авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКЕ В. А. Подколзина Представленный вашему вниманию конспект лекций предназначен для подготовки студентов медицинских вузов к сдаче ...»

-- [ Страница 3 ] --

Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнит ные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты рас положены хаотически и их намагниченность равна нулю. Степень упорядоченности магнитных моментов зависит от двух противопо ложных факторов — магнитного поля и молекулярно хаотическо го движения, поэтому намагниченность зависит как от магнитной индукции, так и от температуры. В неоднородном магнитном по ле в вакууме частицы парамагнитного вещества перемещаются в сторону большего значения магнитной индукции, как говорят, втягиваются в поле. К парамагнетикам относят алюминий, ки слород, молибден и т. д.

Диамагнетизм присущ всем веществам. В парамагнетиках диа магнетизм перекрывается более сильным парамагнетизмом.

Если магнитный момент молекул равен нулю или настолько мал, что диамагнетизм преобладает над парамагнетизмом, то ве щества, состоящие из таких молекул, относят к диамагнетикам.

Намагниченность диамагнетиков направлена противоположно магнитной индукции, ее значение растет с возрастанием индук ции. Частицы диамагнетика в вакууме в неоднородном магнитном поле будут выталкиваться из поля. Например, пламя свечи в таком поле испытывает отклонение. Продукты сгорания являются диа магнитными частицами.

Ферромагнетики, подобно парамагнетикам, создают намагни ченность, направленную на индукцию поля;

их относительная маг нитная проницаемость много больше единицы. Ферромагнитные свойства присущи не отдельным атомами или молекулам, а лишь некоторым веществам, находящимся в кристаллическом состоя нии. К ферромагнетикам относят кристаллическое железо, никель, кобальт, многие сплавы этих элементов между собой и с другими неферромагнитными соединениями, а также сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами. Намагни ченность ферромагнетиков зависит не только от магнитной ин дукции, но и от их предыдущего состояния, от времени нахож дения образца в магнитном поле. Ферромагнитные свойства вещества сохраняются лишь ниже определенной температуры.

Хотя ферромагнетиков и не очень много в природе, в основном именно их используют как магнитные материалы в технике. Это обусловлено их сильным магнетизмом, остаточной намагничен ностью.

Значительные механические силы, действующие на ферромаг нитные тела, и постоянные магниты в магнитном поле приме няются в медицине: выправление грудной клетки у детей, магнит ные заглушки для предотвращения выделений из искусственного наружного свища ободочной кишки, удаление ферромагнитных пылинок и опилок из глаза.

Магнитные свойства тканей организма. Физические основы магнитобиологии Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подоб но воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет. Био токи, возникающие в организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на основании регистрации вре менной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) создан диагностический метод — магнитокардиография.

Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биоток) согласно закону Ома пропорциональна напряже нию (биопотенциал), то в общем магнитокардиограмма аналогич на электрокардиограмме. Однако магнитокардиография в отли чие от электрокардиографии является бесконтактным методом, ибо магнитное поле может регистрироваться и на некотором рас стоянии от биологического объекта — источника поля.

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические систе мы, которые в нем находятся. Это воздействие изучает раздел био физики, называемый магнитобиологической физикой. Имеются сведения о гибели мухи дрозофилы в неоднородном магнитном поле, морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле, влиянии магнитного поля на нервную систему и изменение характеристик крови и т. д.

Естественно, что первичными во всех случаях являются физиче ские или физико химические процессы. Такими процессами могут быть ориентация молекул, изменения концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле, силовое воздействие (си ла Лоренца) на ионы, перемещающиеся вместе с биологической жидкостью. В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена.

Этот важный вопрос находится в стадии исследования.

3. Электромагнитная индукция. Энергия магнитного поля Суть электромагнитной индукции — переменное магнитное по ле порождает электрическое поле (открыто М. Фарадеем в 1831 г.).

Основной закон электромагнитной индукции При всяком изменении магнитного потока в нем возникают электродвижущие силы электромагнитной индукции.

d, = dt где — электродвижущие силы;

dt — промежуток времени;

dФ — изменение магнитного потока.

Это основной закон электромагнитной индукции, или закон Фарадея.

При изменении магнитного потока, пронизывающего контур (изменении магнитного поля со временем, приближении или удале нии магнита, изменении силы тока в соседнем или дальнем кон туре и т. п.), в контуре всегда возникает электродвижущая сила электромагнитной индукции, пропорциональная скорости изме нения магнитного потока. Изменение магнитного поля вызывает электрическое поле. Ток, протекающий при этом в реальном про водящем контуре, является следствием электрического поля.

Определим заряд, помещенный в проводнике. Так как ток есть производная от заряда по времени, то можно записать:

dq 1 d = dt R dt или d.

dq = R Отсюда следует, что заряд, протекающий в проводнике вследствие электромагнитной индукции, зависит от изменения магнитного по тока, пронизывающего контур, и его сопротивления. Эту зависи мость используют для измерения магнитного потока приборами, регистрирующими электрический заряд, индуцируемый в контуре.

Возникновение электродвижущей силы в одном контуре при изменении силы тока, протекающего по другому контуру, назы вают взаимной индукцией. Электродвижущая сила взаимной ин дукции зависит от быстроты изменения силы тока в соседнем контуре и взаимной индуктивности обоих контуров. Возникнове ние электродвижущей силы индукции в контуре при изменении силы тока этого же контура называют самоиндукцией.

Вихревые токи Одним из проявлений электромагнитной индукции является воз никновение замкнутых индукционных токов (вихревых токов, или токов Фуко) в сплошных проводящих телах, таких как металличе ские детали, растворы электролитов, биологические органы и т. п.

Вихревые токи образуются при перемещении проводящего тела в магнитном поле, при изменении со временем индукции поля, а также при совокупном действии обоих факторов. Интенсив ность вихревых токов зависит от электрического сопротивления тела и, следовательно, от удельного сопротивления и размеров, а так же от скорости изменения магнитного потока. Вихревые токи со гласно закону Джоуля Ленца вызывают нагревание проводников, которые используются для плавки металлов в специальных печах и разогревания поверхности проводящих тел с целью поверхност ной закалки.

В физиотерапии разогревание отдельных частей тела человека вихревыми токами назначается как лечебная процедура, называе мая индуктотермией. При взаимодействии вихревых токов, возни кающих в движущихся проводниках, с магнитным полем проис ходит торможение проводников. Это используется в стрелочных электроизмерительных приборах для торможения подвижных частей с целью более быстрого отсчета показаний.

В ряде случаев действие вихревых токов является нежелатель ным. Так, нагрев сердечников трансформаторов, двигателей и дру гих устройств связан с непроизводительным расходом энергии, а иногда с необходимостью охлаждать эти детали. Для уменьшения нежелательного нагрева специально увеличивают электрическое сопротивление сердечников, набирая их из пластин кремниевых сталей или ферритовых материалов.

Электромагнитные колебания и волны Электромагнитными колебаниями называют периодические вза имосвязанные изменения зарядов, токов, напряженностей электри ческого и магнитного полей. Распространение электромагнитных колебаний в пространстве происходит в виде электромагнитных волн. Среди различных физических явлений электромагнитные колебания и волны занимают особое место.

Почти вся электротехника, радиотехника и оптика базируются на этих терминах.

Свободными (собственными) электромагнитными колебания ми называют такие, которые совершаются без внешнего воздей ствия за счет первоначально накопленной энергии. В идеальном контуре суммарная энергия сохраняется, электрические колеба ния — незатухающие. Реальный колебательный контур обладает омическим сопротивлением, поэтому колебания в нем затухают.

Электромагнитные колебания часто называют электрическими.

Переменный ток — любой ток, изменяющийся со временем. Од нако чаще термин «переменный ток» применяют к квазистацио нарным токам, зависящим от времени по гармоническому закону.

Квазистационарным называют такой ток, для которого время установления одинакового значения по всей цепи значительно мень ше периода колебаний. Для квазистационарных токов, так же как и для постоянных, сила тока одновременно одинакова в любом се чении неразветвленного проводника. Для них справедлив закон Ома, однако сопротивление цепи зависит от частоты изменения тока. Переменный ток можно рассматривать как вынужденные электромагнитные колебания.

4. Полное сопротивление (импеданс) тканей организма.

