Живой организм в электромагнитном поле

Наша планета и обитающие на ней живые существа постоянно находятся в поле действия электромагнитных волн, излучаемых Солнцем и галактиками, диапазон частот этих волн от 10 МГц до 10 ГГц, однако интенсивность их незначительная и обычно не превышает 10⁹ Вт/м², хотя при солнечных вспышках она может возрастать в сотни раз. Вблизи линий электропередач, высоковольтных трансформаторов возникают ЭМП промышленной частоты (50 Гц). Они быстро уменьшаются с расстоянием, но вблизи от источников могут быть довольно значительными. Высокочастотные (ВЧ) поля с частотой от 10 до 100 МГц, создаваемые, например, генераторами для сушки древесины, также дают достаточную вблизи напряженность поля. Сверхвысокочастотные (СВЧ) поля с частотами до 1000 МГц возникают вблизи радиолокационных и подобных им установок и оцениваются уже по величине потока энергии.

При взаимодействии поля с биообъектами энергия поля в основном затрачивается на нагревание этих объектов. В низкочастотном диапазоне (до 10 МГц) почти все ткани можно рассматривать как проводящие вещества (tg>-l), и превращение энергии ЭМП в теплоту связано преимущественно с потерями проводимости. При более высоких частотах, т. е. в диапазонах УВЧ и СВЧ, тангенс угла. потерь уменьшается, и ткани уже нельзя рассматривать как проводники. Даже нагревание крови при СВЧ обусловлено диэлектрическими потерями. Глубина проникновения ЭМП в ткани зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше проникающая способность электромагнитных волн. Ориентировочно можно считать, что глубина проникновения ЭМП в ткани равна 0,1 длины волны.

Количество теплоты, выделяемой в тканях, зависит от электрических параметров ткани, от частоты и, естественно, от интенсивности облучения. Поскольку ионный состав и количество полярных молекул в разных тканях различно, то при одном и том же ЭМП в разных тканях выделяется разное количество теплоты. Степень нагрева зависит еще и от терморегуляционных свойств ткани. Органы с относительно малым количеством кровеносных сосудов (глаза, семенники) нагреваются сильнее, так как кровь, обладающая большой теплоемкостью, хорошо отводит тепло. Расчеты показывают, что сколько-нибудь значительных изменений в тканях, связанных с их нагревом, можно ожидать лишь в очень сильных ЭМП, в которых величины напряженности электрического поля достигают значений порядка 100 В/м для СВЧ и порядка 10⁶ В/м для ВЧ. Интенсивности таких полей на много порядков превышают интенсивности естественных ЭМП, и, как правило, они применяются в терапевтической практике.

При высоких интенсивностях ЭМП нагрев может быть настолько значительным, что возникают ожоги, некроз тканей, дегенеративные изменения в клетках. За последние десятилетия было обнаружено, что самые различные организмы – от одноклеточных до млекопитающих – обладают высокой чувствительностью к ЭМП, интенсивности которых близки к природным, т. е. в тысячи и миллионы раз более слабым, чем те, которые вызывают заметные тепловые эффекты, причем чувствительность к ЭМП повышается при переходе от менее организованных к более высокоорганизованным системам. К эффектам нетеплового характера относится в основном действие на центральную и вегетативную нервную систему, что, в свою очередь, приводит к функциональным сдвигам других физиологических систем организма. К таким сдвигам относятся нарушения ритма сердца, кровяного давления, обменных процессов и т.п. У человека могут нарушаться зрительные, звуковые, осязательные ощущения. У животных происходит изменение эмоционального состояния: от угнетенного до возбужденного.

Человек, находящийся в ЭМП с частотами 425, 1310 и 2982 МГц, слышит жужжание, свист, щелканье. Это экссенсорное восприятие (т.е. восприятие, осуществляемое помимо известных органов чувств) объясняют тем, что ЭМП оказывает непосредственное действие на электрическое поле нейронов мозга, в результате чего и возникает ощущение звука.

Многое в действии высокочастотных ЭМП на живой организм остается еще неясным, в частности его влияние на генетический код. В связи с ежегодным возрастанием высокочастотного радиофона на нашей планете ряд ученых считают его столь же опасным, как и загрязнение окружающей среды продуктами промышленного производства и шумом.

Микроволновая терапия.

СВЧ терапия – метод лечения, основанный на использовании энергии микроволн - электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

Микроволны (микрорадиоволны, СВЧ- колебания) имеют длину от 1 м до 1 мм, частоту колебаний соответственно от 300 до 300 000 Мгц. В спектре электромагнитных радиоволн они занимают промежуточное место между волнами ультравысокой частоты и инфракрасными лучами. Этим обусловлены физические свойства микроволн, характерные как для радиоволн ультравысокой частоты (способность проникать в биологические ткани), так и для инфракрасных лучей (отражение, преломление, поглощение биологическими тканями).

В лечебной практике используют микроволны дециметрового (0,1 – 1м) и сантиметрового (1-10 см) диапазонов и в соответствии с этим различают 2 вида СВЧ-терапии, дециметровая (ДМВ-терапия) и сантиметровая (СМВ-терапия).

Электромагнитные колебания создают магнетронный генератор (магнетрон– устройство, сочетающее в себе функции электронной лампы и колебательного контура). Электромагнитные волны направляют на соответствующий участок тела специальными излучателями, имеющими вид полых цилиндров.

Механизм действия микроволн на организм складывается из двух процессов: первичного (непосредственного влияния микроволны на ткани организма) и вторичного – возникающих в ответ на него нейрорефлекторных и нейрогуморальных реакций целостного организма. Первичное влияние проявляется в зоне локального воздействия состоит из теплового и нетеплового компонентов. Тепловой компонент проявляется нагревом тканей за счёт эндогенного тепла. Нетепловой (экстратермический, осциляторный) компонент механизма действия микроволн заключаются в различных внутримолекулярных физико-химических и электрохимических изменениях и в структурных перестройках, возникающих под влиянием энергии микроволн в сложных биоколлоидных системах (изменение осмотического давления, поверхностного напряжения, проницаемости клеточных мембран, коллоидного состояния цитоплазмы и межклеточной жидкости, ориентирование элементов крови и поляризованных ветвей белковой макромолекул в направление силовых линий электромагнитного поля, резонансное поглощение энергии колебаний отдельными макромолекулами, аминокислотами и др.). Эти изменения при адекватной дозировки СВЧ-терапии излучают функциональное состояние клеток, тканей и органов. Соотношение теплового и нетеплового компонентов в действии микроволн определяется дозировкой воздействия – при малой мощности преобладает нетепловой, а при большой мощности – тепловой компонент.

Для сантиметровых волн характерно больше (до 60%) отражение от поверхности тела и менее глубокое (в среднем на 5 – 6 см) проникновение в ткани. Кроме того, эти волны неравномерно поглощаются различными слоями тканей, что может приводить при неадекватной дозировки к перегреву некоторых участков. Дециметровые волны более равномерно и глубоко (в среднем на 8 – 9 см) проникают в ткани, вследствие этого ДМВ-терапия применяется в лечебной практике более широко.

Вторичное звено механизма лечебного действия микроволны состоит из непосредственного влияния поглощённой энергии на рецепторы тканей, возникновение начального рефлекса с хемо-, баро-, термо-, рецепторов в зоне облучения. Эти импульсы через нервные стволы поступают в Ц.Н.С., что обеспечивает ответную реакцию «исполнительных» органов. Образующиеся при воздействие микроволны биологически активные вещества вызывают раздражение рецепторов вне зоны воздействия (гуморальный компонент) и обуславливают общее физиологическое действие через центральные регулирующие механизмы. В лечебных дозах микроволн обладают противовоспалительным, бактериостатическим, болеутоляющим, спазматическим действием.

СВЧ-терапия оказывает регулирующее, стимулирующее влияние на нервную эндокриную систему, обмен веществ. Под действием микроволн отмечается нормализация тонуса магистральных и периферических сосудов, активация процессов микроцирауляции (ускорение тока крови в капиллярах, их расширение), повышение оксененации крови, регуляция сосудистой проницаемости, улучшение окислительно-восстановительных процессов и трофики тканей. ДМВ-терапия, активируя адаптационно-трофические системы –симпатоадреналовую (преимущественно её симпатическое звено) способствует улучшению глюкокорнекоидной функции надпочечников и подавлению аллергических реакций, нормализации трофики синовиальной оболочки.

СМВ-терапия способствует улучшению проводимости периферических нервов, нормализации лабильности нервно-мышечного аппарата, уменьшению атрофии мышц, оказывает обезболивающее действие.

Одним из распространенных методов высокочастотной терапии является воздействие высокочастотным электрическим полем УВЧ.

Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия – лечебное использование электрической составляющей переменного электромагнитного поля ультравысокой частоты.

При этом биологическая система помещается между плоскими электродами, которые не касаются тела. Электроды могут накладываться различными способами.

При УВЧ терапии колебания имеют частоту 40-50 МГц.

В России в аппаратах УВЧ, в основном, используется частота 40,58 МГц, длина волны 7,37 м, на которой не проводятся никакие радиопередачи. Также используются аппараты с частотой 27,12 МГц (длина волны 11,05 м), которая является международной. Воздействие оказывается на значительную поверхность тела пациента, который находится в ближней зоне источника электромагнитного поля.

Человека или отдельный его орган помещают в конденсаторное поле колебательного контура. При УВЧ терапии нагрев костной, мышечной и жировой тканей происходит интенсивнее, чем нагрев кровеносных сосудов, лимфатических узлов и пр. Кожа относительно «прозрачна» для УВЧ поля, и его действие сильнее выражено в глубоколежащих тканях. Следует, однако, отметить, что тепловой эффект при терапевтическом УВЧ сравнительно невелик и, по-видимому, не является основным для терапевтического действия. Электрическое поле УВЧ оказывает ряд физико-химических воздействий, к которым относят усиление активизации ферментов, превращение грубодисперсных белковых молекул в менее крупные с соответствующим изменением рН цитоплазмы и т. п. Эти явления, а также нагрев при больших интенсивно-стях электрического поля УВЧ могут быть настолько значительными, что приводят к необратимым исходам. Так, у крыс, подвергавшихся действию мощного УВЧ поля, появлялись отеки слизистых оболочек, набухание носа, губ. При еще больших интенсивностях наступал паралич конечностей и крысы погибали,

УВЧ терапию применяют при острых воспалительных процессах в суставах, при маститах, гайморитах, фурункулезе и многих других заболеваниях.

Дециметровая терапия (ДМВ-терапия) – метод, при котором с лечебными целями применяют дециметровые волны длиной 69,65 и 33 см (частота электромагнитного поля 433,460 и 915 МГц соответственно). В нашей стране аппаратура работает на частоте 460 МГц, в Западной Европе – 433 МГц, в США – 915 Мгц.

Действие микроволн на организм имеет ряд особенностей зависящих от их физических свойств. Микроволны, как и свет, можно сконцентрировать в достаточно узкий пучок, что позволяет их локализовать на определённом участке тела.

При ДМВ – воздействие отражение происходит в основном от кожи. В то же время толщина кожи и подкожной жировой клетчатки существенно не влияет на отражение. В результате создаются условия для более равномерного послойного поглощения энергии Э.М.П. дециметрового диапазона волн. Последнее связано с тем, что при воздействиях ДМВ отсутствуют, как правило, условия, при которых могут возникнуть стоячие волны, обусловливающие перегревание кожи и подкожной жировой клетчатки, а также «горячие точки», наблюдаемые иногда при СМВ-терапии, что является существенным преимуществом ДМВ-терапии. В среднем ДМВ проникает в ткани человека до 9 см.

Первичные механизмы взаимодействия ДМВ с тканями человека определяются конформационными процессами в белковых структурах клетки, в частности митохондрий, явлениями поляризации на мембранах и изменением их проницаемости, когерентным колебанием молекул, главным образом связанной воды, а также взаимодействием собственных зарядов электрически активных элементов клетки с воздействующим электромагнитным полем.

При взаимодействие ДМВ большая часть поглощенной энергии превращается в тепло. В живых тканях повышение температуры идёт и за счёт активизации местных обменных процессов. Локальное воздействие ДМВ в дозах, близких и терапевтических, обычно не вызывает повышение температуры тела человека. Однако общее интенсивное воздействие может вызывать общее повышение температуры тела, вплоть до гибели с явлениями перегрева. Температура в тканях, богатых водой при действии ДМВ в дозах, близких к лечебным, может подниматься, на 4º при сравнительно небольшом увеличении температуры в подкожном жировом слое. При этом повышение температуры в облучаемых тканях с первых минут воздействия, достигая максимума 10-15 минуте, а затем прекращается. Под влиянием образовавшего в тканях тепла происходит расширение сосудов, усиливается кроваток, что ведёт к охлаждению кровью тканей и уравниванию теплопродукции и теплоотдачи. Температура тканей снижается приблизительно на 2⁰С от максимальной и становиться устойчивой в течение всей процедуры.

Подкожная жировая клетчатка васкуляризирована слабо и охлаждающее действие крови в этой ткани проявляется незначительно. Поэтому следует избегать продолжительных и интенсивных воздействий дециметровыми волнами, которые могут привести к перегреванию подкожной жировой ткани. Нужно также принимать во внимание, что изменения центральной и периферической гемодинамики нарушают теплоотдачу и унос тепла кровью.

Минимальной продолжительностью дециметрового воздействия до появления эффективного повышения температуры следует считать длительность процедуры от 3 до 5 минут, а максимальной – 30 минут.

Физиологическое и лечебное действие. В ответ на воздействие ДМВ в организме развиваются как общие неспецифические реакции, характерные для большинства физических факторов, так и определённые специфические процессы присущие только данному виду энергии.

Выраженность этих реакций зависит от дозы, локализации воздействия, особенностей функционирования органов и систем больного, возраста, выраженности патологического процесса и других причин.

ДМВ-терапия усиливает кровообращение, улучшает микроциркуляцию, метаболические процессы в тканях, органах, оказывает противовоспалительный, бронхолитический, спазматический эффекты, повышает глюкокортикогедную активность организма, обладает антиаллергическим действием.

Сантиметроволновая терапия (СМВ-терапия) - метод, при котором с лечебными целями применяют электромагнитные волны длиной 12,6 и 12,2 см (частота 2375 и 2450 МГц). Физические свойства СМВ определяют их действия на организм человека. При СМВ частота ЭМП близка частоте инфракрасной области оптического излучения, поэтому все физические законы, которым подчиняется свет, применимы к этому виду энергии в большей степени, чем при всех других частотах ЭМП.

Взаимодействие СМВ со средой сопровождается поглощением, отражением, преломлением, дифракцией и интерференцией. Особенностью СМВ является большая степень отражения (от 25 до 75 %) в зависимости от толщены подкожного жирового слоя, расстояния излучения от поверхности тела.

Другая особенность этого вида излучения состоит в возможности возникновения в живых тканях «стоячих» волн из-за отражения электромагнитной волны и наложение её на падающую волну. Вследствие этого в области, имеющий максимум электромагнитной энергии, может образоваться большое количество и вызвать перегревание вплоть до ожога тканей. Подобные условия иногда возникают в подкожном жировом слое в результате отражения СМВ на границе жир-мышца, последнее является одним из недостатков СМВ-терапии. Глубина проникновения СМВ в ткани составляет 3-5 см.

Интенсивность поглощения СМВ поверхностными слоями тканей человека ведёт к значительному их нагреву, более сильному, чем при ДМВ. Первичные механизмы взаимодействия с тканями человека обусловлены «осциляторными» и тепловыми компонентами действия. Температура в тканях повышается на 5ºС. Минимальная продолжительность воздействия на одну область 2-3 мин.

Физиологическое и лечебное действие. Облучение СМВ ведёт к возникновению рефлекторной и нейрогуморальной реакцией. Под его влиянием расширяются сосуды, увеличивается число функционирующих капилляров, усиливается крово – и лимфоток, оказывается противовоспалительное рассасывающее действие, повышается неспецифическое иммунологическое активность организма.

23

Ионизация воздуха. Лёгкие и тяжёлые аэроионы.

Причина ионизации воздуха: присутствие радиоактивных веществ в коре земли, естественная радиоактивность воздуха (радон и торон) и почвы, горных пород (изотопы 40К, 238U, 232Th). Космическое излучение – главный ионизатор воздуха, а также распыление воды в воздухе, атмосферное электричество, трение частиц песка, снега и пр. Под воздействием ионизации в воздушной среде происходят физико-химические процессы возбуждения главных составляющих воздуха – кислорода и азота. Вероятность образования и устойчивость отрицательных аэроионов в результате захвата атомами и молекулами электронов определяется величиной их сродства к электрону. Ионизация воздуха происходит следующим образом: под действием внешнего фактора молекуле или атому газа сообщается энергия, необходимая для удаления одного из электронов из ядра. Нейтральный атом становится положительно заряженным, а образовавшийся свободный электрон присоединяется к одному из нейтральных атомов, передавая ему отрицательный заряд и образуя отрицательный аэроион. К таким положительно и отрицательно заряженным аэроионам в доли секунды присоединяется определенное число молекул и газов, входящих в состав воздуха. В результате образуются комплексы молекул, называемые лёгкими аэроионами.

Лёгкие аэроионы, сталкиваясь в атмосфере с другими аэроионами и ядрами конденсации (жидкие и твердые частички в атмосфере, на которых начинается конденсация водяного пара и образуются капельки облаков и туманов), образуют аэроионы более крупных размеров – средние аэроионы, тяжелые аэроионы, ультратяжелые аэроионы.

Подвижность аэроионов зависит от газового состава воздуха, его температуры, давления. Размеры положительных и отрицательных аэроионов и подвижность отрицательных аэроионов зависят от относительной влажности воздуха. Известно, что при росте относительной влажности подвижность аэроионов уменьшается. Заряд аэроиона является основной его характеристикой. Если легкий аэроион теряет свой заряд, то он исчезает, а при потере заряда тяжелым или средним аэроионом распада такого аэроиона не происходит, и в дальнейшем он может приобретать заряд любого знака.

В воздухе одновременно с ионообразующими происходят ионоуничтожающие процессы, в частности, аэроионы противоположного знака могут столкнуться друг с другом или с поверхностью и нейтрализоваться. Чем чище воздух, тем дольше время жизни легких аэроионов и, наоборот, при загрязненности воздуха время жизни легких аэроионов мало. Положительные аэроионы менее подвижны и более долго живут по сравнению с отрицательными аэроионами.

Аэроионы отрицательного заряда (легкие аэроионы), взаимодействуя с биологическими мембранами, могут изменить их электрический потенциал, оказывая влияние на различные виды биологического окисления, происходящего в организме. Это благоприятно сказывается на функциях организма, способствует нормализации обменных процессов, стимулирует иммунные реакции. Благодаря воздействию отрицательных аэроионов улучшается самочувствие человека, повышается интенсивность газообмена и других физиологических функций.

Клинические исследования установили, что вдыхание легких аэроионов помогает излечивать острые и хронические заболевания дыхательных путей, коклюш, бронхиальную астму, гипертонию, вегетативные дисфункции и многие другие болезни.

В настоящее время накоплено немало факторов, свидетельствующих о том, что отрицательные аэроионы очень важны для сохранения здоровья и продления жизни.

Положительные (тяжелые) аэроионы в основном угнетают целый ряд физиологических и биохимических процессов.

Рекомбинация-взаимодействие заряженных частиц противоположного знака, приводящее к образованию нейтральных атомов или молекул.Процесс, обратный ионизации. Состоит в захвате ионом свободного электрона. Рекомбинация приводит к уменьшению заряда иона или к превращению иона в нейтральный атом или молекулу. Возможна также рекомбинация электрона и нейтрального атома (молекулы), приводящая к образованию отрицательного иона, и в более редких случаях — рекомбинация отрицательного иона с образованием двух- или трехкратно заряженного отрицательного иона.

