2512

Физика в биологических обследованиях лабораторные и семинарские занятия

Книга

Физика

Изучение механических колебаний. Изучение аппарата для ультразвуковой терапии. Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн. Изучение физической основы аускультативного метода измерения артериального давления крови. Изучение механических моделей биологических тканей. Биоэлектрическая активность биологических объектов.

Русский

2013-01-06

692.35 KB

125 чел.

Оглавление

Введение……………………………………………………………………...3

Вводное занятие Статистическая обработка результатов физических измерений……………………………………………………………………....3-8

Лабораторная работа Изучение механических колебаний…8-12 Лабораторная работа Изучение аппарата для ультразвуковой терапии …………………………………………………………………………….….12-18

Лабораторная работа  Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн…………………………………………………………………18-23

Лабораторная работа Изучение физической основы аускультативного метода измерения артериального давления крови…………………………………………………………………….…23-27

Лабораторная работа Исследование зависимости вязкости от концентрации………………………………............................................…27-31

Лабораторная работа Изучение механических моделей биологических тканей……………………………………………………………………….31-36

семинар № 1 Механические волны. Акустика. ………………………..…37

семинар № 2 Физические вопросы гемодинамики……………………...…38

семинар № 3 Биологические мембраны: строение, физические свойства и перенос веществ………………………………………………………….………38 

СЕМИНАР№4 Биоэлектрическая активность биологических объектов…...39

семинар №5 Основы биоэлектрографии……….…………………………40

Семинар № 6 Автоволновые процессы…………………………………..…41

Лабораторная работа Изучение возможных искажений электрических сигналов в электронных усилителях……………………………………….55-62

Лабораторная работа Изучение работы аппарата низкочастотной терапии «Амплипульс-5»……………………………………………………62-68

Лабораторная работа Изучение работы аппарата УВЧ-терапии и его применение в медицине…………………………………………………..…68-72

Лабораторная работа Импульсный сигнал: применение в медицине ……………………………………………………………………………….72-78

Лабораторная работа Определение показателя преломления жидкости методом рефрактометрии………………………………………79-84

Лабораторная работа Защита от ионизирующего излучения…..84-90

Семинар 7 Постоянный электрический ток, применение в медицине………………………………………………………………………...90

Семинар 8 Переменный электрический ток. Применение в медицине………………………………………………………………………...91

Семинар 9 Оптика…………………………………………….……………..91

Семинар 10 Тепловое излучение……………….………………………..…92

Семинар 11 Рентгеновское лучение……………………………………....…93

Семинар 12 Дозиметрия ионизирующего излечения………………………93

Семинар 13 Поляризация света……………………………………………..94

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ…………………………………………...94

Список литературы……………………………………………………….97

ВВедение

Лабораторные занятия являются одной из важных форм учебной работы по медицинской биофизике. Главная цель лабораторного практикума - экспериментально раскрыть теоретические положения науки, обеспечить глубокое понимание студентами изучаемых законов и закономерностей и форм их проявления, сформировать у будущих специалистов практические умения обращения с изучаемыми объектами, лабораторным оборудованием и другими средствами эксперимента, привить им навыки экспериментальной деятельности.

Лабораторно-практические занятия проводятся в соответствии с учебным планом специальности и рабочей программой по дисциплине. Для выполнения каждой лабораторной работы имеются методические указания, в которых сообщается цель работы, перечень необходимых приборов и принадлежностей, краткие теоретические предпосылки, описание лабораторной установки и последовательности проводимых измерений, рекомендации по обработке полученных результатов. В методических указаниях приводятся вопросы для самоконтроля, список учебной литературы.

Накануне занятия студент должен подготовиться к выполнению лабораторной работы. Для этого необходимо изучить теорию и порядок выполнения работы. На занятиях перед выполнением работы преподаватель проверяет степень готовности студента к ее проведению. Для получения допуска к выполнению лабораторной работы необходимо знать цель работы и план проведения эксперимента, устройство приборов и правила их эксплуатации, требования и правила техники безопасности, основные законы, лежащие в основе данного метода. После проведения измерений студент обязан предъявить преподавателю лабораторный журнал наблюдений, в котором зафиксированы полученные результаты, проведены их окончательная обработка и анализ.

В конце занятия проводится защита лабораторных работ. При защите работ студент должен продемонстрировать знание и понимание теоретического материала, умение проводить экспериментальные исследования, обрабатывать и анализировать полученные результаты.

Вводное занятие

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. ПРАВИЛА РАБОТЫ С ФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРОЙ

1. ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Измерением физической величины называют нахождение ее значения опытным путем с помощью технических средств (приборов и измерительных инструментов). При измерениях мы узнаем (путем сравнения), во сколько раз измеряемая величина больше или меньше величины, принятой за единицу измерения.

Измерения по способу получения числового результата измерения делятся на прямые и косвенные. При прямых измерениях значение искомой величины получают непосредственно с помощью меры или измерительного прибора. При косвенных измерениях значение измеряемой величины находят на основе известных зависимостей между этой величиной и величинами, непосредственно измеряемыми в опыте.

Обработка результатов измерений является одним из разделов науки об измерениях - метрологии.

В результате любого измерения мы получаем оценку измеряемой физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц (например, 15 м, 10 кг, 8 Дж и т. п.). Следует помнить, что никакие измерения нельзя выполнить абсолютно точно. Результаты измерения всегда содержат ошибку. Поэтому в задачу измерений входит не только нахождение значения искомой величины, но и оценка допущенной при измерении ошибки.

ОШИБКОЙ ИЗМЕРЕНИЯ называют отклонение результата измерений от истинного значения исследуемой величины. По способу представления различают абсолютные и относительные ошибки.

Ошибки измерений можно разделить на три основных типа - случайные, систематические и промахи.

ПРОМАХИ (или грубые ошибки) возникают в результате неправильных действий экспериментатора (небрежности счета, неразборчивости записи и т. п.). Эти ошибки сравнительно легко обнаружить при повторных измерениях, проводимых в равных условиях. Чтобы не допускать промаха, нужно быть внимательным и аккуратным.

СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ОШИБКИ измерений — ошибки, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях физической величины. Систематические ошибки по своему происхождению могут быть самыми разнообразными. Назовем некоторые причины их возникновения

1. Условия эксперимента не совпадают с условиями, предлагаемыми теорией. Например, неравноплечность весов, тепловое расширение линейки, действие архимедовой силы при взвешивании и т. д. Эти ошибки можно выявить при анализе условий измерения и устранить путем введения соответствующей поправки.

2. Исследуемый объект обладает некоторыми, неизвестными нам особенностями. Например, имеет внутренние полости, имеет неоднородную структуру, несовершенную геометрическую форму и т. п. Для выявления подобных ошибок необходимо проводить многократные измерения в различных условиях, используя разные объекты и методы.

3. Неточность отсчета измеряемой величины по шкале измерительного устройства (линейки, микрометра, секундомера и т. п.). Эти ошибки могут быть вызваны неточностью установки нуля, наличием паралакса и т. п. Их можно существенно уменьшить при соблюдении правил обращения с приборами и путем применения специальных технических средств (зеркальные шкалы, правильное освещение и т. п.). Однако полностью устранить эти ошибки нельзя, т. к. при любом отсчете, записывая показания прибора, мы берем целое число, соответствующее ближайшему к стрелке прибора штриху. Значит ошибка отсчета возникает при округлении. Она не превышает половины цены деления шкалы прибора.

4. Неточность измерительных приборов приводит к появлению инструментальной ошибки. По степени точности все измерительные приборы делятся на классы. Класс точности всегда указывается в паспорте прибора (0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0). Классом точности прибора «К» называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности, даваемой прибором, к максимальному значению величины, измеряемой прибором.

СЛУЧАЙНые ОШИБКи измерений - это ошибки, которые вызываются целым рядом случайных причин и непрерывно изменяются непредсказуемым образом. Случайные ошибки всегда присутствуют в измерениях и с одинаковой вероятностью принимают как положительные, так и отрицательные значения. Случайные ошибки устранить нельзя, но их можно оценить, используя методы математической статистики.

Пусть при некоторых измерениях величины а получились ее значения а1, а2, а3, а4, а5.; тогда за истинное значение этой величины принимается

В общем виде для n измерений это записывается так:

где

Разность между истинным значением измеряемой величины и результатом отдельного измерения называется абсолютной погрешностью этого измерения. Ее обозначают Δа. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Значения абсолютных погрешностей аi в нашем примере:

 Δа1 = аср – а1,  Δа2 = аср – а2 и т. д.

За окончательную абсолютную погрешность значения величины а принимают среднее арифметическое абсолютных значений всех погрешностей, т. е

В общем виде получим

где

Учитывая, что отклонение истинного значения величины от ее среднего арифметического может быть как в большую, так и в меньшую стороны, результат измерений записывают так:

а = аср ± Δ аср.

Это означает, что а лежит в интервале

аср + Δ аср. а ≥  аср - Δ аср.

Абсолютная погрешность не дает полного представления о точности измерения. На практике точность измерения какой-либо величины а оценивается еще относительной погрешностью Е. Относительной погрешностью называется число, показывающее, сколько процентов составляет абсолютная погрешность от истинного значения измеряемой величины:

Если не требуется большой точности, то в технике считают допустимой относительную погрешность, не превышающую 5%.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Оформление отчета начинается во время подготовки к выполнению лабораторной работы. В отчет заносят НОМЕР РАБОТЫ и ее НАЗВАНИЕ, записывают ЦЕЛЬ РАБОТЫ и перечисляют ПРИБОРЫ и ПРИНАДЛЕЖНОСТИ, которые будут использованы в работе. Разобрав теоретические основы изучаемого вопроса, кратко конспектируют их основные положения, записывают расчетные формулы. Изучив экспериментальную установку и методику проведения измерений на рабочем месте, помещают в отчете чертеж или схему установки.

На занятиях, получив допуск к выполнению работы, проводят необходимые измерения, результаты которых заносят в соответствующие таблицы. Выполнив необходимые вычисления и убедившись в их правильности, приступают к завершению отчета. В отчет необходимо внести ТАБЛИЦЫ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ИЗМЕРЕНИЙ, данные о методике расчета ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЙ, ГРАФИКИ, выполненные на миллиметровке и ОБОСНОВАННЫЕ ВЫВОДЫ, к которым приводят полученные результаты. Сделанные выводы должны соответствовать цели, поставленной в работе. При подготовке к защите выполненной лабораторной работы следует руководствоваться контрольными вопросами, приведенными в МЕТОДИЧЕСКОМ РУКОВОДСТВЕ. Ответы на поставленные вопросы можно найти в литературе, приведенной в рекомендациях.

ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В большинстве лабораторных работ связь между физическими величинами необходимо представить на графике. При построении графиков следует руководствоваться следующими правилами:

График нужно выполнить на миллиметровой бумаге используя, как правило, прямоугольную систему координат.

При выборе масштаба необходимо учитывать следующее:

1) цена наименьшего деления на координатных осях не должна превышать абсолютной ошибки физической величины;

2) для каждой координатной оси необходимо указывать масштаб и единицу измерения;

3) единицы измерения физических величин должны соответствовать международной системе единиц (СИ), а используемый масштаб должен быть удобным;

4) пересечение координатных осей необязательно должно совпадать с нулевыми значениями физических величин.

При выборе начала координат надо стремиться к тому, чтобы поле графика использовалось полностью.

Наносимые на график точки необходимо изображать четко и ясно. Каждую точку обводят кружочком или через нее проводят крестик, полуразмер которого равен абсолютной ошибке величин откладываемых вдоль координатных осей.

Через экспериментальные точки проводят плавную кривую. При этом следят за тем, чтобы точки отстояли от этой кривой не более чем на половину ошибки. Число точек, лежащих выше и ниже кривой должно быть примерно одинаковым.

График часто строят в переменных, которые приводят к линейной зависимости величин.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Изучение механических колебаний

Движение, повторяющееся через отдельные промежутки времени, называется колебательным. В живом организме и при диагностике и лечении заболеваний очень широко распространены процессы с повторением различных состояний и описывающих их параметров.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Ознакомиться с характеристиками колебаний.

2. Изучить сложение гармонических колебаний и явление резонанса.

Исходные знания:

1. Знать виды механических колебаний.

План изучения темы:

1 .Свободные механические колебания (незатухающие и затухающие).

2. Кинетическая и потенциальная энергии колебательного движения.

3. Сложение гармонических колебаний.

4. Сложное колебание и его гармонический спектр.

5. Вынужденные колебания. Резонанс.

6. Автоколебания.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 5, с.71-87.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.4. с. 67-81.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 44-52.

ТЕОРЕТИЧЕСКие предпосылки работы:

Многие процессы в организме являются периодическими, и их можно рассматривать как колебательные, например, процесс дыхания, работа сердца, электрические процессы в сердце и т.д. Рассмотрим механические  колебания материальной точки массой m. Примером такой колебательной системы служит пружинный маятник. По второму закону Ньютона

                                                                                                (1)

Предположим, что в данном случае силой трения можно пренебречь, тогда колебания будут происходить под действием упругой силы F = -kx. Тогда соотношение (1) принимает вид:

                                                                                                     (2)

Заменяя , получаем дифференциальное уравнение гармонических колебаний

                                                                                                (3)

Его решение имеет вид:

                                                                                              (4)

где ω0 – круговая частота колебаний,

А - амплитуда, (ω0t + φ0)— фаза колебаний,

φ0 - начальная фаза,

x - смещение колеблющейся точки относительно положения равновесия.

График зависимости х = f(t) изображен на рис. 1. Гармонические колебания можно изображать в виде векторных диаграмм (рис. 2). Из точки О, взятой на оси ОХ, проводят вектор А, модуль которого равен амплитуде колебаний.

                                    

Рис. 1.                                                        Рис.2.

Угол φ представляет собой фазу колебаний, а проекция вектора А на ось OX смещение колеблющейся точки.

Материальная точка может одновременно участвовать в нескольких колебательных движениях. При сложении двух гармонических колебаний, направленных по одной прямой, получается более сложное колебательное движение. Пусть материальная точка участвует в двух гармонических колебаниях одного направления и с одинаковой круговой частотой ω0:

    

Тогда результирующее смещение х точки равно алгебраической сумме обоих смещений:

                                                      x = x1+ x2,                                         (5)

а результирующее движение представляет собой периодическое колебательное движение с той же частотой.

Амплитуда А результирующего колебания равна

                                                           (6)

Начальную фазу φ0 результирующего колебания можно вычислить по формуле

                                                                         (7)

Если частоты складываемых колебаний неодинаковы, то результирующее движение будет негармоническим. При сложении двух гармонических колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях, получаются различные траектории материальной точки, называемые фигурами Лиссажу. Форма этих фигур зависит от соотношения частот, фаз и амплитуд складываемых колебаний.

Свободные колебания реальных систем всегда затухают. Затухание свободных механических колебаний вызывается главным образом трением. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний имеет вид:

                                                                                  (8)

где (ω0 – круговая частота собственных колебаний системы (k/m =); β — коэффициент затухания. Если> β2, то решение этого уравнения имеет вид:

                                                                             (9)

где ω0 – круговая частота затухающих колебаний ω2=(), A0 –  начальная амплитуда, φ0 – начальная фаза. График зависимости x = f(t) изображен на рисунке 3.

Если> β2 , то колебаний нет и движение будет апериодическим.

 

Рис.3.

Кроме коэффициента затухания, для характеристики затухающих колебаний используют логарифмический декремент затухания λ. Он определяется как натуральный логарифм отношения двух последовательных амплитуд, соответствующих моментам времени, отличающимся на период:

                                                 (10)

Колебания тела, вызванные и поддерживаемые внешней силой, периодически изменяющейся по величине и направлению, называются вынужденными колебаниями, а внешняя сила – вынуждающей силой. Пусть вынуждающая сила изменяется по закону

F = F0cosωt,

(11)

где f0 максимальное значение силы, ω — круговая частота. Тогда дифференциальное уравнение вынужденных колебаний принимает вид:

                                                                           (12)

Решение этого уравнения представляет собой сумму уравнений, описывающих свободные и вынужденные колебания.

Свободные колебания довольно быстро затухают. Поэтому, пренебрегая собственными колебаниями системы, решение уравнения (12) записывают в следующем виде:

x= А соst + φ0).                                           (13)

Таким образом, под действием периодической внешней силы (11) возникают вынужденные гармонические колебания с частотой, равной частоте вынуждающей силы.

В этом случае, если частота ω вынуждающей силы принимает значение ωрез, амплитуда вынужденных колебаний системы достигает максимального значения. Это явление называется резонансом. Частота ωрез называется резонансной частотой:

                                                                                      (14)

Амплитуда колебаний Арез, определяется по формуле

                                                                                          (15)

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что такое колебательное движение?

2. Какие виды колебаний различают?

3. Какие колебания называются гармоническими?

4. Что называется смещением? амплитудой? периодом? частотой? фазой колебаний?

5. Запишите дифференциальное уравнение гармонического колебания.

6. Запишите уравнения смещения, скорости и ускорения при гармоническом колебании.

7. В чем заключается метод векторных диаграмм?

8. Опишите процесс сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой и во взаимно перпендикулярных направлениях.

9. Запишите дифференциальное уравнение затухающего колебания.

10. Запишите уравнение смещения для затухающего колебания.

11. Как зависит амплитуда затухающих колебаний от времени?

12. Что такое коэффициент затухания и логарифмический декремент затухания?

13. Какие колебания называются сложными? Что такое гармонический спектр сложного колебания?

14. Какие колебания называют вынужденными? Запишите уравнение смещения для вынужденного колебания.

15. В чем заключается явление резонанса при вынужденных колебаниях?

16. Какие колебания называют автоколебаниями?

Приборы и принадлежности:

Персональный компьютер.

