WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

МОЗ Украины

Днепропетровская государственная медицинская академия

Кафедра медико-биологической физики и информатики

Методическое пособие

по биофизике

для иностранных студентов

специальности «Фармация»

г. Днепропетровск

2011 год

2

Предлагаемое методическое пособие для иностранных студентов предназначено оказать помощь в изучении курса «Биофизика».

Конечная цель данного пособия:

– знание общих биофизических закономерностей, что лежат в основе процессов в организме человека;

– умение пояснить физические основы и биофизические механизмы действия внешних факторов на организм человека;

– умение пояснить биофизические явления, которые лежат в основе терапевтических, диагностических методов и фармакокинетических процессов.

Математический аппарат, используемый в пособии, не выходит за рамки изучаемого ранее курса «Высшая математика».

Особую ценность пособию придает насыщенность иллюстративным материалом и графиками, которые призваны сыграть решающую роль в закреплении и углубленном понимании изложенного материала.

Составители: доц. О.И. Иванова, к.п.н. С.Н. Стадниченко Рецензент: Л.И. Барташевская, доцент кафедры физики Национального горного университета, кандидат физ.-мат. наук Рекомендовано ЦМК ДГМА Протокол № 9 от 21.06.2011 г.

Оглавление Введение Элементы биомеханики 1. Механические колебания 1. Биофизика слуха. Звук. Ультразвук 1. Биофизика кровообращения 1. Электрические свойства тканей и органов 1. Электрокардиография. Реография 1. Основы электротерапии 1. Биофизика зрения. Оптические приборы 1. 1.9 Тепловое излучение и его характеристики 2.0 Рентгеновское излучение 2.1 Элементы радиационной физики. Основы дозиметрии Введение Биофизика как учебная дисциплина стала базой фундаментального курса наук о жизни. В этом качестве биофизика становится необходимой для медиков и фармацевтов. В связи с этим очевидна необходимость подготовки учебного пособия по биофизике, ориентированного на специалистов фармацевтов.

Биофизика в полной мере использует универсальный характер основных физических законов и строгость математических подходов при изучении процессов жизнедеятельности. Биофизика в своих исследованиях широко использует физические, биологические, химические и вычислительные методы.

Биофизические явления лежат в основе многих терапевтических и диагностических методов. Данное пособие охватывает широкий спектр проблем биофизики. Особое внимание уделяется следующим вопросам:

биомеханике, биофизики кровообращения, воздействию физических факторов на организм с целью лечения, физическим методам диагностики заболеваний и исследованию биологических систем.

Данное пособие предназначено в помощь иностранным студентам фармацевтической специальности как краткий лекционный курс.

1.1. Элементы биомеханики Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета, к которым в определенных точках прикрепляются мышцы. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях, и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц.

Различают рычаги двух видов:

I. Рычаг, который дает выигрыш в силе, но проигрывает в перемещении, называется рычагом силы.

Например: череп, рассматриваемый в сагиттальной плоскости. Ось вращения «О» рычага проходит через сочленение черепа с первым позвонком шеи. Спереди от точки опоры на расстоянии «b» действует сила тяжести головы ( R ), приложенная в центре масс черепа, позади точки опоры – сила тяги мышц и связок (F), прикрепленных к затылочной кости (рис. 1).

II. Рычаг, который дает проигрыш в силе и выигрыш в перемещении, называется рычагом скорости.

Например: 1. Стопа (подъем на полупальцах). Опорой «О» рычага служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила R (сила тяжести тела) приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила (F), осуществляет подъем тела и приложена к выступу пяточной кости (рис. 2).

2. Кости предплечья. Точка «О» находится в локтевом суставе.

Действующая сила F – сила мышц, сгибающих предплечье, R – сила тяжести поддерживаемого груза, приложенная к кисти (рис. 3).

Кости опорно-двигательного аппарата соединяются между собой в сочленениях слой клейкой жидкости.

Основной механической характеристикой сустава является число степеней свободы (число независимых координат, необходимых для описания всех возможных движений системы). Примером сустава с одной степенью свободы является плечелоктевой сустав. Сустав с двумя степенями свободы – лучезапястный. Сустав с тремя степенями свободы – тазобедренный.

Активную часть опорно-двигательного аппарата составляют мышцы.

Сокращение, при котором мышца изменяет свою длину, развивая постоянное по величине усилие, называют изотоническим. Сокращение, при котором мышца не изменяет своей длины, развивая постоянное по величине усилие, называется изометрическим. При изометрическом сокращении мышца находится в сокращенном состоянии и потребляет энергию, которая переходит в тепло, выделяющееся в мышце.

Сила, развиваемая при максимальном сокращении, прямо пропорциональна количеству мышечных волокон. Абсолютной мышечной силой называют силу, приходящуюся на 1 см2 общего поперечного сечения мышечных волокон. Например: для икроножной мышцы F =, для Костная ткань состоит из органической (соединительной) основы, пропитанной солями фосфора и кальция. Такое строение придает кости высокие механические качества: соединительнотканная основа – упругость, пропитывающие соли – твердость, а то и другое вместе – большую прочность.



Деформация кости подчиняется закону Гука. Различают упругую и пластичную деформации.

Упругими называют деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил.

При пластичных деформациях тело остается в деформированном состоянии после действия внешних сил. Количественной мерой деформации является абсолютная и относительная деформации (рис. 4):

Закон Гука справедлив только для достаточно малых относительных деформаций.

Модуль упругости численно равен напряжению, если = 1.

Отношение относительного изменения поперечных размеров к относительному изменению продольных размеров называется коэффициентом Пуассона.

Объемная деформация возникает при равномерном распределении сил сжатия и растяжения по поверхности тела.

Закон Гука имеет вид:

где – модуль объемной упругости; V – изменение объема; V0 – начальный объем.

Примером напряжения, которое вызывает объемную деформацию, есть трансмуральное давление, которое равно разнице давления внутри и вне сосуда:

Экспериментально получена диаграмма растяжения для стали (рис. 5).

Данный график можно разделить на пять зон.

ОА – зона пропорциональности, где выполняется закон Гука.

ОВ – зона упругости, где после снятия напряжения тело восстанавливает свои размеры и формы.

Для закручивания стержня (сосуд, цилиндр) на некоторый угол М – момент пары сил; [ М ] = Н м; R – радиус стержня, l – длина стержня, – модуль сдвига материала стержня, [ ] = = Па.

Модуль упругости (Е), коэффициент Пуассона ( µ ) и модуль сдвига связаны между собой соотношением: Рассмотрим диаграммы деформаций биологических тканей и органов, которые в процессе функционирования подвергаются значительным нагрузкам.

Например: костная, мышечная, сухожильная ткани и стенки сосудов.

а) Костная ткань по своим механическим свойствам близка к дереву, бетону, некоторым металлам, т.е. материалам, которые используются в строительстве. Костная ткань представляет собой композитный материал, который состоит из органических веществ и имеет анизотропные свойства.

Рассмотрим диаграмму деформации кости и коллагена (рис. 7).

Рис. 7. Диаграммы деформаций для кости и коллагена Как видно из диаграммы деформация происходит в пределах до 10 % при сжатии и до 5 % при растяжении. При незначительных деформациях (< 2%) выполняется закон Гука. Отметим, что костная ткань лучше «работает» на сжатие, нежели на растяжение – предел прочности и размеры деформации при сжатии вдвое превышают эти же параметры при растяжении.

Коллагеновые нити являются важной конструктивной частью соединительной ткани, которая входит в состав костей, стенок сосудов, мышечных оболочек.

Диаграмма деформации коллагена совпадает по форме с диаграммой костей. Они имеют близкие значения граничных деформаций, однако предел прочности у коллагена больше, чем у костей (рис. 7,б).

