Вопрос 1. Определение биофизики как науки, предмет и методы исследования. Основные разделы. Связь биофизики с другими естественными науками. Значение биофизики для медицины. 7 страница

Литература: Губанов Н.И., Медбиофизика,-1978,с.197-210. Лекции.

Вопрос 55. Использование электрофореза в медицине. Электрофореграфия. Терапевтический электрофорез. Электрокинетический потенциал и иммунитет.

Использование электрофореза в медицине:

а) макрометод электрофореза. Используется для получения g-гло­булина в промышленности.

Так как из всех белков крови наименьшая величина x -потенциала g-глобулина, следовательно, в соответствии с формулой, у него и наименьшая скорость электрофореза;

б) микрометод электрофореза. Используется для определения x -потенциала. Устройство такое же, как и в методе макрофореза, но размеры таковы, что рабочая часть камеры умещается в поле зрения микроскопа.

x -потенциал определяется по формуле Смолуховского-Дебая-Гюккеля.

в) электрофорез на бумаге. Частным случаем этого метода является электрофореграфия, которая применяется для разделения плазмы крови на белковые фракции (альбумины, a-, b-, g-глобулины).

При различных заболеваниях электрофореграмма очень характерно изменяется, что используется для диагностики.

г) терапевтический электрофорез (ионофорез) - любое лекарство в водном растворе приобретает определенный за­ряд (электрокинетический потенциал). Поэтому, используя постоян­ный электрический ток, можно вводить лекарственные препараты в заданную область тела человека.

Электрокинетический потенциал и иммунитет - иммунитет можно упрощенно представить в виде 2-х последова­тельных стадий: агглютинации и фагоцитоза. На первой стадии происходит агглютинация (склеивание в глыбки) микробных тел, проникших в кровь, при этом микроорганизмы временно теряют свою активность. На второй стадии глыбки, состоящие из микробных тел, фагоцитируются лейкоцитами.

При попадании микроорганизмов в кровь на их поверхности воз­никает двойной электрический слой и электрокинетический потенци­ал одинакового знака. Вследствие электростатического отталкивания микробных тел затрудняется протекание 1-ой стадии иммунитета -агглютинации. Для повышения иммунитета необходимо уменьшение электрокинетического потенциала. Это достигается введением много­валентных катионов: алюминия, тантала, тория. Эти катионы, обладая химическим сродством к молекулам мембран микробных тел, адсор­бируются на их поверхности, заполняют вакантные места в компакт­ном слое противоионов и тем самым уменьшают электрокинетиче­ский потенциал.

Литература: Губанов Н.И.,Медбиофизика,-1978,с.209-210. Лекции.

Вопрос 56. Биомеханика. Понятие о биокинематических це­пях. Модели Гука, Ньютона, Кельвина-Фойгта.

Биомеханика - это наука, изучающая механические свойства жи­вых тканей и органов, а также механические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности.

Основная задача биомеханики - определение рабочего эффекта и эффективности механических процессов.

Методы биомеханики: системный анализ объектов с точки зрения их строения и функции, регистрация отдельных компонентов движений, а также моделирование двигательных актов.

Понятое о биокинематических цепях - с точки зрения биомеханики, опорно-двигательный аппарат человека представляет собой совокупность управляемых биокинематических цепей (костные звенья и их сочленения), оснащенных группами мышц. Вместе они выполняют задаваемые движения как целостный механизм.

Реология - раздел механики, занимающийся изучением текучести жидких и газообразных веществ, а также процессов, связанных с остаточными деформациями твердых тел.

С точки зрения этой науки, совокупность механических свойств материала может быть описана математическими моделями, состоящими из простых моделей Гука м Ньютона.

Поведение биологического материала под механическими нагрузками описывается реологическим уравнением состояния:

e = f (t) при s = const,

s = f (t) при e = const, где e = dl /l₀ - относительная деформация; s = F_упр / S - механическое напряжение.

Модель Гука (модель абсолютного упругого тела).

если s = s₀ s

t

Е

e

t

s

s =e × E - реологическое уравнение состояния мо­дели, где Е - модуль упругости.

У данной модели под действием скачкообразной нагрузки при приложении механического напряжения мгновенно появляется относительная дефор­мация, которая также мгновенно снима­ется при снятии механического напряже­ния.

