Fisika Kedokteran

Biophysics is an interdisciplinary science that uses the methods of physical science to studybiological systems.^[1] Studies included under the branches of biophysics span all levels of biological organization, from the molecular scale to whole organisms and ecosystems. Biophysical research shares significant overlap with biochemistry, nanotechnology, bioengineering, agrophysicsand systems biology.

Molecular biophysics typically addresses biological questions that are similar to those inbiochemistry and molecular biology, but the questions are approached quantitatively. Scientists in this field conduct research concerned with understanding the interactions between the various systems of a cell, including the interactions between DNA, RNA and protein biosynthesis, as well as how these interactions are regulated. A great variety of techniques is used to answer these questions.

Fluorescent imaging techniques, as well as electron microscopy, x-ray crystallography, NMR spectroscopy and atomic force microscopy (AFM) are often used to visualize structures of biological significance. Conformational change in structure can be measured using techniques such as dual polarisation interferometryand circular dichroism. Direct manipulation of molecules using optical tweezers or AFM can also be used to monitor biological events where forces and distances are at the nanoscale. Molecular biophysicists often consider complex biological events as systems of interacting units which can be understood through statistical mechanics, thermodynamics and chemical kinetics. By drawing knowledge and experimental techniques from a wide variety of disciplines, biophysicists are often able to directly observe, model or even manipulate the structures and interactions of individual molecules or complexes of molecules.

In addition to traditional (i.e. molecular and cellular) biophysical topics like structural biology or enzyme kinetics, modern biophysics encompasses an extraordinarily broad range of research, from bioelectronics to quantum biology. It is becoming increasingly common for biophysicists to apply the models and experimental techniques derived from physics, as well as mathematics and statistics (seebiomathematics), to larger systems such as tissues, organs, populations and ecosystems.

AKTIFITAS KELISTRIKAN OTOT JANTUNG

Jantung terdiri dari 4 bagian yaitu atrium (dextra & sinistra) & ventrikel (dextra & sinistra). Jantung mempunyai aktifitas listrik meliputi: Sino Atrio Nodus, Atrio Ventrikuler Nodus, Berkas His dan Serabut Purkinje, inilah point penting dalam pembacaan EKG.

Dimana Listrik jantungnya?

Sel membran otot jantung (miokardium) berbeda dengan saraf dan otot bergaris.

Saraf dan otot bergaris memerlukan rangsangan supaya ion Na+ masuk ke dalam sel –> depolarisasi

Sel otot jantung, ion Na+ mudah bocor (tidak memerlukan rangsangan dari luar), setelah repolarisasi komplit, ion Na+ akan masuk lagi ke dalam sel –> depolarisasi spontan

Menghasilkan gelombang depolarisasi untuk seluruh otot miokardium

Depolarisasi sel membran otot jantung oleh perambatan potensial aksi menghasilkan kontraksi otot –> denyut jantung

Penjalaran Depolarisasi

SA node mengalami gelombang depolarisasi ke atrium kiri dari atrium kanan dalam 70 sekon –> terjadi kontraksi atrium

Gelombang depolarisasi berlanjut ke AV node –> AV node mengalami depolarisasi

Gelombang dari AV node melalui bundle of his (BH)dan diteruskan ke bundle branch (BB) –> BB mengalami depolarisasi

Diteruskan ke jaringan purkinye –> endokardium –> berakhir di epikardium –> terjadi kontraksi otot jantung

Setelah repolarisasi, miokardium relaksasi

Sinyal Listrik jantung

P : gelombang yang timbul karena depolarisasi atrium.

Q : defleksi negatif pertama sesudah gelombang P dan yang mendahului defleksi R, dibangkitkan oleh depolarisasi permulaan ventrikel.

R : defleksi positif pertama sesuadah gelombang P dan yang ditimbulkan oleh depolarisasi utama ventrikel.

S : defleksi negatif sesudah defleksi R.

T : gelombang yang timbul oleh repolarisasi ventrikel.

