БИОФИЗИКА мед рус часть2. Учебное пособие для иностранных студентов медицинского факультета Запорожье 2017 2 основы биофизики

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ
Запорожский государственный медицинский университет
Кафедра медицинской физики, биофизики и высшей математики
МЕДИЦИНСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Учебное пособие для иностранных студентов медицинского факультета
Запорожье
2017

2
«ОСНОВЫ БИОФИЗИКИ» Учебное пособие для студентов медицинского факультета. Третье издание.
Запорожье, ЗГМУ, 2017.
Кафедра медицинской физики, биофизики и высшей математики
Авторы:
Сливко Э.И. – профессор, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой
Иванченко Е.З. – доцент, кандидат биологических наук
Мельникова О.З. – доцент, кандидат биологических наук
Биляк Н.С. – преподаватель

3
СОДЕРЖАНИЕ
1
БИОАКУСТИКА………………………………………………...............................
5 2
УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ…………………………
11 3
ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ………………….…………………………………
19 4
ОСНОВЫ ГЕМОДИНАМИКИ………………………………………………………
25 5
ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ……………………………....
32 6
ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОФИЗИКИ……………………….......................
41 7
СТРОЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОМЕМБРАН……………………..
53 8
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В БИОЛОГИЧЕКИХ МЕМБРАНАХ…………………...
61 9
БИОЭЛЕКТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ КЛЕТКИ………………............................
73 10 БИОФИЗИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ……………………………………
86 11 БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ…………………….
99 12 ПОСТОЯННЫЙ И ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
БИОЛОГИЧЕСКИХ
ТКАНЯХ…………………………………………………………………….
107 13 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ЕГЛ ВДИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА И
ПРИМЕНЕНИЕ В
МЕДИЦИНЕ……………………………………………………………
117 14 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ, НИЗКОЧАСТОТНОЙ И
ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ
ЭЛЕКТРОФИЗИОТЕРАПИИ…………………………………………….
133 15
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА. РЕФРАКТОМЕТРИЯ. ЭНДОСКОПИЯ……….
147 16 ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. ПОЛЯРИМЕТРИЯ. СВЕТОВАЯ МИКРОСКОПИЯ……
154 17 БИОФИЗИКА ЗРЕНИЯ……………………………………………………………….
163 18 ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ОСНОВЫ ТЕРМОГРАФИИ…………………………
173 19 ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ЛАЗЕРЫ. ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ…………
181

4 20 МЕТОДЫ РАДИОСПЕКТРОСКОПИИ…………………………………………….
190 21 ОСНОВЫ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКИ……………………………………………
199 22 РАДИОАКТИВНОСТЬ. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ………………………
211 23 ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЕ
ДЕЙСТВИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ…………………………………..
218
Литература …………………………………………………………………………………
229

5
12. ПОСТОЯННЫЙ И ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ
Постоянный ток и его характеристики
Электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов. Оно возникает под действием электрических магнитных сил, а также в результате диффузии и химических реакций в источнике тока.
Электрический ток может течь в Твёрдых телах, жидкостях и газах. За его направление принимают направление движения положительных зарядов в проводнике.
Основной характеристикой электрического тока является сила тока I.
Сила тока – это скалярная величина, численно равная электрическому заряду, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Мгновенное значение силы тока равно производной заряда q по времени:
Единицей измерения силы тока является ампер (A). Один ампер соответствует силе тока, при которой заряд, равный одному кулону, проходит через поперечное сечение проводника за одну секунду.
Другой величиной, характеризующей электрический ток, является
плотность тока J. Она равна отношению силы тока I в поперечном сечении проводника, перпендикулярном его направлению, к площади этого сечения S:
Различают постоянный и переменный ток. Постоянным называют такой ток, сила которого не изменяется во времени.
Закон Ома для постоянного тока
В соответствии с законом Ома, сила тока
I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, то есть электрическому напряжению
U
, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника
R
:
Сопротивление проводников препятствует прохождению через них электрического тока. Оно обусловлено столкновением заряженных частиц
(переносчиков тока) с внутренними структурами проводника. При этом часть
dt
dq
I