Модель Ньютона (модель абсолютно вязкого тела).

если s = s₀ s

t

h

e

s t

s =h× de /d t - дифференциальное урав­нение, где de /d t - скорость деформации,

e =s /h× t - реологическое уравнение состояния мо­дели.

У данной модели под действием скачкообразной нагрузки при приложении механического напряжения деформация возрастает по линейному закону, а при снятии механического напряже­ния полностью остается.

Модель Кельвина-Фойгта (модель вязко-эластического тела).

если s = s₀ s

t

Е h

e

t

s

при параллельном соединении e = e₁ = e₂ и s = s₁ + s₂

s =e × E + h× de /d t - дифференциальное урав­нение состояния мо­дели.

если s = s₀, то решением этого дифференциального уравнения будут уравнения

- при нагрузке модели e =s₀ /Е× (1 – е ^–t/t), где t - время релаксации модели или промежуток времени, в течение

которого деформация изменится в е раз при резком снятии механического напряжения;

- при разгрузке модели e =s /Е× е ^–t/t.

У данной модели под действием скачкообразной нагрузки при приложении механического напряжения дефор­мация возрастает по нелинейному закону, а при снятии механического напряже­ния уменьшается по нелинейному закону.

В реальных биологических телах при приложении механической нагрузки раз­виваются несколько дефор­маций:

- упругая мгновенная деформация e _мгн, s

- медленная упругая деформация e _медл,

- вязкое течение e _вт. t

e _медл

e _мгн

e _вт t

Литература: Ремизов А.Н.. Медбиофизика, 1987,с.114-117,120-122. Лекции.

Вопрос 57. Биомеханика дыхания. Механизмы вдоха и вы­доха. Характеристики дыхательных сопротивлений. Принцип расчёта работы дыхания по pV-диаграмме.

Дыхание - это совокупность процессов, в результате которых про­исходит потребление организмом кислорода и выделение углекислого газа.

Особенность дыхания состоит в том, что изменение объема легких происходит пассивно, вследствие изменения объема грудной клетки и колебания давления в плевральной полости и внутри легких, т.е. ни­каких мышц в легких нет.

Механизм вдоха - при увеличении объема плевральной полости происходит уменьшение в ней давления (по закону Бойля-Мариотта pV = соsnt) и воздух самотеком входит в лёгкие, т.к. в этом случае р_а > р_л ,

где р_л - давление в легких, р_а - атмосферное давление.

Механизм выдоха - при уменьшении объёма грудной полости давление в плевральной полости возрастает,

р_а < р_л и воздух самоте­ком выходит из легких.

Характеристики дыхательных сопротивлений - с точки зрения биомеханики при дыхательном акте возникает два рода сопротивлений: статическое эластическое и динамическое.

Rэ - эластическое сопротивление. Это наибольшее по величине со­противление. Оно существует и тогда, когда нет движений. Оно обус­ловлено наличием в лёгких эластических волокон и поверхностным натяжением альвеол.

Rа - аэродинамическое сопротивление. При спокойном дыхании оно мало, т.к. движение воздушной струи ламинарное. При частом дыхании это сопротивление резко возрастает, т.к. появляется турбу­лентность.

Есть и другие динамические сопротивления (тканевое, за счёт тре­ния, инерционное и пр.), но они малы.

Величиной, которая характеризует механические свойства легких, является растяжимость: С=dV / dр.

Расчет работы дыхания по pV -диаграмме.

V

C B V₂

вдох выдох форсированный выдох

M N

A V₁

-9 -6 p, мм Hg

Работа дыхания определятся как площадь петли гистерезиса АМСNА или математически:

где p₁=f₁ (V)- уравнение кривой вдоха, p₂=f₂ (V)- уравнение кривой выдоха.

Губанов Н.И., Медбиофизика, 1978,с.315-330. Лекции.

Вопрос 58. Поверхностное натяжение биологических жидкостей. Сурфактанты и их роль в механизме расправления лёгочных альвеол. Рабочая характеристика альвеолы.