Эластин представляет собой резиноподобный материал, который отличается растяжимостью и гибкостью. Эти свойства представляют собой незаменимый компонент в структурах тех тканей, которые в процессе функционирования значительно изменяют свою форму и размеры (стенки сосудов, мышцы, покровные оболочки).

Рис. 8. Диаграмма растяжения эластина и стенки сосуда (аорты) Стенки сосудов имеют сложное строение. Наблюдают существенные различия в строении стенок аорты, артерий, вен, венул и капилляров. Их упругие свойства определяют свойствами волокон трех типов: эластиновых, коллагеновых и мышечных. Коллаген имеет наибольший модуль Юнга, нежели эластин и гладкомышечные волокна. В больших сосудах (аорта, вены) эластин и коллаген составляют 50% сухого веса, а в эластино-мышечных сосудах до 40%. Стенки сосудов неоднородны по своему строению и отличаются анизотропными механическими свойствами.

Рассмотрим диаграмму растяжения стенок аорты (рис. 8). При возрастании трансмурального давления жесткость сосудов или их тонус резко возрастает (пунктирная линия). Физиологическая суть этого явления понятна – возрастающая жесткость сосудов предотвращает чрезмерное увеличение его объема при увеличении давления, что в свою очередь предотвращает чрезмерное сдавливание внутри тканей (например, нервной ткани мозга) и позволяет уменьшить объем циркулирующей крови при нагрузках.

Вязко-упругие свойства биологических тканей Биологические структуры (мышцы, сосуды, сухожилия, ткани легких, кожа) представляют собой вязко-упругие системы. Их поведение изучают на моделях, которые содержат упругие (Е) и вязкие ( ) элементы, а также в некоторых случаях к ним добавляют элемент внешнего трения (k).

Напряжение, которое создают данные элементы под действием внешних сил, равно:

= kFn – для элемента внешнего трения при силе нормального давления Fn и коэффициенте трения k.

Для исследования механических свойств биологических тканей используют модели. Наиболее простыми моделями является тело Максвелла и тело Фойгта (рис. 9). Эти модели позволяют отобразить такие динамические свойства ткани, как ползучесть и релаксация напряжения.

Ползучесть – это явление изменения со временем размеров образца в условиях постоянного напряжения. Если у биологических тканей быстро создать, а потом поддерживать некоторое напряжение, то со временем происходит постепенное удлинение образца, вплоть до разрыва ткани даже при условии, что постоянное напряжение имеет значения меньше, чем предел прочности материала.

Динамика ползучести показана на рис. 10. Изменение размеров происходит тем быстрее, чем больше напряжение (сравнение кривых 1,2,3 для Релаксация напряжения – явление уменьшения со временем величины напряжения в образце при поддержке постоянной величины деформации. Если быстро растянуть образец и поддерживать постоянно полученную деформацию, измерять напряжение в образце в течении некоторого времени, заметно будет его уменьшение размеров со временем. Пунктирными линиями на обоих рисунках а) и б) отображено поведение чисто пружинных тел. Релаксация напряжения и ползучесть – это динамические процессы. Время их существования измеряется секундами или минутами. Например, для мышц время уменьшения напряжения на 40% составляет 10 секунд.

Эти процессы легко объяснить механическими моделями (позиция № 4 – тело Максвелла). Сначала под действием внешних сил деформируется пружинный элемент, а потом начинается «текучесть» вязкого элемента, изменяются его размеры, что вызывает изменение как длины, так и напряжения.

С помощью модели Максвелла получим экспоненциальный закон релаксации напряжения:

– постоянная времени релаксации; 0 = E – начальное напряжение.

Явление ползучести можно описать экспоненциальным законом:

Модель Фойгта позволяет пояснить постепенное уменьшение со временем напряжения в образце, если к телу прилагают усилия, которые изменяются скачкообразно. Наличие вязко-пружинных элементов соединенных с сократительными элементами обеспечивают функциональные свойства, которые присуще целому ряду физиологических систем (например, сердечнососудистой, мышечной) для использования их функций в условиях изменения, как свойств самой системы, так и внешних нагрузок. Эти явления присущи системам, которые адаптируются.

Механическая работа, которую способен совершить человек в течение дня, зависит от многих факторов. Если спортсмен массой 70 кг подпрыгивает с места так, что его центр масс поднимается на 1м, а фаза отталкивания длится 0,2 с, то он развивает мощность 3,5 кВт.

Мощность ( N ) – характеризует быстроту выполнения работы:

Для измерения работы человека применяются приборы называемые эргометрами. Примером эргометра служит велосипед (велоэргометр). Через обод вращающего колеса перекинута стальная лента. Сила трения между лентой и ободом колеса измеряется динамометром. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения. Умножив длину окружности колеса на силу трения, найдем работу, совершаемую при каждом обороте, а зная число оборотов и время испытания, определим полную работу и среднюю мощность.

Человек массой 75 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч развивает мощность 60 Вт. С возрастанием скорости мощность увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч.

Гармонические колебания совершаются под действием упругих или квазиупругих (подобные упругим) сил, описываемых законом Гука:

k – коэффициент упругости или жесткости.

уравнение в виде:

гармонических колебаний.

Характеристики незатухающих гармонических колебаний:

х – смещение; А – амплитуда; Т – период; – частота; – циклическая частота, – скорость; a – ускорение, – фаза; 0 – начальная фаза, Е – полная энергия.

колебаний;

= t + 0 – фаза незатухающих гармонических колебаний;

В реальных системах, участвующих в колебательном движении, всегда присутствуют силы трения (сопротивления):

F = r, r – коэффициент сопротивления; = х – скорость.

Тогда ІІ закон Ньютона запишем:

Уравнение (2) запишем в виде:

Уравнение (3) – дифференциальное уравнение затухающих колебаний.

– амплитуда колебаний в начальный момент времени;

Амплитуда колебаний изменяется по экспоненциальному закону:

затухающих колебаний; – собственная частота колебательной системы;

3) логарифмический декремент затухания (характеризует скорость убывания амплитуды): = ln A = T.

Для получения незатухающих колебаний необходимо воздействие внешней силы, работа которой восполняла бы вызванное силами сопротивлений уменьшение энергии колеблющейся системы. Такие колебания называются вынужденными.

внешней силы.

ІІ закон Ньютона запишем в виде Уравнение вынужденных колебаний имеет вид:

Решение этого уравнения в установившемся режиме:

– частота вынужденных колебаний.

Из формулы (4), когда =, амплитуда достигает максимального значения. Это явление называется резонансом.

Волна – это процесс распространения колебаний в упругой среде.

Уравнение волны выражает зависимость смещения колеблющейся точки, участвующей в волновом процессе, от координаты ее равновесного положения и времени: S = f (x ;t).

Если S и X направлены вдоль одной прямой, то волна продольная, если они взаимно перпендикулярны, то волна поперечная.

Уравнение в точке "0" имеет вид S = A cos t. Фронт волны дойдет до S – смещение, А – амплитуда, – частота, Т – период, – циклическая частота, – скорость.

Длиной волны называется расстояние между двумя точками, фазы которых в один и тот же момент времени отличаются на 2.

Фронт волны – совокупность точек имеющих одновременно одинаковую фазу.

Поток энергии равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность, к времени, в течении которого эта энергия перенесена:

Вектор интенсивности, показывающий направление распространения волн и равный потоку энергии волн через единичную площадь, перпендикулярную этому направлению, называется вектором Умова.

Звук – это механическая волна, частота которой лежит в пределах < < 20000 Гц, < 20 Гц – инфразвук, > 20000 Гц – ультразвук.

20 Гц Различают музыкальные тоны (это монохроматическая волна с одной частотой или состоящая из простых волн с дискретным набором частот – Шум – это механическая волна с непрерывным спектром и хаотически изменяющимися амплитудами и частотами.

Энергетической характеристикой звука является интенсивность.

На практике для оценки звука удобнее использовать звуковое давление.

