Spravochnik_po_fizike_NASh


Биофизика
1 Основные функции и структура биологических мембран 2
2 Пассивный и активный перенос веществ через мембрану. Опыт Уссинга4
3 Потенциал покоя и потенциал действия. Распространение нервного импульса 7
4 Внешние электрические поля органов. Принцип эквивалентного генератора 12
5 Физические основы электрокардиографии 13
6 Метод исследования электрической активности головного мозга — электроэнцефалография 18
7 Автоволны в органах и тканях. Их основные свойства 19
8 Строение мышцы. Биофизика мышечного сокращения 23
9 Принцип автоматической регуляции в живых системах 27
10 Влияние изменения радиоактивного фона Земли на состояние человека 29
11 Электромагнитные излучения в медицине 32
12 Радиоактивные излучения в медицине 34
13 Виды физических полей тела человека. Их источники и характеристики 36
Методы обработки биомедицинских сигналов и данных
14 Свертка как операция, выполняемая измерительными приборами 39
15 Теорема Планшереля 40
16 Фильтрация как операция, выполняемая измерительными приборами 41
17 Дискретизация. 42
18 Теорема дискретизации Шеннона. 43
19 Теорема восстановления Котельникова-Шеннона. 44
20 Дискретизация, осуществляемая реальным устройством 45
21 Дискретное преобразование Фурье 45
22Обратное ДПФ 46
23 Частотная или амплитудная фильтрация 47
24 Быстрое преобразование Фурье 48
25 Геометрическая модель данных 49
26 Решающие функции 50
27 Основы медицинских технологий проведения исследований 51
28 Сеть Ethernet на базе витой пары 52
29 Ethernet на основе оптоволоконного кабеля, беспроводных каналов связи. 54
30 Сеть Fiber Distributed Data Interface.
55
31 Высокоскоростные сети 100VG-AnyLAN, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. 56
32 Концепция телемедицинской сети 57
33 Структура телемедицинской сети.
59
34 Структура аппаратного обеспечения телемедицинской сети. 60
Медицинские приборы, аппараты и системы
35 Классификация медицинских электронных приборов, аппаратов, и систем 61
36 Компьютерная томография 64
37 ЯМР-томография 65
38 Термография. Методика проведения тепловизионных исследований 67
39 Принципы работы электронных ингаляторов 69
40 Принципы работы ультразвуковых диагностических аппаратов 71
41 Применение физических полей для разрушения биологических тканей 73
42 Возможности и принципы работы наркозно-дыхательной аппаратуры 74
43 Методы и средства исследования перистальтики пищевода 76
44 Лазерные терапевтические аппараты 79
45 Принципы работы ультразвуковых терапевтических аппаратов 84
46 Принципы работы УВЧ, СВЧ терапевтических аппаратов 85
Задачи 88
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию - это живая клетка - основа строения всех животных и растений. Важнейшими условиями существования клетки (и клеточных органелл) являются автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно смешиваться с окружающей средой, должна наблюдаться автономность химических реакций в клетке и в ее отдельных частях); с другой стороны, необходима связь с окружающей средой (непрерывный, регулируемый обмен веществом и энергией между клеткой и окружающей средой), поэтому важное условие существования клетки, а следовательно и жизни – нормальное функционирование мембран.
Биологическая мембрана – барьер с избирательной проницаемостью, имееющий большое значение для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки.
Основные функции биологических мембран:
барьерная — обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся через биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки);
матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодействие мембранных ферментов);
механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.
энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий (это внутриклеточные органеллы, в которых происходит переработка жирных кислот и углеводов с синтезом АТФ (Адезинтрифосфат – основной носитель энергии в клетках, приводящий в действие биохимические процессы)) и фотосинтез в мембранах хлоропластов ( это структуры, в которых происходят фотосинтетические процессы);
адгезивная – обеспечивает межклеточное взаимодействие;
двигательная – обеспечивает процесс движения клетки;
секреторная – обеспечивает процесс экзо и эндоцитоза (это два активных процесса, посредством которых различные материалы транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз).рецепторную (акустическая, обонятельная, зрительная, химическая)
Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров.
Первая модель строения биомембран была предложена в 1902 г. Было предложено, что мембрана состоит из тонкого слоя фосфолипидов. В 1925 г. предположили, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя.

Эту теорию подтвердили исследования электрических параметров мембраны. Биомембрану можно рассматривать как электрически конденсатор, в котором пластинами являются электролиты наружного и внутреннего растворов с погруженными в них головами липидных молекул. Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул, т.е. двойным слоем их хвостов. Липиды (жироподобные органические соединения, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных растворителях (эфире, бензине) и диэлектрики (вещество, практически не проводящее электрический ток) с диэлектрической проницаемостью ɛ=2.Емкость плоского конденсатора
С=(ɛɛ0S)/d
где электрическая постоянная ɛ0=8,85*10-12 Ф/м, d-расстояние между пластинами конденсатора, S-площадь пластины.
Удельная емкость (на единицу площади)
Су=(ɛɛ0)/d. Отсюда d= (ɛɛ0)/Су=(8,85*10-12*2)/(0,5*10-2)=3,5нм.
Однако мембрана – это не только липидный бислой. Полученные экспериментальные данные свидетельствовали о том, что биомембрана содержит также белки. Рассмотренная модель называется бутербродной, т.е. когда между двумя слоями фосфолипидов располагались белки. По мере накопления экспериментальный данный бутербродная модель не полностью отражала структурную модель.
Физические методы исследования, такие как рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, флуоресцентный анализ, электронный парамагнитный резонанс, ядерно – магнитный резонанс позволили представить жидкостно – мозаичную модель плазматической мембраны.
2418080368935В основу структуры биомембраны положена двухслойная модель фосфолипидов, инкрустированная белками. Различают белки: поверхностные, периферийные, интегральные.

.
Рис.2 жидкостно-мозаичная модель
Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают белковые "айсберги". Согласно современноый моделе соотношение количество белков и липидов должно быть примерно одинаково. Кроме фосфолипидов и белков, в биомембранах содержатся и другие химические соединения, например, холестерин, гликолипиды, гликопротеиды. Белковые "айсберги" не всегда свободно плавают в липидном море, а могут быть "заякорены" на внутренние (цитоплазматические) структуры клетки. К таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки (рис. 2). Микротрубочки - полые цилиндры диаметром около 300 нм из особого белка (тубулина). При этом не все липиды в мембране расположены по принципу бислоя. Имеются участки, где липиды образуют монослой. В мембранах содержатся разные фосфолипиды, в мембанах электроцитов их более 20 видов.
Режим функционирования бислоя мембраны зависит от микровязкости бислоя, подвижности фосфолипидных молекул в мембране, а также от фазового состояния мембранных липидов.
ПАССИВНЫЙ И АКТИВНЫЙ ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ. ОПЫТ УССИНГА.
Пассивный транспорт — это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса (это величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции) и может идти самопроизвольно без затраты энергии.
Имеются две причины переноса вещества при пассивном транспорте: градиент концентрации и градиент электрического потенциала .
В случае не электролитов (Z= 0) или отсутствия электрического поля (=0) перенос вещества
описывается законом Фика:

где jm – плотность птока вещества, dC/dx – градиент концентрации, D – коэффициент диффуции.

На рис. представлена классификация основных видов пассивного транспорта через мембрану.

Рис. 1 Классификация видов пассивного транспорта
Диффузия — самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения молекул.
Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране..
Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков.
Отличия облегченной диффузии от простой:
1) перенос вещества с участием переносчика происходит значительно быстрее;
2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения: при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда переносчиком переносятся разные вещества; при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других; так, из сахаров глюкоза переносится лучше, чем фруктоза.
4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию — они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика.
Разновидностью облегченной диффузии является транспорт с помощью неподвижных молекул-переносчиков, фиксированных определенным образом поперек мембраны.
Фильтрацией называется движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления.
Скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:
, где — объемная скорость переноса раствора, ‚w — гидравлическое сопротивление, , l— длина поры, r — ее радиус, — коэффициент вязкости раствора.
Явление фильтрации играет важную роль в процессах переноса воды через стенки кровеносных сосудов.
Осмос — преимущественное движение молекул воды через полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества в места с большей концентрацией. Явление осмоса обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.
Активный транспорт — это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.
Активный транспорт в мембране сопровождается ростом энергии Гиббса, он не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), то есть за счет затраты энергии, запасенной в макроэргических связях АТФ.
С т. зр. термодинамики, активный транспорт удерживает организм в неравномерном состоянии, поддерживая жизнь.
Существование активного транспорта веществ через биологические мембраны впервые было доказано в опытах Уссинга (1949 г.) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки (рис).

Рис.2 Схема опытов Уссинга(А — амперметр, У — вольтметр, Б — батарейка, П — потенциометр)
Экспериментальная камера Уссинга, заполненная нормальным раствором Рингера (это прозрачная жидкость, в состав которой входят хлориды натрия, кальция и калия), была разделена на две части свежеизолированной кожей лягушки. На рис. слева — наружная мукозная поверхность кожи, справа — внутренняя серозная. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки. В установке имелось специальное устройство: электрическая батарея с потенциометром - делителем напряжения, с помощью которых компенсировалась разность потенциалов на коже лягушки =0. Радиоактивные изотопы 22Na, а в правую - 24Na. 22Na распадается с излучением жестких γ- квантов, излучение 24Na фиксировалось по мягким  β-лучам. Было показано, что поток 22Na больше потока 24Na. О наличии тока в цепи свидетельствовали и показания миллиамперметра. Кроме того, поддерживалась одинаковая концентрация ионов с внутренней и внешней стороны.
Установлено, что при этом существует ток от внешней стороны к внутренней, следовательно, имеет место активный перенос, т.е. активный транспорт.
ПОТЕНЦИАЛ ПОКОЯ И ПОТЕНЦИАЛ ДЕЙСТВИЯ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНОГО ИМПУЛЬСА.
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 процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов (характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость):
1) окислительно-восстановительные потенциалы — вследствие переноса электронов от одних молекул к другим;
2) мембранные — вследствие градиента концентрации ионов и переноса ионов через мембрану.
Биопотенциалы, регистрируемые в организме, — это в основном мембранные потенциалы.
Мембранным потенциалом называется разность потенциалов между внутренней (цитоплазматической) и наружной поверхностями мембраны:

Прогресс в исследовании биопотенциалов обусловлен:
1) разработкой микроэлектродного метода внутриклеточного измерения потенциалов;
2) созданием специальных усилителей биопотенциалов (УПТ);
3) выбором удачных объектов исследования крупных клеток и среди них гигантского аксона кальмара.
Микроэлектронный метод дает возможность измерить биопотенциал на гигантском аксоне кальмаре, на нервных волокнах других животных, на клетках скелетных мышц и др.


Рис. 1. Микроэлектродный метод измерения биопотенциалов:
а - стеклянная микропипетка; б стеклянный микроэлектрод; в - схема
регистрации мембранного потенциала

Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия.
Потенциал покоя — стационарная разность электрических потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.
Потенциал покоя определяется разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.
Если концентрация какого-либо иона внутри клетки Свн отлична от концентрации этого иона снаружи Снар и мембрана проницаема для этого нона, возникает поток заряженных частиц через мембрану, вследствие чего нарушается электрическая нейтральность системы, образуется разность потенциалов внутри и снаружи клетки , которая будет препятствовать дальнейшему перемещению ионов через мембрану. При установлении равновесия выравниваются значения электрохимических потенциалов по разные стороны мембраны: .
Отсюда легко получить формулу Нернста для равновесного мембранного потенциала
,
где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, Z — валентность иона, F — постоянная Фарадея

Если в формуле Нернста перейти от натурального логарифма к десятичному, то для положительного одновалентного иона (Z=+1)
.
Примем температуру Т=300К, тогда

Согласно Бернштейну (1902 г.), причина мембранного потенциала покоя — диффузия ионов калия из клетки наружу.
В стационарном случае, когда, возникая на мембране, разность потенциалов — мембранный потенциал — тормозит дальнейший перенос ионов через мембрану, суммарный поток различных ионов становится равным нулю:
Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга и от нейронов мозга к мышцам. Живой организм является полностью электрифицированной системой. Без электричества нет жизни.
Электрический нервный импульс открыл Луиджи Гальвани. Он предположил, что мышечные сокращения конечностей препарированной лягушки могут вызваться электрическим импульсом и экспериментально доказал: сама живая система является источником электрического импульса.
Скорость распространения нервного импульса лежит в пределах от 1 до 100 м/с. Медленное распространение нервного импульса связано с медленной перезарядкой конденсаторов, которые представляют собой клеточные мембраны через большие сопротивления. То, что нервный импульс – это есть импульс электрического тока доказано Ходжкиным, Хаксли и Иклсом, получившим в 1963 г. Нобелевскую премию.
Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.
Опыты по исследованию потенциала действия проведены на гигантских аксонах кальмара методом микроэлектродов, а также методом меченых атомов (способ, позволяющий наблюдать за ходом биологической или химической реакции, основанный на замещении ключевого элемента данного процесса одним из его радиоизотопов, называемым радиоизотопным индикатором, например,  любое соединение, содержащее водород, может быть помечено путем замены обычного водорода тритием (радиоизотопом водорода с массой 3). В опытах по исследованию потенциала действия использовали два микроэлектрода. На первый микроэлектрод подается импульс с амплитудой V от генератора Г прямоугольных импульсов, меняющий мембранный потенциал, который измерялся при помощи второго микроэлектрода высокоомным регистратором напряжения Р.

Рис. 2 Исследование потенциала действия: а — схема опыта (Г — генератор импульсов,Р — регистратор напряжения); б — потенциал действия ( потенциал покоя,
— потенциал реверсии, — амплитуда потенциала действия, ( — пороговый потенциал)
Возбуждающий импульс вызывает лишь на короткое время смещение мембранного потенциала, который быстро пропадает и восстанавливается потенциал покоя. Смещение возбуждающего импульса в отрицательную сторону сопровождается гиперполяризацией мембраны. Потенциал действия не формируется, когда возбуждающий импульс положительный, но его амплитуда меньше порогового значения Vпор. Если амплитуда положительного импульса больше значения Vпор, то в мембране возникает процесс резкого повышения мембранного потенциала, изменяющего свое значение. Достигнув своего некоторого положительного значения — потенциала реверсии, мембранный потенциал возвращается к значению потенциала покоя , совершив нечто вроде затухающего колебания. В нервных волокнах и скелетных мышцах длительность потенциала действия около 1 мс (а в сердечной мышце около 300 мс). После снятия возбуждения еще в течение 1 —3 мс мембрана рефрактерна (невозбудима).
Новый деполяризующий потенциал V> Vпор может вызвать образование нового потенциала действия только после полного возвращения мембраны в состояние покоя.
Характерные свойства потенциала действия:
наличие порогового значения деполяризующего потенциала;
закон “все или ничего”, то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполяризующего потенциала меньше пороговой;
есть период рефрактерности, т.е. невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия;
в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны;
Было предположено, что положительный потенциал реверсии имеет натриевую природу, т.к. диффузия натрия создает положительную разность потенциалов между внутренней и наружной поверхностями мембраны.
Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов: Pk : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45, то в состоянии возбуждения: Pk : PNa : PCl = 1 : 20 : 0,45, то есть, коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.
Возбуждение мембраны описывается уравнениями Ходжкина-Хаксли.
где Im, — ток через мембрану, Сm — емкость мембраны, сумма ионных токов через мембрану,— мембранный потенциал.
Электрический ток через мембрану складывается из ионных токов: ионов калия — IK+, натрия — INa+и других ионов, в том числе С1-, так называемого тока утечки Iут, а также емкостного тока. Емкостной ток обусловлен перезарядкой конденсатора, который представляет собой мембрана, перетеканием зарядов с одной ее поверхности на другую.
На рис. 3 представлена эквивалентная электрическая схема элемента возбудимой мембраны.

Если в каком либо участке возбудимой мембраны сформировался потенциал действия, мембрана деполяризована, возбуждение распространяется на другие участки мембраны. В другую сторону нервный импульс распространяться не может.
Распространение нервного импульса определяется формулой:
,
V0— повышение мембранного потенциала в зоне возбуждения, х — расстояние от возбужденного участка; — константа длины нервного волокна.
Константа длины нервного волокна

где r — удельное электрическое сопротивление оболочки волокна, a — толщина оболочки, δ — радиус нервного волокна, ri — удельное электрическое сопротивление цитоплазмы. Чем больше константа длины мембраны, тем больше скорость распространения нервного импульса.

Рис. 4 Сальтаторное распространение потенциала действия
Возбуждение по нервному волокну распространяется сальтаторно (скачкообразно) от одного перехвата Ранвье (участка, свободного от миелиновой оболочки) до другого. Аналог распространения электрического сигнала сигналы по кабельно-релейной линии.
ВНЕШНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ОРГАНОВ. ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОГО ГЕНЕРАТОРА.
Функционирование живых клеток сопровождается возникновением трансмембранных потенциалов. Клетки образуют целостный орган и формируют следующую картину его электрической активности. Она определяется электрической активностью отдельных клеток, взаимодействием между ними, устройством самого органа, процессами регуляции в нем.
Регистрация и анализ электрической активности позволяет проводить биофизические и медико-биологические исследования с целью проведения клинической диагностики. При переходе от клеточного уровня на органный (следующий уровень организации живых систем) возникает задача описания распределения электрических потенциалов на поверхности этого органа в результате последовательного возбуждения отдельных его клеток. В процессе жизнедеятельности состояние органа, а, следовательно, и его электрическая активность меняются с течением времени. В клинической практике прямое измерение разности потенциалов на органе затруднено. Поэтому для оценки функционального состояния органа по его электрической активности используется принцип эквивалентного генератора. Он состоит в том, что изучаемый орган, состоящий из множества клеток, возбуждающихся в различные моменты времени, представляется моделью единого эквивалентного генератора, который находится внутри организма и создает на поверхности тела электрическое поле, которое изменяется в соответсвии с изменением электрической активности изучаемого органа.
Термин "эквивалентный" означает, что распределение потенциалов на поверхности тела и их изменение во времени, порождаемое органом, должны быть близки таковым, порождаемым гипотетическим (воображаемым) генератором.
Метод исследования работы органов или тканей, основанный на регистрации во времени потенциалов электрического поля на поверхности тела, называется электрографией. Два электрода, приложенные к разным точкам на поверхности тела, регистрируют изменяющуюся во времени разность потенциалов, которая называется электрограммой. Название электрограммы указывает на органы (или ткани), функционирование которых приводит к появлению регистрируемых изменений разности потенциалов: сердца - ЭКГ (электрокардиограмма), сетчатки глаза - ЭРГ (электроретинограмма), головного мозга - ЭЭГ (электроэнцефалограмма), мышц - ЭМГ (электромиограмма), кожи - КГР (кожногальваническая реакция - биоэлектрическая реакция, регистрируемая с поверхности кожи) и др.В электрографии существуют две фундаментальные задачи:
прямая задача - расчет распределения электрического потенциала на заданной поверхности тела по заданным характеристикам эквивалентного генератора;
обратная задача - определение характеристик эквивалентного генератора (изучаемого органа) по измеренным потенциалам на поверхности тела.
Обратная задача - это задача клинической диагностики: измеряя и регистрируя, например, ЭКГ (или ЭЭГ), определять функционально состояние сердца (или мозга).
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ.
Экспериментальные данные показывают, что скорость возбуждения варьируются в сердце по направлению и величине. В стенках предсердий возбуждение распространяется со скоростью 30 - 80 см/с, в атриовентрикулярном узле оно задерживается до 2 - 5 см/с, в пучке Гиса скорость максимальна - 100 - 140 см/с.

Рис.1 Последовательность распространения волны возбуждения
по отделам сердца. Стрелки указывают направления и времена
прихода возбуждения в данный участок сердечной мышцы
В результате длины волн возбуждения:
= RV,
где R - период рефрактерности, в предсердиях λ = 12 см, в атриовентрикулярном узле λ ~ 0,6 см, в ножках пучка Гиса λ ~ 30 см.
Т.к. полное описание электрического состояния сердца невозможно, его заменяют эквивалентным электрическим генератором, электрическое поле которого близко по свойствам к электрическому полю созданным сердцем.
В соответствии с принципом эквивалентного генератора, сердце заменяют эквивалентным генератором тока, электрическое поле которого близко по свойствам электрическому полю, созданному сердцем. Токовый генератор с электродвижущей силой ε имеет такое большое внутреннее сопротивление г >R, что созданный им ток I = ε / (r + R) не зависит от сопротивления нагрузки R (рис. 2): I = ε / r.
Для расчета потенциалов электрического поля, созданного генератором тока в однородной проводящей среде, генератор представляют в виде токового электрического диполя - системы из положительного и отрицательного полюса (истока и стока электрического тока), расположенных на небольшом расстоянии 1 друг от друга.

Вектор D направлен от "—" к "+", от стока к истоку, то есть по направлению электрического тока во внутренней цепи генератора тока. Если в условиях опыта I можно считать пренебрежимо малым 1—>0, то диполь называется точечным.

Рис. 2. Генератор тока
Потенциал электрического поля униполя (рис.5.3) можно рассчитать на основе закона Ома в дифференциальной форме.

