Место биофизики в естествознании

Специального рассмотрения заслуживают процессы обмена между кровью и тканевой жидкостью. Через сосудистую систему за сутки проходит 8000--9000 л крови. Через стенку капилляров профиль­тровывается около 20 л жидкости и 18 л реабсорбируется в кровь. По лимфатическим сосудам оттекает около 2 л жидкости. Законо­мерности, обусловливающие обмен жидкости между капиллярами и тканевыми пространствами, были описаны Стерлингом. Гидроста­тическое давление крови в капиллярах (Ргк) является основной силой, направленной на перемещение жидкости из капилляров в ткани. Основной силой, удерживающей жидкость в капиллярном русле, является онкотическое давление плазмы в капилляре (Рок). Определенную роль играют также гидростатическое давление (Ргт) и онкотическое давление тканевой жидкости (Рот)

На артериальном конце капилляра Ргк составляет 30--35 мм рт.ст., а на венозном -- 15--20 мм рт.ст. Рок на всем протяжении остается относительно постоянным и составляет 25 мм рт.ст. Таким образом, на артериальном конце капилляра осуществляется процесс фильтрации -- выхода жидкости, а на венозном -- обратный про­цесс -- реабсорбция жидкости. Определенные коррективы вносит в этот процесс Рот, равное примерно 4,5 мм рт.ст., которое удерживает жидкость в тканевых пространствах, а также отрицательная вели­чина Ргт (-3--9 мм рт.ст.).

Следовательно, объем жидкости, переходящей через стенку капил­ляра за одну минуту (V), при коэффициенте фильтрации К равен:

V=(Ргк + Рот + Ргт - Рок)*К.

На артериальном конце капилляра V положителен, здесь про­исходит фильтрация жидкости в ткань, а на венозном -- V отрицателен и жидкость реабсорбируется в кровь. Транспорт электролитов и низкомолекулярных веществ, например глюкозы, осуществляется вместе с водой.

Капилляры различных органов отличаются по своей ультраструк­туре, а следовательно, по способности пропускать в тканевую жид­кость белки. Так, 1 л лимфы в печени содержит 60 г белка, в миокарде -- 30 г, в мышцах -- 20 г и в коже -- 10 г. Белок, проникший в тканевую жидкость, с лимфой возвращается в кровь.

31. Биофизика мышечного сокращения

Мышечная активность.

Мышечная активность - это одно из общих свойств высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Независимо от назначения, особенностей строения и способов регуляции принцип работы различных мышц организма одинаков. Мышечная клетка отличается от других возбудимых клеток таким специфическим свойством, как сократимость, то есть способность генерировать механическое напряжение и укорачиваться. Кроме того, мышцы являются генератором тепла, причем не только при мышечной работе, холодовой дрожи, но и в режиме нетонического термогенеза.

Мышечная активность в процессе жизнедеятельности обеспечивает работы отдельных органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую активность, желудочно-кишечного тракта, сократительную способность сердца. Нарушение работы мышц (например, определяющих функционирование легких, сердца) может приводить к патологиям, а ее прекращение - даже к летальному исходу.

Структура поперечно-полосатой мышцы. Модель скользящих нитей.

Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных сосудов. Мышцы по строению делятся на: гладкие - мышцы кишечника, стенки сосудов, и поперечно-полосатые -скелетные, мышцы сердца. Независимо от строения все они имеют близкие механические свойства, одинаковый механизм активации и близкий химический состав.

Поперечно-полосатая структура мышечных волокон может наблюдаться под обычным микроскопом. Отдельное мышечное волокно имеет диаметр 20 - 80 мкм и окружено плазматической мембраной толщиной 10 нм. Каждое отдельное волокно - это сильно вытянутая клетка. Длина отдельных волокон (клеток) может существенно варьироваться, в зависимости от вида мышцы, от сотен микрон до нескольких сантиметров.

Внутри волокна, кроме известных органелл (ядро, ядрышко, митохондрии, аппарат Гольджи и др.), находятся сократительный аппарат клетки, состоящий из 1000 - 2000 параллельно расположенных миофибрилл диаметром 1-2 мкм, а также клеточные органеллы: саркоплазматический ретикулум и система поперечных трубочек - Т-система.

