Libreria tecnica gratuita

Fisica medica. Cheat sheet: in breve, il più importante

Elenco / Appunti delle lezioni, cheat sheet

Commenti sull'articolo

Sommario

1. Fisica medica. Storia breve
2. Problemi di base e concetti di metrologia
3. La metrologia medica e le sue specificità
4. Valore casuale. legge di distribuzione
5. Distribuzione di Maxwell (distribuzione della velocità delle molecole di gas) e Boltzmann
6. Statistica matematica e dipendenza da correlazioni
7. Sistemi cibernetici
8. Il concetto di cibernetica medica
9. Fondamenti di meccanica
10. Concetti di base della meccanica
11. Articolazioni e leve nel sistema muscolo-scheletrico umano. Ergometria
12. Vibrazioni meccaniche
13. acqua meccanica
14. effetto Doppler
15. acustica
16. Basi fisiche di solidi metodi di ricerca in clinica
17. La fisica dell'udito
18. L'ecografia e la sua applicazione in medicina
19. idrodinamica
20. Proprietà meccaniche dei solidi e dei tessuti biologici
21. Proprietà meccaniche dei tessuti biologici
22. Problemi fisici di emodinamica
23. Lavoro e forza del cuore. Macchina cuore-polmone
24. termodinamica
25. Il secondo principio della termodinamica. Entropia
26. Stato stazionario
27. Termometria e calorimetria
28. Proprietà fisiche dei mezzi caldi e freddi utilizzati per il trattamento
29. Processi fisici nelle membrane biologiche
30. Proprietà fisiche e parametri delle membrane
31. Una sorta di trasferimento passivo di molecole e ioni attraverso membrane biologiche
32. elettrodinamica
33. Dipolo elettrico e multipolare
34. Basi fisiche dell'elettrocardiografia
35. Elettricità
36. Conducibilità elettrica di tessuti e liquidi biologici in corrente continua. Scarica elettrica nei gas
37. Un campo magnetico
38. Intensità del campo magnetico e sue altre proprietà
39. Proprietà dei magneti e proprietà magnetiche dei tessuti umani
40. Induzione elettromagnetica. Energia del campo magnetico
41. Resistenza totale ((impedenza) dei tessuti corporei. Basi fisiche della reografia
42. Il concetto della teoria di Maxwell. Corrente di polarizzazione
43. Classificazione degli intervalli di frequenza adottata in medicina
44. Processi fisici nei tessuti che si verificano quando esposti a campi correnti ed elettromagnetici
45. Esposizione a correnti alternate (a impulsi).
46. Esposizione a un campo magnetico alternato
47. elettronica
48. elettronica medica
49. Come viene garantita l'affidabilità delle apparecchiature mediche
50. Sistema per ottenere informazioni biomediche
51. Amplificatori-oscillatori
52. ottica
53. ottica d'onda
54. Polarizzazione della luce
55. Il sistema ottico dell'occhio e alcune sue caratteristiche
56. Radiazione termica dei corpi

La fisica medica è la scienza di un sistema che consiste di dispositivi fisici e radiazioni, dispositivi e tecnologie mediche e diagnostiche.

Lo scopo della fisica medica è studiare questi sistemi per la prevenzione e la diagnosi delle malattie, nonché il trattamento dei pazienti utilizzando i metodi ei mezzi della fisica, della matematica e della tecnologia. La natura delle malattie e il meccanismo di guarigione in molti casi hanno una spiegazione biofisica.

I fisici medici sono direttamente coinvolti nel trattamento e nel processo diagnostico, combinando conoscenze fisiche e mediche, condividendo la responsabilità del paziente con il medico.

Lo sviluppo della medicina e della fisica sono sempre stati strettamente intrecciati. Già nell'antichità la medicina utilizzava fattori fisici per scopi medicinali, come il caldo, il freddo, il suono, la luce, vari effetti meccanici (Ippocrate, Avicenna, ecc.).

Il primo fisico medico fu Leonardo da Vinci (cinque secoli fa), che condusse ricerche sulla meccanica del movimento del corpo umano. Medicina e fisica iniziarono ad interagire nel modo più fruttuoso tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo, quando furono scoperte l'elettricità e le onde elettromagnetiche, cioè con l'avvento dell'era dell'elettricità.

Facciamo alcuni nomi di grandi scienziati che hanno fatto le scoperte più importanti in epoche diverse.

Fine del XIX - metà del XX secolo associati alla scoperta dei raggi X, della radioattività, delle teorie sulla struttura dell'atomo, della radiazione elettromagnetica. Queste scoperte sono associate ai nomi di V.K. Roentgen, A. Becquerel,

M. Skladovskoy-Curie, D. Thomson, M. Planck, N. Bohr, A. Einstein, E. Rutherford. La fisica medica ha iniziato ad affermarsi come scienza e professione indipendente solo nella seconda metà del XNUMX° secolo. con l'avvento dell'era atomica. In medicina, i dispositivi gamma radiodiagnostici, gli acceleratori elettronici e di protoni, le gamma camera radiodiagnostiche, i tomografi computerizzati a raggi X e altri, l'ipertermia e la magnetoterapia, il laser, gli ultrasuoni e altre tecnologie e dispositivi medico-fisici sono diventati ampiamente utilizzati. La fisica medica ha molte sezioni e nomi: fisica delle radiazioni mediche, fisica clinica, fisica oncologica, fisica terapeutica e diagnostica.

L'evento più importante nel campo della visita medica può essere considerato la creazione di tomografi computerizzati, che hanno ampliato lo studio di quasi tutti gli organi e sistemi del corpo umano. OCT è stato installato nelle cliniche di tutto il mondo e un gran numero di fisici, ingegneri e medici ha lavorato per migliorare la tecnica e i metodi per portarlo quasi ai limiti del possibile. Lo sviluppo della diagnostica dei radionuclidi è una combinazione di metodi radiofarmaceutici e metodi fisici per la registrazione delle radiazioni ionizzanti. La tomografia a emissione di positroni è stata inventata nel 1951 e pubblicata nel lavoro di L. Renn.

2. Principali problemi e concetti di metrologia

La metrologia è la scienza delle misurazioni, dei metodi e dei mezzi per garantirne l'unità e dei metodi per ottenere la precisione richiesta. La misurazione è il processo per trovare il valore di una quantità fisica sperimentalmente utilizzando mezzi tecnici. Le misurazioni ci permettono di stabilire le leggi della natura e sono un elemento di conoscenza del mondo che ci circonda. Si distingue tra misurazioni dirette, in cui il risultato si ottiene direttamente dalla misurazione della grandezza stessa (ad esempio misurare la temperatura corporea con un termometro medicale, misurare la lunghezza di un oggetto con un righello), e indirette, in cui il valore desiderato di una quantità si ricava da una relazione nota tra essa e le quantità misurate direttamente (ad esempio, determinando il peso corporeo durante la pesatura, tenendo conto della forza di galleggiamento determinata dalla viscosità del liquido in base alla velocità con cui cade la pallina dentro). I mezzi tecnici per effettuare misurazioni possono essere di diversi tipi. I più noti sono strumenti in cui le informazioni di misurazione sono presentate in una forma accessibile alla percezione diretta (ad esempio, la temperatura è rappresentata in un termometro dalla lunghezza di una colonna di mercurio, l'intensità della corrente è rappresentata dalla lettura dell'ago di un amperometro o un valore digitale).

Un'unità di una quantità fisica è una quantità fisica accettata di comune accordo come base per quantificare la quantità fisica corrispondente.

Per esprimere il livello di pressione sonora, il livello di intensità sonora, l'amplificazione del segnale elettrico, l'espressione dell'intervallo di frequenza e altro, è più conveniente utilizzare il logaritmo del valore relativo (il logaritmo decimale è più comune e più Comune):

lg = a₂/un₁

dove un₁ e a₂ sono grandezze fisiche con lo stesso nome.

L'unità del valore logaritmico è bel (B):

1B \uXNUMXd LG \uXNUMXd a₂/un_i,

all'a₂ = 10 bis,

se a è una quantità di energia (potenza, intensità, energia, ecc.), o

se a è una grandezza di potenza (forza, sollecitazione meccanica, pressione, intensità del campo elettrico, ecc.).

Un'unità di sottomultiplo abbastanza comune è il decibel (dB):

1dB = 0,1B.

1 dB corrisponde al rapporto tra le quantità di energia a₂ = 1,26a:

3. La metrologia medica e le sue specificità

I dispositivi tecnici utilizzati in medicina sono chiamati il ​​termine generico "attrezzature mediche". La maggior parte delle apparecchiature mediche si riferisce alle apparecchiature mediche, che a loro volta sono suddivise in dispositivi medici e dispositivi medici.

Un dispositivo medico è considerato un dispositivo tecnico destinato a misurazioni diagnostiche o terapeutiche (termometro medico, sfigmomanometro, elettrocardiografo, ecc.).

Dispositivo medico: un dispositivo tecnico che consente di creare un impatto energetico di proprietà terapeutiche, chirurgiche o battericide, nonché di fornire una determinata composizione di varie sostanze per scopi medici (terapia UHF, elettrochirurgia, rene artificiale, protesi dell'orecchio, ecc. ).

I requisiti metrologici per i dispositivi medici sono abbastanza ovvi. Molti dispositivi medici sono progettati per avere un effetto energetico di dosaggio sul corpo, motivo per cui meritano l'attenzione del servizio metrologico. Le misurazioni in medicina sono piuttosto specifiche, pertanto nella metrologia è stata individuata un'area separata: la metrologia medica.

Considerando alcuni problemi specifici della metrologia medica e in parte della strumentazione medica, va notato che attualmente le misurazioni mediche nella maggior parte dei casi sono eseguite da personale medico (medico, infermiere), che non è tecnicamente formato. Pertanto, è consigliabile realizzare dispositivi medici graduati in unità di grandezze fisiche, i cui valori sono le informazioni di misurazione medica finale (misure dirette).

È auspicabile che il tempo di misurazione fino all'ottenimento di un risultato utile sia speso il meno possibile e che le informazioni siano il più complete possibile. Questi requisiti sono soddisfatti dai computer.

Nella standardizzazione metrologica di un dispositivo medico è importante tenere conto delle indicazioni mediche. Il medico deve determinare con quale accuratezza è sufficiente presentare i risultati in modo da poter trarre una conclusione diagnostica.

Molti dispositivi medici forniscono informazioni su un dispositivo di registrazione (ad esempio un elettrocardiografo), quindi è necessario tenere conto degli errori inerenti a questa forma di registrazione.

Uno dei problemi è termologico. Secondo i requisiti della metrologia, il nome dello strumento di misura deve contenere una grandezza o unità fisica (amperometro, voltmetro, frequenzimetro, ecc.). I nomi dei dispositivi medici non corrispondono a questo principio (elettrocardiografo, fonocardiografo, reografo, ecc.). Quindi, un elettrocardiografo dovrebbe essere chiamato millivoltmetro con letture di registrazione.

In un certo numero di misurazioni mediche, potrebbero esserci informazioni insufficienti sulla relazione tra la quantità fisica misurata direttamente e i corrispondenti parametri biomedici. Quindi, ad esempio, nel metodo clinico (senza sangue) di misurazione della pressione sanguigna, si presume che la pressione dell'aria all'interno del bracciale sia approssimativamente uguale alla pressione sanguigna nell'arteria brachiale.

4. Valore casuale. legge di distribuzione

Definizione di una variabile casuale. Molti eventi casuali possono essere quantificati come variabili casuali. Casuale è una quantità che assume valori a seconda di una combinazione di circostanze casuali. Esistono variabili casuali discrete e continue.

Distribuzione di una variabile casuale discreta. Un valore discreto è considerato dato se sono indicati i suoi possibili valori e le relative probabilità. Denota una variabile casuale discreta x, i suoi valori x₁, X₂…, con probabilità: P (x₁) = pag₂, P (x2) = p₂ eccetera.

L'insieme di x e P è chiamato distribuzione di una variabile casuale discreta.

Poiché tutti i possibili valori di una variabile casuale discreta rappresentano un sistema completo, la somma delle probabilità è uguale a uno:

Qui si assume che la variabile casuale discreta abbia n valori. L'espressione è chiamata condizione di normalizzazione.

In molti casi, insieme alla distribuzione di una variabile casuale o al suo posto, informazioni su queste quantità possono essere fornite da parametri numerici, che sono chiamati caratteristiche numeriche di una variabile casuale. I più comuni sono: 1) l'aspettativa matematica (valore medio) di una variabile casuale è la somma dei prodotti di tutti i suoi possibili valori e le probabilità di questi valori;

2) la varianza di una variabile aleatoria è l'aspettativa matematica del quadrato della deviazione di una variabile aleatoria dalla sua aspettativa matematica.

Per una variabile casuale continua, l'aspettativa matematica e la varianza sono scritte come:

dove f(x) è la densità di probabilità o la funzione di distribuzione di probabilità. Mostra come la probabilità di assegnare una variabile casuale all'intervallo dx dipenda dal valore di questa variabile stessa. Legge di distribuzione normale. Nelle teorie della probabilità e della statistica matematica, in varie applicazioni, la legge della distribuzione normale (legge di Gauss) gioca un ruolo importante. Una variabile casuale è distribuita secondo questa legge se la sua densità di probabilità ha la forma:

dove a = M(x) - aspettativa matematica di una variabile casuale;

σ - deviazione standard; Di conseguenza;

σ²è la varianza della variabile casuale. La curva della legge di distribuzione normale ha una forma a campana, simmetrica rispetto alla retta x \uXNUMXd a (centro di dispersione).

5. Distribuzione di Maxwell (distribuzione di velocità delle molecole di gas) e Boltzmann

La distribuzione di Maxwell - nello stato di equilibrio, i parametri del gas (pressione, volume e temperatura) rimangono invariati, ma i microstati - la disposizione reciproca delle molecole, le loro velocità - cambiano costantemente. A causa dell'enorme numero di molecole, è praticamente impossibile determinare i valori delle loro velocità in qualsiasi momento, ma è possibile, considerando la velocità delle molecole come una variabile casuale continua, indicare la distribuzione delle molecole sulle velocità. La distribuzione delle molecole in base alla velocità è stata confermata da vari esperimenti. La distribuzione di Maxwell può essere considerata come la distribuzione delle molecole non solo in termini di velocità, ma anche in termini di energie cinetiche (poiché questi concetti sono correlati).

Isoliamo una singola molecola. La casualità del moto consente, ad esempio, alla proiezione della velocità Vx di una molecola, di accettare la legge di distribuzione normale. In questo caso, come mostrato da J. K. Maxwell, la densità di probabilità che la molecola abbia una componente di velocità Ux è scritta come segue:

Puoi ottenere la funzione di distribuzione di probabilità maxwelliana dei valori assoluti della velocità (distribuzione della velocità di Maxwell):

Distribuzione di Boltzmann. Se le molecole si trovano in un campo di forza esterno (ad esempio, nel campo gravitazionale della Terra), allora è possibile trovare la distribuzione delle loro energie potenziali, cioè stabilire la concentrazione di particelle che hanno un valore potenziale specifico energia. La distribuzione delle particelle sulle energie potenziali nei campi di forza - gravitazionali, elettrici, ecc. - è chiamata distribuzione di Boltzmann.

Applicata al campo gravitazionale, questa distribuzione può essere scritta come la dipendenza della concentrazione di n molecole dall'altezza h sopra il livello del suolo, o l'energia potenziale mgh:

Una tale distribuzione di molecole nel campo gravitazionale terrestre può essere qualitativamente spiegata, nell'ambito dei concetti di cinetica molecolare, dal fatto che le molecole sono influenzate da due fattori opposti: il campo gravitazionale, sotto l'influenza del quale tutte le molecole sono attratte dal Terra e moto caotico molecolare, tendenti a disperdere uniformemente le molecole sull'intero oggetto possibile.

6. Statistica matematica e dipendenza da correlazioni

La statistica matematica è la scienza dei metodi matematici di sistematizzazione e utilizzo dei dati statistici per risolvere problemi scientifici e pratici. La statistica matematica è strettamente connessa alla teoria della probabilità e si basa sui suoi concetti. Tuttavia, la cosa principale nella statistica matematica non è la distribuzione delle variabili casuali, ma l'analisi dei dati statistici e la scoperta a quale distribuzione corrispondono. Una vasta popolazione statistica da cui viene selezionata una parte degli oggetti per la ricerca è chiamata popolazione generale, e l'insieme di oggetti da essa raccolti è chiamato popolazione campionaria, o campione. Una distribuzione statistica è un insieme di varianti e le loro frequenze corrispondenti (o frequenze relative).

Per chiarezza, le distribuzioni statistiche sono rappresentate graficamente sotto forma di poligono e istogramma.

Il poligono delle frequenze è una linea spezzata, i cui segmenti collegano punti con coordinate (x₁; P₁), (X₂; P₂)…. o per il poligono delle frequenze relative - con coordinate (x₁;R₁),(X₂;R₂) ....

Istogramma della frequenza: un insieme di rettangoli adiacenti costruiti su una linea retta, le basi dei rettangoli sono le stesse e uguali a a e le altezze sono uguali al rapporto tra la frequenza (o frequenza relativa) e a:

Le caratteristiche più comuni di una distribuzione statistica sono le medie: moda, mediana e media aritmetica (o media campionaria). Mode (Mo) è uguale alla variante che corrisponde alla frequenza più alta. La mediana (Me) è uguale alla variante che si trova al centro della distribuzione statistica. Divide le serie statistiche (variative) in due parti uguali. La media campionaria (XV) è definita come la media aritmetica di una variante di una serie statistica.

dipendenza dalla correlazione. Le dipendenze funzionali possono essere espresse analiticamente. Quindi, ad esempio, l'area di un cerchio dipende dal raggio (S = pr₂), accelerazione F del corpo - dalla forza e dalla massa (a = F/m₀). Esistono però delle dipendenze che non sono troppo evidenti e non sono espresse in formule semplici e inequivocabili. Ad esempio, esiste una connessione tra l'altezza delle persone e il loro peso corporeo, i cambiamenti nelle condizioni meteorologiche influenzano il numero di raffreddori nella popolazione, ecc. Una dipendenza probabilistica così più complessa che funzionale è una correlazione (o semplicemente una correlazione) . In questo caso, una variazione di uno dei loro valori influisce sul valore medio dell’altro. Supponiamo di studiare la relazione tra una variabile casuale X e una variabile casuale Y. Ogni valore specifico di X corrisponderà a diversi valori di Y: y₁Avere₂ eccetera.

Media condizionale Y_х chiamiamo il valore medio aritmetico Y corrispondente al valore X = x. La dipendenza dalla correlazione, o la correlazione di Y su X, è la funzione Y x = f(x). L’uguaglianza è chiamata equazione di regressione di Y su X, e il grafico della funzione è chiamata retta di regressione di Y su X.

7. Sistemi cibernetici

Un sistema cibernetico è un insieme ordinato di oggetti (elementi del sistema), interagenti e interconnessi, che sono in grado di percepire, ricordare ed elaborare informazioni, nonché di scambiarle. Esempi di sistemi cibernetici sono gruppi di persone, cervelli, computer, automi. Di conseguenza, gli elementi di un sistema cibernetico possono essere oggetti di diversa natura fisica: una persona, cellule cerebrali, unità informatiche, ecc. Lo stato degli elementi del sistema è descritto da un certo insieme di parametri, che sono divisi in continui, prendendo qualsiasi valore reale in un certo intervallo e discreto, prendendo insiemi finiti di valori. Quindi, ad esempio, la temperatura corporea di una persona è un parametro continuo e il suo sesso è un parametro discreto. Il funzionamento di un sistema cibernetico è descritto da tre proprietà: funzioni che tengono conto dei cambiamenti negli stati degli elementi del sistema, funzioni che causano cambiamenti nella struttura del sistema (anche dovuti a influenze esterne) e funzioni che determinano i segnali trasmessi dal sistema al di fuori di esso. Inoltre, viene preso in considerazione lo stato iniziale del sistema.

I sistemi cibernetici variano per complessità, grado di certezza e livello di organizzazione.