Постоянно действующие ионизаторы: радиоактивность и космические лучи.

Космические лучи- поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы. Космические лучи — уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности земли и в атмосфере.

Радиоактивность, радиоактивный распад — явление спонтанного превращения атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино, альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

Аэроионотерапия- лечение ионизованным воздухом. Аэроионотерапия основана на свойстве атомов и молекул газов, а также взвешенных в воздухе мельчайших частиц различных веществ (аэрозолей) приобретать электрические заряды под действием излучения радиоактивных элементов, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, космических лучей, электрических разрядов, источников высокой температуры, от трения воздуха о твёрдые предметы — иглы хвойного леса, снежные, песчаные поля и т. п. Лечебное действие аэроионов, вероятно, связано с повышенной химической активностью полезных аэрозолей и газообразных веществ, прежде всего молекул кислорода, легко приобретающих отрицательный заряд, молекул углекислого газа с положительным зарядом, а также других ионов микроэлементов воздуха. Не исключено влияние аэроионов на ионный обмен или перегруппировку ионов в живых средах организма. Доказано рефлекторное действие и возможность аэроионофореза (введение аэроионов через кожу) при мощном потоке генерируемых аэроионов, направленных на кожные или слизистые покровы тела. Различают естественную и искусственную аэроионотерапию. Естественная аэроионотерапия состоит в длительном пребывании (часами и днями) в местах с чистым ионизованным воздухом (в горах, среди зелени, вблизи водопадов, бурных рек, гейзеров, морских прибоев и пр.). При этом повышается работоспособность, улучшается течение некоторых заболеваний, уменьшается кислородная недостаточность организма. Т. о., пребывание в природных условиях с повышенной ионизацией воздуха имеет профилактическое и лечебное значение.

Искусственная аэроионотерапия осуществляется при помощи аэроионизаторов (генераторов аэроионов), которые производят аэроионы обоих знаков, но одни ионы нейтрализуются электрическим фильтром и к пациенту поступают практически аэроионы одного знака, чаще отрицательные. В воздухе, поступающем из аэроионизаторов в дыхательные пути или на кожу пациента, содержание аэроионов составляет 1 млн. в 1 см3 и выше. Аэроионотерапию применяют при лечении некоторых форм сердечно-сосудистых заболеваний, нервных нарушений, болезней дыхательных путей, лёгких и др. Одним из методов аэроионотерапии является электростатический душ, который назначают при открытых ранах, трофических язвах, нарушении или ослаблении деятельности молочных желез, некоторых нервных и внутренних заболеваниях. Аэроионотерапия усиливает действие различных лекарственных.

Франклинизация- применение с лечебной целью постоянного электрического поля высокой напряжённости; метод электролечения. Назван по имени Б. Франклина, разработавшего вопросы получения статического электричества. При франклинизации высокое напряжение (30–50 кВ), поданное на игольчатый электрод, вызывает электрический разряд с этого электрода, который поляризует клеточные элементы, вызывает аэроионный поток, падающий на подвергаемую воздействию поверхность тела, ионизирует и озонирует воздух. При этом происходит умеренное расширение периферических кровеносных сосудов, повышение газообмена, рефлекторно улучшается выделительная функция почек, несколько снижается артериальное давление. Франклинизацию проводят в виде общего (электростатический душ, ванна) или местного воздействия. Назначают при неврозах, гипертонической болезни, бронхиальной астме, дерматозах, вяло гранулирующих ранах, трофических язвах и т.д.

Баллоэлектрический и электроэффлювиальный эффект.

Баллоэлектрический эффект – физическое явление, наблюдающееся при распылении и разбрызгивании воды и сопровождающееся образованием гидроионов. Лежит в основе гидроаэроионизации, широко использующейся в лечебно-профилактических целях в виде гидроаэроионотерапии, которая по лечебному эффекту существенно не отличается от аэроионотерапии. Сущность баллоэлектрического эффекта состоит в том, что при разбрызгивании жидкости происходит разрыв дипольных молекул капель воды, и в воздухе наряду с газовыми ионами кислорода и азота образуются гидроионы – гидроксил и гидроксоний.

Баллоэлектрический эффект наблюдается только у дипольных жидкостей. Основной причиной эффекта является наличие на поверхности жидкости слоя ориентированных диполей, которые создают двойной электрический слой внутри жидкости. Электрическое поле диполей простирается на некоторую глубину внутрь жидкости и концентрирует вблизи ее границ свободные заряды. У недипольных жидкостей электрическое поле поверхностного двойного электрического слоя внутрь жидкости не проникает.

Электроэффлювиальный эффект- эффект стекания зарядов с элекрода, имеющего малый радиус кривизны, на который подается высокое (20…30 кВ) электрическое напряжение отрицательной полярности.

При электроэффлювиальном способе ионизация происходит под действием электрического поля высокой напряженности, которое появляется в системе из двух проводников (электродов), имеющих разные размеры, около одного электрода, с малым радиусом кривизны - острие, иголка. Вторым электродом в такой системе является сетевой провод, провод заземления, сама электрическая сеть, радиаторы и трубы отопления, водопровода, арматура стен, сами стены, полы, потолок, шкафы, столы и даже сам человек. Для получения электрического поля высокой напряженности на острие нужно подать высокое напряжение отрицательной полярности. При этом из иглы вырываются электроны, которые сталкиваясь с молекулой кислорода, образуют отрицательный ион. Т.е. отрицательный ион кислорода - это молекула кислорода О2 с дополнительным, свободным электроном. Именно этот электрон выполнит впоследствии свою благоприятную, положительную роль уже в крови живого организма. Эти отрицательные аэроионы будут разлетаться от острия, иглы ко второму, положительному электроду, по направлению силовых линий электрического поля.

Ртутно-кварцевая лампа

Ртутные газоразрядные лампы представляют собой электрический источник света, в котором для генерации оптического излучения используется газовый разряд в парах ртути. Дуговые ртутные лампы высокого давления типа ДРТ (Дуговые Ртутные Трубчатые) представляют собой цилиндрическую кварцевую колбу с впаянными по концам электродами. Колба наполняется дозированным количеством аргона, помимо того в неё вводится металлическая ртуть

Существующая номенклатура ламп ДРТ имеет широкий диапазон мощностей (от 100 до 12000 Вт). Лампы используются в медицинской аппаратуре (ультрафиолетовые бактерицидные и эритемные облучатели), для обеззараживания воздуха, пищевых продуктов, воды, для фотополимеризации лаков и красок, экспонирования фоторезистов и иных фотофизических и фотохимических технологических процессов.

Важным недостатком ламп ДРТ является интенсивное образование озона в процессе их горения. Если для бактерицидных установок это явление обычно оказывается полезным, то в других случаях концентрация озона вблизи светового прибора может существенно превышать допустимую по санитарным нормам. Поэтому помещения, в которых используются лампы ДРТ, должны иметь соответствующую вентиляцию, обеспечивающую удаление избытка озона.

В небольших количествах изготавливаются безозонные лампы ДРТ, колба которых имеет внешнее покрытие из кварца, легированного диоксидом титана. Такое покрытие практически не пропускает озонообразующую линию резонансного излучения ртути 253,7 нм.

24

Биоакустика. Физические основы акустики

Акустикой (греч. акустикос – слуховой) называют область физики, исследующую упругие колебания и волны, методы получения и регистрации этих волн, их взаимодействие с веществом и биологическими объектами, а также их разнообразные применения.

Звук в широком смысле слова представляет собой упругие волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах с частотами от 0 до 10¹³ Гц. В узком смысле слова под звуком понимают явление субъективного восприятия этих волн человеком или животными. Считается, что область слышимости человека находится в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, однако границы этого диапазона условны.Чем больше частота, тем более высоким по тону воспринимается звук.Акустические волны в твердых телах могут быть поперечными () и продольными (||), а в жидкостях и газах, в которых отсутствуют деформации сдвига, возможны только продольные волны, представляющие собой чередующиеся области сгущений и разрежений.

Скорости звука в твердых телах (с_ и с_|| ) и в идеальном газе (с_г) можно вычислить по формулам С_║=√((E(1-σ)/(ρ(1+σ)(1-2σ))); C_┴=√(G/ρ); C_r=√(γRT)/μ) (2.1)

где Е –модуль Юнга; G – модуль сдвига;  – коэффициент Пуассона; – плотность среды; Т –абсолютная температура;  - молярная масса; R – универсальная газовая постоянная и  = C_P/C_V – отношение теплоемкости вещества при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. При малых значениях c_|| c_2 .

Область вещества, в которой распространяется звуковая волна, называют акустическим полем, которое характеризуют интенсивностью звуковой волны и акустическим давлением.

Интенсивностью волны I называют величину, численно равную средней по времени энергии Е, переносимой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны: I=E/(St), где S – площадь поверхности, через которую проходит волна; t – время ее прохождения через эту поверхность. Единица измерения интенсивности волны: Дж/(м²·с) = Вт/м².

Звуковым, или акустическим, давлением называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды, например над атмосферным давлением), образующееся в участках сгущения частиц в акустической волне р_а = Ас. Произведение А есть величина амплитуды колебательной скорости частиц вещества в волне, а величина рс называется удельным волновым, или акустическим, сопротивлением среды и характеризует рассеяние энергии волны в акустическом поле.

При распространении волны в веществе ее энергия расходуется на приведение частиц вещества в колебательное движение, и поэтому энергия волны с расстоянием уменьшается, волна «затухает». При затухании звука, обусловленном рассеянием и поглощением, интенсивность звука уменьшается по экспоненциальному закону I = I₀ e^6l, где I₀ и I – соответственно интенсивности звука на поверхности вещества и на расстоянии l от поверхности;  – коэффициент затухания, который в однородной среде равен =(16π^(2)η)/(3cρλ^(2)), где  – длина волны звука; с – ее скорость в веществе;  – коэффициент вязкости и  – плотность вещества. затухание звука обусловлено тремя причинами: поглощением, рассеянием на неоднородностях среды и увеличением поверхности волнового фронта с расстоянием.

Источники и приёмники звука Источником звука может быть любое колеблющееся тело, помещенное в упругую среду, в которой колебания- создают акустическую волну, некоторые источники:

Камертон. Это U-образный стержень прямоугольного сечения. При ударе по одной из ножек стержня в нем возбуждается стоячая волна, пучности которой находятся на концах ножек камертона, а узел – в месте его изгиба. Камертоны применяют в качестве эталонов звуков чистых тонов. Расстояние между узлом и пучностью в стоячей волне равно λ/4.

Струны. Твердые тела, поперечные размеры которых во много раз меньше их длины. Если струну закрепить с обоих концов и приложить к ней кратковременную силу в направлении, перпендикулярном ее длине, то в струне возникает волна, которая, дойдя (до концов струны, отражается, в результате чего, образуется стоячая волна с узлами в местах закрепления. Длина волны соответствующих колебаний связана с длиной струны l следующим соотношением l=(λ/2)n (n=1,2,3,…)

Мембраны. Тонкие упругие пластинки или натянутые на раму тонкие упругие пленки. На мембране образуются поверхностные стоячие волны, в которых множество узловых точек образуют узловые линии. Их используют в телефонных аппаратах, микрофонах; имеются мембраны (барабанные перепонки) и в органах слуха человека и животных.

Трубы. Подобно струнам, служат источниками тональных звуков. Звуковые генераторы, сирены и др.

Интенсивность излучения звука определяется мощностью источника колебаний, но также зависит от размеров колеблющихся поверхности или объема.

Приемники звука. К ним относят микрофоны (в воздухе) и гидрофоны (в жидкостях), преобразующие механическую величину (звуковое давление) в электрическую (силу тока). Основной механической деталью этих приборов служит мембрана, которая под действием падающей на нее волны приводит в вынужденные колебания.

Эффект Доплера.

Опыт показывает, что измеряемая наблюдателем частота волны ν совпадает с частотой ν₀ колебаний, испускаемых источником волн, только тогда, когда наблюдатель и источник либо неподвижны относительно окружающей их упругой среды, либо движутся относительно нее с одинаковыми по величине и направлению скоростями. Во всех остальных случаях ν  ν _o - Это явление получило название эффекта Доплера.

Движение источника относительно наблюдателя. источник звука приближается к наблюдателю, то наблюдатель воспринимает его как звук с большей частотой, т. е. более высокий по тону. При удалении источника звук воспринимается наблюдателем как более низкий.

Движение наблюдателя относительно источника. Пусть наблюдатель Н движется относительно источника И со скоростью u, частота, воспринимаемая наблюдателем, равна ν= ν0(1 ±u/c), «+» относится к случаю приближающегося к источнику наблюдателя, знак «–» - к удаляющегося. Таким образом, приближаясь к источнику звука, наблюдатель слышит звук более высоким.

Звук как психофизическое явление. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается. Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов. Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемым, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).Акустический спектр. Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону, а остальные – обертонам, или гармоникам. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте. Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд. Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип). При восприятии звука таким физическим характеристикам, как частота и спектральный состав, соответствуют психофизические характеристики: высота тона и тембр. Рассмотрим теперь, какой субъективной характеристике соответствует интенсивность звука. Органы слуха человека и животных могут воспринимать акустические колебания не только в определенном диапазоне частот, но и в ограниченном диапазоне интенсивностей. Так, человеческое ухо воспринимает звуки с интенсивностью не менее 10^–12 Вт/м². Эта чувствительность соответствует биологическому пределу. Различие между минимальной воспринимаемой человеком интенсивностью звука I₀ и интенсивностью звука, вызывающего боль, I_б очень велико (I_бI₀ = 10¹³), и чтобы при измерениях интенсивностей не оперировать с очень малыми или очень большими числами, удобно пользоваться логарифмами чисел. В связи с этим введена величина уровня интенсивности звука, равная десятичному логарифму отношения интенсивности исследуемого звука i к интенсивности i₀ на пороге слышимости L=lg(i/i₀). Уровень интенсивности звука измеряют в белах. Из этого следует, что при i =10i ₀, L=1 Б. Следовательно, бел – есть единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз. Согласно закону Вебера – Фехнера прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений.

Если бы чувствительность уха была одинаковой для звуков разных частот, то область слышимости на графике зависимости воспринимаемой интенсивности от частоты звука была бы прямоугольником (см. рис.). Однако чувствительность уха максимальна лишь в диапазоне частот от 1 до 3 кГц, а для остальных частот она значительно меньше. Болевой порог тоже не одинаков для разных частот. В результате область слышимости ограничена как сверху, так и снизу причудливыми кривыми (рис.). Эти кривые получены на основании измерений, проведенных с людьми, обладающими наиболее чувствительными органами слуха. Интенсивность звука измеряют приборами, называемыми шумомерами. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический, регистрируемый стрелочным электроизмерительным прибором, шкала которого проградуирована в децибелах.

Слуховой аппарат человека. Представляет собой сложную систему, элементы которой представлены на рис. (Рис. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б): 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4 – молоточек, 5 – наковальня, 6 – стремечко, 7 – овальное окно, 8 – вестибулярная лестница, 9 – круглое окно. 10 – барабанная лестница, 11 – улитковый канал, 12 – основная (базилярная) мембрана)

Ухо состоит из трех основных частей – наружного, среднего и внутреннего уха. Две первые части служат передаточным устройством для подведения звуковых колебаний к слуховому анализатору, находящемуся во внутреннем ухе. Это передаточное устройство превращает воздушные колебания с большой амплитудой скорости и малым давлением в колебания с малой амплитудой скорости и большим давлением.

Биологическое действие звука.В биологической акустике шумом считают любые звуки, затрудняющие правильное восприятие звуковых сигналов, а также раздражающие нервную систему человека с соответствующими нарушениями нормальных физиологических функций организма. Изучением и профилактикой шума занимаются специалисты самых различных профилей – врачи, психологи, физики, биофизики и даже юристы, разрабатывающие основы акустического законодательства. Многочисленными экспериментами показано, что для нормальной жизнедеятельности шум не должен превышать определенного порога. Так, для нормального сна и умственной деятельности шум не должен быть выше 30 дБА; во многих учреждениях допускается шум до 55 дБА. Эти данные положены в основу разработанных гигиенистами санитарных акустических норм.Интенсивные шумы прежде всего отрицательно сказываются на работе органа Корти, приводя к повреждению волосковых клеток, причем первыми выходят из строя клетки, реагирующие на высокие частоты. Даже при кратковременном действии шума в 110 дБ временно снижается порог слуховой чувствительности на 10–15%. Однако действие шума не ограничивается нарушением работы слухового аппарата, поскольку слуховой анализатор через кору головного мозга влияет на работу других органов и систем, особенно на состояние нервной системы. Интенсивный шум вызывает изменения в циркуляции крови, возрастание СОЭ, нарушение работы органов внутренней секреции, сердечно-сосудистые заболевания.

Инфразвук. - механические колебания и волны с частотами ниже 20 Гц. Нижняя граница их неопределенна. Практический интерес представляют инфразвуки с частотами в несколько герц и даже в десятые и сотые доли герца. Источником инфразвука может быть любое тело, колеблющееся с соответствующей частотой. Инфразвуки распространяются на очень большие расстояния, так как коэффициент поглощения звука уменьшается с возрастанием длины волны. Инфразвук с частотой 3 Гц, создаваемый источником мощностью 1 Вт, можно обнаружить на расстоянии до 100 км. Инфразвук не воспринимается человеческим ухом. Инфразвук действует на вестибулярный аппарат, область собственных частот которого лежит в диапазоне от 2 до 20 Гц; под действием инфразвука он приходит в резонансные колебания, нарушающие его нормальную деятельность. Особенно вредно воздействие инфразвука на такую объемную резонирующую систему, как сердце. В инфразвуковом поле достаточной мощности возникают вынужденные колебания сердечной мышцы, при резонансе их амплитуда возрастает, что может приводить к разрывам сосудов. Частоты собственных колебаний крупных органов, как правило, лежат в диапазоне от 2 до 17 Гц, что и обусловливает опасное действие инфразвука. Особенно следует отметить резонанс инфразвука с частотой 7 Гц с колебаниями -волн мозга. Такой инфразвук даже при небольших интенсивностях вызывает расстройство органов зрения, тошноту, общую слабость. При средних мощностях (140–155 дБ) регистрируют обмороки, временную потерю зрения, а при еще больших мощностях (порядка 180 дБ) параличи, приводящие к смертельным поражениям.

Ультразвук. - упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. В определение нижней границы ультразвука с 1983 г. установлено считать ее равной 11,12 кГц. Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Так как акустическое сопротивление биологических тканей в среднем в сотни раз превышает акустическое сопротивление воздуха, то на границе воздух – ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Это создает определенные трудности при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука.

Получение и регистрация ультразвука. Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в б Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели. Если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля. В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направлениям вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную акустическую волну. Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить, переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Так же используются титанат бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока. Преобразователи другого типа основаны на явлении магни-тострикции (лат. strictura–сжимание). Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания.В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магни-тострикционные– для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности.

