- •Медична і біологічна фізика Підручник для студентів вищих медичних закладів освіти III - IV рівнів акредитації.
- •1.1. Механічні властивості біологічних тканин
- •1.1.2. Деформація біологічних тканин
- •1.2. Плин в'язких рідин у біологічних системах
- •1.2.1. В'язкість рідини
- •1.2.2. В'язкість крові
- •1.2.3. В'язко-пружні властивості біологічних тканин
- •1.2.4. Основні рівняння руху рідини
- •1.2.5. Критерії механічної подібності рідин, що рухаються
- •1.2.6. Пульсові хвилі
- •1.3. Механічні коливання
- •1.3.1. Гармонічні коливання та їх основні параметри
- •1.3.2. Затухаючі коливання і аперіодичний рух
- •1.3.3. Вимушені коливання
- •1.3.4. Явище резонансу і автоколивання
- •1.3.5. Додавання гармонічних коливань
- •1.4. Механічні хвилі
- •1.4.1. Хвильове рівняння. Поздовжні і поперечні хвилі
- •1.4.2. Потік енергії хвилі. Вектор Умова
- •1.5. Акустика. Елементи фізики слуху. Основи аудіометрії
- •1.5.1. Природа звуку, його основні характеристики (об'єктивні і суб'єктивні)
- •1.5.2. Закон Вебера-Фехнера
- •1.5.3. Ультразвук
- •1.5.4. Інфразвук
- •1.6. Практикум з бюреології
- •1.6.1. Лабораторна робота №1 "Дослідження пружних властивостей біологічних тканин"
- •1.6.2. Лабораторна робота №2 "Визначення коефіцієнта в'язкості"
- •2.1. Електростатика
- •2.1.1. Основні характеристики електричного поля
- •2.1.2. Електричний диполь
- •2.1.3. Діелектрики, поляризація діелектриків
- •2.1.4. Діелектричні властивості біологічних тканин
- •2.1.5. П'єзоелектричний ефект
- •2.2. Постійний струм. Електропровідність біологічних тканин
- •2.2.1. Характеристики електричного струму
- •2.2.2. Електропровідність біологічних тканин ірідин
- •2.2.3. Дія електричного струму на живий організм
- •2.3. Магнітне поле
- •2.3.1. Магнітне поле у вакуумі і його характеристики
- •2.3.2. Закон Біо-Савара-Лапласа
- •2.3.3. Дія магнітного поля на рухомий електричний заряд. Сила Ампера і сила Лоренца
- •2.3.4. Магнітні властивості речовини
- •2.3.5. Магнітні властивості тканин організму, фізичні основи магнітобіології
- •2.4. Електромагнітні коливання
- •2.4.1. Рівняння електричних коливань
- •2.4.2. Вимушені електричні коливання, змінний струм
- •2.4.3. Повний опір кола змінного струму (імпеданс). Закон Ома для кола змінного струму
- •2.4.4. Імпеданс біологічних тканин
- •2.5. Електромагнітні хвилі
- •2.5.1. Струм зміщення
- •2.5.2. Рівняння Максвелла
- •2.5.3. Плоскі електромагнітні хвилі. Вектор Умова-Пойнтінга
- •2.5.4. Шкала електромагнітних хвиль
- •2.6. Семінар "методика одержання, реєстрації та передачі медико-бюлогічної інформації"
- •2.6.1. Прилади для вимірювання електричних параметрів та їх класифікація
- •2.6.2. Вимірювання сили струму, напруги, ерс, опору в електричному колі
- •2.6.3. Осцилографи, генератори, підсилювачі, датчики
- •2.7. Лабораторний практикум
- •2.7.1. Лабораторна робота №1 "Визначення величини артеріального тиску за допомогою ємнісного датчика"
- •2.7.2. Лабораторна робота №2 "Напівпровідниковий діод"
- •2.7.3. Лабораторна робота №3 "Вивчення роботи транзистора"
- •2.7.4. Лабораторна робота №4 "Електрофоретичний метод визначення рухливості іонів"
- •3.1. Загальні відомості про електронну медичну апаратуру (ема)
- •3.1.1. Класифікація електронної медичної апаратури
- •3.1.2. Техніка безпеки
- •3.1.3. Правила безпеки
- •3.1.4. Технічні характеристики ема
- •3.2. Семінар "взаємодія електромагнітного поля з біологічними тканинами"
- •3.2.1. Основні характеристики емп
- •3.2.2. Основні процеси, які характеризують дію емп на біологічні тканини
- •3.2.3. Теплова дія емп на бт
- •3.2.4. Специфічна дія емп на біологічні тканини
- •3.3. Лабораторна робота №1 "робота з фізіотерапевтичною апаратурою"