Схема работы:

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Определение по графику характеристик гармонических колебаний

1. Получите на экране график гармонических колебаний маятника и зарисуйте в тетрадь

2. Определите по графику амплитуду А и период Т колебаний (см. рис. 1)

3. Измените амплитуду колебаний в k1 раз, а период в k2 раз

4. Повторите действия п. 1 и 2

5. Полученные результаты занесите в таблицу 1

6. Определите по графику начальную фазу колебаний φ0 и укажите, каким способом маятник был приведен в движение.

Таблица №1

Параметр

Исходный график

Измененный график

Коэффициент

А,м

k1

Т,с

k2

2. Изучение векторных диаграмм.

1. Определите по приведенной векторной диаграмме амплитуду и начальную фазу колебаний

2. Получите на экране графики временной зависимости смещения х = f(t), скорости υ = f(t) и ускорения а = f(t) колеблющегося тела и укажите соответствующие им векторные диаграммы.

3. Изучение сложения колебаний, происходящих вдоль одной прямой

1. Изобразите в тетради полученную на экране векторную  диаграмму сложения двух колебаний одинаковой частоты и определите по ней амплитуду и начальную фазу результирующего колебания

2. Получите на экране график результирующего колебания, полученного при сложении двух гармонических колебаний с частотами ν1 и ν2 и амплитудами А1 и А2. Постройте его гармонический спектр

3. Полученные графики перенесите в тетрадь

4. Получите на экране график результирующего колебания, полученного при сложении четырех заданных гармонических колебаний различных частот. Амплитуды и периоды складываемых колебаний занесите в таблицу №.2.

Таблица №2

Колебание

Амплитуда колебания

Период колебания

1

2

3

4

4. Изучение сложения взаимно перпендикулярных колебаний

1. Задавая амплитуды, круговые частоты и начальные фазы взаимно перпендикулярных колебаний х = f(t) и у = f(t), получите на экране фигуры Лиссажу, образующиеся при сложении данных колебаний

2. Опыт 1. повторите три раза. Полученные фигуры и уравнения складываемых колебаний занесите в тетрадь

5. Изучение затухающих колебаний

1. Получите на экране график затухающих колебаний и зарисуйте его в тетрадь

2. Определите по графику логарифмический декремент затухания λ, и коэффициент затухания β [см. формулу (10)].

Последовательность действий

Способ выполнения задания

6. Изучение резонансных кривых вынужденных колебаний

1. Задавая параметры колебательной системы (т, k, β) и амплитуду вынуждающей силы f0, вычислите собственную круговую частоту колебаний ω0 и резонансную частоту ωрез вынужденных колебаний [см. формулу (14)]

2. Получите на экране изображение резонансной кривой

3. Изменяя значение β, пронаблюдайте изменения вида резонансных кривых. Значения β занесите в таблицу 3.

Таблица №3

β1

β2

βисх

β3

β4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Изучение работы аппарата для ультразвуковой терапии

Аппараты, генерирующие ультразвуковые колебания, используются в медицине для лечения ряда заболеваний периферической нервной системы, опорно-двигательного аппарата и др., а также с диагностической целью.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы аппарата для ультразвуковой терапии.

2. Определить особенности воздействия ультразвука (тепловой эффект) на различные вещества (электролиты и диэлектрики) при разнообразных режимах генерации УЗ аппаратом для ультразвуковой терапии УЗТ-1.01.Ф.

ИСХОДНЫе ЗНАНИя:

1. Знать физические характеристики механических волн.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Характеристики УЗ-волн.

2. Свойства УЗ-волн.

3. Способы получения УЗ-волн.

4. Источники УЗ-волн.

5. Воздействие УЗ на биологические объекты.

6. Диагностическое и терапевтическое применение УЗ в медицине.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 6, с. 108 - 111.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57-62.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

Ультразвук – упругая механическая продольная волна, частота которой превышает 20000Гц.

В медицине применяется УЗ частотой 1-1,5МГц. Ультразвуковая волна вследствие высокой её частоты распространяется в виде лучей (из-за малой длины УЗ-волны можно пренебречь её волновыми свойствами). Такие лучи можно сфокусировать с помощью специальных акустических линз и достигнуть, таким образом, большой интенсивности УЗ-волны. Кроме того, поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды колебаний, то высокая частота УЗ-волны даже при малых её амплитудах предопределяет возможность получения УЗ-волн большой интенсивности.

Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации тел под действием переменного электрического поля. Пьезоэлектрики – вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное электрическое поле, пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом вокруг кристалла возникают механические возмущения – деформации сжатия и разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной амплитуды играют роль резонансные явления. Эффект назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой пьезоэлектрический эффект – явление возникновения переменного электрического поля при деформации пьезоэлектриков. Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ- диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта.

В однородной среде. При прохождении УЗ-волны интенсивностью I через слой вещества толщиной d её интенсивность уменьшается и становится равной

                                    I = I0·e-αd,

где I0 - начальная интенсивность УЗ-волны; I - интенсивность волны после прохождения через слой вещества, d - ширина слоя вещества, - α коэффициент угасания волны. Угасание УЗ-волны вызвано двумя процессами: рассеянием энергии в тканях (связано с клеточной неоднородностью органов) и её поглощением (связано с макромолекулярной структурой тканей).

На границе двух сред при попадании УЗ-волны интенсивностью на границу раздела сред происходит отражение волны и поглощение волны. Часть энергии, которая будет заключена в отражённой волне, зависит от соотношения акустических сопротивлений сред. Так на границе тело пациента- воздух отражается почти 100% энергии. Поэтому, чтобы УЗ-волна попала в тело пациента применяют специальные гели (цель - уменьшить перепад акустического сопротивления сред). Отражение УЗ волны от неоднородностей и границ внутренних органов – основа диагностики их состояния по принципу эхолокации – анализа интенсивности отражённой УЗ - волны. Отражение УЗ-волн также зависит от размера отражающих структур:- если размер отражающих структур сопоставим с длинной УЗ-волны, то будет происходить дифракция волн, т.е. огибание волной структуры с последующим рассеянием энергии в тканях и формированием УЗ-тени;- если размер отражающих структур больше длины УЗ-волны, то последняя будет отражаться, причём интенсивность эхосигнала будет зависеть от направления зондирующего сигнала, формы и размера отражающих структур.

УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество: 1. - 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. 2. - 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. 3. - 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. 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.

Аппарат ультразвуковой терапии

Аппарат ультразвуковой терапии УЗТ-1Ф предназначен для генерирования ультразвуковых колебаний в целях воздействия ими на различные участки тела человек.

Аппарат работает в НЕПРЕРЫВНОМ и ИМПУЛЬСНОМ режимах генерации (с длительностью импульсов 2, 4 и 10 мс). Частота следования импульсов равна частоте, питающей сети (50 Гц), максимальная мощность ультразвуковых колебаний 4 Вт. Время установления рабочего режима не превышает 1 мин. с момента включения аппарата в сеть.

Аппарат обеспечивает работу в течение 6 часов в повторно кратковременном режиме излучения, 15 мин. работы в непрерывном режиме генерации при интенсивности 1,0 Вт/см3 и 10 мин. перерыве (с отключением аппарата из сети).

Электрическая функциональная схема электронного блока аппарата УЗТ-1Ф приведена на рис. 1

Рис. 1.

1 — автогенератор, 2 — модулятор, 3 — буферный каскад, 4 — предусилитель,

5 — усилитель выходной, 6 — индикатор выходного напряжения, 7 — импульсный генератор, 8 — блок питания, 9 — процедурные часы.

Колебания ультразвуковой частоты генерируются в автогенераторе (1), через модулятор (2) подаются на вход буферного каскада (3), предназначенного для ослабления влияния последующих каскадов на параметры генерирующего сигнала. В цепь буферного каскада (3) включен ступенчатый регулятор интенсивности, с выхода которого сигнал подается на вход предусилителя (4), где усиливается до уровня, необходимого для нормальной работы выходного усилителя (5), который предназначен для усиления мощности сигнала до значения, требуемого для получения заданной интенсивности ультразвукового излучения. Наличие напряжения регистрируется по свечению индикатора выходного напряжения (6). Аппарат питается от блока питания (8), содержащего выпрямители +6 В и +50 В, включающегося через контакты процедурных часов (9).

УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

При эксплуатации соблюдайте следующие меры предосторожности: при работающем аппарате не держите излучатель на воздухе (он должен соприкасаться с облучаемым участком объекта).

ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

1. Проводить процедуры при неисправном аппарате.

2. Самим устранять какие-либо неисправности.

Подготовка аппарата к РАБОТе

1. При проведении процедур тип используемого излучателя, режим работы, длительность импульсов, значение интенсивности ультразвуковых колебаний и продолжительность процедуры устанавливается в строгом соответствии с указаниями в методической разработке.

2. Подключите, указанный для проведения процедуры, излучатель к разъему «ВЫХОД» электронного блока аппарата с помощью соединительного кабеля.

3. Нажмите кнопку переключателя «ИЗЛУЧАТЕЛИ», имеющую одинаковую надпись с последней цифрой типа излучателя.

4. Для проведения процедур в непрерывном режиме, нажмите кнопку «Н» переключателя «РЕЖИМ РАБОТЫ».

5. Установите необходимую интенсивность, нажав соответствующую кнопку переключателя «ИНТЕНСИВНОСТЬ», Вт/см2.

6. Для проведения процедур в импульсном режиме нажмите соответствующие указанной длительности импульса кнопку «2», «4» или «10» мс переключателя «РЕЖИМ РАБОТЫ».

7. Смажьте вазелиновым маслом излучающую часть излучателя, применяя при этом пипетку и ватный тампон. Погрузите излучатель в исследуемый раствор.

8. Установите необходимую продолжительность времени процедур. Для этого поверните ручку-указатель процедурных часов по часовой стрелке до упора, а затем поворотом в обратном направлении установите ее в положение, соответствующее 10 мин. При этом включится генератор колебаний и в объект начнут излучаться ультразвуковые колебания.

9. Следите за тем, чтобы на поверхности излучателя в растворе не было пузырей.

10. По истечении времени воздействия (световые индикаторы  «СЕТЬ» и «ВЫХОД» гаснут), ватным тампоном удалите вазелиновое масло с излучающей части излучателя.

11. Излучатель отсоедините от разъема «ВЫХОД».

12. Отсоедините вилку провода сети от розетки сети.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что называется ультразвуком? Как получить ультразвуковую волну?

2. Какими свойствами обладает ультразвук?

3. Какой вид имеет уравнение, описывающее поглощение ультразвука в среде?

4. От чего зависит поглощение ультразвука средой?

5. Для чего при контакте с кожей ультразвукового излучателя его поверхность покрывают слоем масла?

6. Что называется кавитацией?

7. Применения ультразвука в медицине. Перечислите методы ультразвуковой диагностики и исследования.

8. Эффект Доплера и его использование для медико-биологических исследований.

9. Инфразвук. Его применение в медицине.

Приборы и принадлежности:

Аппарат УЗТ-1.01.Ф.

Схема работы:

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Изучение влияния режима работы на тепловой эффект воздействия ультразвука на диэлектрик (глицерин) и электролит (водный раствор NaCl).

1. Ознакомьтесь с техническими данными прибора

2. Ознакомьтесь с указаниями мер безопасности при работе с прибором.

3. Изучите порядок подготовки аппарата к работе и его использование.

4. Погрузите излучатель с термометром в диэлектрик на глубину 0,5-1,0 мм.

5. В соответствии с требованиями раздела «ПОДГОТОВКА АППАРАТА» подготовьте аппарат к работе в непрерывном режиме (интенсивность 1 Вт/см2). Осуществите ультразвуковое воздействие, регистрируя значения температуры диэлектрика через каждые 2 мин. Результаты измерений занесите в таблицу 1 (см. ниже).

6. Проведите аналогичные измерения с электролитом.

7. Повторите все предыдущие измерения с тем лишь различием, что режим работы аппарата импульсный, длительностью 10 мс. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

Вещество

Режим генерации

Значения температуры (t0C) при воздействии ультразвука на вещество в течение

0 мин  2 мин  4 мин  6 мин  8 мин  10мин

диэлектрик

непрерывный

электролит

диэлектрик

импульсный

электролит

8.Постройте графики.

9. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы.

Примечание: после выполнения каждого задания необходимо выключать прибор на 10-минутный перерыв, а затем продолжать работу.

Последовательность действий

Способ выполнения задания

2. Изучение влияния нарастания интенсивности УЗ-излучения на тепловой эффект в диэлектрике при работе аппарата в режиме непрерывной генерации

1. Повторите все, что рекомендовано в задании 1 и пунктах 4, 5 при условии, что экспозиции и интенсивности:

в первые 2 мин интенсивность равна 0,05, Вт/см2,

следующие 2 минуты -                         0,2 Вт/см2,

следующие 2 минуты -                         0,4 Вт/см2,

следующие 2 минуты -                         0,7 Вт/см2,

последние 2 минуты -                           Вт/см2.

Примечание: увеличивать интенсивность УЗ-излучения в указанной последовательности следует переключателями интенсивности, расположенными на лицевой панели аппарата.

2. Полученные результаты занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

Вещество

Время,

мин

Интенсивность,

Вт/см2

Температура, t0C

Диэлектрик

0

0

0-2

0,05

2-4

0,2

4-6

0,4

6-8

0,7

8-10

1,0

Примечание: температуру фиксировать в конце указанного промежутка времени.

3. Постройте график и сделайте выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В ВОЗДУХЕ МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН

Для механических волн присущи явления дифракции и интерференции. При определенных условиях могут возникать стоячие звуковые волны, энергия которых в два раза выше, чем энергия основных волн. Стоячие волны формируются и в так называемом наружном ухе человека. Звук поступает в слуховую систему человека через ушной канал, представляющий собой закрытую с одной стороны акустическую трубку с длиной примерно 2,7см. Столб воздуха внутри ушного канала будет резонировать (возникают стоячие волны) на звук с длиной волны, равной четырем ее длинам. Этим резонансным эффектом, возникающим за счет образования стоячих волн, объясняется тот факт, что человеческое ухо наиболее чувствительно в области 3-4 кГц.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Ознакомиться с теорий волн в упругой среде, стоячими волнами.

2. Изучить метод определения скорости распространения звука.

ИСХОДНЫе ЗНАНИя:

1. Знать основные характеристики механических волн.

План изучения темы:

1.Уравнение механической волны.

2. Поток энергии и интенсивность волны. Вектор Умова.

3. Ударные волны.

4. Эффект Доплера.

Литература:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 5, с. 87-93.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.4. с. 81-88.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

Если в упругой (твердой, жидкой или газообразной) среде возбудить колебания её частиц, то вследствие взаимодействия между частицами эти колебания будут распространяться с определенной скоростью в среде. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волновым процессом или бегущей волной.

В зависимости от направления колебаний частиц среды по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Упругие поперечные волны могут возникать лишь в таких средах, которые обладают сопротивлением сдвигу. Возникновение продольных упругих волн возможно в том случае, когда среда оказывает сопротивление деформации сжатия или растяжения. Поэтому в жидкостях и газах могут возникать только продольные волны. В твердых телах возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн.

Распространяющиеся в воздухе упругие волны, в которых частота ν колебаний частиц воздуха находиться в пределах от 16 Гц до 20 кГц, достигнув человеческого уха, вызывает ощущение звука. В соответствии с этим упругие волны в любой среде, имеющие частоту, которая заключена в указанных пределах, тоже называют звуковыми волнами или просто звуком.

При одновременном распространении в пространстве нескольких волн, в том числе звуковых, от различных источников происходит их наложение (суперпозиция) без взаимного возмущения. При наложении волн, обладающих одинаковой частотой и постоянной разностью начальных фаз, наблюдается явление интерференции. Оно заключается в усилении колебаний в одних точках пространства и в ослаблении их в других точках. При интерференции двух плоских волн с одинаковой частотой и амплитудой, которые распространяются в противоположных направлениях, возникает колебательный процесс, называемый стоячей волной. В определенных точках, называемых пучностями, амплитуда стоячей волны равна сумме амплитуд обоих слагаемых колебаний. В других точках результирующая амплитуда равна нулю, эти точки называются узлами стоячей волны (рис.1).

Рис.1

В отличие от бегущей волны, в стоячей волне отсутствует перенос энергии. Отсутствие переноса энергии в стоячей волне объясняется тем, что в образующих ее падающей и отраженной волнах энергия переносится в равных количествах в противоположных направлениях.

Стоячие волны могут возникать при волновом движении любого типа (при поперечных и продольных волнах любой физической природы), если только обеспечены соответствующие точки или поверхности отражения. Можно создать стоячие волны в случае звуковых, радио-, световых и любых других электромагнитных волн.

Рассмотрим колебания воздуха в трубках. Поместим звуковой генератор, издающий звук чистого тона, над верхним открытым концом трубки и прислушаемся к интенсивности звука. Перемещая поршень в трубке, можно установить его в такое положение, при котором интенсивность звука особенно велика. В этом случае звуковые волны, излучаемые генератором, порождают внутри трубки стоячую волну, поэтому звуковые волны усиливаются отраженными волнами, и мы воспринимаем на слух возрастание интенсивности звука. Самый короткий воздушный столб, при котором происходит это усиление, имеет длину L, равную ¼ длины звуковой волны (рис. 2а). Если поршень двигать вниз, то обнаружится новый пик интенсивности возникает, когда L = 3λ/4 (рис. 2б). По существу, стоячие волны образуются при такой последовательности длин волн: λ/4, 3λ/4, 5λ/4 и т. д.

Рис.2.

Описанный эффект представляет собой разновидность явления резонанса, при котором происходит эффективная передача энергии от звукового генератора воздушному столбу в трубке, в результате чего интенсивность звука возрастает. В действительности воздушный столб в трубке, закрытой с одного конца, будет резонировать при длинах волн звука, определяемых последовательностью:

λ = 4L/n;  n = 1, 3, 5,….

Соответствующие этим длинам волн частоты таковы:

ν = υ/λ = n υ /4L;  n = 1, 3, 5,….