Действие ультразвука на биологические объекты. На живые организмы ультразвук, как и другие физические факторы, оказывает возмущающее действие, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Растягивающие и сжимающие силы, действующие на клетку в УЗ волне, вряд ли могут приводить к ощутимым биологическим последствиям.Более эффективны, по-видимому, акустические течения, приводящие к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Разрушение мембран происходит при достаточно больших интенсивностях ультразвука, однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются уже при интенсивностях порядка 0,1·10⁴ Вт/м², тогда как другие выдерживают интенсивность до 25·10⁴ Вт/м² и выше. Следует отметить, что облучение ультразвуком с интенсивностью менее кавитационного порога может приводить к повышению жизнедеятельности клеток и к увеличению числа этих микроорганизмов, что вместо положительного эффекта приведет к отрицательному. Ультразвук, применяемый в терапии и диагностике, не вызывает кавитации в тканях. Нагревание тканей при их облучении терапевтическим ультразвуком весьма незначительно. Изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетки, превалирует в том или ином случае.Согласно В.Б. Акопяну, ультразвук вызывает в биологических объектах следующую цепочку превращений: ультразвуковое воздействие  микропотоки в клетке  повышение проницаемости клеточных мембран  изменение состава внутриклеточной среды  нарушение оптимальных условий для ферментативных процессов  подавление ферментативных реакций в клетке  синтез новых ферментов в клетке и т. д. Пороговым для биологического действия ультразвука будет такое значение его интенсивности, при котором не происходит нарушения проницаемости клеточных мембран, т. е. интенсивность не выше 0,01·10⁴ Вт/м².

25

Виды физических полей тела человека. Их источники

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

Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования собственных полей человека. Электромагнитные поля: Е - электрическое поле, В - магнитное, СВЧ - сверхвысокочастотные электромагнитные волны дециметрового диапазона, ИК - электромагнитные волны инфракрасного диапазона, видимое - оптический диапазон излучений. Акустические поля: НЧ - низкочастотные колебания, КАЭ - кохлеарная акустическая эмиссия, УЗ - ультразвуковое излучение. Цифры - характерные частоты излучений (в герцах). Заштрихованы области тепловых излучений... Электромагнитные поля. Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - вклю­чая рентгеновское и γ-кванты - не зарегистрировано. Со стороны длинных волн диапазон можно ограничить радиоволнами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты четыре диапазона электромагнитного поля включают в себя:

1) низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 10^3 Гц);

2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 10^9- 10^10Гц и длина волны вне тела 3-60 см);

3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 10^14Гц, длина вол­ны 3-10 мкм);

4) оптическое излучение (частота 10^15Гц, длина волны по­рядка 0,5 мкм).

Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими возможностями современной электроники, а особенностями биологических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины. Источники электромагнитных полей разные в различных диапазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов: кишечником (-1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (~10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значениями, не превосходящими ~1кГц.

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

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека, как излучатель, можно с достаточной точностью моделировать абсолютно черным телом, которое, как известно, поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излучающей способностью. Излучательная способность тела ε(λ,γ) - количество энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям — зависит от длины волны λ и абсолютной температуры тела Т. Эта функция имеет максимум на длине волны λmax=hc/(5kT), что при температуре человеческого тела Т = 310 К составляет

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

Низкочастотные электрические и магнитные поля

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

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

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом (см. гл. 5). Отметим, что этот сигнал во много раз меньше, чем поле трибозарядов.

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

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

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии.

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

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

Индукция магнитного организма человека и окружающей среды:

Сердце – 10^-11 Тл; мозг-10^-13 Тл; поле Земли -5*10^-5 Тл; геомагнитный шум - 10^-8 - 10^-9 Тл; магнитная ЯМР томография - 1Тл.

Как видно, магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитное поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств. Чтобы от них отстроиться, измеряют не само магнитное поле, а его градиент, то есть его изменение в пространстве. В каждой точке пространства полная индукция В магнитного поля есть сумма индукций полей помехи Вп и сердца Вс, а именно В = Вп + Вс, причем Вп > Вс. Поле помех: Земли, металлических предметов (труб отопления), проезжающих по улице грузовиков и т.д. - медленно изменяется по пространству, в то время как магнитное поле сердца или мозга спадает быстро при удалении от тела.

По этой причине индукции магнитного поля помех Вп1 и Вп2, измеренные непосредственно на поверхности тела и на расстоянии, скажем, 5 см от него, практически не отличаются: Вп1 = Вп2, а индукции поля Вс1 и Вс2, создаваемого сердцем в этих же точках, отличаются почти в 10 раз: Вс1 » Вс2. Поэтому, если вычесть друг из друга два значения измеряемой индукции магнитного поля В1 и В2, то разностный сигнал В1 – В2 = Вс1- Вс2 практически не содержит вклада от помехи, а сигнал от сердца лишь слабо исказится. Для реализации, описанной простейшей схемы - градиометра первого порядка - можно использовать две параллельные друг другу катушки, расположенные одна за другой на расстоянии в несколько сантиметров и включенные навстречу друг другу. В настоящее время используют более сложные конструкции - градиометры второго порядка (их датчик содержит более двух катушек). Эти устройства позволяют измерять магнитоэнцефалограммы непосредственно в клинике.

Магнитокардиограмма и динамическая магнитная карта человека. Источник магнитного поля сердца человека тот же, что и электрического, - перемещающаяся граница области возбуждения миокарда. Различают два способа исследования этого поля: (1) измерение магнитокардиограмм (МКГ) и (2) построе­ние динамической магнитной карты (ДМК). В первом случае измерение проводят в какой-то одной точке над сердцем, в результате получают зависимости величины магнитного поля от времени, зачастую совпадающие по форме с традиционными электрокардиограммами. Чтобы построить динамическую магнитную карту, необходимо измерить набор МКГ в разных точках над сердцем. Для этого пациента на специальной немагнитной кровати перемещают вблизи неподвижного датчика. Поле измеряется в области 20 х 20 см^2 по сетке из 6 х 6 элементов, т.е. всего в 36 точках. В каждой точке записывают несколько периодов сердечного цикла, чтобы усреднить записи, затем перемещают пациента так, чтобы измерить следующую точку. Затем в определенные моменты времени, отсчитываемые от R-пика, строят мгновенные динамические магнитные карты. Каждая ДМК соответствует определенной фазе сердечного цикла.

Основные медицинские применения измерений магнитных полей тела человека - это магнитокардиография (МКГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Достоинством МКГ по сравнению с традиционной электрокардиографией (ЭКГ) является возможность локализовать источники поля с высокой точностью порядка 1 см. Это связано с тем, что динамические магнитные карты позволяют оценить координаты токового диполя.

Инфракрасное излучение. Наиболее яркую информацию о распределении температуры поверхности тела человека и ее изменениях во времени дает метод динамического инфракрасного тепловидения. В техническом отношении это полный аналог телевидения, только датчик измеряет не оптическое излучение, отраженное от объекта, которое видит человеческий глаз, как в телевидении, а его собственное, не видимое глазом, инфракрасное излучение. Тепловизор состоит из сканера, измеряющего тепловое излучение в диапазоне длин волн от 3 до 10 мкм, устройства для сбора данных и ЭВМ для обработки изображения. Диапазон 3-10 мкм выбран потому, что, именно в этом диапазоне наблюдаются наибольшие отличия интенсивности излучения при изменении температуры тела. Простейшие сканеры собраны по следующей схеме: тепловое излучение от разных участков тела последовательно, с помощью колеблющихся зеркал, проецируют на один приемник инфракрасного излучения, охлаждаемый жидким азотом. Изображение имеет формат 128 х 128 элемента или 256 х 256, то есть по четкости мало уступает телевизионному. Тепловизоры передают в 1 секунду 16 кадров. Чувствительность тепловизора при измерении одного кадра - порядка 0,1 К, однако ее можно резко увеличить, используя ЭВМ для обработки изображений. Тепловидение в биологии и медицине. Наиболее яркий результат применения тепловидения в биологии (это обнаружение и регистрация пространственного распределения температуры коры головного мозга животных - родился фактически новый раздел физиологии - термоэнцефалоскопия). Для измерений тепловизор наводят на поверхность черепной коробки, с которой предварительно снимают скальп.

Электромагнитные волны СВЧ-диапазона

Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна. Как можно рассчитать из формулы Планка, при перепаде температуры относительно окружающей среды на 1 К она составляет всего 2*10^-13Вт/м². Как заметил академик Ю.В. Гуляев, по своей интенсивности это соответствует свету свечи, помещен­ной на расстояние свыше 10 км.

Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабых электромагнитных полей этого диапазона частот, так называемых СВЧ-радиометров, можно измерить температуру в глубине тела человека.

Волны из тела человека принимают посредством контактной антенны - апликатора. Дистанционные измерения в этом диапазоне, к сожалению практически невозможны, так как волны, выходящие из тела, сильно отражаются обратно от границы тело-воздух.

Главная трудность при анализе измерений глубинной температуры по радиотепловому излучению на его поверхности состоит в том, что трудно локализовать глубину источника температуры. Для ИК-излучения эта проблема не возникает: излучение поглощается на глубине 100 мкм, так что его источником однозначно является поверхность кожи. Радиоволны СВЧ-диапазона поглощаются на расстоянии, которое составляет несколько см.

Средняя глубина, с которой измеряется температура, определяется глубиной проникновения d. Она зависит от длины волны и типа ткани . Чем больше в ткани воды (электролита), тем с меньшей глубины можно измерить температуру: в жировой ткани с низким содержанием воды d = 4-8см,ав мышечной ткани (с высоким содержанием воды) эта величина уменьшается до значений d = 1,5 - 2 см.

Оптимальными для измерения глубинной температуры являются радиометры с длиной волны в свободном пространстве λ. = 20 - 40 см: у более коротковолновых устройств глубина проникновения снижается до нескольких миллиметров, то есть они фактически, так же как и ИК-тепловизоры, измеряют температуру кожи, а у более длинноволновых радиометров (λ = 60 см) слишком велик размер антенны и мала пространственная разрешающая способность.

Хотя метод СВЧ-радиометрии измеряет среднюю по глубине температуру в теле человека, сейчас известно, какие органы могут менять температуру, и поэтому можно однозначно связать изменения температуры с этими органами. Например, изменение температуры во время мышечной работы, очевидно, связано именно с мышечной тканью, изменения глубинной температуры головного мозга, которые достигают 1-2 К, определяются его корой.

Применение СВЧ-радиометрии в медицине. Основными сферами практического применения СВЧ-радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких, метастазов, а также функционального состояния коры головного мозга. При этом используют так называемые функциональные пробы: воздействия, вызывающие известный отклик организма. В этом качестве применяется, например, глюкозная проба - пациент принимает несколько граммов раствора глюкозы, после чего начинают измерения внутренней температуры антеннами, установленными в нескольких точках на поверхности тела около исследуемого органа. Если есть злокачественные опухоли или метастазы, то после глюкозной пробы видно увеличение глубинной температуры тела в этих областях.

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

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

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

Акустические поля человека

Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов.

Низкочастотные механические колебания с частотой ниже нескольких килогерц дают информацию о работе легких, сердца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи. Например, в фонокардиографии для измерения акустических шумов, создаваемых сердцем, используют микрофоны, устанавливаемые на поверхности тела. Электрические сигналы с датчиков усиливают и подают на регистрирующее устройство либо ЭВМ и по их форме и величине делают заключения о движениях тех или иных участков тела.

Акустическое излучение ультразвукового диапазона. Тело человека является источником теплового акустического излучения с различными частотами. Обычно акустические волны подходят из глубины тела, отражаются от его поверхности и уходят обратно, однако пьезодатчик, контактирующий с телом, может их зарегистрировать. Особенность акустических волн, распространяющихся в теле человека, в том, что, чем выше частота, тем они сильнее затухают. Поэтому из глубины человеческого тела с расстояний 1 - 10 см могут дойти только тепловые ультразвуковые волны мегагерцевого диапазона с частотами не выше 0,5 - 10 МГц. Интенсивность этих волн пропорциональна абсолютной температуре тела. Для измерения интенсивности теплового акустического излучения используют прибор - акустотермометр. С помощью этого прибора можно, например, измерить температуру тела человека, погруженного в воду.

Основные характеристики УЗ луча.

Качество изображения и диагностическая информативность УЗ прибора зависят от его аппаратурных возможностей и определяются рядом технических характеристик, основными из которых являются:

1. Пространственная разрешающая способность (разрешение). Служит важнейшей характеристикой прибора, так как от нее зависит способность различать малые объекты и структуры, близко расположенные друг к другу

2. Чувствительность.- способность обнаруживать и наблюдать малые элементы структуры на фоне мешающих сигналов (помех) и собственных шумов системы.

3. Динамический диапазон. - способность УЗ системы отображать одновременно малые и большие сигналы, передавая различие в их уровне. Количественно динамический диапазон определяется отношением максимального сигнала к минимальному сигналу, отображаемому системой. Минимальным сигналом является сигнал, превышающий порог чувствительности, о чем подробно говорилось выше. Максимальным отображаемым сигналом считается такой, который еще не «обрезается» сверху, проходя через систему.

4. Временная разрешающая способность характеризует способность системы воспринимать и отображать с достаточной скоростью изменение акустических характеристик биологических структур во времени.

Формирование УЗ луча, передача, прием и обработка сигналов

Формирователь луча.Эхо-сигналы, принятые датчиком и преобразованные им в электрические сигналы, поступают в электронный блок на вход формирователя луча. Основное его назначение, как следует из названия, - обеспечивать необходимую форму УЗ луча на передачу и прием. Формирователь луча - это многоканальное устройство, соединенное с датчиком кабелем с большим числом проводов (их называют жилами) в соответствии с общим числом элементов пьезопреобразователя.

Передатчик, генерирующий сигналы для излучения внутрь исследуемого тела, является многоканальным устройством, которое по каждому из каналов должно передавать на формирователь луча короткие электрич импульсы.

Приемник, который получает от формирователя луча эхо-сигналы по многим каналам одновременно, должен усиливать эти сигналы, подвергать их определенным преобразованиям, суммировать сигналы всех каналов и подавать суммарный сигнал на сканконвертер.

Сканконвертер - это цифровое устройство, которое служит для пре­образования информации, получаемой в процессе сканирования с выхода приемника, в форму, наиболее удобную для отображения на экране прибора

Устройство памяти. С выхода сканконвертера информация, подготовленная для отображения, поступает в цифровое устройство памяти, где записывается в том темпе, с которым происходит сканирование. С выхода устройства памяти информация считывается в том темпе (отличном от темпа сканирования), который необходим для получения изображения в телевизионном стандарте

Монитор.Для отображения акустического изображения и служебной информации в УЗ сканерах обычно используется телевизионный монитор черно-белого изображения. 525 (американский телевизионный формат) или 625 (европейский телеви­зионный формат).

Управление режимами и панель управления. Оперативное управление работой всех элементов и узлов электронного блока осуществляется с помощью основного процессора в соответствии с программой, разработанной индивидуально для данного прибора.

Фокусировка УЗ луча

Понятие о фокусировке

Поперечная разрешающая способность УЗ диагностической системы и, следовательно, качество изображения зависят от ширины УЗ луча. Луч, фор­мируемый плоским одноэлементным преобразователем, имеет вид, показанный на рис. 13. Точка F на центральной оси луча, где ширина луча минимальна, называется фокусом. Зона от поверхности преобразователя до фокуса называется ближней, зона далее фокуса соответственно называется дальней. Ширина луча в ближней зоне практически такая же, как размер D преобразователя. Луч в дальней зоне имеет форму конуса с вершиной в центре преобразователя.

Размер УЗ преобразователя, как правило, находится в пределах от 7 до 25 мм (для датчиков с малой частотой размер больше, чем для датчиков с большей частотой). Соответственно тот же размер имеет ширина УЗ луча в ближней зоне. По этой причине по­перечная разрешающая способность в ближней зоне очень плохая: поперечный размер элемента изображения 7-25 мм совершенно не годится для получения качественной картины. Фокус будет располагаться тем ближе, чем меньше радиус кривизны R сферической поверхности преобразователя.

Практические рекомендации по работе в режимах В и М

Предварительная настройка изображения. Настройка изображения производится после подключения выбранного датчика и включения режима В. На мониторе прибора имеются ручки управления «яркость» (brightness) и «контрастность» (contrast), с помощью которых следует наилучшим образом настроить изображение.

Гамма-коррекция. Постпроцессинг. Во многих приборах существуют регулировки, которые позволяют изменять соотношение яркости отображения слабых и сильных сигналов. Это делается с помощью гамма-коррекции (view gamma) и постпроцессинга (postprocessing) амплитуд эхо- сигналов.

Усиление. Управление усилением позволяет выбрать наилучший для наблюдения уровень амплитуд наблюдаемых на экране эхо-сигналов.

Усиление по зонам глубины. Усиление по зонам глубины (TGC, или DGC, или STC - sensitivity time control) предназначено для компенсации затухания на различных глубинах в зависимости от свойств обследуемой области.

Мощность излучения. Мощность излучения (acoustic power, или transitting power) можно изменять в зависимости от глубины расположения области интереса и условий наблюдения. При этом изменяется уровень мощности излучаемого датчиком УЗ импульса.

Максимальную мощность излучения следует использовать при наблюдении больших глубин.

Усреднение по кадрам. Усреднение по кадрам - эффективный метод улучшения наблюдения слабых сигнаов, снижения уровня шумов и лучшей передачи полутонов изображения. Суть метода в том, что при последовательной смене кадров в процессе сканирования последний кадр не просто сменяет предыдущий, а накладывается на изображение предыдущего кадра, несколько ослабленное по яркости.

Автоматическая регулировка усиления. Автоматическая регулировка усиления (automatic gain con­trol) служит для повышения качества изображения сильных эхо-сигналов, позволяя наблюдать их раздельно.

Подчеркивание контуров. Подчеркивание контуров (relief, или fast time constant) служит для более четкого отображения границ структур.

Плотность линий. Плотность линий (line density) в В-режиме определяет кол-во акустических строк (положений УЗ луча), которые формируют кадр изображения. Чем больше плотность линий, тем лучше качество изображения.

Сглаживание. В некоторых приборах есть возможность включения и изменения функции сглаживания изображения (smooth), которая реализуется за счет учета корреляции между значениями амплитуд эхо-сигналов на соседних акустических строках.

Цветовое кодирование изображений. В ряде случаев вместо черно-белого отображения используется цветовое кодирование двухмерного изображения в В-режиме.

Конечно, такое кодирование не дает дополнительной информации, но иногда облегчает восприятие изображения, подчеркивая контраст или создавая ощущение большей четкости.

Скорость развертки. Скорость развертки (sweep speed) в М-режиме определяет быстроту обновления информации на изображении и выбирается исходя из того, что важнее для исследователя - видеть на экране большое количество периодов работы сердца, например за 5-7 с, или более детально изучить геометрию движения отдельных структур в одном периоде, для чего весь наблюдаемый интервал выбирается равным 1 с.

Артефакты акустического изображения- наблюдаемые на экране прибора ложные объекты, аномалии и искажения, получаемые при УЗ исследовании. Артефакты можно разделить на две основные группы: аппаратурные артефакты, возникающие вследствие технических причин, в том числе из-за несовершенства прибора, и артефакты, связанные с физическими процессами прохождения ультразвука в биологических тканях.

Аппаратурные артефакты

Помехи и наводки. Помехи обычно вызываются электрическими приборами и оборудованием, работающими в непосредственной близости от УЗ прибора. Они имеют вид периодических или случайных быстро меняющихся светлых полос и ярких точек на экране прибора, мешающих воспринимать акустическое изображе­ние. Иногда помехи возникают в самом приборе, что свидетельствует о его неисправности.

Мертвая зона. Причиной мертвой зоны являются особенности конструкции датчика и наличие переотражений УЗ сигнала в отдельных его элементах, например в просветляющих слоях (в датчиках электронного сканирования) или в жидкости, заполняющей корпус (в датчиках механического сканирования).

