Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Колебания и волны. Звук. Ультразвук.
№ 1. Колебания. Гармонические колебания. Характеристики колебаний: амплитуда, период, частота, циклическая частота, фаза.
Колеба́ния — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы около точки равновесия.
По физической природе:
По характеру взаимодействия с окружающей средой:
Характеристики:
Период колебаний T и частота ν— обратные величины;
T=1/ν и ν=1/T
В круговых или циклических процессах вместо характеристики «частота» используется понятие круговая (циклическая) частота (рад/сек, Гц, сек−1), показывающая число колебаний за 2π единиц времени:
или ,
где х — значение изменяющейся величины, t — время, А — амплитуда колебаний, ω — циклическая частота колебаний — полная фаза колебаний, — начальная фаза колебаний.
λ
А
Т t
_______________________________________________________________________________________
№2.Характеристики волновых процессов: фронт волны, луч, скорость волны, длина волны. Продольные и поперечные волны; примеры.
Волна- процесс распространения колебаний в упругой среде.
Волны бывают:
1)Упругие(акустические) - колебания частиц при механической деформации. Электромагнитные - распространиние в пространстве и во времени э/м-го поля
2)Поперечные – колебания частиц происходит вдоль направления распространения волны (в ж.,г.,т.)-нужна среда - волны сдвига. Продольные – частица колеблется перпендикулярно направлению распространения волны-волны сжатия. Звуковые волны в воздушной среде всегда продольные.При колебанияхи волновых процессах не происходит переноса массы, происходит перенос энергии.
Фронт волны –поверхность, разделяющая охваченные и неохваченные волной области.
Длина волны - расстояние между 2мя соседними максимумами, фаза которых отличается на 2π.
Скорость волны – скорость смещения фронта волны, но не скорость частиц.
Луч —перпендикуляр к фронту волны.
3. Свободные и вынужденные колебания. Собственная частота колебаний системы. Явление резонанса. Примеры.
Свободные (собственные) колебания совершаются без внешних воздействий за счет первоначально полученной теплом энергии. Характерными моделями таких механических колебаний являются материальная точка на пружине (пружинный маятник) и материальная точка на нерастяжимой нити (математический маятник).
Незатухающие колебания. Рассмотрим модель, в которой пренебрегают силой сопротивления.
Среди различных видов колебаний гармоническое колебание является наиболее простой формой.
Затухающие колебания. В реальном случае на колеблющееся тело действуют силы сопротивления (трения), характер движения изменяется, и колебание становится затухающим.
Вынужденные колебания - колебания, возникающие в системе при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.
явление резонанса – достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний для заданных ω0 и ß
Вредное действие: Резонансные явления при действии внешних механических колебаний происходят во внутренних органах. В этом, видимо, одна из причин отрицательного воздействия инфразвуковых колебаний и вибраций на организм человека.
4. Физические и психофизические характеристики звука: интенсивность, акустическое давление, частота, громкость, высота тона, спектр, тембр. Их взаимное соответствие.
Звуковые колебания и волны – частный случай механических колебаний и волн.
Тон - звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым. Основная физическая характеристика чистого тона - частота. негармоническое колебание - сложный тон. Простой тон (гармоническое колебание – основаня хар-ка частота) издает, например, камертон, сложный тон (негармоническое) создается музыкальными инструментами и т.д.
Шум - звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью. звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п.
Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п.
Человек воспринимает тоны по:
Высота тона – субъективная характеристика, обусловленная частотой основного тона, зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности более низкого тона.
Громкость - еще одна субъективная оценка звука, характеризует уровень слухового ощущения.
Психофизический закон Вебера-Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину) - если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений. Метод измерения остроты слуха - аудиометрия.
Измерение уровня громкости шума - шумометр. Физические характеристики:
Интенсивность- энергет. хар-ка звука, как механические волны, от которых звук в определенную среду установлен поток Е, плот, набор У измер. в [Y]=[дж/м/с][вт/м2]
Акустическое давление- дополнительное давление, избыточное по отношению к атмосферному и обусловленно колеб. молекул. Ед.измер. 1Па=1н/м2
Тембр определяется спектровым составом . разные акустические спектры соответствуют разному тембру .
5. Особенности восприятия звука. Закон Вебера-Фехнера. Децибельная шкала громкости.
Психоакустика — область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения — звука. Накоплен большой объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи. На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Закон Вебера-Фехнера.
Вебер сумел понять, как человек приспособился к условиям , в которых внешнее воздействие может меняться в широчайшем диапазоне , от сверхмалых до сверхбольших значений показателя интенсивности. Закон: ощущение растет в арифметической прогрессии (т. е. На одинаковую величину), если интенсивность вызвавшего его раздражителя — в геометрической прогрессии(т. е. В одинаковое число раз)
Фехнер выразил эту закономерность языком логарифмической функции: если ряд значений интенсивности образует геометрическую прогрессию( например : 10, 100, 1000, ........), то нашим ощущениям соответствуют логарифмы членов этой прогрессии (1, 2, 3, .......)
Децибельная шкала
При работе с величинами, способными отличаться друг от друга на много порядков, целесообразно перейти от этих чисел к логарифмам. Единица измерения интенсивности звука в логарифмической шкале называется - белом, единица в 10 меньше — децибел.
Интенсивность, измеренная в децибелах равна Е=10lgI/Io , где I - интенсивность звука, а Io - интенсивность звука на пороге слышимости. Порогу болевых ощущений соответствует уровень интенсивности 130 дБ, как звуки нами уже не воспринимаются. Порогу слышемости соответствует уровень интенсивности 0 дБ
6. Звуковые методы исследования в медицине: перкуссия, аускультация. Фонокардиография.
Звук может быть источником информации о состоянии внутренних органов человека, поэтому в медицине хорошо распространены такие методы изучения состояния пациента, как аускультация, перкуссия и фонокардиография
Аускультация
(Выслушивание)
Для аускультация используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В капсуле возникает резонанс столба воздуха , вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы , разные хрипы, характерные для заболеваний. Также можно прослушивать сердце, кишечник и желудок.
Перкуссия
В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их. Представим замкнутую полость внутри какого-нибудь тела, заполненную воздухом. Если вызвать в этом теле звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, выделяя и усиливая тон,соответствующий размеру и положению полости. Тело человека можно представить как совокупность газонаполненных(легкие) , жидких(внутренние органы) и твердых( кости) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы .
Фонокардиография
(ФКГ)
Применяется для диагностики состояния сердечной деятельности. Метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Фонокардиограф состоит из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.
7. Ультразвук. Получение и регистрация ультразвука на основе обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта.
Ультразвук — упругие звуковые механические колебания и волны , частота которых >20000Гц. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц. Верхний предел 10-9-10-10 Гц (определяется межмолекулярным расстоянием).
Скорость распространения УЗ в различных средах близка к скорости звука.
Частота УЗ, которая наиболее часто применяется в медицине , лежит в диапазоне 0,8-2 МГц.
Длина УЗ волны λ=ʋ/ν.
Интенсивность УЗ волны существенно превышает инт-ть звука.
Методы генерации и приема УЗ:
В медицинских приборах для приема и генерации УЗ исп-ют прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты. Пьезоэлектрический эффект набл-ся на диэлектрических кристаллах.
Прямой пьезоэффект:
На пьезокерамическую пластинку(или кристалл) дей-ет УЗ волна, деформируя ее. Деформация пластинки ∆l вызывает на ее поверхностях разность потенциалов ∆φ, которую регистрируют на осциллографе или ином приборе. В этом случае мех-ая энергия деформация преобразуется а электрическую.
Обратный пьезоэффект:
От генератора электрических сигналов на повер-ть пьезокерамической пластинки подается переменное напряжение ∆φ с частотой 1 МГц. Это напряжение вызывает деформацию кристалла ∆l с той же частотой. В результате в среде, где помещена пластинка, возникает УЗ волна. В этом случае электрическая энергия преобразуется в механическую энергию деформации.
_______________________________________________________________________________________
8. Взаимодействие ультразвука различной частоты и интенсивности с веществом. Применение ультразвука в медицине.
УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество:
- механическое действие. Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей – кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.
- тепловое действие. Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию.
- физико-химическое действие. Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д.
На комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов основано биологическое действие УЗ. Это действие будет определяться интенсивностью УЗ-волны.
УЗ малой и средней интенсивности (соответственно 1,5 Вт на кв. см. и 3 Вт на кв.см) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических реакций.
Увеличение интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения ультразвуком вирусов и клеток бактерий и грибков.
УЗ высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие стерилизации раны УЗ.
Широкое использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости применяется УЗ-пилка, УЗ применяется для соединения костей между собой и скрепления с ними костных имплантантов.
Литотрипсия – методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного действия УЗ волн большой интенсивности.
Широкое использование в диагностических целях.
Ультразвук обладает действием:
кавитационным усилением проницаемости кожи
№9. Ультразвуковые методы исследования (УЗИ) в медицинской диагностике
Ультразвуковое исследование (УЗИ) — неинвазивное исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.
Эхоэнцефалография - определение опухолей и отеков.
Ультразвуковая кардиография-измерение размеров в динамике.
В офтальмологии-У/звуковая локация - для определения размеров и форм глазных сред, диагностики опухолей, отслойки сетчатки и сосудистой оболочки, обнаружения инородных тел. С помощью УЗ эффекта Доплера изучают характер движения сердечных клапанов и измеряют скорость кровотока.
При операциях УЗ применяют как «скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.
Исполь-ют в фармацевтической практике для изготовления лекарств, при дроблении тел, поглощенных в жид-ти.
Метод «сваривании» поврежденных или травмируемых костных тканей с помощью УЗ(ультразвуковой остеосинтез)
Применяется УЗ для стерилизации.
Ульразвуковые сканеры - прибоы, предназначенные для получения изображения практически любых внутренних органов. Сканер состоит из датчика, компьютерного блока обработки и запоминания изображений и монитора. Основными режимами сканера явл-ся: В-сканирование-двухмерное изображение органа; М-сканирование - одномерное изображение, развернутое во времени, с яркостно-контрастным представлением внутренних структур органов.
Эхокардиография (ЭхоКГ) — это ультразвуковая диагностика заболеваний сердца. В этом исследовании оцениваются размеры сердца и его отдельных структур (желудочки, предсердия, межжелудочковая перегородка, толщина миокарда желудочков, предсердий и т. д.), наличие и объем жидкости в перикарде — «сердечной сорочке», состояние клапанов сердца. С помощью специальных расчетов и измерений Эхокардиография позволяет определить массу сердца, сократительную способность сердца — фракцию выброса и т. д. Существуют зонды, которые помогают во время операций на сердце следить за работой митрального клапана, расположенного между желудочком и предсердием.
______________________________________________________________________________________________
№10. Эффект Доплера; его применение для измерения скорости кровотока.
Эффект Доплера – изменение частоты волн, которые воспринимаются приёмником вследствие относительного движения источника волн и приёмника. Возникает когда источник звука и приемник движутся, сближаясь или удаляясь; частота колебаний, регистр-ых наблюдателем отличаются от частоты колебаний, создаваемых источником звука. Для измерения скорости кровотока испол-ют компактные источники УЗ колебаний, которые по совместительству явл-ся и приемниками отражаемых УЗ волн. Источник приближается к сердцу и работает в режиме излучение-прием-излучение- и т.д.
Частота излучаемого УЗ строго постоянна. Она равна собственной частоте пьезоэлектрического кристалла-основного электролита УЗ головки. Импульс УЗ излучения отражается от эритроцитов и они становятся движущимися источниками У/зв, а неподвижныая УЗ головка его регистрирует чем > скорость кровотока, тем > отличаются частоты излученного и отраженного УЗ ν`или ν ``.
ν`=(1+ʋ/ ν)ʋ (ν`> ν)
ν ``=(1- ʋ/ ν)ʋ (ν``>ν)
Для вычисления частоты волн, которые воспринимаются приемником, пользуются формулой:
, где vприемн – частота волн, воспринимаемых приемником, vист – частота волн, испускаемых источником, v0 – скорость волны, u0 – скорость движения приемника волн, uист – скорость движения источника волн.
Эходоплерография – методика исследования скорости кровотока и движения подвижных структур организма (сердце и сосуды), основанная на применении эффекта Доплера.
В мягкие ткани с помощью неподвижного датчика излучается УЗ-волна определённой частоты ν , после чего регистрируют эхосигналы, отражённые от подвижных элементов (главным образом, от эритроцитов крови) и имеющие вследствие эффекта Доплера частоту ν``.
Доплеровский эффект наблюдается дважды:
- сначала датчик является источником волн частотой ν, а эритроцит – приёмником. Вследствие движения эритроцит воспримет волну частотой ν`.
- эритроцит отразит попавшую на него УЗ-волну частотой ν`, но датчик, к которому вернётся эхосигнал, вследствие подвижности эритроцита воспримет его частотой ν``.
№11. Ударная волна. Получение и использование ударных волн в медицине.
Ударная волна - тонкая область среды, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. Она всегда возникает при быстром выведении большого кол-ва энергии в ограниченном объеме. При взрыве высоко нагретые продукты, обладающие большой плотностью, расширяются, и слои окружающего воздуха сжимаются. Со временем объем сжатого воздуха возрастает. Перемещающуюся в пространстве тонкую переходную область, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного, называют ударной волной.
Ударная волна может обладать значительной Е. Так, при ядерном взрыве на образование ударной волны в окружающей среде затрачивается около 50% энергии взрыва, поэтому ударная волна, достигая биологических и технических объектов, способна вызвать серьезные разрушения.
р, Р
Фронт повышенного давления и плотности воздуха при распространении ударной волны.
Vуд. волны
р0,Р0
X
Характеристики:
Ударная волна представляет собой механическую волну, которая может распространяться только в среде, например, в газе, жидкости или твердом теле. Ударные волны, используемые в медицине, генерируются в воде и подводятся к пациенту, который большей частью состоит из воды. Для подвода ударной волны необходима контактная среда (ультразвуковой гель или другие аналогичные материалы). Сегодня в терапии обычно используются амплитуды давления в диапазоне от 10 МПа и более чем 100 МПа (мега паскаль, 1 МПа = 10 бар, т.е. почти 10-кратное атмосферное давление).
Ударная волна является звуковой волной. По фронту волны в течение очень короткого интервала времени положительное давление возрастает от давления окружающей среды до максимального значения. Затем следует небольшая пауза разрежения.
Использование ударных волн в медицине:
_______________________________________________________________________________________
Электромагнитные колебания и волны.
№1. Электрическое поле. Характеристики электрического поля: напряженность, разность потенциалов.
Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах).
Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q:
Также иногда называется силовой характеристикой электрического поля. Математически зависимость вектора от координат пространства само задаёт векторное поле. Модуль напряжённости электрического поля в СИ измеряется в В/м (Вольт на метр).
Разность потенциалов- это электрическая (для потенциального электрического поля то же, что напряжение электрическое) между двумя точками пространства (цепи); равна работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки поля в другую. В СИ измеряется в вольтах. Разность потенциалов электрического поля Земли между двумя уровнями, отстоящими друг от друга на величину роста человека, > 200 В.
№2. Магнитное поле. Характеристики магнитного поля: индукция, поток индукции.
Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты).
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Поток магнитной индукции - поток вектора магнитной индукции через некоторую поверхность; величина, равная произведению:
- модуля вектора магнитной индукции; на
- площадь поверхности; и на
- косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности.
В СИ единицей магнитного потока является вебер.
№3.Взаимосвязь электрического и магнитного полей. Элементы теории Максвелла. Электромагнитная волна. Скорость электромагнитных волн.
Уравне́ния Ма́ксвелла — система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Электромагнитная волна - волна, порожденная колебанием параметра электромагнитного поля. В зависимости от длины волны в вакууме, источника излучения и способа возбуждения различают: низкочастотные колебания, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-лучи.
2. всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
1-е уравнение Максвелла:
φH1dl = Iпр + Iсм
2-е уравнение Максвелла:
φE1dl = -
3-е уравнение Максвелла:
φDdS = (силовые линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных)
4-е уравнение Максвелла:
φBndS = 0 (силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя, т.е. нигде не начинаются и не кончаются).
где c = 1/ √ε0 μ0 - скорость света в вакууме, ε и μ – соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости, ε0 и μ0 - соответственно электрическая и магнитная постоянные.
4.Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
Из теории Максвелла, различные электромагнитные волны, в том числе световые имеют общую природу. Представим все электромагнитные волны (электромагнитные излучения) на одной единой шкале.
Вся шкала условно подразделена на шесть диапазонов: радиоволны (длинные, средние, короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские волны и гамма-излучение. Классификация определяется механизмом образования волн, их частотой, либо возможностью их зрительного восприятия человеком.
Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели ). Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстро заряженных частиц (макроизлучатели). Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, гамма излучение имеет ядерное происхождение.
Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах. Наиболее коротковолновые ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским.
В этом отношении очень характерна пограничная область инфракрасных волн и радиоволн. До 1922 г. Между этими диапазонами был пробел. Наиболее коротковолновые излучения этого незаполненного промежутка имело молекулярное (атомное) происхождение (излучение нагретого тела), а наиболее длинноволновое излучалось макроскопическими вибраторами Герца. Российским физиком А. А. Глаголевой-Аркадьевой было предложено пропускать искру через смесь большого числа мелких металлических опилок в масле. При этом можно было получать различные электромагнитные волны длиной 82 мкм и более. Таким образом, диапазоны инфракрасных и радиоволн были сомкнуты.
Сейчас никого не удивляет, что даже миллиметровые волны могут генерировать не только радиотехническими средствами, но и молекулярными переходами. Появился раздел –радиоспектроскопия, которая изучает поглощение и излучение радиоволн различными веществами.
В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны. Низкие (НЧ) до 20 Гц. Звуковые (ЗЧ) 20 Гц-20 Кгц. Ультразвуковые или надтональные (УЗЧ) 20 кГц – 200 кГц. Высокие (ВЧ) 200 кГц- 30 МГц. Ультравысокие (УВЧ) 30 МГц-300 МГц. Сверхвысокие (СВЧ) 300 МГц- 300 ГГц. Крайневысокие (КВЧ) свыше 300 ГГц.
Часто физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частот называют низкочастотной. Электронную аппаратуру всех других частот называют обобщающим понятием высокочастотная.
5.Биологическое действие электромагнитного излучения на организм. Электротравматизм.
Электромагнитные излучения
Электромагнитные излучения — электромагнитные волны (электромагнитные колебания), излучаемые различными объектами и распространяющиеся в пространстве. Э. и. имеют двойственную природу, т.е. проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства. В зависимости от длины волны (или частоты колебаний) различают радиоволновое излучение, оптическое излучение (инфракрасное излучение, свет, ультрафиолетовое излучение), рентгеновское и гамма-излучение. Диапазоны Э. и. условны, они не имеют четких границ и частично могут перекрываться. Формальным признаком принадлежности к тому или иному диапазону является источник получения конкретного вида Э. и.
Электромагнитные излучения радиоволнового диапазона принято подразделять на следующие области, высокие частоты (100 кГц —30 МГц), которым соответствуют длинные, средние и короткие волны (3000—10 м), ультравысокие частоты (30—300 МГц), которым соответствуют ультракороткие волны (10—1 м); сверхвысокие частоты (300 МГц — 300 ГГц), которым соответствуют микроволны (1—0,001 м). Э. и. с частотами менее 100 кГц подразделяются на следующие области:низкие частоты (до 20 Гц), звуковые частоты (20 Гц — 20 кГц) и ультразвуковые частоты (20 кГц — 100 кГц).
Инфракрасное излучение условно подразделяют на близкую (0,76—2,5 мкм), среднюю (2,5—50 мкм) и далекую (50—2000 мкм) области спектра длин волн.
Видимый свет — узкий участок Э. и., воспринимаемый зрительными рецепторами глаза человека, условно можно представить следующими спектральными цветами: фиолетовый и синий (380—470 нм), сине-зеленый (470—500 нм), зеленый (500—560 нм), желто-оранжевый (560—590 нм), красный (590—760 нм).
Ультрафиолетовое излучение условно делят на три области: А (400—315 нм), В (31,5—280 нм) и С (280—200 нм). Часть ультрафиолетового спектра с длиной волны менее 200 нм сильно поглощается тонким слоем вещества и специального интереса для медицины не представляет.
Рентгеновское и гамма-излучение (и частично коротковолновое ультрафиолетовое излучение) относят к ионизирующим излучениям;взаимодействуя с веществом, они вызывают ионизацию атомов и молекул.
Человек постоянно подвергается воздействию Э. и., которое может быть как полезным, так и вызывающим неблагоприятные изменения в организме. Биологическое действие Э. и. зависит от длины волны (или частоты) излучения, режима генерации (импульсное, непрерывное), условий воздействия (постоянное, прерывистое; общее, местное), интенсивности и длительности облучения; оно определяется количеством поглощенной энергии и ее распределением в организме. Наряду с энергетической концепцией разрабатывается теория информационного взаимодействия Э. и. с внутренними полями биологических объектов.
Дозированную солнечную радиацию применяют в медицине, а также как средство накаливания организма. Повышение чувствительности организма к действию солнечной радиации называют фотосенсибилизацией.
Основным биологическим действием радиоволн и инфракрасных излучений является тепловой эффект, обусловленный превращением поглощаемой энергии во внутреннюю энергию организма.
В медицине используются излучения различного диапазона волн и разнообразные излучатели, которые позволяют воздействовать как излучениями с одинаковыми средними значениями энергии электрического и магнитного поля, так и преимущественно электрическим или магнитным переменным полем. Это дает возможность прогревать ткани и органы, оптимально воздействуя на отдельные участки тела. Наряду с тепловым эффектом радиоволны обладают и специфическим действием на живые организмы. Например, микроволны изменяют проницаемость мембран, влияют на биохимические процессы. Этот эффект зависит от интенсивности и времени воздействия, а также может иметь резонансную частотную зависимость.
Видимый свет и ультрафиолетовое излучение также оказывают тепловое воздействие, которое может вызывать изменения в поверхностных структурах тканей, поглощающих Э. и. Однако более существенным, особенно для ультрафиолетового излучения,
является действие на физико-химические и биохимические реакции, происходящие в организме. В медицине все большее применение находят лазеры — приборы, испускающие сфокусированное в виде пучка электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового.
Диагностическое применение Э. и. основано либо на регистрации таких излучений, испускаемых самими биологическими объектами (например, термография, тепловидение), либо на воздействии этими излучениями извне (например, ЯМР-томография, рентгенодиагностика), либо на введении источников Э. и. в организм (радионуклидная диагностика,эндорадиозонд).
Чувствительным к воздействию Э. и. являются система кроветворения, центральная нервная и нейроэндокринная системы. При действии на глаза Э. и. высоких (тепловых) уровней возможно образование катаракты, умеренных — изменения сетчатки по типу ангиопатии, склероз ретинальных сосудов, иногда дистрофические очаги в макулярной области. Имеются данные об индукции Э. и. злокачественных новообразований (в первую очередь опухолей кроветворной ткани илейкозов).
Симптомы и течение хронических форм радиоволновых поражений не имеют строго специфических проявлений. В их клинической картине выделяют три ведущих синдрома: астенический, астеновегетативный (или синдром нейроциркулярной дистонии) и гипоталамическии.
Электортравматизм
Электромагнитное излучение при определённых уровнях может оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическоевоздействие. На практике различают воздействие магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования, СВЧ-излучения и др..
В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ — микроволновые печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ,радиосвязь), большое значение приобретает нормирование уровней ЭМП.
В быту источниками высокочастотного электромагнитного излучения могут быть неисправные микроволновые печи, компьютеры, мобильные телефоны и телевизоры. Под влиянием электромагнитного излучения могут возникнуть очень тяжелые заболевания. В прессе описаны случаи нарушения свертываемости крови, гипотонии, нарушения функций спинного мозга и т.д. Назвать все последствия и симптомы сейчас не в состоянии ни один ученый или врач. На данный момент эта угроза считается намного опаснее воздействия продуктов полураспада и тяжелых металлов после Чернобыльской аварии.
6.Диатермия. УВЧ-терапия. Индуктотермия. Микроволновая терапия.
Диатермия – электротерапевтический метод, основанный на использовании высокочастотного переменного электрического тока, который пропускается через ткань и используется в физиотерапевтических процедурах. Сопровождается теплообразованием. При диатермии применяют ток частотой около 1 мгц со слабозатухающими колебаниями, напряжение 100-150 В; сила тока несколько ампер. В основе физиологического действия диатермии лежит в основном ее тепловой эффект. В соответствии с законом Джоуля Ленца количество выделяемого при диатермии тепла будет пропорционально квадрату силы тока в тканях. Поскольку ткани организма неоднородны по своим электрическим свойствам, то и теплообразование в них будет различным. При поперечном расположении электродов поверхностные ткани, имеющие высокое омическое сопротивление, будут нагреваться сильнее, чем глубоколежащие ткани.
УВЧ-терапия.
Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия - это воздействие на ткани переменным электромагнитным полем ультравысокой частоты (40,68 или 27,12 мГц), причем преимущество отдается воздействию электрического поля, а не магнитного. За счет этого в тканях возникают токи смещения и токи проводимости. Для того чтобы оценить эффективность действия УВЧ, необходимо рассчитать количество теплоты, выделяющейся в проводниках и диэлектриках. В итоге получим, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату эффективной напряженности электрического поля. Она также зависит и от другим характеристик. Данная методика широко применяется в физиотерапии.
Индуктотермия
Индуктотермия – метод электролечения, в основе которого лежит воздействие на организм переменным магнитным полем (точнее, преимущественно магнитной составляющей электромагнитного поля) высокой частоты (3-30 МГц). Суть метода заключается в образовании действующего на организм переменного магнитного поля.
Как известно, магнитные поля, пересекая проводники, наводят (индуктируют) в них электрический ток. В теле человека при действии высокочастотных магнитных полей возникают хаотические вихревые токи (токи Фуко). Одним из наиболее характерных свойств их является высокое теплообразование. Количество тепла, образующегося под действием высокочастотного магнитного поля, согласно закону Джоуля – Ленца, прямо пропорционально квадрату частоты колебаний, квадрату напряженности магнитного поля и удельной проводимости ткани. Аналогично диатермии при индуктотермии больше тепла образуется в тканях с хорошей электропроводностью. Неотъемлемым от теплового является осцилляторный компонент действия индуктотермии, который проявляется физико-химическими изменениями в клетках и тканях, субклеточных структурах. Чем выше интенсивность воздействия, тем осцилляторный эффект проявляется слабее.
Микроволновая терапия.
Метод электролечения, основанный на воздействии на больного электромагнитных колебаний с длиной волны от 1 мм до 1 м (или соответственно с частотой 300-30000 МГц). Микроволны занимают промежуточное положение между электромагнитными волнами ультравысокочастотного диапазона и инфракрасными лучами. Поэтому по некоторым своим физическим свойствам они приближаются к световой, лучистой энергии. Они могут, как свет, отражаться, преломляться, рассеиваться и поглощаться, их можно концентрировать в узкий пучок и использовать для локального направленного воздействия.
Попадая на тело человека, 30-60 % микроволн поглощается тканями организма, остальная часть отражается. Электромагнитная волна поляризует молекулы вещества и переориентирует их. Также электромагнитная волна воздействует на ионы биологических систем и вызывает переменный ток проводимости. Все это приводит к нагреванию вещества.
Наряду с этим имеет место и специфический осцилляторный эффект.
Т.к. все перечисленные выше процессы ведут нагреванию внутренних сред организма, то конечный эффект будет одинаков.
Под влиянием этих терапий происходит расширение кровеносных сосудов, усиливается кровоток, уменьшается спазм гладкой мускулатуры, нормализуются процессы торможения и возбуждения нервной системы, ускоряется прохождение импульсов по нервному волокну, изменяется белковый, липидный, углеводный обмен; стимулируется функция симпатико-адреналовой системы, оказывается противовоспалительное, спазмолитическое, гипосенсибилизирующее, обезболивающее действие.
7.Глубина проникновения неионизирующих электромагнитных излучений в биологическую среду. Ее зависимость от частоты. Методы защиты от электромагнитных излучений.
Неионизирующие магнитные излучения – излучения с длиной волны более 1000 нм и энергией меньше 10 кэВ, заведомо недостаточной, чтобы ионизировать вещество. Излучение будет неионизирующим в том случае, если оно не способно разрывать химические связи молекул, то есть не способно образовывать положительно и отрицательно заряженные ионы. Глубина проникновения электромагнитных волн в биологические ткани зависит от способности этих тканей поглощать энергию волн, которая, в свою очередь, определяется как строением тканей (главным образом содержанием воды), так и частотой электромагнитных волн. Так сантиметровые электромагнитные волны, используемые в физиотерапии, проникают в мышцы, кожу, биологические жидкости на глубину около 2см., а в жир, кости – около 10 см. Для дециметровых волн эти показатели приблизительно в два раза выше. Согласно формуле где С - скорость распространения света в вакууме; f - частота поля, Гц. – глубина проникновения в обратной зависимости от частоты (при меньшей частоте, глубина проникновения больше).
К организационным мероприятиям по защите от действия ЭМП относятся: выбор режимов работы излучающего оборудования, обеспечивающего уровень излучения, не превышающий предельно допустимый, ограничение места и времени нахождения в зоне действия ЭМП (защита расстоянием и временем), обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМП.
Медицинская оптика
1. Физическая природа света. Волновые свойства света. Длина световой волны. Физические и психофизические характеристики света.
Оптика – раздел физики, в котором изучаются природа света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.
Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:
Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину , где частота ν соответствует частоте излучённого света, а h есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.
Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).
Характеристики света
Длина световой волны λ зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением:
λ=υ/ν=с/nν
На практике принято считать, что показатель преломления среды является функцией длины волны: n = n(λ). Зависимость показателя преломления от длины волны (точнее -от частоты) проявляется в виде явления дисперсии света.
Характеристиками света являются:
-спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
-интенсивность, пропорциональная квадрату амплитуды электрического вектора электромагнитной волны.
-поляризация, определяемая изменением пространственной ориентации электрического вектора по мере распространения волны в пространстве.
-направление распространения луча света, совпадающее с направлением нормали к волновому фронту (при отсутствии явления двойного лучепреломления)
2. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.
Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света — 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.
Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам.
Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (α=β). Падающий луч АО, отраженный луч ОВ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОВ лежат в одной плоскости с перпендикуляром CD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой: .
Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты). Если световой луч следует из оптически менее плотной среды (например, из воздуха; nвозд. = 1) в оптически более плотную среду (например в стекло с показателем преломления nст. = 1,5), то на их границе произойдет частичное отражение и частичное преломление света.
Отсюда следует, что , то есть синус угла преломления g меньше, чем синус угла падения a, в 1,5 раза. А если sin g < sin a, то и g < a; то есть световой луч, преломляясь в этих обстоятельствах, как бы старается прижаться к нормали (см. схему на рис.3).
Если же световой луч пустить из оптически более плотного стекла в оптически менее плотный воздух, то угол преломления окажется, наоборот, больше угла падения, g > a. Для обсуждаемого обратного хода луча закон преломления:
следовательно, sin g = 1,5 sina; g > a
Эта ситуация иллюстрируется схемой А на рисунке
Если угол падения a увеличить до некоторого предельного значения aпр, то угол преломления g > a достигает наибольшего значения g=900. Преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. При углах падения a >aпр явление преломления не происходит, а вместо частичного отражения на границе раздела фаз происходит полное отражение света внутрь оптически более плотной среды, или полное внутреннее отражение. Это оптическое явление составляет основу целого физико-технического направления, которое называется волоконная оптика.