Если обозначить основную частоту (n = 1) через ν1, то последовательность частот стоячих волн будет ν1, 3ν1, 5ν1 и т.д. Таким образом, в воздушном столбе, заключенном в трубке, закрытой с одного конца, будут возникать стоячие волны только с частотами, соответствующими нечетным гармоникам основной частоты. Это совершенно определенная последовательность резонансных частот обусловлена тем обстоятельством, что на одном конце (закрытом) трубки должен быть узел, а на другом (открытом) – пучность.

Устройство и принцип работы установки

Определение скорости звуковой волны проводиться на установке, представленной на рис. 3, состоящей из генератора звуковых колебаний (ГЗ), телефона (Т) и стеклянного цилиндрического сосуда с краном (К).  Если к отверстию сосуда поднести источник звука - телефон, то в столбе воздуха, находящегося в сосуде возникнут колебания с частотой, создаваемой источником звука. Звуковая волна от телефона и волна, отраженная от поверхности воды складываются, образуя стоячую волну в столбе воздуха над водой (рис. 4).

                       

                        Рис. 3.                                          Рис. 4.

Если уровень воды (расстояние у1, или у2, или у3 и т.д.) таков, что возникают стоячие волны с узлом на поверхности воды и пучностью у открытого конца сосуда, то интенсивность звука, идущего в пространстве, максимальна. При понижении уровня воды в цилиндрическом сосуде, например с уровня у1, звук ослабляется, а при достижении уровня у2 вновь усиливается и т.д. Таким образом звук вновь усиливается, когда уровень воды смещается на расстояние Δу = λ/2 = λст. В этом случае вновь у верхнего конца сосуда образуется пучность, а на поверхности воды – узел.

Длина звуковой волны и скорость звука определяются по формулам:

               λ= 2 λст = 2 Δуср   и   υ = λν = 2 Δусрν,                                   (1, 2)

где ν – задаваемая генератором частота звуковых волн.

Вопросы для самоконтроля

1. Механические волны.

2. Основные виды механических волн.

3. Уравнение плоской волны. Фаза волны. Фронт волны. Скорость волны. Длина волны.

4. При каких условиях возникают стоячие волны? Что такое узлы и пучности стоячей волны? Чему равно расстояние между ними?

5. Поток энергии волн. Вектор Умова.

6. Ударные волны.

Приборы и принадлежности:

Звуковой генератор, телефон, стеклянный циллиндрический сосуд с регулируемым уровнем жидкости.

Схема работы:

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Изучение установки для определения скорости звука методом стоячих волн.

1. Ознакомьтесь с устройством и принципом работы установки (см. раздел Устройство и принцип работы установки).

2. Определение скорости звука в воздухе.

1. Наполните стеклянный цилиндрический сосуд водой почти до верха.

2. Установите телефон над сосудом.

Включите звуковой генератор и подайте звуковой сигнал с частотой ν = 1500 Гц.

3. При помощи крана медленно понизьте уровень воды в сосуде и по всей длине сосуда отметьте мелом уровни (y1, y2, y3 и т.д.) резкого усиления звука (рис.).

4. Измерьте расстояние между отметками (Δy1, Δy2, Δy3…). Измерения проведите 3 раза. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

4. Проведите аналогичные опыты с частотой звуковой волны ν = 2000Гц. Результаты измерений занесите в таблицу, аналогичную таблице 1.

Таблица 1

ν = 1500 Гц

λст

λ

υ

Δυ

1

Δy1=

Δy2=

Δy3=

Δyср1=

2

Δy1=

Δy2=

Δy3=

Δyср2=

3

Δy1=

Δy2=

Δy3=

Δyср3=

ср

-

3. Обработка результатов измерений

1. По формулам (1,2) рассчитайте среднюю скорость звука. Рассчитайте относительную погрешность в каждом эксперименте. Результаты занесите в таблицу.

2. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы. 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Изучение физической основы аускультативного метода ИЗМЕРЕНИя АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КРОВИ

Измерение величины давления крови в системе артериального кровообращения имеет большое значение в диагностике, поэтому врачу необходимо знать непрямые методы измерения давления, которые применяются во врачебной практике.

ЦЕЛЬ занятия:

Изучить физические основы аускультативного метода (метода Н.С. Короткова) измерения артериального давления крови у человека.

Исходные знания:

1. Понятие давления, единицы измерения.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Физические факторы, создающие давление крови.

2. Основные биофизические свойства кровеносных сосудов.

3. Изменение величины давления крови по ходу сосудистого русла.

4. Колебания давления крови в разных сосудах. Периферическое сопротивление сосудов.

5. Методика определения артериального давления по методу Н.С. Короткова.

6. Принцип работы сфигмоманометра.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 9. с.150-160

3. В.Ф. Антонов и др. Биофизика, М., 2000, гл. 9, с. 181-210.

4. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл. 2. с. 33-41.

Теоретические предпосылки работы:

Основное назначение сердечно-сосудистой системы - обеспечение кровообращения, т. е. постоянной циркуляции крови в замкнутой системе сердце - сосуды. Движущей силой кровотока является энергия, задаваемая сердцем потоку крови в сосудах, и градиент давления - разница давлений между различными отделами сосудистого русла.

Давлением Р называется величина, численно равная отношению силы F, действующей перпендикулярно на поверхность, к площади S этой поверхности:

Р = F/S

Единица измерения давления в СИ — паскаль (Па), внесистемные единицы: миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст. = 133 Па), сантиметр водяного столба, атмосфера, бар и т. д.

Кровь течет от области высокого давления к области низкого давления. Поэтому из аорты (где среднее давление составляет 100 мм рт. ст.) кровь течет через систему магистральных артерий (80 мм рт. ст.) и артериол (40-60 мм рт. cm.) в капилляры (15-25 мм рт. ст.), откуда поступает в венулы (12-15 мм рт. ст.), венозные коллекторы (3-5 мм рт. ст.) и полые вены (1-3 мм рт. ст.).

При сокращении сердечной мышцы в аорту, уже заполненную кровью, под соответствующим давлением, выталкивается так называемый ударный объем крови, равный 65—70 мл. Поступивший в аорту дополнительный объем крови повышает давлений в ней и, соответственно, растягивает ее стенки. Волна повышенного давления, которое называется систолическим, передается к периферии сосудистых стенок, артерий и артериол в виде упругой волны. Эта волна давления называется пульсовой волной. Скорость ее распространения зависит от упругости сосудистых стенок и равна 6-8 м/с.

Во время расслабления сердечной мышцы (диастола), растянутые кровеносные сосуды спадаются, сообщая энергию току крови. Количество крови, протекающее через поперечное сечение участка сосудистой системы в единицу времени, называется объемной скоростью кровотока (л/мин.).

Эта величина зависит от разности давлений в начале и конце участка и его сопротивления току крови. На рис. 1 приведен график изменения давления крови в основных отделах сосудистой системы большого круга кровообращения.

Рис. 1.

Гидравлическое (гемодинамическое) сопротивление сосудов прямо пропорционально вязкости жидкости η, длине сосуда l и обратно пропорционально радиусу r сосудов в четвертой степени. Оно находится из уравнения:

w = 8 η l /πr4

Физический параметр давления крови играет большую роль в диагностике заболеваний. Давление в жидкостях и газах измеряется с помощью манометров, которые бывают жидкостными и металлическими.

В медицине широко применяется бескровный способ измерения артериального давления по Н. С. Короткову, основанный на выслушивании звуков, возникающих при прохождении крови через сжатую плечевую артерию.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что называют давлением крови?

2. В каких единицах измеряется давление крови?

3. При каких условиях наблюдается ламинарный характер течения жидкости?

4. В чем состоит отличие турбулентного характера течения от ламинарного? При каких условиях наблюдается турбулентное течение жидкости?

5. Объясните физические основы аускультативного метода измерения АД. 6.Что такое пульсовое давление и как оно определяется?

7. Что такое систолическое артериальное давление?

8. Что называется диастолическим артериальным давлением?

9. Как изменяется давление человека по кровеносному руслу?

10. Чему равно нормальное давление человека?

11. Что такое пульсовая волна?

12. Что такое среднее артериальное давления для центральных артерий и как оно определяется?

13. Что такое среднее артериальное давления для периферических артерий и как оно определяется?

14. Запишите формулу гидравлического сопротивления сосудов.

15. Где происходит наибольшее падение давления? Чем оно обусловлено?

16. Каково давление в венозных сосудах, крупных венах?

17. Чем обусловлено появление звуков при определении артериального давления крови?

18. В какой момент времени показание прибора соответствует систолическому, когда - диастолическому давлению крови?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

Сфигмоманометр, фонендоскоп.

Схема работы:

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Проверить систему на герметичность

Созданное давление не должно меняться в течение 3-х минут

2. Определить систолическое и диастолическое давления на правой и левой руках по методу Н.С. Короткова

1. Измерения проведите 3 раза, показания занесите в таблицу (см. ниже).

2. Метод Короткова заключается в следующем: накладывают манжету на обнаженное плечо, находят на локтевом сгибе пульсирующую лучевую артерию и устанавливают над ней (не надавливая сильно) фонендоскоп. Создают давление в манжете, превышающее максимальное, а затем, слегка открыв винтовой клапан, выпускают воздух, что приводит к постепенному снижению давления в манжете. При определенном давлении раздаются первые слабые кратковременные тоны. Давление в этот момент принимается за систолическое артериальное давление. При дальнейшем снижении давления в манжете тоны становятся громче и, наконец, резко заглушаются или исчезают. Давление воздуха в манжете в этот момент принимается за диастолическое.

3. Время, в течение которого производится измерение давления по Короткову Н.С., должно длиться не более 1 мин.

3. Определить систолическое и диастолическое давления по методу Н.С. Короткова после физической нагрузки

1. Произведите 10 приседаний.

2. Произведите измерение давления на левой руке.

3. Показания занесите в таблицу.

4. Определить систолическое и диастолическое давления состоянии покоя

1. Повторите измерение давления на левой руке через 3 мин.

2. Показания занесите в таблицу.

3. Повторите измерение давления после нагрузки и после отдыха еще 2 раза, показания занесите в таблицу.

№№

Норма (мм рт. ст.)

После нагрузки

После отдыха

сист. давл.

диаст. давл.

сист. давл. (лев. р.)

диаст. давл.

(лев. р.)

сист. давл. (лев. р.)

диаст. давл. (лев. р.)

пр. р.

лев. р.

пр. р.

лев. р.

1.

2.

3.

ср.

5. Оформление лаб. работы

1. Сравните полученные результаты с нормальным давлением крови.

2. Сделайте вывод о состоянии сердечно-сосудистой системы.

Лабораторная работа

Исследование ЗАВИСИМОСТИ вязкости от концентрации.

Вязкость — одна из основных физических характеристик жидкости. Коэффициент вязкости жидкости, в том числе и биологических (крови), широко используется в медицине как один из важнейших показателей сердечно-сосудистой системы в норме, и патологии. Будущим врачам необходимо знать методы измерения коэффициента вязкости и иметь навыки его определения.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Научиться определять вязкость жидкости.

2. Исследовать зависимость вязкости раствора от концентрации.

3. Ознакомиться с практической значимостью определения вязкости биологических жидкостей в медицине.

ИСХОДНЫе ЗНАНИя:

1. Знать особенности молекулярного строения жидкости.

2. Знать характер течения жидкости по трубам.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Понятие внутреннего трения в реальной жидкости. Градиент скорости. Формула Ньютона.

2. Коэффициент внутреннего трения, его физический смысл, единицы измерения.

3. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса.

4. Течение вязкой жидкости по трубам. Закон Пуазейля.

5. Методы определения коэффициента вязкости. Капиллярный метод определения вязкости жидкостей.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 7, с. 113—123.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.2. с. 26-33.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 67—72.

Теоретические предпосылки работы

При движении реальной жидкости или при движении твердых тел внутри жидкости, в том числе при движении крови по сосудам, возникают силы трения. Они проявляются как силы сопротивления перемещению молекул жидкости (слоев) относительно друг друга, т. е. являются силами межмолекулярного взаимодействия. Вязкость (или внутреннее трение) – это свойство жидкостей, газов и твердых тел оказывать сопротивление течению (смещению) при передвижении одной частицы относительно другой.

Ньютон установил, что силы трения пропорциональны площади соприкасающихся слоев (S), градиенту скорости (dv/dx) и зависят от природы жидкости η:

Градиент скорости характеризует быстроту изменения скорости при переходе от слоя к слою жидкости в направлении, перпендикулярном параллельному движению слоев.

В общем случае градиент равен первой производной от функции по координате. Коэффициент пропорциональности η в формуле Ньютона называется коэффициентом вязкости, который численно равен силе трения, возникающей между параллельно движущимися слоями жидкости единичной площади при единичном градиенте скорости (dv/dx).

Единицей измерения вязкости в системе СИ является Паскаль-секунда (Па∙с). 

Внесистемная единица 1 Пз (Пуаз) =0,1 Па∙с.

Если коэффициент вязкости жидкости зависит от природы, температуры и не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называются ньютоновскими. Жидкости, вязкость которых зависит от градиента скорости, относят к неньютоновским.

Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в белковом растворе - плазме. Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Кроме того, при течении крови по сосудам наблюдается повышение числа форменных элементов в центральной части потока, где вязкость соответственно увеличивается. Но поскольку вязкость крови не столь велика, этим явлением пренебрегают и считают ее коэффициент вязкости постоянной величиной.

Различают ламинарное и турбулентное течение реальной жидкости. При ламинарном течении жидкость разделена на слои, которые движутся с различными скоростями не перемешиваясь.

Это движение подчиняется закону Пуазейля и происходит с min затратой энергии. При турбулентном течении скорости частиц беспорядочно меняются, образуют местные завихрения, движение сопровождается шумами, происходит перемешивание жидкости, расходуется дополнительно энергия.

Критерием оценки характера течения жидкости является число Рейнольдса (безразмерная величина):

где ρ – плотность жидкости;

υ – скорость;

D – диаметр трубы, сосуда;

η – вязкость.

Для прямой гладкой трубы Reкр=2300. Если Re < Reкр., характер течения жидкости ламинарный, Re > Re кр  - турбулентный.

В основу метода капиллярного вискозиметра положен закон Пуазейля-Гагена. По которому количество жидкости Q, вытекающей за 1с из трубы радиуса R, длины l и сечения S составит:

Общий объем V жидкости при равномерном ее течении связан с Q формулой: V = Q t, где t – время истечения жидкости.

Подставив значение Q в данную формулу, получим:

 

где р1 –р2 = Δр = ρgΔh – гидростатическое давление столба жидкости, плотностью ρ и высотой Δh. Тогда

                       

Капиллярный метод является относительным, т.е. определение вязкости исследуемой жидкости осуществляется в сравнении с вязкостью стандартной жидкости, например, дистиллированной воды.

Для воды (ρ0, t0, η0) формула (1) примет вид:

                                  

Разделив (1) на (2), получим:

    

                                     

Таким образом, для определения вязкости жидкости необходимо измерить время истечения дистиллированной воды и исследуемой жидкости из одного итого же объема.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что называется внутренним трением или вязкостью жидкости?

2. Каковы причины и как проявляется внутреннее трение?

3. От чего зависит сила внутреннего трения (формула Ньютона)?

4. Что такое коэффициент внутреннего трения, в чем его смысл, единицы измерения?

5. Что такое ньютоновские и неньютоновские жидкости?

6. Относится или нет кровь к ньютоновским жидкостям? Почему?

7. Какое течение жидкости называется ламинарным, турбулентным?

8. Каково условие ламинарного течения жидкости?

9. Что определяется числом Рейнольдса?

9. Что представляет собой формула Пуазейля? Справедлива ли она в случае турбулентного течения жидкости?

10. Методы определения вязкости. Как устроен медицинский вискозиметр?

11. Какова последовательность действий при определении коэффициента вязкости медицинским вискозиметром?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

Установка для определения коэффициента вязкости методом Пуазейля, исследуемые жидкости, дистиллированная вода, капиллярная трубка, секундомер.

Схема работы:

Последовате-льность

действий

Способ выполнения задания

1.Исследование зависимости коэффициента вязкости раствора от его концентрации

1. Залейте в бюретку 20-25 мл дистиллированной воды.

2. Опустите капилляр на 1-2 мм в жидкость, находящуюся в сосуде под бюреткой.

Измерьте время истечения 20 мл воды (от отметки 0 до отметки 20мл) из капилляра. Измерения проведите 3 раза, сохраняя постоянными верхний и нижний уровни жидкости в бюретке.

3. Проведите аналогичные измерения с растворами с плотностями ρ1, ρ2 и ρ3. 

5. Результаты измерений занесите в таблицу 1 (см. ниже).

Таблица 1

Наименование

жидкости

t

(c)

η

(Па·с)

ηср

(Па·с)

Дистиллированная вода

1

-

0,001

2

-

3

-

Раствор №1

1

2

3

Раствор №2

1

2

3

Раствор №3

1

2

3

2. Обработка

результатов

измерений

1. По формуле (3) рассчитайте коэффициенты вязкости и вычислите ηср  для каждого из растворов.

2. Результаты занесите в таблицу 1.

3. Полученную зависимость изобразите графически: η  = f(ρ).

4. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы.

5. Рассчитайте относительную погрешность в каждом эксперименте. Результаты занесите в таблицу. Если ошибка не превышает 10%, метод можно считать освоенным.

Примечание: плотность воды ρН2О=1000 Кг/м3;  плотности растворов ρ1=1022 Кг/м3, ρ2=1045 Кг/м3, ρ3=1067 Кг/м3.

Лабораторная работа

Изучение механических моделей биологических тканей

Во многих разделах и направлениях медицины (космическая медицина, спортивная медицина, судебная медицина, ортопедия и др.) врачу важно иметь представление о пассивных механических свойствах биологических тканей.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Исследование поведения различных моделей тканей при различных режимах деформации.

ИСХОДНЫе ЗНАНИя:

1. Знать виды механических деформаций.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Деформация.