Боковые лепестки. В действительности эхо-сигналы могут приниматься не только в узкой области УЗ луча, называемой основным лепестком, но и в других направлениях, которые принято называть боковыми лепестками. В силу относительно низкого энергетического уровня боковых лепестков по сравнению с основным принятые ими эхо- сигналы, отраженные структурами, находящимися вне основного лепестка, как правило, малы и в целом не сказываются на изображении. Однако, если в направлении бокового лепестка находится хорошо отражающая поверхность, эхо-сигналы от нее могут быть большой амплитуды и восприниматься как полезные сигналы

Артефакты, вызванные физическими причинами

Искажение формы. Артефакты искажения формы возникают из-за того, что скорость звука в различных тканях может изменяться в определенных пределах, в то время как при формировании акустического изображения в приборе она принимается фиксированной (обычно - 1540 м/с).

Образование теней (shadowing). Эти артефакты появляются в случае сильных отражений на границе сред со значительно отличающимися акустическими свойствами, например на границах мягкие ткани-воздух, мягкие ткани-камни (в почках, печени) и т.д. Реверберация (reverberation). Реверберация (многократные переотражения) возникает в случае, когда наблюдаются сильно отражающие границы сред, расположенные перпендикулярно оси УЗ луча (т.е. параллельно рабочей поверхности датчика).

«Хвост кометы». Артефакт «хвост кометы» наблюдается в случае, когда в результате воздействия ультразвука возникают собственные вибрации объекта, например небольшого газового пузырька или инородного металлического тела в тканях организма.

Исследование «трудных» пациентов

Принято называть «трудными» пациентами (difficult-to-image patients) таких пациентов, при исследовании которых стандартные методики не позволяют получить достаточно хорошее качество изображения, и в результате у исследователя отсутствует уверенность в правильности принимаемых им диагностических заключений.

Абдоминальные исследования. У тучных пациентов и у пациентов с развитой скелетной мускулатурой можно улучшить качество изображения, применяя датчики с более низкой частотой или переключая многочастотный датчик на работу с низкой частотой. Хороший результат в ряде случаев можно получить, изменяя расположение и количество фокусов. При этом следует помнить, что большое количество фокусов, включенных на передачу, уменьшает частоту кадров и полезно только при наблюдении малоподвижных структур. В этом случае целесообразно проводить наблюдение при задержке дыхания.

Исследование поверхностно расположенных органов и структур. Для обследования молочной и щитовидной железы, расположенных приповерхностно опухолей мягких тканей и воспалительных очаговых образований, периферических артерий и вен, как правило, используется датчик с линейным сканированием с частотой 7,5 МГц. Применение одновременно нескольких фокусов, если объект малоподвижен, «проясняет» изображение. Улучшение визуализации артерий и вен, оценка степени ва­скуляризации опухолей могут быть получены при использовании цветового допплеровского картирования, в частности, в режиме энергетического допплера (см. главу 5).

Исследование органов малого таза. Для эффективного наблюдения органов малого таза у мужчин и женщин при использовании наружных датчиков требуется создание «акустического окна», т.е. наполнение мочевого пузыря. УЗ контрастные вещества позволяют лучше оценить состояние полости матки, проходимость маточных труб. Для исследования степени васкуляризации зон интереса следует применять методы цветового допплеровского картирования.

Исследование сердца (эхокар- диография). У пациентов с выраженным слоем подкожножировой клетчатки и развитой мускулатурой улучшение визуализации может быть достигнуто применением датчиков с более низкой частотой и режима нативной тканевой гармоники. Применение УЗ контрастных веществ облегчает исследование полостей сердца и позволяет более точно оценивать и диагностировать степень тяжести врожденных и приобретенных пороков.

27

Ультразвуковые сканеры со спектральным доплером.

Существует следующая классификация допплеровских методов в зависимости от способов получения и отображения информации:

1. Метод оценки изменения во времени скорости кровотока в сечении сосуда и части сечения сердца, сосуда.

2. Метод оценки ЧСС (частоты сердечных сокращений) с использование допплеровского эффекта.

3. Спектральная допплеровская эхография, или кратко, спектральный допплер, или D-режим-оценка спектра скоростей кровотока в сердце и сосудах в процессе его изменения во времени.

4. Метод цветной допплеровской эхографии, к которым прежде всего относится цветное допплеровское картирование кровотока - двухмерное изображение биологических структур, в котором скорость движения отдельных элементов отображается с помощью цвета различных оттенков.

Метод допплеровской оценки ЧСС с силу простоты и эффективности находит широкое применение при исследовании ЧСС плода в фетальных мониторах.

Чаще всего в настоящее время применяются методы спектрального допплера и цветового допплеровского картирования.

В УЗ сканерах перечисленные методы используются вместе с другими известными методами представления информации, такими как: В- режим – обычный метод двухмерной эхографии с серошкальным изображением, полученным в процессе УЗ сканирования; М- режим – метод оценки движения биологических структур по изменению во времени одномерной эхограммы (получаемой в одном луче без сканирования).

Существует специальный класс УЗ приборов, в которых используется только режим спектрально допплера и отсутствует В- режим. Такие приборы иногда называют приборами «слепого» допплера. Область применения этих приборов – транскраниальное обследование и исследование сосудов.

УЗ сканеры, в которых наряду с В – режимом применяется спектральный допплер (D -режим), называется дуплексными приборами. Режим отображения на экране сканера одновременно В- и D-эхограмм называется дуплексным режимом B+D/

Эффет Доплера. Основной допплеровский метод является эффект Допплера, который состоит в том, что частота колебаний звуковых волн, излучаемых источником (передатчиком) звука, и частота этих же звуковых волн, принимаемых приемником звука, отличаются, если приемник и передатчик движутся друг относительно друга (сближаются или удаляются). Тот же эффект наблюдается, если в приемник поступают сигналы источника звука после отражения движущимся отражателем. Этот последний случай имеет место при отражении УЗ сигналов от движущихся биологических структур (например, элементов крови).

Движущийся приемник звука. Пусть источник звука неподвижен, а приемник движется со скоростью V_пр по отношению к источнику. Если бы приемник был неподвижен относительно источника, на него приходили бы колебания с частотой f₀, равной частоте излучения. Расстояния между соседними дугами равны длине звуковой волны λ₀. Пики волн движутся по направлению к приемнику со скоростью звука С. При движении приемника по направлению к источнику со скоростью Vnp взаимная скорость сближения пиков волн и приемника увеличивается по сравнению со скоростью звука и становится равной С +V_пр. Очевидно, что и частота колебаний на входе приемника увеличивается пропорционально росту скорости и становится равной f=f₀*(C+ V_пр)/С

Движущийся источник звука f=f₀*С/(C-V_ист)

Оценка скорости движения по доплеровскому сдвигу частоты. Доплеровский угол. УЗ диагностических приборах определяется не сама частота колебания, поступающего в приемник, а разность этой частоты f и частоты f₀ - колебания, излучаемого источником. Эта разность называется допплеровским сдвигом частоты. Для случая движения отражателя в сторону датчика допплеровский сдвиг Fд можно вычислить следующим образом: Fд= f-f₀=f₀*(C+v)/(С-v)-f₀=f₀*(2*v)/(С-v)

Скорость движения биологических структур (например, кровотока) не превышает нескольких метров в секунду. Скорость звука С в мягких биологических тканях в среднем равна 1540 м/с. Поэтому v<<С, т.е. скорость движения структур существенно меньше скорости звука. Тогда выражение для допплеровского сдвига Fд можно представить в виде:Fд=f₀*(2*v)/С

Когда отражатель движется к датчику, допплеровский сдвиг положителен. Если отражатель движется в противоположную от датчика сторону со скоростью (-v), то допплеровский сдвиг отрицателен.

В вышерассмотренных примерах предполагалось, что отражатель движется вдоль направления на датчик (по оси датчика, а точнее, вдоль оси УЗ луча). В общем случае движение отражающих структур может происходить в произвольном направлении, т.е. вектор скорости движения может быть направлен под некоторым углом α относительно направления на датчик (рис. 4). Допплеровский сдвиг частоты определяется проекцией скорости v на линию, соединяющую отражатель с датчиком, т.е. величиной v*cos α. Следовательно, выражение для допплеровского сдвига частоты должно иметь вид:

Fд=f₀*(2v*cos α)/С (1)

Это основное соотношение, позволяющее по измеренному в приборе допплеровскому сдвигу частоты Fд оценивать скорость движения v.

Допплеровский угол. Представим выражение (1) в виде Fд =v*k*cos α, где

k=2 f₀/С- известная постоянная, зависящая от типа датчика.

Действительно, частота f₀ колебаний, излучаемых датчиком, известна. Скорость звука в большинстве мягких тканей изменяется в пределах ±5% относительно среднего значения С = 1540 м/с, поэтому в расчетах может быть принято это значение.

Таким образом, допплеровский сдвиг частоты Fд однозначно связан с величиной оцениваемой скорости движения v при данном значении угла α.

Величина угла α, вообще говоря, неизвестна, но во многих случаях может быть определена. Например, с помощью обычного УЗ сканирования можно определить по В-эхограмме ориентацию сосуда и, следовательно, угол α между направлением кровотока и направлением на допплеровский датчик. Угол а обычно называют допплеровским углом, или углом

Понятие о спектре скоростей кровотока и спектре частот доплеровского сдвига.

Рассмотрим в качестве примера сечение сосуда (рис. 6). Скорость кровотока в центре сосуда максимальна и снижается по мере приближения к краям вследствие трения о стенки сосуда. В нормальном сосуде небольшого диаметра профиль скоростей (кривая на рис. 6) имеет форму, близкую к параболе.

Распределение скоростей на рис. 6 соответствует определенным моментам времени, в зависимости от времени величины скоростей будут меняться, хотя характер изменения скорости в сечении сосуда будет примерно тем же. В систолйческой фазе скорости в артериях существенно выше, чем в диастолической фазе.

Можно изобразить на графике распределение скоростей в определенный момент времени, откладывая по горизонтальной оси значения скоростей, а по вертикальной оси - уровни эхо-сигналов, соответствующие каждому значению скорости. Чем большее количество элементов крови движется с определенной скоростью, тем больше уровень суммарного эхо-сигнала для этого значения скорости. Приведенное распределение амплитуд эхо-сигналов для различных скоростей называется спектром скоростей. Скорости кровотока, а точнее проекции скоростей на ось УЗ луча, формируемого датчиком, однозначно связаны с частотами допплеровского сдвига Fд согласно вышеприведенным формулам. Этому спектру скоростей кровотока соответствует спектр частот допплеровского сдвига. На рис. 8 изображен вид такого спектра частот для систолической и диастолической фаз, в предположении, что датчик излучает частоту f₀= 3 МГц, а допплеровский угол а = 60°. Спектр показан сплошной кривой со штриховкой под ней. Видно, что в определенном масштабе форма спектра частот допплеровского сдвига повторяет форму спектра скоростей кровотока.

Непрерывноволновой доплер

Непрерывноволновой допплер (continuous wave Doppler - CW) был первым и на ранней стадии развития УЗ допплеровских систем единственным использовавшимся методом допплеровской эхографии. В режиме CW излучаются и принимаются синусоидальные сигналы большой длительности, которые поэтому называются непрерывными. На самом деле длительность эхо-сигналов, обрабатываемых в системе, ограничена во времени, что связано, в частности, с необходимостью измерения допплеровского сдвига частоты на интервалах, не превышающих 5-10 мс.

Для режима CW используются специальные датчики, в которых излучение и прием обеспечивается отдельными УЗ преобразователями. На излучатель поступает непрерывный синусоидальный электрический сигнал с частотой f₀. В пьезокерамическом излучателе электрический сигнал преобразуется в синусоидальный УЗ сигнал с той же частотой f₀. Излучаемые УЗ колебания, распространяющиеся вглубь биологических тканей, в основном сконцентрированы в границах передающего луча. По мере распространения УЗ колебания претерпевают отражения от акустических неоднородностей, и часть этих отражений в виде эхо-сигналов возвращается к датчику и может быть принята его приемным преобразователем. Наилучшим образом прием эхо-сигналов осуществляется в границах приемного луча. Очевидно, что наиболее благоприятные условия исследования имеют место в зоне пересечения передающего и приемного лучей.

Импульсноволновой доплер

Импульсные (pulse wave Doppler - PW), т.е. короткие по времени, сигналы дают возможность наблюдать отдельные участки по глубине. Так, для получения двухмерного акустического изображения (В-эхограммы) в УЗ сканерах используется излучение импульсных сигналов. При этом чем короче во времени импульсы, тем лучше разрешающая способность по глубине, или продольная разрешающая способность.

Для измерения допплеровских сдвигов частоты применяются не просто короткие импульсные сигналы, а периодические последовательности импульсов, или так называемые пачки импульсов. Использование пачки коротких импульсов позволяет устранить упомянутые недостатки, так как энергия пачки возрастает с увеличением количества импульсов, а спектр становится более узким. Таким образом, пачка импульсов дает возможность сохранить основные достоинства длинного сигнала, позволяющего с достаточной точностью измерять допплеров­ский сдвиг частоты. С другой стороны, пачка коротких импульсов дает возможность обеспечить ту же разрешающую способность по глубине, что и один короткий импульс.

На рис. 20а показан длинный синусоидальный сигнал, из которого фор­мируется пачка импульсов (рис. 20б) путем вырезания коротких сигналов длительностью t_и каждый, отстоящих друг от друга на интервал Т. Интервал называется периодом повторения импульсов. Обратная величина F= 1/T на- зывается частотой повторения импульсов (pulse repetition frequency - PRF).

Измерение спектра доплеровских частот. Неоднозначность измерения спектра.

Каждый из сигналов может быть представлен в виде суммы синусоидальных (гармонических) колебаний с различными частотами, амплитудами и фазами. Такое представление называется спектром сигнала. Спектр характеризует распределение интенсивности сигнала по частотам, т.е. определяет, какие частотные составляющие представлены больше или меньше в сигнале.

Спектр - очень важная характерис­тика сигнала и связана с временным видом сигнала взаимнооднозначной зависимостью. Если известен вид сигнала, то спектр сигнала может быть вычислен с помощью так называемого преобразования Фурье. И наоборот, зная амплитудно-фазовый спектр, можно определить вид сигнала на оси времени путем вычисления обратного преобразования Фурье.

Предположим, что нам известен спектр скоростей кровотока в сечении сосуда G(v) и известна ориентация сосуда относительно датчика, т.е. угол а. Мы можем вычислить теперь спектр частот допплеровского сдвига G(f), используя уже соотношения:

Gист(f).=f0*(G(v)cos a)/C

Вычисленный таким образом спектр частот допплеровского сдвига назовем истинным спектром, так как предполагается, что он измерен без всяких ошибок.

На рис. 24а дан пример спектра Gист(f) для прямого кровотока.

В режиме CW спектр излучаемого сигнала G(f), очень узкий (рис. 24б), т.е. излучается практически одна частота f₀. Поэтому спектр частот эхо-сигналов кровотока на выходе датчика Gnp(f) очень близок к истинному спектру частот допплеровского сдвига Gист(f) и практически повторит по форме истинный спектр (рис. 24в).

Попытка использовать для измерения спектра частот допплеровского сдвига одиночный короткий импульс обречена на неудачу, так как такому импульсу соответствует широкий спектр частот, существенно превышающий по ширине истинный спектр частот допплеровского сдвига(сравним рис. 25а и 25б). Спектр частот на выходе приемного тракта в основном повторяет форму спектра излучаемого сигнала (см. рис. 25в).

Физический смысл результата понятен: каждой из частотных составляющих сигнала, а не только частоте f0, соответствует спектр частот доппле­ровского сдвига, и если просуммиро­вать все эти спектры, то и получим широкий спектр частот, не имеющий почти ничего общего с оцениваемым истинным спектром.

В режиме PW, когда излучается пачечный сигнал, спектр излученного сигнала имеет многопиковый характер, и ширина каждого пика очень узкая. Если истинный спектр частот допплеровского сдвига имеет относительно малую ширину (рис. 26а), так что ширина его не превышает частоты повторения импульсов F(рис. 26б), то измерение спектра частот допплеровского сдвига возможно. Измеренный спектр при этом также получается многопиковым (рис. 26в), хотя соответствует истинно­му спектру только та часть полученного в результате спектра, которая ограничена определенным интервалом измерения, в пределах от (f0 - F/2) до (f0 + F/2), где F - частота повторения. пульсов. На рис. 26в правильно изме­ренный спектр показан сплошной линией, а ложные измерения - пунктиром.

Опять поясним физический смысл полученного результата: в отличие от непрерывноволнового допплера, когда излучается практически одна частота f₀, при импульсноволновом допплере излучаются, кроме нее, состав­яющие с частотами f₀ + F, f₀ - F, f₀+ 2 F, f₀-2F и т.д. Каждая из этих частот порождает свой спектр частот допплеровского сдвига в соответствии с вышеприведенными соотношениями.

Появление ложных изображений спектра вследствие неоднозначности измерения спектра частот допплеровского сдвига в англоязычной литературе называется aliasing.

На рис. 27 изображен такой случай. Видно, что при ширине спектра, большей, чем частота повторения F, спектр на выходе приемника сильно искажен, так как на истинный спектр накладываются сдвинутые ложные картины того же спектра. В результате определить истинный спектр невозможно. Это происходит вследствие малой частоты повторения F по сравнению с шириной оцениваемого спектра частот допплеровского сдвига.

29

1. История создания метода. В 1946 г. группы исследователей в Стэндфордском и Гарвардском университетах независимо друг от друга открыли явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Суть его состояла в том, что ядра некоторых атомов, находясь в магнитном поле, под действием внешнего электромагнитного поля способны поглощать энергию, а затем испускать ее в виде радиосигнала. За это открытие Ф. Блоч и Е. Персель в 1952 г. были удостоены Нобелевской премии. Новый феномен вскоре научились использовать для спектрального анализа биологических структур (ЯМР-спектроскопия). В 1973 г. Пауль Лаутербур впервые показал возможность с помощью ЯМР-сигналов получить изображение — он представил изображение двух наполненных водой капиллярных трубочек. Так родилась ЯМР-томография. Первые ЯМР-томограммы внутренних органов живого человека были продемонстрированы в 1982 г. на Международном конгрессе радиологов в Париже.