S
I
J

2




м
A
R
U
I


6 электрической энергии рассеивается в виде тепла. Единицей измерения сопротивления является
Ом
. Величина, обратная сопротивлению, называется электропроводностью:
Для многих веществ сопротивление является постоянной величиной, независимой от силы тока. Сопротивление проводника зависит от его материала, размера, формы, и температуры:
, где
l
– длина проводника,
S
- площадь его поперечного сечения.
Коэффициент пропорциональности

называется удельным сопротивлением. Оно зависит от природы вещества и температуры и измеряется в
м
Ом

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электропроводностью

:
Используя удельную электропроводность как характеристику вещества, можно представить закон Ома в дифференциальной форме:
E
J





Из данного выражения следует, что плотность тока в проводнике
J

прямо пропорциональна напряжённости электрического поля
E

, создающего этот ток, и удельной электропроводности вещества проводника

Существуют два рода проводников. Проводниками первого рода являются металлы. Они содержат свободные электроны, способные перемещаться под действием электрического поля.
Проводниками второго рода являются растворы электролитов.
Электрический ток создается в них положительными и отрицательными ионами, которые перемещаются под действием электрического поля в противоположных направлениях. Биологические ткани принадлежат ко второму типу проводников.
Удельная электропроводность электролитов и биологических тканей
Плотность тока в растворе электролита определяется величиной электрического заряда положительных и отрицательных ионов (q
+
и q
), их числом ( n
+
и n
-
) и скоростями движения в электрическом поле (

+
и

-
) :
R
D
1

 
1

Ом
S
l
R





1















n
q
n
q
J

7
Если допустить, что концентрация и величина электрического заряда положительных и отрицательных ионов равны, то
Скорость ионов

пропорциональна напряжённости электрического поля E и зависит от подвижности ионов u, которая, в свою очередь, определяется размером и формой ионов, вязкостью растворителя:
E
u



Тогда:
Данное уравнение выражает закон Ома для растворов электролитов.
Учитывая данное уравнение и закон Ома в дифференциальной форме, получаем, что удельная электропроводность раствора электролита определяется зарядом, концентрацией и подвижностью ионов.
Различные биологические ткани резко отличаются по своей удельной электропроводности. При этом они существенно не различаются по их ионному составу, но отличаются условиями ионного перемещения. Самой высокой электропроводностью (соответственно низким сопротивлением) обладают биологические жидкости: кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость. Сравнительно невелико сопротивление мышц и паренхиматозных органов: печени, почек, поджелудочной железы и др. Значительно выше сопротивление жировой ткани. Самым высоким удельным сопротивлением отличается сухая кожа и костная ткань.
Эти отличия объясняются неодинаковыми электрическими свойствами различных микроскопических структур живых тканей. Цитоплазма и межклеточное вещество характеризуются низким электрическим сопротивлением. Для биологических мембран оно, напротив, весьма велико.
Мембраны в значительной степени препятствуют свободному перемещению ионов. Поэтому невысоким является сопротивление жидких тканей и тех органов, которые содержат относительно много воды и имеющих сравнительно широкие межклеточные пространства. По этим же причинам гораздо выше сопротивление подкожной жировой клетчатки и, особенно, сухой кожи.
Постоянный электрический ток плохо проникает через сухую кожу. В основном, ток в ней проходит через выводные протоки потовых желез благодаря содержащемуся в них жидкому секрету. Ток распространяется в теле человека, главным образом, вдоль кровеносных и лимфатических сосудов и по мышцам, не всегда прямолинейно. Применение постоянного
)
(








