СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: ЛЕЧЕБНОЕ ДЕЛО

Стр 1 из 4Следующая ⇒

МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ ЭКЗАМЕНА ПО МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКЕ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: ЛЕЧЕБНОЕ ДЕЛО

ПРЕДМЕТ: МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

Авторы работы:

МОРАЙШ ЖУБИЛУ

САКОССЕНГЕ ЭДУАРДУ

ТУКУДИКУА АФОНСУ

Тамбов 2016

1-Механические свойства тканей. Способы деформирования: а) растяжение; б) сдвиг; в) изгиб; г) кручение:

Механические свойства определяют отношение материала к воздействию на него различных внешних сил. Под действием этих сил материал деформируется: изменяются его размеры и форма. К механическим свойствам тканей относятся: прочность, износостойкость, сминаемость, драпируемость.

Способы деформирования: Механическое воздействие на тело изменяет взаимное расположение его частиц. Деформация - изменение взаимного расположения частиц тела, которое приводит к изменению его формы и размеров.

Растяжение (сжатие): Этот вид деформации возникает, когда к стержню (бруску) с закрепленным основанием прикладывается сила F, направленная вдоль его оси (рис. 6.1, а). Под действием этой силы длина стержня увеличивается на некоторую величину Δ l (l - первоначальная длина ). F1=F2=F

Сдвиг: Деформация сдвига возникает, если на тело действует касательная сила, приложенная параллельно закрепленному основанию. t = F/S. Абсолютная деформация сдвига измеряется величиной смещения свободного основания Δ l. Относительная деформация сдвига определяется через тангенс угла сдвига tgγ, называемый относительным сдвигом.

Изгиб: Этот вид деформации характеризуется искривлением оси или срединной поверхности деформируемого объекта (балка, стержень) под действием внешних сил.

где F - сила; b - ширина; L - длина; a - толщина; E - модуль упругости.

Кручение: Этот вид деформации характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня под влиянием моментов (пар сил), действующих в плоскости этих сечений. Кручение возникает, например, когда нижнее основание стержня закреплено, а верхнее основание поворачивают вокруг продольной оси.

2- Механические свойства тканей. Виды деформаций: - ползучесть; - релаксация; - разрушение;

v Ползучесть: Пластическая деформация, развивающаяся во времени, называется ползучестью.

Ползучесть - процесс изменения во времени размеров образца под действием постоянной нагрузки. Ползучести подвержены все кристаллические и аморфные твердые тела при всех видах механических нагрузок.

v Релаксация напряжения

С явлением ползучести тесно связано явление релаксации напряжения. Релаксация - процесс уменьшения механического напряжения в образце при постоянной относительной деформации. Релаксация – это процесс изменения механического напряжения в образце при постоянной относительной деформации.

v Разрушение

Разрушение - макроскопическое нарушение сплошности тела (материала) в результате механических или каких-либо иных воздействий. Вид разрушения зависит от многих факторов (структура материала, температура, скорость нагружения, качество поверхности и т.д.)

В процессе разрушения тела можно выделить две стадии: начальную - развитие пор, трещин, и конечную - разделение тела на две части и более. В зависимости от того, как протекают эти стадии, различают пластическое (вязкое) и хрупкое разрушения.

Вязкое разрушение: При этом виде разрушения после завершения упругой и пластической деформаций начинаются необратимые изменения размеров и формы тела, обусловленные зарождением и развитием трещин в наиболее слабом месте.

Хрупкое разрушение: Это разрушение начинается практически сразу после завершения упругой деформации (прямолинейный участок) и характеризуется высокой скоростью протекания процесса.

3-Механические свойства биологических тканей: - костная ткань; - кожа; - мышечная ткань; - сосудистая ткань. - Уравнение Ламе;

Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др.

Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии.

Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем. Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел. Рассмотрим этот вопрос применительно к биологическим тканям.

Биологические ткани, обладают сложной анизотропной структурой, зависящей от функций, для которых они предназначены. Обычно биологические ткани испытывают большие деформации. Зависимость между силами и удлинениями, соответственно между напряжениями и деформациями, устанавливается экспериментальным образом и имеет нелинейный характер.

а) Костная ткань – это основной материал опорно-двигательного аппарата. В скелете человека более 200 костей. Скелет это опора тела и он обеспечивает передвижение.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболеваний, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м³, модуль Юнга до 10¹⁰ Па, предел прочности при растяжении ~ 100 МПа, относительная деформация ~ 1 %.