Высота тона – зависит от частоты, чем выше частота, тем выше звук (определяется минимальной частотой акустического спектра, рис. 14).

Единицей измерения громкости, является Белл – это громкость звука, Зависимость громкости от частоты учитывают с помощью кривых равных громкостей, получаемых экспериментально, и используется для оценки дефектов слуха. Метод измерения остроты слуха называется аудиометрия.

Прибор для измерения громкости называется шумомер. Норма громкости звука должна составлять 40 – 60 дБ.

Ультразвук – это механическая волна с частотой > 20 кГц. Верхним пределом ультразвуковой частоты можно считать 10 9 – 10 10 Гц.

В 1880 г. П. Кюри открыл пьезоэффект.

Для получения ультразвука используют ультразвуковые излучатели, основанные на обратном пьезоэлектрическом эффекте: к электродам прикладывается переменное электрическое поле и пластинка кварца (сегнетовой соли, титаната бария) начинает вибрировать, излучая механическую волну определенной частоты.

Приемник ультразвука использует прямой пьезоэффект: возникновение разности потенциалов на гранях пьезокристалла при его деформации.

Свойства ультразвука используемые в медицине Первичным механизмом ультразвуковой терапии является механическое и тепловое действие на ткань.

1. Высокая частота соответствует большой интенсивности ультразвука:

Свойства большой интенсивности используются для разрушения биомакромолекул, клеток и микроорганизмов, применяется в урологии для разрушения камней и др.

2. Соотношение длины волны ( ) и линейных размеров препятствия ( ) определяет поведение ультразвука.

а) Если соизмерим с, то наблюдается явление дифракции.

Дифракция – это огибание волной препятствия.

б) Если > >, то наблюдается ультразвуковая тень, а также отражение и поглощение ультразвуковой волны (УЗ – эхолокация).

в) Поглощение. При переходе из одной среды в другую интенсивность где x = волновое сопротивление.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше воздуха.

Поэтому, если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то ультразвук не проникает и будет отражаться. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателей покрывают слоем масла.

Эти свойства используются в ультразвуковой диагностике, применяя диапазон частот от 1 до 20 МГц и I = 0,001 0,05, которая не вызывает никаких патологических изменений в биологических тканях.

3. Явление кавитации – это сжатие и разряжение частиц среды, приводящие к образованию разрывов сплошной среды (при I 0,3 ). При кавитации выделяется энергия, происходит нагревание веществ, а также ионизация и диссоциация молекул.

Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук Проходя через биоткань интенсивность ультразвука уменьшается по закону:

d –толщина биоткани; – монохроматический коэффициент поглощения (для разных длин волн – разный).

Эффект воздействия ультразвука на клетку:

1) микромассаж на клеточном и субклеточном уровне;

2) изменение проницаемости мембран клетки (перестройка и повреждение);

3) улучшение обменных процессов (рассасываются инфильтраты);

4) разрушение клеток и микроорганизмов;

5) тепловое действие.

Эффект воздействия ультразвука на вещество:

1) перемешивание слоев жидкости и газообразной среды, обусловленное явлением кавитации, приводит к выделению тепла;

2) прохождение ультразвука через вещество может сопровождаться люминесценцией (свечение вещества);

3) фонофорез – введение лекарственных веществ под воздействием ультразвука вследствие изменения проницаемости мембран.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении бронхиальной астмы, катаракты верхних дыхательных путей применяются аэрозоли различных лекарственных веществ, полученных с помощью ультразвука.

1.4. Элементы биофизики кровообращения Сердечно-сосудистая система обеспечивает циркуляцию крови по замкнутой системе сосудов. Постоянная циркуляция крови в организме позволяет доставлять по всем клеткам вещества, необходимые для их нормального функционирования и удалять продукты их жизнедеятельности.

Сердечно-сосудистая система – самосогласованная система со сложными взаимно-обратимыми связями.

Реология – это наука о деформациях и текучести вещества. Под реологией крови (гемореологией) понимают изучение биофизических особенностей крови как вязкой жидкости. Существует две модели жидкости:

1. Идеальная жидкость – жидкость, в которой нет сил трения между слоями и она абсолютно нерастяжима и несжимаема.

2. Вязкая жидкость – жидкость, в которой учитываются силы трения между движущимися слоями.

Законы справедливые для идеальной жидкости Так как жидкость несжимаема (плотность всюду одинаковая), то через любое сечение трубы в единицу времени протекают одинаковые объемы жидкости.

= – линейная скорость течения жидкости.

Основано на теореме: изменение полной энергии системы равно работе внешних сил, если не учитывать силы трения внутри системы.

где P – статическое давление, g h – гидростатическое давление, – гидродинамическое давление.

Согласно уравнению Бернулли давление в потоке жидкости выше там, где скорость меньше и наоборот.

Вязкость (внутренние трение) жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой.

Основной закон вязкой жидкости был установлен И. Ньютоном (1687 г.) – формула Ньютона [ ] = Па с – динамический коэффициент вязкости;

dx = c – градиент скорости, показывающий на сколько изменилась скорость при изменении на единицу расстояния в направления ОХ при переходе от слоя к слою (скорость сдвига);

[S ] = – площадь соприкасающихся слоев.

кинематический коэффициент вязкости = Жидкости делятся по вязким свойствам на два вида: ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит только от природы и температуры. Для ньютоновских жидкостей F ~. Для них справедлива формула Ньютона, в которой коэффициент вязкости является постоянным параметром, не зависящим от условий течения жидкости.

Неньютоновской называется жидкость, коэффициент вязкости которой зависит не только от природы вещества и температуры, но и от условий течения жидкости, в частности, от градиента скорости. Коэффициент вязкости в этом случае не является константой. При этом вязкость жидкости характеризуется условным коэффициентом вязкости, который зависит от определенных условий течения жидкости (например, давления, скорости). Зависимость силы вязкости от градиента скорости становится нелинейной.

Кровь – неньютоновская жидкость. В наибольшей степени это связано с тем, что она обладает внутренней структурой, представляя собой суспензию форменных элементов в растворе – плазме. Плазма – практически ньютоновская жидкость. Поскольку 93% форменных элементов составляют эритроциты, то при упрощенном рассмотрении – кровь – это суспензия эритроцитов в физиологическом растворе. Таким образом, внутренняя структура крови, а следовательно её вязкость, оказывается неодинаковой вдоль кровеносного русла в зависимости от условий течения.

Режимы течения крови разделяют на ламинарное и турбулентное Ламинарное – это упорядоченное течение жидкости, при котором она перемещается слоями, параллельными направлению течения. При ламинарном течении скорость в сечении трубы изменяется по параболическому закону:

скорость.

Режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса:

где – средняя скорость жидкости по поперечному сечению;

D – диаметр трубы; – плотность жидкости.

Если значение Rе меньше критического, то имеет место ламинарное течение жидкости, если больше – течение становится турбулентным.

Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии, поэтому в кровеносной системе это может привести к дополнительной нагрузке на сердце. Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностики заболеваний.

Гемодинамика изучает законы движения крови по кровеносной системе.

Основные гемодинамические показатели: давление и скорость кровотока.

Давление (Р) – это сила, действующая со стороны крови на сосуды, приходящаяся на единицу площади:

Объемной скоростью ( Q ) называют величину, численно равную объему жидкости, протекающей в единицу времени через данное сечение:

Линейная скорость ( ) – путь, проходимый частицами крови в единицу времени:

Формула связи линейной и объемной скорости:

где S – площадь поперечного сечения потока жидкости.

Основной движущей силой является кровяное давление, обусловленное превышением давления, вызванного работой сердца, над атмосферным.

где – разность давлений на входе и выходе сосуда;

X – гидравлическое сопротивление сосуда;

– длина сосуда, r – внутренний радиус сосуда, – динамический коэффициент вязкости жидкости.