n
q
J
E
u
u
n
q
J







)
(

8 тока лежит в основе двух методов лечения, которые используются в медицинской практике: гальванизации и лекарственного электрофореза.
Гальванизация
Гальванизация – метод физиотерапии, основанный на пропускании постоянного электрического тока через участки тела человека. Этот метод назван в честь итальянского врача и ученого Л. Гальвани – основоположника изучения электрических токов, возникающих в живых тканях.
Метод гальванизации осуществляется путём наложение на участок тела двух электродов, изготовленных из металла. Величина напряжения между ними не превышает 50-80 Вольт. Под электроды помещают увлажненные фланелевые прокладки. Сила тока может достигать 50мA. Но плотность тока не должна превышать 0,1 мА/см
2
. Ток не должен беспокоить пациента.
При пропускании постоянного тока под электродами возникает, так называемая, поляризация тканей. Она объясняется тем, что в тканях под анодом скапливаются отрицательные ионы, а под катодом – положительные.
Таким образом, внутри тканей возникает электрическое поле, направленное противоположно внешнему полю. С течением времени оно способно уменьшить силу тока, пропускаемого через тело пациента.
Под действием электрического поля в тканях перемещаются главным образом, неорганические ионы и связанные с ними молекулы воды.
Подвижность крупных органических ионов значительно меньше, чем неорганических. Наибольшее влияние оказывает гальванизация на состояние биологических мембран. Электрохимические процессы в тканях вызывают местные изменения обмена веществ, повышают проницаемость кровеносных сосудов, ускоряют кровоток.
Отмечают положительный эффект гальванизации на функции нервной и эндокринной систем организма.
Лекарственный электрофорез
Гальванизация обычно сочетается с лекарственным электрофорезом.
Этот метод лечения заключается в использовании постоянного электрического тока для введения лекарств через неповрежденную кожу и слизистые оболочки в ткани организма. Электрофоретическим путём могут вводиться только лекарственные препараты, которые диссоциируют в водных растворах на ионы (например, различные соли, антибиотики, местные анестетики, алкалоиды и др.). Электрическое поле заставляет их

9 перемещаться. Положительные ионы направляются к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные – к положительному (аноду).
Основными путями ионов, проникающих через кожу, являются каналы потовых желез.
Лекарственный электрофорез является предпочтительным, если стремятся обеспечить местное действие лекарств непосредственно на очаг поражения. Вследствие малой скорости передвижения ионов они не успевают проникнуть на большую глубину и концентрируются, главным образом, в коже и подкожной клетчатке. Здесь формируется их депо, в котором местная концентрация лекарств может оставаться сравнительно высокой на протяжении длительного времени. Отсюда лекарства медленно поступают в кровь и лимфу, оказывая общее действие на организм пациента.
Лекарственный электрофорез обладает рядом преимуществ перед другими способами введения медицинских препаратов. Кроме местного их действия можно отметить сохранение ими первоначальной химической структуры, поскольку лекарства поступают в очаг поражения и кровоток, минуя желудочно-кишечный тракт и не подвергаясь метаболизму в печени. К специфическому местному действию препарата на ту или иную область тела присоединяется его влияние на кожные рецепторы, в результате чего в данной зоне происходит рефлекторное расширение кровеносных сосудов.
Это оказывает благотворное влияние на метаболизм ткани, на которую направлено лечебное воздействие.
Переменный электрический ток
Переменный током называется ток, сила которого периодически изменяется по величине и по направлению. Наиболее распространенным является синусоидальный переменный ток, мгновенные значения которого изменяются во времени по закону синуса (или косинуса).
Такой ток возникает, если напряжение на полюсах его источника изменяется по закону:
t
U
U

sin
0

В этом случае колебания переменного тока описываются аналогичным уравнением:
t
I
I

sin
0

. \
В уравнениях
0
I
,
0
U
-максимальные (амплитудные) значения тока и напряжения,


2

- круговая (циклическая) частота.
Электрические цепи переменного тока включают такие компоненты, как сопротивление
R
, ёмкость
С и индуктивность
L.

10
Виды сопротивлений в цепи переменного тока
В цепи переменного тока могут существовать два вида сопротивления:
активное и реактивное (рис. 68). Сопротивление в цепи переменного тока R,
обусловленное столкновением заряженных частиц с внутренними структурами проводника, называется активным, так как при прохождении тока в нём происходит необратимая потеря энергии в виде теплоты.
Рис. 68. Полная цепь переменного электрического тока
Другой вид сопротивления - реактивное- обусловлено ёмкостью и индуктивностью участков цепи. На реактивном сопротивлении, в отличие от активного, не происходит потерь энергии в виде теплоты. Реактивное сопротивление бывает двух видов: индуктивное и ёмкостное.
Индуктивное сопротивление пропорционально круговой частоте тока и величине индуктивности:
L
X
L



Индуктивное сопротивление обусловлено действием электродвижущей силы самоиндукции
c

, которая препятствует изменению силы тока в цепи и увеличивает ее сопротивление:
, где L- индуктивность проводника, - мгновенная скорость изменения силы тока.
Индуктивность L зависит от магнитных свойств вещества и от размеров проводника (катушки), и измеряется в Генри (Гн).
Ёмкостное сопротивление обратно пропорционально произведению круговой (циклической) частоты тока

и ёмкости
C
данной части цепи: .
Таким сопротивлением обладает конденсатор – прибор, который состоит из двух металлических пластин, разделённых слоем диэлектрика. Он способен накапливать электрические заряды. Ёмкость
C
измеряется в
dt
dI
L
c




dt
dI
C
X
C



1
U
q
C


11
фарадах (Ф). Она связана с зарядом
q
и разностью потенциалов
(напряжением
U
) на его пластинах соотношением:
Величина
)
(
2 2
C
L
X
X
R
Z



называется полным сопротивлением
цепи переменному току, или импедансом.
Величина импеданса определяется как геометрическая сумма всех видов сопротивлений в цепи переменного тока (рис. 69).
Если представить колебания силы тока и напряжения в цепи переменного тока в виде вращающихся по окружности векторов, то можно найти суммарное напряжение в цепи.
Колебания силы тока, текущего через активное сопротивление R, совпадают по фазе с колебаниями напряжения.
Колебания напряжения на индуктивности
L
U
опережают колебания силы тока по фазе на

/2.
Колебания напряжения на емкости
C
U
отстают по фазе от колебаний тока на

/2.
Ось диаграммы, которую называют осью токов, выберем так, чтобы вектор силы тока I совпадал с ней по направлению. Тогда вектор, изображающий колебание напряжения U
R
, будет направлен вдоль оси токов, а векторы
L
U и
C
U
- перпендикулярно ей.
Амплитуда
0
U
приложенного напряжения равна векторной сумме амплитуд напряжений на резисторе (
R
U
), катушке (
L
U
) и конденсаторе (
C
U
).
Напряжения
L
U и
C
U
находятся в противофазе и, следовательно, могут складываться алгебраически:

U
L
U
C
U
(обычно
L
U
>
C
U
).
Рис. 69. Векторная диаграмма колебаний силы тока и напряжения в цепи переменного тока
C
U
R
U
L
U
C
L
U
U

0
U

12
Из прямоугольного треугольника (по теореме Пифагора) получаем:
2 0
U
=
2
R
U
+(
L
U
C
U
)
2
Откуда
)
(
2 2
C
L
X
X
R
Z



Импеданс биологических тканей
Биологические ткани характеризуются не только активным, но и реактивным сопротивлением. Они лишены индуктивного сопротивлении, но каждой клетке свойственно ёмкостное сопротивление. Оно обусловлено наличием клеточной мембраны, строение которой сходно с конденсатором.
Каждая мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, обладающим высоким электрическим сопротивлением.
Мембрана поляризована, поскольку на противоположных её сторонах происходит накопление ионов противоположного знака. Ёмкость мембраны достигает 10 мкФ и более на квадратный сантиметр поверхности.
Наличие ёмкости у живых клеток усложняет измерение их электропроводности с помощью постоянного тока. Поэтому электрические параметры биологических объектов удобнее измерять, применяя переменный ток.
Импеданс биологических объектов равен геометрической сумме активного
R
и ёмкостного
c
X сопротивлений:
Ёмкостное сопротивление находится в обратной зависимости от циклической частоты

переменного электрического тока. Поэтому импеданс Z при увеличении частоты в опредёлённом диапазоне уменьшается до некоторого значения, которое остаётся практически неизменным при дальнейшем возрастании частоты. Такая зависимость импеданса от частоты переменного тока называется дисперсией импеданса (рис. 70).
Дисперсия импеданса наблюдается только в живых тканях. После отмирания тканей величина импеданса перестает зависеть от частоты переменного тока, поскольку мембрана теряет свойства конденсатора.
2 2
2 2
)
(
1
C
R
X
R
Z
c







13
Рис. 70. Дисперсия импеданса

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12