Физические основы реографии Ткани организма проводят не только постоянный, но и пере менный ток. В организме нет таких систем, которые были бы по добны катушкам индуктивности, поэтому индуктивность его близка к нулю.

Биологические мембраны (и, следовательно, весь организм) обла дают емкостными свойствами, в связи с этим полное сопротивле ние тканей организма определяется только омическим и емкост ным сопротивлениями. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опере жает по фазе приложенное напряжение. Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспособность тканей организ ма, это важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и ор ганов. Импеданс тканей и органов зависит также и от их физио логического состояния. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно сосу дистой деятельности.

Диагностический метод, основанный на регистрации примене ния импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, назы вают реографией (импеданс плетизмографией). С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцефалограммы), сердца (реокардиограммы), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Измерения обычно проводят на частоте 30 кГц.

Электрический импульс и импульсный ток Электрическим импульсом называется кратковременное изме нение электрического напряжения или силы тока. В технике им пульсы подразделяются на две большие группы: видео и радио импульсы.

Видеоимпульсы — это такие электрические импульсы тока или на пряжения, которые имеют постоянную составляющую, отличную от нуля. Таким образом, видеоимпульс имеет преимущественно одну полярность. По форме видеоимпульсы бывают прямоугольными, пилообразными, трапецеидальными, экспоненциальными, колоко лообразными и др.

Радиоимпульсы — это модулированные электромагнитные ко лебания.

В физиологии термином «электрический импульс» (или «элек трический сигнал») обозначают именно видеоимпульсы. Повто ряющиеся импульсы называют импульсным током. Он характери зуется периодом (периодом повторения импульсов) Т — средним временем между началами соседних импульсов и частотой (часто той повторения импульсов):

1.

f= T Скважностью следования импульсов называется отношение:

T 1.

Q= = TH ftH Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения:

K= = f tH.

Q 5. Понятие о теории Максвелла. Ток смещения Дж. Максвелл создал в рамках классической физики теорию электромагнитного поля. В основе теории Дж. Максвелла лежат два положения.

1. Всякое перемещенное электрическое поле порождает вихре вое магнитное поле. Переменное электрическое поле было назва но Максвеллом, так как оно, подобно обычному току, вызывает магнитное поле. Вихревое магнитное поле порождается как тока ми проводимости Iпр (движущимися электрическими зарядами), так и токами смещения (перемещенным электрическим полем Е).

Первое уравнение Максвелла dE H i dI = I np +ErE 0.

dt 2. Всякое перемещенное магнитное поле порождает вихревое электрическое (основной закон электромагнитной индукции).

Второе уравнение Максвелла d.

Ei dl = dt Оно связывает скорость изменения магнитного потока сквозь любую поверхность и циркуляцию вектора напряженности элект рического поля, возникающего при этом. Циркуляция берется по контуру, на который опирается поверхность.

Из положений теории Максвелла следует, что возникновение какого либо поля (электрического или магнитного) в некоторой точке пространства влечет за собой целую цепь взаимных превра щений: переменное электрическое поле порождает магнитное, изменение магнитного поля порождает электрическое.

6. Электромагнитные волны Взаимное образование электрических и магнитных полей приво дит к электромагнитному полю — распространению единого элект ромагнитного поля в пространстве. Скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. Это послужило осно ванием для создания Максвеллом электромагнитной теории света.

Шкала электромагнитных излучений.

Классификация частотных интервалов, принятая в медицине Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнит ные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. В свя зи с этим целесообразно представить всевозможные электромаг нитные волны в виде единой шкалы.

Всякая шкала условно подразделяется на шесть диапазонов:

радиоволны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, ви димые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма излучения.

Эта классификация определяется либо механизмом образования волн, либо возможностью зрительного восприятия их человеком.

Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели).

Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исхо дят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц (микроиз лучателей).

Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных про цессах.

Гамма излучение имеет ядерное происхождение.

Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образовываться в разных процессах. Так, наи более коротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывает ся длинноволновым рентгеновским. В этом отношении очень ха рактерна пограничная область инфракрасных волн и радиоволн. До 1922 г. между этими диапазонами был пробел. Наиболее коротко волновое излучение этого незаполненного промежутка имело мо лекулярное атомное происхождение (излучение нагретого тела), а наиболее длинноволновое излучалось макроскопическими виб раторами Герца. Даже миллиметровые волны могут генерироваться не только радиотехническими средствами, но и молекулярными пе реходами. Появился раздел «Радиоспектроскопия», который изуча ет поглощение и излучение радиоволн различными веществами.

В медицине принято следующее условное разделение электро магнитных колебаний на частотные диапазоны (табл. 1).

Таблица Условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны Низкие (НЧ) до 20 Гц Звуковые (ЗЧ) до 20—30 Гц Ультразвуковые или 20—200 кГц надтокальные (УЗЧ) Высокие (ВЧ) 200 кГц—30 мГц Ультравысокие (УВЧ) 30—300 мГц Сверхвысокие (СВЧ) свыше 300 мГц Часто физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частоты называют низкочастотной. Электронную ап паратуру всех других частот называют обобщающим понятием — «высокочастотная аппаратура».

Физические процессы в тканях, возникающие при воздействии током и электромагнитными полями Все вещества состоят из молекул, каждая из них является систе мой зарядов. Поэтому состояние тел существенно зависит от проте кающих через них токов и от воздействующего электромагнитного поля. Электрические свойства биологических тел более сложны, чем свойства неживых объектов, ибо организм — это еще и сово купность ионов с переменной концентрацией в пространстве.

Первичный механизм воздействия токов и электромагнитных полей на организм — физический.

Первичное действие постоянного тока на ткани организма.

Гальванизация. Электрофорез лекарственных веществ Человеческий организм в значительной степени состоит из био логических жидкостей, содержащих большое количество ионов, ко торые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапли ваются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов в разных элементах тканей.

Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы то ка, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать прохождение тока через организм. Непрерывный постоянный ток напряжением 60—80 В используют как лечебный метод физиотерапии (гальванизация). Источником тока служит двухполупериодный выпрямитель — аппарат гальванизации.

Применяют для этого электроды из листового свинца толщи ной 0,3—0,5 мм. Так как продукты электролиза раствора поварен ной соли, содержащиеся в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смо ченные теплой водой.

Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые обо лочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ. Для этой цели поступают так же, как и при гальваниза ции, но прокладку активного электрода смачивают раствором со ответствующего лекарственного вещества. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает: анионы вводят с катода, катионы — с анода.

Гальванизацию и электрофорез лекарственных веществ можно осуществлять с помощью жидкостных электродов в виде ванн, в ко торые погружают конечности пациента.

Воздействие переменными (импульсными) токами Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах пе ременный ток, как и постоянный, оказывает раздражающее дей ствие на биологические ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением их концент рации в разных частях клетки и межклеточного пространства.

Раздражение тканей зависит также и от формы импульсного то ка, длительности импульса и его амплитуды. Так, например, уве личение крутизны фронта импульса уменьшает пороговую силу тока, который вызывает сокращение мышц. Это свидетельствует о том, что мышцы приспосабливаются к изменению силы тока, наступают ионные компенсационные процессы. Так как специ фическое физиологическое действие электрического тока зависит от формы импульсов, то в медицине для стимуляции центральной нервной системы (электросна, электронаркоза), нервно мышеч ной системы, сердечно сосудистой системы (кардиостимуляторы, дефибрилляторы) и иного используют токи с различной времен ной зависимостью.

Воздействуя на сердце, ток может вызвать фибрилляцию желу дочков, которая приводит к гибели человека. Пороговая сила то ка, вызывающего фибрилляцию, зависит от плотности тока, про текающего через сердце, частоты и длительности его действия.

Ток или электромагнитная волна обладают тепловым эффектом.

Лечебное прогревание высокочастотными электромагнитными колебаниями обладает рядом преимуществ перед традиционным и простым способом — грелкой.

Прогревание грелкой внутренних органов осуществляется за счет теплопроводности наружных тканей — кожи и подкожной жировой клетчатки. Высокочастотное прогревание происходит за счет образования теплоты во внутренних частях организма, т. е.

его можно создать там, где оно нужно. Выделяемая теплота зави сит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного со противления и частоты электромагнитных колебаний. Подбирая соответствующую частоту, можно осуществлять преимуществен ное образование теплоты в нужных тканях и органах. Прогревание высокочастотными колебаниями удобно и тем, что, регулируя мощ ность генератора, можно управлять мощностью тепловыделения во внутренних органах, а при некоторых процедурах возможно и дозирование нагрева. Для нагревания тканей токами использу ются токи высокой частоты. Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, на зываемых диатермией и местной дарсонвализацией.