2. Виды деформаций.

3. Механические модели тел.

4. Механические свойства биологических тканей. 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 8, с. 139 - 150.

3. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 89—96.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

Изучению механических свойств биологических тканей в биофизических исследованиях уделяют большое внимание. Исследования взаимосвязи структуры тканей и их механических свойств, особенностей поведения тканей при различных режимах нагрузки позволяют решать конкретные медицинские задачи: разработку материалов для замещения пораженных тканей; оценку механических параметров биологических тканей в норме и при патологии с целью диагностики и др.

Механические свойства твердых тел проявляются при деформациях. Кроме упругой и пластической деформаций, различают также другие виды деформаций.

Упругопластической называется деформация, которая частично сохраняется после прекращения действия внешней силы.

Вязкоупругой называется деформация, которая при действии постоянной силы с течением времени достигает значительной величины, а после снятия нагрузки постепенно исчезает полностью или частично. Этот вид деформации наиболее характерен для полимеров и обусловлен строением их молекул. Для вязкоупругих объектов характерны явления ползучести и релаксации напряжения.

Ползучесть — явление изменения относительной деформации объекта с течением времени при постоянном напряжении: ε = f(t) при σ = const. Процессы, происходящие в полимерах при ползучести, соответствуют течению вязкой жидкости. Исследование ползучести проводят в изотоническом режиме Деформации: в объекте создают постоянное механическое напряжение σ = const (действуют постоянной силой) и изучают зависимость ε = f(t).

Релаксация напряжения уменьшение механического наряжения с течением времени при постоянной величине относительной деформации: σ = f(t) при ε = const.

Рис. 1.

Исследование релаксации напряжения проводят в изометрическом режиме деформации: в объекте создают ступенчатое удлинение и, сохраняя его постоянным (ε = const), изучают зависимость σ = f(t).

При изучении механических свойств любого материала исследуют, прежде всего, зависимость механического напряжения от относительной деформации ε: σ = f(ε) и временные зависимости напряжения σ = f(t) и относительной деформации ε = f(t).

Биологические ткани такие, как мышцы, сухожилия, кровеносные сосуды, костная ткань, представляют собой вязкоупругие системы. Их пассивные механические свойства, проявляющиеся под действием внешней силы, удобно моделировать сочетанием упругих и вязких элементов.

Модель упругого элемента — идеально упругая пружина (рис. 1, а), в которой процесс деформации происходит мгновенно и подчиняется закону Гука:

σ = Е·ε,                                                    (1)

где Е- модуль упругости. На рисунке 1, б изображен график зависимости σ = f(ε); а на рисунке 1, в и г — графики зависимости ε = f(t) в изотоническом и σ = f(t).в изометрическом режимах.

Модель вязкого элемента поршень с отверстиями, движущийся в цилиндре с вязкой жидкостью (рис. 2, а). При движении поршня жидкость протекает через отверстия и создает сопротивление, которое растет пропорционально скорости движения поршня. Относительная деформация вязкого элемента пропорциональна времени t действия внешней силы и зависит от напряжения σ и вязкости η жидкости:

                                                       (2)

На рисунке 2, б, в изображены графики зависимости σ = f  и ε = f(t) в изотоническом режиме.

Рис. 2.

Исследование реформации вязкого элемента в изометрическом режиме невозможно, так как нельзя ступенчато изменить относительную деформацию (мгновенно вытянуть поршень).

Вязкоупругие свойства тел моделируются системами, состоящими из различных комбинаций моделей упругого и вязкого элементов.

Модель Кельвина - Фойгта — параллельное соединение упругого и вязкого элементов (рис. 3, а).

Рис. 3.

При постоянно действующей силе относительная деформация этой модели экспоненциально возрастает со временем. После снятия нагрузки деформация экспоненциально убывает, и через некоторое время система возвращается в исходное состояние (ε = 0) [см. кривую ползучести, приведенную на рис. 3, б].

Модель Максвелла последовательное соединение упругого и вязкого элементов (рис. 4, а). σ

Рис. 4.

В изотоническом режиме (рис. 4, б) пружина мгновенно удлиняется (момент времени t1) до значения, определяемого законом Гука, а поршень движется с постоянной скоростью до тех пор, пока действует постоянная внешняя сила. После снятия нагрузки (момент времени t2) пружина мгновенно сокращается, а положение поршня остается неизменным. В изометрическом режиме (рис. 4, в) пружина после быстрого растяжения начинает сокращаться, вытягивая при этом поршень, т. е. происходит релаксация напряжения.

Модель Зинера — последовательное соединение моделей Кельвина — Фойгта и упругого элемента (рис. 5, а).

Рис. 5.

В изотоническом режиме (рис. 5, б) пружина 1 мгновенно удлиняется до значения, определяемого законом Гука, а пружина 2 удлиняется постепенно по мере вытягивания поршня и ее удлинение имеет нелинейный характер. После прекращения действия внешней постоянной силы пружина  мгновенно сокращается, пружина 2 сокращается постепенно, втягивая поршень в обратном направлении. Таким образом, после снятия нагрузки в модели не сохраняется остаточная деформация. Зависимость деформации от времени имеет сложный характер: она определяется начальным напряжением, модулями упругости пружин 1 и 2 и вязкостью системы. В изометрическом режиме (рис. 5, в) в пружине 1 мгновенно создается напряжение σ0, затем напряжение убывает по экспоненциальному закону, так как происходит постепенное вытягивание поршня и растяжение пружины 2. После прекращения деформации напряжение резко падает до некоторой величины (сокращается пружина 1), а затем плавно убывает до нуля.

Механические свойства биологических тканей обусловлены их строением.

Мышцы. В состав мышц входят волокна коллагена и эластина, поэтому они ведут себя подобно полимерам — в них происходит вязкоупругая деформация. Гладкие мышцы при деформации ведут себя подобно модели Максвелла (см. рис. 3). Для них характерна релаксация напряжения, поэтому они могут сильно растягиваться без особого напряжения, что способствует большей растяжимости полых органов. Скелетные мышцы при деформации подобны модели Зинера (см. рис. 5): при быстром растяжении напряжение в них быстро возрастает, а затем постепенно уменьшается до некоторого остаточного значения. В отличие от модели зависимость σ = f(ε) для скелетной мышцы нелинейная.

Кости. Костная ткань по своим свойствам отличается от мышц. По своему поведению при деформации костная ткань подобна модели Зинера (см. рис. 5). Минеральные компоненты костной ткани обеспечивают ее упругие свойства и быструю деформацию, а органические волокна коллагена — вязкие свойства и определяют ползучесть кости.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение механической деформации.

2. Перечислите возможные виды деформаций.

3. В чем заключаются изотонический и изометрические режимы деформации?

4. Что называется релаксацией напряжения и ползучестью?

5. Укажите модели твердых тел: упругого элемента, вязкого элемента, Максвелла, Кельвина - Фойгта, 3инера и опишите особенности их деформаций.

6. Опишите механические свойства биологических тканей.

Приборы и принадлежности:

Персональный компьютер.

Схема работы

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Исследование поведения механических систем при воздействии нагрузкой.

1. Выберите в окне первую модель (модель упругого элемента). Выберите скорость движения графика. Подведите курсор мыши к метке «0,1» и нажмите левую клавишу мыши. Получите четыре изолнии.

2. Дайте нагрузку: установите курсор мыши на кнопку «PUSH», нажмите левую клавишу мыши и держите ее.

3. Снимите нагрузку: отпустите левую клавишу. действия, аналогичные п. 1.-3., для остальных моделей.

4. Остановите график: подведите курсор мыши к отметке «STOP» и нажмите левую клавишу мыши

5. Зарисуйте в тетрадь все полученные графики (зависимость относительного удлинения от времени и напряжения от времени при действии внешней нагрузки и после снятия нагрузки).

6. Сделайте вывод о поведении элемента при заданных режимах деформации.

7. Проделайте действия, аналогичные п. 1 - 6, для остальных моделей.

2. Выполнение контрольных заданий.

1. Определите модуль упругости ахиллова сухожилия. Ответы занесите в тетрадь.

2. Выполните задания по предложенным моделям. Ответы занесите в тетрадь.

семинар №1

Механические волны. АКУСТИКА

План изучения темы:

1.Уравнение механической волны.

2. Поток энергии и интенсивность волны.

3. Эффект Доплера.

4. Основные физические характеристики звука: интенсивность (сила звука), звуковое давление, акустическое сопротивление.

5. Физические характеристики звукового ощущения: громкость, высота, тембр звука.

6. Закон Вебера - Фехнера. Звуковые измерения.

7. Физические основы звуковосприятия.

8. Аудиометр. Его устройство и принцип работы.

9. Звуковые методы исследования в клинике.

Литература:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 5, с. 87-93; гл. 6, с. 93 - 112.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.4. с. 81-88; гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

Вопросы для самоконтроля:

1. Механические волны. Основные виды механических волн.

2. Уравнение плоской волны. Фаза волны. Фронт волны. Скорость волны. Длина волны.

3. Поток энергии волн. Вектор Умова.

4. Эффект Доплера и его использование для медико-биологических исследований.

5. Что представляет собой звуковая волна?

6. Что такое сила звука, в каких единицах она измеряется?

7. Что такое звуковое давление, как оно связано с интенсивностью звука?

8. Назовите физические характеристики звука. Назовите характеристики слухового ощущения человека. С какими физическими характеристиками они связаны?

9. Что такое абсолютный порог слышимости уха?

10. Закон Вебера - Фехнера.

11. Что такое аудиометрия? Какой график называется аудиограммой?

12. Расскажите об аускультации как звуковом методе диагностики заболеваний в клинике. В чем заключаются принципиальные основы перкуссии?

13.Что такое фонокардиография?

СЕМИНАР №2

Физические вопросы гемодинамики

План изучения темы:

1. Пульсовая волна. Определение скорости кровотока.

2. Модели кровообращения.

3. Работа и мощность сердца.

4. Физические основы клинического метода измерения крови.

5. Определение скорости кровотока.

Литература:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 5, с. 150-163.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.2. с. 33-40.

Вопросы для самоконтроля:

1. Реологические свойства крови.

2. Кровь как неньютоновская жидкость. Влияние физических свойств эритроцитов на вязкость крови.

3. Основные законы гемодинамики.

4. Схема сердечно-сосудистой системы и физические функции каждого ее элемента.

5. Пульсовая волна. Скорость пульсовой волны.

6. Модели кровообращения Франка и Ростона.

7. Основы клинического метода измерения давления крови.

8. Работа и мощность сердца. Аппарат искусственного кровообращения.

9.Ультразвукой и электромагнитный способы определения кровотока.

семинар № 3

Биологические мембраны: строение, физические свойства и перенос веществ

Через клеточные мембраны осуществляется перенос важнейших для организма веществ. Поэтому будущий врач должен хорошо знать процессы, протекающие в мембранах при обмене веществ и фармакологическом воздействии на организм.

План изучения темы:

1. Современные представления о молекулярной структуре биологических мембран. Гидрофобное и гидрофильное взаимодействия молекулярных слоев мембраны. Каналы мембраны. Модели искусственных биологических мембран.

2. Пассивный транспорт веществ в клетках. Транспорт воды. Разновидности пассивного транспорта молекул и ионов через биологические мембраны.

3. Физический механизм активного транспорта. Опыты Уссинга.

4. Роль энергетических процессов (окислительное фосфорилирование) для активного транспорта. Особенности переноса глюкозы, аминокислот, ионов, воды.

5. Физические методы изучения ультраструктуры биологических мембран. Оптическая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, ЭПР, ЯМР.

Литература:

1.Лекции.

2. В.Ф. Антонов и др. Биофизика, М., 2000, гл. 1,2, с. 8-48.

3. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 11, с. 184—203.

4. В.Г. Артюхов, М.А. Наквасина. Биологические мембраны, Воронеж, 2000, гл. 1.

Вопросы для самоконтроля:

1. Строение, модели, функции мембран.

2.Физические свойства и параметры мембран.

3.Подвижность фосфолипидных молекул в мембранах. Латеральная и флип-флоп диффузия в мембране. Принципы рентгеноструктурного анализа. Физические основы ЭПР и ЯМР.

4.Физическое состояние и фазовые переходы липидов в мембранах.

5. Модельные липидные мембраны. Липосомы и их применение в медицине.

6. Пассивный транспорт веществ. Уравнение Нернста-Планка и его выражение для мембраны.

7. Простая диффузия. Уравнение Фика. Коэффициент проницаемости. Особенности переноса воды. Облегченная диффузия.

8. Активный транспорт веществ через мембрану. Уравнение Уссинга. Ионные насосы и их виды.

СЕМИНАР №4

Электрическая активность биологических объектов

Одна из важнейших функций биологической мембраны — генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе возбудимости клеток, регуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, регуляции мышечного сокращения, рецепции. В медицине на исследовании электрических полей, созданных биопотенциалами органов и тканей, основаны диагностические методы: электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Биоэлектрические потенциалы. Мембранные потенциалы и их ионная природа.

2. Микроэлектродный метод внутриклеточного измерения потенциалов.

3. Потенциал покоя в клетках.

4. Потенциал действия. Свойства потенциала действия.

5. Механизм генерации и распространения потенциала действия.

6. Опыты с фиксацией напряжения.

7. Распространение потенциала действия вдоль возбудимого волокна.

Литература:

1. Лекции.

2. В.Ф. Антонов и др. Биофизика, М. Владос, 2000. гл. 5, с.123 - 127.

3. В.Ф. Антонов и др. Практикум по биофизике, М. Владос, гл. 2,. с. 80-86.

2. Рубин А.Б. Биофизика, М. Высшая школа, 1987. т. 2.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется трансмембранной разностью потенциалов?

2. Каким способом можно измерить трансмембранный потенциал в эксперименте?

3. Как формируется потенциал покоя клетки? Каковы соотношения основных ионов на внешней и внутренней стороне мембраны?

4. Понятие об ионных каналах мембраны и их характеристика.

4. Уравнение Нернста для потенциала покоя.

5. Уравнение Гольдмана-Ходжкина -Катца. 

5. Потенциал действия аксона. Основные свойства потенциала действия аксона.

6. Опыты с фиксацией напряжения.

7. Распространение потенциала действия по нервному волокну аксона кальмара и человека.

8. Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита.

семинар № 5

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ. ОСНОВЫ БИОЭЛЕКТРОГРАФИИ.

Процессы жизнедеятельности сопровождаются электрическими явлениями в клетках и тканях. Регистрация биопотенциалов широко используется в диагностических целях для оценки состояния органов и тканей человека.

План изучения темы:

1. Понятие электрографии и ее виды.

2. Теория диполя как физическая основа электрографии.

3. Распределение электрического поля диполя в объемном проводнике.

4. Сердце как токовый диполь. Теория Эйнтховена.

4.Физические основы регистрации ЭКГ. Эквипотенциальные поверхности.

Литература:

1.Лекции.

2. В.Ф. Антонов и др. Биофизика, М., 2000, гл. 5, с. 112-123.

3. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 12, с. 223238.

4. А.Г. Логвиненко, С.В. Логвиненко, И.А. Морозова, Э.А. Щербань. Основы классической электрокардиографии, Белгород, 2001, С. 122.

Вопросы для самоконтроля:

1. Cобственные электрические поля человека (элетромагнитные и акустические).

2. Метод исследования электрической активности органов - электрография.

3. Напряженность и потенциал. Характеристика диполя.

4. Сердце как токовый диполь. Представление об эквивалентном электрическом генераторе органов и тканей.

5. Основные постулаты и допущения теории Эйнтховена.

6. Электрокардиографические отведения. Отведения Эйнтховена.

7. Униполярные отведения Вильсона и усиленные отведения Гольдбергера.

8. . Стандартная электрокардиограмма и ее параметры.

9. Определение направления электрической оси сердца (ЭОС).

семинар № 6

Автоволновые процессы в активных средах

В организме волны возбуждения обеспечивают электромеханическое сопряжение и координацию сокращений мышечных структур, синхронизацию отдельных частей и систем органов, работу двигательного аппарата, осуществляют многие жизненно важные функции.

План изучения темы:

1. Понятие об автоволнах.

2.Сердечная мышца как пример активно-возбудимой среды.

3. Тау-модель распространения возбуждения в сердечной мышце.

4. Особенности распространения автоволн в кольце.

5.Трансформация ритма на неоднородном прямолинейном участке активно-возбудимой среды.

6. Ревербератор.

Литература:

1.Лекции.

2. В.Ф. Антонов и др. Биофизика, М., 2000, гл. 6, с. 127—142.

3. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 11, с. 213-222.

4. А.Г. Логвиненко, С.В. Логвиненко, И.А. Морозова, Э.А. Щербань. Основы классической электрокардиографии, Белгород, 2001, С. 122.

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные функции сердца. Автоматизм. Узлы автоматии.

2. Функция проводимости. Проводящая система сердца.

3. Функция сократимости.

4. Потенциал действия кардиомиоцита и истинных пейсмекеров (водителей ритма).

5. Активно-возбудимые среды. Автоколебания и автоволны в органах и тканях.

6. Тау-модель распространения возбуждения в сердечной мышце.

7. Основные свойства автоволн в активных средах.

8. Трансформация ритма волн возбуждения в сердце.

9. Непрерывная циркуляция волн возбуждения в миокарде.

10. Ревербераторы в неоднородных средах. Свойства ревербераторов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Изучение возможных искажений электрических сигналов в электронных усилителях

ЦЕЛЬ занятия:

1. Исследовать нелинейные и линейные искажения сигналов усилителем.

2.Изучить влияние частотной характеристики усилителя на искажение электрокардиограмм.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 18, с. 320 - 324.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57—62.

ТЕОРЕТИЧЕСКие предпосылки работы:

Усилитель является одним из главных структурных элементов электронных устройств, предназначенных для получения и регистрации параметров медико-биологических объектов. Необходимость его включения в эти устройства обуcловлена тем, что электрические сигналы, возникающие в устройствах съема (биопотенциалы на электродах, электрический ток и напряжение на датчиках), обычно очень малы.

