- •Модуль 1 біомеханіка, коливання, ультразвук………………..11 Тема I Деякі питання біомеханіки.....………….................................................... 11
- •Тема IV Діагностичні електронні системи
- •Тема V Оптика
- •Тема vі Мембрани
- •Література..………………………………………………………………………..305
- •Анотація дисципліни
- •Модульна структура дисципліни
- •Модуль 1 біомеханіка, коливання, ультразвук тема 1 деякі питання біомеханіки
- •Зчленування і важелі в опорно-руховому апараті людини
- •1.2 Механічна робота людини. Ергометрія
- •1.3 Перевантаження і невагомість
- •1.4 Вестибулярний апарат
- •1.4.1 Будова|споруда|
- •1.4.2 Синдром захитування
- •1.4.3 Профілактика
- •1.4.4 Лікування і реабілітація
- •1.4.5 Хірургічне лікування
- •1.4.6 Вестибулярна адаптація
- •1.4.7 Лікарська терапія
- •1.4.8 Що з|із| нами відбувається|походить|
- •1.4.9 Вестибулярний апарат як інерційна система орієнтації
- •Тема 2 прикладні питання фізики (медична фізика)
- •Коливання, хвилі, звук
- •2.1.1 Використання звукових методів у діагностиці
- •2.1.2 Властивості ультразвукових хвиль
- •Тема 3 гемодинаміка
- •3.1 Фізичні основи геодинаміки
- •Лабораторні роботи першого модуля
- •Малюнок 3.8- Експериментальна установка
- •2.2 Порядок виконання роботи Дослідження вільних коливань у електричному контурі
- •2.3 Порядок розрахунку даних
- •2.5 Контрольні питання
- •Лабораторна робота № 3 Фізичні методи діагностики і терапії в медицині
- •3.1 Короткі теоретичні відомості.
- •3.2. Порядок виконання роботи.
- •3.4. Контрольні питання:
- •Рішення: у атмосферному повітрі міститься близько 21 % кисню і 0,03 % вуглекислого газу. Отже, з кожних 100 мл повітря, що пройшли через легені людини, організмом поглинається:
- •Для розрахунку кількості кисню, що поглинається людиною за хвилину, складаємо пропорцію: з 100 мл повітря споживається - 6 мл о2
- •2. Використання методів математичної статистики в медичній діагностиці
- •Завдання 2
- •З. Електричне поле
- •Варіанти завдань
- •Питання першого модуля
- •Модуль 2 діагностичні електронні системи. Оптика. Мембрани
- •Тема 4 діагностичні електронні системи
- •4.1 Медична електроніка
- •4.1.1 Діагностичні електронні системи
- •Тема 5 оптика
- •5.1 Геометрична оптика. Фотометрія. Фотоефект
- •5.1.1 Закони віддзеркалення|відображення,відбиття|
- •5.1.2 Закони заломлення
- •I закон: Падаючий промінь, перпендикуляр, відновлений до межі|кордону| розділу двох середовищ|середи| у точці падіння, та заломлений промінь лежать в одній площині|плоскості|
- •5.1.4 Мікроскоп
- •5.1.5 Оптична система ока
- •5.1.6 Недоліки|нестачі| оптичної системи ока і їх усунення
- •5.1.7 Фотометрія. Фотоефект
- •5.1.8 Фотоефект
- •I закон:
- •II закон:
- •III закон:
- •5.2 Хвилева оптика
- •5.2.1 Дозволяюча здатність|здібність| оптичних систем
- •5.2.2 Способи зменшення межі дозволу
- •5.2.3 Електронний мікроскоп
- •5.2.4 Поляризація світла
- •5.2.5 Властивості звичайного і незвичайного променів
- •5.2.6 Способи отримання|здобуття| поляризованого світла
- •Тема 6 мембрани
- •6.1 Структурні основи функціювання мембран
- •6.2 Електрогенез біопотенціалів
- •6.3 Активно-збудливі середовища|середа|
- •6.4 Біофізика м'язового скорочення
- •Лабораторні роботи другого модуля
- •4.2 Опис лабораторної установки
- •1.3 Порядок виконання роботи
- •4.5 Контрольні питання
- •Лабораторна робота №5 визначення розмірів мікрооб'єктів за допомогою цифрового оптоелектронного мікроскопа
- •5.1 Короткі теоретичні відомості
- •5.2 Опис лабораторної установки
- •5.3 Порядок виконання роботи
- •5.5 Контрольні питання
- •6.2 Опис роботи з комплексом.