В легких человека более 30 млн. альвеол, и все они заполнены воздухом. Казалось бы, что в этом интересного? Оказывается, что сила дыхательных мышц в 8-10 раз меньше той силы, которая необходима для создания такого разряжения в плевральной полости, чтобы расправить все 30 млн. альвеол. Однако при рождении ребенка после его первого вдоха все альвеолы оказываются наполненными воздухом. Патл в 1965 году установил, что альвеолы изнутри покрыты плёнкой, образующей пузырёк. Если раздувать альвеолу, повышая давление внутри пузырька, то выявляется довольно сложная зависимость объёма пузырька от давления внутри него. График, отражающий эту зависимость, называется рабочей характеристикой альвеолы.

Рабочая характеристика альвеолы.

р

С рабочий участок характеристики

В

А

О V

На участке АВ альвеола трудно растяжима. Работа альвеолы на участке ОАВ неэффективна.

На участке ВС альвеола хорошо растяжима. Работа альвеолы на участке ВС эффективна.

У здорового человека альвеолы после первого вдоха остаются в точке В рабочей характеристики.

Поэтому важно, чтобы при рождении ребенок сделал первый вдох.

Расправление альвеолы, т.е. вывод ее на участок ВС рабочей ха­рактеристики связывают в настоящее время с пузырьком, который выстилает ее изнутри. Этот пузырек обладает целым рядом замеча­тельных свойств. Если поместить в воду обычный воздушный пузы­рек, то он через короткое время исчезнет, т.к. вода обладает большим коэффициентом поверхностного натяжения (a =7,5 × 10^-2 н/м) и, в со­ответствии с законом Лапласа:

a = p × r/ 2 (p - давление, r - радиус пу­зырька), система стремится к наименьшему энергетическому уровню. Уменьшение радиуса г приводит к увеличению p внутри пузырька, и воздух выходит (диффундирует) в жидкость.

Альвеолярный пузырек не проявляет тенденции к уменьшению своего объема. Это связано с тем, что его коэффициент поверхностно­го натяжения мал (a = 10^-4 н/м), т.е. меньше в 750 раз, чем у воды. Это объясняется наличием поверхностно-активных веществ в пленке, образующей пузырек.

Вещества, обладающие поверхностной активностью (жирные ки­слоты, мыла, липопротеины и т.п.) образуют пленку на границе раз­дела двух сред. Молекулы этих веществ полярны (содержат гидро­фильные и гидрофобные группы). Пленка уменьшает поверхностное натяжения растворителя, т.е. как бы создает давление, направленное противоположно поверхностному натяжению. Вещества, действую­щие подобным образом, называются сурфактантами. Химический анализ показал, что в состав альвеолярной пленки как раз входят сурфактанты.

Если жидкость, где находится альвеолярный пузырек, насытить кислородом, то пузырек начинает увеличиваться в размерах, т.к. кислород входит внутрь пузырька за счет разности пар­циальных давлений кислорода внутри и снаружи. Этот процесс про­должается несколько секунд. Затем при достижении определенного объема срабатывают механорецепторы, и происходит явление кликинга (защелкивание пузырька). При этом объем пузырька уменьша­ется примерно на 1/10. Этот процесс продолжается тоже несколько секунд, затем все повторяется. При кликинге кислород диффундиру­ет в жидкость, при этом затрачивается энергия фосфолипидов, вхо­дящих в состав пленки.

Механизм расправления лёгочных альвеол - на 21-25 неделе внутриутробного развития плода в альвеолах начинают вырабатываться сурфактанты. В альвеолах в это время нахо­дится жидкость транссудат. Сурфактанты образуют пузырёк. По мере развития плода транссудат рассасывается, и альвеолы спадаются. При рождении ребенок делает первый вдох. При этом воздух входит в ды­хательные пути. Ввиду разности парциальных давлений кислорода происходит диффузия кислорода в альвеолярный пузырек. Он растет и растягивает альвеолу, т.е. выводит её на участок В рабочей характе­ристики. При дыхании чистым кислородом сурфактантный пузырек может разрушиться. Альвеолы при этом спадаются и оказываются на участке АВ рабочей характеристики альвеолы. При этом возникает грозное осложнение – ателектаз, которое часто приводит к смер­ти больного. Поэтому дышать чистым кислородом в течение продол­жительного времени очень опасно.

Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987,с.180-184. Лекции.

Вопрос 59. Эффективность дыхания. Рабочая характеристи­ка дыхания. Причины падения эффективности дыхания при лё­гочных заболеваниях.