2. Физические основы метода Если систему, находящуюся в постоянном магнитном поле, облучить внешним переменным электромагнитным полем, частота которого точно равна частоте перехода между энергетическими уровнями ядер атомов, то ядра начнут переходить в вышележащие по энергии квантовые состояния. Иначе говоря, наблюдается избирательное (резонансное) поглощение энергии электромагнитного поля. При прекращении воздействия переменного электромагнитного поля возникает резонансное выделение энергии. Магнитно-резонансное исследование опирается на способность ядер некоторых атомов вести себя как магнитные диполи. Этим свойством обладают ядра, которые содержат нечетное число нуклонов, в частности H, С, F и P. Эти ядра отличаются ненулевым спином и соответствующим ему магнитным моментом. Современные МР-томографы «настроены» на ядра водорода, т. е. на протоны (ядро водорода состоит из одного протона). Протон находится в постоянном вращении. Следовательно, вокруг него тоже имеется магнитное поле, которое имеет магнитный момент или спин. При помещении, вращающегося протона в магнитное поле возникает прецессирование протона (нечто вроде вращения волчка) вокруг оси, направленной вдоль силовых линий приложенного магнитного поля. Частота прецессирования, называемая также резонансной частотой, зависит от силы статического магнитного поля. Например, в магнитном поле напряженностью 1 Тл (тесла) резонансная частота протона равна 42,57 МГц. Расположение прецессирующего протона в магнитном поле может быть двояким: по направлению поля и против него. В последнем случае протон обладает большей энергией, чем в первом. Протон может менять свое положение: из ориентации магнитного момента по полю переходить в ориентацию против поля, т.е. с нижнего энергетического уровня на более высокий. Обычно дополнительное радиочастотное поле прикладывается в виде импульса, причем в двух вариантах: более короткого, который поворачивает протон на 90°, и более продолжительного, поворачивающего протон на 180°. Когда радиочастотный импульс заканчивается, протон возвращается в исходное положение (говорят, что наступает его релаксация), что сопровождается излучением порции энергии. Время релаксации протона строго постоянно. При этом различают два времени релаксации: t1 — время релаксации после 180° радиочастотного импульса и Т2 — время релаксации после 90° радиочастотного импульса. Как правило, показатель t1 больше Т2. С помощью специальных приборов можно зарегистрировать сигналы (резонансное излучение) от релаксирующих протонов, и на их анализе построить представление об исследуемом объекте. Магнитно-резонансными характеристиками объекта служат 3 параметра: плотность протонов, T1 и Т2. T1 называют спин-решетчатой, или продольной, релаксацией, а Т2 — спин-спиновой, или поперечной, релаксацией. Амплитуда зарегистрированного сигнала характеризует плотность протонов (концентрацию элемента в исследуемой среде). Что же касается времени t1 и Т2 то они зависят от многих факторов (молекулярной структуры вещества, температуры, вязкости и др.). Следует дать два пояснения. Несмотря на то, что метод основан на явлении ЯМР, его называют магнитно-резонансным (МР), опуская «ядерно». Это сделано для того, чтобы у пользователей не возникало мысли о радиоактивности, связанной с распадом ядер атомов. И второе обстоятельство: МР-томографы не случайно «настроены» именно на протоны, т. е. на ядра водорода. Этого элемента в тканях очень много, а ядра его обладают наибольшим магнитным моментом среди всех атомных ядер, что обусловливает достаточно высокий уровень МР-сигнала.

Магнитно-резонансная томография Магнитно-резонансная томография (МРТ) — один из вариантов магнитно-резонансной интроскопии. МРТ позволяет получать изображение любых слоев тела человека. Большинство современных МР-томографов «настроено» на регистрацию радиосигналов ядер водорода, находящихся в тканевой жидкости или жировой ткани. Поэтому МР-томограмма представляет собой картину пространственного распределения молекул, содержащих атомы водорода. Система для МРТ (рис.1 стр.4) состоит из магнита, создающего статическое магнитное поле. Магнит полый, в нем имеется туннель, в котором располагается пациент. Стол для пациента имеет автоматическую систему управления движением в продольном и вертикальном направлении. Для радиоволнового возбуждения ядер водорода и наведения эффекта спина внутри основного магнита устанавливают дополнительно высокочастотную катушку, которая одновременно является и приемником сигнала релаксации. С помощью специальных катушек накладывают дополнительное магнитное поле, которое служит для кодирования МР-сигналов от пациента. При воздействии радиочастотных импульсов на прецессирующие в магнитном поле протоны происходит их резонансное возбуждение и поглощение энергии. При этом резонансная частота пропорциональна силе приложенного статического поля. После окончания импульса совершается релаксация протонов: они возвращаются в исходное положение, что сопровождается выделением энергии в виде МР-сигнала. Этот сигнал подается на ЭВМ для анализа. МР-установки включают в себя мощные высокопроизводительные компьютеры. В современных системах МР-томографов для создания постоянного магнитного поля применяют либо резистивные магниты больших размеров, либо сверхпроводящие магниты. Резистивные магниты дают сравнительно невысокую напряженность магнитного поля — около 0,2—0,3 Тл. Установки с такими магнитами имеют небольшие размеры, могут быть размещены в таком же помещении, как рентгенологический кабинет, удобны в эксплуатации. Для МР-спектроскопии они непригодны. Сверхпроводящие магниты обеспечивают напряженность магнитного поля до 30 Тл. Однако они требуют глубокого охлаждения — до —269°, что достигается помещением магнита в камеру с жидким гелием. Та в свою очередь находится в камере с жидким азотом, температура которого —196°, и затем' в наружной вакуумной камере. К размещению такого МР-томографа в лечебном

(Рис. 1 Магнитно-резонансный томограф (схема).)учреждении предъявляются очень строгие требования. Необходимы отдельные помещения, тщательно экранированные от внешних магнитных и радиочастотных полей. Но последние достижения физики в области сверхпроводящих материалов позволят добиться значительного прогресса в конструировании МР-томографов с высокой напряженностью магнитного поля. Для того чтобы получить изображение определенного слоя тканей, градиенты поля «вращают» вокруг больного (подобно тому, как вращается рентгеновский излучатель при компьютерной томографии). Фактически осуществляется сканирование тела человека. Полученные сигналы преобразуются в цифровые и поступают в память ЭВМ. Характер МР-изображения определяется тремя факторами: плотностью протонов (т. е. концентрацией ядер водорода), временем релаксации t1 (спин-решетчатой) и временем релаксации Т2 (спин-спиновой). При этом основной вклад в создание изображения вносит анализ времени релаксации, а не протонной плотности. Так, серое и белое вещество головного мозга отличаются по концентрации воды всего на 10%, в то время как продолжительность релаксации в них протонов разнится в 1¹/₂ раза. Существует ряд способов получения МР-томограмм. Их различие заключается в порядке и характере генерации радиочастотных импульсов, методах анализа МР-сигналов. Наибольшее распространение имеют два способа: спин-решетчатый и спин-эховый. При спин-решетчатом анализируют главным образом время релаксации T1. Различные ткани (серое и белое вещество головного мозга, спинномозговая жидкость, опухолевая ткань, хрящ, мышцы и т. д.) имеют в своем составе протоны с разным временем релаксации T1. С продолжительностью T1 связана величина МР-сигнала: чем короче T1, тем сильнее МР-сигнал и тем светлее выглядит данное место изображения на телемониторе. Жировая ткань на МР-томограммах — белая, вслед за ней идут головной и спинной мозг, плотные внутренние органы, сосудистые стенки и мышцы. Воздух, кости и кальци-фикаты практически не дают МР-сигнала и поэтому отображаются черным цветом. В свою очередь мозговая ткань также имеет неоднородное время t1 — у белого вещества оно иное, чем у серого. T1 опухолевой ткани отличается от T1 одноименной нормальной ткани. Указанные взаимоотношения времени релаксации T1 создают предпосылки для визуализации нормальных и измененных тканей на МР-томограммах. При другом способе МР-томографии, названном спин-эховым, на пациента направляют серию радиочастотных сигналов, поворачивающих прецессирующие протоны на 90°. Вслед за прекращением импульсов регистрируют ответные МР-сигналы. Однако интенсивность ответного сигнала по-иному связана с продолжительностью Т2: чем короче Т2, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость свечения экрана телемонитора. Таким образом, итоговая картина МРТ по способу Т2 противоположна МРТ по способу T1 (как негатив позитиву). При МРТ, как при рентгенологическом исследовании, можно применять искусственное контрастирование тканей. С этой целью используют химические вещества, содержащие ядра с нечетным числом протонов и нейтронов, например соединения фтора, или же парамагнетики, которые изменяют время релаксации воды и тем самым усиливают контрастность изображения на МР-томограммах. МР-томография — исключительно ценный метод исследования. Он позволяет получать изображение тонких слоев тела человека в любом сечении — во фронтальной, сагиттальной, аксиальной и косых плоскостях. Можно реконструировать объемные изображения органов, синхронизировать получение томограмм с зубцами электрокардиограммы. Исследование не обременительно для больного и не сопровождается никакими ощущениями и осложнениями. На МР-томограммах лучше, чем на компьютерных томограммах, отображаются мягкие ткани: мышцы, жировые прослойки, хрящи, сосуды. Можно получить изображение сосудов, не вводя в них контрастное вещество (МР-ангиография). Вследствие небольшого содержания воды в костной ткани последняя не создает экранирующего эффекта, как при рентгеновской компьютерной томографии, т. е. не мешает изображению, например, спинного мозга, межпозвоночных дисков и т. д. Конечно, ядра водорода содержатся не только в воде, но в костной ткани они фиксированы в очень больших молекулах и плотных структурах и не являются помехой при МР-томографии. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что препятствием для МР-интроскопии, связанной с воздействием сильного магнитного поля, является наличие у пациента металлических инородных тел в тканях (в том числе металлических клипс после хирургических операций) и водителя ритма у кардиологических больных, электрических нейро-стимуляторов.

30

Строение ядра атома.

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и структуру которого определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют от фемтометра (10^-15), что в 100 тысяч раз меньше самого атома. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атом электронов и сильно зависит от кол-ва входящих в него частиц и энергии их связи.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, часто называется нуклидом.

Количество протонов в ядре наз-ся его зарядовым числом (Z) - равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менжелеева. Кол-во протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, т.о., химические св-ва соотв-го элемента. Кол-во нейтронов в ядре наз-ся изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон использ-ся также и к атомам, содержащим указанные ядра и для харак-ки нехимических разновидностей одного хим-го элемента. Полное кол-во нуклонов в ядре называется его массовым числом A (A = N + Z) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Как и любая квантовая система, ядра могут нах-ся в метастабильном возбуж-ом состоянии (в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами). Такие возбужд-е сост-я ядер называются ядерными изомерами.

Для обозначения атомных ядер используется следующая система:

*в середине ставится знак химического элемента, что однозначно определяет зарядовое число Z ядра

*слева сверху от этого обозначения ставится массовое число A

Таким образом, состав ядра оказывается полностью определён, т.к N = A — Z.

Ядерные силы и их свойства. ЯС относятся к так называемым сильным взаимодействиям и существенно отличаются по своим свойствам от электромагнитных и гравитационных. В полной мере природа ЯС до настоящего времени не выяснена. Даже для простейшей системы из двух нуклонов неизвестна зависимость ЯС от расстояния между нуклонами. Короткодействие ЯС и свойство насыщения, многообразие свойств ЯС не позволяют создать законченную теорию, подобную квантовой электродинамики для расчета свойств атомов.

Свойства:

1. Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами действуют силы притяжения, что подтверждается существованием стабильных ядер. Например, энергия связи простейшего ядра - ⁴Не - составляет 2,22 МэВ, а простейшего атома – водорода – равна 13,6 эВ.

2. ЯС – короткодействующие. Это свойство ЯС подтверждается многочисленными данными по измерению размеров атомных ядер. ЯС удерживают нуклоны на расстояниях ~ (1,2 ÷ 1,4) ·10^‑13см. При расстояниях между нуклонами, превышающих 2·10^‑13см действие ядерных сил не обнаруживается, тогда как на расстояниях меньших 1·10^‑13см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

3. На расстояниях, где между протонами действуют ЯС притяжения, они превосходят кулоновские силы отталкивания приблизительно в 100 раз, действие которых на этих расстояниях также очень велико. Короткодействие ЯС приводит к резкому разграничению областей, где действуют только дальнодействующие кулоновские силы, или только ядерные, которые подавляют кулоновские силы на малых расстояниях. Функции U(r) представляют собой энергию взаимодействия между протоном и ядром. За границами ядра существует только кулоновское отталкивание, энергия которого равна Uk=(Zze^2)/r, где Z – заряд ядра, z - заряд налетающей частицы. На расстоянии от ядра, где начинает проявляться действие ЯС притяжения, потенциальная энергия круто падает на расстояниях ~ 10^-13с, что соответствует большой интенсивности ЯС (сила пропорциональна антиградиенту потенциальной энергии dU/dr). Энергия ядерного взаимодействия на  рисунке 1.9.1а характеризует только центрально-симметричную часть ЯС и не учитывает зависимость ЯС от спина (см. п.4) и нецентральный характер ядерных сил (см. п.7)

Таким образом, заряженная частица для сближения с ядром или при вылете из ядра должна преодолеть кулоновский барьер. На рис. 1.9.1б приведена модельная потенциальная функция, где ядро и частица представлены в виде точечных зарядов. Высота кулоновского барьера в этом случае составит Bk(МэВ) = (Zze^2)/R≈Zz/(A)^(1/3)

Ядерное взаимодействие между ядром и частицей аппроксимируется отвесной линией. Нейтроны не имеют электрического заряда и потому беспрепятственно сближаются с ядрами, т.е. для них отсутствует кулоновский барьер (жирная горизонтальная линия на рис. 1.9.1б в области r  > R), а ядерный потенциал у нейтрона оказывается таким же (с точностью до различия в массах), как и у протона (см. ниже п.5).

4. ЯС зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов и от взаимной ориентации орбитального и спинового моментов каждого из нуклонов. Это означает, что внутри ядра следует учитывать спин-орбитальное взаимодействие нуклонов. Зависимость ЯС от спина хорошо видна на примере дейтона, который имеет спин, равный единице, т.е. нейтрон и протон могут существовать в связанном состоянии только при параллельных спинах. При антипараллельных спинах нейтрон и протон не образует связанной системы, но притяжение между ними все же существует, что приводит к значительной эффективности рассеяния нейтронов на протонах. Поэтому рассеяние нейтронов на водородосодержащих средах оказывается также эффективным и широко используется для замедле ния нейтронов в ядерных реакторах.

5. Интенсивность ядерного взаимодействия не зависит от электрического заряда нуклонов. ЯС, действующие между двумя протонами (р – р), протоном и нейтроном (р – n) и двумя нейтронами (n – n), находящихся в одинаковых пространственных и спиновых состояниях, одинаковы по величине. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил. Другими словами, протон и нейтрон оказываются равноправными относительно ядерного взаимодействия. Это, конечно, не означает, что кулоновское расталкивание протонов не играет роли внутри ядра или при рассеянии двух свободных протонов.

6. свойство насыщения ЯС - каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом соседних нуклонов. Свойство насыщения ЯС имеет парный характер. Например, пара нейтронов и пара протонов образует одно из самых прочных легких ядер ⁴₂He. Присоед-е еще одного нейтрона к этой-частице оказывается невозможным.

7. ЯС имеют нецентральный характер. Центральными называются силы, которые действуют вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела. Центральные силы могут зависеть от относительной ориентации спинов частиц, но не должны зависеть от ориентации спинов относительно линии, соединяющей частицы. ЯС в общем случае имеют нецентральный характер, так как они зависят не только от расстояния между нуклонами, но и от ориентации спинов относительно линии, соединяющей нуклоны. Макроскопическим аналогом такого явления служит характер взаимодействия между двумя одинаково намагниченными шариками (рис. 1.9.3). При параллельных векторах магнитной индукции каждого из шариков между ними могут действовать как силы притяжения, так и отталкивания, в зависимости от ориентации векторов магнитной индукции относительно вектора, проходящего через центры инерции шариков.

8. ЯС имеют обменный характер. Это означает т.е они обусловлены (по крайней мере, частично) обменом третьей частицей, пи-мезоном. Такую гипотезу высказали в 1934 г. И. Тамм и в 1935 г. Х. Юкава по аналогии с представлением о взаимод-ии между электрическими зарядами, принятым в квантовой электродинамике. Взаимод-е между зарядами осущ-ся через электромагнитное поле, которое может быть представлено как совокупность квантов энергии – фотонов. Каждый заряд создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Процесс взаимодействия между двумя зарядами заключается в обмене виртуальными (частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования), а не реальными фотонами.

Теория радиоактивного распада. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. Так, например, излучение радия сопровождается выделением газообразного радона («эманацией»). В свою очередь радон, распадаясь, оставляет радиоактивные отложения на стенках содержащего его сосуда. Собранная при распаде радия эманация теряет половину исходной активности примерно за 4 сут. Эти и другие не поддававшиеся интерпретации экспериментальные факты удалось объяснить с помощью теории радиоактивного распада атомов, предложенной Резерфордом и Содди в 1903, а также правила смещения, сформулированного в 1913 А.Расселом и независимо от него Фаянсом и Содди. Суть теории Резерфорда и Содди состоит в том, что в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. Правило смещения. Правило смещения точно указывает, какие именно превращения претерпевает химический элемент, испуская радиоактивное излучение. Эмиссия альфа- и бета-частиц. Правило смещения можно пояснить с помощью ядерной модели атома, предложенной Резерфордом в 1911. Согласно этой модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена основная часть массы атома. Вокруг ядра вращаются электроны, заряд которых компенсирует положительный заряд ядра. Каждому атому приписывается свой атомный номер Z, соответствующий его порядковому номеру в периодической таблице Менделеева и численно равный заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Альфа-частица имеет Z = 2 и массовое число (округленный атомный вес) A = 4. Если неустойчивое ядро испускает бета-частицу, то его Z увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Следовательно, радиоактивный атом превращается в следующий по порядку атом таблицы Менделеева. При эмиссии альфа-частицы Z и A вновь образованного ядра уменьшаются на 2 и 4 единицы соответственно, а дочерний атом, испытав соответствующее изотопическое превращение, «смещается» в таблице Менделеева влево от родительского элемента.

Излучение радиоактивных веществ. Естественные радиоактивные элементы испускают три вида излучений: альфа, бета и гамма. В 1899 Резерфорд идентифицировал альфа- и бета-излучение; спустя год П.Вийар открыл гамма-излучение.

Альфа-излучение. В воздухе при атмосферном давлении альфа-излучение преодолевает лишь небольшое расстояние, как правило, от 2,5 до 7,5 см. В условиях вакуума электрическое и магнитное поля заметно отклоняют его от первоначальной траектории. Направление и величина отклонений указывают на то, что альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц, для которых отношение заряда к массе (e/m) в точности соответствует дважды ионизированному атому гелия (He⁺⁺). Эти данные и результаты спектроскопического исследования собранных альфа-частиц позволили Резерфорду сделать вывод о том, что они являются ядрами атома гелия.

Бета-излучение. Это излучение обладает большей проникающей способностью, чем альфа-излучение. Как и альфа-излучение, оно отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние. Это указывает на то, что бета-излучение является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. По отношению e/m Резерфорд идентифицировал бета-частицы как обычные электроны.

Гамма-излучение. Гамма-излучение проникает в вещество гораздо глубже, чем альфа- и бета-излучения. Оно не отклоняется в магнитном поле и, следовательно, не имеет электрического заряда. Гамма-лучи были идентифицированы как жесткое (т.е. имеющее очень высокую энергию) электромагнитное излучение.

Применение радиоактивности. Медицина. Радий и другие естественные радиоизотопы широко применяются для диагностики и лучевой терапии раковых заболеваний. Использование для этой цели искусственных радиоизотопов значительно повысило эффективность лечения. Например, радиоактивный иод, введенный в организм в виде раствора иодида натрия, селективно накапливается в щитовидной железе и поэтому применяется в в клинической практике для определения нарушений функции щитовидной железы и при лечении базедовой болезни. С помощью меченого по натрию физиологического раствора измеряется скорость кровообращения и определяется проходимость кровеносных сосудов конечностей. Радиоактивный фосфор применяется для измерения объема крови и лечения эритремии.

Радиопротекторы и радиосенсибилизаторы - вещества, введение которых животному, а также добавление в культуральную среду или к биологическому объекту перед действием ионизирующего излучения вызывает соответственно значительное снижение или усиление радиационногоэффекта. Введение радиопротектора после облучения организма неэффективно. Добавление радиозащитных препаратов к биообъекту после его облучения может не дать должного эффекта. Показано, что введение цистеина после облучения крыс (не позже чем через 5 мин) оказывается неэффективным. Радиозащитным действием обладают азиды, аминокислоты, спирты, сахара, фенолы, органические кислоты и т.д. Однако экспериментальное изучение многих тысяч химических соединений выявило, что наиболее перспективные и высокоэффективные из них относятся к двум классам веществ: индолилалкиламинам и меркаптоалкиламинам.

31

Естественный радиоактивный фон Земли.

Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения(попадание в организм). Остальную часть вносят космические лучи и источники земной радиации, главным образом путем внешнего облучения.

Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровень, фосфатных удобрений, герметизация помещений и даже полеты на самолетах - все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации.

Земная радиация

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, - это K-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от U-238 и Th-232 - долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентраций радионуклидов в том или ином участке земной коры.(Бразилия, Иран-max!)

В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет K-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда U-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда Th-232.

Некоторые из них, например нуклиды. Pb-210 и Po-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения.

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара. Rn-222, (продукты распада U-238), и в виде Rn-220, (ряд Th-232).

--Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе.

--повышенная радиоактивность некоторых строительных материалов.

--вдыхание паров воды с высоким содержанием радона, например в ванной комнате.

--природный газ содержащий радон.

Аэроионы:

В приземном слое атмосферы небольшая часть молекул подвергается ионизации под воздействием космических лучей, излучения радиоактивных горных пород и продуктов распада радия (в основном радона) в самом воздухе. В процессе ионизации атом теряет электрон и приобретает положительный заряд. Свободный электрон быстро соединяется с другим атомом, образуя отрицательно заряженный ион (аэроион). То есть человеку, животным и растениям уже генетически предопределено дышать ионизированным воздухом. Только такой воздух способствует сохранению организма в здоровом состоянии до глубокой старости, благоприятное влияние на организм оказывают именно отрицательные ионы. Парные положительные и отрицательные ионы имеют молекулярные размеры. Молекулы в атмосфере стремятся группироваться вокруг этих ионов. Несколько молекул, объединившихся с ионом, образуют комплекс, называемый обычно «легким ионом».

В атмосфере присутствуют также комплексы молекул, известные в метеорологии под названием ядер конденсации, вокруг которых при насыщении воздуха влагой начинается процесс конденсации. Эти ядра представляют собой частички соли и пыли, а также загрязняющих веществ, поступающих в воздух от промышленных и других источников. Легкие ионы часто присоединяются к таким ядрам, образуя «тяжелые ионы».

Под воздействием электрического поля легкие и тяжелые ионы перемещаются из одних областей атмосферы в другие, перенося электрические заряды. Хотя обычно атмосфера не считается электропроводной средой, она все же обладает небольшой проводимостью. Поэтому оставленное на воздухе заряженное тело медленно утрачивает свой заряд.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ (КЛ) - поток заряж. частиц высокой энергии, преим. протонов, приходящих к Земле приблизительно изотропно со всех направлений космич. пространства. КЛ напоминают сильно разреженный газ, частицы к-рого практически не сталкиваются друг с другом, но взаимодействуют с веществом и эл.-магн. полями межзвёздного и межпланетного пространства. Ядра атомов разл. элементов, входящие в состав КЛ, полностью лишены электронов и обладают огромными кинетич. энергиями (вплоть до 1020 эВ).

Первичные КЛ:

-метагалактичсские КЛ --самые энергичные частицы.

-галактические КЛ (ГКЛ).

-солнечные КЛ (СКЛ).

Вторичные КЛ,- большое количество вторичных частиц (протонов, электронов,мезонов, фотонов и др.) к-рые затем регистрируются приборами на Земле.

Важная особенность КЛ - нетепловое происхождение их энергии. КЛ приобретают энергию в специфич. астрофизич. процессах эл.-магн.и плазменной природы.

Состав космических лучей. Более 90% частиц КЛ всех энергий составляют протоны, 7% - ядра гелия (-частицы) и лишь небольшая доля (1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов(эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон).

в КЛ значительно больше лёгких ядер (Li, Be,В) и тяжёлых ядер с Z20. Большое количество ядер Li, Be, В по сравнению со ср.распространённостью связано, вероятно, с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды.

Вариации КЛ. Проникая в Солнечную систему, первичные ГКЛ вступают во взаимодействие с межпланетным магн. полем гелиосферы, к-рое формируется намагниченной плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер). Параметры гелиосферы изменяются с изменением солнечной активности в течении 11-летнего цикла, и в ГКЛ наблюдается модуляция интенсивности, наз. 11-летней вариацией. Интенсивность КЛ изменяется в противофазе с солнечной активностью. Кроме 11-летней наблюдаются ещё 27-дневная, солнечно-суточная вариации.

Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли. Попадая в атмосферу Земли, высокоэнергичные первичные КЛ (протоны и др. ядра) испытывают столкновения с ядрами атомов воздуха (в основном азота и кислорода). В результате взаимодействия происходит расщепление ядер и рождение нестабильных элементарных частиц. протон успеет неск. раз вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха. Поэтому вероятность дойти до уровня моря у первичных КЛ крайне мала. На больших глубинах в атмосфере регистрируется вторичное излучение, разделяемое в соответствии с природой и свойствами на ядерно-активную, мюонную и электронно-фотонную компоненты (рис. 2).

В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элементарные частицы, среди к-рых гл. роль играют -мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться -мезоны образуют 3)ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до 109 эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

2)Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных-мезонов.

Высокоэнергичные мюоны взаимодействуют с веществом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю.

Возникновение 1)электронно-фотонной компоненты связано с распадом –мезонов. В кулоновском поле ядер каждый g-фотон рождает электрон-позитронную пару . Засчёт тормозного излучения этой пары вновь возникают -фотоны, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до тех пор, пока преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии -фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада.

Из-за высокой изотропии ГКЛ наблюдения у Земли не позволяют однозначно установить, где они рождаются и как распределены во Вселенной.

КЛ незаменимы в качестве естеств. источника частиц высокой энергии при изучении элементарной структуры вещества и взаимодействий между элементарными частицами.

При взаимодействии обладающих высокой энергией космических лучей с отдельными составляющими атмосферы также образуются радиоактивные изотопы.( ¹⁴С)

Изотопные источники заряженных частиц и γ – квантов.

Изотопы γ – квантов --⁶⁰Co ⁷⁵Se ¹³⁷Cs ¹³⁴Cs ¹³⁷Ba ¹⁵⁵Eu. Источниками γ являются β-активные препараты, Высокие мощности экспоз дозы γ имеются у отработавших тепловыделяющих элементов мощных атомных реакторов. γ излучение может также генерироваться в ускорителях e с их взаимодействием с мишенью.Источниками заряженных частиц являются в основном ускорители частиц.

НЕЙТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ, устройства или в-ва, излучающие нейтроны. Самые мощные нейтронные источники-ядерные реакторы, испускающие до 5.1015 нейтронов в секунду с 1 см2 активной зоны реактора. Благодаря наличию замедлителей обычно получают значит. кол-во в потоке тепловых нейтронов с энергией ок. 0,06 эВ. В т. наз. н е й т р о н н ы х г е н е р а т о-р а х-электростатич. ускорителях заряженных частиц -получают почти моноэнергетич. потоки нейтронов в интервале энергий от 1,5 до 20 МэВ с интенсивностью до 1010 нейтрон/с в результате р-ции 2Н + 3Н4Не + п. Нейтронные генераторы широко используют для нейтрон-но-активац. анализа материалов, нейтронного каротажа геол. пород. В нейтронографии используют в качестве нейтронных источников ядерный реактор, работающий в импульсном режиме.

Простейшими нейтронными источниками являются радионуклиды, излучающие нейтроны в результате спонтанного деления атомных ядер. Наиб. распространены 252Cf, ядра к-рого делятся спонтанно с испусканием большого кол-ва нейтронов-2,34.1012 с-1 г-1, и однородные смеси, состоящие из порошка Be, Li (или др. в-ва) и излучателя a-частиц либо источника g-излучения. Под действием a-излучения из ядер, напр. Be, испускаются нейтроны: 9Ве + 4Не12С + п + 5,704.Поток нейтронов радионуклидных источников составляет от 1•103 до 2•1010 с-1 в угле рассеяния 4p.

В т. наз. а м п у л ь н ы х нейтронных источниках радиоактивный материал заключают в герметичные оболочки (ампулы) из прочного и химически стойкого материала (нержавеющая сталь, платина, тантал, цирконий). Осн. достоинства ампульных нейтронных источников: компактность, портативность, возможность контролирования потока нейтронов определенной интенсивности, надежность и безопасность. Наиб. миниатюрные калифорниевые нейтронные источники используются в медицине для лечения злокачеств. опухолей.

Ускорители заряженных частиц.-класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий

Линейный ускоритель

Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускоритель, в котором частицы пролетают однократно. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени (!) энергии частиц. E=20 МэВ и выше.

Бетатро́н — циклический ускоритель электронов с постоянной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля.

Циклотрон- циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты. В циклотроне ускоряемые частицы движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров(3), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц(2). Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генераторомВЧ(4), которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона. Условие синхронизации:T=2πm/(q*B) Минус метода- небольшие E частиц.

Фазотрон- (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты). В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота p ускоряющего электрического поля меняется. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, a-частиц). Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора - конденсатора переменной ёмкости, включенного в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка.Крупнейшие современные фазотроны дают протоны с кинетической энергией до 1000 Мэв.

Синхрофазотрон--Циклический ускоритель р с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. При этом w_y и В меняются в строгом соответствии друг с другом, так чтобы радиус равновесной орбиты R оставался постоянным.Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами.При энергиях выше 1 Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.

Синхротрон-Циклический ускоритель е с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем. Синхротрон действует по резонансному принципу уcкорения, то есть пролетающие частицы попадают в ускоряющее поле всегда в резонанс с изменением поля.Энергии около 20 ГэВ.

УСКОРИТЕЛИ В МЕДИЦИНЕ

Ускорители играют важную практическую роль в медицинской терапии и диагностике. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным.

В медицине линейные ускорители используются как основной элемент радиотерапии и радиохирургии (источник рентгеновского излучения), Используется в промышленности для изготовления различных изотопов химических элементов и для стерилизации медицинского оборудования.

32

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ, приборы для регистрации атомных и субатомных частиц. Чтобы частица была зарегистрирована, она должна взаимодействовать с материалом детектора. Простейшие детекторы («счетчики») регистрируют только сам факт попадания частицы в детектор; более сложные позволяют также определить тип частицы, ее энергию, направление движения и т.д.

Взаимодействие с материалом детектора чаще всего сводится к процессу ионизации – отрыву e от некоторых атомов материала детектора, в результате чего они приобретают электрический заряд. Регистрируется либо непосредственно ионизация, либо связанные с ней явления – испускание света, а также фазовые или химические превращения.

ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Ионизационные приборы.

Рис. 1. СХЕМА ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ, которая собирает ионы, возникающие в результате ионизации газа. На два проводящих электрода, катод и анод, подано высокое напряжение. Частица, пролетающая сквозь газ, создает ионы, при этом положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные – к аноду.

Ток, ионизации, i = nq/t, где n – число образовавшихся ионов, q – электрический заряд иона,. Полные потери энергии частицы E = nk, где n – число образованных ионов, которое можно определить по i или u в камере, а k – средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Величина k для обычных газов составляет около 30 эВ. Кроме того, это вещество должно обладать высоким удельным сопротивлением, чтобы в нем не было других токов, кроме связанных с ионизацией. Для этих целей хорошо подходят газы, особенно инертные, такие, как гелий и аргон, но можно использовать и другие диэлектрики. Все измеренные величины, будут обнаруживать флуктуации, и поэтому точность таких измерений повышается с увеличением их длительности.

. Рис2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР представляет собой твердотельный электронный прибор. Обратное напряжение, приложенное к p – n-переходу, удаляет свободные носители, создавая обедненную область. При прохождении через эту область ионизующей частицы возникают свободные носители заряда, которые диффундируют в противоположных направлениях, создавая электрический ток. k,необходимая для образования пары носителей заряда в полупроводниковом детекторе, составляет примерно 3эВ,(в газовом – 30 эВ).Следовательно, при одинаковых потерях энергии в полупроводниковом детекторе возникает электрический сигнал, в 10 раз превышающий сигнал ионизационной камеры.возрастает и точность, с которой измеряются потери энергии. Полупроводниковые детекторы во многом аналогичны полупроводниковым диодам,. Однако их конструкция имеет свои особенности.Благодаря большому сигналу, отвечающему одному акту ионизации, такие приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов.

Пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера. Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток выхода. Если увеличить высокое напряжение на ионизационной камере, то электроны, возникающие при первичной ионизации, будут приобретать энергию, достаточную для вторичной ионизации, что приведет к увеличению сигнала. Детектор, работающий в таком режиме, называют пропорциональным счетчиком, поскольку импульсы напряжения, снимаемые со счетчика, пропорциональны числу первоначально возникших ионов. Число вторичных ионов, создаваемых в среднем каждым первичным ионом, зависит от напряженности электрического поля в счетчике.В камерах с центральной нитью в качестве анода, окруженной цилиндрическим катодом, поле неравномерно и увеличивается вблизи анода. В такой геометрии удается достичь коэффициента усиления в несколько тысяч. С какого-то момента сигнал счетчика перестает быть пропорциональным первичной ионизации и ненамного увеличивается с повышением напряжения. Прибор, работающий в таком режиме, называется счетчиком Гейгера. Цилиндрический счетчик Гейгера — Мюллера состоит из металлической трубки или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра. Нить служит анодом, трубка — катодом. Трубка заполняется разреженным газом, в большинстве случаев используют благородные газы аргон и неон. Между катодом и анодом создается напряжение порядка 1500 В. Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма — кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него e. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов e и создают положительные ионы и свободные e. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет e до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Важной характеристикой счетчика является его эффективность. Не все гамма-фотоны, попавшие на счетчик, дадут вторичные e и будут зарегистрированы, так как акты взаимодействия гамма- лучей с веществом сравнительно редки, и часть вторичных e поглощается в стенках прибора, не достигнув газового объема

При наличии излучений разных видов счетчик Гейгера дает лишь общее число частиц, прошедших через детектор, а пропорциональный счетчик позволяет анализировать излучение по его виду и энергии. Такими же возможностями обладают и полупроводниковые детекторы, а также многие из рассматриваемых ниже детекторов других типов. недостатком счетчика Гейгера — Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию. Эти недостатки отсутствуют в сцинтилляционных счетчиках.

Сцинтилляционные счетчики.

Рис. 4. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК регистрирует частицы по световому излучению, вызываемому ими в кристалле. Часть светового излучения попадает в световод. Свет выбивает из фотокатода фотоэлектронного умножителя электроны, которые ускоряются и умножаются системой его динодов, создавая ток, который дополнительно усиливается.

Известно, что вещества, испускающие свет определенной частоты, поглощают свет той же частоты. Ситуация значительно улучшается при введении специальных примесей. Такие активирующие примеси, смещающие длину волны, поглотив свет, испускают его с несколько большей длиной волны, благодаря чему он может выйти наружу. Из неорганических кристаллов обычно используют иодиды натрия и цезия, активированные таллием. Применяются и некоторые чистые органические кристаллы.

+ возрастание потери энергии ионизующей частицей на единицу длины и сигнала.

+ФЭУ обеспечивают такое усиление первичного сигнала, которого не достичь с помощью электронных схем.

+высокое быстродействие-длительность сигнала на выходе может составлять всего лишь 10^–9 с,

Черенковский счетчик представляет собой детектор, внешне сходный со сцинтилляционным счетчиком. Он регистрирует черенковское излучение – свечение, испускаемое заряженной частицей, которая движется в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.Поэтому черенковский счетчик, чувствительное вещество которого имеет показатель преломления n, будет реагировать на частицы, скорости которых превышают с/n. Существует зависимость угла испускания от скорости, можно сконструировать счетчик, на катоде ФЭУ которого будет фокусироваться только излучение частиц, движущихся с определенной скоростью.

Световая вспышка черенковского излучения по интенсивности примерно в 100 раз слабее сцинтилляции. Поэтому при выборе чувствительного вещества для черенковского счетчика приходится ограничиваться материалами, в которых не происходят сцинтилляции. Обычно это вода и оргстекло. Для регистрации частиц со скоростями, приближающимися к с, используются газы, показатель преломления которых очень близок к 1.

Используется и зависимость сигнала черенковских счетчиков от скорости. Появление сигнала свидетельствует о прохождении заряженной частицы со скоростью, превышающей пороговую, а схема с двумя счетчиками позволяет выделить частицы, лежащие в узком интервале скоростей. Это дает возможность исследовать спектр частиц с высокими скоростями, а не только регистрировать их появление. Выходной сигнал сцинтилляционного счетчика, как и любого ионизационного прибора, почти постоянен для всех частиц со скоростями выше 2*10⁸ м/с (0,67 скорости света).

Детекторы нейтронов и гамма-квантов.

Черенковские счетчики применяются для регистрации гамма-квантов, особенно в области высоких энергий.

Нейтроны – незаряженные ядерные частицы, поэтому они взаимодействуют с веществом лишь в прямых столкновениях с ядрами его атомов. высокую эффективность регистрации нейтронов обеспечивает счетчик Гейгера, наполненный трифторидом бора.

Регистрацию нейтронов часто осложняют трудности отделения нейтронов от гамма-излучения.Нейтроны можно отличить по форме регистрируемого импульса, поскольку в случае нейтрона импульс оказывается более широким во времени. Но это различие невелико и для его выявления требуется довольно сложная электроника.

Камеры Вильсона и пузырьковые камеры. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через перенасыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек. За 1 мс капельки вырастают до видимых размеров. В пузырьковой камере используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат ионы. Проходя через такую жидкость, частица оставляет за собой след из пузырьков. Камеры часто помещают в магнитное поле. Таким образом, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Ядерные эмульсии. Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Большие потоки ионизующего и неионизующего излучения вызывают вуалирование эмульсии, видимое простым глазом, как на обычных рентгеновских снимках.

+Компактность метода, точность определения положения частицы, определение скорости, определение массы,заряда частицы, оставившей след, и тем самым идентифицировать её.

Искровая камера. представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделенных газом и электрически изолированных друг от друга. Заряженная частица, проходящая через камеру, создает ионы в газе между пластинами. Возникающий при этом импульс запускает внешнюю схему, которая подает на чередующиеся пластины импульс высокого напряжения порядка 10 000 В. В момент подачи этого импульса пары пластин камеры действуют как счетчики Гейгера, и в тех местах, где прошла частица, проскакивают искры. Искры хорошо видны (и слышны).

Твердотельные трековые детекторы. Проходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.

РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ.

Образование атомов радиоуглерода под воздействием космических лучей обычно происходит в верхних слоях атмосферы на высотах от 8 до 18 км.В результате окисления и пермешивания радиоуглерода радиоактивный углекислый газ, равномерно распределяется в атмосферном углекислом газе. Однако относительное содержание радиоуглерода ¹⁴C в атмосфере остается чрезвычайно малым – ок. 1,210^–12 г на один грамм обычного углерода ¹²С. Все растительные и животные ткани содержат углерод. В мертвых органических тканях происходят внутренние изменения, включая и распад атомов радиоуглерода. В ходе этого процесса за 5730 лет половина исходного числа нуклидов ¹⁴C превращаются в атомы ¹⁴N. Измерение содержания изотопа ¹⁴С в образце дает лишь приблизительную дату.

Методы:

+определение количества е, выделяющихся в процессе распада ¹⁴С. Интенсивность их выделения соответствует количеству ¹⁴С в исследуемом образце.

+ АМС-датировка, требует использования масс-спектрометра, с помощью которого выявляются все атомы с массой 14; особый фильтр позволяет различать ¹⁴N и ¹⁴С.

+Использование счетчика, сходного со счетчиком Гейгера.Любой радиоактивный распад, происходящий внутри прибора, вызывает слабый электрический импульс.Счётик требует внешней экранировки.

