Понятия обратимых и необратимых процессов 11 глава

Стремление получить дополнительную информацию о работе сердца стимулирует развитие магнитокардиографии, которая для некоторых видов болезней сердца дает информацию, не содержащуюся в ЭКГ. Однако для внедрения этого метода требуется большой статистический материал, чтобы выделить классы нарушений, проявляющиеся на магнитокардиограмме.

6.7. Радионуклидная диагностика

Радионуклидная диагностика - это совокупность методик исследования состояния внутренних органов и систем путем использования соединений, меченных различными нуклидами. Характерной особенностью радионуклидной диагностики является необыкновенная широта возможностей - от тончайших исследований биохимических структур до анатомического состояния органа путем использования специальной, иногда очень сложной аппаратуры.

Метод реализуется внутривенным введением в организм пациента химических соединений, меченных радиоизотопами (чаще всего технецием (⁹⁹Тс)), так называемых радиофармпрепаратов. Радиоизотопы, входящие в состав этих соединений, испускают гамма-лучи, которые улавливаются детектором особого устройства - гамма-камерой, представляющей собой различных размеров монокристалл йодистого натрия, активированного таллием. При попадании в этот кристалл гамма-кванта, последний вызывает в нем вспышку (сцинтилляция), которая улавливается фотоумножителями и преобразуется в электрические импульсы, обработав которые, компьютер строит аналоговое изображение на экране монитора:

1) статическая сцинтиграфия почек и мочевого пузыря, в результате которой после введения радиофармпрепарата получается изображение указанных органов в текущий момент времени;

2) динамическая сцинтиграфия почек и мочевого пузыря, дающая серию изображений указанных органов в течение определенного времени, что позволяет оценить их функцию.

При этом осуществляется количественная оценка диагностических показателей, их своеобразная интерпретация, оформляемая в диагностическую информацию, которую необходимо связать с клиникой заболевания. Наличие сложной аппаратуры, в том числе ЭВМ, требует от врача не только тесного контакта с клиницистами различного профиля, но также с физиками, инженерами и математиками.

Несмотря на то, что такие методы, как компьютерная томография, ультразвуковые исследования, магнитно-резонансная томография, как правило, превосходят радионуклидную диагностику по качеству получаемых медицинских изображений, особенно по пространственному разрешению, они не могут конкурировать с радионуклидной диагностикой по возможности выявления тех поражений, которые пока еще не имеют своего структурно-анатомического выражения, то есть когда отсутствуют патоанатомические изменения. Такие поражения обычно проявляются в начальной стадии разных заболеваний, и поэтому их можно рассматривать как патофизиологические. Благодаря этой возможности современная радионуклидная диагностика занимает определенное и вполне устойчивое положение в общем ряду методов медицинской визуализации, не конкурируя с ними, а дополняя их диагностический потенциал.

В настоящее время в урологии и нефрологии применяют следующие виды радионуклидных исследований: ренографию (оценка поглотительной и экскреторной функции) и сканирование (оценка топографии органа и характер распределения в нем препарата). При наличии гамма-камеры с ЭВМ выполняются реносцинтиграфия и ангионефросцинтиграфия. Они позволяют визуально проследить и зафиксировать динамику распределения и перемещения индикатора в каждой почке и отдельных ее сегментах, количественно оценить показатели функционального состояния почек, определить уровень нарушения уродинамики и получить представление о кровоснабжении почек. В норме на сцинтиграммах почки имеют продолговатую форму, четкие контуры и однородную структуру. Наибольшая концентрация индикатора наблюдается в центральных зонах, значительно более низкая - по периферии органа, особенно в медиальных отделах, что обусловливается небольшим количеством функционирующей паренхимы в воротах почки.

Комплекс радионуклидных исследований мочевыделительной системы предусматривает решение следующих задач:

1) определение суммарной функции почек для диагностики наличия и тяжести почечной недостаточности;

2) определение секреторно-экскреторной функции каждой почки раздельно;

3) определение анатомо-топографических особенностей почек.

