Введение
Медицинская биологическая физика – комплекс разделов прикладной физики и биофизики, в которых рассматриваются физические законы, явления природы и характеристики применительно к решению задач медико-биологического профиля.
Предметом изучения биофизики являются физические и физико-химические процессы, лежащие в основе биологических процессов на всех уровнях организации живой материи: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-тканевом и на уровне организма в целом.
К прикладной биофизике относится также весьма обширная область физических методов исследования функций организма, а применительно к медицине – физических методов диагностики заболеваний, а также область процессов первичного действия на организм факторов внешней среды, включая и физические методы лечения заболеваний и т.п.
Следует отметить также значение для медицины физики как теоретической основы медицинской техники – совокупность самых разнообразных приборов и аппаратов, применяемых в медицине. Достижения физики и техники вооружают медицину новыми приборами и аппаратами и этим обеспечивают совершенствовать существующие или вводить новые методы диагностики и лечения.
Для современной физиологии и медицины характерно все более широкое использование математического аппарата и, в частности, высшей математики и математической статистики. В научных разработках в биологии и медицине часто используются дифференциальное и интегральное исчисления и другие специальные методы математического анализа.
ЦЕЛЬ курса - способствовать созданию у студентов-медиков целостной системы физико-технических, биофизических и математических знаний и умений, необходимых для знакомства с физическими законами, лежащими в основе процессов жизнедеятельности организма, необходимых как для изучения других учебных дисциплин, так и для непосредственного формирования мировоззрения специалиста с высшим медицинским образованием.
ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ МЕДБИОФИЗИКИ:
используя физические представления, научить будущего врача анализировать процессы, происходящие в организме человека;
для решения задач медико-биологического профиля научить пользоваться методами высшей математики, теории вероятностей и математической статистики;
научить пользоваться вычислительной техникой при решении задач медико-биологического профиля и организации здравоохранения;
дать представление о возможностях медицинской кибернетики и компьютерной томографии;
изучить физические характеристики некоторых биологических тканей и жидкостей; характеристики физических факторов, оказывающих воздействие на организм как со стороны окружающей среды, так и в результате лечения и диагностики, а также оценку возможных последствий такого воздействия; физические характеристики информации на входе медицинского прибора;
познакомить студентов с техническими характеристиками, назначением, устройством и принципом действия медицинской аппаратуры различного назначения, а также с техникой безопасности при работе с ней.
В результате изучения предмета «МЕДБИОФИЗИКА» студент должен
ЗНАТЬ:
физические характеристики биологических тканей и жидкостей;
закономерности физических процессов, протекающих в организме человека;
основные методы моделирования физических характеристик биологических тканей и процессов, протекающих в организме человека;
характеристики физических факторов, оказывающих воздействие на организм как со стороны окружающей среды, так и в результате лечения и диагностики, а также оценку возможных последствий такого воздействия;
физические характеристики информации на входе медицинского прибора;
технические характеристики, назначение, устройство и принцип действия медицинской аппаратуры различного назначения;
технику безопасности при работе с медицинской аппаратурой.
УМЕТЬ:
применять теоретические знания для решения прикладных задач медико-биологического профиля;
производить основные физические измерения, обрабатывать результаты измерений и использовать для этого вычислительные средства;
работать с медицинской аппаратурой на лабораторных занятиях.
Тема 1: Колебания и волны. Акустика.
Процессы, которые повторяются во времени, называются колебаниями. В природе наблюдаются колебания температуры и освещенности, вызванные движением Земли, изменение магнитного поля Земли. Колебательное движение совершает маятник часов и колеблющийся груз на пружине. В биологических объектах наблюдаются колебания различных физиологических процессов на всех уровнях их организации. Так, в клетках периодически меняется концентрация ионов, замыкаются и размыкаются мостики в саркомере, совершаются механические колебания стенок сосудов, ритмически сокращаются легкие и сердце, кроме того многие жизненные функции подчиняются биоритмам и так далее.
Если процессы повторяются через равные промежутки времени, то такой процесс называют периодическим. Периодом колебательного процесса (Т) называют продолжительность данного промежутка времени. Число полных колебаний, совершаемых за единицу времени, называется частотой колебаний (v). В СИ частота измеряется в герцах. Один герц (Гц = 1/с) – частота периодического процесса, при котором за время 1с происходит один цикл этого процесса.