I sistemi cibernetici si dividono in continui e discreti. Nei sistemi continui, tutti i segnali circolanti nel sistema e gli stati degli elementi sono specificati da parametri continui, in quelli discreti da quelli discreti. Esistono però anche sistemi misti in cui sono presenti parametri di entrambi i tipi. La divisione dei sistemi in continui e discreti è condizionale ed è determinata dal grado di accuratezza richiesto del processo oggetto di studio, dalle comodità tecniche e matematiche. Alcuni processi o quantità di natura discreta, ad esempio la corrente elettrica (la discretezza della carica elettrica: non può essere inferiore alla carica di un elettrone), sono convenientemente descritti da quantità continue. In altri casi, al contrario, ha senso descrivere un processo continuo con parametri discreti.

Nella cibernetica e nella tecnologia, i sistemi sono generalmente divisi in deterministici e probabilistici. Un sistema deterministico i cui elementi interagiscono in un certo modo, il suo stato e il suo comportamento sono previsti inequivocabilmente e sono descritti da funzioni inequivocabili. Il comportamento dei sistemi probabilistici può essere determinato con una certa certezza.

Un sistema si dice chiuso se i suoi elementi scambiano segnali solo tra loro. I sistemi aperti, o aperti, scambiano necessariamente segnali con l'ambiente esterno.

Per percepire i segnali provenienti dall'ambiente esterno e trasmetterli al sistema, qualsiasi sistema aperto è dotato di recettori (sensori o trasduttori). Negli animali, come in un sistema cibernetico, i recettori sono gli organi di senso - tatto, vista, udito e altri, negli automi - sensori: estensimetri, fotoelettrici, induttivi, ecc.

8. Il concetto di cibernetica medica

La cibernetica medica è una direzione scientifica associata all'uso di idee, metodi e mezzi tecnici della cibernetica in medicina e assistenza sanitaria. Convenzionalmente, la cibernetica medica può essere rappresentata dai seguenti gruppi.

Diagnosi computazionale delle malattie. Questa parte è principalmente relativa all'uso dei computer per la preparazione della diagnosi. La struttura di qualsiasi sistema diagnostico è costituita dalla memoria medica (esperienza medica cumulativa per un determinato gruppo di malattie) e da un dispositivo logico che consente di confrontare i sintomi riscontrati in un paziente mediante interrogatorio ed esame di laboratorio con l'esperienza medica esistente. Il computer diagnostico segue la stessa struttura.

In primo luogo, vengono sviluppati metodi per descrivere formalmente lo stato di salute del paziente e viene effettuata un'analisi approfondita dei segni clinici utilizzati nella diagnosi. Seleziona principalmente quelle caratteristiche che possono essere quantificate.

Oltre all'espressione quantitativa delle caratteristiche fisiologiche, biochimiche e di altro tipo del paziente, la diagnostica computazionale richiede informazioni sulla frequenza delle sindromi cliniche e dei segni diagnostici, sulla loro classificazione, dipendenza, valutazione dell'efficacia diagnostica dei segni, ecc. Tutti questi dati vengono memorizzati nella memoria della macchina. Confronta i sintomi della paziente con i dati memorizzati nella sua memoria. La logica della diagnostica computazionale corrisponde alla logica del medico che fa la diagnosi: la totalità dei sintomi viene confrontata con l'esperienza precedente della medicina. La macchina non rileverà una nuova malattia (sconosciuta). Un medico che incontra una malattia sconosciuta sarà in grado di descriverne i sintomi. I dettagli su una tale malattia possono essere stabiliti solo conducendo studi speciali. I computer possono svolgere un ruolo ausiliario in tali indagini.

Approccio cibernetico al processo di guarigione. Dopo che il medico ha stabilito la diagnosi, viene prescritto un trattamento, che non si limita a un'esposizione una tantum. Questo è un processo complesso durante il quale il medico riceve costantemente informazioni mediche e biologiche sul paziente, le analizza e, di conseguenza, perfeziona, modifica, interrompe o continua l'effetto terapeutico.

Allo stato attuale, l'approccio cibernetico al processo di trattamento facilita il lavoro di un medico, consente di curare pazienti gravemente malati in modo più efficiente, adottare misure tempestive in caso di complicanze durante l'intervento chirurgico, sviluppare e controllare il processo di trattamento farmacologico, creare protesi biocontrollate , diagnosticare malattie e controllare i dispositivi che regolano le funzioni vitali.

I compiti del controllo medico operativo comprendono il monitoraggio delle condizioni dei pazienti gravemente malati mediante sistemi di tracciamento (sistemi di monitoraggio per il monitoraggio delle condizioni di persone sane in condizioni estreme: condizioni di stress, assenza di gravità, condizioni iperbariche, ambiente a basso contenuto di ossigeno, ecc.) .

9. Fondamenti di meccanica

La meccanica è una branca della fisica che studia il movimento meccanico dei corpi materiali. Sotto il movimento meccanico si intende il cambiamento della posizione del corpo o delle sue parti nello spazio nel tempo.

Per i medici, questa sezione è interessante per i seguenti motivi:

1) comprendere la meccanica del movimento dell'intero organismo ai fini della medicina sportiva e spaziale, la meccanica del sistema muscolo-scheletrico umano - ai fini dell'anatomia e della fisiologia;

2) conoscenza delle proprietà meccaniche di tessuti e fluidi biologici;

3) comprendere i fondamenti fisici di alcune tecniche di laboratorio utilizzate nella pratica della ricerca biomedica, come la centrifugazione.

Meccanica del moto rotatorio di un corpo assolutamente rigido

Un corpo assolutamente rigido è un corpo la cui distanza tra due punti qualsiasi è costante. In movimento, le dimensioni e la forma di un corpo assolutamente rigido non cambiano. La velocità di rotazione del corpo è caratterizzata da una velocità angolare pari alla derivata prima dell'angolo di rotazione del raggio vettore rispetto al tempo:

ω = dt/da

La velocità angolare è un vettore che è diretto lungo l'asse di rotazione ed è correlato alla direzione di rotazione. Il vettore velocità angolare, a differenza dei vettori velocità e forza, è scorrevole. Pertanto, specificando il vettore w specifica la posizione dell'asse di rotazione, il senso di rotazione e il modulo della velocità angolare. La velocità di variazione della velocità angolare è caratterizzata da un'accelerazione angolare uguale alla derivata prima della velocità angolare rispetto al tempo:

Da ciò si vede che il vettore accelerazione angolare coincide in direzione con una variazione elementare, sufficientemente piccola, del vettore velocità angolare dw: con rotazione accelerata, l'accelerazione angolare è diretta nello stesso modo della velocità angolare, con rotazione lenta, è opposto ad esso. Ecco le formule per la cinematica del moto rotatorio di un corpo rigido attorno ad un asse fisso:

1) l'equazione del moto rotatorio uniforme:

a = peso + a₀

dove un₀ - valore iniziale dell'angolo;

2) la dipendenza della velocità angolare dal tempo in un moto rotatorio uniforme:

w = et + W₀,

dove w₀ - velocità angolare iniziale;

3) equazione del moto rotatorio uniforme:

10. Concetti di base della meccanica

Momento di potere. Il momento della forza attorno all'asse di rotazione è il prodotto vettoriale del raggio vettore e della forza:

M_i = r_i ×F_i,

dove r_i e F_i - vettori.

Momento d'inerzia. La massa è la misura dell'inerzia dei corpi in moto traslatorio. L'inerzia dei corpi durante il movimento rotatorio dipende non solo dalla massa, ma anche dalla sua distribuzione nello spazio rispetto all'asse.

Il momento di inerzia del corpo attorno all'asse è la somma dei momenti di inerzia dei punti materiali che compongono il corpo:

Il momento d'inerzia di un corpo solido è solitamente determinato dall'integrazione:

Il momento angolare del corpo attorno all'asse è uguale alla somma del momento angolare dei punti che compongono questo corpo:

Energia cinetica di un corpo rotante. Quando un corpo ruota, la sua energia cinetica è

dalle energie cinetiche dei suoi singoli punti. Per un corpo rigido:

Identifichiamo il lavoro elementare di tutte le forze esterne durante tale rotazione a una variazione elementare dell'energia cinetica:

Mda=Jwdw,

donde

riduciamo questa uguaglianza di ω:

donde

Legge di conservazione del momento angolare. Se la quantità di moto totale di tutte le forze esterne che agiscono su un corpo è zero, allora il momento angolare di questo corpo rimane costante. Questa legge vale non solo per un corpo assolutamente rigido. Quindi, per un sistema costituito da N corpi che ruotano attorno ad un asse comune, la legge di conservazione del momento angolare può essere scritta nella forma:

11. Articolazioni e leve nell'apparato muscolo-scheletrico umano. Ergometria

Le parti mobili dei meccanismi sono generalmente collegate da parti. La connessione mobile di più maglie costituisce una connessione cinematica. Il corpo umano è un esempio di connessione cinematica. Il sistema muscolo-scheletrico di una persona, costituito dalle ossa articolate dello scheletro e dei muscoli, rappresenta, dal punto di vista della fisica, un insieme di leve tenute da una persona in equilibrio. In anatomia ci sono leve del potere, in cui si aumenta la forza, ma si perde il movimento, e le leve della velocità, in cui, perdendo forza, si guadagna velocità di movimento. Un buon esempio di leva della velocità è la mascella inferiore. La forza agente è esercitata dal muscolo masticatorio. La forza opposta, la resistenza del cibo schiacciato, agisce sui denti. La spalla della forza agente è molto più corta di quella delle forze di reazione, quindi il muscolo masticatorio è corto e forte. Quando devi rosicchiare qualcosa con i denti, la spalla della forza di resistenza diminuisce.

Se consideriamo lo scheletro come un insieme di collegamenti separati collegati in un organismo, allora risulta che tutti questi collegamenti, con un supporto normale, formano un sistema che si trova in un equilibrio estremamente instabile. Quindi, il supporto del corpo è rappresentato dalle superfici sferiche dell'articolazione dell'anca. Il centro di massa del corpo si trova sopra il supporto, il che crea un equilibrio instabile con un supporto a sfera. Lo stesso vale per l'articolazione del ginocchio e per l'articolazione della caviglia. Tutti questi legami sono in uno stato di equilibrio instabile.

Il centro di massa di un corpo umano in posizione normale si trova esattamente sulla stessa verticale con i centri delle articolazioni dell'anca, del ginocchio e della caviglia della gamba, 2-2,5 cm sotto il mantello dell'osso sacro e 4-5 cm sopra l'asse dell'anca. Pertanto, questo è lo stato più instabile dei collegamenti accatastati dello scheletro. E se l'intero sistema è mantenuto in equilibrio, è solo grazie alla tensione costante dei muscoli di supporto.

Il lavoro meccanico che una persona è in grado di svolgere durante la giornata dipende da molti fattori, quindi è difficile indicare un valore limite. Questo vale anche per il potere. Quindi, con sforzi a breve termine, una persona può sviluppare una potenza dell'ordine di diversi kilowatt. Se un atleta del peso di 70 kg salta da un punto in modo che il suo centro di massa si alzi di 1 m rispetto alla posizione normale e la fase di repulsione dura 0,2 s, sviluppa una potenza di circa 3,5 kW. Quando si cammina, una persona lavora, poiché l'energia viene spesa per piccoli sollevamenti periodici degli arti, principalmente delle gambe.

Il lavoro va a zero se non c'è movimento. Pertanto, quando il carico è su un supporto o supporto, o sospeso a un palo, nessun lavoro viene svolto per gravità. Tuttavia, se tieni un peso o un manubrio immobile su un braccio teso, si nota l'affaticamento dei muscoli del braccio e della spalla. Allo stesso modo, i muscoli della schiena e della regione lombare si stancano se si carica un carico sulla schiena di una persona seduta.

12. Vibrazioni meccaniche

I movimenti ripetitivi (o cambiamenti di stato) sono detti oscillazioni (corrente elettrica alternata, fenomeno del pendolo, lavoro del cuore, ecc.). Distinguere:

1) oscillazioni libere o naturali - tali oscillazioni che si verificano in assenza di influenze esterne variabili su un sistema oscillatorio e derivano da qualsiasi deviazione iniziale di questo sistema dal suo stato di equilibrio stabile;

2) oscillazioni forzate - oscillazioni durante le quali il sistema oscillante è esposto a una forza esterna che cambia periodicamente;

3) le oscillazioni armoniche sono oscillazioni in cui lo spostamento cambia secondo la legge del seno o del coseno a seconda del tempo. La velocità e l'accelerazione di un punto lungo l'asse X sono rispettivamente uguali:

dove sei₀ = Aw - ampiezza della velocità;

a₀ =Aw² =u₀w è l'ampiezza dell'accelerazione;

4) oscillazioni smorzate - oscillazioni con valori dell'ampiezza delle oscillazioni decrescenti nel tempo, a causa della perdita di energia da parte del sistema oscillatorio per vincere la forza di resistenza.

Il periodo delle oscillazioni smorzate dipende dal coefficiente di attrito ed è determinato dalla formula:

Con pochissimo attrito (β² <<ω₀²) il periodo dell'oscillazione smorzata è prossimo al periodo dell'oscillazione libera non smorzata

In pratica, il grado di smorzamento è spesso caratterizzato dal decremento logaritmico dello smorzamento s:

dove Nl è il numero di oscillazioni durante le quali l'ampiezza dell'oscillazione diminuisce di l volte. Il coefficiente di smorzamento e il decremento di smorzamento logaritmico sono correlati da una relazione abbastanza semplice:

l = bT;

5) oscillazioni forzate - oscillazioni che si verificano nel sistema con la partecipazione di una forza esterna. L'equazione del moto delle oscillazioni forzate ha la forma:

dove F è la forza motrice.

La forza motrice cambia secondo la legge armonica F = F₀ coswt.

13. Acqua meccanica

Le onde meccaniche sono disturbi che si propagano nello spazio e trasportano energia. Esistono due tipi di onde meccaniche: onde elastiche e onde sulla superficie dei liquidi.

Le onde elastiche sorgono a causa dei legami esistenti tra le particelle del mezzo: il movimento di una particella dalla posizione di equilibrio porta al movimento delle particelle vicine.

Un'onda trasversale è un'onda la cui direzione e propagazione sono perpendicolari alla direzione di oscillazione dei punti del mezzo.

Un'onda longitudinale è un'onda la cui direzione e propagazione coincidono con la direzione di oscillazione dei punti del mezzo.

La superficie d'onda di un'onda armonica è una superficie collegata singolarmente in un mezzo, che è geometricamente o in fase (in una fase) una serie di punti oscillanti del mezzo con un'onda armonica che viaggia.

Il fronte d'onda è la superficie d'onda più lontana al momento, dove l'onda ha raggiunto questo momento.

Un'onda piana è un'onda il cui fronte è un piano perpendicolare alla propagazione dell'onda.

Onda sferica - un'onda il cui fronte è una superficie sferica con un raggio che coincide con la direzione di propagazione dell'onda.

Principio di Huygens. Ogni punto del mezzo, al quale è giunta la perturbazione, diventa esso stesso una sorgente di onde sferiche secondarie. Velocità di propagazione dell'onda (fase) - la velocità di propagazione di una superficie di uguale fase per un'onda armonica.

La velocità dell'onda è uguale al prodotto della frequenza delle oscillazioni nell'onda e della lunghezza d'onda:

n = lυ.

Un'onda stazionaria è uno stato del mezzo in cui la posizione dei massimi e minimi dei movimenti dei punti oscillanti non cambia nel tempo.

Onde elastiche - perturbazioni elastiche che si propagano in mezzi solidi, liquidi e gassosi (ad esempio, onde che si formano nella crosta terrestre durante un terremoto, onde sonore e ultrasoniche in corpi gassosi, liquidi e solidi).

Le onde d'urto sono un esempio comune di onda meccanica. Onda sonora - movimenti oscillatori di particelle di un mezzo elastico, che si propagano sotto forma di onde elastiche (deformazione di compressione, taglio, che vengono trasferite dalle onde da un punto del mezzo a un altro) in un mezzo gassoso, liquido e solido. Le onde sonore, agendo sugli organi uditivi umani, sono in grado di provocare sensazioni sonore se le frequenze delle vibrazioni corrispondenti rientrano nell'intervallo 16 - 2 h 104 Hz (suoni udibili). Le onde elastiche con frequenze inferiori a 16 Hz sono chiamate infrasuoni, mentre quelle con frequenze superiori a 16 Hz sono chiamate ultrasuoni. La velocità del suono è la velocità di fase delle onde sonore in un mezzo elastico. La velocità del suono varia in diversi ambienti. La velocità del suono nell'aria è 330-340 m/s (a seconda dello stato dell'aria).

L'intensità di un suono è legata all'energia delle oscillazioni nella sorgente e nell'onda e, quindi, dipende dall'ampiezza delle oscillazioni. Altezza del suono: la qualità del suono, determinata soggettivamente da una persona tramite l'orecchio e dipendente principalmente dalla frequenza del suono.

14. Effetto Doppler

L'effetto Doppler è un cambiamento nella frequenza delle onde registrate dal ricevitore, che si verifica a causa del movimento della sorgente di queste onde e del ricevitore. Ad esempio, quando un treno in rapido movimento si avvicina ad un osservatore fermo, il tono del segnale sonoro di quest'ultimo è più alto, e quando il treno si allontana, è più basso del tono del segnale dato dallo stesso treno quando è in movimento. in piedi alla stazione.

Immaginiamo che l'osservatore si stia avvicinando con velocità v ad una sorgente di onde immobile rispetto al mezzo. Allo stesso tempo, incontra più onde in uno stesso intervallo di tempo che in assenza di movimento. Ciò significa che la frequenza percepita vy è maggiore della frequenza dell'onda emessa dalla sorgente. Ma se la lunghezza d'onda, la frequenza e la velocità di propagazione dell'onda sono correlate da:

L'effetto Doppler può essere utilizzato per determinare la velocità di un corpo in un mezzo. Per la medicina, questo è di particolare importanza. Consideriamo ad esempio questo caso. Il generatore di ultrasuoni è combinato con il ricevitore sotto forma di un sistema tecnico.

Il sistema tecnico è immobile rispetto all'ambiente.

In un mezzo con velocità u₀ un oggetto (corpo) si sta muovendo. Il generatore emette ultrasuoni con frequenza v₁. L'oggetto in movimento percepisce la frequenza v₁, che può essere trovato dalla formula:

dove v è la velocità di propagazione di un'onda meccanica (ultrasuoni).

Nelle applicazioni mediche, la velocità degli ultrasuoni è molto maggiore della velocità dell'oggetto

(u > tu₀). Per questi casi abbiamo:

L'effetto Doppler viene utilizzato per determinare la velocità del flusso sanguigno, la velocità di movimento delle valvole e delle pareti del cuore (ecocardiografia Doppler) e di altri organi; flusso di energia delle onde. Il processo ondulatorio è associato alla propagazione dell'energia. Una caratteristica quantitativa dell'energia è il flusso di energia.

Il flusso di energia delle onde è uguale al rapporto tra l'energia trasportata dalle onde attraverso una determinata superficie e il tempo durante il quale questa energia è stata trasferita:

L'unità del flusso di energia delle onde è il watt (W).

Il flusso di energia dell'onda relativo all'area orientata perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda è chiamato densità del flusso di energia dell'onda o intensità dell'onda.

15. Acustica

L'acustica è una branca della fisica che studia le vibrazioni e le onde elastiche dalle frequenze più basse alle più alte (1012-1013 Hz). L'acustica moderna copre una vasta gamma di questioni, comprende una serie di sezioni: l'acustica fisica, che studia le caratteristiche della propagazione delle onde elastiche in vari mezzi, l'acustica fisiologica, che studia la struttura degli organi di ricezione e produzione del suono in uomini e animali, ecc.

L'acustica è intesa come la dottrina del suono, cioè delle vibrazioni e delle onde elastiche nei gas, liquidi e solidi, percepite dall'orecchio umano (frequenze da 16 a 20 Hz).

L'udito è un oggetto di sensazioni uditive, quindi è valutato soggettivamente da una persona. Percependo i toni, una persona li distingue per altezza.

L'altezza è una caratteristica soggettiva, determinata principalmente dalla frequenza del tono fondamentale. In misura molto minore, l'altezza dipende dalla complessità del tono e dalla sua intensità: un suono di maggiore intensità viene percepito come un suono di tono più basso.