Таким образом, можно утверждать, что единых универсальных методов в диагностике заболеваний нет, так как любое, особенно острое патологическое состояние у разных больных имеет совершенно различные варианты изменений, а у каждого метода есть свои преимущества и недостатки.

На современном этапе одним из перспективных направлений в диагностике патологического состояния организма является системный подход, который заключается в необходимости комплексного применения различной аппаратуры, позволяющей получать объективную информацию об анатомо-топографических изменениях в функциональном состоянии внутренних органов и систем человека.

Следует отметить, что не все методы, используемые для диагностики, безопасны. К таким методам, где нужно быть крайне осторожным обслуживающему медицинскому персоналу, можно отнести рентгенодиагностику и радионуклидную диагностику, то есть методы, которые базируются на ионизирующем излучении электромагнитной и радиоактивной природы, так как радиация, по своей природе, вообще вредна для жизни.

6.8. Действие радиации на человека

Последние исследования ученых показали, что при малых дозах облучения в организме могут происходить процессы, приводящие к раку или генетическим повреждениям.

При больших дозах радиация разрушает клетки, повреждает ткани, органы, что приводит к гибели организма. Данные повреждения проявляются в течение нескольких часов или дней. Действие малых доз проявляется через несколько лет и даже через ряд поколений.

Таким образом, любой человек, подвергнувшийся радиации, не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней. Однако вероятность или риск наступления таких последствий у него больше, чем у человека, который не был облучен. И риск этот тем больше, чем больше доза облучения.

Заслуживает внимания информация, полученная медиками при облучении людей, страдающих онкологическими заболеваниями, то есть при радиотерапии.

Наблюдения показали: величина дозы, определяющая тяжесть поражения организма, зависит от того, получает ее организм сразу или в несколько приемов. Организм переносит радиацию мелкими дозами лучше, чем сразу в один прием. Конечно, при большой дозе (выше 100 Гр) организм погибнет - поражается нервная система. При облучении от 10 до 50 Гр организм погибает через месяц-два от нарушения кроветворения – разрушаются клетки красного костного мозга. От дозы в 3-5 Гр (при облучении всего тела) умирает половина всех облученных.

Красный мозг и другие элементы кроветворной системы наиболее уязвимы и теряют способность функционировать при дозах облучения 0,5-1 Гр. Если облучался не весь организм, то кроветворная система может восстановиться. Облучение 0,1 Гр приводит к временной стерильности мужчин. Доза выше 0,1 Гр – к полной.

Наиболее уязвимым к радиации является хрусталик глаза. Чем больше доза, тем больше потеря зрения.

Дети крайне чувствительны к радиации. При 10 Гр облучения наблюдается аномалия развития скелета, потеря памяти, а у самых маленьких приводит к слабоумию.

Крайне чувствителен к радиации мозг плода, если мать подвергается радиации между восьмой и пятнадцатой неделями беременности.

Большинство тканей взрослого человека мало чувствительны к радиации: почки выдерживают радиацию 23 Гр (в течение недели облучения); печень – 40 Гр; мочевой пузырь – 55 Гр (за четыре недели облучения).

Обследование более 100 000 человек, облученных в 1945 году в Нагасаки, показало, что рак является единственной причиной смертности в этой группе населения.

От каждой дозы облучения в 1 Гр в среднем два человека из тысячи умирают от лейкозов.

Генетические нарушения можно отнести к двум основным типам:

1) хромосомные аберрации, включающие изменение числа или структуры хромосом и мутации в самих генах;

2) генные мутации, подразделяющиеся на доминальные, которые появляются в первом поколении, и рецессивные, которые могут появиться лишь в том случае, если у обоих родителей мутантным является один и тот же ген. Такие мутации могут не проявляться на протяжении многих поколений. Среди 27000 детей, родители которых получили большие дозы радиации, имелись две вероятные мутации. Доза в 1 Гр, полученная при низком уровне радиации, вызывает появление у мужчин от 1000 до 2000 мутаций.

На первый взгляд, кажется, что малые дозы ионизирующего излучения не оказывают воздействия, то есть не представляют опасности для населения. Как было показано выше, опасность есть, но наблюдения показали, что вероятность погибнуть от автокатастрофы или от курения 20 сигарет в день более чем в 100 раз выше, чем вероятность погибнуть от онкозаболеваний, возникших вследствие малой дозы облучения.