Sumber:

http://alifis.wordpress.com/2010/01/19/seri-fisika-kesehatan___biolistrik-02/

(Alfis Corner)

Fisika Kedokteran

Bioelectromagnetism (sometimes equated with bioelectricity) refers to the electrical, magnetic or electromagnetic fields produced by living cells, tissues or organisms. Examples include the cell membrane potential and the electric currents that flow in nerves andmuscles, as a result of action potentials. 'Bioelectromagnetism' is somewhat similar to bioelectromagnetics, which deals with the effect on life from external electromagnetism; yet such an effect also falls under the definition of 'bioelectromagnetism'.^[1]

Description

Biological cells use bioelectricity to store metabolic energy, to do work or trigger internal changes, and to signal one another. Bioelectromagnetism is the electric current produced by action potentials along with the magnetic fields they generate through the phenomenon of electromagnetism.

Bioelectromagnetism is studied primarily through the techniques of electrophysiology. In the late eighteenth century, the Italianphysician and physicist Luigi Galvani first recorded the phenomenon while dissecting a frog at a table where he had been conducting experiments with static electricity. Galvani coined the term animal electricity to describe the phenomenon, while contemporaries labeled it galvanism. Galvani and contemporaries regarded muscle activation as resulting from an electrical fluid or substance in the nerves.

Bioelectromagnetism is an aspect of all living things, including all plants and animals. Some animals have acute bioelectric sensors, and others, such as migratory birds, are believed to navigate in part by orienteering with respect to the Earth's magnetic field. Also,sharks are more sensitive to local interaction in electromagnetic fields than most humans. Other animals, such as the electric eel, are able to generate large electric fields outside their bodies.

In the life sciences, biomedical engineering uses concepts of circuit theory, molecular biology, pharmacology, and bioelectricity. Bioelectromagnetism is associated with biorhythms and chronobiology. Biofeedback is used in physiology and psychology to monitor rhythmic cycles of physical, mental, and emotional characteristics and as a technique for teaching the control of bioelectric functions. Bioelectromagnetism is also used in certain touch screen technologies that don't actually rely on "touch" but rather on recognizing the electromagnetic waves of body (e.g. the finger) when it comes close to the screen^[2].

Bioelectromagnetism involves the interaction of ions. There are multiple categories of Bioelectromagnetism such as brainwaves,myoelectricity (e.g., heart-muscle phenomena), and other related subdivisions of the same general bioelectromagnetic phenomena. One such phenomenon is a brainwave, which neurophysiology studies, where bioelectromagnetic fluctuations of voltage between parts of thecerebral cortex are detectable with an electroencephalograph. This is primarily studied in the brain by way of electroencephalograms.

Kelistrikan dan Kemagnetan di Dalam Tubuh Manusia

(Sel-Sel Syaraf dan Sel Otot Jantung)

Manusia tidak bisa melihat, merasa, mencium atau menyadari keberadaan listrik dengan inderanya, baik untuk muatan maupun untuk medan listriknya. Baru pada akhir abad 18 hal-hal mengenai listrik diteliti.

Historis…Yunani Kuno : Batu amber digosok dapat menarik benda kecil seperti jerami atau bulu (kata listrik dari bahasa yunani, electron = amber)

Gilbert, 1600, dokter istana Inggris –> electric (membedakannya dgn gejala kemagnetan)

Du Fay, 1700, tolak menolak – tarik menarik –> resinous (-), vitreous (+)

Franklin, ilmuwan USA membagi muatan listrik atas dua: positif dan negatif. Jika gelas dengan sutera digosokkan, maka gelas akan bermuatan positif dan sutera akan bermuatan negatif

Luigi Galvani,1786, periode hujan badai: Menyentuh otot tungkai seekor katak dengan metal, teramati otot berkontraksi. Aliran listrik akibat badai merambat melalui saraf katak sehingga otot2nya berkontraksi.

Kemudian hari : Impuls dalam sistem syaraf terdiri dari ion-ion yang mengalir sepanjang sel syaraf, analog dengan aliran elektron dalam konduktor.

Millikan, 1869 – 1953, mencari harga muatan paling kecil, percobaan tetes minyak Millikan

Muatan elektron e = 1,6 10-19 C

Bagaimana Kelistrikan & Kemagnetan di bidang Medis ??

Sistem Saraf :

(1)

Sistem saraf Pusat :

otak, medulla spinalis & saraf perifer.

Saraf perifer –> serat saraf yg mengirim informasi sensoris ke otak/medulla spinalis. (disebut saraf afferent)

Saraf Efferent : serat saraf menghantarkan informasi dari otak/medulla spinalis ke otot dan kelenjar

(2) Sistem syaraf Otonom : Serat saraf ini mengatur aktivitas alat-alat dalam (visceral) yang dalam keadaan normal di luar kesadaran dan control volunter,misalnya jantung & sirkulasi, usus/pencernaan,kelenjar-kelenjar, berkeringat dan ukuran pupil

Sistem saraf otonom terdiri dari system saraf simpatis dan parasimpatis

—————————————————————-

Struktur dasar sistem saraf & neuron/sel saraf.

Fungsi: menerima, interpretasi dan menghantarkan aliran listrik.

Sel Saraf istirahat

Setiap sel saraf menghasilkan sedikit ion negatif tepat di dalam sel dan ion positif tepat diluar membran sel

Di dalam sel terdapat ion Na+, K+, Cl- dan protein

Sel saraf menggunakan difusi pasif dan transportasi aktif unt uk mempertahankan distribusi ion melalui membran sel.

Membran sel istirahat (tidak ada impuls listrik), konsentrasi ion Na+ lebih banyak di luar sel drpada di dalam sel

–> dalam sel lebih negatif drpd di luar sel.

Potensial Didalam sel +70 mV, diluar sel 0 mV, beda potensial=-70 mV

Rangsangan Sel Saraf

Potensial sel saraf istirahat dapat diganggu oleh:

1. Rangsangan Listrik

2. Kimia

3. Fisis/mekanik

Jika ada impuls –> butir2 membran akan berubah dan ion2 Na+ akan masuk dari luar sel ke dalam sel.

Sehingga: didalam sel akan menjadi kurang negatif ( lebih positif) drpd di luar sel, dan potensial membran meningkat.

Keadaan ini disebut DEPOLARISASI.

Gangguan ini sedikit mempengaruhi potensial membran, dan cepat kembali pada nilai istirahatnya= -70 mV.

Rangsangan kuat –> depolarisasi dari -90mV menjadi -50 mV ( potensial ambang), maka perubahan potensial menjadi terbuka.

Ion-ion Na+ mengalir masuk sel dalam waktu cepat dan jumlah banyak, sehingga menimbulkan arus listrik : I=dq/dt

Aliran Na+ –>perubahan potensial listrik menjadi +40mV

Setelah depolarisasi, saluran Na+ tertutup selama 1 ms sampai membran tidak dapat dirangsang lagi.

Perubahan transien pada potensial listrik diantara membran disebut potensial aksi.

Setelah mencapai puncak mekanisme pengangkutan di dalam sel membran dengan cepat mengembalikan ion Na+ ke luar sel –> potensial membran istirahat

Untuk mengukur potensial listrik :

– EKG (elektro kardiografi) –> jantung

– EEG (elektro ensevalo grafi) –> otak

– EMG (elektromiografi) –> otot, dll

Berlanjut di Seri Fisika Kesehatan__Biolistrik 02: Kelistrikan Otot jantung

Sumber:

http://alifis.wordpress.com/2010/01/14/seri-fisika-kesehatan__biolistrik-01/

(Alifis Corner)

Fisika dan Teknik Sepak Bola

Sepakbola adalah permainan fisika. Dengan mengerti fisika kita bisa lebih menikmati permainan sepakbola, kita dapat mengerti mengapa lintasan bola berbentuk parabola, bagaimana terjadinya tendangan pisang, mengapa penjaga gawang sulit menahan tendangan pinalti, bagaimana orang menyundul bola dengan lebih efektif dan masih banyak lagi. Seorang pemain profesional yang diperlengkapi dengan ilmu fisika akan dapat memperbaiki skill dan kemampuannya.

Gerakan Parabola

Ketika di SMP/SMA, kita belajar bahwa bola yang ditendang dengan sudut elevasi tertentu akan membentuk lintasan parabola (Gb. 1b). Bentuk lintasan ini sangat dipengaruhi oleh gravitasi bumi, kecepatan dan sudut elevasi bola. Tanpa gravitasi bola akan bergerak lurus ke atas (Gb. 1a). Gravitasilah yang menarik bola turun. Semakin besar gravitasi semakin cepat bola jatuh ke tanah (lintasan bola semakin pendek). Di bulan yang gravitasinya lebih kecil, lintasan bola yang ditendang astronot akan jauh lebih panjang dibandingkan dengan lintasan bola di Bumi. Menurut perhitungan fisika, untuk menendang bola sejauh mungkin, pemain sepakbola harus menendang bola sekeras mungkin dan dengan sudut elevasi 45⁰

Tendangan Pisang

Tahun 70-an Pele terkenal dengan tendangan pisangnya. Tahun 1998 gantian Roberto Carlos dipuja-puja karena tendangan pisangnya. Tahun 2006 ini para penonton sedang menunggu-nunggu bagaimana David Beckham mengecoh para penjaga gawang dengan tendangan pisangnya yang sangat terkenal itu.

Kita tentu masih ingat gol-gol manis David Beckham melalui tendangan bebasnya. yang dilakukan sekitar 30 meter didepan gawang. Beckham menendang bola dengan kecepatan sekitar 120 km/jam, bola melambung sekitar 1 meter melewati kepala para pagar betis itu dan secara tiba-tiba bola membelok serta masuk ke gawang lawan (Gb.2). Tepukan menggemuruh menyambut gol yang sangat spektakular ini.

Bagaimana David Beckham melakukan ini?

Seorang pengamat sepakbola Keith Hanna mengatakan bahwa Beckham melakukan ini karena otaknya yang jenius dapat memproses perhitungan fisika yang kompleks secara cepat sekali. Peneliti lain dari Universitas Sheffield, Inggris mengatakan hal yang sama:

"... Beckham was applying some very sophisticated physics,"

Lintasan bola yang menyerupai bentuk pisang ini sudah lama menjadi perhatian para peneliti. Gustav Magnus tahun 1852 pernah meneliti kasus sebuah bola yang bergerak sambil berotasi (Gb. 3). Gerakan bola ini menimbulkan aliran udara. Akibat rotasi bola, aliran udara yang searah dengan arah rotasi bola (A) bergerak relatif lebih cepat dibandingkan aliran udara pada sisi bola yang lain (B). Menurut Bernoulli semakin cepat udara mengalir, semakin kecil tekanannya. Akibatnya tekanan di B lebih besar dibandingkan tekanan di A. Perbedaan tekanan ini menimbulkan gaya yang membelokan bola ke arah A. Membeloknya bola akibat perbedaan tekanan udara ini sering disebut efek magnus untuk menghormati Gustav Magnus.

Pada tendangan bebas, bola yang bergerak dengan kecepatan 110 km/jam dan berotasi dengan 10 putaran tiap detiknya, dapat menyimpang/membelok lebih dari 4 meter, cukup membuat penjaga gawang kebingungan. Yang juga membuat tendangan Beckham lebih spektakular adalah efek lengkungan tajam di dekat akhir lintasan bola. Lengkungan tajam yang tiba-tiba inilah yang membuat kiper-kiper terperangah karena bola berbelok begitu cepat dengan tiba-tiba. Apa yang menyebabkan ini?

Peneliti Inggris, Peter Bearman mengatakan bahwa efek magnus akan mengecil jika kecepatan gerak bola terlalu besar atau rotasinya lebih lambat. Jadi untuk mendapat efek magnus yang besar, seorang harus membuat bola berputar sangat cepat tetapi kecepatannya tidak boleh terlalu cepat. Ketika Beckham menendang bola secara keras dengan sisi sepatunya sehingga bola dapat berotasi cepat sekali, bola melambung dan mulai membelok akibat adanya efek magnus. Gesekan bola dengan udara akan memperlambat gerakan bola (kecepatan bola berkurang). Jika rotasi bola tidak banyak berubah, maka pengurangan kecepatan dapat menyebabkan efek magnus bertambah besar, akibatnya bola melengkung lebih tajam, masuk gawang, membuat penonton terpesona dan berdecak kagum.

