Kompendium_po_biofizike_1
.pdfМинистерство здравоохранения Республики Беларусь
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра медицинской и биологической физики
КОМПЕНДИУМ ПО МЕДИЦИНСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ФИЗИКЕ
(специальности: Лечебное дело, Педиатрия)
Гродно
ГрГМУ
2012
УДК 53(076.5) ББК 22.3я73
Л12
Рекомендовано Центральным научно-методическим советом ГрГМУ (протокол № 3 от 1 декабря 2011 г.).
Авторы: зав. каф. медицинской и биологической физики, доц., канд. ф.-м. наук И.М. Бертель; канд. ф.-м. наук, доц. С.И. Клинцевич;
ст. препод. Е.Я. Лукашик; препод. В.Н. Хильманович.
Рецензент: доц. каф. общей физики УО «Гродненский государственный университет им. Я. Купалы», канд. физ.-мат. наук Н.Д. Стрекаль.
Компендиум по медицинской и биологической физике. Часть II / Л12 И.М. Бертель [и др.]. – Гродно : ГрГМУ, 2012. – 152с.
ISBN
Целью издания данного руководства является уменьшение временных затрат студентов на проведение, регистрацию и обработку результатов лабораторнопрактической части занятий по медицинской и биологической физике. Пособие позволяет оптимизировать учебное время за счет сокращения рутинной части занятия, унифицирует протоколы отчетов по лабораторным работам. Руководство содержит методические указания и рекомендации к лабораторно-практическим занятиям. Методические советы к каждому занятию включают название раздела, тему и цели занятия, перечень теоретических вопросов, рассматриваемых на занятии, краткое изложение избранных тем, список литературных источников, перечень заданий для контролируемой самостоятельной работы.
Руководство предназначено для студентов I курса лечебного и педиатрического факультетов, изучающих дисциплину во II семестре, составлено в соответствии с программой по медицинской и биологической физике для
2
указанных факультетов, утвержденной Министерством здравоохранения РБ.
УДК
53(076.5)
ББК
22.3я73
ISBN
© УО «ГрГМУ», 2011
3
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
|
|
Механические колебания и волны |
|
12 |
||
1.Механические колебания: гармонические, затухающие....................... |
|
12 |
|||
2. |
Энергия гармонических колебаний ........................................................ |
|
13 |
||
3. |
Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания ........................... |
|
14 |
||
4. |
Сложение колебаний, направленных вдоль одной прямой и |
|
|||
во взаимно перпендикулярных направлениях........................................... |
|
15 |
|||
5. |
Сложные колебания. Гармонический спектр сложных |
|
|
||
колебаний, теорема Фурье. Разложение колебаний в |
|
|
|||
гармонический спектр .................................................................................. |
|
|
|
17 |
|
6. |
Механические волны, их виды и скорость распространения |
.............. 18 |
|||
7. |
Уравнение волны. Энергетические характеристики волны................. |
19 |
|||
|
Ультразвук и инфразвук |
|
|
21 |
|
1. |
Получение ультразвука (излучатели и приемники УЗ)........................ |
|
21 |
||
2. |
Особенности распространения ультразвуковой волны: |
|
|
||
малая длина волны, направленность, поглощение, |
|
|
|||
преломление, отражение. ............................................................................. |
|
|
22 |
||
3. |
Взаимодействие УЗ с биологическими тканями: |
|
|
||
деформация, кавитация, выделение тепла, химические |
|
|
|||
реакции........................................................................................................... |
|
|
|
23 |
|
4. |
Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, |
|
|
||
диагностике. .................................................................................................. |
|
|
|
24 |
|
5. |
Эффект Доплера и его применение для неинвазивного |
|
|
||
измерения скорости кровотока.................................................................... |
|
|
26 |
||
6. |
Инфразвук и его воздействие на человека ............................................. |
|
27 |
||
|
Акустика |
|
|
|
28 |
1. |
Акустика. Физические характеристики звука ....................................... |
|
28 |
||
2. |
Характеристики слухового ощущения и их связь с |
|
|
||
физическими характеристиками звука. Закон Вебера– |
|
|
|||
Фехнера. Уровни интенсивности, уровни громкости звука и |
|
||||
единицы их измерения ................................................................................. |
|
|
|
29 |
|
3. |
Аудиометрия и фонокардиография ........................................................ |
|
30 |
||
4. |
Поглощение и отражение звуковых волн, акустический |
|
|
||
импеданс. Реверберация............................................................................... |
|
|
|
31 |
|
|
Физические |
основы |
гемодинамики |
и |
|
|
биореологии |
|
|
|
33 |
|
|
|
|
|
4 |
1. |
Основные понятия гидродинамики. Условие |
|
||
неразрывности струи. Уравнение Бернулли .............................................. |
33 |
|||
2. |
Вязкость жидкости. Уравнение Ньютона. Ньютоновские и |
|
||
неньютоновские жидкости. Течение вязкой жидкости. |
|
|||
Формула Пуазейля. Гидравлическое сопротивление ............................... |
34 |
|||
3. |
Методы определения вязкости жидкостей (метод |
|
||
падающего шарика, капиллярные методы, ротационный |
|
|||
метод), определение вязкости крови .......................................................... |
|
36 |
||
4. |
Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса. |
|
||
Условия проявления турбулентности в системе |
|
|||
кровообращения............................................................................................ |
|
|
37 |
|
5. |
Некоторые особенности движения крови по сосудам. |
|
||
Феномен Фареуса-Линдквиста.................................................................... |
|
38 |
||
6. |
Роль эластичности кровеносных сосудов в системе |
|
||
кровообращения. Пульсовая волна. Формула Моенса- |
|
|||
Кортевега ....................................................................................................... |
|
|
39 |
|
7. |
Распределение давления и скорости течения крови в |
|
||
системе кровообращения. Некоторые методы определения |
|
|||
давления и скорости крови: Короткова-Рива-Роччи, |
|
|||
электромагнитный, на эффекте Доплера. .................................................. |
|
40 |
||
8. |
Работа и мощность сердца, их количественные оценки. ..................... |
41 |
||
|
Молекулярные явления в жидкости |
43 |
||
1. |
Особенности молекулярного строения жидкостей ............................... |
43 |
||
2. |
Поверхностное натяжение, единицы измерения |
|
||
коэффициента поверхностного натяжения. |
............................................... |
43 |
||
3. |
Явления смачивания и несмачивания. Капиллярные |
|
||
явления. Давление Лапласа. Газовая эмболия........................................... |
44 |
|||
4. |
Поверхностные явления в альвеолах. Сурфактант ............................... |
46 |
||
5. |
Методы измерения коэффициента поверхностного |
|
||
натяжения ...................................................................................................... |
|
|
47 |
|
|
Механические |
свойства |
биологических |
|
|
тканей |
|
|
49 |
1. |
Кинематика и динамика движений человека. Рычаги и |
|
||
сочленения в опорно-двигательном аппарате человека. |
|
|||
Абсолютная мышечная сила. Уравнение Хилла ....................................... |
49 |
|||
2. |
Виды деформаций и механические характеристики |
|
||
упругих тел. Закон Гука для упругих деформаций. Модуль |
|
|||
Юнга. Коэффициент Пуассона.................................................................... |
|
51 |
||
|
|
|
|
5 |
3. |
Особенности механического поведения биотканей. |
|
||
Механические свойства биотканей: костной ткани, |
|
|||
суставного хряща, мягких тканей, сухожилий. Активное и |
|
|||
пассивное напряжение мышц ...................................................................... |
|
|
54 |
|
4. |
Механические модели биообъектов ....................................................... |
|
57 |
|
5. |
Механическая работа человека. Эргометрия......................................... |
58 |
||
|
Биоэнергетика. |
Первое |
начало |
|
|
термодинамики и живые организмы |
|
60 |
|
1. |
Термодинамика, Биоэнергетика, биотермодинамика ........................... |
60 |
||
2. |
Основные понятия и исходные положения термодинамики ............... |
63 |
||
3. |
Первое начало термодинамики и его применение к живым |
|
||
системам ........................................................................................................ |
|
|
66 |
|
4. |
Тепловой баланс организма. Способы теплообмена ............................ |
68 |
||
5. |
Энерготраты организма. Теплопродукция организма как |
|
||
следствие необратимости реальных процессов. Первичная и |
|
|||
вторичная теплота организма ...................................................................... |
|
|
69 |
|
6. |
Прямая и непрямая калориметрия .......................................................... |
|
70 |
|
|
Биоэнергетика. |
Второе |
начало |
|
|
термодинамики и живые организмы |
|
72 |
|
1. |
Свободная и связанная энергия в организме ......................................... |
72 |
||
2. Энтропия и еѐ свойства ............................................................................ |
|
|
73 |
|
3. |
Второе начало термодинамики ............................................................... |
|
|
74 |
4. |
Теорема Пригожина.................................................................................. |
|
|
76 |
|
Структурно-функциональная |
организация |
|
|
|
мембран. Транспорт веществ через биологические |
|
||
|
мембраны |
|
|
78 |
1. |
Значение биологических мембран в процессе |
|
||
жизнедеятельности клетки........................................................................... |
|
|
78 |
|
2. |
Молекулярная организация и модели клеточных мембран ................. |
79 |
||
3. |
Физические свойства и параметры мембран ......................................... |
82 |
||
4. |
Значение изучения транспорта веществ через клеточные |
|
||
мембраны. Классификация мембранного транспорта .............................. |
84 |
|||
5. |
Пассивный транспорт веществ и его разновидности. |
|
||
Математическое описание пассивного транспорта .................................. |
84 |
|||
6. |
Активный транспорт ионов. Механизм активного |
|
||
транспорта вещества на примере натрий-калиевого насоса. ................... |
94 |
|||
7. |
Cпособы проникновения веществ через биологические |
|
||
мембраны. ...................................................................................................... |
|
|
97 |
|
|
|
|
|
6 |
|
Формирование мембранных потенциалов |
|
|
клетки в покое и при возбуждении |
101 |
1. |
История открытия биопотенциалов. Гипотеза Бернштейна. |
............. 101 |
2. |
Мембранно-ионная теория генерации биопотенциалов |
|
клеткой и основные опыты, еѐ подтверждающие ................................... |
107 |
|
3. |
Потенциал покоя. Уравнение Нернста. Уравнение |
|
Гольдмана-Ходжкина-Катца ..................................................................... |
109 |
|
4. |
Механизм генерации потенциала действия ......................................... |
113 |
5. |
Распространение потенциала действия по миелиновым и |
|
безмиелиновым нервным волокнам.......................................................... |
115 |
|
|
Внешние электрические поля тканей и |
|
|
органов |
120 |
1. |
Электрическое поле и его характеристики .......................................... |
120 |
2. |
Электрический диполь. Поле диполя. Диполь в |
|
электрическом поле. ................................................................................... |
122 |
|
3. |
Понятие о мультиполе. Волокно миокарда как диполь ..................... |
124 |
4. |
Дипольный эквивалентный электрический генератор |
|
сердца. .......................................................................................................... |
125 |
|
5. |
Физические основы электрокардиографии и вектор- |
|
кардиографии. Теория Эйнтховена........................................................... |
126 |
|
|
Цепи переменного электрического тока |
130 |
1. |
Переменный электрический ток и его физические |
|
характеристики............................................................................................ |
130 |
|
2. |
Цепь переменного электрического тока с активным |
|
сопротивлением. ......................................................................................... |
132 |
|
3. |
Цепь переменного электрического тока с индуктивным |
|
сопротивлением. ......................................................................................... |
132 |
|
4. |
Цепь переменного электрического тока с емкостным |
|
сопротивлением. ......................................................................................... |
134 |
|
5. |
Полное сопротивление цепи переменного электрического |
|
тока. Импеданс. ........................................................................................... |
136 |
|
|
Электропроводность биологических тканей |
|
|
для постоянного и переменного тока. Физические |
|
|
основы реографии |
140 |
1. |
Электропроводность электролитов....................................................... |
140 |
2. |
Первичное действие постоянного тока на ткани организма. |
|
Гальванизация. Лекарственный электрофорез. ....................................... |
140 |
|
|
|
7 |
3. |
Электропроводность биотканей для переменного тока. |
|
||
Зависимость импеданса биологических объектов от частоты |
|
|||
электрического тока. .................................................................................. |
|
|
142 |
|
4. |
Реография как диагностический метод ................................................ |
|
146 |
|
5. |
Оценка жизнеспособности тканей путем измерения |
|
||
импеданса ткани при различных частотах переменного тока. .............. |
148 |
|||
|
Физические |
основы |
импульсной |
|
|
электротерапии |
|
|
150 |
1. |
Электрический импульс, импульсный ток и их физические |
|
||
характеристики............................................................................................ |
|
|
150 |
|
2. |
Электровозбудимость тканей. Реобаза. Хронаксия. |
|
||
Уравнение Вейса-Лапика, закон Дюбуа-Реймона................................... |
151 |
|||
3. |
Генераторы импульсных (релаксационных) колебаний и их |
|
||
практическое применение.......................................................................... |
|
|
154 |
|
4. |
Дифференцирующая цепь. |
..................................................................... |
|
156 |
5. |
Интегрирующая цепь. ............................................................................ |
|
|
157 |
6. |
Электронные стимуляторы. Низкочастотная |
|
||
физиотерапевтическая электронная аппаратура. .................................... |
158 |
|||
|
Физические основы методов высокочастотной |
|
||
|
терапии и электрохирургии |
|
160 |
|
1. |
Генератор гармонических колебаний................................................... |
|
160 |
|
2. |
Принципиальная схема аппарата УВЧ-терапии. |
|
||
Терапевтический контур ............................................................................ |
|
|
160 |
|
3. |
Воздействие на биообъекты переменным электрическим |
|
||
полем ............................................................................................................ |
|
|
161 |
|
4. |
Воздействие на биообъекты переменным магнитным |
|
||
полем. ........................................................................................................... |
|
|
162 |
|
5. |
Воздействие на биообъекты электромагнитными волнами............... |
163 |
||
6. |
Диатермия, дарсонвализация, диатермокоагуляция, |
|
||
диатермотомия ............................................................................................ |
|
|
164 |
|
|
Устройства съема и регистрации медико- |
|
||
|
биологической информации |
|
169 |
|
1. |
Общая схема съема, передачи и регистрации медико- |
|
||
биологической информации ...................................................................... |
|
|
169 |
|
2. |
Электроды для съема биоэлектрического сигнала ............................. |
169 |
||
3. |
Термоэлектрические явления в металлах и |
|
|
|
полупроводниках. Термопары и термисторы и их |
|
|||
использование для измерения температуры. ........................................... |
|
171 |
||
|
|
|
|
8 |
4. |
Биоуправляемые и энергетические датчики и их |
|
|
||
характеристики............................................................................................ |
|
|
|
172 |
|
5. |
Датчики температуры тела .................................................................... |
|
|
174 |
|
6. |
Датчики параметров системы дыхания. ............................................... |
|
177 |
||
7. |
Датчики параметров сердечно-сосудистой системы .......................... |
179 |
|||
|
Усиление биоэлектрических сигналов |
|
182 |
||
1. |
Принцип работы медицинских приборов, регистрирующих |
|
|||
биопотенциалы............................................................................................ |
|
|
|
182 |
|
2. |
Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудные |
|
|||
искажения и их предупреждение .............................................................. |
|
|
182 |
||
3. |
Частотная характеристика усилителя. Частотные |
|
|
||
искажения и их предупреждение .............................................................. |
|
|
184 |
||
4. |
Многокаскадное усиление, типы связей между каскадами ............... |
185 |
|||
5. |
Обратная связь в электронных усилителях ......................................... |
|
185 |
||
6. |
Дифференциальный усилитель. Повторитель ..................................... |
|
187 |
||
|
Оптическая микроскопия. Рефрактометрия. |
|
|||
|
Эндоскопия |
|
|
|
189 |
1. |
Геометрическая оптика. Законы геометрической оптики.................. |
189 |
|||
2. |
Ход лучей в трехгранной призме. Рефрактометрия и |
|
|||
рефрактометры............................................................................................ |
|
|
|
189 |
|
3. |
Явление полного внутреннего отражения света. |
|
|
||
Волоконная оптика и ее применение в медицине ................................... |
|
191 |
|||
4. |
Линзы. Аберрация линз.......................................................................... |
|
|
|
192 |
5. |
Оптическая микроскопия. Ход лучей в микроскопе. ......................... |
193 |
|||
6. |
Увеличение и предел разрешения оптических |
|
|
||
микроскопов. Формула Аббе..................................................................... |
|
|
194 |
||
|
Электромагнитные волны, их свойства |
|
196 |
||
1. |
Общие свойства электромагнитных волн ............................................ |
|
196 |
||
2. |
Интерференция световых волн ............................................................. |
|
|
197 |
|
3. |
Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля............................................ |
|
198 |
||
4. |
Интерференционные и дифракционные приборы .............................. |
|
200 |
||
5. |
Естественный и поляризованный свет ................................................. |
|
202 |
||
6. |
Поляризация света. Закон Малюса ....................................................... |
|
202 |
||
7. |
Виды поляризации. Методы получения поляризованного |
|
|||
света.............................................................................................................. |
|
|
|
203 |
|
|
Поглощение |
и |
рассеяние |
света. |
|
|
Люминесценция |
|
|
|
205 |
|
|
|
|
|
9 |
1. |
Структура энергетических уровней атомов и молекул ...................... |
205 |
||
2. |
Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. |
|
||
Колориметрия.............................................................................................. |
|
|
207 |
|
3. |
Эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, его |
|
||
медицинское применение .......................................................................... |
|
|
208 |
|
|
Тепловое излучение тел. Тепловидение и |
|
||
|
термография в медицине. Элементы квантовой |
|
||
|
механики |
|
|
210 |
1. |
Тепловое излучение тел и его характеристики ................................... |
|
210 |
|
2. |
Законы теплового излучения и их квантовая |
|
|
|
интерпретация ............................................................................................. |
|
|
211 |
|
3. |
Термография и тепловидение................................................................ |
|
212 |
|
4. |
Теория Бора. Спектр атома водорода ................................................... |
|
212 |
|
5. |
Гипотеза де Бройля. Опыты по дифракции электронов ..................... |
214 |
||
6. |
Электронная микроскопия. Предельное увеличение |
|
||
электронного микроскопа .......................................................................... |
|
|
215 |
|
7. |
Волновая функция и ее физический смысл. Уравнение |
|
||
Шредингера и его применение к атому водорода. Квантовые |
|
|||
числа ............................................................................................................. |
|
|
216 |
|
8. |
Принцип работы лазерных источников света. |
|
|
|
Характеристики лазерного излучения. Действие лазерного |
|
|||
излучения на биологические ткани, фотодинамическая |
|
|||
терапия ......................................................................................................... |
|
|
217 |
|
|
Электронный |
парамагнитный, |
ядерный |
|
|
магнитный резонансы их применение в биологии |
|
||
|
и медицине |
|
|
221 |
1. |
Магнитное поле и его основные характеристики ............................... |
221 |
||
2. |
Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся |
|
||
электрический заряд. Сила Лоренца......................................................... |
|
222 |
||
3. |
Магнитные моменты электрона – орбитальный и |
|
||
спиновой. Орбитальное магнитомеханическое отношение |
|
|||
для электрона. ............................................................................................. |
|
|
223 |
|
4. |
Магнитные свойства вещества, намагниченность. |
|
||
Парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.................................. |
|
226 |
||
5. |
Магнитные свойства биологических тканей. Воздействие |
|
||
магнитного поля на биологические объекты........................................... |
|
229 |
||
6. |
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).................................... |
|
230 |
|
|
|
|
|
10 |