— Published on 01/12/2013 / Zbornik 11. hrvatskog simpozija o nastavi fizike održanog 26. 3. 2013. u Primoštenu.
Još 2010. godine Ministarstvo znanosti, obrazovanja i sporta donijelo je odluku o uvođenju strukovnog kurikuluma za stjecanje strukovne kvalifikacije medicinska sestra/tehničar opće njege. U nastavni plan i program fizike tada su uvedene mnoge teme iz biologije, medicine i medicinske tehnike. Izdavačka kuća Neodidacta odlučila je napraviti, prema tom nastavnom planu i programu, udžbenike Fizika u medicini s multimedijskim sadržajem za 1. i 2. razred medicinskih i zdravstvenih škola.
Udžbenici su bili dovršeni krajem 2011. godine, prošli recenziju i odobreni od strane povjerenstva Ministarstva znanosti, obrazovanja i sporta, početkom 2012. godine. Trenutno čekaju ulazak u Katalog obveznih udžbenika i pripadajućih dopunskih nastavnih sredstava što znači da neće doći do učenika prije rujna 2014. godine. S jedne strane učenici medicinskih i zdravstvenih škola nemaju odgovarajuće udžbenike za svoj program, a s druge strane ti udžbenici postoje i nedostupni su zbog dugačke administrativne procedure.
U svom izlaganju, na 11. hrvatskom simpoziju o nastavi fizike, naglasak sam stavio na interdisciplinarne probleme te primjere multimedijskih sadržaja i interaktivnih pokusa koji su sastavni dio udžbenika Fizika u medicini.
S obzirom da se to izlaganje nadovezalo na izlaganje Sanje Dolanski Babić, Fizika i biofizika za studente medicine, te da je pokazano da gotovo iste nastavne sadržaje trebaju savladati studenti završnih godina medicine kao i učenici prvih godina srednje strukovne škole, većina rasprave svela se na kritiku novog strukovnog kurikuluma za stjecanje strukovne kvalifikacije medicinska sestra/tehničar opće njege.
Kako je tema simpozija bila Nastava fizike i interdisciplinarnost, u ovom će prilogu biti pokazani odabrani primjeri (tekstovi i slike) iz udžbenika Fizika u medicini koja se odnose upravo na interdisciplinarne probleme, primjerice: prijenos živčnog signala, utjecaj elektromagnetskih valova na ljude, primjenu rendgenske cijevi i lasera, računalnu tomografiju (CT), snimanje magnetskom rezonancijom (MRI) i tomografiju emisijom pozitrona (PET).
Odabrani interdisciplinarni primjeri
PRIJENOS ŽIVČNOG SIGNALA KROZ STANICU
Ljudski živčani sustav prenosi informacije u obliku električnih signala. Signali putuju kroz živce, a za razumijevanje tog procesa ključan je pojam razlike potencijala, odnosno napona. Svaki je živac snop aksona, a svaki akson dio živčane stanice ili neurona. Živčana stanica sastoji se od tijela stanice, brojnih dendrita i samo jednog aksona. Dendriti imaju ulogu da pretvaraju vanjske podražaje (poput pritiska ili topline) u električne signale, koji se onda prenose kroz akson. Akson prenosi signal do živčanih završetaka koji dalje šalju signal preko sinapse na iduću živčanu ili pak mišićnu stanicu.
Tekućina unutar stanice, citoplazma, razlikuje se od izvanstanične tekućine. Obje tekućine sadrže ione (pozitivno ili negativno nabijene atome), ali se znatno razlikuju po sastavu. Izvanstanična tekućina sadrži pozitivne ione natrija (Na+) i negativne ione klora (Cl–). Takav sastav iona ima kuhinjska sol (natrijev klorid), iz čega je razumljivo zašto je taj kemijski spoj važan sastojak ljudske prehrane. Sol u hrani izvor je iona koji su neophodni za rad živčanih stanica. Citoplazma pak sadrži pozitivne kalijeve ione (K+) i negativno nabijene proteine.
Citoplazma je odijeljena od izvanstanične tekućine staničnom membranom koja ima različitu propusnost za različite ione. Primjerice, kalijevi ioni mnogo lakše izlaze iz stanice nego što natrijevi ioni ulaze u stanicu. To svojstvo stanične membrane nazivamo selektivnom propusnošću. Zbog selektivne propusnosti stanične membrane unutrašnjost stijenke živčane stanice negativno je nabijena, dok je vanjska strana stanice pozitivno nabijena. Zato između unutrašnjeg i vanjskog dijela stanice postoji razlika potencijala ili napon. Iznos tog napona je između –40 mV i –90 mV, u prosjeku –70 mV. Slični naponi postoje na membranama gotovo svih stanica u ljudskom tijelu. Tih –70 mV nazivamo membranskim potencijalom živca u mirovanju.