Il timbro di un suono è determinato quasi esclusivamente dalla sua composizione spettrale. Spettri acustici diversi corrispondono a timbri diversi, sebbene il tono fondamentale e quindi l'altezza siano gli stessi.

Il volume caratterizza il livello della sensazione uditiva. Sebbene soggettivo, il volume può essere quantificato confrontando la sensazione uditiva proveniente da due fonti. La creazione della scala del livello di volume si basa sulla legge psicofisica di Weber-Fechner. Secondo questa legge, se lo stimolo aumenta in modo esponenziale (cioè dello stesso numero di volte), la sensazione di questo stimolo aumenta in progressione aritmetica (cioè della stessa quantità). Per quanto riguarda il suono, ciò significa che se l'intensità del suono assume una serie di valori successivi, ad esempio a10, a210, a310 (a è un certo coefficiente, a > I), e così via, allora la sensazione di il volume del suono ad essi corrispondente è uguale a E0, 2E0, 3E0, ecc. e. Matematicamente, ciò significa che il volume di un suono è proporzionale al logaritmo dell'intensità del suono. Se ci sono due stimoli sonori con intensità I e I₀, e io₀ - la soglia dell'udito, quindi in base alla legge Weber-Fechner, il volume ad essa relativo è rapportato alle intensità come segue:

dove k è un fattore di proporzionalità che dipende dalla frequenza e dall'intensità. Il metodo per misurare l'acuità del suono è chiamato audiometria. Con l'audiometria su un dispositivo speciale (audiometro), viene determinata la soglia della sensazione uditiva a diverse frequenze; la curva risultante è chiamata audiogramma. Il confronto di un audiogramma di una persona malata con una normale curva della soglia dell'udito aiuta a diagnosticare una malattia degli organi dell'udito.

16. Basi fisiche di solidi metodi di ricerca in clinica

Il suono, come la luce, è una fonte di informazioni e questo è il suo significato principale. I suoni della natura, i discorsi delle persone intorno a noi, il rumore delle macchine in funzione ci dicono molto. Per immaginare il significato del suono per una persona, è sufficiente privarsi temporaneamente della capacità di percepire il suono: chiudere le orecchie. Naturalmente il suono può anche essere una fonte di informazioni sullo stato degli organi interni umani.

Un metodo valido comune per diagnosticare le malattie è l'auscultazione (ascolto). Per l'auscultazione viene utilizzato uno stetoscopio o un fonendoscopio. Il fonendoscopio è costituito da una capsula cava con una membrana di trasmissione del suono applicata al corpo del paziente, tubi di gomma vanno da essa all'orecchio del medico. Nella capsula cava si verifica la risonanza della colonna d'aria, a seguito della quale il suono viene amplificato e l'auscultazione migliora. Durante l'auscultazione dei polmoni si sentono suoni respiratori, vari sibili, caratteristici delle malattie. Modificando i suoni del cuore e l'aspetto del rumore, si può giudicare lo stato dell'attività cardiaca. Usando l'auscultazione, puoi stabilire la presenza di peristalsi dello stomaco e dell'intestino, ascoltare il battito cardiaco fetale.

Per l'ascolto simultaneo del paziente da parte di più ricercatori a scopo didattico o durante un consulto, viene utilizzato un sistema che comprende un microfono, un amplificatore e un altoparlante o più telefoni.

Per diagnosticare lo stato di attività cardiaca viene utilizzata una metodica simile all'auscultazione e denominata fonocardiografia (FCG). Questo metodo consiste nella registrazione grafica dei suoni e dei soffi cardiaci e nella loro interpretazione diagnostica. Un fonocardiogramma viene registrato utilizzando un fonocardiografo, che consiste in un microfono, un amplificatore, un sistema di filtri di frequenza e un dispositivo di registrazione.

Fondamentalmente diverso dai due metodi sonori sopra delineati è la percussione. Con questo metodo, si sente il suono delle singole parti del corpo quando vengono toccate. Schematicamente, il corpo umano può essere rappresentato come una combinazione di volumi pieni di gas (polmoni), liquidi (organi interni) e solidi (ossa). Quando si colpisce la superficie del corpo, si verificano oscillazioni le cui frequenze hanno un'ampia gamma. Da questa gamma, alcune oscillazioni si estingueranno piuttosto rapidamente, mentre altre, coincidenti con le oscillazioni naturali dei vuoti, si intensificheranno e, a causa della risonanza, saranno udibili. Un medico esperto determina lo stato e la posizione (tonografia) degli organi interni dal tono dei suoni delle percussioni.

17. Fisica dell'udito

Il sistema uditivo collega il ricevitore diretto dell'onda sonora con il cervello.

Utilizzando i concetti della cibernetica, possiamo dire che il sistema uditivo riceve, elabora e trasmette informazioni. Dall'intero sistema uditivo, per considerazioni sulla fisica dell'udito, si distinguono l'orecchio esterno, medio e interno.

L'orecchio esterno è costituito dal padiglione auricolare e dal canale uditivo esterno. Il padiglione auricolare negli esseri umani non svolge un ruolo significativo nell'udito. Aiuta a determinare la localizzazione della sorgente sonora quando si trova: il suono dalla sorgente entra nel padiglione auricolare. A seconda della posizione della sorgente sul piano verticale, le onde sonore si diffrangeranno in modo diverso nel padiglione auricolare a causa della sua forma specifica. Ciò porta anche a diversi cambiamenti nella composizione spettrale dell'onda sonora che entra nel condotto uditivo. L'uomo ha imparato ad associare i cambiamenti nello spettro di un'onda sonora con la direzione verso la sorgente sonora.

Direzioni diverse rispetto alla sorgente sonora sul piano orizzontale corrisponderanno alla differenza di fase. Si ritiene che una persona con udito normale possa fissare la direzione della sorgente sonora con una precisione di 3 °, ciò corrisponde a una differenza di fase di - 6 °. Pertanto, si può presumere che una persona sia in grado di distinguere il cambiamento nella differenza di fase delle onde sonore che entrano nelle sue orecchie con una precisione di 6 °.

Oltre alla differenza di fase, l'effetto binaurale è facilitato dalla differenza di intensità del suono nelle diverse orecchie, nonché dall'"ombra acustica" dalla testa a un orecchio.

Il condotto uditivo umano è lungo circa 2,3 cm; pertanto, la risonanza acustica avviene ad una frequenza:

Le parti più essenziali dell'orecchio medio sono la membrana timpanica e gli ossicini uditivi: il martello, l'incudine e la staffa con i corrispondenti muscoli, tendini e legamenti.

Il sistema degli ossicini è collegato da un lato al timpano tramite un martello e dall'altro tramite una staffa alla finestra ovale dell'orecchio interno. La pressione sonora agisce sul timpano, che determina la forza F₁ = P₁ S₁ (P₁ - pressione sonora, S₁ - quadrato).

Il sistema ossiculare funziona come una leva, con un aumento di forza dell'orecchio interno nell'uomo di 1,3 volte. Un'altra delle funzioni dell'orecchio medio è l'indebolimento della trasmissione delle vibrazioni in caso di suono di grande intensità.

La coclea umana è una formazione ossea lunga circa 3,5 mm e ha la forma di una spirale a forma di capsula con 2-3/4 vortici. Tre canali corrono lungo la coclea. Una di queste, che parte dalla finestra ovale, è chiamata scala vestibolare. Dalla finestra rotonda esce un altro canale, chiamato scala timpanica. La scala vestibolare e quella timpanica sono collegate nella regione della cupola della coclea attraverso una piccola apertura: l'elicotrema. Tra il canale cocleare e la scala timpanica, la membrana principale (basilare) corre lungo la coclea. Su di esso si trova l'organo del Corti, contenente cellule recettrici (capelli), dalla coclea arriva il nervo uditivo.

18. L'ecografia e la sua applicazione in medicina

L'ultrasuono è una vibrazione meccanica ad alta frequenza di particelle di un mezzo solido, liquido o gassoso, impercettibile all'orecchio umano. La frequenza delle oscillazioni degli ultrasuoni è superiore a 20 al secondo, ovvero al di sopra della soglia dell'udito.

A scopo terapeutico, gli ultrasuoni vengono utilizzati con una frequenza da 800 a 000 di vibrazioni al secondo. Dispositivi chiamati trasduttori ultrasonici vengono utilizzati per generare ultrasuoni.

Gli emettitori elettromeccanici sono i più diffusi. L'uso degli ultrasuoni in medicina è associato alle peculiarità della sua distribuzione e alle proprietà caratteristiche. Per natura fisica, gli ultrasuoni, come il suono, sono un'onda meccanica (elastica). Tuttavia, la lunghezza d'onda degli ultrasuoni è significativamente più corta della lunghezza d'onda del suono. Maggiori sono le varie impedenze acustiche, più forte è la riflessione e la rifrazione degli ultrasuoni al confine di mezzi diversi. La riflessione delle onde ultrasoniche dipende dall'angolo di incidenza sulla zona interessata: maggiore è l'angolo di incidenza, maggiore è il coefficiente di riflessione.

Nel corpo, gli ultrasuoni con una frequenza di 800-1000 kHz si propagano ad una profondità di 8-10 cm e con una frequenza di 2500-3000 Hz - di 1,0-3,0 cm Gli ultrasuoni vengono assorbiti dai tessuti in modo non uniforme: maggiore è l'acustica densità, minore è l'assorbimento.

Tre fattori agiscono sul corpo umano durante la terapia ad ultrasuoni:

1) micromassaggio meccanico - vibratorio di cellule e tessuti;

2) termico: un aumento della temperatura dei tessuti e la permeabilità delle membrane cellulari;

3) fisico e chimico - stimolazione del metabolismo dei tessuti e dei processi di rigenerazione.

L'effetto biologico degli ultrasuoni dipende dalla sua dose, che può essere stimolante, deprimente o addirittura distruttiva per i tessuti. I più adeguati per effetti terapeutici e profilattici sono piccoli dosaggi di ultrasuoni (fino a 1,2 W/cm2), soprattutto in modalità pulsata. Sono in grado di svolgere un'azione analgesica, antisettica (antimicrobica), vasodilatatrice, risolutiva, antinfiammatoria, desensibilizzante (antiallergica).

Nella pratica fisioterapica vengono utilizzati principalmente dispositivi domestici di tre serie: UZT-1, UZT-2, UZT-3.

L'ecografia non viene applicata all'area del cervello, alle vertebre cervicali, alle protuberanze ossee, alle aree delle ossa in crescita, ai tessuti con gravi disturbi circolatori, all'addome durante la gravidanza, allo scroto. Con cautela, gli ultrasuoni vengono utilizzati nella regione del cuore, negli organi endocrini.

Distinguere tra ultrasuoni continui e pulsati. Gli ultrasuoni continui sono chiamati un flusso continuo di onde ultrasoniche. Questo tipo di radiazioni viene utilizzato principalmente per colpire i tessuti molli e le articolazioni. Gli ultrasuoni pulsati sono una radiazione discontinua, ovvero gli ultrasuoni vengono inviati in impulsi separati a intervalli regolari.

19. Idrodinamica

L'idrodinamica è una branca della fisica che studia le problematiche del movimento di fluidi incomprimibili e la loro interazione con i corpi solidi circostanti, la teoria delle deformazioni e la fluidità di una sostanza.

L'insieme dei metodi per misurare la viscosità è chiamato viscometria e gli strumenti utilizzati per tali scopi sono chiamati viscosimetri. Il metodo più comune di viscometria - capillare - consiste nel misurare il tempo di flusso attraverso il capillare di un liquido di massa nota sotto l'azione della gravità ad una certa caduta di pressione. Un viscosimetro capillare viene utilizzato per determinare la viscosità del sangue.

Vengono utilizzati anche viscosimetri rotazionali, in cui il liquido si trova nell'intercapedine tra due corpi coassiali, come i cilindri. Uno dei cilindri (rotore) ruota, mentre l'altro è inattivo. La viscosità è misurata dalla velocità angolare del rotore, che crea un certo momento di forza su un cilindro stazionario, o dal momento di forza che agisce su un cilindro stazionario, o dal momento di forza che agisce su un cilindro stazionario, ad un dato velocità angolare di rotazione del rotore. Con l'aiuto di viscosimetri rotazionali viene determinata la viscosità dei liquidi: oli lubrificanti, silicati e metalli fusi, vernici e adesivi ad alta viscosità, soluzioni di argilla.

Attualmente, la clinica utilizza un viscosimetro Hess con due capillari per determinare la viscosità del sangue. Nel viscosimetro di Hess, il volume del sangue è sempre lo stesso e il volume dell'acqua viene misurato per divisioni sul tubo, quindi si ottiene direttamente il valore della viscosità relativa del sangue. La viscosità del sangue umano è normalmente 0,4-0,5 Pas, con patologia varia da 0,17 a 2,23 Pas, che influisce sulla velocità di eritrosedimentazione (VES). Il sangue venoso ha una viscosità leggermente superiore rispetto al sangue arterioso.

Flussi laminari e turbolenti. numero di Reynolds. Il flusso del fluido può essere stratificato o laminare. Un aumento della velocità del flusso di un fluido viscoso dovuto alla disomogeneità della pressione attraverso la sezione trasversale del tubo crea un vortice e il movimento diventa vortice o turbolento.

In un flusso turbolento, la velocità delle particelle in ogni punto cambia in modo casuale, il movimento è instabile.

La viscosità cinematica più completamente che dinamica, tiene conto dell'influenza dell'attrito interno sulla natura del flusso di un liquido o di un gas. Pertanto, la viscosità dell'acqua è circa 100 volte maggiore di quella dell'aria (a 0 °C), ma la viscosità cinematica dell'acqua è 10 volte inferiore a quella dell'aria, e quindi la viscosità ha un effetto più forte sulla natura del flusso d'aria rispetto all'acqua. La natura del flusso di liquido o gas dipende dalle dimensioni del tubo.

Il flusso sanguigno nelle arterie è normalmente laminare, con una leggera turbolenza che si verifica vicino alle valvole. In patologia, quando la viscosità è inferiore al normale, il numero di Reynolds può essere superiore al valore critico e il movimento diventerà turbolento.

20. Proprietà meccaniche dei solidi e dei tessuti biologici

Una caratteristica di un corpo solido è la capacità di mantenere la sua forma. I solidi possono essere divisi in cristallini e amorfi.

Una caratteristica distintiva dello stato cristallino è l'anisotropia: la dipendenza delle proprietà fisiche (meccaniche, termiche, elettriche, ottiche) dalla direzione. La ragione dell'anisotropia dei cristalli risiede nella disposizione ordinata degli atomi o delle molecole da cui sono costituiti, che si manifesta nella corretta sfaccettatura esterna dei singoli cristalli singoli. Tuttavia, di regola, i corpi cristallini si trovano sotto forma di policristalli: un insieme di insiemi di piccoli cristalli individuali intrecciati e orientati in modo casuale (cristalliti). A seconda della natura delle particelle nei nodi e della natura delle forze di interazione, si distinguono 4 tipi di reticoli cristallini: ionico, atomico, metallico e molecolare. Gli ioni metallici positivi si trovano in tutti i nodi del reticolo metallico. Gli elettroni si muovono casualmente tra di loro.

La caratteristica principale della struttura interna dei corpi nello stato amorfo è la rigida ripetizione nella disposizione di atomi o gruppi di atomi in tutte le direzioni lungo l'intero corpo. I corpi amorfi nelle stesse condizioni hanno più grandi dei cristalli, volume specifico, entropia ed energia interna. Lo stato amorfo è caratteristico di sostanze di natura molto diversa. A bassa pressione e ad alta temperatura, le sostanze in questo stato sono molto mobili: a basso peso molecolare sono i liquidi, ad alto peso molecolare sono in uno stato altamente elastico. Con una diminuzione della temperatura e un aumento della pressione, la mobilità delle sostanze amorfe diminuisce e diventano tutte solide.

I polimeri sono sostanze le cui molecole sono lunghe catene composte da un gran numero di atomi o gruppi atomici collegati da legami chimici. La particolarità della struttura chimica dei polimeri determina anche le loro proprietà fisiche speciali. I materiali polimerici comprendono quasi tutti i materiali viventi e vegetali, come lana, pelle, corno, capelli, seta, cotone, gomma naturale e altri, nonché tutti i tipi di materiali sintetici: gomma sintetica, plastica, fibre, ecc.

Di grande interesse per la medicina sono gli adesivi per tessuti (ad esempio, alchil-a-cianoacrilati, p-butil-azinocrilato), che polimerizzano rapidamente in un film, che vengono utilizzati per chiudere le ferite senza suturare.

I cristalli liquidi sono sostanze che hanno le proprietà sia dei liquidi che dei cristalli. Secondo le loro proprietà meccaniche, queste sostanze sono simili ai liquidi: scorrono. In base alla natura dell'ordinamento molecolare, si distinguono i cristalli liquidi nematici e smectici. Nei cristalli liquidi nematici, le molecole sono orientate in parallelo, ma i loro centri sono posizionati in modo casuale. I cristalli smectici sono costituiti da strati paralleli in cui le molecole sono ordinate. Una classe speciale è costituita dai cristalli di tipo colesterico (la loro struttura è caratteristica dei composti contenenti colesterolo).

21. Proprietà meccaniche dei tessuti biologici

Sotto le proprietà meccaniche dei tessuti biologici comprende le loro due varietà. Uno è legato ai processi di mobilità biologica: contrazione muscolare degli animali, crescita cellulare, movimento dei cromosomi nelle cellule durante la loro divisione, ecc. Questi processi sono causati da processi chimici e sono forniti di energia dall'ATP, la loro natura è considerata nel corso di biochimica. Convenzionalmente, questo gruppo è chiamato le proprietà meccaniche attive dei sistemi biologici.

Osso. L'osso è il materiale principale del sistema muscolo-scheletrico. Due terzi della massa del tessuto osseo compatto (0,5 volumi) sono materiale inorganico, la sostanza minerale dell'osso è idrossilantite 3 Ca3 (PO) x Ca (OH) 2. Questa sostanza si presenta sotto forma di cristalli microscopici.

La densità del tessuto osseo è di 2400 kg/m3, le sue proprietà meccaniche dipendono da molti fattori, tra cui l'età, le condizioni di crescita individuali dell'organismo e, naturalmente, dalla sede dell'organismo. La struttura dell'osso gli conferisce le proprietà meccaniche necessarie: durezza, elasticità e resistenza.

Pelle. È costituito da fibre di collagene ed elastina e dal tessuto principale: la matrice. Il collagene costituisce circa il 75% del peso secco e l'elastina circa il 4%. L'elastina si allunga molto fortemente (fino al 200-300%), approssimativamente come la gomma. Il collagene può allungarsi fino al 10%, che corrisponde alla fibra di nylon.

Pertanto, la pelle è un materiale viscoelastico con proprietà altamente elastiche, è ben disteso e allungato.

Muscoli. I muscoli sono costituiti da tessuto connettivo formato da fibre di collagene ed elastina. Pertanto, le proprietà meccaniche dei muscoli sono simili alle proprietà meccaniche dei polimeri. Il comportamento meccanico di un muscolo scheletrico è il seguente: quando i muscoli vengono allungati rapidamente di una certa quantità, la tensione aumenta bruscamente e poi diminuisce. Con una maggiore deformazione, si verifica un aumento delle distanze interatomiche nelle molecole.

Tessuto dei vasi sanguigni (tessuto vascolare). Le proprietà meccaniche dei vasi sanguigni sono determinate principalmente dalle proprietà del collagene, dell'elastina e delle fibre muscolari lisce. Il contenuto di questi componenti del tessuto vascolare cambia lungo il corso del sistema circolatorio: il rapporto tra elastina e collagene nell'arteria carotide comune è 2: 1 e nell'arteria femorale - 1: 2. Con la distanza dal cuore, aumenta la proporzione delle fibre muscolari lisce, nelle arteriole sono già il componente principale dei tessuti vascolari.