В последнее время создается впечатление, что все внимание общественности и все опасения по поводу радиационной опасности сосредоточены главным образом на атомной энергетике. Хотя вклад ее в суммарную дозу облучения населения – один из самых скромных.

больший риск при использовании радиодиагностики. Однако статистика показывает, что курение и езда на автомобиле принадлежат к категории более высокого добровольного риска, чем риск, которому подвергается больной при радиотерапии.

Использование химических соединений, меченных радиоизотопами, позволяет исследовать тончайшие биохимические структуры и анатомическое состояние организма, поэтому они используются в тех случаях, кода патологии не имеют своего структурно-анатомического выражения, то есть отсутствуют патоанатамические изменения.

Однако использование таких соединений небезопасно, так как организм подвергается воздействию радиации. Чувствительность тканей различных органов организма к радиации не одинакова. Большинство тканей человека мало чувствительны к радиации.

Однако хроническое облучение населения мощностью дозы 1 Гр на поколение сокращает период трудоспособности на 50000 лет, и продолжительность жизни – также на 50000 лет на каждый миллион живых новорожденных среди детей первого облученного поколения. Это обусловливает социально-значимые ценности при оценке радиационного риска.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется рентгеновским излучением? Виды рентгеновского излучения.

2. В чем сущность закона Мозли? Поглощение рентгеновского излучения.

3. Как генерируются рентгеновские лучи?

4. С какой целью в рентгеновских трубках делают анод вращающимся?

5. Каким образом взаимодействуют рентгеновские лучи с веществом?

6. В чем сущность рентгеновской компьютерной томографии? Ангиографии?

7. В чем достоинства и недостатки ангиографии?

8. В каких случаях целесообразно проводить магнитно-резонансные исследования?

9. В чем сущность магнитно-резонансной томографии? Дайте характеристику методу, методики проведения.

10. В чем сущность магнитокардиографии?

11. Какова методика магнитокардиографических исследований?

12. Какие датчики магнитных полей применяются при магнитокардиографических исследованиях?

13. Фотобиологические процессы. Дайте понятие оптической плотности.

14. Спектроскопия. В чем ее сущность? ИК–лазерная и люминесцентная спектроскопия. Люминесцентный анализ.

15. Радионуклидная диагностика. В чем ее сущность?

Тесты

1. рентгеновским излучением называют _____ с длиной волны порядка от ______ до ______ нм.

2. Найдите соответствие:

1) ; а) формула монохроматичности длин волн

лазерного излучения;

2) Φ=kZIU²; b) поток энергии рентгеновского

ормозного излучения;

3) ; с) длина волны тормозного измерения;

4) h=kρλ³Z⁴; d) частота рентгеновского

характеристического излучения;

5) ; е) коэффициенты поглощения

рентгеновского излучения.

3. Зависимость оптической плотности от ________ называется спектром поглощения.

4. Фотобиологическими процессами называют процессы, которые начинаются с ___________ квантов света биологически функциональными молекулами и являются соответствующей ______ в организмах и тканях.

5. Люминесценцией называют излучение, которое представляет собой ________ над _________ излучающего тела при данной _______ и при условии, если это излучение обладает _______ от 10^-10 с и более.

6. Миграция энергии – это ______ передача энергии от ______ к ______ на расстояние, значительно ________ межатомное.

7. Радионуклидная диагностика – это _________ методик исследования состояния __________ и систем путем использования соединений _________ различных _________.

8. Люминесцентный анализ – это метод исследования _______ под действием _________ облучения, вызывающего люминесценцию этих _________.