где ρ - удельное сопротивление среды, в которой работает токовый генератор, φ - потенциал электрического поля, r - расстояние от униполя.
С другой стороны, по определению

здесь I - ток, генерируемый генератором тока, а 4πr2 — площадь сферы радиуса r, через которую течет ток I. Приравниваем
Отсюда:

Считая проводящую среду безгранично большой по сравнению с размером диполя и интегрируя от ∞ до r, можно найти потенциал точки А, отстоящей от униполя на расстоянии r:

Это выражение для потенциала электрического поля положительного униполя (истока). Для поля отрицательного униполя (стока) потенциал

Для электрического поля диполя потенциал φ точки А складывается из потенциалов электрических полей, создаваемых униполями обоего знака + (истока) и - (стока):

где r1 - расстояние от положительного полюса, а r- от отрицательного полюса диполя.

Рис.3 К расчету потенциала электрического поля диполя
Если l << г (диполь точечный), можно принять
,
где Θ- угол между вектором D и направлением от диполя к точке А.
Подставив, получим

гдеD=Il, k=.

Рис. 4 К расчету разности потенциалов электрического поля диполя
Разность потенциалов Δφ электрического поля диполя тем больше, чем больше удельное сопротивление проводящей среды р, чем ближе точки А и В к диполю (чем меньше r) и чем больше β (чем больше расстояние между точками А и В).
Измеряя разности потенциалов на поверхности человеческого тела судят о биопотенциалах сердца. Эта модели Эйнтховена.
Основные постулаты этой модели:
1. Электрические поле сердца представляется как электрическое поле точечного токового диполя с дипольным моментом Е, называемым интегральным электрическим вектором сердца (ИЭВС) (складывается из диполей разных частей сердца)
2. ИЭВС находится в однородной изотропной проводящей среде, которой являются ткани организма. _
3. Интегральный электрический вектор сердца Е меняется по величине и направлению. Его начало неподвижно и находится в атриовентрикулярном узле, а конец описывает сложную пространственную кривую, проекция которой на фронтальную плоскость образует за цикл сердечной деятельности (в норме) три петли: Р, QRS и Т.
В этом случае в разных точках поверхности грудной клетки человека в некоторый момент времени будут возникать различные по величине и знаку электрические потенциалы.

Рис. 5 Распределение (карта) электрических потенциалов на поверхности тела в момент формирования комплекса QRS.
Приблизительно 2/3 карты соответствуют грудной поверхности, а оставшаяся треть справа - спине. Распределение потенциалов показано для некоторого одного момента времени, отмеченного черточкой на комплексе QRS опорной ЭКГ, показанной внизу. Сплошными линиями отмечены изопотенциальные кривые для положительных потенциалов, прерывистыми - для отрицательных. Толстой линией отмечена кривая нулевого потенциала. Значения наибольшего и наименьшего потенциалов, наблюдающиеся в данный момент времени, приведены снизу под картой, а положения максимума и минимума отмечены на карте большими знаками "+" и "-". Возникновение такого распределения можно объяснить, полагая, что области отрицательного потенциала проецируются на те участки стенки желудочков сердца, которые уже возбуждены, а положительные потенциалы - на участки стенки, где продолжает развиваться возбуждение.
Изменение величины и направления вектора Е за один цикл сокращения сердца объясняется последовательностью распространения волн возбуждения по сердцу: волна начинает распространяться от синусового узла по предсердиям (петля Р), атриовентрикулярному узлу, по ножкам пучка Гиса к верхушке сердца и далее охватывает сократительные структуры к базальным отделам (комплекс QRS). Петле Т соответствует фазе реполяризации кардиомиоцитов (клетки сердца).
Эйнтховен предложил измерять разности потенциалов между двумя из трех точек, представляющих вершины равностороннего треугольника, в центре которого находится начало ИЭВС.
В практике электрокардиографии разности потенциалов измерялись между левой рукой (ЛР) и правой рукой (ПР) - I отведение, между левой ногой (ЛН) и правой рукой (ПР) - II отведение, между левой ногой (ЛН) и левой рукой (ЛР) - III отведение.

Электрокардиограмма представляет собой сложную кривую с, соответственно петлям, пятью зубцами Р, Q, R, S, Т и тремя интервалами нулевого потенциала. Три отведения не дают полной информации о работе сердца. Поэтому современная кардиология использует 12 стандартных отведений и ряд специальных. Однако модель Эйнтховена не является строгой. Она имеет ряд допущений:
Организм не является однородной электропроводной средой: кровь, лимфа, сосуды, мышцы и другие ткани имеют различные удельные проводимости. Кроме того, проводимость меняется со временем, например, при вдохе и выдохе.
Вектор Е, вращаясь, создает сложную объемную фигуру, а не проекцию лишь на одну плоскость, и начало его может смещаться.
Не представляется возможным точно описать изменения Е сердца только изменением момента одного точечного диполя.
Однако медицинская практика показывает, что эти недостатки не столь существенны. Модель Эйнтховена успешно используется в электрокардиографии.
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА — ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ.
Используется для диагностики различных видов патологии нервной системы: травм, эпилепсии, психических расстройств, нарушений сна. Количество точек съема может существенно меняться (от 2 до нескольких десятков) в зависимости от целей исследования. У взрослого бодрствующего человека доминирует α-ритм - колебания с частотой 8-13 Гц. Кроме того, при исследовании электрической активности головного мозга наблюдается β-ритм с частотой 14 - 35 Гц, γ-ритм - 35 - 70 Гц. Выделяют еще δ-ритм -0,5 - 3 Гц, θ-ритм - 4 - 7 Гц и др.
Регистрируемые разности потенциалов в 100 раз слабее, чем в ЭКГ: 0,1 - 5 мВ в ЭКГ; 0,001 - 0,05 мВ в ЭЭГ. Поэтому у усилителей биопотенциалов ЭЭГ должны быть достаточно большие коэффициенты усиления: 103 - 10* - в ЭКГ; 105 - 106 - в ЭЭГ.
Электроэнцефалограмма - это график изменения разности потенциалов между различными участками (точками съема) поверхности головы человека во времени.
ЭЭГ отражает интегральную активность огромного числа нейронов коры головного мозга и распространение волн возбуждения в нейронных сетях.
3670935-3810
Рис. 1. Схема расположения отводящих электродов не коже головы при электроэнцефалографии: буквами обозначены точки наложения электродов, соответствующие конкретным областям поверхности мозга, с которых ведется запись биопотенциалов (О — затылочные; Т — височные; Р — теменные; С — центральные; F — лобные; F — лобно-полюсные); четными цифрами обозначены точки наложения электродов, расположенные на правой половине головы; нечетными — на левой; точки, расположенные по средней линии (сагиттально), имеют индекс z.
Датчик (электрод ээг) должен быть достаточно лёгким и компактным, оказывать минимальное давление, прочно фиксироваться при помощи шлема или прорезиненных лент. В процессе использования активная часть устройства обрабатывается специальным гелем для ЭЭГ, физиологическим раствором или пастой, поэтому материал, из которого изготовлен датчик, должен хорошо переносить обработку любым из контактных веществ. В международных стандартах рекомендуются чашечковые хлор-серебряные электроды, однако в ряде случаев (в случае экстренной записи ЭЭГ, коматозного состояния) рационально использовать игольчатые датчики.
Блок-схема ЭЭГ- аппарата
Отводящие электроды  Входная коробка  Блок предварительного усиления Коммутатор предназначен для выбора сочетаний точек (электродов), между которыми определяется разность потенциалов  Блок усиления с фильтрами высокой и низкой частоты и калибровочное устройство  Блок регистрации с лентопротяжным механизмом
Электроэнцефалограмма имеет вид сложных регулярных колебаний с различными частотами и амплитудой. По виду электроэнцефалограмм, по появлению или исчезновению определенных ритмов можно судить о характере и степени сдвигов функционального состояния нервных структур головного мозга и др. Так, при переходе от бодрствования ко сну α и β-ритмы замещаются существенно более медленными (δ и θ-ритмами). В настоящее время для моделирования электрической активности коры головного мозга в качестве эквивалентного генератора выбирают системы, состоящие из большого количества токовых диполей. Причем учитываются некоторые виды взаимодействия диполей между собой и геометрия их расположения. Однако эти модели воспроизводят лишь небольшую часть процесса генеза ЭЭГ и требуют дальнейшего усовершенствования.
Анализ реализаций ЭЭГ представляет собой сложную задачу. Для сжатия информации и представления ее в удобном для понимания виде строят частотные спектры сигналов ЭЭГ на некотором информативном интервале. После этого частотные спектры можно развернуть во времени и получить временной "ландшафт".
7. АВТОВОЛНЫ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ. ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.
Автоволновыми процессами называют процессы распространения волн возбуждения в активных средах.
Нарушение распространения автоволн может приводить к нарушениям функционирования различных органов и систем организма. Показано, что нарушение распространения автоволн в сердце может вызывать различные виды аритмий, а образование источников спиральных и концентрических автоволн - фибрилляцию желудочков.
Автоволновые процессы являются одним из характерных проявлений самоорганизации систем.
Процессы, которые повторяется во времени, называют колебаниями. В биологических объектах наблюдаются колебания различных видов на всех уровнях их организации. Многие важные функции организма осуществляются автоколебательными системами. В этих системах восполнение растрачиваемой энергии происходит за счет внутреннего источника энергии, содержащегося в самой автоколебательной системе, а обеспечение необходимой фазы подачи энергии осуществляется при помощи цепей обратной связи. К автоколебательным системам относится, например, синусовый узел сердца. В нем имеется некоторое небольшое количество клеток - "истинных водителей ритма". В таких клетках за фазой реполяризации следует фаза самостоятельной медленной деполяризации, приводящая к повышению (потенциал действия) до порогового уровня и генерации потенциала действия. Потенциалы действия пейсмекерных клеток (клетки миокарда, способные генерировать электрический импульс) сердца представлены на рис. В таких клетках есть собственный источник энергии - энергия метаболизма клеток, колебательная система состоит из мембраны и ионных каналов с регулируемой проводимостью g. для каждого сорта ионов, а обратная связь осуществляется потенциалзависимой функцией проводимости:

В пейсмекерных клетках формируется потенциал действия длительностью 200 - 300 мс с частотой около 1 Гц в норме. Многие виды возмущений (механические, электрические, химические и др.) могут передаваться по структурам организма в виде волн.
Волна - это процесс распространения колебаний или отдельных возмущений в пространстве, например, механические, электромагнитные волны.

Рис.1. Потенциал действия ведущего пейсмекера (стрелки - фазы медленной деполяризации-изменение потенциала)
Основным механизмом передачи потенциалов действия в живом организме является распространение волн возбуждения. Так например, автоколебания фм, возникающие в пейсмекере, распространяются по нервным волокнам и мышечным структурам сердца. Волны возбуждения могут также распространяться по клеткам скелетной мускулатуры, мочевого пузыря, кровеносных сосудов и другим структурам.
Процесс распространения волн возбуждения в тканях организма имеет ряд существенных особенностей по сравнению с механическими и электромагнитными волнами.
Во-первых, эти волны распространяются по активным средам. Активная среда (АС) - это среда, состоящая из большого числа отдельных элементов (например, клеток), каждый из которых является автономным источником энергии. Элементы активной среды имеют контакт между собой и могут передавать импульс возбуждения от одной клетки к другой(например, нервные волокна и нейронные сети и др.). В таких средах распространяются волны возбуждения, называемые автоволнами.
Автоволны - это самоподдерживающиеся волны возбуждения в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии. Характеристики волны - период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и форма - в установившемся в режиме зависят только от локальных свойств активной среды и не зависят от начальных условий.Электрические импульсы возбуждения - потенциалы действия распространяются по нервным и мышечным волокнам без затухания, так как в каждой точке возбудимой активной среды, до которой дошло возбуждение, заново генерируется потенциал действия. Мышечные и нервные волокна являются средами с распределенными источниками энергии метаболизма клеток.
Считается, что при распространении волны в активных средах не происходит переноса энергии. Энергия не переносится, а освобождается, когда до участка АС доходит возбуждение. В реальной системе некоторая часть ∆Е собственной энергии элемента расходуется на возбуждение последующего элемента, который в свою очередь выделяет собственную энергию Е. При этом в активных средах будет выполняться неравенство: ∆Е << Е.
Для описания процесса распространения нервного импульса по аксону представим полный ток через мембрану Im:
,(6.1)
где - сопротивление аксоплазмы на единицу длины. Тогда с учетом (3.6) зависимость (x,t) описывается уравнением
,(6.2)
где С - емкость мембраны, приходящаяся на единицу длины волокна, I. - ионные токи через мембрану. Воспользовавшись уравнением Ходжкина-Хаксли, получаем для аксона:
. (6.3)
Уравнения, описывающие распространение волны возбуждения по структурам сократительного миокарда, существенно усложняются тем, что в кардиомиоците потенциал действия формируется дополнительно медленными входящими токами сложными процессами сопряжений токов в нем.
Математическое описание процессов распространения автоволн в активных средах связано с решением систем уравнений вида (6.3). Решение этих систем представляет значительные трудности. Поэтому для описания автоволновых процессов используются модели формальных активных сред, например, модель, предложенная Винером и Розенблютом, называемая -моделью.
В этой модели постулируется, что каждая клетка, являющаяся элементом активной среды, может находиться в одном из трех состояний:
1) возбуждение - , если ее ; в этом состоянии клетка не возбудима, но может возбудить соседнюю клетку, находящуюся в покое;
2) "рефрактерный хвост" - (R-), если ; в этом состоянии эта клетка не возбудима, но не может возбудить клетку, находящуюся в покое;
3) покой - ее ; в этом состоянии клетка может быть возбуждена соседней при условии, что трансмембранный потенциал соседней клетки выше значения порога рассматриваемой.
Значения для каждого из трех возможных состояний клетки сократительного миокарда представлены на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Графическое представление τ-модели, R - рефрактерностьДопущения модели:
а) конфигурация потенциала действия упрощена и близка к прямоугольному треугольнику; б) не учитываются состояния относительной рефрактерности, а весь период R считается абсолютно рефрактерным.Тогда волну возбуждения можно представить в виде некоторой зоны, состоящей из n клеток, находящихся в рефрактерной фазе R, двигающейся по области покоящихся клеток с постоянной скоростью V (рис. 6.3, а).

Рис. 6.3. Плоская волна возбуждения в АС, распространяющаяся
со скоростью V: и — длина волн в средах с рефрактерностямиклеток R1 и R2 соответственно, R2 > R1
На рис. 6.3 в зоне темной штриховкой показаны клетки, находящиеся в состоянии возбуждения --зона. Светлой штриховкой обозначена зона, состоящая из клеток в состоянии (R - ) - рефрактерный хвост, и не заштрихованное пространство - клетки, находящиеся в покое.
Основные свойства автоволн в АС.
1. Автоволна распространяется без затухания.
2. Автоволны не интерферируют и не отражаются от препятствий.
3.Направление распространения автоволны определяется зонами рефрактерности и покоя.
Длина волны возбуждения , определяется соотношением, введенным Винером:
(6.4)
Отсюда следует, что если рефрактерность клеток некоторого участка (рис. 6.3,6) повышена по сравнению с R1 на рис. 6.3, а (то есть длительность потенциала действия больше), то и длина волны возбуждения в этом участке больше: >. Длины волн возбуждения для различных отделов сердца указаны в § 17.
В однородных средах, в которых R и V одинаковы в любом участке, длина волны возбуждения постоянна. В таких средах две встречные волны гасят друг друга, поскольку каждая из волн накладывается на невозбудимую зону встречной волны (рис.6.4).

Рис. 6.4. Аннигиляция плоских автоволн в АС
Аналогично два встречных фронта пламени степного пожара гасят друг друга. Позади огненного фронта каждого остается черная, выжженная зона - зона рефрактерности, лишенная источников энергии.
В неоднородных средах процесс распространения автоволн усложняется.
Неоднородной называется активная среда, в различных участках которой значения R и V могут быть не одинаковыми. Активная среда организма, например мышечная ткань, неоднородна. В разных участках мышцы могут проходить кровеносные сосуды, нервные волокна и другие включения. При патологиях, например при возникновении зон некроза, свойства этих зон могут существенно отличаться и по рефрактерности R, и по скорости проведения волны V от этих параметров в участках нормальной мышцы. Очевидно (рис. 6.3), что длины автоволн в различных участках неоднородных активных сред будут неодинаковыми. При выполнении определенных условий это может приводить к сердечным аритмиям.
СТРОЕНИЕ МЫШЦЫ. БИОФИЗИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ.
Мышечная активность - это одно из общих свойств высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной деятельность. Независимо от назначения, особенностей строения и способов регуляции принцип работы различных мышц организма одинаков.
Мышечная клетка отличается от других возбудимых клеток свойством сократимости, то есть способность генерировать механическое напряжение и укорачиваться. Мышцы являются генератором тепла, причем не только при мышечной работе, но и в режиме нетонического термогенеза (термогенез - выработка организмом тепла для поддержания постоянной температуры тела).
Мышечная активность в процессе жизнедеятельности обеспечивает работы отдельных органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую активность, желудочно-кишечного тракта, сократительную способность сердца. Нарушение работы мышц (например, определяющих функционирование легких, сердца) может приводить к патологиям, а ее прекращение - даже к летальному исходу.
Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных сосудов. Мышцы по строению делятся на: гладкие - мышцы кишечника, стенки сосудов, и поперечнополосатые - скелетные, мышцы сердца. Независимо от строения все они имеют близкие механические свойства, одинаковый механизм активации и близкий химический состав.
Поперечнополосатая структура мышечных волокон имеет диаметр 20 - 80 мкм и окружено плазматической мембраной толщиной 10 нм. Каждое отдельное волокно - это сильно вытянутая клетка. Длина отдельных клеток может существенно варьироваться, в зависимости от вида мышцы, от сотен микрон до нескольких сантиметров. Внутри волокна, кроме известных органелл (ядро, ядрышко, митохондрии и др.), находятся сократительный аппарат клетки, состоящий из 1000 - 2000 параллельно расположенных миофибрилл(нитевидная структура, состоящая из саркомеров) диаметром 1-2 мкм, а также клеточные органеллы: саркоплазматический ретикулум, т.е. ретикулум мышечных клеток поперечнополосатых мышщ (ретикулум - сеть канальцев или кровеносных сосудов) и система поперечных трубочек - Т-система.

Рис. 1. Схематическое изображение миофибриллы мышечного волокна: а - состояние покоя, б - растяжение (подробности в тексте).
Справа - схема расположения актина и миозина на поперечном срезе.
В миофибриллах различают: А-зону - темные полосы, которые в поляризованном свете дают двойное лучепреломление, то есть обладают свойством анизотропии (зависимость физ. св-в (мех., оптич., электрич. и др.) в-ва от направления) (отсюда и название: А-зона), 1-зону - светлые полосы, не дающие двойного лучепреломления, т. е. изотропные (отсюда название: 1-зона). В области I-зоны проходит темная узкая полоса - Z-диск (от нем. zwischenscheibe - промежуточный диск). Промежуток между двумя Z-дисками называется саркомером и является элементарной сократительной единицей мышечной клетки.
Саркомер - это упорядоченная система толстых и тонких нитей, расположенных гексагонально в поперечном сечении. Толстая нить имеет толщину ==12 нм и длину =1,5 мкм и состоит из белка миозина. Тонкая нить имеет диаметр 8 нм, длину 1 мкм и состоит из белка актина, прикрепленного одним концом к Z-диску.

Рис.2 Микроструктура саркомера
Актиновая нить состоит из двух закрученных один вокруг другого мономеров актина толщиной по 5 нм. В цепях актина регулярно примерно через 40 нм встроены молекулы тропонина, а сама цепь охватывает нить тропомиозина. При сокращении мышцы тонкие нити вдвигаются между толстыми. Происходит относительное скольжение нитей без изменения их длины. Этот процесс обусловлен взаимодействием особых выступов миозина - поперечных мостиков с активными центрами, расположенными на актине. Мостики отходят от толстой нити периодично на расстоянии 14,5 нм друг от друга.
В расслабленном состоянии миофибрилл молекулы тропомиозина блокируют прикрепление поперечных мостиков к актиновым цепям (рис. 3, а).