Рис. 3. Схематическое изображение миофибриллы мышечного волокна: а -состояние покоя, б - растяжение (подробности в тексте). Справа - схема расположения актина и миозина на поперечном срезе.

В миофибриллах различают (рис.1): А-зону-- темные полосы, которые в поляризованном свете дают двойное лучепреломление, то есть обладают свойством анизотропии (отсюда и название: А-зона), -1 - зону - светлые полосы, не дающие двойного лучепреломления, то есть изотропные (отсюда название: I -зона). В области 1-зоны проходит темная узкая полоса - 2-диск. Промежуток между двумя 2 дисками называется саркомером и является элементарной сократительной единицей мышечной клетки.

Саркомер - это упорядоченная система толстых и тонких нитей, расположенных гексагонально в поперечном сечении. Толстая нить имеет толщину ~ 12 нм и длину ~ 1,5 мкм и состоит из белка миозина. Тонкая нить имеет диаметр 8 нм, длину 1 мкм и состоит из белка актина, прикрепленного одним концом к 2-диску.

Актиновая нить состоит из двух закрученных один вокруг другого мономеров актина толщиной по 5 нм (рис.4). Эта структура похожа на две нитки бус, скрученные по 14 бусин в витке.

Рис. 4

В цепях актина регулярно примерно через 40 нм встроены молекулы тропонина, а сама цепь охватывает нить тропомиозина. При сокращении мышцы тонкие нити вдвигаются между толстыми. Происходит относительное скольжение нитей без изменения их длины. Этот процесс обусловлен взаимодействием особых выступов миозина - поперечных мостиков с активными центрами, расположенными на актине. Мостики отходят от толстой нити периодично на расстоянии 14,5 нм друг от друга.

В расслабленном состоянии миофибрилл молекулы тропомиозина блокируют прикрепление поперечных мостиков к актиновым цепям.

Ионы Са активируют мостики и открывают участки их прикрепления к актину. В результате мостики миозина прикрепляются к актиновым нитям, расщепляются молекулы АТФ и изменяется конформация мостиков: их головки поворачиваются внутрь саркомера. Это приводит к генерации силы, скольжению актина относительно толстой нити миозина к центру саркомера, что вызывает укорочение мышцы. После окончания активации мостик размыкается и саркомер возвращается в исходное состояние. При укорочении объем саркомера практически не меняется, а следовательно, он становится толще, что и подтверждается на снимках поперечного сечения мышц с помощью электронной микроскопии. Каждый цикл замыкание-размыкание сопровождается расщеплением одной молекулы АТФ. Таким образом, актин-миозиновый комплекс является механохимическим преобразователем энергии АТФ. Рассмотренная структура и последовательность процессов называется моделью скользящих нитей.

Впервые скольжение нитей в саркомере было обнаружено английским ученым Х.Хаксли. Он же сформулировал модель скользящих нитей.

Существенный вклад в разработку теории скользящих нитей внес В.И. Дещеревский.

Представленная структурная модель скользящих нитей надежно подтверждена экспериментально и является опытным фактом, на котором основаны все современные теории мышечного сокращения.

Экспериментальные данные о микроструктуре мышц были изучены с помощью электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и метода дифракции синхротронного излучения.

Основные положения модели скользящих нитей:

Длины нитей актина и миозина в ходе сокращения не меняются.

Изменение длины саркомера при сокращении - результат относительного продольного смещения нитей актина и миозина.

Поперечные мостики, отходящие от миозина, могут присоединяться к комплементарным центрам актина.

Мостики прикрепляются к актину не одновременно.

Замкнувшиеся мостики подвергаются структурному переходу, при котором они развивают усилие, после чего происходит их размыкание.

Сокращение и расслабление мышцы состоит в нарастании и последующем уменьшении числа мостиков, совершающих цикл замыкание-размыкание.

Каждый цикл связан с гидролизом одной молекулы АТФ.

Акты замыкания-размыкания мостиков происходят не зависимо друг от друга.

32. Моделирование процессов

Моделирование - один из основных методов биофизики. Он используется на всех уровнях изучения живых систем, начиная от молекулярной биофизики» биофизики мембран, биофизики клетки и органов и кончая биофизикой сложных систем.

