ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.04.2019
Просмотров: 7247
Скачиваний: 3
СОДЕРЖАНИЕ
Величина ЛПЭ в кэВ/мкм зависит от плотности вещества.
Физико-химические основы биологического действия ионизирующего излучения.
Тормозное и черенковское излучения
Прямое и косвенное действие излучений на мишени в клетках
Первичные продукты радиолиза воды
Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой.
Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими
МЕМБРАННЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ И ИХ ИОННАЯ ПРИРОДА.
Потенциал покоя, уравнение Нернста.
Стационарный потенциал Гольдмана - Ходжкина.
Уравнение потенциала для трех ионов имеет следующий вид:
Это уравнение называется уравнением стационарного потенциала Гольдмана - Ходжкина - Катца.
Уравнение электродиффузии ионов через мембрану
в приближении однородного поля.
Поток частиц "Ф" равен потоку электричества "j", деленному на заряд каждой частицы "q", то есть
F = NA e, E = z e NA(2 - 1) = qNA(2 - 1),
, (G - свободная энергия), (2)
Сопоставив (1) и (2), получаем:
где - молярная концентрация частиц (Кмоль/м ).
Это уравнение соблюдается и для явлений диффузии, и для электрофореза в однородном растворителе.
где R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.
Механизм генерации и распространения потенциала действия.
Из уравнений (1) и (2) получим:
Учитывая, что " " и "U" величины постоянные, можно написать:
где k - коэффициент пропорциональности.
ПАССИВНЫЙ И АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ
Пассивный перенос веществ через биомембраны.
Диффузия незаряженных молекул.
Принято различать следующие типы пассивного переноса веществ (включая ионы) через мембраны:
2. Перенос через поры (каналы)
3. Транспорт с помощью переносчиков за счет:
а) диффузии переносчика вместе с веществом в мембране (подвижный переносчик);
Перенос по механизму 2 и 3 называют иногда облегченной диффузией.
но СН – СВ = Ф/Р, где Р - проницаемость системы в целом. Откуда:
где DB - коэффициент диффузии вещества в воде.
Если ввести безразмерный потенциал: , а также заменить СМВи СМН на концентрации иона в водной фазе
где k - коэффициент распределения иона, то получим выражение:
где P - коэффициент проницаемости.
Пассивный транспорт веществ через
где l - длина канала, очевидно, равная или близкая к толщине мембраны.
Для потока в случае пассивного транспорта получаем:
Физический смысл величины - максимальная величина потока.
Наиболее подробно это явление изучено для случая переноса
ионов так называемыми ионофорными антибиотиками: валиномицином,
энниатинами, нактинами и другими.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ АКТИВНОГО
Лиганд - малая молекула (ион, гормон, лекарственный препарат и др.).
1. Присоединение снаружи двух ионов K+ и одной молекулы Mg2+ АТФ:
2 Ko+ + Mg АTФ + E (2 K+)(Mg АТФ)E
2. Гидролиз АТФ и образование энзим-фосфата:
(2 K+ )(Mg АТФ)E Mg АТФ + (2 K+)E - P
3. Перенос центров связывания K+ внутрь (транслокация 1):
4. Отсоединение обоих ионов калия и замена этих ионов тремя
ионами Na, находящимися внутри клетки:
E - P(2 K+) + 3 Nai + E - P(3 Na+ ) + 2 K+ i
E - P(3 Na+ ) E(3 Na+ ) + P (фосфат)
6. Перенос центров связывания вместе с ионами Na+ наружу (транслокация 2):
7. Отщепление 3 Na+ и присоединение 2 K+ снаружи:
2 K0+ + 3 Na+ (E) 3 Na+ + (2 K+ )E
Таким образом, Na+ K+ насос является электрогенным.
Наиболее распространенным видом пассивной диффузии клеточных мембран является порная.
Классическое уравнение осмотического давления:
ПЕРВИЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Основные методы и аппаратура для
высокочастотной электротерапии.
В физиотерапии имеется большая группа методов, в основе ко-
торых лежат электромагнитные колебания и волны.
Первичное действие переменного тока и электромагнитного по-
ля на биологические объекты в основном заключается в периодичес-
ком смещении ионов растворов электролитов и изменении поляриза-
ции диэлектриков. При частотах приблизительно более 200-500 кГц
смещение ионов становится соизмеримым с их смещением в результа-
те молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромаг-
нитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным
первичным эффектом в этом случае является тепловое воздействие,
вследствие трения между заряженными частицами при колебательном
Электромагнитные колебания и волны, применяемые в медицинс-
кой практике, условно подразделяются на несколько диапазонов:
звуковой частоты (ЗЧ) 20 - 20 кГц
ультразвукочастотные (УЗЧ) 20 - 200 кГц
высокочастотные (ВЧ) 0,2 - 30 мГц
ультравысокочастотные (УВЧ) 30 - 300 мГц
сверхвысокочастотные (СВЧ) свыше 300 мГц
крайневысокочастотные (КВЧ) > 1000 мГц.
Так как специфическое действие тока, особенно при небольших
частотах, определяется формой импульсов, то используют токи с
разной временной зависимостью.
1. ИМПУЛЬСНЫЕ ТОКИ НИЗКОЙ И ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ.
Это токи с импульсами прямоугольной формы
(t = 0,1 - мс; 10 - 100 Гц) - для лечения
Ток с импульсами треугольной формы - те-
танизирующий (фарадический) ток (t = 1 -
5 мс, частота 100 Гц), а также ток экспо-
ненциальной формы (t = 3-60 мс, 8-80 Гц)-
применяют для возбуждения мышц.
Кроме того, для различных видов электро-
лечения используют диадинамические токи,
Эти токи применяются для прогревания органов в хирургии для
рассечения тканей (диатермотомия) и прижигания или удаления тка-
Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в
физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной
При диатермии применяют ток частоты около одного мегагерца
со слабозатухающими колебаниями, напряжение 100 - 150 В, сила
тока несколько ампер. Так как наибольшим удельным сопротивлением
обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они и прогреваются сильнее.
Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой, -
легкие, печень, лимфатические узлы. Недостаток диатермии - боль-
шое количество теплоты непродуктивно выделяющееся в слое кожи и
I = j * S, где j - плотность тока
Для местной дарсонвализации применяют ток частотой 100 -
400 кГц, напряжение его - десятки киловольт, а сила тока неболь-
В тканях, находящихся в таком поле, возникают вихревые то-
ки. Этот метод физиотерапии называют индуктотермией. Ткань поме-
щают в катушку с переменным током.
При индуктотермии количество теплоты, выделяющееся в тка-
нях, пропорционально квадратам частоты и индукции переменного
магнитного поля и обратно пропорционально удельному сопротивле-
Поэтому сильнее будут нагреваться ткани, богатые сосудами, нап-
ример, мышцы чем такие ткани, как жир. Обычно при индуктотермии
применяют местное воздействие переменного магнитного поля, ис-
пользуя спирали или плоские свернутые кабели.
4.ПЕРЕМЕННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.
В тканях, находящихся в таком поле, возникают токи смещения
и токи проводимости. Обычно для этой цепи употребляют электри-
ческие поля ультравысокой частоты, поэтому соответствующий физи-
отерапевтический метод получил название УВЧ-терапии (в РБ ис-
Физиотерапевтический метод, называемый микроволновой тера-
пией, основан на применении электромагнитных волн СВЧ диапазона
(сантиметровый и дециметровый).
При попадании на тело электромагнитной волны в нем возника-
ют токи проводимости и смещения и выделяется количество теплоты.
Большое значение имеют токи смещения, обусловленные переориента-
цией молекул воды. В связи с этим наибольшее поглощение энергии
микроволн происходит в таких тканях, как мышцы и кровь, а в
костной и жировой тканях меньше, они меньше и нагреваются. Ис-
пользуемые при микроволновой терапии электромагнитные волны пог-
лощаются слоем ткани толщиной в несколько сантиметров.
(Луч - 58, частота - 2375 мГц, * = 12,6 см).
Физиотерапевтические аппараты высокочастотной
терапии. Аппараты индуктотермии и УВЧ-терапии.
К физиотерапевтическим аппаратам высокочастотной терапии
относятся аппараты электрохирургии (рассмотрим их ниже), диатер-
мии, местной дарсонвализации, индуктотермии, УВЧ-терапии, микро-
волновой терапии (также будут рассмотрены ниже).
Общая схема аппаратов индуктотермии и УВЧ-терапии приведена
Хотя генератор собран по двух-
показан однотактный генератор.
В аппарате УВЧ-терапии дискообразные электроды, подводимые
к больному, входят в состав контура пациента, называемого тера-
певтическим контуром. Для безопасности больного терапевтический
контур индуктивно связан с контуром генератора, так как индук-
тивная связь исключает возможность случайного попадания больного
под высокое напряжение, которое практически всегда имеется в ге-
нераторах колебаний. Терапевтический контур применяют и в других
генераторах, используемых для лечения.
Аппараты микроволновой терапии.
Аппарат микроволновой терапии - генератор СВЧ колебаний,
работающий на особых электронных лампах, называемых магнетрона-
ми. Направленный поток волн образуется с помощью специального
излучателя, называемого волноводом.
Волновод - устройство для передачи ультразвуковых волн на-
чиная с дециметрового диапазона - представляет собой металличес-
кую трубу (или короб) определенной формы и размеров, заполненную
диэлектриком (в частности, воздухом). Волноводом может служить
также стержень соответствующих размеров из твердого диэлектрика.
Волна, распространяющаяся внутри волновода, не выходит за его
пределы. Возбуждается волна с помощью штыря или петли, располо-
женной в начале волновода и соединенной коаксиальным кабелем с
выводами генератора СВЧ колебаний.
Для микроволновой терапии используются аппараты "Луч - 2",
Имеются генераторы трех видов: ламповые, полупроводниковые
Применяются частоты от 300 - 400 кГц до 5 мГц (будут до 40 мГц).
Мощности: в офтальмологии, например, несколько ватт до 1 кВт
(рекомендуется МЭК не более 400 Вт).
Активные электроды изготавливаются из меди (раньше из нер-
Аппарат электрохирургии высокочастотный.
Принцип действия аппарата основан на воздействии токов вы-
сокой частоты на мягкие биологические ткани.
При протекании тока через мягкие ткани осуществляется их
резание и коагуляция кровеносных сосудов. Резание тканей произ-
водится синусоидальным немодулированным током частотой 1,76 мГц.
При касании электродом мягкой ткани, вследствие высокой плотнос-
ти входного тока, происходит мгновенный нагрев клеток и испаре-
ние внутриклеточной жидкости, что приводит к разрыву клеток в
зоне касания, таким образом осуществляется разрез ткани.
При коагуляции кровеносных сосудов используется как синусо-
идальный (режим "Резание"), так и амплитудномодулированный ток
(режим "Коагуляция") той же частоты 1,76 мГц. Применяется тепло-
вое действие тока меньшей, чем при резании тканей, плотности.
Вблизи электрода происходит обезвоживание клеток и обеспечивает-
Генераторы синусоидальных колебаний
Для возбуждения незатухающих электрических колебаний приме-
няют автоколебательные системы (работающие за счет энергии ис-
точника постоянного или выпрямленного напряжения), называемые
генераторами. Рассмотрим ламповый генератор:
Существо протекающих в генераторе процессов заключается в
том, что колебательный контур воздействует на анодную цепь лам-
пы, которая в свою очередь оказывает действие на контур. Такой
способ получения колебаний называется обратной связью. Соответс-
твенно катушку L называют катушкой обратной связи. Источником
энергии является анодная батарея. В качестве "клапана", пропус-
кающего в контур энергию в нужный момент, используют триод либо
В момент включения схемы в колебательном контуре возникают
малые случайные колебания. За счет индуктивной связи эти колеба-
ния передаются на сетку триода и усиливаются. Усиленные лампой
колебания через анодную цепь попадают в контур в резонанс с те-
ми, которые там уже существуют и амплитуда колебаний возрастает.
Так будет лишь в случае определенного фазового соотношения между
колебаниями в контуре и изменением напряжения сетки. Обратная
связь должна быть положительной.
Схема генерирует колебания, частота которых равна частоте
собственных колебаний контура Lк Cк. Изменять эту частоту можно,
меняя параметры контура - C и L. Удобнее Cк. Элементы Rc Cc слу-
жат для создания на сетке напряжения смещения в цепях правильно-
Рассмотрим работу генератора при установившихся колебаниях,
когда активное сопротивление колебательного контура = 0, то есть
контур идеальный. В идеальном колебательном контуре при возбуж-
денных колебаниях на пластинах конденсатора образуется перемен-
ное напряжение Uк, поддерживающее ток Jк колебательного контура
(рисунок). Ток Jк запаздывающий по фазе относительно напряжения
Uк на L п/2, наводит в катушке связи э.д.с. индукции Eк, которая
в свою очередь запаздывает по фазе относительно тока Jк еще на L
п/2 и, следовательно, по отношению к напряжению Uк находится в
противофазе (пунктир). Однако вследствие обусловленного выше по-
рядка подключения концов катушки Loc к сетке и катоду лампы фаза
э.д.с. индукции изменяется на обратную и потенциал Uс на сетке
лампы оказывается в фазе с напряжением Uк.
Потенциал Uс на сетке вызывает соответствующие пульсации
анодного тока, который может рассматриваться как состоящий из
постоянной Jао и Jа_ переменной составляющих. Последняя имеет
такую же частоту, как и напряжение Uк и находится с ним в фазе.
Для получения незатухающих коле-
баний в автогенераторе необходимо:
1) условие выполнения фазовых соотношений,
2) чтобы приток энергии к контуру
за некоторое время был больше по-
Подобный генератор может быть выполнен на полупроводниковом
триоде. Принцип его работы аналогичен.
На практике колебательный контур включается в цепь сетки.
Активное сопротивление нагрузки вместе с катушкой связи в гене-
раторе включено в анодную цепь лампы (рисунок).
В подобном генераторе в колеба-
тельном контуре почти не происхо-
дит потерь энергиии ток Jк в нем
является только возбудителем пере-
менного потенциала на сетке лампы,
Потенциал изменяется в фазе с напряжением Uс конденсатора
контура. Анодный ток проходит по катушке K, которая связана ин-
дуктивно, с одной стороны, с катушкой L колебательного контура
(для поддержания колебаний в нем), с другой стороны, с катушкой
Lн нагрузочного контура, на сопротивлении Rн которого происходят
основные потери энергии. Эти потери компенсируются непосредс-
твенно переменной составляющей анодного тока, которая питает
этот контур путем индукции между катушками K и Lн.
Если требуется значительная мощность колебаний, то применя-
ется двухтактный генератор (рисунок).
В нем к колебательному контуру
каждый через соответствующую по-
ловину катушки контура. Для этого
положительный полюс источника пи-
тания включается к средней точке
катушки, отрицательный - к общей
точке катодов ламп. Катушки К1 и К2 связи соединены вместе, и их
средняя точка через сопротивление Rс (смещения) подключена к об-
щей точке катодов ламп. Активное сопротивление контура Rк1 и Rк2
считаем включенными последовательно с каждой из половин катушки
Принципиальная схема двухтактного генератора напоминает
Самовозбуждение колебаний в генераторе основано на практи-
чески неизбежной несимметрии электрических параметров схемы, в
связи с чем в начальный момент при включении источника питания
токи, протекающие по каждой из половин катушки контура, не будут
абсолютно одинаковы. Это обусловливает образование на концах ка-
тушки L хотя бы небольшой разности потенциалов, которая послужит
для начальной зарядки конденсатора C контура. Затем в процессе
колебаний это напряжение быстро возрастает до нормальной величи-
Рассмотрим рабочий процесс при уже возбужденных колебаниях.
Ток Jк колебательного процесса (реактивная составляющая тока в
контуре) через катушки связи индуктирует на сетках ламп перемен-
ные потенциалы Uс1 и Uс2, которые обусловливают образование пе-
ременных составляющих Jа1_ и Jа2_ анодных токов ламп (активная
составляющая тока в контуре). Колебания потенциалов Uс1 и Uс2, а
следовательно, токов Jа1_, Jа2_ и напряжений Ur1_, Ur2_ на соп-
ротивлениях Rк1 и Rк2 находятся в противофазе, причем токи Jа1_
и Jа2_ протекают по сопротивлению Rк1 и Rк2 в противоположных
направлениях, поэтому напряжения Ur1 и Ur2 образуют совместно
общее напряжение Uк, которое в данном случае и поддерживает ко-
лебания в контуре. Токи Jа1_ и Jа2_ компенсируют потери энергии
на активном сопротивлении контура. В результате в колебательном
контуре реализуется удвоенная мощность сравнительно с однотакт-
ным генератором на такой же лампе.
Электрические колебания, резко отличающиеся по форме от си-
нусоидальных, называются релаксационными.
Простейшее устройство для получения релаксационных электри-
ческих колебаний состоит из газоразрядной лампы и включенного
параллельно ей конденсатора С, который через сопротивление подк-
лючены к источнику постоянного напряжения.
Газоразрядная лампа характеризуется тем, что она зажигается
при некотором относительно высоком напряжении Uзаж. и гаснет при
значительно меньшем Uгаш. В данном случае U должно быть больше
Uзаж., тогда по мере заряда конденсатора напряжение Uс на нем
постепенно нарастает до значения Uзаж., в этот момент лампа за-
жигается, ее сопротивление резко падает, конденсатор быстро раз-
ряжается через лампу. Когда напряжение на нем снизится до Uгаш.,
лампа погаснет, сопротивление ее вновь возрастет, конденсатор
будет снова заряжаться и т.д. График напряжения на зажимах лампы
имеет пилообразный характер, изменяясь в переделах от U1 = Uзаж.
до U2 = Uгаш. Период колебаний обусловлен в основном постоянной
времени t = RC заряда конденсатора, а также соотношением между
Uзаж. и Uгаш. газоразрядный лампы.
Генератор развертки в осциллографе.
Подобное пилообразное напряжение используется для развертки
изображения в электроннолучевой трубке. Для возможности регули-
ровки частоты колебаний в генераторе развертки применяется газо-
наполненный триод - тиратрон. В тиратроне напряжение зажигания,
а следовательно, и частота пилообразных колебаний регулируется
путем изменения отрицательного потенциала смещения, которое по-
Генератор электрических колебаний составляет основу многих
физиотерапевтических аппаратов. Существенной особенностью этих
аппаратов является отдельный колебательный контур, к которому
подключаются электроды, накладываемые на больного. Этот контур
Терапевтический контур в целях безопасности больного индук-
тивно связан с контуром генератора, так как индуктивная связь
исключает возможность случайного попадания больного под высокое
постоянное напряжение, которое практически всегда имеется в ге-
В связи с тем, что в терапевтический контур включаются раз-
личные объекты, например различные части тела больного, и его
электрические параметры могут соответственно изменяться, этот
контур должен подстраиваться в резонанс при каждой процедуре.
Для этого в нем имеется конденсатор переменной ёмкости.
Понятие о триггере и его использовании.
Триггеры относятся к логическим элементам ЭЦВМ. По схеме и
принципу действия триггер в значительной мере подобен мультивиб-
ратору, но отличается от него тем, что оба его крайних состояния
являются устойчивыми и переход из одного в другое (соприкоснове-
ние триггера) происходит только под действием внешних импульсов,
подаваемых на базу одного из транзисторов.
Триггер имеет два входа S и R и два выхода a и a, условное
Для сравнения (опрокидывания) триггера надо на его вход "S"
подать положительный импульс (при транзисторах "р-n-р").
Триггеры используются в регистрах, дешифраторах и счетчиках.
Первичное действие постоянного тока
Первичное действие постоянного тока
1. Механические волны, их виды и скорость распространения.
Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
Физические характеристики звука. Тоны и шумы.
Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.
Понятие о звукопроводящей и звуковоспринимающей системах уха человека. Физика слуха.
Поглощение и отражение звуковых волн. Реверберация.
Физические основы звуковых методов исследования в клинике.
2. Механические колебания: гармонические, затухающие и вынужденные колебания.
Дифференциальное уравнение гармонического колебания.
Энергия при гармоническом колебании.
Вынужденные колебания. Резонанс.
Сложение гармонических колебаний, направленных по одной прямой.
Сложное колебание и его гармонический спектр.
Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний.
Ультразвук. Методы получения и регистрации.
Источники и приемники акустических колебаний и ультразвука.
Эффект Доплера и его применение для неинвазивного измерения скорости кровотока.
Вибрации, их физические характеристики
1. Основные понятия гидродинамики. Условие неразрывности струи
Внутреннее трение (вязкость) жидкости. Формула Ньютона.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
Методы определения вязкости жидкости.
Реологические свойства крови, плазмы и сыворотки. Факторы, влияющие на вязкость крови в организме.
Ка уже указывалось, основной характеристикой деформационного поведения материала является кривая напряжение-деформация ( = f() или = f(), где - напряжение, - деформация, - удлинение). Кривые напряжение-деформация биологических тканей нелинейны, причём эта нелинейность имеет такой характер, который не встречается в технике. Теорию упругого поведения биологических тканей создал Фанг Я.Ч. Им было показано, что напряжение и растяжение связаны соотношением , что дает экспоненциальную зависимость вида . После удовле
творения начальным условиям (=0, при =1) закон Фанга трансформировался и используется в настоящее время в двух формах:
где * - значение напряжения в точке *, и
.
Справедливость этих функций была показана на широком классе биологических тканей: портняжная мышца лягушки, капиллярная мышца кролика, кожа человека, сосудистая стенка, костная мозоль и т.д.). Причем первая формула хорошо работает при 1,5 , а вторая - вплоть до = 2,5.
При экспериментах с мягкими тканями наблюдается первая зона, для которой характерно значительное удлинение при небольших растягивающих напряжениях. В коже, например, это удлинение может достигать 70-100;% первоначальной длины. Этот эффект получается от распрямления S - образных образований молекул. Для костной ткани этой зоны нет.
В следующих зонах ткань начинает сопротивляться нагрузке и на диаграмме появляется характерный удлинённый S-образный участок. В первом приближении для этой зоны можно принять, что материал ткани подчиняется закону Гука.
В следующей зоне удлинение продолжается при небольшом увеличении нагрузки. Эта зона предшествует разрушению образца. Динамическое нарушение тканей оказывает более благоприятное влияние на их рост, чем статическое нагружение.
Механические свойства мягких тканей во многом обусловлены их строением. Позвоночные животные имеют три вида мышц: гладкие мышцы в стенках полых органов, поперечно-полосатые мышцы сердца и поперечно-полосатые скелетные мышцы.
Мышцы имеют волокнистое строение. Под обычным микроскопом без труда наблюдается поперечно-полосатая структура мышечных волокон. Отдельное мышечное волокно имеет диаметр 0,02-0,08 мм. Оно окружено мембраной, толщина которой около 10 мм. Волокно состоит из 1000-2000 более тонких волокон-миофибрилл диаметром 1-2 мкм. Фибриллы имеют оболочку, образованную трубочками и пузырьками саркоплазматического ретикулума. Мышца содержит также митохондрии, расположенные между фибриллами. Миофибрилла в свою очередь состоит из ряда белковых нитей - толстых и тонких. Симметрия их расположения в поперечном сечении гексагональна (рисунок).
Черные линии - это так называемые Z -линии (Z - диски, имеющие вид линий в продольном сечении). Участок миофибриллы между двумя Z-линиями называется саркомером. Он разделяется на несколько зон. Центральная полоса- А анизотропна и обладает двойным лучепреломлением. К ней примыкают с двух сторон изотропные I-полосы. При растяжении покоящейся мышцы в середине А-полосы появляется зона Н меньшей плотности.
Толстые нити образованы белком миозином, тонкие - в основном белком актином. Каждая толстая нить состоит из 180-360 продольно ориентированных молекул миозина, ответственных за анизотропию плотной А-полосы. Менее плотная I-полоса образована тонкими нитями актина, молекулы которого представляют собой двойные спирали (F - форма актина), возникшие в результате полимеризации глобулярного G- актина. В саркоме число G-глобул равно примерно 800 на одну тонкую нить. Тонкие нити F-актина проходят через Z-диски.
У высших позвоночных молярное отношение актина к миозину примерно равно 4:1, весовое отношение 1:2.
При сокращении (укорочении) мышцы происходит сужение I-полос без изменения протяженности А-полосы. Z-диски движутся навстречу друг другу. В конечном счёте I-полосы исчезают вовсе, а в центре саркомера появляется уплотнение. Объем сакромера при укорочении меняется мало, следовательно, он становится толще.
Очевидно, вещество А-полосы более жёстко, чем вещество I-полос. Электронная микроскопия показывает, что при укорочении толстые нити вдвигаются между тонкими и саркомер укорачивается подобно подзорной трубе.
Скелетные мышцы состоят из волокон (клеток) и соединительной ткани. Они присоединяется к костям скелета при помощи сухожилий. В веретенообразных мышцах волокна расположены главным образом параллельно друг другу. Каждое волокно окружено тонкой оболочкой (сарколемой), а её внутренность состоит из протоплазмы (сарко-плазмы), в которой расположены тонкие нити (миофибриллы) толщиной до 2 мкм и множество ядер. Мышечные волокна имеют длину до 10 см и толщину около 50 мкм (приближённо равна толщине волоса). Волокна образуют сократительный механизм мышцы. Поперечные Z-мембраны разделяют каждую миофибриллу на волокна поменьше -саркомеры, которые представляют собой мельчайшие образования, обладающие способностью сокращаться.
Расположение нитей актина и миозина.
а) нормальное состояние,
б) сокращение мышцы.
1 – миозин, 2 – актин, 3 – смешанный компонент.
Во всяком мышечном волокне имеются несколько миофибрилл, которые со своей стороны разделяются на два вида нитей, называемых протофибриллами, связанных между собой мостиками. Тонкие протофибриллы состоят из белковых молекул, называемых актинами, а толстые протофибриллы - и молекул, называемых миозинами (см. рисунок).
В процессе сокращения производится сдвиг протофибрилл, при котором тонкие нити заходят между толстыми. В активизированном состоянии нити актина и миозина зацепляются между собой при помощи мостиков, являющихся элементами молекул миозина. Любой саркомер сокращается приблизительно на 20% или 0,5 мкм.
Сила мышцы на 1 см2 её поперечного сечения называется абсолютной мышечной силой. Для человека она равна от 50 до 100 Н.
Работа мышечной ткани осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках).
Всякое мышечное волокно представляет собой многоядерную цилиндрическую клетку, имеющую диаметр от 10 до 100 мкм и длину от нескольких миллиметров до нескольких см.
Мышечные волокна окружены соединительной тканью, состоящей из волокон коллагена и эластина. Прочность волокон коллагена можно сравнить с прочностью стали - настолько она велика. Волокна эластина обладают способностью растягиваться упругим образом подобно резине. Связь мышц с сухожилиями осуществляется посредством коллагеновых волокон соединительной ткани.
При исследовании жёсткости в диапазоне малых синусоидальных деформаций напряжение сердечной мышцы удовлетворяет закону Гука. В этом случае модуль упругости зависит от начальной длины мышцы, температуры и вида объекта. В желудочке кролика при 300С и l = 1,14 l0 Е = 2,6 105 Н/м2, при l = 1,23 l0 Е = 5,7 105 Н/м2 и при l = 1,31 l0 Е = 8,9 105 Н/м2. В предсердии значения модуля упругости соответственно равны 3,0 105, 6,9 105 и 19,1 105 Н/м2. Определенная таким образом жёсткость предсердий выше жёсткости желудочков. На примере желудочка видна зависимость модуля упругости от температуры. При 200 С модуль упругости возрастает до 4,5 105 Н/м2 при l=1,14l0 и до 12,7 105 Н/м2 при l = 1,31l0.
Сердечная мышца ведёт себя как вязко-упругое тело.
Коллаген, эластин и связующее вещество составляет основу биотканей.
Прочность костной ткани должна быть значительной, поскольку она является основным материалом опорно-двигательной системы. Она зависит от химического состава, общей структуры, системы внутреннего армирования, количества и прочности компонентов, ориентации основных компонентов по отношению к продольной оси кости, возраста, плотности, индивидуальных условий роста соответствующего организма, условий хранения экспериментальных костных образцов, участка кости, с которого снят образец, и т.д.
Компактная костная ткань обладает специфичным композиционным строением. Она представляет собой среду с пятью структурными уровнями.
Плотность костной ткани приблизительно равна 2,4 г/см3.
Возраст оказывает существенное влияние на прочность костной ткани. С увеличением возраста в костной ткани появляются изменения её химического состава и внутренней структуры.
Из экспериментов установлено, что для костной ткани самым опасным является растягивающее напряжение.
Диаграмма - костной ткани показана на рисунке.
При небольших деформациях для костей справедлив закон Гука: напряжение пропорционально относительной деформации, модуль упругости не зависит от напряжения. Модуль упругости костей может достигать 109 Н/м2, то есть может превышать эффективные модули упругости мышц практически при всех нетравмирующих нагрузках.
Прочность костной ткани на растяжение при разрушении меняется от 150 до 177 МПа в зависимости от зоны поперечного сечения, с которой взят соответствующий экспериментальный образец. Эта прочность зависит от прочности отдельных компонентов: гидроксилапатита - с 600 до 700 МПа, коллагена - с 50 до 100 МПа.
Принимается, что волокна костной ткани деформируются преимущественно упругим образом, а матрицы (остальная ткань) - пластически и разрушаются хрупким образом.
Прочность костей на сжатие высокая. Несущая способность бедренной кости в продольном направлении выше 45000 Н для мужчин и 39000 Н для женщин. Образцы компактной кости, взятые с разных мест, обладают предельными напряжениями на сжатие от 120 до 170МПа.
Несущая способность костей при изгибе значительно меньше. Так, например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2500 Н. Установлено, что прочность на кручение является наибольшей в возрасте от 25 до 35 лет (105,4 МПа), и после этого постепенно убывает. Для возрастной группы с 75 до 89 лет она достигает в среднем 90,3МПа.
Прочностные деформационные свойства стенок кровеносных сосудов и изменение этих свойств с возрастом имеют большое значение для медицины. Они также в некоторой степени зависят от структуры и биохимического состава ткани соответствующих сосудов.
Кровеносные сосуды состоят их трёх концентрических слоёв. Самый внутренний называется интимой, средний - сосудистой оболочкой, и наружный - внешней сосудистой оболочкой. Механические свойства кровеносных сосудов обусловливаются главным образом, свойствами средней сосудистой оболочки, состоящей из коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Эластин растягивается очень сильно (допускает деформацию до 200-300%), обладает ярко выраженным нелинейным механическим поведением с переменным модулем упругости от 1 105 до 6 105 Па. Чистый коллаген растягивается меньше (предельные деформации до 10%) и тоже обнаруживает нелинейное механическое поведение. Его модуль упругости достигает значений от 1 107 до 1 108 Па, то есть он уже относительно высок.
Гладкие мышечные клетки могут менять свою длину (сокращаться) под действием нервных или химических стимуляторов. В результате этого меняются их механические свойства - модуль упругости от 1 104 Па для нестимулированной мышцы возрастает примерно в десять раз для активированного состояния.
Разные авторы дают модули упругости для артериальных сосудов в пределах от 0,6 105 до 7 105 Па в зависимости от локализации, направления ориентации и деформаций, при которых они определяются. Модуль сдвига для передней стенки аорты G = 0,84 МПа при напряжении 0,05 МПа, что соответствует физиологическому состоянию организма.
Задачи, объекты и методы биомеханики.
Биомеханика - раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве (при движениях, дыхании, кровообращении).
Опираясь на данные анатомии и используя методы теоретической и прикладной механики, биомеханика исследует деформации структурных элементов тела, движение жидкостей и газов в живом организме, перемещения звеньев тела относительно друг друга и всего тела в пространстве, устойчивость и управляемость движений и другие вопросы, доступные методам механики.
Биомеханика движений исследует структуру опорно-двигательного аппарата (характер подвижных сочленений, число степеней свободы), кинематику движений (скорость, ускорения, траектории), динамику движений - картину действующих сил. Чаще всего задача биомеханического исследования состоит в том, чтобы по кинематическим характеристикам движения определить картину действующих сил.
Современная биомеханика не ограничивается анализом движений. Сфера приложения биомеханики расширяется, и сейчас она включает в себя изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т.п.
Биомеханика дыхательного аппарата изучает кинематику и динамику дыхательных движений, сопротивление дыханию, обусловленное трением воздуха при движении по гортани, трахее и бронхам (неэластическое сопротивление), сопротивление, связанное с упругостью грудной клетки, эластичностью тканей легких, а также поверхностным натяжением жидкости, тонким слоем покрывающим аловеолы (эластическое сопротивление).
Биомеханика кровообращения изучает реологические свойства крови, сосудистой стенки и периваскулярных тканей, особенности тока крови в ветвящихся сосудах, в сосудах малого диаметра и капиллярах, гидродинамические явления в полостях сердца и магистральных сосудах, возникновение акустических колебаний в сердечно-сосудистой системе, вопросы теплообмена и др.
Начало исследований по биомеханике было положено Леонардо да Винчи. Изучая полет птиц и движения человека, работу скелетных мышц и сердца, механику дыхания и голосообразования, он считал, что функционирование ряда систем организма подчинено законам механики.
Значительное влияние на развитие биомеханики оказали труды Джованни Борелли (1608-1679г.) итальянского анатома и физиолога, в книге “О движении животных” он дает анализ различных движений тела при ходьбе, беге, плавании и позиций механики. Борелли впервые определил положение центра тяжести тела человека. Экспериментальное исследование ходьбы было проведено братьями Вебер (E. и W. Weber, 1836 г.) и т.д.
В России начало изучения вопросов биомеханики положено работами И.М.Сеченова и П.Ф.Лесгафта. В “Очерках рабочих движений человека” (1901 г.) И.М.Сеченов дал сводку важнейших биомеханических характеристик движений человека. Кроме того следует отметить работы А.А.Ухтомского (“Физиология двигательного аппарата” - 1927 г.), Н.В.Парийского. Значительный вклад в развитие биомеханики внёс Н.А.Бернштейн, значительно усовершенствовавший методы регистрации и анализа движений и др.
Методы биомеханических исследований включают различные приемы регистрации положения и движения тела, измерений силы групп мышц, моментов инерции звеньев тела и др. Для изучения положения тела существуют приборы, позволяющие определять положение общего центра тяжести по отношению к поверхности опоры, величину опорного контура, степень устойчивости тела в пространстве. Для регистрации движений используются различные варианты световой записи.