- •Результат – Проглядання висновку Перегляд – Проглядання систем графіків досліджень
- •6.3. Порядок виконання роботи.
- •2. У меню «Архів» – «Читання» вибрати пацієнта «Лабораторна робота».
- •6.5. Контрольні питання:
- •7.2 Порядок виконання роботи
- •7.3 Комп'ютерна обробка даних
- •7.5 Контрольні питання
- •В другому модулі виконується домашня контрольна робота
- •4. Контрольна робота Термодинаміка
- •Кількість теплоти для оберненого процесу:
- •Контрольні завдання
- •Електромагнітні поля і їх дія на біологічні тканини. Коливання і хвилі у біологічних середовищах
- •Приклад вирішення задачі
- •Контрольні завдання
- •Біологічна фізика. Перезавантаження і невагомість, теплота
- •Приклад вирішення задачі:
- •Контрольні завдання
- •Контрольні питання
- •Питання другого модуля
- •Література
6.3 Активно-збудливі середовища|середа|
З|із| раніше розглянутого|розгледіти| відомо, що в незбудженому стані на мембрані живої клітини створюється постійна різниця потенціалів (потенціал спокою), яка обумовлена, в основному, рухомою|жвавою,рухливою| рівновагою іонів К+ Na+,, причому, зовнішня поверхня клітин|клітини| електропозитивна, внутрішня-електронегативна|. Кількісно ця модель описується рівнянням Гольдмана-Ходжкіна-Катца.
При збудженні, внаслідок зміни проникненості клітинних|кліткових| мембран для іонів Na+ і К+, відбувається|походить| спочатку деполяризація, а потім реполяризація збудженої ділянки клітинної|кліткової| мембрани, тобто виникає короткочасно змінний потенціал (потенціал дії).
Збудження триває декілька мілісекунд, потім мембрана повертається до початкового|вихідний| стану, але|та| різниця потенціалів на мембрані дорівнює нулю.
Відновлення потенціалу до початкового|вихідного| значення відбувається|походить| за рахунок калій-натрієвого| насосу.
Проте|однак|, збудження ділянки не є|з'являється,являється| локальним, воно переходить на інші ділянки, тобто процес збудження розповсюджується|поширюється| по поверхні клітин|клітини|. Математичний опис процесу розповсюдження|поширення| потенціалу дії було проведено по аналогії з фізичним процесом розповсюдження|поширення| електромагнітної хвилі по коаксіальному (ізольованому) кабелю.
Розглянемо|розгледимо| тільки|лише| принципові підходи до процесу розповсюдження|поширення| хвиль збудження у живих клітинах по аналогії з процесом розповсюдження|поширення| електромагнітних хвиль у середовищі|середі|.
Електромагнітна хвиля, розповсюджуючись|поширюючись| у середовищі|середі|, затухає,| оскільки її енергія переходить в енергію молекулярно-теплового руху середовища|середи|.
Хвилі збудження у живих|жвавих| тканинах не затухають, вони одержують|отримують| енергію із|із| самого середовища|середи| (енергію АТФ-фази), протягом періоду відновлення потенціалу спокою.
Хвилі, що одержують енергію із|із| самого середовища|середи| у процесі розповсюдження|поширення|, називаються автохвилями, а середовище|середа| називається активним, звідси і назва — активно-збудливі середовища|середа| (АЗС|).
Розглянемо|розгледимо| процес розповсюдження|поширення| збудження по нервовій клітині (нервовому волокну) мал. 6.14.
У збудженій ділянці А мембрана деполяризується і між збудженою А і незбудженою ділянками виникає різниця потенціалів . Наявність різниці потенціалів приводить|призводить,наводить| до появи між цими ділянками електричних струмів, які називаються локальними струмами|токами| або струмами|токами| дії (i). На зовнішній ділянці поверхні клітин|клітини| локальний струм|тік| тече|теча| від не збудженої ділянки до збудженої, усередині клітин|клітини| — у зворотному напрямі. Локальний струм|тік| надає|робить,виявляє,чинить| дратівливу дію на незбуджену ділянку, викликаючи|спричиняючи| зменшення різниці потенціалів на цій ділянці, тобто деполяризацію мембрани. Коли деполяризація на ділянці В досягне порогового значення, у ньому виникає потенціал дії. В цей час на ділянці А відбуваються|походять| відновні процеси реполяризації, він стає не збудженим. Ділянка В, за описаним вище принципом, збуджує ділянку С і т.д.