Разнообразие процессов в живом организме настолько велико, что невозможно получить полное и детальное представление о поведении столь сложной системы, Поэтому исследователь, разрабатывая новые методы лечения, диагностики, фармации, применяет метод моделирования» то есть некоторый объект (процесс, явление) вследствие его сложности моделью, то есть объектом» подобным ему, но осознанно упрощенным, Практически в каждой теме курса биофизики рассматриваются разнообразные модели, например, жидкостно-мозаичная модель мембраны, модель формирования потенциала действия (модель Ходжкина-Хаксли), модель скользящих нитей при описании сокращения мышцы» модель кровеносной системы модель Франка) и целый ряд других.

При изучении сложных систем исследуемый объект может быть заменен другим, более простым, во сохраняющим основные, наиболее существенные для данного исследования свойства, Такой более простой объект исследования называется моделью. Модель - это всегда некое упрощение объекта исследования и в смысле его структуры( и по сложности внутренних и внешних связей, но обязательно отражающее те основные свойства, которые интересуют исследователя

Моделирование -- это метод, при котором производится замена изучения некоторого сложного объекта (процесса, явлении) исследованием его модели.

На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования как теоретический, так и экспериментальный.

Основные этапы моделирования можно свести к следующим;

· Первичный сбор информации. Исследователь должен по лучить как можно больше информации о разнообразных характеристиках реального объекта! его свойствах, происходящих в нем процессах» закономерностях поведения при различных внешних условиям,

· Постановка цели; Формулируется цель исследования, основные его задачи, определяется, какие новые знания в результате проведенного исследования хочет получить исследователь. Этот этап часто является одиим из наиболее важных и трудоемких,

· Обоснования допущений. Другими словами, упрощается реальный объект, выделяются из характеристик несущественные для целей исследований, которыми можно пренебречь.

· Создание модели, ее исследование,

Проверка адекватности модели реальному объекту.

Таким образом, модель как бы согласовывает реальный объект с целью исследования: с одной стороны, упрощает объект, давая возможность провести исследовании, но с другой - сохраняет то главное, что интересует исследователя В биофизике, биологии и медицине часто применяют физические, биологические, математические модели. Также распространено аналоговое моделирование. Будем классифицировать модели следующим образом,

Физическая модель имеет физическую природу, часто ту же, что и исследуемый объект. Например, течение крови по сосудам моделируется движением жидкости по трубим (жестким или эластичным). При моделировании электрических процессов в сердце его рассматривают как электрический токовый диполь. Для изучения процессов проницаемости ионов через биологические мембрана заменяется искусственной (например» липосомой). Липосома - физическая модель биологической мембраны. Физические устройства» временно заменяющий органы живого организма, также можно отнести к физическим моделям; искусственная почка * модель почки» кардиостимулятор - модель процессов в синусовом узле сердца, аппарат искусственного дыхания - модель легких.

Биологические модели представляют собой биологические объекты, удобные для экспериментальных исследований, на которых изучаются свойства, закономерности биофизических процессов в реальных сложных объектах. Например, закономерности возникновения и распространения потенциала действия » нервных волокна % были научены только после нахождения такой удачной биологической модели, как гигантский аксон * кальмара, Опыт Уссинга, доказывающий существование активного транспорта, был проведен на биологической модели - коже лягушки, которая моделировала свойство биологической мембраны осуществлять активный транспорт. Закономерности сократимости миокарда устанавливают на основе модельных экспериментов на капиллярной мышце.

Математические модели - описание процессов в реальном объекте с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных. Для реализации математических моделей в настоящее время широко используются компьютеры, С помощью ЭВМ проводят так называемые машинные исследования патологических процессов в кардиологии, развития эпидемий и т*д*. При этим можно легко изменять масштаб, ускорить или замедлить течение процесса, рассмотреть процесс в стационарном режиме, как это предложено в модели сокращения мышцы (модель Дшцеревского), и по пространству, Например, ввести локальную пространственную неоднородность параметров, изменить конфигурацию зоны патологии. Изменяя коэффициенты или вводя новые члены и дифференциальные уравнения, можно учитывать те или иные свойства моделируемого объекта или теоретически создавать объекты с новыми свойствами» так, например, получать лекарственные препараты более эффективного действия. С помощью ЭВМ можно решать сложные уравнения и прогнозировать поведение системы: течение заболевания» эффективность лечения, действия фармацевтического препарата.