При диатермии применяют ток частотой около 1 мГц со слабоза тухающими колебаниями, напряжением 100—150 В;

сила тока со ставляет несколько ампер. Так как наибольшим удельным сопротив лением обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они и нагреваются сильнее. Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой, это легкие, печень, лимфатические узлы. Недостаток диа термии — большое количество теплоты непродуктивно выделяется в слое кожи и подкожной клетчатке. В последнее время диатермия уходит из терапевтической практики и заменяется другими методами высокочастотного воздействия. Это обусловлено повышенной опас ностью диатермии: неисправность при прямом двухполюсном каса нии биологического объекта и значительном токе могут привести к трагическим последствиям. Действующим фактором является не только импульсный ток высокой частоты, но и электрический раз ряд, возникающий между кожей пациента и электродом.

Токи высокой частоты используются также и для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать, «сваривать»

ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия).

При диатермокоагуляции применяют плотность тока 6— 10 мА/мм2, в результате чего температура ткани повышается, и ткань коагулирует.

Пари диатермотомии плотность тока доводят до 40 мА/мм2, в ре зультате чего острым электродом (электроножом) удается рассечь ткань. Электрохирургическое воздействие имеет определенные преимущества перед обычным хирургическим вмешательством.

Воздействие переменным магнитным полем В массивных проводящих телах, находящихся в переменном по ле, возникают вихревые токи. Эти токи могут использоваться для прогревания биологических тканей и органов. Такой лечебный ме тод — индуктотермия — имеет ряд преимуществ перед методом диа термии. При индуктотермии количество теплоты, выделяющейся в тканях, пропорционально квадратам частоты и индукции пере менного магнитного поля и обратно пропорционально удельному сопротивлению. Поэтому сильнее будут нагреваться ткани, бога тые сосудами (например, мышцы), чем жировые. Лечение вихре выми токами возможно также при общей дарсонвализации. В этом случае пациента помещают в клетку соленоид, по виткам которой пропускают импульсный ток высокой частоты.

Воздействие переменным электрическим полем В тканях, находящихся в переменном электрическом поле, воз никают токи смещения и токи проводимости. Обычно для этой цели используют электрические поля ультравысокой частоты, по этому соответствующий физиотерапевтический метод получил наз вание УВЧ терапии. Принято использовать в аппаратах УВЧ ча стоту 40,58 мГц, при токах такой частоты диэлектрические ткани организма нагреваются интенсивнее проводящих.

Воздействие электромагнитными волнами Физиотерапевтические методы, основанные на применении электромагнитных волн СВЧ диапазона, в зависимости от длины волны получили два названия: «микроволновая терапия» и «ДЦВ терапия». В настоящее время наиболее разработана теория о те пловом воздействии СВЧ полей на биологические объекты.

Электромагнитная волна поляризует молекулы вещества и пе риодически переориентирует их как электрические диполи. Кро ме того, электромагнитная волна воздействует на ионы биологи ческих систем и вызывает переменный ток проводимости. Все это приводит к нагреванию вещества.

Электромагнитные волны могут влиять на биологические про цессы, разрывая водородные связи и влияя на ориентацию мак ромолекул ДНК и РНК.

При попадании электромагнитной волны на участок тела про исходит ее частичное отражение от поверхности кожи. Степень отражения зависит от различия диэлектрических проницаемостей воздуха и биологических тканей.

Глубина проникновения электромагнитных волн в биологиче ские ткани зависит от способности этих тканей поглощать энер гию волн, которая в свою очередь определяется как строением тка ней (главным образом содержанием воды), так и частотой электро магнитных волн. Так, сантиметровые электромагнитные волны, используемые в физиотерапии, проникают в мышцы, кожу, биоло гические жидкости на глубину около 2 см, а в жир и кости — око ло 10 см.

Учитывая сложный состав тканей, условно считают, что при микроволновой терапии глубина проникновения электромагнит ных волн равна 3—5 см от поверхности тела, а при ДЦВ тера пии — до 9 см.

ЛЕКЦИЯ №8. Общая и медицинская электроника Электроника — это понятие, широко распространенное в на стоящее время. Электроника основывается прежде всего на до стижениях физики. Сегодня без электронной аппаратуры невоз можны ни диагностика заболеваний, ни эффективное их лечение.

1. Электроника и некоторые направления ее развития Термин «электроника» в значительной степени условный. Пра вильнее всего под электроникой понимать область науки и техни ки, в которой рассматриваются работа и применение электрова куумных, ионных и полупроводниковых устройств (приборов).

Выделяют физическую электронику, имея в виду раздел физики, рассматривающий электропроводимость тел, контактные и тер моэлектронные явления. Под технической электроникой пони мают те ее разделы, в которых описываются устройства приборов и аппаратов и схемы их включения. Полупроводниковой элект роникой называют то, что относится к применению полупровод никовых приборов, и т. п.

Иногда всю электронику подразделяют на три крупные области:

вакуумная электроника, которая охватывает вопросы создания и применения электровакуумных приборов (таких как электрон ные лампы, фотоэлектронные устройства, рентгеновские трубки, газоразрядные приборы);

твердотельная электроника, которая ох ватывает вопросы создания и применения полупроводниковых приборов, в том числе и интегральных схем;

квантовая электро ника — специфический раздел электроники, имеющий отноше ние к лазерам.

Электроника — динамическая отрасль науки и техники.

На базе новых эффектов (явлений) создаются электронные устройства, в том числе и такие, которые находят применение в био логии и медицине.

Любое техническое (радиотехническое или электронное) устрой ство стремятся модернизировать, сделать более малогабаритным и т. п. Однако при этом возникают трудности. Так, например, умень шение габаритов изделия может уменьшать его надежность и т. д.

Существенным сдвигом в миниатюризации электронных устройств было внедрение полупроводниковых диодов и трио дов, что позволило довести плотность электронных устройств до 2—3 элементов в 1 см3.

Следующим этапом миниатюризации электроники, который развивается и в настоящее время, является создание интеграль ных схем. Это миниатюрное электронное устройство, у которого все элементы (или их часть) нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Различают два основных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковые интегральные схемы изготовляют из особо чистых полупроводников. Путем термической, диффузной и иной обработки изменяют кристаллическую решетку полупроводника так, что отдельные его области становятся различными элемента ми схемы. Это позволяет из пластин размером около 1 мм2 создать схему, эквивалентную радиотехническому блоку, состоящему из 100 деталей и более.

Пленочные интегральные схемы изготовляют путем осаждения различных материалов в вакууме на соответствующие подложки.

Используют также гибридные интегральные схемы — сочета ние полупроводниковых и пленочных схем.

Создание интегральных схем, миниатюризация электронных устройств являются одними из главных направлений развития современной электроники.

Медицинскййая электроника. Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов Электроника — прикладная отрасль знаний. Одно из распростра ненных применений электронных устройств связано с диагности кой и лечением заболеваний. Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико биологических задач, а также устройства со ответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Медицинская электроника основывается на сведениях из физи ки, математики, техники, медицины, биологии, физиологии и дру гих наук, она включает в себя биологическую и физиологическую электронику. Применение электроники в медицине многообраз но, ибо это постоянно расширяющаяся область.

В настоящее время многие традиционно «неэлектрические» ха рактеристики (температуру, смещение тела, биохимические показа тели и др.) при измерениях стремятся преобразовать в электрический сигнал. Информацию, представленную электрическим сигналом, удобно передавать на расстояние и надежно регистрировать. Мож но выделить следующие основные группы электронных приборов и аппаратов, используемых для медико биологических целей.

1. Устройства для получения (схема), передачи и регистрации медико биологической информации. Такая информация может быть не только о процессах, происходящих в организме (в биоло гической ткани, органах, системах), но и о состоянии окружающей среды (санитарно гигиеническое назначение), о процессах, проис ходящих в протезах, и т. д. Сюда относится большая часть диагно стической аппаратуры: баллистокардиографы, фонокардиографы и др. Для подавляющего большинства этих приборов в радиотехни ческом отношении характерно наличие усилителей электрических сигналов. К этой группе можно отнести и электромедицинскую аппаратуру для лабораторных исследований.