Рис. 3 Процесс активации мостика и генерации усилия в саркомереИоны Са2+ активируют мостики и открывают участки их прикрепления к актину (рис. 3,б). В результате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, расщепляются молекулы АТФ и изменяется конформация мостиков: их головки поворачиваются внутрь саркомера (рис. 3, в). Это приводит к генерации силы, скольжению актина относительно толстой нити миозина к центру саркомера, что вызывает укорочение мышцы. После окончания активации мостик размыкается и саркомер возвращается в исходное состояние. При укорочении объем саркомера практически не меняется, а следовательно, он становится толще, что и подтверждается на снимках поперечного сечения мышц. Каждый цикл замыкание-размыкание сопровождается расщеплением одной молекулы АТФ. Таким образом, актин-миозиновый комплекс является механохимическим преобразователем энергии АТФ.
Во время генерирования силы, укорачивающей  HYPERLINK "http://www.medbiol.ru/medbiol/physiology/0002d39c.htm" мышечное волокно , перекрывающиеся толстые и тонкие  HYPERLINK "http://www.medbiol.ru/medbiol/phys_m/00025ab0.htm" филаменты каждого саркомера сдвигаются друг относительно друга, подтягиваемые движениями  HYPERLINK "http://www.medbiol.ru/medbiol/phus_ner/0003ef06.htm" поперечных мостиков , длина которых при укорочении саркомера не изменяется. Этот механизм мышечного сокращения называется моделью скользящих нитей.
Основные положения модели скользящих нитей:
1. Длины нитей актина и миозина в ходе сокращения не меняются.
2. Изменение длины саркомера при сокращении - результат относительного продольного смещения нитей актина и миозина.
3. Поперечные мостики, отходящие от миозина, могут присоединяться к комплементарным центрам актина.
4. Мостики прикрепляются к актину не одновременно.
5. Замкнувшиеся мостики подвергаются структурному переходу, при котором они развивают усилие, после чего происходит их размыкание.
6. Сокращение и расслабление мышцы состоит в нарастании и последующем уменьшении числа мостиков, совершающих цикл замыкание-размыкание.
7. Каждый цикл связан с гидролизом одной молекулы АТФ.
8. Акты замыкания-размыкания мостиков происходят не зависимо друг от друга.
Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть среду, состоящую из большого числа элементов, взаимодействующих между собой без соударений и находящихся в поле внешних сил. Мышца одновременно обладает свойством упругости и вязкости, то есть является вязко-упругой средой.
Активное сокращение мышцы. Для исследования характеристик сокращающихся мышц используют два искусственных режима:
1. Изометрический режим, при котором длина мышцы I — const, а регистрируется развиваемая сила F(t).
2. Изотонический режим, при котором мышца поднимает постоянный груз Р — const, а регистрируется изменение ее длины во времени Δl (t).
Зависимость скорости укорочения от нагрузки Р является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мышечного сокращения и его энергетики. Хиллом было предложено эмпирическое выражение, описывающее эту кривую:
.
Уравнение Хилла является основным характеристическим уравнением механики мышечного сокращения. Ро - максимальное изометрическое напряжение, развиваемое мышцей, или максимальный груз, удерживаемый мышцей без ее удлинения; b - константа, имеющая размерность скорости, а - константа, имеющая размерность силы, Р – нагрузка, V – скорость укорочения.
Вид уравнения указывает на существование в мышце внутреннего вязкого трения, препятствующего ее укорочению. Для объяснения природы этого явления и физического смысла констант a и b Дещеревским была предложена математическая модель сокращения мышц, основанная на модели скользящих нитей. Предполагается, что сила сокращения волокна равна сумме сил, генерируемых мостиками в слое равном половине саркомера, т.е. они (саркомеры) по толщине волокна включены параллельно.
Скорость изменения длины волокна: VB=2NV*, где N – число саркомеров в волокне, V* - относительная скорость скольжения нитей.
При скольжении нитей мостик должен находиться в одном из 3 возможных состояний: разомкнутое; замкнутое тянущее – когда головка генерирует силу +f, направленную к центру саркомера; замкнутое тормозящее – когда актиновая нить прошла координату центра прикрепления головки и прикрепленный мостик создает отрицательную по направлению силу –f, после чего он размыкается.

ПРИНЦИП АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ В ЖИВЫХ СИСТЕМАХ.
Управление (регулирование) - процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей.
Всякая система содержит управляющую часть и исполнительную часть (рис. 1). По линии прямой связи управляющая часть посылает в соответствии с заданием в исполнительную часть команды. По линии обратной связи в управляющую часть поступают сведения из исполнительной части о выполнении команд. Например, головной мозг (управляющая часть) посылает команды мышцам, а по каналам обратной связи в головной мозг поступают сведения о выполнении команды (например, о соответствующем двигательном акте).

Рис.1 Простейшая схема системы управления
Биологические объекты относятся к саморегулируемым системам. Саморегулируемые системы такие, которые обладают способностью поддерживать свое состояние или режим функционирования на определенном заданном уровне при непредвиденных внешних воздействиях.

Рис. 2 Система регулирования по возмущению
Теория автоматического регулирования выделяет два основных способа регулирования: регулирование по возмущению и регулирование по отклонению. Система регулирования (рис. 2) по возмущению позволяет устранить результаты непредвиденного внешнего воздействия на систему с целью сохранить заданный режим функционирования. Для этого система должна содержать в своей памяти информацию о возможных последствиях возмущения.
Примером регулирования по возмущению является система терморегуляции организма, основанная на сигналах кожных терморецепторов об изменении температуры окружающего воздуха.
Другим распространенным видом регулирования является регулирование по отклонению.
В случае регулирования по отклонению (рис. 3) управляющая часть вырабатывает команды, вызывающие изменения в системе, компенсирующие отклонения от заданного режима функционирования в системе.

Рис. 3 Система регулирования по отклонению
Датчик передает по каналу обратной связи сведения о режиме функционирования системы в аппарат сравнения, в котором они сравниваются с заданными параметрами, в случае отклонения от задания (рассогласования) управляющая часть вырабатывает команды, устраняющие отклонения. Обратные связи - необходимое условие процессов саморегуляции. Обратная связь передает информацию о результате функционирования системы в управляющую часть. Различают положительные и отрицательные обратные связи.
Положительные обратные связи приводят к выработке команд, ведущих к увеличению отклонения системы от первоначального состояния. Например, всасывание желудком продуктов переваривания белков приводит к увеличению сокоотделения.
Отрицательные обратные связи вызывают команды, стремящиеся уменьшить отклонения в системе. Регулирование по отклонению осуществляется с использованием отрицательных обратных связей. Например, при перегреве организма усиливается потоотделение, учащается дыхание, что приводит к увеличению теплоотдачи в окружающую среду и понижению температуры организма.
Биологические системы обладают способностью менять задание, программу, определяющую результат их функционирования, в целях улучшения результата деятельности или приспособления к резким изменениям условий внешней среды.
Механизм приспособления организма к меняющимся условиям называется гомеостазом. Гомеостаз обеспечивает поддержание в организме условий постоянного функционирования процессов метаболизма: постоянство температуры, рН, давления и т.д. Более строго, параметры во внутренней среде организма непостоянны. Они совершают колебания около средних значений: сезонные, суточные, за цикл дыхания, сердечного сокращения и т.д. Поддержание колебаний параметров системы на постоянном уровне (по амплитуде и частоте) называется гомеокинезом.
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО ФОНА ЗЕМЛИ НА СОСТОЯНИЕ ЧЕЛОВЕКА.
На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки альфа- и бета-частиц, гамма-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в земной коре, воде подземных источников, реках, морях и океанах, в воздухе. Кроме того, радионуклиды входят в состав живых организмов. Совокупность излучений этих радиоактивных источников называется природным или естественным радиоактивным фоном.
Радиационный фон Земли определяется в основном следующими природными источниками: радионуклиды - это 220Rn и 222Rn (50%), 40К (15%), а также радионуклиды, составляющие ряды урана (20%) и космические лучи (15%).
Космическое излучение состоит из потоков протонов высоких энергий, альфа-частиц, ядер некоторых элементов, потоков электронов, фотонов и нейтронов. Магнитное поле Земли отклоняет низкоэнергетические заряженные частицы. Частицы высоких энергий, взаимодействуя с атмосферой, образуют в результате ядерных реакций целую серию радионуклидов 3Н, 7Ве, 22Na и др. и потоки нейтронов и протонов. На биосферу воздействует ионизирующий компонент вторичного космического излучения. Оно дает 1,9-2,5 ионизации / см3 за 1 с на уровне моря; в горах в 2-3 раза выше.
Диапазон эквивалентных доз для человека от природных источников, создающих радиоактивный фон, мкЗв за год:
внешнее облучение;внутреннее облучение;
космические лучи - 30040К - 180
40К -120222Rn - 800
ряды 238U и 232Th - 230210Rn - 130
Радиоактивные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радиоактивный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут представлять для человека опасность. Оценку степени опасности можно получить по активности препарата А:
,
где N - количество распадающихся ядер. Активность данного препарата измеряется в кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 • 1010 распад/с.
Экспозиционную дозу (мера ионизации воздуха, в рез-те воздействия на него фотонов) можно оценить из соотношения
,
где t - время облучения, А – активность препарата, - природа радиоакт.изотопа, r – расстояние до источника
Та б лица 11.4. Свойства некоторых радионуклидов
Радиоактивный изотоп Период полураспада Вид излучения
131I 8 дней (0,7 МэВ)
90Sr 28 лет - (0,2 МэВ)
137Cs(цезий) 27 лет - (0,3 МэВ) и (0,6 МэВ)
Средняя мощность дозы облучения от всех источников природной радиации на гонады (репродуктивные органы) и костный мозг человека как наиболее чувствительные ткани к действию радиации составляет около 200 мбэр в год (2 мЗв в год).
Однако радиационный фон в зависимости от местоположения, времени года, наличия промышленных предприятий и др. может меняться в значительных пределах. Так, в городах мощность дозы фонового излучения составляет в среднем около 20 мкР/час и может меняться в 2 и более раза в различных районах города.
Природный радиоактивный фон, оказывая влияние на развитие жизни на Земле, является неотъемлемой частью сферы обитания человека. В условиях радиоактивного фона происходят такие процессы, как деление одноклеточных организмов и клеток, развитие эмбрионов насекомых, рост и развитие высших растений и животных.
Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непоправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона является активная деятельность человека. Создание крупной промышленности, научных установок, энергетических источников, военной техники и др. может приводить к локальным изменениям фона. Но наиболее опасными причинами нарушений естественного радиоактивного фона являются выбросы радиоактивных частиц, которые могут возникнуть при ядерных взрывах или при эксплуатации атомных электростанций (АЭС).
Разряженный нагретый воздух поднимает вверх продукты распада на высоту до 50 км, после чего это облако может расплываться на сотни и даже тысячи километров. Радиоактивные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радиоактивный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут представлять для человека опасность
При авариях на АЭС или при ядерных взрывах в атмосферу могут выбрасываться различные радионуклиды -131I, 90Sr, 37Cs. Эти изотопы могут накапливаться в организме, вызывая в нем нарушение деятельности, как отдельных органов, так и организма в целом.
Так, 131I накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг радиоактивного йода опасны для человека (при ежесуточной потребности около 150 мг). Изотоп 90Sr накапливается в костной ткани, а изотоп 137Cs (цезий) равномерно распределяется в клетках организма.
Особую опасность представляют повышенные дозы радиоактивных излучений для кроветворной системы, пищеварительного тракта и желез внутренней секреции человека. Люди, работающие с излучением: в больницах, на АЭС, в лабораториях - могут получать дозу до 0,5 бэр в год.
Предельно допустимой биологической дозой для человека при профессиональном облучении считается 5 бэр в год. Минимальная летальная доза от «прямого -луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ.
Основным источником естественного (природного) фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы, зарницы, шаровые молнии), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона составляет в среднем примерно 10-7Вт/м2.
Основным естественным источником излучения в ИК, видимом и УФ-диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические события. Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, магнитного поля Земли, солнечной активности и др.
ЭМ волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде солнечного тепла (ИК-диапазон), дневного света (видимый диапазон ). УФ-диапазон солнечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает.
Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в условиях относительного постоянства солнечной радиации, поэтому изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоянием атмосферы и ионосферы (например, появлением озоновых дыр), может отрицательно влиять на существование жизни.Таблица1. Электромагнитные волны
Радиоволны длинные, средние, короткие, УВЧ, СВЧ
Инфракрасное излучение
Видимый свет
Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское излучение Гамма-излучение
Ионизирующее излучение
Длина волны 103 м -1 мм1мм- 0,76 мкм 760 - 380 нм 380 - 10 нм 80 – 10-4 нм 0,1 нм и менее
Энергия кванта [эВ] l,2*10-9 - 1,2*10-4 1,2*10-4 - 1,6 1,6 - 3,3 3,3 - 120 10 - 0,5*106 0,2*106 и более
Источники излучений Движение зарядов с ускорением излучение молекул и атомов излучение атомов излучение возбужденного ядра
Действие на вещество
Поляризация диэлектриков, возникновение токов проводимости в биологических жидкостях
Фотобиологические процессы Когерентное
рассеяние
ионизация
Фото- и комптон-эффекты образование пары
активация терморецепторов активация
зрительных
рецепторов Фотохимические
реакции на
поверхности кожи Применение в медицине
УВЧ-терапия СВЧ-терапия Эндорадиозонды тепловое лечение светолечение лазерная терапия Светолечение УФ-терапия Синтез витамина ДРентгенотерапия Гамма-терапия
Диагностика с помощью картирования тепловых полей организма Люминесцентные методы диагностики Рентгенодиагностика Радионуклеид-ная диагностика
Наряду с указанными естественными объектами, излучающими ЭМ волны, существуют и другие природные источники. В частности, источником ЭМ излучения является организм человека.
При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым:
,
где I0 - интенсивность падающего излучения.
Это выражение носит название закон Бугера. μ - коэффициент ослабления. В общем виде ослабление определяется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны веществом. Величина I зависит от природы вещества и длины волны.
Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны : А, = 3 • 103 до 1 м (частота 105 до 3 • 108 Гц) - длинные, средние, короткие и УКВ-диапазоны, и от 1 до 103 м (частота 3 • 108 - 3 • 1011 Гц) - микроволновый диапазон. Радиоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма. Особенности распространения электромагнитных волн в живых тканях:
1. Характерной особенностью живых тканей является сильная зависимость их электрических свойств: диэлектрической проницаемости е и проводимости а от частоты радиоволн.
2. С ростом частоты v длина волны X электромагнитных волн становится соизмеримой с размерами тела. Как известно, длина волны X в веществе с диэлектрической проницаемостью е определяется выражением: , где с = 3 • 108 м/с - скорость света. Например, на частоте 460 МГц, применяемой в физиотерапии, длина волны в свободном пространстве () составляет около 0,7 м, а в мягких тканях тела человека только около 0,1 м.
3. На высоких и сверхвысоких частотах вследствие высокой проводимости тканей энергия электромагнитной волны быстро диссипирует в тепло и волны очень быстро затухают по мере прохождения по тканям тела: затухание по мощности в е = 2,72 раза происходит на пути в 1,525 см. Это важно знать при анализе медицинских приложений.
Радиоволны от искусственных источников могут иметь большую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы.
Искусственными источниками радиоволн являются радиовещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. На расстояниях более 0,5 км от радиовещательных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают в биологических объектах значительных биофизических эффектов. В зонах, где интенсивность радиоволн достигает 100 Вт/м2, пребывание человека запрещено нормами Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтических процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, а также индуктотермии. ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиологические процессы в биоструктурах.
Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза.
ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть ИК-диапазона.
УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покраснение и загар).
Выделяют три зоны действия УФ на организм: А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д; В - эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги; С - бактерицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, мутации, бактерицидный эффект. Последний используется в операционных и перевязочных отделениях клиник для дезинфекции помещений.
Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодействие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими.
Рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом может когерентно рассеиваться (при взаимодействии фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек). Рентгеновское и гамма-излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов - комптон-эффект.
Одной из важных характеристик ЭМ-излучения, определяющей характер его взаимодействия с биологическими объектами, является энергия фотона е.
РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ.
В природе наблюдается явление радиоактивного распада - самопроизвольное превращение ядер определенных элементов в ядра других элементов с испусканием радиоактивных альфа-, бета- и гамма-излучений. Потоки альфа-частиц, электронов и позитронов, а также гамма- излучение возникают при радиоактивном распаде:
1) -частицы образуются в результате распада тяжелых ядер:
, (А-атомный номер, Z-заряд ядра)
-частицы состоят из 4-х нуклонов: двух нейтронов (не имеет эл. заряда) и двух протонов (частица с полож. зарядом);
2) потоки электронов и позитронов возникают в результате -распада:
,
,
где - электрон, - позитрон, и - нейтрино (частица с полуцелым спином- собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу) и антинейтрино соответственно;
3) - и - распады могут сопровождаться - излучением (кванты электромагнитного поля с высокой энергией). Возможны и другие процессы, приводящие к гамма-излучению.
Характеристики радиоактивных излучений
Вид излучения Заряд
Z ед.
элем. заряд Атомная масса А, а.е.мСредняя энергия, 106 эВ Линейная плотность ионизации (воздух), пар/смСредний линейный пробег, м(-излучения )
воздух ткани организма
альфа 2 4 4-8,8 ~3*104 (2-8)*10-2 бета 1 0 0,01-10 50 -250 10 1,5*10-2
гамма 0 0 0,2-3,0 3 300 около 1
Ионизирующая способность излучения оценивается линейной плотностью ионизации i:
,
где dn - число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей на элементарном пути dl. На практике эта величина оценивается количеством пар ионов, образованных частицей на 1 см пробега.
Дозы и их единицы измерения
доза
система единиц поглощенная
Dnэкспозиционная
Dэ биологическая
(эквивалентная)

СИ
внесистемные Дж/ кг
Грей (Гр)
1рад=10-2 Гр Кл/кг
рентген (Р) Зиверт (Зв)
бэр (биологическийэквивалент рада)
1бэр = 10-2 Зв
Радиоактивные излучения широко используются в диагностике и в терапии заболеваний. Радионуклидная диагностика или метод меченых атомов используется для определения заболеваний щитовидной железы (с использованием радиоизотопа 131I). Этот метод также позволяет изучать распределения крови и других биологических жидкостей, диагностировать заболевания сердца и ряда других органов.
Гамма-терапия — это метод лечения онкологических заболеваний с помощью -излучения. Применяется радоновая терапия: минеральные воды, содержащие 222Rn и его продукты, используются для воздействия на кожу (радоновые ванны), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляция).
Для лечения онкологических заболеваний применяются -частицы в комбинации с потоками нейтронов. В опухоль вводят элементы, ядра которых под воздействием потока нейтронов вызывают ядерную реакцию с образованием -излучения:
или
Таким образом, - частицы и ядра отдачи образуются в том месте органа, которое необходимо подвергать воздействию. Кроме того, в современной медицине используют жесткое тормозное рентгеновское излучение, получаемое на ускорителях частиц, имеющее высокую энергию квантов. Излучение, полученное на ускорителях, используется в диагностических целях.
ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА. ИХ ИСТОЧНИКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ.
Физические поля, которые генерирует организм в процессе функционирования, называют собственными физическими полями организма человека. Многочисленные физические методы исследования организма человека, использующие регистрацию собственных физических полей человека, позволяют получить информацию о процессах в организме, которую нельзя получить иными способами.
Вокруг человека существуют электромагнитные и акустические поля.

Электромагнитные поля: Е - электрическое поле, В - магнитное, СВЧ — сверхвысокочастотные электромагнитные волны дециметрового диапазона, ИК - электромагнитные волны инфракрасного диапазона, видимое - оптический диапазон излучений. Акустические поля: НЧ - низкочастотные колебания, КАЭ - кохлеарная акустическая эмиссия, УЗ - ультразвуковое излучение.
Таблица. Характеристики электромагнитных полей, создаваемых телом человека
Электрическое Магнитное Электромагнитное излучение СВЧ диапазона Инфракрасное ИК ВидимоеЧастота, Гц0 - 103 109 1014
1015
Длина волны — — 3 - 60 см3-14 мкм 500 нм
Датчики электроды сквидантенны-аппликаторы тепловизорыФЭУ
Способ регистрации контактный и бесконтактный бесконтактный контактный дистанционный дистанционный
Источники полей биопотенциалы биотоки тепловое излучение хемилюминесценция
Электромагнитные поля.
1) низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 103 Гц);
2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109 - 1010 Гц и длина волны вне тела 3-60 см);
3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 1014 Гц, длина волны 3-10 мкм);
4) оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны порядка 0,5 мкм).
Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов: кишечником (~1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (~10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значениями, не превосходящими ~1кГц.
В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение.
Акустические поля. Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.
Существуют три диапазона акустического поля:
1) низкочастотные колебания (частоты ниже 103 Гц);
2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~103 Гц);
3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).
Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 103 Гц. Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов. Низкочастотные механические колебания с частотой ниже нескольких кГц дают информацию о работе легких, сердца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи. Из уха животных и человека могут излучаться звуки - это явление называют кохлеарной акустической эмиссией, т.к. их источник локализован в улитке органа слуха. Спонтанная эмиссия - это самопроизвольное непрерывное излучение звука из ушей человека. Акустическое излучение ультразвукового диапазона. Тело человека является источником теплового акустического излучения с различными частотами. Обычно акустические волны подходят из глубины тела, отражаются от его поверхности и уходят обратно, однако пьезодатчик, контактирующий с телом, может их зарегистрировать. Особенность акустических волн, распространяющихся в теле человека, в том, что, чем выше частота, тем они сильнее затухают.
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его. Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки. Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров.
Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемные катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки.
Тепловидение в биологии и медицине. Инфракрасное тепловидение тела человека дает информацию о температуре верхних слоев кожи - рогового слоя эпидермиса и некоторых подлежащих слоев общей толщиной около 100 мкм, т.к. электромагнитные волны ИК-диапазона затухают, пройдя в биологических тканях расстояние всего около 100 мкм. Наиболее распространенным применением ИК-тепловидения в медицине является визуализация кровоснабжения нижних конечностей. Если кровоснабжение в них нарушено, то температура дистальных участков резко снижена.
Электромагнитные волны СВЧ-диапазона. Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабых электромагнитных полей этого диапазона частот, так называемых СВЧ-радиометров, можно измерить температуру в глубине тела человека.
СВЕРТКА КАК ОПЕРАЦИЯ, ВЫПОЛНЯЕМАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ.
Свертка – это математическая операция, которая производится измерительными приборами и в результате которой получается размытое изображение изучаемого предмета. Пусть е(t) - входной сигнал поступает на вход устройства, им. функцию импульсного отклика h(t). На выходе амплитудного анализатора получаем s(t) – искаженный сигнал, несовпадающий с входным сигналом.

