskx^.dk +B(k)sin kx^.dk

Az összeg első tagja az alapharmonikus, az eredeti periodikus frekvenciájú jel, a többi komponens – felharmonikusok – frekvenciája az alap egész számú többszöröse. Mivel a fázisszög zérus vagy /2 lehet, a jel Fourier spektruma valójában csak pozitív és negatív szinuszos és koszinuszos tagokból áll.

Periodikus jelekre: tetszőleges periodikus jel előállítható sinusok összegeként az alap- és felharmonikusokból. f=1/T, ahol T periódusidő, f sinusos jel, alapharmonikus, 2f-3f-nf felharmonikusok.

Akármilyen „jól viselkedő” jel: tetszőleges jel előállítható sinusok összegeként, spektruma folytonos.
c) Elektromos erősítő, erősítés és annak frekvenciától való függése

Ha az információt hordozó jel teljesítménye nem elegendő erősíteni kell.

A funkcionális egység erősítőből és egyéb kapcsolási elemekből áll.

- kimenetén arányosan megnövelve jelenik meg a bemenetre kapcsolt jel

- leföldelik csökkentve a zavarfeszültséget

- bemenete fogyasztóként terheli a jelforrást (R_be)

- következő funkcionális egység számára jelforrás, fogyasztóként terheli a kimenetet (R_ki)

Jellemzői: - teljesítményerősítés (K_P): kimenő és bejövő jelteljesítmény hányadosa K_P= P_ki/P_be dBben: K_P(dB)=10lgK_PdB,

- feszültségerősítés (K_U): K_U=U_ki/U_be, összefüggés: K_P=K_U^2.R_be/R_ki – dBben: K_P(dB)= (20lgK_U+10lgR_be/R_ki)dB. Ha R_be=R_ki, K_P(dB)=20lgK_UdB. Azaz 60dB erősítés: 10⁶x teljesítmény, 10³x feszültségerősítést jelent.

Az erősítés feltétele, hogy a feldolgozandó jel teljes tartományában független legyen a frekvenciától. A jel pontos megadásához a teljes frekvencia tartományt ismerni kell. Ha nem független a jel a frekvenciától, úgy az erősítés során torzulni fog, mivel a különböző frekvenciájú komponensek különböző mértékben erősítődnének.

Átviteli karakterisztika: az a frekvencia tartomány, amelyben az erősítés független a frekvenciától, pontosabban 3dB-en belül marad függése. Az f_a az alsó határfrekvencia, az f_f a felső határfrekvencia. Az erősítő átviteli sávjának le kell fednie a jel teljes frekvenciatartományt.
d) Visszacsatolás és következményei

A felerősített jelteljesítmény egy részét visszacsatolva a bemenetre interferencia alakul ki. Ha azonos fázissal adódnak össze a jelek pozitív (K_V>0, K_PV>K_P), ha ellentétes fázissal, negatív (K_V<0, K_PVP) visszacsatolásról beszélünk. K_V a visszacsatolási tényező, a visszacsatolt és kimenő teljesítmény hányadosa, 1-nél kisebb. P=P_be+K_VP_ki, az erősítendő jel és a visszacsatolt jel összeadódik, az erősítő tehát az eredő jelteljesítményt erősíti. A kimenő jelteljesítmény P_ki=K_PP-ként írható fel, ahol K_P a visszacsatolás nélküli erősítő teljesítményerősítése. K_PV pedig a visszacsatolt erősítő teljesítményerősítése, a kimenő/bejövő teljesítmény hányadosa: K_PV=K_P/1-K_VK_P. Pozitív visszacsatolás esetén növekedik a teljesítményerősítés de az elektronikus zajok is erősödnek – nő a torzítás. Negatív visszacsatolás csökkenti az erősítő torzítását, kiegyenlíti az átviteli karakterisztikát, ez az erősítő tulajdonságait javítja. Pozitív visszacsatolás szerepe: rezgésgenerátor – bemenő jel nélkül is van kimenő jel, ha K_VK_P=1.

Olyan diagnosztikai eljárások, melyeknek lényegéhez tartozik valamilyen eseménygyakoriság meghatározása. Pl: alakoselem konc., radioaktív izotópok térbeli eloszlása, mennyiségük időbeli változásának meghatározása.

15. Izotópdiagnosztika

A radioaktív izotópok sugárzásuk révén elárulják tartózkodási helyüket: útjuk, sorsuk nyomonkövethető (nyomjelzők).

Ugyanúgy képeznek vegyületeket mint stabilis társaik, viselkedésük is ugyanolyan (kémiai, biológiai, biokémiai folyamatokban) – egyáltalán semmilyen fiziológiás körülményt nem befolyásolnak.

Mivel az új izotópok megkülönböztethetők a régiektől és igen nagy érzékenységű detektorokkal kimutathatók, hatékonyságuk 6-8 nagyságrenddel jobb mint a mikroanalitikai módszereké.

Radioimmun-analítikai módszer: (immunreakciók specificitását, izotóptechnológia érzékenységét ötvözi) kis mennyiségű, hasonló kémiai szerkezetű anyagok pl: hormonok koncentrációjának meghatározása, egymástól függetlenül.

RIA: radioimmuno-assay (antigén-antitest kölcsönhatás) A jelöletlen antigén leszorítja a radioizotóppal jelölt egy részét, a leszorítás mértéke a meghatározni kívánt jelöletlen antigén mennyiségétől függ.

b) Az izotóp kiválasztásának szempontjai

Lehető legkisebb dózisterhelés, ugyanakkor kimutatható legyen

In vivo vizsgálatnál, ha az anyagmennyiség csökkenését radioaktív úton megvizsgáljuk, az aktivitás az anyag kiürülése mellett a fizikai bomlás miatt is csökken. A szerv anyagcsere-folyamatainak időbeli követése az izotóp felvételi görbével történik. Általában a szervben megjelenő aktivitást, a beadott aktivitás %-ában ábrázoljuk az idő függvényében.