Если процессы в модели имеют другую физическую природу, оригинал, но описываются таким же математическим аппаратом (как правило» одинаковыми дифференциальными уравнениями), то такая модель называется аналоговой. Обычно в виде аналоговой модели используются электрические. Например, аналоговой моделью сосудистой системы является электрическая цепь из сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

Основные требования» которым должна отвечать модель.

Адекватность - соответствие модели объекту, то есть модель должна с заданной степенью точности воспроизводить закономерности изучаемых явлений, анализ адекватности должен проводиться и при выборе модели» и при сравнении результатов моделирования с поведением объекта,

Должны быть установлены границы применимости моде ли» то есть четко заданы условия при которых выбранная модель адекватна изучаемому объекту, поскольку ни одна модель не дает исчерпывающего описания объекта, Границы применимости определяются теми допущениями, которые делаются при составлении модели. Как правило, чем больше допущений, тем уже границы применимости. Так например, дипосома является адекватной моделью 6иологической мембраны, если изучается проницаемость липидного бнслоя мембран для различных веществ (§5 и §6).

Уравнение Нсрнста (§ 10) удовлетворительно описывает мембранную разность потенциалов для клетки, находящейся и покое, то есть в равновесном состоянии» тем самым являясь адекватной математической моделью системы в денном состоянии, Если же рассмотреть фазу деполяризации потенциала действия, когда состояние системы далеко от равновесного и идет ноток ионов в клетку, это уравнение становится адекватным денному процессу. Адекватной математической моделью процесса формирования потенциала действия я аксоне кальмара является модель Ходжкина -Хаксли .

Результатом моделирования является полутон не новых данных о протекании изучаемого процесса» его свойствах. Результат моделирования, как правило, не дает исчерпывающих сведений об изучаемом объекте» но углубляет наши знания о нем, позволяет проводить дальнейшие более сложные исследования.

33. Предмет кибернетики, ее методы и цели

Кибернетика как наука об управлении имеет очевидно объектом своего изучения управляющие системы. Для того чтобы в системе могли протекать процессы управления она должна обладать определенной степенью сложности. С другой стороны, осуществление процессов управления в системе имеет смысл только в том случае, если эта система изменяется, движется, т. е. если речь идет о динамической системе. Поэтому можно уточнить, что объектом изучения кибернетики являются сложные динамические системы. К сложным динамическим системам относятся и живые организмы (животные и растения), и социально-экономические комплексы (организованные группы людей, бригады, подразделения, пред приятия, отрасли промышленности, государства), и технические агрегаты (поточные линии, транспортные средства, системы агрегатов).

Однако, рассматривая сложные динамические системы, кибернетика не ставит перед собой задач всестороннего изучения ид функционирования. Хотя кибернетика и изучает общие закономерности управляющих систем, их конкретные физические особенности находятся вне поля ее зрения. Так, при исследовании с позиций кибернетической науки такой сложной динамической системы, как мощная электростанция, мы не сосредоточиваем внимания непосредственно на вопросе о коэффициенте ее полезного действия, габаритах генераторов, физических процессах генерирования энергии и т. д. Рассматривая работу сложного электронного автомата, мы не интересуемся, на основе каких элементов (электромеханические реле, ламповые или транзисторные триггеры, ферритовые сердечники, полупроводниковые интегральные схемы) функционируют его арифметические и логические устройства, память и др. Нас интересует, какие логические функции выполняют эти устройства, как они участвуют в процессах управления. Изучая, наконец, с кибернетической точки зрения работу некоторого социального коллектива, мы не вникаем в биофизические и биохимические процессы, происходящие внутри организма индивидуумов, образующих этот коллектив.