ЛЕКЦИЯ7. Биоакустические процессы

7.1. Характеристика звука. Его восприятие. Строение слухового анализатора

Акустикой (греч. akustikos - слуховой) называется область физики, которая исследует упругие колебания и волны. Звук в широком смысле слова представляет собой упругие волны, которые распространяются в газообразных, жидких и твердых веществах с частотой от 0 до 10000 Гц. Область слышимости звука от 16 до 20 кГц. При восприятии звука, кроме его физических характеристик - частоты, интенсивности, спектрального состава, существуют психофизические характеристики, к которым относят высоту тона, тембр и громкость звука. Звуковые колебания, как упругие механические продольные колебания, доходят до наружного слухового прохода и вызывают колебания барабанной перепонки, которая не имеет собственного периода колебаний и обладает наибольшей чувствительностью на частоте 1000 Гц.

При колебании основной мембраны в волосковых клетках возникают генераторные потенциалы, которые регенерируют нервные импульсы. Следует отметить, что из всех органов чувств наиболее сложные преобразования при восприятии стимула наблюдаются в органе слуха. Периферический отдел слухового анализатора включает в свой состав наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо - это резонатор, собственная частота которого приблизительно равна З кГц. Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Он заканчивается барабанной перепонкой, которая имеет толщину 0,1-0,2 мм и площадь 0,7 см², она отделяет наружное ухо от среднего. Среднее ухо представляет собой своеобразный барабан, объем которого приблизительно равен 0,8 см³. Существенной частью среднего уха является цепь косточек - молоточек, наковальня и стремечко, которые передают колебания барабанной перепонки внутреннему уху. Одна из этих косточек – молоточек вплетена своей рукояткой в барабанную перепонку, другая сторона молоточка сочленена с наковальней, которая в свою очередь связана со стремечком. Во внутреннем ухе находится улитка, которая является воспринимающей частью слухового анализатора.

Полость улитки делится двумя мембранами - основной и тонкой вестибулярной, а также содержит три канала. Верхний и нижний каналы заполнены жидкостью - перилимфой и сообщаются между собой у вершины улитки через небольшие отверстия - геликотрему. Верхний канал отделен от полости среднего уха мембраны овального окна, к которому прикреплено стремечко, а нижний канал - мембраной круглого окна. Средний канал заполнен эндолимфой. Внутри среднего канала улитки на основной мембране расположен звуковоспринимающий аппарат - кортиев орган, который содержит рецепторные волосковые клетки. Рецепторные клетки имеют вытянутую форму и одним концом фиксированы на основной мембране.

Каждая волосковая клетка имеет синапсы с несколькими окончаниями слуховых нервов. Структура и механизм действия внутреннего уха исследовал Бекеши, который в 1961 г. за свою работу получил нобелевскую премию.

Согласно Бекеши, волокна основной мембраны не натянуты, а акустическое давление вызывает изгиб мембраны. Причем максимум изгиба приходится на разные точки мембраны в зависимости от частоты звука.

Окончательные преобразования механических колебаний в электрические происходят в органе Корти, который содержит около 24000 волосковых клеток, к которым подходят разветвления слухового нерва. Закодированные в органе Корти электрические сигналы поступают в ЦНС. Следует отметить сверхчувствительность уха. Так, на пороге слышимости смещение барабанной перепонки составляет всего 0,01 нм, что меньше диаметра атома водорода. Есть предположение, что мембрана служит лишь пусковым механизмом, который включает пока неизвестные источники энергии.

С другой стороны, психофизическое слуховое устройство поражает своим совершенством. Помимо огромной чувствии-тельности, оно воспринимает колебания, которые различаются по мощности в 10¹³ раз, то есть от комариного писка до рёва реактивного двигателя.

В целом, человеческое ухо воспринимает звуки с интенсивностью не менее I₀=10^-12 В/м². Эта чувствительность соответствует биологическому пределу. Максимальная интенсивность колебаний воспринимается субъективно как звук 10 В/м² и называется болевым порогом (I_б), так как вызывает болевые ощущения.

Различия между минимально воспринимаемой человеком интенсивностью звука и интенсивностью, вызывающей боль, очень велико: I_б/I₀=10¹³. Поэтому при измерениях пользуются логарифмами.

Десятичный логарифм отношения интенсивности исследуемого звука к интенсивности на пороге слышимости называется уровнем интенсивности звука (Б).

. (7.1)

Белл - единица шкалы уровня интенсивности звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз, то есть при L=1 I=10I₀. Обычно применяют единицу, в 10 раз меньшую, называемую децибелом, то есть

. (7.2)

Если 1 дБ=0,1 Б, то , тогда .

Таким образом, децибел соответствует таким двум уровням интенсивности, которые отличаются в 1,26 раза. Поскольку отношения интенсивностей , то вся шкала может быть разделена на 130 дБ. Так как , то L=130 дБ.

Часто в акустике вместо уровней интенсивности звука используют уровень акустического давления, которое равно

,(7.3)

где сρ - акустическое сопротивление, кг/(м²·м).

Звуковым, или акустическим, давлением называют добавочное давление (избыточное над средним давление окружающей среды, например, над атмосферным давлением), образующееся в участках сгущения частиц в акустической волне.

Акустическое давление связано с амплитудой волны, циклической частотой и акустическим сопротивлением.

. (7.4)

Используя уравнение (7.3), уравнение (7.2) запишется

. (7.5)

Таким образом, возрастание интенсивности звука в 12 раз приводит к увеличению уровня интенсивности на З дБ.

Согласно закону Вебера-Фехнера, прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений.

Для оценки субъективного восприятия звука введены понятия громкости и уровня громкости, которые учитывают зависимость порога слышимости от частоты. Уровень громкости измеряется в фонах (ф). За эталон уровня громкости принимают уровень интенсивности чистого тона с частотой 1 кГц.

Таким образом, L_G (в фонах) = L (в децибелах) при n₀=1 кГц.

Метод аудиометрии заключается в том, что с помощью звукового генератора определяют порог слухового ощущения на разных частотах. Получаемая кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограмм больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевания органов слуха.

Рассмотрим шум и его биологическое значение.

Под акустическим шумом понимают звуки, которые обладают сложным непрерывным спектром и в которых, в отличие от периодических колебаний, имеют место беспорядочные изменения частоты и амплитуды.

В биологической акустике шумом считают любые звуки, которые затрудняют правильное восприятие звуковых сигналов, а также оказывают раздражающее действие нервной системы организма. Доказано, что для нормальной жизнедеятельности и умственного труда шум не должен превышать 30 дБ. Для сравнения: шум от трактора на расстоянии 5 м от него равен 80-90 дБ.

Вредное действие производят лишь шумы, уровень интенсивности которых превосходит определенный предел. Слабые шумы природного происхождения не только не вредны, но даже благотворно влияют на человека и животных. Полное отсутствие шума, тишина, которая создается на тренировках космонавтов, тяжело влияет на психическое состояние человека. Он начинает слышать удары своего сердца, шорох ресниц и кожи. это приводит у нетренированных людей к психологическим расстройствам.

Интенсивные шумы прежде всего отрицательно сказываются на работе органов Корти, приводят к повреждению волосковых клеток, особенно клеток, реагирующих на высокие частоты. Доказано, что при кратковременном действии шума в 110 дБ временно снижается порог слуховой чувствительности (на 10-15%). Значительное снижение слуховой чувствительности наблюдается у трактористов в конце рабочего дня. При длительном действии шума повреждения волосковых клеток становятся необратимыми.

Слуховой анализатор оказывает влияние на работу группы органов и систем, особенно на работу нервной и сердечно-сосудистой системы.

7.2. Биофизика инфразвука

К инфразвукам относятся механические колебания и волны с частотами ниже 20 Гц. Нижняя граница их не определена. Практический интерес представляют инфразвуки с частотами в несколько Герц и даже в десятые и сотые доли Герц.

Источником инфразвука может быть любое тело, которое колеблется с данной частотой. Известно, что частота собственных колебаний уменьшается с увеличением размеров тела. Поэтому инфразвуки возникают при колебаниях тел, имеющих большие поверхности, а также при быстрых перемещениях тел.

В природе источником инфразвука являются: грозовые разряды, обвалы, взрывы, землетрясения. Все данные источники инфразвука создают несинусоидальные или импульсные затухающие колебания. Генераторами незатухающих инфразвуковых волн служат устройства, которые напоминают органные трубы или свистки.

Если труба открыта с одного конца, то ее длина равна четверти установившейся в ней стоячей волны. Так как длина волны l инфразвука велика, то размеры трубы должны быть значительными. например, от звука с частотой 17 Гц l=20 м, поэтому длина полуоткрытой трубы должна быть около 5 м.

Мощность таких генераторов зависит от мощности протекающего через нее потока воздуха и от ее диаметра, так как чем больше диаметр трубы, тем больше ее излучающая поверхность.

Свистки и трубы позволяют излучать большие акустические мощности. Инфразвуковой "свисток", изготовленный в лаборатории французского ученого Гавро, имел диаметр 1,5 м и мощность 2 Вт. При его работе даже на неполной мощности в стенах появились трещины. Инфразвуки распространяются на очень большие расстояния.

7.3. Получение, распространение и регистрация ультразвука

Ультразвуком называются упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, так как есть люди, воспринимающие звуки в 25 кГц.

С 1983 г. принято считать нижней границей ультразвука 11,12 кГц (ГОСТ 12.1001-83). Верхняя граница ультразвука обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах.

Поэтому в газах верхнюю границу ультразвука определяют из равенства длины ультразвука средней длине свободного пробега молекул λ₁=10^-6 м, что соответствует частоте 1 ГГц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называются гиперзвуком.

По своей природе ультразвук не отличается от волн слышимого диапазона или инфразвука. Длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, в воде при скорости с=1500 м/с и частоте n=1 Мгц длина волны будет 1,5 мм.

Благодаря малой длине волны, дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применить законы геометрической оптики.

Для мягких биологических тканей - мышц, жиров, нервных волокон, печени - с=1490…1610 м/с; для костной ткани с=3300…3380 м/с.

Скорость распространения звуковой волны является характерной величиной для данной среды. Это значит, скорость изменяется при переходе ультразвука в другую среду. Частота звуковых волн определяется источником акустических колебаний. Частицы среды, в которых распространяются акустические волны, совершают колебательные движения, то есть смещаются относительно положения равновесия по закону: , где A – амплитуда (максимальное смещение), которое показывает, с какой максимальной скоростью движутся колеблющиеся частицы. Действительно,

(7.6)

Чем больше частота, тем больше скорость частиц и амплитуда смещения. Максимальная скорость колеблющейся частицы

. (7.7)

Ускорение колебательных частиц зависит также от амплитуды смещения:

;

таким образом,

, (7.8)

где а₀ - амплитуда ускорения частиц.

Скорость распространения в газах определяется формулой Лапласа для малых амплитуд:

, (7.9)

где ; М - молекулярный вес; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; r - плотность; Р - давление.

Если А – амплитуда ультразвуковой волны, а , то

. (7.10)

Таким образом, скорость распространения в газах (воздухе) зависит от частоты ультразвуковой волны и ее амплитуды.

В жидкостях скорость распространения ультразвука зависит от коэффициента сжимаемости и плотности среды:

, (7.11)

где b - коэффициент сжимаемости;

; (7.12)

b_ад - адиабатическая сжимаемость; b_из - изотермическая сжимаемость.

Биологические среды подчиняются изотермическим законам (T=const): b равно относительному объему при изменении давления.

В твердом теле

, (7.13)

где Е - модуль Юнга; r - плотность среды.

В воздухе с=344 м/с.

Скорость распространения ультразвука в твердых телах больше, чем в газах и жидкостях: в никеле с=5600 м/с; в железе с=5850 м/с.

7.4. Звуковое давление и акустическая энергия

Акустические колебания, распространяясь в среде, создают добавочное давление к среднему, которое имеется в этой среде. Изменение давления в любой точке среды можно записать как

. (7.14)

Давление измеряется в барах (1 бар=1·10⁵ Па) или атмосферах (1 атм=1,01325·10⁵ Па).

Таким образом, звуковым давлением, или акустическим, называется добавочное давление, которое образуется в участках сгущения частиц акустической волны. Звуковое давление зависит от скорости колебаний частиц среды.

, (7.15)

где ; ;

r - плотность среды; с - скорость волны в среде; ρс - часто называют удельным акустическим импедансом;

, (7.16)

где .