Legfontosabb paraméterei:

- az aktivitás megjelenéséig eltelt idő (T₀), az izotóp beadásától számítjuk, a görbe emelkedő szakaszának extrapolálásával határozzuk meg. A minimális átfolyási idő a radioizotópot transzportáló rendszerben a vizsgált részlet előtti szakaszok áteresztőképességét jellemzi.

- az első, emelkedő fázis meredeksége jellemzi a szerv kiválasztási sebességét (clearance)

- a görbe maximuma, az időpont (T_max) mellett páros szervek esetén az érték (A_max) is fontos paraméter, a felvevő és kiválasztóképességre utal

- felezési idő (T_1/2) a leszálló ág legfontosabb paramétere, a kiürülés mértékét jellemzi

- görbe alatti terület, két időpont között számított integrálja megadja az ez idő alatt meglévő átlagos izotóptartalmat

Ha a mérést fantomhoz viszonyítjuk, akkor a fizikai feleződést az adatok nem fogják tartalmazni, a tárolási görbe leszálló ágából közvetlenül a biológiai felezési idő nyerhető.
d) Gammakamera (felépítése, működése és alkalmazása)

Diagnosztikai célból a szervezetbe juttatott radiofarmakon térbeli eloszlásának 2Ds vetületét, annak időbeli változását regisztrálja. Feloldása jó, működése gyors - sec.ként akár 10 eloszlási kép, ezért gyorsan zajló folyamatok megjelenítésére is alkalmas pl: agyi keringés.

Szummációs kép: nincs tekintettel az izotóp mélységbeli eloszlására.

Szcintigram: eloszlási kép, izotóp koncentráció szerint színkódolt.

Felépítése:

- sokcsatornás ólomkollimátor, mely csak a merőlegesen érkező sugarakat engedi át

- szcintillációs detektorkristály (NaI(Tl))

- fényvezető réteg: a szcintilláció fénye szétterjed

- fotoelektron sokszorozó: a fényvezető réteg miatt egy -foton beérkezését több fotoelektronsokszorozó is észleli, de a szcintilláció helyétől való távolság szerint különböző amplitúdójú spektrumokkal jelzi.

- számítógép, képernyő

Fajtái: statikus és folyamatfelvételek a ROI(region of interest)ről.
e) SPECT, PET

SPECT: fotonemissziós számítógépes tomográfia – A -kamerát a páciens körül, testtengelyre merőlegesen, áll. sebességgel körbeforgatjuk, a számítógép letárolja a szummációs adatokat – tetszőleges metszeti kép (3. dimenzió). 30-50 cm vastag testszelvény aktivitástartalmának térbeli eloszlását egyszerre vizsgálja.

Pozitronszkenner (PET elődje):

- egymással szemben elhelyezett szemben elhelyezett gamma-detektorok (pl: agydaganat),

- csak a szétsugárzódó pozitronokat számolja

- számlálás csak akkor, ha mindkét detektoron egyidőben halad át foton (koincidencia párok) - feltűnő gyakorisággal akkor számol, ha a góc a mérőfejek csatornájába esik

PET: pozitronemissziós tomográf – jelzőanyag: pozitronsugárzó izotópok.

Detektorai: a pozitron-elektron rekombinációkor ellentétes irányban szétsugárzódó -fotonpárokat észleli.

Működtetéséhez szükséges ciklotron, ami alkalmas radioizotópot állít elő.

Számítógépes PET:

- gyűrű alakban helyezkednek el a detektorok, egymás mellett több gyűrű is van (pl: 8 gyűrű, 512 detektor/gyűrű) – gyors

- nem csak az egymással szemben lévő detektorok koincidenciapárok

- ha a jel nem egyszerre ér a detektorhoz, nem középen volt a szétsugárzás, a számítógép kiszámolja a pontos helyét

16. Sugárterápia
Bev: főként daganatterápiában használják – oka: gyorsan osztódó és differenciálatlan sejtek érzékenyebbek a sugárzásra.
a) A sugárterápiában használatos sugárzások elnyelődése és ionizációja szövetekben

Általában kemény röntgen és -sugárzást, felgyorsított elektronokat és -sugárzást használnak. Kutatás folyik a neutronok, protonok, nehéz ionok és pionok felhasználására is.

Még mélyebben fekvő szövetek kímélése szempontjából nagyenergiájú elektronok a megfelelőek. A nehezebb töltött részecskék (protonok, neutronok) esetén is megfigyelhető ez a kedvező dózis-eloszlás, ionizáló képességük viszont pályájuk vége felé nő. Kis energiájú dózis monoton csökken, sugárnyaláb széttart, extinkció.

Az  és -sugárzásokat önmagukban kis áthatolóképességük miatt nem használják.

A neutron sugárzás nem a legmegfelelőbb mert izotópokat képez, kinetikai energiáját átadva.

A protonsugárzás lenne a legjobb, de igen drága és gyorsítóval kell előállítani.

A felgyorsított részecskék diagnosztikai szempontból fontos magreakciókat hoznak létre – kedvező paraméterekkel rendelkező izotópokat hoznak létre: rövidebb felezési idejű, kisebb sugárterhelés, egyidőben több vizsgálat, tisztán -sugárzó. Terápia területén: protonok és nehéz részecskék, ill. deuteronok ütköztetésével neutronok nyerése, kívánság szerinti energiával.

A terápiás célból besugárzott góc általában daganatos sejtburjánzás, mely igen gyorsan osztódik, így a sugárzásokra érzékenyebb szemben a differenciált, kevésbé osztódó sejtekkel.

Kemény -sugárzásnál távolbesugárzást használnak, ahol kobalt és cézium ágyúktól 20-80cmnyi távolságban lévő szövetet sugároznak (ezek  ill.  sugárzást is kibocsátanak, de az elnyelődik a sugárzó fej falában).

-sugárzás előnyei a röntgennel szemben: meghatározott energiájú fotonokat emittál (vonalas spektrum), növelhető a relatív mélydózis, csökkenthető az oldalirányú szóródás, külső réteg kímélése.