2. Электронные устройства, обеспечивающие дозирующее воз действие на организм различными физическими факторами (такими как ультразвук, электрический ток, электромагнитные поля и др.) с целью лечения: аппараты микроволновой терапии, аппараты для электрохирургии, кардиостимуляторы и др. С физи ческой точки зрения эти устройства являются генераторами раз личных электрических сигналов.

3. Кибернетические электронные устройства:

1) электронные вычислительные машины для переработки, хранения и автоматического анализа медико биологической информации;

2) устройства для управления процессами жизнедеятельности и автоматического регулирования окружающей человека среды;

3) электронные модели биологических процессов и др.

Применение электронных медицинских приборов и аппаратов повышает эффективность диагностики и лечения и увеличивает производительность труда медицинского персонала.

Электробезопасность медицинской аппаратуры Одним из важных вопросов, связанных с устройством элект ронной медицинской аппаратуры, является ее электробезопас ность как для пациентов, так и для медицинского персонала.

Больной вследствие различных причин (ослабленности орга низма, действия наркоза, отсутствия сознания, наличия электро дов на теле, т. е. прямого включения пациента в электрическую цепь, и др.) оказывается в особо электроопасных условиях по срав нению со здоровым человеком. Медицинский персонал, работаю щий с медицинской электронной аппаратурой, тоже находится в условиях риска поражения электрическим током.

В электрической сети и в технических устройствах обычно за дают электрическое напряжение, но действие на организм или органы оказывает электрический ток, т. е. заряд, протекающий через биологический объект в единицу времени.

Сопротивление тела человека между двумя касаниями (электро дами) складывается из сопротивления внутренних тканей и органов и сопротивления кожи.

Основное и главное требование — сделать недоступным касание аппаратуры, находящейся под напряжением. Для этого прежде всего изолируют части приборов и аппаратов, находящихся под на пряжением, друг от друга и от корпуса аппаратуры. Однако, даже если части аппаратуры, находящиеся под напряжением, и закрыты от прикосновения, это еще не обеспечивает полной безопасности по двум причинам. Во первых, какой бы ни была изоляция между внутренними частями аппаратуры и ее корпусом, сопротивление приборов и аппаратов переменному току не бесконечно. Не беско нечно и сопротивление между проводами электросети и землей.

Поэтому при касании человеком пройдет некоторый ток, называе мый током утечки. Во вторых, не исключено, что из за порчи ра бочей изоляции (старения, влажности окружающего воздуха) воз никает электрическое замыкание внутренних частей аппаратуры с корпусом — «пробой на корпус», и внешняя, доступная для ка сания часть аппаратуры, — корпус — окажется под напряжением.

И в одном и в другом случаях должны быть приняты меры, кото рые исключали бы поражение током лиц при касании корпуса прибора или аппарата.

При пробое на корпус доступные (внешние) для касания части аппаратуры оказываются под напряжением. И в этом случае при нарушенных условиях работы изделий следует предусмотреть возможные способы защиты от поражения электрическим током.

К таким основным защитным мерам относится заземление. В на стоящее время в большинстве случаев распространены трехфаз ные сети с заземленной нейтралью. Однако не всякая медицин ская аппаратура надежно защищена заземлением. Поэтому во избежание несчастных случаев следует соблюдать правила:

1) не касаться приборов одновременно двумя обнаженными руками, частями тела;

2) не работать на влажном, сыром полу, на земле;

3) не касаться труб (газовых, водопроводных, отопления), ме таллических конструкций при работе с электроаппаратурой;

4) не касаться одновременно металлических частей двух ап паратов (приборов).

При проведении процедур с использованием электродов, на ложенных на пациента, трудно предусмотреть множество вариан тов создания электроопасной ситуации, поэтому следует четко сле довать инструкции по проведению данной процедуры, не делая каких либо отступлений от нее.

Надежность медицинской аппаратуры Медицинская аппаратура должна нормально функционировать.

Способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение за данного интервала времени характеризуют обобщающим терми ном — «надежность». Для медицинской аппаратуры проблема на дежности особенно актуальна, так как выход приборов и аппаратов из строя может привести не только к экономическим потерям, но и к гибели пациентов. Способность аппаратуры к безотказной ра боте зависит от многих причин, учесть действие которых практи чески невозможно, поэтому количественная оценка надежности имеет вероятностный характер. Так, например, важным парамет ром является вероятность безотказной работы. Она оценивается экспериментально отношением числа работающих (не испортив шихся) за определенное время изделий к общему числу испытывав шихся изделий. Эта характеристика оценивает возможность сохра нения изделием работоспособности в заданном интервале времени.

Другим количественным показателем надежности является интен сивность отказов. В зависимости от возможных последствий отказа в процессе эксплуатации медицинские изделия подразделяются на четыре класса.

А — изделия, отказ которых представляет непосредственную опасность для жизни пациента или персонала. К изделиям этого класса относятся приборы для наблюдения за жизненно важными функциями больного, аппараты искусственного дыхания и крово обращения.

Б — изделия, отказ которых вызывает искажение информации о состоянии организма или окружающей среды, не приводящее к непосредственной опасности для жизни пациента или персонала, либо вызывает необходимость немедленного использования анало гичного по функциональному назначению изделия, находящегося в режиме ожидания. К таким изделиям относятся системы, следя щие за больным, аппараты стимуляции сердечной деятельности.

В — изделия, отказ которых снижает эффективность или за держивает лечебно диагностический процесс в некритических си туациях, либо повышает нагрузку на медицинский или обслужи вающий персонал, либо приводит только к материальному ущербу.

К этому классу относится большая часть диагностической и фи зиотерапевтической аппаратуры, инструментарий и др.

Г — изделия, не содержащие отказоспособных частей. Элект ромедицинская аппаратура к этому классу не относится.

2. Система получения медико биологической информации Любое медико биологическое исследование связано с получе нием и регистрацией отсутствующей информации. Для того что бы получить и зафиксировать информацию о состоянии и пара метрах медико биологической системы, необходимо иметь целую совокупность устройств. Первичный элемент этой совокупности — чувствительный элемент средства измерений, называемый устрой ством съема, — непременно контактирует или взаимодействует с самой системой.

В устройствах медицинской электроники чувствительный эле мент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет тако вой сигнал под воздействием биологической системы. Устройство съема преобразует информацию медико биологического и физиоло гического содержания в сигнал электронного устройства. В меди цинской электронике используются два вида устройств съема: элек троды и датчики. Завершающим элементом измерительной цепи является средство измерений, которое отражает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непо средственного восприятия наблюдателем. Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, уси ливающие начальный сигнал и передающие его на расстояние.

Электроды — это проводники специальной формы, соединяю щие измерительную цепь с биологической системой. При диагно стике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздей ствия (например, в реографии). В медицине электроды исполь зуются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

Многие медико биологические характеристики нельзя «снять»

электродами, так как они не отражаются биоэлектрическим сигна лом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие.

В некоторых случаях медико биологическая информация связана с электрическим сигналом, в этих случаях используют датчики (из мерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сиг нал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или ре гистрации. Датчик, к которому подведена измерительная величи на, т. е. первый в измерительной цепи, называется первичным.

В рамках медицинской электроники рассматриваются только та кие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируе мую неэлектрическую величину в электрический сигнал.

Датчики подразделяются на генераторные и параметрические.

Генераторные — это датчики, которые под воздействием изме ряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. К таким типам датчиков относятся:

1) пьезоэлектрические;

2) термоэлектрические;

3) индукционные;

4) фотоэлектрические.

Параметрические — это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой либо параметр.

К таким датчикам относятся:

1) емкостные;

2) реостатные;

3) индуктивные.

В зависимости от энергии, являющейся носителем информа ции, различают механические, акустические (звуковые), темпе ратурные, электрические, оптические и другие датчики. При ра боте с датчиками следует учитывать возможные специфические для них погрешности. Причинами погрешностей могут быть:

1) температурная зависимость функции преобразования;

2) гистерезис — запаздывание даже при медленном измене нии входной величины, происходящее в результате необрати мых процессов в датчике;

3) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний;

4) непостоянство функции преобразования во времени;

5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др.

Таким образом, датчики являются техническими аналогами ре цепторов биологических систем.

Принцип работы медицинских приборов, регистрирующих биопотенциалы Биоэлектрические потенциалы являются существенным диагно стическим показателем многих заболеваний. Поэтому очень важно правильно регистрировать эти потенциалы и извлекать необходи мую медицинскую информацию.