+ жидкостная сцинтилляция. углеродсодержащий газ превращают в жидкость,добавляют сцинтиллятор, вспышки которого фиксируют ФЭУ.

Метод радиоактивных меток: Принцип метода состоит в подборе соответствующего иона, введении в организм, и регистрации характеристик, на положении того, что рад.ион ведёт себя идентично стабильному изотопу, входящему в природное соединение.

Преимущества метода:

+возможность определения малых концентраций веществ(10^-14-10^-6моль/л.), работа с малыми количествами вещ.(мкг), исследование динамики процессов.

+количественные измерения процессов и реакций(Применяются методики с применением счётчика Гейгера-Мюллера, сцинтилляционных счётчиков с ФЭУ.)

В мембранологии метод используется для решения проблем мембранной проницаемости для ионов, молекул, изучение проницаемости в зависимости от внешних факторов, с помощью него были определены количества ионов при развитии потэнциала возбуждения нервного волокна.

33

Дозиметрия ионизирующих излучений — раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Д. и. и. — совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин — их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений. Основной дозиметрической величиной является доза ионизирующего излучения и ее модификации. Задача Д. и. и. — описание дозного поля, сформированного в живом организме в реальных условиях облучения. Необходимость разработки Д. и. и. возникла вскоре после открытия Рентгеном (W.К. Röntgen) в 1895 г. излучения, названного его именем (см. Рентгена лучи). Интенсивное накопление данных по биологическому действию рентгеновского излучения, с одной стороны, открывало реальную перспективу его применения в медицине, а с другой — указывало на опасность неконтролируемого облучения живого организма. В результате встал вопрос о дозиметрическом обеспечении практического применения источников ионизирующих излучений. В начале 20 в. основными источниками излучения были радий и рентгеновские аппараты, и Д. и. и. сводилась фактически к дозиметрии фотонного ионизирующего излучения (рентгеновского и гамма-излучения). Затем по мере развития технических средств ядерной физики, создания и усовершенствования ускорителей заряженных частиц и особенно после пуска в 1942 г. первого ядерного реактора число источников и связанных с ними видов ионизирующих излучений существенно расширились. В соответствии с этим появились методы дозиметрии потоков заряженных частиц, нейтронов, высокоэнергетического тормозного излучения и др. Стал расти и список дозиметрических величин, соответствующих задачам многообразного практического применения ионизирующих излучений различной природы. Ионизирующие излучения — потоки фотонов, а также заряженных или нейтральных частиц, взаимодействие которых с веществом среды приводит к его ионизации. Ионизация играет важную роль в развитии радиационно-индуцированных эффектов, особенно в живой ткани. Средний расход энергии на образование одной пары ионов сравнительно мало зависит от вида И. и., что позволяет судить по степени ионизации вещества о переданной ему энергии И. и. Для регистрации и анализа И. и. инструментальными методами также используют ионизацию. Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии – это раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого вводится величина – доза (порция) излучения.

*Поглощенная доза (доза излучения)(D,[D]=[Гр])-величина, равная отношению энергии ΔЕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента. 1 Гр соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Иногда пользуются внесистемной единицей рад: 1 рад=10^-2 Гр.

Экспериментально измерить дозу излучения трудно, т.к. тело неоднородно, энергия рассеивается по различным направлениям. Можно оценить поглощенную телом дозу по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем объект.

*Экспозиционная доза (Х) характеризует ионизирующее действие рентгеновского и γ-излучения в воздухе, окружающем облучаемое тело. В СИ [Х]=[Кл/кг]. 1 Кл/кг соответствует экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в результате ионизации в 1 кг сухого воздуха (при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд, равный 1 Кл каждого знака. На практике пользуются единицей рентген [Р]. 1 Р=2,58*10^-4Кл/кг.

При экспозиционной дозе 1 Р в результате ионизации в 1 см3 сухого воздуха при норм.условиях образуется 2*10^9 пар ионов. Связь между поглощенной и экспозиционной дозами: D=f*X, f- некоторый коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов. Для костной ткани f=1-4,5, для воды и мягких тканей f≈1.

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) ионизирующих излучений - показатель, необходимый для количественной оценки качества излучения.

ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определённый биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обуславливающий тот же эффект. Ранее в качестве стандартного принималось рентгеновское излучение, генерируемое при напряжении на трубке в 180-250 кВ. Значение (величину, коэффициент) ОБЭ вычисляют по формуле: ОБЭ = Dr/Dx,

где Dr - доза рентгеновского излучения, Гр; Dx - доза изучаемого излучения, Гр; при этом эффект сравнивают по одному и тому же показателю. Сейчас принимается, что в качестве стандартного можно использовать гамма-излучение, которое широко применяется при лучевой терапии опухолей и для которого соответственно известны количественные данные о связи с дозой самых разных эффектов поражения.

*Эквивалентная доза (Н) используется для оценки действия ионизирующего излучения на биологические объекты. В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт [Зв]: 1 Зв=1Дж/кг. Внесистемная единица- бэр(биологический эквивалент рентгена): 1 бэр=10^-2 Зв

Связь м/д эквивалентной и поглощенной дозой: Н=KD, K-коэф-т качества, безразмерный, он показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем фотонного, при одной дозе излучения в тканях, устанавливается на основании опытных данных.

*Эффективная эквивалентная доза (Нэф). Биологический эффект воздействия даже одного и того же вида излучения на разные органы различен. Если некоторый коэффициент риска (b) при облучении всего организма принять за 1, то для отдельных органов этот коэффициент будет иметь следующие значения:0,12-красный костный мозг;0,03-кость,щитовидка;0,15-молочная железа;0,12-легкие;0,25-яичники и семенники;0,30-другие ткани. В связи с этим вводится эффективная эквивалентная доза: Hэф=b*H, b-коэф-т риска для данного органа.

Доза облучения пропорциональна времени действия ионизирующего облучения. Вводят количественную характеристику-мощность дозы (N)-величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.

При равномерном действии излучения мощность поглощенной дозы N_D численно равна отношению дозы D ко времени t, в течении которого действовало ионизирующее излучение: N_D= D/t (Вт/кг=Гр/с=рад/с)

Мощность экспозиционной дозы N_X=X/t=Kγ*A/r^2, где Kγ-гамма-постоянная, характерная для данного радиоактивного препарата, А-активность радиоактивного препарата, r-расстояние от источника (Кл/(кг*с)=А/кг=Р/с)

Мощность эквивалентной дозы: N_H=H/t (Зв/с=Дж/(кг*с)=бэр/с)

Нормы радиационной безопасности определяется предельно допустимой эквивалентной дозой за год (ПДД):

ПДД для взрослого населения =5мЗв/год;ПДД для детей 1,7 мЗв/год;ПДД для профессионалов 50 мЗв/год.

Предельно допустимые мощности экспозиционной дозы: норма-20 мкР/ч;Летальные дозы (ЛД) для облучения всего организма ЛД50-400Р; ЛД90-800Р,где 50 и 90 означают 50% и 90% летальных исходов.

Естественный (природный) радиационный фон создается естественными радиоактивными источниками: космические лучи(0,25 мЗв/год); радиоактивность недр (0,52 мЗв/год ); радиоактивность пищи (0,2 мЗв/год). Это соответствует общей мощности 1-2 мЗв/год или 10-20 мкР/ч. Мощность эквивалентной дозы, соответствующая нормальному радиационному фону =1,25 мЗв/год, предельно допустимый фон 5 мЗв/год.

Ионизация тканях при действии тяжёлых заряженных частиц.

Тяжёлые заряженные частицы практически не отклоняются от своего первоначального направления распространения благодаря значительной разнице их массы и массы электрона, с которым они взаимодействуют, т.е. их треки можно считать прямолинейными, и имеет смысл говорить об определённой «глубине проникновения» их в вещество.

а-частицы с эергией 1МэВ теряют свою энергию на первых 5,3 мкм ткани, в среднем на каждый микрон пути веществу переносится 263,9 кэВ энергии, которая расходуется на возбуждение и ионизацию атомов. В среднем на каждый микрон пути образуется около 6,2 тыс. пар ионов, неравномерно расположенных вдоль трека частицы.

При ионизации атомов вдоль своего пути а-частица оставляет вдоль своего прямолинейного трека не всю энергию, некоторая доля энергии частицы выносится за пределы её трека выбитыми из атомов электронами, обладающими значительным запасом энергии и большой длиной пробега. Эти электроны образуют треки, ответвляющиеся от трека первичной частицы, и вызывают на свойм пути ионизации и возбуждения, плотность распределения которых зависит от энергии выбитого электрона.

Например, а-частицы с энергией 1МэВ могут генерировать вторичные электроны, длина пробега которых вдвое превосходит трек самой тяжёлой частицы. Вторичные электроны, энергия которых превосходит 100 эВ, называются б-электронами (дельта-электронами)(иногда этот предел приравнивают к 1 кэВ). На их долю приходится приблизительно 25% всей ионизации, вызываемой первичной частицей. БОльшая часть энергии тяжёлой заряженной частицы переносится к вторичным электронам «малыми порциями», т.е. образуются свободные электроны с энергией менее 100 эВ. Вызванная ими ионизация происходит в непосредственной близости от места первичной ионизации, на расстоянии порядка нескольких десятков нанометров от трека частицы. Т.о., в относительно небольшом объёме вдоль трека частицы возникает некоторое число пар ионов(положительные ионы и электроны) , порождённые первичной ионизацией и вторичными электронами с энергией менее 100 эВ; они и формируют трек частицы. Тяжёлые заряженные образуют короткие плотные треки, имеющие форму основного стержня с высокой удельной плотностью ионизации, от которого во все стороны отходят стержни, соответствующие б-лучам (дельта-лучам) со значительно более низкой плотностью ионизации.

Ионизация тканях при действии ускоренных электронов.

Картина, наблюдаемая при облучении тканей потоком в-частиц(бета-частиц), отличается от б-частиц(гамма-частиц) прежде всего криволинейной треакторией частиц в веществе. Это связано с равенством масс взаимодействующих частиц: в единичном акте соударения с орбитальным электроном в-частица теряет большое количество энергии и изменяет первоначальное направление движения. Рис. II.13

Длинна пробега в-частиц определяется их энергией: при энергии 150 кэВ они проникают в ткань на глубину 278 мкм, а очень быстрые частицы с энергией 50 МэВ- на глубину до 19 см.

Ионизация тканях косвенно ионизирующими частицами.

Нейтронное, рентгеновское и гамма-излучение генерирует в веществе ионизации, пространственное распределение которых существенно отличается от такового при действии ускоренных заряженных частиц. Электронейтральные частицы, обладая высокой проникающей спобностью, углубляются в ткани оганизма на значительные расстояния. Они формируют большинство ионизаций косвенным путём: фотоны рентгеновского и гамма-излучения- за счёт комптоновских и фотоэлектронов, а нейтроны- за счёт ядер отдачи. Эти заряженные частицы в основном и осуществляют перенос энергии излучения веществу, вызывая ионизации и возбуждения атомов.

Мягкие рентреновские лучи(до 100 кэВ) поглощаются в поверхностных слоях ткани за счёт фотоэффекта. Длинна пробега фотоэлектронов не превышает 2 мм, поэтому биологический эффект, связанный с ионизацией атомов и молекул, возникает вблизи места поглощения падающего кванта. Пространственное распределение ионов определяется энергией выбитых фотоэлектронов. Количество выбитых фотоэлектронов в результате первичной ионизации, определяется поглощённой дозой.

Жёсткие рентгеновские и гамма-лучи с энергией фотонов выше 300 кэВ изменяют направления движения(меняется их энергия) в основном за счёт эффекта Комптона. Максимум выделения энергии лежит на глубине вплоть до нескольких сантиметров и связан с процессом накопления вторичных электронов, который начинается на малых глубинах и возрастает до того момента, когда устанавливается равновесие между образованием вторичных частиц и их поглощением. Электроны высоких энергий проникают в ткань на глубину несколько сантиметров, образуя максимальное число ионизаций и возбуждений в конце пробега, когда скорость их значительно снижается.

Облучение нейтронами высоких энергий (10-15 МэВ) приводит к пространственному распределению ионов в поглощающей ткани, которое сходно с картиной ионизации жёстким гамма-излучением. Отличие состоит в том, что энергия нейтрона переносится не к электронам, а к ядрам отдачи, т.е. к тяжёлым ускоренным частицам, несущим положительный заряд. Наибольшее количество энергии переносится протонами отдачи, т.е. ускоренными ядрами водорода.

В результате облучения тканей в редкорасположенных микрообъёмах возникают короткие треки с очень высокой плотностью ионизации.

Зависимость биологического эффекта от поглощённой дозы излучения.

С ростом дозы облучения наблюдается не столько степень проявления эффекта(глубина поражения отдельной клетки), сколько доля летально поражённых клеток в облучённой популяции.

35

Действие ионизирующих излучений на клетку.

Выяснение механизма действия ионизирую­щей радиации на клетку одна из основных проблем радио­биологии. Ее решение имеет важное теоретическое значение, так как позволит расшифровать природу внутриклеточных процессов, приводящих к развитию поражения или его восстановлению. Практическая значимость исследований, проводимых на клеточ­ном уровне, несомненна. В основе лучевого поражения любых сложных биологических систем, включая млекопитающих, лежит реакция различных клеток на действие ионизирующей радиации.

Задача радиационной биофизики состоит в исследовании цен­трального звена последовательности процессов, протекающих с момента возникновения немногочисленных начальных повреж­дений до возникновения тестируемых биологических эффектов, включая гибель клетки. Для этого используется широкий арсе­нал физических и физико-химических методов анализа.

Количественные характеристики гибели облученных клеток.

При проведении экспериментов обнаружили важнейшую закономерность — вероятностную при­роду проявления реакции клеток на облучение. При исследова­нии зависимости доли погибших клеток от величины дозы облу­чения выяснили, что различные одноклеточные объекты гибнут при самых малых дозах облучения, с ростом дозы увеличивается число погибших клеток, однако при любой как угодно большой дозе неко­торое число клеток сохраняет жизне­способность.

Существенно, что с ростом дозы облучения увеличивалась не столько степень проявления эффекта (глубина поражения клетки), сколько доля пораженных, т. е. число клеток в об­лученной популяции, реагирующих данным образом на облучение.

Предложили общую формулу для рас­чета кривых «доза — эффект», основанную на статистическом принципе попадания: N/N₀=1-e^(-vD)∑((vD)^k)/k!; (пределы k=0;k=n-1)

где N0 — исходное число клеток до облучения, N — число кле­ток, прореагировавших данным образом, v- чувствительный объем, попадание в «который приводит к тест-эффекту, D — до­за облучения, n — требуемое число попаданий в мишень. Блау и Альтенбургер из уравнения рассчитали теоретические кривые «доза — эффект» для разного числа попаданий в ми­шень. Эти кривые соответствовали реальным дозным кривым, на­блюдаемым при облучении изолированных клеток. Кроутер В 1924 г. он сформулировал «тео­рию попадания». Считая попаданием возникновение акта иониза­ции в облучаемом объеме, Кроутер предположил, что регистри­руемый эффект связан с некоторым критическим числом иониза­ции (попаданий) в пределах мишени, занимающей определенный чувствительный объем внутри клетки. Это позволило ввести в радиобио­логию представление о вероятностной природе единичной реак­ции клетки на облучение. Появилась возможность корректного описания кривых «доза — эффект». Развитие этих методов позволило создать весьма сложные мо­дели. Например, Циркль и Тобайс для объяснения инактивации диплоидных и полиплоидных клеток предложили модель «одно попадание-n наборов l-мишеней». В экспериментах по об­лучению клеток разной плоидности получают семейство сигмоидальных кривых. По мнению авторов модели, эти кривые соот­ветствуют уравнению:

N/N₀=[1-(1-e^(-D/D₀))^(n)]^(l) n-плоидность клетки, число наборов хромосом, а L-число генов в каждом наборе.

Модификация лучевого поражения клеток

Чувствительность клеток к ионизирующей радиации можно повысить или понизить за счет физических и химических факто­ров, а также с помощью воздействий, изменяющих биологические характеристики клеток (плоидность, уровень метаболитов, интен­сивность дыхания и другие процессы обмена веществ).

Модифицирующие факторы пытаются использовать в радиоте­рапии, например, избирательно повышая радиочувствительность опухолевых клеток, и в защите организма от радиации.

Воздействия, изменяющие радиочувствительность, способству­ют выяснению механизмов лучевого поражения клеток. Если ка­кой-либо из внутриклеточных процессов подвергается модифика­ции и при этом меняется устойчивость клеток к облучению, ло­гично предполагать связь этого процесса с механизмом лучевого поражения.

Первичные физико-химические процессы в облученной клетке.

Анализ первичных физико-химических процессов, протекающих в облученной клетке, имеет первостепенное значение для созда­ния общей теории биологического действия ионизирующих излучений.

Из модельных экспериментов построили качественную картину физико-химических процессов, возникаю­щих в живой клетке, поглотившей энергию ионизирующей радиа­ции, которая сводилась к следующему:

1)Ионизирующие частицы, пронизывающие высокоорганизованную микрогетерогенную струк­туру живой клетки, с определенной вероятностью передают часть своей энергии отдельным молекулам, расположенным вдоль тре­ков частиц. Молекулы, поглотившие энергию излучения, перехо­дят в различные возбужденные состояния, часть которых закан­чивается ионизацией. Вероятность переноса энергии к молекуле не зависит от ее химической структуры, она определяется сум­марной электронной плотностью. Возбужденными и иони­зированными в равной мере могут оказаться белки и нуклеино­вые кислоты, липиды и углеводы, молекулы воды и различные низкомолекулярные органические соединения. Результатом этой физической стадии служит возникновение ионизированных и возбужденных молекул, неравномерно распре­деленных вдоль треков ионизирующих частиц.

2) Процессы, связанные с внутримолекулярной миграцией энер­гии и диффузией радикалов воды, различными межмолекулярны­ми перестройками возбужденных и ионизированных клеточных структур, относятся ко второй физико-химической стадии действия излу­чения на клетку.

3) Возникающие первичные продукты, как правило, неустойчивы и быстро претерпевают вторичные превращения, приводящие к образованию био­радикалов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой. Взаимодействие биорадикалов друг с другом и с окружаю­щими молекулами должно привести к возникновению стойких молекулярных изменений - разнообразных повреждений в структуре молекул, составляющих живую клетку. Эта стадия получила название химической. Исходя из результатов модельных экспериментов можно ожи­дать, что под действием излучения произойдет нарушение пер­вичной структуры белков (селективное разрушение отдельных аминокислот), изменится их вторичная структура, нарушится конформация и, возможно, структура активного центра фермен­тов. В нуклеиновых кислотах (возникнут одно- и д-вухнитевые разрывы полинуклеотидных цепей, разрушатся некоторые азо­тистые основания, возникнут межмолекулярные сшивки (ДНК—ДНК, ДНК—белок). Могут оказаться пораженными молекулы иРНК, тРНК и рибосомы. В липидах мембран будут инициироваться реакции свободнорадикальиого перекисного окис­ления, накапливаться токсические для клетки продукты окисле­ния тканевых липидов.

4) Различные структурные повреждения молекул клетки могут привести к разнообразным функциональным нарушениям, со­ставляющим последнюю, биологическую, стадию действия излу­чения.

Анализ механизмов лучевого поражения клеток.

Исследование биологической реакции клеток на облучение, количественная характеристика лучевого поражения, изучение физико-химических процессов в облученной клетке — все эти ис­следования служат основой для построения общей теории, рас­крывающей механизм действия ионизирующих излучений на жи­вую клетку. Для объяснения радиобиологических феноменов могут быть сформули­рованы следующие априорные предположения о механизмах по­ражающего действия радиации на клетку.