Sugárterhelés csökkentés céljából megoldható, hogy a terápiás sugárforrás körpályán mozogjon folyamatosan a célpontra tartva, pl: agytumor esetén. Így az egyes szövetrészek kisebb besugárzási dózist szenvednek el. Alternatívája a gamma-kés módszer.

Relatív mélydózis: bőr alatti góc által felvett dózisnak a test felületén mért dózishoz (bőrdózis) való viszonya. Ha a távolság nő, abszorpció csökken, de a rel. mélydózis nő.

A gamma kés -fotonokat sztereotaxiás irradiációhoz alkalmazó eszköz, azaz olyan terápiás készülék, mely több sugárforrást használ a feladat elvégzéséhez, így kevesebb sugárzás éri a célpont előtti szervrészleteket. pl: agytumoroknál

17. Környezeti ártalmak és egészségkárosító következményeik
Bev: Az ionizáló részecskék az élő szervezetet károsítják – direkt és indirekt módon. A töltött korpuszkulák közvetlenül, a röntgen- és gamma-fotonok, neutronok közvetve ionizálnak. A direkt hatás során a kulcsszerepű molekulában (pl: DNS, mivel igen nagy) történik károsodás, míg az indirekt hatásnál a vízből keletkező hidrogénperoxid közvetítette szabad gyökök váltják ki végső soron ugyanazt az eredményt – biokémiai reakciók megváltozása, mutáció.
a) Sztochasztikus és determinisztikus egészségkárosodás, jellemzésük

Sztochasztikus hatás: véletlenszerű károsodás, mely során a sugárzás módosult szomatikus sejtet hoz létre, mely tovább szaporodhat, későbbiekben tumort kialakítva. Nem rendelhető hozzá küszöbdózis, létrejötte viszont arányos az elszenvedett dózissal, de a betegség súlyossága nem függ tőle.

Determinisztikus hatás: kialakulása küszöbdózis fölött történik károsodás ez alatt is van, csak nem érzékelhető, minimális túllépés után szinte 100% valószínűséggel. A dózis nagyságával a károsodás súlyossága is fokozódik, jellemzi az elnyelt dózis. Kialakulását közvetlenül az adott szövet(ek)ben elpusztuló sejtek mennyiségének bizonyos határ fölé emelkedése okozza. Súlyossága:

1-2 Gy enyhe sugárbetegség – 2-3 órán belül hányás, fehérvérsejtszám csökkenés

2-4 Gy közepes sugárbetegség – vérlemezkék számának csökkenése vérzékenységet, a jelentős fehérvérsejtszám csökkenés a fertőzésekkel szembeni védekezés gyengülését okozza

4-5 Gy félhalálos dózis – kezelés nélkül a betegek 50%a meghal

6 Gy < halálos dózis – gyomor-bélrendszeri, idegrendszeri tünetek is megjelennek, majd halál

Orvosi alkalmazása: daganatos gócok elpusztítására

-UV-A, UV-B hosszabb hullámhossztartományai a szaruhártyában és a szemlencsében nyelődnek el. Lencsehomályt (cataracta), szaruhártya-gyulladást (photokeratitis), kötőhártya-gyulladást (conjunctivitist okoznak)

-UV-C, IR-B, IR-C nem hatolnak át a szem külső részén – szaruhártya gyulladását, égési sérülését okozzák.

Bőrre gyakorolt hatás: függ a behatolás mélységétől, és a sugárzást elnyelő festékmolekula milyenségétől

-UV-C, UV-B rövidebb tartománya a bőr elszarusodott hámrétegében nyelődik el, amely megvéd a komolyabb károsodástól

-UV-B, hosszabb és UV-A tartományok behatolnak a hámrétegbe, sőt a 400 nmes fény 40%a még az irhába is bejut, photocarcinogenesist létrehozva, rosszindulatú bőrdaganatot kiváltva.

UV-B: nukleinsavak, fehérjék, aromás aminosavak nyelik el;

UV-A: hemoglobin, karotinok, bilirubin, melanin adszorbeálják

Az UV-A/B/C okozta bőrpír fontos indikátora a bőr fényterhelésének (minimális erythema dózis), melyet a nukleinsavak sérülése és az ebből fakadó gyulladás okoz.

UV hiánya viszont angolkórhoz vezet.

Ionizáló sugárzás: determinisztikus és sztochasztikus hatásokból fakadó károsodások – daganatképződés, fehérvérsejt, vérlemezke szám csökkenés – immungyengeség, vérzékenység, gyomor-bélrendszeri, idegrendszeri tünetek, hajhullás, hányás

Vegyszer: a folyamat első láncszemei térnek csak el az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatásától - molekuláris szintű károsodásokból kialakuló „láncreakció” mely során a daganatok áttétei halálhoz vezetnek. Közvetlen hatás: savak, lúgok maró hatása, CO hemoglobin inaktiválása – fulladás.
c) Primer fotofizikai, radiofizikai események, vegyszerhatás

foton  primer fotofizikai esemény  fotokémiai reakció (pl: UV-B, C hatása DNS-re - nukleotidbázisok felveszik, kovalens kötéssel ciklobután gyűrűket hozhatnak létre, azaz timin dimerizáció történik)  biológiai hatás (káros, maradandó mutáció, ebből akár daganat)

Vegyszerhatás: károsító anyag lehet aktív – közvetlen kölcsönhatás (pl: alkilező szerek); anyagcsere-folyamatok révén aktiválódhat – etilén, benzpirén; inaktiválódhat is anyagcsere révén

Károsító vegyszerek szűrése: in vitro tesztek

Aktivált vízgyökök keletkezése  Makromolekula DNS primér sérülése  károsodása  biokémiai mechanizmusok károsodása  mutáció  morfológiai változás sejtpusztulás  szervezet pusztulása

18. Ionizáló sugárzások dozimetriája
Bev: Az ionizáló sugárzás káros az emberi szervezetre, hatása azonnal jelentkezhet, vagy csak évek múltán. Szükség van olyan mennyiségre, mellyel a különböző sugárzásokat évek múltán tudjuk jellemezni. A sugárzások dozimetriája ezzel foglalkozik, csak a szervezetben elnyelt energia fontos.
a) Fizikai, biológiai dozimetria. az alkalmazások célja

Alkalmazások célja: a különböző sugárzások jellemzése a biológiai hatás szempontjából.