Živac koji je na potencijalu mirovanja ne prenosi signal. Za prijenos signala odgovorna je promjena potencijala koju nazivamo akcijskim potencijalom. Kad neuron primi vanjski poticaj, membrana postaje propusna za pozitivne ione natrija. Ti ioni ulaze u stanicu. U kratkom vremenu, od 1 do 2 milisekunde, potencijal lokalno poraste s –70 mV na otprilike +35 mV. Istodobno kalijevi pozitivni ioni izlaze iz stanice te vraćaju potencijal na početnu vrijednost. Tu promjenu nazivamo akcijskim potencijalom. Taj ulazak natrijevih i izlazak kalijevih iona događa se kao lančana reakcija ili domino-efekt. Na taj način električni signal putuje duž živaca.
UTJECAJ ELEKTROMAGNETSKIH VALOVA NA LJUDE
Zračenje koje emitiraju mobiteli neionizirajuće je zračenje, uglavnom u radiovalnom području. Njegova je navodna štetnost i dalje vrlo diskutabilna. Nema čvrstih dokaza da je zračenje mobitela štetno. Međutim, mudro je biti na oprezu i izlagati se što manje. Mogu se, primjerice, izbjegavati dugi razgovori pri kojima je mobitel pritisnut na uho. Čak i malo povećanje razmaka između mobitela i uha znatno smanjuje potencijalnu opasnost. Naime, intenzitet zračenja opada s kvadratom udaljenosti. Ako, dakle, povećamo udaljenost s jednog milimetra na jedan centimetar (10 puta), intenzitet zračenja smanji se čak 100 puta. Korištenje malih slušalica s mikrofonom, pri čemu mobitel može biti u džepu ili torbi, još je bolje rješenje.
PRIMJENA RENDGENSKE CIJEVI I LASERA
Njemački fizičar Wilhelm Röntgen uočio je 1895. godine da metal izložen snažno ubrzanim elektronima emitira dotad nepoznatu vrstu zračenja. To nepoznato zračenje Röntgen je označio simbolom X, tipičnim simbolom nepoznanice u matematici. Rendgensko zračenje ili X-zračenje ima neobično svojstvo da prolazi kroz tvar. Različite tvari propuštaju ga različito, primjerice kosti i meko tkivo, što omogućuje “pogled u unutrašnjost”. Rendgensko snimanje brzo je pronašlo primjenu u medicini, ali i industriji. Primjerice, u proizvedenim dijelovima stroja rendgenska snimka može otkriti unutrašnje nepravilnosti koje bi eventualno mogle dovesti do lomova.
Početkom 60-ih godina 20. stoljeća kvantna je fizika rezultirala drugim velikim doprinosom tehnologiji – izumom lasera. Riječ laser engleski je akronim za light amplification by the stimulated emission of radiation, što znači pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja. Kao i u običnoj žarulji, svjetlost lasera nastaje kad atomi prelaze iz višeg u niže kvantno stanje. Kod lasera, za razliku od žarulje, svi atomi emitiraju svjetlost posebnih svojstava: (1) izrazito je jednobojna – svi emitirani fotoni imaju gotovo jednaku valnu duljinu; (2) vrlo je usklađena – koherentna – poklapaju se bregovi i dolovi svih valova; (3) vrlo je usmjerena – svi emitirani fotoni putuju u istom smjeru i (4) može se oštro fokusirati – snop laserske svjetlosti može biti vrlo uzak, što znači da gustoća energije može biti vrlo velika. Laseri stoga mogu uzrokovati oštećenja oka. S druge strane, laserskom se operacijom vrlo precizno preoblikuje rožnica (prednji, prozirni dio oka). Na taj se način mogu riješiti mnogi problemi vida.
RAČUNALNA TOMOGRAFIJA (CT)
Računalna tomografija poznatija je po engleskom akronimu CT, početnih slova izraza computed tomography. Riječ tomografija znači snimanje slojeva tijela. Tomos je režanj ili sloj tkiva, a grafija je način crtanja. CT je dijagnostička metoda rendgenskog snimanja niza slojeva tijela i potom sastavljanja (uz pomoć računala) jedne prostorne (trodimenzionalne) slike unutrašnjosti tijela. CT uređaj stoga pomiče pacijenta ispod rendgena koji zahvaća samo uzak sloj. Za razliku od obične rendgenske snimke koja je crno-bijela i plošna, CT snimka je trodimenzionalna i obojena (takozvanim lažnim bojama koje kompjutor određuje prema gustoći tkiva).