Устройством является, например, амплитудный анализатор. Пусть на вход амплитудного анализатора поступает импульс бесконечно малой продолжительности e(t)=δ(t). Соответствующий ему сигнал на выходе называется импульсным откликом измерительной системы.
tна вхt0
δ(t)
t0
tна выхбесконеч узкий импульс сигнал
h(t)
S(t)
e(t)

Рассмотрим прямоугольный импульс на некотором промежутке времени. Например, Δt до 2Δt. Сигнал на входе разбиваем на части. Аппроксимируем сигнал.
e(t)
t2Δt
Δt3Δt
kΔt(k+1)ΔtlΔt
Если будем уменьшать, то сигнал будет стремиться к бесконечности. Получим отклик S1=e(Δt)*h(t-Δt)* Δt-вид отклика системы на прямоугольный импульс. Просуммируем вклады всех прямоугольных импульсов, изображенных на рисунке по всему сигналу, и устремим промежуток Δt→0.
Тогда S(t)= e(τ) h(t-τ) dτ - интегральное преобразование математического выражения операции свертка
S(t)= e(t)*h(t) – символическая запись операции свертка
Операцию свертка выполняет любое измерительное устройство, в том числе и ЭКГ, ЭЭГ.
Для физических фильтров функция отклика системы h(τ)=0 при τ<0. Для каждого фильтра существует h(τ)=0 при τ<0. Зная входной сигнал е(τ), τ<Т (Т-период) и импульсный отклик h(t), с помощью операции свертка можно получить выходной сигнал.
Для фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ) область определения линейного отклика ограничена h(τ)=0, τ>0. Если h(τ)0 при τ→∞, то это фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ).
Цифровые фильтры делятся на 2 класса: рекурсивные и нерекурсивные. В нерекурсивных, или трансевальных, отклик зависит только от значения входной последовательности и для формирования каждого выходного отсчета используется только предыдущие значения входных отсчетов (эта ситуация используется при выборе операции свертка). Нерекурсивные имеют конечное число отсчетов импульсных характеристик – это КИХ фильтры.
В рекурсивных фильтрах входной отсчет формируется значениями как входных, так и выходных дискретных сигналов. Это достигается введением в схему фильтра обратной связи. Рекурсивные фильтры имеют импульсные характеристики с бесконечным числом отсчетов (БИХ фильтры). Зная входной сигнал е(τ), τ<t и импульсный отклик системы h(t), с помощью операции свертка всегда можно найти выходной сигнал.
Задача определения импульсного отклика линейной системы, т.е. функции h(τ) по известным входному и выходному сигналам, называется проблемой идентификации системы. Задача определения входного сигнала по известному выходному сигналу и импульсному отклику линейной системы называется обратной задачей. Эти задачи разрешимы лишь в частных случаях или приближенных.
ТЕОРЕМА ПЛАНШЕРЕЛЯ.
Пусть входной сигнал е(t) имеет Фурье-образ E(ν), а функция импульсного отклика линейной системы имеет Фурье-образ H(ν) h(t)↔H(ν), то сигнал на выходе S(t), который по определению равен e(t)*h(t), имеет Фурье-образ
S(t)=e(t)*h(t) ↔E(ν) H(ν) или
Аналогично свертке в частотном представлении соответствует во временном представлении:
E(ν)*H(ν) ↔e(t) h(t)
Доказательство:
По определению операции свертка
S(t)= e(τ) h(t-τ) dτ (1)
Фурье представление исходного сигнала
e(t)= E(ν)e2πίνtdν (2) i-мнимая единица Ф-образа ф-ции E(ν), ν=1/Т по условию
Фурье представление функции импульсного отклика сигнала
h(t)= H(ν)e2πίνtdν (3)
Подставим (3) и (2) в (1)
Используем δ-функции Дирака δ (ν’-ν)= e -2πί(ν’-ν)τ dτ (4)
Получаем S(t)= E(ν)H(ν)e2πίνt dν - интегральное представление Фурье. Отсюда следует S(ν)↔E(ν) H(ν) – Фурье-образ выходного сигнала равен произведению Фурье образа входного сигнала и Фурье-образа функции импульсного отклика.
Свойства δ-функции Дирака:
Δ(х)= 0, х≠0 ∞, х=0
Теорема используется в ЯМР-томографии, Фурье преобразователи, ЭКГ, ЭЭГ.
ФИЛЬТРАЦИЯ,КАКОПЕРАЦИЯВЫПОЛНЯЕМАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ.
Фильтрация означает создание препятствий для прохождения каких-либо объектов.
Временная фильтрация – это операция прерывания или ослабления сигнала в течение некоторого промежутка времени.
Частотная фильтрация действует в частотном диапазоне аналогично временной.
Если устройство пропускает сигнал только в частотном диапазоне ׀ν-ν0׀<Δν , то устройство пропускает частотную полосу шириной 2Δν.
Временной фильтр f(t)=1 пропускает сигнал в диапазоне ׀t-t0׀<T
f(t)
x(t)
Входной сигнал
f(t)=1, ׀t-t0׀<T
f(t)=0, ׀t-t0׀>T
e(t)
tt0
t0
tt0-Тt0+T
f(t)
tОбрезающий
пропускающий
x(t)
tt
Временной фильтр - временной умножитель x’(t)=x(t)f(t)↔ X(ν)*F(ν)
Временному фильтру в частотном представлении соответствует операция свертка, согласно теореме Планшереля (Пусть входной сигнал е(t) имеет Фурье-образ E(ν), а функция импульсного отклика линейной системы имеет Фурье-образ H(ν) h(t)↔H(ν), то сигнал на выходе S(t), который по определению равен e(t)*h(t), имеет Фурье-образ S(t)=e(t)*h(t) ↔E(ν) H(ν))Частотный фильтр - частотный умножитель x’(ν)=X(ν)F(ν)↔ x(t)*f(t)
Частотному фильтру в частотном представлении соответствует операция свертка.
Используется во всех измерительных приборах.
17. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ.
Современные измерительные приборы, в том числе и медицинские, являются цифровыми и измерения проводятся в дискретных промежутках времени. Математически описывается с помощью процедуры дискретизации.
При наблюдении непрерывных сигналов измерения производятся периодически через промежуток времени Те. Эта процедура называется дискретизацией с частотой дискретизации Fe=1/Te. Математическая дискретизация производится с помощью гребневой функции Дирака:
Ш(t) =δ(t-kTe) (1) ШТе – гребневая функция Дирака, Te-шаг дискретизации
x(t)
t2Te
Te
3Te
(N-1)Te

Гребневая функция во временном представлении действует как умножитель:
x̂(t)=x(t) ШТе(t), x̂(t)-дискретизированный сигнал
x̂(t)= x(kTe) δ(t-kTe)
В частном представлении операции дискретизации будет соответствовать свертка Фурье-образов исходного сигнала и гребневой функции.
X̂(ν)=FeX(ν’) δ(ν-nFe- ν’)dν’
Меняем порядок, интегрируем:
X̂(ν)=FeХ(ν-nFe)
=> спектр дискретизируемого сигнала представляет собой периодическую функцию с периодом Fe.
ТЕОРЕМА ДИСКРЕТИЗАЦИИ КОЛЕНЬНИКОВА-ШЕННОНА.
При наблюдении непрерывных сигналов измерения производятся периодически через промежуток времени Те. Эта процедура называется дискретизацией с частотой дискретизации Fe=1/Te. Идеальная дискретизация осуществляется с помощью бесконечно узких периодических импульсов, образующих гребневую функцию Дирака:
ШТе=δ(t-kTe)
Пусть исходный сигнал x(t) имеет Фурье-образ X(ν): x(t)↔ X(ν)
Спектр сигнала называется ограниченным, если x(ν)=0, при |ν|≥ FM , где FM -максимальная частота спектра.
Тогда процедура дискретизации не искажает спектр сигнала, если частота дискретизации Fe≥2FM.
Доказательство:
Пусть x̂(t) – дискретизированный сигнал имеет Фурье-образ
x(t) ↔ x̂(t)= FeХ(ν-nFe) (1)
Из (1) следует, что Фурье-образ дискретизированного сигнала является периодическим с периодом Fe .
График Ф-образа дискретизированного сигнала:
Fe
-Fe+FM-Fe
-FM
FM
Fe+FMFe-FM
x̂(ν)
ν

Искажение спектра не происходит, если Fe≥2FM.
Обратное утверждение:
Пусть Fe≥2FM, тогда периодически повторяющиеся ветви не накладываются друг на друга, т.е. искажение спектра не происходит.
ТЕОРЕМА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕННОНА
Пусть x(t)-исходный сигнал имеет Ф-образ X(ν): х(t) ↔ X(ν) , выполняется условие Fe≥2FM . Тогда сигнал x(t) в любой момент времени однозначно восстанавливается по дискретным значениям x(kTe), k=0, ±1, ±2....(n-1).
Доказательство:
Обозначим x̂(t) – дискретизированный сигнал, который имеет спектр )x̂(t) = FeХ(ν-nFe) (1)
Умножим правую и левую части (1) на единичную селектирующую функцию
ПFe/2(ν)=
1, νϵ[-Fe/2;+Fe/2]
0, ν¢[-Fe/2;+Fe/2]
x̂(ν) ПFe/2=Fe X(ν) (2)
Единичная селективная функция имеет Ф-прообраз
ПFe/2(ν) ↔ FesinπFetπFetК (2) применим к левой и правой части обратное преобразование Фурье. Получаем:
x̂(t)* FesinπFetπFet=Fex(t)
Выполняя операцию свертка и использую δ-функцию Дирака получаем:
x(t)= x(kТe) sinπ(t-kTe)Feπ(t-kTe)Fe -интерполяционная формула Шеннона(3)
Интерполяция-по известным измеренным значениям сигнала в дискретные моменты времени находят значение сигнала в любой момент времени
По этой формуле можно найти значение сигнала в любой момент времени по дискретизированному значению kТe
Выражение (3) показывает, что если выполняется условие Fe≥2FM, то значение сигнала в любой момент времени t можно восстановить, зная последовательность дискретных значений сигнала x(k/Fe), где k=0, ±1, ±2.
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ,ОСУЩЕСТВЛЯЕМАЯРЕАЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ.
Реальное устройство искажает измерительный сигнал,так что сигнал измеренный в момент x(kTe)= x(τ)h(kTe-τ)dτ (1)
где импульсный отклик системы для физического фильтра h(t)=0 при t ¢ [0; θ]. Поэтому введем сигнал x1(t)=x(t)*h(t) равный свертке.
Дискретизированный сигнал x̂(t), измеряемый реальным устройством, есть произведение сигнала x1(t) на гребневую функцию Дирака:
x̂(t)= x1(t) ШТе(t)
Тогда Ф-образ дискретизированного сигнала x̂(t) = FeХ(ν-nFe) (2)
Если спектр x1(ν) ограничен, т.е. x(ν)=0, при |ν|≥ FM , то применяем теорему восстановления Шеннона-Котельникова, получаем:
X1(t)= x1(kТe) sinπ(t-kTe)Feπ(t-kTe)Fe (3)
Показывает, что для реального устройства используется значение сигнала, прошедшего через измерительное устройство, которое не совпадает со значением исходного сигнала.
ДИСКРЕТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ.
Если Ф-образ сигнала x(t) существует, то спектр х(ν) вычисляется:
x(ν)= x(t) e-2πίνtdt (1)
x(t)
t2Δt
Δt3Δt
(N-1)Δt
Исходный сигнал измеряется в дискретные моменты времени. В результате измерений получается последовательность значений x(kΔt), k=0…N-1.
Предположим, что исходный сигнал продолжается на всю ось периодически с периодом T=N Δt, тогда минимальная частота ν0=1/T=1/NΔt
Для того, чтобы процедура дискретизации не искажала спектр сигнала частота дискретизации
Fе=1/Δt=2 FM где FM – максимальная частота спектра FM=1/2Δt
Разделим правую и левую части на ν0:
М= FM/ ν0=N/2 – число точек спектра, N – количество значений измеренного сигнала.
Дискретизируем (1). Заменяем интеграл на сумму и получаем:
X(m/T)=T/Nx(kT/n)e-2πί(mk/N) , где m=0,±1,…, ± (N/2)-1 – формула дискретного преобразования Фурье.
Для вычисления спектра дискретного сигнала необходимо выполнить N2 операций умножения и сложения.
ОБРАТНОЕ ДПФ
Устройства, вычисляющие Фурье спектр, наз-ся Фурье-анализаторы или Фурье-преобразователи. Упрощенная блок схема:
АЦП – аналого-цифровой преобразователь,
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ФЧХ – фазо-частотная характеристика
x̂sinx(t)
НЧ фильтр
АЦП
генератор
sincosx̂сos∑
ФЧХ
АЧХ
ReXImXAm
Fazумножитель
x̂(t)

A(m/T)=Re2mT+Im2(mT)
φ(m/T)=arctg(Im x(m/T)/Re x(m/T)).
По результату ДПФ анализируется АЧХ и ФЧХ. Для восстановления сигнала выполняется обратное ДПФ.
Получим обратное ДПФ из интегрального обратного преобразования Фурье, заменяя интегрирование приближенным суммированием.
xkTN=1Tm=-(N2-1)N2-1X(mT)e2πimkN, m=0,…N-1 (1)X(mT)-дискретизированный спектр В сумму должны обязательно входить положительные и отрицательные частоты. Вычисляем спектр для положительных частот. Действительная часть обладает свойством четности
ReX(mT)=ReX(-mT), а мнимая - нечетная ImX(mT)=-ImX(-mT)Используя четность и нечетность можно упросить.
Вычислим действительную и мнимую части (раскладываем у на cos и sin)
ReXkTN=1Tm=-N2-1N2-1ReXmTcos2πmkN-ImXmTsin2πmkN==1T[2m=1N2+1(ReXmTcos2πmkN-ImX(mT)sin2πmkN)+ReX(0)] (2)действительная часть восстановленного сигнала ImX(kT/N)=0-мнимая часть восстановленного сигнала . (2)-обратное ДПФ.
Все физические устройства определяют спектр только для положительных частот. В (2) входят значения только для положительных частот.
Используется обратное ДПФ в спектральных анализаторах, применяется также для сжатия информации в формате JPEG.
ЧАСТОТНАЯ ИЛИ АМПЛИТУДНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ.
Реальные сигналы кроме полезной информации содержат ненужную информацию в виде шумов, возникающих в канале передающих устройств в результате изменения внешних условий, колебаний в цепи приборов, узлов, условий окружающей среды, а также наложения других процессов. Чтобы исключить ненужную информацию, выполняется фильтрация спектра сигналов. Фильтрация по частоте – частотная, по амплитуде – амплитудная.
Частотная фильтрация применяется, когда частотный диапазон побочных сигналов известен. Например, механические вибрации узлов установки, колебания сети переменного тока. Частотная фильтрация заключается в том, что в заданном диапазоне частот действительные и мнимые части обнуляются. При ν Є [ν1; ν2],
Re x(ν)=0, Im x(ν)=0.
Амплитудная фильтрация применяется, когда амплитуда (энергия) побочного сигнала много меньше, чем основного. Например, малые случайные флуктуации параметров условий. Если амплитуда случайных помех невелика по сравнению с амплитудой основной составляющей спектра, то: Re x(ν)=0, Im x(ν)=0 при
Re2Xν+Im2X(ν)≤εПосле фильтрации сигнал восстанавливается по формуле обратного ДПФ
ReXkTN=1T(2m=1N2+1(ReXmTcos2πmkN-ImX(mT)sin2πmkN)+ReX(0) Использование в медицине: КТ, МРТ, ЭЭГ, ЭКГ и др.; также при шифровании, расшифровке, сжатии информации.
БЫСТРОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ.
Алгоритм БПФ был предложен в работах Кули и Тьюки. БПФ требует Nlog2N операций, если число элементов в выборке N=2n. Для уменьшения количества операций разработан алгоритм. Основная идея БПФ состоит в том, чтобы разбить исходную N-точечную последовательность на 2 более короткие последовательности. ДПФ двух коротких последовательностей комбинируется так, чтобы получить ДПФ исходной последовательности. Рассмотрим N-точечную последовательность хк=х(kΔt), где к = 0,1,…, N-1. и N=2n. Разобьем ее на две подпоследовательности х1(к) и х2(к) с четными и нечетными номерами:
х1(k) = х(2i) где i = 0,1,…, N2-1, k= 2i.
х2(k) = х(2j+1), где j = 0,1,…, N2-1, k= 2j+1
Шаг дискретизации Δt = 1. Запишем ДПФ исходной N-точечной последовательности:
ХmN=k=0N-1x(k)e-2iπmkN, m=0,1,…, N2-1. (1)
Преобразуем формулу (1), используя две последовательности:
ХmN=i=0N2-1x(2i)e-i2πm2iN+ j=0N2-1x(2j+1)e-2πim(2j+1)NХmN=i=0N2-1x1(i)e-i2πm2iN2+ e-2iπmNj=0N2-1x2(j)e-2πimN2=x1mN2+Wnmx2(mN2) (2)
Выполнили дискретное преобразование исходной выборки, после преобразования получили сумму ДПФ первой и второй подпоследовательности. В итоге (3).
В формуле (2) первое слагаемое ДПФ – последовательность х1, второе – последовательности х2, Wn=e-2Пi/N поэтому:
Х(m/N) = Х1() + е-2πim/N Х2() (3)
ДПФ определено только в половине точек спектра, где m = 0,1,…, N/4-1.
В формуле (3) содержатся не все частоты спектра исходной последовательности, поэтому ее необходимо дополнить. Величина WNm обладает свойством периодичности:
WmкN = е -2πimк/N = Wm(к+N)N = е -2πimк/N -2πim = е -2πim(к+N)/N = е -2πimк/N е -2πim
е -2πim =1 => WmкN = Wm(к+N)N