Давление крови в сосудах зависит от объемной скорости кровотока, радиуса сосуда, вязкости крови.

Согласно формуле объемная скорость кровотока пропорциональна градиенту давления: Q~ (градиент давления) и обратно пропорциональна вязкости.

Однако может показаться удивительным, что Q ~ r 4 (радиус в четвертой степени). Это означает, что при одном и том же градиенте давления увеличение радиуса вдвое приводит к увеличению объемной скорости кровотока в 16 раз!

Интересный пример зависимости Q ~ r 4 можно найти и в системе кровообращения человеческого организма.

Поскольку формула Пуазейля справедлива лишь для ламинарного течения несжимаемой жидкости с постоянной вязкостью, то она не может в точности выполнятся для крови. Так как кровь содержит взвешенные частицы, то течение крови не вполне ламинарно, а ее вязкость зависит от скорости течения. В этом случае формула Пуазейля является хорошим приближением в первом порядке. Однако, при атеросклерозе и отложении холестерина радиус сосудов уменьшается и тогда для поддержания нормального кровотока требуется более высокий градиент давления.

При сокращении сердца давление крови в аорте испытывает колебания.

Среднее артериальное давление определяется по формуле:

где Р с – систолическое давление, Р д – диастолическое давление.

распространение пульсовой волны.

Пульсовая волна – процесс распространения изменения объема крови вдоль эластичного сосуда в результате одновременного изменения в нем давления и массы жидкости.

Рассмотрим характеристики пульсовой волны.

Амплитудой пульсовой волны P0 ( x ) (пульсовое давление) называется разность между максимальным и минимальным значением давлений в данной точке сосуда. В начале аорты амплитуда волны ( P0 ) – максимальна и равна разности систолического ( PS ) и диастолического ( Pд ) давлений. Затухание амплитуды пульсовой волны при ее распространении вдоль сосуда представлена формулой:

где – коэффициент затухания, увеличивающийся с уменьшением радиуса.

Скорость распространения пульсовой волны зависит от свойств сосуда и крови.

где E – модуль Юнга материала стенки сосуда или модуль упругости;

пульc = 8 10 м / с, что в 20-30 раз больше скорости движения крови крови = 0,3 0,5 м / с. За время изгнания крови из желудочков (время систолы t c = 0,3 c ) пульсовая волна успевает распространиться на расстояние два метра, т.е. охватить все крупные сосуды – аорту и артерии. С возрастом величина модуля упругости увеличивается в 2-3 раза, следовательно, возрастает и скорость пульсовой волны.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении сердца.

А л. ж – работа левого желудочка; Апр. ж – работа правого желудочка;

Работа сердца идет на продавливание (продвижение) объема крови по аорте сечением S на расстояние l при среднем давлении P и на сообщение крови кинетической энергии:

– плотность крови, – скорость течения крови.

Работа сердца при однократном сокращении равна 1 Дж, за сутки 86 400 Дж.

1. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность (Е):

q – пробный заряд (точечный единичный позитивный заряд, внесенный в электрическое поле);

F – сила, действующая на заряд со стороны электрического поля.

Качественной характеристикой электрического поля являются силовые линии.

Силовые линии (или линии напряженности) — это воображаемые направленные линии в пространстве, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке.

Силовые линии – это незамкнутые линии, которые начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах.

r – расстояние от точечного заряда q0 до точки, в которой исследуется напряженность поля;

– относительная диэлектрическая проницаемость среды;

0 = 8,85. 10 – 12 Ф/м – электрическая постоянная.

2. Энергетическими характеристиками электрического поля являются – потенциал ( ), разность потенциалов ( ).

Потенциал электрического поля в некоторой точке равен отношению потенциальной энергии Wр положительного точечного заряда q, помещенного в эту точку, к величине этого заряда:

Потенциал – это физическая величина численно равная работе, которую совершают силы электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность (в точку, где потенциал поля принимается равным нулю).

Потенциал поля точечного заряда:

Сравнивая напряженность и потенциал поля точечного заряда необходимо отметить, что силовая характеристика убывает быстрее, чем энергетическая.

Геометрическое место точек, обладающих одинаковым потенциалом, называют эквипотенциальной поверхностью (на рис. 21 – 23 изображены пунктирными линиями). Эквипотенциальные поверхности не пересекаются.

Линии эквипотенциальных поверхностей перпендикулярны силовым линиям электрического поля.

Разность потенциалов – это физическая величина численно равная работе, которую совершают силы электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из точки поля 1 в 2.

Связь между характеристиками однородного электрического поля:

где – разность потенциалов, – расстояние между двумя точками с потенциалами и.

Знак “–” в формуле указывает на то, что вектор направлен в сторону убывания потенциала.

Электропроводимость биологических тканей и жидкостей Проводники – это вещества, которые имеют свободные заряды, способные перемещаться под действием электрического поля. Примеры: плазма крови, лимфа, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость, цитоплазма.

Диэлектрики (изоляторы) – это вещества, которые не имеют свободных зарядов, поэтому не проводят электрический ток. Примеры: сухая кожа, связки, сухожилия, костная ткань, клеточная мембрана.

Биологические ткани различны по электропроводности, табл. 1.

Например, электрическое сопротивление мембран клеток, костной и жировой ткани достаточно велико. Они подобны диэлектрикам. Внутриклеточная жидкость является проводником, так как содержит положительные и отрицательные ионы. Внутри организма ток распространяется в основном по:

1) кровеносным и лимфатическим сосудам; 2) мышцам; 3) оболочкам нервных стволов.

Измерение электропроводимости (кондуктометрия) используется:

1) при изучении процессов в клетках и тканях во время изменений физиологического состояния;

2) при исследовании патологических процессов (например, при воспалении увеличивается электрическое сопротивление);

3) для нахождения активных точек рефлексотерапии;

4) для выявления кожно-гальванических реакций, в которых отражаются эмоции, утомляемость и другие состояния организма.

В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому ткани человека не обладают индуктивностью. Полное сопротивление (импеданс) живой ткани переменному току определяется только омическим (R) и емкостным сопротивлениями (XC):

где С – электрическая емкость, [С] = Ф;

– циклическая частота переменного тока, [ ] = рад.

Омические и емкостные свойства биологических тканей моделируют на основе сочетания параллельного и последовательного соединение элементов (рис. 24):

Рис. 24. Упрощенная эквивалентная схема живой ткани При прохождении переменного тока через живые ткани полное сопротивление ткани увеличивается с уменьшением частоты тока до некоторой максимальной величины Zmax и стремится к некоторому минимальному значению Zmin при увеличении частоты (рис. 25).

Рис. 25. График зависимости импеданса мышцы от частоты Биопотенциалы – это потенциалы электрических полей, созданных живыми системами от клеток до органов.

Существует разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями плазматической мембраны. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом.

Биопотенциалы покоя – это постоянная разность потенциалов между внешней и внутренней средой клетки. Внеклеточная среда имеет высокую концентрацию ионов натрия (Na+) и хлора (Cl–). Внутриклеточная среда – калия (K+). Натрий-калиевый насос позволяет поддерживать различие концентраций ионов натрия и калия по обе стороны плазматической мембраны.

Потенциал покоя – разность потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Мембранный потенциал покоя: МПП = 75 – 100 мВ. МПП определяется разностью концентраций ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

При определенных физиологических условиях могут происходить изменения мембранного потенциала.

Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Принцип суперпозиции полей: суммарный потенциал органа или ткани равен алгебраической сумме потенциалов, созданных каждой клеткой в отдельности.

Физические основы электрокардиографии Электрокардиография – регистрация электрических процессов в сердечной мышце, возникающих при ее возбуждении.

поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца.

Электрический диполь – система из двух равных по величине и противоположных по знаку точечных электрических зарядов (+q и – q), расположенных на некотором расстоянии друг от друга, называемом плечом диполя l (рис. 27).