Колебательная система обычно имеет одно положение, в котором может прибывать сколько угодно долга, будучи предоставленной, самой себе. Это - положение равновесия. Отклонение от положения равновесия называют смещением. Наибольшее смещение называют амплитудой колебаний.
Наиболее простыми функциями, описывающими периодический колебательный процесс, являются функции синус и косинус. Колебания, происходящие по этим законам, называются гармоническими.
Различают свободные, вынужденные и автоколебания.
Свободные, то есть колебания, совершающиеся без подвода энергии извне, могут быть незатухающими и затухающими. Колебания могут происходить без затухания только в идеализированных системах, в которых отсутствуют силы трения и сопротивление. В реальных системах действия этих сил приводит к затуханию колебательного процесса, что выражается в уменьшении амплитуды колебания. К затухающим колебаниям можно отнести колебания тканей при перкуссии.
Вынужденные колебания совершаются под воздействием внешних, периодически изменяющихся сил. Такие колебания совершают, например, голосовые связки под действием воздушного потока.
Многие важные функции организма осуществляются автоколебательными системами. В этих системах восполнение растраченной энергии, происходит за счет внутреннего источника энергии, содержащегося в автоколебательной системе. Регулирование подачи энергии осуществляется при помощи цепей «обратной» связи. К автоколебательным системам относятся, например, синусовый узел сердца. В нем имеется некоторое небольшое количество клеток – «истинных водителей ритма». В таких клетках есть собственный источник энергии – энергия метаболизма клеток. Колебательная система состоит из мембраны и ионных каналов с регулируемой проводимостью для каждого сорта ионов. Метаболические процессы изменяют проводимость ионов. Что оказывает влияние на величину мембранного потенциала, а значит и на возбуждение клетки.
Волна - это процесс распространение колебаний или отдельных возмущений в пространстве. Например, механическая волна – передача энергии от одной материальной массы, совершающей колебания, к другой. Возможность передачи колебаний при этом возникает лишь при наличии упругого взаимодействия между отдельными массами, образующими среду.
Механические волны, воспринимаемые органами слуха, называются звуком. Звуковые колебания находятся в интервале частот от 16 до 20000 Гц. Колебания среды с частотами менее 20 Гц называют инфразвуком, а выше 20 кГц –ультразвуком.
Другим примером волнового процесса является электромагнитная волна – процесс распространения колебаний напряженности электрического и магнитного полей. Механизм распространение электромагнитной волны заключается в электромагнитной индукции: изменяющейся во времени магнитный поток создает в пространстве переменное электрическое поле и, наоборот, изменение электрического поля создает в пространстве переменное магнитное поле.
При распространении волны в реальной среде энергия колебания превращается в энергию молекулярно-теплового движения. Поэтому волна в реальной среде имеет затухающий характер.
Существуют среды, состоящие из большого числа отдельных элементов (например, клеток), каждый из которых является автономным источником энергии. Такие среды называются активными. Импульс возбуждения передается от одного элемента активной среды другому. Так образуются автоволны. Автоволны – это незатухающие самоудерживающиеся волны возбуждения в активной среде, сохраняющие свои характеристики постоянными за счет распределенных в среде источников энергии.
Литература
1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1978. Гл.7, Гл.8
2. Ливенцев Н.М. Курс физики: Учебник для вузов в 2-х томах. - М.: Высшая школа, 1978. Гл.4, Гл.5.
4. Губанов Н.И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика. – М.: Медицина, 1978. с.245-250
Содержание темы
Периодические механические процессы в живом организме.
Различные виды колебаний: свободные (затухающие и незатухающие), вынужденные и автоколебания. Уравнение колебаний.
Сложное колебание и его гармонический спектр.
Механические волны. Уравнение волны. Поток энергии и интенсивность волны. Эффект Доплера и его использование для медико-биологических исследований. Ударные волны.
Акустика. Физические характеристики звука. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Звуковые измерения. Аудиометрия. Шумомер.
Физики слуха.
Физические основы звуковых методов исследования в клинике.
Фонокардиограф
Ультразвук. Источники и приемники ультразвука. Особенности распространения ультразвуковых волн. Применение ультразвука в диагностике. Ультразвуковой локационный прибор. Действие ультразвука на вещество, на клетки и ткани организма. Использования ультразвука для лечения, аппарат ультразвуковой терапии и ультразвуковой хирургии.
Инфразвук. Биофизические основы действия инфразвука.