б) Кожа (линии Лангера). Это самый крупный орган человека, выполняющий важные функции: поддержание гомеостаза, участие в процессе терморегуляции, регуляция обмена веществ, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических и химических, инфекционных агентов.

Кожа – это обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС (центральная нервная система) целый ряд ощущений. Кожа – граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью.

Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех слоев: эпидермис, дерма, подкожная клетчатка. В общий состав кожи входят коллаген (75 %), эластин (4 %) и основная ткань – матрица. Плотность кожи в норме (1100 кГ/м³). Эластин растягивается на 200‑ 350 %, коллаген до 10 %. Предел прочности коллагена 100 МПа, эластина 5 МПа.

В) Мышечная ткань . Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных органов и целых систем. Нарушение работы мышц приводит к патологии, а ее прекращение к летальному исходу. Механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров.

Состав мышц: мышечные клетки (волокна) и внеклеточное вещество (коллаген, эластин, соединительная ткань). Мышцы бывают гладкие (кишечник, желудок, сосуды) и скелетные (обеспечивают движение, работу сердца). Плотность мышечной ткани 1050 кГ/м³. Модуль Юнга 10⁵ Па. Гладкие мышцы могут деформироваться на десятки процентов. Этому способствует распрямление молекул коллагена.

г) Сосудистая ткань. Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей.

Стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластичного материала, поэтому способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на них избыточного внутреннего давления.

v Уравнение Ламе

ЛАМЕ УРАВНЕНИЕ - линейное обыкновенное дифференциальное уравнение 2-го порядка в комплексной области.

Сила F уравновешивает избыточное давление P, которое создает силу:

; ; .

Приравнивая эти силы получим:

или – уравнение Ламе.

Анализ электрокардиограмм

Анализ любой ЭКГ следует начать с проверки правильности техники её регистрации. Во-первых, необходимо обратить внимание на наличие разнообразных помех. Помехи, возникающие при регистрации ЭКГ:

а — наводные токи — сетевая наводка в виде правильных колебаний с частотой 50 Гц;

б — " плавание” (дрейф) изолинии в результате плохого контакта электрода с кожей;

в — наводка, обусловленная мышечным тремором (видны неправильные частые колебания).

ДОЗИМЕТРИЯ

совокупность методов измерения и (или) расчета дозы ионизирующего излучения, основанных на количественном определении изменений, произведенных в в-ве излучением (радиац. эффектов). Различают прямой (абсолютный) калориметрич. метод Д., основанный на непосредственном измерении поглощенной в-вом энергии излучения в виде тепла, выделенного в рабочем теле калориметра, и косвенные (относительные) методы, при к-рых измеряют радиац. эффекты, пропорциональные поглощенной дозе. К косвенным относят ионизационные, радиолюминесцентные, химические и нек-рые спец. методы.

Физические поля человека

Физические поля человека в настоящее время один из разделов медицинской и биологической физики. Наиболее важное его приложение - это исследование состояния различных органов человека с помощью пассивной регистрации электромагнитного или акустического излучения непосредственно этого органа либо каких-либо других участков тела, связанных с исследуемым органом нервными или гуморальными связями.

Акустические поля человека.

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 килогерц дают информацию о работе легких, сердца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи.

Например, в фоно-кардиографии для измерения акустических шумов, создаваемых сердцем, используют микрофоны, устанавливаемые на поверхности тела. Электрические сигналы с датчиков усиливают и подают на регистрирующее устройство либо ЭВМ и по их форме и величине делают заключения о движениях тех или иных участков тела.

Кохлеарная акустическая эмиссия.

Из уха животных и человека могут излучаться звуки - это явление называют кохлеарной акустической эмиссией, поскольку их источник локализован в улитке (cochlea) органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать микрофоном, расположенным в ушном канале. Обнаружен ряд видов кохлеарной акустической эмиссии, среди которых выделяется так называемая спонтанная эмиссия и акустическое эхо.

Акустическое излучение ультразвукового диапазона.

Tело человека является источником теплового акустического излучения с различными частотами. Обычно акустические волны подходят из глубины тела, отражаются от его поверхности уходят обратно, однако пьезодатчик, контактирующий с сигналом, может их зарегистрировать. Особенность акустических волн, распространяющихся в теле человека, в том, что, чем выше частота, тем они сильнее затухают.

Поэтому из глубины человеческого тела с расстояний 1 -10 см могут дойти только тепловые ультразвуковые волны мегагерцевого диапазона с частотами не выше 0, 5 - 10 МГц. Интенсивность этих волн пропорциональна абсолютной температуре тела. Для изменения интенсивности теплового акустического излучения используют прибор - акустотермометр. С помощью этого прибора можно, например, измерить температуру тела человека погруженного в воду.

Функции мембран

Мембрана выполняет в жизнедеятельности живых клеток (рис. 11.1) самые различные функции.

Механическое разделение. Клетка - элементарная живая система. Каждая клетка окружена наружной клеточной плазматической мембраной, которая заключает внутри себя содержимое клетки. С другой стороны, тонкая регуляция внутриклеточных процессов осуществляется на основе пространственного разделения органоидов клетки (внутриклеточные мембраны). Мембрана является поверхностью раздела (диэлектрической границей).

Транспортная функция. Через мембрану происходит перенос (транспорт) различных веществ, т.е. она принимает активное участие в жизнедеятельности клетки.

Структура и модели мембран

В состав мембраны входят молекулы липидов (веществ на основе жирных кислот). Молекула липида состоит из двух частей: диполь-

ной головки и углеводородного хвоста. Этот хвост представляет собой две цепочки атомов углерода, в которых к каждому из атомов углерода присоединены один или два атома водорода. По своему составу и строению эти цепочки сродни молекулам парафина и тоже не смачиваются водой, гидрофобны. Дипольные головки, напротив, гидрофильны, так как их диполи могут притягиваться к диполям воды. На рисунке 11.2 показан разрез участка мономолекулярного слоя липидного матрикса.

Физические свойства мембран

Плотность липидного бислоя составляет 800 кг/м³, что меньше, чем у воды.

Размеры. По данным электронной микроскопии, толщина мембраны (L) варьирует от 4 до 13 нм, причем различным клеточным мембранам присуща разная толщина.

Прочность. Предел прочности на разрыв для мембраны низок. В условиях организма средние деформации составляют около 0, 01 %. Чтобы довести мембрану до разрыва, достаточно внутреннего давления 100 Па. Живая клетка может осуществлять осморегуляцию только за счет изменения своей формы, но не за счет растяжения мембраны.

Деформируемость. Клеточная мембрана легко подвергается деформации сдвига. Например, в потоке эритроцитов с градиентом скорости происходит вращение мембраны вокруг содержимого клетки. Это явление получило название «феномена гусеницы танка». Мембрана обладает высокой гибкостью. При оценке механических свойств мембраны эффективный модуль упругости принимается равным 0, 45 Па.

Вязкость. Липидный слой мембраны имеет вязкость η = 30-100 мПас (что соответствует вязкости растительного масла).

Поверхностное натяжение равно 0, 03-3 мНм^-1, что на 2-3 порядка ниже, чем у воды (73 мНм^-1).

Коэффициент проницаемости мембранного вещества для воды равен 25-33х10^-4 см/с.

Мембрана - конденсатор. Двойной фосфолипидный слой уподобляет мембрану плоскому конденсатору, обкладки которого образованы электролитами внеклеточного и внутриклеточного (цитоплазмы) растворами с погруженными в них поверхностными белками и голов-

ками липидных молекул. Обкладки разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул - двойным слоем их хвостов. Электроемкость 1 см² мембраны составляет 0, 5-1, 3 мкФ. Напряженность электрического поля в мембране составляет приблизительно 20х10⁶ В/м (расчет проведен для мембран митохондрий в задаче 2). Диэлектрическая проницаемость мембраны составляет: для фосфолипидной области ε = 2, 0-2, 2; для гидрофильной области ε = 10-20.

Электросопротивление 1 см² поверхности мембраны составляет 10²-10⁵ Ом (что в десятки миллионов раз больше сопротивления внеклеточной жидкости или цитоплазмы). Электроизоляционные свойства мембраны значительно превосходят свойства технических изоляторов.

Уравнение Нернста-Планка. Виды транспорта через мембрану. Пассивный транспорт. Актвный транспорт. Биоэлектрические потенциалы. Потенциал покоя.

Уравнение Нернста—Планка.

, где

· E {\displaystyle \ E} — электродный потенциал, E 0 {\displaystyle E^{0}} — стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах;

· R {\displaystyle \ R} — универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);

· T {\displaystyle \ T} — абсолютная температура;

· F {\displaystyle \ F} — постоянная Фарадея, равная 96485, 35 Кл·моль^{− 1};

· n {\displaystyle \ n} — число электронов, участвующих в процессе;

· a O x {\displaystyle \ {a_{\rm {Ox}}}} и a R e d {\displaystyle \ {a_{\rm {Red}}}} — активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции.

Уравнение Нернста-Планка

Перенос молекул через мембрану осуществляется диффузией и описывается уравнением Фика (уравнение диффузии):

или;

‑ градиент плотности; ‑ плотность потока вещества; ‑ градиент концентрации; D – коэффициент диффузии; – поток вещества – это масса вещества, проходящего через площадку S за единицу времени.

Перенос ионов происходит под действием электрического поля. Сила, действующая на ион со стороны поля: f₀=qE; q=Ze
(Z – валентность); q – заряд иона; E – напряженность поля;
e – заряд электрона; – градиент потенциала. Тогда; Сила, действующая на ионы в одном моле; ‑ постоянная Фарадея. Средняя скорость движения ионов, в которой учитываются силы сопротивления, определяется как: , – подвижность иона.

Пассивный транспорт —

Перенос веществ из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии (например, диффузия, осмос). Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос — пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят).

Активный транспорт —

Перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный А.т.), протекающий из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств — насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов и переносчиков.

Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с симпортом — транспортом другого вещества, движение которого по градиенту концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Биоэлектрические потенциалы

Биоэлектрические потенциалы (биотоки) — электрические явления, наблюдаемые в живых клетках в покое и при физиологической деятельности.
Возникновение в живых клетках электрических потенциалов и обусловленных ими биотоков связано с физико-химическими свойствами клеточных мембран и компонентов цитоплазмы (аминокислот, белков, ионов).

Между наружной поверхностью клеточной мембраны и внутренним содержимым клетки существует всегда разность потенциалов, которая создается в силу различной концентрации ионов К+, Na+, Cl- внутри и вне клетки и различной проницаемости для них клеточной мембраны. Эта разность потенциалов называется «током покоя», или мембранным потенциалом, и составляет в среднем 60—90 мВ.

Потенциа́ л поко́ я

Мембранный потенциал возбудимой клетки (нейрона, кардиомиоцита) в невозбужденном состоянии. Он представляет собой разность электрических потенциалов, имеющихся на внутренней и наружной сторонах мембраны и составляет у теплокровных от − 55 до − 100 мВ^[1]. У нейронов и нервных волокон обычно составляет − 70 мВ.

Возникает вследствие диффузии положительно заряженных ионов калия в окружающую среду из цитоплазмы клетки в процессе установления осмотического равновесия.

Анионы органических кислот, нейтрализующие заряд ионов калия в цитоплазме, не могут выйти из клетки, однако ионы калия, концентрация которых в цитоплазме велика по сравнению с окружающей средой, диффундируют из цитоплазмы до тех пор, пока создаваемый ими электрический заряд не начнёт уравновешивать их градиент концентрации на клеточной мембране.

Перехваты Ранвье

В ЦНС наиболее быстро потенциал действия проводят миелинизированные нервные волокна. Но очень короткие участки этих волокон, называемые перехватами Ранвье, покрыты обычной клеточной мембраной. Таким образом, перехваты Ранвье - это области прерыва между соседними миелинизирующими клетками (обнаженная часть аксона между двумя соседними оболочками) ( рис. 32.11 ).

В межперехватных участках мембрана образует вокруг клетки многослойную оболочку, которая значительно увеличивает сопротивление мембраны. Возбуждение перескакивает от одного перехвата к следующему, без потери времени на межперехватных участках ( сальтаторное проведение ).

В периферической нервной системе функции олигодендроглии выполняют шванновские клетки нейроэктодермального происхождения. Они отличаются от олигодендроглии тем, что охватывают обычно только один участок отдельного аксона. Длина такого охвата не превышает 1 мм. Между отдельными шванновскими клетками формируются перехваты Ранвье.