Есть оптимальная частота дыхания. Все люди, находясь в состоянии физиологического покоя, делают 16-20 дыхательных движений в минуту. Чем это обусловлено? Ока­зывается, что в таком состоянии человек потребляет порядка б литров воздуха (МОД=б л). Кислорода, находящегося в этом объеме воздуха, достаточно для обеспечения физиологических процессов, протекаю­щих при этом в организме человека.

При этом оказывается, что при такой частоте дыхания наименьшими оказываются общее дыхательное сопротивление легочной ткани, состоящее в основном из суммы аэродинамического Ra и эластического Rэл сопротивлений, а, сле­довательно, и затраченная работа дыхания А_затр.

А, R

Rэл Ra

А_затр

f

f_оптим

Оптимальная частота дыхания соответствует минимальной работе дыхания.

Работа дыхания зависит от МОД. Зависимость затраченной работы от МОД называ­ется рабочей характеристикой дыхания.

А_затр

Б2 Б1 здоровый человек

6 30 140 МОД, л/мин

Здоровый человек обеспечивает при максимальной работе мышц вдоха вентиляцию легких до 140 л/мин.

Больной Б1 обеспечивает при максимальной работе мышц вдоха вентиляцию легких до 30 л/мин. У него появляется одышка при работе.

У больного Б2 - одышка в покое, т.к. он не может обеспечить минимально необходимую вентиляцию легких в объеме б л/мин.

При легочных заболеваниях происходит падение КПД дыхания. Причина падения КПД дыха­ния при лёгочных заболеваниях - рост легочного сопротивления и рост затраченной работы.

Так, при раке легких, когда опухоль локализуется в бронхе, возникает турбулентность и возрастает аэродинамическое сопротивление.

После пневмонии в легких разрастается соединительная ткань, что ведет к увеличению эластического сопротивления.

Литература: Лекции.

Вопрос 60. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Реологические свойства крови и плазмы. Особенности течения крови по сосудистой системе. Физические основы клинического метода измерения артериального кровяного давления.

Несмотря на большую подвижность частиц, между двумя слоями жидкости существуют силы трения. Они называются силами внутреннего трения или силами вязкости.

Ньютон установил, что силу внутреннего трения между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями можно вычислить по формуле: F = h × du / dl × S, где

h - коэффициент вязкости жидкости; du / dl - градиент скорости; S - площадь трущихся слоев.

Часто на практике применяют понятие относительной вязкости, которая представляет собой отношение вязкости данной жидкости к вязкости воды при t = 20° С.

С повышением температуры коэффициент вязкости уменьшается.

У большинства жидкостей (вода, низкомолекулярные органические соединения, некоторые растворы, расплавленные металлы и их сплавы) коэффициент вязкости зависит только от природы жидкости и температуры. Такие жидкости называются ньютоновскими и коэф­фициент вязкости для них определяется из формулы Ньютона.

У некоторых жидкостей, преимущественно высокомолекулярных (растворы полимеров, биополимеров) или представляющих системы (суспензии, эмульсии), коэффициент вязкости зависит также и от режима течения: давления и градиента скорости. При их увеличении вязкость жидкости уменьшается вследствие нарушения внутрен­ней структуры потока жидкости. Такие жидкости называются ненью­тоновскими. Их вязкость характеризуется условным коэффициентом вязкости, который относится к определённым условиям течения жид­кости.

Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в бел­ковом растворе - плазме крови. Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Относительная вязкость крови в норме составляет: у женщин - 3,9 - 4,9; у мужчин - 4,3 - 5,3. При патологических осложнениях она может снижаться до 2-3 (анемия) или повышаться до 15-20 (полицитемия).

Вязкость сыворотки крови в норме составляет 1,64 -1,69. При па­тологии 1,5 -2,0.

Различают ламинарное (слоистое) и турбулентное (вихревое) те­чение жидкости.

При ламинарном течении F_сопр ~ u.

При турбулент­ном течении F_сопр ~ u ².

Вид течения жидкости зависит от скорости течения u, плотности жидкости r, вязкости жидкости h и радиуса трубы r, по которой она течет. Для определения характера течения вводится число Рейнольдса, которое вычисляется по формуле: R_е = 2 r × u × r/h.