В медицине волоконная оптика нашла применение в эндоскопах - устройствах для осмотра внутренних полостей (например, желудка). Световод, представляющий собой жгут из большого числа тонких стеклянных волокон, помещенных в общую защитную оболочку, вводится в исследуемую полость. Часть волокон используется для организации освещения полости от источника света, расположенного вне тела пациента. Световод может использоваться и для передачи во внутреннюю полость лазерного излучения в лечебных целях.
Полное внутреннее отражение происходит и в некоторых структурах сетчатки глаза.
3. Оптическая система глаза. Недостатки зрения, методы их коррекции.
Оптическая система глаза обеспечивает получение на сетчатке глаза уменьшенного действительного обратного (перевернутого) изображения. Если светопреломляющую систему глаза рассматривать как одну линзу, то общая оптическая сила этой системы получается как алгебраическая сумма следующих четырёх слагаемых:
а) Роговица: D = +42,5 дптр
б) Передняя камера: D от +2 до +4 дптр
в) Хрусталик: D const; от +19 до +33 дптр
г) Стекловидное тело;D от –5 до –6 дптр.
Благодаря тому, что оптическая сила хрусталика - величина переменная, суммарная оптическая сила глаза лежит в пределах от 49 до 73 дптр.
Редуцированный глаз, как единая линза, обращён одной стороной - к воздуху, (абсолютный показатель преломления nвозд = 1), а другой - соприкасается с жидкостью, nж=1,336. Так что левый и правый фокусные расстояния не одинаковы; если переднее фокусное расстояние в среднем F1 = 17 мм, то заднее - F2 = 23 мм. Оптический центр системы - в глубине глаза на расстоянии 7,5 мм от наружной поверхности роговицы.
Основной преломляющий элемент этой системы – роговица - имеет не сферическую, а более сложную форму преломляющих поверхностей, и это - хороший удар по сферической аберрации.
Хрусталик меняет свою оптическую силу при сокращении или расслаблении цириальных мышц; этим достигается аккомодация глаза - его приспособление к фокусировке изображения на сетчатке как при рассматривании удалённых, так и близких предметов. Необходимое напряжение этих мышц даёт информацию о расстоянии до рассматриваемого предмета, даже если мы рассматриваем его одним глазом. Общее количество света, поступающее в глаз, регулируется радужной оболочкой. Она может быть разной по цвету, и потому люди бывают голубоглазые, кареглазые и т.п. Она управляется парой мышц. Имеется мышца, сужающая зрачки (циркулярная мышца), имеется мышца, его расширяющая (радиальная мышца).
Рассмотрим далее особенности строения сетчатки. Её назначение - преобразовать оптическое изображение, полученное на её поверхности, в потоки электрических нервных импульсов, поступающих в мозг. Эти преобразования осуществляются клетками-фоторецепторами двух типов, получивших, в связи с особенностями своей формы, название колбочек и палочек.
Колбочки-фоторецепторы дневного зрения. Обеспечивают цветовое зрение. Палочки - рецепторы сумеречного зрения. Каждый глаз человека содержит примерно 125*106 палочек и 5*106 колбочек, итого 130*106 фоторецепторов. Колбочки и палочки распределены по сетчатке очень неравномерно: на периферии размещены только палочки, чем ближе к области жёлтого пятна, тем больше встречается колбочек; в жёлтом пятне размещены только колбочки и их плотность (количество на единицу площади) очень велика, так что здесь эти клетки даже «изготавливаются» в малогабаритном варианте - они более мелкие, чем в других областях сетчатки.
Область жёлтого пятна сетчатки - это область наилучшего зрения. Здесь мы фокусируем изображение предмета, если хотим разглядеть этот предмет особо тщательно.
Плотность «упаковки» колбочек в жёлтом пятне определяет остроту нашего зрения. Плотность эта, в среднем, такова, что на отрезке длиной 5 мкм умещаются три колбочки. Для того, чтобы глаз различал две точки предмета, необходимо, чтобы между двумя засвеченными колбочками непременно находилась одна не засвеченная.
Рефракция (преломление) света в глазе является нормальной, если изображение предмета, даваемое оптической системой глаза, ложится на наружные сегменты фоторецепторов, и при этом мышцы, управляющие кривизной хрусталика, расслаблены. Такая (нормальная) рефракция называется эмметропией.
Отклонение от эмметропии – аметропия – встречается в двух разновидностях. Миопия (близорукость) – изображение фокусируется не на сетчатке, а перед ней, то есть преломление света в глазе происходит «слишком хорошо». Эта избыточность устранима рассеивающими очковыми линзами (оптическая сила отрицательная).
Гиперметропия (дальнозоркость) – разновидность аметропии, при которой изображение формируется за сетчаткой. Чтобы вернуть изображение на сетчатку, надо «помочь» глазу собирающей очковой линзой (оптическая сила положительная). Говоря иначе, если оптическая сила глаза недостаточна, её можно увеличить дополнительным слагаемым - оптической силой собирающей очковой линзы.
Появление контактных линз вместо классических очков поначалу воспринималось чуть ли не как революция.
При обсуждении возможностей контактной линзы необходимо принять во внимание, что относительный показатель преломления на первой (по ходу луча) поверхности контактной линзы фактически равен абсолютному показателю преломления материала линзы, а на второй поверхности он равен отношению абсолютных показателей преломления роговицы и линзы.
При внедрении любого изобретения рано или поздно обнаруживаются как достоинства, так и недостатки. Классические очки и контактные линзы, в их нынешнем виде, можно сопоставить следующим образом:
- классические очки легко одевать и снимать, но не удобно носить;
- контактные линзы удобно носить, но не удобно надевать и снимать.
Лазерная коррекция зрения – это микрооперация на наружной поверхности роговицы. Напомним, что роговица - основной светопреломляющий элемент оптической системы глаза. Коррекция зрения достигается изменением кривизны наружной поверхности роговицы. Например, если сделать поверхность более плоской, (т.е. увеличить радиус кривизны R), то согласно формуле (4) оптическая сила D этой поверхности уменьшится.
Серьёзные проблемы со зрением возникают при отслоении сетчатки. В этих случаях нашёл применение метод закрепления сетчатки на предусмотренном природой месте с помощью фокусированного лазерного луча. Этот способ закрепления подобен точечной сварке металлов в технике. Сфокусированный луч создаёт малую зону повышенной температуры, в которой происходит «сварка» биологических тканей (в прямом и переносном смысле).
Ретиналь - одна из двух основных компонент родопсина – это альдегид витамина А. С учётом того, что наружные сегменты фоторецепторов постоянно обновляются, полноценное обеспечение организма витамином А отвечает интересам поддержания зрительной системы в хорошем состоянии.
4. Оптический микроскоп. Ход лучей в микроскопе. Полезное увеличение микроскопа.
Микроско́п — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз.
Совокупность технологий изготовления и практического использования микроскопов называют микроскопией., В микроскопе различают механическую и оптическую части. Механическая часть представлена штативом (состоящим из основания и тубусодержателя) и укрепленным на нем тубусом с револьвером для крепления и смены объективов. К механической части относятся также: предметный столик для препарата, приспособления для крепления конденсора и светофильтров, встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого (микромеханизм, микровинт) перемещения предметного столика или тубусодержателя.
Оптическая часть представлена объективами, окулярами и осветительной системой, которая в свою очередь состоит из расположенных под предметным столиком конденсора Аббе и встроенного осветителя с низковольтной лампой накаливания и трансформатором. Объективы ввинчиваются в револьвер, а соответствующий окуляр, через который наблюдают изображение, устанавливают с противоположной стороны тубуса.
К механической части относится штатив, состоящий из основания и тубусодержателя. Основание служит опорой микроскопа и несет всю конструкцию штатива. В основании микроскопа находится также гнездо для зеркала или встроенный осветитель.
Тубусодержатель служит для крепления тубуса микроскопа - встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого(микромеханизм, микровинт) вертикального перемещения предметного столика или тубусодержателя кронштейн для крепления предметного столика;
предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтальногоих перемещения;
узел для крепления и вертикального светофильтров.
Полезное увеличение – это видимое увеличение, при котором глаз наблюдателя будет полностью использовать разрешающую способность микроскопа, то есть разрешающая способность микроскопа будет такая же, как и разрешающая способность глаза Максимальное полезное увеличение микроскопа, т. е. увеличение, с которым выявляются детали рассматриваемого предмета, определяется по формуле
М = d1/d
где d1 – максимальная разрешающая способность человеческого глаза, равная 0,3 мм; d – максимальная разрешающая способность оптической системы.
5. Разрешающая способность и предел разрешения микроскопа. Пути повышения разрешающей способности.
Качество изображения определяется разрешающей способностью микроскопа, т.е. минимальным расстоянием, на котором оптика микроскопа может различить раздельно две близко расположенные точки. разрешающая способность зависит от числовой апертуры объектива, конденсора и длины волны света, которым освещается препарат. Числовая апертура (раскрытие) зависит от угловой апертуры и показателя преломления среды, находящейся между фронтальной линзой объектива и конденсора и препаратом.
Угловая апертура объектива - это максимальный угол, под которым могут попадать в объектив лучи, прошедшие через препарат. Числовая апертура объектива равна произведению синуса половины угловой апертуры на показатель преломления среды, находящейся между предметным стеклом и фронтальной линзой объектива. N.A. = n • sinα где, N.A. - числовая апертура; n - показатель преломления среды между препаратом и объективом; sinα - синус угла α равного половине угла АОВ на схеме.
Таким образом, апертура сухих систем (между фронтальной линзой объектива и препаратом-воздух) не может быть более 1 (обычно не более 0,95). Среда, помещаемая между препаратом и объективом, называется иммерсионной жидкостью или иммерсией, а объектив, рассчитанный для работы с иммерсионной жидкостью, называют иммерсионным. Благодаря иммерсии с более высоким показателем преломления чем у воздуха, можно повысить числовую апертуру объектива и, следовательно, разрешающую способность.
Числовая апертура объективов всегда гравируется на их оправах.
Один из способов уменьшения предела разрешения микроскопа – использование света с меньшей длиной волны. В связи с этим применяют ультрафиолетовый микроскоп, в котором микрообъекты исследуются в ультрафиолетовых лучах. Принципиальная оптическая схема такого микроскопа аналогична схемам обычного микроскопа.
Другой способ уменьшения предела разрешения – увеличение числовой апертуры, что достигается увеличением как показателя преломления среды между предметом и объективом, так и апертурного угла.
Условия освещения объекта также влияют на разрешающую способность микроскопа, что важно учитывать в биологических исследованиях.
6. Специальные методы микроскопии. Иммерсионный микроскоп. Микроскоп темного поля. Поляризационный микроскоп.
Разработано множество модификаций микроскопов. Используются различные схемы освещения, различные типы предметных столиков, монокулярные и бинокулярные насадки с окулярами. Препараты можно фотографировать с помощью микрофотонасадок, зарисовывать с помощью рисовально-проекционных аппаратов, демонстрировать с помощью демонстрационного окуляра.
Иммерсионный микроскоп — оптическая система, в которой пространство между первой линзой и предметом заполнено жидкостью. Применяемая так жидкость называется иммерсионной. Принцип действия ИМ.
Из основной формулы разрешающей способности микроскопа: d = 0,61λ/А, следует, что предел разрешения определяется длиной волны λ и числовой апертурой объектива А. Так как не всегда возможно изменить длину волны (особенно если исследование производится в белом свете), то для достижения лучшего разрешения стремятся применять объектив, имеющий бо́льшую числовую апертуру.
Однако для «сухого» объектива, с показателем преломления среды перед его передней линзой n=1, максимальное значение числовой апертуры объектива не может превысить значение около 0,95.
Для решения этой проблемы берут иммерсионную жидкость, показатель преломления которой n2 и показатель преломления фронтальной линзы n3 выбраны определённым образом. Исходящие от одной точки объекта OP лучи проходят без преломления через иммерсионную пленку и могут «приниматься» фронтальной линзой объектива. В этом случае числовая апертура увеличивается, а предел разрешения уменьшается в n2 раз.
Темнопольная микроскопия. Изучение препаратов в темном поле осуществляется с помощью особого темнопольного конденсора. Такой конденсор пропускает от источника света только косые краевые лучи, которые освещают препарат, но не попадают в объектив. Клетки и их компоненты обладают различной оптической плотностью и по-разному рассеивают попадающие на них лучи. Рассеяние лучей вызывает свечение внутриклеточных структур. Чем плотнее структура, тем ярче она видна на темном фоне.
Поляризационная микроскопия. Основана на способности некоторых компонентов клеток к двойному лучепреломлению. К таким анизотропным структурам относятся нити веретена деления, миофибриллы, реснички. При поляризационной микроскопии анизотропные структуры обнаруживают яркое свечение. Для поляризационной микроскопии используется специальный поляризационный микроскоп. Перед конденсором такого микроскопа помещается поляризатор, а за препаратом и объективом помещены компенсатор и анализатор. Поляризационный микроскоп позволяет обнаруживать структуры с двойным лучепреломлением, определять ориентировку протяженных объектов (например, коллагеновых волокон).
Квантовая физика.
2. Линейчатый спектр излучения атомов. Его объяснение в теории Н.Бора.
Линейчатый спектр дают не взаимодействующие друг с другом атомы. Он состоит из отдельных спектральных линий, характеризуемых частотой излучения. Спектральные линии можно характеризовать волновым числом и энергией фотона. Спектральн. линии подчиняются определенной закономерности и выделяются в отдельную группу. Наиб. четко прослеживаются спектральные серии у атома Н. Бальмер обнаружил, что ν=R(1/m2 – 1/n2), где ν – частота, R – постоянная Реберга, m – номер серии. При m =1, n=2,3,4-серия 1, если m=2,n=3,4,5-серя 2 –видимая часть спектра. При m=3, n=4,5,6 – серия 3 – инфракрасная область.
Бор объяснил происхождение линейчатых спектров и структуру спектра атома Н. при возбуждении атом получает энергию, в зависимости от которой электроны переходят на возбужденные энергетические уровни. При возвращении на основной электрон излучает эту энергию в виде квантов, поэтому в спектре много линий, соответствующих энергетическим уровням атома и возможным переходам электрона. В 1913 году высказал, что существуют только те состояния, энергия которых равна Е=mν. Момент импульса у орбит удовлетворяет выражению: hν=En-Em=mee4/Eh2(1/n2-1/m2).
Постулаты Бора:
|
Серия 3. Пашен |
|
Серия 2. Больмер |
серия 1 Лайман
эксперимент и теория Бора соотв-т форм. Ридберга: ν=R(1/m2-1/n2)/
_______________________________________________________________________________________
3. Волновые свойства частиц. Гипотеза де-Бройля, ее экспериментальное обоснование.
В 1924 г Луи де Бройль высказал гипотезу об общности квантовых частиц света фотонов и частиц ве-ва. Есл фотоны кроме волновых свойств имеют корпускулярные, то движущиеся частицы вещества также обладают волновыми свойствами, кроме корпускулярных. Фотон – элементарная частица света, обладающая волновым свойствами. Луи де Бройль считал, что всякая движущаяся частица ве-ва имеет волновые свойства. Формула для импульса фотона: P=hν/c=hν была использована для др. микрочастиц массой m, движ-ся со скоростью υ:P=mυ=h/λ., откуда: λ=h/(mυ). Доказательство волновой теории стало явление дифракции электронов, кот было обнаружено в 1927 г. при использовании рассеяния электронов на кристаллах. Дифракцию можно наблюдать с помощью тонкой металлической фольги. Способностью дифрагировать обладают как заряженные (протоны, ионы), так и нейтральные (нейтроны, атомы, молекулы.)
Эл. пучок проходит через фольгу, и электроны рассеиваются в ее кристалликах, попадают на экран или фотопластинку, давая ряд концентрических темных и светлых колец. Только целое число n отражается на окружности.
фотопластинка
Эл. пучок фольга
_______________________________________________________________________________________
4. Электронный микроскоп: принцип действия; разрешающая способность, применение в медицинских исследованиях.