Электронными усилителями называются технические устройства, которые увеличивают электрический сигнал за счет энергии постороннего источника.

На вход усилителя подается входной сигнал х, а с его выхода снимается усиленный выходной сигнал у. Способность усилителя увеличивать подаваемый сигнал количественно оценивается коэффициентом усиления.

Коэффициентом усиления усилителя k называется величина, равная отношению приращения у выходного сигнала к вызвавшему его приращению входного сигнала х:

Если на вход усилителя подается гармонический сигнал, то коэффициент усиления определяется по формуле:

                                                    k=                                                     1)

где хm и уm — амплитуды входного и выходного сигналов.

Основное требование, предъявляемое к усилителям, — отсутствие в них искажений, т. е. совпадение формы выходного и входного сигналов

В зависимости от причин, приводящих к их возникновению, различают нелинейные и линейные искажения

Нелинейные (амплитудные) искажения. Зависимость амплитуды ут выходного сигнала от амплитуды хm входного сигнала называется амплитудной характеристикой усилителя: уm = f(xm) Если коэффициент  усиления не зависит от амплитуды  входного  сигнала (k = const), то уm = kxm и амплитудная характеристика усилителя — прямая линия. В этом случае при подаче на вход гармонического сигнала х = х + +хm sin t  на выходе усилителя образуется также гармонический сигнал y= y0 + ym sin t(рис. 1).

На практике коэффициент усиления принимает различные значения при различных величинах входного сигнала, и линейная зависимость у = kx выполняется только в ограниченной области входного напряжения. Если входной гармонический сигнал выходит за границы линейного участка амплитудной характеристики (рис. 2), то форма выходного сигнала будет

                          

                    Рис.1                                                           Рис.2

отличаться от формы входного, т. е. возникнут искажения, которые называются нелинейными или амплитудными.

При нелинейных искажениях выходной сигнал является периодическим, но не гармоническим. Такой сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний:

y=y0+ ym1 sin 1t + ут2 sin2t+ ym3sin3t + ...,

где ут1 и 1— амплитуда и круговая частота основной гармоники; ут2, ут3 и 2, 3 — амплитуды и круговые частоты новых гармоник.

В результате нелинейных искажений гармонический спектр выходного сигнала отличается от гармонического спектра входного сигнала.

Степень искажения оценивается коэффициентом нелинейных искажений :

                                                                                                   (2)

Для предупреждения возникновения нелинейных искажений необходимо, чтобы входной сигнал не выходил за границы линейной части амплитудной характеристики усилителя.

Линейные искажения. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, сопротивления которых зависят от частоты, то и коэффициент усиления усилителей зависит от частоты.

Частотная характеристика усилителя — это зависимость коэффициента усиления k от частоты ν или круговой частоты сигнала (рис. 3).

                                     k                   

                              kmax

                        kmax / √2

                                                       0    ν1                                        ν2

                                                 Рис. 3

Если на вход усилителя подается периодический, но не гармонический сигнал, который содержит несколько гармоник с различными частотами νx, ν2, ν3, ..., то вследствие зависимости коэффициента усиления от частоты, амплитуды хm1 , хm2 , xm3 … , различных гармоник могут быть усилены в различной степени. В этом случае форма выходного сигнала будет отличаться от формы входного сигнала, т.е. возникают линейные искажения.

Линейными (частотными) искажениями называются искажения, которые возникают при усилении периодического, но не гармонического сигнала, вследствие того, что коэффициент усиления усилителя зависит от частоты.

Принято считать, что уменьшение коэффициента усиления до величины kmax не приводит к искажению сигнала. Диапазон частот vx - v2 на частотной характеристике усилителя, в котором коэффициент усиления изменяется незначительно, называется полосой пропускания усилителя (см. рис. 3). Для предупреждения возникновения линейных искажений необходимо, чтобы частоты всех гармоник входного сигнала находились в пределах полосы пропускания усилителя.

Особенно важное значение имеет предупреждение искажений сигналов в приборах, предназначенных для регистрации биопотенциалов (электрокардиограф, электроэнцефалограф и др.). Биопотенциалы сравнительно медленно изменяются со временем, поэтому в этих приборах используются усилители, полоса пропускания которых лежит в области низких частот.

Амплитуда биопотенциалов сравнительно мала, поэтому при их снятии, усилении и записи могут появляться дополнительные сигналы приборного или биологического происхождения — помехи, может оказаться невозможной регистрация таких потенциалов, особенно если помехи их превосходят.

Одним из способов уменьшения влияния помех является их усреднение. В основе этого метода лежат два факта:

-биопотенциал может многократно повторяться, по крайней мере, в течение некоторого интервала времени, например повторение циклов ЭКГ;

-помеха (приборного или биологического происхождения) случайна, она может быть как положительной, так и отрицательной относительно некоторого уровня. Поэтому при многократном повторении полезного сигнала суммирование помех приводит к нулевому результату, т. е. отклонение суммарной помехи от нуля будет маловероятным.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что такое электронный усилитель?

2. Каковы особенности усиления биоэлектрических сигналов?

3. Дайте определение коэффициента усиления усилителя.

4. Что называется амплитудной характеристикой усилителя?

5. Объясните механизм образования амплитудных искажений.

6. Что называется частотной характеристикой усилителя?

7. Объясните механизм образования частотных искажений.

8. В чем заключается метод «усреднения помехи»?

Приборы и принадлежности:

персональный компьютер.

Схема работы

Последовател-ность действий

Способ выполнения задания

1. Исследование амплитудных искажений гармонического сигнала

1. Ознакомьтесь с расположением информации на экране. Экран разделен на четыре поля, которым присвоены номера: левое верхнее 1, правое верхнее 2, левое нижнее 3 и правое нижнее 4. В поле 4 изображен график временной зависимости входного сигнала: по горизонтальной оси — входная величина х = х0 + xm sint, ось времени t направлена вниз. В поле 2 изображена амплитудная характеристика усилителя. В поле 1 изображен график временной зависимости выходного сигнала у (ось времени направлена справа налево), а также гармонический спектр выходного сигнала. По виду этого спектра можно судить о наличии амплитудных искажений в усилителе, так как в этом случае в спектре кроме постоянной составляющей и основной гармоники содержатся дополнительные гармоники.

2. Задайте такие значения параметров х0 и хm входного сигнала, чтобы выходной сигнал был искаженным, и определите по его гармоническому спектру амплитуды постоянной составляющей у0, основной ут1 и дополнительных ут2, ут3 гармоник.

3. Вычислите коэффициент нелинейных искажений у (см. форм. (2)).

4. Проделайте действия п. 2 и 3 при других значениях xо и xm.

5. Опыт повторите пять раз. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

6. Изменяя значения параметров х0  и хт, определите границы х1 и х2 линейной части амплитудной характеристики. Результаты занесите в тетрадь.

Таблица 1

Значение параметров

x0

xm

y0

ym1

ym2

ym3

1

2

3

4

5

2.Исследование частотных искажений усилителя

1. Ознакомьтесь с расположением информации на экране. В поле 4 в виде таблицы приведены параметры гармонического спектра входного периодического сигнала. В поле 2 изображена частотная характеристика усилителя и совмещенный с ней гармонический спектр входного сигнала. В поле 1 изображена временная зависимость выходного сигнала.

2. Изменяя положение частотной характеристики, определите значения коэффициента усиления при частотах v0 = 0, vx, v2, v3, соответствующих постоянной составляющей и гармоникам входного сигнала;. Вычислите значения у0 и ут1, ут2, ут3 амплитуд постоянной составляющей и гармоник выходного сигнала: ут = kxm (значения х0 и хт1, хт2, хт3  возьмите из таблицы, приведенной в поле 4).

3. Проведите описанные измерения и вычисления при пяти различных положениях частотной характеристики.

4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

5. По данным таблицы 2 изобразите гармонические спектры входных и выходных сигналов.

6. Получите в поле 1 экрана график выходного сигнала, образующегося при подаче на вход усилителя гармонического сигнала, частота которого указана в поле 4.

7. Изменяя частоту v, определите по изменению амплитуды выходного сигнала нижнюю v1 и верхнюю v2 границы полосы пропускания.

8. Полученные значения запишите в тетрадь. В данном задании полосой пропускания считают горизонтальный участок частотной характеристики.

Таблица 2

Положение частотной

характиристики

1

2

3

4

5

v

xm

k

ym

k

ym

k

ym

k

ym

k

ym

3. Исследование влияния частотной характеристики усилителя на искажения электрокардиограмм

1. Ознакомьтесь с расположением информации на экране: в поле 4 изображен входной сигнал электрокардиографа (истинная электрокардиограмма), в поле 1 — выходной сигнал, в поле 3 — частотная характеристика усилителя и совмещенный с ней гармонический спектр входного сигнала.

2. Измерьте высоту h зубцов R иР истинной электрокардиограммы и вычислите отношение .

3. Измерьте hR и hp выходного сигнала при трех положениях частотной характеристики: положение 1 — коэффициент усиления одинаков для всех гармоник, положение 2 — «зарезаются» низкие частоты, положение 3. — «зарезаются» высокие частоты; вычислите для каждого положения отношениевыходного сигнала.

4. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 3.

5. Определите, при каком положении частотной характеристики сигнал ЭКГ усиливается без искажений.

Таблица 3

Зубец ЭКГ

Истинная электрокарди-ограмма

Положение частотной

характеристики

1

2

3

hR

hP

4. Иллюстрация устранения влияния помехи на полезный сигнал 

1. Сравните форму выходного сигнала (поле 1) с входным (полезным) сигналом (поле 4) при его однократном прохождении через усилитель.

2. Запуская многократное повторение входного сигнала (20, 50 и 100 раз), пронаблюдайте изменение вида выходного сигнала.

3. Сделайте вывод о влиянии количества повторений на устранение помехи. 

Лабораторная работа

Изучение работы аппарата низкочастотной терапии «Амплипульс-5»

В настоящее время в медицине получили широкое распространение синусоидально-импульсные колебания низкой частоты и синусоидально-модулированные колебания высокой частоты. Их применяют как для электротерапии, так и в диагностических целях. Поэтому будущий врач должен хорошо знать методы и аппаратуру, которые используются для этого в медицине.

Цель работы:

1. Ознакомиться с принципом работы генераторов гармонических и релаксационных колебаний.

2. Ознакомиться с основными техническими данными физиотерапевтического аппарата "Амплипульс-5", его устройством и принципом работы.

ИСХОДНЫЙ УРОВЕНЬ ЗНАНИЙ:

1. Знать шкалу электромагнитных волн, которые используются для медицинских целей.

2. Знать схему простейшего генератора электрических колебаний.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Характеристика низкочастотных импульсных токов.

2. Высокочастотные импульсные модулированные токи.

3. Применение импульсных токов в медицине.

4. Технические данные прибора «Амплипульс-5».

5. Зависимость между частотой и длительностью импульса.

6. Меры безопасности при работе с приборами «Амплипульс-5».

Литература

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 18, с. 328 - 330.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 87—92.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

 Генераторами (электронными генераторами) называют устройства, которые преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию электромагнитных колебаний различной формы. Большая группа медицинских по назначению аппаратов является конструктивно генераторами разнообразных электрических колебаний.

По принципу работы различают генераторы с самовозбуждением (автоколебательные системы или автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые, по существу, являются усилителями мощности высокой частоты.

Большинство генераторов, применяемых для решения радиотехнических задач, являются генераторами с самовозбуждением: их подразделяют на генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и генераторы импульсных (релаксационных) колебаний.

В медицине электронные генераторы находят три основных применения: в физиотерапевтической электронной аппаратуре; в электронных стимуляторах; в отдельных диагностических приборах, например в реографе.

В современной электротерапии импульсные токи различного характера занимают значительное место и имеют более широкие показатели, чем просто электростимуляция в ее прямом назначении, в частности, при нервных заболеваниях, суставных заболеваниях, расстройстве периферического кровообращения, болевых явлениях и т. д. Для этой цели получили распространение два вида тока: 1) синусоидально-импульсный низкой частоты; 2) синусоидально-модулированный повышенной частоты. Синусоидально-импульсный ток, его часто называют диадинамическим током, представляет импульсы постоянной полярности, по форме близкие к синусоидальным, с длительностью импульса 0,02 сек. при частоте 50 Гц и 0,01 сек. при 100 Гц

Подобный ток можно получить от аппаратов СНИМ-1, Тонус-1 и более современного аппарата серии «Амплипульс».

Синусоидально-модулированный ток представляет переменный или выпрямленный ток частотой 4—5 Гц, модулированный по амплитуде синусоидальными импульсами частотой от 50 до 150 Гц в различных комбинациях.

Рассмотрим процесс модуляции.

Процесс модуляции — это наложение колебаний высокой частоты на низкую (рис. 1). Существует несколько видов осуществления модулированных колебаний:

1) Амплитудная модуляция заключается в том, что амплитуда колебаний волны изменяется по закону низкочастотного процесса, который передается вместе с волной (рис. 2).

       

                              Рис.1.                                    Рис. 2.

Для получения амплитудной модуляции в сеточную цепь лампы генератора (с независимым возбуждением) включается источник «Г» колебаний высокой частоты, которые соответствуют несущей волне. При этом на сетку подается напряжение смещения, которое состоит из накладывающихся на него низкочастотных колебаний передаваемого сигнала.

2) Может быть воспроизведена и частотная модуляция, при которой источник передаваемых сигналов воздействует на генератор так, что частота высокочастотных колебаний изменяется во времени по закону, отражающему форму передаваемого сигнала. В этом случае модулирующие колебания воздействуют на элементы колебательного контура, например, на емкость конденсатора, которая изменяет частоту генерируемых колебаний.

Обратным процессу создания модулированных колебаний является детектирование. Так, например, при амплитудной модуляции высокочастотные колебания выпрямляются и затем с помощью фильтра разделяются на высокочастотную и низкочастотную составляющие (рис. 3).

Рис.3.

Синусоидально-модулированные колебания получают с помощью аппарата «Амплипульс».

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

АППАРАТА «АМПЛИПУЛЬС-5»

Аппарат низкочастотной терапии «Амплипульс-5» состоит из генератора колебаний несущей частоты, генератора модулирующего напряжения низкой частоты, блока питания, амплитудного модулятора, коммутатора коэффициента модуляции, формирователя скорости нарастания и спада тока в сериях, коммутатора рода работ, формирователя длительности и пауз, усилителя мощности, цифрового измерителя тока пациента, процедурного таймера, измерителя тока в цепи пациента, коммутатора режимов.

Генератор ВЧ генерирует напряжение синусоидальной формы частотой 5 000 Гц. Генератор низкой частоты генерирует напряжение синусоидальной формы фиксированных частот 10, 20, 30; 50; 80; 100; 150 Гц. В модуляторе напряжение несущей частоты 5 000 Гц модулируется напряжением низкой частоты. Модулированное напряжение поступает на усилитель, а затем на цепь пациента.

Среднее значение тока в цепи пациента регулируется от 0 до 100 mА. Ток пациента устанавливается плавно в трех диапазонах: 0-100 mА, 0-21 mА, 0-10mА.

При помощи электронного коммутатора производится переключение соответствующих цепей для получения необходимого рода работы:

«1» – непрерывное воздействие током несущей частоты с возможностью выбора различных коэффициентов модуляции и модулирующей частоты;

«2» – прерывистое воздействие серий модулированных колебаний с возможностью выбора частоты и коэффициента модуляции, чередующихся с паузой;

«3» - непрерывное воздействие серий модулированных колебаний с возможностью выбора частоты и коэффициента модуляции, чередующихся с сериями немодулированных колебаний несущей частоты;

«4» - непрерывное воздействие серий модулированных колебаний с возможностью выбора частоты и коэффициента модуляции, чередующихся с сериями модулированных колебаний частотой 150Гц;

«5» - прерывистое воздействие серий модулированных колебаний с возможностью выбора частоты и коэффициента модуляции, чередующихся с сериями модулированных колебаний частотой 150Гци  паузой.

Блок питания подключается в цепь 220 В, частотой 50 Гц.

Внешний вид передней панели аппарата показан на рис.4, где

Рис. 4

1 – цифровое табло «min», отображающее установленное время процедуры;

2 – кнопка «x10»- установка десятков минут времени процедуры;

3 - кнопка «x1»- установка единиц минут времени процедуры;

4 - цифровое табло «mА» – индикация величины установленного тока пациента;

5 – светоизлучающие индикаторы – индикация включенного диапазона тока пациента;

6 - светоизлучающий индикатор – индикация подключения пациента;

7 – кнопка Электроды-контроль –подключение цепи пациента;

8 – кнопочный переключатель режим – выбор режима воздействия;

9 – выходной разъем аппарата – подключение кабеля пациента;

10 – кнопка ток пациента – установка диапазона тока пациента;

11 – ручка - регулятор тока пациента;

12 - светоизлучающие индикаторы – индикация включенного значения длительности серий и пауз;

13 – кнопка длительность – установка длительности серий и пауз;

14 – кнопка частота модуляции - установка частоты модуляции;

15 - светоизлучающие индикаторы – индикация включенного значения частоты модуляции;

16 - кнопка модуляция, % - установка коэффициента модуляции;

17 - светоизлучающие индикаторы – индикация включенного значения коэффициента модуляции;

18 – кнопка род работы – установка видов воздействия;

19 - светоизлучающие индикаторы – индикация включенного рода работы;

20 -  пуск (сброс) – начало отсчета времени процедуры.

Подготовка аппарата «Амплипульс – 5» к работе

Перед началом рабаты необходимо ознакомиться с расположением органов управления и контроля на передней панели аппарата и их назначением (рис.4).