Изучением всех перечисленных вопросов занимаются механика, электротехника, физика, химия, биология. Предмет кибернетики составляют только те стороны функционирования систем, которыми определяется протекание в них процессов управления, т. е. процессов сбора, обработки, хранения информации и ее использования для целей управления. Однако когда те или иные частные физико-химические процессы начинают существенно влиять на процессы управления системой, кибернетика должна включать их в сферу своего исследования, но не всестороннего, а именно с позиций их воздействия на процессы управления. Таким образом, предметом изучения кибернетики являются процессы управления в сложных динамических системах.

Всеобщим методом познания, в равной степени применимым к исследованию всех явлений природы и общественной жизни, служит материалистическая диалектика. Однако, кроме общефилософского метода, в различных областях науки применяется большое количество специальных методов.

До недавнего времени в биологических и социально-экономических науках современные математические методы применялись в весьма ограниченных масштабах. Только последние десятилетия характеризуются значительным расширением использования в этих областях теории вероятностей и математической статистики, математической логики и теории алгоритмов, теории множеств и теории графов, теории игр и исследования операций, корреляционного анализа, математического программирования и других математических методов. Теория и практика кибернетики непосредственно базируются на применении математических методов при описаний и исследовании систем и процессов управления, на построении адекватных им математических моделей и решении этих моделей на быстродействующих ЭВМ. Таким образом, одним из основных методов кибернетики является метод математического моделирования систем и процессов управления.

К основным методологическим принципам кибернетики относился применение системного и функционального подхода при описании и исследовании сложных систем. Системный подход исходя из представлений об определенной целостности системы выражается в комплексном ее изучении с позиций системного анализа, т.е. анализа проблем и объектов как совокупности взаимосвязанных элементов.

Функциональный анализ имеет своей целью выявление и изучение функциональных последствий тех или иных явлений или событий для исследуемого объекта. Соответственно функциональный подход предполагает учет результатов функционального анализа при исследовании и синтезе систем управления.

Основная цель кибернетики как науки об управлении - добиваться построения на основе изучения структур и механизмов управления таких систем, такой организации их работы, такого взаимодействия элементов внутри этих систем и такого взаимодействия с внешней средой, чтобы результаты функционирования этих систем были наилучшими, т.е. приводили бы наиболее быстро к заданной цели функционирования при минимальных затратах тех или иных ресурсов (сырья, энергии, человеческого труда, машинного времени горючего и т. д.). Все это можно определить кратко термином «оптимизация». Таким образом, основной целью кибернетики является оптимизация систем управления.

34. Информация. Информационные потоки в живых системах

Информация (от лат. inforтatio - разъяснение, осведомление). Информация - это отражение внешнего мира с помощью знаков и сигналов.

Основные понятия теории информации:

сообщение, сигнал, количество информации, энтропия, кодирование, пропускная способность канала связи

Сообщение - некоторая информация о событиях, закодированная в форме определенного сигнала.

Сигнал - физический носитель информации (звук, свет, буква).

Свойства информации:

1. Информация имеет смысл только при наличии ее приемника (потребителя). Если принимающий объект отсутствует, то нельзя говорить о существовании информации.

2. Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что передается некоторая информация. Информативно только такое сообщение, которое несет в себе что-то неизвестное ранее

3. Информация может передаваться не обязательно только через наше сознание. Она передается и на подсознательном уровне, и на уровне внутренних процессов в организме. Для мышц двигательного аппарата пришедшие к нему нервные импульсы несут информацию о необходимых действиях.

4. Если событие достоверное (то есть его вероятность Р=1), то сообщение о том, что оно произошло, не несет никакой информации для потребителя.

5. Сообщение о событии, вероятность которого Р< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которое произошло.

Таким образом, чем меньше вероятность некоторого события, тем большее количество информации содержит сообщение о том, что оно произошло.

Шеннон дал следующее определение информации:

"Информация, содержащаяся в сообщении, есть мера того количества неопределенности, которое ликвидируется после получения данного сообщения.

Количество информации I(i), содержащееся в сообщении x_j, равно логарифму величины, обратной вероятности Р(хi) этого события:

За единицу информации принято количество информации, содержащееся в сообщении о том, что произошло одно из двух равновероятных событий, то есть если Р(А) = Р(В) = 0,5, то IA = IB = - log2 0,5 = 1

Это количество информации называют бит.