В эл. микроскопе используется явление рассеяния электронов на атомах и молекулах вещества 2/3 которых они проходят. Носителем информации является электрон, а их источник – подогреваемый катод, электронная пушка (фокусирующая электрод+анод) – ускоряет электроны и образует пучок. После взаимодействия с предметом, поток электронов содержит информацию о предмете, формирование потока происходит под влиянием электрического поля. Регистрация изображения происходит на чувствительной к электронам фотопленке z=0,1 нм – разрешающая способность определяется длиной волны летящего электрона, (предел разрешения=10-10м – что в сотни раз больше оптического).
Плюс – высокая разрешающая способность, НО может происходить разрушение исследуемого объекта под действием высокой энергии Ее и высокой скорости υе электронов. В тех местах, где пролетает электрон должен быть вакуум, т. к. столкновение электрона с молекулой О2 приводит к искажению изображения. ЭВМ – современный отечественный электрический микроскоп (предел разрешения = 3*10-10м). С помощью эл микроскопа исследуют микрообъекты: вирусы, бактерии, макромолекулы, открыли структуру ДНК.
_______________________________________________________________________________________
5. Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров.
Атомные спектры – спектры испускания и поглощения, возникающие при квантовых переходах между энергетическими уровнями свободных и слабовзаимодействующих атомов. Обусловлены переходами между уровнями внешних электронов и энергии фотонов=несколько электронвольт. В спектре выделяют группы линий, называемые спектральными сериями. Каждая серия применима к спектрам испускания соотв. Переходам с различных уровней на один и тот же конечный.
В УФ области находятся линии серии Лаймана, которые образуются при переходе с верхних энергетических уровней на самый нижний: ν=me4/8E02h3(1/12-1/ni2)ni=2,3,4,…
n – главное квантовое число, совпадающее с номером эн. уровня.
е – орбитальн. квантовое число, определяет форму орбиталей электронов, характеризует орбитальный момент импульс.
m – моментное квантовое число, хар-ет уменьшение положения плоскости орбиты электрона под действием меньшего магнитного поля.
При переходе с верхних энергетических уровней на 2-ой расположена серия Бальмера:
ν=me4/8E02h3(1/22-1/ni2), ni=3,4,5
К ИК относится серя Пашена, переход с верхних уровней на 3-ий:
ν=me4/8E02h3(1/32-1/ni2), ni=4,5,6.
Атомными спектрами наз-т как спектры испускания, так и спектры поглощения, возникающие при квантовом переходе между уровнями свободных атомов. Пр.: ультрафиолет, видимая инфракрасная область спектра.
Молекулярные спектры: возникают при квантовых переходах молекул с одного эн. уровня на др. и сотоят из совокупности более или менее широких полос, кот представляют собой тесно расположенные линии. Сложность этих спектров обусловлена большим разнообразием движений.
ν=1/h(∆Eэл+∆Eкол+∆Eвр). ∆Eэл>>∆Eкол>>∆Eвр
Если ∆Еэл=0, а ∆Екол=0 и ∆Евр=0, то возникает колебательно-вращательный спектр. Если ∆Екол,∆Евр,∆Еэл=0, то возникает электронно-колебательно-вращательный спектр.
6. Люминесценция, ее виды. Фотолюминесценция. Закон Стокса. Хемилюминесценция.
Люминесценция – свечение некоторых веществ, не связанных с их нагреванием. Люминесценция происходит при наличии у молекул избыточной энергии.
По способу этого избытка энергии различают:
Фотолюминесценция – резонансное состояние, подразделяется на :
Начальным актом любой люминесценции является возбуждение фотонов с энергией hν атома или молекулы. Резонансная флюоресценция – возвращение атома в основное состояние, излучается фотон света той же частоты (для уменьш. добавляют Н2, О2, для увел-ния – нагревают).
3 2 1
3 4 2 1
3 3
2 без излучения без излучения 2
hν hν` 4 hν`
1 1
1, 2, 3, 4 – возбужденные состояния
Для фотолюминесценции выполняется закон Стокса:
Спектр люминесценции сдвинут в сторону длинных волн относительно спектра, вызвавшего эту люминесценцию. (νизл˂ νпогл) – это означает, что излучение и поглощение отличаются по энергии: hνизл ˂ hνпогл.
Хемилюминесценция – за счет энергии хим. реакций. Хемилюминесценционный анализ – определение состава ве-ва, свечение – частное проявление хемилюминесценции, ее яркость, т. е. число квантов, испускаемых в единицу времени, увел-ся с увел-ем скорости реакции. Используется как диагностический метод.
_______________________________________________________________________________________
7. Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях.
Большая часть органических соединений дает люминесцентное свечение под действием УФ лучей (после обработки реактивами). На его наблюдениях основана проверка качества и сортировка пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, тканей… Флюоресцируют также многие ткани организма (кости, волосы, зубы, хрусталик глаза : пораженные грибком волосы и чешуйки под УФ светом дают ярко-зеленое люминесцентное свечение.) По характеру свечения можно определить патологические изменения в тканях, отличить злокачественную опухоль от доброкачественной. Для диагностики ложных заболеваний используют бактерии и грибы, дающие определенное свечение. Широко применяется флюоресценция для изучения гистологических препаратов. Изменение флюоресценции зондов (молекул, добавляемых к мембранным системам извне) позволяет обнаружить конформационные перестройки в белках и мембранах. Можно определить проницаемость капилляров. Люминесцентный анализ микроскопических объектов проводят с помощью специальных люминесцирующих микроскопов, в котором помимо обычного света используются ртутные лампы и светофильтры.
_______________________________________________________________________________________
8. Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотодиод. Фотоэлектронный умножитель.
Фотоэффект – это группа явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, которое может быть внешним и внутренним (возникновение тока под действием света).
– это испускание электронов веществом под действием света.
Процесс фотоэффекта описывает уравнение Эйнштейна:
Металл
hν=Aвых+mυ2/2 (Авых – работа выхода, энергия, которую необходимо сообщить свободному электроны металла, чтобы он вырвался из Ме: на поверхности металла возникает двойной электронный слой, преодоление которого требует затраты дополнительной энергии)
красная граница фотоэффекта – это min ν, падающая на металл э/м излучения,
при которой возникший фотоэффект возможен hνкр=Авых
Законы фотоэффекта:
Фотодиод – приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд. Может работать в двух режимах: с внешним напряжением и без него.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливает малые фотоны в результате вторичной эмиссии, ток превышает первоначальный фототок. ФЭУ состоит из: входной камеры, множительной диодной системы, анода, дополнительных электродов – все элементы размещаются в вакуумном баллоне.
_______________________________________________________________________________________
9. Свойства лазерного излучения. Их связь с квантовой структурой излучения.
Лазер – прибор, преобразующий энергию электрического тока в энергию светового излучения, что происходит за счет атомов, переходящих в возбужденное состояние за счет эл. тока
Свойства:
Мощность лаз. излучения очень высока, т. к. ∆t мало.
Активная среда лазера представлена смесью газов Ne c He, которое накачивается в устройство. He в возбужденном состоянии может находиться длительное время, не излучая энергию (метастабильное), он является буферным газом и Ne – излучательным. Для излучения вначале возбуждаются атомы Не, а затем Ne спускается на второй уровень, где скапливаются его атомы. При этом суммируется энергия, т. е. мы получаем фотон, лазер начинает работать стабильно.
_______________________________________________________________________________________
10. Когерентное излучение. Принципы получения и восстановления голографических изображений.
Когерентное излучение – все кванты, излучаемые в любой момент времени, практически одинаковы по частоте и фазе электромагнитных колебаний.
Голография – это способ передачи и восстановления волнового колебания. Способ основан на регистрации интерференционной картины, образованной предметной и когерентной с ней волной. Зарегистрированная картина называется голограммой. Если ее снова осветить опорной волной, то создается точно такое же амплитудно-пространственное распределение волнового поля, кот создала при записи предметная волна. Смотря сквозь голограмму, мы увидим восстановленное изображение предмета. Информация на предмете записана на голограмме в виде интерференционного рельефа, информация об амплитуде предметной волны – в виде контраста интерференционного рельефа, инф о фазе – в виде частоты и формы интерференционных полос.
Свойства голограммы:
В медицине голография используется для визуализации внутренних органов.
_______________________________________________________________________________________
11. Принцип работы гелий-неонового лазера. Инверсная населенность энергетических уровней. Возникновение и развитие фотонных лавин.
Излучение Не-Ne лазера возникает за счет энергии электрического тока, пропускаемого через смесь разрядной трубки (в трубке 2 электрода). Состав: 2 плоскопараллельных зеркала, 1- полупрозрачное для излучения. Рабочая смесь – смесь газов гелия и неона (в соотношении: 10:1 и давление 10Па). Низкое давление в разрядной трубке – условие возникновения тлеющего разряда, между электродами создается электрическое поле (возле катода напряженность больше – способствует поддержанию концентраций свободных зарядов). Излучающими являются атомы неона. В Не-Nе лазере реализуется трехуровневая схема преобразований:
Е
Е2 Возбужденный уровень
Безизлучательный переход
Е3 ●●●●● Рабочий уровень
Излучение света
Накачка hν=E3-E1
Е1 ●●●
Основной уровень
Накачка: атомы Не и Nе переводятся с основного на более высокие уровни энергии. Атомы Не пребывают в возбужденном состоянии в сто раз дольше: в течение t=10-6сек (эсо свойство - метастабильность). Атомы Не передают свою энергию атомам Nе: ВАГ+НАН→НАГ+ВАН.
Источником лаз излучения явл-ся неоновая компонента смеси.
Атомы Nе, находящиеся на уровне Е3, являются метастабильными→их большое количество. Достигается состояние смеси, при котором концентрация атомов Nе на уровне Е3 больше, чем на основном Е1 (в нелазерных средах наоборот) – это инверсная заселенность энергетических уровней. Среда с инверсной заселенностью обладает необычными оптическими свойствами: свет, проходя через нее усиливается.
Когда атом Nе уходит с Е3 на Е1, происходит выброс энергии одного из внешних электронов в виде кванта hν=ΔE3-1. В объеме лазера будут возникать фотонные лавины разных направлений и те, кторые вызваны первичным квантом будут создавать поток лазерного излучения.
_______________________________________________________________________________________
12. Применение лазеров в медицине.
Лазер применяется медицине в качестве скальпеля, рассекающего ткани без механического контакта. Глубоколежащие ткани не затрагиваются, исключается опасность инфицирования, разрезы бескровны. Диффузное лазерное излучение ускоряет заживление ран примерно в 2 раза. В офтальмологической хирургии – операции без вскрытия глазного яблока и анестезии – в точках фокусирования излучения получают тончайшие перфорационные отверстия.
Используется:
_______________________________________________________________________________________
13. Электронный парамагнитный резонанс. ЭПР в медицине.
У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называется электромагнитным резонансом. Медико-биологическое применение ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов и в связи с этим прослеживание изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения. Исп-ся спиновые зонды – парамагнитные частицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии окружающих молекул. Проводятся большие исследования биологических объектов методом ЭПР.
14. Ядерный магнитный резонанс. Использование ЯМР в медицине.
ЯМР – это избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное магнитной переориентацией магнитных моментов ядер. ЯМР можно наблюдать при выполнении условия лишь для свободных атомных ядер. В спектральных ЯМР различают 2 типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это наз-т ЯМР высокого разрешения.
Интересные возможности для медицины может дать определение параметров спектра ЯМР во многих точках образца.
ЯМР – интроскопия позволяет различить кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР – интроскопия позволяет различить изображения мягких тканей. ЯМР относят к радиоспектроскопии.
Ионизирующие излучения
1. Рентгеновское излучение, его спектр. Тормозное и характеристическое излучение, их природа.
Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны длиной = 80 до 10-5нм.
Наиболее длинноволновые излучения перекрываются коротковолновым УФ. По способу получения подразделяются на тормозное и характеристическое.
Механизм тормозного рентгеновского излучения.
Излучение, получаемое в рентгеновской трубке и бетатроне, возникает при торможении электронов в металлической преграде – тормозное рентгеновское излучение. С движением электр зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении магнитная индукция уменьшается и появляется электромагнитная волна. При торможении электрона часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. При торможение ↑ кол-ва электронов, возникает рентгеновское излучение с непрерывным спектром. Спектр волны показывает, как распределена энергия по значению длин волн λ. В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствует λmin, возникает, когда энергия, приобретенная электроном, в ускоряющем поле переходит в энергию фотона
еU=hυmax=hc/λmin
λmin=hc/(eU) λmin=1,24/U
λmin – минимальная длина волны, 10-10м
U – напряжение, кВ
Поток рентгеновского излучения: Ф=kIU2Z
U – напряжение на аноде
I – ток в трубке
Z – порядковый номер атома вещества антикатода
K – 10-9 В-1 – коэффициент пропорциональности.
Характеристическое рентгеновское излучение.
Возникает вследствие проникновения ускоренных электронов вглубь атома и вытеснение ими электронов из внутренних слоев. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Характеристические спектры разных атомов однотипны, не зависят от химического соединения. Возникает при наличии свободного места во внутренних слоях атома, не зависимо от причины, которая его вызвала.
_______________________________________________________________________________________
2. Способы получения рентгеновского излучения: рентгеновская трубка, бетатрон.
Анод (антикатод)
«+»
« – »
Нить накала Стеклянная
Фокусирующий Рентгеновские вакуумная камера
электрод лучи
Нить накала имеет to поверхности 2000-2500 К, при которой электроны вырываются из нити (явление термоэлектронной эмиссии), эти электроны подхватываются электрическим полем: напряжение, создаваемое высоковольтным источником между катодом и анодом, может регулироваться. Фокусирующий электрод находится в контакте с нитью накаливания. Его задача – искривить силовые линии, чтобы электроны образовали узкий пучок. Антикатод изготовляется из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), торможение электронов сопровождается появлением рентгеновского излучения. Сила тока не велика, определяется числом электронов, вырвавшихся из рентгеновской трубки за сек времени.
Бетатрон – ускоритель электронов. Получаемый в нем поток быстрых электронов направляется на мишень, на которой при торможении электронов возникает поток жесткого рентгеновского излучения. При помощи усиления магнитного поля электроны удерживаются на круговой орбите. Основной объем и масса ускорителя приходятся на обмотки электромагнитов и их ферромагнитные сердечники. Разгон электронов в вакуумно й тороидальной камере.
Тороидальная камера находится в магнитном поле. Если на ось камеры выведен пучок электронов и магнитное поле начинает усиливаться, то происходит явление электромагнитной индукции, и возникает вихрь электромагнитного поля. На электроны действует сила: F=eE, направленная по касательной к оси камеры и разгоняющая их. Также на электрон действует сила Лоренса: F=eVB, направленная в центр камеры. Сила F удерживает электроны на оси камеры. Электроны во время всего цикла разгона остаются на неизменной орбите.
_______________________________________________________________________________________
3. Применение рентгеновского излучения в диагностике. Рентгеноскопия. Рентгенография. Флюорография. Компьютерная томография.
Рентгеноскопия: рентгеновская трубка, пациент, светящийся экран, линза (фокус на фотопленку). Преимущества:
Недостатки:
Рентгенография: рентгеновская трубка, пациент. Преимущества:
Недостатки:
Флюорография – рентгенологическое исследование, заключающееся в фотографировании флуоресцентного экрана, на котором спроецировано рентгенологическое изображение. Дает уменьшенное изображение объекта. Выделяют мелко- и крупнокадровую. В наст время пленочная флюорография заменяется цифровой.
Компьютерная томография – метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта. Метод основан на измерении и на сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения разными по плотности тканями. Рентгеновская компьютерная томография – томографический метод исследования внутренних органов и тканей человека с использованием рентгеновского излучения.
_______________________________________________________________________________________
4. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом: фотопоглощение, когерентное рассеяние, комптоновское рассеяние, образование пар. Вероятности этих процессов.