In uno studio dettagliato delle proprietà meccaniche del tessuto vascolare, si distingue come il campione viene tagliato fuori dal vaso (lungo o attraverso il vaso). È possibile considerare la deformazione del vaso nel suo insieme come conseguenza dell'azione della pressione dall'interno sul cilindro elastico. Due metà di un recipiente cilindrico interagiscono tra loro lungo le sezioni delle pareti del cilindro. L'area totale di questa sezione trasversale di interazione è 2hl. Se è presente una sollecitazione meccanica s nella parete vascolare, la forza di interazione tra le due metà del vaso è pari a:

F = sx2hl.

22. Problemi fisici di emodinamica

L'emodinamica è un campo della biomeccanica che studia il movimento del sangue attraverso il sistema vascolare. La base fisica dell'emodinamica è l'idrodinamica.

Esiste una relazione tra la gittata sistolica del sangue (il volume di sangue espulso dal ventricolo del cuore in una sistole), la resistenza idraulica della parte periferica del sistema circolatorio X0 e la variazione della pressione nelle arterie: poiché il il sangue si trova in un serbatoio elastico, il suo volume dipende in qualsiasi momento dalla pressione p secondo il seguente rapporto:

v=v₀ +kp,

dove k - elasticità, elasticità del serbatoio;

v₀ - il volume del giacimento in assenza di pressione (ð = 0).

Il serbatoio elastico (arterie) riceve il sangue dal cuore, la velocità del flusso sanguigno volumetrico è pari a Q.

Dal serbatoio elastico esce sangue con una portata volumetrica Q₀ nel sistema periferico (arteriole, capillari). Puoi fare un'equazione abbastanza ovvia:

mostrando che la velocità volumetrica del flusso sanguigno dal cuore è uguale alla velocità di aumento del volume del serbatoio elastico.

onda di impulso. Quando il muscolo cardiaco si contrae (sistole), il sangue viene espulso dal cuore nell’aorta e nelle arterie che si estendono da essa. Se le pareti di questi vasi fossero rigide, la pressione che si forma nel sangue all'uscita del cuore verrebbe trasmessa alla periferia alla velocità del suono. La normale pressione sanguigna sistolica umana è di circa 16 kPa. Durante il rilassamento del cuore (diastole), i vasi sanguigni dilatati si abbassano e l'energia potenziale comunicata loro dal cuore attraverso il sangue viene convertita nell'energia cinetica del flusso sanguigno, mantenendo una pressione diastolica di circa 11 kPa. L'onda di impulso si propaga ad una velocità di 5-10 m/s e anche di più. La viscosità del sangue e le proprietà elastico-viscose delle pareti del vaso riducono l'ampiezza dell'onda. È possibile scrivere la seguente equazione per un'onda di impulso armonica:

dove p₀ - ampiezza della pressione nell'onda del polso;

x - distanza da un punto arbitrario dalla fonte delle vibrazioni (cuore);

t - tempo;

w - frequenza circolare delle oscillazioni;

c è una costante che determina l'attenuazione dell'onda.

La lunghezza d'onda dell'impulso può essere trovata dalla formula:

dove E è il modulo elastico;

p è la densità della sostanza del vaso;

h è lo spessore della parete del vaso;

d è il diametro della nave.

23. Lavoro e potenza del cuore. Macchina cuore-polmone

Il lavoro svolto dal cuore è dedicato al superamento delle resistenze e alla comunicazione dell'energia cinetica al sangue.

Calcola il lavoro svolto con una singola contrazione del ventricolo sinistro.

V_у - gittata sistolica di sangue sotto forma di cilindro. Possiamo supporre che il cuore fornisca questo volume attraverso l'aorta con una sezione trasversale S ad una distanza I ad una pressione media p. Il lavoro svolto è pari a:

A1=FI=pSI=pV_y.

Il lavoro dedicato alla comunicazione dell'energia cinetica a questo volume di sangue è:

dove p è la densità del sangue;

υ - velocità del sangue nell'aorta.

Pertanto, il lavoro del ventricolo sinistro del cuore durante la contrazione è:

Poiché il lavoro del ventricolo destro è considerato uguale a 0,2 del lavoro del sinistro, il lavoro dell'intero cuore con una singola contrazione è uguale a:

Questa formula è valida sia per il riposo che per lo stato attivo del corpo, ma questi stati differiscono a seconda della diversa velocità del flusso sanguigno. Fondamenti fisici del metodo chimico per la misurazione della pressione arteriosa. Il parametro fisico - la pressione sanguigna - gioca un ruolo importante nella diagnosi di molte malattie.

La pressione sistolica e diastolica in qualsiasi arteria può essere misurata direttamente con un ago collegato ad un manometro. Tuttavia, in medicina, il metodo senza sangue proposto da N. S. Korotkov è ampiamente utilizzato. L'essenza del metodo: un polsino viene posizionato attorno al braccio tra la spalla e il gomito. Quando si pompa aria attraverso il tubo nel bracciale, il braccio viene compresso. Successivamente, l'aria viene rilasciata attraverso lo stesso tubo e la pressione dell'aria nel bracciale viene misurata utilizzando un manometro. Rilasciando l'aria, riduce la pressione nel bracciale e nei tessuti molli con cui entra in contatto. Quando la pressione diventa pari a quella sistolica, il sangue sarà in grado di sfondare l'arteria schiacciata: si verificherà un flusso turbolento. I toni e i rumori caratteristici che accompagnano questo processo vengono ascoltati dal medico durante la misurazione della pressione, posizionando il fonendoscopio sull'arteria sotto il bracciale (cioè a grande distanza dal cuore). Continuando a ridurre la pressione nella cuffia, è possibile ripristinare il flusso laminare del sangue, che si manifesta con un forte indebolimento dei toni udibili. La pressione del bracciale corrispondente al ripristino del flusso laminare nell'arteria viene registrata come diastolica. Per misurare la pressione sanguigna, vengono utilizzati dispositivi: uno sfigmomanometro con manometro a mercurio, uno sfigmotonometro con manometro a membrana metallica.

24. Termodinamica

La termodinamica è intesa come una branca della fisica che considera i sistemi tra i quali l'energia può essere scambiata senza tener conto della struttura microscopica dei corpi che compongono il sistema. Viene fatta una distinzione tra la termodinamica dei sistemi di equilibrio (o sistemi che passano all'equilibrio) e la termodinamica dei sistemi di non equilibrio, che gioca un ruolo speciale nella considerazione dei sistemi biologici.

Concetti di base della termodinamica. Primo principio della termodinamica. Lo stato di un sistema termodinamico è caratterizzato da grandezze fisiche dette parametri (come volume, pressione, temperatura, densità, ecc.). Se i parametri del sistema durante la sua interazione con i corpi circostanti non cambiano nel tempo, lo stato del sistema è chiamato stazionario. In diverse parti di un sistema che si trova in uno stato stazionario, i valori dei parametri solitamente differiscono: temperatura in diverse parti del corpo umano, concentrazione di molecole diffondenti in diverse parti della membrana biologica, ecc. Lo stato stazionario è mantenuto grazie ai flussi di energia e di sostanza che passano attraverso il sistema. In uno stato stazionario, possono esistere tali sistemi che scambiano sia energia che materia con i sistemi circostanti (sistemi aperti) o scambiano solo energia (sistemi chiusi).

Un sistema termodinamico che non scambia né energia né materia con i corpi circostanti si dice isolato. Un sistema isolato alla fine raggiunge uno stato di equilibrio termodinamico. In questo stato, come nello stato stazionario, i parametri del sistema rimangono invariati nel tempo. Tuttavia, è essenziale che nello stato di equilibrio i parametri che non dipendono dalla massa o dal numero di particelle (pressione, temperatura, ecc.) siano gli stessi nelle diverse parti di questo sistema. Qualsiasi sistema termodinamico non sarà isolato, poiché è impossibile circondarlo con un involucro che non conduca il calore.

Un sistema isolato è considerato un conveniente modello termodinamico. La legge di conservazione dell'energia per i processi termici è formulata come prima legge della termodinamica. La quantità di calore ceduta al sistema va a modificare l'energia interna del sistema e l'esecuzione del lavoro da parte del sistema. L'energia interna di un sistema è intesa come la somma delle energie cinetiche e potenziali delle particelle che compongono il sistema.

L'energia interna è funzione dello stato del sistema e ha un valore ben definito per questo stato: DU è la differenza tra due valori dell'energia interna corrispondenti allo stato finale e iniziale del sistema:

DU=U₂- U₁

La quantità di calore, come il lavoro, è una funzione del processo, non dello stato. Il primo principio della termodinamica può essere scritto come:

dQ = dU + dA.

I valori di Q, A, DU e dQ, dA, dU possono essere positivi (il calore viene trasferito al sistema da corpi esterni, l'energia interna aumenta) o negativi (il calore viene rimosso dal sistema, l'energia interna diminuisce).

25. Il secondo principio della termodinamica. Entropia

Esistono diverse formulazioni della seconda legge della termodinamica: il calore non può trasferirsi da solo da un corpo con una temperatura più bassa a un corpo con una temperatura più alta (formulazione di Clausius), oppure una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è impossibile (formulazione di Thomson) .

Un processo è chiamato reversibile se è possibile completare il processo inverso attraverso tutti gli stati intermedi in modo che dopo che il sistema è tornato al suo stato originale, non si verificano cambiamenti nei corpi circostanti.

L'efficienza di un motore termico, o ciclo diretto, è il rapporto tra il lavoro svolto e la quantità di calore ricevuta dalla sostanza in lavorazione dal riscaldatore:

Poiché il lavoro di un motore termico viene eseguito a causa della quantità di calore e l'energia interna della sostanza di lavoro non cambia per ciclo (DU = 0), dalla prima legge della termodinamica segue che il lavoro nei processi circolari è uguale alla somma algebrica delle quantità di calore:

A = D₁ + Q₂.

quindi:

Quantità di calore Q₁, ricevuto dalla sostanza in lavorazione, è positivo, la quantità di calore Q2 ceduta dalla sostanza in lavorazione al frigorifero è negativa.

La somma delle quantità ridotte di calore per un processo reversibile può essere rappresentata come la differenza tra due valori di qualche funzione di stato del sistema, che si chiama entropia:

dove s₂ e S₁ - entropia, rispettivamente, nel secondo stato finale e nel primo stato iniziale.

L'entropia è una funzione dello stato del sistema, la cui differenza tra i valori di due stati è uguale alla somma delle quantità ridotte di calore durante la transizione reversibile del sistema da uno stato all'altro.

Il significato fisico dell'entropia:

Se il sistema è passato da uno stato all'altro, allora, indipendentemente dalla natura del processo, la variazione di entropia viene calcolata dalla formula per qualsiasi processo reversibile che si verifica tra questi stati:

dove Q è la quantità totale di calore ricevuta dal sistema durante la transizione dal primo stato al secondo stato a temperatura costante T. Questa formula viene utilizzata per calcolare la variazione di entropia in processi come fusione, vaporizzazione, ecc.

26. Stato stazionario

Il principio della produzione di entropia. Il corpo come sistema aperto

L'andamento dei processi termodinamici in un sistema isolato è stato descritto sopra. Tuttavia, i processi e gli stati reali in natura e nella tecnologia non sono in equilibrio e molti sistemi sono aperti.

Questi processi e sistemi sono considerati nella termodinamica di non equilibrio. Proprio come nella termodinamica di equilibrio lo stato di equilibrio è uno stato speciale, così nella termodinamica di non equilibrio gli stati stazionari giocano un ruolo speciale. Nonostante il fatto che nello stato stazionario i processi necessari che si verificano nel sistema (diffusione, conduzione del calore, ecc.) Aumentano l'entropia, l'entropia del sistema non cambia.

Rappresentiamo la variazione dell'entropia DS del sistema come somma di due termini:

DS=DSi+DSl,

dove DSi - variazione di entropia dovuta a processi irreversibili nel sistema; DSl è la variazione di entropia causata dall'interazione del sistema con corpi esterni (flussi che attraversano il sistema). L'irreversibilità dei processi porta a DSi > 0, la stazionarietà dello stato - a DSi = 0; quindi: DSl = DS - DSi < 0. Ciò significa che l'entropia dei prodotti (materia ed energia) che entrano nel sistema è inferiore all'entropia dei prodotti che escono dal sistema.

Lo sviluppo iniziale della termodinamica è stato stimolato dalle esigenze della produzione industriale. In questa fase (XNUMX° secolo), i principali risultati sono stati la formulazione di leggi, lo sviluppo di metodi di cicli e potenziali termodinamici in relazione a processi idealizzati.

Gli oggetti biologici sono sistemi termodinamici aperti. Scambiano energia e materia con l'ambiente. Per un organismo - un sistema stazionario - si può scrivere dS = 0, S = = const, dS i> 0, dSe < 0. Ciò significa che una grande entropia dovrebbe essere nei prodotti escretori e non nel cibo.

In alcune condizioni patologiche l'entropia di un sistema biologico può aumentare (dS > 0), ciò è dovuto alla mancanza di stazionarietà, ad un aumento del disordine. La formula può essere rappresentata:

o per stato stazionario

Ciò mostra che nello stato normale dell'organismo, la velocità di variazione dell'entropia dovuta ai processi interni è uguale alla velocità di variazione dell'entropia negativa dovuta allo scambio di materia ed energia con l'ambiente.

27. Termometria e calorimetria

Misurazioni accurate della temperatura sono parte integrante della ricerca e sviluppo, così come della diagnostica medica.

I metodi per ottenere e misurare le temperature in un ampio intervallo sono molto diversi. Il campo della fisica in cui vengono studiati i metodi di misurazione della temperatura e le relative problematiche è chiamato termometria. Poiché la temperatura è determinata dal valore di qualsiasi caratteristica di una sostanza termometrica, la sua definizione consiste nel misurare parametri fisici e proprietà come volume, pressione, effetti elettrici, meccanici, ottici, magnetici, ecc. Una varietà di metodi di misurazione della temperatura è associata a un gran numero di sostanze termometriche e le proprietà utilizzate in questo.

Un termometro - un dispositivo per la misurazione della temperatura - è costituito da un elemento sensibile in cui si realizza la proprietà termometrica e da un dispositivo di misurazione (dilatometro, manometro, galvanometro, potenziometro, ecc.). Condizione necessaria per la misurazione della temperatura è l'equilibrio termico dell'elemento sensibile e del corpo di cui viene determinata la temperatura. A seconda degli intervalli di temperatura misurati, i più comuni sono termometri a liquido, termometri a gas, termometri a resistenza, termocoppie come termometri e pirometri.

In un termometro a liquido la caratteristica termometrica è il volume, l'elemento sensibile è un serbatoio di liquido (solitamente mercurio o alcool). I pirometri utilizzano l'intensità della radiazione come proprietà termometrica.

Quando si misurano temperature ultrabasse, i paramagneti fungono da sostanze termometriche e la proprietà misurata è la dipendenza della loro magnetizzazione dalla temperatura.

Il termometro a mercurio utilizzato in medicina indica la temperatura massima ed è chiamato termometro massimo. Questa caratteristica è dovuta al suo design: il serbatoio con il mercurio è separato dal capillare graduato da un restringimento, che non consente al mercurio di ritornare nel serbatoio quando il termometro si raffredda. Esistono anche termometri minimi che mostrano la temperatura più bassa osservata per un lungo periodo di tempo. A questo scopo vengono utilizzati i termostati, dispositivi in ​​cui la temperatura viene mantenuta costante, operazione eseguita da regolatori automatici, oppure per questo utilizzano la proprietà delle transizioni una tantum per procedere a temperatura costante.

Per misurare la quantità di calore rilasciata o assorbita in vari processi fisici, chimici e biologici, vengono utilizzati numerosi metodi, la cui totalità costituisce la calorimetria. I metodi calorimetrici misurano la capacità termica dei corpi, il calore delle transizioni di fase, la dissoluzione, la bagnatura, l'adsorbimento, il calore che accompagna le reazioni chimiche, l'energia della radiazione, il decadimento radioattivo, ecc.

Misure simili vengono effettuate utilizzando calorimetri.

28. Proprietà fisiche dei mezzi caldi e freddi utilizzati per il trattamento

In medicina, i corpi caldi o freddi vengono utilizzati per il riscaldamento o il raffreddamento locale. Di solito per questo vengono scelti supporti relativamente accessibili, alcuni di essi possono anche avere un utile effetto meccanico o chimico.

Le proprietà fisiche di tali mezzi sono determinate dal loro scopo. Innanzitutto è necessario che l’effetto desiderato venga prodotto in un periodo di tempo relativamente lungo. Pertanto, i mezzi utilizzati devono avere un elevato calore specifico (acqua, fango) o calore specifico di trasformazione di fase (paraffina, ghiaccio). In secondo luogo, i mezzi applicati direttamente sulla pelle non dovrebbero causare dolore. Ciò, da un lato, limita la temperatura di tali mezzi e, dall'altro, incoraggia la scelta di mezzi con una bassa capacità termica. Ad esempio, l'acqua utilizzata per il trattamento ha una temperatura fino a 45 °C, mentre la torba e il fango fino a 50 °C, poiché lo scambio termico (convezione) in questi ambienti è inferiore a quello dell'acqua. La paraffina viene riscaldata a 60-70 °C, poiché ha una bassa conduttività termica e le parti della paraffina direttamente adiacenti alla pelle si raffreddano rapidamente, cristallizzano e ritardano il flusso di calore dalle parti rimanenti.

Il ghiaccio viene utilizzato come mezzo di raffreddamento utilizzato per il trattamento. Negli ultimi anni, le basse temperature sono state ampiamente utilizzate in medicina. A bassa temperatura, tale conservazione dei singoli organi e tessuti viene effettuata in connessione con il trapianto, quando la capacità di vivere e funzionare normalmente viene preservata per un tempo sufficientemente lungo.

Il metodo criogenico di distruzione dei tessuti durante il congelamento e lo scongelamento viene utilizzato dai medici per rimuovere tonsille, verruche, ecc. A tale scopo vengono creati speciali apparati criogenici e criosonde.

Con l'aiuto del freddo, che ha proprietà anestetiche, è possibile distruggere le cellule nucleari del cervello responsabili di alcune malattie nervose, come il parkinsonismo.

La microchirurgia utilizza il congelamento dei tessuti umidi su uno strumento di metallo freddo per catturare e trasferire questi tessuti.

In connessione con l'uso medico della bassa temperatura, sono comparsi nuovi termini: "medicina criogenica", "crioterapia", "criochirurgia", ecc.

29. Processi fisici nelle membrane biologiche

Le membrane biologiche sono una parte importante della cellula. Delimitano la cellula dall'ambiente, la proteggono da influenze esterne dannose, controllano il metabolismo tra la cellula e il suo ambiente, contribuiscono alla generazione di potenziali elettrici, partecipano alla sintesi di accumulatori di energia ATP universali nei mitocondri, ecc.

La struttura ei modelli delle membrane

Le membrane circondano tutte le cellule (plasma e membrane cellulari esterne). Senza una membrana, il contenuto della cellula si disperderebbe semplicemente, la diffusione porterebbe all'equilibrio termodinamico, il che significa l'assenza di vita. Possiamo dire che la prima cellula è apparsa quando è stata recintata dall'ambiente da una membrana.

Le membrane intracellulari dividono la cellula in numerosi compartimenti chiusi, ciascuno dei quali svolge una funzione specifica. La base della struttura di qualsiasi membrana è un doppio strato lipidico (in gran parte fosfolipidi). Un doppio strato lipidico è formato da due monostrati di lipidi in modo che le “code” idrofobiche di entrambi gli strati siano dirette verso l’interno. Ciò garantisce il minor contatto delle regioni idrofobiche delle molecole con l'acqua. Questa idea della struttura della membrana non ha fornito risposte a molte domande.

Successivamente, è stato proposto un modello basato sulla stessa membrana a biostrato lipidico. Questa base fosfolipidica è come un solvente bidimensionale in cui galleggiano proteine ​​più o meno immerse. Grazie a queste proteine, le funzioni specifiche delle membrane vengono svolte completamente o parzialmente: permeabilità, generazione di potenziale elettrico, ecc. Le membrane non sono strutture immobili e calme. Lipidi e proteine ​​si scambiano le membrane e si muovono sia lungo il piano della membrana - diffusione laterale, sia attraverso di essa - il cosiddetto flip flop.