Для проверки работоспособности аппарата установить регулятор тока пациента  в крайнее левое положение, а кнопку Электроды-контроль в отжатое положение. Затем нажать кнопку переключателя РЕЖИМ и присоединить шнур питания к питающей цепи. Клавишу сеть установить в положение «1», при этом должны светиться следующие индикаторы: род работы – «1»; модуляция,% - «0»; частота модуляции - -«1»; длительность – 1:1,5; ток пациента – «10», показание цифрового табло «mA» - 00,0; показание цифрового табло «min» - 00.

Нажать кнопку род работы и, удерживая ее нажатой, убедиться, что происходит последовательное переключение рода работы, о чем будет свидетельствовать последовательный подсвет светоизлучающих индикаторов «1, 2, 3, 4, 5», затем убедиться, что при мгновенном отпускании кнопки сразу после подсвета индикатора, индуцирующего номер выбранного рода работы, происходит его фиксация.

Аналогичным способом проверить и убедиться в нормальном функционировании кнопок модуляция, частота модуляции, длительность, ток пациента.

Установить с помощью кнопки ток пациента диапазон тока пациента «100», ручкой «» установить показание цифрового табло «mA», равное 010, затем с помощью кнопки МОДУЛЯЦИЯ установить коэффициент модуляции «100», при этом показание цифрового табло «mA» должно стать 012-013. С помощью кнопки длительность установить длительность серий и пауз «2:3». Выбрать род работы «3» и убедиться, что происходит автоматическое чередование подсвета индикаторов «100 и «0» с одновременным чередованием показаний цифрового табло «mA» 013-010. Выбрать род работы «4», установить частоту модуляции «20» и убедиться, что происходит автоматическое чередование подсвета индикаторов «20» и «150», а показание цифрового табло «mA» остается неизменным. Выбрать род работы «5» и убедиться, что происходит чередование показаний цифрового табло «mA» 013-010 000.

Установить с помощью кнопки УСТАНОВКА «х1», «х10» показание цифрового табло «min», равное 02, нажать кнопку ПУСК (СБРОС) и убедиться, что на цифровом табло «min» вспыхивают обе запятые, а по истечении одной минуты показание цифрового табло «min» уменьшится на единицу, после истечения еще одной минуты аппарат должен выдать прерывистый звуковой сигнал, показание цифрового табло «min» должно стать 00, а показание цифрового табло – 000.

Вращая ручку регулятора тока «», убедиться, что регулировка (установка») тока пациента стала невозможной. Установить ручку регулятора тока «» в крайне левое положение, а затем, вращая ее вправо, убедиться по показаниям цифрового табло «mA», что ток пациента снова устанавливается. Установить ток пациента 10 , а затем установить ручку регулятора тока «» в крайне левое положение.

Нажать кнопку Электроды-контроль и убедиться, что индикатор светится. Вращая установить ручку регулятора тока «», убедиться по показаниям цифрового табло «mA», что ток пациента регулируется.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1.Объясните принцип работы генератора гармонических электрических колебаний.

2.Объясните принцип работы генератора импульсных (релаксационных) колебаний.

3.В чем заключается особенность применения электронных стимуляторов?

4. Какие приборы используются для получения синусоидально-модулированных токов?

Объясните принцип работы аппарата «Амплипульс-5»: а) подготовка аппарата к работе; б) порядок работы прибора; в) формы сигналов, получаемых на выходе аппарата.

5. В чем заключается первичное воздействие синусоидально-модулированных электрических колебаний на биологические ткани?

Приборы и принадлежности: аппарата "Амплипульс-5", электронный осциллограф, электроизмерительный прибор (вольтметр переменного тока)

Схема работы:

Последовательность

действий

Способ выполнения задания

1. Изучение общей характеристики работы аппарата с использованием осциллографа.

1 Включите осциллограф и Амплипульс-5 согласно собранной схемы.

2. Включите на аппарате Амплипульс-5: род работы – «1»; модуляция,% - «0»; частота модуляции, Hz – «20»; длительность,s – 1:1,5; ток пациента – 10; режим работы –“”.

3. Нажмите кнопку “Электроды“ и ручкой ““ (регулятор тока пациента) установить ток равный 0,04.

4. Извлеките планшет “Род работы” и получите на экране осциллографа все формы выходных напряжений, изображенных на планшете (cм. раздел “Подготовка к работе”). Зарисуйте их.

5. Получите на экране осциллографа несколько иных, нежели на планшете, форм выходных напряжений. Зарисуйте их и объяснить, как они получены.

2. Изучение влияния степени модуляции на форму и величину амплитудного значения напряжения выходного сигнала.

1. Осуществите калибровку осциллографа. Для этого подайте с аппарата сигнал: род работы – «1»; модуляция,% - «0»; частота модуляции, Hz - -«20»; длительность,s – 1:1,5; сила тока, mA – 00,4. Параллельно к осциллографу подключить вольтметр (переменный ток на 10 В). Управляя регуляторами на панели осциллографа, добиться того, чтобы сигнал на панели осциллографа укладывался симметрично относительно центра по оси ОХ на 4 большие клетки и по оси ОY на две. Сопоставляя изображение на экране осциллографа по оси ОY и показания вольтметра, прокалибруйте шкалу оси ОY в вольтах (оценить скольким вольтам соответствует одно малое деление осциллографа).

2. Установите модуляцию 25%, частоту модуляции 20 Нz. Оцените амплитудные (Umaх и Umin) значения выходного сигнала. Полученные данные занесите в таблицу 1.

3. Проделайте то же упражнение при всех других значениях модуляции выходного сигнала (50%, 75%, 100%,>100%). Зарисуйте все наблюдаемые на экране осциллографа формы выходных сигналов аппарата. Сделайте общие выводы по полученным результам.

Таблица 1

Модуляция,

%

0

25

50

75

100

>100

Umaх

Umin

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗУЧЕНИЕ АППАРАТА УВЧ-ТЕРАПИИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Воздействие УВЧ электрического поля на ткани организма вызывает позитивные изменения функционального состояния клетки и поэтому широко применяется для лечения многих заболеваний, являясь методом физиотерапии.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Ознакомиться с физическими основами высокочастотной терапии и принципом работы аппарата УВЧ-терапии.

2. Исследовать тепловое воздействие УВЧ электрического поля на диэлектрики и электролиты.

ИСХОДНЫЙ УРОВЕНЬ ЗНАНИЙ:

1. Иметь понятие о поляризации и ее видах.

2. Знать определение электрического диполя и его характеристики.

3. Иметь понятие об электрическом поле и его характеристиках.

4. Иметь понятие об электрическом резонансе.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Устройство и принцип работы генератора электрических колебаний.

2. Принципиальная схема аппарата УВЧ-терапии.

3. Устройство и основные блоки аппарата УВЧ-терапии.

4. Использование магнитных и электрических полей высокой частоты в медицине.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 15 с 291-293, гл. 18, с. 331 - 332.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

Ответная реакция живой системы на внешние электромагнитные воздействия может происходить на различных структурных уровнях живого организма — от молекулярного и клеточного уровня до системного. Чувствительность живых систем к внешним электромагнитным колебаниям зависит в первую очередь от диапазона частот и интенсивности (мощности) колебаний

Условно доступный для изучения диапазон электромагнитных явлений подразделяется на 3 участка, в пределах каждого из которых имеются специфические особенности воздействия электромагнитных полей на биологические системы: а) постоянные и низкочастотные поля; б) ВЧ-диапазон (метр, дм и см волны); в) КВЧ (миллиметр).

Высокочастотные электрические колебания и электромагнитные волны принято подразделять по частоте на следующие диапазоны: высокой частоты (ВЧ) — от 0,2 МГц до 30 МГц; ультравысокой частоты (УВЧ) — от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокой частоты (СВЧ) — свыше 300 МГц.

Медицинские приборы, в которых используются электрические колебания диапазонов ВЧ и УВЧ, построены на одном общем принципе, который легко понять из простейшей схемы, изображенной на рис. 1

Рис. 1.

Терапевтический контур состоит из катушки Lk, индуктивно связанной с катушкой LА колебательного контура генератора, конденсатором переменной емкости Ск и электродами Э. Электроды представляют собой в электрическом отношении либо емкость, либо индуктивность, либо и то, и другое. Т. е. терапевтический контур есть просто колебательный контур, в котором создаются вынужденные колебания с частотой изменения ЭДС индукции, наводимой в катушке Lк, т. е. с частотой колебаний генератора.

Для того, чтобы в терапевтический контур отдавалась существенная часть энергии и на электродах создавались значительные электрические или магнитные поля, необходимо настроить его на резонанс, изменяя емкость переменного конденсатора Ск. Такая настройка производиться в начале каждой процедуры заново, поскольку емкость системы «электроды-пациент» будет всякий раз разной. Другая важная функция терапевтического контура – обеспечение электробезопасности. Индуктивная связь исключает попадание пациента под высокое напряжение, которое есть в собственной цепи генератора.

Широкое применение электромагнитные волны высокочастотного диапазона нашли применение в медицине именно благодаря тепловому воздействию. Преимущество такого метода состоит в том, что при традиционном нагревании, например, от грелки, тепловая энергия поступает в организм путем теплопередачи, поэтому ткани нагреваются неравномерно. Согреваются главным образом кожа и прилегающая к ней жировая клетчатка, а также поверхностно расположенные мышцы, тогда как температура более глубоких тканей в организме (мышц, суставов) почти не изменяется.

Чтобы на несколько градусов повысить температуру в глубоко расположенных тканях, на поверхность тела следовало бы поместить источник тепла с t 70—80°С, что невозможно из-за опасности ожогов и сильной боли.

В зависимости от используемой в терапии частоты колебаний, различают методы: диатермия (0,5—2,0 МГц), индуктотермия (10-15 МГц), УВЧ-терапия (40-50, 68 МГц), микроволновая терапия (1О2-1О5 МГц).

При терапевтической диатермии используется воздействие электрическим током высокой частоты на глубинные токопроводящие ткани, где выделяется джоулево тепло. При этом металлические электроды непосредственно накладываются на обнаженные поверхности тела без прокладок.

При индуктотерапии ткани организма подвергаются действию высокочастотного магнитного поля, которое образуется током, проходящим по спирали из гибкого кабеля, охватывающей соответствующую область тела. Высокочастотное магнитное поле вызывает в тканях (преимущественно в электролитах) вихревые электрические токи, энергия которых переходит в тепло. При УВЧ-терапии используется электрическое поле высокой частоты вызывающей в диэлектриках токи смещения, в электролитах — токи проводимости. Максимальный тепловой эффект в диапазоне УВЧ-терапии наблюдается в диэлектриках.

Выделяющееся в тканях тепло приводит к повышению температуры в локальной области, а это, в свою очередь, приводит к ускорению и смещению химических реакций, что, в свою очередь, позволяет организму самостоятельно восстанавливать функции организма без химического и физического вмешательства.

В онкологических клиниках используется СВЧ-гипертермия: локальный нагрев опухоли (до температуры 42—45°С) на фиксированной частоте излучения с целью торможения роста или рассасывания опухоли.

Кроме перечисленных методов, известны такие, как диатермокоагуляция и электрохимия — хирургические методы сваривания и рассечения тканей с той же частотой тока, что и при диатермии. При этом один из электродов (активный) имеет форму шарика, плотно прижимаемого к ткани, в месте касания создается максимальная плотность тока, вызывающая свертывание белков. При микроволновой терапии используются колебания СВЧ. Она широко применяется в стоматологии при лечении острых воспалительных процессов во рту и челюстно-лицевой области

Помните, что для организма вредны интенсивные электромагнитные колебания в любом диапазоне частот с плотностью мощности, превышающей 10 мВт/см2.

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ:

Запрещается:

1. Браться за держатель при работающем приборе.

2. Прислонять электроды к коже.

3. Длительное время держать прибор включенным.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Объясните принцип работы однотактного генератора электрических колебаний.

2. Объясните принцип работы двухтактного генератора, назовите его преимущества.

3. В чем смысл резонанса (применительно к колебательному контуру)?

4. Каково значение терапевтического контура?

5. Объясните принцип действия ВЧ-, УВЧ-, СВЧ-колебаний?

6. Какие существуют методы лечения токами и полями ВЧ и УВЧ?

7. Охарактеризуйте особенности воздействия электрических полей на ткани организма в каждом из методов.

8. Почему для прогрева тканей используются токи и поля высокой частоты? Можно ли использовать для этого низкие частоты?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: аппарат УВЧ-терапии, растворы диэлектрика и электролита, термометры, индикаторная (неоновая лампа).

Схема работы:

Последовательность

действий

Способ выполнения задания

1. Проверка работоспособности аппарата и подготовка его к работе в режиме УВЧ электрического поля.

1 Включите кнопку сеть, при этом загорается сигнальная лампа зеленого цвета. Прогрейте аппарат в течение 2 мин.

2. Поверните ручку процедурных часов из положения «0» по часовой стрелке до отметки «25или30», при этом должен прослушиваться характерный звук работающего часового механизма.

3. Включите высокочастотный генератор, переведя ручку переключателя МОЩНОСТЬ из положения «0» в положение «1», при этом на панели загорается одна из двух сигнальных ламп оранжевого или желтого цвета.

4. Выдержите 1-2 мин, чтобы отработала система автоматической настройки выходного контура, о чем свидетельствует попеременное мигание сигнальных ламп.

5. Поверните ручку процедурных часов против часовой стрелки до отметки «5».

6. Установите мощность из положения «1» в положение «3».

ВНИМАНИЕ! Работоспособность аппарата проверять на ступенях мощности не выше третьей.

7. Наблюдайте в течение 5 мин попеременное свечение сигнальных ламп и продвижение стрелки процедурных часов к отметке «0».

8. Визуально убедитесь в наличии поля УВЧ, для чего внесите индикатор настройки (неоновая лампа на держателе) в промежуток между рабочими поверхностями электродов. Аппарат работает нормально, если лампа индикатора настройки светиться  достаточно ярко.

9. Пронаблюдайте автоматическое отключение аппарата, о чем свидетельствует звуковой сигнал процедурных часов и прекращение переключения сигнальных ламп. Стрелка часов должна возвратиться на отметку «0».

10. Визуально убедитесь в отсутствии поля УВЧ, для чего внесите индикатор настройки между рабочими поверхностями электродов. Аппарат работает нормально, если лампа индикатора настройки не светиться.

11. Установите ручку переключателя МОЩНОСТЬ из положения»3» в положение «0».

2. Изучение теплового действия электрического поля УВЧ на диэлектрики и электролиты.

1. Поместите сосуды с раствором поваренной соли (электролит) и касторовым маслом (диэлектрик) между электродами аппарата УВЧ.

2. Измерьте исходную температуру жидкостей в сосудах. Полученные данные занесите в таблицу 1

3. Включите аппарат.

4. Снимайте показания термометров через каждые 3 мин в течение 15 минут. Полученные результаты занесите в таблицу 1.

5. Постройте графики зависимости изменения температуры со временем для обеих жидкостей τ =f(tоС). Сделайте общие выводы по полученным результатам.

Таблица 1

Время в минутах

Температура (tоС) электролита

Температура (tоС) диэлектрика

0

3

6

9

12

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Импульсный сигнал: применение в медицине

Импульсные токи нашли широкое применение в медицине как стимуляторы нервно-мышечной системы. Поэтому врачу необходимо знать физические характеристики электрических импульсов и приборы, используемые в качестве генераторов импульсного тока

ЦЕЛЬ занятия:

1. Изучить прямоугольные импульсные сигналы, исследовать прохождение их через дифференцирующую и интегрирующую цепи.

2. Ознакомиться с применением импульсных токов в медицине.

ИСХОДНЫЙ УРОВЕНЬ ЗНАНИЙ

1. Параметры импульсного тока: амплитуда, период, частота, длительность импульса.

2. Назначение, устройство и принцип работы осциллографа.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Электрические (электромагнитные ) колебания.

2. Импульсный сигнал и его параметры.

3. Изменение формы импульсного сигнала при прохождении им линейной цепи.

4. Роль факторов силы тока и времени для стимуляции тканей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 1987, гл. 14, с. 278 - 290.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 77-82.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

В настоящее время в медицине используются электрические импульсные сигналы с лечебной и диагностической целью. Применение электрических импульсов основано на их способности оказывать стимулирующее воздействие на биологические ткани, нервно-мышечный аппарат, центральную нервную систему

Электрическим импульсом называется кратковременное изменение электрического напряжения или силы тока. Повторяющиеся импульсы называют импульсным током.

В импульсных устройствах для электростимуляции используют сигналы различной формы: прямоугольные, трапецевидные, треугольные, экспоненциальные, колоколообра.зные, ступенчатые, пилообразные и др. (рис. 1)

Рис. 1.

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения (рис. 2)

f = 1/T

Рис.2.

Отношение периода Т к длительности импульсов τu называют скважностью: Q = Tu

Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения

К = 1/Q = fτu

Рис. 3.

Приведенные на рис. 1 импульсы идеализированы. Реальные импульсы искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины. Для уменьшения возможной погрешности условились выделять моменты времени, при которых напряжение или сила тока имеют значения 0,1Umax и 0,9Umax, где Umax – амплитуда, т.е. наибольшее значение импульса. Реальные импульсы характеризуются следующими основными параметрами (рис. 3):

- амплитудой импульса Umax,

- длительностью фронта импульса τф, временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 Umax,

- длительностью среза импульса от 0,9 до 0,1Umax —τср..

Отношение

Кф = (0,9 Umax - 0,1Umax) ср = 0,8 Umax/ τср

называется крутизной фронта.

Во многих случаях для изменения формы прямоугольных импульсов применяют дифференцирующую или интегрирующую цепь. Эти названия связаны с тем, что при подаче на вход этой цепи напряжения, изменяющегося во времени как некоторая функция U = f(t), напряжение на выходе будет меняться приблизительно как ее производная или как интеграл от этой функции.

Простейшая дифференцирующая цепь состоит из последовательно включенного конденсатора С и параллельно включенного резистора R.