Dózis: gyógyszertanból átvett fogalom, a szervezetbe bevitt, tömegegységre jutó gyógyszermennyiséget jelenti.

Sugárdózis: csak a szervezet által felvett és biológiailag hatásos sugármennyiség, tömegegységre vonatkoztatjuk (az áthaladt sugárzást figyelmen kívül hagyjuk).

Azzal a töltéssel mérjük, ami elektonegyensúly esetén az egységnyi tömegű levegőben ionizáció folytán szabaddá válik Két módszer létezik, az elsőt használjuk besugárzási dózis mérése esetén:

- a töltéssűrűség a választott, levegővel telített, üregben ugyanannyi, mintha levegő venné körül – az üreg falvastagságának megfelelő, levegőekvivalens (a sugárzás elnyelődése és szóródása szempontjából a levegőhöz hasonlóan viselkedő anyagok) megválasztásával érhető el – tehát amennyi töltés a sec. elektronok kilépése miatt elvész, ugyanannyi a környezetből pótlódik, ez elektronegyensúlyra vezet.

- Bragg-Gray elv: egyáltalán nem törekszünk elektronegyensúlyra, az üregben a szekunder elektronok sűrűsége ugyanakkora mint a szövetben – igen vékony fal, vagy szövetekvivalens anyag és az üreg elég kicsi a sec. elektronok szövetben mért hatótávolságához képest, szabad vándorlás.

- Miért levegőben: egyszerű, pontos mérés, jól reprodukálható - ezért kalibrálásra használják. Másrészt a levegőben keltett ionizáció olyan sugárhatás, mely a biológiai hatásokkal (hullámhossztól függetlenül) párhuzamos. Oka: az abszorpciós állandók viszonya levegőben és szövetekben különböző hullámhosszra állandó, valamint a sugártermelésre jutó energia is független a hullámhossztól, e^-nál szövetben, levegőben 34eV. Más körülmények között ez nem mondható el, pl: a filmfeketedés kül. keménységű sugárzásoknál változatlan, biológiai hatás kül. keménységű sugárzásnál különböző, viszont a hullámhossztól függ a film feketedése, míg a biológiai hatás nem.

Gyakorlati alkalmazás: kisméretű ionizációs kamrákkal (V akár 1cm³ alá vihető, így testüregben is használható pl: rtg sugárzás közben), foton és elektronsugárzás mérése, kalibrálás és diagnosztika. Gyűszűkamra (fala az egyik szigetelten benyúló rúd az egyik elektród, a másik a mérőelektród, légtere a mérőtér) – kamrafal: anyag és vastagság megválasztása a levegő (0,6MeVig) vagy szövetekvivalencia (nagyobb E) alapján. Alsó energiatartományban fotondetektor (kamra falában elnyelt fotonok a mérés alapja) – besugárzási dózist mér, amiből következtetni lehet az elnyelt dózisra, felsőben elektrondetektor (környezetből bejutó szekunder e^-k) – szövetekben elnyelt energia. Nagyobb energiánál elektrondetektornak nevezzük, a kamrába bejutó sec. elektronokat méri, közvetlenül jutunk a szövetben elnyelt energiához.
d) Levegőben, ill. szövetben elnyelt dózis számítása a besugárzási dózisból

Levegő esetén: az elektron töltésmennyiségéből (1,6.10^-19C) következik, hogy 1 C/kg dózis 10¹⁹/1,6 elektron felszabadítása, ionpár keletkezése révén adódik. Egy ionpár 34eV (34^.1,6^.10^-19J) energiát emészt fel, tehát 10¹⁹/1,6 ionpár keltéséhez 34J energia kell  1 C/kg besugárzási dózis (X) levegő esetén 34 J/kg(Gy) elnyelt dózissal (D_lev) egyenértékű: D_lev=f₀^.X ahol f₀=34 Gy/C^.kg^-1. Mivel ez könnyen számítható széleskörűen használják.

Szövetek esetén ugyanez a fotonsugárzás nagyobb energiaveszteséget szenved a tömegabszorpciós állandók arányában, mert a szövetek elnyelőképessége nagyobb mint a levegőé - D_szöv/D_lev=_mszöv/_mlev  D_szöv=(_mszöv/_mlev)^. f₀^.X. Az elnyelés lágy szövetek esetén ~ független a sugárzás hullámhosszától.

A Bragg-Gray elv szerint (elektronsug) a tömegfékező képességek határozzák meg az elnyelt dózist szövetben (_m-el ekvivalensen).

19. Az ionizáló sugárterhelés és forrásai
Bev: Az ionizáló részecskék az élő szervezetet károsítják – direkt és indirekt módon. A töltött korpuszkulák közvetlenül, a röntgen- és gamma-fotonok, neutronok közvetve ionizálnak. A direkt hatás során a kulcsszerepű molekulában (pl: DNS) történik károsodás, míg az indirekt hatásnál a vízből keletkező hidrogénperoxid közvetítette szabad gyökök váltják ki végső soron ugyanazt az eredményt – biokémiai reakciók megváltozása, mutáció.
a) A sztochasztikus sugárhatás, egyenértékdózis, effektív dózis

Sztochasztikus hatás: véletlenszerű károsodás, mely során a sugárzás módosult szomatikus sejtet hoz létre, mely tovább szaporodhat, későbbiekben tumort kialakítva. Nem rendelhető hozzá küszöbdózis, létrejötte viszont arányos az elszenvedett dózissal, de súlyossága nem függ tőle.

Kialakulása: Aktivált vízgyökök keletkezése  Makromolekula DNS primér sérülése  károsodása  biokémiai mechanizmusok károsodása  mutáció  morfológiai változás sejtpusztulás  szervezet pusztulása

Természetes forrás, a kozmikus, környezeti és inkorporált sugárzás összege. Évente kb. 2mSv effektív dózist jelent, amit károsodás nélkül viselünk el. Ennél nagyobb sugárterhelés esetén azonban fellép a sztochasztikus hatás, esetleges daganatképződés. 1Sv dózisnövekmény 4-7% valószínűséggel okoz daganatot. Mértéke függ a környező széntüzeléses erőművektől kezdve, a tengerszint feletti magasságon át (kozmikus sugárzás) az alkalmazott építőanyagig.

Diagnosztikai és terápiás beavatkozás során is történik sugárterhelés: évi átlagos értékük 0,4-1,0 mSv/személy, mely főként röntgendiagnosztikából származik és elsősorban a fejlett országok lakóit éri. Az orvosi kezelések során az alkalmazott sugárzás már egyetlen alkalommal elérheti, sőt 3-4xére is meghaladhatja az éves háttérsugárzás szintjét – fontos tehát, hogy csak a tényleg szükséges vizsgálatokat végezzük el.

Háborús (1945, Japán) és békés (1986 Csernobil) felhasználás során is előfordulhat nukleáris katasztrófa. Egészségkárosodás szempontjából ilyenkor rövidtávon (néhány perc-óra) és helyben determinisztikus hatással (sugárbetegség), hosszú távon és nagy területen sztochasztikus hatással számolhatunk. A determinisztikus hatásskála eseményei:

1-2 Gy enyhe sugárbetegség – 2-3 órán belül hányás, fehérvérsejtszám csökkenés

2-4 Gy közepes sugárbetegség – vérlemezkék számának csökkenése vérzékenységet, a jelentős fehérvérsejtszám csökkenés a fertőzésekkel szembeni védekezés gyengülését okozza

4-5 Gy félhalálos dózis – kezelés nélkül a betegek 50%a meghal

6 Gy < halálos dózis – gyomor-bélrendszeri, idegrendszeri tünetek is megjelennek, majd halál

A nukleáris baleset súlyosságát az emittált aktivitás adja meg, pl Csernobilnél ez terra Bq-ben volt mérhető. Nagy távolságokban levegőben, vízben szállítódva a környezeti sugárzást növeli, valamint a táplálkozási láncban, belélegzett levegőben, elfogyasztott vízben felhalmozódva a jód, cézium és más középnehéz magok inkorporálódásával károsíthat.

20. Az ultraibolya sugárzás dozimetriája

UV-C (100-280nm), UV-B (280-315nm), UV-A (315-400nm), VIS (400-800nm), IR-A, IR-B, IR-C (800-10⁶nm)

-UV-A, UV-B hosszabb hullámhossztartományai a szaruhártyában és a szemlencsében nyelődnek el. Lencsehomályt (cataracta), szaruhártya-gyulladást (photokeratitis), kötőhártya-gyulladást (conjunctivitist okoznak)

-UV-C, IR-B, IR-C nem hatolnak át a szem külső részén – szaruhártya gyulladását, égési sérülését okozzák.

Bőrre gyakorolt káros hatás: függ a behatolás mélységétől, és a sugárzást elnyelő festékmolekula milyenségétől

-UV-C, UV-B rövidebb tartománya a bőr elszarusodott hámrétegében nyelődik el, amely megvéd a komolyabb károsodástól

-UV-B, hosszabb és UV-A tartományok behatolnak a hámrétegbe (0,2mmig), sőt a 400 nmes fény 40%a még az irhába is bejut, photocarcinogenesist létrehozva, rosszindulatú bőrdaganatot kiváltva.

UV-B: nukleinsavak, fehérjék, aromás aminosavak nyelik el;

UV-A: hemoglobin, karotinok, bilirubin, melanin abszorbálják

Legmélyebben az IR-A, B hatolnak a bőrbe.

Az UV-A/B/C okozta bőrpír fontos indikátora a bőr fényterhelésének (minimális erythema dózis), melyet a nukleinsavak sérülése és az ebből fakadó gyulladás okoz.

Pozitív hatás: UV hiánya viszont angolkórhoz vezet, szükséges az A vitamin előállításához, pigmentálódást okoz, ami a káros tartományokkal szemben valamelyes védelmet ad, fotoszintézis – az élet megjelenésének alapfeltétele 6H₂O + 6CO₂ + E_fény  C₆H₁₂O₆ + 6O₂.
b) A magaslégköri ózonfogyás következményei

Ózonréteg vékonyodása: UV-B sugarak fokozott átjutása (UV-Ct teljesen elnyeli), biológiai károsító hatásai érvényesülnek. Oka: légkör szennyeződése, freon, N és C-oxidok.

21. Anyagszerkezeti családok (rend, rendezetlenség), tulajdonságok

A gáztörvény akkor érvényes, ha ideális gázokat vizsgálunk: elhanyagolható molekulák közti kölcsönhatás (rugalmas ütközések), állandó, rendezetlen, egyenes vonalú, egyenletes mozgás, pontszerű molekulák.

A szilárd testek és folyadékok molekulái is állandó, rendszertelen mozgást végeznek, tehát egy testet melegíteni annyi, mint növelni molekuláinak közepes mozgási energiáját.