Для вычисления всего спектра дополним (3)
XmN=X1mN2+WNmX2mN2,m=0…N4-1 X1m - N2N2+WNmX2m - N 2N2,m=N4…N2-1 (3)
При выводе (3) используем периодичность спектра.
Эту операцию можно повторить, т.е. разбить последовательности Х1 и Х2 каждую на две последовательности и применить к ним формулу (5) и т.д. Получим алгоритм БПФ. Для вычисления всего спектра Х1() необходимо выполнить (N/2)2 умножений и сложений, столько же для Х2(), т.е. всего N2/2 операций. То есть в 2 раза меньше, чем для полного ДПФ. Уже в два раза меньше. Аналогично продолжая, получим для полного преобразования БПФ Nlog2N.
Существуют различные методы построения алгоритмов БПФ и разработаны электронные анализаторы БПФ. Одним из распространенных алгоритмов является пирамидальный алгоритм БПФ.
Для алгоритма Кули-Тьюки необходимо, чтобы исходная последовательность N содержала число элементов N=2n, n-любое целое число.
25. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ.
В геометрической модели данных каждому объекту, т.е. образу, ставится в соответствие точка в пространстве признаков Х. Для оценки того, насколько близки между собой две реализации или два образа вводится понятие расстояния или степень близости.
Пусть пространство признаков Х является метрическим пространством (в нем можно провести измерение). Расстоянием между точкой М из множества Х и классом Х1 из множества Х называется величина
d1(М,X1) = inf(инфинум) {d(М,Р), РєX1}, (1)
d(М,Х1) – расстояние между точками Р и М;
inf {} – точная нижняя граница.
Расстояние между двумя классами Х1ϲХ (Х1 содержится в Х) и Х2ϲХ (Х2 содержится в Х) называется функция
d2(Х1,Х2) = inf { d(М,Р), МєХ1, РєХ2} (2)
Чем меньше расстояние между классами, тем больше между ними сходства.
Пусть точка М1 задается радиус-вектором x1 = {х11, х12, …, х1n}, а точка М2 радиус-вектором x2 = {хj1, хj2, …, хjк}, тогда расстояние между точками dM1,M2=X1-X2Рассмотрим формулы, определяющие расстояние между точками.
dМ1, М2=i=1n(x1i-x2i)2- Евклидово расстояние.
dМ1, М2=i=1n(x1i-x2i) - расстояние по Манхеттену.
d(М1, М2)=maxi(x1i-x2i) - Чебышевское расстояние.
d(М1, М2)= i=1n(x1i-x2i)(x1i+x2i) - расстояние по Камберу.
Геометрическая модель данных используется при классификации и распознавании образов.
РЕШАЮЩИЕ ФУНКЦИИ
Решающие или разделяющие функции используются для построения правил (решений), позволяющих определить принадлежность образов к некоторому классу. Существуют различные представления для решающих функций.
В виде линейной суммы:
g(х) = w0 + w1х1 + w2х2 + … + wnхn (1)
wi, i=0,…,n – весовые коэффициенты, каждый из которых характеризует вклад составляющей хi.
Введем вектор весовых коэффициентов W=w01,…,wn, а к координатам вектора в пространстве признаков добавим нулевую координату х0 ≡ 1:
Тогда решающую функцию можно записать в виде скалярного произведения:
g(х) = (W, х) (2)
x = {х0≡1, х1, х2, .., хn}.
В пространстве признаков объект задается вектором х. Пространство признаков делится на два класса А1 и А2. Решающее правило Р(х) (правило, по которому мы относим объект к тому или иному классу)
Р(х)=xϵA1, если g(x)≥0xϵA2, если g(x)<0
Если в пространстве признаков число классов N, т.е. больше двух А1, А2, …, АN, то решающее правило d имеет вид:
Р(х)=xϵAi, если gi(x)>0xȼАi, если gi(x)<0Принадлежность объекта к тому или иному классу при gi(х) = 0 следует рассматривать отдельно.
Для классификации образов используются не только линейные решающие функции. Например, используются квадратные решающие функции:
gx=i,j=0nxiwijxjВ мед. практике классификация и распознавание образов прим-ся при анализе рентгенограмм, томограмм и др. мед.диагностических изображений, в экспертных системах анализа электрокардиограмм, энцефалограмм.
ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Современная медицинская практика широко использует лечебно-диагностические приборы. Это объясняется тем, что диагностическая или лечебная тактика современного врача в значительной мере определяется теми данными, которые получены с помощью различных приборов. Медицинскую практику можно представить как многоэтапный многократно повторяющийся лечебно-диагностический процесс, целью которого является выявление симптомов заболеваний и устранение их причин. Этот процесс осуществляется специалистом или группой специалистов и включает в себя этапы:
сбор данных;
принятие решений;
лечение;
повторение всех или только некоторых этапов в зависимости от обстоятельств.
Сбор данных.
Предполагает получение максимально возможной информации о состоянии здоровья пациента. Врач сам может судить о состоянии больного только по чисто внешним признакам заболевания: общий вид больного, состояние кожного покрова, характер кашля, локализация ран и т.д. Однако в большинстве случаев для получения информации, необходимой для постановки диагноза и назначения лечения, органы чувств врача оказываются недостаточно чувствительными и точными. Соответствующие медицинские аппараты и приборы расширяют возможности органов чувств врача и дополняют их.
Анализ данных.
Предусматривает широкое использование различных приборов, например, устройство, позволяющее в течение длительного времени анализировать сердечную деятельность пациента и обнаруживать ее нарушения, угрожающие жизни пациента. Особо эффективно использование медицинской аппаратуры на данном этапе стало возможным благодаря появлению микрокомпьютеров и ЭВМ, которые способны выполнять сложную математическую обработку данных.
Лечение.
Широко используются электрические, механические, электромагнитные и другие воздействия.
Общая схема лечебно-диагностического комплекса имеет вид:
СТИМУЛЯТОР
БЛОК КОНТРОЛЯ ЗА ЛЕЧЕНИЕМ
ДАТЧИКИ
ДАТЧИКИ сост.пациента
БЛОК ОБРАБОТ данных
КИ ДАННЫХ
Стимулы
МОНИТОР
ПРИНТЕР
ВНЕШНЯЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Источником стимулов является блок – стимулятор. Преобразование сигналов реакций в электрические сигналы осуществляется с помощью датчиков. Преобразованные сигналы поступают в блок обработки, предназначенный для их усиления, фильтрации и анализа с помощью ЭВМ, а также для устранения помех. Затем информация передается в блок вывода, записывающее устройство, т.е. в случае необходимости может быть сохранена или передана на расстояние. Обработанные данные поступают в блок памяти и контроля за лечением.
СЕТЬ ETHERNET НА БАЗЕ ВИТОЙ ПАРЫ
В современной мед практике широко используются компьютерные сети, например, все корпуса крупных учреждений здравоохранения, соединяются оптоволоконным кабелем, а внутри корпусов проложена компьютерная сеть на базе витой пары.
Витая пара проводов - кабель, состоящий из 4-хпар медных проводов диаметром 0,5 мм. Каждый провод заключен в изолированную оболочку и каждая пара сплетена по специальной технологии. Все 4 пары заключены в термостойкую пластиковую оболочку. Витые пары бывают экранированные и неэкранированные.
Неэкранированные дешевше, поэтому используются , как правило, они.
Неэкранированные пары подразделены на несколько категорий:
Категория 1 – обычный телефонный кабель;
Пара категории 2 может использоваться в сетях со скоростью передачи 4 Мбит/с;
Пара категории 3 используется для сети Ethernet на базе витой пары;
Пара категории 4 используется для сетей Token Ring (метод доступа к сети, где каждый узел в течение определенного промежутка времени может получить доступ к сети и передавать информацию в виде пакета)
В наст.вр. наиболее распространена витая пара 5 категории, позволяющая передавать данные со скоростью 10/100 МБит/с. Затухание сигналов при скорости передачи 100 Мбит/с на расстоянии 100 м – 24 Дб(децибел), а со скоростью 10 Мбит/с -7 Дб.
Витая пара используется для исключения внешних наводок(помех). По каждому проводу пары передается сигнал относительно одного и того же уровня земли, но в противоположные фазе. Принимающее устройство воспринимает разность сигнала в 2-х проводах, поэтому синфазные помехи компенсируются.
При передаче сигнала с частотой 25 МГц по каждой паре получается результирующий сигнал с частотой 100 МГц.

Рисунок 1. Структура сети на базе витой пары. AH – активный хаб, РН – пассивный хаб. Активный хаб усиливает сигнал, а пассивный-нет. Длина кабеля от компьтера к активному хабу не превышает 100 м, а от компьютера к пассивному-30 м.
Не рекомендуется соединять больше 3-х хабов (устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet).
Если общее число компьютеров сегменте сети превышает число 80-100, то возникает перегрузка компьютерной сети. В этом случае компьютерная сеть разъединяется маршрутизаторами/роутерами. Маршрутизаторы осуществляют разъединение пакетов данных на циркулирующие внутри подсети или адресованные во внешнюю подсеть. Роль маршрутизатора играет сервер.
Метод доступа Ethernet разработан фирмой Xerox в 1975г. Он обеспечивает высокую надежность и скорость передачи данных. Сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными (широковещательный запрос), но сообщение предназначено только одной. Оно включает в себя адрес станции назначения и отправителя. Станция, которой предназначено сообщение, принимает его, а остальные игнорируют. Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (CSMA/CD).
Перед началом передачи рабочей станции определяется, свободен канал или занят. Если канал свободен – станция начинает передачу. Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые коллизиями.
После обнаружения конфликта станции задерживают передачу не некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После задержки передача возобновляется. Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети, если работают порядка 80-100 станций.
Для Ethernet могут быть использованы кабели различных типов: толстые коаксиальные, тонкие коаксиальные (неэкранированные), витая пара. Для каждого типа кабеля используются свои разъемы и свой способ подключения к сетевому адаптеру (плата, вставляемая в свод материнской платы, либо встроена в материнскую плату). В зависимости от кабеля меняется максимальная длина сегмента сети, максимальное количество рабочих станций. Как правило, скорость передачи в сети Ethernet 10 или 100 бит/с.
Витая пара – Twisted Pair Ethernet.
Спецификация 10 (10-означает скорость передачи данных) Base T (витая).
Это кабельная сеть с использованием витых пар проводов и концентраторов, называемых распределителями или хабами. Различают экранированные и неэкранированные витые пары. Первые обозначаются STP (shielded twisted pair), вторые – UTP (unshielded twisted pair). Экранированные пары дороги, их используют редко.
В последнее время применяются пары категорий 6 и 7.
Пару проводов часто используют как сбалансированную линию, в двух проводах которой передаются одни и те же сигналы (по отношению к земле), но разной полярности. При приеме воспринимается разность сигналов, называемая парафазным сигналом. Синфазные помехи при этом самоконтролируются. Помехоустойчивость существенно повышается, так как наводимые помехи в двух проводах обычно появляются в одной и той же фазе. Как правило, кабель содержит две пары витых проводов. В обычных сетях на 10Мбит/с (скорость) применяется различная коммутация двух проводов в зависимости от типа соединения: компьютер – компьютер или компьютер – хаб. В высокоскоростных сетях используются обе пары проводов.
29. ETHERNET НА ОСНОВЕ ОПТОВОЛОКОННОГО КАБЕЛЯ, БЕСПРОВОДНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ

Fiber Optic Ethernet – оптоволоконный кабель, со скоростью передачи данных 10 Мбит/с, имеет спецификацию 10 Base F(оптоволокно Fiber), а со скоростью 100 Мбит/с-100 Base F.
С помощью такого кабеля передаются данные на расстоянии до 200 км. Как правило, используется соединение в виде «Кольцо». При одновременной передаче по внешнему и внутреннему кольцу скорость удваивается. В случае обрыва на каком-то участке кольца замыкаются и в этом случае данные циркулируют по замкнутому контуру. Возможно подключение как к внешнему, так и к внутреннему кольцу. Такая сеть объединяет локальные высокоскоростные сети на основе витой пары, подключенные к оптоволоконному кабелю.

Radio Ethernet. Стандарт IEEE 802.11- разновидность Ethernet беспроводных каналов связи. Вся среда передачи данных или ее часть представлена радио каналами. Часть среды может быть выполнена в виде базовой кабельной сети с точками доступа от узлов по радио каналам.
В беспроводных каналах связи физическими носителями являются радиоволны, а источник – вышки на расстоянии 20-30 км друг от друга.
В методе доступа сети Ethernet используется широковещательный режим: передаваемые пакеты доступны всем пакетам сети. Только компьютер, которому адресован данный пакет, т.е. компьютер, адрес которого указан в адресной строке пакета, принимает этот пакет. Все остальные компьютеры этот пакет игнорируют.
В Radio Ethernet применяется множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов. Предотвращение конфликтов обеспечивается тем, что узел, запрашивающий связь, посылает в эфир специальный кадр запроса, а передачу информации он может начать только после истечения времени, равного длительности межкадрового промежутка T, если за это время в эфире не было других запросов, иначе попытка передачи откладывается на случайное время. Любой узел может послать кадр запроса, только если за время T перед этим в эфире не было других кадровых запросов. Контроль правильности осуществляется сравнением контрольных кодов в приемном узле и и при их совпадении в адрес узла отправителя посылается положительная квитанция, подтверждающая правильность приема кадров. Квитанция посылается с малой задержкой t<T после окончания приема. В этом интервале длительности t конфликты невозможны, т.к. претенденты на передачу могут посылать запросы, только если перед посылкой среда передачи данных свободна в течение времени T.
Для передачи данных на большие расстояния ставятся ретрансляционные вышки на расстоянии 30 км друг от друга.
30. СЕТЬ FIBER DISTRIBUTED DATA INTERFACE
Сеть FDDI – это вычислительная сеть кольцевой структуры. Используется волоконно-оптическая линия связи и специфический вариант маркерного метода доступа.
В основном варианте сети применяется двойное кольцо на волоконно-оптической линии связи.
287379-1917Скорость передачи информации 100 Мбит/с, расстояние между крайними узлами до 200 км, между соседними станциями – не более 2 км. Максимальное число узлов до 500. Для передачи информации используются длины волн 1300 нм.
Два кольца используются одновременно. Станции можно подключать к одному из колец либо к обоим сразу. Использование конкретным узлом обоих колец позволяет для этого узла иметь суммарную скорость передачи данных 200 Мбит/с. Другое использование второго кольца – это обход с его помощью поврежденного участка как показано на рис.
В соответствии с методом FDDI по кольцу циркулирует пакет, состоящий из маркера и информационных кадров. Любая станция, готовая к передаче, распознав проходящий через нее пакет, вписывает свой кадр в конец пакета, она же ликвидирует его после того, как кадр вернется к ней после оборота по кольцу и при условии, что он был воспринят получателем. Если обмен происходит без сбоев, то кадр, возвращающийся к станции от отправителя, оказывается в пакете уже первым, т.к. все предшествующие кадры должны быть ликвидированы раньше.
Сеть FDDI обычно используется как объединяющая отдельную сеть много отдельных подсетей ЛВС (локальная вычислительная сеть). Например, при организации информационной системы крупного предприятия целесообразно иметь ЛВС типа Ethernet и Token Ring в отдельных подразделениях, а связь между ними осуществляется с помощью сети FDDI.
Т.о., основное применение сетей FDDI – опорная или магистральная сеть, связывающая подсети отдельных подразделений предприятий.
31. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ СЕТИ 100VG-ANYLAN, FAST ETHERNET, GIGABIT ETHERNET
Свойства 100VG-AnyLAN(Any LAN — любые сети) стандарт IEEE 802.12:
Обработка запросов по приоритету
Поддержка форматов кадров принятых в Ethernet Token Ring (метод доступа к сети, где каждый узел в течение определенного промежутка времени может получить доступ к сети и передавать информацию в виде пакета)
Физические линии: витая пара или оптоволокно
Топология звезда, возможно каскадное включение хабаКабель витая пара используется: 4 неэкранированных пары (кабель UTP) либо 2 экранированных пары (кабель STP). В случае 4 пар допускается четырехкратное увеличение пропускной способности при использовании частоты 20 МГц, в случае 2 экранированных пар – 50 МГц, так что результирующей оказывается -100 МГц.
Сеть Fast Ethernet, спецификация 100 Base X, 100 Base T, IEEE 802.30. Скорость передачи данных – 100 Мбит/с. Используется широковещательный режим с разрешением коллизий. Для построения скоростных ЛВС последовательно включаются не более 2 хабов. Для объединения низкоскоростных сетей со спецификацией 10 Base T в единую сеть подключаются серверы на расстояниях до 200 м. Серверы соединяются с клиентскими узлами через шину со скоростью передачи 100 Мбит/с и переключателями скорости 100/10. Теоретически можно использовать 1024 подключаемых узла, а на практике до 250. Подсетями могут быть не только обычные сети Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet.
Различают варианты 100 Base-TX, в которых применяют кабель из 2 не экранированных витых пар 5 категории; 100 Base T4- с 4 не экранированными парами 5 категории; 100 Base FX – на основе волоконно-оптической линии связи.
Гигабитная скорость передачи данных достигается в сетях 1000 Base X (Gigabit Ethernet), IEEE802.3z.
Имеются разновидности на волоконно-оптической линии связи с длиной волны 830 или 1270 нм – 1000 Base SX, 1000 Base LX. Расстояние – 500м, а также на витой паре 5 категории, спецификация – 1000 Base CX на расстоянии до 25 м.
Гигабитная скорость достигается благодаря следующим решениям: сеть имеет иерархическую структуру, участки (отдельные компьютеры или подсети) со скоростью 10 Мбит/с подключаются к портам переключателей 10/100, их выходы по 100 Мбит/с в свою очередь подключаются к портам переключателей 100/1000. В сегментах, со скоростью 1000 Мбит/с используются, во-первых, передача данных по волоконно-оптической линии связи или параллельная по 4 витым парам; во-вторых, специальный метод кодирования. Так что в каждой витой паре реализуется частота 250 МГц при реальной частоте 125 МГц.
К высокоскоростным как к локальным, так и территориальным сетям относятся сети, реализующие технологию АТМ (цифровая телефония), скорость передачи данных находится в диапазоне 25-2048 Мбит/с.
32. КОНЦЕПЦИЯ ТЕЛЕМЕДИЦИНСКОЙ СЕТИ
Создание телемедицинских сетей и систем является составным элементом информатизации здравоохранения. Так во вновь создаваемой или уже эксплуатируемой автоматические информационные системы учреждений здравоохранения внедряются технологии телемедицины. Это связано с тем, что на каждом этапе диагностики, лечения и реабилитации пациента врач должен иметь возможность обратиться к опыту коллег. Телемедицинская сеть позволяет провести консилиум высококлассных специалистов, работающих в различных медицинских учреждениях.
Региональная телемедицинская сеть предназначена для решения задач диагностирования, лечения и реабилитации больных, а также распространение знаний и опыта среди медперсонала. Т.о., телемедицинская сеть является основой для построения единого информационного пространства, объединяющего все элементы системы регионального здравоохранения.
Задачи, решаемые телемедицинской сетью:
Оказание помощи врачам, работающим в удаленных стационарах или временно развернутых медпунктах, при диагностике и лечении больных;
Облегчение распространения управленческих и методических документов;
Передача знаний и опыта специалистов ведущих лечебных и учебных медцентров врачам-практикантам;
Проведение удаленных квалификационных экзаменов и сертификация.
Телемедицинская сеть объединяет все типы учреждений здравоохраниения: центральные и региональные органы управления; центральные, областные и районные клиники и больницы; медакадемии и институты; архивы и библиотеки и др.
Телемедицинская сеть должна соответствовать следующим требованиям:
Обеспечивать постоянный доступ ко всем сервисам;
Эффективно защищать всю информацию и обеспечивать идентификацию пользователя;
Обеспечивать возможность необходимого географического и функционального расширения;
Предоставлять необходимый и достаточный набор функций для решения задач диагностики, лечения и реабилитации больных, обучения и повышения квалификации медработников, а также сбора и распространения управленческой информации;
Объединять объекты регионального здравоохранения в единое телемедицинское пространство;
Базироваться на информационной структуре, на основе автоматизированных информационных систем в лечебном учреждениях, объединяемых в телемедицинскую сеть
Последнее требование актуально, т.к. трудоемкость подготовки и проведения телемедицинских консультации существенно снижается, если автоматизированная информационная сеть недоступна. Возможность использования лечебной диагностической информации повышается эффективность телемедицинских консультаций, т.к. консультации происходят в реальном времени и данные обрабатываются в режиме реального времени. Кроме того, электронная история болезни оказывается доступной во всех лечебно-профилактических учреждениях региона. Это снижает затраты на проведение повторных исследований.
33. СТРУКТУРА ТЕЛЕМЕДИЦИНСКОЙ СЕТИ
УДП
Ведущие медицинские центры

Региональная СПД

ТКУ


Диспетчерские пункты
Диспетчерские пункты
Система прямого доступа (СПД)

IPIP
ISDNISDN


Мобильные телемедицинские пункты

Удаленный диагностический пункт
Региональная СПД
радиоспутниковая
связь


Телемедицинский консультационный центр

Рис. Логическая структура телемедицинской сети
В составе сети можно выделить 4 типа элементов, взаимодействие которых образует телемедицинская сеть:
Каналообразующая среда – набор аппаратных программных средств, носителей информации и технологических решений (протоколы, стандарты), обеспечивающих передачу разнородной информации в территориально – распределенной среде.
Консультационный центр – медицинское учреждение, имеющее в штате высококвалифицированных врачей, а также соответствующее оборудование для проведения дистанционных консультаций, консилиумов, лечебно – диагностических процедур, а также для организации обучения врачей на удаленных станциях.
Диспетчерский пункт – это выделенная или функционирующая в составе других элементов телемедицинской сети структура, выполняющая функции фильтрации запросов на консультирование, планирование, обеспечение консультаций, организацию консилиумов, сбор и распространение информации о возможностях консультационных центров. Диспетчерский пункт также содержит службу администрирования, выполняющую функции сопровождения сетевой архитектуры.
Удаленные пункты – это особым образом оборудованные медучреждения, персонал которых непосредственно взаимодействуют с пациентами и выполняют весь комплекс лечебных процедур.
При необходимости в структуре телемедицинской сети формируются временные ячейки, например, комплекс удаленных медподразделений в местах боевых действий или техногенных катастроф. Такие станции разворачиваются к телемедицинской сети с целью привлечения групп опытных специалистов к решению оперативных проблем. Получение консультации возможно круглосуточно без учета времени в часовых поясах. Необходимым элементом телемедсети являются службы мобильной телемедпомощи, для которых удаленные станции разворачиваются на базе транспортных средств
34. СТРУКТУРА АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕЛЕМЕДИЦИНСКОЙ СЕТИ
В структуре аппаратного обеспечения телемедицинской сети выделяется 4 основных составляющих:
Инфраструктура передачи мультимедийной информации;
Компьютерное оборудование общего профиля;
Специализированное компьютерное оборудование;
Специализированное медоборудование.
Каналоообразующая среда телемединформации (т.е. инфраструктура передачи мультимедийной информации) не зависит от носителя информации. Это могут быть кабельные проводные структуры, волоконно-оптические каналы, каналы спутников и радиосвязи. Оборудование и каналы обеспечивают передачу разнородной информации, а именно, алфавитно-цифровых и графических видео- и аудиопотоков и др. Конечное оборудование производит преобразование и согласование сигналов, их перекодирование из одного формата в другой. В качестве служб предоставления сервисов выступают распределенные сервисы приложений и архивации. На сервисах приложений выполняется ведение расписаний консультаций и сервисов дистанционного обучения, тестирования. Службы архивации обеспечивают долговременное хранение больших объемов информации, их каталогизацию и поиск. В состав компьютерного оборудования общего профиля входят компьютеры различной архитектуры и назначения: настольные ПК, мобильные переносные, специализированные и встраиваемые системы. Помимо компьютеров используется различное периферийное оборудование: видеокамеры, аудиосистемы, принтеры.
Диагностическое, лечебное и реабилитационное оборудование может подключаться к телемедсистеме напрямую и через устройства сопряжения. При невозможности такого подключения информация может преобразовыаться в цифровую форму с использованием спец. оборудования (сканеров и т.п.) или вводиться с клавиатуры). Оптимально подходит оборудование, имеющее визуальную или акустическую обратную связь с врачом, а также сетевую поддержку (пульмонология – бронхоскопы, гастроэнтерология – гастроскопы, кардиология – эхографы).
Для обеспечения защиты информации в архивах и передаваемой по каналам связи используются аппаратные и программные решения. Доступ к ресурсам телемедсети из внешних сетей связи осуществляется с помощью брандмауэров (метод защиты сети от угроз безопасности, исходящих от других систем).
Zлинии – границы линии
a- длина миозиновой нити
A- темные диски
H- расстояние между темными дисками
I- светлые диски
h- анизотропный участок обладает двойным лучепреломлением
базальный
дендрит
аксон
дендриты
тело
тело
базальный
дендрит
Базальный аксон
апикальный дендрит
шипы
F1 F2
Fz
F7 F3 F4