Если на вход цепи подан прямоугольный импульс напряжения (U = const), то напряжение на выходе U = IR, т. е. повторяет по форме экспоненциальные импульсы при зарядке и разрядке конденсатора. Таким образом, форма выходного сигнала дифференцирующей цепи всегда имеет «остроконечную конфигурацию». Форма же выходного импульса интегрирующей цепи всегда имеет «овальную конфигурацию».

ЭЛЕКТРОСТИМУЛИРУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА

Раздражение электрическим током определенного характера и силы у большей части органов и тканей вызывает такую же реакцию, как и естественное возбуждение. Применение электрического раздражения для изменения функционального состояния клеток, органов и тканей называется электростимуляцией

В основе действия электрического тока на ткани организма лежит движение заряженных частиц, преимущественно ионов тканевых электролитов, в результате которых происходит деполяризация клеточной мембраны

Раздражение вызывается при изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение происходит (закон Дюбуа — Реймона). Учитывая, что сила тока i = dq/dt в растворе электролита зависит как от числа движущихся ионов, так и от скорости их перемещения, скорость изменения силы тока di/dt = d2q/dt2 следует сопоставить с их ускорением. Поэтому можно считать, что раздражающее действие тока обусловлено ускорением при перемещении ионов тканевых электролитов.

Поскольку раздражающее действие свойственно быстрым изменениям силы тока, для электростимуляции используются электрические импульсы, представляющие кратковременное изменение тока или напряжения. Применяются одиночные импульсы, посылки (серии), состоящие из определенного числа импульсов, а также импульсы, повторяющиеся ритмически с определенной частотой.

Раздражающее действие одиночного импульса тока зависит от его формы (преимущественное значение имеет крутизна нарастания tg a), длительности tu и амплитуды, которые являются его основными характеристиками.

При физиологических исследованиях чаще применяются импульсы прямоугольной формы, но следует иметь в виду, что емкостные свойства тканей могут вызывать изменение формы импульсов тока (рис. 5, кривая 2) по сравнению с формой импульсов напряжения (рис. 4, кривая 1).

                   Рис. 4.                                                          Рис. 5.

Раздражающее действие прямоугольных импульсов в значительной мере зависит от их длительности, обусловливающее наибольшее смещение ионов за время действия импульса.

Согласно закону Дюбуа — Реймона, раздражающее действие тока зависит от скорости нарастания его мгновенных значений, т. е. от крутизны переднего фронта импульса. Это связано со свойством возбудимых тканей повышать порог («приспосабливаться») к постепенно нарастающей силе раздражения. Это свойство тканей называется аккомодацией и характеризуется снижением порогового тока in npи возрастании крутизны переднего фронта одиночных достаточно длительных импульсов. Исследование аккомодации производится с помощью треугольных и трапецеидальных импульсов с регулируемой крутизной переднего фронта.

В лечебной практике используются четыре основные формы импульсных токов.

1. Ток с импульсами прямоугольной формы (ток Ледюка). Длительность импульсов может колебаться от 0,1 до 4,0 м/с, а частота от 1 до 160 Гц. Применяют в методиках электросна, электроанальгезии и электростимуляции (в т.ч. и транскраниальной).

2. Ток с импульсами остроконечной (треугольной) формы. Раньше был известен под названием фарадического, а теперь, используемый при частоте 100 Гц и с длительностью импульсов 1-1,5 м/с, называют тетанизирующим. Применяют в электродиагностике и электростимуляции.

3. Ток с импульсами экспоненциальной формы (ток Лапика). Характеризуется пологим подъемом и спуском, имеет частоту от 8 до 80 Гц, длительность импульса – от 1,6 до 60 м/с. Используется в электродиагностике и электростимуляции.

4. Ток с импульсами синусоидальной или полусинусоидальной формы..

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какими параметрами характеризуется импульсный ток?

2. Какие формы импульсных токов используются в медицине?

3. Как изменится форма прямоугольного импульса при прохождении RC-цепи?

4. При каких условиях RC-цепь является дифференцирующей?

5. При каких условиях RC-цепь являетсяинтегрирующей?

6. В чем заключается метод диадинамотерапии?

7. В чем заключается метод электростимуляции?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: осциллограф, генератор прямоугольных импульсов, источники переменного электрического тока, вольтметр, резистор, конденсатор переменной емкости.

Описание установки

В работе для получения импульсного тока прямоугольной формы используется звуковой генератор, являющийся источником прямоугольных импульсов (ИПИ). Питание звукового генератора осуществляется от сети через трансформатор (ТР). Импульсы прямоугольной формы направляются на RC-цепь, составленную из «магазина сопротивлений» и конденсатора переменной емкости. Указанная цепь работает и как дифференцирующая, и как интегрирующая-это можно осуществлять подключая электронный осциллограф (ЭО) к определенным точкам RC-цепи.

Схема наблюдения на экране ЭО прямоугольных электрических импульсов (рис. 6)

Рис. 6

Принципиальная схема включения дифференцирующей цепи (ЭО подключен к R (рис. 7).

Рис. 7

Интегрирующая цепь (ЭО отключить от R, а подключить к обкладкам конденсатора (С) (рис. 8).

Рис. 8

Схема работы:

Последовательность

действий

Способ выполнения задания

1Получение импульсов прямоугольной формы и определение их параметров

1 Включите осциллограф в сеть, получите на экране ЭО горизонтальную линию длинной 5-7 см (с помощью «усилениеХ».

2. Включите в сеть схему (рис.6)”, на экране появится прямоугольный импульс.

3. Установите с помощью ручки «усиление У» амплитуду 2-3 см  4. Определите амплитуду Iо , длительность импульса tи и паузы tо в мм, учитывая, что частота переменного тока в сети ν = 50 Гц, получается Т=1/50 , т.е. Т=0,02с.

5. Вычислите tи и tо в секундах.

2 Исследование прохождения прямоугольных импульсов через дифференцирующую цепь

1. Включить цепь согласно схеме (рис.7)

2. Наблюдайте на экране ЭО различную форму импульсов, изменяя сопротивление R (при С = const). Зарисуйте картины при трех любых значениях сопротивления.

3. Вычислите для каждого случая длительность импульса tи и постоянную времени цепи τ (τ = RC). Сделайте общие выводы по полученным результам.

3. Исследование прохождения прямоугольных импульсов через интегрирующую цепь

1. Включить цепь согласно схеме (рис.8)

2. Установите определенную амплитуду  прямоугольного импульса. С помощью вольтметра определите Uэфф, а Umax рассчитайте по формуле

3. Определите время нарастания переднего фронта импульса (в мм, а затем в секундах) в зависимости от сопротивления R. Зарисуйте картины для пяти последовательных значений сопротивления R, данные занесите в табицу 1.

4. Рассчитайте для всех импульсов, прошедших интегрирующую цепь, значения крутизны фронта и коэффициенты заполнения. Сделайте общие выводы по полученным результам.

Таблица1

R, Oм

τф

τи

Кф

Кз

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ показателя преломления жидкости методом рефрактометрии

Рефрактометры нашли широкое применение в медико-биологических исследованиях. Разработаны методики рефрактометрического определения содержания белка в сыворотке крови, основанные на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Изучить рефрактрометрический метод определения показателя преломления жидкости.

2. Исследовать зависимость показателя преломления раствора от его концентрации [ n=f(C)].

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Рефракция. Законы рефракции.

2. Физический смысл показателя преломления.

3. Явление полного внутреннего отражения и его применение в медицине.

4. Условие определения предельного угла полного внутреннего отражения.

5. Рефрактометр. Устройство и принцип работы

ЛИТЕРАТУРА

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл.21, с. 403 - 405.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.10. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57-62.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

При переходе световой волны из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения и длины волны (частота колебаний остается без изменений). Если лучи света падают на границу раздела сред под некоторым углом α, то направление их во второй среде изменяется и равно β.

Угол α, образованный лучом падающим и перпендикуляром, восстановленным в точке падения к поверхности раздела сред, называется углом падения луча (рис. 1). Угол β, образованный лучом преломления и перпендикуляром в точке падения, называется углом преломления (рис. 1).

Рис. 1

Явление преломления светового луча на границе раздела двух сред, называется рефракцией.

Взаимное геометрическое расположение лучей падающего и преломленного определяется законами преломления:

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных 2-х сред, равная отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды.

где n1,2 –относительный показатель преломления

где v–скорость света в среде.

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, то при максимальном угле падения α = 900 свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла βпр, который называется предельным углом преломления (рис.2).

Рис. 2

Явление, при котором луч идет из среды более плотной в менее плотную под углом больше предельного, называется полным внутренним отражением. Предельным углом полного внутреннего отражения называется такой угол падения, которому соответствует угол преломления, равный 90° (рис.3).

Рис. 3

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это свойство нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ: рефрактометрах, используемых для определения чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ.

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы, сделанные из одного и того же сорта стекла. Призмы соприкасаются гипотенузными гранями.

Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить.

Луч света от источника направляется на матовую грань призмы, где свет рассеивается и из призмы (оптически более плотной среды) выходит под различными углами в жидкость (оптически менее плотную среду). Лучи, падающие на жидкость под углом больше предельного, испытывают полное отражение и выходят через вторую боковую грань призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, окажется разделенным на светлую и темную части.

Положение границы раздела определяется предельным углом полного отражения.

Устройство рефрактометра УРЛ.

Конструктивно прибор состоит из двух основных частей: верхней – корпуса, нижней – основания.

К корпусу прибора крепятся камеры: верхняя и нижняя. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жестко закреплена на корпусе. Верхняя же камера, заключающая в себе осветительную призму , соединена с нижней и может поворачиваться относительно ее. Нижняя и верхняя части камеры имеют окна. На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель, свет от которого может быть направлен в одно из окон камер.

На оси прибора укреплены:

- рукоятка с окуляром и настроечным механизмом, облегчающим совмещение границы светотени с перекрестием сетки;

- лимб дисперсии для устранения окрашенности границы светотени, наблюдаемой в окуляр;

- механизм наведения, находящийся внутри корпуса, который вместе с рукояткой может поворачиваться на оси вдоль шкалы.

На передней стенке основания расположен выключатель для включения осветителя.

На боковой стенке расположен шнур с вилкой для подводки питания от сети.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какой угол называется углом падения?

2. Какой угол называется углом преломления?

3. Сформулируйте закон преломления.

4. Что называется относительным (абсолютным) показателем преломления?

5. Какая характеристика световой волны не изменяется при переходеволны 6. из одной среды в другую?

7. Что является причиной изменения направления распространения световой волны при переходе из одной среды в другую?

8. В чем заключается явление полного внутреннего отражения? При каких условиях оно наблюдается

9. Дайте понятие предельного угла полного внутреннего отражения.

10. Из чего состоит оптическая система действия рефрактометра?

11.Что такое волоконная оптика. Применение волоконной оптики в медицине?

12. С какой целью используется рефрактометр в медицине?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Рефрактометр, стеклянная палочка с оплавленным концом, водные растворы сахара, водные растворы NaCI известных концентраций, раствор NaCI неизвестной концентрации, дистиллированная вода.

Схема работы:

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Проверка установки нуль-пункта рефрактометра.

Проверку и установку на нуль – пункта необходимо проводить по дистиллированной воде и при температуре 20 ±0,1о С.

1.Откройте верхнюю камеру и промойте дистиллированной водой поверхности измерительной и осветительной призм и насухо протрите тканью.

2. Оплавленным концом стеклянной палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру.

3.Смещая осветитель, луч света направьте в окно верхней камеры.

4. Перемещая рукоятку с окуляром вдоль шкалы  вверх и вниз, ввести в поле зрения границу светотени.

5. Установите вращением гайки окуляра по глазу наблюдателя резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки.

6.Устраните окрашенность границы светотени вращением рукоятки дисперсионного компенсатора.

7. Поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси, получите максимально контрастную границу светотени.

8. Границу светотени, перемещая рукоятку, подведите к центру перекрестия сетки. Если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла через отметку шкалы   nж=1,33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль-пункт установлен правильно.

9. Установку нуль-пункта проверьте два-три раза путем смещения рукоятки границы светотени и повторной подводкой ее к перекрестию сетки.

2. Измерение показателя преломления и концентрации водных растворов сахара.

1. На нижнюю призму поочередно нанесите растворы сахара различной концентрации.

2. Совместите визир с границей свет-тень и определите по левой шкале показатели преломления исследуемых растворов (nж). Для каждого раствора измерение показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Одновременно с определением nж по правой шкале определите концентрацию (С) сахара в растворах. Результаты занесите в таблицу 1.

Таблица 1

Растворы различной концентрации

Раствор №1

Раствор №2

Раствор №3

Водные растворы сахара

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

Концентрация сахара, определенная по прибору.

С1 = 

С2 =

С3 =

Сср =

С1 = 

С2 =

С3 =

Сср =

С1 = 

С2 =

С3 =

Сср =

3. Исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации.

1. Определите аналогичным способом показатели преломления  трех водных растворов NaCI известных концентраций (5%, 10%, 15%) и одного с неизвестной концентрацией.

2. Для каждого раствора измерения показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

3. Постройте график зависимости n =f(C) и по нему определите концентрацию NaCI исследуемого раствора Сх и внесите результат в таблицу 2 .

2. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы.

Таблица2

5% раствор NaCI

10% раствор NaCI

15% раствор NaCI 

Раствор NaCI неизвестной концентрации

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

n1 =

n2 =

n3 =

nср =

Сх=

Примечание. После проведения измерений необходимо открыть верхнюю камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно опустить верхнюю камеру прибора. Прибор выключить.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Защита от ионизирующего излучения

ЦЕЛЬ занятия: 

1. Изучить ослабление ионизирующего излучения в различных веществах.

Исходный уровень знания:

1. Знать виды механических колебаний.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 28, с. 536 - 541.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 157—162.

ТЕОРЕТИЧЕСКие предпосылки работы:

Ионизирующее излучение представляет собой потоки частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул этого вещества. К ионизирующим излучениям относятся потоки электронов, позитронов, протонов, нейтронов и других элементарных частиц, ос-частиц, а также гамма- и рентгеновское излучения.

При взаимодействии ионизирующего излучения с молекулами органических соединений могут образовываться высокоактивные возбужденные молекулы, ионы, радикалы. Взаимодействуя с другими молекулами биологических систем, они вызывают разрушение мембран, клеточных ядер и, следовательно, приводят к нарушению функций организма.

Для количественной оценки энергии, полученной облученным веществом, вводят понятие поглощенной дозы излучения, численно равной отношению энергии ионизирующего излучения, переданной элементу вещества, к массе этого элемента.

Экспозиционная доза – это общее количество радиоактивного излучения, достигающего вещества. Экспозиционная доза определяется для гамма- и рентгеновского излучения как общее количество ионов, образуемых в единице массы сухого воздуха в стандартных условиях (00C, 760 мм.рт.ст.) при действии на него указанных видов излучения. Единицей измерения экспозиционной дозы является кулон на килограмм [кл/кг]. Но более удобной единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р). 1 Рентген равен 2,58*10-4 Кл/кг, что составляет приблизительно 2 миллиона пар ионов на 1 см3 воздуха.

Различные излучения при одной и той же поглощенной дозе оказывают разные воздействия на биологические объекты, поэтому принято сравнивать биологический эффект различных излучений с эффектом, вызываемым рентгеновским или γ-излучением, при одинаковой поглощенной дозе.

Количественно биологическое действие ионизирующего излучения оценивается эквивалентной дозой Н:

                                 H=kD,                                                                   (1)

где k коэффициент качества, представляющий собой безразмерную величину, показывающую, во сколько раз эффективность биологического действия данного излучения больше, чем рентгеновского или γ-излучения при той же поглощенной дозе.

Доза, отнесенная ко времени , называется мощностью дозы. Согласно (1) мощность эквивалентной дозы равна:

                                                                                                 (2)

При распространении ионизирующего излучения в веществе происходит его ослабление, которое описывается экспоненциальным законом (рис. 1):

                                            I = I0 e-μx,                                                   (3)

где I0 — интенсивность падающего излучения, I интенсивность излучения, прошедшего расстояние х в веществе, μ — линейный коэффициент ослабления.

Часто используют массовый коэффициент ослабления μm

                                         ,                                                           (4)

где р — плотность вещества.

Рис.1.

Ослабление интенсивности можно охарактеризовать отношением I/I0 или обратной величиной I0 /I — кратностью ослабления (КО).

Толщина слоя вещества, при прохождении которого интенсивность ионизирующего излучения уменьшается в два раза (кратность ослабления равна 2), называется слоем половинного поглощения d1/2 (см. рис. 1). Из формулы (3) следует, что

                                                                                               (5)

Работа с любыми источниками ионизирующего излучения требует защиты человека от его вредного воздействия. Защитой от ионизирующего излучения (радиационной защитой) называют методы ослабления воздействия ионизирующих излучений на организм до допустимого уровня.

Если биологический объект находится на расстоянии х от источника ионизирующего излучения (радионуклида) активностью А, то получаемую им за время t эквивалентную дозу можно определить по формуле

                                                                                    (6)

где k — коэффициент качества данного излучения, μ — массовый коэффициент ослабления биологической ткани,  массовый коэффициент ослабления воздуха, kγ— гамма-постоянная данного нуклида. Величина является переходным коэффициентом от поглощенной дозы в воздухе к эквивалентной дозе в биологической ткани. Мощность эквивалентной дозы равна

                                                                                     (7)

Различают три вида защиты от ионизирующего излучения: защита временем, защита расстоянием и защита материалом.

Из (6) следует, что чем больше время t и чем меньше расстояние х, тем больше доза Н. Следовательно, время нахождения под воздействием ионизирующего излучения должно быть по возможности минимальным, а расстояние от источника излучения максимальным.

В радиобиологии используется понятие предельно допустимой дозы (ПДД) ионизирующего излучения — дозы, которая при систематическом воздействии в течение неограниченного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений организма и неблагоприятных наследственных изменений у потомства.