Отведения – пара точек, между которыми измеряется разность потенциалов.

момента диполя на линию, соединяющую эти точки:

где – разность потенциалов между точками 1 и на теле человека (например, точка 1 – правая рука, точка 2 – левая рука);

P – величина дипольного момента сердца;

– угол между направлением дипольного момента сердца и линией, которая соединяет точки 1 и 2;

r – расстояние от середины диполя сердца до линии соответствующего отведения.

Электрокардиограмма (ЭКГ) – график временной зависимости разности биопотенциалов сердца в соответствующем отведении, рис. 30.

Рис. 30. Электрокардиограмма за один кардиоцикл ЭКГ представляет собой сложную кривую: зубцы P, Q, R, S, T;

электрокардиографами.

*ПО – переключатель отведений;

**РУ – регистрирующее устройство.

Реография – это метод оценки состояния (параметров) кровеносного русла путем измерения полного сопротивления (импеданса) участка ткани или органа переменному току.

Формула полного сопротивления биотканей переменному току:

Для уменьшения емкостного сопротивления используют высокую частоту. Измерения проводятся на частоте 30 кГц. При увеличении частоты увеличивается выделение тепла, что приводит к изменению состояния кровеносного русла. При частоте 30 кГц влиянием емкостных сопротивлений удельное сопротивление крови, R – омическое сопротивление участка кровеносного русла.

Выведем зависимость изменения объема крови в сосуде в соответствии с изменением полного сопротивления участка кровеносного русла: V = f ( R).

R= умножаем числитель и знаменатель на l – длина сосуда.

Чтобы найти изменения объема V продифференцируем левую и правую часть уравнения (1).

V – изменение объема крови в сосуде;

l – расстояние между электродами;

R – базовое сопротивление участка ткани, на который накладывают электроды;

R – максимальное изменение сопротивления участка кровеносного русла за один сердечный цикл.

Знак “–” в формуле указывает на то, что если сопротивление кровотока уменьшается, то объем крови увеличивается, и наоборот.

теризует тонус и эластичность артерий);

А – амплитуда анакроты;

В – амплитуда инцезуры;

С – амплитуда катакроты;

Т – длительность одного сердечного Электротерапия – метод лечения, основанный на воздействии постоянных и переменных электрических полей на биологические ткани.

Терапевтический эффект зависит от:

а) физических характеристик полей и токов;

Типы реакций биологических тканей на воздействие электрическим током:

1. Неспецифическая реакция тканей – имеет признаки:

а) выделение тепла;

б) увеличение проницаемости стенок сосуда;

в) изменение ионного состава межклеточной жидкости;

г) выделение медиаторов (АЦХ, гистамин и т.д);

д) возбуждение рецепторов и возникновение афферентных импульсов.

Эти признаки приводят к:

а) улучшению крово- и лимфообращения;

б) улучшению трофики тканей;

в) рассасыванию инфильтратов;

г) болеутоляющему эффекту.

2. Специфическая реакция тканей – возбуждение тканей.

Реакция раздражения тканей током подчиняется закону Дюбуа-Реймона:

раздражение вызывается при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение происходит.

Минимальное значение силы тока, вызывающее реакцию возбудимой ткани, называется порогом.

Согласно уравнению Вейса-Лапика: пороговое значение тока находится в обратно пропорциональной зависимости от быстроты нарастания тока:

только достаточным по величине, но и минимальным по длительности.

Соответствие между пороговой силой тока и его длительностью дано на графике (рис. 32).

В уравнении Вейса-Лапика при t, I = R. Время, в течении которого ток в две реобазы вызывает возбуждение этой ткани, называется хронаксией или временем возбуждения. Хронаксия и реобаза характеризуют возбудимость ткани и свидетельствуют о функциональном состоянии.

Разновидности терапевтических методов 1. Франклинизация (электростатический душ) – метод лечения легкими аэроионами, образующимися в постоянном электрическом поле высокой разности потенциалов ( = 40 кВ ).

Лечебное действие оказывают аэроионы и небольшое количество озона, которые вызывают раздражение рецепторов, что стимулирует обменные процессы.

2. Гальванизация – метод воздействия постоянным электрическим током При действии постоянного тока ионы (Na+, K+, Cl-, Mg+) движутся, накапливаются около мембран, что приводит к улучшению обменных процессов.

3. Лекарственный электрофорез (ионофорез) – введение лекарственных ионов в межклеточное пространство биоткани под воздействием постоянного тока. Вводимое вещество накапливается в виде ионов и находится от 3 до суток в “кожном депо”, постепенно поступая в кровь (диффузия).

4. Электростимуляция – применение импульсных электрических токов различной формы и частоты (1 – 1000 Гц) для раздражения клеток, тканей и органов с целью изменения их функционального состояния.

5. Амплипульстерапия – метод воздействия на организм переменными синусоидальными токами средней частоты (2000 - 5000 Гц), модулированными по амплитуде низкой частотой в пределах 10 – 150 Гц.

7. УВЧ-терапия – лечебный метод, при котором на ткани больного воздействуют дистанционно переменным электрическим полем ультравысокой частоты (27,12 МГц и 40,68 МГц).

Физиотерапевтический эффект: селективный глубокий нагрев биологических тканей обогащенных липидами. Происходит выделения тепла:

• в проводящих тканях Q = k E, – электропроводность, Е – напряженность электрического поля, 8. Дарсонвализация – метод лечения с помощью сложных модулированных импульсов. Частота несущей равна 110 кГц, а низкая частота – 50 Гц.

Действующим фактором являются не только импульсные переменные токи высокого напряжения средней частоты, но и искровой разряд. Высокая разность потенциалов приводит к возникновению разрядов, стимулирует обменные процессы, оказывает раздражающее действие.

9. Индуктотермия – лечебное воздействие переменным магнитным полем высокой частоты (10 – 15 МГц). Тепловой эффект обусловленный образованием вихревых электрических токов в веществе. Используют для глубокого прогревания тканей обедненных липидами.

10. СВЧ - терапия – воздействие на вещество электромагнитными волнами дециметрового и сантиметрового диапазона (интервал частот от 3.108 Гц до 3.1010Гц).

Наибольшее поглощение энергии волны и выделение теплоты происходит в водосодержащих тканях за счет возникновения токов смещения.

СВЧ-излучение используется для сушки и нагрева лекарственного сырья, для активации ферментных препаратов, а также для стерилизации в расфасованном виде готовой фармацевтической продукции (мазей, паст, капсул, таблеток).

11. КВЧ-терапия – воздействие на вещество электромагнитными волнами миллиметрового диапазона (интервал частот 3.1010 Гц до 3.1011 Гц ). Данная терапия обладает низкой проникающей способностью (0,2 – 0,3 мм). В результате происходит перестройка структурных элементов кожи, что способствует улучшению трофики нервной, вегетативной и эндокринной систем.

На частотах КВЧ-диапазона происходит резонансное поглощение электромагнитных волн в мембранных структурах клеток (“микроволновая резонансная терапия” или “квантовая медицина”).

1.8. Биофизика зрения. Оптические приборы Глаз человека является своеобразным оптическим прибором. Рассмотрим оптическую систему глаза. Глаз представлен как центрированная оптическая система.

Система сферических поверхностей, центры которых лежат на одной прямой – главной оптической оси, называется центрированными.

Глаз взрослого человека – это сферический орган диаметром 24-25 мм.

Преломление света в глазу происходит в 4-х плоскостях:

1. Роговица – наиболее сильно преломляющая часть сферической поверхности глаза (Д = 40 дптр, n=1,376).

2. Жидкость передней камеры заполнена водянистой влагой – жидкостью, близкой по оптическим свойствам к воде (Д = – 5 дптр, 3. Хрусталик – двояковыпуклая линза с различными радиусами 4. Стекловидное тело (Д = 12 дптр, n = 1,336).