Це приводить|призводить,наводить| до розповсюдження|поширення| збудження по всій довжині нервового волокна, причому розповсюдження|поширення| відбувається|походить| тільки|лише| в одному напрямі|направленні|.
Насправді, в нервових волокнах відбувається|походить| односторонній|однобічний| напрям|направлення| розповсюдження|поширення| збудження за наявності мієлінових| оболонок, що покривають нервові волокна.
Малюнок 6.14-Процес поширення збудження по нервовому волокну
Оболонка є|з'являється,являється| ізолятором, і на ділянці, покритій мієліном, не може виникнути збудження. Мієлінова| оболонка не суцільна, через 1—3 мм вона порушується так званими перехопленнями Ранвьє — немієлізованими| ділянками (мал. 615).
При збудженні перехоплення А збуджується ділянка волокна тільки|лише| наступного|такого| перехоплення В, а якщо він блокований, наприклад анестетиком|, то наступним|слідуючим| збуджуватиметься перехоплення С. Після переходу збудження на наступне|таке| перехоплення В або С|із|, перехоплення А на деякий час втрачає|розгублює| здібність до збудження (властивість рефрактерності|) — цим обумовлене| одностороннє|однобічне| проведення розповсюдження|поширення| імпульсу по нервовому волокну.
Малюнок 6.15- Перехвати Ранв'є
За електричним станом |збуджувані|ділянки нервового волокна, що зазнали збудження, можна представити|уявити| наступною|такою| еквівалентною схемою (мал. 6.16).
Тут: — опір ділянки мембрани на перехопленні Ранв'є. — ємність|ємкість| мембрани на перехопленні Ранв'є.
Малюнок 6.16-Електрична еквівалентна схема
—опір аксоплазми| між перехопленнями Ранв'є. Опір зовнішнього середовища|середи| .
Позначимо величину потенціалу на мембрані при максимальній деполяризації, заряд на мембрані у даний час, ємність|ємкість| мембрани тоді, звідки . Заряд мембрани та її потенціал змінюються унаслідок|внаслідок| протікання локального струму|току|, звідки, деt — час, протягом якого мембрана деполяризується, тобто час переходу збудження з ділянки А на ділянку В або з ділянки В на ділянку С|із| і т.п. Локальний струм|тік| можна визначити з|із| формули, де U — різниця потенціалів між збудженою і незбудженою ділянками, R — загальний|спільний| опір: мембрани, аксоплазми|, оточуючої клітку|клітину| рідини (останнім опором можна нехтувати зважаючи на|внаслідок,унаслідок| його невелике значення|крихта,малість|). Зрештою|врешті решт| ;, тоді - це час переходу з однієї збудженої ділянки на іншу. Швидкість проведення збудження по нервовому волокну| дорівнює, де х — відстань між збудженою і не збудженою ділянками, а R дорівнює сумі опорів мембрани і аксоплазми:|
, де
, відповідно, питомі опори збудженої ділянки мембрани і аксоплазми|; — товщина мембрани; — площа|майдан| мембрани; r — радіус волокна, dx — ширина збудженої ділянки (перехоплення Ранв'є); — площа|майдан| перетину аксоплазми|.
.
Остання формула визначає залежність швидкості розповсюдження|поширення| збудження по нервовому волокну від електричних параметрів —,, , геометричних розмірів волокна та збуджених ділянок — r, х, . Наприклад, якщо в мієліновому нервовому волокні блокувати один з каналів, то швидкість розповсюдження|поширення| збудження збільшується.
Ми розглянули|розгледіли| розповсюдження|поширення| збудження у активному провідному середовищі|середі| на прикладі|зразку| нервового волокна. Тепер звернемося|обернемося| до наймогутнішого джерела електричного поля в організмі людини — серцю.
Принципово будова|споруда| серця представлена|уявлена| на мал. 6.17. Серцевий|сердечний| пульс ритмічний і володіє певною частотою. Збудження у серці починається|розпочинається,зачинається| у сино-атріальному вузлі (венозному синусі) 1. Він діє подібно до релаксаційного генератора, що регулярно видає електричні імпульси (кожен через 1/78 хвилини). Ці імпульси розповсюджуються|поширюються| по поверхні передсердя на всіх напрямках, примушуючи|заставляючи| м'язові волокна передсердя скорочуватися.