В клинической практике биопотенциалы отводят поверхност ными накожными электродами, запись осуществляется регистри рующими устройствами. Так как биопотенциалы сравнительно медленно изменяются со временем, то в приборах обычно исполь зуют усилители постоянного тока. Биопотенциалы, применяемые в электрокардиографии, имеют значение порядка нескольких мил ливольт, в электроэнцефалографии — микровольт, поэтому для их регистрации необходимо усиление в несколько тысяч раз, что дости гается с помощью многокаскадного усиления. В некоторых случаях целесообразно одним прибором определять одновременно ряд пара метров (например, биопотенциалы, отводимые от разных точек го ловного мозга). При этом используют многоканальные устройства, состоящие из нескольких независимых усилителей.

3. Усилители генераторы Усилителями электрических сигналов, или электронными уси лителями, называют устройства, которые преобразуют энергию источников постоянного напряжения в энергию электромагнит ных колебаний различной формы.

По принципу работы различают генераторы с самовозбужде нием и генераторы с внешним возбуждением, которые по существу являются усилителями мощности высокой частоты.

Генераторы подразделяются по частоте и мощности колебаний.

В медицине электронные генераторы находят три основных приме нения: в физиотерапевтической электронной аппаратуре;

в элект ронных стимуляторах;

в отдельных диагностических приборах, на пример в реографе.

Все генераторы подразделяются на низкочастотные и высоко частотные.

Медицинские аппараты — генераторы гармонических и импульс ных низкочастотных электромагнитных колебаний объединяют две большие группы устройств, которые трудно четко разграничить:

электронные стимуляторы (электростимуляторы) и аппараты фи зиотерапии. При небольших частотах наиболее существенно специ фическое, а не тепловое действие тока. Лечение током имеет харак тер стимулирования какого либо эффекта, поэтому имеет место как бы смешение понятий «лечебный аппарат» и «электростимулятор».

Хотя электрическое раздражение мышцы было обнаружено еще в XVIII в., широкое использование электростимуляторов началось лишь в последние десятилетия. В настоящее время имеется много разных электростимуляторов. Но и сейчас важной медицинской и физиологической проблемой остается точное задание выходных параметров электрического сигнала разработчикам электростиму ляторов, таких как форма импульса, его длительность, частота им пульсного тока и скважность следования импульсов.

Электростимуляторы подразделяются на стационарные, носи мые и имплантируемые (вживляемые). Для полностью имплантиру емых электростимуляторов (например, кардиостимуляторов) серьез ной проблемой являются источники питания, которые должны длительно и экономно функционировать. Эта проблема решается как созданием соответствующих источников, так и разработкой «экономичных» генераторов. Желательно иметь генераторы, кото рые практически не потребляли бы энергию в паузе между импуль сами. В этом отношении блокинг генератор имеет преимущество перед мультивибратором.

К стационарному стимулятору широкого назначения относится универсальный электроимпульсатор — УЭИ 1. Он представляет со бой генератор импульсного тока. Параметры импульсов и их часто та могут регулироваться в широких пределах. Аппарат позволяет измерять амплитуду импульса тока в цепи пациента. Примером своеобразного стимулятора являются дефибрилляторы — аппараты, представляющие собой генераторы мощных высоковольтных элек трических импульсов, предназначенные для лечения тяжелых нару шений ритма сердца. Дефибриллятор содержит накопитель энергии (конденсатор), устройство заряда конденсатора и разрядную цепь.

Носимым и часто имплантируемым кардиостимулятором являет ся имплантируемый радиочастотный электростимулятор ЭКСР 01.

Приемник воспринимает радиосигналы от внешнего передатчи ка. Эти сигналы воспринимаются внутри тела больного имплан тируемой частью и в виде импульсов через электроды подаются на сердце. К особой разновидности электростимуляторов отно сятся такие, которые способны в закодированной форме передать информацию, обычно воспринимаемую органами чувств. Подоб ным стимулятором является кохлеарный протез, преобразующий звуковую информацию в электрический сигнал, т. е. по существу заменяющий улитку внутреннего уха. К техническим устройствам электростимуляции относятся также электроды для подведения электрического сигнала к биологической системе. Во многих слу чаях электростимулирование осуществляется пластинчатыми электродами, которые накладываются на тело человека подобно электродам для электрокардиографии.

Большая группа медицинских аппаратов — генераторов элек тромагнитных колебаний и волн — работает в диапазоне ультразву ковых, высоких, ультравысоких частот и называется обобщающим термином «высокочастотная электронная аппаратура». Проблема электродов в данном случае решается по разному. Для высокоча стотных токов используются стеклянные электроды, воздействие переменным магнитным полем (индуктотермия) оказывается че рез спирали или плоские свернутые кабели, по которым проходит переменный ток, создавая переменное магнитное поле.

При УВЧ терапии прогреваемую часть тела помещают между дискообразными металлическими электродами, покрытыми слоем изолятора. При воздействии электромагнитными волнами к телу приближают излучатель этих волн.

Физиотерапевтические аппараты, являющиеся генераторами электромагнитных колебаний, констатируются так, чтобы не ме шать радиоприему и тепловидению. Это обеспечивается, с одной стороны, специальными помехозащитными устройствами, а с дру гой — определенным строгим заданием диапазона рабочих частот.

К другим физиотерапевтическим аппаратам относятся:

1) аппарат «Искра 1» — высокочастотный генератор, рабо тающий в импульсном режиме и используемый для местной дарсонвализации;

2) аппарат ИКВ 4 для индуктотермии, работающий на часто те 13,56 мГц;

3) переносной аппарат для УВЧ терапии — УВЧ 66;

4) аппарат для микроволновой терапии «Луч 58».

К высокочастотной электронной медицинской аппаратуре от носят и аппараты электрохирургии (высокочастотной хирургии).

Основой этих устройств является наличие генераторов электромаг нитных колебаний (гармонических или модулированных). Мощ ность используемых в электрохирургии электромагнитных коле баний может быть от 1 Вт до нескольких сотен ватт.

Особенность генераторов в том, что они должны отдавать мощ ность в нагрузку (биологическую ткань), которая изменяется в зна чительных пределах. Длительное время генераторы вообще могут работать без нагрузки, поэтому в аппаратах электрохирургии в зна чительной степени используются вакуумные лампы, которые по сравнению с полупроводниковыми устройствами обладают боль шей устойчивостью к возможным перегрузкам. При электрохи рургии электромагнитные колебания подаются на электроды, ко торые рассекают или коагулируют ткань.

Различают электроды для монополярной и биполярной элект рохирургии. В первом случае один выход генератора аппарата сое динен с активным электродом, которым и осуществляется элект рохирургическое воздействие, а другой электрод — пассивный — контактирует с телом пациента.

Во втором случае оба выхода генератора соединены с двумя ак тивными электродами, между которыми протекает высокочас тотный ток, оказывая хирургическое воздействие. В этом случае оба электрода являются активными, а пассивный электрод не ис пользуется.

ЛЕКЦИЯ №9. Оптика Оптика — раздел физики, в котором рассматриваются законо мерности излучения, поглощения и распространения света. В фи зике термин «свет» применяют не только к излучению, восприни маемому глазом человека, но и к невидимому излучению. Природа света двойственна. Это означает, что свет проявляет себя и как электромагнитная волна, и как поток частиц — фотонов.

В одних оптических явлениях в большей степени проявляются волновые свойства света, а в других — корпускулярные. Двойствен ная природа присуща также и частицам — электрону, протону и т. д.

Исследования видимого света и его измерения относятся не только к области физики, но и к физиологии. В этом отношении оптика подобна акустике.

Для медиков эти знания оказываются важными при таких ме тодах исследования, как: микроскопия, спектрометрия, рефрак тометрия, поляриметрия, колорометрия. Кроме того, врачам следу ет знать физические основы использования теплового излучения для диагностики заболеваний (термография), устройство аппара туры светолечения и другие вопросы.


1. Развитие взглядов на природу света В XVIII в. почти одновременно возникли две совершенно раз личные теории о природе и свойствах света. Первая — корпуску лярная теория, которой придерживался И. Ньютон, утверждая, что свет — это поток частиц, идущий от источников во все сторо ны. Согласно представлениям другого физика Х. Гюйгенса свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллель но и ни одна не могла одержать победы, поскольку некоторые свой ства света описываются в рамках корпускулярной теории, а некото рые объединяются волновой теорией. Однако в начале ХХ в. были обнаружены квантовые свойства света и возник корпускулярно волновой дуализм — лежащее в основе квантовой теории представ ление о том, что в поведении света проявляются как корпускуляр ные, так и волновые черты.