Все четыре среды рассматривают как центрированная оптическая система (ЦОС) с Дгл = 63 дптр.

палочек и 7 млн. колбочек. Колбочки и палочки распределены по сетчатке неравномерно. Колбочки расположены главным образом в центральной части сетчатки, в желтом пятне, в центре желтого пятна находятся исключительно колбочки, на краях сетчатки – только палочки. К сетчатке подходит зрительный нерв, отводящий нервные импульсы в зрительный центр головного мозга. В области примыкания зрительного нерва к сетчатке находится слепое пятно, нечувствительное к свету, а в середине сетчатки – область, где острота зрения максимальна – желтое пятно. Через геометрический центр роговицы и хрусталика проходит главная оптическая ось ОО, а через центр хрусталика и желтого пятна – зрительная ось О'O'. Угол между ними составляет 5, рис. 33.

Построение изображения в ЦОС достаточно сложное. Для упрощения построения изображения данную систему заменяют приведенным редуцированным глазом, т.е линзой с различными радиусами кривизны (хрусталик), окруженной воздухом со стороны пространства и жидкостью с n=1,336 со стороны пространства изображений.

Ход лучей в редуцированном глазе (по Вербицкому) h – линейные размеры предмета;

H – линейные размеры изображения;

– расстояние от предмета до оптического центра «0» ( d > 2 F ).

– расстояние от изображения до оптического центра «0».

Изображение в норме получается на сетчатке: уменьшенное, обратное, действительное.

где R1 и R 2 – радиусы кривизны хрусталика, относительно окружающей среды.

Формула линзы имеет вид:

где – оптическая сила линзы измеряется в диоптриях.

Диоптрия – оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой 1 м.

Если линза собирающая, то D > 0, рассеивающая – D < 0.

Если f > 0, то изображение действительное, f < 0 – изображение мнимое.

Недостатки оптической системы глаза и их устранение В нормальном глазу при отсутствии аккомодации задний фокус совпадает Рис.35 корректируется рассеивающими линзами.

Дальнозоркость – задний фокус при отсутствии аккомодации лежит за сетчаткой. Этот недостаток корригируется собирающей линзой (рис. 35, в).

Лупа – оптическая система, в передней фокальной плоскости которой или в непосредственной близости от нее расположен наблюдаемый предмет.

Изображение: увеличенное, прямое, мнимое.

Н – линейные размеры изображения;

h – линейные размеры предмета.

Изображение: увеличенное, действительное, обратное Так как увеличение лупы ограничено, то большее увеличение можно осуществить системой линз. Одним из таких приборов является микроскоп. В этом случае дополнительная система линз, обращенная к предмету, называется объективом, а лупа, обращенная к глазу – окуляром.

Увеличение микроскопа:

Интервал значений увеличения микроскопа:

Это увеличение называется полезным, т.к. при них глаз различает все элементы структуры объекта, которые разрешимы микроскопом.

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение тел, возникающее за счет изменения их внутренней энергии (энергии теплового движения атомов и молекул).

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн.

Инфракрасные лучи занимают диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 760 нм до 1-2 мм.

Источник теплового излучения: любое тело, температура которого превышает температуру абсолютного нуля.

Поток излучения (Ф) – количество энергии, которое излучается (поглощается) с выбранной площади (поверхности) по всем направлениям за единицу времени.

2. Интегральная излучательная способность (R)– поток излучения с единицы излучательная способность, относимая к единице спектрального где dR интегральная излучательная способность;

4. Интегральная поглощательная способность (коэффициент поглощения) – отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии.

5. Спектральная поглощательная способность – коэффициент поглощения, относимый к единичному спектральному интервалу:

Рис. 40. Модель абсолютно Примеры абсолютно черного тела: сажа, черный бархат.

Пример: тело человека считают серым телом Черные и серые тела – это физическая абстракция.

1. Закон Кирхгофа (1859 г.): Отношение спектральной излучательной способности тел к их спектральной поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела и равно спектральной излучательной способности абсолютно черного тела при данной температуре:

где R – спектральная излучательная способность абсолютно черного тела.

Тепловое излучение является равновесным – сколько энергии излучается телом, столько ее им и поглощается.

Рис. 41. Кривые распределения энергии в спектрах теплового излучения различных тел (1 – абсолютно черное тело, 2 – серое тело, 2. Закон Стефана – Больцмана (1879, 1884): интегральная излучательная способность абсолютно черного тела ( R ) прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры (Т).

3. Закон Вина (1893): длина волны, на которую приходится максимум спектральной излучательной способности данного тела, обратно пропорциональна температуре.

Рис. 42. Спектры теплового излучения абсолютно черного тела при Тело человека имеет постоянную температуру благодаря терморегуляции.

Основной частью терморегуляции является теплообмен организма с окружающей средой.

Теплообмен происходит с помощью таких процессов:

а) теплопроводность (0 %), б) конвекция (20 %), в) излучение (50 %), г) испарение (30 %).

Температура поверхности кожи человека: t = 32 C T = 305 K. Длина волны соответствует инфракрасному диапазону, потому не воспринимается глазом человека.

Тело человека считается серым телом, так как частично излучает энергию ( Rчеловека Rсреды = Т среды Энергия ( R ), которую теряет человек за 1 секунду с 1 м 2 своего тела вследствие излучения составляет:

Термометры: ртутные, спиртовые.

Шкала Цельсия: t°C Шкала Кельвина: T = 273 + t°C Термография – это метод определения температуры участка тела человека дистанционно путем оценки интенсивности теплового Приборы: термограф или тепловизор (регистрирует распределение температур на выбранном участке человека).

Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны в пределах длин Свойства рентгеновских лучей:

Способность вызывать свечение некоторых веществ (люминофоров).

2) Значительная проникающая способность (проходят через стекло, бумагу, дерево, эбонит, вещества малой атомной массы; задерживаются свинцом).

Оказывают ионизирующее действие.

Засвечивают фотохимические материалы.

Не отклоняются в магнитном поле, не заряжены.

Одним из источников рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.

Рентгеновская трубка – это вакуумный прибор с двумя электродами:

Давление в трубке 10-5–10-6 мм рт.ст. (рис. 43).

При подогреве катода излучаются электроны. Попадая в электрическое поле между катодом и анодом электроны разгоняются до больших скоростей и тормозятся веществом анода.

С движением электрического заряда связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и, согласно теории Максвелла, появляется электромагнитная волна (рентгеновское излучение).

где А – работа по перемещению электрона в рентгеновской трубке;

q – заряд электрона; U – ускоряющее напряжение;

1 – скорость электрона перед анодом; m – масса электрона;

2 – скорость электрона после взаимодействия с анодом, ( 2 < 1 );

h – постоянная Планка;

Q – количество теплоты, выделяющееся в веществе анода.

Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение При торможении быстрых заряженных частиц атомами вещества анода возникает электромагнитное излучение, которое называют тормозным рентгеновским излучением.

При торможении большого количества электронов образуется сплошной (непрерывный) спектр рентгеновского излучения.

Рис. 44. Спектр тормозного рентгеновского излучения Короткое излучение возникает, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

Z – порядковый номер атома вещества анода;

k = 10 9 B 1 – коэффициент пропорциональности;

I – сила тока в рентгеновской трубке;

U – напряжение в рентгеновской трубке.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, на фоне сплошного спектра появляется линейчатый спектр, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 45).

Характеристическое рентгеновское излучение возникает из-за того, что некоторые ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, испуская рентгеновские кванты электромагнитного излучения:

С увеличением заряда атома анода увеличивается частота излучаемого характеристического излучения. Такую закономерность называют законом Мозли:

где – частота спектральной линии характеристического рентгеновского излучения;

Z – атомный номер испускающего элемента; А и В – постоянные.

Характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом Взаимодействия рентгеновского излучения с веществом определяются соотношением между энергией кванта рентгеновского излучения W = h и работой ионизации атома (Аи).