- élet kialakulása és fenntartása

- megfagyásakor kisebb sűrűségű, tetraéderes szerkezetű jég keletkezik, mely a víz tetején szigetel

- 4 fokon maximális sűrűség, tömör, klatrált pentagonális dodekaéder szerkezet

- nagy hőkapacitás, mivel a H-hidak felszakítása sok E igényel (csökkenti a drámai hőingadozásokat)

- nagy fajhő, a hidrogén kötések miatt

- nagy párolgáshő, felesleges hő gyorsan leadódik

- nagy felületi feszültség (sejtmembránok lipidrétegek kialakulása)

- jó oldószer (nagy dipólusmomentum) és reakcióközeg

- kötött víz: más a szerkezete, fagyáspontja alacsonyabb (sózás)

- magányos atomok, egyszerű molekulák esetén a kötött elektronok jól definiált energiaszinteken vannak, ehhez csatlakoznak a leszakadt elektronok energiatartománya

- az alkotórészek közötti kölcsönhatás miatt nem szigorúan kötöttek az e^-ok (kicserélődhetnek, főleg a vegyértékelektronok), de nem is teljesen szabadok (az alkotórészek közötti erőtérben mozognak)

- összefüggő rendszerek esetén periodikus felépítésűek

- közeli rend

- távoli rend – egész kristályokra kiterjed

A kialakult rendet a kapcsolódó atomok elektronszerkezete határozza meg és energiaminimum jellemzi, nincs tökéletes kristály. A hibák egyensúlyi koncentráción vannak. A hibakoncentráció növelhető deformálással: magas hőmérsékletről hirtelen lehűtéssel, elektromágneses vagy korpuszkuláris sugárkezelés. Ismételt felmelegítés és lassú lehűtés visszaállítja az egyensúlyi koncentrációt.

Frenkel hiba: interstícium + vakancia

Kémiai rácshibák: kristályba épült idegen atomok (rácspontokban v. intersticiálisan, egyesével v. csoportosan)

Diszlokációk (vonalhibák): mechanikai feszültség hatására jönnek létre pl: deformálással, vakanciák, interstíciumok, szennyeződések felhalmozódásával.

Éldiszlokáció: a kristályban nyomás alatt a rácssíkok elmozdulnak, egy rácssík beékelődik, a szerkezet e vonal mentén torzul csak.

Csavardiszlokáció: a diszlokációs vonal csavar alakú

Felülethibák: ezek képezik a szemcsehatárokat polikristályos anyagokban (egykristályoknál a szomszédos szemcsék orientációja kevésbé tér el).

Szabálytalanságra érzékeny tulajdonságok: diffúzió, hővezetés, képlékenység, lumineszcencia, ionvezetés, részecskék vándorlása.

22. A szerkezeti rendezettség hatása a fizikai (optikai és elektromos) tulajdonságokra
a) Elektronok energiaállapotai rendezett sokatomos rendszerekben

Magányos atomok, egyszerű molekulák: kötött elektronok, egymástól elkülönült, jól definiálható energiaszinteken; szabad elektronok, folytonos energiatartományban

Sokatomos rendszerek: periodikus felépítésű kristályok szolgálnak a makromolekulák modelljeként;

- energiasávok: az egész rendszer nívórendszere, ezeken helyezkednek el az elektronok, melyek nem szigorúan kötöttek (kicserélődhetnek), de nem is teljesen szabadok (alkotórészek közötti erőtérben mozognak)

- ha a rendszer N számú atomból áll, akkor összeépülés esetén a rácsot alkotó atomok minden egyes energiaállapota N számú nívóra hasad, ami szemléletesen úgy jelentkezik, hogy az atomok diszkrét nívói kiszélesednek.

- vannak megengedett és tiltott zónák

- az energiasávok annál szélesebbek, minél erősebb a kölcsönhatás

- alsó sávok keskenyebbek, a felsők olyan szélesek, hogy akár át is fedhetik egymást

- alapállapotban az elektronok a lehető legmélyebb energiaállapotban vannak (energiaminimum)

- gerjesztett állapotba energiafelvétellel jut az atom

- Pauli-elv: korlátozza az egy energiasávon belül lévő e^- számát

- vegyértéksáv (Valencia): legmagasabb, legnagyobb E-jú betöltött sáv, az itt lévő e^- vesznek részt a kötésekben

- vezetési sáv: részben betöltött, ill. üres energiasáv, mely az elektromos vezetést teszi lehetővé

Excitonok: ha egy kristály energiát vesz fel nemcsak a rácsrezgésekben (fonontérben), hanem elektronállapotában is változás áll be. Az elektronok és elektronlyukak külön-külön vándorolnak, mígnem rekombinálódnak. Az ekkor felszabaduló energia rácsrezgések formájában jelenik meg (fononokat kelt), ritkán foton-emissziót okoz (lumineszcencia). Olyan eset is lehetséges, hogy az elektron-defektelektron egymáshoz kötődve vándorolnak. Az ilyen pár az exciton, mely hidrogénatomhoz hasonló képződmény, csak a proton szerepét a defektelektron veszi át. Különböző energiaállapotokban lehet, de energiája csak diszkrét értékekkel változhat, az egész kristályra kiterjedő energiasávoknak megfelelően. Az excitonsávok általában lényegesen keskenyebbek, mint a kristályrács sávjai, és a tiltott sávban helyezkednek el. Nagyobb energiájú állapotoknál egyre sűrűbben helyezkednek el, és beolvadnak a vezetési sávba. Amíg az exciton nem disszociál, az elektromos vezetésben nem vesz részt. Excitonállapotok csak az ideális periodikus rácsrendszerekre jellemzők, ha hibák vannak, akkor a rácshibán lokalizálódik, nem tud szétterjedni. pl: nukleinsavak (ahol az abszorbeált energia nem terjed szét, hanem sorsát a felvétel környezete szabja meg)

Saját (intrinsic) félvezetők: a tiltott sáv szélessége kicsiny (néhány tized eV) – vezetőképességük már szobahőmérsékleten is kielégítő. Az áram két részből áll: vezetési sávban lévő elektronok elektromos erőtér hatására elmozdulnak, valenciasávban lyukakat hagynak hátra (defektelektronok), ezáltal az ott maradt elektronok számára is lehetővé válik az energiafelvétel külső elektromos térből – lyukáram, az e^-kal ellentétes irányban, pozitív töltéshordozónak tekintendők (lyukvezetés). pl: szilícium, germánium

A kristályba idegen atomok épülnek be, melyek szabad töltéshordozókat létrehozva vezetnek.