Waktu sentuh kepala dengan bola (23 milidetik) yang relatif lebih lama dibandingkan waktu sentuh kaki ketika ia menendang bola (8 milidetik), memungkinkan kita untuk mengarahkan bola secara akurat ke arah yang kita inginkan. Orang botak sering mendapat keuntungan dalam menyundul bola (rambut gondrong akan menyerap sebagian energi bola sehingga bola yang terpantul akan berkurang kecepatannya). Tetapi bukan berarti orang gondrong tidak bisa menyundul keras.

Menyundul

Menyundul merupakan bagian penting dalam sepakbola. Banyak gol tercipta melalui sundulan kepala. Menyundul bola membutuhkan koordinasi yang baik dari kepala, badan, serta pengetahuan tentang kecepatan bola dan arah sundulan.

Ada 2 posisi menyundul bola: 1) ditempat dengan melompat vertikal 2) berlari sambil melompat menyambut bola. Pada posisi 2, bola akan bergerak lebih cepat karena mendapat tambahan momentum dari gerakan kita. Besarnya momentum yang diterima bola sangat tergantung pada ke elastisan bola dan kekuatan otot tulang belakang ketika kita menyundul bola. Untuk membuat sundulan sekuat mungkin, kepala harus ditarik kebelakang sebanyak mungkin (badan melengkung), paha ditarik kebelakang dan lutut bengkok (Gb. 4). Pada posisi ini terjadi keseimbangan aksi-reaksi, pemain tidak terpelanting atau terputar dan kepala siap memberikan sundulan kuat ke bola. Saat bola menyentuh kepala, tubuh harus setegar mungkin agar lebih banyak energi dapat diberikan ke bola (gerakan otot dan urat yang tidak perlu akan menyerap energi kita dan dapat mengurangi energi yang diberikan pada bola).

Waktu sentuh kepala dengan bola (23 milidetik) yang relatif lebih lama dibandingkan waktu sentuh kaki ketika ia menendang bola (8 milidetik), memungkinkan kita untuk mengarahkan bola secara akurat ke arah yang kita inginkan. Orang botak sering mendapat keuntungan dalam menyundul bola (rambut gondrong akan menyerap sebagian energi bola sehingga bola yang terpantul akan berkurang kecepatannya). Tetapi bukan berarti orang gondrong tidak bisa menyundul keras.

Tendangan pinalti adalah tendangan yang sangat ditakuti oleh para penjaga gawang. Tendangan ini dilakukan pada jarak 11 meter dari gawang dan biasanya jarang gagal. Seorang pemain sepakbola profesional dapat menendang bola dengan kecepatan sekitar 30 meter per detik (108 km/jam). Dengan kecepatan ini bola akan mencapai ujung kanan atas gawang dalam waktu 0,45 detik dan untuk ujung kanan bawah 0,38 detik.

Menurut perhitungan Sam Williamson, fisikawan di Center for Neural Science New York, waktu 0,38 detik tidak cukup untuk menangkap bola. Ketika bola ditendang, penjaga gawang akan bereaksi rata-rata setelah 0,3 detik. Begitu bereaksi, otak akan memberi perintah pada otot untuk bergerak, ini butuh waktu tambahan lebih dari 0,1 detik. Itu sebabnya sukar bagi penjaga gawang untuk menangkap bola yang bergerak cepat itu. Untuk melatih reaksi yang cepat dan tepat dibutuhkan latihan yang panjang dan pengalaman yang cukup. Itu sebabnya para kiper atau penjaga gawang dalam piala dunia ini rata-rata lebih tua dibandingkan pemain lainnya.

Agar berhasil, penendang pinalti harus memperhatikan arah angin, rotasi dan kecepatan bola. Bola yang berotasi terlalu cepat dapat menimbulkan efek magnus dan turbulens udara yang akan menyimpangkan bola.

Menurut penelitian, tendangan yang paling efektif adalah tendangan dengan kekuatan 75 % sampai 80 % dari kekuatan maksimum (kecepatan bola sekitar 80 km/jam). Pada kecepatan ini penjaga gawang sulit menangkap bola dan kemungkinan terjadinya gol lebih besar dibandingkan dengan tendangan dengan kekuatan penuh.

Sumber:

Prof. Yohanes Surya, Ph.D.