Рентгеновский квант теряет свою энергию частями, отдавая ее множеству атомов, производя их ионизацию. В металле выбитым электронам находится замена при ионизации, в молекулярных структурах это факт серьезных повреждений. Жесткое излучение проникает на большую глубину, наоборот – мягкое. Чем больше энергия квантов, тем длиннее пробег в ве-ве до полной потери энергии, тем глубже излучение проникает в ве-во, тем труднее защита от него.
Ослабление рентгеновского излучения описывается законом Бугера (если преграда – слоистая структура):
I=I0e-μx
I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной х
I0 – интенсивность излучения при х=0, на входе в препарат
Μ – коэф. Линейного ослабления излучения (зависит от свойств ве-ва и излучения).
d1/2=ln2/μ; μ=ln2/d1/2
d1/2 – слой половинного ослабления
I0
1/2I0
0 d1/2 x
Массовый коэф ослабления: μ`= μ/ρ (ρ – плотность ве-ва-поглотителя)
Когерентное рассеивание – мягкое рентгеновское излучение, у кот энергия квантов меньше энергии ионизирующих атомов поглощения среды: hν=Aи. Он приводит атом в возбужденное состояние, но через некоторое время возвращается в обычное состояние, излучив вторичный рентгеновский квант. При этом hν`=hν это квант нового направления.
Фотопоглощение – главный процесс поглощения квантов с относительно низкой энергией hν, но достаточной для ионизации. Основной процесс поглощения энергии рентгеновского излучения при энергии квантов (Еквант) = 200кэВ. При фотопоглощении квант с энергией hν превосходит энергию связи электронов в атоме Ек, выбивает его, и сообщает новую кинетич энергию: hν=Ек+Екин. Свободное место занимается новым электроном.
Эффект Комптона – рассеяние квантов электромагнитного излучения на свободные электроны. Частица может иметь скорость (с=3*108м/с). Формула Эйнштейна: Е=mc2, сл-но, m=hν/c2, тогда импульс кванта: p=mc=hν/c.
Образование пар. hν=>е0-1+е0+1 (1)
Позитрон – античастица электрона – имеет m=me, но «+» заряд (0,511 МэВ)
hν>0,511+0,511=1,022МэВ
превращение (1) произойдет, если hν>1,022МэВ оказывается в поле атомного ядра. Она реализуется, как Екин электрона и позитрона, поделенного между ним поровну. Энергия растет и увел-ся образование пар. Быстрый электрон тормозится, становится источником рентгеновского излучения, позитрон – рассеивает Екин. Образ-ся 2 кванта с энергией 0,511 МэВ, имеющие противоположное направление.
Виды взаимодействия с веществом:
1.α-частица, главным образом ионизирует атомы ве-ва
2.β-частица – возбуждает атомы ве-ва
3.Протоны и нейтроны могут как ионизировать, так и выдавать ядерные реакции.
Нейтронное излучение – самое вредное для организма электромагнитное излучение.
Взаимодействие по 4-м схемам:
Когерентное взаимодействие – зависит от состояния энергии ионизации изм-ся только угол
Eион>hν
●
hν hν`
hν=hν`
Фотоэффект : hν≥Eиониз
hν=Eиониз+mυ2/2
ӗ
●
hν
Комптон- эффект hν>Eиониз
hν=Eиониз+hν`+mυ2/2
● ӗ
hν hν`
Квантовый эффект Еиониз>hν
hν→e-+e+
Eγ=hν=2mec2
Z●
_______________________________________________________________________________________
5. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Единицы активности радиоактивных препаратов.
Радиоактивный распад – явление самопроизвольного распада атомных ядер, сопровожд потоками излучения, имеющих большую энергию и высокую ионизирующую способность.
α-распад. α-частицы это ядра Не24
β-распад. Распад искусственно созданных радиоактивных изотопов
β+-поток позитронов
γ-распад сопровождается α- и β-распадом.
Закон радиоактивного распада:
N=N0e-λx
N – число нераспавшихся ядер
N0 – число нераспавшихся ядер в нач момент времени
λ – постоянная распада (const)
Nt
N0 T1/2 – период полураспада
1/2N0 λ=ln2/T1/2 T1/2=ln2/λ T1/2: от 10-8сек до 1010 лет
0 T1/2 t
Активность радиоактивных препаратов.
Активность препарата как функция времени
N`=dN/dt=>dN/dt= – λN0e-λt
Удельная активность – величина, измеряемая в единицах активности на см3 (мКu/см3).
6 Закон ослабления ионизирующих излучений. Коэффициент линейного ослабления. Толщина слоя половинного ослабления. Массовый коэффициент ослабления.
Ослабление рентгеновского излучения в веществе описывается законом Бугера:
I = I0e-mx (3)
I – интенсивность излучения, прошедшего слой вещества толщиной х; I0 – интенсивность излучения при х = 0, т.е. на входе в преграду; m - коэффициент линейного ослабления излучения. Он сложным образом зависит как от свойств вещества, так и от свойств излучения. , где d1/2 – слой половинного ослабления, т.е. ослабления в два раза. Любая толщина преграды ослабляет излучение в какое-то количество раз, но не до гарантированного нуля.
Массовый коэффициент ослабления , где p - плотность вещества-поглотителя. Величина m/ имеет размерность м2/кг.
7. Основы биологического действия ионизирующих излучений: ионизация молекул, образование свободных радикалов. Лучевая болезнь.
|
Время течения процессов |
Облучение |
Этапы поражения |
|
10-12-10-3 с |
Поглощение энергии излучения. Ионизация с возбуждением молекул |
Первичное взаимодействие и радиохимические реакции |
|
Секунды - часы |
Нарушение структур обеспечивающих функцию и наследственность клеток. Изменение ф-ии и морфологии клеток и их гибель. |
Поражение клеток |
|
Минуты - месяцы |
Нарушение функционирования органов и систем и их морфологическое изменение. |
Поражение организма |
|
Годы |
Отдаленные соматические эффекты (Сокращение жизни, опухоль) |
Поражение популяции |
|
Неопределенное время |
Генетические последствия облучения (наследственные заболевания). |
Поражение популяции |
Образов свободных радикалов
1)
H20 + источник излуч. H20* H20+ + e
H20 + e H20-
H20- OH- + H.
OH- OH. + e
2)
RH RH* R. + H.
RH RH+ + e
_______________________________________________________________________________________
8. Получение и применение радиоактивных препаратов для диагностики и лечения.
Медицинская радиология – область медицины разрабатывающая теорию и практику применения радиоактивных веществ в медицинских целях.
Диагностическая Терапевтическая
Лучевая диагностика – рентгенологические методы, радионуклеидные методы, ультразвуковой метод, магнитно-резонансная томография, позитронная, медицинская томография.
Рентгеновское излучение:
Разложение бромистого серебра, находящегося в водной эмульсии.
Рентгенография – исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу (трубка, пациент, пленка в кассете ).
Преимуществ:
- малая лучевая нагрузка на пациента
- разрешающая способность = 40 линий на см
Недостатки:
- нельзя изучать двигательные функции
- большая стоимость
- получение снимка на диагностику через какое-то время.
Рентгеноскопия:
Схема: рентгеновская трубка, пациент, экран.
Преимущество:
- можно изучать на органах движения
- быстрота и экономность
Недостатки:
- Большая лучевая нагрузка (экспозиция на минуты)
- плохо видны мелкие детали = 10 линий на см
- адаптация зрения
ФЛГ
Схема:
Рентгеновская трубка, пациент, светящийся экран
Преимущества
- короткое время, группа риска
- дешево
Недостатки
- специальный прибор
- мелкие детали видны плохо
- лучевая нагрузка на 5% больше, чем при рентгенографии
Цифровая рентгенография
Схема: рентгеновская трубка, пациент, блок, нет пленки
Электрические сигналы с датчиков подаются на компьютер.
Преимущества:
- Установка основных параметров съемки управляется компьютерным оператором
- Результаты исследований появляются на мониторе через 1 секунду, сохраняются в базе данных
- Значительно сокращается нагрузка
Компьютерная томография
- метод неразрушающего послойного (послойное изображение)
исследования внутренней структуры объекта.
В диагностике: радиоактивные изотопы, скорость крови, количество воды в организме.
9. Методы регистрации ионизирующего излучений: счетчик Гейгера, сцинтилляционный датчик, ионизационная камера.
Схема:
Счетчик Гейгера регистрирует поштучно каждую a- или b-частицу, проникающие в него. Для регистрации a-частиц и мягкого b-излучения рабочей поверхностью счетчика, обращенной навстречу потоку частиц, делают торец прибора, закрытый тонкой пленкой и тогда частицы ионизируют газ, заполняющий прибор. Такая конструктивная разновидность прибора называется торцевой счетчик.
Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку излучения боком, т.е. цилиндрической поверхностью. Главную роль при обнаружении b-частиц играет при этом материал катода, выполненного в виде металлического напыления на стекло изнутри или в виде цилиндрической трубки из металла.
Особенность счетчика Гейгера состоит в том, что если ионизирующее излучение оставляет в нем хотя бы один вторичный электрон, вызвавшая его появление частица будет зарегистрирована. В пространстве между катодом и анодом создано сильное электрическое поле, особо неоднородное вблизи нити анода. Даже единичный свободный электрон в таком поле становится инициатором целой лавины из электронов и ионов, возникающих на его пути. Такие возникающие и исчезающие лавины воспринимаются блоком счета как импульсы, которые этот блок и подсчитывает.
Что касается квантов рентгеновского или g-излучения, то далеко не каждый из них оставит свой след в таком приборе. Доля квантов, оставивших след в счетчике Гейгера, очень сильно зависит от энергии квантов.
Эффективностью детектора называется процентная доля частиц, им регистрируемых. Счетчик Гейгера имеет для рентгеновского и g-излучения низкую эффективность.
Сцинтилляционный датчик.
Квант, претерпевая в объеме кристалла многоступенчатое рассеяние, выбивает электроны на всех изломах своей причудливой траектории. Выбитые электроны, тормозясь, возбуждают атомы кристалла, и на пути кванта остается цепочка световых вспышек. Примесные атомы таллия делают эти вспышки более яркими.
В контакте с кристаллом находится электронный прибор, который называется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Фотокатод этого устройства представляет собой тонкий слой металла щелочной группы, напыленный изнутри стеклянного корпуса.
Чем больше Е кванта, тем больше суммарная яркость вспышек V кристала
Больше число фотоэлектронов больше амплитуда электр. импульса на выходе ФЭУ.
Сцинтилляционный счетчик может не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию.
Когда данные о составе и энергетическом спектре излучений известны, и необходимо регистрировать только интенсивность потока излучения, применяются простые и надежные приборы – ионизационные камеры.
Детектор, реагирующий на излучение – стеклянный корпус, в котором помещены 2 электрода. Пространство между электродами заполнено газовой смесью. Напряжение между электродами невелико, так что между обкладками этого конденсатора происходит несамостоятельный разряд: ток протекает только при наличии ионизатора; сила тока пропорциональна «производительности» ионизатора, т.е. интенсивности исследуемого потока излучения.
10. Дозиметрия. Понятие о поглощенной, экспозиционной и эквивалентной дозе и их мощности. Единицы их измерения. Внесистемная единица – рентген.
Дозиметрия - система единиц, применяемый для количественной оценки воздействия ионизирующих излучений на организм.
Сложились две параллельные системы единиц: энергетическая и ионизационная. Поглощённая доза – отношение поглощенной энергии к массе облученного вещества: D=E/m.
Энергетической характеристикой поглощенной дозы в системе СИ является грей:
1 Гр = 1 Дж/кг
Мощность поглощения дозы - в грей в секунду:
1 Гр/с = 1 Дж/кгс = 1 Вт/кг
Отношение поглощенной дозы ко времени ее получения: P=D/t
Экспозиционная доза – суммарный заряд ионов одного знака, возникший в единице массы облученного вещества :Dэксп=q/m; 1кл/кг.
Внесистемная единица экспозиционной дозы рентген (1Р). В аттестуемый поток радиации выставляется «на экспозицию» сухой воздух при н.у. Принимается, что облучаемый воздух получает экспозиционную дозу 1 рентген, если в 1 см3 образуется 2,08*109 пар ионов имеющих суммарный заряд одного знака q= 3.33*10-10 Кл/см3
Одному внесистемному рентгену соответствует 2,58*10-4 Кл/кг «системных» единиц (Кл/кг для 1 кг воздуха).
Мощность экспозиционной дозы – экспозиционная доза полученная в единицу времени:
Pэксп= Dэксп/t (рентген/ч, рентген/с) 1P/ч, 1Р/с
Эквивалентная доза (Dэкв) – поглощенная доза излучения, пересчитаная с учетом биологического действия данного вида излучения Dэкв= Dпогл*f
Единица измерения 1 Зиверт (Зв) – количество излучения дающего тот же биологический эффект, что и доза в 1 Гр.
Мощность экв-й дозы- эквив. доза полученная в единицу времени.
Рэкв=Dэкв/t ;Зв/с ; для рентгеновского , гамма – излучения и естественного фона 1мкР/ч=10-2МкЗв/ч
Биомеханика.
1. Второй закон Ньютона. Защита организма от избыточных динамических нагрузок и травматизма.
Второй закон Ньютона: Cила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое той силой ускорение. Формула:
где — ускорение тела, — сила, приложенная к телу, а — масса тела, причём — константа. Закон позволяет вычислить ускорение тела,если известна его — масса и действующая на тело сила :
В Международной системе единиц (СИ) за единицу силы принимается сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2. Эта единица называется ньютоном (Н). Ее принимают в СИ за эталон силы :1Н=1(кг*м)/с2
Если на тело одновременно действуют несколько сил (например, и то под силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил:
Если равнодействующая сила то тело будет оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Существует три вида физических нагрузок:
-статические, при которых имеется длительное напряжение отдельных групп мышц ;
- динамические, когда в группах мышц чередуется напряжение и расслабление и "взрывные", характеризующиеся очень сильным и кратковременным напряжением мышц;
-смешанные виды, а также гиподинамия .
Динамические нагрузки могут быть малой, средней и высокой интенсивности. Если физическая нагрузка повышается, потребности организма в энергетическом обеспечении резко повышаются. Растет потребление кислорода.
Наступает "кислородный предел", за которым нагрузка начинает стремительно разрушать организм: идет повреждение мышечной системы, сердца, сосудов, головного мозга, нарушаются газовый, белковый, углеводный, жировой, гормональный и другие виды обмена веществ и т.д.
Для определения физической работоспособности существуют различные способы. Самым простым способом дозирования нагрузок является определение максимального и субмаксимального пульса. Максимальным пульсом называется частота пульса, которая соответствует той работе сердца, при которой достигается максимально возможное потребление кислорода работающими мышцами. Таким образом, максимальный эффект для здоровья мы получаем при нагрузке, соответствующей субмаксимальному пульсу. Для оценки усталости при нагрузках применяется схема определения внешних признаков усталости.
2. Виды деформации. Закон Гука. Коэффициент жесткости. Модуль упругости. Свойства костных тканей.
Деформа́ция— изменение размеров, формы и конфигурации тела в результате действия внешних или внутренних сил. виды деформации:
Зако́н Гу́ка — уравнение теории упругости, связывающее напряжение и деформацию упругой среды. В словесной форме закон звучит следующим образом:
Сила упругости, возникающая в теле при его деформации, прямо пропорциональна величине этой деформации
Для тонкого растяжимого стержня закон Гука имеет вид:
Здесь F — сила натяжения стержня, Δl — абсолютное удлинение (сжатие) стержня, а k называется коэффициентом упругости (или жёсткости).
Коэффициент упругости зависит как от свойств материала, так и от размеров стержня. Можно выделить зависимость от размеров стержня (площади поперечного сечения S и длины L), записав коэффициент упругости как
Коэффициент жёсткости равен силе, вызывающей единичное перемещение в характерной точке (чаще всего в точке приложения силы).
Модуль упругости — общее название нескольких физических величин, характеризующих способность твёрдого тела (материала, вещества) упруго деформироваться при приложении к ним силы.