Закон прямолинейного распространения света. Свет в прозрач ной однородной среде распространяется прямолинейно. Доказа тельством прямолинейности распространения света служит обра зование тени.

Световой луч — это бесконечно тонкий пучок света, распро страняющийся прямолинейно, это линия, указывающая направле ние распространения световой энергии.

Законы отражения света. Падающий и отраженный лучи и нор маль к отражающей поверхности, восстановленная в точке паде ния, лежат в одной плоскости.

Угол падения равен углу отражения, причем — угол меж ду падающим лучом и нормалью, а — угол между отраженным лучом и нормалью.

Плоское зеркало. Если падающие параллельные лучи после отра жения от плоской поверхности остаются параллельными, то та кое отражение называется зеркальным, а отражающая поверх ность является плоским зеркалом.

Законы преломления света. Падающий и преломленный лучи и нормаль к границе раздела сред в точке падения лежат в одной плоскости.

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равна n — относительному показателю преломления второй сре ды относительно первой:

sin = n, sin где — угол между падающим лучом и нормалью;

— угол между преломленным лучом и нормалью.

Абсолютный и относительный показатели преломления. Относи тельный показатель преломления света n1, n= n где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления двух сред, рав ные отношению скорости распространения света в вакууме к скорости распространения света в среде:

c n1 =, v c n2 = v Ход лучей в призме. Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных оптических устройствах, в частности в тре угольной призме. В призме световой луч дважды испытывает пре ломление на преломляющих гранях и изменяет свое направление.

Полное отклонение луча = 1 + 2, = 1 + 2.

Если мал, то:

= (n1) ґ, где n — показатель преломления вещества призмы.

Явления полного внутреннего отражения. Если луч идет из сре ды, оптически более плотной (с большим показателем преломле ния), в среду, оптически менее плотную, то:

sin n =, sin n При определенном значении угла падения 0 преломленный луч n n скользит вдоль границы раздела среды и =, тогда sin 0 = 2.

n При 0 луч полностью отражается от границы раздела сред, поэтому называется предельным углом полного внутреннего отра жения.

Тонкие линзы. Линзой называется прозрачное тело, ограничен ное двумя сферическими поверхностями. У тонкой линзы макси мальная толщина значительно меньше радиуса кривизны сфери ческих поверхностей. Центр линзы называется ее оптическим центром. Линия, проходящая через центр линзы перпендикуляр но плоскости линзы, называется главной оптической осью лин зы. Фокусом (главным фокусом) линзы называется точка пересе чения F преломленных линзой лучей, падающих параллельно главной оптической оси. Расстояние между оптическим центром линзы и фокусом называется фокусным расстоянием.

Оптической силой линзы называется величина, обратная фокус ному расстоянию, выраженному в метрах. Она измеряется в диоп триях. Фокусное расстояние и оптическая сила линзы определяют ся радиусами кривизны ее сферических поверхностей. Формула линзы:

1 ± =± ±, F df где F — фокусное расстояние;

d — расстояние от предмета до линзы;

f — расстояние от изображения до линзы.

Слева в формуле ставится «плюс» для собирающей, «минус» — для рассеивающей линзы.

Оптические приборы: лупа, фотоаппарат, проекционный аппа рат, микроскоп.

Лупа — короткофокусная двояковыпуклая линза из стекла или пластмассы. Это простейший прибор, увеличивающий угол зре ния. Создает мнимое, увеличенное, прямое изображение.

Фотоаппарат — закрытая светонепроницаемая камера с систе мой линз (объективом) для фотографических изображений. Дает изображение действительное, уменьшенное, перевернутое.

Микроскоп — оптический прибор для наблюдения объектов, не видимых невооруженным глазом. Состоит из двух собираю щихся линзовых систем: объектива и окуляра. Промежуточное изображение действительное, увеличенное, перевернутое. Окон чательное изображение мнимое, увеличенное, перевернутое.

Глаз. Ход лучей в глазу аналогичен ходу лучей в фотоаппарате, причем роль объектива играет выпуклая линза — хрусталик. Одна ко в отличие от фотоаппарата установка на резкость производится не за счет перемещения объектива, а за счет изменения фокусного расстояния хрусталика. Такой процесс происходит рефлекторно и называется аккомодацией. Минимальное расстояние, на которое глаз может аккомодировать без утомления, называется расстоя нием наилучшего зрения S. Для нормального глаза S = 25 см.

2. Волновая оптика Волновые свойства света. Свет — это электромагнитные волны в интервале частотой 13 1014—8 1014 Гц воспринимаемые че ловеческим глазом, т. е. длина волн 380 770 нм. Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.

Электромагнитная природа света. До середины XIX в. вопрос о природе света оставался практически нерешенным. Ответ на него был найден Дж. Максвеллом, обосновавшим общие законы электро магнитного поля. Из теории Дж. Максвелла следовал вывод о том, что свет — это электромагнитные волны определенного диапазона.

В ней обосновались поперечность электромагнитных волн, а также тот важный факт, что скорость их распространения определяется электрическими и магнитными свойствами среды.

Скорость света в однородной среде. Скорость света определяется электрическими и магнитными свойствами среды. Подтвержде нием этого служит совпадение скорости света в вакууме с электро динамической постоянной:

c= 0 (0 — электрическая постоянная, 0 — магнитная постоянная).

Скорость света в однородной среде, как известно, определяется показателем преломления среды n. Скорость света в веществе:

c =, n где с — скорость света в вакууме.

Из теории Максвелла следует:

=, т. е. показатель преломления, а следовательно, и скорость в сре де определяются диэлектрической и магнитной проницаемостью среды:

c =.

Интерференцией называется сложение волн от двух или не скольких источников, когда в результате сложения нарушается принцип суперпозиции интенсивностей.

Плотность энергии в электромагнитной волне пропорцио нальна квадрату амплитуды волны и определяет интенсивность световой волны, которую человеческий глаз оценивает как осве щенность. При сложении волн выполняется принцип суперпози ции энергий каждой из слагаемых волн.

Если принцип суперпозиции выполняется, то источники на зывают некогерентными. Для того чтобы волны давали когерент ные колебания, необходимо выполнение трех условий:

1) волны должны иметь одинаковую частоту;

2) разность фаз колебаний должна быть постоянной;

3) колебания каждой из суммируемых волн должны лежать в одной плоскости.

Практическое получение когерентных колебаний связано с опре деленными трудностями. Необходимо иметь в виду, что световые волны получаются при излучении атомов, когда электроны перехо дят с одного энергетического уровня на другой. Время излучения крайне незначительно и составляет около 10 8 с.

Новый акт излучения происходит с другой начальной фазой, которая раз от раза изменяется случайным образом. Такая порция излучения называется квантом, а в волновой теории ее называют цугом. Для получения когерентных волн необходимо, чтобы они происходили из одного цуга. Это можно сделать лишь путем его деления. Для этих целей используются различные интерферен ционные схемы: схема Юнга, билинзы Бийе, бипризмы и бизер кала Френеля, зеркала Ллойда и др.

Схема Юнга состоит из источника света S и непрозрачного экрана с малыми отверстиями. По принципу Гюйгенса Френеля каждую точку фронта волны, дошедшего до экрана, можно рассма тривать как источник вторичных сферических волн. Вследствие ди фракции от отверстий выходят два световых конуса, которые час тично перекрываются. В результате интерференции световых волн на экране появляются чередующиеся светлые и темные полосы.

В бипризме и бизеркалах Френеля раздвоение источника S до стигается либо преломлением в призме, либо отражением в двух зеркалах. Угол разворота зеркал и преломляющий угол призмы близки к 180° для того, чтобы достичь наилучшей видимости кар тины интерференции.

Зеркало Ллойда состоит из источников света и диэлектриче ского зеркала. Происходит интерференция волн, одна из которых идет непосредственно от источника S, а другая — от его мнимого изображения в зеркале S. Особенностью этого является то, что при отражении от диэлектрического зеркала фаза волны скачком меняется на. Это изменение фазы можно учесть, считая, что ко лебания от изображения в зеркале проходят дополнительный путь в половину длины волны. В этом случае максимумы и минимумы меняются местами — картина смещена на половину ширины ин терференционной полосы по сравнению с картиной, полученной от двух когерентных действительных источников.


Дифракция света — явления отклонения света от прямолиней ного направления при прохождении у края преграды.

Дифракция волн — совокупность явлений, наблюдаемых при прохождении волн в неоднородных средах, приводящих к отклоне нию волн от первоначального прямолинейного распространения.

Принцип Гюйгенса—Френеля. Каждая точка поверхности, кото рой достигла в данный момент волна, служит точечным источни ком вторичных сферических волн, которые являются когерентны ми: волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их ин терференции.

Для оценки результирующей амплитуды колебаний в точке наблюдения в результате дифракции Френелем был разработан специальный метод.

Метод зон Френеля. Для точечного источника в однородной и изо тропной среде волновые поверхности имеют сферическую форму.

Френель предложил разбивать волновую поверхность на отдельные участки, называемые зонами Френеля, так, чтобы колебания, прихо дящие от двух соседних зон в точку наблюдения, при сложении гаси ли друг друга.

Разбивка на зоны должна удовлетворять двум условиям:

1) площади всех зон одинаковы;

2) расстояния от двух соседних зон до точки наблюдения от личаются на половину длины волны.

Первое условие означает, что амплитуды колебаний от всех зон в точке наблюдения будут одинаковыми, тогда как из второго условия следует, что колебания двух соседних зон складываются в противофазе. В этом случае вместо вычисления сложных инте гралов достаточно получить число зон. Если оно четно, в точке наблюдения будет минимум освещенности (зоны попарно гасят друг друга), если же количество зон на участке волнового фронта, видимого из точки наблюдения, окажется нечетным, в ней будет конечная освещенность.

Для оценки вкладов от каждой зоны в суммарную освещен ность используется метод векторных диаграмм. Для этого каждая зона разбивается на ряд узких колец так, что каждое кольцо отли чается от соседнего лишь небольшим сдвигом по фазе. Колебания каждого из колец представляются в виде вектора, длина которого определяется амплитудой колебаний. Площади колец одинако вые. Векторы каждого кольца оказываются повернутыми относи тельно соседних на небольшой угол, но кольца на противополож ных краях зоны отличаются по фазе на 180°.

Действие двух зон компенсируется не полностью, поскольку амплитуды колебаний зон не совсем одинаковые. Их величина зависит от косинуса угла между нормалью к поверхности зоны и на правлением на точку наблюдения.

Если препятствие отсутствует, то действие всего волнового фронта оказывается в два раза меньше, чем действие первичного фронта. Радиус внешней границы m зоны Френеля для сфериче ской волны равен:

ab m, rm = a+b где т — номер зоны Френеля;

— длина волны;

a и b — расстояния до диафрагмы с круглым отверстием соот ветственно от точечного источника и от экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

Дифракция Френеля — это дифракция от точечного источни ка, волновая поверхность которого сферическая.

Дифракция Френеля на круглом отверстии Если на пути распространения излучения поставить диафрагму в виде круглого отверстия, размеры которого сопоставимы с дли ной волны излучения, то на экране можно наблюдать дифракцион ную картину, которая имеет вид светлых и темных концентриче ских колец, плавно переходящих друг в друга. Светлые кольца соответствуют максимуму, а темные — минимуму освещенности.

Если перемещать экран или менять размеры отверстия, то мы уви дим, что вид дифракционной картины меняется — максимумы ос вещенности плавно переходят в минимумы.

При дифракции на круглом отверстии вид дифракционной картины зависит от количества зон Френеля, открытых диафраг мой. Число зон Френеля, открытых круглой диафрагмой, зависит от размера диафрагмы, расстояний от диафрагмы до источника излучения и до точки наблюдения и от длины волны излучения:

D2 1 m= +.

4 a b Дифракция Фраунгофера на щели Дифракция Фраунгофера — это дифракция в параллельных лу чах, т. е. когда фронт волны плоский. Свет падает на щель нормаль но к ее поверхности, так что колебания во всех точках щели совер шаются в одной фазе. Дифракционная картина наблюдается на экране, установленном в фокальной плоскости собирающей лин зы. Параллельные лучи, идущие от краев щели под углом дифрак ции Ф к направлению лучей падающего света, собираются линзой в ее побочном фокусе. Щель можно разбить по ширине на зоны, разность хода краев которых равна половине длины волны падаю щего света. Число зон, укладывающихся на щели шириной b, равно:

2b sin.

Все зоны излучают свет в рассматриваемом направлении со вершенно одинаково, причем колебания, возбуждаемые в точке наблюдения двумя соседними зонами, равны амплитуде и проти воположны по фазе.

Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пласти ну с нанесенной на ней системой непрозрачных параллельных по лос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Если на решетку падает монохроматический свет длиной волны, то в результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим напра влениям. Расстояние d между соответствующими краями соседних щелей называется периодом решетки, или постоянной решетки. Ди фракционные решетки характеризуются числом n — числом штри хов на 1 мм. Если N — общее число штрихов, а l — длина, выражен ная в мм, то:

N.

n= l Дифракционные решетки имеют от 100 до нескольких тысяч штрихов на 1 мм. Имеет место также формула:

10 3, d= n при этом d выражается в метрах. Если за решеткой поставить со бирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску. При разности хода, равной це лому числу длин волн:

m d sin =, N m = nN.

В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наи большее значение для красного света и наименьшее значение — для фиолетового света.

Наряду с прозрачными дифракционными решетками исполь зуют отражательные, у которых штрихи нанесены на металлическую поверхность. Наблюдение при этом ведется в отраженном свете.

Отражательные дифракционные решетки, изготовленные на вогну той поверхности, способны образовывать дифракционную картину без линзы. В современных дифракционных решетках максималь ное число штрихов составляет более 2000 на 1 мм, а максимальный размер заштрихованной поверхности — 300 300 мм, что дает зна чение для N около 1 млн.

Дифракция рентгеновских лучей. Рентгеновскими лучами назы вают электромагнитное излучение, длина волн которого равна при мерно 10 10 м. Длина волны рентгеновских лучей много меньше световых волн, поэтому наблюдать дифракцию этих лучей в стан дартных схемах не удается.

Препятствиями, размеры которых сравнимы с длиной волны рентгеновских лучей, могут служить лишь межатомные расстоя ния в твердых телах. Атомы кристалла расположены в правиль ном порядке, образуя плоскости, отражающие лучи. Коэффициент преломления лучей близок к единице, и лучи отражаются от раз личных плоскостей без заметного преломления (np = 1). Если обозна чить угол скольжения лучей, а расстояние между отдельными слоями d, то условие максимумов будет выполняться при:

2d sin = k, где k — целое число.

Полученная формула носит название формулы Вульфа—Брэггов.

Дифракцию рентгеновских лучей наблюдают также при рассея нии их аморфными твердыми телами, жидкостями и газами. В этом случае на рентгенограмме получаются широкие и размытые кольца.

В настоящее время широко применяют рентгеноструктурный ана лиз биологических молекул и систем.

3. Понятие о голографии и ее возможное применение в медицине Голография — метод записи и восстановления, основанный на интерференции и дифракции волн. Голография (метод полной записи) позволяет фиксировать и воспроизводить более полные сведения об объекте с учетом амплитуды и фаз волн, рассеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интерферен ции волн. С этой целью используют две когерентные волны — опорную, идущую непосредственно от источника света или зеркал, которые используют как вспомогательные устройства, и сигналь ную, которая появляется при рассеянии (отражении) части опор ной волны предметом и содержит соответствующую информацию о нем. Информационную картину, образованную сложением сигнальной и опорной волн и зафиксированную на светочув ствительной пластинке, называют голограммой. Для восстановле ния изображения голограмму освещают той же опорной волной.

При восстановлении изображения можно изменить длину опор ной волны. Так, например, голограмму, образованную невиди мыми электромагнитными волнами (ультрафиолетовыми, инфра красными и рентгеновскими), можно восстановить видимым светом. Так как условия отражения и поглощения электромаг нитных волн телами зависят, в частности, от длины волны, то эта особенность голографии позволяет использовать ее как метод внутривидения, или нитроскопии (визуальное наблюдение объек тов, явлений и процессов в оптически непрозрачных телах и сре дах, а также в условиях плохой видимости).

Особо интересные и важные перспективы открываются в свя зи с ультразвуковой голографией. Получив голограмму в ультра звуковых механических волнах, можно восстановить ее видимым светом. Ультразвуковая голография в перспективе может быть ис пользована в медицине для рассматривания внутренних органов человека с диагностической целью, определения пола внутри утробного ребенка и т. д. Учитывая большую информативность этого метода и существенно меньший вред ультразвука по сравне нию с рентгеновским излучением, можно ожидать, что в будущем ультразвуковая голографическая нитроскопия заменит тради ционную рентгенодиагностику.

Еще одно медико биологическое приложение голографии свя зано с голографическим микроскопом. Его устройство основано на том, что изображение предмета получается увеличенным, если голограмму, записанную с плоской опорной волной, осветить расходящейся сферической волной. В развитие голографии внес вклад советский физик Ю. Н. Денисюк, разработавший метод цвет ной голографии. Сейчас трудно оценить все возможности приме нения голографии: кино, телевидение, записывающие устройства и т. д. Несомненно, что этот метод является одним из величайших изобретений нашего времени.

4. Поляризация света Свет представляет собой поперечные электромагнитные вол ны. Поляризация света — упорядочение в ориентации векторов напряженностей электрического и магнитного полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Естест венный свет (солнечный, лампы накаливания) неполяризован, т. е. все направления колебаний электрического и магнитного векторов перпендикулярные световым лучам, равноправны. Су ществуют приспособления, называемые поляризаторами, кото рые обладают способностью пропускать через себя световые лучи с одним направлением колебаний электрического вектора Е, так что на выходе поляризатора свет становится плоско (линейно) поляризованным. Человеческий глаз не в состоянии обнаружить, поляризован свет или не поляризован. Для того чтобы обнару жить это, необходимо использовать приспособление — анализа тор. Если направление пропускания анализатора и поляризатора совпадают, луч света на выходе из анализатора имеет максималь ную интенсивность. При произвольном угле между направле ниями анализатора и поляризатора амплитуда световых колеба ний, выходящих из анализатора, равна:

Ea = En cos, где En— амплитуда колебаний на выходе из поляризатора.

В электромагнитной волне плотность энергии (интенсивность) пропорциональна квадрату амплитуды колебаний Е, т. е. I n E n и I a E a2.

На основании этого получаем:

Ia = In cos2.

Это соотношение называется законом Малюса.

Степень поляризации света (максимальная и минимальная) рав на интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.

Поляризация происходит и на границе двух изотропных ди электриков. Если падающий свет естественный, то преломленный и отраженный лучи частично поляризованы, причем преимущест венное направление колебаний электрического вектора прелом ленной волны лежит в плоскости падения, а отраженный — пер пендикулярно ей. Степень поляризации зависит от показателя преломления второй среды относительно первой:

n2, n21 = n и от угла падения, причем при угле падения Б, для которого tg Б = n21 (закон Брюстера), отраженный луч поляризован прак тически полностью, а степень поляризации преломленного луча максимальна.

Двойным лучепреломлением называется способность некото рых веществ, в частности кристаллов, расщеплять падающий све товой луч на два луча — обыкновенный (О) и необыкновенный (Е), которые распространяются в различных направлениях с различ ной фазовой скоростью и поляризованы во взаимно перпендику лярных плоскостях. Кристаллы, в которых существует выделен ное направление, называемое оптической осью, и вдоль которого луч света не испытывает двойного преломления, называются оп тически одноосными. Волновая поверхность обыкновенного лу ча всегда сферическая, волновая поверхность необыкновенного луча представляет собой эллипсоид.

На явлении двойного лучепреломления основан принцип дей ствия большинства поляризационных устройств. Если обыкно венный и необыкновенный лучи плоско поляризованы, то для того чтобы превратить двоякопреломляющий кристалл в поляри зационное устройство, достаточно каким либо образом избавить ся от одного из этих лучей.

Вращение плоскости поляризации При прохождении света через некоторые вещества, называе мые оптически активными, плоскость поляризации света повора чивается вокруг направления луча. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути I, пройденному светом в оп тически активном веществе:

= aI, где а — постоянная вращения, зависящая от свойств вещества и дли ны световой волны ( a ).

Интерференция поляризованных световых волн Если пропустить плоскополяризованный свет длиной волны через вырезанную параллельно оптической оси кристаллическую пластинку толщиной d, то из пластинки выйдут два поляризован ных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча, между кото рыми будет существовать разность фаз:

(n0 ne )d = 2.

Если поставить на пути лучей поляризатор, то они будут лежать в одной плоскости, и оба луча будут когерентными. Следователь но, эти лучи будут интерферировать.

Исследование биологических тканей в поляризованном свете Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроско пе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики: в том числе поля ризованную микроскопию. Если совместить поляризатор и анали затор, то поле зрения будет темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел.

Анизотропные предметы изменяют поле зрения в соответствии с тем влиянием, которое они окажут на направление плоскости колеба ний поляризованного света.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обла дают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При совмещенных поля ризаторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизо тропия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использовать в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тка нях. Этот метод основан на явлении фотоупругости, которое заклю чается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Взаимодействие света с веществом Дисперсия — зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты v. Зависимость показателя преломления среды от часто ты света является полинейной и немонотонной функцией.

c.

n= В вакууме скорость света не зависит от частоты или длины вол ны. Под действием переменного электрического поля световой волны расстояние электрона до положительного иона периодиче ски изменяется, т. е. электрон совершает вынужденные колеба ния под действием внешней периодической силы.

Поглощение света При прохождении света через вещество часть энергии световой волны поглощается, переходя во внутреннюю энергию вещества.

Для оценки величины этих потерь рассмотрим световой поток, распространяющийся вдоль оси Х. При прохождении очень тон кого слоя вещества толщиной dx возникает относительная убыль интенсивности, т. е. отношение изменения интенсивности dI в этом слое к интенсивности падающего света I(x), пропорциональная тол щине слоя:

dI = Kdx, I где коэффициент К, зависящий от свойств вещества, называется коэффициентом поглощения. Знак «минус» отражает убыва ние интенсивности с ростом Х x dI I = Kdx, 1 и получим закон Бугера:

I = I0e Kx.

Рассеивание света Если среда, в которой распространяется световая волна, неодно родна и в ней имеются включения с другими оптическими свой ствами, то, кроме волны, распространяющейся в первоначальном направлении, появляются волны, рассеянные в стороны. Эти вол ны уносят часть энергии и уменьшают интенсивность первона чального луча. Если размеры неоднородностей существенно меньше длин волн света, то интенсивность рассеянного света удовлетво ряет закону Рэлея:

Iрас – I0 4, где I0 — интенсивность падающего света;

частота падающего света, причем интенсивность рассеянно го света различна по разным направлениям (т. е. анизотропна).

Сильная зависимость интенсивности рассеянного света от частоты означает, что существенно сильнее рассеиваются волны с большей частотой. В частности, если через среду идет волна от источника белого света, то при наблюдении сбоку среда кажет ся голубоватой, а сам источник на просвет выглядит более крас ным. Этим объясняются голубой цвет неба и красный цвет зари.

Разные цветовые оттенки получаются из за разных геометриче ских расположений источника и наблюдателя.

5. Волоконная оптика и ее использование в медицинских приборах Традиционными элементами оптических систем, формирующих световой пучок, являются линзы, зеркала, призмы, плоскопарал лельные пластинки и т. п. Начиная с 1950 х гг., к этим элементам прибавились волоконно оптические детали, которые способны пе редавать свет по каналам, называемым светопроводами.

Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рас сматривают передачу света и изображения по светопроводам.

Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окружен ного веществом с меньшим показателем преломления, много кратно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Так как при полном отражении коэффициент отражения сравнительно высок, то потери энергии в основном обусловлены поглощением света веществом внутри волокна. Так, например, в видимой области спектра в волокне длиной 1 м теряется 30—40% энергии. Для пе редачи больших световых потоков и сохранения гибкости свето проводящей системы отдельные волокна собираются в пучок (жгу ты) — световоды.

В медицине световоды используют для решения двух задач:

передачи световой энергии (главным образом для освещения хо лодным светом внутренних полостей) и передачи изображения.

Для первого случая не имеет значения положение отдельных во локон в световоде, для второго существенно, чтобы расположе ние волокон на входе и выходе световода было одинаковым.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.