C2 C4
T3 P4
T5 Pz T6
O1 O2

-q l +q
А
r r1
р О α2

α1
А φА φВ В
С
РАС РВС
О

А РАВ В
А В
Р С
исток r +q сток
зарядов + l зарядов
E -- -q

Е -- J
+ R
r
Рис.Эквивалентная схема
ПР ЛР
ВЭКГ-ма пластины
электроннолучевая
трубка
ПН ЛН
Эл. ось сердца
Изолиния
ПРПНЛН
ЛР
35. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕДИЦИНСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ, АППАРАТОВ И СИСТЕМ.
Всю медицинскую технику можно разделить с точки зрения задач, решаемых в медицинском технологическом процессе на 3 группы:
аппаратура;
инструменты;
оборудование.
Аппаратура обеспечивает в той, или иной степени самостоятельный,
автоматизированный процесс взаимодействия с пациентом.
Инструмент действует на пациента в сочетании с рукой врача, являясь как бы ее
продолжением.
Оборудование – это вспомогательное устройство для обслуживания пациентов и обеспечения медицинского технологического процесса.
В системе “аппарат – пациент” устанавливается движение энергии от аппаратуры к пациенту и наоборот.
Всю электромедицинскую аппаратуру можно разделить на 2 части: воздействующая и воспринимающая. В то же время в зависимости от цели, для которой используется медицинская аппаратура, она может быть разделена на терапевтическую (с целью вызвать желаемые сдвиги в орг-ме пациента – перестройку патологического процесса в сторону нормализации) и диагностическую (с целью установить отклонения от нормы и вызвавшие их причины). Изделия терапевтической аппаратуры принято называть аппаратами, а изделия диагностические – приборами.
Мед. инструменты
воспр. тепловую эн.
воспр. хим. энерг.
воспр. механ. эерг.
Воспринимающие аппар. и приборы
Восприним. электр.энергиюМед. техника
Мед. аппаратура
Электромедицинская аппаратура
Механическая мед. аппаратура
Мед. оборудование
Воздействующие аппар. и приборы
Диагностич.
Терапевтич.
воздействие электрич. эн.
воздействие механич эн.
высокочаст.апп. и приборы
газов. пр-ы и аппрентгеновские апп. и пр-ы.
механич. пр-ы и аппсветооптич. пр-ы и аппРадиологич. пр-ы и аппгидравлич. пр-ы и аппнизкочастот. приборы и апп.
Классификация медицинской техники

По виду используемой энергии

По направлению потока энергии
По воздейств. По назначению по виду воспринимаемой энергии
энергии
по положению в спектре
электромагнитных колебаний по агрегатному сост. вещества
Классификация низкочастотной терапевтической аппаратуры
низкочастотные терапевтические аппараты
Воздействующие током
Воздействующие полем
импульсным
магнитнимэлектрическим
переменным
постоянным
электронаркоззэлектростимуляция
электросон
электрошоковая терапия
дефибрилляция
терапия диодинамическими токами
терапия модулированным синусоид. токами
терапия токами шумовым спектром
интерференционная терапия
электрогидро терапия
гальванизация
электрофорез
переменным
импульсным
постоянным
переменным
постоянным
импульсным
магнитотерапия
по форме энергии
по виду тока по виду поля
Классификация высокочастотной электротерапевтической аппаратуры
высокочастотные терапевтические аппараты


по форме энергии
Воздействующие полем
Воздействующие током

по режиму колебанийпо роду поля
Высокочастотная электрохирургиядарсонвализация
ТВС-терапияимпульсные
непрерывные
непрерыв ДМВ терапия (Дециметровая)
непрер СМВ терапия (сантиметроволновая) )твоволноваяволновая терапия
непрер.индукто терапия
непрерыв УВЧ терапия
импульснаяУВЧ терапимпульсная дарсонвализация
электромагнитн. полем индукции
электромагн. полем излучен иззизизлученияэлектрическим
магнитным
36. КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ.
Обычное рентгеновское изображение не способно дать информацию о менее плотных структурах, если они находятся за более плотным, т.к. рентгеновская фотография – есть проекция на пленку лучей, проходящих через организм человека. Например, рентгенограмма грудной клетки, на которой плотные структуры костей затрудняют получении информации о менее плотных легочных.
В 1973 году группой инженеров во главе с Хаунефилдом был создан первый компьютерный томограф, предназначенный для исследования головного мозга. Томографией называют методику рентгенологического исследования, с помощью которой можно получить изображение слоя, лежащего на определенной глубине. Компьютерной томографией называется метод реконструкции истинного изображения распределения плотности с помощью определенных вычислительных операций над данными, полученными в результате прохождения воздействия через тело.
Существует несколько типов компьютерных томографов.
Томографы первого поколения. Осуществляли сканирование объекта одиночным коллимированным (параллельным) рентгеновским пучком, а излучение, прошедшее через объект, регистрировали одним детектором, жестко связанным с излучателем. Система излучатель-детектор совершала поступательные и вращательные движения, состоящие из 180 линейных сканирований, поворачиваясь после каждого линейного сканирования на 1 градус. В качестве детектора в томографах первого поколения использовался осциллятор на основе кристаллов йодистого натрия или ФЭУ.
Томографы второго поколения. Система излучатель-детектор также совершает вращательно-поступательные движения относительно исследуемого объекта, однако вместо одного рентгеновского луча, сканирование осуществляется расходящимся пучком, состоящим из нескольких (от 3 до 52) коллимированых лучей и того же числа детекторов. Совокупность сигналов со всех детекторов дает информацию о целом наборе независимых проекций. Время сканирования одного слоя удалось уменьшить до 10 секунд, в результате чего стала возможна томография грудной клетки, т.к. возможно задержать дыхание до 10 секунд.
Томографы третьего поколения. Сканирование осуществляется веерным пучком (конусообразно), полностью перекрывающим исследуемый объект, поэтому система излучатель-детектор совершает только вращательные движения. Число детекторов – больше 300. время сканирования 2-5с.
Томографы четвертого поколения. Стол с пациентом плавно движется, в то время, как агрегат с рентгеновской трубкой вращается непрерывно. Число детекторов увеличено до 1000, они являются неподвижными и образуют кольцо. Такой метод называется винтовым или спиральным, позволяет получать изображение со скоростью более 5 кадров/секунду. Также используются спаренные детекторы, которые позволяют сканировать 2 среза, удаленных на расстояние 1см друг от друга. Такие быстрые системы получения изображения сделали возможной динамическую КТ ангиографию сердца, показывающую изменение процесса в работающем сердце.

Разрешение изображения (вдоль оси Z или оси тела пациента) может также быть адаптировано к конкретной диагностической задаче с помощью коллимирования. Срезы толщиной от 5 до 8 мм полностью соответствуют стандартному исследованию брюшной полости. Однако точная локализация небольших фрагментов переломов костей или оценка едва различимых легочных изменений требуют использования тонких срезов (от 0,5 до 2 мм). Что определяет толщину среза. Врач может ограничить веерообразное расхождение пучка излучения от рентгеновской трубки коллиматором. Размер отверстия коллиматора регулирует прохождение лучей, которые попадают на детекторы позади пациента широким (рис. 9.1) или узким (рис. 9.2) потоком.
Зависимая от ширины отверстия коллиматора система с одним рядом детекторов позади пациента (одиночный срез) может выполнять срезы толщиной 10 мм, 8 мм, 5 мм или даже 1 мм. КТ-исследование с получением очень тонких сечений именуется «КТ высокого разрешения» (ВРКТ). Если толщина срезов меньше миллиметра — говорят о «КТ сверхвысокого разрешения» (СВРКТ).
37. ЯМР-ТОМОГРАФИЯ
В 1946 г. группы исследователей в Стандфордском и Гарвардском университетах независимо друг от друга открыли явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Ядерным магнитным резонансом называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (в данном случае телом человека), находящимся в магнитном поле, что возможно благодаря наличию ядер с ненулевым магнитным моментом. Суть его состояла в том, что ядра некоторых атомов, находясь в магнитном поле, под действием внешнего электромагнитного поля способны поглощать энергию, а затем испускать её в виде радиосигнала. В 1973г. впервые была показана возможность с помощью ЯМР-сигналов получить изображение – он представил изображение двух наполненных водой капиллярных трубочек. Так родилась ЯМР-томография. Современные МР-томографы «настроены» на ядра водорода, т.е. на протоны. Протон находится в постоянном вращении и поэтому вокруг него тоже имеется магнитное поле, которое имеет магнитный момент или спин. При помещении вращающегося протона в магнитное поле возникает вращение протона вокруг оси, направленной вдоль силовых линий приложенного магнитного поля. Обычно дополнительное радиочастотное поле прикладывается в виде импульса, причем в двух вариантах: короткий – поворачивает протон на 900 и продолжительный – поворачивает протон на 1800. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение, что сопровождается излучением порции энергии. С помощью специальных приборов можно зарегистрировать сигналы (резонансное излучение) от релаксирующих протонов, и на их анализе построить представление об исследуемом объекте.
В0-электромагниты с горизонтальным магнитным полем

Преимущества ЯМР-томографии:
замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача. Кроме того, отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите персонала и окружающей среды от рентгеновского излучения.
чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей. При этом контрастность изображения на томограмме обеспечивается за счет разности в концентрациях водорода в различных участках органов и тканей. При этом исследованию не мешает фон от костных тканей, ведь концентрация водорода в них даже ниже, чем в окружающих тканях.
чувствительность к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.
изображение сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.
можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.
МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.
Эффект ЯМР основан на регистрации радиочастотного излучения после воздействия возбуждающего радиочастотного излучения с частотой
Wл=αH, H – частота прецессии(вращения)
Ларморовская частота — угловая частота прецессии магнитного момента, помещённого в магнитное поле.
Последние революционизирующие изобретения в области ЯМР свидетельствуют о том, что границы возможного в ЯМР почти безграничны . Замечательные преимущества ЯМР- интроскопии, которые будут высоко оценены человечеством и которые сейчас являются мощным стимулом стремительного развития ЯМР- интроскопии и широкого применения в медицине, заключаются в очень малой вредности для здоровья человека, свойственной этому новому методу.
38. ТЕРМОГРАФИЯ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Температура кожи имеет свою вполне определенную топографию. Самую низкую температуру (23-30°) имеют дистальные отделы конечностей, кончик носа, ушные раковины. Самая высокая температура подмышечной области, в промежности, области шеи, губ, щек. Остальные участки имеют температуру 31-33,5°С. Суточные колебания температуры кожи в среднем составляют 0,3-0,1°С и зависят от физической и психической нагрузок.У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. Количественным выражением термоасимметрии служит величина перепада температуры.
Основные причины возникновения температурной асимметрии:
врожденная сосудистая патология, включая сосудистые опухоли.
вегетативные расстройства, приводящие к нарушению регуляции сосудистого тонуса.
нарушения кровообращения в связи с травмой, тромбозом, эмболией, склерозом сосудов.
венозный застой, ретроградный ток крови при недостаточности клапанов вен.
воспалительные процессы, опухоли, вызывающие местное усиление обменных процессов.
изменения теплопроводности тканей в связи с отеком, увеличением или уменьшением слоя подкожной жировой клетчатки.
Существует т.н. физиологическая термоасимметрия, которая отличается от патологической меньшей величиной перепада температуры для каждой отдельной части тела. Для груди, живота и спины величина перепада температуры не превышает 1,0°С.
Таким образом, термография—метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме, в частности как в поверхностных, так и в глубоких и органах.
Методики тепловизионного исследования
Тепловизоры, представляют собой сканирующие устройства, состоящие из систем зеркал, фокусирующих инфракрасное излучение от поверхности тела на чувствительный приемник. Такой приемник требует охлаждения, которое обеспечивает высокую чувствительность. В приборе тепловое излучение последовательно преобразуется в электрический сигнал, усиливающийся и регистрирующийся как полутоновое изображение.
Рассмотрим простейшую схему тепловизора и определим положение его чувствительного элемента - микроболометра - на пути формирования выходного сигнала (рис. 1). 

Инфракрасное излучение через специализированную, как правило, германиевую оптику попадает на детектор, чувствительные элементы которого меняют свои свойства, вследствие чего изменяется снимаемый с них электрический сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается блоком электроники; информация об излучении преобразуется и выдается в понятном человеческому мозгу виде - псевдовидеоизображнии тепловой картины, принимаемой приемником.Оптика для тепловизоров, как правило, сильно не различается по своим параметрам ввиду своей задачи пропускать излучение какого-либо определенного диапазона. Для тепловизоров, основанных на микроболометрах, этот диапазон составляет 7,5-14 мкм, 3-5 мкм, 1,4мкм, который соответсвует окнам прозрачности атмосферы.
Размер матрицы (датчика) определяет разрешающую способность тепловизора. В наст.вр. распространены тепловизоры с матрицами 160×120, 320×240,640×480,1024×1024.
Основным элементом в тепловизоре, как и в любом другом приборе, является его чувствительный элемент. В тепловизорах - это микроболометр, от качества и характеристик которого будет зависеть конечная способность прибора выполнять свою функцию.
Колебания температуры кожи зависят от ряда факторов: сосудистые реакции, скорость кровотока, наличие локальных или общих источников тепла внутри тела, регуляция теплообмена одеждой, испарением. Кроме того, возможны погрешности в измерении температуры за счет воздействия излучающих предметов окружающей среды. Пока влияние всех этих факторов не исключено или не учитывается при окончательном определении результата измерения, до тех пор невозможно объективно судить о температуре человеческого тела после единичного измерения температуры. Разница между истинной и кажущейся температурой чаще всего составляет 1-3 градуса. Точность исследования возрастает, если снять с исследуемого одежду, а из помещения удалить объекты, более теплые или более холодные, чем воздух в комнате. Оптимальной для исследования считается температура воздуха 22 градуса.
Перед проведением тепловизионного исследования больной должен адаптироваться к температуре окружающей среды, оптимальным и достаточным является 20-минутный период адаптации. Оптимальное расстояние от тепловизора до объекта составляет 2-4 метра.Тип адаптации у людей:
устойчивый. Характеризуется высокой степенью адаптации. У людей, относящихся к этой группе, вначале отмечается небольшое падение температуры на 0.3-0.5 С при естественном охлаждении и быстрое восстановление температуры кожи до первоначального уровня.
уравновешенный. Степень адаптации при этом несколько понижена и наблюдается замедленное восстановление температуры кожи.
неустойчивый. В этом случае имеют место нарушения физической терморегуляции или функциональные расстройства сосудистой системы без клинических проявлений. Температура несколько стабилизируется к 40-60-й минуте периода адаптации, оставаясь пониженной.
39. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ИНГАЛЯТОРОВ
1165860274320Принцип работы струйного ингалятора основан на эффекте Бернулли (с Рис.1.Схема струйного ингалятора
увеличением скорости движения потока давление в нем должно падать) и может быть представлен следующим образом. Воздух или кислород (рабочий газ) входит в камеру ингалятора через узкое отверстие Вентури. На выходе из этого отверстия давление падает, и скорость газа значительно возрастает, что приводит к засасыванию в эту область пониженного давления жидкости через узкие каналы из резервуара камеры. Жидкость при встрече с воздушным потоком разбивается на мелкие частицы размерами 15-500 микрон ("первичный" аэрозоль). В дальнейшем эти частицы сталкиваются с "заслонкой" (пластинка, шарик и т.д.), в результате чего образуется "вторичный" аэрозоль - ультрамелкие частицы размерами 0,5-10 мкм, который далее ингалируется, а большая доля частиц первичного аэрозоля (99,5%) осаждается на внутренних стенках камеры ингалятора и вновь вовлекается в процесс образования аэрозоля (рис. 1).
Ультразвуковые ингаляторы для продукции аэрозоля используют энергию высокочастотной вибрации пьезокристалла. Вибрация от кристалла передается на поверхность раствора, где происходит формирование "стоячих" волн. При достаточной частоте ультразвукового сигнала на перекрестье этих волн происходит образование "микрофонтана", т.е. образование аэрозоля (рис. 2).
145161079375
Рис.2.Схема получения аэрозоля с помощью ультразвука
Размер частиц обратно пропорционален частоте сигнала. Как и в струйном ингаляторе, частицы аэрозоля сталкиваются с "заслонкой", более крупные возвращаются обратно в раствор, а более мелкие - ингалируются. Продукция аэрозоля в ультразвуковом ингаляторе практически бесшумная и более быстрая по сравнению со струйными, кроме того ультрозвуковые ингаляторы позволяют получить более мелкие капельки препарата и как следствие более глубокая проницаемость в дыхательные органы. Недостатки: неэффективность производства аэрозоля из суспензий и вязких растворов; больший остаточный объем; повышение температуры раствора во время ингаляции с возможностью разрушения структуры лекарственного препарата.
Основным фактором, определяющим депозицию (проникающая способность) частиц в дыхательных путях, является размер частиц аэрозоля. Условно распределение частиц аэрозоля в дыхательных путях в зависимости от их размера можно представить следующим образом:
В целом, чем меньше размер частиц, тем более дистально происходит их депозиция: при размере частиц 10 мкм отложение аэрозоля в ротоглотке равно 60 %, а при 1 мкм - приближается к нулю. Частицы размерами 6-7 мкм осаждаются в центральных дыхательных путях, в то время как оптимальные размеры для депозиции в периферических дыхательных путях - 2-3 мкм, 0,5-2 мкм - осаждаются в альвеолах, а менее 0,5 мкм - не осаждаются в легких.
На депозицию аэрозоля могут влиять такие факторы, как носовое дыхание, геометрия дыхательных путей, наличие заболевания дыхательных путей, позиция тела.
Ингаляция при помощи ультрозвукового ингалятора проводится через загубник или лицевую маску( детям при интенсивной терапии). Оба типа интерфейса считаются эффективными, однако носовое дыхание может существенно снизить депозицию аэрозоля при дыхании через маску. Маска приблизительно вдвое уменьшает доставку аэрозоля в легкие, кроме того, при расстоянии маски от лица 1 см депозиция аэрозоля падает более чем в 2 раза, а при отдалении на 2 см - на 85%.
Ингаляционная терапия является наиболее быстрым способом доставки лекарственных препаратов в легкие и бронхи. Ингалятор эффективен при лечении заболеваний верхних и нижних дыхательных путей на всех стадиях.
40. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Под ультразвуком в акустике понимаются колебания, частоты которых лежат за пределами слышимости человеческого уха, т.е выше 20 КГц. В зависимости от частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения.
Подобласти:
низкие УЗ частоты - 1.5*104 – 105 Гц
средние УЗ частоты - 105 – 107
высокие УЗ частоты - 107 – 109
Помимо собственно звуковых (распространяющиеся в среде продольные волны) к УЗ относятся колебания изгиба и сдвига, а также поперченные и поверхностные колебания, если частота их составляет больше 20 КГц.
Малость длин волн обусловило особое применение ультразвука в медицине. Его волны легче сфокусировать и получить более узкое и направленное излучение, т.е. сохранить всю энергию ультразвука в нужном направлении и концентрировать его в нужном объеме.
Одним из основных компонентов диагностических УЗ приборов является датчик. Он преобразует электрические сигналы в УЗ колебания и производит электрические сигналы, получая отраженное эхо от внутренних тканей пациента. Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель, и чувствителен как приемник, принимать широкий диапазон частот. Увеличение частоты УЗ колебаний приводит к увеличению разрешения, однако с ростом частоты колебаний, увеличивается и их поглощение тканями человека, что приводит к уменьшению глубины проникновения. Обычно в диагностических приборах применяются следующие датчики:
3 МГц - используют в кардиологии.
3.5 МГц – используют при исследовании органов малого таза.
5 МГц – используется в педиатрии
5МГц с коротким фокусом - применяется для обследования молочной железы
6МГц – 6.5МГц – используют для исследования желудка и кишечника
7.5 МГц – используют при исследовании поверхностно расположенных органов, щитовидной железы и лимфатических органов
Области применения ультразвука и для чего:
Акушерство: подтверждение беременности, сроки беременности, выявление аномалий развития плода, расположение плода перед родами.
Гинекология: применяется как дополнительный вид исследования, не является основным. Исследование матки и шейки матки, исследовании яичников.
Диагностика органов брюшной полости: исследование желудка и кишечника (вспомогательно для контроля проходимости, выявления воспалительных процессов и опухолевых новообразований), исследование печени и желчных протоков(оценка размеров и формы печени, локализированные патологии, диагностика первичных и вторичных злокачественных опухолей, обнаружение желчных камне и воспаления желчного пузыря), исследование предстательной железы и мочевого пузыря(размер, объем, форма, заполняемость МП, злокачественные и доброкачественные новообразования железы, диагностика простатита, лечение опухолей.).
Также применяется для обследования сердца и позволяет: диагностировать патологии каналов сердца, оценка функционального состояния левого желудочка, диагностика врожденных пороков сердца, диагностика опухолей сердца.
41. ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
Чаще всего метод разрушения биологических тканей применяется при дроблении почечных камней, которые могут доставлять огромные неудобства, когда они проходят по мочевыводящим путям. В конечном счете, эти камни могут привести к потере функции пораженной почки. Для удаления камней может применяться хирургическая операция (дихотомия), однако эта процедура включает в себя все те осложнения, которые присущи большей части хирургических вмешательств. Напротив, литотрипсия (камнедробление) относится к числу хирургических процедур, выполняемых неинвазивно, или с минимальным инвазивным хирургическим вмешательством, поэтому она не имеет таких рисков и осложнений. Эта процедура заключается в измельчении камня таким образом, чтобы он вышел по мочевыводящим путям в виде маленьких частиц, выведение которых не сопровождается серьезным дискомфортом и потерей трудоспособности.
При подкожной литотрипсии зонд вводится через небольшой разрез к месту локализации почечного камня, причем процесс введения зонда контролируется при помощи рентгеновской флюорографии. Сам процесс дробления проводится либо с помощью механической ударной волны, вызванной при помощи управляемого электрического разряда на кончике зонда, либо при помощи генерирующего ультразвуковые волны преобразователя, вмонтированного в зонд. Раздробленные камни удаляют из почки по частям при помощи специального устройства на зонде. Некоторые из них выходят сами по мочевыводящим путям.
Дробление камней с помощью ударных волн является полностью неинвазивной процедурой, которая может использоваться при удалении камней в почках. Рис. 1 показывает основные элементы конструкции аппаратов, применяемых для проведения таких операций.