Абсолютно твердых тел в природе нет, реальные твердые тела могут немного "пружинить" - это и есть упругая деформация. У реальных твердых тел есть предел упругой деформации, т.е. такой предел после которого след от надавливания уже останется и сам не исчезнет.
Свойства костных тканей. Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость.
Прочность кости - это способность противостоять внешней разрушающей силе. Количественно прочность определяется пределом прочности и зависит от конструкции и состава костной ткани. Каждая кость имеет специфическую форму и сложную внутреннюю конструкцию, позволяющую выдерживать нагрузку в определенной части скелета. Изменение трубчатой структуры кости снижает ее механическую прочность. На прочность существенно влияет и состав кости. При удалении минеральных веществ кость становится резиноподобной, а при удалении органических веществ - хрупкой.
Упругость кости - это свойство приобретать исходную форму после прекращения воздействия факторов внешней среды. Она так же, как и прочность зависит от конструкции и химического состава кости.
3. Мышечные ткани. Строение и функции мышечного волокна. Преобразование энергии при мышечном сокращении. КПД мышечного сокращения.
Мы́шечными тка́нями называют ткани, различные по строению и происхождению, но сходные по способности к выраженным сокращениям. Они обеспечивают перемещения в пространстве организма в целом, его частей и движение органов внутри организма и состоят из мышечных волокон.
Мышечное волокно представляет собой вытянутую клетку. В состав волокна входят его оболочка - сарколемма, жидкое содержимое - саркоплазма, ядро, митохондрии, рибосомы, сократительные элементы - миофибриллы, а также содержащий ионы Са2+, - саркоплазматический ретикулум. Поверхностная мембрана клетки через равные промежутки образует поперечные трубочки, по которым внутрь клетки проникает потенциал действия при ее возбуждении.
Функциональной единицей мышечного волокна является миофибрилла. Повторяющаяся структура в составе миофибриллы называется саркомером. Миофибриллы содержат 2 вида сократительных белков: тонкие нити актина и вдвое более толстые нити миозина. Сокращение мышечного волокна происходит благодаря скольжению миозиновых филаментов по актиновым. При этом перекрывание филаментов увеличивается и саркомер укорачивается.
Главная функция мышечного волокна - обеспечение мышечного сокращения.
Преобразование энергии при мышечном сокращении. Для сокращения мышцы используется энергия,освобождающаяся при гидролизе АТФ актомиозином,причем процесс гидролиза тесно сопряжен с сократительным процессом. По количеству выделяемого мышцей тепла можно оценить эффективность преобразования энергии при сокращении.. При укорочении мышцы скорость гидролиза повышается в соответствии с ростом производимой работы. освобождаемой при гидролизе энергии достаточно для обеспечения только совершаемой работы, но не полной энергопродукции мышцы.
Коэффициент полезного действия (кпд) мышечной работы (r) представляет собой отношение величины внешней механической работы (W) к общему количеству выделенной в виде тепла (Е) энергии:
Наиболее высокое значение кпд изолированной мышцы наблюдается при внешней нагрузке, составляющей около 50% от максимальной величины внешней нагрузки. Производительность работы (R) у человека определяют по величине потребления кислорода в период работы и восстановления по формуле:
где 0,49 — коэффициент пропорциональности между объемом потребленного кислорода и выполненной механической работой, т. е. при 100% эффективности для выполнения работы, равной 1 кгс․м (9,81 Дж), необходимо 0,49 мл кислорода.
Двигательное действие / КПД
Ходьба/23-33%; Бег со средней скоростью/22-30%; Езда на велосипеде/22-28%; Гребля/15-30%;
Толкание ядра/27%; Метание/24%; Поднятие штанги/8-14%; Плавание/ 3%.
4. Изотонический режим работы мышц. Статическая работа мышц.
Изотонический режим (режим постоянного тонуса мышцы) наблюдается при отсутствии нагрузки на мышцу, когда мышца закреплена с одного конца и свободно сокращается. Напряжение в ней при этом не изменяется. Так как при этих условиях величина нагрузки Р = 0, то механическая работа мышцы также равна нулю (А = 0). В таком режиме работает в организме человека только одна мышца — мышца языка.
Статическая работа не предполагает сильного напряжения, однако в некоторых случаях статическая работа мышц может быть очень напряженной, например при удержании штанги, при некоторых упражнениях на кольцах или параллельных брусьях. Такая работа требует одновременного сокращения всех или почти всех волокон мышц и может продолжаться лишь очень короткое время. При динамической работе поочередно сокращаются различные группы мышц, причем некоторые мышцы работают то динамически, производя движение в суставе, то статически, обеспечивая на некоторое время неподвижность костей того же сустава. Степень напряжения мышц может быть различной.
Статическая работа утомляет скелетную мускулатуру больше, чем динамическая.
5. Общая характеристика системы кровообращения. Скорость движения крови в сосудах. Ударный объем крови. Работа и мощность сердца.
К системе кровообращения относятся сердце и сосуды — кровеносные и лимфатические.. Сердце млекопитающих четырехкамерное. Кровь движется по двум кругам кровообращения.
функции всех элементов сердечно-сосудистой системы: 1) трофическая – снабжение тканей питательными веществами; 2) дыхательную – снабжение тканей кислородом; 3) экскреторную – удаление продуктов обмена из тканей; 4)регуляторную – перенос гормонов, выработка биологически активных веществ, регуляция кровоснабжения, участие в воспалительных реакциях.
При движении крови по сосудам различают линейную и объемную скорость кровотока.
Линейная скорость кровотока определяется суммарным сечением сосудистой системы. Она максимальна в аорте — до 50 см/сек и минимальна в капиллярах — около нуля. В венозном отделе сосудистой системы линейная скорость вновь возрастает. Линейная скорость в полых венах в два раза меньше, чем в аорте и равна примерно 25 см/мин.
Объемная скорость кровотока — это количество крови, протекающее через общее сечение сосудистой системы в единицу времени. Она одинакова во всех отделах сосудистой системы крови.
Время полного кругооборота крови — это то время, за которое кровь проходит через большой и малый круги кровообращения. При 70-80 сокращениях сердца в минуту полный кругооборот крови происходит приблизительно за 20-23 сек.
Движение крови в организме: аорта – 500-600 мм/c, артерии – 150-200 мм/c, артериолы – 5 мм/c, капилляры – 0,5 мм/c, средние вены – 60-140 мм/c, полые вены - 200 мм/c. Гипертония – повышенное АД. Гипотония – пониженное АД.
Систолический объем крови. Объем крови, нагнетаемый каждым желудочком в магистральный сосуд (аорту или легочную артерию) при одном сокращении сердца, обозначают как систолический, или ударный, объем крови.
Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сопротивления и сообщение крови кинетической энергии.
Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении левого желудочка.
Vу – ударный объем крови в виде цилиндра. Можно считать, что сердце поставляет этот объем по аорте сечением S на расстояние I при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа равна:
A1 = FI = pSI = pVy.
На сообщение кинетической энергии этому объему крови затрачена работа:
где р – плотность крови;υ – скорость крови в аорте. Таким образом, работа левого желудочка сердца при сокращении равна:
Эта формула справедлива как для покоя, так и для активного состояния организма, но эти состояния отличаются разной скоростью кровотока.
6. Уравнение Пуазейля. Понятие о гидравлическом сопротивлении кровеносных сосудов и о способах воздействия на него.
Уравнение Пуазёйля — закон, определяющий расход жидкости при установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубе круглого сечения.
Согласно закону, секундный объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту давления в трубе) и четвёртой степени радиуса (диаметра) трубы:
Где Q — объемный секундный расход жидкости; R — радиус трубопровода; p1-p2— перепад давлений на трубке; n—коэффициент трения; L— длина трубки.
Закон Пуазёйля работает только при ламинарном течении и при условии, что длина трубки превышает так называемую длину начального участка, необходимую для развития ламинарного течения в трубке.
Гидравлическое сопротивление прямо пропорционально длине сосуда и вязкости крови и обратно пропорционально радиусу сосуда в 4-й степени, то есть больше всего зависит от просвета сосуда , а также от состояния стенок сосудов и от их эластичности.
Так как наибольшим сопротивлением обладают артериолы , общее периферическое сопротивление сосудов(ОПСС) зависит главным образом от их тонуса. Различают центральные механизмы регуляции тонуса артериол (нервные и гормональные влияния) и местные (миогенная , метаболическая и эндотелиальная регуляция).
На артериолы оказывают постоянный тонический сосудосуживающий эффект симпатические нервы . Основные гормоны, в норме участвующие в регуляции тонуса артериол, - это адреналин и норадреналин .
Миогенная регуляция сводится к сокращению или расслаблению гладких мышц сосудов в ответ на изменения трансмурального давления; при этом напряжение в их стенке остается постоянным. Тем самым обеспечивается ауторегуляция местного кровотока - постоянство кровотока при меняющемся перфузионном давлении.
Метаболическая регуляция обеспечивает расширение сосудов при повышении основного обмена (за счет выброса аденозина и простагландинов) и гипоксии (также за счет выделения простагландинов).
7. Законы движения жидкости. Уравнение неразрывности; его связь с особенностями системы капилляров. Уравнение Бернулли; его связь с кровоснабжением мозга и нижних конечностей.
Следствим несжимаемости жидкости является ее свойство: чем уже русло, тем больше
скорсть течения. Это свойство описывается:
Уравнением неразрывности: S1V1 = S2V2, или SV=Const
Здесь S-площадь поперечного сечения потока,V-средняя скорость жидкости в этом сечении.
В спокойном состоянии человека скорость кровотока в аорте – порядка V1=0,4м/с.Скорость в капиллярах- V2=0,5 мм/c.Разница значений примерно в 800 раз. Следовательно, если площадь сечения аорты S1=4см2,то общая площадь поперечных сечений капилляров большого и малого кругов кровообращения составляет S2=3200см2.
Оценим степень ветвления общего потока крови в системе капилляров.Диаметр капилляра d=10мкм=10 -3 см. Следовательно,площадь его сечения S=пd 2/4=0,78*10см 2. Таким образом,кровь из аорты разветвляется в системе капилляров на N=S2/s=3,2*103/0,78*10 -6=4,1*10 9 штук.
Уравнение Бернулли соответствует закону сохранения механической энергии при движении жидкости или газа и верно в той степени, в которой потери на трение малы. Оно имеет следующий вид:=const
Здесь p0 – полное давление. Величина p – это давление, которое поток оказывает на стенки; его называют статическим давлением. Слагаемое pV2/2 называется динамическим давлением. Слагаемое pgh соответствует тому вкладу в общее давление p0, которое создается участками потока, приподнятыми на высоту h, если таковые имеются. p - плотность жидкости; V – ее скорость.
статическое давление в приподнятых участках: p2 < p1, а в опущенных – наоборот, p3 > p1.
Применительно к системе кровообращения, если p1 – давление, создаваемое сердцем, работающим на высоте h = 0, то все, что находится выше этого уровня, имеет пониженное давление (а это, в частности, мозг), а все, что ниже (ноги, например) – давление выше, чем то, которое создает работающее сердце. Для мозга слагаемое pgh имеет величину порядка –30 мм рт. столба, а для ног – порядка +110 мм рт. столба. Система кровообращения имеет механизмы регулирования, вносящие поправки на снабжение кровью органов, находящихся в неравных условиях.
_______________________________________________________________________________________
8. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Число Рейнольдса. Измерение артериального давления по методу Короткова.
Ламинарное течение наблюдается при течении крови по капиллярам и кровеносным сосудам.
Ламина́рное тече́ние — течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть без беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).
Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит в турбулентное. Переход от ламинарного к турбулентному состоянию происходит при разных скоростях, которые установить невозможно. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения в круглой трубе:
Турбулентное течение-течение жидкости или газа, при котором частицы жидкости совершают беспорядочные неустановившиеся движения по сложным траекториям, создаются завихрения. Оно наступает при увеличении числа Рейнольдса до критического.
Измерение артериального давления по методу Короткова.
измеряют минимальное давление, которое необходимо приложить снаружи, чтобы сжать артерию до прекращения в ней кровотока. Это давление близко к давлению крови в артерии. При этом большое значение имеет выслушивание звуков, возникающих при прохождении крови через сжатую манжетой артерию.
Прибор для измерения артериального давления по этому методу состоит из манжеты, нагнетателя (груши) и манометра. Для прослушивания звуков используется фонендоскоп.
Манжета закрепляется в зоне плечевой артерии пациента,. Фонендоскоп устанавливается в зоне локтевого сгиба.
При закрытом выпускном клапане, в манжету нагнетают воздух. Давление в манжете контролируется по манометру. Первоначально в манжете создается давление, на 10-20 мм рт. столба выше того, при котором перестает прослушиваться пульс на плечевой артерии. При полностью сжатой артерии никаких звуков через фонендоскоп не прослушивается.
Затем, медленно открывая выпускной клапан, добиваются плавного снижения давления воздуха в манжете.
При некотором давлении в манжете, работающее сердце оказывается в состоянии толчками проталкивать кровь через артерию. Начинают прослушиваться отчетливые тоны, называемые начальными. В этот момент времени показания манометра соответствуют максимальному, или систолическому давлению. Прослушиваемые при этом звуки обусловлены вибрацией стенок артерии при прохождении пульсовой волны.
При дальнейшем снижении давления в манжете, начальные тоны дополняются шумами, которые обусловлены турбулентным течением крови в частично сдавленной артерии.
По мере распрямления стенок артерии и восстановления ее нормального просвета, турбулентные шумы стихают и затем звуковые явления полностью прекращаются. В этот момент просвет артерии полностью восстановился, и в ней устанавливается ламинарное движение крови.
Показания манометра в момент окончательного исчезновения как турбулентных шумов, так и последовательных тонов, соответствуют минимальному, или диастолическому давлению крови.
Преимущества:
Недостатки
_______________________________________________________________________________________
9. Уравнение Ньютона. Коэффициент вязкости. Кровь как неньютоновская жидкость. Вязкость крови в норме и при патологиях.
Если в двух параллельных слоях жидкость движется с различной скоростью v1 и v2,то по границе соприкосновения этих слоев действует вязкое трение. Для более медленного слоя сила вязкого трения направлена так, что способствует его более быстрому движению. Для более быстрого слоя сила вязкого трения является тормозящей силой, т.е. направлена в противоположную сторону.
Сила Fтр взаимодействия слоев описывается законом Ньютона: S
Здесь ∆v = v2 - v1 - разность скорости в соседних параллельных слоях; -расстояние между слоями со значениями скорости v1 и v2 по перпендикуляру к слоям. Отношение называется градиентом скорости; в биофизике это отношение принято называть скоростью сдвига.
Коэффициент пропорциональности зависит от свойств жидкости, существенных для данного процесса и называется коэффициентом динамической вязкости:
На основании этого выражения введена единица коэффициента вязкости 1Па*с
У различных жидкостей коэффициент вязкости различен. Так, при температуре t=200C коэффициент вязкости ацетона – 0,322 мПа*с; глицерина – 1480 мПа*с (1,48 Па*с)
Жидкость относится к категории ньютоновских, если ее коэффициент вязкости зависит только от температуры.
У неньютоновских жидкостей коэффициент вязкости зависит не только от температуры, но и от особенностей их течения: поперечные размеры потока, градиент скорости в нем, а иногда – и уровень давления в потоке.Кровь – ярко выраженная неньютоновская жидкость.
В норме вязкость крови составляет 5 мПа*с. Но при патологии коэффициент вязкости наблюдается в диапазоне 1,7 – 23 мПа*с, являясь существенным диагностическим показателем.
Вязкость крови сильно зависит от диаметра сосуда. В артериолах и капиллярах она достигает 800 мПа*с.
Биофизика цитомембран и электрогенеза
1. Явление диффузии. Уравнение Фика.
Пассивный транспорт
-Это перенос молекул и ионов из области с большей концентрацией в область меньших концентраций (т.е. против градиента концентраций )
-Не требует затрат энергии
Виды пассивного транспорта:
а) простая диффузия
-Вещество проходит путем растворения в липидах .