Если R_е < R_{е критич}, то течение ламинарное.

Если R_е > R_{е критич}, то течение турбулентное. Для крови R_{е критич} = 970 ± 80.

При течении вязкой жидкости по трубе переменного сечения сред­ние скорости течения будут зависеть от площади сечения трубы из-за неразрывности струи жидкости: V₁= V₂ = соnst (V -объем проте­кающей жидкости в единицу времени). Тогда S ₁ × u₁ = S₂ × u₂, т.е. скорость течения будет больше там, где сечение меньше.

При течении вязкой жидкости по круглой трубе постоянного сече­ния средняя скорость течения u _ср может быть определена из формулы Гагена-Пуазейля: u_ср = (p₁ - p₂) / l × r ² / (8 h), где

(p₁ - p₂) / l - градиент давления на участке трубы длиной l.

Средняя скорость течения жидкости определяет количество жид­кости Q, протекающей в единицу времени через поперечное сечение S трубы: Q = (p₁ - p₂) / R, где R = 8 hl / (pr ⁴ ) - гидравлическое сопротивление.

Если труба горизонтальна, по уравнению Бернулли (p + r × u ²/ 2 = соnst). Статическое давление p меньше там, где скорость тече­ния и больше.

Сосудистая система человека состоит из артерий, артериол, ка­пилляров, венул и вен, соединенных последовательно. В свою очередь артерии, капилляры, венулы и вены ветвятся, т.е. представляют собой систему параллельных сосудов. Сосудистая система обладает наи­меньшим сечением в области аорты. При переходе к артериолам и ка­пиллярам суммарная площадь сечения сосудов увеличивается в 600-800 раз. Соответственно происходит и уменьшение скорости течения крови от 50см/с в аорте (течение турбулентное) до 0,03-0,05 см/с в капиллярах (течение ламинарное).

Эластичность сосудов играет при этом очень важную роль в обес­печении ламинарности течения. В момент систолы они запасают энергию. В момент диастолы - отдают энергию, продвигая кровь по сосудистой системе.

При атеросклерозе стенки сосудов делаются более жесткими, вследствие отложения на них солей кальция, и при этом увеличивает­ся скорость кровотока. Это приводит к появлению турбулентности, а, следовательно и к возрастанию работы сердца.

При малокровии уменьшается вязкость крови, и течение крови то­же может стать турбулентным.

Физическая сущность метода измерения кровяного артериального давления заключается в следующем: при давлении в манжете, большем, чем систолическое, прекращается кровоток. В тот момент времени, когда давление в манжете равно систоли­ческому, в кровеносном сосуде начинается движение крови, но оно, вследствие малости просвета сосуда, является турбулентным и сопро­вождается шумами, которые получили название тонов Короткова. В тот момент времени, когда тоны Короткова исчезают, давление в манжете равно диастолическому, т.к. течение при этом становится ламинарным и не сопровождается шумами. Прослушивая тоны Короткова в артерии ниже манжеты с помощью фонендоскопа, и наблюдая за изменением давления в манжете, можно с большой точностью определить систолическое и диастолическое давления крови.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика, 1987,с.1б9-180; Губанов Н.И., Медбиофизика, 1978,с.275-282. Лекции.

Вопрос 61. Биомеханика сердца. Трехкомпонентная модель мышцы. Напряжение миокарда. Зависимость напряжения от де­формации.

Сердце является единственным источником энергии во всей сосу­дистой системе кровообращения и при его остановке кровообращение прекращается. Большую часть сердца занимает мышца сердца - мио­кард. Механическое поведение миокарда можно описать с помощью трехкомпонентной модели:

На рисунке А - активный элемент, обладающий и вязкост­ными свойствами; В и С - модели Гука:

а) состояние физиологического покоя миокарда;

б) изотоническое сокращение миокарда ("В" работает на сжатие; "С" - не изменен);

в) изометрическое сокращение миокарда ("В" не изменен; "С" работает на растяжение).

Одним из главных показателей сократительной функции сердеч­ной мышцы (миокарда) является напряжение миокарда. Напряжени­ем миокарда называется сила, действующая в направлении укороче­ния мышечных волокон и отнесенная к их суммарному поперечному сечению: s = F / S.

Дата добавления: 2015-11-04