Metodu je početkom 70-ih godina 20. stoljeća osmislio William Oldendorf, a razvili su je Godfrey Newbold Hounsfield i Allan MacLeod Cormack, za što su 1979. godine dobili Nobelovu nagradu. Intenzitet X-zračenja obično je manji kod CT-a nego kod uobičajenog rendgenskog snimanja. S druge strane, CT snimke su mnogo preciznije. Mogu pokazati detalje složenih lomova, izljev krvi u mozak kod moždanog udara ili oblik i položaj tumorskih izraslina.
SNIMANJE MAGNETSKOM REZONANCIJOM (MRI)
Snimanje magnetskom rezonancijom ili MRI (engl. magnetic resonance imaging) ima važno mjesto u medicinskoj dijagnostici te za kliničke pretrage i praćenje metaboličkih procesa. Osnova je MRI uređaja nuklearna magnetska rezonancija ili NMR (engl. nuclear magnetic resonance). NMR je metoda koja se temelji na međudjelovanju magnetizma atomskih jezgara s vanjskim magnetskim poljem uz dodatnu pobudu jezgara s radiovalovima. Budući da je NMR nedestruktivna metoda (ne koristi ionizirajuće zračenje) i može detektirati čak stotinjak različitih jezgri, brzo se proširila iz fizike u kemiju, biologiju i medicinu.
Medicinski MRI uređaji stvaraju magnetsko polje od 0,2 T do 3 T. Budući da atomske jezgre imaju svoj vlastiti magnetizam one reagiraju (preusmjeravajući se) na to magnetsko polje. To se preusmjeravanje može dodatno potaknuti radiovalovima posebne frekvencije. Kad frekvencija radiovalova odgovara vlastitoj frekvenciji određene vrste atomske jezgre, dolazi do rezonancije. Tako se iz odziva radiovalova emitiranih u tkivo može odrediti prostorni raspored pojedinih vrsta atoma u živom organizmu.
Zahvaljujući razlikama u sastavu tkiva, kompjutorski se mogu vizualizirati prostorne slike unutrašnjih dijelova tijela (posebno mekih tkiva), primjerice mozga, srca, krvožilnog sustava, bubrega ili pluća. Na NMR snimkama vrlo se precizno vide razlike između zdravog i bolesnog tkiva. Lako se izdvajaju tumori, slabo prokrvljena područja ili oštećenja mozga zbog multiple skleroze. Metoda se počela razvijati još 80-ih godina prošlog stoljeća. No tek su nedavno, 2003. godine, Paul Lauterbur i Peter Mansfield dobili Nobelovu nagradu za medicinu i fiziologiju za svoja otkrića u medicinskoj primjeni magnetske rezonancije.
TOMOGRAFIJA EMISIJOM POZITRONA (PET)
Tomografija emisijom pozitrona ili PET (engl. positron emission tomography) metoda je snimanja u medicini kojom je moguće dobiti trodimenzionalne slike funkcionalnih procesa u tijelu. Koristi se najviše za dijagnostiku u onkologiji (za tumore), neurologiji (za živčani sustav i mozak) i kardiologiji (za srce i krvne žile).
Metoda se temelji na radioaktivnoj tvari koja se unosi u krv pacijenta, a preko krvi dolazi u određena tkiva i organe koji su od interesa. To se postiže tako da se kratkoživući radioaktivni izotop prethodno ubaci u one molekule koje se u tijelu vežu za tkiva i organe koji se žele snimati. Radioaktivni se izotop raspada emisijom pozitrona (čestice slične elektronu, ali pozitivnog električnog naboja). Pozitron u interakciji s elektronom stvara par gama-zraka koje izlaze iz tijela i mogu se detektirati. Računalo rekonstruira mjesta emisije gama-zraka i stvara trodimenzionalnu sliku unutrašnjosti tijela. Dobiju se precizno ocrtani obrisi tkiva i organa u kojima je povećana koncentracija radioaktivnih molekula. Još važnije, te se molekule gibaju kroz tijelo, ulaze u većoj ili manjoj koncentraciji u određena tkiva pa slike odražavaju i procese koji se odvijaju u tijelu. Dobro se vidi, primjerice, prokrvljenost tkiva, koja se posebno jako mijenja u prisustvu tumora. PET se često kombinira s CT-om u istom uređaju. Američki časopis Time proglasio je PET/CT-skener najvećim medicinskim izumom za 2000. godinu.