-Механизмом простой диффузии происходит перенос простых незаряженных молекул (O2, CO2иN2, ), жирорастворимых веществ
-Протекает медленно
б) Диффузия через липидные белковые поры (каналы)
Порой или каналом называют участок мембраны, включающий липидные или белковые молекулы и образующий в мембране проход.
-Этот канал допускает проникновение не только малых молекул, но и более крупных ионов.
-Каналы могут проявлять селективность для(избирательность) для разных видов ионов.
в) диффузия при помощи переносчиков
Например, антибиотик валиномицин при связывании с ионом калия образует растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану.
Переносчики получили название ионофоры.
Диффузию через каналы или диффузию при помощи переносчиков еще называют облегченной диффузией.
Уравнения Фика или уравнение диффузии.
J - плотность потока вещества; D - коэффициент диффузии – м2/сек., зависит от природы вещества и численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентарции, равном единице.
dр(знак плотности)/dx – градиент плотности знак «-» показывает, что направление диффузии противоположно росту концентрации
Уравнение диффузии можно записать не только для плотности массового потока, но и для плотности потока частиц и плотности потока веществ, при этом в уравнении вместо градиента плотности следует использовать соответственно градиент концентрации dn/dx или градиент молярной концентрации dc/dx
_______________________________________________________________________________________
2. Строение и модели клеточных мембран
Структура биологических мембран.
-Мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, в который встроены (или присоединены) белки
-Белки:поверхностные и интегральные (трансмембранные)
-Углеводы (гликолипиды и гликопротеины) расположены на внешней поверхности цитоплазматических мембран
Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных «хвостов»(не заряженных), Образованных из
углеводородных цепей ,жирных кислот , которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку.
Функции мембран
Модели биологических мембран
.
3. Физические свойства биологических мембран
-Мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, в который встроены (или присоединены) белки
-Белки:поверхностныеиинтегральные (трансмембранные)
-Углеводы (гликолипидыигликопротеины) расположены на внешней поверхности цитоплазматических мембран
Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный слой. Диэлектрическая проницаемость фосфолипидной области =2,0-2,2, а длягидрофильной части= 10-20.
Велтчина поверхностного потенциала составляет 60-90 мВ(со знаком минус со стороны цитоплащмы) Из за очень малой толщины мембран напряженность электрического поля в них достигает величины около (6-9)*106В/м.
В целом, мембрана является является динамической структурой. Липиды могут перемещаться в плоскости мембраны(латеральная диффузия), а также переходить из одного монослоя в другой (флип-флоп переходы). Мембрана обладает высокой прочностью на разрыв, устойчивостью и гибкостью. По электроизоляционным св-вам они превосходят многи е изоляционные материалы.Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров. Одним их наиболее важных процессо, протекающих на мембране является процесс переноса веществ из клетки в клетку.
4. Концентрационный элемент и уравнение Нернста.
Концентрационные элементы, концентрационные цепи, один из видов гальванических элементов. Различают концентрационные элементы двух типов: с переносом ионов и без переноса ионов. Концентрационные элементы с переносом ионов получают погружением двух одинаковых электродов (например, серебряных) в разделённые полупроницаемой перегородкой растворы одного и того же электролита (например, нитрата серебра) различной концентрации. Электродвижущая сила в таких концентрационных элементах возникает в результате непосредственного переноса электролита из более концентрированного раствора в менее концентрированный. В концентрационных элементах второго типа выравнивание концентраций электролита происходит в результате химических процессов, происходящих на двух различных электродах. Пример концентрационного элемента без переноса ионов — серебряный и платиновый электроды, погруженные в раствор соляной кислоты. При одинаковом соотношении концентраций электролита электродвижущая сила концентрационного элемента без переноса ионов в два раза больше, чем у концентрационного элемента с переносом. Концентрационные элементы применяют при измерении коэффициента активности и чисел переноса.
Между двумя сторонами мембраны образуется разность потенциалов, которая уравновешивает концентрационный градиент ионов, способных к диффузии. Мембранная разность потенциалов рассчитывается по формуле Нернста: φм=
Здесь с1 и с2 – молярные концентрации ионов по обе стороны мембраны, R- универсальная газовая постоянная, T- термодинамическая температура, при которой происходит диффузия, F – постоянная Фарадея, Z- заряд иона. Эту разность потенциалов называют равновесным мембранным потенциалом.
_______________________________________________________________________________________
5. Ионный состав цитоплазмы и межклеточной жидкости. Проницаемость клеточной мембраны для различных ионов. Разность потенциалов на мембране клетки.
Для поддержания внутреннего баланса, поступающие из внешней среды ионы должны удалятся из цитоплазмы и связываться вне клетки в нерастворимые минеральные соединения, которые не могли бы снова попасть в цитоплазму. Роль связывания ионов в цитоплазме и их транспортировки во внешнюю среду выполняют низкомолекулярные белки типа кальций-связывающих протеинов В состав цитоплазмы входят все виды органических и неорганических веществ. Например,
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции и создании буферной системы крови.
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала , генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы.
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки
В ней присутствуют также нерастворимые отходы обменных процессов и запасные питательные вещества. Основное вещество цитоплазмы — вода.
В интерстициальном внутритканевом пространстве между животными клетками находится сложное межклеточное вещество, экстрацеллюлярный матрикс. У многих тканей, например в мышцах и печени, матрикс заполняет только тонкие промежутки между клетками, тогда как в других тканях, таких, как соединительная, хрящевая и костная ткани, на межклеточный матрикс приходится большой объем и именно он выполняет основные функции . Три главных компонента межклеточного матрикса: прочные коллагены, сетчатые адгезивные белки и основное вещество, протеогликаны.
Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс — одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз.
Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами — интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход. Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия.
В состоянии покоя внешняя поверхность клеточной мембраны имеет положительный потенциал , а внутренняя отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны меняется на противоположную. В результате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов
6. Потенциал покоя клетки. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца
Потенциал покоя - это разность электрических зарядов между внутренней и наружной сторонами мембраны, когда клетка находится в состоянии физиологического покоя. Его средняя величина составляет -60 милливольт.
Потенциал, существующий на мембранах невозбужденных клеток (потенциал покоя) обусловлен полупроницаемыми свойствами клеточной мембраны и неравномерным распределением ионов между клеткой и окружающей средой. Это распределение поддерживается механизмами активного переноса, локализованными в самой мембране.
Основной вклад в создание и поддержание потенциала покоя вносят ионы натрия, калия и хлора.
Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца:
φм=
i,o- концентрации ионов вне и внутри клетки. Потенциал покоя, рассчитанный по формуле Гольдмана-Ходжкина-Катца, составляет 60мВ со знаком минус со стороны внутриклеточного пространства.
7. Возбудимость клеток и тканей. Методы возбуждения. Закон «все или ничего».
Возбудимость клеток - способность живых клеток организма воспринимать изменения внешней среды и отвечать на них генерацией потенциала действия. Возбудимость тем выше, чем ниже пороговая сила раздражителя
Раздражители бывают: подпороговые, пороговые, надпороговые. Возбудимость и порог раздражения - обратно пропорциональные величины.
Возбуждение может быть 2-х видов:
Местное возбуждение возникает и в высокоорганизованных тканях под действием подпорогового раздражителя или как компонент потенциала действия. При местном возбуждении нет видимой ответной реакции.
Особенности местного возбуждения:
Импульсное (распространяющееся) возбуждение - присуще высокоорганизменным тканям, возникает под действием порогового и сверхпорогового раздражителей.
Особенности импульсного возбуждения:
Вывод: В организме животного и человека наблюдается местное и импульсное возбуждение. Возникновение того или иного вида возбуждения зависит от степени развития ткани и силы раздражителя.
_______________________________________________________________________________________
8. Потенциал действия: графический вид и характеристики, механизмы возникновения и развития.
Потенциа́л де́йствия — волна возбуждении, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
А – спокойное состояние; В –мембрана на которой возник потенциал действия
В основе любого потенциала действия лежат следующие явления:
Третье явление является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.
Фазы потенциала действия
_______________________________________________________________________________________
9. Потенциал-зависимые ионные каналы: строение, свойства, функционирование
Для каналов характерна ионная специфичность. Каналы одного типа пропускают только ионы калия, другого — только ионы натрия и т. д.
Ионные потенциал-зависимые каналы - это каналы, которые открываются и закрываются в ответ на изменение мембранного потенциала , например, натриевые каналы , ответственные за потенциал действия Если мембранный потенциал поддерживать на уровне потенциала покоя , натриевый ток практически отсутствует, что означает, что натриевые каналы закрыты. Если теперь сдвинуть мембранный потенциал в положительную сторону и удерживать его на постоянном уровне, то потенциал-зависимые натриевые каналы откроются и ионы натрия начнут передвигаться в клетку по градиенту концентрации. Этот натриевый ток достигнет максимума и Через несколько миллисекунд ток падает почти до нуля. Закрывшись, каналы переходят в инактивированное состояние, отличающееся от первоначального закрытого состояния, при котором они были способны открыться в ответ на деполяризацию мембраны. Каналы остаются инактивированными до тех пор, пока мембранный потенциал не вернется к исходному отрицательному значению и не закончится восстановительный период длительностью в несколько миллисекунд.
При регистрации токов в очень малых участках мембраны было обнаружено, что канал открывается по принципу "все или ничего". Открытые каналы обладают одинаковой проводимостью, но открываются и закрываются независимо друг от друга, поэтому суммарный ток через мембрану всей клетки с ее многочисленными каналами определяется не степенью открытости каналов, а вероятностью быть открытым для каждого отдельного канала.
_______________________________________________________________________________________
10. Механизм и скорость распространения потенциала действия по безмякотному нервному волокну.
Скорость проведения в нервных волокнах колеблется от 0,25 м/сек в очень тонких немиелинизированных волокнах
Распространение потенциала действия вдоль нервного волокна(аксона) обусловлено возникновением локальных токов, образующихся между возбужденным и невозбужденным участками клетки. В состоянии покоя внешняя поверхность клеточной мембраны имеет положительный потенциал , а внутренняя отрицательный. В момент возбуждения полярность мембраны меняется на противоположную. В результате этого между возбужденным и невозбужденным участками мембраны возникает разность потенциалов, это и приводит к появлению между этими участками локальных токов. На поверхности клеток локальный ток течет от невозбужденного участка к возбужденному, внутри клетки – в обратном направлении. Локальный ток раздражает соседние невозбужденные участки и вызывает увеличение проницаемости мембран. Это приводит к возникновению потенциалов действия в соседних участках. В то же время, в ранее возбужденном участке происходят восстановительные процессы реполяризации Вновь возбужденный участок в свою очередь становиться элекроотрицательным и возникающий локальный ток раздражает следующий за ним участок. Этот процесс повторяется многократно и обусловливает распространение импульсов возбуждения по всей длинне клетки в обоих направлениях. В нервной системе импульсы проходят лишь в определенном направлении из-за наличия синапсов, обладающих односторонней проводимостью.
Удельное сопротивление биомембран велико, но вследствии их малой толщины сопротивление изоляции в сотни тысяч раз меньше, чем у технического кабеля.По этому однородное нервное волокно не может проводить электрический сигнал на далекие расстояния.
λ=корень из (dR/4р)
d- диаметр волокна, R - поверхностное сопротивление мембраны в Ом * м2 и р-удельное сопротивление аксоплазмы в Ом*м.
С увеличением λ (постоянная длины) степень затухания сигнала уменьшается, при этом возрастает скорость проведения импульса. Увеличения постоянной длинны λ можно добиться путем увеличения диаметра d аксона.
_______________________________________________________________________________________
11. Механизм и скорость распространения потенциала действия по миелинизированному нервному волокну.
У высокоорганизованных животных затухание сигнала предотвращается с помощью миелиновой оболочки вокруг аксона. Примерно через каждые 1-3 мм вдоль миелиновой оболочки имеется перехват Ранвье.
Центральной его частью является аксон, по мембране которого проводится потенциал действия. Аксон заполнен аксоплазмой — вязкой внутриклеточной жидкостью.
С увеличением λ степень затухания сигнала уменьшается, при этом возрастает скорость проведения импульса .
Удельное сопротивление миелина значительно выше удельного сопротивления других биологических мембран.кроме того толщина миелиновой оболочки во много раз больше толщины обычной мембраны, что приводит к возрастанию диаметра волокна и соответственно величины постоянной длины . λ
В связи с большим сопротивлением миелиновой оболочки по поверзности аксона токи протекать не могут. При возбуждении одного узла возникают токи между ним и другими узлами. Ток подошедший к другому узлу, возбуждает его, вызывает появление в этом месте потенциала действия, и так процесс распространяется по всему волокну. Затраты энергии на распространение сигнала по волокну, покрытому миелином значительно меньше чем по немиелинизированному.
Биофизика рецепции.
1. Классификация рецепторов.
1. По методу получения информации:
- экстерорецепторы (из внешней среды)
- интерорецепторы (изнутри)
2. По природе воспринимаемых раздражителей:
- механорецепторы (рецепторы расширения легких)
- хеморецепторы (рецепторы кожных реакций, слуха, обоняния, вкуса)
- терморецепторы (тепловые, холодовые)
- электрорецепторы (боковые линии у рыб)
- магниторецепторы (навигация при перемещении у птиц)
3. По степени универсальности:
- мономодальные – фиксирующие раздражение только одного раздражителя
- полимодальные - фиксирующие раздражение нескольких раздражителей
2. Строение рецепторов.
СНО (свободные нервные окончания). Аксон разделяется на нервные окончания, потерявшие способность к возбуждению, являются полимодальными образованиями.
ИНО (инкапсулированные чувствительные окончания)
Они были сконструированы, как чувствительные специализированные клетки мономодальные. Являются видоизменёнными аксонами нейронов, иногда это эпителиальные клетки.
По внутреннему строению рецепторы бывают как простейшими, состоящими из одной клетки, так и высокоорганизованными, состоящими из большого количества клеток, входящих в состав специализированного органа чувств.
Наиболее примитивными рецепторами считаются механические, реагирующие на прикосновение и давление. Разница между этими двумя ощущениями количественная; прикосновение обычно регистрируется тончайшими окончаниями нейронов, расположенными близко к поверхности кожи, в основаниях волосков или усиков. Есть и специализированные органы – тельца Мейснера. На давление же реагируют тельца Пачини, состоящие из единственного нервного окончания, окружённого соединительной тканью. Импульсы возбуждаются за счёт изменения проницаемости мембраны, возникающей благодаря её растяжению.
3. Общие механизмы рецепции. Рецепторные потенциалы.
1 этап: Когда приходит адекватный для данного рецептора стимул. Взаимодействует с рецептирующим субстратом, который обычно находятся в мембране клетки.
2 этап: В R: происходит локальное изменение мембранной разности потенциалов. Сам рецептор не является возбудимой клеткой, так как там нет потенциал зависимых каналов! Изменение – рецепторный потенциал (РП), не подвергается закону «все или ничего», зависит от длительности действия стимула и от его интенсивности.
3 этап: Генерации потенциала приводит в R: к возобновлению потенциала действия (ПД).
Деполяризация называется рецепторным потенциалом (или генераторным потенциалом ). Рецепторный потенциал обусловлен повышением Na+ - проводимости мембраны дендритов, в результате чего вход ионов натрия создает деполяризующий рецепторный потенциал, который электротонически распространяется к соме. Эта первичная трансформация стимула в рецепторный потенциал называется преобразованием, а рецептор, таким образом, является преобразователем.
Исключение составляют рецепторные потенциалы первичных зрительных клеток сетчатки , являющиеся гиперполяризующими.
Стимул не служит источником энергии для рецепторного потенциала, он только контролирует путем взаимодействия с мембранными процессами вход ионов через мембрану, основанный на трансмембранной разности их концентраций.