Аи – это работа, необходимая для отрыва от атома электрона и превращения его в электрически заряженный ион.

1. Если h < Aи, то возникает упругое рассеяние, частота и длина волны не изменяются (при столкновении с атомом рентгеновское излучение меняет только направление).

2. Если h Aи, h = Aи +, то энергия падающего кванта расходуется на ионизацию атома и на кинетическую энергию электрона (вследствие ионизации атома меняется структура молекул).

вторичное рентгеновское излучение ( >, < ).

В результате взаимодействия рентгеновского излучение с веществом интенсивность рентгеновский лучей уменьшаетсяя по закону Бугера-Ламберта:

µ – линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения веществом.

где – плотность биотканей;

– длина волны рентгеновского излучения;

Z – порядковый номер атома вещества.

Кости значительнее поглощают рентгеновские лучи, чем мягкие ткани, поэтому на рентгеновском снимке более светлые.

Если исследуемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества.

Например, сульфат бария для желудка и кишечника.

1. Рентгенография – получение изображения внутренних органов на фотопленке.

2. Флюорография – это рентгенография на малоформатных пленках Метод рентгеноструктурного анализа включает исследования характеристических спектров, на основе которых проводят качественный и количественный анализ структуры веществ. Этим методом Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК и были удостоены Нобелевской премией.

Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей, используют для исследования лекарственных и биологически активных веществ. Перспективы использования этого метода в фармации связаны с идентификацией кристаллических лекарственных веществ, их полиморфных модификаций, с поиском новых комплексных координационных соединений для создания новых медицинских препаратов и биостимуляторов, с исследованием элементного и фазового состава неорганических и органических лекарственных веществ.

2.1. Элементы радиационной физики. Основы дозиметрии Ядерная физика занимается изучением атомных ядер. Ядра состоят из Z – число протонов в ядре (порядковый номер элемента в таблице Менделеева);

A – массовое число (количество нуклонов в ядре): A=Z+N ;

N – количество нейтронов в ядре: N=A – Z..

Изотопы – ядра с одинаковым количеством протонов (Z) и различным количеством нейтронов (N).

Массы ядер принято измерять в атомных единицах массы (а.е.м.), 12.000 а.е.м.

Энергия связи ядра – энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на нуклоны:

Энергия связи ядра измеряется в МэВ (мегаэлектронвольтах):

Радиоактивность – способность некоторых ядер самопроизвольно распадаться 1. - распад – распад ядер, который сопровождается испусканием -частиц 2. - распад – самопроизвольное превращение протонов и нейтронов внутри ядра.

в) е – захват – захват электрона с ближайшей орбиты:

3. - излучение – это фотон очень высокой энергии (коротковолновое -квант энергии возникает при переходе ядра из возбужденного состояния (энергия Е2) в невозбужденное (энергия Е1):

Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Активность Закон радиоактивного распада выражает зависимость нераспавшихся ядер Рис. 47. График закона радиоактивного распада Период полураспада (Т) – время, в течении которого распадается половина ядер радиоактивного образца.

Активность (А) – скорость радиоактивного распада (количество распадов за Единицы измерения: СИ [А] = Бк (беккерель);

Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом характеризуется ионизирующей и проникающей способностью.

Ионизирующая способность – способность радиоактивного излучения Характеристика ионизирующей способности: линейная плотность ионизации ( – число пар ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей на элементарном пути dl.

Проникающая способность:

для и - излучений – это расстояние, которое проходит частица в веществе до того момента, когда ее энергия станет равной средней энергии теплового движения частиц вещества;

для - излучения – это расстояние, после прохождения которого поток -излучения уменьшается в определенное число раз (е, Характеристики проникающей способности:

а) средний линейный пробег ( L ) – среднее расстояние, которое проходит ионизирующая частица в веществе до полной остановки:

б) линейная тормозная способность(S):

dE – энергия, теряемая заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dl в веществе.

Пример: длина пробега до остановки Чем больше заряд и масса частицы, тем выше ее ионизирующая и меньше проникающая способность. Эти величины зависят от плотности облучаемого вещества.

Основные эффекты действия радиоактивного излучения на вещество:

1. Упругое рассеяние (изменение направления излучения).

2. Возбуждение атомов.

3. Фотоэффект, который приводит к ионизации атомов.

4. Ядерные реакции (ведут к изменению проводимости, образованию ядерных осколков, дочерних ядер).

5. Выделение тепла.

Самое опасное – ионизация атомов, так как нарушается структура молекул.

материалом.

Чем больше время и чем меньше расстояние, тем больше экспозиционная доза.

Защита материалом основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизирующего излучения. Например: от -излучения защитой может служить лист бумаги, одежда; от -излучения – алюминий 1мм; свинец 13 мм уменьшает - излучение в 2 раза.

-излучения внутрь организма человека попадают при дыхании и приеме пищи, при загрязнении кожи, через открытые раны.

I. Поглощенная доза:

– энергия радиоактивного излучения, поглощенная массой вещества m.

Единицы измерения II. Экспозиционная доза:

– заряд ионов одного знака в массе вещества m в результате воздействия радиационного излучения.

Единицы измерения внесистемная: [ D э ] = Р (рентген).

III. Биологическая доза (эквивалентная) доза:

Dn – поглощенная доза;

k – коэффициент качества, который зависит от вида радиоактивности:

для, - излучения, рентгеновского излучения k = 1;

Единицы измерения Важна не только доза облучения, но и время, в течении которого объект подвергается облучению.

Для оценки скорости накопления дозы используют мощности доз:

1.Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика. Курс лекций для студентов медицинских вузов. – М.: ГЭОТАР – Медиа, 2010. – 240 с.

2.Антонов В.Ф. и др. Биофизика: учеб. для студентов вузов. – изд. третье, испр. и доп. - М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2006. – 287 с.

3. Давид Р. Введение в биофизику. – Москва.: Изд-во «Мир», 1982. – 202 с.

4.Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – 667 с.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1996. – 616 с.

6.Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика: учебник для студентов вузов. – К.: Изд-во НФАУ, 2003. – 704 с.

7.Чалий О.В. Медична і біологічна фізика: підручник для студентів вищих медичних закладів. – К.: Книга плюс, 2005. – 760 с.





Похожие работы:

«Издательско-торговая корпорация Дашков и К° Н. Н. Ковалева ИНФОРМАЦИОННОЕ ПРАВО РОССИИ Учебное пособие Москва, 2007 УДК 34 ББК67 К56 Ковалева Наталия Николаевна — кандидат юридических наук, доцент кафедры административного и муниципального права, декан факультета магистратуры, грант Президента РФ поддержки молодых кандидатов наук Взаимодействие органов местного самоуправления 2003—2004 гг., Базовые категории в системе информационного права ИГПРАН, февраль 2006 г. Соискатель степени доктора...»

«СОДЕРЖАНИЕ 1. Общие положения 1.1. Основная образовательная программа бакалавриата, реализуемая вузом по направлению подготовки 140800 Ядерные физика и технологии и профилю подготовки Радиационная безопасность человека и окружающей среды 1.2. Нормативные документы для разработки ООП бакалавриата по направлению подготовки 140800 Ядерные физика и технологии. 1.3. Общая характеристика вузовской основной образовательной программы высшего профессионального образования (бакалавриат) по направлению...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ ГЛОССАРИЙ Учебно-методические указания в помощь студенту (материалы для подготовки к тестированию) Иркутск 2012 УДК 316 (03) ББК 60.5 С 69 Рекомендовано к изданию редакционным советом ИрГУПС Составители: Струк Е.Н., доцент кафедры ФиСН; Третьяков В.В., доцент кафедры ФиСН. Рецензенты: Бутакова Д.А., канд. социол. наук, доцент кафедры социологии и социальной работы...»