- •3.3.1. Робота з увч-апаратом
- •3.3.2. Ультразвуковий терапевтичний апарат
- •3.3.3. Апарат для дарсонвалізації"Іскра-1"
- •3.4. Лабораторна робота №2 "робота з електрокардіографом експчт-4"
- •3.4.1. Природа електрокардіограми (екг)
- •3.4.2. Завдання до лабораторної роботи
- •3.5. Лабораторна робота №3 "робота з реографом ргч-01"
- •3.5.1. Додаткові теоретичні відомості
- •3.5.2. Стислі технічні характеристики та інструкція з експлуатації реографа ргч-01
- •4.1. Міжмолекулярні взаємодії у біополімерах
- •4.1.1. Класифікація взаємодій у біополімерах
- •4.2. Структурна організація білків та нуклеїнових кислот
- •4.2.1. Первинна структура
- •4.2.2. Вторинна структура
- •4.2.3. Третинна структура
- •4.2.4. Четвертинна структура
- •4.3. Будова і властивості біологічних мембран
- •4.4. Пасивний та активний транспорт речовин крізь мембранні структури клітин
- •4.4.1. Пасивний транспорт незаряджених молекул
- •4.4.2. Пасивний транспорт іонів
- •4.4.3. Активний транспорт
- •4.5. Біологічні потенціали
- •4.5.1. Рівноважний мембранний потенціал Нернста
- •4.5.2. Дифузійний потенціал
- •4.5.3. Потенціал Доннана. Доннанівська рівновага
- •4.5.4. Стаціонарний потенціал Гольдмана-Ходжкіна-Катца
- •4.5.5. Потенціал дії. Механізм виникнення та поширення нервового імпульсу
- •4.6. Лабораторний практикумі
- •4.6.1. Лабораторна робота "Дослідження нелінійних властивостей провідності шкіри жаби"
- •4.6.2. Лабораторна робота "Дослідження дисперсії електричного імпедансу біологічних тканин"
- •4.6.3. Лабораторна робота "Вимірювання концентраційного потенціалу компенсаційним методом"
- •4.6.4. Практичне заняття "Вивчення біофізики мембран за допомогою комп'ютерних програм"
- •5.1. Відкриті біологічні системи, закони термодинаміки і термодинамічні потенціали
- •5.2. Основи термодинаміки незворотних процесів
- •5.2.1. Лінійний закон
- •5.2.2. Принцип симетрії кінетичних коефіцієнтів і виробництво ентропії
- •5.2.3. Спряження потоків у біологічних системах
- •5.2.4. Стаціонарний стан відкритих систем і теорема Пригожина щодо мінімуму виробництва ентропії
- •5.3. Відкриті медико-бюлогічні системи, що знаходяться далеко від рівноваги (елементи синергетики)
- •5.4. Моделювання процесів у складних медико-бюлопчних системах
- •5.5. Практичне заняття "термодинаміка відкритих біологічних систем"
- •6.1. Інтерференція світла
- •6.1.1. Інтерференція від двох когерентних світлових джерел
- •6.1.2. Історія відкриття явища просвітлення оптики, праці о. Смакули
- •6.1.3. Інші застосування явища інтерференції світла
- •6.2. Дифракція світла
- •6.2.1. Дифракція на щілині в паралельних променях
- •6.2.2. Дифракційна решітка
- •6.2.3. Голографія та її застосування в медицині
- •6.3. Геометрична оптика
- •6.3.1. Ідеальна центрована оптична система
- •6.3.2. Похибки оптичних систем
- •6.3.3. Оптична мікроскопія
- •6.4. Поляризація світла
- •6.4.1. Поляризація світла при відбиванні та заломленні
- •6.4.2. Поляризація при подвійному променезаломленні в кристалах
- •6.4.3. Поляризація світла при проходженні крізь поглинаючі анізотропні речовини
- •6.5. Взаємодія світла з речовиною
- •6.5.1. Дисперсія світла
- •6.5.2. Поглинання світла
- •6.5.3. Розсіяння світла
- •6.6. Фізичні основи термографії, закони теплового випромінювання
- •6.6.1. Закон Кірхгофа
- •6.6.2. Закон випромінювання Планка
- •6.6.3. Закон Стефана-Больцмана
- •6.6.4. Закон зміщення Віна
- •6.6.5. Випромінювання Сонця
- •6.6.6. Інфрачервоне випромінювання
- •6.6.7. Ультрафіолетове випромінювання
- •6.7. Біофізичні основи зорової рецепції
- •6.8. Лабораторний практикум
- •6.8.1. Лабораторна робота "Вивчення мікроскопа та вимірювання мікрооб'єктів"
- •6.8.2. Лабораторна робота "Визначення концентрації розчинів рефрактометричним методом"
- •7.1.1. Місце квантової механіки в системі наук про рух тіл
- •7.1.2. Гіпотеза де Бройля
- •7.1.3. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга
- •7.1.4. Основне рівняння квантової механіки - рівняння Шредінгера
- •7.2. Випромінювання та поглинання енергії атомами та молекулами
- •7.2.1. Атомні спектри
- •7.2.2. Молекулярні спектри
- •7.3. Електронний парамагнітний резонанс,
- •7.3.1. Метод електронного парамагнітного резонансу
- •7.3.2. Метод спінових міток (спінових зондів)
- •7.3.3. Спін-імунологічний метод
- •7.3.4. Метод ядерного магнітного резонансу
- •7.4. Практикум 3 квантової механіки
- •7.4.1. Практичне заняття "Основні уявлення квантової механіки"
- •7.4.2. Лабораторна робота "Застосування фотоелемента для виміру освітленості та визначення його чутливості"
- •7.4.3. Лабораторна робота "Вивчення роботи оптичного квантового генератора"
- •8.1. Рентгенівські промені
- •8.1.1. Історія відкриття рентгенівських променів, праці і. Пулюя
- •8.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання
- •8.1.3. Гальмівне рентгенівське випромінювання
- •8.1.4. Характеристичне рентгенівське випромінювання, його природа. Закон Мозлі
- •8.2. Радіоактивне випромінювання
- •8.2.1. Радіоактивність, її властивості
- •8.2.2. Основний закон радіоактивного розпаду, період напіврозпаду, активність
- •8.2.3. Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді
- •8.3. Основи дозиметрії іонізуючого випромінювання
- •8.3.1. Експозиційна доза, її потужність, одиниці
- •8.3.2. Поглинена доза, її потужність, одиниці
- •8.3.3. Еквівалентна доза, її потужність, одиниці
- •8.3.4. Дозиметри іонізуючого випромінювання
- •8.4. Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною
- •8.4.1. Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною
- •8.4.2. Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину
- •8.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень
- •8.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання
- •8.5. Застосування рентгенівського випромівання в медицині
- •8.5.1. Методи рентгенодіагностики
- •8.5.2. Рентгенотерапія
- •8.5.3. Рентгенівський структурний аналіз в медико-біологічних дослідженнях
- •8.5.4. Променеві навантаження на медичний персонал при рентгенодіагностичних дослідженнях
- •8.5.5. Деякі факти реакції крові на опромінення
- •8.5.6. Опромінення малими дозами великих груп людей
- •8.5.7. Латентний період-час виявлення в організмі порушень, викликаних радіацією
- •8.5.8. Проблеми ризику, пов'язаного із радіаційною дією
- •8.6. Комп'ютерна томографія
- •8.6.1. Рентгенівська томографія
- •8.6.2. Ямр-томографія
- •8.6.3. Позитронна емісійна томографія
- •8.7. Практичне заняття "рентгенівське випромінювання, його застосування"
- •8.8.Практичне заняття "радіоактивне випромінювання та його дія на біооб'єкти"
- •8.9. Лабораторна робота "визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання"
- •8.10. Лабораторна робота "робота з дозиметром дргз-04"
- •1. Призначення дозиметра дргз-04
- •2. Склад приладу
- •3. Характеристики дозиметра дргз-04
- •4. Управління роботою дозиметра дргз-04
- •5. Порядок виконання роботи
8.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання
При дії різних типів іонізуючого випромінювання на біологічні середовища відбувається передача енергії малими кінцевими порціями (квантами) під час окремих актів взаємодії з речовиною. Для іонізації опромінюваного біологічного середовища необхідна мінімальна величина енергії, що визначається середнім потенціалом іонізації (табл. 8.3).
Під час дії іонізуючого випромінювання насамперед іонізуються молекули води - найбільш поширеного середовища будь-якого біологічного об'єкта, які перетворюються у вільні радикали Н і ОН. Як зазначалося, вільні радикали мають високу хімічну активність і вступають в реакції безпосередньо з біологічними молекулами. Починається ланцюгова реакція, коли в хімічні взаємодії вступає дедалі більше молекул. Викликані іонізуючим випромінюванням біохімічні реакції призводять до змін у ділянках кліткових структур (ДНК, мембрани, хроматиди тощо). При невеликих дозах опромінення захисні механізми організму відновлюють пошкодження в ДНК, виводять з організму пошкоджені клітини, нейтралізують їх системою імунного захисту. При великих дозах опромінення захисна система організму не в змозі ліквідувати наслідки іонізації, що призводить до порушення нормальної життєдіяльності клітин, тканин, органів і організму в цілому.
Таблиця 8.3. Середній потенціал іонізації для різних середовищ
Клітина, в якій іонізуючим випромінюванням викликані онкогенні зміни, тривалий час може залишатись в стані спокою. Для прояви її змінених властивостей необхідна дія на клітину активаторів (промоторів), які викличуть її прискорений поділ. В організмі всього налічується близькоклітин. Завжди є в наявності певна кількість ініційованих клітин, із яких тільки одиниці утворюють клани злоякісних клітин. Із збільшенням числа опромінень зростає кількість ініційованих клітин. Повторна радіаційна дія для цих клітин може служити промотором. Це пояснює кумулятивну дію іонізуючого випромінювання на біологічний об'єкт з погляду ризику віддалених ймовірних (стохастичних) наслідків.
Викликані зміни в генетичному апараті соматичних клітин можуть призвести до переродження клітин в злоякісні. Зміни в генетичному апараті статевих клітин в осіб діто-народжуваного періоду життя можуть спонукати до спадкових змін у нащадків опромінених.
Ведучими міжнародними організаціями (Міжнародна комісія з радіаційного захисту - МКРЗ, Міжнародне агентство з атомної енергії - МЛГАТЕ, Науковий комітет з дії атомної радіації при ООН - НКДАР ООН) приймається модель безпорогової лінійної залежності між дозою опромінення і її ефектом. Це передбачає, що навіть мінімальна радіаційна дія має біологічний ефект, зокрема радіаційний канцерогенез. Такий підхід базується на ймовірнісній (стохастичній) природі канцерогенезу. За оцінками ризик смертності від раку, викликаного радіаційним фоном порядкувідповідно лінійній концепції складає близько 10 випадків на 1 млн. чоловік за рік. Це підтверджується даними, наведеними в табл. 8.2. До питання про лінійність залежності "доза-ефект" ми ще повернемося нижче.
На думку багатьох дослідників, найбільш чутливою до іонізуючого випромінювання структурою клітини є ДНК, в якій іонізація може викликати розрив зв'язку між атомами. Одиничні і подвійні розриви викликають хромосомні спотворення (аберації). Поява хромосомних аберацій передує злоякісним пухлинам. Наявність хромосомних аберацій в лімфоцитах периферійної крові є ознакою передлейкозного стану, відповідає початковому етапу реакції на променеве навантаження.
Говорячи про ефект малих доз іонізуючого випромінювання, слід брати до уваги ще один дуже важливий фактор - тривалість їх дії. Справді, одну і ту ж саму, скажімо, поглинену (або еквівалентну) дозу можна отримати при відносно малих потужностях доз за рахунок збільшення часу їх взаємодії з речовиною (біооб'єктом, зокрема). Сказане підтверджується формулою
(8.39)
Звідси випливає досить очевидний факт: одне І те ж саме дозове навантаження іонізаційного випромінювання спостерігається для випадків, коли відношення потужностей доз обернено пропорційне часовим інтервалам дії цих потужностей, тобто
(8.40)
Приклад. Нехай потужність еквівалентної дози є досить малою: (приблизно тільки втричі більшою
за природне фонове значення). Тоді еквівалентна доза цього випромінювання буде такою ж, як і випромінювання з суттєво більшою потужністю еквівалентної дози =(потужністьбільш ніж в
10 тисяч разів перевищує природне значення) за умови, що тривалість дії випромінювання малої потужностіскладає 10 годин, тоді як тривалість дії випромінювання великої потужностіскладає лише 10 с. Для даного прикладу маємо так що для обох випадків добуток потужності еквівалентної дози на час, тобто сумарна еквівалентна доза є величина стала:
Ця ситуація значною мірою еквівалентна згаданій вище у параграфі 8.4.3 ситуації з популяційною дозою іонізуючого випромінювання, а саме: медико-біологічні ефекти (зокрема, кількість ракових захворювань) залишається сталою при одночасному пропорційному збільшенні еквівалентної дози та зменшенні чисельності людської популяції, що опромінюється
І останнє зауваження щодо дії малих доз випромінювання на біооб'єкти. Воно стосується досить спірного і не до кінця з'ясованого явища підсилення дії фізико-хімічних (та, мабуть, і медико-біологічних) факторів при прямуванні параметрів, як: характеризують цей фактор (наприклад, концентрації речовини) до нуля. Іншими словами, йдеться про те, що не можна просто екстраполювати результати, які отримані при великих значеннях параметрів (концентрації, доз і т.п.) на малі значення цих параметрів, тобто сподівання на прямо пропорційне зменшення біологічного ефекту при зменшенні поглиненої дози не є апріорі вірним.
З математичної точки зору ефект підсилення часто описується такою формулою:
(8.41)
де- певна властивість (фактор);- відповідна змінна (параметр). Прикладом може бути наведена в параграфі 4.4.2 залежність осмотичного внеску до хімічного (електрохімічного) потенціалу від концентраціїщо подається виразом
(8.42)
З формул (8.41) і (8.42) безпосередньо випливає, що коли концентрація С прямує до нуля, то величина \А\ або прямують до нескінченності. Більш уважний аналіз досить тонких математичних нюансів отримання подібних логарифмічних особливостейабо показує, що просто так прямувати зміннудо нуля не можна (через використання так званої формули Стірлінга, яка перестає бути вірною при). Водночас тенденція до збільшення фактора А при зменшенні параметра(хай не до нуля) залишається.
Подібні ефекти спостерігаються в фізико-хімічних дослідженнях деяких розчинів. Мабуть, саме вони лежать в основі дії гомеопатичних препаратів, а також в дії іонізуючого випромінювання в малих дозах на біологічні об'єкти. Звичайно, вкрай необхідне з'ясування особливостей молекулярних механізмів дії малих доз випромінювання, що потребує подальших теоретичних і експериментальних досліджень з боку фахівців різних галузей знань.