Donor: e^- adó idegen atom, növeli a vezetési sávban lévő elektronok számát, nincs lyukvezetés, mert lokális – n-típusú vezetés: 5 vegyértékű arzénnal adalékolt germánium-kristály (donorok dominálnak);

Akceptor: elektronfelvevő, növeli a vegyértéksávban lévő lyukak koncentrációját, mivel elektront vesz fel innen, ezek azonban nem vesznek részt a vezetésben, csak a lyukak – p-típusú vezetés: 3 vegyértékű indiummal adalékolt germánium (akceptorok dominálnak).

23. Makromolekulák szerkezetének vizsgálati módszerei
a) Röntgen-krisztallográfia

A röntgen krisztallográfia nagyfelbontású szerkezetvizsgáló módszer, mely lehetőséget nyújt a részletes szerkezet, a kötés hosszak és szögek meghatározására. A kromatográfia különféle változatai segítségével összetett keverékeket tudunk szétválasztani.

Képalkotása fény helyett elektronszóródáson alapul. Két fő típusa van: TEM, SEM.

Az objektív lencse készíti az első képet (nagyított, valódi), a második lumineszkáló ernyőn/fényképező lemezen jelenik meg (nagyított, valódi). A kép az elektronszórás mértékétől függően lesz kontrasztos. Feloldóképessége 3 nagyságrenddel jobb mint a FM-é. (d_min:0,2nm). Az összefüggések itt is érvényesek, de az elektronnyaláb anyaghullámhosszával számolunk, mely fordítottan arányos az elektronok sebességével. Noha a hullámhossz 5 nagyságrenddel kisebb, a metszet vastagsága, minősége és a kis numerikus apertúra () miatt csak 3 nagyságrenddel lesz jobb a felbontás.

Szupermikroszkóp: részecskegyorsító, olyan gyors elektronokat hoz létre, melyek anyaghullámhossza még a protonok, neutronok méreténél is kisebb – így fedezhették fel a kvarkokat.

SEM: elektronlencse segítségével fókuszált, tűszerű e^-nyalábot futtatnak végig a vizsgálandó objektum felületén. A nagysebességű e^-ok secunder e^-okat gerjesztenek, melyek száma pontonként eltérő. Felerősített elektromos jelként azután modulálják egy monitor elektronnyaláb intenzitását, azaz a monitor nyalábját szinkron futtatják az e^- nyalábbal, a kép a szekunder elektronok eloszlását tükrözi. Nagyítása és feloldóképessége kisebb, mint a TEMé, de a kép szép és plasztikus. A képalkotásban nincs szükség lencsékre. Röntgensugár mikroanalízisre is alkalmas: elektronnyaláb segítségével a mintából karakterisztikus rtg-sugárzást váltanak ki, és vizsgálják ennek spektrumát. Az elemek minőségi, mennyiségi viszonyaira, lokális változásikra lehet következtetni.

STM (scanning tunneling microscope): fémek felületét alagútelektronokból álló elektronfelhő burkolja. Elektromosan vezető felületű minták felületi domborzata vizsgálható vele. Külső elektronforrásra tehát nincs szükség, biológiai struktúrákra néhány nm fémet rápárologtatnak. Fémtű letapogat, a tű és minta közé néhány mV feszültség – alagútáram jön létre, az erősödés-gyengülés érzékelésével a távolságot érzékeli, visszacsatolva a tű követi a domborzatot (néhány nmrel fölötte) – piezokristály segítségével. A pásztázás végén a vonalrendszer atomi részletességű domborzati képet rajzol ki. Feloldás század nm nagyságrendű.
c) A diffrakciós módszerek alapelve és áttekintése

Diffrakció: Ha röntgensugárzás esik atomokra, ezek elektronjain a sugárzás szóródást szenved és az atomok minden irányban változatlan frekvenciájú röntgenfényt sugároznak. A szóródásból hulláminterferencia jön létre – erősítés, kioltás. Az átvilágított anyag mögött a fotolemez az erősítés helyén feketedést mutat. Annál erősebb minél nagyobb a rendszám (több elektron). Az elhajlási képekből információ nyerhető az atomok elektronburkának, méretéről, alakjáról és sűrűségeloszlásáról – ezekből pedig a kötésviszonyok következnek.

Az elektronok atommagokon (nehezebb) szóródnak és nem hatolnak mélyre, elhajlási kép keletkezik – felületes rétegekről adnak információt (pl: katalizátorok, abszorbens rétegek), kiegészíti a röntgen-vizsgálattal szerzett információt.

AFM: (erődomborzat) a minta felületi atomjainak és egy tűszerű szonda (fém, kvarc vagy szilíciumnitrid) csúcsának atomjai közötti vonzó-taszító erők érzékelésén alapszik. A tű finom lemezrúgója segítségével követi a felület erődomborulatait, mozgásait elektronika feldolgozza. Az atomok közötti erők változásának mérésével ad képet a felületről. Nagyon érzékeny, 10^-12N nagyságú erőt is képes érzékelni (ionköt 10^-7, London 10^-12). Alkalmazható: vákuumban, levegőben, folyadékban vagy natív környezetben lévő mintákvizsgálatára pl: DNS, fehérjék, vérrögképződés, vírusbehatolás.

Számos-modell, ill. egy modell többféle megoldása kipróbálható anélkül, hogy a vizsgált rendszert extrém kísérleti feltételeknek kellene kitenni, melyeket biológiailag nem bír elviselni. Másrészt nagyszámú, drága, nehezen végrehajtható kísérlet oldható meg rövid idő alatt, olcsón (pl: gyógyszerészet).

24. A Boltzmann-eloszlás és hatása az élő anyag szerkezetére
a) A fizikai törvény megfogalmazása

Valamennyi sokrészecskés rendszer egyidejűleg alá van vetve rendezetlenséget előidéző (hőmozgás) és rendező hatásoknak (különböző erőterek). A kettő egyidejű létezése alakítja ki a rendszerben a termikus egyensúlykor megvalósuló részecskeeloszlást (Boltzmann eloszlás).