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ БЕЛОРУССКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИИ ПОСЛЕДИПЛОМНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАФЕДРА ФИЗИОТЕРАПИИ И КУРОРТОЛОГИИ КАФЕДРА ХИРУРГИИ А.Н. Мумин, А.В. Волотовская, В.Н. Подгайский ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В ЛЕЧЕНИИ И РЕАБИЛИТАЦИИ БОЛЬНЫХ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ РЕПЛАНТАЦИИ СЕГМЕНТОВ КОНЕЧНОСТЕЙ Учебно-методическое пособие для врачей Минск, БелМАПО 2010 УДК 616-089.168.1(075.9) ББК 53.54я М Рекомендовано в качестве учебно-методического пособия...»

«Министерство образования и науки РФ ГОУ ВПО Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского В.В. Афанасьев, А.В. Муравьев, И.А. Осетров, П.В. Михайлов Спортивная метрология Учебное пособие Ярославль 2009 УДК 519.22; 796:311 Печатается по решению ББК 75 в 631.8+22.172 редакционно-издательского А 94 совета ЯГПУ им. К.Д. Ушинского Рецензенты: доктор педагогических наук, профессор М.Н. Жуков доктор физико-математических наук, профессор ЯФ РОАТ В.А. Коромыслов Афанасьев...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ С.А. Хаснулин ИГРОВОЕ МНОГОБОРЬЕ ФРИ ГЕЙМС Учебное пособие Курган 2011 УДК 796 (07) ББК 75.5я7 Х 24 Рецензенты: Н.А. Осипов – отличник физической культуры и спорта России, профессиональный лицей № 8 г.Кургана; М.А. Муравьев – руководитель методического объединения учителей физкультуры г.Кургана, МОУ СОШ № 29. Печатается по решению методического совета Курганского государственного университета. Х24...»

«Рекомендовано УМО по образованию в области финансов, учета и мировой экономики в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности Бухгалтерский учет, анализ и аудит Второе издание, стереотипное УДК 336.14(075.8) ББК 65.261.3я73 Б98 Рецензенты: М.В. Мельник, проф. кафедры экономического анализа и аудита ФГОБУ ВПО Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, др экон. наук, Ю.Р Туманян, проф. кафедры экономической теории ГОУ ВПО СевероКавказский....»

«АГЕНТСТВО ПО УПРАВЛЕНИЮ СОЦИАЛЬНЫМИ СЛУЖБАМИ ПЕРМСКОГО КРАЯ Государственное краевое учреждение социального обслуживания населения Социально-реабилитационный центр для несовершеннолетних Свердловского района г. Перми КРАЕВОЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР Практика работы специалистов Пермского края, использующих восстановительные технологии в реабилитации детей. Пермь, 2008 г. Методическое пособие Практика работы специалистов Пермского края, использующих восстановительные технологии в реабилитации детей, 40...»

«ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ 1.5/33-10/304 от 25.12.2012г. Реконструкция ПС 35/10 кВ Пушкино, строительство ВЛ-10 кВ, ТП-10/0,4 кВ, ВЛИ-0,4 кВ 1. Основание для проектирования. 1.1. Договор об осуществлении технологического присоединения заключенный с ООО Строительная Компания ДОМ от 30.11.2012г. №20.55.5888.12 1.2. Акт обследования технического состояния оборудования, зданий и сооружений, строительных конструкций, инженерных коммуникаций и т.д. ПС 35/10 кВ Пушкино, участвующая в технологическом...»

«ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Рабочая программа по литературному чтению составлена на основе федерального базисного учебного плана и примерных учебных планов для образовательных учреждений РФ, реализующих программы общего образования (приказ Минобразования России от 09.03.2004 г. №1312); Федерального компонента государственных образовательных стандартов по предметам БУПа 2004 года (приказ Минобразования России от 05.03.2004 г. №1089), примерных программ начального общего образования (письмо Минобрнауки...»

«ВИКТОР АНДОН РЕПОРТАЖ С ВЫСОТЫ 80 Исповедь кинематографиста Кишинев 2011 Андон Виктор Данилович, член Союза кинематографистов СССР (1970), доктор искусствоведения (1985), заслуженный деятель искусств (2000), профессор Академии музыки, театра и изобразительных искусств (1999), кавалер ордена “Глория мунчий” (2004). Автор ряда сценариев кино- и телефильмов, а также книг о молдавском кино. 2 ВГИК В МОЕЙ ЖИЗНИ В начале ноября 2009 года я был приглашен на 90-летие ВГИКа. В Москве я не был с 1996...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОРНЫЙ Филиал горного университета Хибинский технический колледж Методическое пособие по выполнению практической работы Расчет мощности и выбор силовых трансформаторов подстанций горных предприятий ПМ 06. Организация, технология, механизация, электрификация и автоматизация горного производства...»

«МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНЕЙ И КУРСОВОЙ РАБОТЫ Программа изучения дисциплины Системный анализ и моделирование процессов в техносфере включает домашнее задание и курсовую работу, на выполнение которых выделено 6 и 16 часов учебного времени. 1. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ЭТАПЫ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Ц е л ь ю выполнения домашнего задания и курсовой работы служит привитие студентам практических навыков в прогнозировании техногенного риска путем системного анализа разрабатываемых ими моделей...»

«Управление образования мэрии города Калининграда Муниципальное образовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа №39 СОЦИАЛЬНОЕ ПАРТНЁРСТВО ШКОЛЫ И МЕСТНОГО СООБЩЕСТВА Из опыта МОУ СОШ №39 г. Калининграда Калининград 2007 УДК 372.800 ББК 74.266 С 69 Издание осуществлено за счт средств гранта Фонда поддержки местных инициатив в рамках комплексного проекта модернизации образования Калининградской области Авторский коллектив: А. Г. Веретин, председатель Верховного совета...»

«-Министерство образования и науки Российской Федерации Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский экономико-юридический институт УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине Информатика и математика для направления подготовки 030500.62 Юриспруденция Томск - 2010 СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ 1.1 Выписка из Государственного образовательного стандарта 1.2 Цели и задачи учебной дисциплины 1.3 Требования к уровню освоения дисциплины...»

«С.А. ШАпиро ОснОвы трудОвОй мОтивации Допущено УМО по образованию в области менеджмента в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 080505.65 Управление персоналом УДК 65.0(075.8) ББК 65.290-2я73 Ш23 Рецензенты: А.З. Гусов, заведующий кафедрой Управление персоналом Российской академии предпринимательства, д-р экон. наук, проф., Е.А. Марыганова, доц. кафедры экономической теории и инвестирования Московского государственного университета...»

«Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет ДОКУМЕНТАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическому занятию по дисциплине Офисный менеджмент для студентов специальности: 6.030601 – Менеджмент организаций, всех форм обучения Севастополь Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) УДК 005.92(07) Документационное обеспечение управления методические указания к практическому...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ) Институт инновационных технологий Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники Кафедра электротехники и электроэнергетики В.А. ШАХНИН СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Методические рекомендации...»

«Смоленский гуманитарный университет А. В. Панкратова История графического дизайна и его использования в рекламе: XX и XXI век Учебное пособие к курсу История графического дизайна и рекламы Смоленск 2010 1 Утверждено на заседании кафедры дизайна Смоленского гуманитарного университета Рецензент: к.к.н., доцент Пастухова З. И. А. В. Панкратова. История графического дизайна и его использования в рекламе: XX и XXI век. Учебное пособие к курсу История графического дизайна и рекламы Пособие освещает...»

«Пивоваров Ю.П. ГИГИЕНА И ЭКОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА (Курс лекций) Рекомендовано центральными координационно-методическими советами Российского государственного медицинского университета и Московского института медико-социальной реабилитологии в качестве учебного пособия для студентов Издание первое Москва 1999 Курс лекций Гигиена и экология человека подготовлен коллективом кафедры гигиены и основ экологии человека Российского государственного медицинского университета и Московского института...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.