Среднее количество информации, которое может получить объект, зависит от характеристик канала связи. Каналом связи может быть провод, световой луч, волновод, нервные волокна, кровеносные сосуды и др.

Основной характеристикой канала связи является его пропускная способность. Она будет определяться предельной скоростью передачи информации, измеряемой в бит/с.

Виды физических полей тела человека. Их источники

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустические поля (гравитационное поле и элементарные частицы остаются за пределами нашего рассмотрения).

Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования. [4]

1. Электромагнитные поля

Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - включая рентгеновское и г-кванты - не зарегистрировано. Со стороны длинных волн диапазон можно ограничить радиоволнами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты четыре диапазона электромагнитного поля, представленные на рис.12.1, включают в себя:

1) низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 10³ Гц);

2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 10⁹ - 10¹⁰ Гц и длина волны вне тела 3-60 см);

3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 10¹⁴ Гц, длина волны 3-10 мкм);

4) оптическое излучение (частота 10¹⁵ Гц, длина волны порядка 0,5 мкм).

Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими возможностями современной электроники, а особенностями биологических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины. Характерные параметры различных электромагнитных полей, создаваемых телом человека, приведены в табл.12.1

Источники электромагнитных полей разные в различных диапазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов: кишечником (~1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (-10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значениями, не превосходящими ~1кГц.

В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение.

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека, как излучатель, можно с достаточной точностью моделировать абсолютно черным телом, которое, как известно, поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излучающей способностью.

Излучательная способность тела - количество энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям - зависит от длины волны X и абсолютной температуры тела Т.

ИК-излучение тела человека измеряют тепловизорами в диапазоне 3-10 мкм, где оно максимально.

35. Акустические поля

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:

1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10³ Гц);

2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~10³ Гц);

3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 10³ Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела. [4]

36. Низкочастотные электрические и магнитные поля

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.

Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 - 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов. [1]

В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.

При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой - 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2-5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла. В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Ее симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров. Эта техника позволяет, например, получать так называемые электрокардиограммы высокого разрешении (ЭКГ ВР).

Как известно, амплитуда сигнала ЭКГ не более 1 мВ, а ST-сегмента еще меньше, причем сигнал маскируется электрическим шумом, связанным с нерегулярной мышечной активностью. Поэтому применяют метод накопления - то есть суммирование многих последовательно идущих сигналов ЭКГ

В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга с использованием потенциалов от 16 до 32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких мс.

Построение каждой карты включает в себя четыре процедуры:

1) измерение электрического потенциала во всех точках, где стоят электроды;

2) интерполяцию (продолжения) измеренных значений на точки, лежащие между электродами;

3) сглаживание получившейся карты;

4) раскрашивание карты в цвета, соответствующие определенным значениям потенциала. Получаются эффектные цветные изображения. Такое представление в квазицвете, когда всему диапазону значений поля от минимального до максимального ставят в соответствие набор цветов, например от фиолетового до красного, сейчас очень распространено, поскольку сильно облегчает врачу анализ сложных пространственных распределений. В результате получается последовательность карт, из которой видно, как по поверхности коры перемещаются источники электрического потенциала.

Персональный компьютер позволяет строить карты не только мгновенного распределения потенциала, но и более тонких параметров ЭЭГ, которые давно апробированы в клинической практике. К ним в первую очередь относится пространственное распределение электрической мощности тех или иных спектральных составляющих ЭЭГ (б, Я, г, д, и и-ритмы). Для построения такой карты в определенном временном окне измеряют потенциалы в 32 точках скальпа, затем по этим записям определяют частотные спектры и строится пространственное распределение отдельных спектральных компонент.

Карты б, д, Я ритмов сильно отличаются. Нарушения симметрии таких карт между правым и левым полушарием может быть диагностическим критерием в случае опухолей мозга и при некоторых других заболеваниях.

Таким образом, в настоящее время разработаны бесконтактные методы регистрации электрического поля, которое создает тело человека в окружающем пространстве, и найдены некоторые приложения этих методов в медицине. Контактные измерения электрического поля получили новый импульс в связи с развитием персональных ЭВМ - их высокое быстродействие позволило получать карты электрических полей мозга.