Az enzimek új reakcióutat jelentenek, mivel csökkentik az aktiválási energiát – mindkét irányban.

25. Mezomorf állapot, folyadékkristályos struktúrák
a) Folyadékkristályok általános jellemzése, osztályozása

Olyan állapot, amely közbülső helyet foglal el a folyadék és kristály-állapot között. A közönséges folyadékok valamennyi tulajdonságukat illetően izotrópok, a kristályok viszont több vonatkozásban is mutathatnak anizotrópiát (dielektromos állandó, optikai törésmutató).

A mezomorf állapot: anizotrópiát mutató folyékony fázis – kristályos folyadék\anizotróp folyadék\folyadékkristály. Mivel a molekulák nem gömbszimmetrikusak (rúd, fonál), nemcsak a tömegközéppontjaik elrendeződését (transzlációs rend), hanem irány szerinti (orientációs rend) elhelyezkedésüket is figyelembe kell venni. Rendezettségük alacsonyabb a szilárd-, magasabb a folyadékfázisnál.

Osztályok: termotrop – hőmérséklet változás hatására alakul mezomorffá, liotrop – több komponensű rendszerek, rendezettség a koncentrációs arányoktól függ, amfifil molekulák vizes oldatai (szappanoldat, nukleinsavak).

Elrendeződés: szmektikus – tkp közel egyenlő távolságra levő síkokban, egy síkon belül rendezettek), molekulatengelyek általában síkra merőlegesen, de lehet ferde is; nematikus – hosszúkás molekulák párhuzamosan helyezkednek el, tkp nem egy síkban, hossztengelyük irányában is elmozdulhatnak; koleszterikus – koleszterinnél fedezték fel, csavart nematikus, hosszanti tengely síkonként párhuzamos, spirálszerűen rendezett, de az egymás feletti síkokban a molekulák hossztengelye el van fordulva egymáshoz képest.
b) Termotróp folyadékkristályok alkalmazása (termooptikai- és elektrooptikai jelenség)

Elektrooptikai jelenség: a nematikus folyadékkristály molekulái elektromos dipólusmomentummal rendelkeznek, ezért elektromos erőtér segítségével irányuk változtatható, rendezhetők, forgathatók. Az ilyen változtatások az optikai áteresztőképesség megváltozásával járnak – az elektromos jelet fényjellé lehet alakítani. pl: LCD

Termooptikai jelenség: koleszterikus anyagból készült filmek színe hőmérsékletváltozás hatására megváltozik. Megváltozik ui. a spirális elrendeződésben a spirál menetmagassága, és ennek következtében a reflektált fény színe is, mivel a visszaverődő sugarak interferálnak. A filmet a testfelületre helyezve kimutathatók akár tizedfokos hőmérsékletkülönbségek (inhomogenitások) is. Kontakt termográfia: homlokhőmérő.
c) Membránok, mint folyadékkristályok (szerkezet, szerkezeti hibák és szerepük a működésben)

Szerkezet: Membránlipidek – foszfolipidek (poláris) és koleszterin (apoláris), valamint membránfehérjék (mennyiségileg és összetételileg változó poláris és apoláris ASakból).

A lipidmolekulák egymás között van der Waals kölcsönhatásokat alakítanak ki. A hidrofób részek a membrán belsejében, a poláris csoportok a vízmolekulák felé fordulva helyezkednek el – lipid kettősréteg.

A fehérjék erősebb (elektrosztatikus) és gyengébb (vdW) kötést egyaránt kialakíthatnak egymással, és környezetükkel; átérhetik (integráns) a membránt vagy csak kötődhetnek hozzá (perifériás).

Alapvetően ezen két elem kettős (poláris és apoláris) amfifil tulajdonsága határozza meg szerkezetüket – mely változó szerkezetű, folyadékkristályos. Ezen elrendeződés nagy elektromos ellenállást és kapcitást jelent. A fehérjék eltérő mélységben való elhelyezkedése adja a folyékony mozaik modellt.

Intramolekuláris:

Intermolekuláris:

Hibák kialakulhatnak még nyomás és vegyhatás következtében is.

Liotróp molekulák által kialakított lipid kettősrétegből álló gömbök, melyek belseje vizet tartalmaz. Kis lipidtartalom kedvez a kialakulásuknak. Lamelláris szerkezettel bírnak, a harántcsíkolt izomzat A (szmektikus) és I (nematikus) csíkjaiban egyaránt, valamint a sejtmembránokban találjuk meg őket. Csoportosításuk:

- szerkezet alapján: multilamelláris (MLV), hatóanyag különböző időben jut ki; unilamelláris (SUV small, LUV large)

- funkció alapján: konvencionális pl: macrophag bekebelezése; stabilizált: lopakodó, ezért nem tűnik ingernek, hosszabb életidő; immunoliposzóma: felületén antitestek, adott célsejthez köt.

Különböző molekulákat zárnak bele (gyógyszer, DNS).

Felhasználása: diagnosztikai készítmények (rtg kontrasztanyag, radioaktív izotóp); terápiás szerek (antibiotikum, tumorellenes szer, helyi készítmények)

Előny: célzott, egyszerűbb bejuttatás (membrán összetétele ~ célmembránnal), kevesebb mellékhatás, kisebb dózis.

26. Optikai mikroszkópia, speciális fénymikroszkópok

A mikroszkópban csak akkor keletkezik kép, ha legalább az elsőrendű mellékmaximum bejut az objektívbe. Ha a tárgy és objektív között nem levegő van, akkor a közeg törésmutatóját is figyelembe kell venni. d=/n^.sin képlet megadja két legközelebbi még megkülönböztethető tágypont távolságát. Tapasztalat alapján: =0,61^./n^.sin ahol  a feloldóképesség reciprokával egyenlő.