Рис. 1. Экстракорпоральное дробление камней (литотрипсия).
Серия механических ударных волн генерируется в фокусе эллиптического отражателя таким образом, чтобы они сконцентрировались в сопряженном фокусе в нескольких сантиметрах от отражателя. И отражатель, и пациент погружены в обессоленную дегазированную воду так, чтобы пациента можно было перемещать до тех пор, пока камень не попадет в точку концентрации ударных волн. Правильное положение пациента очень важно, поэтому для позиционирования используется двухкоординатный рентгеновский аппарат, который также служит для слежения за процессом разрушения камня. Высоковольтный импульс (около 20 кВ) прикладывается к искровому промежутку, в котором разряд вызывает ударную волну. Эта волна распространяется в воде к сопряженному фокусу. Пациент располагается на специальной перемещающейся подставке, что позволяет изменять его положение с высокой точностью, в то время как оператор следит за локализацией камня по монитору двухкоординатного рентгеновского аппарата. Когда пациент будет находиться в нужном положении, в искровом промежутке генерируются ударные волны путем многократного разряда. Для разрушения почечного камня диаметром 1—2 мм на мелкие фрагменты, которые смогут безболезненно пройти по мочевыводящим путям, может потребоваться до 2000 разрядов.
После такого лечения большинство пациентов могут вернуться к обычной жизни через 2 дня. Это значительно меньше, чем требуется для восстановления после хирургической операции по удалению камня. Поэтому, хотя такой аппарат является дорогостоящим и сложным в эксплуатации, его достоинства очевидны, как с точки зрения пациентов, так и с точки зрения эффективности лечебных учреждений.
42. ВОЗМОЖНОСТИ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ НАРКОЗНО-ДЫХАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ
Особым типом управляемых устройств для введения лекарств являются аппараты для наркоза. Эти аппараты предназначены для того, чтобы во время операции анестезиолог мог вводить в легкие пациента летучие анестезирующие вещества. Типичный наркозный аппарат состоит из трех частей.

Блок формирования газовой смеси, или система подачи газов, обеспечивает выход определенной газовой смеси, соответствующей выбору пользователя.
Система вентиляции пациента включает дыхательный контур, абсорбер, респиратор, а иногда — приборы для наблюдения за давлением газа и его расходом.
Система удаления отработанных газов собирает избыточные газы из контура пациента и устройства формирования газовой смеси и выводит эти газы за пределы больницы. Таким образом, снижается воздействие ингаляционных анестетиков на персонал, работающий в операционной.
Первая предназначена для обеспечения подачи газа. Здесь происходит смешивание в необходимой пропорции кислорода и закиси азота, которые поступают из центрального резервуара или из газовых баллонов. Датчики потока показывают объемы поступающих газов. Регулируя скорость потока, оператор может получить требуемый объем газовой смеси в нужной пропорции.
Второй частью наркозного аппарата является испаритель. Здесь чистый кислород или смесь кислорода и закиси азота, поступающая из смесительной камеры, пропускается над жидкой фазой летучего анестезирующего вещества или пробулькивается через жидкость. Доза анестезирующего агента определяется скоростью протекания газа через испаритель. Анестезиолог может изменять эту скорость, регулируя клапаны в газовой системе и измеряя с помощью расходомера как поток газа, протекающего через испаритель, так и поток газа, который его обходит.
Последняя часть наркозного аппарата — это устройство для дыхания пациента. Эта часть предназначена для введения в пациента анестезирующих газов и выведения выдыхаемого воздуха. Введение газа в легкие происходит с использованием запорного клапана через одну трубку, а выдыхаемый воздух выходит через другую, тоже снабженную запорным клапаном. Таким образом, выдыхаемый воздух отделен от дыхательной линии. Выдыхаемый воздух проходит через поглотитель углекислого газа, где из него удаляется углекислый газ, и опять возвращается в дыхательный контур. В системе имеется также мягкий баллон-резервуар воздуха низкого давления, который предназначен для того, чтобы при необходимости у анестезиолога имелась возможность усилить вентиляцию легких. Выдыхаемый воздух может также удаляться из дыхательного контура и пропускаться через систему очистки для удаления анестезирующего агента, прежде чем выпустить газ в атмосферу. Для тех пациентов, которые нуждаются в аппаратуре, поддерживающей дыхание, соответствующий дыхательный контур может быть подключен к аппарату искусственного дыхания, которые принято делить на две группы:
1. вентиляция с контролем по объему, когда дыхательный объем устанавливается непосредственно, как в аппаратах для ИВЛ, построенных на базе дыхательного меха, либо как функция инспираторного потока и времени:
2. вентиляция с контролем по давлению, предусматривающая управление количеством газа, поступающего в легкие во время вдоха за счет ограничения инспираторного давления.
Принцип работы.
Аппарат представляет собой газопроводящую систему, основными частями которой являются дозиметр, испаритель, блок управления дыханием. В дозиметр из баллонов (или системы централизованной подачи газа) поступают кислород и закись азота. При открытых вентилях газы проходят в ротаметры (прибор для определения объёмного расхода газа или жидкости в единицу времени), поднимая на определенный уровень поплавки.
Кислород поступает в ротаметр через инжектор (струйный насос, предназначенный для сжатия газов и паров, а также нагнетания жидкости в различные аппараты и резервуары) и при открытом кране происходит подсос атмосферного воздуха к проходящему кислороду. Пройдя ротаметры, кислород и закись азота смешиваются в определенном соотношении в камере смеси. Образовавшаяся смесь газов идет в испаритель эфира. Часть газовой смеси проходит через кран к соединительному шлангу, минуя камеру испарения эфира. Другая часть газовой смеси через отверстие под клапаном поступает в камеру испарения эфира и, насыщаясь парами эфира, через отверстие, образованное корпусом и клапаном термокомпенсатора, направляется через кран к соединительному шлангу.
Соотношение между этими частями, определяющее концентрацию эфира в выходящей газовой смеси, зависит от положения крана. Концентрация эфира в газовой смеси зависит также от температуры в испарительной камере. При падении температуры интенсивность испарения и концентрация эфира в смеси уменьшаются. На температуру в испарительной камере влияют температура окружающей среды и охлаждение, вызванное испарением эфира.
43. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИСТАЛЬТИКИ ПИЩЕВОДА
Для исследования двигательной функции пищеварительной системы имеются различные методы, позволяющие регистрировать колебания стенки полого органа: эндоскопический, радиотелеметрический, ультразвуковой, и рентгенологический. Создаваемое давление в стенках полого органа регистрируется с помощью баллонно-тимографического метода, а биотоки гладкой мускулатуры с помощью электрогастрографического метода.
Эндоскопический метод. Не нарушает функции изучаемых органов и не влечет, каких либо серьёзных последствий для пациента. С помощью этого метода изучается целостность слизистой оболочки, её цвет, подвижность, складчатость. Изучается так же функция пищевода, в зависимости от дыхания и сокращения сердца. Этот метод имеет существенный недостаток, заключающийся в трудности сопоставления полученных результатов. На сегодняшний день фирмой «OLIMPUS» выпускается эндоскопы с диаметром рабочей части 1,7 и 2,7 мм. Длина рабочей части составляет 110 и 170 мм.
Радиотелеметрический метод. Принцип радиотелеметрического исследования органов пищеварения состоит в том, что с помощью радиоприёмного устройства регистрируются сигналы миниатюрного передатчика, находящегося в пищеварительном тракте и реагирующего на определённые физиологические, физические и химические явления. Радиокапсула с микропередатчиком давления, температуры и кислотности проходит по всему желудочно-кишечному тракту и передаёт информацию об изменении того или иного параметра. Специальная антенна, накладываемая на исследуемого человека, воспринимает сигналы радиокапсулы и подаёт их на вход приёмно-анализирующего устройства.
Ультразвуковой метод. Представляет собой воздействие частотами, лежащими вне диапазона слышимых звуков. Когда источник ультразвуковых колебаний размещается на поверхности кожи, то ультразвуковые волны проникают в тело. Там, где волны наталкиваются на границу, между веществами с различной плотностью часть энергии отражается обратно, остальная часть продолжает распространяться. Для получения масштабного изображения необходимо отображать на разных точках экрана сигналы, отражённые от отдельных участков. С помощью метода ультразвуковой диагностики можно исследовать органы, расположенные друг за другом.
Рентгенологический метод. Даёт целостное представление о желудке. Позволяет изучать форму органа, положение, тонус мышечной стенки и перистальтику. Имеет ограничения во времени исследования в связи с опасностью лучевого поражения и поэтому не позволяет регистрировать моторику желудка.
Баллонно-тимографический метод. Зонд с прикреплённым на конце баллоном вводят на определённую глубину. Под давлением сокращающегося органа воздух из баллона передаётся по зонду на регистрирующую систему. После записи гастрограммы на свободном конце зонда делают отметку для контроля его положения. К недостаткам метода относятся: трудность при проглатывании зонда и баллона, возможность вызова отвергающей реакции.
Оптико-электронный метод. В основе метода лежит зондирование с применением инфракрасного излучения. Позволяет регистрировать колебания небольших сегментов исследуемых органов. Обладает высокой помехозащищённостью, т. к. источник и приёмник излучения не связанны электрически. Малые размеры преобразователя позволяют его применять в полостях. Позволяет регистрировать моторную функцию графически.
Электрогастрографический метод. Основан на том, что кожные потенциалы, отведённые с эпигастриальной области, отражают тесную связь с моторикой гладких мышц различных отделов желудочно-кишечного тракта. В этом методе производится избирательная запись частот биотоков синхронных с ритмом перистальтики желудка. Информативность этого метода невелика. Он даёт два показателя: амплитуду перистальтических волн и их частоту.
1
2
4
4
4
5
5
5
3
Период колебаний биопотенциалов желудка находится в пределах от 20 до 30 секунд. Для того, чтобы усилить эти колебания, не превышающие по амплитуде 0,4 мВ, усилитель прибора должен иметь узкую полосу пропускания - 2*10-2 - 0,15 Гц и чувствительность 40 мм/мВ. Скорость протягивания диаграммной ленты составляет 10 мм в минуту. Снятие электрогастрограммы производится после стандартного завтрака. С помощью рентгеноскопии определяется место наложения диферентного электрода.
Рис.1. Общая схема прибора для регистрации биопотенциалов
Индиферентный электрод накладывается на внутреннюю поверхность голени правой ноги. Электрогастрограмма снимается от 0,5 до 1ч.
Приборы для регистрации биопотенциалов.
1 – электроды накладываемые на участки тела
2 – Соединительные провода
3 – Входное устройство
4 – Усилители
5 – Регистраторы
44. ЛАЗЕРНЫЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.
Лазер - устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.
Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды). Более точная классификация учитывает также и методы накачки — оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации — непрерывный или импульсный.
Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей (когда возбужденных атомов больше, чем невозбужденных); 2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).


Вторая половина XX столетия ознаменовалась появлением лазеров - источников света с новыми свойствами, такими, как: монохроматичность (одноцветность), когерентность (совпадение всех фаз световых волн в пространстве и времени), поляризованность (поперечность световых волн по отношению к направлению луча).

В середине 60-х годов началось изучение фотобиоэффектов, вызванных низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ). Исследователи убедительно показали преимущества лазерного излучения как средства терапевтического воздействия, что во многом и определило дальнейшее развитие низкоинтенсивной лазерной терапии, как самостоятельного направления физиотерапии.
При оптимальных дозах воздействия на организм низкоэнергетическим лазерным излучением мы осуществляем соответствующую энергетическую подкачку. Фотобиологический эффект лазерного облучения проявляется ответной реакцией организма в целом, комплексным реагированием органов и систем. Это находит отражение в клинических эффектах лазерной терапии. В результате понижения рецепторной чувствительности, напряжения тканей проявляются обезболивающие действия. Уменьшенные длительности фаз воспаления и отека тканей дает противовоспалительный и противоотечный эффект. Повышение скорости кровотока улучшает региональное кровообращение, что вместе с ускорением метаболических реакций и увеличением делительной активности клеток способствует процессам регенерации. При лазерной терапии многими авторами отмечаются десенсибилизирующий (десенсибилизация – это отмена или уменьшение чувствительности организма к какому-либо веществу) эффект, повышение активности общих и местных факторов иммунной защиты. В зависимости от длины волны лазерного облучения появляются бактерицидный (способный убивать бактерии) или бактериостатический (способный подавлять или замедлять рост и размножение бактерий) эффекты.
Классификация лазеров, используемых в медицинских терапевтических аппаратах:
1. Физическое (агрегатное) состояние рабочего вещества лазера.
газовые (гелий-неоновые, гелий-кадмиевые, аргоновые, углекислотные и др.);
эксимерные (аргон-фторовые, криптон-фторовые и др.);
твердотельные (стекло, алюмоитриевый гранат и др., легированные различными ионами);
жидкостные (органические красители);
полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид-галлиевые, селенид-свинцовые и др.).
2. Способ возбуждения рабочего вещества.
оптическая накачка (освещение лазерной среды внешним источником света с целью перевода ее в возбужденное электронное состояние. всей среды или ее составляющих)
накачка за счет газового разряда;
электронное возбуждение;
инжекция носителей заряда (увеличение концентрации носителей заряда в полупроводнике (диэлектрике) в результате переноса носителей током из областей с повыш. концентрацией под действием внеш. электрич. поля);
тепловая;
химическая реакция;
другие.
3. Длина волны излучения лазера.
Если спектр излучения сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3нм), то принято считать излучение монохроматичным и в его технических данных указывается конкретная длина волны, соответствующая максимуму спектральной линии. Длина волны излучения определяется материалом рабочего вещества, но может изменяться в небольших пределах, например, от температуры.
4. По характеру излучаемой энергии различают непрерывные и импульсные лазеры.
Лазер с модуляцией непрерывного излучения производит прерывистое излучение различной частоты и формы, но с максимальной мощностью, не превышающей значение в непрерывном режиме или превышающей ее незначительно. Импульсные лазеры обладают большой мощностью в импульсе, достигающей для некоторых типов 107 Вт и более, но длительность импульса чрезвычайно мала, а средняя мощность за период невелика.
5. Очень важной является характеристика средней мощности лазеров.
Низкоинтенсивное лазерное излучение условно подразделять на "мягкое" - до 4 мВт/см2, "среднее" - от 4 до 30 мВт/см2 и "жесткое" - более 30 мВт/см2. В лечебном процессе "мягкое" излучение используют для рефлексотерапии по точкам классической акупунктуры, "среднее" - для воздействия на поверхностно расположенные патологические очаги, либо на область проекции тех или иных органов. "Жесткое" низкоинтенсивное излучение, в частности, гелий-неонового лазера, рекомендуют использовать в стоматологии при лечении некоторых заболеваний полости рта и зубов.
6. По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса:
Класс 1. Лазерные изделия безопасные при предполагаемых условиях эксплуатации.
Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания.
Класс 3А. Лазерные изделия безопасные для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапозоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Для других длин волн опасность для незащищенного глаза не больше чем для класса 1.
Класс 3В. Непосредственно наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.
Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.
7. Для осуществления лечебного процесса часто важной является такая характеристика лазера, как угловая расходимость луча. Измеряется в градусах, угловых минутах (1/60 градуса), угловых секундах (1/60 минуты) или радианах (1° = p /180 > 0,0175 рад). Наименьшую расходимость имеют газовые лазеры - около 30 угловых секунд (> 0,15 мрад).
8. Коэффициент полезного действия (КПД) лазера. Различают теоретически возможный (квантовый выход) и реальный (полный) КПД. Последний определяется отношением мощности излучения лазера к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1-20% (гелий-неоновый - до 1%, углекислотный 10-20%,), у твердотельных - 1-6%, у полупроводниковых - 10-50% (в отдельных конструкциях до 95%). Газовые лазеры многообразны по типу применяемой среды: He-Ne, СO, CO2, N, Ar и другие. Этим определяется очень широкий диапазон длин волн, на которых получена генерация. Накачка осуществляется путем создания тлеющего разряда в трубке, что возможно лишь при очень высоких питающих напряжениях. Из всех типов лазеров обладают самой минимальной шириной спектральной линии.
Эксимерные лазеры являются разновидностью газовых лазеров, работают на соединениях, которые могут существовать только в возбужденном состоянии - галогенов и инертных газов (KrF, ArF и др.). Излучают в ультрафиолетовой области спектра.
Твердотельные лазеры - это в основном алюмоитриевый гранат (АИГ), легированный ионами редкоземельных металлов (Nd, Er, Ho и др.). Эти ионы и являются источником излучения, а гранат лишь матрицей для их правильного расположения в пространстве. Твердотельные лазеры могут быть как импульсными, так и непрерывными, работают на среднем уровне мощностей.
Лазеры на красителях (в качестве рабочего тела используется жидкий раствор специальных красителей) характеризуются тем, что могут перестраиваться по длине волны в широком спектральном диапазоне.
Полупроводниковые лазеры (ППЛ) занимают особое место в силу своих конструктивных особенностей и физических принципов работы. Небольшие размеры лазера определяются высоким КПД и необходимостью обеспечения высокой плотности тока накачки для достижения инверсной заселенности. У полупроводниковых лазеров накачка осуществляется небольшим током (десятки мА) при приложении напряжения около 2 - 3 В, тогда как у других типов лазеров требуются тысячи вольт. Недостатком ППЛ является большая расходимость излучения, что ограничивает его применение других областях, кроме лазерной терапии. ППЛ работают в диапазоне длин волн от 0,63 до 15 мкм.
Аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров содержат также: устройство для модуляции мощности излучения непрерывных лазеров или задающий генератор для импульсных лазеров; таймер, задающий время работы; индикатор или измеритель мощности излучения (фотометр); инструмент для подведения излучения к объекту (световоды) и др.
45. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В терапевтической практике используют ультразвук в диапазоне частот 800-3000 кГц. Режимы воздействия ультразвуковой энергией могут быть непрерывным и импульсным.
ПринципработыУЗИУЗИ - метод, основанный на принципе эхолокации (способ, при помощи которого положение оъекта опр по времени задержки возвращений отраженной волны). Ультразвуковой передатчик излучает звуковые волны высокой частоты. Волны попадают на объект, отражаются от него и поступают в принимающее устройство (ресивер), интерпретирующее их в виде картинки на экране монитора. Глаз простого человека не увидит на таком мониторе ничего, кроме темных и светлых пятен, однако специалист может судить по ним о расположении, форме и состоянии исследуемого органа.