Il chiarimento della struttura della biomembrana e lo studio delle sue proprietà si è rivelato possibile utilizzando modelli fisico-chimici della membrana (membrane artificiali). Tre di questi modelli sono i più diffusi. Il primo modello è costituito da monostrati di fosfolipidi all’interfaccia acqua-aria o acqua-olio.

Il secondo modello diffuso di biomembrana sono i liposomi, che sono come una membrana biologica completamente priva di molecole proteiche. Il terzo modello, che ha permesso di studiare alcune proprietà delle biomembrane con metodi diretti, è la membrana biolipidica (biolayer lipid) (BLM).

Le membrane svolgono due importanti funzioni: matrice (cioè sono una matrice, la base per trattenere proteine ​​che svolgono diverse funzioni) e barriera (proteggono la cellula e i singoli compartimenti dalla penetrazione di particelle indesiderate).

30. Proprietà fisiche e parametri delle membrane

Misurare la mobilità delle molecole di membrana e la diffusione delle particelle attraverso la membrana indica che lo strato bilipidico si comporta come un liquido. Tuttavia, la membrana è una struttura ordinata. Questi due fatti suggeriscono che i fosfolipidi nella membrana durante il suo funzionamento naturale sono allo stato liquido cristallino. Quando la temperatura cambia nella membrana, si possono osservare transizioni di fase: fusione dei lipidi quando vengono riscaldati e cristallizzazione quando vengono raffreddati. Lo stato liquido-cristallino del biostrato ha una viscosità inferiore e una maggiore solubilità di varie sostanze rispetto allo stato solido. Lo spessore del biostrato a cristalli liquidi è inferiore a quello di quello solido.

La struttura delle molecole allo stato liquido e solido è diversa. Nella fase liquida, le molecole di fosfolipidi possono formare cavità (piegature) in cui possono essere introdotte molecole di una sostanza differenziante. Il movimento del nodo in questo caso porterà alla diffusione della molecola attraverso la membrana.

Trasporto di molecole (atomi) attraverso le membrane

Un elemento importante nel funzionamento delle membrane è la loro capacità di passare o meno molecole (atomi) e ioni. La probabilità di tale penetrazione delle particelle dipende sia dalla direzione del loro movimento (ad esempio, nella cellula o fuori dalla cellula), sia dal tipo di molecole e ioni.

I fenomeni di trasferimento sono processi irreversibili, a seguito dei quali in un sistema fisico si verifica un movimento spaziale (trasferimento) della massa di un impulso, carica o qualche altra quantità fisica. I fenomeni di trasferimento comprendono la diffusione (trasferimento di massa di una sostanza), la viscosità (trasferimento di quantità di moto), la conduttività termica (trasferimento di energia), la conduttività elettrica (trasferimento di carica elettrica).

C'è una differenza di potenziale attraverso la membrana, quindi c'è un campo elettrico nella membrana. Influisce sulla diffusione delle particelle cariche (ioni ed elettroni). Il trasporto degli ioni è determinato da due fattori: l'irregolarità della loro distribuzione (cioè il gradiente di concentrazione) e l'effetto di un campo elettrico (l'equazione di Nernst-Planck):

L'equazione mette in relazione la densità del flusso ionico stazionario con tre grandezze:

1) permeabilità della membrana per un dato ione, che caratterizza l'interazione delle strutture della membrana con uno ione;

2) campo elettrico;

3) la concentrazione di ioni nella soluzione acquosa che circonda la membrana.

I fenomeni di trasferimento riguardano il trasporto passivo: la diffusione di molecole e ioni avviene nella direzione della loro concentrazione inferiore, il movimento degli ioni secondo la direzione della forza che agisce su di essi dal campo elettrico.

Il trasporto passivo non è associato al consumo di energia chimica, viene effettuato come risultato del movimento delle particelle verso un potenziale elettrochimico inferiore.

31. Una sorta di trasferimento passivo di molecole e ioni attraverso membrane biologiche

La semplice diffusione attraverso lo strato lipidico in una cellula vivente assicura il passaggio di ossigeno e anidride carbonica. Anche un certo numero di sostanze medicinali e veleni penetrano nello strato lipidico. Tuttavia, la semplice diffusione procede piuttosto lentamente e non può fornire alla cellula la quantità necessaria di nutrienti. Pertanto, ci sono altri meccanismi di trasferimento passivo di materia nella membrana, questi includono la diffusione e la diffusione facilitata (in combinazione con il vettore).

A volte, o canale, è chiamato una sezione della membrana, comprese le molecole proteiche e i lipidi, che forma un passaggio nella membrana. Questo passaggio consente non solo a piccole molecole, come le molecole d'acqua, ma anche a ioni più grandi di passare attraverso la membrana. I canali possono mostrare selettività per diversi ioni. Facilita la diffusione del trasporto ionico da parte di speciali molecole carrier.

Potenziale di riposo. La membrana superficiale di una cellula non è ugualmente permeabile a ioni diversi. Inoltre, la concentrazione di eventuali ioni specifici è diversa sui diversi lati della membrana, la composizione di ioni più favorevole viene mantenuta all'interno della cellula. Questi fattori portano alla comparsa in una cellula normalmente funzionante di una differenza di potenziale tra il citoplasma e l'ambiente (potenziale di riposo).

Il principale contributo alla creazione e al mantenimento del potenziale di riposo è dato dagli ioni Na+, K+, Cl-. Totale

la densità di flusso di questi elettroni, tenendo conto dei loro segni, è pari a:

J=J_NA + J_K + J_CI-.

Nello stato stazionario, la densità di flusso totale è zero, cioè il numero di diversi ioni che passano attraverso la membrana nella cellula per unità di tempo è uguale al numero che lascia la cellula attraverso la membrana:

j = 0.

Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz (potenziale adimensionale ritorna elettrico):

Varie concentrazioni di ioni all'interno e all'esterno della cellula vengono create dalle pompe ioniche - sistemi di trasporto attivi. Il contributo principale al potenziale di riposo è dato solo dagli ioni K+ e Cl-.

Potenziale d'azione e sua propagazione

Quando eccitato, la differenza di potenziale tra la cellula e l'ambiente cambia, sorge un potenziale d'azione.

Un potenziale d'azione si propaga nelle fibre nervose. La propagazione del potenziale d'azione lungo la fibra nervosa avviene sotto forma di un'onda automatica. Le cellule eccitabili sono il mezzo attivo: la velocità di propagazione dell'eccitazione lungo le fibre nervose lisce non mieliniche è approssimativamente proporzionale alla radice quadrata del loro raggio (υ≈√r).

32. Elettrodinamica

I fenomeni elettrici e magnetici sono associati a una forma speciale di esistenza della materia: i campi elettrici e magnetici e il loro impatto. Questi campi sono generalmente così interconnessi che è consuetudine parlare di un unico campo elettrico.

I fenomeni elettromagnetici hanno tre aree di applicazioni biomediche. Il primo di questi è la comprensione dei processi elettrici che avvengono nel corpo, nonché la conoscenza delle proprietà elettriche e magnetiche dei mezzi biologici.

La seconda direzione è collegata alla comprensione del meccanismo dell'influenza dei campi elettromagnetici sul corpo.

La terza direzione è la strumentazione, l'hardware. L'elettrodinamica è la base teorica dell'elettronica e, in particolare, dell'elettronica medica.

Il campo energetico è un tipo di materia attraverso la quale viene esercitata una forza sulle cariche elettriche in questo campo. Le caratteristiche del campo elettrico generato dalle strutture biologiche sono una fonte di informazioni sullo stato dell'organismo.

Tensione e potenziale - caratteristiche del campo elettrico. La potenza caratteristica di un campo elettrico è una forza uguale al rapporto tra la forza che agisce in un dato punto del campo su una carica puntiforme e questa carica:

E=F/q

La tensione è un vettore la cui direzione coincide con la direzione della forza che agisce in un dato punto del campo su una carica positiva. L’intensità del campo elettrico è espressa da tre equazioni:

E_x =f₁ (x, y, z);

E_y =f₂ (x, y, z);

E_z =f₃(x,y,z),

dove E_х, E_у ed E_z - proiezioni del vettore di intensità sui corrispondenti assi coordinati introdotti per descrivere il campo. L'energia caratteristica del campo elettrico è il potenziale. La differenza di potenziale tra due punti del campo è il rapporto tra il lavoro svolto dalle forze del campo quando si sposta una carica positiva puntiforme da un punto all'altro del campo, a questa carica:

dove F₁ e F₂ - potenziali ai punti 1 e 2 del campo elettrico. La differenza di potenziale tra due punti dipende dall'intensità del campo elettrico. Insieme alla differenza di potenziale, il concetto di potenziale viene utilizzato come caratteristica del campo elettrico. Potenziali in punti diversi possono essere rappresentati come superfici dello stesso potenziale (superfici equipotenziali). Gli strumenti di misura elettrici esistenti sono progettati per misurare la differenza di potenziale, non l'intensità.

33. Dipolo elettrico e multipolare

Un dipolo elettrico è un sistema costituito da due cariche elettriche puntiformi uguali ma opposte di segno situate ad una certa distanza l'una dall'altra (braccio del dipolo). La caratteristica principale di un dipolo è il suo momento elettrico (o dipolo) - un vettore uguale al prodotto della carica e del braccio del dipolo, diretto da una carica negativa a una positiva:

p = dl.

L'unità del momento elettrico di un dipolo è il metro di Coulomb.

Un dipolo in un campo elettrico uniforme è soggetto a una coppia che dipende dal momento elettrico, dall'orientamento del dipolo nel campo e dall'intensità del campo. Una forza agisce sul dipolo, a seconda del suo momento elettrico e del grado di disomogeneità del campo

dE/dx

Se il dipolo è orientato in un campo elettrico disomogeneo non lungo la linea di forza, allora su di esso agisce anche una coppia. Un dipolo libero è quasi sempre attratto nella regione di alta intensità di campo.

Un dipolo è un caso speciale di un sistema di cariche elettriche con una certa simmetria. Il nome generale per tali distribuzioni di carica è multipoli elettrici (I = 0, 1, 2, ecc.), Il numero di cariche multipolari è determinato dall'espressione 2¹.

Quindi, un multipolo di ordine zero (20 = 1) è una carica puntiforme, un multipolo di primo ordine (21 = 2) è un dipolo, un multipolo di secondo ordine (22 = 4) è un quadrupolo, un multipolo di terzo ordine il multipolo (23 = 8) è un ottpolo, ecc. e. Il potenziale del campo multipolare diminuisce a distanze significative da esso (R > d, dove d sono le dimensioni del multipolo)

proporzionale a I/R^{1 + 1} . Se la carica è distribuita in una certa regione dello spazio, allora il potenziale del campo elettrico al di fuori del sistema di cariche può essere rappresentato come alcune serie approssimative:

Qui R è la distanza dal sistema di cariche al punto A con potenziale Ф;

f₁, F₂, F₃…. - alcune funzioni a seconda del tipo di multipolo, della sua carica e direzione verso il punto A.

Il primo termine corrisponde a un monopolo, il secondo a un dipolo, il terzo a un quadrupolo, e così via.Nel caso di un sistema di cariche neutro, il primo termine è uguale a zero.

Generatore elettrico a dipolo (dipolo di corrente) Nel vuoto o in un isolante ideale, un dipolo elettrico può persistere per un tempo arbitrariamente lungo. Tuttavia, in una situazione reale (un mezzo elettricamente conduttivo), sotto l'azione del campo elettrico del dipolo, si verifica il movimento delle cariche libere e il dipolo viene neutralizzato. La forza attuale nel circuito esterno rimarrà quasi costante, quasi non dipende dalle proprietà del mezzo. Un tale sistema bipolare, costituito da una sorgente e uno scarico di corrente, è chiamato generatore elettrico a dipolo o dipolo di corrente.

34. Basi fisiche dell'elettrocardiografia

I tessuti viventi sono una fonte di potenziali elettrici (biopotenziali).

La registrazione dei biopotenziali di tessuti e organi a fini diagnostici è chiamata elettrografia. Un termine così generale è usato relativamente raramente, i nomi specifici dei metodi diagnostici corrispondenti sono più comuni: elettrocardiografia (ECG) - registrazione dei biopotenziali che si verificano nel muscolo cardiaco quando è eccitato, elettromiografia (EMG) - un metodo per registrare il bioelettrico attività dei muscoli, elettroencefalografia (EEG) - un metodo per registrare l'attività cerebrale bioelettrica, ecc.

Nella maggior parte dei casi, i biopotenziali vengono prelevati da elettrodi non direttamente dall'organo (cuore, cervello), ma da altri tessuti adiacenti in cui i campi elettrici sono creati da questo organo.

In termini clinici, questo semplifica notevolmente la procedura di registrazione stessa, rendendola sicura e semplice. L'approccio fisico all'elettrografia consiste nel creare (scegliere) un modello di generatore elettrico che corrisponda al quadro dei potenziali "rimovibili".

L'intero cuore è rappresentato elettricamente come una sorta di generatore elettrico sotto forma di un dispositivo reale e come un insieme di sorgenti elettriche in un conduttore a forma di corpo umano. Sulla superficie del conduttore, durante il funzionamento di un generatore elettrico equivalente, ci sarà una tensione elettrica che si verifica sulla superficie del corpo umano durante il processo di attività cardiaca. È del tutto possibile simulare l'attività elettrica del cuore se viene utilizzato un generatore elettrico equivalente a dipolo. La visione dipolo del cuore è alla base della teoria principale di Einthoven. Secondo lei, il cuore è un tale dipolo con un momento di dipolo che ruota, cambia posizione e punto di applicazione durante il ciclo cardiaco. V. Einthoven ha proposto di misurare le differenze nei biopotenziali del cuore tra i vertici di un triangolo equilatero, che si trovano approssimativamente nelle braccia destra e sinistra e nella gamba sinistra.

Secondo la terminologia dei fisiologi, la differenza di biopotenziali registrata tra due punti del corpo si chiama rapimento. Ci sono la derivazione I (braccio destro - braccio sinistro), la derivazione II (braccio destro - gamba sinistra) e la derivazione III (braccio sinistro - gamba sinistra).

Secondo V. Einthoven, il cuore si trova al centro del triangolo. Poiché il momento elettrico del dipolo - il cuore - cambia nel tempo, nelle derivazioni si otterranno tensioni temporanee, chiamate elettrocardiogrammi. L'elettrocardiogramma non dà un'idea dell'orientamento spaziale. Tuttavia, per scopi diagnostici tali informazioni sono importanti. A questo proposito viene utilizzato un metodo di studio spaziale del campo elettrico del cuore, chiamato cardiografia vettoriale. Un cardiogramma vettoriale è un luogo geometrico di punti corrispondenti all'estremità di un vettore, la cui posizione cambia durante il ciclo cardiaco.

35. Corrente elettrica

La corrente elettrica si riferisce solitamente al movimento direzionale delle cariche elettriche. Esistono correnti di conduzione e correnti di convezione. La corrente di conduzione è il movimento direzionale delle cariche nei corpi conduttori: elettroni nei metalli, elettroni e lacune nei semiconduttori, ioni negli elettroliti, ioni ed elettroni nei gas. La corrente di convezione è il movimento di corpi carichi e il flusso di elettroni o altre particelle cariche nel vuoto.

La densità di corrente è un vettore caratteristico di una corrente elettrica, numericamente uguale al rapporto tra la forza della corrente che passa attraverso un piccolo elemento di superficie, normale alla direzione di movimento delle particelle cariche che formano la corrente, all'area di questo elemento:

j = dl/dS

Se questa formula viene moltiplicata per la carica q del vettore corrente, otteniamo la densità di corrente:

j = qj = qnv.

In forma vettoriale:

j = qnv.

Il vettore j è diretto tangenzialmente alle linee di flusso. Per la forza attuale, scriviamo la seguente espressione:

j=dq/dt.

La forza attuale è la derivata temporale della carica che passa attraverso una determinata sezione o superficie.

Affinché la corrente continua possa fluire attraverso un conduttore, è necessario mantenere una differenza di potenziale alle sue estremità. Questo viene fatto dalle fonti attuali. La forza elettromotrice della sorgente è un valore che è numericamente uguale al lavoro delle forze esterne quando si sposta una singola carica positiva attraverso il circuito.

In pratica, il lavoro delle forze esterne è diverso da zero solo all'interno della sorgente di corrente. Il rapporto tra la forza esterna e una carica positiva unitaria è uguale all'intensità del campo delle forze esterne:

E_CT = F_CT/ Q

La forza elettromotrice corrisponde a una brusca variazione del potenziale nella sorgente di corrente.

Conducibilità elettrica degli elettroliti. I fluidi biologici sono elettroliti la cui conduttività elettrica è simile a quella dei metalli: in entrambi i mezzi, a differenza dei gas, i portatori di corrente esistono indipendentemente dal campo elettrico.

La direzione del movimento degli ioni in un campo elettrico può essere considerata approssimativamente uniforme, mentre la forza qE che agisce sullo ione dal campo elettrico è uguale alla forza di attrito rv:

qE = vr,

da dove otteniamo:

v = bE.

Il coefficiente di proporzionalità b è chiamato mobilità ionica.

36. Conducibilità elettrica di tessuti e liquidi biologici in corrente continua. Scarica elettrica nei gas

I tessuti e gli organi biologici sono formazioni piuttosto eterogenee con diverse resistenze elettriche, che possono cambiare sotto l'azione di una corrente elettrica. Ciò rende difficile misurare la resistenza elettrica dei sistemi biologici viventi.

La conduttività elettrica delle singole parti del corpo, situata tra gli elettrodi applicati direttamente sulla superficie del corpo, dipende in modo significativo dalla resistenza della pelle e degli strati sottocutanei. All'interno del corpo, la corrente si diffonde principalmente attraverso i vasi sanguigni e linfatici, i muscoli e le guaine dei tronchi nervosi. La resistenza della pelle, a sua volta, è determinata dalle sue condizioni: spessore, età, umidità, ecc.

La conducibilità elettrica di tessuti e organi dipende dal loro stato funzionale e, pertanto, può essere utilizzata come indicatore diagnostico.

Quindi, ad esempio, durante l'infiammazione, quando le cellule si gonfiano, la sezione trasversale delle connessioni intercellulari diminuisce e aumenta la resistenza elettrica; i fenomeni fisiologici che provocano la sudorazione sono accompagnati da un aumento della conducibilità elettrica della pelle, ecc.

Un gas costituito solo da particelle neutre è un isolante. Se è ionizzato, diventa elettricamente conduttivo. Qualsiasi dispositivo, fenomeno, fattore che può causare la ionizzazione di molecole e atomi di un gas è chiamato ionizzatore. Possono essere luce, raggi X, fiamme, radiazioni ionizzanti, ecc. Una carica elettrica nell'aria può anche formarsi quando vengono spruzzati liquidi polari (effetto balloelettrico), cioè liquidi le cui molecole hanno un momento di dipolo elettrico costante. Quindi, ad esempio, quando viene frantumato nell'aria, l'acqua si rompe in goccioline cariche. Il segno della carica delle gocce grandi (positivo per l'acqua dura) è opposto nel segno alla carica delle gocce più piccole. Le goccioline più grandi si depositano in tempi relativamente brevi, lasciando nell'aria particelle d'acqua caricate negativamente. Questo fenomeno si osserva alla fontana.

La conducibilità elettrica del gas dipende anche dalla ionizzazione secondaria. Il potenziale ionizzato degli elettroni interni è molto più alto.

In condizioni terrestri, l'aria contiene quasi sempre una certa quantità di ioni dovuti agli ionizzatori naturali, principalmente sostanze radioattive nel suolo e nei gas e radiazioni cosmiche. Ioni ed elettroni nell'aria possono, unendo molecole neutre e particelle sospese, formare ioni più complessi. Questi ioni nell'atmosfera sono chiamati ioni dell'aria. Differiscono non solo nel segno, ma anche nella massa, sono condizionatamente suddivisi in leggeri (ioni di gas) e pesanti (particelle cariche sospese - particelle di polvere, fumo e particelle di umidità).

Gli ioni pesanti hanno un effetto dannoso sul corpo, gli ioni dell'aria leggeri e per lo più negativi hanno un effetto benefico. Sono usati per il trattamento (aeroionoterapia).

37. Campo magnetico

Un campo magnetico è chiamata tutta la materia, attraverso la quale viene esercitata una forza sulle cariche elettriche in movimento poste in un campo e su altri corpi che hanno un momento magnetico. Per un campo magnetico, così come per uno elettrostatico, esiste una caratteristica quantitativa: il momento magnetico (quantità vettoriale).

L'induzione magnetica in un certo punto del campo è uguale al rapporto tra la coppia massima che agisce sull'anello con corrente in un campo magnetico uniforme e il momento magnetico di questo anello. L'unità di misura del flusso magnetico è weber (Wb):

1Wb = 1Tlm2.

Tl è l'unità di induzione magnetica (Tesla). Dalla formula si può vedere che il flusso può essere sia positivo che negativo.

Legge di Ampère. L'energia di un circuito con corrente in un campo magnetico. Una delle principali manifestazioni del campo magnetico è il suo effetto di forza sulle cariche elettriche e le correnti in movimento. AM Ampere ha stabilito la legge che determina questo effetto di forza.

In un conduttore in un campo magnetico, selezioniamo una sezione dI abbastanza piccola, che viene considerata come un vettore diretto verso la corrente. Il prodotto IdI è chiamato l'elemento corrente. La forza che agisce dal campo magnetico sull'elemento corrente è uguale a:

dF = kIB sinb × dl,

dove k è il coefficiente di proporzionalità; o in forma vettoriale

dF = ldl × B.

Questi rapporti esprimono la legge di Ampère.

La forza che agisce secondo la legge di Ampère su un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico è il risultato della sua azione sulle cariche elettriche in movimento che creano questa corrente. La forza che agisce su una carica mobile separata è determinata dal rapporto tra la forza F applicata a un conduttore che trasporta corrente e il numero totale N di portatori di corrente in esso:

f_Л =F/N_(I)

La forza attuale è:

io = jS,

F = jSBL sinb,

dove j è la densità di corrente. Noi abbiamo:

F = jSBL sinb = qnvSBL sinb2,

dove n = N/ SI è la concentrazione di particelle.

Sostituendo l'ultima espressione alla prima, otteniamo un'espressione per la forza che agisce dal campo magnetico su una carica elettrica in movimento separata e chiamata forza di Lorentz:

La direzione della forza di Lorentz può essere determinata dalla notazione vettoriale dell'equazione

fn = qvB.

38. Intensità del campo magnetico e sue altre proprietà

L'intensità del campo magnetico dipende dalle proprietà del mezzo ed è determinata solo dalla forza della corrente che scorre attraverso il circuito. L'intensità del campo magnetico creato dalla corrente continua è composta dall'intensità dei campi creati dai suoi singoli elementi (legge di Biot-Savart-Laplace):

(dH - tensione, k - coefficiente di proporzionalità, di e r - vettori). Integrando, troviamo l'intensità del campo magnetico creato dal circuito con corrente o parte di questo circuito:

Circolare è la corrente che scorre attraverso il conduttore a forma di cerchio. Questa corrente corrisponde anche a una carica elettrica in rotazione circolare. Conoscendo l'intensità del campo magnetico e la relativa permeabilità magnetica del mezzo, si può trovare l'induzione magnetica:

B = M + M0H = mNf(2r).

Proprietà magnetiche della materia

Non esistono sostanze il cui stato non cambi quando vengono poste in un campo magnetico. Inoltre, trovandosi in un campo magnetico, le sostanze stesse diventano fonti di tale campo. In questo senso, tutte le sostanze sono solitamente chiamate magnetiche. Poiché le differenze macroscopiche tra i materiali magnetici sono determinate dalla loro struttura, è consigliabile considerare le caratteristiche magnetiche di elettroni, nuclei, atomi e molecole, nonché il comportamento di queste particelle in un campo magnetico.

Il rapporto tra il momento magnetico di una particella e il momento della sua quantità di moto è chiamato magnetomeccanico. Le relazioni mostrano che esiste una connessione "dura" ben definita tra i momenti magnetici e meccanici (momentum); questa connessione si manifesta nei fenomeni magnetomeccanici. I fenomeni magnetomeccanici consentono di determinare relazioni magnetomeccaniche e, sulla base di ciò, trarre conclusioni sul ruolo dei momenti magnetici orbitali o di rotazione nei processi di magnetizzazione. Quindi, ad esempio, gli esperimenti di Einstein hanno mostrato che i momenti magnetici di spin degli elettroni sono responsabili della magnetizzazione dei materiali ferromagnetici (ferromagnetici).

Anche i nuclei, gli atomi e le molecole hanno un momento magnetico. Il momento magnetico di una molecola è la somma vettoriale dei momenti magnetici degli atomi che la compongono. Il campo magnetico agisce sull'orientamento delle particelle che hanno momenti magnetici, a seguito dei quali la sostanza viene magnetizzata. Il grado di magnetizzazione di una sostanza è caratterizzato dalla magnetizzazione. Il valore medio del vettore di magnetizzazione è uguale al rapporto tra il momento magnetico totale Spmi di tutte le particelle situate nel volume del magnete e questo volume:

Pertanto, la magnetizzazione è il momento magnetico medio per unità di volume di un magnete. L'unità di magnetizzazione è l'ampere per metro (A/m).

39. Proprietà dei magneti e proprietà magnetiche dei tessuti umani

Le molecole paramagnetiche hanno momenti magnetici diversi da zero. In assenza di campo magnetico, questi momenti sono disposti in modo casuale e la loro magnetizzazione è zero. Il grado di ordinamento dei momenti magnetici dipende da due fattori opposti: il campo magnetico e il movimento caotico molecolare, quindi la magnetizzazione dipende sia dall'induzione magnetica che dalla temperatura.

In un campo magnetico non uniforme nel vuoto, le particelle di una sostanza paramagnetica si muovono verso un valore più alto di induzione magnetica, come si dice, vengono attirate nel campo. I paramagneti includono alluminio, ossigeno, molibdeno, ecc.

Il diamagnetismo è inerente a tutte le sostanze. Nei paramagneti, il diamagnetismo è scavalcato da un paramagnetismo più forte.

Se il momento magnetico delle molecole è zero o così piccolo che il diamagnetismo prevale sul paramagnetismo, le sostanze costituite da tali molecole vengono chiamate diamagneti. La magnetizzazione dei diamagneti è diretta opposta all'induzione magnetica, il suo valore aumenta con l'aumentare dell'induzione. Le particelle di diamagnete nel vuoto in un campo magnetico non uniforme verranno espulse dal campo.

I ferromagneti, come i paramagneti, creano una magnetizzazione volta a indurre un campo; la loro permeabilità magnetica relativa è molto maggiore dell'unità. Le proprietà ferromagnetiche non sono inerenti ai singoli atomi o molecole, ma solo ad alcune sostanze che si trovano allo stato cristallino. I ferromagneti includono ferro cristallino, nichel, cobalto, molte leghe di questi elementi tra loro e con altri composti non ferromagnetici, nonché leghe e composti di cromo e manganese con elementi non ferromagnetici. La magnetizzazione dei ferromagneti dipende non solo dall'induzione magnetica, ma anche dal loro stato precedente, dal tempo in cui il campione si trovava nel campo magnetico. Sebbene non ci siano moltissimi ferromagneti in natura, sono usati principalmente come materiali magnetici nella tecnologia.

I tessuti del corpo sono in gran parte diamagnetici, come l'acqua. Tuttavia nel corpo sono presenti anche sostanze paramagnetiche, molecole e ioni. Non ci sono particelle ferromagnetiche nel corpo. Le biocorrenti che si formano nel corpo sono una fonte di deboli campi magnetici. In alcuni casi è possibile misurare l'induzione di tali campi. Ad esempio, sulla base della registrazione della dipendenza temporale dell'induzione del campo magnetico del cuore (biocorrenti cardiache), è stato creato un metodo diagnostico: la magnetocardiografia. Poiché l'induzione magnetica è proporzionale all'intensità della corrente e l'intensità della corrente (biocorrente) secondo la legge di Ohm è proporzionale alla tensione (biopotenziale), in generale un magnetocardiogramma è simile a un elettrocardiogramma. Tuttavia, la magnetocardiografia, a differenza dell'elettrocardiografia, è un metodo senza contatto, poiché il campo magnetico può essere registrato a una certa distanza da un oggetto biologico, la fonte del campo.

40. Induzione elettromagnetica. Energia del campo magnetico

L'essenza dell'induzione elettromagnetica è che un campo magnetico alternato genera un campo elettrico (scoperto da M. Faraday nel 1831). La legge fondamentale dell'induzione elettromagnetica Con qualsiasi cambiamento nel flusso magnetico, in esso sorgono forze elettromotrici dell'induzione elettromagnetica.

dove e - forze elettromotrici;

dt - intervallo di tempo;

dФ è la variazione del flusso magnetico. Questa è la legge fondamentale dell'induzione elettromagnetica, o legge di Faraday.

Quando il flusso magnetico che penetra nel circuito cambia (il campo magnetico cambia nel tempo, il magnete si avvicina o si allontana, l'intensità della corrente cambia nel circuito adiacente o distante, ecc.), nel circuito appare sempre una forza elettromotrice di induzione elettromagnetica, proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico. Un cambiamento nel campo magnetico provoca un campo elettrico. Poiché la corrente è la derivata della carica rispetto al tempo, possiamo scrivere:

Ne consegue che la carica che fluisce nel conduttore per induzione elettromagnetica dipende dalla variazione del flusso magnetico che penetra nel circuito e dalla sua resistenza. Questa dipendenza viene utilizzata per misurare il flusso magnetico da dispositivi che registrano la carica elettrica indotta nel circuito.

Una delle manifestazioni dell'induzione elettromagnetica è il verificarsi di correnti di induzione chiuse (correnti parassite o correnti di Foucault) in corpi solidi conduttivi, come parti metalliche, soluzioni elettrolitiche, organi biologici, ecc. Le correnti parassite si formano quando un corpo conduttore si muove dentro un campo magnetico, al variare del tempo dell'induzione del campo, nonché sotto l'azione combinata di entrambi i fattori. L'intensità delle correnti parassite dipende dalla resistenza elettrica del corpo e, di conseguenza, dalla resistività e dalle dimensioni, nonché dalla velocità di variazione del flusso magnetico. In fisioterapia, il riscaldamento di singole parti del corpo umano con correnti parassite è prescritto come una procedura medica chiamata induttotermia.

Le oscillazioni elettromagnetiche sono chiamate variazioni intercorrelate periodiche di cariche, correnti, intensità del campo elettrico e magnetico. La propagazione delle oscillazioni elettromagnetiche nello spazio avviene sotto forma di onde elettromagnetiche. Tra i vari fenomeni fisici, le oscillazioni e le onde elettromagnetiche occupano un posto speciale.

La corrente alternata è qualsiasi corrente che cambia nel tempo. Tuttavia, più spesso il termine "corrente alternata" viene applicato a correnti quasi stazionarie che dipendono dal tempo secondo una legge armonica.

41. Resistenza totale ((impedenza) dei tessuti corporei. Basi fisiche della reografia

I tessuti del corpo conducono non solo corrente continua ma anche alternata. Non ci sono sistemi simili nel corpo che sarebbero simili alle bobine di induttanza, quindi la sua induttanza è vicina allo zero.

Le membrane biologiche (e, di conseguenza, l'intero organismo) hanno proprietà capacitive, in relazione a ciò, la resistenza totale dei tessuti corporei è determinata solo da resistenze ohmiche e capacitive.La presenza di elementi capacitivi nei sistemi biologici è confermata dal fatto che il l'intensità della corrente è superiore alla tensione applicata in fase. La dipendenza dalla frequenza dell'impedenza permette di valutare la vitalità dei tessuti corporei, questo è importante da sapere per il trapianto (trapianto) di tessuti e organi. L'impedenza dei tessuti e degli organi dipende anche dal loro stato fisiologico, quindi, quando i vasi sanguigni sono pieni, l'impedenza cambia a seconda dello stato dell'attività cardiovascolare.

Un metodo diagnostico basato sulla registrazione dell'uso dell'impedenza tissutale nel processo dell'attività cardiaca è chiamato reografia (pletismografia dell'impedenza). Usando questo metodo si ottengono reogrammi del cervello (reoencefalogrammi), dei cuori (reocardiogrammi), dei vasi principali, dei polmoni del fegato e delle estremità. Le misurazioni vengono generalmente eseguite a una frequenza di 30 kHz. Impulso elettrico e corrente impulsiva Un impulso elettrico è una variazione a breve termine della tensione elettrica o dell'intensità della corrente. Nella tecnologia, gli impulsi sono divisi in due grandi gruppi: impulsi video e radio.

Gli impulsi video sono tali impulsi di corrente o tensione elettrica che hanno una componente costante diversa da zero. Pertanto, l'impulso video ha prevalentemente una polarità. La forma degli impulsi video è rettangolare, a dente di sega, trapezoidale, esponenziale, a campana, ecc.

Gli impulsi radio sono oscillazioni elettromagnetiche modulate.

In fisiologia, il termine "impulso elettrico" (o "segnale elettrico") si riferisce specificamente agli impulsi video. Gli impulsi ripetitivi sono chiamati corrente impulsiva. È caratterizzato da un periodo (periodo di ripetizione dell'impulso) T - il tempo medio tra l'inizio degli impulsi adiacenti e la frequenza (frequenza di ripetizione dell'impulso):

f=1/T.

Il duty cycle degli impulsi è il rapporto:

Il reciproco del duty cycle è il fattore di riempimento:

42. Il concetto della teoria di Maxwell. corrente di polarizzazione

J. Maxwell ha creato la teoria del campo elettromagnetico nell'ambito della fisica classica. La teoria di J. Maxwell si basa su due disposizioni.

1. Qualsiasi campo elettrico spostato genera un campo magnetico a vortice. Un campo elettrico alternato è stato chiamato da Maxwell perché, come una corrente ordinaria, induce un campo magnetico. Un campo magnetico a vortice è generato sia da correnti di conduzione Ipr (cariche elettriche in movimento) sia da correnti di spostamento (campo elettrico spostato E).

La prima equazione di Maxwell

2. Qualsiasi campo magnetico spostato genera un campo elettrico a vortice (la legge fondamentale dell'induzione elettromagnetica).

Seconda equazione di Maxwell:

Riporta la velocità di variazione del flusso magnetico attraverso qualsiasi superficie e la circolazione del vettore dell'intensità del campo elettrico che si verifica in questo caso. La circolazione avviene lungo il contorno su cui poggia la superficie.

Dalle disposizioni della teoria di Maxwell deriva che la comparsa di un qualsiasi campo (elettrico o magnetico) in un certo punto dello spazio comporta tutta una catena di trasformazioni reciproche: un campo elettrico alternato genera un campo magnetico, una variazione di un campo magnetico genera un quello elettrico.

La formazione reciproca di campi elettrici e magnetici porta a un campo elettromagnetico - la propagazione di un unico campo elettromagnetico nello spazio. La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è uguale alla velocità della luce. Ciò servì come base per la creazione da parte di Maxwell della teoria elettromagnetica della luce. Questa teoria divenne una tappa molto importante nell'ulteriore sviluppo della fisica medica.

43. Classificazione degli intervalli di frequenza adottata in medicina

Dalla teoria di Maxwell consegue che varie onde elettromagnetiche, comprese le onde luminose, hanno una natura comune. A questo proposito, è consigliabile rappresentare tutti i tipi di onde elettromagnetiche sotto forma di un'unica scala.

Ciascuna scala è suddivisa condizionatamente in sei intervalli: onde radio (lunghe, medie e corte), infrarossi, visibili, ultravioletti, raggi X e radiazioni gamma. Questa classificazione è determinata dal meccanismo di formazione delle onde o dalla possibilità della loro percezione visiva da parte di una persona. Le onde radio sono causate da correnti alternate nei conduttori e flussi elettronici (macroradiatori).

Le radiazioni infrarosse, visibili e ultraviolette provengono da atomi, molecole e particelle a carica rapida (microemettitori). La radiazione di raggi X si verifica durante i processi intra-atomici. La radiazione gamma è di origine nucleare.

Alcuni intervalli si sovrappongono perché onde della stessa lunghezza possono essere prodotte da processi diversi. Quindi, la radiazione ultravioletta più a onde corte è bloccata dai raggi X a onde lunghe. A questo proposito, la regione di confine delle onde infrarosse e delle onde radio è molto caratteristica. Fino al 1922 c'era un divario tra queste gamme. La radiazione di lunghezza d'onda più corta di questa lacuna non riempita era di origine atomica molecolare (radiazione di un corpo riscaldato), mentre la lunghezza d'onda più lunga era emessa da vibratori Hertz macroscopici. Anche onde millimetriche possono essere generate non solo dall'ingegneria radio, ma anche da transizioni molecolari. È apparsa la sezione "Radiospettroscopia", che studia l'assorbimento e l'emissione di onde radio da parte di varie sostanze.

In medicina, è accettata la seguente divisione condizionale delle oscillazioni elettromagnetiche in intervalli di frequenza (Tabella 1).

Tabella 1

Divisione condizionale delle oscillazioni elettromagnetiche in campi di frequenza

Spesso le apparecchiature elettroniche fisioterapeutiche a bassa frequenza e audio sono chiamate a bassa frequenza. Le apparecchiature elettroniche di tutte le altre frequenze sono chiamate concetto generalizzante: "apparecchiature ad alta frequenza".

44. Processi fisici nei tessuti che si verificano se esposti a correnti e campi elettromagnetici

Tutte le sostanze sono costituite da molecole, ciascuna di esse è un sistema di cariche. Lo stato dei corpi dipende quindi essenzialmente dalle correnti che li attraversano e dal campo elettromagnetico agente. Le proprietà elettriche dei corpi biologici sono più complesse di quelle degli oggetti inanimati, perché un organismo è anche un insieme di ioni con concentrazione variabile nello spazio.

Il meccanismo principale dell'impatto delle correnti e dei campi elettromagnetici sul corpo è fisico.

L'azione primaria della corrente continua sui tessuti del corpo. Galvanizzazione. Elettroforesi di sostanze medicinali

Il corpo umano è costituito in gran parte da fluidi biologici contenenti un gran numero di ioni coinvolti in vari processi metabolici. Sotto l'influenza di un campo elettrico, gli ioni si muovono a velocità diverse e si accumulano vicino alle membrane cellulari, formando un campo controelettrico, chiamato polarizzazione. Pertanto, l'effetto principale della corrente continua è associato al movimento degli ioni in diversi elementi dei tessuti.

L'effetto della corrente continua sul corpo dipende dalla forza della corrente, quindi la resistenza elettrica dei tessuti, in particolare della pelle, è molto importante. L'umidità e il sudore riducono significativamente la resistenza, che anche con una piccola tensione può far fluire la corrente attraverso il corpo. La corrente continua continua con una tensione di 60-80 V viene utilizzata come metodo terapeutico di fisioterapia (galvanizzazione). La fonte di corrente è un raddrizzatore a onda intera, un apparato di zincatura. A questo scopo vengono utilizzati elettrodi in lamiera di piombo con uno spessore di 0,3-0,5 mm. Poiché i prodotti dell'elettrolisi della soluzione di sale da cucina contenuta nei tessuti provocano la cauterizzazione, tra gli elettrodi e la pelle vengono posizionati dei tamponi idrofili inumiditi con acqua calda.

La corrente continua viene utilizzata anche nella pratica medica per l'introduzione di farmaci attraverso la pelle o le mucose. Questo metodo è chiamato elettroforesi dei farmaci. A questo scopo si procede come nella zincatura, ma la guarnizione dell'elettrodo attivo viene inumidita con una soluzione della corrispondente sostanza medicinale. Il farmaco viene iniettato dal polo, la cui carica ha: gli anioni vengono iniettati dal catodo, i cationi dall'anodo.

La zincatura e l'elettroforesi di sostanze medicinali possono essere eseguite utilizzando elettrodi liquidi sotto forma di bagni, in cui sono immersi gli arti del paziente.

45. Impatto delle correnti alternate (a impulsi).

L'effetto della corrente alternata sul corpo dipende in modo significativo dalla sua frequenza. Alle basse frequenze, sonore e ultrasoniche, la corrente alternata, come la corrente continua, ha un effetto irritante sui tessuti biologici. Ciò è dovuto allo spostamento degli ioni delle soluzioni elettrolitiche, alla loro separazione, ai cambiamenti nella loro concentrazione in diverse parti della cellula e nello spazio intercellulare.

L'irritazione dei tessuti dipende anche dalla forma della corrente pulsata, dalla durata dell'impulso e dalla sua ampiezza. Quindi, ad esempio, un aumento della pendenza del fronte di impulso riduce la forza della corrente di soglia, che provoca la contrazione muscolare. Ciò indica che i muscoli si adattano ai cambiamenti della forza attuale e iniziano i processi di compensazione ionica. Poiché l'effetto fisiologico specifico della corrente elettrica dipende dalla forma degli impulsi, in medicina per stimolare il sistema nervoso centrale (elettrosonno, anestesia elettronica), il sistema neuromuscolare, il sistema cardiovascolare (pacemaker, defibrillatori) e altri, correnti con differenti vengono utilizzate la dipendenza dal tempo.

Agendo sul cuore, la corrente può causare fibrillazione ventricolare, che porta alla morte di una persona. L'intensità della corrente di soglia che provoca la fibrillazione dipende dalla densità della corrente che scorre attraverso il cuore, dalla frequenza e dalla durata della sua azione. La corrente o l'onda elettromagnetica hanno un effetto termico. Il riscaldamento terapeutico con oscillazioni elettromagnetiche ad alta frequenza presenta numerosi vantaggi rispetto al metodo tradizionale e semplice: un termoforo. Il riscaldamento degli organi interni con un termoforo viene effettuato a causa della conduttività termica dei tessuti esterni: la pelle e il tessuto adiposo sottocutaneo. Il riscaldamento ad alta frequenza avviene grazie alla formazione di calore nelle parti interne del corpo, ovvero può essere creato dove è necessario. Il riscaldamento con vibrazioni ad alta frequenza è conveniente anche perché, regolando la potenza del generatore, è possibile controllare la potenza di rilascio del calore negli organi interni, e in alcune procedure è anche possibile dosare il calore. Le correnti ad alta frequenza vengono utilizzate per riscaldare i tessuti con le correnti. Il passaggio di corrente ad alta frequenza attraverso i tessuti viene utilizzato nelle procedure fisioterapiche chiamate diatermia e darsonvalutazione locale.

Durante la diatermia viene utilizzata una corrente con una frequenza di circa 1 MHz con oscillazioni debolmente smorzate, una tensione di 100-150 V; la corrente è di pochi ampere. Poiché la pelle, il grasso, le ossa, i muscoli hanno la maggiore resistenza specifica, si riscaldano di più. Il minor riscaldamento negli organi ricchi di sangue o linfa sono i polmoni, il fegato e i linfonodi.

Lo svantaggio della diatermia è che una grande quantità di calore viene rilasciata in modo improduttivo nello strato cutaneo e nel tessuto sottocutaneo. Recentemente, la diatermia ha abbandonato la pratica terapeutica ed è stata sostituita da altri metodi di esposizione ad alta frequenza.

Le correnti ad alta frequenza sono utilizzate anche per scopi chirurgici (elettrochirurgia). Consentono di cauterizzare, "saldare" i tessuti (diatermocoagulazione) o sezionarli (diatermomia).

46. ​​​​Esposizione a un campo magnetico alternato

Le correnti parassite si formano in corpi conduttori massicci in un campo alternato. Queste correnti possono essere utilizzate per riscaldare tessuti e organi biologici. Questo metodo terapeutico, l'induttotermia, presenta numerosi vantaggi rispetto al metodo della diatermia. Nell'induttotermia la quantità di calore rilasciata nei tessuti è proporzionale ai quadrati della frequenza e dell'induzione del campo magnetico alternato e inversamente proporzionale alla resistività. Pertanto, i tessuti ricchi di vasi sanguigni (ad esempio i muscoli) si riscaldano più dei tessuti adiposi. Il trattamento con correnti parassite è possibile anche con la darsonvalutazione generale. In questo caso, il paziente viene posto in una gabbia magnetica, attraverso le cui spire viene fatta passare una corrente pulsata ad alta frequenza.

Esposizione a un campo elettrico alternato. Nei tessuti in un campo elettrico alternato sorgono correnti di spostamento e correnti di conduzione. Di solito, a questo scopo vengono utilizzati campi elettrici ad altissima frequenza, quindi il metodo fisioterapico corrispondente è chiamato terapia UHF. È consuetudine utilizzare una frequenza di 40,58 MHz nei dispositivi UHF; a correnti di questa frequenza, i tessuti dielettrici del corpo si riscaldano più intensamente di quelli conduttivi.

Esposizione alle onde elettromagnetiche. I metodi fisioterapici basati sull'uso di onde elettromagnetiche nella gamma delle microonde, a seconda della lunghezza d'onda, hanno ricevuto due nomi: "terapia a microonde" e "terapia DCV". Attualmente, la teoria più sviluppata è l'effetto termico dei campi a microonde sugli oggetti biologici.

Un'onda elettromagnetica polarizza le molecole di una sostanza e periodicamente le riorienta come dipoli elettrici. Inoltre, un'onda elettromagnetica colpisce gli ioni dei sistemi biologici e provoca una corrente di conduzione alternata. Tutto ciò porta al riscaldamento della sostanza.

Le onde elettromagnetiche possono influenzare i processi biologici rompendo i legami idrogeno e influenzando l'orientamento delle macromolecole di DNA e RNA.

Quando un'onda elettromagnetica colpisce una parte del corpo, viene parzialmente riflessa dalla superficie della pelle. Il grado di riflessione dipende dalla differenza nelle costanti dielettriche dell'aria e dei tessuti biologici. La profondità di penetrazione delle onde elettromagnetiche nei tessuti biologici dipende dalla capacità di questi tessuti di assorbire l'energia delle onde, che a sua volta è determinata sia dalla struttura dei tessuti (principalmente dal contenuto di acqua) che dalla frequenza delle onde elettromagnetiche. Pertanto, le onde elettromagnetiche centimetriche utilizzate in fisioterapia penetrano nei muscoli, nella pelle, nei fluidi biologici fino a una profondità di circa 2 cm e nel grasso e nelle ossa - circa 10 cm.

Tenendo conto della complessa composizione dei tessuti, si ritiene condizionatamente che durante la terapia a microonde la profondità di penetrazione delle onde elettromagnetiche sia di 3-5 cm dalla superficie corporea e durante la terapia DCV fino a 9 cm.

47. Elettronica

L'elettronica è un concetto oggi molto diffuso. L'elettronica si basa principalmente sulle conquiste della fisica. Oggi, senza apparecchiature elettroniche, non è possibile né la diagnosi delle malattie né il loro trattamento efficace.

Il termine "elettronica" è in gran parte arbitrario. È più corretto intendere l'elettronica come il campo della scienza e della tecnologia, in cui vengono presi in considerazione il lavoro e l'applicazione di dispositivi (dispositivi) elettrovuoto, ionici e semiconduttori. Essi individuano l'elettronica fisica, ovvero la sezione della fisica che considera la conducibilità elettrica dei corpi, il contatto ei fenomeni termoionici. Per elettronica tecnica si intendono quelle sezioni che descrivono i dispositivi di dispositivi e apparati e i loro circuiti di commutazione. L'elettronica a semiconduttore è ciò che si riferisce all'uso di dispositivi a semiconduttore, ecc.

A volte tutta l'elettronica è divisa in tre aree principali: elettronica del vuoto, che copre la creazione e l'applicazione di dispositivi per elettrovuoto (come tubi a vuoto, dispositivi fotoelettronici, tubi a raggi X, dispositivi a scarica di gas); elettronica a stato solido, che copre la creazione e l'applicazione di dispositivi a semiconduttore, compresi i circuiti integrati; elettronica quantistica: un ramo specifico dell'elettronica relativo ai laser.

L'elettronica è una branca dinamica della scienza e della tecnologia. Sulla base di nuovi effetti (fenomeni) vengono creati dispositivi elettronici, compresi quelli utilizzati in biologia e medicina.

Qualsiasi dispositivo tecnico (radiotecnico o elettronico) viene aggiornato, rimpicciolito, ecc. Tuttavia, sorgono difficoltà in questo. Quindi, ad esempio, ridurre le dimensioni di un prodotto può ridurne l'affidabilità, ecc.

Un cambiamento significativo nella miniaturizzazione dei dispositivi elettronici è stata l'introduzione di diodi e triodi semiconduttori, che hanno permesso di aumentare la densità dei dispositivi elettronici a 2-3 elementi per 1 cm3.

La fase successiva della miniaturizzazione dell'elettronica, tuttora in via di sviluppo, è la creazione di circuiti integrati. Si tratta di un dispositivo elettronico in miniatura in cui tutti gli elementi (o parte di essi) sono strutturalmente inseparabili e interconnessi elettricamente. Esistono due tipi principali di circuiti integrati: semiconduttori e film.

I circuiti integrati a semiconduttore sono realizzati con semiconduttori altamente puri. Mediante trattamenti termici, diffusi e di altro tipo, il reticolo cristallino di un semiconduttore viene modificato in modo che le sue singole regioni diventino elementi diversi del circuito. I circuiti integrati a film sono realizzati mediante deposizione sotto vuoto di vari materiali su substrati idonei. Vengono utilizzati anche circuiti integrati ibridi: una combinazione di circuiti a semiconduttore e a pellicola.

48. Elettronica medica

Uno degli usi comuni dei dispositivi elettronici è legato alla diagnosi e al trattamento delle malattie. Le sezioni di elettronica, che considerano le caratteristiche dell'uso dei sistemi elettronici per la risoluzione di problemi biomedici, nonché il dispositivo dell'apparecchiatura corrispondente, sono chiamate elettronica medica.

L'elettronica medica si basa su informazioni provenienti da fisica, matematica, ingegneria, medicina, biologia, fisiologia e altre scienze, include l'elettronica biologica e fisiologica.

Attualmente, molte caratteristiche tradizionalmente "non elettriche" (temperatura, spostamento del corpo, parametri biochimici, ecc.) vengono misurate durante le misurazioni per essere convertite in un segnale elettrico. Le informazioni rappresentate da un segnale elettrico possono essere comodamente trasmesse a distanza e registrate in modo affidabile. Possiamo distinguere i seguenti gruppi principali di dispositivi e apparati elettronici utilizzati per scopi biomedici.

1. Dispositivi per la ricezione (schema), la trasmissione e la registrazione di informazioni biomediche. Tali informazioni possono riguardare non solo i processi che si verificano nel corpo (nel tessuto biologico, organi, sistemi), ma anche lo stato dell'ambiente (scopo sanitario e igienico), i processi che si verificano nelle protesi, ecc. Ciò include un gran parte delle apparecchiature diagnostiche: balistocardiografi, fonocardiografi, ecc.

2. Dispositivi elettronici che forniscono effetti di dosaggio sull'organismo da parte di vari fattori fisici (come ultrasuoni, corrente elettrica, campi elettromagnetici, ecc.) ai fini del trattamento: dispositivi per terapia a microonde, dispositivi elettrochirurgici, pacemaker, ecc. 3. Elettronica cibernetica dispositivi:

1) elaboratori elettronici per l'elaborazione, la memorizzazione e l'analisi automatica di informazioni mediche e biologiche;

2) dispositivi per il controllo dei processi vitali e la regolazione automatica dell'ambiente umano;

3) modelli elettronici di processi biologici, ecc. Una delle questioni importanti relative al dispositivo

l'apparecchiatura medica elettronica è la sua sicurezza elettrica sia per i pazienti che per il personale medico. In una rete elettrica e nei dispositivi tecnici, di solito viene impostata una tensione elettrica, ma una corrente elettrica, cioè una carica che scorre attraverso un oggetto biologico nell'unità di tempo, ha un effetto sul corpo o sugli organi.

La resistenza del corpo umano tra due tocchi (elettrodi) è la somma della resistenza dei tessuti e degli organi interni e della resistenza della pelle.

Il requisito principale e principale è rendere inaccessibile il contatto con l'apparecchiatura sotto tensione. Per fare ciò, prima di tutto, parti di dispositivi e apparati sotto tensione sono isolate l'una dall'altra e dal corpo dell'apparecchiatura.

49. Come viene garantita l'affidabilità delle apparecchiature mediche

Quando si eseguono procedure utilizzando elettrodi applicati al paziente, è difficile prevedere molte opzioni per creare una situazione elettricamente pericolosa, quindi è necessario seguire chiaramente le istruzioni per questa procedura senza deviare da essa.

Affidabilità delle apparecchiature mediche. Le apparecchiature mediche devono funzionare normalmente. La capacità di un prodotto di non smettere di funzionare in determinate condizioni operative e di mantenere la sua funzionalità per un dato periodo di tempo è caratterizzata dal termine generale “affidabilità”. Per le apparecchiature mediche, il problema dell'affidabilità è particolarmente rilevante, poiché il guasto di dispositivi e dispositivi può portare non solo a perdite economiche, ma anche alla morte dei pazienti. La capacità delle apparecchiature di funzionare senza guasti dipende da molti fattori, i cui effetti sono quasi impossibili da tenere in considerazione, pertanto la valutazione quantitativa dell'affidabilità è di natura probabilistica. Quindi, ad esempio, un parametro importante è la probabilità di un funzionamento senza guasti. Viene stimato sperimentalmente dal rapporto tra il numero di prodotti funzionanti (non rovinati) in un certo periodo e il numero totale di prodotti testati. Questa caratteristica valuta la capacità di un prodotto di mantenere l'operabilità entro un dato intervallo di tempo. Un altro indicatore quantitativo di affidabilità è il tasso di fallimento. A seconda delle possibili conseguenze di un guasto durante il funzionamento, i dispositivi medici sono suddivisi in quattro classi.

A - prodotti il ​​cui guasto costituisce un pericolo immediato per la vita del paziente o del personale. I prodotti di questa classe comprendono dispositivi per il monitoraggio delle funzioni vitali del paziente, dispositivi per la respirazione artificiale e la circolazione sanguigna.

B - prodotti il ​​cui guasto provoca una distorsione delle informazioni sullo stato dell'organismo o dell'ambiente, che non comporta un pericolo immediato per la vita del paziente o del personale, o richiede l'uso immediato di un dispositivo simile in funzione alla modalità standby. Questi prodotti includono sistemi che monitorano il paziente, dispositivi per stimolare l'attività cardiaca.

B - prodotti il ​​cui guasto riduce l'efficacia o ritarda il processo terapeutico e diagnostico in situazioni non critiche, o aumenta l'onere per il personale medico o di manutenzione, o comporta solo danni materiali. Questa classe include la maggior parte delle apparecchiature diagnostiche e fisioterapiche, strumenti, ecc.

G - prodotti che non contengono parti fail-safe. Le apparecchiature elettromedicali non appartengono a questa classe.

50. Sistema per ottenere informazioni mediche e biologiche

Qualsiasi ricerca biomedica comporta l'ottenimento e la registrazione delle informazioni mancanti. Per ottenere e registrare informazioni sullo stato e sui parametri di un sistema medico-biologico è necessario disporre di tutta una serie di dispositivi. L'elemento primario di questo insieme - l'elemento sensibile dello strumento di misura, chiamato dispositivo pick-up - entra sicuramente in contatto o interagisce con il sistema stesso.

Nei dispositivi di elettronica medica, l'elemento sensibile produce direttamente un segnale elettrico o modifica tale segnale sotto l'influenza di un sistema biologico. Il dispositivo di raccolta converte le informazioni di contenuto biomedico e fisiologico in un segnale di un dispositivo elettronico. Esistono due tipi di dispositivi di rilevamento utilizzati nell'elettronica medica: elettrodi e sensori.

Gli elettrodi sono conduttori di forma speciale che collegano il circuito di misura al sistema biologico. Durante la diagnosi, gli elettrodi vengono utilizzati non solo per captare un segnale elettrico, ma anche per introdurre un effetto elettromagnetico esterno (ad esempio, nella reografia). In medicina, gli elettrodi vengono utilizzati anche per fornire effetti elettromagnetici ai fini del trattamento e della stimolazione elettrica.

Molte caratteristiche mediche e biologiche non possono essere "registrate" dagli elettrodi, poiché non vengono riflesse da un segnale bioelettrico: pressione sanguigna, temperatura, toni cardiaci e molti altri. In alcuni casi, le informazioni biomediche sono associate a un segnale elettrico, in questi casi vengono utilizzati sensori (trasduttori di misura). Un sensore è un dispositivo che converte un valore misurato o controllato in un segnale conveniente per la trasmissione, l'ulteriore conversione o la registrazione. I sensori si dividono in generatori e parametrici.

Generatore: sono sensori che, sotto l'influenza del segnale misurato, generano direttamente tensione o corrente. Questi tipi di sensori includono:

1) piezoelettrico;

2) termoelettrico;

3) induzione;

4) fotovoltaico.

I sensori parametrici sono sensori in cui alcuni parametri cambiano sotto l'influenza del segnale misurato.

Questi sensori includono:

1) capacitivo;

2) reostatico;

3) induttivo.

A seconda dell'energia che trasporta le informazioni, ci sono sensori meccanici, acustici (suono), di temperatura, elettrici, ottici e altri.

I potenziali bioelettrici sono un indicatore diagnostico essenziale di molte malattie. Pertanto, è molto importante registrare correttamente questi potenziali ed estrarre le informazioni mediche necessarie.

51. Amplificatori-oscillatori

Gli amplificatori di segnali elettrici, o amplificatori elettronici, sono dispositivi che convertono l'energia delle sorgenti di tensione continua nell'energia delle oscillazioni elettromagnetiche di varie forme.

Secondo il principio di funzionamento, si distinguono generatori con autoeccitazione e generatori con eccitazione esterna, che sono essenzialmente amplificatori di potenza ad alta frequenza.

I generatori sono suddivisi in base alla frequenza e alla potenza delle oscillazioni. In medicina, i generatori elettronici trovano tre applicazioni principali: nelle apparecchiature elettroniche fisioterapiche; negli stimolatori elettronici; in dispositivi diagnostici separati, ad esempio in un reografo.

Tutti i generatori sono suddivisi in bassa frequenza e alta frequenza. Dispositivi medici: i generatori di oscillazioni elettromagnetiche armoniche e pulsate a bassa frequenza combinano due grandi gruppi di dispositivi difficili da distinguere chiaramente: stimolatori elettronici (elettrostimolatori) e dispositivi per fisioterapia. Alle basse frequenze, il più significativo è l'effetto specifico, e non quello termico, della corrente. Il trattamento attuale ha la caratteristica di stimolare qualche effetto, pertanto esiste una sorta di confusione tra i concetti di "dispositivo di trattamento" ed "elettrostimolatore".

Gli elettrostimolatori si dividono in fissi, indossabili e impiantabili (impiantati).

Un pacemaker indossabile e spesso impiantabile è il pacemaker impiantabile a radiofrequenza EKSR-01. Il ricevitore riceve segnali radio da un trasmettitore esterno. Questi segnali vengono percepiti all'interno del corpo del paziente dalla parte impiantabile e inviati al cuore sotto forma di impulsi tramite elettrodi. I dispositivi tecnici per la stimolazione elettrica comprendono anche elettrodi per fornire un segnale elettrico ad un sistema biologico. In molti casi, la stimolazione elettrica viene effettuata da elettrodi a piastre, che vengono applicati al corpo umano come elettrodi per l'elettrocardiografia.

Un ampio gruppo di dispositivi medici - generatori di oscillazioni e onde elettromagnetiche - opera nella gamma delle frequenze ultrasoniche, alte e ultraalte e viene chiamato con il termine generale "apparecchiature elettroniche ad alta frequenza".

Con la terapia UHF, la parte del corpo da riscaldare viene posta tra elettrodi metallici a forma di disco ricoperti da uno strato isolante. Quando esposto alle onde elettromagnetiche, l'emettitore di queste onde viene avvicinato al corpo.

Altri dispositivi di fisioterapia includono:

1) apparato "Iskra-1" - un generatore ad alta frequenza che opera in modalità pulsata e utilizzato per la darsonvalizzazione locale;

2) apparato IKV-4 per induttotermia, operante ad una frequenza di 13,56 MHz;

3) apparato portatile per terapia UHF - UHF-66;

4) apparecchio per terapia a microonde "Luch-58".

I dispositivi di elettrochirurgia (chirurgia ad alta frequenza) sono anche indicati come apparecchiature mediche elettroniche ad alta frequenza.

52. Ottica

L'ottica è una branca della fisica che si occupa delle leggi della radiazione, dell'assorbimento e della propagazione della luce.

La legge di propagazione rettilinea della luce.

La luce in un mezzo omogeneo trasparente si propaga in linea retta.

Un raggio di luce è un raggio di luce infinitamente sottile che si propaga in linea retta, questa è una linea che indica la direzione di propagazione dell'energia luminosa.

Specchio piatto. Se i raggi paralleli incidenti rimangono paralleli dopo la riflessione da una superficie piana, tale riflessione è chiamata riflessione speculare e la superficie riflettente è uno specchio piatto.

Leggi di rifrazione della luce. I raggi incidenti e rifratti e la normale all'interfaccia tra i mezzi nel punto di incidenza giacciono sullo stesso piano.

sinα / sinβ = n,

dove α è l'angolo tra il raggio incidente e la normale; β è l'angolo tra il raggio rifratto e la normale. Indici di rifrazione assoluti e relativi.

Indice di rifrazione relativo della luce n = n₁/ non₂,

dove n₁ e n₂ - indici di rifrazione assoluti di due mezzi, pari al rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel mezzo:

n=c/v₁, n₂= c/v₂

Il corso dei raggi in un prisma. La legge della rifrazione della luce consente di calcolare l'andamento dei raggi in vari dispositivi ottici, in particolare in un prisma triangolare.

deviazione totale del raggio

d = a₁ + B₂ ×w,

w=b₁ + a₂.

Se w è piccolo, allora:

d = (n-1) h w,

dove n è l'indice di rifrazione del materiale del prisma.

Fenomeni di totale riflessione interna. Se un raggio passa da un mezzo otticamente più denso (con un indice di rifrazione più elevato) a un mezzo otticamente meno denso, allora:

Ad un certo valore dell'angolo di incidenza a0, il raggio rifratto scorre lungo l'interfaccia tra il mezzo

и

β = n/2, quindi sinα₀ =n₁/ non₂

53. Ottica d'onda

Proprietà ondulatorie della luce. La luce è un'onda elettromagnetica nella gamma di frequenza 13 x 1014-8 x h 1014 Hz percepita dall'occhio umano, cioè la lunghezza d'onda è 380 x 770 nm. La luce ha tutte le proprietà delle onde elettromagnetiche: riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione, polarizzazione.

natura elettromagnetica della luce. Fino alla metà del XIX secolo la questione della natura della luce rimase praticamente irrisolta. La risposta è stata trovata da J. Maxwell, che ha dimostrato le leggi generali del campo elettromagnetico. Dalla teoria di J. Maxwell, la conclusione è stata che la luce è costituita da onde elettromagnetiche di una certa portata. La velocità della luce in un mezzo omogeneo. La velocità della luce è determinata dalle proprietà elettriche e magnetiche del mezzo. Ciò è confermato dalla coincidenza della velocità della luce nel vuoto con la costante elettrodinamica:

(e₀ - costante elettrica, m₀ è la costante magnetica). La velocità della luce in un mezzo omogeneo, come è noto, è determinata dall'indice di rifrazione del mezzo n.La velocità della luce in una sostanza:

υ=c/n

dove c è la velocità della luce nel vuoto.

Dalla teoria di Maxwell segue:

cioè l'indice di rifrazione e, di conseguenza, la velocità nel mezzo sono determinati dalla permeabilità dielettrica e magnetica del mezzo:

L'interferenza è l'aggiunta di onde da due o più sorgenti, quando, a seguito dell'addizione, viene violato il principio di sovrapposizione delle intensità.

La densità di energia in un'onda elettromagnetica è proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda e determina l'intensità dell'onda luminosa, che l'occhio umano valuta come illuminazione. Diffrazione della luce - il fenomeno della deviazione della luce da una direzione rettilinea quando si passa sul bordo di un ostacolo.

La diffrazione delle onde è un insieme di fenomeni osservati durante il passaggio delle onde in mezzi disomogenei, che portano alla deviazione delle onde dalla propagazione rettilinea originaria.

Principio di Huygens-Fresnel. Ogni punto della superficie che l'onda ha raggiunto in un dato momento funge da sorgente puntiforme di onde sferiche secondarie, che sono coerenti: la superficie dell'onda in qualsiasi momento non è solo un involucro di onde secondarie, ma il risultato della loro interferenza.

Metodo della zona di Fresnel. Per una sorgente puntiforme in un mezzo omogeneo e isotropo, le superfici delle onde hanno una forma sferica. Fresnel ha proposto di dividere la superficie dell'onda in sezioni separate, dette zone di Fresnel, in modo che le oscillazioni provenienti da due zone adiacenti al punto di osservazione si annullino a vicenda quando sommate.

54. Polarizzazione della luce

La luce è un'onda elettromagnetica trasversale. La polarizzazione della luce è l'ordinamento nell'orientamento dei vettori delle intensità del campo elettrico e magnetico di un'onda luminosa su un piano perpendicolare al raggio luminoso. La luce naturale (luce solare, lampade a incandescenza) non è polarizzata, cioè tutte le direzioni di oscillazione dei vettori elettrici e magnetici perpendicolari ai raggi luminosi sono uguali. Esistono dispositivi chiamati polarizzatori, che hanno la capacità di passare attraverso i raggi luminosi con una direzione di oscillazione del vettore elettrico E, in modo che all'uscita del polarizzatore la luce diventi polarizzata piana (linearmente). Ad un angolo arbitrario a tra le direzioni dell'analizzatore e del polarizzatore, l'ampiezza delle oscillazioni luminose che emergono dall'analizzatore è uguale a:

Ea = En cos a,

dove En è l'ampiezza delle oscillazioni all'uscita del polarizzatore.

In un'onda elettromagnetica, la densità di energia (intensità) è proporzionale al quadrato dell'ampiezza di oscillazione E, cioè I_n -E²_n e io_a -E²_a.

Sulla base di questo, otteniamo:

I_a = I_n cos2a.

Questa relazione è chiamata legge di Malus.

Il grado di polarizzazione della luce (massimo e minimo) è uguale all'intensità della luce parzialmente polarizzata trasmessa dall'analizzatore.

La polarizzazione avviene anche all'interfaccia tra due dielettrici isotropi. Se la luce incidente è naturale, i raggi rifratti e riflessi sono parzialmente polarizzati e la direzione di oscillazione predominante del vettore elettrico dell'onda rifratta si trova nel piano di incidenza e quella riflessa è perpendicolare ad esso. Il grado di polarizzazione dipende dall'indice di rifrazione del secondo mezzo rispetto al primo:

n₂₁ =n₂/n₁

e sull'angolo di incidenza a, inoltre, all'angolo di incidenza ab, per cui tg a_Б =n₂₁ (legge di Brewster), il raggio riflesso è quasi completamente polarizzato e il grado di polarizzazione del raggio rifratto è massimo.

La birifrangenza è la capacità di alcune sostanze, in particolare dei cristalli, di dividere un fascio di luce incidente in due fasci: ordinario (O) e straordinario (E), che si propagano in direzioni diverse con velocità di fase diverse e sono polarizzati su piani reciprocamente perpendicolari.

Quando la luce passa attraverso alcune sostanze, dette otticamente attive, il piano di polarizzazione della luce ruota attorno alla direzione del fascio. L'angolo di rotazione f del piano di polarizzazione è proporzionale al percorso che ho percorso dalla luce in una sostanza otticamente attiva:

dove a è una costante di rotazione, a seconda delle proprietà

f = ai,

sostanze e lunghezze d'onda della luce

55. Sistema ottico dell'occhio e alcune sue caratteristiche

L'occhio umano è una specie di dispositivo ottico che occupa un posto speciale nell'ottica. Per i medici l'occhio non è solo un organo capace di disturbi e malattie funzionali, ma anche una fonte di informazioni su alcune malattie non oculari. Soffermiamoci brevemente sulla struttura dell'occhio umano.

L'occhio stesso è il bulbo oculare, che ha una forma sferica non del tutto regolare. Le pareti dell'occhio sono costituite da tre gusci disposti concentricamente: esterno, medio e interno. Il guscio proteico esterno - la sclera - nella parte anteriore dell'occhio si trasforma in una cornea convessa trasparente - la cornea. In termini di proprietà ottiche, la cornea è la parte dell’occhio più fortemente rifrangente. È come una finestra attraverso la quale i raggi di luce passano negli occhi. Lo strato esterno della cornea si fonde con la congiuntiva, che è attaccata alle palpebre.

Adiacente alla sclera si trova la coroide, la cui superficie interna è rivestita da uno strato di cellule pigmentate scure che impediscono la diffusione interna diffusa della luce nell'occhio. Nella parte anteriore dell'occhio, la coroide passa nell'iride, nella quale è presente un foro rotondo: la pupilla. Direttamente adiacente alla pupilla all'interno dell'occhio c'è il cristallino: un corpo trasparente ed elastico, simile a una lente biconvessa. Il diametro della lente è di 8-10 mm, il raggio di curvatura della superficie anteriore è in media di 10 mm, la superficie posteriore è di 6 mm. L'indice di rifrazione della sostanza della lente è leggermente più alto - 11,4. La struttura della lente ricorda la struttura a strati di una cipolla e l'indice di rifrazione degli strati non è lo stesso. La camera anteriore dell'occhio si trova tra la cornea e il cristallino, è piena di umidità, un liquido simile nelle proprietà ottiche all'acqua. L'intero interno dell'occhio, dal cristallino alla parete posteriore, è occupato da una sostanza trasparente e gelatinosa chiamata vitreo. L'indice di rifrazione dell'umor vitreo è uguale a quello dell'umor acqueo.

Gli elementi dell'occhio discussi sopra si riferiscono principalmente al suo apparato di conduzione della luce.

Il nervo ottico entra nel bulbo oculare attraverso la parete posteriore; ramificandosi, passa nello strato più interno dell'occhio: la retina, o retina, che è l'apparato (recettore) dell'occhio che percepisce la luce. La retina è composta da più strati e non è la stessa per spessore e sensibilità alla luce; contiene cellule visive fotosensibili, le cui estremità periferiche hanno una forma diversa. Nel punto di ingresso del nervo ottico si trova un punto cieco che non è sensibile alla luce.

L'occhio può essere rappresentato come un sistema ottico centrato formato dalla cornea, dal fluido della camera anteriore e dal cristallino (quattro superfici rifrangenti) e limitato anteriormente dall'ambiente aereo e posteriormente dal corpo vitreo. L'asse ottico principale passa attraverso i centri geometrici della cornea, della pupilla e del cristallino.

Inoltre, si distingue anche l'asse visivo dell'occhio, che determina la direzione della massima fotosensibilità e passa attraverso i centri del cristallino e della macula.

56. Radiazione termica dei corpi

Di tutta la varietà di radiazioni elettromagnetiche, visibili o invisibili all'occhio umano, se ne può distinguere una, che è inerente a tutti i corpi. Questa è la radiazione di corpi riscaldati, o radiazione termica. Durante la radiazione termica, l'energia viene trasferita da un corpo all'altro a causa dell'emissione e dell'assorbimento di onde elettromagnetiche. La radiazione termica dei corpi riscaldati si verifica a qualsiasi temperatura, quindi è emessa da tutti i corpi.

La radiazione di equilibrio (nera) è la radiazione che è in equilibrio termodinamico con corpi aventi una certa temperatura. Un corpo nero è un corpo che assorbe completamente qualsiasi radiazione elettromagnetica incidente sulla sua superficie, indipendentemente dalla temperatura del corpo.

Per un corpo completamente nero, la capacità di assorbimento (il rapporto tra l'energia assorbita e l'energia della radiazione incidente) è pari a uno.

Secondo le sue caratteristiche, tale radiazione obbedisce alla legge della radiazione di Planck, che determina l'emissività e la luminosità dell'energia di un corpo nero. Ha avanzato un'ipotesi, dalla quale è seguito che il corpo nero irraggia e assorbe energia non continuamente, ma in determinate porzioni, quanti.

La legge di Kirchgaard stabilisce una relazione quantitativa tra radiazione e assorbimento - alla stessa densità di luminosità energetica rispetto al coefficiente di assorbimento della luce monocromatica per qualsiasi corpo, compresi quelli neri. La legge di Kirchgaard stabilisce che il rapporto tra l'emissività r di un corpo e la sua capacità di assorbimento di un corpo nero f(w, T) agli stessi valori di temperatura e frequenza:

dove w è la frequenza dell'onda.

Legge di Stefan-Boltzmann: la luminosità integrale dell'energia R (T) di un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta:

R(T) = QT₄.

Il valore numerico della costante Q, detta costante di Stefan-Boltzmann, è:

La legge di spostamento di Vip - la lunghezza lm, che rappresenta la massima energia di radiazione di un corpo completamente nero, è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta T.

Il valore della costante di Wiep è 2,898 × ​​10^-3 μK.

μK è la costante di Wip. Questa legge vale anche per i corpi grigi.

La manifestazione della legge di Vipa è nota dalle osservazioni ordinarie. A temperatura ambiente la radiazione termica dei corpi si trova prevalentemente nella regione dell'infrarosso e non viene percepita dall'occhio umano. Se la temperatura aumenta, il corpo inizia a brillare di una luce rosso scuro e, a temperature molto elevate, bianca con una sfumatura bluastra, aumenta la sensazione di riscaldamento del corpo.

Autore: Podkolzina V.A.

Ti consigliamo articoli interessanti sezione Appunti delle lezioni, cheat sheet:

▪ Diritto tributario. Note di lettura

▪ Sicurezza della vita. Note di lettura

▪ Diritto civile. Seconda parte. Culla

Vedi altri articoli sezione Appunti delle lezioni, cheat sheet.

Leggere e scrivere utile commenti su questo articolo.

<< Indietro

Ultime notizie di scienza e tecnologia, nuova elettronica:

Pelle artificiale per l'emulazione del tocco 15.04.2024

In un mondo tecnologico moderno in cui la distanza sta diventando sempre più comune, mantenere la connessione e un senso di vicinanza è importante. I recenti sviluppi nella pelle artificiale da parte di scienziati tedeschi dell’Università del Saarland rappresentano una nuova era nelle interazioni virtuali. Ricercatori tedeschi dell'Università del Saarland hanno sviluppato pellicole ultrasottili in grado di trasmettere la sensazione del tatto a distanza. Questa tecnologia all’avanguardia offre nuove opportunità di comunicazione virtuale, soprattutto per coloro che si trovano lontani dai propri cari. Le pellicole ultrasottili sviluppate dai ricercatori, spesse appena 50 micrometri, possono essere integrate nei tessuti e indossate come una seconda pelle. Queste pellicole funzionano come sensori che riconoscono i segnali tattili di mamma o papà e come attuatori che trasmettono questi movimenti al bambino. Il tocco dei genitori sul tessuto attiva i sensori che reagiscono alla pressione e deformano la pellicola ultrasottile. Questo ... >>

Lettiera per gatti Petgugu Global 15.04.2024

Prendersi cura degli animali domestici può spesso essere una sfida, soprattutto quando si tratta di mantenere pulita la casa. È stata presentata una nuova interessante soluzione della startup Petgugu Global, che semplificherà la vita ai proprietari di gatti e li aiuterà a mantenere la loro casa perfettamente pulita e in ordine. La startup Petgugu Global ha presentato una toilette per gatti unica nel suo genere in grado di scaricare automaticamente le feci, mantenendo la casa pulita e fresca. Questo dispositivo innovativo è dotato di vari sensori intelligenti che monitorano l'attività della toilette del tuo animale domestico e si attivano per pulirlo automaticamente dopo l'uso. Il dispositivo si collega alla rete fognaria e garantisce un'efficiente rimozione dei rifiuti senza necessità di intervento da parte del proprietario. Inoltre, la toilette ha una grande capacità di stoccaggio degli scarichi, che la rende ideale per le famiglie con più gatti. La ciotola per lettiera per gatti Petgugu è progettata per l'uso con lettiere idrosolubili e offre una gamma di accessori aggiuntivi ... >>

L'attrattiva degli uomini premurosi 14.04.2024

Lo stereotipo secondo cui le donne preferiscono i "cattivi ragazzi" è diffuso da tempo. Tuttavia, una recente ricerca condotta da scienziati britannici della Monash University offre una nuova prospettiva su questo tema. Hanno esaminato il modo in cui le donne hanno risposto alla responsabilità emotiva degli uomini e alla volontà di aiutare gli altri. I risultati dello studio potrebbero cambiare la nostra comprensione di ciò che rende gli uomini attraenti per le donne. Uno studio condotto da scienziati della Monash University porta a nuove scoperte sull'attrattiva degli uomini nei confronti delle donne. Nell'esperimento, alle donne sono state mostrate fotografie di uomini con brevi storie sul loro comportamento in varie situazioni, inclusa la loro reazione all'incontro con un senzatetto. Alcuni uomini hanno ignorato il senzatetto, mentre altri lo hanno aiutato, ad esempio comprandogli del cibo. Uno studio ha scoperto che gli uomini che mostravano empatia e gentilezza erano più attraenti per le donne rispetto agli uomini che mostravano empatia e gentilezza. ... >>

Notizie casuali dall'Archivio La stimolazione elettrica del cervello aiuta a far fronte a un ictus 24.03.2016 Una complicanza comune dopo un ictus è la perdita totale o parziale della mobilità: diventa difficile per una persona parlare o muovere le braccia o le gambe. Ciò accade perché a causa del blocco dei vasi sanguigni nel cervello, i neuroni responsabili, ad esempio, della contrazione dei muscoli della mano, muoiono, di conseguenza, il controllo sulla mano viene parzialmente perso. Il recupero in molti casi è possibile - i pazienti ricominciano a parlare in modo articolato, possono prendere un bicchiere, ecc. - ma questo avviene molto lentamente e attraverso esercizi estenuanti. Tuttavia, il processo riabilitativo può essere accelerato utilizzando la stimolazione elettrica transcranica, quando il cervello viene stimolato direttamente dalla superficie della testa con una debole corrente elettrica. A partecipare all'esperimento, Claire Allman (Claire Allman) e i suoi colleghi di Oxford hanno invitato 24 pazienti, uomini e donne, che, dopo un ictus, avevano in un modo o nell'altro una ridotta mobilità del braccio. Ogni giorno per due settimane venivano in laboratorio per la stimolazione elettrica, ma il tempo e lo sforzo spesi ne è valsa la pena: coloro che sono stati trattati con il metodo di stimolazione elettrica hanno restituito la mobilità più velocemente e presto tali pazienti hanno potuto non solo alzare e abbassare le mani, ma prendi anche oggetti. La risonanza magnetica ha mostrato che dopo la stimolazione nei pazienti, quando cercavano di muovere le braccia, l'attività della corteccia motoria del cervello, da cui dipende il controllo volitivo dei movimenti, aumentava; inoltre, la proporzione di materia grigia è aumentata nella stessa corteccia motoria. L'effetto della stimolazione elettrica è rimasto a lungo: i miglioramenti nelle condizioni dei pazienti sono persistiti anche tre mesi dopo un corso di due settimane.

News feed di scienza e tecnologia, nuova elettronica

Materiali interessanti della Biblioteca Tecnica Libera:

▪ sezione del sito Roba da spia. Selezione dell'articolo

▪ articolo Ekranoplan. Storia dell'invenzione e della produzione

▪ articolo Il confine tra quali stati passa proprio al centro del tavolo delle trattative? Risposta dettagliata

▪ articolo Simulatore per il pattinatore. Trasporto personale

▪ articolo Metal detector BFO (Beat Frequency Oscillator), teoria. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

▪ articolo Convertitore di tensione, 9/400 volt 90 milliampere. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Lascia il tuo commento su questo articolo:

Tutte le lingue di questa pagina

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Homepage | Biblioteca | Articoli | Mappa del sito | Recensioni del sito

www.diagram.com.ua
2000-2024