Рецепторный потенциал электротонически распространяется от дендритов по соме, деполяризует основание аксона и если деполяризация превысит порог для возбуждения, в аксоне возникает серия потенциалов действия , частота которой зависит от амплитуды рецепторного потенциала. Потенциалы действия проводятся в ЦНС и несут в форме частотного кода всю информацию о величине и длительности стимулов.
Потенциа́л де́йствия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого, наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной, по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
4. Кодирование информации в органах чувств.
Цели биологической системы:
1. самосохранение
2. продолжение рода
Любая информация, приходящая в рецепторные системы переносится определенным физическим носителем (длительные анализатор – электро-магнитные). Стимулы преобразуется в рецепторный потенциал, а затем в потенциала действия.
v(ню) = k log I(ст) – частота следующих пачек ПД пропорциональна интенсивности стимула.
В сенсорных системах широко применяется кодирование силы раздражителя:
1) путём изменения частоты импульсов в волокнах;
2) количеством задействованных нервных элементов;
3) также широко применяется кодирование качества раздражителя особой структурой ответа рецептора и волокна, так называемым паттерном (рисунком) ответа.
Согласно теории структуры ответа качества раздражителя кодируются рисунком (паттерном) пачки ПД, т.е. количеством, частотой и характерным распределением потенциалов действия внутри каждой пачки импульсов, а также количеством, продолжительностью, частотой самих пачек, периодичностью их следования, продолжительностью межимпульсных интервалов и т.д.
5. Особенности светового и звукового восприятия. Закон Вебера-Фехнера.
Психофизический закон Вебера-Фехнера. Если увеличение раздражения в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения увеличивает в арифметической прогрессии.
Если I (интенсивность звука) принимает ряд последовательных значений аI0; a2I0; a3I0, то соответствующим ощущением – E0; 2E0; 3E0… a – коэффициент, а больше 1.
Другими словами, громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. При действии 2-х звуковых раздражителей I0 и I (I0 – порок слышимости)
E=k*lg(I/ I); k - коэффициент пропорциональности.
Рецепция Звука:
Звук – это механические колебания в упругой среде. Имеет объектив характеристики, т.е. не зависит от нашего восприятия.
Характеризуется:
1. Частотой
2.Амплитудой
3. Спектром
Интенсивность – это громкость звука.
Характеристики слухового анализатора:
Продольные акустические давление в определенном диапазоне частот.
Абсолютный порог слышимости – I тип звука, который улавливается ухом.
I0=10-12 Вт/м2 – на частоте измеряется в кГц
Коэффициент избирательности равен 10-10.
Слуховая рецепция. Назначение, строение и работа звуковоспринимающих систем.
1. Наружное ухо (подготовка звуковых колебаний к реакции)
-ушная раковина
-наружный слуховой проход
-барабанная перепонка
Есть слуховые косточки, связки, мышцы (среднее ухо), улитка, баз. мембрана.
По базальной мембране проходят прямая и отраженная волны. Пучность возникает при интерференции этих волн.
В месте залегания волосков – деполяризация доходит до колебания
Раздражение слухового нерва в нижней части БМ и через синапс.
Рецепция света:
Рецепция света – фоторецепторы
1.Колбочки – реализация цветового зрения. Принцип действия такой жжет как и у палочек.
2. Палочки – реализация сумеречного зрения. Сетчатка – многослойное образование, толстое, есть сосудистая оболочка и т.д. Рецепторы находятся на дне в пигментном эпителии.
Квант света попадает в мембране диска. Этим зрительным рецепции и отличается, т.к. в других случаях стимул в самих рецепторах, а в зрительном рецепторе в мембрану органеллы. У палочек рецепторный пигмент – родоксин, у колбочек – йодоксин. Родоксин состоит из ретиноля и оксина, свойство – имеет возможность конформационно перестраиваться.
Нормальное состояние – цис-состояние, отличающееся закругленностью. Поймав квант света происходит перестройка в транс-состояние, при это выделяется некоторое количество энергии. Процесс называется фотоизомерезация.
Происходит изменение свойств мембраны дисков. Рождается внутриклеточный посредник, он передает г/з ц/п воздействия на цитомембрану – происходит воздействие на неё (гиперполяризация) – палочки/колбочки.
Рецепторный потенциал — биопотенциал, возникающий при деполяризации поверхностной мембраны рецептора, обусловленной действием на него раздражителя. Он распределяется по мембране колбочки/палочки и добирается до синапса. Сигнал, прошедший синапс, возбуждает мембрану аксона. Далее он распределяется дальше и идет в зрительный нерв. Гиперполяризация возникает благодаря тому, что прошедший внутренний посредник способствует закрытию натриевых каналов и называется они фотозависимые Na каналы.
Проблемы Цветного зрения:
Дальтонизм (частичная цветовая слепота) наследственное нарушение цветового зрения у людей, заключающееся в неспособности различать некоторые цвета (большей частью красный и зеленый). Объясняется отсутствием в сетчатке глаза колбочек одного или нескольких типов.
6. Основные характеристики слухового анализатора. Механизмы слуховой рецепции.
Звук – это механические колебания в упругой среде. Имеет объектив характеристики, т.е. не зависит от нашего восприятия.
Характеризуется:
1. Частотой
2.Амплитудой
3. Спектром
Интенсивность – это громкость звука.
Характеристики слухового анализатора:
Продольное акустическое давление - в определенном диапазоне частот.
Абсолютный порог слышимости – тип звука, который улавливается ухом.
I0=10-12 Вт/м2 – на частоте измеряется в кГц
Коэффициент избирательности равен 10-10.
Слуховая рецепция. Назначение, строение и работа звуковоспринимающих систем.
1. Наружное ухо (подготовка звуковых колебаний к реакции)
-ушная раковина
-наружный слуховой проход
-барабанная перепонка
Есть слуховые косточки, связки, мышцы (среднее ухо), улитка, баз. мембрана.
По базальной мембране проходят прямая и отраженная волны. Пучность возникает при интерференции этих волн.
В месте залегания волосков – деполяризация доходит до колебания
Раздражение слухового нерва в нижней части БМ и через синапс.
7. Основные характеристики зрительного анализатора. Механизмы зрительной рецепции.
Зрительный анализатор обладает оптической системой, которая преломляет и фокусирует приходящие световые лучи и в результате этого строится изображение на сетчатке.
Световые лучи – поток этих волн. Их можно рассматривать как волны и как аналоги некоторых частиц = кванты света.
Строение зрительного анализатора.
Адекватный раздражитель это волны определенного диапазона частот. Чувствительность зрительного анализатора – порог светочувствительности 10-18 Вт
Глаз способен воспринимать световые кванты начиная с 10 кв, при прозрачной атмосфере можно увидеть свечу на расстоянии от 1-3 км. Коэффициент избирательности высокий 10-14.
Частотная характеристика.(400 – 750 Нм). Амплитудная характеристика - Эта логарифмическая зависимость выполняется в пределах 100 кратного измерения стимула.
Биофизические аспекты экологии.
1. Геомагнитное поле. Природа, биотропные характеристики, роль в жизнедеятельности биосистем.
Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками.
Строение и характеристики магнитного поля Земли
На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.
По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».
Параметры поля
Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.
Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.
Магнитные поля в свободном состоянии – 0,4 Э (Эрстед)
Напряжённость поля на поверхности Земли сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает.
Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.
Магнитные поля в обычной жизни имеют небольшую интенсивность. Они обладают высокой проникающей способностью. В результате проведения исследований магнитного поля – выявился биотропный фактор.
Магнитотерапия – воздействие в качестве магнитного фактора.
Магнитная буря оказывает негативное воздействие.
2. Физические факторы, имеющие экологическую значимость. Уровни естественного фона.
Экология – это условия окружающей среды, в которых находится биосистема.
Физические экологические факторы (по происхождению):
-геофизические →метеорологические→Земные
-космические: солнечные, космические
-антропогенные
Физические экологические факторы (по физ.сущности):
1. поля:
2. вибрация (механическиеколебания.)
3. радиация
4. звуковые факторы
5. шумовые факторы
Элементы теории вероятности и математической статистики.
Случайное событие – это событие А, которое при выполнении определённого условия S может произойти, а может и не произойти, например, выпадение определённой стороны монеты при её подбрасывании, выпадение определённого числа на игральном кубике.
Вероятность Р(А) в теории вероятности выступает как числовая характеристика степени возможности появления какого-либо определённого случайного события А при многократном повторении испытаний. Когда случайное событие А происходит m раз в серии n независимых испытаний, относительной частотой события в данной серии испытаний или просто частотой события А называют отношение:
P*(A)=m/n
Закон больших чисел: если число испытаний n ∞, то относительная частота стремится к пределу, который называется вероятностью наступления А в определённых условиях.
limὐ(A)n→∞ = lim nA/n n→∞ = P(A)
Несовместимыми называются события, которые вместе не наступают. Например, одновременное выпадение на одном игральном кубике и 1 и 2, или при подбрасывании монеты одновременное выпадение и орла и решки, или одновременное нахождение одного человека в Петербурге и в Москве.
Теорема сложения вероятностей: вероятность появления одного (безразлично какого) события из нескольких несовместных событий равна сумме их вероятностей.
Для двух несовместных событий
Р(А или В) = Р(А) +Р(В)
Доказательство:
Пусть n – общее число испытаний, m1 – число случаев, благоприятствующих событию А, m2 – число случаев, благоприятствующих событию В. Число случаев, благоприятствующих наступлению либо события А, либо события В, равно m1 + m2. Тогда
Р(А или В) = (m1 + m2)/n = m1/n +m2/n.
Отсюда, учитывая, что P(A)=m/n, имеем:
Р(А или В) =Р(А) +Р(В)
Пример 1. Пусть брошены три уравновешенные монеты. Определим события следующим образом:
Легко проверить, что любые два события из этого набора независимы. Все же три в совокупности зависимы, ибо зная, например, что события произошли, мы знаем точно, что также произошло.
Теорема умножения вероятностей : вероятность совместного поведения независимых событий равна произведению их вероятностей .для 2 событий P(A и B)= Р(А)* Р(В)
Непрерывная случайная величина принимает любые значения внутри некоторого интервала : t тела ,масса зерен в колосьях пшеницы ,координата места попадания пули в цель(принимаем пулю за материальную точку )
Пло́тность вероя́тности — один из способов задания вероятностной меры на евклидовом пространстве . В случае, когда вероятностная мера является распределением случайной величины, говорят о плотности случайной величины.
Выборка или выборочная совокупность — множество случаев (испытуемых, объектов, событий, образцов), с помощью определённой процедуры выбранных из генеральной совокупности для участия в исследовании.
Характеристики выборки:
Качественная характеристика выборки – кого именно мы выбираем и какие способы построения выборки мы для этого используем.
Количественная характеристика выборки – сколько случаев выбираем, другими словами объём выборки.
Генеральная совокупность, генеральная выборка (от лат. generis — общий, родовой)(в англ. терминологии — population) — совокупность всех объектов (единиц), относительно которых учёный намерен делать выводы при изучении конкретной проблемы.
Генеральная совокупность состоит из всех объектов, которые подлежат изучению. Состав генеральной совокупности зависит от целей исследования. Иногда генеральная совокупность - это все население определённого региона (например, когда изучается отношение потенциальных избирателей к кандидату), чаще всего задаётся несколько критериев, определяющих объект исследования. Например, женщины 10-89 лет, использующие крем для рук определённых марок не реже раза в неделю, и имеющие доход не ниже $150 на одного члена семьи.
Требования, предъявляемые к выборке.
К генеральной совокупности обычно применимо требование правильного определения ее КОНТУРА. Это означает, что исследователь обязан ответить на два вопроса: охватывает ли он в своих предположениях все возможные элементы генеральной совокупности, и нет ли элементов избыточных, лишних.
Вы́борочное (эмпири́ческое) сре́днее — это приближение теоретического среднего распределения, основанное на выборке из него.
Пусть — выборка из распределения вероятности, определённая на некотором вероятностном пространстве . Тогда её выборочным средним называется случайная величина
.
Пусть — выборочная функция распределения данной выборки. Тогда для любого фиксированного функция является (неслучайной) функцией дискретного распределения. Тогда математическое ожидание этого распределения равно .
Выборочное среднее — несмещённая оценка теоретического среднего:
.
Выборочное среднее — сильно состоятельная оценка теоретического среднего:
почти наверное при .
Выборочное среднее — асимптотически нормальная оценка. Пусть дисперсия случайных величин конечна и ненулевая, то есть . Тогда
по распределению при ,
где — нормальное распределение со средним и дисперсией .
Выборочное среднее из нормальной выборки — эффективная оценка её среднего.
1)Размах- разность между последним и первым членом выборки:
∆X=Xm-X1
2) Выборочная дисперсия- среднее арифметическое квадратов отклонения вариант от их среднего значения:
k _
Dв=1/n ∑ (xi – xв)2
i=1
3)Среднеквадратичное откланение- квадратный корень из выборочной дисперсии:
σ= корень из D
Нормальное распределение, также называемое гауссовым распределением, гауссианой или распределениемГаусса — распределение вероятностей, которое задается функцией плотности распределения:
где параметр μ — среднее значение (математическое ожидание) случайной величины и указывает координату максимума кривой плотности распределения, а σ² — дисперсия
Гистограмма- столбчатая диаграмма- один из видов графического изображения статистического распределения случайных величин. Изображает зависимость частоты попадания элементов выборки от соответствующего интервала группировки. Гистограмма представляет собой совокупность смежных прямоугольников с основаниями одинаковой протяженности. Основание прямоугольника соответствует некоторому дивпозону значений случайной величины.
Свойства:
надёжностью, в котором с определенной вероятностью p находится средняя. Иначе говоря, р определяет вер. , с которой осуществляются неравенства:
_ _ _
Xв -ԑ< xг< xв+ԑ
Уровень Значимости выражает непопадания генеральной средней в доверительный интервал.
β = 1-р
Доверительная вероятность а выражается числом от 0 до 1 ( реже в процентах от 0 до 100) и показывает вероятность того, что действительное значение исследуемой переменной будет лежать в принятом ( указанном) диапазоне.
Выборка называется однородной, если все её прецеденты одинаково распределёны, то есть выбраны из одного и того же распределения .
Неоднородность означает, что выборки принадлежат различным законам распределения, которые различаются или только параметрами при одном и том же виде, или видом и параметрами распределения.
Проверка однородности.
Вычисляют средние арифметические в каждой выборке
затем выборочные дисперсии
,
и статистику Стьюдента t, на основе которой принимают решение,
По заданному уровню значимости a и числу степеней свободы (m+n - 2) из таблиц распределения Стьюдента находят критическое значение tкр. Если |t|>tкр, то гипотезу однородности (отсутствия различия) отклоняют, если же |t|<tкр, то принимают. (При односторонних альтернативных гипотезах вместо условия |t|>tкр проверяют, что t>tкр; эту постановку рассматривать не будем, так как в ней нет принципиальных отличий от обсуждаемой здесь.)
- функциональная-если данному значению одной велечины соответствует вполне определенное значение другой
Например: площадь круга зависит от радиуса, ускорение тела-от силы и массы
- корреляционная-статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин
Например:между возрастом и ростом детей выражается в том, что каждому значению возраста соответствует определенное распределение роста. При этом с увеличением возраста возрастает и среднее значение роста.
Наличие связей между X и Y, характер этой связи и ее теснота оценивается коэффициентом корреляции.
Свойства:
1. если связ между X и Y отсутствует, то r=0
2. -1_<r_<+1; 0_<|r|_<1
3. для возрастающих Y (x) r>0
4. для убывающих Y (x) r<0
5. Предельно тесная связь Xи Y функциональная; при этом r=1 или r=-1
6. коэффициент корреляции описывается линейную связь, но не более сложную
7. Если корреляционная связь Y (x) установлена, она может быть описана уравнением регрессии вида
y=ax+b
Линейная регрессия — используемая в статистике регрессионная модель зависимости одной (объясняемой, зависимой) переменной y от другой или нескольких других переменных (факторов, регрессоров, независимых переменных) x с линейной функцией зависимости.
Формула: y=ax+b
График: