ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет им. А.М. Горького»

ИОНЦ «Физика в биологии и медицине »

Физический факультет

Кафедра общей и молекулярной физики

Прикладные аспекты физики в биологии и медицине Учебное пособие

Екатеринбург 2007

2

Содержание

Введение............................................................................................................ 4

1. Механические свойства биологических систем ....................................... 6

1.1.Костные рычаги и их сочленения............................................................. 6

1.2. Механические свойства тканей организма............................................. 16

1.3. Вестибулярный аппарат – аппарат равновесия ..................................... 19

1.4. Биомеханический анализ положения тела человека ............................. 21

2. Колебательные процессы в биологии ........................................................ 25

2.1.Биологические источники и приемники звука ....................................... 25

2.1.1. Голосовой аппарат человека ................................................................. 25

2.1.2. Слуховой аппарат человека .................................................................. 28

2.2. Характеристики слухового ощущения ................................................... 34

2.3. Инфразвук и ультразвук ........................................................................... 40

2.3.1 Инфразвук ................................................................................................ 40

2.3.2. Ультразвук .............................................................................................. 43

3. Атмосферное давление. Дыхание............................................................... 47

4. Движение жидкости по трубкам с упругими стенками. Система

кровообращения. .............................................................................................. 51

4.1. Основные принципы гемодинамики. Классификация сосудов ........... 51

4.2. Физические закономерности движения крови в сердечно-сосудистой

системе .............................................................................................................. 56

5. Функции теплоты в биологических системах........................................... 63

5.1 Теплопроводность тканей некоторых живых организмов .................... 63

5.2. Тепловой баланс организма ..................................................................... 65

5.3. Физические основы терморегуляции организма ................................... 69

5.3.1. Температура тела ................................................................................... 69

5.3.2. Терморегуляция...................................................................................... 71

5.3.3. Гипотермия и гипертермия ................................................................... 74

5.4. Физические основы лечения при помощи нагретых сред .................... 76

6. Жидкие кристаллы и их применение ......................................................... 80

3

6.1 Строение и свойства жидких кристаллов ................................................ 80

6.2 Жидкие кристаллы в биологии и медицине ............................................ 82

6.3. Термография .............................................................................................. 84

6.3.1 Анализ термограмм................................................................................. 84

6.3.2. Тепловизионная техника ....................................................................... 87

7. Электрофорез и электроосмос. ................................................................... 91

7.1 Электрофорез белковых фракций ............................................................ 94

8. Первичное действие на ткани организма электрического и магнитного

полей ВЧ и УВЧ. .............................................................................................. 98

8.1. Взаимодействие электромагнитных полей с биологическими

объектами........................................................................................................ 100

8.2. Поглощение энергии ЭМП в тканях ..................................................... 103

8.3. Тепловой эффект ЭМП в тканях живых организмов .......................... 108

8.4. Нетепловые эффекты в биосредах ........................................................ 109

8.5. Экспериментальные исследования биологических эффектов ЭМП . 112

9. Вращение плоскости поляризации и его использование в медицине.

Сахарометрия ................................................................................................. 115

9.1. Вращательная способность химических соединений ......................... 115

9.2. Определение концентрации веществ. Сахарометрия.......................... 117

10. Рентгеновское излучение и его использование в медицине................ 120

10.1 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом ................. 124

10.2 Статистический характер взаимодействия рентгеновского излучения

с веществом..................................................................................................... 126

11. Радиоактивные изотопы и их применение в биологии и медицине ... 131

11.1. Меченые атомы ..................................................................................... 136

11.2. Действие радиации на живые организмы........................................... 137

11.3. Биологическое действие ионизирующих излучений ........................ 139

Литература ...................................................................................................... 143

4

ВВЕДЕНИЕ

Каждое новое открытие физики и техники обогащает медицину

новыми приборами и аппаратами, дающими возможность

усовершенствовать существующие или ввести в практику новые методы

диагностики и терапии. Достаточно вспомнить, какой переворот в

микробиологии и эпидемиологии в свое время произвело применение

оптического микроскопа. Трудно переоценить значение метода диагностики

и лечения заболеваний, которое дало медицине открытие рентгеновских

лучей. В настоящее время нет такой области медицины, которая не

пользовалась бы какими-либо техническими приспособлениями и не

применяла бы физических методов исследования. Таким образом, мы видим,

что физика имеет исключительно важное значение для медицины, с одной

стороны, как теория, определяющая закономерности, имеющие

существенное значение для жизнедеятельности организма, с другой

стороны, как наука, лежащая в основе устройства современной медицинской

техники, без которой невозможно успешная деятельность врача любой

специальности.

Настоящее пособие не является изложением основных физических

принципов и законов, представленных в многочисленных учебниках по

физике. Большое внимание в нем уделено прикладным вопросам,

касающимся применения физических знаний к биологическим объектам, а

также рассмотрены основные принципы работы приборов, применяющихся

для проведения биологических исследований и в медицине.

Цель пособия - сформировать представления по прикладным

вопросам, касающимся применения физических знаний к биологическим

объектам, а также сформировать познавательный интерес и мотивацию на

изучение физики.

Задачами пособия является ознакомление учащихся:

5

- с основными направлениями применения физики в биологии и

медицине;

- с физическими явлениями, методами их наблюдения и

экспериментального исследования на примере биологических объектов;

- с принципами работы приборов, применяющихся для проведения

биологических исследований в медицине;

- с современными направлениями научных исследований.

Пособие может быть рекомендовано преподавателям при подготовке

лекций для студентов биологических факультетов, для разработки

отдельных модульных и факультативных курсов, а также для

самостоятельной работы студентов.

6

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Костные рычаги и их сочленения

Роль движения является определяющей в жизни не только человека, но

и всех живых существ. Животных от растений отличают активные

перемещения в пространстве. Движение помогает животным

приспосабливаться к окружающей среде и осуществляется двигательным

аппаратом.

В состав двигательного аппарата входят кости, соединения между

ними и мышцы. Движение осуществляется в местах соединения костей.

Костные рычаги приводит в движение сокращающаяся мышечная ткань,

поэтому кости и их соединения относятся к пассивной части двигательного

аппарата, а мышцы – к активной. Характерная форма тела, связанная с

потребностями организма, как правило, определяется опорной системой.

Основные функции скелета человека – опора, защита и движение.

Скелет является достаточно жестким и устойчивым к сжатию каркасом тела

и помогает телу сохранять определенную форму. Противодействуя силе

тяжести, у людей он приподнимает тело над землей и обеспечивает опору

для всей массы тела, что облегчает человеку передвижение по суше. К

скелету прикрепляются внутренние органы и мышцы. Он обеспечивает

защиту внутренних органов от неблагоприятных внешних воздействий.

Например, черепная коробка защищает головной мозг и органы чувств

(зрение, обоняние, равновесие и слух), позвоночник –спинной мозг, а ребра

и грудина –сердце, легкие и крупные кровеносные сосуды. При сокращении

мышц части скелета работают как рычаги, и это обусловливает к различные

виды движения.

Различают непрерывные и прерывные виды соединения костей. К

непрерывным относятся фиброзные соединения. В этом случае кости

7

связаны с помощью прокладок из оформленной плотной соединительной

ткани, хряща или кости. К прерывным принадлежат синовиальные

соединения – суставы. В этой ситуации между сочленяющимися костями

находятся суставная полость, а кости удерживаются одна около другой с

помощью замкнутой суставной капсулы и подкрепляющих ее связок и

мышц. Если в образовании сустава участвуют две кости – это простой

сустав. Сустав, образованный тремя или несколькими костями, называется

сложным. По форме суставные поверхности костей подразделяют на:

шаровидные, эллипсовидные, цилиндрические, блоковидные, седловидные и

плоские. Возможные виды движений, совершающихся относительно трех

взаимно перпендикулярных пространственных осей, определяется формой

суставных поверхностей, и характеризуются степенями свободы. Тело,

которое может свободно перемещаться в пространстве, имеет шесть

степеней свободы. У закрепленного в одной точке тела остаются три степени

свободы, а тело, закрепленное в трех точках, неподвижно. Кости скелета,

соединенные суставами, образуют кинематические цепи. Если

кинематические цепи заканчиваются свободно, они называются открытыми.

Примером открытой кинематической цепи может служить любая

конечность. Если же кинематическая цепь замыкается, т.е. последний ее

элемент замыкается с первым, она превращается в замкнутую. Замкнутая

кинематическая цепь представлена в соединении ребер с позвоночником и

грудиной.

Действие мышц обеспечивает подвижность кинематических цепей:

мышцы, действуя на кости, вращают их вокруг осей суставов. Такая система

представляет собой особый рычаг. Рычагом называется твердое тело (чаще

всего прямой стержень), имеющее ось вращения, к которому приложены

силы, создающие вращающие моменты относительно этой оси. Точки

приложения сил могут находиться как по одну (рис. 1.1.1 б и в), так и по

разные стороны от оси вращения (рис. 1.1.1 а) Рычаг находится в

8

равновесии, если алгебраическая сумма действующих на него моментов сил

равна нулю. Моментом силы называется произведение силы на его плечо.

Рычаг, в котором точки приложения сил расположены по одну сторону оси

вращения, имеет две разновидности. В первом случае (рис. 1.1.1 б)

действующая сила F приложена к концу рычага, а преодолеваемом

сопротивление – сила R – ближе к точке опоры О. В этом случае при

равновесии рычага F<R и рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в

перемещении. Во втором случае (рис. 1.1.1 в) действующая сила F

приложена ближе к точке опоры, чем преодолеваемое сопротивление – сила

R . В этом случае F>R, т.е. рычаг дает проигрыш в силе за счет выигрыша в

перемещении. В первом случае рычаг называют рычагом силы, во втором –

рычагом скорости.

Рис. 1.1.1

В опорно-двигательном аппарате человека встречаются рычаги всех

трех указанных выше разновидностей. Тем не менее, большинство рычагов,

в частности на конечностях, являются рычагами скорости. Благодаря этому

сравнительно небольшое изменение длины мышцы дает в несколько раз

большую амплитуду движения конечности. В этом случае вследствие

сравнительно малого плеча мышечной силы создаются значительные

нагрузки на костно-мышечный аппарат, которые могут в несколько раз

превышать перемещаемый или поднимаемый груз. При различных

движениях и положениях туловища появляются деформации растяжения и

а)

б)

в)

9

кручения. Механические свойства тканей обеспечивают нормальную работу

опорно-двигательного аппарата. Испытание костной ткани на растяжение и

сжатие показывает, что компактное вещество кости в пять раз прочнее

железобетона, а при растяжении его предельное напряжение сравнимо с

аналогичной характеристикой латуни. Действие мышечной силы передается

костям с помощью сухожилий, обладающих значительной прочностью,

главным образом, на разрыв. Например, ахиллово сухожилие взрослого

человека выдерживает нагрузку до 500 кг.

В опорно-двигательном аппарате мышечная сила F действует обычно

под некоторым углом, например, α на рис. 1.1.2, к оси рычага, причем этот

угол изменяется по мере вращения рычага в точке опоры. Под углом к оси

рычага может действовать и сила R преодолеваемого сопротивления (угол β

на рис.1.1.2).

Рис. 1.1.2

Условия равновесия рычага в этом случае имеют вид:

10

βα sinsin RlFr = ,

следовательно, действующая сила

αβ

sinsin

rlRF = .

Таким образом, при определенной величине силы R необходимая

мышечная сила F должна быть тем больше, чем больше плечо l силы

сопротивления и чем круче по отношению к оси рычага она направлена, а

также чем меньше плечо r самой силы, и чем меньший угол составляет

направление ее действия по отношению к оси рычага. Если направление

мышечной силы почти совпадает с продольной осью рычага (угол α близок

к нулю или 180о), то, несмотря на большую величину, эта сила может

преодолеть только ничтожное сопротивление. Поэтому человек может

удержать сравнительно большой груз при согнутом предплечье (рис. 1.1.3 а),

и существенно меньший при полностью разогнутом (рис. 1.1.3 б).

Примером рычага с опорой между точками приложения сил в опорно-

двигательном аппарате может служить череп, рассматриваемый в

сагиттальной плоскости (рис. 1.1.4). Ось вращения костного рычага

проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки

опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы,

центр тяжести которой расположен несколько позади турецкого седла и

спереди от поперечной оси атлантно-затылочного сочленения. Позади, на

сравнительно длинном плече действует сила тяги мышц и связок,

прикрепленных к затылочной кости.

11

Рис. 1.1.3

Рычагом силы является действие свода стопы при подъеме на

полупальцы (рис. 1.1.5). Опора рычага, через которую проходит ось

вращения, – головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес всего

тела – приложен к таранной кости. Действующая мышечная сила,

осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и

приложена к выступу пяточной кости.

12

Рис. 1.1.4

Рычагом скорости являются кости предплечья (рис. 1.1.3). Точка

опоры костного рычага находится в локтевом суставе. Действующая сила –

равнодействующая сил мышц, сгибающих предплечье. Преодолеваемое

сопротивление – сила тяжести поддерживаемого груза R приложена на кисти

в точке В. Для плеч действующей силы и силы сопротивления 3 и 30 см

рычаг дает проигрыш в силе и выигрыш в перемещении в 10 раз.

Костные рычаги опорно-двигательного аппарата соединяются между

собой при помощи сочленений или суставов. Сочленения подразделяют на

плоские и пространственные.

13

Рис. 1.1.5

В плоских сочленениях вращение рычагов происходит внутри

определенного плоского угла (рис. 1.1.6 б), в пространственных – в любых

направлениях внутри определенного телесного угла (рис. 1.1.7 б). Многие

суставы имеют более сложное комбинированное устройство. Характер

суставных движений зависит от геометрической формы соприкасающихся

костных поверхностей. Примером плоского сустава является сочленение

локтевой и плечевой костей (рис.1.1.6 а). Локтевая кость с помощью

полукруглой выемки охватывает цилиндрический выступ на плечевой кости,

который является осью сустава. На рисунке 13б показано для сравнения

механическое плоское сочленение, состоящее их двух стержней А и Б с

круглыми отверстиями на концах, скрепленных между собой валиком О,

вокруг которого стержни могут вращаться в одной плоскости. Плечевой

сустав является примером пространственного сочленения (рис.1.1.7 а).

14

Рис. 1.1.6

Рис. 1.1.7

Головка плечевой кости шаровидной формы входит в сферическую

впадину выступа лопатки и удерживается в ней плотно охватывающей ее

суставной сумкой. Для сравнения на рис. 1.1.7 б показано механическое

пространственное сочленение, которое также состоит из стержня А с

шаровидной головкой на конце, свободно закрепленной в сферическом

гнезде О так, что может вращаться во всех направлениях.

15

Мышцы составляют активную часть опорно-двигательного аппарата,

поскольку обладают свойством изменять (сокращать) свою длину. Для

опорной части – скелета сравнительно легко установить механические

аналогии костным рычагам и их сочленениям. Для мышц, представляющих

живую высокодифференцированную ткань, такие аналогии проводить

гораздо сложнее. Тем не менее, для учета механического эффекта мышцу

можно сравнить с эластичной тягой, направление которой соответствует

направлению сухожилия в месте его прикрепления к кости. Мышцы

оказывают двустороннюю тягу, сближая точки прикрепления обоих своих

концов. Поэтому характер движения при сокращении мышцы будет зависеть

от того, какой из костных рычагов, к которым прикреплена мышца, является

неподвижным, а какой совершает движение. Например, сокращение мышц,

сгибающих предплечье при плече, фиксированном мышцами туловища,

вызывает сгибание предплечья, при фиксированном предплечье (например,

при упражнении турнике) – подтягивание туловища, и т.д. Большинство

костных рычагов находится под действием нескольких мышц, создающих

силу тяги различного направления. В этом случае для анализа движения

рычага необходимо найти равнодействующую этих сил. Подобный прием

осуществляется с помощью сложения и разложения сил по правилу

параллелограмма, излагаемому в курсе физики.

Сила, развиваемая при максимальном сокращении мышцы, называется

подъемной силой мышцы. Подъемная сила мышцы прямо

пропорциональна количеству мышечных волокон, входящих в состав этой

мышцы. Она зависит от ряда физиологических условий, например возраста,

тренировки, степени утомления и т. п. Средние данные для подъемной си-

лы, отнесенной к единице поперечного сечения для некоторых мышц,

приведены в табл. 1.1.1. Общую подъемную силу мышц сгибателей

предплечья можно принять в среднем равной 160 кГ, общую подъемную

силу мышц сгибателей голени—480 кГ.

16

Таблица 1.1.1

1. 2. Механические свойства тканей организма.

Элементы опорно-двигательного аппарата человека, особенно кости и

связки, несут определенную механическую нагрузку. Если эта нагрузка

переходит предел прочности соответствующих элементов, наступает их

разрушение, выражающееся переломами костей и разрывом связок (в особых

условиях действия внешних сил на организм человека могут иметь место

также разрывы мышц, нарушение кожных покровов — раны и т. п.).

Характер нагрузки элементов опорного аппарата человека, в частности

костей скелета, различен. В разнообразных условиях рабочей деятельности

человека могут иметь место самые разнообразные сочетания сил, действую-

щих на его опорный аппарат. Наиболее часто в опорно-двигательном ап-

парате человека действуют силы сжатия, растяжения и изгиба. На рис. 1.2.1

показаны примеры условий, в которых возникает нагрузка на сжатие для

нижних конечностей и на растяжение для верхних как от собственного веса

человека, так и от переносимых им грузов.

17

Кости конечностей при нормальных мышечных усилиях испытывают

нагрузку на изгиб. Например, локтевая кость (рис. 1.2.2) является рычагом,

на который действуют три параллельные силы: F1 — реакция со стороны

плечевой кости, служащей опорой для локтевой кости в суставе, F2— сила

тяги мышц, сгибающих предплечье, и R — сила преодолеваемого

сопротивления.

Интересно отметить, что строение кости придает ей весьма совершенные

механические свойства. Кость состоит из соединительнотканной основы,

пропитанной минеральными солями фосфора и кальция. Соединитель-

нотканная основа придает кости упругость, минеральные соли — жесткость и

твердость. К старости в результате избытка в организме солей кость

становится хрупкой и ломкой. При недостатке в пище минеральных солей

кость делается мягкой и эластичной. Длинные кости конечностей имеют в

средней части трубчатую форму, что обеспечивает наилучшее использование

вещества, так как при изгибе элементы вещества, находящиеся внутри тела,

вблизи продольной оси, почти не деформируются и поэтому не участвуют в

сопротивлении действующим силам. В связи с этим внутренние слои

вещества могут быть удалены почти без ущерба для общей прочности.

Концы трубчатых костей, например бедра, построены из так называемого

Рис. 1.2.1

18

губчатого вещества, которое состоит из тонких костных балочек, распо-

ложенных таким образом, что вместе они образуют сводчатую структуру

(рис. 1.2.3), хорошо передающую нагрузку от опоры в суставе к средней

трубчатой части кости.

В заключение приведем некоторые данные, характеризующие проч-

ность тканей организма. В табл. 1.2.1 приведены значения предела прочности

при растяжении и сжатии Эти данные характерны также и для прочности на

изгиб. Для сравнения указана также величина предела прочности некоторых

технических материалов. Таблица 1.2.1.

Вид ткани или вещества

Предел прочности на растяжение, кГ/мм2

Предел прочности на сжатие, кГ/мм2

Компактное вещество кости Грубоволокнистая соединительная ткань (сухожилия, связки)

10—12

7,0

12—16

Ткань нервных стволов 1,2—1,5 __ Мышечная ткань 0,1— 0,12

Сталь 80—100 120—150 Бетон 2—2 5 Дерево 8—10 6—8 Каучук 5

Рис. 1.2.2

Рис. 1.2.3

19

В табл. 1.2.2 приведены данные, касающиеся упругости соответствую-

щих тканей при растяжении. Приведенные в таблицах данные являются

ориентировочными, так как механические свойства тканей, особенно костной

и мышечной, различаются в значительной степени не только у разных людей,

но даже у одного и того же человека в зависимости от возраста, состояния

здоровья, особенностей образа жизни (тренировки), питания и т. п.

Таблица 1.2.2.

Вид ткани или вещества

Модуль упругости,

кГ/мм2

Коэффициент эластичности,

кГ/мм2

Компактное вещество кости 2300 0,0004

Грубоволокнистая соединитель- ная ткань (сухожилия, связки) 146 0,007

Ткань нервных стволов 11 0,09 Мышечная ткань 1,0 1,0 Сталь 20000 0.000005 Дерево 1 000 0,001 Каучук 10 0 1

1.3. Вестибулярный аппарат – аппарат равновесия.

Во внутреннем ухе совместно со звуковоспринимающим аппаратом

расположен вестибулярный аппарат, сигнализирующий в центральную

нервную систему о положении и перемещении головы в пространстве.

Вестибулярный аппарат состоит из двух основных частей: трех взаимно

перпендикулярных полукружных каналов К и полости небольших размеров,

называемой преддверием П, которые вместе с улиткой составляют лабиринт

(рис. 1.3.1). Расположение лабиринтов относительно головы показано на рис.

1.3.2.

20

Аналогично улитке вестибулярный аппарат состоит из перепончатых

образований, которые находятся в костных каналах, имеющих соответ-

ствующую конфигурацию и заполненных эндолимфой. На внутренней по-

верхности перепончатых образований в определенных местах расположены

скопления чувствительных нервных клеток, имеющих свободные окончания

в форме волосков (рис. 1.3.3). Свободные концы волосков погружены в

покрывающую их студенистую массу. Подобные клеточные образования

расположены в расширениях по концам полукружных каналов (рис. 1.3.3 а), а

также в полости преддверия. В полости преддверия студенистая масса,

покрывающая волосковые клетки, содержит мелкие кристаллы

фосфорнокислого и углекислого кальция, называемые отолитами (рис. 1.3.3,

б). Отолиты также участвуют в раздражении волосковых клеток.

Специфическим раздражением для клеток вестибулярного аппарата является

перемещение эндолимфы с изменяющейся скоростью, т. е. с ускорением или

замедлением, вызывающее сгибание волосков чувствительных клеток. При

Рис. 1.3.1

Рис. 1.3.2

21

этом в клетках возникают импульсы, идущие в центральную нервную

систему и сигнализирующие о скорости и направлении этого перемещения.

Когда голова, а вместе с ней и костные стенки полукружных каналов

получают ускорение или замедление во вращательном движении в какой-

либо плоскости, жидкость вследствие инерции отстает в своем движении,

получается перемещение жидкости относительно стенок соответствующего

канала в обратном направлении. Это перемещение жидкости и восприни-

мается расположенными на стенках канала чувствительными образованиями.

При ускорениях или замедлениях при прямолинейном движении

головы аналогичные явления имеют место в жидкости преддверия, причем в

этом случае действие жидкости усиливается перемещением вместе с ней

отолитовой массы. Раздражение отолитового прибора вызывается также

тряской, качкой и тому подобными изменениями положения в пространстве

головы или всего тела, при которых происходит смещение отолитовой

массы.

1.4. Биомеханический анализ положения тела человека

Раздел биологии, рассматривающий биологический объекты в свете

законов механики называется биомеханикой. Биомеханические исследования

имеют большое значение для профилактики деформаций опорно-

двигательного аппарата. Изучение распределения нагрузок по стопе

Рис. 1.3.3

22

позволяет создать рациональную форму обуви. Биомеханические

обоснования конструкции мебели способствуют формированию правильной

осанки. Специальные стулья, предназначенные для работников сидячих

профессий, позволяют почти в 2 раза снизить нагрузку на межпозвоночные

диски. Биомеханический анализ ходьбы показывает, что идущий человек,

отталкиваясь от опоры одной ногой, например, правой, приподнимает пятку,

наклоняя в то же время туловище вперед. В этом случае линия действия силы

тяжести выходит за пределы площади опоры, и человек начинает падать

вперед. В это время его левая нога быстро подвигается вперед и становится

на землю впереди линии действия силы тяжести, прекращая его падение и

восстанавливая равновесие. Затем человек переносит центр тяжести таким

образом, что линия действия силы тяжести не выходит за пределы левой

ступни, одновременно поднимая при этом правую ногу. Далее

последовательность действий повторяется. Таким образом, ходьбу можно

представить, как серию вовремя предупреждаемых падений. Положения тела

при ходьбе показаны на рис.1.4.1

Поскольку во время ходьбы площадь опоры уменьшается, человек

оказывает на землю более сильное давление, чем стоящий. Избыточное

давление составляет в этом случае около 200Н. Графическое изображение

движения ног при ходьбе показано на рисунке 1.4.2. Верхняя линия (А)

относится к одной ноге, нижняя (В) — к другой. Прямые линии отвечают

моментам опоры о землю, дуги — моментам движения ног без опоры.

Рис.1.4.1 Последовательные положения

тела человека при ходьбе.

23

Из графика видно, что в течение всего времени при ходьбе человек

имеет точку опоры. При увеличении скорости происходит сокращение

промежутков времени, в течение которых человек опирается на обе ноги

сразу (например, промежутки а и с на рис. 1.4.2).

Во время бега нога человека, стоящая на земле, внезапным

сокращением ее мышц энергично вытягивается и отбрасывает тело вперед,

так что оно на некоторое время совсем отделяется от земли и находится в

состоянии свободного падения. Падение прекращается в тот момент, когда

другая нога во время отрыва человека от земли быстро передвинулась вперед

и обрела точку опоры. Следовательно, бег состоит из ряда скачков с одной

ноги на другую. Последовательные положения тела человека во время бега

показаны на рисунке 1.4.3. Отчетливо видны моменты времени,

соответствующие отсутствию точки опоры.

На рисунке 1.4.4 показано графическое изображение движения ног во

время бега. Видно, что моменты времени, аналогичные изображенным

отрезками b, d и f соответствуют отсутствию опоры.

Рис. 1.4.2. Графическое изображение движения

ног при ходьбе.

Рис. 1.4.3. Последовательные положения тела

человека во время бега

24

Поскольку положение центра тяжести тела во время бега или ходьбы

периодически изменяется, то на увеличении высоты его поднятия над землей

человек расходует некоторую энергию. Например, при ходьбе по

горизонтальному пути затраты энергии составляют около 6% от работы

поднятия тела пешехода на высоту, равную пройденному пути.

Рис. 1.4.4. Графическое изображение движения ног во

время бега.

25

2. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИИ

2.1. Биологические источники и приемники звука

Мир звуков всегда и везде окружает человека. Источником звуков

являются различные явления природы (например, раскаты грома, шум ветра),

голосовые связки человек и животных, созданные человеком различные

музыкальные инструменты и т.д. Акустика, учение о звуке, занимается

исследованием разнообразного круга вопросов. Некоторые вопросы связаны

со свойствами и особенностями органов слуха. Возможности органов слуха,

их устройство и действие исследует физиологическая акустика. Она

рассматривает образование звуков органами речи и восприятие звуков

органами слуха, а также вопросы, связанные с анализом и синтезом речи.

Биологическая акустика изучает вопросы звукового и ультразвукового

общения животных, изучает механизм локации, которым они пользуются,

исследует проблемы шумов, вибраций и борьбы сними за оздоровление

окружающей среды.

Рассматривая любое акустическое явление, следует учесть, что с одной

стороны, звук – это физический процесс распространения упругих волн в

среде, а с другой - психофизиологический процесс восприятия указанного

физического процесса. Первый круг вопросов является предметом

исследования физической акустики, а второй - физиологической акустики.

2.1.1. Голосовой аппарат человека.

К числу биологических источников звука относится голосовой аппарат

человека. Голосовым аппаратом человека является гортань, представляющая

собой начальный расширенный участок дыхательной трубки. Главную часть

26

голосового аппарата составляют связки (рис. 2.1.1), расположенные

перпендикулярно оси просвета гортани в форме двух створок.

Они могут открывать или закрывать щель, через которую проходит

выдыхаемый из легких воздух. Связки состоят из покрытых слизистой

оболочкой мышц; по краям связок расположены толстые пучки эластических

волокон. Мышцы прикрепляются спереди к задней поверхности щи-

товидного хряща, а сзади – к голосовым отросткам черпаловидных хрящей.

Щель между связками расположена в передне-заднем направлении. В

зависимости от степени напряженности мышц голосовых связок щель между

ними меняет свою величину. При спокойном дыхании голосовые связки

расслаблены и воздух свободно проходит между ними (рис. 2.1.1, а). При

разговоре мышцы голосовых связок в той или иной степени сокращаются и

закрывают щель, оставляя лишь узкий промежуток (рис. 2.1.1, б). При

прохождении через эту щель выдыхаемого из легких воздуха связки

приходят в колебания, которые и являются источником звуков. Колебания

связок происходят главным образом в плоскости расположения самих связок

Рис. 2.1.1

27

и голосовой щели. Для формирования звука имеет значение как степень

напряженности и форма голосовых связок, зависящие от тонуса различных

составляющих связки мышц, так и скорость проходящего воздуха.

Звуковые колебания голосовых связок еще не имеют характера про-

износимого нами звука. Дальнейшее его формирование происходит при

помощи гортани, ротовой и отчасти носовой полостей, которые служат

резонатором, помогающим усилить необходимые тоны. Изменяя размеры и

форму ротовой полости путем соответствующего расположения языка, зубов

и губ, можно выделить из сложных звуковых волн, идущих из голосовой

щели, необходимые отдельные тоны или их сочетания.

Таким образом, образуются преимущественно гласные звуки. В

качестве примера на рис. 2.1.2 слева приведено положение голосового

аппарата человека при произнесении гласного звука Э, а справа—звука

А.Образование согласных звуков более сложно, при этом приходят в

колебательное движение также мягкое небо, кончик языка и губы.

Рис. 2.1.2

На рис. 2.1.3 приведена форма колебаний, соответствующих

согласному звуку С. Данный звук содержит почти все гармонические

колебания с частотой до 9000—10000 гц.

28

§ Рис. 2.1.3

2.1.2.Слуховой аппарат человека.

Причиной звуковых ощущений людей и животных является воздействие

на их органы слуха упругих звуковых волн, распространяющихся в воздухе

от источника звука. Человек с нормальным слухом способен воспринимать в

форме звука такие упругие волны, частоты которых не меньше 16 Гц и не

больше 20 кГц. Звуковые волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют

инфразвуком, а волны с частотами, большими 20 кГц, - ультразвуком.

Человеческое ухо наиболее чувствительно к волнам в области частот 1,5-3

кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С

возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая

чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет- 2000 Гц,

старше 60 лет- 1000 Гц.

В пределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение

частоты даже 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат

становится менее восприимчивым к такому незначительному изменению

частоты. Так, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого

только, когда разница в частоте будет не менее 5 Гц. При меньшей разнице

звуки нам будут казаться одинаковыми. Однако правил без исключения

почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом.

Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то

долю колебаний.

29

Если звучащее тело, например электрический звонок, поставить под

колокол воздушного насоса, то по мере откачивания воздуха звук будет

делаться все слабее и слабее и, наконец, совсем прекратится. Передача

колебаний от звучащего тела осуществляется через воздух. Отметим, что

звучащее тело при своих колебаниях попеременно то сжимает воздух,

прилегающий к поверхности тела, то, наоборот, создает разрежение в этом

слое. Таким образом, распространение звука в воздухе начинается с

колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела.

Ухо человека является приемником звуковых колебаний. Слуховой

аппарат человека (рис. 2.1.4) состоит из трех частей: наружного, среднего

и внутреннего уха.

Наружное ухо (ушная раковина и наружный слуховой проход Н)

служит для проведения воздушных звуковых волн к среднему и далее

к внутреннему уху. Звуковые волны могут достигать внутреннего уха

также непосредственно через окружающие кости черепа

Среднее ухо представляет собой полость, расположенную между

наружным и внутренним ухом. Среднее ухо отделено от наружного бара-

банной перепонкой П. Последняя представляет собой упругую мембрану,

Рис. 2.1.4

30

которой слепо заканчивается наружный слуховой проход. В полости

среднего уха расположены три маленькие, сочлененные между собой

косточки, называемые по их внешнему сходству молоточком М,

наковальней Н и стремечком С. Молоточек своей рукояткой укреплен в

центре барабанной перепонки, стремечко своим плоским основанием входит

в просвет овального окна внутреннего уха. Полость среднего уха с помощью

узкого канала—евстахиевой трубы Е—соединяется с носоглоткой.

Внутреннее ухо, расположенное в пирамиде височной кости, содержит

звуковоспринимающий аппарат и состоит из костной полости, в ко-

торой находится перепончатое образование, называемое лабиринтом. Ла-

биринт состоит из трех основных отделов: улитки У, полукружных ка-

налов К и преддверия В. Лабиринт заполнен жидкостью, называемой

эндолимфой. Костная полость напоминает по форме лабиринт. Щель

между стенками полости и лабиринтом заполнена жидкостью, называемой

перилимфой. Костная полость сообщается со средним ухом двумя отвер-

стиями, которые затянуты перепонкой и называются овальным и круглым

окнами. Улитка является звуковоспринимающим аппаратом: преддверие и

полукружные каналы относятся к аппарату равновесия. Канал улитки (рис.

2.1.5) двумя продольными перепончатыми перегородками, называемыми

основной ОМ и рейснеровой РМ мембранами, разделен внутри на три

неравные части: вестибулярный ход В, улиточный ход У и барабанный

ход Б . В основании улитки вестибулярный ход сообщается с преддверием,

барабанный ход – с круглым окном. У вершины улитки

вестибулярный и барабанный ходы сообщаются между собой

небольшим отверстием. В основании улиточного хода вдоль основной

мембраны расположен так называемый кортиев орган КО, представляющий

собой клеточное образование, от которого отходят волокна слухового нерва.

Над кортиевым органом, касаясь его свободным краем, расположена

покровная мембрана ПМ.

31

Действие звукопередающего и звуковоспринимающего аппарата уха

поясняется схемой на рис. 2.1.6.

Барабанная перепонка П с помощью системы косточек М—Н среднего

уха преобразует падающие на нее через наружный слуховой проход

воздушные звуковые колебания в колебания стремени С, которые в свою

Рис. 2.1.5

Рис. 2.1.6

32

очередь через овальное окно О передаются перилимфе и через

последнюю—эндолимфе, заполняющей преддверие и вестибулярный ход

улитки. Слуховые косточки, действуя, как рычаги, уменьшают амплитуду

колебаний барабанной перепонки, увеличивая соответственно величину

давления, передаваемого жидкости внутреннего уха. Колебания эндолимфы,

заполняющей вестибулярный ход В, передаются эндолимфе в улиточном

ходе У и от нее последовательно – основной мембране ОМ, жидкости

барабанного хода Б и, наконец, мембране, закрывающей круглое окно К.

Наличие последнего дает возможность перемещения жидкости при

колебаниях. (Звуковые колебания могут передаваться жидкости,

заполняющей ходы улитки, также через окружающие кости черепа и

перилимфу.) Звуковые колебания достигают основной мембраны вместе с

расположенным на ней кортиевым органом и приводят их в колебания с

соответствующей частотой и амплитудой. На рис. 2.1.6 пунктирными

стрелками схематически показано перемещение жидкости в вестибулярном

(вместе с улиточным) Л-У и барабанном Б ходах улитки в момент одного из

колебаний. Колебания основной мембраны раздражают заложенные в

кортиевом органе специальные чувствительные клетки; в последних

возникают нервные импульсы, которые и передаются в центральную

нервную систему.

Так как слуховой аппарат человека сложно устроен и включает в себя

большое количество составляющих частей, заболевания в этой сфере

чреваты серьёзными осложнениями. Такое заболевание как отит (воспаление

среднего уха) сопровождает различные простудные и инфекционные

заболевания. У детей может вызывать нарушение слуха, частичную или даже

полную его. При избыточном выделении ушной серы могут образовываться

затвердевшие серные пробки, которые также затрудняют нормальное

функционирование слухового аппарата. Но самым актуальным на

сегодняшний день является то, что сейчас буквально всюду можно встретить

людей в наушниках от мобильных телефонов или MP3-плееров. Такое

33

Рис .2.1.7.

увлечение вызывает у медиков большую тревогу. На носителях таких

плееров записана музыка, которая может воспроизводиться с громкостью до

100 ДБ. Мощное давление звуковых волн способно повредить барабанную

перепонку, а длительное воздействие усиленного звука на внутреннее ухо

приводит к повреждению слухового нерва и снижению слуха (тугоухости). В

наше время для устранения проблем со слухом (особенно у пожилых людей)

используются слуховые аппараты (см. рис. 2.1.7; 2.1.8; 2.1.9).

В улитку имплантируют электроды, на

которые подаются электрические сигналы,

соответствующие тем, которые возникают при

воздействии механического стимула.

Рис.2.1.8. Сверхмощный четырех-канальный слуховой аппарат

Рис .2.1.9. Первая модель слухового аппарата

34

2.2. Характеристики слухового ощущения.

В слуховом ощущении мы различаем высоту, громкость и тембр звука. Эти

физиологические характеристики звука связаны определенным образом с

частотой, силой звука и формой колебаний. Эта связь обусловлена

чувствительностью уха к тем или иным физическим характеристикам звука.

Наиболее проста связь между высотой звука и частотой колебаний, а также

между тембром звука и формой колебаний. Более сложной является связь

между громкостью и силой звука. В отличие от интенсивности звука и

среднеквадратичного давления, которые являются объективными

характеристиками звуковой волны, громкость звука является субъективной

оценкой слухового ощущения. Частота колебаний оценивается ухом как

высота звука. Чем больше частота колебаний, тем выше звук. В качестве

примера на рис. 2.2.1 показаны графики трех гармонических тонов.

Тону с наибольшей частотой коле-

баний (рис. 2.2.1, а) соответствует

ощущение высокого звука, наоборот,

тону с наименьшей частотой

колебаний (рис. 2.2.1, в) – наиболее

низкого. Однако звуки одинаковой

высоты, но от различных источников вызывают несколько отличные

слуховые ощущения. Это отличие определяется как тембр звука. Звуки

различного тембра отличаются формой звукового колебания или, вернее, его

гармоническим спектром. Ухо как бы производит гармонический анализ

сложных звуков и сигнализирует в центральную нервную систему о его

гармоническом составе. Эти сигналы и воспринимаются как различный

тембр звука. В качестве примера на рис. 2.2.2 приведены графики колебания

и гармонические спектры одной и той же ноты, взятой а—на рояле и б—на

кларнете. Из графиков видно, что хотя основные частоты, а следовательно, и

Рис. 2.2.1

35

высота звуков и одинаковы, но в деталях формы кривой колебания они

отличаются. Различаются эти звуки также и ухом.

Громкость характеризует интенсивность слухового ощущения, которая

связана с особенностями чувствительности уха и зависит как от силы звука,

так и от частоты колебаний. Объективной характеристикой громкости звука

является его среднекведратичное давление р3. Ухо человека неодинаково

чувствительно к звукам различной высоты. Чувствительность уха

ограничивается пределами слышимости по частоте от 16 до 20 000 Гц. В этих

пределах частоты чувствительность уха постепенно повышается к частотам

порядка 1000 Гц и затем опять снижается, начиная от частоты порядка

4000—5000 Гц. На рис. 2.2.3 приведен график, показывающий зависимость

от частоты колебаний порога слышимости, т. е. наименьшей силы звука,

вызывающей еще заметное слуховое ощущение. Изменение порога

слышимости в зависимости от частоты имеет характер, обратный изменению

чувствительности уха (для удобства график построен в логарифмическом

масштабе). Верхняя кривая на графике дает зависимость от частоты верхнего

предела чувствительности уха—порог ощущения давления. При силе звука,

Рис. 2.2.2

36

превышающей этот порог, в ухе возникает ощущение давления,

сопровождаемое болью. Минимальное значение р3, при котором появляется

это ощущение, называется порогом болевого ощущения. Он максимален при

частотах 0,5 – 1 кГц и составляет примерно 200 Па. Для возможности

измерения громкости и сопоставления ее с силой звука при различной

частоте колебаний приравнивают эти величины для тона частотой 1000 Гц,

соответствующего максимальной чувствительности уха. Для тонов прочих

частот, для которых чувствительность уха ниже, громкость меньше

соответствующей силы звука. Чтобы определить громкость данного звука,

надо уравнять его по ощущению («на слух») с тоном частотой 1000 Гц и

определить силу последнего. Эта величина и будет характеризовать

громкость данного звука.

Рис. 2.2.3

Зависимость громкости от силы звука и от частоты колебаний для

тонов других частот может быть определена аналогично, путем уравнивания

37

их по слуховому ощущению с тоном частотой 1000 гц и измерения

соответствующей силы звука. Таким образом, можно определить

зависимость между силой звука и частотой колебаний для любого

постоянного уровня громкости. Полученная зависимость называется кривой

равной громкости. Громкость звуков при различной их частоте и силе может

быть определена только на основании средних данных из результатов

достаточного количества измерений у людей со здоровым слухом. На

основании подобных измерений построены кривые равной громкости для

звуков различной частоты и силы. Этими графиками и пользуются в акустике

для определения громкости звука по его физическим характеристикам:

частоте колебаний и силе звука.

Другой существенной особенностью уха является способность изме-

нять чувствительность в зависимости от силы воспринимаемого звука. При

сильном звуке чувствительность уха резко снижается, при слабом звуке

повышается. Способность изменять чувствительность в зависимости от силы

раздражения свойственна всем органам чувств. Это свойство представляет

собой чисто физиологическое явление, однако с ним приходится считаться

при любых физических измерениях или исследованиях этих органов. Кроме

того, следует иметь в виду, что человек не может правильно оценивать

абсолютную величину интенсивности ощущения, но достаточно точно

устанавливает направление изменения или разницу при сравнении с другой

ее величиной. Все это вызвало появление особого сравнительного метода

измерения силы звука, а следовательно, и громкости. При этом методе

измеряют не абсолютную величину силы звука (или громкости), а отношение

ее к некоторой исходной величине, принятой за начальный уровень.

Подобной величиной является сила звука, равная 10-16 вт/см2

(10-10 мквт/см2), что равнозначно звуковому давлению 0,0002 бара или

соответствующая этой силе звука громкость тона частотой 1000Гц. За

верхний уровень шкалы принята сила звука 10 -3 вт/см2 (звуковое давление

38

64 бара) или соответствующая ей громкость тона 1000 Гц, вызывающая уже

ощущение давления, переходящее в боль.

В связи с тем, что отношение верхнего и нижнего уровней шкалы

составляет 1013, вся шкала между этими уровнями разделена на 13 частей,

соответствующих каждая увеличению силы звука в 10 раз. Однако

практически пользуются не самим отношением сил звука, а его десятичным

логарифмом, который и принимается за единицу этой шкалы. Эта единица

называется белом (б). Десятая часть подобной единицы, наиболее часто

применяющаяся на практике, называется децибелом (дб). Количество

децибел, характеризующих силу данного звука, равняется удесятиренному

логаримфу отношения силы данного звука к силе звука начального уровня

шкалы. Так как для тона с частотой 1000 Гц громкость и сила звука равны

между собой, то для этого тона децибельная шкала является одновременно и

шкалой громкости. Практически она может использоваться как шкала

громкости для тонов в пределах частоты от 300 до 4000 Гц. Для тонов другой

частоты громкость должна быть предварительно определена по переходным

кривым, приведенным на рис. 2.2.4.

Рис. 2.2.4

39

Ниже приведена полная шкала громкости в децибелах с указанием

абсолютных величин силы звука и звукового давления, а также примерного

характера звуков, соответствующих промежуточным делениям шкалы (табл.

2.2.1). Таблица 2.2.1

Заметим, что шумы вызывают более резкое и неприятное слуховое

ощущение, чем гармонические тоны такой же силы. В связи с этим границей

неприятного ощущения для шума считается громкость в 50 дб, а допустимой

с точки зрения опасности повреждения органа слуха – громкость в 75 дб.На

рис. 2.2.4 приведены кривые равной громкости: на горизонтальной оси

отложены частоты (в герцах), на вертикальной—сила звука в мквт/см'2. Для

удобства изображения график построен в логарифмическом масштабе.

Каждая кривая соответствует определенному значению громкости в де-

цибелах, которое на ней указано. Каждая точка такой кривой показывает, при

какой частоте какая сила звука соответствует данной (обозначенной на

кривой) громкости. Пользуясь кривыми, можно, зная две из трех связанных

между собой величин: громкости, частоты и силы звука, найти

соответствующую третью.

Уровень громкости, дб

Сила звука тона 1000

Гц, мквт/см2

Звуковое давление, бар Примерный характер звука

0 1-10-10 0,00002 Продел слышимости

10 1 • 10-9 0,000064 Сердечные тоны через стетоскоп 20 1 • 10-8 0,0002 Разговор шепотом 30 1 • 10-7 0,00064 40 1 • 10-6 0,002 Разговор средней громкости 50 1 • 10-5 0,0064 60 1 • 10-4 0,02 Уличный шум 70 1 • 10-3 0,064 Громкий разговор 80 1 • 10-2 О Максимальная громкость репро- дуктора 100 1 • 10 20 Автосирена 130 1 • 103 64 Болевое ощущение

40

2.3. Инфразвук и ультразвук

2.3.1. Инфразвук

Инфразвуковыми волнами называют упругие волны, аналогичные

звуковым, частота которых ниже области слышимых человеком частот.

Верхняя граница инфразвуковой области соответствует частоте 16-25 Гц.

Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределена. Практический

интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герца,

т. е. периоды которых составляют ~10 секунд. Для инфразвука характерно

малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые

волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на достаточно

большие расстояния. Это явление находит практическое применение при

определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия.

Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт

возможность предсказания стихийного бедствия - цунами. Звуки взрывов,

содержащие большое количество инфразвуковых частот, применяются для

исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды. Грозовые

разряды (гром), а также взрывы и орудийные выстрелы также относятся к

источникам инфразвуковых волн. Животным инфразвуковые сигналы

сообщают о приближении цунами, землетрясения и других бедствий.

Инфразвуки содержатся в шуме атмосферы, леса и моря. Их источником

является турбулентность атмосферы и ветер. Инфразвуковые волны,

образующиеся от завихрений ветра на гребнях морских волн, называемые

"голосом моря", могут заблаговременно предсказывать шторм, поскольку

скорость их распространения значительно превышает скорость перемещения

области шторма. Развитие промышленного производства и транспорта

привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей

среде и возрастанию интенсивности уровня инфразвука. Основные

техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в

таблице.

41

Исследование уровня фона инфразвуковых волн с частотами от 0,01 до

1,6 Гц показали, что наибольшего уровня инфразвуковой фон достигает во

время максимального прогрева атмосферы, что позволило полученные

результаты использовать при разработке методов и аппаратуры для

обнаружения естественных и антропогенных катастроф, возбуждающих

инфразвук, в том числе и для определения места лесных пожаров.

В конце 60-х годов прошлого века было обнаружено, что инфразвук

определенных частот может вызвать у человека тревожность и беспокойство.

Инфразвук с частотой 7 Гц смертелен для человека, так как входит в

резонанс с колебаниями внутренних органов, заставляя их либо увеличивать

колебания, либо останавливаться совсем. Действие инфразвука может

вызвать головные боли, снижение внимания и работоспособности и даже

иногда нарушение функции вестибулярного аппарата. В больших городах

часто встает проблема чрезмерного звукового давления на человека.

Постоянный уровень шума, действующий на человека негативно, влияет на

его психику. Инфразвук сопровождает практически все технологические

процессы, связанные с трудовой деятельностью человека.

Источник инфразвука Характерный частотный диапазон инфразвука

Уровни инфразвука

Автомобильный транспорт Весь спектр инфразвукового диапазона

Снаружи 70-90 дБ, внутри до 120 дБ

Железнодорожный транспорт и трамваи 10-16 Гц Внутри и снаружи

от 85 до 120 дБ

Промышленные установки аэродинамического и ударного действия

8-12 Гц До 90-105 дБ

Вентиляция промышленных установок и помещений, то же в метрополитене 3-20 Гц До 75-95 дБ

Реактивные самолеты Около 20 Гц Снаружи до 130 дБ

42

Известные из литературы способы защиты человека от инфразвука

связаны, в основном, с инженерными мероприятиями в месте генерации

инфразвука и на путях его распространения. К сожалению, из-за большой

длины волны эти способы необычайно дороги и малоэффективны.

Исследование распределения параметров инфразвукового поля в помещении,

линейные размеры которого малы по сравнению с длиной инфразвуковой

волны, показали, что в замкнутом пространстве существуют, по крайней

мере, четыре зоны с различной структурой инфразвукового поля. Первая -

это биологически неблагоприятная акустическая зона. В этой зоне при

действии инфразвука у человека наблюдается повышение давления, и

ускоряется ток крови, что приводит к напряжению центральной нервной

системы и падению работоспособности. Близко к этой зоне примыкает

вторая зона - зона звукового давления, размеры которой незначительны и

несколько увеличиваются со снижением частоты инфразвука. Третья зона -

биологически благоприятная зона, в которой уровень симпатической

активности снижается по отношению к контролю, снижается уровень

индекса напряженности центральной нервной системы, растет

работоспособность и наблюдается умеренная активность сердцебиения.

Четвертая зона - участок, где инфразвук проникает в замкнутый объем.

Проведены исследования позволили предложить два способа защиты

человека от неблагоприятного воздействия инфразвука. Первый заключается

в применении прибора, нейтрализующего биологически неблагоприятную

зону, второй – в помещении человека в безопасное место с низким уровня

инфразвука. В бытовых помещениях в безопасные зоны рекомендуется

поставить письменный стол, кровать или кресло для отдыха, расположив в

неблагоприятной зоне, например, книжные полки, сервант, телевизор.

43

2.3.2 Ультразвук

Ультразвуковыми волнами называют упругие волны с частотой от (15-

20) кГц до 1 ГГц. Интервал частот ультразвука от 109 до 1012-13 Гц принято

называть гиперзвуком. Ультразвуковую область частот можно подразделить

на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5×104-105) Гц - УНЧ,

ультразвук средних частот (105 - 107) Гц - УСЧ и область высоких частот

ультразвука (107-109) Гц - УЗВЧ. Каждая из этих подобластей

характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма,

распространения и применения. Частотная граница между звуковыми и

ультразвуковыми волнами достаточно условна: она определяется

субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует

усреднённой верхней границе слышимого звука. Тем не менее, благодаря

более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место

ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в

воздухе составляют (3,4×10-3 – 3,4×10-5) см, в воде – (1,5×10-2 – 1,5 ×10-4) см, в

стали (5×10-2 – 5×10-4) см. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе

распространяется с большим затуханием. Хорошими проводники

ультразвука являются жидкости и твёрдые тела (в особенности

монокристаллы). Поэтому области применения УСЧ и УЗВЧ относятся

практически к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют

только УНЧ.

Применения ультразвука чрезвычайно разнообразны. Ультразвук

широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше

проникают в биологию и медицину ультразвука. Биологическое действие

ультразвука, то есть изменения, вызываемые в жизнедеятельности и

структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука,

определяется главным образом интенсивностью ультразвука и

длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и

отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие

44

при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука, до (1-2) вт/см2,

механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж

тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению

тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может

привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации,

сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей

(кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах

газовые пузырьки).

При поглощении ультразвука в биологических объектах происходит

преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей

на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности

биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ.

Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к

перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и

др.).

В основе биологического действия ультразвука могут лежать также

вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических

потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур.

Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и др.

жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-

восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость

биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов

обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных

условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании

совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать

процессы, имеющие различную физическую природу ультразвука.

Ультразвук используется для диагностики, терапевтического и

хирургического лечения в различных областях клинической медицины.

Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие

ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей

45

используется для исследования внутренних органов. Ультразвуковые методы

диагностики в ряде случаев позволяют более тонко различать структуру

тканей, чем рентгеновские. Так, с помощью ультразвука обнаруживаются

опухоли мягких тканей, часто не различимые другими способами.

Ультразвук применяют в акушерстве для диагностического исследования

плода (рис. 2.3.1) и беременной женщины, в нейрохирургии - для

распознавания опухолей в головном мозге (эхоэнцефалография), в

кардиологии - для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы

сердца.

Микромассаж тканей, активация

процессов обмена и локальное нагревание

тканей под действием ультразвука

используются в медицине для

терапевтических целей. Ультразвуковая

хирургия подразделяется на две

разновидности, одна из которых связана с

разрушением тканей собственно

звуковыми колебаниями, а вторая - с

наложением ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент. В

первом случае применяется фокусированный ультразвук с частотами порядка

(106- 107) Гц, во втором - волны в частотном диапазоне (20-75) кГц с

амплитудой (10-50) мкм. Ультразвуковые инструменты применяются для

рассечения мягких и костных тканей, позволяя при этом существенно

уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения. В

травматологии и ортопедии ультразвук используют для сварки сломанных

костей: при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой

пластмассой, заполняют пространство между костными обломками и под

действием ультразвука образуется их соединение.

Ультразвук применяется также в биологической и медицинской

лабораторной практике, в частности - для диспергирования биологических

Рис. 2.3.1. Изображение человеческого плода с помощью ультразвука

46

структур, для относительно тонких воздействий на структуру клеток, при

стерилизации инструментов и лекарственных веществ, для изготовления

аэрозолей, а также в бактериологии, иммунологии и т.д. для получения

ферментов и антигенов из бактерий и вирусов, изучения морфологических

особенностей и антигенной активности бактериальных клеток и др.

Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты

упругих волн значительно выше 20 кГц. Так, птицы болезненно реагируют на

ультразвуковые частоты более 25 кГц, что используется, например, для

отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при

своём полёте создают ультразвуковые волны.

Летучие мыши, имея совсем слабое зрение,

или вовсе не имея его, ориентируются в

полёте и ловят добычу методом

ультразвуковой локации. Они излучают

своим голосовым аппаратом ультразвуковые

импульсы (рис. 2.3.2) с частотой повторения

несколько Гц и несущей частотой 50-60 кГц. Рис. 2.3.2. Ультразвуковой импульс летучей мыши.

47

3. Атмосферное давление. Дыхание.

Воздушная оболочка, окружающая землию, называется атмосферой.

Сухой атмосферный воздух состоит из азота (78,2% по объему), кислорода

(20,8%), аргона (0,9%) и различных примесей: углекислого газа и инертных

газов, как криптон, гелий и др. (в среднем 0,1%). Высота атмосферы свыше

1000 км. Плотность атмосферного воздуха убывает по мере удаления от

поверхности земли, причем в нижних слоях значительно быстрее, чем в

верхних, например на высоте 50 км плотность воздуха примерно в 1000 раз

меньше, чем у поверхности земли. Более высокие слои атмосферы

представляют настолько разреженный газ, что установить верхнюю границу

атмосферы практически невозможно.

Атмосфера делится на три слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера — это нижний, наиболее важный для жизни человека слой атмо-

сферы, высотой в различных местах земной поверхности от 11 до 17 км. В

тропосфере сосредоточен весь находящийся в атмосфере водяной пар и

происходят процессы, обусловливающие погоду. Стратосфера простирается

до высоты 80 — 100 км. В стратосфере почти не содержится водяного пара,

но имеется большое количество озона. Над стратосферой расположена

ионосфера, представляющая сильно разреженный газ. Ионосфера находится

под действием излучения солнца и звезд, в нее из космического пространства

проникает много заряженных частиц, все это вызывает диссоциацию молекул

и ионизацию составляющих ее частиц газа.

Атмосфера значительно изменяет состав солнечного излучения, по-

глощая из него вредную для жизни коротковолновую часть — ультрафиоле-

товые лучи. Воздух рассеивает прямой солнечный свет, а также поглощает

тепловое излучение земли, чем улучшает условия сохранения теплоты, по-

лученной от солнца. Масса воздуха своим весом создает давление, которое

постепенно увеличивается к поверхности земли и около последней (на уров-

не моря) достигает величины, равной давлению столба ртути высотой

48

760 мм. На рис. 106, а показан схематически график убывания атмосферного

давления с высотой (на вертикальной оси отложена высота над поверхностью

земли, на горизонтальной — давление воздуха). На рис. 3.1, б показано

условно штриховкой соответствующее изменение плотности воздуха.

Атмосферное давление является нормальным условием для жизни человека.

Обычно оно не ощущается, так как действует на организм и снаружи, и

изнутри. Большая часть органов и тканей в организме содержит жидкости и

газы под давлением, приблизительно равным атмосферному. Исключение в

этом отношении составляет межплевральное пространство грудной клетки,

сердечно-сосудистая система и полости суставов. Сообщение этих полостей с

наружным воздухом нарушает нормальную деятельность организма.

Жизнедеятельность организма может сохраняться при довольно широких

изменениях окружающего давления: предел в этом отношении ставит

нарушение дыхания и кровообращения, которое при разрежении вызывает

так называемую высотную, или горную, болезнь, а при повышении давления

и последующем его резком падении — кессонную, или водолазную, болезнь.

В разреженном воздухе играет роль также недостаток кислорода,

получаемого организмом при дыхании. Постепенность изменения давления, а

также предварительная тренировка позволяют организму лучше

приспособиться к новым условиям. Атмосферное давление имеет большое

Рис. 3.1

49

значение в механизме легочного дыхания, которое заключается в том, что

при помощи соответствующих мышц, в основном, межреберных и

диафрагмы, происходит объемное расширение грудной клетки. При этом

давление воздуха, находящегося в легких, становится ниже атмосферного, и

под действием последнего определенный объем наружного воздуха входит

(засасывается) в легкие. Происходит вдох. Затем мышцы расслабляются,

объем грудной клетки уменьшается, давление воздуха в легких становится

выше атмосферного и часть находящегося в легких воздуха вытесняется

наружу. Происходит выдох. Грудная клетка может расшириться

одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях:

вертикальном, поперечном и переднезаднем. Увеличение объема грудной

клетки в вертикальном направлении осуществляется главным образом за счет

уплощения купола диафрагмы. Расширение грудной клетки в поперечном и

переднезаднем направлении осуществляется за счет движения ребер. Они

поднимаются вверх и несколько поворачиваются в сочленениях с

позвоночным столбом. Благодаря

дугообразной форме ребер и косому

их расположению при этом

увеличиваются размеры грудной

клетки. На рис. 3.2 схематически

показано положение стенок грудной

клетки: а—при выдохе и 6—при

вдохе. В механизме дыхания имеет

значение плевральное пространство

(щель между висцеральной плеврой,

покрывающей наружную

поверхность легких, и париетальной,

покрывающей внутреннюю

поверхность грудной полости).

Благодаря эластичности легочной Рис. 3.2

50

ткани легкие стремятся сократить свой объем, вследствие чего в плевральном

пространстве давление всегда несколько ниже атмосферного. Это давление

можно измерить непосредственно, если ввести между листками

висцеральной В и париетальной П плевры иглу, соединенную с водяным

манометром (рис. 3.3).

Средние величины

отрицательного давления в

плевральном пространстве

при вдохе—5—15 мм

ртутного столба (в

зависимости от глубины

вдоха), при выдохе—1—3

мм ртутного столба.

Если сообщить

плевральное пространство с

наружным воздухом, то при

вдохе последний будет

засасываться в это

пространство, раздвигая

листки плевры. Легкое при

этом сдавливается и

дыхание в нем нарушается. Подобное явление носит название

пневмоторакса и может иметь место при ранениях или хирур-гическом

вмешательстве на грудной клетке. Искусственный пневмоторакс является

одним из мероприятий при лечении легочного туберкулеза.

Рис. 3.3

51

4. Движение жидкости по трубкам с упругими стенками.

Система кровообращения

4.1. Основные принципы гемодинамики. Классификация сосудов.

Гемодинамика — раздел науки, изучающий механизмы движения

крови в сердечно-сосудистой системе. Он является частью гидродинамики

раздела физики, изучающего движение жидкостей. Согласно законам

гидродинамики, количество жидкости Q, протекающее через любую трубу,

прямо пропорционально разности давлений в начале р1 и в конце р2 трубы и

обратно пропорционально сопротивлению R тока жидкости:

Q=( р1 - р2 )/R

Если применить это уравнение к сосудистой системе, то следует иметь в

виду, что давление в конце данной системы, т. е. в месте впадения полых вен

в сердце, близко к нулю. В этом случае уравнение можно записать так:

Q= р/R,

где Q — количество крови, изгнанное сердцем в минуту; р— величина

среднего давления в аорте, R — величина сосудистого сопротивления.

Из этого уравнения следует, что р= QR, т. е. давление р в устье аорты

прямо пропорционально объему крови, выбрасываемому сердцем в артерии в

минуту Q и величине периферического сопротивления R. Давление в аорте р

и минутный объем крови Q можно измерить непосредственно. Зная эти

величины, вычисляют периферическое сопротивление — важнейший

показатель состояния сосудистой системы. Периферическое сопротивление

сосудистой системы складывается из множества отдельных сопротивлений

каждого сосуда. Любой из таких сосудов можно уподобить трубке,

сопротивление которой R определяется по формуле Пуазейля:

R=8lη/πr4,

где l — длина трубки; η— вязкость протекающей в ней жидкости; r— радиус

трубки.

52

Сосудистая система состоит из множества отдельных трубок,

соединенных параллельно и последовательно. При последовательном

соединении трубок их суммарное сопротивление равно сумме сопротивлений

каждой трубки:

R=R1+R2+R3+...+Rn

При параллельном соединении трубок их суммарное сопротивление

вычисляют по формуле:

R=1/(1/R1+1/R2+1/R3+...+1/Rn)

Точно определить сопротивление сосудов по этим формулам невозможно,

так как геометрия сосудов изменяется вследствие сокращения сосудистых

мышц. Вязкость крови также не является величиной постоянной. Например,

если кровь протекает через сосуды диаметром меньше 1 мм, вязкость крови

значительно уменьшается. Чем меньше диаметр сосуда, тем меньше вязкость

протекающей в нем крови. Это связано с тем, что в крови наряду с плазмой

имеются форменные элементы, которые располагаются в центре потока. При-

стеночный слой представляет собой плазму, вязкость которой намного

меньше вязкости цельной крови. Чем тоньше сосуд, тем большую часть

площади его поперечного сечения занимает слой с минимальной вязкостью,

что уменьшает общую величину вязкости крови. Теоретический расчет

сопротивления капилляров невозможен, так как в норме открыта только

часть капиллярного русла, остальные капилляры являются резервными и

открываются по мере усиления обмена веществ в тканях.

Из приведенных уравнений видно, что наибольшей величиной

сопротивления должен обладать капилляр, диаметр которого 5— 7 мкм.

Однако вследствие того, что огромное количество капилляров включено в

сосудистую сеть, по которой осуществляется ток крови, параллельно, их

суммарное сопротивление меньше, чем суммарное сопротивление артериол.

Основное сопротивление току крови возникает в артериолах. Систему

артерий и артериол называют сосудами сопротивления, или резистивными

сосудами.

53

Артериолы представляют собой тонкие сосуды (диаметром 15— 70

мкм). Стенка этих сосудов содержит толстый слой циркулярно

расположенных гладких мышечных клеток, при сокращении которого

просвет сосуда может значительно уменьшаться. При этом резко повышается

сопротивление артериол. Изменение сопротивления артериол меняет уровень

давления крови в артериях. В случае увеличения сопротивления артериол

отток крови из артерий уменьшается и давление в них повышается. Падение

тонуса артериол увеличивает отток крови из артерий, что приводит к

уменьшению артериального давления. Наибольшим сопротивлением среди

всех участков сосудистой системы обладают именно артериолы, поэтому

изменение их просвета является главным регулятором уровня общего

артериального давления. Артериолы — «краны сердечно-сосудистой

системы» (И. М. Сеченов). Открытие этих «кранов» увеличивает отток крови

в капилляры соответствующей области, улучшая местное кровообращение, а

закрытие резко ухудшает кровообращение данной сосудистой зоны.

Таким образом, артериолы играют двоякую роль: участвуют в

поддержании необходимого организму уровня общего артериального

давления и в регуляции величины местного кровотока через тот или иной

орган или ткань. Величина органного кровотока соответствует потребности

органа в кислороде и питательных веществах, определяемой уровнем

рабочей активности органа. В работающем органе тонус артериол

уменьшается, что обеспечивает повышение притока крови. Чтобы общее

артериальное давление при этом не снизилось в других (неработающих)

органах, тонус артериол повышается. Суммарная величина общего

периферического сопротивления и общий уровень артериального давления

остаются примерно постоянными, несмотря на непрерывное

перераспределение крови между работающими и неработающими органами.

О сопротивлении в различных сосудах можно судить по разности давления

крови в начале и в конце сосуда: чем выше сопротивление току крови, тем

большая сила затрачивается на ее продвижение по сосуду и, следовательно,

54

тем значительнее падение давления на протяжении данного сосуда. Как

показывают прямые измерения давления крови в разных сосудах, давление

на протяжении крупных и средних артерий падает всего на 10%, а в

артериолах и капиллярах — на 85%. Это означает, что 10% энергии,

затрачиваемой желудочками на изгнание крови, расходуется на продвижение

крови в крупных и средних артериях, а 85% — на продвижение крови в

артериолах и капиллярах.

Зная объемную скорость кровотока (количество крови, протекающее

через поперечное сечение сосуда), измеряемую в миллилитрах в секунду,

можно рассчитать линейную скорость кровотока, которая выражается в

сантиметрах в секунду. Линейная скорость v отражает скорость продвижения

частиц крови вдоль сосуда и равна объемной скорости Q, деленной на

площадь сечения кровеносного сосуда:

v =Q/πr2

Линейная скорость, вычисленная по этой формуле, есть средняя скорость. В

действительности линейная скорость различна для частиц крови,

продвигающихся в центре потока (вдоль продольной оси сосуда) и у

сосудистой стенки. В центре сосуда линейная скорость максимальна, около

стенки сосуда она минимальна в связи с тем, что здесь особенно велико

трение частиц крови о стенку. Объем крови, протекающей в 1 мин через

аорту или полые вены и через легочную артерию или легочные вены,

одинаков. Отток крови от сердца соответствует ее притоку. Из этого следует,

что объем крови, протекший в 1 мин через всю артериальную и всю

венозную систему большого и малого круга кровообращения, одинаков. При

постоянном объеме крови, протекающей через любое общее сечение

сосудистой системы, линейная скорость кровотока не может быть

постоянной. Она зависит от общей ширины данного отдела сосудистого

русла. Это следует из уравнения, выражающего соотношение линейной и

объемной скорости: чем больше общая площадь сечения сосудов, тем

меньше линейная скорость кровотока. В кровеносной системе самым узким

55

местом является аорта. При разветвлении артерий, несмотря на то, что

каждая ветвь сосуда уже той, от которой она произошла, наблюдается

увеличение суммарного русла, так как сумма просветов артериальных ветвей

больше просвета разветвившейся артерии. Наибольшее расширение русла

отмечается в капиллярной сети: сумма просветов всех капилляров примерно

в 500—600 раз больше просвета аорты. Соответственно этому кровь в

капиллярах движется в 500—600 раз медленнее, чем в аорте.

В венах линейная скорость кровотока снова возрастает, так как при

слиянии вен друг с другом суммарный просвет кровяного русла суживается.

В полых венах линейная скорость кровотока достигает половины скорости в

аорте. В связи с тем, что кровь выбрасывается сердцем отдельными

порциями, кровоток в артериях имеет пульсирующий характер, поэтому

линейная и объемная скорости непрерывно меняются: они максимальны в

аорте и легочной артерии в момент систолы желудочков и уменьшаются во

время диастолы. В капиллярах и венах кровоток постоянен, т. е. линейная

скорость его постоянна. На превращении пульсирующего кровотока в

постоянный влияют значение свойства артериальной стенки. Непрерывный

ток крови по всей сосудистой системе обусловливают выраженные упругие

свойства аорты и крупных артерий. В сердечно-сосудистой системе часть

кинетической энергии, развиваемой сердцем во время систолы, затрачивается

на растяжение аорты и отходящих от нее крупных артерий. Последние

образуют эластическую, или компрессионную, камеру, в которую поступает

значительный объем крови, растягивающий ее; при этом кинетическая

энергия, развитая сердцем, переходит в энергию эластического напряжения

артериальных стенок. Когда систола заканчивается, растянутые стенки

артерий стремятся спасаться и проталкивают кровь в капилляры,

поддерживая кровоток во время диастолы.

С позиций функциональной значимости для системы кровообращения

сосуды подразделяются на следующие группы:

56

1. Упруго-растяжимые — аорта с крупными артериями в большом круге

кровообращения, легочная артерия с ее ветвями — в малом круге, т. е.

сосуды эластического типа.

2. Сосуды сопротивления (резистивные сосуды) — артериолы, в том числе

и прекапиллярные сфинктеры, т. е. сосуды с хорошо выраженным

мышечным слоем.

3. Обменные (капилляры) — сосуды, обеспечивающие обмен газами и

другими веществами между кровью и тканевой жидкостью.

4. Шунтирующие (артериовенозные анастомозы) — сосуды, обес-

печивающие «сброс» крови из артериальной в венозную систему сосудов,

минуя капилляры.

5. Емкостные — вены, обладающие высокой растяжимостью. Благодаря

этому в венах содержится 75—80% крови.

Процессы, протекающие в последовательно соединенных сосудах,

обеспечивающие циркуляцию (кругооборот) крови, называют системной

гемодинамикой. Процессы, протекающие в параллельно подключенных к

аорте и полым венам сосудистых руслах, обеспечивая кровоснабжение

органов, называют регионарной, или органной, гемодинамикой.

4.2. Физические закономерности движения крови в сердечно-сосудистой

системе.

Для того чтобы подойти к физическим закономерностям движения

крови в сердечно-сосудистой системе, рассмотрим движение вязкой

жидкости в системе из разветвленных трубок с упругими стенками,

происходящее под действием ритмически работающего насоса. Подобная

система изображена схематически на рис. 4.1.

57

Периодическая работа насоса в системе трубок •с жесткими стенками

вызвала бы пульсирующее течение жидкости. Однако в системе трубок с

достаточно упругими стенками течение жидкости может иметь и

непрерывный характер. Указанное явление показано схематически на рис.

4.1. При сжатии резиновой груши, которая выполняет роль насоса, некоторое

количество жидкости поступает в начальную трубку А системы, уже

заполненную жидкостью под некоторым давлением. Упругие стенки трубки

растягиваются и трубка вмещает избыток жидкости (рис. 4.1, а). Затем

стенки трубки А постепенно сокращаются и прогоняют избыток жидкости

дальше по системе трубок (рис. 4.1, б). В конце концов избыток жидкости

собирается в трубку Б и поступает обратно в насос при его расширении.

Кроме упругости стенок, особенностью приведенной на рис. 4.1

системы является множественное разветвление трубок, особенно в средней

части системы. По мере разветвления общее поперечное сечение трубок

возрастает и, следовательно, скорость движения жидкости уменьшается.

Однако вследствие того, что разветвление состоит из множества узких тру-

бок, в связи с большим увеличением потерь на трение о стенки, сопро-

тивление движению жидкости в этой части системы не уменьшается, а,

наоборот, увеличивается. Физически сосудистая система организма может

быть уподоблена замкнутой системе разветвленных трубок с упругими

стенками. Отдельные части этой системы можно уподобить

Рис. 4.1

58

соответствующим сосудам: артериям, артериолам (мелкие артерии) и

капиллярам, затем венулам (мелкие вены) и венам.

Начальное давление, необходимое для продвижения крови по всей

сосудистой системе, создается работой сердца, выполняющего роль насоса.

Это давление затем постепенно расходуется на преодоление сопротивления

движению крови по всей системе. Рассмотрим схематически явления,

происходящие в большом круге кровообращения. При каждом сокращении

левого желудочка сердца в аорту (уже заполненную кровью под

определенным давлением) выталкивается 60—70 см3 крови. Затем клапаны

желудочка закрываются. Поступивший в аорту дополнительный объем

крови растягивает стенки и давление в ней повышается. Сокращаясь,

стенки аорты проталкивают кровь в последующие звенья сосудистой

системы (артерии и артериолы), стенки которых в свою очередь сначала

растягиваются, а затем сокращаются. В результате по сосудам пробегает

волна растяжения и сокращения стенок, которая обнаруживается как

пульсация сосудов. Пульсовая волна является упругой волной, скорость

распространения которой зависит от упругих свойств сосудистой стенки и не

связана со скоростью движения крови. Скорость пульсовой волны

составляет 8—10 м/сек. В связи с периодическим выбрасыванием из сердца

в аорту некоторого количества крови давление в аорте колеблется между

некоторым максимальным значением, соответствующим моменту

закрывания клапанов желудочка и наибольшему растяжению стенок аорты,

и некоторым минимальным значением, соответствующим моменту

открывания клапанов, т. е. прохождению выброшенной в аорту крови в

последующие отделы сосудистой системы и полному сокращению стенок

аорты. В более мелких артериях колебания давления крови постепенно

сглаживаются и в артериолах полностью затухают. Движение крови в

сосудистой системе имеет непрерывный характер и в нормальных условиях

является ламинарным. Скорость движения крови относительно невелика и

составляет, например, в аорте только около 0,5 м/сек. В остальных сосудах

59

она меньше. Кровь представляет собой довольно вязкую жидкость, поэтому,

несмотря на невысокую скорость движения, ток крови встречает в

сосудистой системе относительно значительное сопротивление. В различных

частях сосудистой системы оно не одинаково, что зависит, с одной стороны,

от общей площади сечения (просвета) и, с другой — от общей внутренней

поверхности или, другими словами, от общего периметра разветвленных

сосудов, по которым кровь протекает одновременно, параллельным потоком.

Соответственно преодолеваемому сопротивлению падает и давление крови.

Наибольшее падение давления крови происходит в артериолах и отчасти в

капиллярах.

Общее количество артериол имеет порядок нескольких сотен тысяч,

согда как общая площадь их сечения только в 3—4 раза больше площади

сечения аорты. Скорость движения крови в них также относительно велика.

Благодаря этому потери на трение о стенки сосудов являются весьма

высокими. В связи с этим общее сопротивление движению крови в арте-

риолах велико и падение давления составляет около половины общего

падения давления во всей сосудистой системе. Общая площадь сечения

капилляров намного превышает площадь сечения артериол, поэтому

скорость движения крови в них снижается почти до нуля. Длина капилляров

незначительна (доли миллиметра). Поэтому, несмотря на то, что число

капилляров превышает число артериол также в сотни тысяч раз, общее

сопротивление движению крови в них меньше, чем в артериолах, в среднем в

2—3 раза. Соответственно сопротивлению движения распределяется и

градиент давления: наибольшее падение давления происходит в артериолах,

затем в капиллярах.

60

В сети венозных сосудов,

площадь сечения которых в

среднем в 2 раза больше пло-

щади сечения, соответствующих

артерий, скорость течения крови

невысока и сопротивление

движению крови,

следовательно, и градиент

давления незначительны. В

крупных венах около сердца

давление становится меньше

атмосферного. Кровь в этих

условиях движется под

влиянием присасывающего

действия грудной клетки (во

время вдоха). Таким образом,

скорость движения крови

наибольшая в аорте, дальше по

ходу артерий падает, в области

капилляров доходит до

минимальной величины, затем в

венозной сети постепенно

повышается. На рис. 4.2 схематически изображено распределение давления

крови в отдельных частях системы сосудов большого круга кровообращения

человека, находящегося в горизонтальном положении. Таблица 4.1

Сосуды Внутренний диаметр, мм Скорость, см/с Давление, мм рт. ст.

Аорта 20 50 50—150 (среднее 100)

Артерии 10—5 50—20 80—120 (среднее 100)

Рис. 4.2

61

Артериолы 0,1—0,5 20—1,0 50—20 Капилляры 0,5+0,01 0,05—0,1 20—10 Венулы 0,1—0,2 0,1—1,0 10—5 Вены От 10 до 30 10—20 От +5 до —5

Величины давления и скорости движения крови, а также диаметр

сосудов в различных отделах сосудистой

системы приведены в табл. 4.1.

На рис. 4.3 приведены графики

изменения давления и скорости дви-

жения крови в основных частях

сосудистой системы (аорта и крупные

артерии, артериолы, капилляры, венулы,

крупные вены).

Движение крови по сосудистой

системе обусловливается, кроме работы

сердца (его производительностью в

качестве насоса), также и состоянием

сосудистой системы. В этом отношении основное значение имеет общий

просвет сосудов, а также упругость сосудистых стенок. Имеет значение

также общее количество циркулирующей крови и ее вязкость. Все эти

факторы в организме находятся под влиянием центральной нервной системы,

которая и регулирует кровообращение. Влияние центральной нервной

системы может во многих случаях оказаться сильнее, чем рассмотренные

выше физические закономерности, и значительно изменить общую картину

кровообращения как в организме в целом, так и в отдельных его областях

или органах.

Сужение просвета сосудов вызывает значительное повышение сопро-

тивления движению крови. Для его преодоления необходимо более высокое

начальное давление. Соответственно регулирующие механизмы центральной

нервной системы заставляют сердце усиливать его работу, давление в аорте и

крупных артериях повышается. Подобное состояние имеет место, например,

ляры

* Полая вена при впадении в сердце

мм рт.ст.

Рис.4.3

62

при гипертонической болезни. Наоборот, значительное расширение просвета

мелких сосудов, особенно артериол, понижает сопротивление движению

крови и ведет к понижению давления в аорте и крупных сосудах, что дает

состояние гипотонии и т. п.

Выше мы рассматривали движение жидкости по горизонтальным

трубкам и поэтому нигде не учитывали влияние гидростатического давления

от веса самой жидкости. В сосудистой системе человека сосуды рас-

положены в самых различных направлениях, в том числе и вертикальном.

Однако сосудистая система является замкнутой и не имеет сообщения с

внешней атмосферой. При этом артериальные и венозные сосуды, по

которым кровь двигается в противоположных, направлениях, расположены

большей частью параллельно. Кроме того, эти сосуды сообщаются между

собой через капиллярную сеть. Поэтому в первом приближении можно

считать, что гидростатическое давление крови в них взаимно уравнивается и,

следовательно, влияние его может не учитываться.

Гидростатическое давление жидкости уравновешивается полностью в

сообщающихся сосудах с жесткими стенками. В кровеносных сосудах стенки

упругие, причем у вен менее упругие, чем у артерий. Благодаря этому

гидростатическое давление может способствовать замедлению течения или

застою крови в венах, особенно на нижних конечностях, что и имеет иногда

место в действительности. Возможность обратного движения крови в венах

предупреждается наличием в них клапанов, допускающих движение крови

только в одном направлении—сердцу.

Гидростатическое давление крови может проявиться при нарушении

целости стенки кровеносных сосудов, особенно на конечностях, например в

результате их ранения. Общеизвестно, что в этом случае для ослабления

кровотечения рекомендуется придавать конечности возвышенное положение.

63

5.Функции теплоты в биологических системах

5.1. Теплопроводность некоторых тканей живых организмов

Теплопроводностью называется процесс уравнивания интенсивности

теплового движения в местах с более высокой и с более низкой его

интенсивностью путем непосредственного взаимодействия частиц.

Постепенно в процессе взаимодействия теплота распространяется по всему

рассматриваемому телу или системе тел. При нагревании тел часто

используется процесс теплопроводности. Большей частью при этом на тело

воздействуют нагретой средой — раскаленными продуктами сгорания. При

постепенном распространении тепла в теле устанавливается некоторая

разность температур.

Количество теплоты q, передаваемое путем теплопроводности в еди-

ницу времени между двумя равными и параллельными сечениями (или

поверхностями) тела, зависит от его природы, прямо пропорционально

площади S и разности температур t2 и t1 этих сечений и обратно пропор-

ционально расстоянию l между ними:

lttSkq 21

1−

= ,

где k1 - коэффициент теплопроводности, характеристика вещества, из

которого состоит тело.

Коэффициентом теплопроводности называют количество теплоты,

которое проходит в течение единицы времени через единичную площадку,

выделенную в слое вещества единичной толщины при разности температур в

1°С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Ксм

Дж**

, внесистемная

единица измерения - градссм

кал**

.

Теплопроводность различных веществ отличается в весьма широких

пределах. Высокой теплопроводностью обладают металлы, что обусловлено

наличием в них свободных электронов. Последние, благодаря возможности

64

свободного движения между ионами, значительно ускоряют процесс

распространения теплового движения по всему металлу. Коэффициенты

теплопроводности некоторых веществ приведены в таблице 5.1.

Коэффициент теплопроводности влажных материалов значительно

повышается, приближаясь к соответствующему значению для воды.

Теплопроводность тканей организма различна. Это имеет значение как

для распределения между ними тепла, так и для теплообмена организма с

окружающей средой. Основное различие имеется между жидкими тканями

(тканевая жидкость, плазма крови и т. п.) и плотными (соединительная,

жировая ткань и т. п.). Теплопроводность жидких тканей близка к

теплопроводности воды, теплопроводность плотных — к теплопроводности

воздуха. Отношение теплопроводности некоторых тканей kТ организма к теп-

лопроводности воздуха kв указано в Табл. 5.2. Благодаря относительно

высокой теплопроводности тканевой жидкости и непрерывной циркуляции

крови и лимфы по всему организму температура отдельных тканей и органов

уравнивается, остается только известная разность температуры между

поверхностью кожи и глубоко лежащими тканями. Кожа и подкожножировая

клетчатка служат хорошим теплоизолирующим слоем. Этим

Таблица 5.1

65

предупреждается значительная потеря тепла в окружающую среду.

Температура поверхности кожи (29—30°) несколько ниже температуры в

глубине организма. Большое значение для сохранения тепла и

теплорегуляции организма имеет слой внешней среды, примыкающий

непосредственно к коже, в котором и происходит главный теплообмен с

окружающей средой. У большинства животных этим слоем является

волосяной покров (мех или перья), у человека — одежда.

Теплоизолирующие свойства волосяного покрова или одежды связаны

с воздушной прослойкой, которая содержится в них. Из таблицы 5.2 видно,

что по сравнению с другими веществами, воздух имеет наименьшую

теплопроводность, чем и обусловливаются его теплоизолирующие свойства.

Необходимым условием при этом является также неподвижность и сухость

воздуха. Как циркуляция (конвекция), так и влажность воздуха значительно

нарушают его теплоизолирующие свойства.

5.2. Тепловой баланс организма.

В технических энергетических системах, как, например, тепловых

машинах, энергия получается за счет сгорания, т. е. окисления различных

содержащих углерод веществ (древесина, каменный уголь, нефть). При

горении освобождается часть потенциальной энергии связей между атомами,

образующими сложную молекулу горючего вещества. Окисляясь, это

вещество превращается в ряд более простых соединений, для которых

Таблица 5.2

66

потенциальная энергия связи между атомами в молекуле значительно

меньше, чем в сложном исходном веществе. Освобождающаяся энергия

вызывает повышение интенсивности молекулярного движения частиц

конечных продуктов реакции (при полном сгорании — углекислый газ и

водяной пар). Эту энергию можно затем превратить в механическую

энергию, в энергию электрического тока и т. д. Таким образом, в конечном

итоге все эти энергетические системы работают за счет внутренней энергии

сжигаемого топлива. Способность вещества выделять при сгорании теплоту

называется его теплотворной способностью топлива или теплотворностью.

Теплотворность характеризуется количеством теплоты, выделяющимся при

полном сгорании единицы массы вещества. Теплотворность некоторых видов

топлива приведена в Табл. 5.3

Организм животных и человека является также энергетической си-

стемой, в которой вырабатываются различные виды энергии за счет окис-

ления пищевых продуктов. В организме также происходит преобразование

внутренней энергии принятых в виде пищи веществ в другие виды энергии,

например в механическую, во внутреннюю энергию теплового движения

частиц организма. Механическая энергия расходуется на всевозможные виды

движения организма и совершаемую им работу, теплота необходима для

поддержания нормальной жизнедеятельности организма и на покрытие

непрерывной теплоотдачи в окружающую среду. Энергетический баланс

живого организма составляется на основании первого начала

Таблица 5.3

67

термодинамики. Для составления баланса надо измерить энергию, которую

организм получает при усвоении пищи, теплоту, которую он теряет в

окружающую среду, и механическую работу, которую он совершает. Все это

учитывается за какой-то определенный период времени, обычно за сутки.

Пища, которая вводится в организм, покрывает его различные нужды. Часть

веществ идет на замену износившихся тканей, часть веществ, особенно у

молодых организмов, затрачивается на рост, часть может откладываться в

виде известных запасов (например, гликоген в печени, жир в подкожной

клетчатке) и т. п. Накопление жира является уже изменением (в

рассматриваемом случае — приращением) внутренней энергии организма,

которую при неблагоприятных условиях он может затем израсходовать.

Однако в зрелом возрасте и при нормальной жизнедеятельности организма

можно считать, что усваиваемая пища идет только на покрытие текущих

энергетических расходов, т. е. расходов на теплоотдачу и на совершаемую

организмом работу. В этих условиях изменения внутренней энергии

организма не происходит. Живые организмы потребляют пищу с известной

периодичностью. Поэтому в определенные периоды времени энергетический

баланс организма несколько колеблется. Энергетическое равновесие

организма представляет собой динамическое равновесие. В периоды, когда

количество энергии, выделяющееся из пищи, превышает энергетические

расходы, в организме может образовываться временный избыток энергии,

вызывающий некоторое повышение температуры организма. Это можно

сравнить с приращением внутренней энергии термодинамической системы.

Затем, однако, равновесие постепенно восстанавливается. В целом можно

считать, что за достаточно длительный период изменения внутренней

энергии в организме не происходит (∆Е = 0). Поэтому применительно к

установившемуся энергетическому (тепловому) равновесию организма

первое начало термодинамики может быть сформулировано следующим

образом: количество энергии, освобождающееся в организме при усвоении

68

пищи, расходуется во внешнюю среду путем теплоотдачи, а также

затрачивается на совершаемую организмом механическую работу.

Если обозначить через Е энергию, освобожденную в организме при усвоении

пищи за определенный промежуток времени, через (Q—количество тепла,

отданное организмом за это же время во внешнюю среду, и через А —

работу, совершенную организмом в течение рассматриваемого периода, то

Е = Q + A. Экспериментальная проверка уравнения теплового баланса орга-

низма или, иначе говоря, доказательство применимости к живому организму

первого начала термодинамики, требует точного измерения как энергии,

поступающей в организм при усвоении пищи, так и энергии, отдаваемой во

внешнюю среду путем теплоотдачи или затрачиваемой при совершении

механической работы. По результатам эксперимента теплотворность

составных частей пищи, определенная калориметрически, в среднем

составила: для углеводов 4000 ккал/кг; для жиров 9000 ккал/кг и для белков

4100 ккал/кг (белки при полном сгорании дают 5400 ккал/кг, но в организме

они окисляются не полностью). Непосредственное измерение теплоотдачи

организма в окружающую среду также определяли с помощью калориметра.

Однако сздание калориметров для живых организмов является непростой

задачей. Сначала были созданы калориметры для животных, а затем и для

человека.

Рис. 5.1

69

Устройство калориметра для мелких животных изображено схема-

тически на рис. 5.1. Калориметр состоит из камеры с двойными, хорошо

теплоизолированными стенками. Через камеру пропускается воздух,

количество которого точно измеряется. Измеряется также температура и

влажность воздуха при поступлении в камеру и при выходе из нее. Эти

данные позволяют установить теплоотдачу животных через воздушную

среду, т. е. путем теплопроводности, конвекции и испарения. Для измерения

теплоотдачи путем излучения, которое поглощается внутренними стенками

камеры, служат два воздушных промежутка между двойными стенками

камеры. Соединенный с этими пространствами манометр используется в

качестве газового термометра, измеряющего разницу температур между

ними. По его показаниям можно вычислить теплоту, поглощаемую

внутренними стенками камеры.

5.3. Физические основы терморегуляции организма.

5.3.1. Температура тела

Температура тела человека и высших животных поддерживается на

относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры

окружающей среды. Это постоянство температуры тела носит название

изотермии. Изотермия свойственна только гомойотермным, или

теплокровным, животным. У пойкилотермных, или холоднокровных,

животных, температура тела которых переменна и мало отличается от

температуры окружающей среды, она отсутствует. Изотермия в процессе

онтогенеза развивается постепенно. У новорожденного ребенка способность

поддерживать постоянство температуры тела далеко не совершенна.

Вследствие этого может наступить охлаждение (гипотермия) или

перегревание (гипертермия) организма при таких температурах окружающей

среды, которые не оказывают влияния на взрослого человека. Равным

70

образом даже небольшая мышечная работа, например, связанная с

длительным криком ребенка, может повысить температуру тела. Организм

недоношенных детей еще менее способен поддерживать постоянство

температуры тела, которая у них в значительной мере зависит от

температуры среды обитания. Температура органов и тканей, как и всего

организма в целом, зависит от интенсивности производства тепла и от

величины теплоотдачи. Выделение тепла происходит вследствие непрерывно

совершающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех

органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах,

производящих активную работу — в мышечной ткани, печени, почках,

выделяется большее количество тепла, чем в менее активных:

соединительной ткани, костях, хрящах. Потеря тепла органами и тканями

зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно

расположенные органы, например кожа, скелетные мышцы, отдают больше

тепла и охлаждаются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от

охлаждения. Отсюда следует, что температура разных органов различна.

Например, печень, расположенная глубоко внутри тела и дающая большую

теплопродукцию, имеет у человека более высокую и постоянную

температуру (37,8—38)°С по сравнению с кожей, температура которой

значительно ниже (на покрытых одеждой участках (29,5—33,9)°С) и в

большей мере зависит от окружающей среды. Следовательно, изотермия

присуща главным образом внутренним органам и головному мозгу.

Поверхность же тела и конечности, температура которых может несколько

изменяться в зависимости от температуры окружающей среды, являются в

некоторой мере пойкилотермными. При этом различные участки кожной

поверхности имеют неодинаковую температуру. Обычно относительно выше

температура кожи туловища и головы (33—34 °С). Температура конечностей

ниже, причем она наиболее низкая в дистальных отделах. Отсюда седует, что

понятие «постоянная температура тела» является условным. Лучше всего

среднюю температуру организма как целого характеризует температура

71

крови в наиболее крупных сосудах, так как циркулирующая в них кровь

нагревается в активных тканях (тем самым, охлаждая их) и охлаждается в

коже (одновременно согревая ее). О температуре тела человека судят обычно

по ее измерению в подмышечной впадине. Здесь у здорового человека

температура равна (36,5—36,9)°С. В клинике часто (особенно у грудных

детей) измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в

подмышечной впадине, и равна у здорового человека в среднем (37,2 —

37,5)°С. Температура тела колеблется в течение суток в пределах 0,5—0,7 °С.

Покой и сон понижают температуру, мышечная деятельность повышает ее.

Максимальная температура тела наблюдается в (4—6) часов вечера,

минимальная — в (3—4) часа утра. У рабочих, длительно работающих в

ночных сменах, колебания температуры могут быть обратными. Постоянство

температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства

теплопродукции и теплоотдачи всего организма. Это достигается с помощью

физиологических механизмов терморегуляции.

5.3.2. Терморегуляция

Совокупность процессов, обеспечивающих постоянную температуру

тела у теплокровных животных и человека, называется терморегуляцией.

Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую.

Терморегуляция обеспечивается целым рядом физиологических меха-

низмов, регулирующих, с одной стороны, производство тепла

(теплопродукцию) внутри организма, с другой — теплоотдачу в

окружающую среду. Химическая терморегуляция осуществляется путем

изменения уровня теплопродукции, т. е. усиления или ослабления

интенсивности обмена веществ в клетках организма. В настоящем разделе

подробнее остановимся на физической терморегуляции. Для поддержания

постоянной температуры тела необходимо, чтобы в каждый данный период

72

времени теплопродукция соответствовала теплоотдаче в окружающую среду.

В нормальных условиях в организме не должно происходить ни накопления

теплоты, ни ее избыточного расходования, которое может вызвать

чрезмерное охлаждение организма. Терморегуляция может осуществляться

путем изменения, как теплопродукции, так и теплоотдачи. Регуляция

теплопродукции в организме происходит в относительно небольших

пределах, главным образом в сторону ее повышения при низких

окружающих температурах за счет усиления окислительных процессов,

преимущественно в мышцах. Основная терморегуляция происходит за счет

изменения теплоотдачи, которое является более тонким и действующим в

более широких пределах терморегуляционным механизмом.

Теплоотдача организма в окружающую среду осуществляется тремя

путями: а) теплопроводностью и конвекцией, б) излучением и в) испарением.

Количественное соотношение между теплоотдачей каждым из этих путей

зависит при прочих равных условиях главным образом от температуры и

влажности окружающей среды. При этом под окружающей средой следует

понимать не только среду, непосредственно соприкасающуюся с

поверхностью организма (например, воздух, вода и т. п.), но и тела,

находящиеся на расстоянии от него, если последние могут участвовать в

теплообмене путем излучения (например, стены помещения, мебель и т. п.).

Теплоотдача в окружающую среду теплопроводностью и конвекцией в

обычных условиях осуществляется через воздух. Воздух обладает весьма

малой теплопроводностью, однако конвекция воздуха может значительно

усиливать потерю тепла. Кроме того, конвекция воздуха способствует

испарению влаги с поверхности кожи. Для уменьшения конвекции стараются

ограничить возможность движения воздуха. Для этого на тело надевают

одежду, и стены жилища изолируют пористыми материалами, содержащими

по возможности неподвижный воздух. Теплоотдача путем излучения

происходит главным образом с наружной поверхности одежды и некоторых

открытых поверхностей тела. Теплоизлучение происходит в направлении

73

поверхностей окружающих предметов, которые имеют обычно температуру,

более низкую, чем у кожи или наружных слоев одежды. Испарение

происходит с поверхности кожи и с поверхности легочных альвеол.

Выдыхаемый воздух имеет температуру (31—33)° (до 35°) и насыщен

водяным паром (количество влаги в нем составляет около 35 мг/л). В среднем

в сутки человек выдыхает (275—300) г водяного пара, на испарение которого

затрачивается (150—200) ккал. При мышечной, работе эти данные

значительно повышаются.

С поверхности кожи в средних условиях в сутки испаряется от 400 до

1000 г (в среднем 600 г) пота, что дает потерю тепла еще в (220— 540) ккал в

сутки. Эти данные относятся к нормальному потоотделению при температуре

окружающей среды (16—18)°. При повышении температуры или при

интенсивной мышечной работе оно значительно возрастает и становится

главным источником теплоотдачи. Потоотделение увеличивает теплоотдачу

также вследствие того, что влажность повышает теплопроводность как самой

кожи, так и одежды, насыщая воздух, заполняющий ее поры. В среднем в

условиях умеренного климата теплоотдача различными путями составляет: а)

теплопроводностью и конвекцией — 30%, б) излучением — до 45%, в)

испарением — около 20% и около 5% с отбросами организма. При высокой

температуре окружающей среды основная роль в теплоотдаче переходит к

испарению до (80—90)%.

Физическая терморегуляция состоит в основном в изменении темпе-

ратуры поверхности кожи (путем изменения ее кровоснабжения), а также в

изменении интенсивности потоотделения. При этом соответственно из-

меняется и теплоотдача в окружающую среду. Изменение температуры по-

верхности кожи и интенсивности потоотделения достигается в организме с

помощью физиологического механизма терморегуляции через посредство

нервной системы: при понижении внешней температуры сосуды кожи су-

живаются и потоотделение уменьшается, соответственно снижается и тепло-

74

отдача. При повышении внешней температуры сосуды кожи расширяются и

потоотделение усиливается, соответственно увеличивается теплоотдача.

5.3.3. Гипотермия и гипертермия

Если человек длительное время находится в условиях значительно

повышенной или пониженной температуры окружающей среды, то

механизмы физической и химической регуляции тепла, благодаря которым в

обычных условиях сохраняется постоянство температуры тела, могут

оказаться недостаточными: происходит перегревание тела—гипертермия или

переохлаждение— гипотермия. Гипотермия — состояние, при котором

температура тела устанавливается ниже 35 °С. Быстрее всего гипотермия

возникает при погружении в холодную воду. При этом вначале наблюдается

возбуждение симпатического отдела вегетативной нервной системы,

рефлекторно ограничивается теплоотдача и усиливается теплопродукция.

Этому способствуют сокращения мышц — мышечная дрожь. Через

некоторое время температура тела все же начинает падать. При этом

наблюдается состояние, подобное наркозу: исчезновение чувствительности,

ослабление рефлекторных реакций, понижение возбудимости нервных

центров. Резко понижается интенсивность обмена веществ, замедляется

дыхание, становятся реже сердечные сокращения, снижается сердечный

выброс, понижается артериальное давление (при температуре тела (24—

25)°С оно может снизиться до (15—20)% от исходного). В последние годы

искусственно создаваемая гипотермия с охлаждением тела до (24—28)°С

вошла в практику хирургических клиник, осуществляющих операции на

сердце и ЦНС. Смысл этого мероприятия состоит в том, что гипотермия

значительно снижает обмен веществ головного мозга и его потребность

кислороде. Поэтому становится переносимым более длительное

обескровливание мозга (вместо 3—5 мин при нормальной температуре до

(15—20) мин при (25—28)°С). Это означает, что при гипотермии больные

75

легче переносят временное выключение сердечной деятельности и остановку

дыхания. Гипотермию прекращают путем быстрого согревания тела. Для

того, чтобы исключить начальные приспособительные реакции,

направленные на поддержание температуры тела при искусственной

гипотермии, применяют препараты, выключающие передачу импульсов в

симпатическом отделе вегетативной нервной системы (ганглиоплегические

препараты) и прекращающие передачу импульсов от нервов скелетным

мышцам (миорелаксанты). При относительно кратковременных и не

чрезмерно интенсивных воздействиях холода на организм изменений

теплового баланса и понижения температуры внутренней среды не

происходит. В то же время это способствует развитию простудных

заболеваний и обострению хронических воспалительных процессов. В этой

связи важную роль приобретает закаливание организма. Закаливание

достигается повторными воздействиями низкой температуры возрастающей

интенсивности. У ослабленных людей закаливание следует начинать с

водных процедур нейтральной температуры (32 °С) и понижать температуру

на 1°С через каждые 2—3 дня. После прекращения тренировки закаливание

исчезает, поэтому выполнение режима закаливания должно быть

непрерывным. Эффект закаливания проявляется не только при водных

процедурах, но и при воздействии холодного воздуха. При этом закаливание

происходит быстрее, если воздействие холода сочетается с активной

мышечной деятельностью.

Гипертермия — состояние, при котором температура тела поднимается

выше 37°С. Она возникает при продолжительном действии высокой

температуры окружающей среды, особенно при влажном воздухе, и,

следовательно, небольшом эффективном потоотделении. Гипертермия может

возникать и под влиянием некоторых эндогенных факторов, усиливающих в

организме теплопродукцию (тироксин, жирные кислоты и др.). Резкая

гипертермия, при которой температура тела достигает (40—41)°С,

сопровождается тяжелым общим состоянием организма и носит название

76

теплового удара. От гипертермии следует отличать изменения температуры,

когда внешние условия не изменены, но нарушается сам процесс

терморегуляции, чаще всего под влиянием микроорганизмов. Примером

такого нарушения является инфекционная лихорадка. Одной из причин ее

возникновения является то, что гипоталамические центры регуляции

теплообмена обладают высокой чувствительностью к некоторым

химическим соединениям, в частности к бактерийным токсинам. Введение

непосредственно в область переднего гипоталамуса минимального

количества бактерийного токсина сопровождается многочасовым

повышением температуры тела.

5.4. Физические основы лечения при помощи нагретых сред.

Во многих случаях с лечебной целью бывает необходимо изменить

температуру (вернее, тепловое состояние) той или иной области организма, а

иногда и организма в целом. В качестве лечебных применяются обычно

тепловые, т. е. повышающие температуру организма, процедуры. В

хирургической практике для обезболивания и наркоза применяется общее

или местное охлаждение. Применяемые в медицине теплолечебные

процедуры могут быть отнесены к обоим из указанных выше методов

изменения теплового баланса организма. Тепловые воздействия с помощью

электрического тока (или электромагнитного поля) ультравысокой частоты

могут быть отнесены к методам изменения теплопродукции, так как теплота

при этом выделяется преимущественно во внутренних, глубоко лежащих

тканях организма, аналогично тому, как это имеет место и при обменных

процессах. Ко второму методу, т. е. изменению теплообмена с окружающей

средой, относятся процедуры, вызывающие нагревание организма за счет

действия внешних нагретых сред.

В настоящем разделе мы остановимся на тепловых воздействиях,

осуществляемых с помощью нагретых сред, в которые помещается

77

подлежащая воздействию область организма. Среды, применяемые для

теплолечения, выбираются с такими тепловыми свойствами, которые

позволяют создать в них значительный запас теплоты.

Эта теплота затем должна медленно передаваться организму во все

время процедуры. Следовательно, среда должна иметь возможно высокую

теплоемкость и сравнительно низкую теплопроводность (включая сюда и

конвекционную способность). Для теплолечения в основном применяют

следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи, парафин и др. Все эти

вещества отличаются высокой теплоемкостью (особенно вода) и низкой

теплопроводностью (особенно воздух). Вода и воздух имеют высокую

конвекционную способность, в остальных средах конвекция практически

отсутствует. Теплоемкость и теплопроводность этих сред приведены в

таблице 5.4.

Воздух при тепловых процедурах применяется в форме местных

суховоздушных ванн. Для этого часть тела, подлежащая воздействию,

например рука (рис. 5.2), помещается

в специальный деревянный футляр,

через который пропускается сухой,

нагретый тем или иным способом

воздух. Благодаря исключительно

низкой теплопроводности воздух

может быть нагрет до высокой

Таблица 5.4

Рис. 5.2

78

температуры (60—70°) без опасности вызвать ожог кожи.

Вода при тепловых процедурах применяется в виде общих и местных

ванн, температура которых доходит до 40°. Вода может содержать зна-

чительный запас теплоты, но сравнительно быстро его отдает вследствие

высокой конвекционной способности. Торф и лечебные грязи обладают не

только тепловым, но и химическим лечебным действием за счет всасывания

из них некоторых веществ через кожу. Тепловые свойства этих сред близки к

воде, но отсутствие конвекции создает значительную разницу в температуре

слоя, непосредственно прилегающего к коже, который быстрее охлаждается,

и слоев, находящихся на некотором расстоянии. В связи с этим торф и грязь

нагревают до более высокой температуры (45—50)°. Торф и лечебные грязи

применяют в форме аппликаций, при которых предварительно измельченная

и подогретая до необходимой температуры среда накладывается толстым

слоем на подлежащую воздействию область. Затем эту область укутывают

снаружи одеялом. Весьма распространенной местной тепловой процедурой

является аппликация парафина. Расплавленный и охлажденный до

определенной температуры парафин с помощью кисти наносят толстым

слоем на подлежащую воздействию область, которую затем укутывают

сверху одеялом. Аппликацию выдерживают необходимое время, затем

парафин снимают. Парафин (температура плавления 53°) обладает весьма

благоприятными для тепловых процедур свойствами: достаточно высокой

теплоемкостью, низкой теплопроводностью, отсутствием конвекции, значи-

тельной удельной теплотой плавления или отвердевания (39 кал/г).

Прилежащий к коже слой парафина, быстро охлаждаясь, отвердевает и

благодаря низкой теплопроводности защищает кожу от действия остальной

массы расплавленного парафина. Благодаря этому последняя может иметь

относительно высокую температуру, порядка (55—60)°, что позволяет

создать в ней значительный запас тепла. Во время процедуры остальная

масса парафина, постепенно отвердевая, освобождает теплоту отвердевания,

которая таким образом полезно используется при процедуре. Для тепловых

79

процедур применяют также песок и глину, тепловые свойства и способ

применения которых близки к свойствам торфа или грязи.

80

6. Жидкие кристаллы и их применение

6.1. Строение и свойства жидких кристаллов

Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное состояние вещества, в

котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости.

Жидкокристаллическое состояние могут образовывать только некоторые

органические вещества, обладающие сложными молекулами. При плавлении

кристаллов некоторых веществ образуется жидкокристаллическая фаза,

отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от

температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры,

при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. От

обычных кристаллов он отличается тем, что аналогично жидкости обладает

текучестью и принимает форму сосуда, в который помещен. Тем не менее,

можно отметить следующие свойства, общие для жидких кристаллов и

кристаллических тел: наличие пространственного упорядочения молекул,

образующих кристалл. В жидких кристаллах это упорядочение менее полное,

нежели в обычных кристаллах, но оно существенно влияет на их свойства,

чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное

упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в

отсутствии полного порядка в пространственном расположении центров

тяжести молекул, хотя частичный порядок может иметь место. Это означает,

что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие

кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с

обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной

ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться,

например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом

образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать

вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей

молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный

81

ориентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы

разделяются на три разновидности: нематические, смектические и

холестерические.

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет.

Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая

две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата.

При температуре плавления (Tпл) 1450C, кристаллическое вещество

превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при

1790C становилась прозрачной и начинала вести себя в оптическом

отношении как обычная жидкость, например, вода. Температура, при

которой происходило просветление образца, был названа точкой

просветления (Tпр). Было обнаружено, что мутная фаза обладает двойным

лучепреломлением. Двойное лучепреломление – это чисто кристаллический

эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от

ориентации плоскости поляризации света. Она достигает экстремального

максимального и минимального значений для двух взаимно ортогональных

ориентаций плоскости поляризации. Ориентации поляризации,

соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле,

определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются

ориентацией кристаллических осей относительно направления

распространения света. Дальнейшие исследования Рейнитцера и Лемана

показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, т. е. не

содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является

новым фазовым состоянием вещества, которое получило название «жидкий

кристалл» или «мезофаза», что означает «промежуточная фаза». Дальнейшее

изучение жидких кристаллов позволило обнаружить ряд особенностей: более

существенное вращение плоскости поляризации проходящего через них

света по сравнению с оптически активными кристаллами (например,

кварцем), сильную температурную зависимость физических свойств, их

82

очень высокую чувствительность к внешним магнитным и электрическим

полям и т. п.

В настоящее время известно достаточно большое число органических

веществ, которые могут находиться в жидкокристаллическом (ЖК)

состоянии. Молекулы ЖК-соединений часто называют мезогенами, а

группировки или фрагменты молекул, способствующие формированию ЖК-

фазы, — мезогенными группами. Среди мезогенных групп чаще всего

встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с

помощью различных химических группировок( –CH=CH–, –CH=N–, –NH–

CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединений является

асимметричная форма молекул, обеспечивающая анизотропию

поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно

параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и

коротких (дискотики) осей. Среди мезогенных групп чаще всего встречаются

бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с помощью

различных химических группировок( –CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.).

Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная

форма молекул, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию

к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их

длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.

6.2 Жидкие кристаллы в биологии и медицине

Стоит сказать, что специфическое применение ЖК в биологии и

медицине обусловлено тем обстоятельством, что многие биологические

структуры (хлоропласты, мышечная и нервная ткани, мембраны, зрительные

рецепторы, др.) обладают жидкокристаллическими свойствами. При

использовании понятия «жидкий кристалл» в биологии и медицине, как

правило, их разделяют на термотропные и лиотропные ЖК. Представители

обоих типов обладают полиморфизмом, т.е. жидкий кристалл, образованный

из одного вещества (термотропный) или из смеси веществ (лиотропный),

83

может существовать в нескольких жидкокристаллических фазах.

Термотропные ЖК образуются при нагревании некоторых твердых веществ.

Молекулы таких органических соединений, которые при нагревании

образуют жидкие кристаллы, имеют вытянутую форму. Отношение осей,

обычно характерное для этих молекул, составляет (4-8):1 (т.е.

предполагается, что молекула имеет форму почти цилиндра и его длина в 4–8

раз больше диаметра). Молекулярные веса термотропных соединений

обычно лежат в интервале 200-500. Молекулы, образующие термотропные

системы меньше молекул, лиотропных систем, хотя соотношение осей

последних редко превосходит 15. Лиотропные ЖК, в отличие от

термотропных, получают при смешивании двух или более компонентов, один

из которых, например, вода, служит растворителем.

Имеется множесво комбинаций различных веществ, способных образовывать

лиотропные ЖК. Наиболее распространенные лиотропные ЖК представляют

собой водные растворы амфифильных веществ. В амфифильных молекулах

есть как ионная группа, растворимая в воде, так и нерастворимая в воде

органическая часть. Такие системы как липид–вода, липид–вода-белок

являются лиотропными ЖК, они имеют большое биологическое значение,

вода является неотъемлемой частью этих жидкокристаллических структур. В

живых организмах примером такой системы может служить смесь лецитин–

холестерин–соли желчных кислот–вода. Есть предположение, что живая

клетка представляет собой жидкий кристалл. Так, в 30-х годах двадцатого

века английский исследователь Джон Бернал писал: «…жидкий кристалл в

клетке благодаря своей структуре становится прото-органом механической,

химической и электрической активности, и, будучи ассоциирован в

специализированных клетках высших животных, дает начало истинным

органам, таким как мышца и нерв. Второе, и, возможно, более важное – это

то, что ориентированные молекулы жидких кристаллов образуют идеальную

среду для каталитического действия, в частности, действия сложного типа,

способного обеспечить рост и воспроизведение…». По-видимому, это

84

утверждение Бернала, действительно, небезосновательно. В настоящее время

не вызывает сомнения тот факт, что роль жидкокристаллического состояния

вещества в функционировании живых систем очень существенна.

6.3. Термография

Термография – метод регистрации видимого изображения

собственного инфракрасного излучения поверхности тела человека с

помощью специальных приборов, используемый в целях диагностики

различных заболеваний и патологических состояний.

Теплопотери с поверхности кожи человека в состоянии покоя при

температуре комфорта (18°–20°С) происходят за счет инфракрасного

излучения – на 45%, путем испарения – на 25%, за счет конвекции – на 30%.

Тело человека излучает поток тепловой энергии в области инфракрасной

части спектра с диапазоном длины волны от 3 до 20 мкм. Максимум

излучения наблюдается при длине волны около 9 мкм . Величина

излучаемого потока достаточна для того, чтобы его можно было обнаружить

с помощью бесконтактных приемников инфракрасного излучения.

Термография, являясь физиологичным, безвредным, неинвазивным

методом диагностики, находит свое применение в онкологии для

дифференциальной диагностики злокачественных опухолей, а также является

одним из способов выявления очаговых доброкачественных процессов.

6.3.1. Анализ термограмм

Помимо бесконтактной термографии, выполняемой с помощью

термографов, существует контактная (жидкокристаллическая) термография,

которую проводят с помощью жидких кристаллов, обладающих оптической

анизотропией и изменяющих цвет в зависимости от температуры, а

изменение их окраски сопоставляют с таблицами–индикаторами.

85

Тепловизоры позволяют визуально наблюдать за распределением тепла

на поверхности тела человека (Рис. 6.1).

Рис. 6.1

Приемником ИК–излучения в тепловизорах является специальный

фотогальванический элемент (фотодиод), работающий при охлаждении его

до –196°С. Сигнал с фотодиода усиливается, преобразуется в видеосигнал и

передается на экран. При различной степени интенсивности излучения

объекта наблюдаются изображения разного цвета (каждому уровню

температуры соответствует свой цвет). Разрешающая способность

современных термографов составляет до 0,01°С, на площади около 0,25 мм2.

Качественная оценка термотопографии исследуемой области позволяет

определить распределение “горячих” и “холодных” участков, в

сопоставлении их локализации с расположением опухоли, характера

контуров очага, его структуры и области распространения. Количественная

оценка производится для определения показателей разности температур

(градиентов) исследуемого участка по сравнению с симметричной зоной.

Заканчивают анализ термограмм математической обработкой изображения.

Ориентирами при анализе изображения служат естественные анатомические

образования: бровь, ресничный край век, контур носа, роговица.

86

Наличие патологического процесса характеризуется одним из трех

качественных термографических признаков: появлением аномальных зон

гипер– или гипотермии, изменением нормальной термотопографии

сосудистого рисунка, а также изменением градиента температуры в

исследуемой зоне.

Важными термографическими критериями отсутствия патологических

изменений являются: сходство и симметричность теплового рисунка лица,

характер распределения температуры, отсутствие участков аномальной

гипертермии. В норме термографическая картина лица характеризуется

симметричным рисунком относительно средней линии.

Интерпретация термографической картины вызывает определенные

трудности. На характер термограммы оказывают влияние конституционные

особенности, количество подкожно–жировой клетчатки, возраст,

особенности кровоснабжения. Специфических отличий термограмм у

мужчин и женщин не отмечено. Выделить какую–либо норму в

количественной оценке термограмм невозможно, и оценка должна

проводиться индивидуально, но с учетом единых качественных признаков

для отдельных областей тела человека.

При обработке термограмм в современных компьютерных термографах

имеется возможность построения гистограмм симметрично расположенных

областей, что расширяет диагностические возможности метода и повышает

его информативность.

Термография – практически единственный способ эффективной оценки

продукции тепла в тканях. Анализ распределения тепла на поверхности кожи

лица позволяет определять наличие патологического очага и оценивать его

динамику в ходе лечения.

87

6.3.2. Тепловизионная техника

Успехи медицинской науки во многом зависят от качества

используемой медицинской аппаратуры. Тепловизоры, применяемые сейчас

в тепловизионной диагностике, представляют собой сканирующие

устройства, состоящие из систем зеркал, фокусирующих инфракрасное

излучение от поверхности тела на чувствительный приемник. Такой

приемник требует охлаждения, которое обеспечивает высокую

чувствительность. В приборе тепловое излучение последовательно

преобразуется в электрический сигнал, усиливающийся и регистрирующийся

как полутоновое изображение.

В термовизионной аппаратуре видимое изображение высвечивается на

экране ЭЛТ поэлементно, т.е. кадр изображения формируется, как в

телевидении, путем перемещения луча по горизонтали и вертикали.

Получение поэлементной развертки обеспечивает оптико-механическое

сканирование. В результате на выходе преобразователя формируется

видеосигнал, подобный телевизионному. Поскольку спектральный состав

части излучения, которая вызывает сигнал на выходе преобразователя,

определяется областью пропускания оптической системы и спектральной

характеристикой преобразователя, то термовизионная аппаратура имеет

более широкую область спектральной чувствительности, чем та, которая

построена на базе электронно-оптического преобразователя.

Упрощенная функциональная схема термовизора приведена на рисунке

6.1.

88

Основное усиление сигнала осуществляется линейным усилителем У,

выходные сигналы с которого поступают на сумматор СМ1. На другой вход

сумматора подается серия пилообразных импульсов от блока формирования

шкалы температур ШТ. Помимо этого для получения сложных

синтезированных изображений на сумматор могут подаваться сигналы и с

других устройств и блоков. Таким образом СМ1 формирует видеосигнал,

обеспечивающий получение основного изображения с яркостной отметкой,

где наибольшая плотность потока излучения соответствует наиболее яркому

свечению экрана ЭЛТ (позитивное изображение). Результирующий сигнал,

заполняющий все время кадра, с выхода СМ1 поступает на блок

формирования изотерм ИТ и на сумматор СМ2.

Термовизоры в простейшем варианте имеют два крупных

конструктивных блока: блок сканирования БС, где размещены элементы

оптической системы, устройства сканирования, преобразователь, балансно—

усилительный блок, устройства для создания запускающих импульсов

развертки, и электронно-осциллографический блок, содержащий основную

массу электронных устройств, блоки питания и ЭЛТ. Электронно-

осциллографический блок в последнее время часто совмещается с

Рис. 6.1

89

микропроцессорной системой или с мини-ЭВМ. Блок сканирования

размещается на механизме установки МУ в виде стойки или треноги с

устройствами для поворота и наклона, чтобы направить его на

контролируемый объект, и часто делается переносным.

Тепловое излучение от объекта проходит через фильтр Ф,

пропускающий необходимую часть излучения и задерживающий

значительную часть видимого света, на зеркально-линзовый объектив (ЗЛО).

Там с помощью системы зеркал и линз обеспечивается сканирование по

горизонтали и вертикали. Далее излучение попадает на охлаждаемый

преобразователь (П). Для изменения направления хода лучей установлено

зеркало З. Преобразователь подключен к балансно-усилительному блоку БУ,

с помощью которого производится настройка термовизора по

температурному диапазону и по чувствительности к температуре. Помимо

этого БУ производит предварительное усиление видеосигнала, что снижает

влияние электромагнитных помех.

От термовизора к блоку управления БУ подводится видеосигнал

изображения и импульсы синхронизации БУ организует работу всей системы

обработки информации, задаваемую оператором с пульта управления ПУ.

Видеосигнал термовизора преобразуется аналого-цифровым

преобразователем АЦП в цифровую форму с помощью интерфейса ИНТ,

связывающего АЦП с общей шиной ОШ, после чего цифровые сигналы

поступают в измерительный магнитофон МГ и в память ЭВМ. Обработку

информации может производить микропроцессор МКП или мини-ЭВМ.

Сформированные изображения и другая полученная информация

отображаются на видеоконтрольных устройствах ВКУ1 и ВКУ2.

В 1982 году ученые предложили новый тип инфракрасного

радиометра. В его основе - пленочный термоэлемент, работающий при

комнатной температуре и обладающий постоянной чувствительностью в

широком диапазоне длин волн. Недостатком термоэлемента является низкая

чувствительность и большая инерционность. С целью увеличения

90

выходного сигнала и повышения чувствительности в радиометре

используется термобатарея, состоящая из 70-80 соединенных

последовательно и сжатых в плотный пакет термоэлементов. При этом

резко уменьшаются потери за счет излучения и конвекции воздуха, что в

конечном счете приводит к повышению чувствительности примерно на

порядок.

Особенного внимания заслуживают тепловизионные приборы,

работающие в миллиметровых диапазонах длин волн. Сконструировано и

испытано два новых типа тепловизоров, чувствительных к миллиметровым

электромагнитным волнам. Эти аппараты улавливают волны на три порядка

длиннее, чем инфракрасные. Такие волны проникают на большую глубину

по сравнению с теми, которые улавливает обычный инфракрасный

тепловизор. Приборы могут различать колебания температуры до доли

градуса в тканях, расположенных на несколько миллиметров внутрь от

поверхности кожи. Обычный же тепловизор регистрирует излучение только с

поверхности тела.

91

7. Электрофорез и электроосмос

Под действием электрического поля происходит движение не только

ионов, но и вообще заряженных частиц, находящихся в жидкой среде,

например частиц коллойдных растворов. Движение заряженных частиц в

растворе носит название электрофореза.

Заряженные частицы в растворе образуются или при распаде крупных

многоатомных молекул, или вследствие адсорбции из раствора на

поверхности частицы ионов преимущественного знака.

Скорость движения частицы при напряженности электрического поля

1В/см называется электрофоретической подвижностью. Она имеет

размерность см2с-1В-1, а ее знак совпадает со знаком суммарного заряда.

Различия в подвижности частиц служат основой для разделения смесей

веществ в аналитических или препаративных целях. Определение подвиж-

ности используется также для характеристики вещества. Во многом

электрофорез напоминает седиментацию: к объекту прикладывается сила,

которой оказывает сопротивление вязкость среды. Если частица с зарядом q

суспендирована в непроводящей среде и находится в электрическом поле Е,

она будет двигаться с постоянной скоростью v, определяемой соотношением

между электрической силой Eq и сопротивлением вязкой среды fv: Eq = fv,

где f — коэффициент трения. Подвижность частицы определяется как

скорость, приходящаяся на единицу поля: u = v/E = q/f. Поскольку

подвижность зависит от коэффициента трения, который является функцией

некоторых физических параметров молекул, то значение последнего

позволяет судить о величине и форме молекулы. Очевидно, что полученное

соотношение для подвижности, выведенное для заряженных частиц,

движущихся в идеальном диэлектрике, не соответствует действительности в

случае использования его для электрофореза макромолекул, поскольку такие

эксперименты проводятся не в диэлектриках, а в растворах электролитов.

При этом следует учитывать, что вокруг заряженной коллоидной частицы

92

существует ионная атмосфера. В связи с наличием электростатических сил

между заряженными группами частицы и ионами растворителя частица

окружена диффузным облакам ионов с зарядом, противоположным ее

собственному. На значительных расстояниях от частицы суммарный заряд в

любом элементе объема, достаточно большом по сравнению с атомными

размерами, равен нулю. Присутствие этой ионной атмосферы вокруг частицы

приводит к тому, что ее электрофоретическая подвижность оказывается

меньше, чем предсказанная уравнением. Это обусловлено тремя причинами.

Во-первых, потенциал на поверхности частицы снижается из-за уменьшения

эффективного электростатического заряда. Во-вторых, электрическое поле

действует также и на ионы, окружающие макромолекулярную частицу.

Поскольку знак заряда ионного облака не совпадает со знаком заряда

частицы, облако будет смещаться в направлении, противоположном

миграции частицы, замедляя тем самым ее движение (электрофоретическое

трение). В-третьих, наблюдается замедляющий эффект другого рода,

связанный с тем, что в электрическом поле одни ионы при перемещении

приближаются к частице, а другие удаляются от нее. Вследствие этого в

ионной атмосфере происходит непрерывное замещение ионов, что вызывает

нарушение ее сферически симметричной формы, так как для вновь входящих

ионов требуется определенное время, чтобы найти свое место в поле

макромолекулы и прийти и равновесие с ее окружением. В результате

двойной электрический слой позади частиц растягивается. Действие тормо-

зящей силы такого типа носит название релаксационного эффекта.

Электрофорез можно продемонстрировать, например, следующим

опытом (рис. 7.1). Нальем в U-образную трубку чистой дистиллированной

воды и размешаем в ней частицы белой глины. Поместим по концам трубки

электроды и включим их к источнику постоянного напряжения. При этом с

помощью микроскопа с небольшим увеличением можно наблюдать, как

частицы глины перемещаются по направлению к аноду.

93

Вместе с движением отрицательно зарядившихся частиц к аноду должно

происходить движение положительно заряженных частиц воды к катоду.

Подобное движение можно наблюдать с помощью несколько иного опыта

(рис. 7.2). Возьмем U-образную трубку с пористой перегородкой П в

середине и, наполнив ее чистой водой, поместим в колена трубки электроды,

подключенные к источнику постоянного напряжения. Через некоторое время

увидим, что уровень воды в колене, где находится отрицательный электрод

К, повысится на величину h. Движение жидкости относительно твердого тела

под влиянием электрического поля называется электроосмосом.

Электроосмос является следствием следующих явлений. На границе воды и

твердого тела образуется двойной электрический слой: поверхность твердого

тела заряжается отрицательно, а молекулы воды – положительно. Крайний

слой этих молекул задерживается около поверхности твердого тела. Однако

близлежащие молекулы уже являются свободными и, двигаясь под

действием поля, увлекают за собой соседние незаряженные частицы.

Рис. 7.1 Рис. 7.2

94

7.1. Электрофорез белковых фракций

Белки представляют собой макромолекулярные соединения, по-

строенные из аминокислот. В состав белков различного происхождения

входит всего лишь около 20 видов аминокислот, и все огромное

разнообразие белков обусловлено различиями в составе и порядке

чередования аминокислотных остатков в белковой молекуле. С точки зрения

электрофореза наиболее важное значение имеют свойства белков, связанные

с их ионизацией. В каждой белковой молекуле содержится множество групп,

способных отдавать или принимать протоны, что приводит к образованию в

первом случае отрицательно заряженных, а во втором - положительно

заряженных групп. Преобладание одного из этих процессов зависит от

состава данного белка, а также от окружения, в котором находятся его

молекулы, главным образом от рН среды. В кислой среде основные группы

протонированы, тогда как диссоциация кислотных групп подавлена, поэтому

белки оказываются заряженными положительно. В щелочных растворах ос-

новные группы не имеют заряда, а карбоксильные группы легко

диссоциируют, вследствие чего в молекуле образуется избыток отрицательно

заряженных групп. Суммарный заряд белковой молекулы зависит от рН

среды, а также от числа и характера ионизируемых групп. При определенном

рН молекулы данного белка содержат равное число положительно и

отрицательно заряженных групп: это значение рН называется

изоэлектрической точкой (ИЭТ) белка. При рН, соответствующем ИЭТ,

суммарный заряд молекулы равен нулю, поэтому в электрическом поле белок

остается неподвижным. Для каждого белка характерна определенная

ИЭТ. При значениях рН, лежащих выше ИЭТ, белки заряжены отрицательно,

а при значениях рН, лежащих ниже ИЭТ, положительно. Значение ИЭТ белка

зависит от ионного состава среды, так как в молекулах белка присутствуют

группы, связывающие не только водородные и гидроксильные ионы, но и

другие катионы {например, Na+, K+, Са2+ или Mg2+) и анионы (фосфат,

95

хлорид и др.). ИЭТ можно определить путем измерения

электрофоретической подвижности белка при разных рН. С этой целью

строят график, выражающий зависимость найденной подвижности белка от

рН, и путем интерполяции находят значение рН, при котором

электрофоретичесгсая подвижность белка равна нулю. Поскольку различные

белки содержат те или иные виды ионизируемых групп в разных

соотношениях, кривые, характеризующие зависимость подвижности белков

от рН, непараллельны и нелинейны.

Другой метод определения ИЭТ основан на электрофоретическом

разделении белков в среде с градиентом рН. В этом случае каждый белок

движется к той зоне градиента, в которой значение рН соответствует его

ИЭТ. Этот метод носит название изоэлектрического фокусирования.

Помимо ИЭТ кислотно-основные свойства белков характеризует также

изоионная точка. Согласно определению, изоионная точка соответствует рН

раствора изоионного белка в воде или в растворе какого-либо другого

вещества, которое само по себе при растворении в воде не дает водородных

или гидроксильных ионов. Различие между изоионной и изоэлектрической

точками обычно невелико и зависит от концентрации низкомолекулярных

ионов, присутствующих в растворе. В экспериментальном отношении

изоэлектрическую точку определять проще, чем изоионную, однако

последняя является более строгим понятием, поскольку отражает истинную

кислотность белков.

При разделении смеси белков очень важно знать зависимость

электрофоретической подвижности от рН для каждого компонента, особенно

в тех случаях, когда требуется выбрать такое значение рН, при котором

электрофоретические подвижности компонентов различаются наиболее

сильно. Это значение рН было бы идеальным для разделения. Так как лишь в

редких случаях зависимость электрофоретической подвижности от рН

известна для всех компонентов смеси, приходится подбирать наиболее

подходящее значение рН эмпирическим путем в предварительных опытах.

96

Ценную информацию о кислотно-основных свойствах белков можно

получить при помощи кривых титрования. Способность различных групп к

диссоциации или присоединению протонов не зависит от того, присутствуют

ли эти группы в составе аминокислоты, пептида или белка. Во многих

случаях даже константы диссоциации ионизируемых групп мало зависят от

влияния других участков молекулы. Таким образом, зная аминокислотный

состав белков, можно предсказать поведение белков при электрофорезе.

Однако иногда такое предсказание может оказаться ошибочным. Некоторые

глобулярные белки содержат одну или несколько ионизируемых групп,

которые не поддаются непосредственному титрованию, поскольку скрыты в

глубине молекулы или участвуют в образовании водородных связей. Такие

замаскированные группы не влияют на суммарный заряд молекулы

нативного белка. Поэтому в действительности этот заряд меньше

рассчитанного теоретическим путем. После денатурации белка

замаскированные группы становятся доступными для титрования, вследствие

чего электрофоретическое поведение белков может измениться. Так,

например, миоглобин содержит одиннадцать остатков гистидина, однако

пять из них можно оттитровать только после денатурации миоглобина.

Биологически активные формы белков часто состоят из нескольких

идентичных или различающихся полипептидных цепей. Обычно

полипептидные цепи удерживаются вместе в результате образования

нековалентных связей, но иногда связь между цепями имеет ковалентную

природу (например, осуществляется с помощью дисульфидных мостиков).

Хотя в основном поведение белков при электрофорезе определяется их

аминокислотным составом, во многих электрофоретических процессах

важную роль играют также (помимо уже упоминавшихся замаскированных

групп) третичная и четвертичная структура белков. Дело в том, что

изменение конформации молекулы может вызывать изменение ее размеров, а

это имеет существенное значение в тех случаях, когда при электрофорезе в

97

качестве дополнительного фактора разделения используется эффект

молекулярного сита.

Изменения молекулярной структуры разделяемых белков могут

привести к их необратимой инактивации. Этот фактор обязательно нужно

учитывать, если электрофорез проводится с целью выделения активных

веществ или изучения ферментов. Поэтому для предотвращения денатурации

следует подбирать такую буферную систему, которая обеспечивала бы

минимальное нагревание белка, а также минимальное его окисление или

восстановление. С другой стороны, в результате денатурации белки часто

приобретают свойства, значительно улучшающие их электрофоретическое

разделение.

Суммируя описанные выше электрофоретические свойства белков,

можно сказать, что наиболее важное значение с точки зрения электрофореза

имеют число и характер ионизируемых групп, присутствующих в молекуле

белка. Знание аминокислотного состава белков позволяет сделать

определенные выводы, помогающие выбрать наиболее подходящую систему

для электрофоретического разделения. В некоторых методах электрофореза

очень существенную роль играют также размеры и конформация белковой

молекулы. Влияние этих молекулярных параметров на разделение зависит от

среды, используемой для электрофореза.

98

8. Первичное действие на ткани организма электрического и

магнитного полей ВЧ и УВЧ.

Всё многообразие живого на нашей планете возникло,

эволюционировало и ныне существует благодаря непрерывному

взаимодействию с различными факторами внешней среды, приспосабливаясь

к их влиянию и изменениям, используя их в процессах жизнедеятельности. А

большинство этих факторов имеют электромагнитную природу. На

протяжении всей эпохи эволюции живых организмов электромагнитные

излучения существуют в среде их обитания – биосфере. Учёные

последовательно обнаруживали всё новые природные электромагнитные

излучения в различных диапазонах электромагнитного спектра. К давно уже

излучавшемуся диапазону солнечных излучений – от инфракрасных до

ультрафиолетовых лучей – прибавился диапазон ионизирующих излучений

(рентгеновских и гамма лучей) космического и земного происхождения. В

остальной, более низкочастотной части электромагнитного спектра, вслед за

обнаружением медленных периодических изменений (сезонных, месячных,

суточных) магнитного и электрического полей Земли, были открыты

короткопериодные колебания магнитного поля земли с частотами,

простирающимися до сотен герц. А излучение атмосферных разрядов

показало, что возникающие при этом электромагнитные излучения

охватывают широкий диапазон длин волн – от сверхдлинных до

ультракоротких; и, наконец, были открыты радиоизлучения Солнца и

галактик в диапазоне от метровых до миллиметровых волн.

Электромагнитные поля и излучения буквально пронизывают всю биосферу

Земли, поэтому можно полагать, что все диапазоны естественного

электромагнитного спектра сыграли какую-то роль в эволюции организмов, и

что это как-то отразилось на процессах их жизнедеятельности. Однако с

развитием цивилизации, существующие естественные поля дополнились

различными полями и излучениями антропогенного происхождения, и это

99

тоже сыграло, а точнее продолжает играть роль в развитии всего живого на

Земле.

Для области спектра, где hν>kТ (при температурах, свойственных

живым организмам), т.е. от инфракрасного диапазона до гамма лучей, все

виды биологической активности в той или иной степени уже обнаружены.

Иначе обстояло дело с остальной обширной областью электромагнитного

спектра, где hν<kТ; эта область включает диапазоны от

сверхвысокочастотного до инфранизкочастотного, вплоть до “нулевой

частоты”. Для удобства изложения мы будем далее называть всю эту область

спектра “электромагнитными полями” или ЭМП. ЭМП долгое время считали

не оказывающими какого-либо влияния на живые организмы. К такому

заключению приводили простые физические соображения: поскольку кванты

энергии в этой области спектра значительно меньше средней кинетической

энергии молекул (hν<<kТ), то поглощение ЭМП в живых тканях может

приводить только к изменению ориентации молекул. Расчёты показывали,

что сколько-нибудь значимых для организма тепловых эффектов ЭМП

можно ожидать только при весьма высоких интенсивностях (102 - 106 В\м),

превышающих значение напряжённостей естественных ЭМП биосферы.

Исходя из этих представлений об условиях возможных энергетических

взаимодействий ЭМП с тканями живых организмов, физики скептически

относились к появлявшимся время от времени сообщениям биологов о

реакциях животных и человека на ЭМП.

Биологические исследования показали, что организмы самых различных

видов – от одноклеточных до человека – чувствительны к постоянному

магнитному полю и ЭМП различных частот на десятки порядков ниже

теоретически оцененных. Особенно высока чувствительность к многократно

повторяющимся сверхслабым ЭМП, т.е. имеет место кумулятивное их

воздействие на организмы. В полном виде высокая чувствительность к ЭМП

проявляется только у целостных организмов; она значительно ниже у

изолированных органов и клеток и ещё ниже у белковых растворов.

100

Ответные реакции организма в этих условиях имеют характер различных

нарушений регуляции физиологических функций – ритма сердца, кровяного

давления, обменных процессов и т.д., либо характер чувственных ощущений:

у человека – зрительных, звуковых, осязательных, у животных –

проявляющихся в изменении эмоционального состояния (от угнетённого до

подобного эпилептическому). Анализ эмпирических закономерностей

приводит к заключению, что биологические эффекты слабых полей,

необъяснимые их энергетическим взаимодействием с веществом живых

тканей, могут быть обусловлены информационными взаимодействиями ЭМП

с кибернетическими системами организма, воспринимающими информацию

из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы

жизнедеятельности организмов. Другими словами живая природа

использовала естественные ЭМП внешней среды как источники информации,

обеспечивавшей непрерывное приспособление организмов к изменениям

различных факторов внешней среды – согласование процессов

жизнедеятельности с регулярными изменениями, защиту от спонтанных

изменений.

8.1. Взаимодействие электромагнитных полей с биологическими

объектами.

Биологические объекты в электростатическом поле. В тканях живых

организмов, находящихся в электростатическом поле, индуцируются

электрические заряды на поверхностях раздела сред с различными

электрическими параметрами, а также происходит поляризация связанных

зарядов. При этом допущении можно оценить распределение заряда,

индуцированного на поверхности тела, исходя из формул, выведенных для

проводящих тел простых геометрических форм, находящихся в

электрическом поле. Например, тело человека можно рассматривать как

гомогенный проводящий эллипсоид. Хилл теоретически рассмотрел

101

возможный механизм взаимодействия электростатического поля с

макромолекулами тканей. Электрическое поле вызывает поляризацию

макромолекул в растворе, обусловленную как наличием постоянного

дипольного момента у молекул, так и изменением расположения протонов в

молекуле. Такое действие может влиять на относительную стабильность двух

возможных конфигураций макромолекул. На основе этих соображений автор

делает вывод, что под действием полей напряжённостью порядка 10000 в\см

может произойти разделение цепей ДНК (переход от спаренного состояния к

неспаренному), а это может послужить пусковым механизмом для

разделения хромосом в клеточном ядре, предшествующего делению клетки.

Другая возможность – влияние поля на состояние белковых цепей в

мышечных волокнах (переход от длинной цепи к короткой), что может

служить пусковым механизмом для мышечного сокращения.

Биологические объекты в магнитостатическом поле. Постоянное

магнитное поле в принципе может оказывать влияние на различные процессы

в биологических объектах: насчитывают до 20 возможных видов такого рода

взаимодействий. Сделано немало попыток теоретического рассмотрения

основных физических механизмов биологических эффектов магнитного поля

и оценки величин напряженности поля, при которых возможны такие

эффекты. Эти теоретические исследования можно разделить на две основные

группы в зависимости от того, какие эффекты магнитного поля

(микроскопические или макроскопические) в них рассматриваются. В первой

группе исследований исходное предположение состоит в том, что механизмы

биомагнитных эффектов обусловлены физическими явлениями,

возникающими на молекулярном и даже на атомном уровне. Так, одни

авторы видят основную причину биомагнитных эффектов в ориентации

диамагнитных или парамагнитных молекул под действием магнитного поля,

другие предполагают, что это поле может вызывать искажения валентных

углов в молекулах, третьи обращают внимание на ориентацию спинов

молекул в магнитном поле и т. п. Недавно было высказано предположение,

102

что в молекуле воды, помещенной в магнитное поле, могут происходить орто

- пара-переходы. Необходимая для этого магнитная энергия (в расчете на

молекулу) весьма невелика - например, в сотни раз меньше, чем для разрывов

слабых водородных связей в молекуле. В результате орто-пара-переходов в

водных растворах могут возникать области с параллельной ориентацией

спинов, что приведет к выталкиванию из таких областей растворенных

веществ.

Макроскопические механизмы биомагнитных эффектов рас-

сматривались на различных моделях. Рассчитано, что в магнитном поле с

напряженностью 3*105 э эритроциты должны вращаться со скоростью 68

град\мин, т. е. вдвое быстрее, чем за счет теплового движения, однако

установление равновесного состояния в таком эффекте будет весьма

медленным. Более вероятен эффект возникновения градиента электрического

потенциала в кровеносных сосудах под действием магнитного поля

(магнитоэлектрический эффект). Например, в аорте при скорости кровотока

100 см/сек под действием магнитного поля напряженностью 500 э будет

индуцироваться электрическое поле с градиентом 0,14 мв\см, а при

напряженности 5*105 э - поле с градиентом 5 мв\см, что сравнимо уже с

чувствительностью нервных клеток, составляющей 10 мв\см. С позиций

магнитомеханических явлений рассматривались также пульсирующие

давления, которые могут возникать в тканях организмов при взаимодействии

магнитного поля с биотоками, частоты которых варьируют от 10 до 2*103

имп/сек. По расчетам, при напряженности поля 102-103 э на участках, где

протекают биотоки, могут возникать пульсирующие пондеромоторные силы,

оказывающие давления порядка 10-6-10-1 дин/см2. Чувствительность

человеческого уха (10-4 дин/см2) находится как раз в этих пределах.

Предполагается возможность резонансных эффектов такого рода, когда

частота вынужденных механических колебаний в данном участке организма

(или органа) совпадает с собственной частотой его свободных колебаний. В

этом случае магнитомеханический эффект может быть существенным и при

103

весьма малых напряженностях поля, например в геомагнитном поле.

Большинство авторов, исходя из теоретических соображений и расчетов,

основанных на микроскопических и макроскопических концепциях,

приходит к заключению, что биомагнитные эффекты возможны только при

достаточно высоких напряженностях поля - по крайней мере, в тясячи эрстед.

8.2. Поглощение энергии ЭМП в тканях

Механизм преобразования в живых тканях энергии ЭМП в тепловую

считали единственно возможной причиной любых биологических эффектов,

вызываемых ЭМП от низких частот до сверхвысоких. На этой основе были

разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП

высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных

заболеваний. Исходя из этой концепции, пытались оценивать предельно

допустимые интенсивности ЭМП радиочастот при изучении их

профессиональной вредности. Тепловая концепция биологических эффектов

ЭМП противоречит результатам ряда исследований, проведенных с ЭМП

слабых интенсивностей. Однако в тех случаях, когда биологические объекты

подвергаются воздействию ЭМП достаточно высоких интенсивностей (при

которых тепловой эффект уже возможен), она представляется полезной. В

низкочастотном и высокочастотном диапазонах преобразование энергии

ЭМП в тепловую связано в основном с потерями проводимости,

возникающими за счет выделения в тканях джоулева тепла, инду-

цированными в них ионными токами. До частот порядка 10 Мгц размеры

тела человека и крупных животных (а тем более мелких) малы по сравнению

с длиной волны, а ткани тела можно рассматривать как проводящую среду.

Поэтому выполняются условия квазистационарности и расчеты можно

производить как для статического поля; мощность ЭМП, поглощаемая в

единице объема тела, может быть в этом случае вычислена по законам

постоянного тока:

104

Р = i2ρ вт\см3,

где i – плотность тока, ρ – удельное сопротивление. Величину плотности

тока i следует вычислять применительно к форме и электрическим

параметрам биологического объекта. Такой расчет для человека, находяще-

гося в переменном электрическом или магнитном поле в диапазоне частот от

100 КГц до 1 МГц, сделан при следующих допущениях: а) тело человека

приближенно рассматривается как гомогенный (по электрическим

свойствам) проводящий эллипсоид; б) рассматривается только однородное

электрическое или магнитное поле, в котором тело (эллипсоид) расположено

так, что его большая ось параллельна силовым линиям.

В диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот преобразование

энергии ЭМП в тепловую связано уже не только с потерями проводимости,

но и с диэлектрическими потерями. При этом доля диэлектрических потерь в

общем поглощении энергии ЭМП в тканях возрастает с частотой. Например,

потери, связанные с релаксацией молекул воды в тканях, при частоте 1 Ггц

составляют около 50% от общих потерь, при частоте 10 Ггц - около 90% и

при частоте 30 Ггц—около 98%. В этих частотных диапазонах (выше 100

Мгц) размеры тела человека и крупных животных уже сравнимы с λ или

превышают ее, а ткани тела уже нельзя рассматривать как проводящую

среду; наконец, нельзя считать различные ткани гомогенными по

электрическим свойствам. Иначе говоря, условие квазистационарвости здесь

не выполняется и необходимо рассматривать поток волн, часть которого

отражается от поверхности тела, а остальная часть постепенно поглощается в

электрически негомогенных тканях. С учетом отражения мощность ЭМП,

поглощаемая на 1 см2 поверхности объекта, или действующая мощность (Рд)

будет равна

Рд = Ро*(1-К),

где Ро — плотность потока мощности, падающая на поверхность объекта,

К—коэффициент отражения.

105

Значения коэффициента отражения ЭМП разных частот от различных

тканей при разных частотах и глубина проникновения энергии ЭМП в глубь

тканей (т. е. глубина, на которой энергия уменьшается в е раз) приведены в

таблицах 8.1 и 8.2.

Таблица 8.1 Коэффициент отражения от границ раздела между тканями при различных частотах

Частота, Мгц

Границ

ы раздела

100 200 400 1000 3000 1000

0

24

500

350

00

Воздух

— кожа

0,75

8

0,684 0,623 0,570 0,55

0

0,53

0

0,47

0

Кожа

— жир

0,34

0

0,227 — 0,231 0,19

0

0,23

0

0,22

0

—

Жир —

мышцы

0,35

5

0,351

5

0,300

4

0,260

8

— — — —

Таблица 8.2 Глубина проникновения электромагнитных волн в различные ткани, см

Частота, Мгц

Ткань 100 200 400 1000 3003 10000 24000 35 000

Костный мозг 22,9 20,66 18,73 11,9 9,924 0,34 0,145 0,073

Головной

мозг

3,56 4,132 2,072 1,933 0,476 0,168 0,075 0,0378

Хрусталик

глаза

9,42 4,39 4,23 2,915 0,500 0,174 0,0706 0,0378

Стекловидное

тело

2,17 1,69 1,41 1,23 0,535 0,195 0,045 0,0314

Жир 20,45 12,53 8,52 6,42 2,45 1,1 0,342 ---

Мышцы 3,451 2,32 1,84 1,456 --- 0,314 ---

106

Цельная

кровь

2,86 2,15

1,787

1,40 0,78 0,148 0,0598 0,0272

Кожа 3,765 2,78 2,18 1,638 0,646 0,189 0,0722 ---

Зависимость степени поглощения энергии ЭМП в биологическом

объекте от размеров последнего можно оценить из расчетов для

полупроводящей сферы радиуса R. Из них вытекает, что при R>λ в

полупроводящей сфере поглощается примерно 50% мощности, падающей на

поперечное сечение, независимо от активной проводимости вещества сферы.

Расчеты и эксперименты на моделях показали, что это справедливо для

биологических объектов любой формы в диапазоне частот от 300 Мгц до 3

Ггц. Но при R<λ поглощаемая мощность зависит от электрических па-

раметров объекта и при некоторых значениях R/λ в нем поглощается больше

энергии, чем падает на поперечное сечение.

Зависимость характера поглощения от анатомического расположения

тканей определяется главным образом толщиной подкожного жирового слоя

и способом приложения ЭМП к объекту. Если воздействие производится

путем помещения объекта между пластинами конденсатора, то в подкожном

слое, имеющем более низкие значения относительной диэлектрической

проницаемости ε’ и активной проводимости σ , чем у глубже расположенных

мышечных тканей, напряженность Е будет выше, чем в мышцах.

Соответственно распределится и поглощаемая мощность ЭМП. Если

производится облучение объекта волнами, то жировой слой может сыграть

роль «трансформатора импедансов» между воздушной средой и мышечной

тканью, что может привести к той или иной компенсации отражения волн и,

следовательно, к соответствующему увеличению доли поглощаемой

мощности. Этот эффект зависит от толщины жирового слоя, толщины слоя

кожи и от частоты ЭМП.

До сих пор мы не учитывали еще одного физического процесса, от

которого может зависеть относительное распределение поглощения энергии

107

ЭМП в тканях живых организмов, а именно возникновения стоячих волн, в

результате которого энергия, поглощаемая в том или ином слое тканей,

может значительно возрасти по сравнению со случаем распространения волн

в этой ткани. Стоячие волны могут возникнуть (в связи с отражениями на

границах раздела тканей, имеющих различные электрические параметры) в

тех случаях, когда толщина рассматриваемого слоя тканей сравнима с

длиной волны (величина которой в свою очередь зависит от электрических

параметров ткани). Из таблицы 8.3, в которой приведены значения длин волн

в различных тканях, видно, что такое соотношение возможно в слоях тканей

человека и крупных животных для ЭМП с частотами выше 3 Ггц.

Таблица 8.3 Длина волны в тканях при различных частотах, м

Частота, Мгц

Ткань 100 200 400 1000 3000 10

000

2400

0

35

000

Костный

мозг

116,1 62,2 32,19 12,6

3

3,97 1,250 0,36

8

0,

388

Головно

й мозг

31,7 19,4 11,16 4,97 1,74 0,595 0,20

0

0,

201

Хрустал

ик глаза

33,15 22,3 12,53 5,28 1,75 0,575 0,20

0

0,

201

Стеклов

идное тело

21,7 13,0 7,96 3,41 1,18 0,395 0,14

6

0,

154

Жир 96,0 57,1 30,9 12,4

2

3,79 1,450 0,68

0

-

--

Мышцы 27,65 16,3 9,41 4,09 --- 0,616 --- -

--

Цельная

кровь

25,15 15,35 8,89 3,87 1,36 0,449 0,21

4

0,

167

108

Кожа 28,07 17,94 10,12 4,41 1,49 0,506 0,25

0

---

8.3. Тепловой эффект ЭМП в тканях живых организмов

Нагревание тканей тела животных и общее повышение температуры

тела под действием ЭМП зависят не только от величины электромагнитной

энергии, преобразующейся в тепловую, но в значительной степени от

терморегуляторных свойств организма. У гомойотермных животных (птиц и

млекопитающих) при данной температуре тела результирующая теплоотдача

равна алгебраической сумме теплообразования за счет обменных процессов и

теплопотерь за счет излучения, а также испарения при дыхании.

Эксперименты, проведенные с фантомами, имитирующими тело

животных, показали, что с увеличением объема объекта требуется все

большее время для нагревания его до заданной температуры при помощи

ЭМП данной мощности. Это объясняется, во-первых, тем, что для нагревания

большего объема нужно больше калорий, и, во-вторых, тем, что при

одинаковой глубине проникновения энергии ЭМП в ткани доля объема, в

которой происходит поглощение, будет тем больше, чем меньше объем.

Например, если ЭМП с частотой 300 Мгц проникает на глубину 2,5 см (для

мышечных тканей), то это означает, что у крысы (диаметр тела 5-6 см)

энергия ЭМП поглощается практически во всем теле, а у собаки (диаметр

тела 20-25 см) - только в незначительной поверхности части тела.

Было проведено более детальное теоретическое исследование условий

нагревания тканей тела человека и различных животных под действием

микроволн. Время, необходимое для повышения температуры тела на 5° (∆Τ

= 5°), вычислялось из уравнения:

,

109

где G - масса тела, Сb - удельная теплоемкость, М - тепло за счет

метаболизма, Е-тепло за счет облучения микроволнами, Sb - поверхность

тела, αab - коэффициент теплопередачи воздух - тело, θab- начальная разница

температур воздух - тело. В результате исследователи пришли к выводу, что

при очень больших значениях t, соответствующих малой интенсивности

облучения, практически нет разницы в скорости нагревания животных

разных размеров, но при больших интенсивностях (t мало) тело малых

животных нагревается быстрее. Экспериментальная оценка пороговых

интенсивностей ЭМП для теплового эффекта была проведена в различных

частотных диапазонах при общем и локальном воздействии ЭМП на человека

и животных. Границу теплового эффекта определяли по минимальному

повышению температуры тела или тканей, не превышающему нормальных ее

колебаний в организме. В качестве признака появления теплового эффекта у

человека использовали также и минимальное теплоощущение. Было

установлено, что зависимость между теплоощущением и мощностью ЭМП,

поглощаемой в тканях (в диапазоне 20-200 Мгц), выражается соотношением:

H=lg P - a lg P0,

где H - теплоощущение, оцениваемое по 4-балльной системе (едва ощутимое

тепло, умеренное тепло, интенсивный нагрев, едва переносимый нагрев), Ро-

поглощаемая мощность, при которой ощущается едва заметное тепло, Р-

данная поглощаемая мощность, а - постоянная, не зависящая от частоты. Из

результатов эксперимента следует, что пороговые интенсивности ЭМП

уменьшаются с повышением частоты. Это и понятно, так как коэффициент

поглощения электромагнитной энергии пропорционален частоте и величине

электрических параметров σ и ε, которые в свою очередь изменяются с

частотой.

110

8.4 Нетепловые эффекты ЭМП в биосредах.

Были проведены экспериментальные и теоретические исследования

некоторых интересных микропроцессов, протекающих под действием ЭМП.

Первый процесс такого рода состоит в том, что под действием непрерывных

и импульсных ЭМП высоких и ультравысоких частот (1-100 Мгц)

суспендированные частицы угля, крахмала и молока, эритроциты и

лейкоциты выстраиваются в цепочки, расположенные параллельно

электрическим силовым линиям. Для каждого типа частиц имеется

оптимальный диапазон частот, в пределах которого эффект возникает при

минимальной напряженности поля. Теоретические исследования показали,

что формирование цепочек происходит в результате притяжения между ча-

стицами, в которых под действием ЭМП индуцируются дипольные заряды. В

неполярной диэлектрической среде (масло) этот эффект возникает и при

низких частотах и даже в электростатическом поле, но в воде и

физиологическом растворе ионы и дипольные молекулы шунтируют поле

низкой частоты и эффект возможен только при достаточно высоких частотах

(выше десятков Мгц). Постоянная времени формирования цепочек

пропорциональна кубу радиуса частиц (она равна 1 сек. при радиусе в 1 мк).

Она мало зависит от Е в слабых полях и обратно пропорциональна Е2 в

сильных полях. В импульсных ЭМП эффект определяется средним

значением напряженности электрического поля Е. Несимметричные частицы

ориентируются либо параллельно, либо перпендикулярно к направлению

силовых линий. Это зависит от соотношения между удельной

проводимостью частиц и окружающей их среды и от частоты ЭМП (для

электрических параметров, близких к биологическим). Супсензированные

частицы тканей, например эритроциты и лейкоциты крови, выстраиваются в

цепочки, вытянутые параллельно электрическим силовым линиям,

вследствие чего структура и функции ткани изменяются.

111

Второй эффект — «диэлектрическое насыщение» в растворах белков и

других биологических макромолекул под действием высокоинтенсивных

ЭМП сверхвысоких частот. Он предполагает, что под действием таких полей

все поляризованные боковые цепи макромолекул ориентируются в

направлении электрических силовых линий и что это может приводить к

разрыву водородных связей и других вторичных внутри- и

межмолекулярных связей и к изменению зоны гидратации (от которой

зависит растворимость молекул). Такие эффекты могли бы вызывать

денатурацию или коагуляцию молекул, что подтверждается

экспериментально.

Третий эффект обусловлен действием сил Лоренца в переменных полях

на ионы в электролите. Если раствор электролита находится под действием

перпендикулярных друг другу и синфазно изменяющихся электрического и

магнитного полей, то электрическое поле (в среднем по времени) не

оказывает влияния на ионы, а под действием сил Лоренца и положительные и

отрицательные ионы перемещаются в одном направлении - перпендикулярно

направлению электрических силовых линий. Такого рода эффекты были экс-

периментально обнаружены. Нужно подчеркнуть, что рассматриваемые

эффекты зависят от суммы подвижностей ионов, а не от их разности и

указывают на возможность возникновения такого эффекта под действием

электромагнитной волны, распространяющейся в среде. При этом действию

сил Лоренца в клеточной среде будут подвергаться не только ионы

электролита, но и свободные метаболиты в ионизированной форме.

Наибольший интерес представляют эффекты резонансного поглощения

ЭМП различных частотных диапазонов в биологических средах. Была

теоретически рассмотрена возможность резонансного поглощения ЭМП

белковыми молекулами в связи с так называемыми дисперсионными силами

взаимодействия. В белках, содержащих ряд нейтральных и отрицательно

заряженных основных боковых групп, среднеквадратичная величина

дипольного момента отлична от нуля, даже если их средний постоянный

112

момент равен нулю. Это обусловливается тем, что (за исключением случая

сильно кислотных растворов) число поляризованных боковых групп в

белковой молекуле обычно превышает число связанных с ними протонов, так

что существует множество возможных конфигураций распределения

протонов в молекуле, мало отличающихся по свободной энергии. Для

молекул ферментов, в предположении непрерывного распределения

основных групп, среднее расстояние между группами составляет примерно

9,5 Å. С такими диполь-дипольными взаимодействиями, происходящими за

счет флуктуации распределения протонов, может быть связано поглощение

кванта энергии, соответствующего частоте 10 Ггц. Предполагается, что

поглощение энергии ЭМП сверхвысоких частот может быть связано с

вращением внутримолекулярных структур относительно С-С-связей с

трансляционными переходами гидроксильных групп из одного положения с

водородной связью в другое, с вращательными уровнями метастабильных

состояний и т. д., а также возможность ионизационных эффектов ЭМП

сверхвысоких частот, приводящих к формированию радикалов О2 и ОН при

высоких импульсных мощностях. Эти общие предположения не получили

пока еще убедительных экспериментальных подтверждений, хотя результаты

некоторых исследований дают основания ожидать их в недалеком будущем.

8.5. Экспериментальные исследования биологических эффектов

ЭМП

Эти исследования охватывают всю рассматриваемую область ЭМП – от

постоянных полей до миллиметровых радиоволн. Наиболее значительный

материал накоплен в исследованиях с УВЧ- и СВЧ-диапазонами; в меньшей

мере освоены постоянные магнитные и электрические поля и

низкочастотный диапазон, сравнительно небольшое число работ связано с

ЭМП высоких частот.

113

Летальное действие ЭМП. Была проведена серия экспериментов для

изучения воздействия на организм собак, кроликов и крысах импульсных и

непрерывных СВЧ-полей высоких интенсивностей (2800 и 200 МГц

соответственно). В результате экспериментов выяснили, что гибель

животных наступает в тех случаях, когда под действием ЭМП высокой

интенсивности температура тела животных (определяемая по ректальной

температуре) повышается до уровня выше критического, т.е. до 41-42ºС для

крупных животных и 42-43ºС для мелких. При таких условиях происходит

необратимое нарушение терморегуляции в организме и животное погибает.

Гибель животных под действием ЭМП нельзя рассматривать просто как

результат перегрева тела, так как наблюдается ряд глубоких нарушений

регуляторных процессов в организме, которые зависят не только от

величины электромагнитной энергии, преобразующейся в тепловую, но и от

частоты ЭМП, от локализации воздействия и от физиологического состояния

животного. Пришли к выводу, что данный эффект можно рассматривать как

результат теплового стрессорного действия ЭМП, т.к. фазы изменения

температуры соответствуют трём стадиям стресса – «реакции тревоги»,

«стадии резистентности» и «стадии истощения», а наблюдаемые изменения

крови характерны для ранних проявлений теплового стресса.

Морфологические изменения в тканях и органах под действием ЭМП.

Морфологические изменения в органах и тканях животных происходит как в

результате однократного воздействия ЭМП высоких интенсивностей, так и

кумулятивно – при многократных воздействиях ЭМП малых интенсивностей.

Поражаются тем более глубокие ткани, чем ниже частота ЭМП и чем меньше

размеры животного. Однако менее выраженные изменения в глубоко

расположенных органах и тканях отмечаются и в тех случаях, когда ЭМП

полностью поглощаются в поверхностных, кожных тканях. Характер

морфологических изменений под действием ЭМП может быть самым

различным – от резких поражений при летальных воздействиях (ожоги,

некроз тканей, кровоизлияния, дегенеративные изменения в клетках и т.д.) до

114

умеренных или слабых обратимых изменений при воздействиях ЭМП малых

интенсивностей. Морфологические изменения в органах и тканях под

действием ЭМП различных частот и постоянного магнитного поля могут

появляться и в отсутствие какого – либо существенного теплового эффекта.

По-видимому, они возникают за счёт кумуляции каких-то функциональных

нарушений регуляции обменных процессов. Наиболее часто наблюдаются

морфологические изменения в тканях периферической и центральной

нервной системы, нарушаются её регуляторные функции, как за счёт разрыва

соответствующих связей, так и за счёт изменения структуры самих нервных

клеток. Такие нарушения однотипны при воздействии ЭМП самых

различных частот вплоть до постоянного магнитного поля.

Действие ЭМП на глаза и семенники. Глаза и семенники – органы,

бедные кровеносными сосудами. Следовательно, Они должны сильнее

нагреваться под действием ЭМП, чем органы, в которых возможен

интенсивный отвод тепла за счёт усиления кровотока. Обнаружено, что при

однократном облучении глаз микроволнами (от 3 до 30 см), в результате

многократных облучений (10 сеансов по 30 минут с интенсивностью 150

мВт\см») и при хроническом (несколько лет) воздействии микроволн с

интенсивностью несколько мВт\см2 в хрусталике глаза возникает помутнение

(катаракта). Также под действием микроволн обнаружены понижение

активности ферментов аденозинфосфатазы и пирофосфатазы, а у кроликов,

облучавшихся ежедневно в течение 3,5 месяца микроволнами

интенсивностью 1 мВт\см2 , понижалось внутриглазное давление.

Мужские половые органы в высшей степени чувствительны к тепловому

воздействию и, следовательно, особенно уязвимы при облучении. Безопасная

плотность излучения в виде максимального уровня 5 мВт/см2 значительно

ниже, чем для других чувствительных к облучению органов. В результате

облучения семенников может наступить временное или постоянное

бесплодие. Повреждение половых тканей рассматривают особо, так как

некоторые генетики считают, что небольшие дозы облучения не приводят к

115

каким-либо физиологическим нарушениям, в то же время могут вызвать

мутации генов, которые остаются скрытыми в течение нескольких

поколений. Для семенников было обнаружено, что дегенеративные

изменения в семенниках крыс при 10-минутном облучении микроволнами

(2800 МГц) возникают при повышении температуры до 30-35ºС. При

многократном облучении 3-сантиметровыми волнами с интенсивностью 100

мВт\см2 , вызывающее повышение температуры в тканях семенников только

на 3,3ºС, приводило к атрофии семенных канальцев. Морфологические

изменения в семенниках возникали у морских свинок под действием

постоянного магнитного поля (7000 э, 500 часов) в форме некробиотических

изменений клеток сперматогенного эпителия, наблюдалось понижение в них

содержания ДНК и РНК.

116

9. Вращение плоскости поляризации и его использование в

медицине. Сахарометрия

9.1. Вращательная способность химических соединений

При прохождении через некоторые кристаллические среды

поляризованного света плоскость колебаний последнего поворачивается на

некоторый угол. Это явление называется вращением плоскости колебаний

поляризованного света. Среды, которые способны вращать плоскость

поляризации называют оптически активными. К ним относятся кристаллы, а

также ряд органических веществ, например различные сахара, кислоты,

алкалоиды, белки и т. п. При изучении вращательной способности

химических соединений два обстоятельства имеют очень большое значение.

Во-первых, оказывается, что одни из веществ отклоняют плоскость

поляризации вправо, а другие влево; откуда названия: правовращающих и

левовращающих веществ. Угол вращения зависит от температуры; длины

слоя вещества, способного вызывать это явление и от природы этого

вещества. Способность вещества вращать плоскость поляризованного света

характеризуется удельным вращением, под которым понимают угол

вращения, получаемый при прохождении светом слоя твердого вещества

толщиной 1 мм при температуре 20°.

Угол вращения для растворов прямо пропорционален концентрации

вещества и длине столба раствора, проходимого поляризованным светом. В

связи с этим получается удобный способ определения концентрации

вещества в растворах, обладающих способностью вращения плоскости

колебаний, в частности растворов различных видов сахара, который и

применяется широко в клинических лабораториях, например для

определения содержания сахара в моче.

117

9.2. Определение концентрации веществ. Сахарометрия.

Первые исследования в этом направлении принадлежат Био. Он нашел,

что при одной и той же длине слоя раствора, вращение последнего

пропорционально концентрации его, т.е. числу граммов, растворенных в

единице объема. Тогда удельное вращение, относя его к 100 весовым частям

раствора, будет q=100α/l·d·p, где l — длина слоя, d — плотность раствора, p

— содержание растворенного вещества в 100 весовых частях раствора, а так

как p·d=с = концентрации раствора, т. е. количеству граммов в 100 куб.см

раствора, и L=1, то получим более простую формулу q=100α/c. Найденная

таким образом величина удельного вращения относится, как оказывается,

только к данному раствору, а не растворенному веществу, ибо она меняется с

концентрацией растворов, обыкновенно возрастая. Для нахождения истинной

величины удельного вращения растворенного вещества, необходимо

исследовать удельное вращение многих его растворов разной концентрации

и, откладывая величины вращений по линии ординат, а величины

концентрации по линии абсцисс, составить кривую хода изменения

удельного вращения в связи с изменением концентрации. Из анализа этих

кривых были найдены величины удельного вращения скипидара, никотина и

виннокислого этила в разных растворителях. Сравнение полученных величин

с полученными при исследовании этих веществ в свободном, жидком

состоянии выявило их полное совпадение. Этот способ определения

удельного вращения растворенного вещества представляет, однако,

значительные неудобства, не только потому, что требует много времени и

работы, но и потому, что растворимость твердых тел в большинстве случаев

редко бывает значительна.

Что касается до методов определения величины угла вращения, то они

основываются на применении так называемых николевых призм. Если

поляризатор стоит неподвижно, анализатор же может вращаться вокруг

118

своей оси, то мы можем установить обе призмы так, что луч света, идущий из

какого-нибудь источника (например, от пламени спирта, окрашенного в

желтый цвет парами летучих натриевых соединений) через первую призму,

не дойдет до нашего глаза и поле зрения будет совершенно темно. Означим

эту точку = 0° круга. Вращая анализатор, мы заметим, что поле зрения

просветляется и при повороте на 90° имеет наибольшую яркость. При

дальнейшем вращении мы найдем, что при 180° опять наступает полное

потемнение, затем при 270° опять maximum яркости. Если теперь между

обеими призмами, установленными на темноту (0° или 180°), поместим

оптически действующее вещество, например раствор сахара в воде, то

заметим, что поле зрения несколько прояснилось и без вращения

анализатора, т. е. луч света, прошедший через первую призму, изменил

направление плоскости, в которой был поляризован после прохождение через

призму. Если мы теперь будем вращать анализатор, до наступления прежней

темноты, т. е. до тех пор, пока плоскость поляризации его не будет

перпендикулярна лучу, вступающему в него, то заметим, что для этого нужно

повернуть его на определенный угол, направо или налево от прежнего

положения. Этот угол и будет углом вращения плоскости поляризации

данного вещества и, смотря по тому, куда вращался анализатор, отличают

правовращающие и левовращающие вещества. Наблюдение maximum и

minimum просветления поля зрения, однако же, является весьма не точным

способом определения величины угла вращения. С целью большей точности,

к двум призмам Николя присоединяют еще другие приспособления,

имеющие назначением улавливать с большей верностью моменты

перекрещивания или совпадения плоскостей поляризации обеих призм. Эти

приспособления различны в различных аппаратах, из которых лучшие

построены Вильдом, Лораном и Ландольтом.

Определение удельного вращения оптически деятельных веществ нашло

себе важное практическое применение в так называемой оптической

сахарометрии. Оптическая сахарометрия - определение содержания сахара в

119

растворах по величине удельного вращения последних. Основанием этого

способа служит закон Био: величина удельного вращения растворов сахара

пропорциональна концентрации последних. Новейшие исследования

показали, что это положение верно только до известной степени и полной

пропорциональности нет; но вместе с тем они показали, что величина

ошибки, проистекающей отсюда, весьма мала и для обыкновенных

практических целей может быть игнорирована и закон Био может считаться

точным. Таким образом, определяя величину угла вращения плоскости

поляризации, производимого раствором сахара, в трубке известной длины,

мы получим возможность точно определить по этой величине и количество

сахара, находящегося в растворе, зная величину удельного вращения

растворенного вещества.

120

10. Рентгеновское излучение и его использование в медицине.

Открытое немецким физиком У.Рентгеном в 1895 г. рентгеновское

излучение находит широкое применение в самых различных областях науки,

техники и медицины. Рентгеновское излучение это электромагнитное

излучение с длиной волны λ от 0.01 нм до 10 нм. Кванты рентгеновского

излучения локализованы в области, имеющей размер длины волны,

сравнимой с размерами атомов вещества. Поэтому кванты рентгеновского

излучения могут проходить через вещество, практически не рассеиваясь на

его атомах. Затухание интенсивности рентгеновского потока в среде

описывается экспоненциальным законом и зависит как от энергии

рентгеновского кванта, так и от электронной плотности среды (величины

заряда атомов вещества). Высокая проникающая способность рентгеновского

излучения позволяет получать информацию о внутреннем строении и

состоянии вещества и живых организмов. Это широко используется для

целей медицинской диагностики и лечения. На рис.10.1 в качестве примера

представлена схема рентгеновской установки. На Рис. 10.2 в качестве

примера представлено рентгенографическое изображение пяточной кости

человека. При распространении лучей от точечного источника

(рентгеновской трубки) кванты излучения могут поглощаться и рассеиваться.

В воздухе путь лучей до поглощения составляет сотни метров. В плотном

веществе происходит быстрое ослабление потока рентгеновских лучей.

Биологические ткани человека неоднородны, а поглощение, точнее,

ослабление лучей зависит, прежде всего, от плотности ткани, из которой

состоит орган. Например, слой водяного пара ослабляет поток рентгеновских

фотонов гораздо меньше, чем слой воды такой же толщины. Это происходит

из-за того, что на единицу пути в жидкости приходится больше атомов, чем в

газе. Ослабление потока рентгеновских лучей зависит также от химического

состава вещества, т.к. элементы с большими атомными номерами ослабляют

излучение сильнее, чем элементы, относящиеся к началу таблицы

Менделеева. В костной ткани, к тому же более плотной, содержатся вещества

121

с большими атомными номерами, чем в мягких тканях, поэтому она

значительно сильнее поглощает излучение. Различное поглощение фотонов

разными тканями человеческого организма создает возможность получения

контрастного изображения при фотографировании или при получении

телевизионного изображения в рентгеновских лучах.

Рис. 10.1 Кинематическая схема универсального стола−штатива

1 − основание; 2 − несущая рама; 3 − механизм поворота несущей рамы, 4 −

опорная стенка; 5 − каретка продольного хода; 6 − механизм линейного перемещения

каретки; 7 −консоль; 8 − П-образный маятниковый рычаг; 9 − механизм углового

перемещения маятникового рычага; 10 − рентгеновский излучатель; 11 − диафрагма со

щелевым коллиматором; 12 − оптический центратор; 13 − многоканальный приемник

рентгеновского излучения.

122

Рис. 10.2. Рентгеновский снимок пяточной кости человека.

Методы получения рентгеновского излучения для медицинских

целей. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения

является рентгеновская трубка. Трубка состоит из накального катода и

анода, которые расположены в вакуумном объеме. Между этими

электродами прикладывается высокое напряжение от единиц до сотен

киловольт. Схематически такая трубка показана на рисунке 10.3.

Рис. 10.3. Схематическое представление рентгеновской трубки

Она представляет собой электровакуумный прибор, имеющий два

электрода: отрицательно заряженный катод и положительный анод. Из

сильно разогретого катода происходит испарение электронов, а затем они

123

ускоряются в электрическом поле между катодом и анодом. В результате они

сталкиваются с твердым веществом анода и при торможении испускают

электромагнитное излучение. Исходя из закона сохранения энергии:

ν== heU2

mv2

,

где m – масса электрона, v – средняя скорость электронов, e – заряд

электрона; U – напряжение, приложенное между анодом и катодом, h –

постоянная Планка; ν - частота рентгеновского излучения. Тогда при этом

возникают лучи с минимальной длинной волны:

eUhc

min =λ .

Электроны, эмитированные с горячего катода, ускоряются анодным

напряжением и попадают на анод. В результате взаимодействия с

материалом анода генерируется рентгеновское излучение. В процессе

взаимодействия ускоренных электронов с атомами материала анода

испускается два типа рентгеновских квантов. Схема процессов

формирования рентгеновского излучения показана на рис 10.4.

Рис. 10.4. Процессы взаимодействия ускоренных электронов с атомами анода

Один тип испускаемых квантов это кванты характеристического

излучения с энергиями, определяемыми энергетическими уровнями атомов

анода. Они излучаются в результате взаимодействия ускоренных электронов

с электронами атомной оболочки (Рис 10.4а). Другой тип это кванты

тормозного излучения, излучаются в результате взаимодействия падающих

124

электронов с потенциалом ядра атома (Рис. 10.4б). Спектр тормозного

излучения является непрерывным. Суммарный спектр, испускаемый трубкой,

является суммой характеристического и тормозного излучения. На Рис. 10.5

сплошной линией схематически показан спектр энергии (распределение по

энергиям квантов падающих в одну секунду на площадку 1 мм2,

находящуюся на расстоянии 1 м) рентгеновской трубки с W-образным

анодом при ускоряющем напряжении 120 кВ и током 1 мА. Спектр расcчитан

с учетом поглощения в материале анода и выходном окне. Пунктиром на

рисунке показано поведение спектра без учета поглощения в материале анода

и материале окна.

Рис. 10.5. Характерный спектр рентгеновской трубки с W анодом.

Пики на спектре соответствуют характеристическому излучению.

10.1. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

При рентгенографических исследованиях через вещество пропускают

рентгеновские кванты и регистрируют изображение прошедшего через

125

объект излучения. При этом кванты могут взаимодействовать с веществом

различными способами (Рис 10.6).

Рис. 10.6 Основные процессы взаимодействия рентгеновских квантов с веществом

При достаточно низкой энергии рентгеновских квантов основной

процесс, определяющий взаимодействие, это процесс фотоэлектрического

поглощения. При фотоэлектрическом поглощении происходит поглощение

падающего кванта электроном атомной оболочки и образование свободного

электрона с энергией, сравнимой с энергией поглощенного кванта. Кроме

этого, при прохождении рентгеновского излучения через вещество может

наблюдаться процессы, когда выброшенный из атома электрон получает

лишь часть энергии падающего кванта и называется электроном отдачи.

Остальная энергия излучается в виде кванта с меньшей энергией, чем у

падающего кванта. Такое рассеяние называется Комптоновским.

Направление излучения возникшего рентгеновского кванта произвольно.

Комптоновское рассеяние имеет место на внешних слабосвязанных

электронах атома, либо на электронах легких атомов.

Поскольку Комптон-эффект существенен для легких атомов, из которых в

основном состоит человек, то при рентгенографических исследованиях

Комптоновское рассеяние составляет значительную часть излучения,

прошедшего через тело пациента и приводит к размыванию изображения

исследуемого объекта. Для уменьшения этого эффекта в медицинских

исследованиях используют отсеивающий коллиматор (Рис.10.7). Но при этом

в несколько раз теряется интенсивность прошедшего через объект излучения,

и приходится увеличивать дозу облучения пациента.

126

Рис.10.7 Влияние процессов рассеяния излучения в пациенте на качество

рентгенографического изображения

Значительное уменьшение влияния Комптоновского рассеяния

достигается с использованием сканирующих методов рентгенографии. В

этом случае объект облучается узким пучком рентгеновского излучения,

ширина которого во много раз меньше исследуемых особенностей объекта. В

результате влияние Комптоновского рассеяния от соседних областей на

исследуемую область объекта становится несущественным, поскольку эти

области попросту не облучаются в момент регистрации.

10.2 Статистический характер взаимодействия рентгеновского

излучения с веществом

Поскольку каждое событие рождения и поглощения рентгеновских квантов

происходит независимо друг от друга, эти процессы описываются

статистикой Пуассона. Если N0 - средний уровень регистрируемого сигнала,

то 0N будет являться шумом, определяемым самой природой

рентгеновских квантов. Качество информации, получаемой из

регистрируемого сигнала, определяется отношением сигнал-шум. Так для

источника с энергией квантов Е отношение сигнал-шум равно:

(10.1)

127

На рис.10.8 можно видеть, как влияет отношение сигнал-шум на

качество регистрируемого изображения.

Рис.10.8 Качество регистрируемого изображения предмета при различных

соотношениях полезного сигнала к шуму.

Как видно из рисунка минимальным отношением сигнал-шум при

котором еще можно достоверно различить особенности регистрируемого

объекта является 1.0.

Следует отметить, что формула (10.1), описывающая отношение сигнал-

шум справедлива только для источника, у которого все кванты имеют

одинаковую энергию. Но на практике, в частности в медицинских целях

применяют источники (рентгеновские трубки) у которых имеется широкий

спектр излучения. В этом случае для определения суммарного по спектру

отношения сигнал-шум необходимо применять следующее отношение:

Очевидным путем улучшения качества рентгеновского изображения

является увеличение проходящих через объект квантов. Но такое не всегда

возможно, особенно в медицинских исследованиях, когда объектом

исследования является живой человек. Поэтому важно знать какие

128

параметры рентгеновского излучения и как влияют на качество получаемой

рентгенографической информации кроме количества рентгеновских квантов.

Проиведенные расчеты зависимости отношения сигнал-шум (SNR) и

поглощенной дозы в зависимости от энергии рентгеновских квантов

показали, что с повышением энергии квантов происходит рост отношения

сигнал-шум. При превышении энергии квантов более 35 кэВ отношение

сигнал-шум практически не меняется, а эквивалентная поглощенная доза

продолжает расти (Рис. 10.9).

Рис.10.9. Поглощенная доза и SNR в зависимости от энергии рентгеновских квантов

Таким образом, существует оптимальное для данного типа исследований

значение энергии квантов, при котором достигается наилучшее качество при

минимальной дозе - 35 Кэв.

Существует еще один вопрос, касающийся получения качественных

изображений. Этот вопрос относится к величине дозы излучения,

поглощенной в пациенте при регистрации изображения с заданным

отношением сигнал-шум. Расчеты, проведенные для сканирующего метода

регистрации изображения с контрастом плотности 1% и суммарным

отношением сигнал-шум SNR » 1 (минимальное качество), дают следующие

результаты:

1) при регистрации фронтальной проекции легких человека

поглощенная доза составляет 6.3 мкэв;

129

2) при регистрации боковой проекции 20 мкэв.

Таким образом, существует некоторая минимальная доза облучения,

необходимая для получения изображения с заданным качеством.

На рисунке 10.10 представлены спектры рентгеновской трубки с W

анодом и ускоряющем напряжении 75 кВ, рассчитанные до и после

прохождения слоя воды толщиной 10 см (“фантом” для рентгенографических

исследований фронтальной проекции легких человека)

Рис. 10.10 Спектры излучения от рентгеновской трубки с W анодом при

ускоряющем напряжении 75 кВ, до и после прохождения “фантома” - 10 см воды

Из представленных спектров видно, что при прохождении через

пациента кванты с энергией менее 30 кэВ полностью поглощаются. Они

увеличивают радиационную нагрузку на пациента и не принимают участия в

формировании полезного изображения. Для уменьшения количества квантов

с малыми энергиями в спектре необходимо применять различные

рентгеновские фильтры.

На основании вышеприведенных данных можно сделать вывод, что для

улучшения качества рентгенографических изображений необходимо:

1. Увеличить число рентгеновских квантов проходящих через

исследуемый объект. В таблице 1 представлены способы увеличения числа

рентгеновских квантов и их недостатки.

130

Таблица 1.

Способ увеличения числа

рентгеновских квантов

Недостатки

Увеличение тока трубки радиационная нагрузка на

пациента

Увеличения ускоряющего

напряжения

- радиационная нагрузка на

пациента,

- снижение контраста

изображения,

- ухудшение структуры

изображения из-за большого уровня

комптоновского рассеяния.

Увеличения времени

экспозиции

-радиационная нагрузка на

пациента,

-вероятность получения

«смазанного» изображения в случае

движения объекта исследования во

время экспозиции.

Преодоление некоторых недостатков возможно путем оптимизация

энергетического состава спектра рентгеновской рубки за счет применения

оптимальных параметров (прежде всего ускоряющего напряжения и тока)

для заданного типа исследований. Кроме этого, необходимо применение

специальных рентгеновских фильтров, выделяющих из спектра область с

оптимальной энергией квантов.

2. Применять высокоэффективные детекторы, обеспечивающие

регистрацию каждого рентгеновского кванта, прошедшего через объект

исследования.

3. Применять специальные методы зондирования, снижающие уровень

Комптоновского излучения в регистрируемом сигнале, такие, например, как

метод сканирующей рентгенографии.

131

11. Радиоактивные изотопы и их применение в биологии и

медицине.

С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых

разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений

включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в

биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции

микробов, а также отдельных соединений внутри организма. В области

физиологии и биохимии растений с помощью И. и. решен ряд теоретических

и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ,

жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических

элементов, в жизни растений. В области физиологии и биохимии животных и

человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в

том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора — в нервную и

мышечные ткани, кальция — в кости).

Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента,

близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную

атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским

радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих

слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же

место в клетке периодической системы элементов Менделеева. Атом любого

химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и

окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение

химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый

номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются

поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы

которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически

одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра.

По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи»,

но различны «внутри».

132

В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой,

близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-

нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное

современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра

атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь

числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором

символов XAZ , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома

(число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов –

протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Из всех известных нам изотопов

только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2H и 3H

носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D

и T (изотоп 1H называют иногда протием).

В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные –

радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному

превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам

так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270

стабильных изотопов. Число нестабильных изотопов превышает 2000,

подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате

осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов

у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число

стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы

состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий,

алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее

число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их

– 4, у ртути – 7.

Радиоактивность (radioactivity) — это обозначение удивительного

явления природы, открытого Беккерелем в конце XIX века, суть которого

заключается в самопроизвольном спонтанном превращении атомных ядер

некоторых элементов в другие, которое сопровождается выделением трёх

видов "лучей". Природу лучей установили быстро: α-лучи — это двукратно

133

ионизированные атомы гелия, β-лучи — это электроны, γ-лучи — это

жесткое коротковолновое электромагнитное излучение. Элементы,

способные к таким превращениям стали называться радиоактивными, т.е.

способными к этому превращению. В зависимости от типа излучения,

радиоактивные атомы стали определять соответственно как α, β или γ

излучатели или источники. Правда, вскоре было установлено, что некоторые

радиоактивные атомы излучают сразу два (а возможно, и три) вида лучей,

поэтому такая классификация дополняется пояснениями — это "чистый" α-

излучатель или имеется сопутствующее γ-излучение. К первоначальным трём

типам ядерных превращений (α, β и γ — радиоактивный распад) добавились

новые, однако, общие закономерности для всех остались неизменными. В

конце ХХ века было рекомендовано термин "изотоп" заменить на "нуклид" и,

соответственно, "радиоактивный изотоп" на "радионуклид". Особенно

широкого распространения это нововведение не получило, и оба термина

используются в научной литературе как синонимы.

За единицу активности (радиоактивности) радиоактивного вещества в

Международной системе СИ принята скорость радиоактивного распада,

равная 1 распаду в секунду, которая получила название беккерель — Бк (в

английской версии Bq). Устаревшая, но по-прежнему используемая единица

активности кюри — Ки (в английской версии Ci) — это активность

препарата, эквивалентная активности 1 г металлического радия-226 и равная

3,7х1010 распадов в секунду, т.е. 3,7х1010 Бк. Строго говоря, радиоактивный

распад — это превращение ядра атома радиоактивного элемента, которое

сопровождается выделением продуктов такого превращения.

Основной закон радиоактивного распада описывается замечательной

формулой:

Nt = N0e-λt,

где: Nt — количество распавшихся радиоактивных атомов; N0 — начальное

количество радиоактивных атомов; е — основание натурального логарифма;

λ — константа скорости радиоактивного распада; t — время. Константа

134

скорости радиоактивного распада [ λ ] (иногда ее называют константой

распада) определяется только природой изотопа и для каждого изотопа имеет

свою величину. Время, за которое распадается половина радиоактивных

атомов данного изотопа называется периодом полураспада. Физический

смысл константы скорости радиоактивного распада [ λ ] — это активность

1 моля (или ммоля) 100% радиоактивного изотопа и соответственно

размерность этой константы — Бк/моль. То есть, это теоретически

достижимая молярная активность (активность одного моля радиоактивного

вещества), знание которой позволяет оценить чувствительность метода и

качество радиоактивного препарата.

Радиация характеризуется ионизирующим излучением (ИИ), которым

называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при

ядерных превращениях, т.е. в результате радиоактивного распада. Чаще всего

встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как

рентгеновское и гамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов,

нейтронов и протонов. Альфа-частицы представляют собой положительно

заряженные ядра атомов гелия. Эти частицы испускаются при радиоактивном

распаде некоторых элементов с большим атомным номером, в основном это

трансурановые элементы с атомными номерами более 92. Альфа-частицы

распространяются в средах прямолинейно со скоростью около 20 тыс. км/с,

создавая на своём пути ионизацию большой плотности. Альфа-частицы,

обладая большой массой, быстро теряют свою энергию и поэтому имеют

незначительный пробег: в воздухе - 20-110 мм, в биологических тканях - 30-

150 мм, в алюминии - 10-69 мм.

Бета-частицы - это поток электронов или позитронов, обладающий

большей проникающей и меньшей ионизирующей пособностью, чем альфа-

частицы. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и сразу

же излучаются оттуда со скоростью, близкой к скорости света. При средних

энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляет несколько метров, в воде -

1-2 см, в тканях человека - около 1 см, в металлах - 1 мм.

135

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное

излучение высокой частоты и с короткой длиной волны, возникающее при

бомбардировке вещества потоком электронов. Важнейшим свойством

рентгеновского излучения является его большая проникающая способность.

Рентгеновские лучи могут возникать в рентгеновских трубках, электронных

микроскопах, мощных генераторах, выпрямительных лампах, электронно-

лучевых трубках и др.

Гамма-излучение относится к электромагнитному излучению и

представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со

скоростью света. Они обладают более короткими длинами волн, чем

рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело

человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать

вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит.

Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно

пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц. Эти частицы

вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при

реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не

имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой

проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии

нейтроны условно делятся на быстрые, сверхбыстрые, промежуточные,

медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе

ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки

быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного

излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в

их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного

облучения.

136

11.1 Меченые атомы

Соединения, меченные радиоактивными изотопами, делят на две группы

веществ. Во-первых, это конкретные химические соединения, у которых

один атом (или несколько) заменён на атом радиоактивного изотопа того же

элемента, т.е. химически такое соединение идентично "немеченому". Во-

вторых, это молекулы соединений, модифицированные с помощью

радиоактивного фрагмента (или дополнительного радиоактивного атома),

которые отличаются от исходного немеченого соединения. К последнему

случаю относятся всевозможные конъюгаты и модификации биологических

макромолекул с неопределенным местоположением радиоактивного атома,

например, молекула иммуноглобулина с введенным изотопом

радиоактивного йода-125.

Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с

помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в

организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм

подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются

новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию

крови, является исключением из этого правила. Радиоактивный натрий,

вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования

кровообращения, йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно

при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением

радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы

радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально

развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для

лечения базедовой болезни. Интенсивное гамма-излучение кобальта

используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка) .

137

11.2 Действие радиации на живые организмы

Развитие жизни на Земле всегда происходило в присутствии

радиационного фона окружающей среды. Радиоактивное излучение – не

нечто новое, сотворенное разумом человека, а вечно существующее явление.

В большинстве областей Вселенной уровни радиации намного выше, чем на

поверхности Земли. Низкие уровни радиации на нашей планете являются

следствием 2-х причин:

- Земля ведет себя как гигантский магнит, в результате чего некоторые

заряженные частицы отклоняются от своего пути и проходят мимо планеты,

другие – изменяют свой курс над экватором и собираются в виде воронки в

районе полюсов, закручиваясь в соответствии с направлений магнитных

силовых линий прямо над геомагнитным полюсом. Элементарные частицы в

магнитном поле вызывают полярные сияния, а также изменяют форму

магнитного поля Земли: с одной стороны кольца получаются больше и

длиннее, а с другой – меньше и уже;

- толстый слой атмосферы, содержащий воздух и пары воды, окутывают

Землю, как одеяло, разрушая, замедляя и останавливая движение многих

быстрых частиц.

Космическое излучение имеет 3 источника происхождения:

- галактическая радиация идет к нам из отдаленных районов космоса;

- радиацию создают заряженные частицы, образующие циркулирующие

вокруг Земли слои;

- мощные потоки радиации, идущие от Солнца, так называемые

солнечные корпускулярные события (внезапные потоки частиц,

сопровождающие вспышки на Солнце).

Галактическое излучение состоит почти полностью из протонов и альфа-

частиц. Ядра более тяжелых элементов присутствуют, но в меньших

количествах. Мощность дозы галактической радиации не очень меняется во

времени и не слишком высока, чтобы вызывать беспокойство.

138

Радиационные пояса Земли – области вокруг Земли, в которой

магнитное поле задержало огромное количество заряженных частиц и

заставило их двигаться взад-вперед от полюса к полюсу в различных

направлениях по заданным траекториям.

Радиация имеет название «ионизирующее излучение» и будет

ионизирующей в том случае, если способна разрывать химические связи

молекул в живых организмах и тем самым вызывать мутации. Когда

ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает

свою энергию тканям и клеткам. При этом поглощенная энергия

распределяется неравномерно, а отдельными разрозненными «пачками».

Общее количество поглощенной энергии может быть небольшим, но

некоторые клетки живой материи из-за такой неравномерности

распределения энергии будут значительно повреждены. Последствия,

которые вызывает воздействие излучения в живых организма, можно

классифицировать различными способами, зависящими от величины

полученной дозы:

1. изменение в соматических клетках, приводящее к возникновению рака;

2. генетические мутации, оказывающие влияние на будущие поколения;

3. влияние на зародыш и плод вследствие облучения матери в период

беременности;

4. смерть непосредственно в момент облучения.

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в

сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты,

редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов

приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы 'радиации

вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях

приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами

(радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других

культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы,

139

применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение

радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными

насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение

получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое

из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают

различные удобрения радиоактивным фосфором P3215 . Исследуя затем

растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими

фосфора из разных сортов удобрения.

11.3. Биологическое действие ионизирующих излучений

Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих

излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте

последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом

- у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или

отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60

суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи,

помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая

болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются

через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений

кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения

продолжительности жизни.

При изучении действия излучения на организм были выявлены

следующие особенности:

1. Высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её

количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления

действия ионизирующих излучений.

3. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.

4. Генетический эффект - воздействие на потомство.

140

5. Различные органы живого организма имеют свою

чувствительность к облучению.

6. Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на

облучение.

7. Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же

дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно

оно получено во времени.

Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как

при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при

внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение

происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы

пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение

более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь ИИИ подвергают

непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной

частью организма человека, расщепляется и образуются ионы с разными

зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с

молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её.

Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови -

снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов.

Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и

приводит к инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и

слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри,

возможно отмирание тканей (некрозы).

Смертельные поглощённые дозы для отдельных частей тела следующие:

• голова - 20 Гр;

• нижняя часть живота - 50 Гр;

• грудная клетка -100 Гр;

• конечности - 200 Гр.

141

При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающую смертельную

дозу, человек может погибнуть во время облучения ("смерть под лучом"). С

учётом радиочувствительности разных тканей и органов человека,

разработаны предельно допустимые дозы облучения (Табл. 11.1).

Предельно допустимая доза - это наибольшее значение индивидуальной

эквивалентной дозы за год, которая при равномерном воздействии в течение

50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных

изменений, обнаруживаемых современными методами. Каждый житель

Земли на протяжении всей своей жизни ежегодно облучается дозой в

среднем 250-400 мбэр. Полученная доза складывается из природных и

искусственных источников ионизирующего излучения.

Таблица 11.1

Дозовые пределы

Группа и название

критических органов человека

Предельно

допустимая доза для

категории А за год,

бэр

Предел дозы

для категории Б

за год,

бэр

I. Всё тело, красный костный

мозг 5 0,5

II. Мышцы, щитовидная

железа, печень, жировая ткань,

лёгкие, селезёнка, хрусталик глаза,

желудочно-кишечный тракт

15 1,5

III. Кожный покров, кисти,

костная ткань, предплечья, стопы,

лодыжки

30 3,0

142

Природные источники дают суммарную годовую дозу примерно 200

мбэр (космос - до 30 мбэр, почва - до 38 мбэр, радиоактивные элементы в

тканях человека - до 37 мбэр, газ радон - до 80 мбэр и другие источники).

Искусственные источники добавляют ежегодную эквивалентную дозу

облучения примерно в 150-200 мбэр (медицинские приборы и исследования -

100-150 мбэр, просмотр телевизора -1-3 мбэр, ТЭЦ на угле - до 6 мбэр,

последствия испытаний ядерного оружия - до 3 мбэр и другие источники).

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) предельно допустимая

(безопасная) эквивалентная доза облучения для жителя планеты определена в

35 бэр, при условии её равномерного накопления в течение 70 лет жизни.

143

Литература

1. Айрапетьянц Э.Ш., Константинов А.И. Эхолокация в природе. Л., Наука, 1974

2. Аккерман Ю., Биофизика, пер. с англ., М., 1964; 3. Байер В., Дернер Э., "Ультразвук в биологии и медицине", пер. с нем., Л., 1958; 4. Бергман Л., "Ультразвук", пер. с нем., М., 1956; 5. Бернштейн Н. А., О построении движений, М., 1947; 6. Блохин М. А., “Физика рентгеновских лучей”, 7. Государственное издательство технико-теоретической литературы, М., 1953. 8. Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, М. —Л., 1966; Молекулярная биология. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1963; 9. Бурнак В.В., Антропометрия. Практический курс, М., 1991. 10. Вопросы биофизики. Материалы I Международного биофизического конгресса. Стокгольм, июль — август 1961, М., 1964; 11. Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; 12. Ермаков С.Ф., Родненков В.Г., Белоенко Е.Д., Купчинов Б.И., Жидкие кристаллы в технике и медицине, М, 2002 13. И.И. Клюкин Удивительный мир звука Л., Судостроение, 1986 14. Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы. 3-е изд. М.: Просвещение, 1991. – 367 с.: ил. 15. Казначеев А.В., Физика жидких кристаллов, М, Наука, 1987 16. Какурин Л. И., Катковский Б. С., Некоторые физиологические аспекты длительной невесомости, в кн.: «Итоги науки». Серия Биология, в. 8, М., 1966; 17. Медико-биологические исследования в невесомости, М., 1968; 18. Физиология в космосе, пер. с англ., М., 1972. 19. Канонников "Журнале физико-химического общества" т. 20, 22, 23; 20. Касьянов В. А. Физика. Учебн. Для общеобразоват. Учреждений. – 5-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.: ил. 21. Красильников В. А., "Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах", 3 изд., М., 1960. 22. Лазарев П. П., Сочинения, т. 2, М.— Л., 1950; 23. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. Том 1.-11-е изд.- М.: Наука. Физматлит,1995 24. Ливинцев Н.М. Курс физики: Медгиз, 1960 25. Лысов П.К., Никитюк Д.Б., Сапин М.Р. Анатомия (с основами спортивной морфологии): Учебник. Том 2.- М.:Медицина, 2003.- 416с. 26. Мартиросов Э.Г. Методы исследования в спортивной Соматологии. - М., Физкультура и спорт, 1982.-199с. 27. Медико-педагогические аспекты подготовки юных спортсменов. Сборник

144

научных трудов., Смоленск., 1989,-128с. 28. “МЕДТЕХ”. Устройство для регистрации и формирования рентгеновского изображения. Пат. РФ № 2130623 от 21.02.97 29. Методы неразрушающих испытаний, под ред. Р. Шарпа, пер. с англ., М., 1972;30. Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., "Основы молекулярной акустики", М., 1964; 31. Пасынский А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; 32. Практическое руководство по физико-химическим методам анализа/ под ред. И.П. Алима 33. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. вузов. – М.: Высшая школа, 1987. – 638 с.: ил. 34. Рокицкий П.Ф., Биологическая статика, 2 изд., Минск, 1997 35. Рочинский Я.Я., Левин М.Г. Антропология, 2 изд., М., 1993 36. Руководство к химическому исследованию питательных веществ, под ред Канонникова, (1891). 37. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3 т. – М.: Наука, 1988. – 496 с., ил. 38. Самусев Р.П. Атлас анатомии человека. – М., Мир, 2002 39. Сетлоу Р., Поллард Э., Молекулярная биофизика, пер. с англ., М., 1964; 40. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т.Т.1. Механика.- 3-е изд.- М.: Наука, 1989 41. Скучик Е., "Основы акустики", пер. с нем. , т. 1 - 2, М., 1958 - 59; 42. Сонин А. С., Введение в физику жидких кристаллов, М., 1983; 43. Стивен В. Смит, “Научно-техническое руководство по цифровой обработке сигналов”, Калифорнийское техническое издание, Сан-Диего, Калифорния, 1997-1999 44. Стрелков С.П. Механика.-3-е изд.- М.: Наука, 1975 45. Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), "Теория звука", пер. с англ., 2 изд., М., Лихачoff 1955; 46. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. - Минск:Изд-во НПООО "Микровидеосистемы", 1998 47. Урбак В.Ю., Биометрические методы, 2 изд., М.,1994 48. Физиология человека /Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса.: В 4 т. – М.: Мир, 1985 – 1986. 49. Хайкин С.Э. Физические основы механики.- 2-е изд.-М.: Наука, 1971 50. Харрисон Дж. и др. Биология человека.- М.,Мир, 1979 51. Хрисанфова, И.В. Перевозчиков. Соматология.- М., изд. МГУ, 1991 52. Чандрасекар С., Жидкие кристаллы. М, Мир, 1980 53. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N11. С.37-46. 54. "Anleitung z. Untersuchung d. für d. Zucker-Industrie in Betracht kommenden Rohmaterialien, Producte etc." ;/ Frühling, (4 изд., 1891);

145

55. "Das optische Drehungsvermögen organischer Substanzen"; / Landolt, 1879 "Physikalisches Practicum" ; / Wiedemann и Ebert, 1890 56. "Traité d'optique";/ Mascart, (t. 2, 1891). 57. Edwin L. Dove, “Physics of Medical Imaging”, Chapter 8, Biomedical Engineering The University of Iowa, 2004 58. M. Sanchez del Rio and R. J. Dejus "XOP: Recent Developments", SPIE proceedings vol. 3448, 1998. 59. S. Krüll. Elektrische Bahnen, 2004, № 1/2, S. 74 – 78.

Ресурсы Интернет

1. http://www.medarticle34.moslek.ru 2. http://www.alhimic.ru 3. http://www.dr-md.ru/endocrine/thermography/ 4. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/.html 5. http://www.krugosvet.ru/articles/118/1011876/1011876a1.htm 6. http://ultraton.ru/ 7. http://www.5ballov.ru/referats/preview/77110/5 8. http://www.medicreferat.com.ru/pageid-183-6.html 9. http://know.su/link_3102_12.html 10. http://www.ssga.ru/ 11. http://tmn.fio.ru/works/40x/306/02_3.htm 12. http://www.5ballov.ru/referats/preview/25502 13. http://www.sanussuri.dvru.ru/radon/ 14. http://www.examen.ru/ 15. http://polechis.ru/sc/96545802.htm 16. http://penza.fio.ru/personal/55/3/6/stroenie.htm 17. http://upload/.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Ear-anatomy.png 18. www.diving-ua.com 19. http://www.medtrust.ru 20. www.diq.ru/images/items/loudness/ear_2.gif 21. www.medafarm.ru 22. www.geoman.ru 23. www.cultinfo.ru