1 - Biyofizik Biyofizik Ders Kitabı Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 1 O O Beni bugüne getiren tüm canım aileme.Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 2 Tüm hakları kitabın yazarına aittir. Yazarın izni alınmadan bu yayının herhangi bir kemsi kopyalanamaz ve hiçbir çoğaltma cihazı ile çoğaltılamaz, fotokopisi çekilemez. Mahkemelik durumlarda yazarın belirleyeceği mahkemeler yetki sahibidir. Kayseri, 2010. Baskı – Yayınevi : Kardeşler Matbaası Mustafa D çer Yenidoğan Mah. Matbaacılar Sit. 7. Blok No: 76 Tel: 0352 331 61 00 info@kardeslerofsetmatbaa.com Kayseri, 2010 ISBN: 978-605-61221-3-2 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 3 T.C. Erciyes Üniversitesi Tıp fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı Yayınları, Yayın No: 4 Prof Dr. Yusuf Caner Tıp Fakültesi Öğretim Üyesi Kayseri, 2010 ISBN: 978-605-61221-3-2 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 4 Önsöz: Lisans öğrenimimi tamamladıktan sonra, Federal Almanya’ya MEB adına 1456 sayılı kanun gereğince doktora yapmak için gittim. Yedi yıl boyunca eğitim-öğretim ve araştırmalara aktif olarak katıldım. Bu süre zarfında hem mastır, hem doktora, hem de doçentlik çalışmalarımı yaptım ve batının bu günkü kalkınmasını sağlayan eğitim ve öğretim sistemini yakından inceleme fırsatını buldum. Ülkeme büyük bir heves ve gururla döndüm. Düşünmüştüm ki, elde ettiğim donanımla vatanımın kalkınmasına katkıda bulunabileceğim. 1980 den bugüne bu duyguyla olanca gayretimle çalıştım, çabaladım, ama maalesef edindiğim bilgi birikimini kullanma fırsatını nedense bir türlü elde edemedim. Her seferinde çeşitli engellerle karşılaştım. Devamlı olarak yetkililer tarafından önüm tıkandı. Benim öğrencilerimin birçoğu profesör oldu, hatta onların öğrencileri de profesör oldu ama benim hiç laboratuarım olmadı. Hiç kadrolu elemanım olmadı çünkü bölümüme hiç kadro verilmedi. Bundan ben değil vermeyenler mesul... Bu arada kadro vermiyorlar demedim hep bekledim hep istedim, yine de verilmedi ama ben boş durmadım açıklığı ders kitaplarımı hazırlamada kullandım. Ülkemin eğitime susamış genç nesiller mezarlığının nedenlerini araştırdım. Gördüm ki, ülkemde çocuklarımız daha ilköğretimden itibaren bir yarış temposuna sokulmaktadır hem de yanlış bir hedef ve malzemeyle. Nasıl mı? Öğrencilerimize; özenilen, hedef tutulan, batıda olduğu gibi bilgi ve becerileri doğrultusunda bir öğrenim fırsatı sunulmamaktadır. Daha ziyade anne-babanın ve/veya çevrenin önerdiği fakat öğrencinin beceri ve kabiliyetinin hiç dikkate alınmadığı, kendini seçkin sanan kişi veya kişilerin sponsorluğununa soyunduğu “sözde gözde okul” veya “ünlü yüksek öğrenim kurumu” tercih edildiğinde ve bu eğitim kurumlarından güdümlü ve çeşitli desteklerle diploma alındığında her şeyin halledileceği sanılmaktadır. Bu sanal yarışta kullanılan “maddi güç” ve/veya “ezber mekanizmasıdır”. Dolayısıyla söz belirlenen ders veya derslerin o günkü sınavını başarabilmek için konular ezberletilmektedir. Niçin? Nasıl? Sorularına cevap vermek hiç mi hiç düşünülmemektedir. Sınav günü veya haftası geçtikten sonra her şey sanki bilgisayarın geçici belleğine yazılan bilgilerde olduğu (elektrik gücü kalktıktan sonra olduğu) gibi yok olup gitmektedir. Şöyle ki, daha sonra ezberlendiği sanılan bilgilerden her hangi bir şey geri dönüşüm için sorulduğunda “bize böyle bir şey anlatılmadı, müfredatımızda bu konular yok ki” gibi anlaşılması güç savunma mekanizmasına bile başvurulmaktadır. Güdümlü ve her şeye rağmen ezberleyerek kendi kapasitesine uygun olmayan, fakat her ne olursa olsun çevre baskısıyla kazanılan yüksek öğrenime başlayan bu tür öğrenciler; yanlış seçimden dolayı, öğrenim yılının ilk dönemlerinden itibaren başarısız olmaya başlamaktadır. “Tabii bunun sonucu olarak da binlerce genç, dinamik potansiyel” yok olup gitmektedir. Bundan kim kaybetmekte? Tabiî ki ülke. Kim kazanmakta? Kim olacak gelişmiş ülkeler. Önerilen ezberleyerek öğrenme ilkesi sonucu, ilköğretim, lise ve yüksek öğrenimde dahi öğrencilerimize “Analiz ve Sentez” yapabilme becerisi hiç mi hiçbir zaman kazandırılamamaktadır. Yüksek öğrenim öncesi belirli kalıp, formül ve test tekniklerini ezberleyerek yüksek öğrenime gelen öğrenciler, gözlemlerime göre bilhassa tıp ve diş hekimliği öğrencileri, lisans derslerinde çok başarısız bir duruma düşmektedir. Lisans öncesi, kazandırılan “hemen sınavdan önce ezberleyip başarma metodunu” yüksek öğrenimde de uygulanmaya çalışılmaktadır. Fakat şurası hiç unutulmamalıdır ki, konuların kapsamı nedeniyle, sabahlara kadar uykusuz kalarak her şeyi ezberlemeye çalışmalarına rağmen, ezberleme sırasında bütün konular birbirlerine karıştırılmaktadır. Bu yolu seçen öğrenciler kendisinden sorulandan çok, o anda ezberinde olan Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 5 belki de kendi için de anlamlı olanı, sorunun cevabı kabul edip yazmaktadır. Bütün sorulara cevap yazmama rağmen düşük not aldım diye yakınıp durmaktadır. Bunun direk sonucu olarak da, başarısızlıktan dolayı daha ön lisans döneminden itibaren, ruhsal ve diğer bir çok çöküntüler” ortaya çıkmaktadır. “Böylece geleceğimizin teminatı olan binlerce genç potansiyel zayi edilmektedir”. En değerli varlığımız olan çocuklarımızı bilimin öncülüğünde; barışın, sevginin, umudun ve kardeşliğin temsilcileri, insan haklarına saygılı bireyler olarak toplumsal ve evrensel barışın korunması için çaba gösteren özgür düşünceli, kendi başına karar verebilen, sorgulayan, sentezleyebilen, hayatın güçlükleriyle baş edebilecek ölçüde donanımlı ve yetenekli, becerili gençler olarak yetiştirilmeleri temel amaç olmalıdır. Bu nedenle Yüksek Öğretim Kurumlarına da büyük görevler düştüğü unutulmamalıdır. Bizlere düşen görev geleceğimizin mimarları olan çocuklarımızın, topluma faydalı bireyler olmasını sağlamaktır. Üniversitelerimizin tıp ve diş hekimliği fakültelerine sınav sistemi gereği, fen puanına göre öğrenci yerleştirilmektedir. Oysa örnek alınan gelişmiş ülkelerde; fen dalında eğitim öğretim ve araştırma yapan yüksek öğrenim kurumlarında: Yapılan her teorik ders saati başına, iki katı uygulama yaptırılmaktadır. Böylece öğrencinin becerisinin geliştirilmesi sağlanmakta ve deney/uygulama sonuçlarının yorumlatılmasıyla da analiz ve sentez yapabilme becerisi sağlanmaktadır. Biz de ise bu ya hiç yapılmamakta ya da kısıtlı imkânlar çerçevesinde, yapılıyormuş gibi davranılmaktadır. Diğer taraftan öğrencilerimizin çoğunluğu: “Ben meslek lisesi mezunuyum, bana yüksek öğrenim öncesi eğitim ve öğretimim sırasında, matematik, fizik, kimya vb. gibi fen dersleri yeterince hatta hiç verilmedi” şeklinde anlaşılması güç gerekçeler ileri sürülmektedir. “Fakat şurası hiçbir zaman unutulmamalıdır ki, haklı veya haksız bu gençler bizim çocuklarımız ve geleceğimizdir”. Ben inanıyorum ve biliyorum ki, çocuklarımızın ellerinden tutulup, azda olsa doğru yolu gösterip yardım edilir ise, bu söz konusu potansiyel zayi edilmeyip kazanılacaktır. Bir başka önemli husus da, “ÖĞRENCD HOCASI KADAR BD LD RSE YETER” felsefesini kabul edemiyorum. “öğrencinin her zaman öğreticisini geçmesi gerektiğine inanıyorum”. Bu çıkmazdan ne yapıp yapıp kurtulmak lazımdır. Yukarıda bahsettiğim nedenlerden dolayı; bu öğrencilere az da olsa karınca kararınca yardım edebilmek, onlara yol göstermek, bir ışık tutmak, analiz ve sentez formasyonunu kazandırabilmek amacıyla, yüzlerce güncel kaynaklardan faydalanarak öğrenci ders kitabı yazmaya karar verdim. Birçok hata ve eksiklilerimin olacağını tahmin ettiğim birbirini takip eden: 1. Fizik-I (Mekanik), 2. Elektrik ve Elektrodinamik, 3. Biyofizik, 4. Biyofiziğin Temelleri, konularını kapsayan dört adet ders kitabını baskıya hazırladım. Dilerim ki, muhtemel hataları, orijinal araştırmaları ile bizzat kendi öğrencilerim tespit eder ve böylece kitaplarımı antikalaştırırlar. Bu söz konusu kitaplarımın hazırlanmasında: a. 1981 yılından beri tıp ve diş hekimliği fakültesi öğrencilerine anlattığım müfredat programı ön planda tutulmuştur. b. Bu son kitabımın çerçevesi daha geniş tutuldu ve diğer bilim adamlarının da başvurabileceği daha geniş konulara da yer verildi. Tıp ve diş hekimliği öğrencileri kitabın müfredatın elverdiği kadarını kullanacaklardır. Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 6 c. Problemlerin çözümünde mümkün olduğunca teferruattan kaçınıldı ve verilenler- istenenler belirlenmiştir. Sebep-sonuç ilişkisine uyulmuştur. d. Birim sistemi olarak SI (System International) sistemi kullanıldı. Gerekli durumlarda CGS sistemi ile olan ilişkiler veridi. Fizikte veriler uygun şartlarda değerlendirilir ve her şarta uygun bir sonuca gidilir. Bu cümleden olarak bir hekim ne yapmak istediğini çok iyi bilmelidir. Bunu da hastasının hikâyesini dinleyerek tespit edecektir, zira bu onun için verileri oluşturacaktır. Gözden kaçan, dikkat çeken çok küçük bir bilgi/veri dahi, çok önemli olabilir. Fizikte ancak uygun şartlar altında, uygun veriler kullanılması doğru çözüme götürdüğü gibi, hekim de teşhis ve tedavi için gerekli olan tüm verileri, hastasının ve kendisine sunulan teknolojini yardımıyla elde eder. Biyofizik dersi çağdaş ülkelerde bilhassa fen bilimleri ile sağlık bilimlerinde öğrenim yapan lisan üstü eğitiminde verilmektedir. Ülkemizde ise lisan programı içinde verilmektedir. Yüksek Öğretim Kurumu YÖK tüm tıp fakültelerinde Biyofizik bilim dalı veya Biyofizik Anabilim Dalının kurulmasını öngörmüştür. Fakat tüm tıp fakültelerinde, öğretim üyesi eksikliğinden dolayı, henüz Biyofizik Anabilim Dalarlı açılmamıştır. Biyofizik Anabilim Dalı olan tıp fakültelerinde, biyofizik dersi bu anabilim dalı tarafından verilmektedir. 1981 yılından beri tıp fakültesinde önceleri medikal fizik ve bilhassa 1983 yılından itibaren de hem diş hekimliği fakültelerinde hem de tıp fakültelerinde sıra ile: { (Kayseri Üniversitesi: (1981-1983), Atatürk Üniversitesi: (1983-1993) ve Erciyes Üniversitesi: (1993-….) } 1. ve 2. sınıf öğrencilerine kurucu anabilim dalı başkanı olarak biyofizik derslerini vermekteyim. Çağımız bilim ve teknoloji çağıdır. Sağlık bilimleri de bu teknolojiyi yakalamak ve sahip olmak zorundadır. Federal Almanya’da araştırmalar yaptığım yedi yıl boyunca bu ve benzeri birçok konulardaki teknolojik gelişmeleri bizzat müşahede ettim. Memleketime döndükten sonra ilk görevime Kayseri Gevhernesibe Tıp fakültesinde başladım. Vatandaşlarıma faydalı olabilmek gayesi ile uzun, yorucu ve zor bir seri çalışma temposu gerektirmesine rağmen, bu konuda yazılmış olan yüzlerce kaynaklardan faydalanarak (bkz. kaynak listesi) tıp ve diş hekimi öğrencilerinin öğrenim hedeflerine uygun olarak kitap yazmaya karar verdim, böylece dört kitap tamamladım. Bunların sonuncusunu Biyofiziğin Temelleri olacak şekilde oluşturdum. Memleketimizde birçok üniversitenin tıp fakültelerinde biyofizik dersi ön görülmesine rağmen, Türkçe yazılmış biyofizik ders kitabı veya kaynak kitap türü hemen hemen yok denecek sayıdadır. Bu açıklığı doldurabilmek için kitabımı yazarken bütün tıp fakültelerinde verilen dersleri integre edecek şekilde kitabımı değişik bölümlere (23 bölüm) ayırdım. Her bölümü birçok şematik şekillerle açıklamalı olarak sundum” Kullandığım şematik şekiller, her ne kadar gerçek değerleri vermese de gerçeği yansıtmaktadırlar. Yüksek Öğretim Kurumunun çerçeve yönetmenliğinde bu derse ayrılan ders saati süre bakımından yeterli olmadığından, yazmış olduğum kitap biraz kapsamlı oldu. BU nedenle biyofizik ve yakın alanlarda lisans sonrası eğitim, öğretim ve araştırma yapacak olan araştırmacılara da ışık tutacaktır. Konular lisans seviyesindeki öğrenciler için kapsamlı olmasına rağmen, öğrencilerimize daha faydalı olabilmek amacıyla, kolay anlaşılabilir ve takip edilebilirliği sağlamak için elde edilen denklemler her bölüme ait olmak üzere ayrı ayrı numaralandırıldı. Dikkat çekmesi açısından şekiller ana metinden ayrı bir yazı sitili ile sunuldu. Her şeklin altına yeterli açıklamalar yapıldığı gibi metin içinde de genişçe gerekli tüm ayrıntılar anlatıldı. Ne yazık ki, fakülte imkânlarımız elvermediği için birçok deneyin uygulamalı olarak yapılması mümkün olmadı. Asında teorik derslere beraber kitapta sunulan deneyler de uygulamalı olarak yapılabilse, öğrencilerimizin hem becerileri hem de başarı durumları yükselecektir. Biz kendi öğrencilerimize bu yazmış olduğum kitaptaki bilgilerin birçoğunu aynen, bir kısmını da özetleyerek anlatmaktayız. Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 7 1983 yılı kasımından beri Atatürk Üniversitesi Tıp ve Diş hekimliği fakültesi, 1993 yılı şubatından sonrada Erciyes Üniversitesi 1. ve 2. sınıf öğrencilerine anlattığım dersleri bir ders kitabı halinde hazırlanmasında, geceli gündüzlü tüm sıkıntılarıma katlanan eşim Zir. Müh. Şengül CANER’e (öğretmen), oğlum Burak Furkan CANER ve kızım Hazel Özben CANER’e bana gösterdikleri sabır ve fedakârlıklarına teşekkürü bir borç kabul ediyorum. Yazılı metinlerin yazım hatası açısından kontrolünde bazı bölümleri okuyan; doktora ve yüksek lisans öğrencilerime de yardımlarından dolayı teşekkür ederim. • Doğruluğuna inandığınız (bildiğiniz) her şeye, tam olarak inanınız ve sahip çıkınız. • Gördüğünüzün yarısını, duyduğunuzun hiç birini, gerçekmiş gibi değerlendirmeyiniz (algılamayınız), mutlaka doğrulayınız! • Gerçek yalnız ve ancak tektir, hiç kimse gerçeği tam olarak bulamayacaktır. Gerçeğe en çok yaklaşan, en az hata yapandır. En az hata yapan ise, en başarılı olandır. • Kendisine saygısı olmayan, sevgi-saygı bekleyemez ve başarılı da olamaz. • Ne yapayım diye düşünmek, niçin yaptım diye pişman olmaktan daha iyidir. • D lim âleminin en büyük düşmanı hata ve yanlıştır, nerede ve kim tarafından bulunursa hemen düzeltilmelidir. • Unutma ki, her zaman senden daha iyiler de bulunur. Prof Dr. Yusuf CANER Erciyes Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim dalı Kurucu Başkanı Kayseri 2010 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 8 Aşağıda listelenen konu içerikleri ve özet bilgiler ışığı altın öğretim yapılacaktır. D çindekiler Bölümler Konu Sayfa 1.Bölüm Biyomedikal Fiziğin Temelleri 1 Genel Öğrenim Hedefleri 1 Niçin Biyomedikal Fizik? 2 Medikal Fizik Nedir? Biyofizik Nedir? 2 Fizikle D lgili Büyüklükler Ve Birimleri 4 Fizikle D lgili Büyüklük 4 Cebirle D lgili Sembolleri Nasıl Kullanırız? 4 Skaler Büyüklükler, Vektör Büyüklükler 4 D ndisleri Nasıl Yazarız? 5 Üsleri Niçin Kullanırız 5 Boyut Ve Büyüklük Türü 5 Fizikle D lgili Bir Büyüklüğün Boyutu Ve Birimi 5 Temel Büyüklükler Ve Türetilmiş Büyüklük Türleri 6 Fizikle D lgili Olan, Skaler Ve Vektör Alan 8 Temel Birimler 8 Ölçüm Belirsizliği Ve Ölçüm Hatası 13 Verilen Bir Fonksiyondan, (Bağıntıdan) Hareketle Hata Hesabı 13 Yaklaşık Değer Ve Mutlak Belirsizliğin Belirlenmesi 14 D ki Terim Toplamının Karesi 14 D ki Terim Toplamının N.D nci Kuvveti 14 D kinci Derece Denklemler 15 Daire Fonksiyonla 16 Türev Kavramı 19 Bilinmesi Gereken Özel Fonksiyonların Türevleri 21 D ntegral Hesap 21 Bilinmesi Gereken Özel Fonksiyonların Belirsiz D ntegralları 22 Bazı Önemli Seri Açılımlar 23 Determinantlar 24 Yaklaşık Değer Ve Mutlak Belirsizliğin Belirlenmesi 24 Vektörler 31 Tanım 31 Vektörlerin Dş aretli Toplamı 32 Paralel Kenar Metodu 33 Üçgen Metodu 33 Vektörlerin Çarpımı 33 Vektörlerin Skaler Çarpımı 34 Kosinüs Teoremi 35 Vektörlerin Vektörel Çarpımı 36 2.Bölüm Fiziğin Tıpta Uygulama Alanları 40 Mekanik 40 Eylemsizlik Prensibi 40 Dinamiğin Temel Prensibi 40 Etki – Tepki Prensibi 41 Kuvvetlerin Paralel Kenar Yöntemiyle Toplanması 41 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 9 Hareket 42 Dönme Momenti 44 Basit Kaldıraç Prensibi 45 Anatomiden Misaller Verelim 46 Biyomekanik 49 Materyal 49 Bağ Dokusu 49 Kıkırdak 50 Kemikler 50 Dirsek Ekleminde Kaldıraç Kuvvetleri 51 D skeletin Yüklenmesi 51 Elastiklik 52 Bir Kemiğin Bükülmesi Ve Kırılması 53 Bir Boru Şeklindeki Kemiğin Kırılması 54 Tibia Kırığı; Makaslama 55 Bir Kemiğin Torsiyon Yükü 55 Akışkan Ortamların Mekaniği Hidrostatik (Durgun Sıvılar) 57 Sıvıların Dış Yüzeyleri 57 Basınç 57 Ağırlık Basıncı 57 Kaldırma Kuvveti 59 Düzgün Dairesel Hareket 59 Açı Hızı (Ani Açı Hızı) 60 Açı D vmesi (Ani Açı D vmesi) 60 Şimdi De Düzgün Daire Hareket Prensibini Türetelim 61 Düzgün Daire Harekette D vme 62 Merkez Kaç Kuvveti 63 Ultrasantrifüj Ve Molekül Ayırımı 63 Sedimantasyon Hızı D le Sedimantasyon Sabiti S’nin Tayini 67 Sedimantasyon Sabiti 67 3.Bölüm Akışkan Ortamların Mekaniği 69 Kaldırma Kuvveti 69 Hidrodinamik D deal Sıvılar 70 Süreklilik Denklemi 70 Enerji D fadesi- Bernoulli Denklemi 71 Magnus -Etkisi 73 Gerçek Akışkanlar 73 Girdapsız Akım 73 Viskozite 74 Hagen-Poiseuille Kuralı 74 Akım Ağı 75 Boruların Seri Bağlanması 75 Boruların Paralel Bağlanması Hali 76 Stokes Kuralı 76 Kan Çökeltme 77 Girdaplı Akımlar 77 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 10 Reynold-Sayısı 78 Reynold-Sayısı Ve Benzerlik 79 Yüzey Gerilimleri Ve Yüzey Enerjileri 79 Tıbbi Önemlilik 80 Minimal D ç Basınç 81 Tıbbi Önemlilik 82 Islatma, Adhezyon, Kohezyon 82 Kılcallık 83 4.Bölüm Elektrostatik 85 Elektrik Yük Miktarının Birimi Ve Yüklü Cisimler Arasındaki Kuvvet Etkileşmeleri 88 Elektrik Alanı 93 Düzgün Elektrik Alanı 98 Merkezcil Elektrik Alanı 102 Elektrik Kutuplaşma 106 Elektrik Potansiyel Farkı 107 Kaynaktan Çok Uzak Bölgelerdeki Elektrik Alanları:(Çok Kutup Alanları; Birden Çok Kaynak Yüklerin Alanı) 111 Kapasite 114 Etkiyle Elektriklenme 116 Etkiyke Elektriklenmenin Kullanımı, Kondansatörler 117 Küre Kondansatörler 121 Silindirik Kondansatörler 122 Paralel Tel Kondansatör 122 D zolatörlerdeki Elektrostatik Alan: (D letken Olmayan Materyallerdeki.) 123 Dielektriklerde Kuvvet Etkileşimi: (Dielektriksabiti) 124 Dielektriklerin Kapasitesi 125 Dielektriklerin Polarizasyonu 129 Elektrostatik Alanda Kuvvet Etkileşmesi Ve Elektrik Enerji D fadeleri 134 5.Bölüm Manyetostatik 136 Manyetik Alan 138 Manyetik Potansiyel 140 Manyetik D ndüksiyon 142 Manyetik Suszeptibilite 143 6.Bölüm Zamanla Değişmeyen Doğru Akımlar 145 Homojen Bir D letkende Elektrik Akımı 147 Elektrik Akımı Ve Potansiyelinin Ölçümü 151 Elektromotor Kuvvet 152 Akımın Kollara Ayrılması 154 Düğüm Kuralı 154 D lmek Kuralı 154 D çinde EMK.Ler Bulunmayan D lmek 155 D çinde EMK’ Lerin Bulunduğu D lmek 155 Dirençlerin Seri Bağlanması 156 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 11 Dirençlerin Paralel Bağlanması 156 7.Bölüm Sabit Akımların Elektrik Alanı 162 D çinden Akım Geçen Bir Doğru Telin Manyetik Alanı 162 Sonsuz Uzunluktaki Doğru Bir D letkenin Dışındaki Manyetik Alan Ve D ndüksiyon 166 Sonsuz Uzunluktaki Doğru Bir D letkenin D çindeki Manyetik Alan Ve D ndüksiyon 167 Manyetik Potansiyel 167 Kritik Hız 168 D letken Doğru Tel 169 D letken Bir Çemberin Manyetik Alanı 170 Elektromıknatıs 172 8.Bölüm Manyetik D ndüksiyon Olayı 176 Karşılıklı D ndüksiyon Ve Özindüksiyon 181 D çinde Direnç Ve D ndüktör Bulunan Seri Devre 184 D çinde Direnç Ve Kondansatör Bulunan Seri Devre 187 Alternatif Akımlar 189 D çinde R Ve L Seri Bağlanmış Bir Alternatif Akım Devresi 195 D çinde R Ve C Bulunan Alternatif Akım Seri Devresi 198 RLC-Seri Devresi 200 9.Bölüm Dalga ve optik 203 Dalgalar 203 Dalgaların bazı genel özellikleri 205 Yansıma 205 Kırılma 205 Röntgen ışınlarıyla yapı analizi 205 Giriş 205 Girişim 206 Tek bir atomda kırınım 209 Çok ışınlı girişim; Girişim spektrometresi 209 Difraction'un Temel Etkileri 212 Fraunhofer Kırınımı ve Fourier transformationu 216 Optik Cihazların Ayırım/çözüm gücü 217 Bir dürbünün ayırım gücü 217 Gözün ayırım gücü 218 Mikroskop için ayırım gücü 218 Prizma spektral aparatının ayırım gücü 220 D ki ve üç boyutlu ağlarda kırınım; Röntgen ışını kırınımı 220 Frekans kayması 223 Harmonik dalgalar 223 Ses dalgaları, Akustik 224 Absorbsiyon 224 Sınır yüzeylerde ses dalgaları 225 Serbest uçta yansıma 226 Sabit uçta yansıma 226 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 12 Ses hissi: Empedans 226 Frekans analizi, Corti Organı 227 Weber-Fechner Kuralı 228 Ses şiddeti, ses kesafeti şiddeti 228 Akustiğin diğer kavramları (vuru, ton, seda, gürültü) 229 Ton, seda, gürültü 230 Optik 231 Bir mercek yardımıyla resim elde etme 231 Yansıma ve Kırılma, Mercekler 233 Merceklerde görüntüleme hataları 236 Bilinmesi gereken hatalardan bazıları 236 Küresel hata, (açıklık hatası) 236 Renk kayması hatası 237 Astigmatismus (odaksızlık) hatası 237 Astigmatismus (optik) 237 Astigmatismusun kaynakları 237 Üçüncü dereceden resimleme hatası 238 10.Bölüm Elektromanyetik Enerji, (Elektromanyetik Dalga) 240 Elektromanyetik enerjinin kaynakları 241 Radyo Dalgaları 241 D nfrared Işınlar 241 Görünür Bölge Işınları 241 Ultraviyole Işınları 242 Röntgen/X-Işınları 242 Gama Işınları 242 Elektromanyetik alanların biyolojik etkileri 243 Teknik Talimatlar ve Sınır değerler 244 Elektromanyetik Alanın Tıpta Kullanımı 244 Tabi ve Yapay Elektromanyetik Alanlar 245 Fotoelektrik Olay 247 Fotonların Saçılması ve Absorpsiyonu 250 Thomson Saçılması 252 Compton Saçılması 253 Atomik absorpsiyon katsayısı 259 Kütle absorpsiyon katsayısı 259 Karakteristik Röntgen Radyasyonu 261 11.Bölüm Laser 263 Koherent(=Coherent) Işığın Elde Edilmesi; (Laser) 263 Koherent 263 D ndüklenen Emisyon 265 Spontane Emisyon 265 Koherent Işığın Üretilmesi 267 D ndüklenen Emisyon ile Işığın Yükseltilmesi 267 Bir D nversiyon Durumunun Elde edilmesi 269 Üç-Seviyeli-Sistem 269 Dört-Seviye-Sistemi 271 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 13 D nversiyon Durumunun Elde Edilmesinin Diğer D mkânları 272 Lazer Ossillatörleri 273 Genel özellikleri 273 12.Bölüm Elektron Mikroskop 275 Elektron Mikroskobunun Dünü, Bugünü ve Yarını 275 Tarihi Perspektif 275 Elektron Mikroskobunun Gelişimi 276 Elektron Mikroskobunun Tarihi Gelişimindeki Mil Taşları 277 Hazırlık Tekniklerinin Gelişimi 278 Biyolojiye Katkısı ve Elektron Mikroskobunun Geleceği 278 Elektron Mikroskop 279 Elektron Mikroskobunun Türleri 281 Elektron Mikroskobu ile Işık Mikroskobunun Karşılaştırılması 282 Raster Elektron Mikroskop: (Scanning Electron Microscope) 285 Elektron Çarpma Spektroskopi 286 Taramalı Elektron Mikroskobunun Temel Sistemleri ve Çalışma Prensibi 289 Elektron Optik ve Işın Demeti Kontrol Sistemleri 289 Kondansör Lensler 1 ve 2 289 Final Kondansör Lens 290 Stigmatör Aygıtı 290 SEM’de Ayırım Gücü 290 Elektron Işın Demetinin Numune ile Etkileşimi 290 Elastik Saçılma 290 D nelastik Saçılma 291 Numune Manipülasyonu 291 D kincil Elektron Dedektörü 291 SEM Resminin Kontrast ve Üç Boyutluluğu 291 Bir numune içindeki kontrastı etkileyebilecek diğer durumlar 292 Numune Sinyallerinin Diğer Tiplerini Görüntüleme 292 Backscattered Elektronlar 292 Fikse Edilmemiş Dokuların D ncelenmesi 293 Donmuş numunelerin Gözlemi 293 Taze Numunelerin Gözlemi 293 Biyolojik Numunelerin SEM D çin Hazırlık Aşamaları 293 Yüzey Temizleme 293 Fiksasyon 294 Tampon Seçimi 295 Gluteraldehit Fiksatifleri 295 Formaldehit Fiksatifleri 296 Osmiyum Tetraoksit Fiksatifleri 296 Uranil Asetat 297 Acrolein 298 Tannik Asit 298 Potasyum Dikromat 298 Potasyum Permanganat 299 Daldırma ile Fiksasyon 299 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 14 Perfüzyonla Fiksasyon 299 Numune Hazırlığında Mikrodalga Kullanımı 300 Numune Hazırlığı için Dondurma Metodu 301 Daldırıp dondurma 301 Çarparak dondurma 301 Propan jet dondurma 301 Yüksek basınçta dondurma 302 Dehidratasyon Metotları 302 Dehidratasyonun Kimyasal ve Morfolojik Etkileri 303 Standart Dehidratasyon Ajanları ve Ara Solventler 303 Alternatif dehidratasyon ajanları ve ara solventler 304 Dehidratasyon Programı 304 Freeze-Substitution ile Dehidratasyon 305 Numune Kurutma Teknikleri 305 Kritik Noktada Kurutma 305 Dondurup Kurutma 306 Havada Kurutma 306 Kuru Kırma 307 Kopyalama Prosedürleri 307 Transmission Elektron Mikroskobu için Numune Hazırlama 307 Fiksasyon 307 Elektron Mikroskobu için Kimyasal Fiksasyonun Mekanizması 308 Gluteraldehit 308 Osmiyum tetraoksit 308 Bir Fiksatif ve Tampon Seçimi 309 Fiksatif 309 Tamponlar 310 Tamponlanmış Gluteraldehit Fiksatifinin Hazırlanması ve Saptanması 311 Osmiyum Fiksatifi Hazırlama ve Saptaması 311 Immersiyon ve Perfüzyonla Fiksasyon 312 Immersiyon 312 Perfüzyonla Fiksasyon 313 Fiksasyon Şartları 313 Numune Hazırlığında Mikrodalga Kullanımı 314 Numune Hazırlığı için Dondurma Metodu 315 Daldırıp dondurma 316 Slam freezing 316 Gluteraldehit Osmiyum Tetraoksitten başka Popüler Fiksasyon Protokolleri 317 Karnovsky’nin Fiksatifi 317 100ml Karnovsky fiksatifi hazırlarken aşağıdaki protokol takip edilmelidir 318 Osmiyum – D ndirgenmiş Ferrocyanide 318 Potasyum Permanganat 318 Fiksatife Ekler 319 Yıkama 319 Dehidratasyon 319 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 15 Geçiş Solventlerinin Kullanımı 320 Resin D nfiltrasyonu 320 Gömme 321 Epon Gömme 321 Gömme Medyumunun Ölçülmesi 321 Gömme Medyumunun Karıştırılması 321 Diğer Gömme Materyalleri ve Onların Kullanımı 322 Doku Prosesi için Uygun Container 322 Kritik Noktada Kurutma Metodu 322 Kaynaklar 323 13.Bölüm Normal Elektrokardiyogram 326 Giriş ve Teori 326 EKG de Üçgen Çöp adam modeli 330 Genel Sonuç olarak 332 Normal Elektrokardiyogramın Sınıflandırılması 334 Standart Ekstremite Türevleri 334 Tek kutuplu Türevler 335 Tek Kutuplu Ekstremite Türevleri 335 Tek Kutuplu Prekardiyal Türevleri 336 Normal Elektrokardiyogramın D ncelenmesi 337 P Dalgası 338 PR veya PQ D ntervali 338 Q Dalgası 338 QRS Kompleksi 338 S Dalgası 339 (RS-T)/ST Segmenti 339 T Dalgası 339 Prekardiyal Türevler 339 Kalbin Atım Sayısının EKG Yardımı ile Hesaplanması 340 EKG Çekiminde Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar 341 EKG Deney Raporunun Hazırlanması 342 14.Bölüm Denge Duygu Ve D nsanın Hareket Ve Vaziyet Hissi 343 D ç kulaktaki denge organı 343 D vme ölçümüyle denge duyusu 344 Merkezi vestibüler sistem 347 Literatür 350 15.Bölüm D nsanın Haberleşmesi, Dş itme Ve Konuşma 352 Ses 352 D ç kulağa ses iletimi 356 Orta kulak 356 D ç kulakta sesin iletimi 358 Duyu sinir hücrelerinden işitme sinirlerine sinyal iletimi 362 Frekans seçiciliği: Konuşma Kabiliyeti 364 Bilgi taşıma ve merkezi sinir sisteminde, MSS, işleme 366 Ses/seda ve konuşma 369 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 16 Literatür 373 16.Bölüm Görme Özel Duyusu Ve Okulomotorik 375 Görmek - Bakmak - Nazar atfetmek 375 Konjuge Edilmiş Göz Hareketleri 375 Verjans Hareketleri 375 Verjansın 376 Sakkad'lar 376 Fiksasyon Periyotları 377 Kayan/süzülen Göz Hareketleri 377 Okumada Göz Hareketleri 378 Işık ve Göz 380 Ortalama Işık Yoğunluğu 381 Pupillanın Işık Reaksiyonları 383 Yakın Durum Reaksiyonu 383 Fonksiyon ve Pupilla Motorik Kasların D nnervasyonu 384 Akkommodationun Yaşa Bağlılığ 384 Astigmatismus 385 Küresel aberration 385 Chromatik Aberration ve Uyum 385 Saçılma Işığı ve Dioptrik Cihazda Donukluklar 385 Katarakt (aksu, perde) 386 Gözün Kırma Kusurları 386 Miyop 386 Hipermetrop Göz Kusuru 386 Oda Sıvılarının Sekresyonu 388 Tonometre 388 Klinik Bakış 388 Retinada Sinyal Kaydı ve Sinyal Dş leme 388 Fotoreseptörler 389 Görme Boya Maddeleri 389 Işık Absorpsiyonundan Sonra Görme Renk Maddelerinin Parçalanması 390 Görme Sinirinin Aksonlarının D letim Hızlarına Göre Sınıflandırma 394 Aydınlık - Karanlık Algısının Nöro- ve Pisikofiziği 395 Karanlık Adaptasyonu: 396 Aydınlığa Adaptasyon 397 Aydınlık-Karanlık Adaptasyonunun Mekanizması: 397 Beynin Retinotop Organize Olmuş Visual Sisteminde Sinyal Dş leme 399 Elemanter Görme Fizyolojisinin Klinik ve Teşhis Kullanımı için Örnekler 405 Görme netliği tespiti 405 Derinlikli Görme Algısı 408 Renkli Görme 410 Renk Sabiti 411 Renkli Görmenin Trichromatik Teorisi 412 Zıt Renkler Teorisi 412 Renk bölgesinde katagorisel düzen ve rengin isimlendirilmesi 413 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 17 Trichromatik Görmenin Anomalileri 414 Dikromat 414 Total Renkkörlüğü 414 Basil Sistemi Bozuklukları 414 D drak Edici Visual Gücün Beyin-Biyofiziksel Temelleri 415 Hacim, Cisim ve Biçim Tanıma 415 Literatur 422 17.Bölüm Gözün fiziksel yapısı ve önemli Data’ları 427 Gözün spektral aydınlık duyarlılığı ve fotometrik temel kavramları 432 Gözün etki usulü, 435 Kırılma ilkelerinin merceklere uygulanması 437 Merceğin kırma gücünün ölçümü 438 Gözün kırıcı ortamları 438 Gözün kırma kuvveti 438 Fovea 438 Fotopik Görme 438 Fotoreseptörler 438 Renkli Görme 439 Kırmızı-yeşil renk körlüğü 439 18.Bölüm Membran Biyofiziği 440 Membran Modeli 440 Membran Potansiyeli Türleri 441 Difüzyon Olayı 441 Difüzyonun Kinetik Moleküler Tarifi 441 Difüzyonun Moleküler ve Makroskobik Tanımı 442 1.Fick-Kuralı 443 D AB Difüzyon Katsayısının Ölçümü 443 Sedimantasyon hızı 444 D vme alanında sedimantasyon denge 447 Yoğunluk gradyantı metodu 447 Polimer eriyiklerin viskozitesi 447 Mesela rotasyon elipsoidi için 448 Rotasyonel difüzyon 448 Rotasyonel Relaksasyon Zamanı 449 Rotasyonel Relaksasyon Zamanı T R 'nin ölçümü 450 Eriyiklerin Flüoresansının Depolarizasyonu 450 Akım çift Kırıcılığı 452 D stirahat Potansiyeli 454 19.Bölüm Uyarılabilir Hücrelerde Eşik Altı, Eşik Ve Eşik Üstü Olaylar 461 Uyarılabilir Hücrelerde Eşik Altı Olaylar 461 Membran Potansiyelinin Zamanla Değişimi 464 Membran Potansiyellerinin Uzaklıkla Değişimi 467 Uyarı, Uyarı D letimi ve Sinaptik Taşıma 470 Aksiyon Potansiyelleri 471 Aksiyon Potansiyelinin D yonik Temeli 473 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 18 Aksiyon Potansiyeli Esnasında D yon Akımlarının Zamanla Değişimi ve Potansiyel Bağımlılığı 474 Uyarıya Fiziksel ve Kimyasal Etkiler 480 Sodyum Kanalı Modeli 481 Aksiyon Potansiyelinin Yayılması 484 Uyarıcı ve uyarıyı iptal eden postsinaptik potansiyeller 486 20.Bölüm Sibernetik 488 Sibernetik (Cybernetics), Kontrol Sistemleri 488 D kili ve Ondalık Sistem 490 D kili Sistem 490 Ondalık sistem 494 Mantığın Matematiği 494 Bilginin Değerlendirilmesi: 497 Bir Sistemin Enerji Durumu 500 Entropi 500 Termodinamik kapalı ve açık sistemler 503 Açık Sistemler ve Özellikleri 504 Açık Sistemlerde Entropi 504 21.Bölüm Radyoaktivite 507 Radyoaktif Seriler 509 Çekirdek Reaksiyonları 512 Mikroskobik Etki Kesiti 512 Makroskobik Etki Kesiti 512 Radyoaktif Parçalanma Kuralı 513 Bazı önemli radyoaktif izotopların yarı ömürleri 516 Mesafe Kuralı 520 Parçalanma Sabiti 520 Parçalanma Ürünlerinin Teşekkülü 521 Ara ürünün, ana maddeden daha uzun ömürlü olması hali 521 Kararlı son ürünlerin zenginleştirilmesi [?ü = 0] 522 Ara ürün maddenin ömrünün ana maddenin ömründen daha kısa olması hali 522 Çekirdek reaksiyonu ile aktive etme [?a ? 0] 523 D statistik 525 Analog Göstergeli Ölçü Aletlerinin Zaman Sabitleri 526 D yonizasyon Odası Akımının ve Sayaç Değerinin Ortalama Sapması 526 Ayırım Gücü ve Ölçü Süresi Arasındaki Münasebet 527 22.Bölüm Radyasyondan Korunum Ölçümleri 528 D yonizasyon odası 531 D nsan Vücudunda Nötron Absorpsiyonu 533 Nötronların vücut atomları ile reaksiyonları 533 D nce bir dokuda nötronların absorpsiyonu 533 Kalın bir doku tabakasında nötronların absorpsiyonu 533 D nsanın Dışarıdan Işınlanması (Dış ışınlanma) 534 Bir Radyoaktif Buluttan Direkt Işınlanma 534 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 19 Yere Çökmüş Bulunan Radyoaktif Maddelerden Dolayı Radyasyona Maruz Kalma 535 Radyoaktif maddelerin D nkorporasyonuyla D nsanın Işınlanması (D ç ışınlanma) 536 Hava veya su alımı ile radyonuklidlerin inkorporasyonu 536 Hava veya Su ile alınan aktiviteden dolayı organlardaki Radyasyonun eşdeğer, (RBE), doz gücü 537 Radyoaktif Besin Alımı Sonucu Organdaki Eşdeğer doz gücü 538 Doz ve Doz Gücünün Müsaadeli Değerleri 539 Emniyet Bölgesinin Müsaadeli Maksimum Doz Değerleri 539 Kontrol bölgesi: 539 Gözetim Bölgesi 539 Radyasyonla D lgili Kişilerin Maruz Kalabilecekleri Müsaadeli maksimal Eşdeğer Doz Gücü Değerleri 539 Havanın Maksimal Müsaadeli Konsantrasyonuna Yaşın Etkisi 542 23.Bölüm Aktivite Ölçümlerinin Matematik Metotları 545 Noktasal Kaynaklar D çin Mesafe Kuralı 545 Matematik Metotlar 545 Üstel-Fonksiyon 545 Üstel-D ntegral-Fonsiyon 546 Secant-D ntegral-Fonksiyonu 547 Nokta Kaynak 547 Maskelenmiş Nokta Kaynaklar 547 Çeşitli Geometrili Radyoaktif Kaynakların Aktivitelerini Hesaplama Yöntemleri 550 Tanımlamalar 551 Düzlem Maskeli Noktasal Kaynak 551 Çizgi Kaynaklar 551 Maskesiz Çizgi Kaynak 552 Maskelenmiş çizgi Kaynaklar 553 Düzlem Kaynaklar 553 Maskesiz Düzlem Kaynaklar 554 Maskelenmiş Düzlem Kaynak 554 Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 20 Biyomedikal Fiziğin Temelleri: Biyomedikal Fiziğin temelleri en iyi kollaboratif öğrenmeye göre, (Collaborative Learning Paradigm), çalışarak öğretilmelidir, yani: • En fazla 8er kişilik öğrenci gruplarıyla çalışılmalıdır, • Öğrenilecek materyalden temel bilgiler grup tarafından birlikte çalışarak, analiz yaparak ve değerlendirerek, grup elemanlarının her biri ayrı ayrı elde ettikleri bilgileri sentezleme ve materyalleri kullanma kapasitelerini geliştirmesi sağlanmalı, • Grup elemanlarının her biri elde ettikleri pozitif bilgileri geliştirebilmeli, • Grup elemanlarının her birinin bir görev alması sağlanmalı, • Grup elemanlarının her biri grup başarısına katkıda bulunmalı, • Grup elemanlarının her biri birbirlerine yardımcı olmalı ve eğer gerekli gayret gösterilir ise, yapılamayacak bir şey olmadığını görebilmeli, • Grup elemanlarının her biri elde ettikleri bilgileri diğerleriyle paylaşabilmeli, • Grup içinde sorumluluk almak için; grup elemanlarının her biri grup çalışmasına aktif olarak katılmalı, grup arkadaşlarına yardım etmeli, Maalesef gelenek eğitimde öğrenciler arasındaki bu sosyal yapı ya hiç yok, ya da çok zayıftır. Bunu kuvvetlendirmek için çaba harcanmalı, öğrenciler arasında isteğe bağlı çalışma grupları oluşturmalı ve konuları müşterek çalışmaları sağlanacak ortam ve imkân oluşturulmalıdır. Bunun için her türlü imkân mümkün olduğunca zorlanmalıdır. Sadece olmaz, olmaz... Genel öğrenim hedefleri: Biyomedikal Fizik, fiziğin bir parçasıdır ki, fiziğin bu kısmında fizik kuralları ve metotları biyolojik bilimlerin teorik ve pratik problemlerinin çözümlerinde, bilhassa sağlık bilimlerinde, uygulanırlar. Biyomedikal Fiziğin ödevleri; organizmadaki biyofizik olayları tanımlamak ve fizik ölçüm metotlarını, bunun gibi matematik yardımcı bilgileri kullanılabilir halde sunmaktır. Biyomedikal Fizik derslerinde başlangıç olarak Dönem-I öğrencileri Biyomedikal Fiziğin temellerini, liseden bildikleri klasik fizikle pekiştirecekler, daha sonra bu bilgileri organizmadaki biyofizik olaylara nasıl uygulanacağını da deneyeceklerdir. Sevgili, “bir şeyler öğrenmek niyetinde” bulunanlar!.. Yeni bilgiler sadece anlatılmamalı, onu bizzat yaşamalı. Denenmeden anlatılan bilgi/fizik öğrenme hakkının handikabından başka bir şey değildir. Çağdaş araştırıcılar kendilerine kitaptan veya bilgisayardan aktarılan bilgileri bizzat deneyerek olayı yaşar, yaşatırlar ve uygularlar. Lafla çağdaşlık olmaz. Uygulanamayan bilgiler unutulmaya mahkûmdur, (tam öğrenme/öğrenmeme; andragojide). Biz Biyomedikal Fiziği öğretmeye ve uygulatmaya çalışacağız, fakat şurası hiç unutulmamalıdır ki, öğrenme sadece öğretene bağlı değildir. Öğrenen hedef kitle öğrenmeyi arzulamadıkça, en iyi yöntem de olsa hiç kimseye zorla hiçbir şey öğretilemez. Fakat tam tersine öğrenme isteği yüksek motive olmuş kişiler, kötü sistem ve bilgisi eksik öğreticiden de kendi isteği, özlediği doğrultuda mutlaka bir şeyler öğrenir. Maalesef şu an kullanılan bizim sistemimizde maksat not alıp sınıf geçmektir. Tabii ki not almak ezberle de sağlanır. Şurası hiç unutulmamalıdır ki, kişiler her hangi bir şeyi öğrenirlerse karşılığı olan notu hak ederek alacağı gibi, her seferinde o bilgiyi kendilerinden istendiğinde kullanabilir. Ezberleyen ise, sadece ve sadece buz üzerine yazılmış bilgi sahibi olduğundan, ne zaman ki buz erir, sahip olduğu sandığı bilgiler de böylece yok olup gider. Ne kendi kullanabilir nede başkaları. Niçin Biyomedikal Fizik? Sevgili öğrenme niyetinde bulunanlar, siz sağlık bilimcisi (hekim) olmak için böyle bir yüksek eğitim programını seçtiniz. Ümit edilir ki, bunun için hazırsınız. Bir sağlık bilimcisinin uğraşı alanı canlılardır. Canlılar mükemmel yaratıklardır ve içlerinde de değişik yapılar ve türler vardır. Bir hekim daha ziyade insanların sağlığı ile ilgilenir ve kendine hasta olarak gelen kişinin bozulduğu sanılan ve/veya bozulan organize sistemini düzeltmeye çalışarak, sıhhatine kavuşturarak göndermekten mutluluk duyar. Bunun için bir teşhis koymak istersiniz ve tedavileri öğrenmek istersiniz. Dş te burada ilköğrenimden beri neye yaradığını dahi düşünmemiş olduğunuz fizik size yardımcı olacaktır. Medikalfizik nedir? Biyofizik nedir? Biyomedikal diagnostik(teşhis) ve tedavinin tüm aparatı ki tedavinin meydana getirilmesi hemen hemen tamamen çağımızda yaşamış/yaşayan neslin eseridir, fiziki olayların kısmen anlaşılmasına ve de kısmen fizik yardımcı maddelerin kullanılmasına dayanmaktadır. Bu nedenle klasik fizikten Biyomedikal Fizik doğmuştur. Bu gün için Biyomedikal tekniğin (ve hatta biyomedikal mühendislik olarak da gösterilmektedir) hedefi; Bilimle ilgili öğretideki canlı organizmaların fizikle ilgili olaylarının, Biyomedikal gereçler ve yöntemlerle açıklanmasıdır. Bunlara örnek mi istersiniz? Mesela: Atomun yapısı, radyoaktivite, elektrikle ilgili makineler, Röntgen radyasyonu, mikroskop, Laser, bilgisayar, elektron mikroskobu, US, CT, MRI, fMRT, STED-4pi mikroskobu, DWI, DTI, Konfokal mikroskop ..... 20. yüzyılda bilimin hızlı bir şekilde gelişmesiyle biyomedikal fizik ve bunun sonucu olarak biyomedikal teknik gerçekten inanılmaz ve baş döndürücü gelişmeler göstermiştir. Röntgen teknik ve nükleer tıp, ultrases diagnostik ve nükleer manyetik rezonans, v.s. gibi bir çok biyomedikal uygulamalar ortaya çıkmıştır. Ve nihayet hücrelerle ilgili ve moleküler olayların keşfi biyolojik öneme haiz moleküllerde ve hücre membranında kuantum fizikle ilgili bakış açısının uygulanmasını sağlamıştır. Böylece biz bu gün hücrelerle ilgili hadiselerin psikokimyasal temellerinin araştırmasını, fizikle ilgili olayların araştırmasını, biyolojik membranlarda hassas, ms. değişimlerinde ve unipolar elektrik alanlarını da biyofiziğin araştırma objeleri olarak buluyoruz. Tüm organizasyon basamaklarında, fizikle ilgili efektler hücreden organizmaya ve onun ekolojik çevresine ve bunun gibi gerekli bilimle ilgili deneye dayalı araştırmalar ve öğretim de biyomedikal fiziğin ilgi alanlarıdır. Niçin Biyofizik olmasın? Geleceğin başarılı hekimleri olarak sizler bu günden daha çok teknolojinin size sunduğu tüm alet ve gereçleri kullanmak zorunda kalacaksınız. “Zira alet işler el öğünür”. Muayenehanenizde, alet çantanızda ve araştırma laboratuarlarınızda sizin tarafınızdan, hastalarınızın refahına kullanacağınız mesela bunlardan: stetoskop, termometre, kan basıncını ölçme cihazı, EKG, MKG, EEG, EMG, Röntgen cihazı, Diyapazon, elektrositümülatör, mikroskop, Elektron mikroskop, Laser, US, CT, MRI, fMRT, PET, PCR, FISH, m-FISH, Infrarot-ışık kaynağı, hassas terazi, oftalmoskop, operasyon mikroskobu, narkoz cihazı, STED-4pi mikroskobu DWI, DTI, konfokal mikroskop v.s.... her zaman hizmete hazır ve kullanılabilir olmalı. Buna var mısınız? Teknolojinin sizin emrinize sunacağı tüm bu ve benzeri daha nice araç ve gereci kullanmanız gerekecektir. Bunlarla gerekli ölçüm ve gözlemleri yapmanız ve yapabilecek bilgileri öğrenmeniz de iyi bir hekim için zorunludur. Pek tabii ki sizin çalışma alanınız insan organizmasının organize sistemleridir ve onlar da pek mükemmel yaratılmışlardır. D yi bir hekim bu mükemmeliyeti kavrayabilmeli, bunu iyi anlayıp yorumlayabilmelidir. Bunun için hekimin en belirgin özelliği farklılıkları hemen görmesi ve değişimlerin kaynağının ne olabileceğine kısa zamanda ve doğru olarak karar vermesidir, (etkili analiz ve sentez). Elde edilen ve gözlenen sonuçların iyi analiz edilmesi ve yorumlanması gerekir. Bu nedenle iyi hekim güzel şekil çizmeli ve/veya çizilen şekli ( zira hekimin baktığı şekil insan olarak inşa edilmiş ve çizilmiştir) iyi analiz etmeli, diğer şekil ve bilgilerle sentezleyebilmeli, yorumunu en az hatayla yapmalı. Hepsini yapabilen hekim ise çok iyi hekimdir. Başarı en az hata yapmakta gizlidir. Cihazların satın alınması yetmez. Tüm modern araç ve gereçler her türlü tehlikeye karşı korunmuş olmalıdır. Yani; Bu araç ve gereçler ne hekim olarak sizin sağlığınızı ve hayatınızı, nede diğer kişilerin ve hatta size şifa bulmak niyeti ile gelen hastalarınızın sağlıklarını ve hayatlarını tehlikeye maruz bırakmamalıdır. Gerekli tüm bilgi ve donanımlara daha önceden sahip olmalısınız. Mesela; Radyasyondan (elektromanyetik/radyoaktif) korunma, Laser ışınından korunma, Kullandığınız ilaçların yan etkilerini ve etki mekanizmalarını iyi bilmelisiniz, Kullandığınız cihazların kalibrasyonunun yapılıp yapılmadığını, yapılmamış ise, bunu kalibre edebilecek bilgi ve beceriye sahip olmanız gerektiğini ve tüm sorumlulukların sizin tarafınızdan karşılanacağını hiç aklınızdan çıkarmamalısınız... Sadece sahip olduğunuz araç, gereç ve cihazları iyi tanımak yetmez, bunların yeni versiyonlarını da tanıyıp, teknolojiye ayak uydurabilmek için gerekenleri yapmanız zorunludur. Hekim olarak yeni ciddi veya ciddi olmayan yöntemleri ve kavramları da bir birlerinden ayırabilmelisiniz. Sadece size hasta olarak gelenleri değil, tüm halkın sağlığını hasta olmadan korumanız gerekecektir. Çevre sağlığını da dikkate almanız gerekecektir. Bunun için çevreyi kirleten her türlü tehlikelere karşı, mesela; “Radyoaktif radyasyon, baz istasyonları, manyetik alanlar, yüksek desibelli gürültü v.s..” hakkında içinde yaşadığınız toplumu bilinçlendirmeniz gerekecek. Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 21 Peki, ama Nasıl? Dş te bütün bu teknolojik ve benzeri medikal ürünler ve bunların temelinde yatan Biyomedikal Fizik üzerine yeterince bilgi sahibi iseniz ve gerekli yetkiye haizseniz, böylece her türlü kontrole hazırsınız demektir. Fakat eğer siz bu ve benzeri konularda bir veya bir kaçına dair bilgi, tecrübe ve yetenek eksikliğine sahip olduğunuz diğer insanlar tarafından topluma duyurulur ise, şunu unutmayınız ki, ancak sizden cahil olanları harcayabilirsiniz. Diğer taraftan hata yapmak çok kolay, kırılan veya bozulan bir cihazın yerine, ya o cihaz tamir edilerek ya da yeni alınarak, konulabilir, ama giden hasta geri gelmez. Ya bu giden hasta sizin çok sevdiğiniz birisi olsa, o zaman ne yapılmasını isterdiniz??? Bunu iyi düşünün!!! Böyle altından kalkılması çok güç bir olaya maruz kalmamak için, Gelin önce: neyi, nerede, nasıl, ne zaman, ne kadar ve kim tarafından kullanılacağını öğrenmeye çalışalım. Bunun için de biraz Biyomedikal Fizik yapalım. Fizikle ilgili Büyüklükler ve Birimleri: Fizikle ilgili temel büyüklükler ve bunlardan türetilen (uydurulan) büyüklükler: Fizikle ilgili büyüklük: Fizikle ilgili büyüklükler ölçülebilen özellikleri ve durumları temsil ederler ( mesela kütle, kuvvet v.s.) Fizikle ilgili büyüklüğün = B değeri; bir sayı değeri (ölçülen sayı = [X]) ile Birimin ( ölçü birimi = [b]) çarpımıdır. B = [X]*[b]. Mesela: Normal insanın kütlesi; Kütle = 70kg. gibi. Fizikle ilgili büyüklükler cebrik sembollerle gösterilir. Mesela: D vme; a = 10kg.m.s -2 . gibi. Kimyada da kimyasal büyüklüklerden bahsedilir. Mesela: konsantrasyon; C = 0,5mol.l -1 gibi. D nsanoğlu dünyaya gözünü açtıktan sonra sormaya ve hesaplamaya başlamıştır. Hasta oluğumuzda, hekim bize ölçü cihazlarının yardımıyla bir teşhis koyar ve ona göre tedavi uygular. Hesap işleri her yerde yapılır. Hatta mutfak giderleri bile hesaplanarak yürütülür. Yapılan hesaplara uymak zorunluluğu vardır. Bazen de evdeki hesap çarşıya uymaz. Hesap işi kısmen zor, birçok durumda da çok kolaydır. Basit hesapların çözülebilir olması, karmaşıkların da çözülebilirliğine yardımcı olur. Bazıları zevk verici, bazıları ise sıkıcıdır. Çeşitli soruların cevabı hep bir hesap sonunda elde edilir. Mesela: Kan basıncı ölçümü nasıl yapılır? Bir doz metre nedir? Uzunluk ölçümünde lazer ışınının rolü nedir? Cebirle ilgili sembolleri nasıl kullanırız? Fizikle ilgili büyüklükleri; B büyük ve küçük harflerle gösteririz. Büyüklükler ya vektör ya da skaler olur. Skaler büyüklükler yönlendirilmemiş büyüklüklerdir ki, sadece bir sayı ve birimle tam olarak, (Mesela, sıcaklık, enerji, iş ve güç gibi) ifade edilebilir. Skaler büyüklüklerle hesaplamalarda; Liseden bildiğimiz genel sayılar için gerekli hesaplama kuralına göre işlem yapılır. Vektör yönlendirilmiş fizikle ilgili bir büyüklüktür ki, o ancak doğrultusu, yönü ve değeri biliniyor ise, tam olarak tanımlanır. Vektörün değeri; skaler birimli bir sayıdır. Doğrultusu seçilen bir eksenle yaptığı açı cinsinden belirlenir. Yönü ise, yine bu eksen sistemi yardımıyla tespit edilir. Vektör büyüklüklerle yapılacak olan hesaplamalar, vektör hesaplama kuralına göre yapılır ki, skaler hesaplamalardan bazen farklılıklar gösterir. Yeri geldikçe bu hesaplamalara başvuracağız. Mesela: Skaler büyüklükler: Vektör büyüklükler: Sıcaklık T Yer vektörü r Kütle m Ani hız v Dş /enerji W Elektrik alan E Açı ? Manyetik D ndüksiyon vektörü B gibi. Not: Bazı büyüklükler literatürde koyu yazılır. Vektör büyüklükler ve karmaşık sayılar bunlara örnektir. D ndisleri nasıl yazarız? Aynı büyüklüğe karşılık gelen çeşitli değerleri büyüklüğün altına küçük bir punto ile indisleriz. Mesela: D lk başlangıç sıcaklığı T 0 D lk hız v 1 Kinetik enerji E k A noktasına göre moment M A Üsleri niçin kullanırız Üsleri fizikle ilgili büyüklüklerin veya birimlerin kuvvetlerini göstermek için kullanırız. Mesela: Enerji E; kütle ile ışık hızının karesinin çarpımından elde edilebilir. O halde bu ifadeyi: E = mc 2 şeklinde ifade edebiliriz. Hacim uzunluk boyutunun üçüncü kuvvetiyle verilir. V = L 3 ve birimi m 3 tür. 1MeV. = 10 9 eV. c ? 3,00.10 8 m.s -1 . ışık hızıdır ve yaklaşık saniyede üç yüz bin kilometredir. Boyut ve Büyüklük türü: Fizikle ilgili büyüklük türü olarak genelde kütle, uzunluk, kuvvet, yüzey v.s. gibi büyüklükler gösterilir. Bunlar ya temel büyüklüktür, ya da türetilmiş büyüklüktür. Bir fizikle ilgili büyüklüğün kalitesi boyutuyla tespit edilir. Boyutlar ise, fizikle ilgili büyüklük türüne göre düzenlenir. Boyut fizikle ilgili bir büyüklüğün temel büyüklüğünün kuvvetleri olarak gösterilir. Mesela: Temel büyüklük uzunluk L, alanın boyutu [L 2 ] hacmin boyutu [L 3 ]tür. Temel büyüklük zaman t uzunluğun zamana oranından elde edilen hızın boyutu [L.t -1 ]dir. Temel büyüklükler ve türetilmiş büyüklük türleri: Uluslar arası bir kabule göre yedi temel büyüklük vardır ve bunların birimleri de tanımlanmıştır. Temel büyüklükler kendi özellikleri ve ölçümüyle tanımlanmışlardır. Bu uluslar arası temel büyüklükler: Uzunluk, Elektrik akım şiddeti, Kütle, Termodinamik sıcaklık, Zaman, Madde miktarı, Işık şiddeti. dir. Bunların dışında kalan tüm fizikle ilgili büyüklükler ise temel büyüklük değildir, bu temel büyüklüklerden türetilir, türetilmiş büyüklükler olarak gösterilir ve birim olarak da tanınan bir bilim adamının/kadınının ismiyle adlandırılırlar, yani mutlaka bir insan adıdır. Türetilen büyüklükler temel büyüklüklerin tam sayılı üstleriyle oluşturulurlar. Mesela Kinetik enerji: Kinetik enerji =(1/2)eylemsizlik kütlesi . hızın karesi E k = ½ . m. v 2 = (m).(L 2 ).(t -2 ) Ölçü makinesi: ölçü büyüklüğünü gösterge cihazının özelliklerine uydurulur. Ölçü büyüklüğü yükseltilir veya zayıflatılır, zamanla değişen ölçü büyüklüğünün ortalaması alınabilir, gürültüler bastırılır veya süzülür. Gösterge: Analog cihazlar tipik gösterge cihazlarıdır. Onlar daha ziyade büyüklük mertebesi ve sinyal davranışındaki trendi tahmin edebilmek için en uygundur. Dijital göstergeliler tipik olarak sayısal değerleri gösterirler ve bunlar da daha ziyade ölçü cihazının duyarlığı mertebesinde okuyabilirler. Misal olarak bir indirek ölçüm için: Elektronik termometre: Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 22 Ölçü büyüklüğü: Sıcaklık, Fizik efekt : Bir yarı iletkenin elektrik direncinin değişimi, Ölçü makinesi :Wheaston –köprü devresi, Gösterge :Dijital sayı göstergesi. Analog ve dijital ölçü cihazı olarak bir analog ve dijital termometrenin resmi şekilde görünmektedir. Bir ölçü cihazının özellikleri: (Statik özellikler, dinamik özellikler, ölçü bölgesi, duyarlılık, doğruluk, çıkış zamanı, sınır frekansı) Ölçüm bölgesi, duyarlılık ve doğruluk bir ölçü cihazının istatistik özelliklerini karakterize eder. Ölçü bölgesi: ölçülecek değerin en küçük değeriyle en büyük değeri arasındaki alandır. Yani (ölçüm bölgesinin son değeri)- (ölçüm bölgesinin başlangıç bölgesi). Duyarlılık: ölçü büyüklüğünün en küçük değişimi ki, bu ölçü büyüklüğü gösterge çizgilerinin biri etrafında veya 1 digit kadar değişime sebebiyet verir. Doğruluk: bir sabit ölçü büyüklüğünün tekrarlanan ölçümünde ölçü cihazının tesadüfî ölçü hatasının verilmesidir. Çıkış zamanı, ölçü büyüklüğünün bir ani değişikliğinin ne kadar hızlı oluştuğunu belirler. Alt ve üst sınır frekansı bir zamanla değişen ölçü büyüklüğünün içinde bulunması gereken bölgeyi belirler. Çıkış zamanı ve sınır frekansı bir ölçü cihazının dinamik özelliklerini karakterize eder. Şekildeki resim dijital göstergeli, elektrik büyüklükler için, birçok amaçlı ölçü cihazını göstermektedir. Şeklin üst kısmında dijital gösterge kolayca anlaşılmaktadır. Ortada ise dönerek kumanda eden şalter bulunmaktadır. Bu şalter sayesinde: Elektrik akımı I amper olarak, (A.), Elektrik gerilimi U volt olarak, (V.), Ohmik direnç R, Ohm olarak, (?) ölçülebilmektedir. Ölçüm belirsizliği ve ölçüm hatası: Her ölçüm bir belirsizlik gösteriri ki, buna bazen ölçüm hatası da denir. Ölçüm sonucu = Ölçü değeri ± ölçüm hatası ile verilir. Ölçüm sonucu ölçü büyüklüğünün gerçek değeri için tahmini bir değerdir. Ölçümde/gözlemde iki türlü hata yapılabilir: Sistemden kaynaklanan hata, gözlemden kaynaklanan tesadüfî hata. Sistemden kaynaklanan hata; Ya sistemdeki hata bulunup, düzeltilir, yok düzeltilemiyor ise, sistem tamamen yeni teknolojiyle donatılmış başka bir sistemle değiştirilir. Aksi takdirde sistemden kaynaklanan hata tüm ölçüm ve gözlemi etkiler. Gözlemden/ölçmeden kaynaklanan hata; ölçü cihazının ve ölçü büyüklüğünün sarsılmasından, çevre şartlarından ve hatta bizzat gözlemcinin kendinden v.s. ise, gözlem/ölçme sonucuna uygun istatistik yöntemler uygulayarak yok edilmeye çalışılır. Daha önce de belirttiğimiz gibi bu hatayı tamamen yok etmek mümkün değildir. Ölçü belirsizliği, Ölçü hatası, Gerçek değer, Sistemden kaynaklanan hata, Tesadüfî hatalar, Mutlak hata, Rölatif hata, Önemli yerler, Ölçüm belirsizliği gerçek ortalama değer ( 170,00 ± 0,05) yanına ± eklenerek veya virgülden sonraki ( 170,05) kaçıncı basamaktaki rakamın hatalı olacağını belirterek ( mesela ikinci basamaktaki 5: 1,2,3,4,5,6,7,8,9 olabilir) yazıyla vurgulanabilir. Verilen bir fonksiyondan, (bağıntıdan) hareketle hata hesabı: Yapılan herhangi bir bilimle ilgili araştırma veya deney sonucunun istatistik olarak anlamlılığının belirlenmesi gerekir. Olaya iştirak eden elemanların sayısı, türü, çevre şartları ve olayın akışı v.s. gibi diğer birçok şartlar da dikkate alınarak her bir probleme, olaya özel olmak üzere çözüm yaklaşımları ve değerlendirmeler çeşitlilik arz eder. Gözlenmek/ölçülmek istenen gerçek değerlere çeşitli ortalama değerler yardımıyla yaklaşılır. Zira hiçbir zaman gerçek değere ulaşılamaz, ama en az hata yapan en başarılı olur. Bu nedenle gözlemlenen olay çok iyi anlaşılmış olmalıdır. Hangi yöntem ve kurallar uygulanacağı bilinmeli, varsayımlar iyi kurgulanmalıdır. Ortalama değer üzerinden hata hesaplanacak ise, özellikle tıpta, problemin türüne göre: Aritmetik ortalama, Ortanca, Tepe değer, Geometrik ortalama, Harmonik ortalama, v.s. gibi istatistik yöntemlerine baş vurulur. Biz şimdi bunların içinde en kolay uygulanabilen aritmetik ortalama yardımıyla hata nasıl hesaplanır? Hangi kavramlara ihtiyaç vardır? Sırayla açıklayarak anlatmaya çalışalım. Diğer yöntemler ile ilgili bilgiler istenilir ise, istatistik derslerinden ve konuyla alakalı kitaplardan takip edilmesi uygun olur. Türev kavramı: y = f(x) şeklinde x bağımsız değişkene bağlı y bir bağımlı değişken olsun. Şimdi ??değişim operatörü olarak tanımlayacağımız bir operatörü x bağımsız değişkenine ve y bağımlı değişkenine ayrı ayrı uygulayalım. Bu değişim operatörünün özelliği: Uygulandığı değişkende çok küçük bir artma veya eksilme x y ? ? ? ?x ? ? ? ?y x+? +? +? +?x x y+? +? +? +?y y y=f(x) Şek.4: y = f(x) fonksiyonunun x göre türevi Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 23 meydana getirir. Dş lerimizi kolaylaştırmak için değişim operatörünün uygulanması sonunda her iki değişkende de bir artma meydana gelsin. Tabii tersi de mümkündür veya biri artarken diğeri azalabilir de. Buradaki değişim miktarları, değişim operatörünün y’ye uygulanması sonunda ?(y) ve x’e uygulanması sonucunda da ?(x) kadar olsun. Şimdi bağımlı değişkenin artma miktarını, bağımsız değişkenin artma miktarına oranlayalım. Daha sonra da bağımsız değişkenin artma miktarı sıfıra giderken bu oranın limitine bakalım: y x f x x f x x f x y x x ' = ' = = ? ? ? ? ? ? ? - ? + = ? ? ? ? ? ? ? ? › ? › ? ) ( dx dy ) ( ) ( lim lim 0 0 şeklinde elde edilir ve bu sonuca x bağımsız değişkenine göre y bağımlı değişkenin birinci türevi adı verilir (şek.4). D ntegral hesap: D ntegral ile türev arasında önemli bir ilişki vardır. Şöyle ki: Bir F(x) fonksiyonu x bağımsız değişkenine göre verilmiş olsun. Bu F(x) fonksiyonunun x bağımsız değişkenine göre birinci türevi: [d/dx][F(x)] = F' (x) = f(x) olsun. Burada : [d/dx] x bağımsız değişkenine göre türev operatörüdür. Bu eşitliğin her iki tarafını dx le çarpalım: dF(x) = f(x).dx olur. Bilindiği gibi bir eşitlik var ise, bu eşitliğin her iki tarafı aynı sayı ile veya operatörle çarpıldığında eşitlik bozulmaz, fakat operatörler sonucu değiştirir. Bu elde ettiğimiz bağıntıya D ntegral operatörünü: “?” uygulayalım. Bu takdirde: ?dF(x) = ?f(x).dx olduğu görülür. D ntegral operatörünün kendine has özelliğinden dolayı: dF(x) = ?f(x).dx + C elde edilir. Burada C = bir integral sabitidir ve başlangıç şartlarından bulunur. O halde türevi f(x) olan bir F(x) fonksiyonu, f(x) in integrali alınarak hesaplanabilir. Türevi aynı olan birçok fonksiyonlar vardır, ancak bunlar birbirlerinden bir sabit kadar farklılık arz ederler. Yaptığımız bu işlem bize türevle integralin birbirlerinin tersi işlemler olduğunu da ifade eder. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli husus, eğer integralin sınırları bilinmiyor ise, böylece integral sabitlerinin kullanılması gerektiği ve bu sabitlerin belirlenen sınır şartlarından tespit edilmesidir. Bu integral sabiti eşitliğin her iki tarafında da olabilir. VEKTÖRLER Tanım: Belirli bir doğrultusu, başlangıç noktası, yönü ve büyüklüğü olan bir doğru parçasına vektör denir ve şematik olarak, şek.5’deki gibi gösterilir. Her doğrultu, değeri bir birim olan, bir “birim” vektörle temsil edilir. Bir noktadan sonsuz doğru geçebileceğine göre, o halde genel olarak sonsuz sayıda da birim vektörü olabilir, ama biz tanımlanmış doğrultulardaki birim vektörleri kullanacağız. Genellikle vektörler o vektörü temsil eden harfin üzerine küçük bir vektör, (›) işareti çizilerek yazılır. Buna rağmen gelişmiş bilgisayar teknolojisi ile yazılmış eserlerde ve ders kitaplarında, eğer bir harf, vektörel bir karakteri gösterecek ise, böylece bu harf diğer düz yazı karakterlerinden faklı olarak daha kalın, daha koyu, (bold), yazılır ve böylece konunun akışından bu koyu sembol bir vektör olarak işleme tabi tutulur. Mesela bir vektör A’da olduğu gibi. Bu şekilde koyu/kalın yazılan “A” harfi, normal “A” harfinden ayrılmış olur ve vektörel bir karakteri ifade eder, şek.5. Bu tanıma göre bir OA doğru parçası, bir OA vektörü veya sadece A vektörü ile temsil edilmiş olur. Eğer OA doğrultusu bir a birim vektörü, (|a| = a = 1) ile temsil edilir ise: OA = A = OAa = Aa şeklinde de yazılabilir. Burada: OA =A; vektörün büyüklüğüdür. A vektörünün yönü: O noktasından A noktasına doğrudur. Doğrultusu ise; O ve A noktalarını birleştiren doğru boyuncadır. (Sadece miktarı, değeri ile belirlenen büyüklükler skaler büyüklüklerdir.) Vektörlerin Çarpımı: D lköğretimden bilenen sayıların dört işleminde olduğu gibi vektörler de matematik işlemlere tabi tutulabilir. Bu işlemlerden biri de çarpım işlemidir. Ancak vektörlerin çapımı sıradan sayılara benzemekle beraber onlardan ayrıcalıkları vardır. Bu ayrıcalıklara daha ziyade önemine binaen vektörlerin vektörel çarpımında dikkat etmek gerekir. O halde vektörlerin çarpımı nasıl olur? Vektörler iki türlü çarpım işlemine tabi tutulurlar. 1 Skaler çarpım, 2 Vektörel çarpım. Fiziğin Tıpta Uygulama Alanları: Mekanik: Kuvvet “Uygulandığı cismin yapısında, şeklinde, hızında ve/veya bunların hepsinde birden bir değişiklik meydana getiren fizik etkene kuvvet denir ve bir vektörel büyüklüktür. O halde tüm vektörlerde olduğu gibi hem değeri, hem doğrultusu, hem yönü ve bunlara ilaveten hem de tatbik noktası aynı anda belirlenmelidir. Aksi takdirde söz konusu kuvvet tam olarak tanımlanmış ve tespit edilmiş sayılmaz.”, etkisi altında bulunan cisimlerin hareketi ve dengesiyle fiziğin mekanik dalı ilgilenmektedir. Bu sebeple burada daha önce ilköğretimde öğrenmemiz gereken fiziğin bazı mekanik kurallarını beraberce hatırlamaya çalışacağız. Bunlardan: Eylemsizlik prensibi, Dinamiğin temel prensibi, Hareketin kaynağı olarak kuvvet, Etki-tepki prensibi. Eylemsizlik Prensibi Kısaca: Eğer bir cisme hiçbir kuvvet etkimiyor ise, böylece cisim kendi anlık hareket durumunu korur. Yani ya durur ya da bir doğru yörünge boyunca sabit hızla hareketine devam eder. Akışkan ortamların mekaniği Akışkan ortam altında genel olarak gazlar ve sıvılar dikkate alınır. Bu ortamda moleküller arası kuvvetler zayıftır, yani moleküller denge durumunda değildirler. Akışkan ortamlar statik zorlama gerilimi göstermezler, fakat hızlı olaylarda bir dinamik zorlama gösterirler ( iç sürtünme). Eğer süreklilik denklemi insan kan dolaşımına uygulanır ise, böylece kılcal damarlardaki cüzi akış hızı anlaşılabilir, Şek.HD-6. Hayat için zorunlu olan difüzyon olayı olmadan yeterli miktarda meydana gelemez. Atar damarın çapı yaklaşık 2,3cm. kesit yüzeyi buna göre; A= 3,14.(1,15) 2 =4,15265cm 2 dir. Bu sonuçtan hareket edersek, atar damardan dakikada yaklaşık 5 litre kan aktığını da kabul edersek, böylece süreklilik denklemi yardımıyla atardamardaki kan akış hızı yaklaşık olarak: 20,07cm.s -1 elde edilir. Bu miktardaki kan, toplam kesiti yaklaşık 4800cm 2 olan kılcal damarlardan geçeceğine göre, böylece yine süreklilik denklemi yardımıyla kılcal damarlarda ortama olarak akış hızı için: 0,0174cm.s -1 değeri hesaplanır. Bu değerler süreklilik denkleminde tekrar yerine konulur ise: 4,153cm 2 .20,07cm.s -1 ? 4800 cm 2 .0,0174cm.s -1 ? 83,35 cm 3 .s -1 olduğu kolayca görülür. ELEKTROSTATD K: O A A Şek.5: Bir vektörün tanımı Toplar damar Şek.HD-6: Kan dolaşımında süreklilik için şematik şekil. Kılcal damarlar Atar damar arterler venler arteioller venolle r Toplar damar Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 24 Mekanikte duran cisimlere etki eden kuvvetlere statik kuvvetler, buna karşılık hareketli cisimlere etki eden kuvvetlere de dinamik kuvvetler denildiği gibi, tamamen benzer olarak; elektrikte de duran elektrik yükleri arasındaki kuvvet etkileşmesine "elektrostatik", hareketli yüklere ve bunun gibi yüklerin hareketine etki eden elektrik etkileşmelere de "elektrodinamik" denilmektedir. Basit deneylerle iki tür elektrik yükünün olduğu gösterilir. 1. negatif elektrik yükü, (eksi yük), 2. pozitif elektrik yükü, (artı yük). Bu söz konusu elektrik yükleri kondansatörlerde toplanabilmekte, yükler ayrılabildiği gibi tekrar birbirlerini nötralize edebilmektedir. Aynı zamanda bu iki tür yük birbirlerini çekerler. Bu statik elektrik yükleri tehlikesizce ölçülebilmektedir, zira çok az sayıda yük söz konusudur. Buna karşılık bir elektrik prizinden akan elektrik akımı, (hareketli yükler), eğer insan vücudundan akacak olurlarsa, hayati tehlike doğurabilirler, çünkü çok sayıda elektrik yükü söz konusudur. Elektrik Alanı: D ki elektrik yükü arasındaki kuvvet etkileşmesi ifadesini bulurken sadece yükler arasındaki mesafeden bahsettik ama yükler arasındaki bölgenin özelliklerinden hiç bahsetmedik. Mekanikte olduğu gibi nasıl ki, iki kütle arasındaki kuvvet etkileşmesini bir kütle çekim alanı yardımı ile tanımladıysak, elektrikte de iki elektrik yükü arasındaki elektrik etkileşim kuvvetini de " bir elektrikalanı kavramı " ile açıklamaya çalışacağız. Bunun için aşağıdaki kavramların bilinmesi gerekmektedir. Düzgün Elektrik Alanı: Merkezcil Elektrik Alanı: Elektrik Kutuplaşma: Elektrik Potansiyel Farkı: Kapasite: Küre kondansatörler: Silindirik Kondansatörler: paralel tel kondansatör: Dielektriklerde Kuvvet Etkileşimi: (Dielektriksabiti): Dielektriklerin Kapasitesi Dielektriklerin Polarizasyonu: Elektrostatik Alanda Kuvvet Etkileşmesi Ve Elektrik Enerji D fadeleri: MANYETOSTATD K: Bundan önceki bölümlerde, mesela mekanikte, bir kütlenin kendi çevresinde, başka kütlelere kuvvet etkime özelliği kazandığını, bu özelliği "kütle çekim alanı" kavramı ile ve bunun gibi, elektrostatikte, yüklü cisimler bulunduğu ortamda bir elektrik alanı meydana getirdiğini ve bu alana getirilecek diğer elektrikle yüklü cisimlere bir elektrik kuvveti etkidiğini açıklamıştık. Tabiatta buna benzer daha birçok olay vardır ve bilim adamları tarafından açıklama beklemektedir. Bu olaylardan biri de, elektrostatiğe çok benzeyen, fakat onunla tamamen aynı olmayan "Manyetik Alan Ve Manyetik Kuvvet" kavramıdır. Bir kısım maddelerin elektrostatiğe benzer bir alan oluşturması ve bu alana getirilen bazı maddelere bir kuvvet etkime özelliği kazanması, temelde elektrostatiğe benzer olmasına rağmen elektrostatikten kayda değer farklılıklar göstermektedir. Dş te bu tür maddelerin elektrostatiğe benzer bu yeni özelliği "manyetik alan ve manyetik kuvvet" kavramı ile açıklanacaktır. Manyetik denilmesinin sebebi; tabiatta Fe 3 0 4 olarak bulunan demir cevheri, ilk defa, Türkiye'nin Manisa şehri civarında bulunmuştur. (Magnesia = Manisa), buna Manisa taşı anlamına gelen "Mıknatıs" adı verilmektedir. O halde "manyetik taş alanı" veya "manyetik taş kuvveti" anlamına gelen; " manyetik alan " veya "manyetik kuvvet" kavramları bugün bilim literatürlerinde böylece yerini almış bulunmaktadır. Fe 3 0 4 taşından, (cevherinden) bir mıknatıs, demir tozlarına (ileri geri) sürülecek olunur veya belirli bir mesafeye kadar yaklaştırılacak olunur ise, demir tozlarının mıknatısa yapıştığı gözlenir. Böyle cevherlere; "tabii mıknatıs" adı verilir, böylece mıknatıstan çevreye yayılan kuvvete "manyetik kuvvet" ve bu kuvvetin etkili olduğu bölgeye de "manyetik alan" denir. Bu hususta da aşağıdaki kavramlara ihtiyacımız vardır. Manyetik Alan: Manyetik Potansiyel: Manyetik D ndüksiyon Manyetik Suszeptibilite: Dalga ve optik Dalgalar: Şimdi elektromanyetik dalgalar hakkında bilgi verelim. O halde elektromanyetik dalga nedir? Sorusu ile işe başlayabiliriz. Elektromanyetik dalgalar: Daha önceki derslerimizden de hatırlayacağınız gibi, eğer elektrik alanı zamanla değişir ise, bir manyetik alanı, bunun gibi manyetik alan zamanla değişirse, bir elektrik alanı meydana getirmekteydi. Dş te zamanla değişen elektrik ve manyetik alanlar, periyodik değişimli dalgalar ( elektromanyetik alan), halinde uzayda yayılırlar. Uzayda yayılan bu enerjiye elektromanyetik enerji (veya elektromanyetik dalga) denir. Mesela değişen akım devrelerinden bir anten yardımıyla uzaya yayılan enerji, radyo dalgaları da bir tür elektromanyetik enerjidir. O halde elektromanyetik enerji boşlukta ve bir maddesel ortamda yayılırken, diğer dalga olaylarında gözlenen tüm fiziksel olayları göstermesi gerekir. Bu özelliklere; kırılma, yansıma birer misal teşkil eder. Yapılan araştırmalar benzer özelliklerin elektromanyetik dalgada da gözlendiğini ortaya koymuştur ve bundan dolayı elektromanyetik dalga da denilmektedir. O halde elektromanyetik dalgadan bahsedilince, kaynaktan yayılma ortamına (bu ortam: boşluk olacağı gibi ve/veya maddi de olabilir), elektromanyetik enerji yayılması anlaşılacaktır. Dalganın yayılmasından bahsettiğimize göre, her dalganın bir yayılma hızı, frekansı ve bir de dalga boyu vardır. Bu nedenle elektromanyetik enerjinin; dalga boyuna, frekansına, enerjisine veya dalga sayısına göre: Büyükten küçüğe - küçükten büyüğe doğru sıralanmasına elektromanyetik spektrum denir. Şek.DO-1’de şematik olarak elektromanyetik spektrum; Dalga boyuna (m.), frekansına f (s.) ve enerjisine; E = hf, (eV.) göre çizildi. Bilinen elektromanyetik dalganın spektrumu 10 -3 Hz.ten 10 22....25 Hz. lere kadar uzanmaktadır. Tek bir atomda kırınım: Çok ışınlı girişim; Girişim spektrometresi: Difraction'un Temel Etkileri: Fraunhofer Kırınımı ve Fourier transformationu : Optik Cihazların Ayırım/çözüm gücü: 1. Bir dürbünün ayırım gücü: 2. Gözün ayırım gücü: 3. Mikroskop için ayırım gücü: 4. Prizma spektral aparatının ayırım gücü: D ki ve üç boyutlu ağlarda kırınım; Röntgen ışını kırınımı: Frekans kayması:. Harmonik dalgalar: Ses dalgaları, Akustik: Absorbsiyon: Sınır yüzeylerde ses dalgaları: Bu esnada iki özel durum ortaya çıkabilir. 1. Serbest uçta yansıma: 2. Sabit uçta yansıma: Ses hissi: Empedans: Frekans analizi, Corti Organı: Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 25 Weber-Fechner Kuralı: . Ses şiddeti, ses kesafeti şiddeti: Akustiğin diğer kavramları: (vuru, ton, seda, gürültü): Optik: Bir mercek yardımıyla resim elde etme: Yansıma ve Kırılma, Mercekler Merceklerde görüntüleme hataları: Bilinmesi gereken hatalardan bazıları: Küresel hata, Renk kayması hatası: ELEKTROMANYETD K ENERJD , (Elektromanyetik Dalga). Hatırlayacağınız gibi, eğer elektrik alan zamanla değişirse, bir manyetik alan, bunun gibi, manyetik alan zamanla değişirse bir elektrik alanını meydana getirir. O halde birinin zamanla değişmesi diğerinin oluşmasına sebeptir. Bu bize zamanla değişen elektrik ve manyetik alanların, periyodik değişimli dalgalar (elektromanyetik dalga), halinde uzaya enerji yayıldıklarını ifade eder. Uzaya yayılan bu enerjiye "Elektromanyetik Enerji" (Elektromanyetik Dalga), denir. Mesela değişen akım devrelerinden uzaya yapılan enerji, radyo dalgaları da; bir tür elektromanyetik enerjidir. Elektromanyetik alanların biyolojik etkileri: Teknik Talimatlar ve Sınır değerler: Elektromanyetik Alanın Tıpta Kullanımı: Tabi ve Yapay Elektromanyetik Alanlar: 1. Tabii elektromanyetik alanlar, dalgalar ve ışınlar: 2. Medeniyetten ileri gelen elektromanyetik alanlar, dalgalar ve ışınlar: Fotoelektrik Olay: Fotonların Saçılması ve Absorpsiyonu: Thomson Saçılması: Compton Saçılması: "Çift Oluşum "Elektron-Pozitron-Çifti" "Yarılama Derinliği" Girginlik Atomik absorpsiyon katsayısı: Kütle absorpsiyon katsayısı: Karakteristik Röntgen Radyasyonu: Laser: Koherent(=Coherent) Işığın Elde Edilmesi; (Laser): Monokromasi: Koherent: D ndüklenen Emisyon: Spontane Emisyon: Koherent Işığın Üretilmesi: Light = L Amplification by = A Stimulated = S Emission of = E Radiation = R "LASER" olarak adlandırılmıştır. D ndüklenen Emisyon ile Işığın Yükseltilmesi: Bir D nversiyon Durumunun Elde edilmesi: Üç-Seviyeli-Sistem: Dört-Seviye-Sistemi: D nversiyon Durumunun Elde Edilmesinin Diğer D mkânları: Lazer Ossillatörleri: Genel özellikleri: Elektron Mikroskop Elektron Mikroskobunun Dünü, Bugünü ve Yarını D nsan gözüne nadiren uzak manzaralar açılır. Denizaltı dünyası ve belki uçak, uzay veya ay bize oldukça etkileyici görsel bilgiler sağlamıştır. Janssens ve gözlük üreticileri tarafından ışık mikroskobunun icadı ile 1950 de mikroskobik dünyanın kapıları açılmış oldu. Onların mikroskobu, objeleri orijinal boyutlarından 20 ila 30 kez daha fazla büyütüyordu. Sonraki yüzyılda Antonie van Leeuwenhoek, lens üretiminde büyük gelişme gösteren ve 300 kez büyütmeye izin veren (tek lensli) bir mikroskop geliştirdi. 20.yüzyılın başlangıcında objeler kendi orijinal boyutlarının 1000 katına kadar büyütülebiliyordu ve birbirinden sadece 0.2µm uzakta bulunan parçacıklar birbirlerinden ayrılabiliyorlardı. Biyolojik materyaller, düşünülenden çok daha kompleks, değişken ve dinamik altyapı açığa çıkardı. 1930’larda daha öncekilerden daha heyecan verici bir başka kapı açıldı: Elektron mikroskobu ile mikroskop altı dünya görüntülendi. Elektron mikroskobu, elektronun çok daha küçük olan dalga boyunun avantajlarını kullandı. Elektron mikroskobu ile biyologların ışık mikroskobu dünyasını genişletmesine ve tanımlamasına izin veren çözülüm kapasitesindeki artmaya paralel olarak büyütmede binlerce kez artma mümkün hale geldi. Virüsler, DNA ve birçok küçük organeller ilk defa görüntülendi. Elektron mikroskobu bizim doku ve özelliklede hücre organizasyonunu anlamamızda derin etkileri olmuştur. Molekülleri ve hatta atomu görüntüleme olanağı vermiştir. Elektron mikroskop, elektron mikroskobunun bir alet olarak kullanıldığı spesifik bir bilim alanı olarak tanımlandı. Elektron mikroskop geniş başlığı altında doku hazırlama ve doku analizi için birçok teknikleri içerdi. Elektron mikroskobundan yararlanmak için birçok katılım yapılmasına rağmen, bu biyolojik problemleri çözmek için kullanılan birçok yoldan sadece biridir. Elektron mikroskopistler, elektron mikroskobunu kullananlardır. Tarihi Perspektif: Işık mikroskobunu kusursuzlaştırmak 300 yıl almıştı fakat elektron mikroskobunu iyileştirmek 40 yıldan az zaman aldı. Elektron mikroskobu tarafından açılan dünya biyologlar için oldukça heyecan verici görsel deneyimdi, bununla beraber biyolojik elektron mikroskobunun tanımlayıcı yıllarının geçtiği açıktır. 1940’larda başlayan ve 1970’lere iyi ilerleyen tanımlayıcı biyolojik elektron mikroskobu iyi gelişti. Araştırmacılar hücre komponentlerinin keşfi ile meşguldüler. Buluşlar öyle yaygın ve yenilikciydi ki araştırmacılara sürekli olarak bulgularının hücre yapısını doğru olarak temsil edip etmediği hakkında sorgulanıyorlardı. Bulgulardan çoğunun hücre yapısını gerçekten temsil ettiği ispatlanırken bazılarının doğru olmadığı ortaya çıkarıldı. Bu sorgulama periyodu, bu yeni bilimin güvenilir olması açısından gerekliydi. Ernst Ruska ve Max Knoll ilk elektron mikroskobunu geliştirmekten dolayı onurlandırıldı. Ruska’nın gayretleri, 1986’da fizikte Nobel ödülü ile takdir edildi. Elektron mikroskobunun icadından kısa süre sonra, birçok birey cihazı geliştirmekle meşgul oldular. Cihazın kendisini geliştirmek için uğraştılar, biyolojik problemlere cevap verebilmek için bir cihaz olarak kullanma amacına yönelik yollar geliştirildi ve biyologlar elektron mikroskop uygulamaları ile ilgilenmeye başladılar. Porter ve meslektaşları tarafından yayınlanan bir çalışma hücrelerin elektron mikroskobu ile detaylı olarak incelenebileceğini açıkça göstermiştir. Elektron Mikroskobunun Tarihi Gelişimindeki Mil Taşları: Hazırlık Tekniklerinin Gelişimi: Biyolojiye Katkısı ve Elektron Mikroskobunun Geleceği: Elektron Mikroskop Elektron Mikroskobunun Türleri: Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 26 Elektron Mikroskobu ile Işık Mikroskobunun Karşılaştırılması: Elektron Çarpma Spektroskopi: Taramalı Elektron Mikroskobunun Temel Sistemleri ve Çalışma Prensibi Elektron Optik ve Işın Demeti Kontrol Sistemleri Kondansör Lensler: Final Kondansör Lens: Stigmatör Aygıtı: SEM’de Ayırım Gücü: Elektron Işın Demetinin Numune ile Etkileşimi: Elastik Saçılma: D nelastik Saçılma: Numune Manipülasyonu: D kincil Elektron Dedektörü: SEM Resminin Kontrast ve Üç Boyutluluğu: Bir numune içindeki kontrastı etkileyebilecek diğer durumlar: Numune Sinyallerinin Diğer Tiplerini Görüntüleme: Backscattered Elektronlar: Fikse Edilmemiş Dokuların D ncelenmesi Donmuş numunelerin Gözlemi: Taze Numunelerin Gözlemi: Biyolojik Numunelerin SEM D çin Hazırlık Aşamaları Yüzey Temizleme: Fiksasyon: Tampon Seçimi: Gluteraldehit Fiksatifleri: Formaldehit Fiksatifleri: Osmiyum Tetraoksit Fiksatifleri: Uranil Asetat: Acrolein: Tannik Asit: Potasyum Dikromat: Potasyum Permanganat: Daldırma ile Fiksasyon: Perfüzyonla Fiksasyon: Numune Hazırlığında Mikrodalga Kullanımı: NORMAL ELEKTROKARDD YOGRAM Giriş ve Teori: Devamlı çalışan bir kalp yaklaşık olarak bir elektrik ikikutup gibi değerlendirmeye tabi tutulabilir mi? Bu soruya tam cevap verebilmek için önce bir (+q) nokta elektrik yükünün çevresinde meydana getirebileceği elektrik alanında, bir noktadaki, potansiyelin hesaplanması gerekir. Şek.EKG-5'teki FLR üçgeninin oluşturduğu "DÜZLEM ÇÖP ADAM"dır. [ DD KKAT: Bu kolaylaştırıcı kabullerin bulacağımız sonucu fazla etkilemediği görülecektir.] Bu şartlar altında; herhangi bir kalp için bu FLR eşkenar üçgenin ikişer ikişer karşılıklı köşeleri arasındaki potansiyel farkları kolayca hesaplanabilir. Bu potansiyel farkları; ? kalp elektrik ikikutup moment vektörünün FLR üçgeninin kenarları üzerindeki izdüşümleri ile orantılıdır ve EKG'nin değerlendirilmesinde anlamlıdır. Şimdi; denk.(EKG-014)'le verilen bağıntıda, bu üçgen ÇÖPADAM'ın F(sol bacak), L(sol kol) ve R(sağ kol), noktalarındaki potansiyelleri, sıra ile: VF; VL; VR ile ifade edelim. (Dikkat: r>>d buna göre; r F = r L = r R = r dir). O halde bu ifadeler sadece bir uzaklığın; r, fonksiyonu olacaktır. Söz konusu potansiyeller; seçtiğimiz bu sisteme uygun türetilen bir eksen sistemine göre hesaplanacaktır. Şöyle ki: Şek.EKG-5'teki eşkenar üçgenin O merkezinden (kenar orta dikmelerin kesim noktası), RL kenarına (R'den L'ye doğru olan yön, pozitif olmak üzere), bir Şek.EKG-5 : EKG de Üçgen Çöp adam modeli. L: R: F: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? L ? ? ? ? µ µ µ µ ( ( ? F = 90 0 - ?, ? 0 r L =r r R =r r F =r OProf. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 27 paralel yarı doğru çizilmiştir. Bu yarı doğru özel olarak "DI" ile adlandırıldı. Yine bu DI doğrultusu ile kalbin µ µ µ µ elektrik ikikutup moment vektörü arasındaki açı ? olarak seçildi. Aynı şekilde kalbi köşelere birleştiren doğrultularla, OF; OL; OR arasındaki açılar sıra ile: ? F ; ? L ; ? R ile tanımlandı (Şek.EKG-5). DI'den hareketle saat ibrelerinin hareket yönündeki açılar pozitif, ters yöndekiler ise negatif olarak seçildi. NORMAL ELEKTROKARDD YOGRAMIN SINIFLANDIRILMASI: Elektrokardiyogramlar derivasyonlarına göre değişirler. Elektrotların tatbik şekli ve yerine göre genel olarak ikiye ayrılırlar. 1. Standart Ekstremite Türevleri, 2. Ünipolar/bir kutuplu Türevler. a- Tek kutuplu Ekstremite Türevleri, b- Tek kutuplu Prekardiyal Türevleri. EKG Deney Raporunun Hazırlanması: I Öğrencinin : Adı ve Soyadı : Fakülte no : Tarih: (..../.../........) II Deney: 1 Deneyin adı. 2 Deneyin amacı, 3 Deneyde kullanılan cihazlar, 4 Deneyin teorisi, 5 Deneyin yapılışı, 6 Deneyde elde edilen sonuçlar: 6.1 P dalgası, 6.2 PR ve/veya PQ intervali, 6.3 Q dalgası, 6.4 QRS kompleksi, 6.5 QRS intervali, 6.6 S dalgası, 6.7 (RS-T)/ST-segmenti, 6.8 T dalgası, 6.9 QT intervali, 6.10 Kalbin atım sayısı, 6.11 Kalbin elektrik aksının QRS-kompleksi yardımıyla tayini, 7 Hata kaynakları ve hata analizi, 8 Sonuç ve yorum, 9 Kaynaklar. D mza ? ? ? ? = tan -1 {(DII + DIII)/(?3.DI) } [Y.CANER; (EKG-025)] Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 28 DENGE DUYGU VE D NSANIN HAREKET VE VAZD YET HD SSD “[H.P.Zenner; Universiteats- HNO-Klinil Silcherstr. 72076 Tübingen]” 14.1 D ç kulaktaki denge organı: 14.2. D vme ölçümüyle denge duyusu: 14.3. Merkezi vestibüler sistem: D NSANIN HABERLEŞMESD , DŞD TME VE KONUŞMA [H.P.Zenner; Universiteats- HNO-Klinil Silcherstr. 72076 Tübingen] 15.1. Ses: Kulak insanın en duyarlı bir organıdır [18]. Uygun uyarı türü ise sestir. Sesin fiziksel tanımı akustiktir. Deforme olabilen ortamlardaki elastik dalgalara ses dalgası denir. Bu esnada yerel basınç dalgalanmaları yayılır. Katı cisimlerde akustik dalgalar hem enine hem de boyuna dalgalar olabilirler. 15.2. D ç kulağa ses iletimi: 15.3. D ç kulakta sesin iletimi: 15.4. Duyu sinir hücrelerinden işitme sinirlerine sinyal iletimi: 15.5. Frekans seçiciliği: Konuşma Kabiliyeti: 15.6 Bilgi taşıma ve merkezi sinir sisteminde, MSS, işleme: 15.7 Ses/seda ve konuşma: MEMBRAN BD YOFD ZDĞD Membran Modeli Hücre membranı ekstrasellüler ve intrasellüler sıvıları birbirlerinden ayırır ve bir dizi paralel bağlanmış "dirençler ve kondansatörler"; intrasellüler ve ekstrasellüler dirençleri birbirlerine köprü şeklinde bağlarlar. Hücreden dışarı çıkan ve içeri akan akımlar işte bu paralel bağlı RC devresi üzerinden geçerler. R direnci ile C kondansatörünün birbirlerine paralel bağlanması durumunda, devrenin empedansı, "Z söz konusudur. DD FÜZYON OLAYI: Difüzyonun Kinetik Moleküler Tarifi: Difüzyonun Moleküler ve Makroskobik Tanımı: 1.Fick-Kuralı: 2.Fick-Kuralı: D AB Difüzyon Katsayısının Ölçümü: Sedimantasyon hızı: D vme alanında sedimantasyon denge: Yoğunluk gradyantı metodu: Polimer eriyiklerin viskozitesi: Mesela rotasyon elipsoidi için: a. Rotasyonel Relaksasyon Zamanı: b. Rotasyonel Relaksasyon Zamanı T R 'nin ölçümü: Eriyiklerin Flüoresansının Depolarizasyonu: Akım çift Kırıcılığı: D stirahat Potansiyeli: Şek.14-1: Diğer sistemlerle vestibüler sistemin bağlantıları. D ç kulaktaki vestibüler organlar çevre reseptör organlardır. D lk merkezi station nöronal bağlantılarla proprioreceptörlerden ve gözden de bilgi alan vestibüler çekirdeklerdir. Göz Kortex Thalamus Labirent Proprioceptörler Beyincik Vestibular çekirdek r d r d r i r i R m C m E m - + Şek.MB-1: Hücre membranının elektrik eşdeğer devre şeması. Burada: R m ve C m membranın spesifik direnci ve siası/kapasitesi; r i ve r d hücre içi ve dışı sıvıların dirençleri; E m ise hücrenin elektromotor kuvvetidir. Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 29 UYARILABD LD R HÜCRELERDE EŞD K ALTI,EŞD K VE EŞD K ÜSTÜ OLAYLAR: Uyarılabilir Hücrelerde Eşik Altı Olaylar: Bir uyarılabilir hücrenin uzunca bir bölümü, mesela bir sinir hücresinin aksonu, birbirine seri bağlanmış birim uzunluktaki bir dizi membran parçası olarak düşünülebilir. Hatırlanacağı gibi birim uzunluktaki her membran parçası elektrik bakımından Şek.NB-1'deki devreyle gösterilebiliniyordu. Komşu membran parçaları arasındaki elektrik bağıntı hücre içinde sitoplazma, hücre dışında ise hücre dışı sıvı tarafından sağlandığından, bir akson veya dentritin elektrik eşdeğer devresi birim uzunluktaki membran parçalarını temsil eden devreleri, içeride sitoplazmanın, iyonların hareketlerine gösterdiği direnci temsil eden bir direnç ve dışarıda hücre dışı sıvının direncini temsil eden bir direnç ile bir köprü oluşturacak şekilde bağlayarak elde edilir Şek.NB-4. Membran Potansiyelinin Zamanla Değişimi: Membran Potansiyellerinin Uzaklıkla Değişimi: Uyarı, Uyarı D letimi ve Sinaptik Taşıma: Aksiyon Potansiyelleri: Aksiyon Potansiyelinin D yonik Temeli: Aksiyon Potansiyeli Esnasında D yon Akımlarının Zamanla Değişimi ve Potansiyel Bağımlılığı Uyarıya Fiziksel ve Kimyasal Etkiler: Sodyum Kanalı Modeli: Aksiyon Potansiyelinin Yayılması: (NB-052) Uyarıcı ve uyarıyı iptal eden postsinaptik potansiyeller: Sibernetik: Sibernetik (Cybernetics), Kontrol Sistemleri: Organize sistemler kendi yaptıkları işlerden de haberdar olurlar. Yani kendi elde ettikleri sonuç da onlar için bir bilgidir. Mesela insan bedeni tansiyon yüksekliğini veya kanındaki şeker seviyesini bilmek mecburiyetindedir. Ancak bu suretle elde edilen sonucun amaca tam uygunluğu tespit edilir ve hedeften sapmalar düzeltilir. Dş te yapılan işin gerisin geriye sisteme bağlanmasına “ geri tepme= geri bildirme = Feed-back ” adı verilir. D kili ve Ondalık Sistem: D kili Sistem: Ondalık sistem: Mantığın Matematiği: AND OR NOT x y x AND y x y x OR y x x’ 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 Şek.NB-4 : Bir akson parçasının elektrik eşdeğer devre modeli. R dış E m r m+ =1/ g + - C m R dış R iç R iç R dış E m r m+ =1/ g + - C m R dış R iç R iç R dış E m r m+ =1/ g + - C m R dış R iç R iç R dış E m r m+ =1/ g + - C m R dış R iç R iç Şek.NB-17 :Uyarıcı ve D nhibitör postsinaptik potansiyeller, "EPSP ve IPSP". Aynı şekilde eksite edici ve inhibe edici akımlar; "EPSI ve IPSI". Bunun gibi bunların üst üste gelmesi; "EPSP + IPSP" veya "EPSI + IPSI". Grafiğin son kısmında mukayese için: D nhibe edilmemiş EPSP ile, IPSP gösterilmiştir. EPSP +IPSP EPSC +IPSC EPSP IPSP EPSC EPSC D nput Output Biyofiziğin Temelleri Prof. Dr. Yusuf Caner 30 Bilginin Değerlendirilmesi: Bir Sistemin Enerji Durumu: Entropi: Açık Sistemlerde Entropi: O halde canlılık: Bir bakıma entropinin artmasının belirli bir süre için durdurulması veya yavaşlatılması anlamına gelen bir olaydır ve prensip olarak termodinamik kanunlarına aykırı bir durum olan canlılık, bilgi sayesinde varlığını, hayatının devamı süresince dışarıdan sisteme serbest enerji vermekle sürdürebilmektedir. RADYOAKTD VD TE: Bütün atom çekirdekleri, “nuklit” de denir, atom numarası (Z) ve kütle numarası (A) ile tanımlanabilir. Bu iki A ve Z sayıları doğal pozitif ve tam sayı olmak zorundadır. Tabiatta bilinen veya henüz keşfetmeyi bekleyen, bilinmeyen elementleri, uygun şartlar altında elde etmenin en kolay yolu, bir atom çekirdekleri cetveli hazırlamaktır. Bu oluşumu gözlemek için Şek.R-1’i dikkate alalım. Bu cetvelde mühim olan; kutucukların boyutlarının 1:2 oranıyla, yan yana ve üst üste sıkıca dizilmiş olmalarıdır. Bu cetvelde düşünülebilen (imkân dâhilinde olan) tüm çekirdek türü kendilerine ait uygun, A’lı ve Z’li gözlere gelecektir. Bu atom çekirdekleri cetvelinde dikkat edilmesi gereken bir diğer husus da tüm aynı Z’li çekirdekler aynı sütunda ve aynı A’lı çekirdekler de aynı satırda yer almalıdır. Atom çekirdekleri cetvelinin kısa kenarı düşeyde uzun kenarı da yatayda olacak şekilde, dikdörtgenlerden meydana gelmiş gibi düşünebiliriz. Buna göre üst üste gelen gözlerin atom numaraları Z hep aynı kalacak ve yan yana gelen gözlerin ise, kütle numaraları A hep aynı kalacaktır. Kütle numaraları farklı fakat atom numaraları aynı olan atom çekirdeklerine o atom numarasına ait atomun izotopu denir. O halde bir atomun izotopunun elektron sayıları sabittir. Fakat kütle numaraları farklılık gösterirler. Atom çekirdekleri cetvelinin düzenlenmesi için; Proton, elektron ve nötrona ihtiyaç vardır. O halde bunları bulunduran üç ayrı kabımız olmalıdır. Her kaptan uygun şartlar altında, belirli sayıda elemanter parçacık (burada; elektron, proton, nötron) alınır ve cetveldeki ilgili gözlere yerleştirilir. Böylece bilinen tüm element ve bunların izotopları elde edilir. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli husus; proton=elektron ve nötronlardan keyfi sayıda elemanter parçacığı bir arada tutamayacağımızdır. Bunların element oluşturmada, birbirlerine göre sayıları, belirli şartların yerine getirilmesini zorunlu kılar. Misal olarak Şek.R-1’de periyodik cetvelin başlangıç elementlerini veren atom çekirdekleri cetvelinin başlangıcı şematik olarak gösterilmiştir. Bu cetvelde n=nötron sayısını, e ise nötr bir atom için hem e=elektron sayısını hem de e=p olacak şekilde, proton sayısını temsil etmektedir. Önceden belirttiğimiz gibi atom çekirdekleri cetvelini meydana getiren yan yana ve üst üste gözlerin kenarları arasında (1:2) oranı korunmalıdır. Tabiatta sık rastlanan çekirdekler genellikle kararlı çekirdeklerdir. Bu kararlı çekirdekler atom çekirdekleri cetvelinde kararlı bir bölge oluştururlar. Bu demektir ki, tabiatta kararlı olmayan çekirdeklerde mevcuttur. Bizi burada ilgilendirecek olanlar da şimdilik bu kararsız çekirdeklerin bazı özellikleridir. Radyoaktif Seriler: Tabiatta doğal olarak rastlanan ve yapay olarak elde edilen radyoaktif seriler belirli kaidelere uyarlar. m = (0; 1; 2; 3) ve n tamsayı olmak üzere, bütün parçalanma serileri: A = 4n + m (R-005) bağıntısı ile karakterize edilirler. Burada bir hususa dikkat edilmelidir. Şöyle ki m=0 ile m=4 aynı seriyi verdiğinden, ancak dört çeşit radyoaktif seriye tabiatta rastlamak mümkündür. AND = ve ; OR = veya işlemleri x y X AND y X OR y 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 Şek.R-1 : Atom çekirdekleri cetvelinin Li-atomuna kadar olan başlangıç bölümü. Burada: p protonu, e elektronu, n nötronu ifade etmektedir. Bu atom çekirdekleri cetveli: elektron=proton ve nötron sayılarına göre çizilmiştir. Kütle numarası A 9 n=5,p=4,e=4 9 Be 1 8 n=4,p=4,e=4 8 Be 1 7 n=4,p=3,e=3 7 Li 1 6 n=3,p=3,e=3 6 Li 1 5 4 n=2,p=2,e=2 4 He 1 3 n=2,p=1,e=1 3 H 1 n=1,p=2,e=2 3 He 1 2 n=1,p=1,e=1 2 H 1 1 n=1,p=0, e=0 1 n 0 n=0,p=1,e=1 1 H 1 0 1 2 3 4 Prof. Dr. Yusuf Caner Biyofiziğin Temelleri 31 Çekirdek Reaksiyonları: Mikroskobik Etki Kesiti: Makroskobik Etki Kesiti: Radyoaktif Parçalanma Kuralı: Yiyeceklerle desteklenmeyen bir izotop için, kendine özgü ve bir üstel fonksiyona uygun olarak (e-fonksiyonu), "T b = biyolojik" bir yarı ömrü ile uygun bir azalma olur. Dş te bu T b biyolojik yarı ömrü; diğer iki, fiziksel ve efektif yarı ömürler yardımı ile (T 0,5 ve T e ), hesaplayabiliriz. Söz konusu bu üç yarı ömür: * : Biyolojik yarı ömür, * : Efektif yarı ömür, * : Fiziksel yarı ömür, ayrı ayrı her bir yarı ömürle ilişkili, üç parçalanma sabitleri ile, (? b; ? e ve ? 0.5 ) ters orantılıdır. Burada: ? b = biyolojik parçalanma sabiti, ? e = efektif parçalanma sabiti, ? 0.5 = fiziksel parçalanma sabitidir (veya ?) O halde aktivite söz konusu ise, (s -1 )'e ne denir? 1. Parçacığın enerjisi: MeV. olarak verilir. (E) ile gösterilir. 2. Parçacık yoğunluğu veya parçacık akım yoğunluğu (n): Birim hacimdeki 3. Akı yoğunluğu veya kısaca akı (? ? ? ?): Doğrultusuna bakılmaksızın, zaman birimi 4. Şiddet (I): Parçacığın enerjisi E ile akısı ?'nin, çarpımından elde edilir: 5. Parçacık akımı (J): Mesafe Kuralı: Parçalanma Sabiti: Parçalanma Ürünlerinin Teşekkülü: 1. Ara ürünün, ana maddeden daha uzun ömürlü olması hali: 2. Kararlı son ürünlerin zenginleştirilmesi [? ? ? ?ü = 0]: 3. Ara ürün maddenin ömrünün ana maddenin ömründen daha kısa olması hali: 4. Çekirdek reaksiyonu ile aktive etme [?a ? 0]: Analog Göstergeli Ölçü Aletlerinin Zaman Sabitleri: D yonizasyon Odası Akımının ve Sayaç Değerinin Ortalama Sapması: Ayırım Gücü ve Ölçü Süresi Arasındaki Münasebet: Radyasyondan Korunum Ölçümleri: D nsan Vücudunda Nötron Absorpsiyonu: Nötronların vücut atomları ile reaksiyonları: D nce bir dokuda nötronların absorpsiyonu: Kalın bir doku tabakasında nötronların absorpsiyonu: 1. D nsanın Dışarıdan Işınlanması (Dış ışınlanma): a) Bir Radyoaktif Buluttan Direkt Işınlanma: b). Yere Çökmüş Bulunan Radyoaktif Maddelerden Dolayı Radyasyona Maruz Kalma: 2 Radyoaktif maddelerin D nkorporasyonuyla D nsanın Işınlanması (D ç ışınlanma): Hava veya su alımı ile radyonuklidlerin inkorporasyonu Hava veya Su ile alınan aktiviteden dolayı organlardaki Radyasyonun eşdeğer, (RBE), doz gücü: Radyoaktif Besin Alımı Sonucu Organdaki Eşdeğer doz gücü: Radyasyondan Korunum Kriterleri: Tehlikenin derecesini bilmek, tehlikeden korunabilmek için nelerin yapılabileceğini ve gerekli tedbirlerin alınmasını kolaylaştırmaktadır. Dş te iyonize Işınlardan korunmak için bir takım müsaadeli radyasyon doz gücü sınırları önceden tespit edilmiştir. Getirilen bu kurallar iyonize Işınların keyfi kullanılışını önlemek içindir. Ama bu getirilen kurallar da insanlar tarafından konmuştur ve kati doğal sabitler değillerdir. Gerektiğinde günün şartlarına göre yeniden düzenlenebilirler. O halde tespit edilen maksimum değer sınırlarında belirli bir esneklik de mevcuttur. Bu kuralların standartları: I = International, C = Commission on R = Radiological P = Protection ( I.C.R.P )'nin tavsiyeleri doğrultusunda yapılmaktadır. Bu ICRP'yi Türkçe olarak: Milletler arası radyolojik korunum komisyonu olarak tercüme edebiliriz. Doz ve Doz Gücünün Müsaadeli Değerleri: Bunun için başlıca iki durum dikkate alınmaktadır. Şöyle ki: 1. Emniyet Bölgesinin Müsaadeli Maksimum Doz Değerleri: 1.a. Kontrol bölgesi: Kontrol bölgesi: 1.b. Gözetim Bölgesi: Gözetim bölgesi; 2 Radyasyonla D lgili Kişilerin Maruz Kalabilecekleri Müsaadeli maksimal Eşdeğer Doz Gücü Değerleri: Havanın Maksimal Müsaadeli Konsantrasyonuna Yaşın Etkisi: