ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.04.2019
Просмотров: 7203
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.
ЭЛЕМЕНТЫ ФОТОБИОЛОГИИ.
Фотобиологическими называются процессы, которые начинаются с поглощения света биологическими системами, а заканчиваются определенной физиологической реакцией организма.
Существуют разнообразные фотобиологические процессы, к важнейшим из которых относятся фотосинтез, зрение, фоторецепторные реакции, деструктивное действие ультрафиолотового света, биохемилюминсценция.
По воздействию на организм человека и животных их можно разделить на позитивные (полезные) и негативные (вредные).
К позитивным фотобиологическим эффектам у человека и животных относятся:
-
Зрение.
-
Фотопериодизм (регуляция суточных и годовых циклов жизни животных путем циклического воздействия “темнота-свет”).
-
Образование витамина Д из его провитаминов.
К негативным фотобиологическим процессам относят:
-
Фототоксические эффекты:
-
световые повреждения глаз и кожи, проявляются в форме помутнения хрусталика, эритемы, пигментации кожи;
-
бактерицидное действие (имеет и положительное значение);
-
канцерогенное действие ультрафиолетового излучения.
-
Фотоаллергические эффекты (то есть увеличение чувствительности организма к некоторым аллергенам под действием света).
По характеру биологического воздействия на организм человека и животных весь оптический диапазон электромагнитного излучения принято разбивать на несколько характерных областей, вызывающих вполне определенные фотобиологические эффекты:
1. Инфракрасная область. (750 нм) - тепловые эффекты.
2. Видимая область (400750 нм) - зрение, фотопериодизм.
3. Ультрафиолетовая область делится в свою очередь на три диапазона:
УФ - А (315340 нм) - загар, синтез витамина Д, фотоаллергические и фототоксические эффекты.
УФ - В (280315 нм) - эригема, загар, ожог кожи и глаз, синтез витамина Д, канцерогенез.
УФ - С (200280 нм) - эригема, загар, канцерогенез, мутация, бактерицидный эффект.
Каким же образом фотмируется отклик организма на световое воздействие? Оказывается, что несмотря на большое разнообразие фотобиологических процессов, в любом из них всегда можно выделить следующие первичные стадии:
1)Поглощение кванта света хромофорной группой и образование электронно-возбужденного состояния
2) Миграция энергии электронного возбуждения (внутримолекулярная и межмолекулярная)
3) Первичный фотофиический акт и появление первичных фотопродуктов (ионов, радикалов или ион-радикалов)
4) Промежуточные стадии, включающие перенос заряда
5) Образование первичных стабильных химических продуктов
6) Физиолого-биохимические процессы. Биохимические реакции с участием образовавшихся фотопродуктов (например, инактивация ферментов и белков, окисление липидов и т.п.).
7) Общефизический ответ на действие света (эритема, ожог, пигментация, зрение и т.п.).
К первичным фотохимическим реакциям относятся:
а) фотодиссоциация молекул с образованием ионов, радикалов | A + B
(А-В)+ h (A-B)* | A+ + B+
A + B
б) фотоизомеризация (или перегруппировка)
А(транс-форма) + h (A)* А(цис-форма)
в) фотоприсоединение или фотоотдача протона
А*+ВН
Одной из важнейших характеристик любого фотобиологического процесса является спектр его фотобиологического действия.
Спектром фотобиологического действия называется зависимость фотобиологического эффекта от длины волны действующего света.
Знание спектра действия для какого-либо фотобиологического процесса позволяет в зависимости от стоящей задачи выбрать область спектра, либо наиболее вызывающую этот процесс, либо наоборот, практически не вызывающую этот фотобиологический процесс, если он нежелателен. В качестве примера на рисунке приведен спектр фотобиологического возникновения УФ-эритемы. По оси ординат здесь отложена “эффективность” света , то есть величина, обратная поглощенной световой дозе D (Дж) = J(Вт) t(с), вызывающей определенный физико-биологический эффект независимо от длины волны. В данном случае по оси ординат отложена величина, обратная мимнимальной эритемной дозе (МЭД), то есть дозе облучения, вызывающей минимально обнаруживаемую эритему.
С увеличением дозы эффективность фотобиологических процессов возрастает.
Очень важным законом, широко используемым в приложениях, является следующий: форма спектра фотобилогического действия ( ) соответствует спектру поглощения К( ) вещества, ответственного за рассматриваемое фотобиологическое действие.
Этот закон весьма важен, так как позволяет путем сравнения спектров фотобиологического действия со спектрами поглощения отдельных веществ, входящих в биосистему, выяснять физико-химические механизмы интерисующего фотобиологического процесса.
Например, было установлено, что кривая гибели бактерий под действием света УФ-С диапазона имеет максимум в области 265 нм, а ее форма близка к спектру поглощения нуклеиновых кислот. Это и позволило сделать вывод, что гибель бактерий под действием УФ-излучения обусловлена именно повреждением нуклеиновых кислот (ДНК).
Подобным путем удается выяснить природу акцептора квантов света, а затем делать предположения и выводы относительно фотохимических реакций, протекающих в организме.
ИНФРАКРАСНОЕ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ.
РТУТНЫЕ ЛАМПЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В МЕДИЦИНЕ.
Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область
между красной границей видимого света ( = 760 нм) и коротковолновом радиоизлучением ( = 1-2 мм), называют инфракрасным (ИК).
ИК область спектра условно разделяют на близкую (0,7602,5 мкм), среднюю (2,550 мкм) и далекую (502000 мкм).
Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный ИК спектр. Если в законе Вина вместо *m подставить пределы ИК-излучения, то получим соответственно температуры 38001,5 К. Это означает, что все жидкие и твердые тела в обычных условиях практически не только являются источниками ИК-излучения, но и имеют максимальное излучение в ИК области спектра.
При невысоких температурах энергетическая светимость тел мала. Поэтому несмотря на кажущуюся доступность источников
ИК-излучения далеко не все тела могут быть использованы в качестве таких источников. В связи с этим наряду с тепловыми ис-
точниками ИК-излучения используют еще ртутные лампы высокого давления и лазеры, которые уже не дают сплошного спектра. Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК области спектра.
Лечебное применение ИК-лучей основано на их тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы: лампы накаливания (соллюкс) и ИК-излучатели (инфраруж), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. ИК излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры 400 - 500 *С.
ИК излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэ тому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы.
Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.
В медицине с диагностическими целями проводят фотографирование в ИК-лучах. Различие оптических свойств видимого и ИК-из-
лучения позволяет увидеть детали, не видимые глазом и на обычной фотографии. С помощью этого метода диагностируют кожные и сосудистые заболевания.
Полезную информацию на молекулярном уровне дает спектроскопия ИК-излучения.
Методы обнаружения и измерения ИК-излучения делятся в основном на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером
теплового приемника служит термоэлемент, нагревание которого вызывает электрический ток. К фотоэлектрическим приемникам относятфотоэлементы, ЭОП, фотосопротивления.
Обнаружить и зарегистрировать ИК-излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покрытием.
Электромагнитное излучение, занимающее спектральную областьмежду фиолетовой границей видимого света (= 400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (= 10 нм), называютультрафиолетовым (УФ).
В области ниже 200 нм УФ-излучение сильно поглощается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэтому особого интереса для медицины не представляет. Остальная часть УФ спектра условно делится на три области:
А (400315 нм),
В (315280 нм) и
С (280200 нм).
Накаленные твердые тела при высоких температурах излучают заметную долю УФ-излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответствии с законом Вина, даже для наиболее длинной волны (400 нм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение серых тел не может служить эффективным источником УФ-излучения. Наиболее мощным источником УФ-излучения является Солнце,
9% излучения которого на границе земной атмосферы составляет УФ. В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейный спектр.
УФ-излучение необходимо для работы УФ микроскопов, люминесцентных микроскопов, для люминесцентного анализа. Главное применение УФ-излучения в медицине связано с его специфическим воздействием, которое обусловлено фотохимическими процессами.
Так, например, УФ (области В и С) обладает антирахитным действием, так как фотохимическим путем образует витамин Д из его провитамина.Эти же области УФ-излучения вызывают покраснение кожи (эритему), которое в зависимости от дозы облучения может вызвать даже ожоги.
Область А УФ играет важную роль в образовании пигмента, ко- торый придает коже коричневую окраску.
Бактерицидное действие УФ наиболее эффективно вызывается областью С. Это свойство используют для предотвращения распрост- ранения заразных болезней и стерилизации помещения, в которомпроводятся микробиологические работы. УФ может быть при избыточном воздействии причиной конъюнк-тивита (область С) и рака (область В).
Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фотоэлект-рическими приёмниками: фотоэлементами, ФЭУ. Индикаторами УФ света являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.
Источником УФ-излучения, применяемого для лечебных и профи-лактических целей, являются специальные газоразрядные лампы:ртутно-кварцевые, бактерицидные и другие.Наибольшее значение для медицины имеют лампы, в которыхэлектрический разряд происходит в атмосфере ртутных паров. Приэтом возбужденные атомы ртути дают интенсивное излучение в УФобласти спектра. Ртутные лампы разделяются на лампы низкого (0,011,0 мм ртутного столба), высокого (150 400 мм ртутногостолба) и сверхвысокого (выше атмосферного) давления. Из них в медицине используются лампы низкого и высокого давления.
Медицинская ртутно-кварцевая лампа высокого давления предс-тавляет прямую трубку из кварцевого стекла, из которой удален воздух (рис.).
Трубка наполнена аргоном под невысоким давлением и содержит также небольшое количество ртути. Впаянные по концам ме-таллические электроды Э для улучшения эмиссии электронов покрыты окислами щелочных металлов. При включении питающего напряжения в аргоне возникает тлеющий разряд. Разряд начинается за счет тех единичных ионов и электронов, которые имеются в естественном газе и поддерживается за счет вторичной ионизации. При этом электроды вследствие бомбардировки их ионами газа и электронами нагреваются, и с их поверхности происходит электронная эмиссия. Нагревается вся лампа, и имеющаяся в ней ртуть испаряется. Возникает дуговой разряд в ртутных парах, давление которых при этом повышается до необходимого предела: устанавливается рабочий режим лампы. При этом лампа дает излучение с линейчатым спектром в УФ области (максимум излучения при =365 нм), а также в сине-фиолетовой части видимого света. Это излучение и наблюдается глазом при работе лампы.
Лампу включают в сеть переменного тока, параллельно лампе через кнопку включен конденсатор (С), разряд которого облегчает зажигание лампы. Последовательно с лампой включается дроссель (Д), который стабилизируется ток в цепи лампы. При разряде в газе незначительное изменение напряжения между электронами может вызвать непропорционально большое изменение тока, которое нарушает работу лампы. При изменении тока в дросселе возникает э.д.с. самоиндукции, противодействующая этому изменению, и таким образом сила тока автоматически поддерживается неизменной.
Ртутная лампа низкого давления, называемая в медицине бактерицидной лампой, представляет собой трубку из увиолевого стекла, на концах которой имеются два электрода в форме спиралей накала (рис. 2).
Трубка заполнена аргоном под давлением в несколько мм ртутного столба и в ней помещается капля метталической ртути. Лампа включается в сеть последовательно с дросселем, параллельно электродам лампы включен стартер. Он представляет неоновую лампочку с биметаллическим электродом, который замыкает цепь тока для накала спиралей основных электродов.
Как только электроды лампы нагреются и возникнет электронная эмиссия, ток через стартер уменьшится и биметаллическая пластинка размыкает цепь. При этом между электродами в лампе возникает тлеющий раз-
ряд в атмосфере аргона. Постепенно ртуть испаряется и ее пары заполняют трубку. Лампа переходит на рабочий режим, при котором тлеющий разряд происходит уже в атмосфере ртутных паров и между холодными электродами. Давление ртутных паров в лампе составляет 6*10** мм ртутного столба. Лампа дает излучение с линейчатым спектром преимущественно в УФ области, максимум которого (до 70% всего излучения) падает на длину волны 253,7 нм.
В настоящее время для целей освещения применяются лампы, которые называют люминесцентными. Они устроены подобно ртутной лампе низкого давления, но делаются из простого стекла, внутрен- няя сторона которого покрыта соответствующим люминофором. УФ излучение возбужденных атомов ртути падает изнутри лампы на люминофор, который дает уже видимое излучение определенного состава. В зависимости от состава люминофора лампы дают белый свет раз-
личных оттенков и часто называются лампами дневного света. В спектре люминесцентной лампы сочетается сплошной спектр излуче- ния люминофора с линейчатым спектром частично проходящего через люминофор излучения паров ртути.
Применяется также люминесцентная лампа, которая дает длинноволновое УФ излучение (максимум при 310 - 320 нм), содержащееся в солнечном излучении достигающем земной поверхности. Лампа называется эритемной и применяется для освещения в школах, яслях, больницах при недостатке солнечного света.