Коли два імпульси приходять з протилежних напрямів і досягають протилежної сторони передсердя, |направлень|вони гасяться, оскільки|тому що| м'яз, що тільки що скоротився, не проводить імпульс у зворотному напрямі (рефрактерність|).
Малюнок 6.17-Серце
Крім того, імпульси примушують|заставляють| передсердя скорочуватися. Електрохімічна пульсація, зароджуючись у венозному синусі, стимулює, в першу чергу|передусім,насамперед| передсердно-шлуночковий (атріовентрикулярний) вузол 2. Цей вузол, після|потім| короткої затримки у часі (близько 0,1 сек) видає нові електричні імпульси, які розповсюджуються|поширюються| по спеціальній групі волокон, званих пучком Гіса (3). Ці волокна закінчуються у центральній м'язовій стінці між двома шлуночками. Імпульс розповсюджується|поширюється| далі по стінках шлуночка, досягаючи волокон Пуркіньє (4), та викликаючи|спричиняючи| скорочення шлуночків.
Сино-атріальний вузол відповідає електронному мультивібратору, що працює у режимі чекання і контролює інший мультивібратор — атріовентрикулярний вузол. Він, в свою чергу, контролює третій мультивібратор — шлуночок. Багато фактів свідчать на користь такої аналогії.
Власна частота сино-атріального| вузла може бути змодульована дією двох різних нервів — симпатикус| або парасимпатикус|, які знижують або підвищують частоту посилок|посилань| імпульсів на цей вузол. Це нагадує підстроювання опору або місткості|ємкості| у ланцюзі|цепі| працюючого мультивібратора.
Розглянувши фізико-хімічні|фізико-хімічні| принципи збудження у міокарді, слід зупинитися|зупинятися| на морфо-фізіологічних особливостях провідної системи серця. Вони полягають в тому, що кожна клітина |клітина|здатна|здібна| самостійно генерувати збудження, у цьому випадку говорять, що клітина|клітина| володіє автоматією. При цьому спостерігається градієнт автоматії, що виражається|виказується,висловлюється| в убуваючій здібності до автоматії у різних ділянок провідної системи, певною мірою віддалених|віддалення| від сино-атріального| вузла.
У звичайних|звичних| умовах автоматія усіх, розташованих нижче, ділянок пригнічується|придушується| частішими імпульсами із|із| сино-атріиального| вузла. У разі|в разі| поразки|ураження| або виходу з|із| ладу|строю,буд| цього вузла водієм ритму може стати антрио-вентрикулярний вузол. Імпульси при цьому виникатимуть з|із| частотою 30—40 за хвилину.
Якщо вийде з ладу|строю,буд| антрио-вентрикулярний вузол, то водієм ритму можуть стати волокна пучка Гіса. Частота знизиться до 15—20 за хвилину.
У тому випадку, коли|у тому випадку , якщо,в том случае | вийдуть з ладу|строю,буд| водії пучка Гіса, процес збудження спонтанно може виникнути у волокнах Пуркін'є. Ритм серця буде дуже низьким — до 10 за хвилину.
В цілому|загалом| діяльність серця можна представити|уявити| як роботу групи джерел струму|току| (струмових генераторів) в обмеженому провідному середовищі|середі|. Джерело струму|току| є ЕРС| з|із| внутрішнім опором r, що значно перевищує опір зовнішнього навантаження R.
Таким чином, струм|тік| у зовнішньому ланцюзі|цепі| залишається постійним незалежно від змін навантаження. Еквівалентна схема генератора струму|току| представлена|уявлена| на малюнку 6.18.
а оскільки|тому що|
Малюнок 6.18-Еквівалентна схема
Залежно від частоти, форми та амплітуди напруги|напруження| джерела ЕРС| змінюється і струм|тік| у зовнішньому ланцюзі|цепі|, а отже і падіння напруги|напруження| на опорі R. Напруга|напруження| знімається із зручних точок зовнішнього ланцюга|цепу| і являє собою|з'являється,являється| ЕКГ, що відображає|відбиває| електричні та фізіологічні процеси, які відбуваються|походять| при розповсюдженні|поширенні| збудження у серці описаним вище способом. Тому ЕКГ і є|з'являється,являється| одним із засобів|коштів| діагностики захворювань серцево-судинної системи.