В непрерывном режиме ультразвук в виде единого потока направляют в ткани.
В импульсном режиме посыл энергии чередуется с паузами. Время подачи ультразвуковой энергии и паузы могут быть различными.
Ультразвук оказывает на организм механическое, физико-химическое и слабое тепловое действие. Механическое действие ультразвука, обусловленное переменным акустическим давлением, вызывает микровибрацию, своеобразный «микромассаж» тканей. Термическое влияние ультразвука вызывает повышение температуры в тканях, способствуя расширению, кровеносных и лимфатических сосудов, изменению микроциркуляции. В результате этого активизируются тканевые обменные процессы, проявляется противовоспалительное и рассасывающее действие ультразвука.  Благодаря физико-химическому воздействию ультразвука повышается интенсивность тканевых окислительно-восстановительных процессов, увеличивается образование биологически активных веществ гепарина (вещ-во, препятствующее свертыванию крови), гистамина (вещ-во,провоцирующее аллергическую реакцию), серотонина (гормон в организме) и др. Ультразвук обладает выраженным обезболивающим, спазмолитическим (устраняющим спазмы), противовоспалительным, противоаллергическим и общетонизирующим действием. Он стимулирует крово- и лимфообращение, восстановительные процессы, улучшает питание тканей. Ультразвуковая терапия нашла широкое применение в клинике внутренних болезней, при заболеваниях суставов, кожи, уха, горла, носа. Ультразвуком дробят камни в желчном пузыре, почках, мочевом пузыре. Одним из методов лечебного использования ультразвука является ультрафонофорез лекарственных веществ. Он представляет собой сочетанное действие ультразвука и лекарственных веществ, проникающих через кожу и слизистые оболочки во время воздействия ультразвуковых колебаний.
Противопоказаниями для ультразвуковой терапии являются опухоли, острые инфекции и интоксикации, болезни крови, ИБС, тромбофлебит, склонность к кровотечениям, пониженное артериальное давление, органические заболевания ЦНС, выраженные невротические и эндокринные расстройства, беременность.
46. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ УВЧ, СВЧ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Увч-терапия - метод электролечения, основанный на воздействии на организм больного преимущественно ультравысокочастотного электромагнитного поля. При проведении лечебной процедуры участок тела, подвергаемый воздействию э. п. УВЧ, помещают между двумя конденсаторными пластинами-электродами таким образом, чтобы между телом больного и электродами имелся воздушный зазор, величина которого не должна меняться в течение всей процедуры. Физическое действие э. п. УВЧ заключается в активном поглощении энергии поля тканями и преобразовании ее в тепловую энергию, а также в развитии осцилляторного эффекта (совокупность изменений в организме, вызванных воздействием переменного электромагнитного поля высокой, ультравысокой или сверхвысокой частоты, не связанных непосредственно с действием тепла, образующегося при этом в тканях), характерного для высокочастотных электромагнитных колебаний. Тепловое действие УВЧ-терапии меньше выражено, чем при индуктотермии. Основное теплообразование происходит в тканях, плохо проводящих электрический ток (нервная, костная и т д.). Интенсивность теплообразования зависит от мощности воздействия и особенностей поглощения энергии тканями. УВЧ оказывает противовоспалительное действие за счет улучшения крово- и лимфообращения, активирует функции соединительной ткани, стимулирует процессы клеточной пролиферации (разрастание ткани организма путём новообразования и размножения клеток), что создает возможность ограничивать воспалительный очаг плотной соединительной кап. УВЧ оказывает антиспастическое действие на гладкую мускулатуру желудка, кишечника, желчного пузыря, ускоряет регенерацию нервной ткани, усиливает проводимость импульсов по нервному волокну, понижает чувствительность концевых нервных рецепторов, т.е. способствует обезболиванию, уменьшает тонус капилляров, понижает артериальное давление, вызывает брадикардию.
УВЧ применяют в лечебной практике в непрерывном и импульсном режиме. Лечение показано при различных острых и хронических воспалительных процессах внутренних органов (бронхиты, холециститы, пневмонии), опорно-двигательного аппарата, уха, горла, носа (ангины, отиты), периферической нервной системы (невриты), женской половой сферы, дистрофических процессах и острых нагноениях (фурункулы, карбункулы, абсцессы, флегмоны). Свч-терапия - метод электролечения, основанный на воздействии на больного электромагнитных колебаний с длиной волны от 1 мм до1м (или соответственно с частотой электромагнитных колебаний 300-30000 МГц). В лечебной практике используют микроволны дециметрового (0,1-1 м) и сантиметрового (1-10 см) диапазонов и в соответствии с этим различают два вида СВЧ-терапии: дециметроволновая (ДМВ-терапия) и сантиметроволновая (СМВ-терапия).
Микроволны занимают промежуточное положение между электромагнитными волнами ультравысокочастотного диапазона и инфракрасными лучами. Попадая на тело человека, 30-60 % микроволн поглощается тканями организма, остальная часть отражается. При отражении микроволн, в особенности тканями с различной электропроводностью, поступающая и отраженная энергия могут складываться, что создает угрозу местного перегрева тканей. Часть поглощенной тканями энергии микроволн переходит в тепло и оказывает тепловое действие. Наряду с этим имеет место и специфический осцилляторный эффект. Он связан с резонансным поглощением электромагнитной энергии, так как частота колебаний ряда биологических веществ (аминокислот, полипептидов, воды) близка к диапазону частот микроволн. Вследствие этого под влиянием микроволн повышается активность различных биохимических процессов, образуются биологически активные вещества (серотонин, гистамин и др.). Под влиянием микроволновой терапии происходит расширение кровеносных сосудов, усиливается кровоток, уменьшается спазм гладкой мускулатуры, нормализуются процессы торможения и возбуждения нервной системы, ускоряется прохождение импульсов по нервному волокну, изменяется белковый, липидный, углеводный обмен. Микроволновая терапия стимулирует функцию симпатико-адреналовой системы, оказывает противовоспалительное, спазмолитическое, типосенсибилизирующее, обезболивающее действие.
Имеются некоторые различия в действий микроволн дециметрового и сантиметрового диапазона. Энергия СМВ проникает в ткани на глубину 5-6 см, а ДМВ - на 10-12 см. При действии СМВ теплообразование больше выражено в поверхностных слоях тканей, при ДМВ оно происходит равномерно как в поверхностных, так и в глубоких тканях. Волны дециметрового диапазона благоприятно влияют на состояние сердечнососудистой системы - улучшается сократительная функция миокарда, активизируются обменные процессы в сердечной мышце, снижается тонус периферических кровеносных сосудов. Наиболее выраженная благоприятная динамика отмечается при воздействии на область надпочечников.
Местная дарсонвализация. Метод заключается в воздействии с лечебной целью на определенные участки тела больного переменным электрическим током высокой частоты и напряжения, импульсного характера при небольшой силе тока. Используются переменный ток частотой 110 к Гц. Длительность импульсов составляет 100 мкс. Высокочастотный ток, проходя через разреженный воздух, находящийся в электроде, и его стеклянную стенку, образует в слое воздуха между поверхностью тела и стенкой электрода коронный разряд. Он может быть «тихим» при небольшом воздушном зазоре и переходить в искру с увеличением зазора. При прохождении высокочастотного тока через малую емкость, образуемую стеклянной и стенкой электрода, происходит ослабление тока до величины, не вызывающей болезненных ощущений.
Для проведения воздействия местной дарсонвализации вакуумный стеклянный электрод плотно прикладывают к месту воздействия или вводят его в полоть (при постоянных процедурах). После этого включают высокое напряжение и плавно увеличивают силу тока до появления у больного ощущения очень слабого тепла при полостных процедурах и покалывания при поверхностных. Затем при поверхностных воздействиях вакуумный электрод плавным движением перемещают по припудренной тальком поверхности тела, подлежащей воздействию. При необходимости оказания слабого воздействия наряду с использованием малой силы тока вакуумный электрод перемещают, не отрывая его от поверхности тела больного. По окончании процедуры сначала выключай ток, а затем удаляют электрод от поверхности тела.
Общая дарсонвализация заключается в воздействии на весь организм больного с лечебной целью переменным импульсным электромагнитным полем высокой частоты и напряжения. Для ее осуществления больного помещают внутрь соленоида (катушка провода, намотанного на цилиндрическую поверхность), по виткам которого пропускают ток. В современных аппаратах для общей дарсонвализации применяют ток частотой 140 кГц с длительностью серий колебании (импульсов) 20—30 мкс при частоте их следования 100 Гц. За счет емкостной связь между витками соленоида и телом больного на него действует также и высокочастотное электрическое поле. Таким образом, организм больного, находящегося в соленоиде, подвергается воздействию высокочастотного импульсного электромагнитного поля.
При воздействии электромагнитных колебаний в теле больного индуцируются вихревые токи, которые и являются фактором, непосредственно действующим на организм. Мощность этих токов невелика.
Решение экзаменационных задач
№ 1
Решение
Закон Больцмана для распределения частиц во внешнем потенциальном поле: C=C0exp{W(x)/(kT)},
W(x) потенциальная энергия частицы.C1/C2= exp{(W1W2)/(kT)}.
Разность потенциалов электрического поля: =(W2W1)/(Ze), Z валентность иона, e элементарный заряд. =(kT)/(Ze)*ln(C1/C2) или
=(RT)/(ZF)*ln(C1/C2) формула Нернста,
где R=kNA универсальная газовая постоянная, F=eNA постоянная Фарадея.
=(8,31*293)/( 9,65*104)*ln(440/49)=55 мВ.
Рассчитать потенциал покоя гигантского аксона кальмара, если известно, что концентрация ионов натрия снаружи равна 440 мМ, а внутри его 49 мМ, температура равна 20 С.
Дано:
С1=440 мМ
С2=49 мМ(М моль/л)
t=20 oCR=8,31 Дж/(мольK)
F=9,65*104 Кл/моль
Z=1
=?
№ 2
Скорость пульсовой волны в артериях составляет 8 м/с. Чему равен модуль упругости этих сосудов, если известно, что отношение радиуса просвета r к толщине стенки сосуда h равно 6, а плотность крови равна 1,15 г/см3 ?rhРешение
Скорость распространения пульсовой волны крови в сосуде: формула Юнга. E=v2*2r/h,
E=82*2*1.15103*6=8.8105 Па.

Дано:
v=8 м/с
r/h=6
=1.15103 кг/м3
E=?
№ 3
Определить абсолютное удлинение сухожилий длиной 4 мм и площадью сечения 106 м2 под действием сил 320 Н. Модуль упругости сухожилия 109 Па. Считать сухожилие абсолютно упругим телом.
Закон Гука: =E,
=l/l1 относительное удлинение, =F/S напряжение.
l=F*l1/(S*E), l=320*0.004/(106*109)=1.28 мм

Дано:
l1=0.004 м
S=106 м2F=320 Н
E=109 Па
l =?
№ 4
Наблюдая под микроскопом движение эритроцитов в капилляре, можно измерить скорость течения крови (vкр=0.5 мм/с). Средняя скорость тока крови в аорте составляет vа=40 см/с. На основании этих данных определить, во сколько раз сумма поперечных сечений всех функционирующих капилляров больше сечения аорты.
Решение
Q объемная скорость кровотока. Q=vкр*Sкап, Q=vа* Sа,
Sкап/Sа= vа/vкр, Sкап/Sа=400/0.5=800.
Дано:
vкр=0.5 мм/с
vа=40 см/с
Sкап/Sа=?
№ 5
Определить среднюю линейную скорость кровотока в сосуде радиуса R=1.5 см, если во время систолы через него протекает 60 мл крови. Считать длительность систолы 0.25 с.
Решение
Объемная скорость кровотока Q=V/T, средняя линейная скорость кровотока v=Q/S, площадь сечения сосуда S=R2, отсюда v=V/(TR2), v=60106/(0.25*3.14*(1.5102)2)=0.34 м/с.
Дано:
R=1.5 см
V=60 мл
T=0.25с
v=?
№ 6
Вычислите электроемкость тела человека, считая ее равной ёмкости электропроводящего шара того же объема. Среднюю плотность тела принять равной =1г/см3; масса человека =60 кг.
Решение
Электроемкость шара: С = 4*π*0*R, Vтела=m/,
Vшара=(4/3)π*R3, Vшара= Vтела, R =(3m/(4*π*))1/3, R=(3*60/(4*3.14*1103*))1/3=0.24 м,
C=4*3.14*8.851012*0.2426.8 пФ
Дано:
=1 г/см3
m=60
0=8.851012 Ф/м
C=?
№ 7
Зрительное ощущение у человека может возникнуть, если энергия попадающего в глаз света составляет 21013 Дж. Сколько квантов красного света с длиной волны 700 нм должно одновременно попасть в глаз для создания зрительного ощущения? (Постоянная Планка h=6.631034 Джс, скорость света c=3108 м/с.)
Решение
Энергия фотона: Eф=h=hc/.
n=E/Eф, n=E/(hc),
n=21013700109/(6.6310343108)=0.7106.
Дано:
E=21013 Дж
=700 нм
h=6.631034 Джс
c=3108 м/с
n=?
№ 8
Решение
Работа, совершаемая левым желудочком сердца при каждом сокращении: А=V(P+v2/2), P среднее давление под которым кровь выбрасывается в аорту, плотность крови, V ударный объем крови, v скорость движения крови. А=60*10-6(13*103+1060*0.52/2)=0.79 Дж.
Определить работу, совершаемую сердцем при сокращении левого желудочка, если в аорту со скоростью 0.5 м/с выбрасывается 60 мл крови против давления 13 КПа. Плотность крови =1060 кг/м3.
Дано:
v=0.5 м/с
V=60 мл
P=13 КПа
=1060 кг/м3
A=?


№ 9
Решение
Энергия фотона: E=h=hc/.
n=Pt/E, n=Pt/(hc),
n=21055551091/(6.6310343108)=55.81012.
Для человека верхний предел мощности безболезненно воспринимаемого потока светового излучения составляет 2105 Вт. Сколько при этом попадает в глаз за 1 с фотонов с длиной волны 555 нм? (Постоянная Планка h=6.631034 Джс, скорость света c=3108 м/с.)
Дано:
t=1 с
P=2105 Вт
=555 нм
h=6.631034 Джс
c=3108 м/с
n=?
№ 10
Решение
Число Рейнольдса для течения жидкости в круглой трубе: Rе=vD/η, плотность, v скорость жидкости. Если Re<Reкр, то течение жидкости ламинарно. Если Re>Reкр, то течение жидкости становится турбулентным.
v=Rеη/(D), vmax=Rекрη/(D), Q=vmaxS, S=πD2/4, m=Qt, m=RекрηtπD/4, m=23000.00513.140.02/4=0.18 кг.
Определите максимальное количество крови, которое может пройти через аорту в 1 с, чтобы течение сохранилось ламинарным. Диаметр аорты D=2 см, вязкость крови η=5 мПас. Критическое значение числа Рейнольдса Reкр=2300.
Дано:
t=1 с
D=2 см
η=5 мПас
Reкр=2300
m=?
№ 11
Решение
I1=U/R1, I2=U/R2. I1=220/105=2.2 мА, I2=220/103=220 мА.
Порог ощутимого тока на частоте ν=50 Гц: Iощ1 мА.
Порог неотпускающего тока на частоте ν=50 Гц: Iн12 мА.
Iощ< I1<< Iн, Iн<< I2.
При сухой коже сопротивление между ладонями рук может достигать значения R1=105 Ом, а при влажных ладонях это сопротивление существенно меньше и составляет R2=1000 Ом. Оцените ток, который пройдет через тело человека при контакте с электросетью напряжением U=220 В. Сравните этот ток со значениями порогов ощутимого и неотпускающего токов, если частота тока равна ν=50 Гц.
Дано:
R1=105 Ом
R2=1000 Ом
U=220 В
ν=50 Гц
I1=? I2=?
№ 12
Решение
Резонансная циклическая частота p=1/, =p/(2)=1/(2), C=1/(422L),
C=1/(4*3.142*1600*1012*27*106)=
=0,59 пФ.
Активное сопротивление терапевтического контура аппарата УВЧ-терапии равно 5*103 Ом, индуктивность составляет 27 мкГн, а частота 40 МГц. Определить емкость конденсатора, коэффициент затухания и период колебаний в контуре.

Дано:
R=5103 Ом
L=27106 Гн
=40106 Гц
Коэффициент затухания свободных колебаний в контуре: =R/(2L), =5103/(54106)= 0.93108 Ом/ Гн.
Период колебаний: T=1/, T=1/40106=2.5108 с.
C=?, =?, T=?
№ 13
Колебательный контур аппарата для терапевтической диатермии состоит из катушки индуктивности и конденсатора емкостью 30 пФ. Определить индуктивность катушки, если частота генератора равна 1 МГц.
Решение
Резонансная циклическая частота p=1/, =p/(2)=1/(2), L=1/(422C),
L=1/(4*3.142*1012*30*1012)= 0.845 мГн.
С
~
L
Дано:
=1 МГц
С=30 пФ
L=?
№ 14
Определите активное сопротивление катушки электромагнитного реле в схеме рентгеновского аппарата, если индуктивность катушки 150 Гн, ток равен 2,5мА, напряжение 220 В, а частота сети 50 Гц.
Решение
Z2=R2+XL2 , Z полное (реактивное сопротивление цепи), R активное электрическое сопротивление, XL индуктивное электрическое сопротивление, XL=L=2πνL.
XL=L=2*3.14*50*150=47100 Ом
I=U/Z закон Ома для цепи переменного тока. Z=U/I=220/2.5*103=88*103 Ом,
R=(Z2X2)1/2=(880002471002)1/2=
=74334.3 Ом74.3 КОм.
~
L
R

Дано:
L=150 Гн
I=2.5 мА
U=220 В
ν=50 Гц
R=?
№ 15
В Кубанской Государственной Медицинской Академии создан магнитотрон для лечения онкологических больных. Определить количество витков магнитотрона, если известно, что для эффективного лечения одной из разновидностей саркомы требуется напряженность магнитного поля в центре Н = 245 А/м при силе тока 7А, радиус витков r=70 см.
Решение
Напряженность магнитного поля максимальна в центре катушки:
H=(NI/l)(1+(2r/l)2)1/2. Для магнитотрона r>>l, тогда H=NI/(2r).
N=2rH/I, N=2*0.7*245/7=49 вит.

Дано:
Н=245А/м
r=0.7 м
I=7А
N=?
№ 16
Определить относительное удлинение скелетной мышцы, моделируемой телом Кельвина-Фойгта, за 3 минуты, если модуль упругости мышцы равен E=1.2 МПа, площадь поперечного сечения S=0.8106 м2, а нагрузка на мышцу F=6.3 Н. Вязкость вещества мышцы =1.25 г/(см*с).
Решение
Модель Кельвина-Фойгта (тело моделируется параллельным соединением упругого и вязкого элементов): =(/E)*(1eEt/), =F/S напряжение.
Et/=1.2106*180/0.125=1728106, поэтому (1eEt/)=1, =F/(S*E), =6.3/(0.8106*1.2106)=6.56.
Дано:
t=180 с
E=1.2106 Па
S=0.8106 м2
F=6.3 Н
=0.125 Паc
=?
№ 17
Найдите кинетическую энергию объема крови, протекающего за 1 минуту со скоростью 0.4 м/с через артерию диаметром 3мм. Плотность крови =1060 кг/м3.
Решение
Объем протекающей крови V=vTS, S=D2/4.
E=mv2/2, m=V, E=Tv3D2/8, E=1060*60*0.43*3.14*0.0032/8=0.014 Дж.
Дано:
v=0.4 м/с
T=60 c
D=3 мм
=1060 кг/м3
E=?
№ 18
В одном из отведений наибольшая разность биопотенциалов на электрокардиограмме равна 2 мВ. Предполагая, что электрический момент сердца параллелен стороне треугольника Эйнтховена, с которой снимается электрокардиограмма, оцените величину электрического момента сердца, если известно, что =80, расстояние от центра треугольника Эйнтховена до вершины r=1 м.
Решение
Разность потенциалов двух
точек A и B, равноудаленных
от диполя-источника поля :
,
угол, под которым видны точки
A и B, Pcos проекция дипольного
момента на прямую AB.
Р=*2π**0*r2/(sin(γ/2)cos),
P=2103*2*3.14*80*8.851012*1/sin60= 1011 Клм
Рис. Треугольник Эйнтховена.
||=0.

Дано:
=2 мВ
=80
r=1 м
=0
=120
0=8.851012 Ф/м
P=?
№ 19
Решение
tg = XC/R , сдвиг фаз между силой тока и напряжением, XC =1/ωC емкостное сопротивление, R активное электрическое сопротивление (сопротивление резистора).
tg = 1/(2***C*R),
tg= 1/(2**50*0,2106*103)= 16,35
= 86,5
Конечность, на которую наложены электроды, имеет активное сопротивление 1 КОм и емкость 0,2 мкФ. Определить угол сдвига фаз между током и напряжением для частоты 50 Гц, учитывая, что активное и емкостное сопротивление соединены последовательно.
R
~
C
Дано:
R=1 КОм
С=0.2 мкФ
ν=50 Гц
=?
№ 20
Сдвиг фаз между током и напряжением при прохождении переменного тока частотой 30 Гц через мышцу кролика составляет –65 градусов. Чему равно сопротивление резистора в эквивалентной схеме последовательно соединенных конденсатора и резистора, если емкость конденсатора 3.6 мкФ.
Решение
tg = XC/R , сдвиг фаз между силой тока и напряжением, XC =1/ωC емкостное сопротивление, R активное электрическое сопротивление (сопротивление резистора). R=1/(2***C*tgφ)
R=1/(2**30*3.6106*2.14)= 0.7 КОм
R
~
C

Дано:
=65о
=30 Гц
С=3.6 мкФ
tg65=2.14
R=?

Приложенные файлы

  • docx 17497664
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий