Lektsii_po_fiziki

.Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня мы приступаем с вами к изучению медицинской и биологической физики для того, чтобы с материалистической точки зрения понять явления, происходящие в живых организмах, чтобы подготовится к изучению клинических дисциплин и к практической деятельности врача.

Физика изучает общие законы окружающего нас мира – материи, а мы будем к тому же изучать применение этих законов к разрешению проблем биологии и медицины. Термин материя используется для обозначения окружающего нас мира. В.И. Ленин дал очень четкое определение материи: «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них».

Всю материю мы можем разделить на две формы: вещество и поле.

Вещество – форма материи, состоящая из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и т.д.

Элементарные частицы Þатомы Þмолекулы Þтела

Поле - форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между частицами вещества или телами (электростатическое, электромагнитное, гравитационное, ядерное и др.)

Основное свойство материи – движение. Под движением материи понимается не простое механическое перемещение в пространстве, а все происходящие в окружающем мире процессы и изменения. Условно можно выделить четыре формы движения:

физическая, химическая, биологическая и социальная.

В зависимости от того, какую форму движения материи изучает наука, выделяют науки: физика, химия, биология, медицина, социология и др.

Физика изучает физическую форму движения, и по различным видам этого движения в физике выделяют механику, термодинамику, электродинамику, атомную и ядерную физику. Это деление условно, так же, как деление всей науки на физику, химию,

1

биологию и др. Все науки перекрываются, поэтому существуют и науки на стыке их: биофизика, физическая химия, медицинская физика и т.д.

Физика является наукой экспериментальной. Это означает, что человек сначала наблюдает явление, затем размышляет - строит модель этого явления, т.е. теорию. Затем проверяет теорию экспериментом - ставит опыт. Если теоретическая модель не совпадает с опытными данными, то теорию либо усовершенствуют, либо отбрасывают, строя новую теорию и снова сверяя её с опытом. Таким образом, человек продвигается к более полному пониманию природы.

Значение физики в медицине фундаментальное. Если говорить о медицинской теоретической науке физиологии, то следует отметить, что в основе её лежат закономерности физики и химии, которые в приложении к живому организму получают новое качество. Поэтому появилась новая наука – биофизика, предметом изучения которой являются физические и физико-химические процессы, лежащие в основе биологических процессов на всех уровнях организации живой материи: молекулярном, субклеточном (структуры внутри клетки), клеточном, органно-тканевом и на уровне организма в целом.

Почти все процессы, происходящие в организме, являясь физиологическими, на самом деле являются физическими. Вот ряд примеров. Дыхание – это движение газа по дыхательным путям, что является предметом изучения аэродинамики. Изучая систему кровооборащения, сердце следует рассматривать как насос, что является предметом изучения механики; при изучении течения крови по сосудам следует руководствоваться законами гидродинамики и физики пластичных веществ; при изучении и измерении разности потенциалов, возникающей при работе сердца, следует опираться на законы электродинамики. Этот ряд можно продолжить дальше, чего мы не можем себе позволить в силу отсутствия времени сегодня. Но в течение нашего общения в этом году мы много раз убедимся в правоте моего заявления о фундаментальном значении физики в понимании физиологических процессов.

2

Существенное значение приобретают знания физики при физических методах диагностики заболеваний: ЭКГ, реография, термография, томография, ЭПР и ЯМР.

При лечении многих болезней используются методы воздействия на организм различными физическими факторами: постоянным и переменным электрическим током, электромагнитными полями различного диапазона и т.д.

Классификация медицинской электронной аппаратуры

Большое значение в медицине имеет раздел физики, имеющий самостоятельное значение, - электроника.

Всю медицинскую аппаратуру можно классифицировать как по функциональному назначению, так и по принципу действия.

I.Классификация медицинской электроники по функциональному назначению.

а) Аппаратура для функциональной диагностики:

Эта аппаратура применяется

-для получения, съёма, и передачи медико-биологической информации:

-регистрация биопотенциалов, возникающих при работе различных органов (ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ);

-регистрация неэлектрических величин электрическими приборами: температура, смещение тела, различные биохимические показатели и др. неэлектрические характеристики с помощью датчиков преобразуются в электрический сигнал и регистрируются (фонокардиография – исследование шумов, возникающих при работе сердца, реография - исследование объёма кровенаполнения органов и тканей и т.д.);

-эндо- и радиометрия – миниатюрная электронная аппаратура

смикрорадиогенератором (например, пилюля на конце полиэтиленового катеттера).

б) аппаратура для электростимуляции используется для

физиологических исследований, а также для лечебных целей (кардиостимуляторы).

в) аппаратура для электротерапии обеспечивает воздействие на организм различными физическими факторами с целью лечения (аппарат для гальванизации – воздействие постоянным

3

электрическим током; аппарат УВЧ – терапии – воздействие переменным электрическим полем; аппараты электрохирургии – воздействие токами высокой частоты; электростимуляторы – воздействие импульсными токами и др.)

г) aппараты для лабораторного анализа – ФЭК, рефрактометр, поляриметр и др.

д) компьютерная техника для переработки хранения, анализа и моделирования биологических процессов.

II. Классификация медицинской аппаратуры по принципу действия.

Медицинская электронная аппаратура, являясь по назначению медицинской, по принципу действия является физическими приборами. Поэтому её можно классифицировать на

а) усилители - основа приборов для функциональной диагностики;

б) выпрямители переменного тока - аппарат для гальванизации (электротерапия);

в) генераторы импульсных токов – электростимуляция здоровых и больных мышц;

г) генераторы электромагнитных колебаний – УВЧ-тера- пия, электоротомия (электрохирургия) и др.;

д) генераторы механических колебаний – аудиометр, аппарат УЗИ (функциональная диагностика);

е) генераторы оптического излучения – лазеры.

Действие электрического тока на организм.

При работе с электронной аппаратурой не исключено поражение медицинского персонала и пациентов электрическим током при соприкосновении с токоведущими частями аппаратуры или с нетоковедущими металлическими частями приборов, случайно оказавшимися под напряжением или при нарушении изоляции. Поражение электрическим током может быть в виде электрического удара или электрической травмы.

Электрический удар – это возбуждение тканей организма под действием электрического тока, сопроваждающееся не- про-извольным судорожным сокращением мышц. При этом возможны такие виды воздействия: механическое – разрыв тканей,

4

химическое – электролиз крови (образование активных ра- дика-лов, их взаимодействие с белковыми молекулами и разрушение белковых молекул), биологическое – поражение нервной систе-мы, нарушение дыхания и сердечной деятельности, даже смерть.

Электрическая травма – это результат внешнего местного действия тока на организм. При этом возможны ожоги кожных покровов (тепловое действие тока), электрометаллизация (внедрение в кожу частиц расплавленного металла), знаки тока (появление резкоочерченных круглых пятен на коже в местах входа и выхода тока).

Действие тока на организм зависит от вида тока, силы тока, его частоты, продолжительности воздействия, пути прохождения тока, состояния организма.

Рассмотрим действие тока от каждого фактора в отдельно-

сти.

1) От силы тока. Сила тока – основной параметр, определящий степень поражения. Экспериментальные наблюдения действия тока на организм приведены в таблице 1.1

				Таблица 1.1
Значение	Переменный ток,		Постоянный ток
силы тока,	частотой 50-60 Гц
мА
1	ощущение тока, легкое		не ощущается
	дрожание пальцев
5-7	легкие судороги или бо-		ощущение тока, покалы-
	левые ощущения в руках		вание, ощущение нагрева
10-15	трудно оторваться	от	усиливается	ощущение
	электродов		нагрева
20-25	паралич рук, дыхание за-		незначительное сокраще-
	труднено		ние мышц рук
50-80	остановка дыхания, нача-		сокращение мышц рук,
	ло фибрилляции сердца		судороги,	затрудненное
			дыхание
90-100	остановка дыхания,	при	остановка дыхания
	длительности 3 секунды
	и более остановка сердца

5

Из таблицы мы можем сделать вывод: опасность поражения током тем больше, чем больше сила тока, идущего через человека, и в зависимости от вида тока степень поражения при одной и той же силе тока различна.

Согласно приведенной таблице, очевидно, что предельно допустимые значения силы переменного тока Iдоп =15мА, а постоянного тока Iдоп = 50мА. Предельно допустимыми значениями называют значения силы тока, при которых организм не поражается.

Предельно допустимые значения напряжения легко установить из закона Ома для участка цепи: U = I × R, но, прежде следует разобраться с величиной сопротивления тела человека.

Сопротивление тела человека складывается из сопротивления внутренних органов человека, RВН =1кОм, и сопротивления кожи RК . Величина RК существенно превосходит величину RВН и является неопределённой, т.к. кожа имеет неодинаковую толщину на разных участках тела, и зависит от внутренних и внешних причин (потливость, влажность). Поэтому при расчете предельно допустимого значения напряжения в расчет принимают только сопротивление внутренних органов и определяют его как Uдоп = Iдоп × RВН . Откуда для переменного тока Uдоп =15B, для постоянного Uдоп = 50 B.

Если же человек попадает под действие переменного тока из сети с напряжением 220 В, то ток, проходящий по телу человека,

U 220B

равен I = R =1000 Ом = 0,22А = 220мА и является смертельно опасным.

2) От вида тока и частоты.

Как следует из таблицы 1.1, переменный ток с частотой 5060 Гц более опасен, чем постоянный ток. При напряжении 500 В опасность уравновешивается, а при U > 500B более опасным является постоянный ток.

Ток частотой 50-60 Гц вызывает поражение, а токи высокой частоты, 10 кГц – 1 МГц, не оказывают поражающего действия на организм и их применяют для физиологических процедур

3) От времени воздействия: чем меньше время действия тока на организм, тем меньше опасность, т.к. с увеличением времени воздействия тока на живую ткань возрастает значение силы

6

этого тока за счет уменьшения сопротивления кожи при нагреве её, что приводит к расширению сосудов, значит к усилению снабжения этого участка кровью и усилению потоотделения.

4)От пути прохождения тока в теле человека: наиболее опасен путь, когда ток проходит через головной мозг или сердце: правая рука - левая рука, левая рука –ноги, правая рука –ноги, голова ноги, голова – руки.

5)От состояния организма – наиболее восприимчивыми

являются люди, страдающие болезнями сердечно-сосудистой системы, органов внутренней секреции, старики и дети.

Обеспечение электробезопасности при работе с медицинской аппаратурой.

Итак, мы выяснили, что наиболее опасен переменный ток частотой 50-60 Гц, а при напряжении сети U = 220B смертельно опасен. Поэтому при работе с медицинской аппаратурой необходимо предусмотреть все возможные меры по обеспечению безопасности. Для этого, прежде всего, изолируют части приборов и аппаратов, находящиеся под напряжением, друг от друга и от корпуса аппаратуры. Такая изоляция называется основной. Но даже при хорошей основной изоляции сопротивление приборов и аппаратов переменному току не является бесконечным. Поэтому при касании человеком корпуса аппаратуры через тело человека может пройти некоторый ток, называемый током утечки. Кроме того, основная изоляция может испортиться (старение, влажность окружающего воздуха) и может возникнуть замыкание вну- трен-них частей аппарата и корпуса (пробой на корпус), а корпус окажется под напряжением. Поэтому необходимо заранее принять меры, благодаря которым токи утечки и токи, могущие возникнуть при пробое на корпус, не проходили бы при касании аппаратуры через тело человека. В качестве таких мер служат заземление и зануление аппаратуры.

Чтобы разобраться в физических процессах при заземлении и при занулении, нужно вспомнить, как получается переменный ток, и знать, как подключается медицинская аппаратура к одно- и трехфазной системе (сети).

7

Переменный ток получают в генераторах, основными элементами которого являются статор с тремя обмотками (I, II и III),сдвинутыми относительно друг друга на 1200, и ротора – электромагнита.

При вращении ротора в обмотках статора возникают эдс индукции: E1 = Em sinωt

E2

æ

ωt +

2π ö

= Em sinç

3

÷

è

ø

E

= E

æ

ωt +

4π ö

,

sinç

÷

3

m

è

3

ø

Рис. 1.1

а на концах обмоток напряжения:

U1 = Um sinωt

2π ö

U

= U

æ

ωt +

2

m

sinç

3

÷

è

ø

U3

æ

ωt +

4π ö

, где ω - круговая частота , Em и Um – максималь-

= Um sinç

3

÷

è

ø

ные значения эдс индукции и напряжения, соответственно. Обмотки генератора можно соединить в виде звезды: концы

обмоток соединяют вместе в один узел (т.О), из этого узла отводят нулевой провод с U = 0 (рис.1.2).

8

В однофазной сети мединцинская аппаратура подключается к одной из обмоток (фазе) и к нулевому проводу

В трехфазной цепи подключение производят к двум фазам.

Рис. 1.2

Заземлениеэто преднамеренное соединение корпуса и других металлических нетоковедущих частей аппарата, которые могут оказаться под напряжением, для отвода токов утечки и токов, возникающих при коротком замыкании. Используется в однофазной цепи при изолированном, т.е. не соединённым с землёй, нулевым проводом (рис.1.3).

Рис. 1.3.

Для безопасной работы должно выполняться соотношение

9

RЗАЗ = 250, т.е. RЗАЗ > RЧЕЛ в 250 раз !

RЧЕЛ

Следовательно, сопротивление заземляющего провода должно быть равным RЗАЗ = 4 Ом При этом сила тока, идущего через заземляющий провод значительно (в 250 раз) меньше тока, идущего через человека.

Зануление – это преднамеренное соединение корпуса прибора и металлических нетоковедущих частей аппарата, которые могут оказаться под напряжением, с заземленным нулевым проводом, для отвода токов утечки и токов, возникающих при коротком замыкании. Используется в трехфазной цепи с землённым нулевым проводом (рис.1.4).

При пробое изоляции возникает короткое замыкание. Ток при этом будет идти по пути: корпус

– нулевой провод – фазный провод -– предохранитель. Ток короткого замыкания возрастает бесконечно, предохранитель срабатывает, аппаратура отключается от электрической цепи

Рис. 1.4.

Таким образом, заземление в сетях с изолированным нулевым проводом обеспечивает безопасную силу тока, проходящего через тело человека при коротком замыкании и значительных токах утечки, а зануление в сетях с заземлённой нейтралью обеспечивает автоматическое отключение аппаратуры от сети.

10