В соответствии со значениями ПДД установлены допустимые мощности эквивалентной дозы: для работающего с источниками излучения персонала (категория А) — 28 мкЗв/ч; для населения (категория В) — 0,2 мкЗв/ч.

Зная предельно допустимую мощность эквивалентной дозы (H/t)пд, можно вычислить безопасное расстояние хБП:

                                     (8)

Защита материалом основана на способности различных веществ поглощать ионизирующее излучение, которая характеризуется его массовым коэффициентом ослабления μm и слоем половинного ослабления  d1/2. Значения этих параметров зависят от вида ионизирующего излучения и энергии квантов электромагнитного излучения.

Толщину экранов из защитных материалов можно рассчитать, используя понятие кратности ослабления (КО).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Дайте определение и перечислите различные виды ионизирующего излучения.

2. Дайте определения поглощенной и экспозиционной дозам, мощности дозы.

3. Что такое эквивалентная доза?

3. Что называется коэффициентом качества? эквивалентной

4. Запишите закон ослабления ионизирующего излучения.

5. Что называется массовым коэффициентом ослабления и линейным коэффициентом ослабления?

6. Запишите формулу зависимости мощности эквивалентной дозы от активности радиоактивного источника.

7. Укажите способы защиты от ионизирующих излучений.

8. Дозиметрические приборы.

Приборы и принадлежности:

персональный компьютер

Схема работы

Последовательность действий

Способ выполнения задания

1. Изучение ослабления ионизирующего излучения в веществе в зависимости от расстояния.

1. Задавая значения расстояния х, получите на экране графики зависимостей ослабления интенсивности = f(x) и кратности ослабления КО = = f(x} квантов с энергией Е1 для следующих веществ: воздух, вода, бетон, свинец.

2. Проделайте аналогичные действия для квантов с энергией E2 = 1,25 МэВ.

3. Зарисуйте полученные графики в тетрадь.

4. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод об ослабляющей способности исследуемых веществ.

2.Определение характеристик ослабления ионизирующего излучения веществами:

1. Определите по полученным графикам слой половинного поглощения d1/2 квантов с энергией Е1 для различных веществ.

2. Вычислите линейный μ и массовый μm коэффициенты ослабления [см. формулы (5) и (4)].

3. Полученные данные занесите в таблицу 1.

4. Повторите действия п. 1, 2 для квантов с энергией Е2 = 1.25 МэВ и занесите полученные данные в таблицу, аналогичную таблице 1.

Таблица 1

Веществo

ρ, кг/м3

d1/2,

м

μ,

м-1

μm, м2/кг

воздух

1.29

вода

1000

бетон

2350

свинец

11300

3. Определение мощности эквивалентной дозы излучения

1. Вычислите значения мощностей эквивалентной дозы [см. формулу (7)] при заданной активности А1 источника для различных расстояний х.

2. Проделайте аналогичные вычисления при активности A2=3,7•1010Бк.

3. Занесите полученные данные в таблицу 2.

Таблица 2

х,

м

А1

А2

H/t,

Зв/с

H/t,

мкЗв/ч

H/t,

Зв/c

H/t,

мкЗв/ч

Примечание: в данном задании изучается γ-излучение радиоактивного     источника     60Со,     для         которого

k=83.8·10-18 . Для рентгеновского и γ-излучения .

4.Определение безопасных расстояний.

1. Зная предельно допустимые мощности эквивалентной дозы (H/t)пд, вычислите безопасные расстояния хБП для радионуклида 60Co при двух значениях активности А1 и А2 = 3,7 • 1010 Бк для категорий А и В [см. формулу (8)].

2. Занесите полученные данные в таблицу 3.

Таблица 3

А, Бк

хБП, м

Категория А

Категория Б

5. Определение толщины защитных экранов.

1. Определите кратность ослабления мощности эквивалентной дозы до предельно допустимой (H/t)пд для категорий А и В:

КО=.

Значения H/t на различных расстояниях х от источника в отсутствии защитного экрана возьмите из таблицы 2.

2. Используя графики, полученные в задании 1, определите толщину d защитных экранов из различных материалов, обеспечивающих необходимую кратность ослабления.

3. Полученные результаты занесите в таблицу 4.

4. Постройте графики зависимости d = f(x) для разных материалов.

Таблица 4

х,

м

  Н/t,

мкЗв/ч

Категория А

Категория Б

КО

d, м

ККО

d, м

Бетон

Свинец

Бетон

Свинец

Семинар 7

Постоянный электрический ток, применение в медицине

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 6, с. 93 - 112.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

Вопросы для самоконтроля:

  1.  Закон Ома для металлов и биологических тканей. График зависимости I=f(t).
  2.  Общие принципы поляризации. Виды поляризации.
  3.  Электронная поляризация. Примеры, время релаксации.
  4.  Дипольная поляризация. Примеры, время релаксации.
  5.  Ионная и макроструктурная поляризация. Примеры, время релаксации.
  6.  Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном электрическом токе.
  7.   Гальванизация и лечебный электрофорез.

Семинар 8

Переменный электрический ток

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 14, с. 265 - 282.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

Вопросы для самоконтроля:

  1.  Переменный ток
  2.  Импульсный сигнал и его характеристики. Применение в медицине
  3.  Полное сопротивление в цепи переменного тока
  4.  Резонанс напряжений
  5.  Импеданс тканей организма. График зависимости Z=f(ν)
  6.  Дисперсия импеданса
  7.  Физические основы реографии
  8.  Электромагнитные волны
  9.  Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
  10.  Воздействие переменного тока на ткани организма
  11.  Диатермия и местная дарсонвализация, электрохирургия.

Семинар 9

Оптика

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 21, с. 375 - 379.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 61-67.

Вопросы для самоконтроля:

  1.  Виды линз (ход лучей, графическое изображение). Фокус, фокусное расстояние, оптическая ось линзы (определение). Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы.
  2.  Аберрация линз (сферическая , астигматизм, дисторсия, хроматическая.
  3.  Оптическая система глаза и ее особенности. Недостатки оптической системы глаза и их устранение.
  4.  Устройство оптического микроскопа. Увеличение микроскопа. Разрешающая способность.
  5.  Специальные примы оптической микроскопии (микропроекция и микрофотография, метод фазового контраста, ультрафиолетовая микроскопия.
  6.  Преломление света в различных средах.
  7.  Волоконная оптика. Применение в медицине.

Семинар 10

Тепловое излучение

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 22, с. 405 - 415.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

Вопросы для самоконтроля:

1.Характеристики теплового излучения. Чёрное тело.

2. Законы излучения чёрного тела. Излучение солнца.

3. Закон Кирхгофа.

4. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина.

5. Рассеяние света, закон Рэлея. Нефелометрия.

6. Закон Бугера-Ламберта-Бера, фотоэлектроколориметрия.

7. Ультрафиолетовое излучение и его применение в медицине. Фотоэлектрический эффект.

8. Люминесценция. Закон Стокса. Применение в медицине.

9. Инфракрасное излучение. Применение в медицине. Тепловидение.

10. Спектры испускания и поглощение молекул.

Семинар 11

Рентгеновское излучение

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл.2 6, с. 506 - 516.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

Вопросы для самоконтроля:

  1.  Устройство рентгеновской трубки.
  2.  Тормозное рентгеновское излучение.
  3.  Характеристическое рентгеновское излучение.
  4.  Атомные рентгеновские спектры.
  5.  Закон Мозли.
  6.  Когерентное рассеяние.
  7.  Эффект Комптона.
  8.  Фотоэффект.
  9.  Физические основы применения рентгеновского излучения в медицине.

Семинар 12

Дозиметрия ионизирующего излечения

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 58, с. 536 - 243.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

4. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 52-57.

Вопросы для самоконтроля:

  1.  Доза излучения и экспозиционная доза. Мощность дозы.
  2.  Количественная оценка биологического действия ионизирующего излучения. Эквивалентная доза.
  3.  Дозиметрические приборы.
  4.  Защита от ионизирующего излучения.
  5.  Радиоактивность.
  6.  Основной закон радиоактивного распада. Активность.
  7.  Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.
  8.  Физические основы действия ионизирующего излучения на организм.
  9.  Детекторы ионизирующих излучений.
  10.  Использование радионуклидов и нейтронов в медицине.

Семинар 13

Поляризация света

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

ЛИТЕРАТУРа:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 20, с. 365 - 374.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 88 – 103.

Вопросы для самоконтроля:

  1.  Свет естественный и поляризованный.
  2.  Закон Малюса.
  3.  Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера
  4.  Поляризация света при двойном лучепреломлении
  5.  Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия
  6.  Исследование биологических тканей в поляризованном свете.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

1. Периодические механические процессы в организме. Различные виды колебаний: свободные (затухающие и незатухающие), вынужденные и автоколебания. Уравнения колебаний. Сложное колебание и его гармоничный спектр.

2. Механические волны. Уравнение волны. Длина волны. Поток энергии и интенсивность волны. Эффект Доплера и его использование для медико-биологических исследований.

3. Акустика. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.. Звуковое давление. Закон Вебера-Фехнера Звуковые измерения. Аудиометрия. Шумомер. Физические основы звуковых методов исследования в клинике.

4. Ультразвук. Источники и приемники ультразвука. Особенности распространения ультразвуковых волн. Применение ультразвука в диагностике. Действие ультразвука на вещество, клетки и ткани организма. Использование ультразвука для лечения. Инфразвук, особенности его распространения. Биофизические основы действия инфразвука. Вибрации, их физические характеристики.

5. Внутреннее трение (вязкость) жидкости. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса. Ламинарное течение вязкой жидкости в цилиндрических трубах. Формула Пуазейля. Гидравлическое сопротивление. Методы определения вязкости.

6.Деформация и ее виды. Закон Гука. Относительная деформация. Механические свойства биологических тканей.

7. Кровь как неньютоновская жидкость. Влияние физических свойств эритроцитов на вязкость крови. Пульсовая волна, зависимость ее скорости распространения от параметров сосуда.

8. Диффузия в жидкости. Уравнение Фика. Уравнение диффузии для мембраны. Коэффициент проницаемости. Латеральная и флип-флоп диффузия в мембране. Перенос ионов. Строение и физические свойства биологических мембран. Модели мембран. Липосомы и их применение в медицине. Уравнение Нернста-Планка и его выражение для мембраны. Разновидности пассивного транспорта. Понятие об активном транспорте. Ионные насосы и их виды.

9. Биоэлектрические потенциалы. Мембранные потенциалы и их ионная природа. Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца. Потенциал покоя. Механизм генерации и распространения потенциала действия. .Распространение потенциала действия по нервному волокну аксона кальмара и человека. Опыты с фиксацией напряжения.

10. Напряженность и потенциал. Электрический диполь. Электрическое поле диполя. Понятие о дипольном электрическом генераторе (токовом диполе). Представление об эквивалентном электрическом генераторе органов и тканей. Генез электрокардиограмм в рамках модели дипольного эквивалентного электрического генератора сердца. Постулаты Эйтховена.

11. Потенциал действия кардиомиоцита и истинных пейсмекеров (водителей ритма). Активно-возбудимые среды, их свойства. Особенности распространения волн возбуждения в активно-возбудимой среде. Тау-модель распространения возбуждения в сердечной мышце. Трансформация ритма волн возбуждения в сердце. Непрерывная циркуляция волн возбуждения в миокарде. Ревербератор.

12. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей для постоянного тока. Виды поляризации диэлектриков. Первичные процессы в тканях при гальванизации и лечебном электрофорезе. Аппараты терапии постоянным током

13. Переменный ток. Природа емкостных свойств тканей организма. Импеданс тканей организма. Эквивалентная электрическая схема тканей организма. Физические основы реографии и ее применение в медицине.

14. Физические процессы, происходящие в тканях организма под воздействием высокочастотного тока (дарсонвализация и электрохирургия), переменного магнитного поля высокой и ультравысокой частоты (индуктотермии), электрического поля ультравысокой частоты (УВЧ-терапия), электромагнитных волн сверхвысокочастотного (микроволновая терапия и ДЦВ- терапия) и крайневысокочастотного диапазонов (КВЧ- терапия).

15. Физические процессы, происходящие в тканях организма под воздействием токов и полей.

16. Предмет общей и медицинской электроники. Основные группы электронных медицинских приборов и аппаратов. Способы обеспечения безопасности при работе электронной медицинской аппаратуры. Надежность медицинской аппаратуры.

17. Электроды для съема биоэлектрического сигнала. Датчики медико-биологической информации. Регистрирующие устройства, используемые в медицинской аппаратуре.  

18. Усиление электрического сигнала. Электронные усилители и их характеристики. Особенности усиления биоэлектрических сигналов. Метод устранения помех.

19. Генераторы гармонических и импульсных (релаксационных) электрических колебаний. Использование генераторов в медицинской аппаратуре.

20. Дифракция света. Оптические устройства, основанные на интерференции и дифракции и используемые в медицине. Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине Основы  рентгеноструктурного анализа.

21. Поляризация света. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса. Вращение плоскости поляризации оптически активными средами. Поляриметрия. Исследование биологических тканей в поляризованном свете.

22. Оптическая система глаза. Аккомодация. Угол зрения. Разрешающая способность. Формула тонкой линзы. Аберрации линз. Недостатки оптической системы глаза и способы их компенсации с помощью линз.

23. Оптическая микроскопия. Устройство микроскопа. Формула для увеличения. Разрешающая способность. Значение апертурного угла. Формула для предела разрешения. Полезное увеличение. Специальные приемы оптической микроскопии. Иммерсионные системы.

24. Волновые свойства частиц. Дифракция электронов. Электронный микроскоп: понятие об устройстве, увеличении и пределе разрешения. Различные виды электронной микроскопии. Применение электронных микроскопов в биологии и медицине.

25. Тепловое излучение тел. Характеристики теплового излучения. Черное тело. Серые тела. Закон Кирхгофа. Законы излучения черного тела. Излучение тела человека. Физические основы термографии. Использование термографии в диагностических целях.

26. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Спектры поглощения молекул некоторых биологически важных соединений. Концентрационная колориметрия.

27. Люминесценция. Различные виды люминесценции. Фотолюминесценция. Правило Стокса. Люминесцентный качественный и количественный анализ биологических объектов и его возможные применения в медицине. Люминесцентная микроскопия.

28. Фотобиологические процессы, их первичные стадии и спектр действия. Квантовый выход и поперечное сечение фотохимических превращений молекул. Основы фотомедицины.

29. Индуцированное излучение. Оптические квантовые генераторы (лазеры). Основные свойства лазерного излучения. Применение лазера в медицине.

30. Магнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и его медико-биологические применения. ЯМР-томография (магниторезонансная томография).

31. Метод электронного парамагнитного резонанса. (ЭПР)

32. Рентгеновское излучение. Устройство рентгеновской трубки Спектр тормозного излучения и его граница. Явления, возникающие при взаимодействии рентгеновского излучения с атомами вещества.

33. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом (основные явления, их характеристики, закон ослабления потока ионизирующего излучения). Физические основы применения ионизирующих излучений в медицине.

34. Дозиметрия ионизирующего излучения. Поглощенная и экспозиционная дозы. Мощность дозы. Связь мощности экспозиционной дозы и активности радиоактивного препарата.

35. Биофизические основы действия ионизирующих излучений на организм. Количественная оценка биологического действия ионизирующего излучения. Эквивалентная доза. Дозиметрические приборы. Защита от ионизирующего излучения.


Данной работой Вы можете всегда поделиться с другими людьми, они вам буду только благодарны!!!
Кнопки "поделиться работой":

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1660. Сущность процесса оплодотворения. Стадии оплодотворения 19.42 KB
  Оплодотворение - это физиологический процесс, который заключается в слиянии яйца и спермиев с последующей их ассимиляцией и диссимиляцией, в результате образуется зигота, которая имеет двойную наследственность.
1661. Температурный шок спермиев и меры его предупреждения. Влияние точности растворов на спермии 20.75 KB
  Температура среды влияет двояко: усиливает или ослабляет их движение, удлиняет или укорачивает переживаемость. Низкие температуры менее вредны для спермиев.
1662. Техника приготовления разбавителей и роль входящих в них компонентов 20.73 KB
  Целью разбавления спермы является создание окружающей среды, способной защитить половые клетки от повреждений в процессе консервирования, увеличение объема полового продукта для разделения его на множество спермодоз.
1663. Типы естественного осеменения животных 19.28 KB
  Естественное осеменение – это комплекс условных и безусловных половых рефлексов, обеспечивающих выделение спермий из половых органов самца и введение ее в половые органы самки.
1664. Типы плацент у разных видов животных 20.76 KB
  Плацентой называется комплекс тканевых образований, развивающихся из сосудистой оболочки плода и слизистой оболочки матки для связи плода с материнским организмом, обеспечивающим питание плода.
1665. Топография половых органов у беременных и небеременных крупных животных 21.23 KB
  Наружное исследование на беременность слагается из трех диагностических приемов: осмотра, пальпации и аускультации.
1666. Требования к качеству спермы, допускаемой к разбавлению, хранению и осеменению самок 20.1 KB
  Цвет спермы зависит прежде всего от вида животного. Нормальная сперма барана белая с желтоватым оттенком, сперма быка чаще всего белая, иногда с желтоватым оттенком, сперма жеребца и хряка серовато-белая, подобие цвета сильно разбавленного молока.
1667. Факторы, влияющие на нормальное течение родов и послеродового периода: кормление, содержание, уход, организация сухостойного периода(у коров) 20.34 KB
  При плодоношении животное должно пользоваться особым вниманием и требует специального содержания и ухода. Помещение для беременных должно быть чистым, сухим, светлым, просторным и хорошо вентилируемым; станки надо делать широкие, длина должна соответствовать размерам животных.
1668. Физиологическое и экономическое значение сухостойного периода у коров 20.99 KB
  Сухостойный период - время от прекращения у животных лактации до очередных родов, у дойных коров и коз — период от запуска доения до родов.