37. Магнитное поле

Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало - 10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемы и с катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки. Чтобы СКВИД работал, его надо ох ладить до температуры, при которой появляется сверхпроводимость, т.е. до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его и приемные катушки помещают в специальный термос для хранения жидкого гелия - криостат, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую удается максимально близко поднести к телу человека.

В последние годы после открытия "высокотемпературной сверхпроводимости" появились СКВИДы, которые достаточно охлаждать до температуры жидкого азота (77 К). Их чувствительность достаточна для измерения магнитных полей сердца.

Магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитном поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств.

Существуют два подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный - создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо с шикать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стопками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната - дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе се сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.

Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь на расстояниях, сравнимых с размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.

Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако часто внешние (шумовые) поля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля - градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с "магнитно-спокойной" обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.

В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов. [4]

Оптическое излучение тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные регистрировать одиночные кванты света и выдавать на выходе кратковременные импульсы тока, которые затем считаются с помощью специальных электронных счетчиков.

Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см² кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны 6 - 60 квантов, главным образом, в сине-зеленой области спектра. Светимости различных участков кожи отличаются - наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функционального состояния пациента, снижаясь в покое и повышаясь с ростом его активности.

Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфоресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соответствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засветка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое затем спадает во времени по сложной кинетической кривой с несколькими постоянными времени от единиц до десятков минут.

Оптическое излучение кожи не является тепловым. Интенсивность теплового излучения в оптическом диапазоне ничтожна - с 1см² поверхности тела один квант в среднем может излучаться лишь за много секунд.

Наиболее вероятный механизм спонтанного свечения - это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением радикалов, т.е. молекул в возбужденном электронном состоянии. При взаимодействии таких молекул в определенном (малом) проценте случаев происходит излучение света. При индуцированном свечении возможны и другие механизмы, например, измерено излучение при активации определенных клеток крови - нейтрофилов, связанное с генерацией активных форм кислорода. [4]

Радиационный фон - ионизирующее излучение земного и космического происхождения, постоянно воздействующее на человека. Величина природного Р. ф. в определенных регионах Земли относительно постоянна. В понятие "радиационный фон" не входят местные радиационные загрязнения окружающей среды в результате деятельности человека, равно как и облучение на производстве или при рентгенодиагностике и других мед. процедурах.

Различают естественный, искусственный и технологически измененный естественный Р. ф. Естественный Р. ф. обусловлен источниками излучения природного происхождения - космическим излучением и излучением естественных радионуклидов земной природы. Технологически измененный Р. ф. формируется за счет природных источников ионизирующего излучения, напр. излучения рассеянных в окружающей среде естественных радионуклидов, извлеченных из недр земли вместе с полезными ископаемыми или содержащихся в стройматериалах. Искусственный Р. ф. - глобальное (по всему земному шару) загрязнение окружающей среды образующимися при расщеплении ядер урана и плутония искусственными радионуклидами - возник после начала испытаний ядерного оружия. Искусственный Р. ф. в масштабах земного шара в среднем составляет 1- 3% естественного радиационного фона.

Мерой Р. ф. на местности является мощность экспозиционной дозы (см. Доза ионизирующего излучения, Ионизирующие излучения, Радиационная безопасность). На территории СССР на местности (высота 1 м от поверхности земли) Р. ф. колеблется в пределах 5- 25 мкР/ч. В мед. практике Р. ф. оценивают по мощности поглощенной дозы в тканях организма, формируемой как внешним облучением, так и внутренним вследствие воздействия естественных радионуклидов, проникших в организм.

Влияние Р. ф. на здоровье человека полностью не выяснено. Характерные для Р. ф. малые дозы ионизирующих излучений не вызывают в состоянии здоровья человека выраженных, поддающихся объективной регистрации, сдвигов. Нек-рые специалисты указывают, что человек в процессе эволюции адаптировался к Р. ф. и он для него полностью безвреден. Однако большая часть исследователей исходит из того, что любую дозу ионизирующего излучения, в т. ч. образуемую за счет естественного Р. ф., нельзя считать абсолютно безопасной.

Размещено на Allbest.ru

...