1)Существует уникальная структура — мишень, поражение которой .вследствие поглощения энергии излучения однозначно приводит клетку к гибели. Вероятностный характер гибели кле­ток определяется вероятностью .переноса энергии излучения к со­ответствующей мишени.

2) Существуют уникальные структуры — мишени, поражение которых само по себе не летально. Фатальные для клетки послед­ствия возникают позднее, когда накопится достаточное количест­во дефектных продуктов цепи сопряженных биологических реакций, протекающих с участием пораженных мишеней.

3) Гибель клетки не связана с повреждением уникальных мише­ней энергией ионизирующей радиации, а происходит в результате дисперсного поражения, которое может развиваться за счет физи­ко-химических механизмов усиления.

4) Нельзя исключить и совместное проявление перечисленных выше механизмов. Относительный вклад каждого из них опреде­ляется условиями облучения, величиной поглощенной дозы, осо­бенностями строения и метаболизма изучаемых клеток. Высказанные выше соображения касались механизмов разви­тия, начального радиационного поражения. Последнее десятилетие ознаменовалось крупнейшим открытием не только для радиацион­ной биологии, но и для молекулярной биологии в целом. Доказано существование ферментативных систем, способных репарировать начальные радиационные повреждения генетического аппарата клетки. Изучение биохимических механизмов репаративных про­цессов показало, что облученные клетки способны выщеплять по­врежденные азотистые основания, воссоединять разрывы поли-нуклеотидных цепей ДНК. Постепенно перед исследователями начинает развертываться сложная картина «борьбы» облученной клетки за выживание и сохранение нативных свойств путем акти­вации репарирующих систем.

Восстановление от радиационного повреждения.

Среди радиобиологов довольно давно сложилось представле­ние о том, что организмы способны избавляться по крайней мере от части нанесенных им радиационных повреждений. На это ука­зывали следующие эксперименты. Гибель организмов, задержка деления, различные морфологические и биохимические эффекты облучения некоторой дозой радиации уменьшаются, если эта доза сообщается в виде отдельных фракций с достаточным промежут­ком времени между ними. Возможно, перерыв между отдельными фракциями облучения используется для ликвидации ряда повреж­дений. Аналогичное уменьшение лучевого поражения наблюдают и в том случае, когда данную дозу радиации сообщают объекту в течение длительного времени, т. е. при малой мощности дозы. Этот эффект можно объяснить тем, что решающей оказывается скорость нанесения повреждений. Если она соизмерима со ско­ростью и эффективностью работы восстановительных систем, то организм окажется в состоянии исправлять возникающие повреж­дения, не допуская их реализации. Группа фактов связана с раз­личными воздействиями на уже облученные биологические объек­ты. Варьируя состав питательной среды, освещенность, темпера­туру во время инкубации, газовый состав атмосферы и другие факторы, удается значительно снизить поражающее действие радиации. Ни один из этих факторов не в состоянии повлиять на степень начального радиационного повреждения, поэтому естест­венным выглядит предположение о том, что в данном случае соз­даются оптимальные условия для протекания восстановительных процессов.

Согласно принятому определению, восстановление — это про­цесс ликвидации явного или скрытого повреждения. При явном повреждении восстановление заключается в возврате исходных свойств объекта после периода, в течение которого они вследствие облучения были изменены. При скрытом повреждении восстанов­ление состоит в утрате способности к реализации повреждения.

Пострадиационное восстановление можно рассматривать на различных уровнях анализа — молекулярном, клеточном и популяционном. При этом причинная связь между тремя уровнями восстановления далеко не всегда очевидна.

36

ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА ЦЕЛОСТНЫЙ ОРГАНИЗМ

Для выявления механизмов действия радиации на многоклет-ые организмы проводят исслед-я на клеточном и субклеточном уровне. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток лежит в основе дегенерации и атрофии различных органов и тканей. Поражение субклеточных структур и нарушение обмена веществ в отдельных клетках оказывает влияние на функционирование организма и поддержание гомеостаза. Но реакция сложного организма на радиационное воздействие не сводится к простой сумме клеточных и субклеточных эффектов. Возникающие изменения взаимосвязаны, затрагивают весь организм в целом, могут опосредоваться за счет особых механизмов, присущих только таким сложным и высокоинтегрированным системам, какими являются многоклеточные организмы. В настоящее время, несмотря на обилие фактического материала, радиобиологией все еще не получен однозначный ответ на вопрос о ведущих механизмах поражающего действия радиации на отдельные клетки и тем более на многоклеточные организмы.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ Биологическая эффективность ионизирующих излучений необычайно высока. По глубине и силе воздействия на организмы ионизирующая радиация значительно превосходит все известные виды излучений. В настоящее время можно с уверенностью заключить, что нет ни одного организма, который не мог бы быть убит ионизирующим излучением, нет такой жизненной функции, которая не подавлялась бы в результате радиационного воздействия. Существуют глубокие различия в чувствительности различных организмов к действию радиации. Так, млекопитающие гибнут после облучения в дозе 1—10 Гр, а другие позвоночные — только после облучения в дозах, составляющих десятки и сотни грэй. Значительные вариации радиочувствительности были обнаружены как при переходе от одного таксона к другому, так и внутри каждой филогенетической группы Наблюдаемые различия в устойчивости организмов к действию радиации невозможно объяснить какими-либо физическими особенностями поглощения энергии излучения их тканями. Как известно, эффективность поглощения определяется электронной плотностью поглотителя, а она примерно одинакова для всех тканей и организмов. Следовательно, объяснение следует искать не в физических, а в биологических особенностях объектов, в характере их структурной и функциональной организации, в адаптивных и регенераторных возможностях, в специфичности протекания начальных реакций усиления и репарации первичных радиационных повреждений, в интенсивности метаболических и пролиферативных процессов и в ряде других уникальных факторов, присущих только живому организму. В настоящее время термином «радиочувствительность» обозначают величину, обратную отношению доз ионизирующего излучения, вызывающих количественно равные эффекты одного типа в сравнимых биологических системах. Наряду с радиочувствительностью используют альтернативные понятия — «радиорезистентность» или «радиоустойчивость». Наиболее распространенным интегральным показателем радиочувствительности, применимым к организмам различного уровня сложности, служит степень выживаемости (или другой показатель, однозначно связанный с выживаемостью). Чаще всего для этой цели используют летальную дозу, вызывающую гибель 50 или 100% особей в облученной популяции, так называемую дозу LD(50) или LD(100) соответственно. При определении радиочувствительности большинства млекопитающих ограничиваются определением выживаемости животных к 30-му дню после облучения. Этот срок выбран в связи с тем, что острый период лучевой болезни у млекопитающих обычно заканчивается в первый месяц после радиационного воздействия. Для других объектов временной интервал выбирают в соответствии со средней продолжительностью жизни облученных организмов. Вирусы :полиомы - LD(50)=7000Гр ;Бактерии: E. Coli - LD(50)=50-100Гр ;Простейшие: амебы Difftugia - LD(50)=2000Гр ;Позвоночные: Змеи - LD(50)=80-200Гр, Голуби - LD(50)=25-30Гр; Человек - LD(50)=2,5-4Гр

Наряду с генетически детерминированными различиями в устойчивости к радиации радиобиологам хорошо известны и активно исследуются явления искусственно модифицированной радиочувствительности. Изменяя газовый состав атмосферы и температуру во время облучения, замораживая объекты или изменяя содержание воды в них, удается значительно изменить их устойчивость к радиации. Кроме того, обнаружен широкий спектр химических воздействий, способных усилить или ослабить действие радиации на организмы. Устойчивость к радиации может модифицироваться не только за счет внешних химических и физических воздействий, но и при изменении диеты, интенсивности обменных процессов, в ходе онтогенетического развития. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МЛЕКОПИТАЮЩИХ, ОСТРАЯ И ХРОНИЧЕСКАЯ ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ

Поглощение организмом млекопитающего энергии ионизирующей радиации вызывает разнообразные морфологические и функциональные изменения, приводит к развитию острой или хронической формы лучевой болезни, которая заканчивается гибелью организма или выздоровлением, хотя в последнем случае нельзя исключить возникновения отдаленных последствий, таких, как рак, катаракта, уменьшение продолжительности жизни и др. Характер постлучевых нарушений зависит от условий облучения — общее или локальное, однократное или хроническое, а также от вида используемого излучения, мощности дозы и ее распределения во времени. В последние годы все более интенсивно исследуется стимулирующее действие на организм малых доз радиации. Вполне возможно существование таких малых доз радиации, при которых вероятность повреждения организма весьма мала, однако регулирующие механизмы, в силу их высокой радиочувствительности, уже отвечают на облучение стимуляцией ряда процессов, благоприятных для роста я развития организма. Поглощение организмом млекопитающего до 10 Гр ионизирующего излучения вызывает появление многообразных симптомов острой лучевой болезни. Широкую известность лучевая болезнь получила после трагических событий в Хиросиме и Нагасаки в августе 1945 г. Среди жителей, уцелевших после атомной бомбардировки, наблюдали тяжелое заболевание, сопровождающееся лихорадочным состоянием, выпадением волос, глубоким нарушением картины крови, поражением эпителия кишечного тракта и др. Потребовалось несколько лет, чтобы доказать связь этого заболевания с поражающим действием ионизирующих излучений.

Острая лучевая болезнь Рассмотрим основные проявления острой лучевой болезни, возникающей в результате общего однократного, относительно равномерного облучения в диапазоне поглощенных доз 1 Дж/кг и более1. Различают следующие степени тяжести острой лучевой болезни: легкая (первая) степень — от 1 до 2,5 Дж/кг; средняя (вторая) степень — от 2,5 до 4 Дж/кг; тяжелая (третья) степень — от 4 до 10 Дж/кг; крайне тяжелая (четвертая) степень — от 10 Дж/кг и выше. В развитии острой лучевой болезни отмечается три периода: период формирования, период восстановления и период исходов и последствий. Период формирования острой лучевой болезни состоит из четырех фаз: фаза первичной реакции; фаза кажущегося клинического благополучия (латентная, или скрытая, фаза); фаза выраженных клинических проявлений (фаза разгара болезни); фаза непосредственного восстановления. Фаза первичной реакции проявляется при общем облучении организма в дозах, превышающих 2 Дж/кг, и возникает в зависимости от дозы в первые часы или даже минуты после облучения. Она сопровождается потерей аппетита, тошнотой, рвотой, головной болью, общей слабостью. При высоких дозах, приближающихся к 10 Дж/кг, наблюдается развитие шокоподобного состояния с падением артериального давления, кратковременная потеря сознания, субфибрильная температура, расстройство желудочно-кишечного тракта; появляются признаки нервно-рефлекторных нарушений; изменяется картина крови. Фаза первичной реакции может протекать в течение нескольких дней. Фаза кажущегося клинического благополучия характеризуется отсутствием выраженных клинических симптомов. Длительность этой фазы находится в обратной зависимости от величины поглощенной дозы, а при дозе свыше 10 Дж/кг, т. е. при крайне тяжелой степени лучевого поражения, фаза кажущегося клинического благополучия вообще отсутствует. Смена первичной реакции латентным периодом объясняется включением в патологический процесс защитных механизмов организма. Однако в этот период развивается поражение кроветворных органов — костного мозга, селезенки, лимфоидных тканей; обнаруживается лимфопения, начальное снижение содержания в крови нейтрофилов, в дальнейшем — уменьшение уровня тромбоцитов и ретикулоцитов. Фаза выраженных клинических изменений сменяет латентный период. Самочувствие больных резко ухудшается, повышается температура тела, нарастает слабость. Фазу выраженных клинических изменений часто называют разгаром болезни. В этот период появляется либо весь симптомокомплекс лучевой болезни, либо различные комбинации отдельных ее симптомов; могут нарушаться все основные физиологические и биохимические процессы. Значительное место принадлежит проявлениям геморрагического синдрома (кровоточивость), в значительной степени определяющего тяжесть лучевой болезни, характер течения и нередко исход. В зависимости от величины поглощенной дозы радиации и индивидуальной реакции организма на облучение наступает либо терминальная фаза, либо фаза непосредственного восстановления (она может наблюдаться при облучении в дозах ниже 7 Дж/кг).

Хроническая лучевая болезнь возникает при продолжительном облучении организма в малых дозах. Два основных варианта синдромов: 1 — обусловленный общим облучением и 2 — обусловленный местным облучением. Первый вариант хронической лучевой болезни может быть следствием длительного общего, относительно равномерного или неравномерного облучения. В радиобиологической литературе описаны многочисленные случаи хронической лучевой болезни при внешнем я инкорпорированном облучении, которые могут представлять собой и промежуточные синдромы, возникающие при сочетании различных способов и видов облучения. Второй вариант хронической лучевой болезни может быть вызван облучением отдельных участков тела при воздействии радиоактивных изотопов с избирательным распределением по органам и тканям, а также при местном внешнем облучении. Клинические проявления хронической лучевой болезни, в отличие от острого лучевого поражения, более растянуты во времени, и также характеризуются фазностью течения, связанной с динамикой поглощения органами и тканями организма энергии ионизирующей радиации. Хроническая лучевая болезнь развивается при суммарных дозах 0,7—1,0 Дж/кг и мощности излучения 0,001— 0,005 Дж/кг за одни сутки. Она характеризуется медленным нарастанием дистрофических изменений и возможностью сохранения в течение длительного времени репаративных процессов. Условно отмечают три степени заболевания: легкая, средняя и тяжелая хроническая лучевая болезнь. Клиническая очерченность второго варианта хронической лучевой болезни выражена слабо для разграничения отдельных периодов; при данном варианте синдрома местные тканевые изменения преобладают над общими реакциями организма.

ИЗМЕНЕНИЯ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ ОБЛУЧЕННЫХ ЖИВОТНЫХ В ответных реакциях организма на действие ионизирующей радиации условно можно выделить три последовательно развивающихся во времени стадии: физические реакции, биофизические процессы и общебиологические изменения. Согласно структурно-метаболической теории, развиваемой А. М. Кузиным, лучевое поражение инициируется множественными начальными актами поглощения энергии ионизирующей радиации в организме; наиболее важная роль в развитии начальных процессов лучевого поражения отводится первичным повреждениям микрогетерогенных структур и гетерогенной метаболической организации биологических систем. Дальнейшее развитие лучевого поражения приводит к сложным структурным и функциональным нарушениям в организме. В период разгара болезни все ярче проявляются так называемые общебиологические изменения, включающие в себя биохимические, физиологические и морфологические нарушения в органах и тканях. Однако не все общебиологические изменения в организме представляют собой непосредственную реакцию на облучение. В зависимости от дозы радиации и от времени, прошедшего после облучения, проявляется все большее количество патологических процессов, которые в конечном итоге могут привести к гибели организма, или происходит постепенное восстановление нарушенных процессов и структурных изменений. Установлено, что разные органы и ткани сильно различаются по своей чувствительности к ионизирующей радиации, а также по роли в лучевой патологии и конечном исходе болезни. По морфологическим изменениям их радиочувствительность располагается (по степени убывания чувствительности) в такой последовательности: 1 — органы кроветворения; 2 — половые железы; 3 — слизистые оболочки, слюнные, потовые и сальные железы, волосяные сосочки, эпидермис; 4 — желудочно-кишечный тракт; 5 — печень;. 6 — органы дыхания; 7 — железы внутренней секреции (надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы, паращитовидная железа); 8 — органы выделения; 9 — мышечная и соединительная ткани; 10 -— соматические костная и хрящевая ткани; 11 — нервная ткань. Однако для правильной оценки степени чувствительности тканей к радиации одних только этих признаков недостаточно. Так, нервная ткань, являющаяся по морфологическим признакам радиорезистентной, в функциональном отношении чувствительна к облучению. Известно, например, что у облученных животных заметно нарушается условно-рефлекторная деятельность, которая может сохраняться в течение длительного периода после облучения.

ОПОСРЕДОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. Радиотоксины, их природа и роль в лучевом поражении. Поражение органов и тканей облученного организма может быть следствием репродуктивной и интерфазной гибели клеток, непосредственно поглотивших энергию ионизирующего излучения. Повреждение некоторых клеток может полностью или частично восстанавливаться, часть клеток или многоклеточных систем в результате поглощения ионизирующих частиц претерпевает различные морфологические, физиологические и биохимические измерения, вырабатывает аномальные метаболиты или утрачивает способность удерживать биологически активные вещества в естественных депо. Все это способно усиливать лучевое поражение облученных элементов в организме и, возможно, вызывать (различные патологические изменения тех органов и тканей, которые не оказались пораженными непосредственным радиационным воздействием. Таким образом, мы приходим к признанию возможности опосредованного эффекта ионизирующей радиации в сложном многоклеточном организме. О возможности опосредованного действия радиации в многоклеточных организмах (животных и растительных) свидетельствуют такие хорошо известные факты:

1. При тотальном облучении организма морфологические, физиологические и биохимические нарушения в каком-либо органе выражены значительнее, чем в случае локального облучения этого же органа эквивалентной дозой радиации.

2. Гибель и исчезновение клеток костного мозга происходят не только в облученных, но и в экранированных зонах, защищенных от радиационного воздействия. Термин «радиотоксины» был впервые предложен П. Д. Горизонтовым в 1958 г. для обозначения различных неидентифицированных гуморальных веществ, возникающих в тканях облученных животных и относящихся к аномальным метаболитам, а также к продуктам нормального метаболизма, но накапливающимся в облученном организме в избыточном количестве. Основным характерным признаком этих разнообразных веществ служит их способность вызывать или усиливать проявления лучевой болезни в связи с их токсическим действием на биологические системы и объекты. Таким образом, постулируется многофакторный характер опосредованного эффекта ионизирующей радиации, хотя следует иметь в виду, что далеко не все радиотоксины (в соответствии с данным определением) способны вызывать или усиливать лучевые нарушения в организме. Токсические агенты можно разделить на «первичные» и «вторичные» по времени их образования и характеру биологического действия. В 1966 г. А. М. Кузин отмечал, что для понимания начальных, пусковых механизмов радиобиологических эффектов особое значение приобретают исследования первичных радиотоксинов, т. е. веществ, индуцируемых облучением и способных реагировать с молекулами ДНК, нарушая их структуру и генетический код, воздействующих на биологические мембраны и изменяющих характер ферментативных реакций. Согласно этим предположениям первичные радиотоксины — это группа веществ, способных вызывать множественные повреждения в облученном организме и непосредственно участвовать в формировании отдельных радиобиологических эффектов. Вторичные радиотоксины согласно такой схеме появляются на более поздних этапах формирования лучевого поражения в результате глубоких биохимических и физиологических изменений. Они представляют интерес для понимания терминальных этапов лучевого токсического эффекта. В большом числе экспериментальных исследований, выполненных А. М. Кузиным и его сотрудников A958—1980), было доказано образование в облученных тканях радиотоксинов типа

хинонов и семихинонов — продуктов аномального метаболизма, возникающих в результате усиления окислительных процессов под действием радиации. Изучение спектра токсического действия хинонов и хиноноподобных веществ позволила А. М. Кузину сформулировать общую теорию, отводящую этим радиотоксинам важную роль в опосредованном действии радиации на организм.

Продукты перекисного окисления липидов (1956 г. Ю. Б. Кудряшов опубликовал сообщение о том, что в тканях облученных животных обнаруживаются токсические вещества липидной природы, относящиеся к фракции свободных ненасыщенных жирных кислот. Химическую природу липидных токсических веществ, образующихся при лучевом поражении в клетках, органах и тканях животных и растений, удалось установить с помощью методов тонкослойной и газожидкостной хроматографии и полярографии. Оказалось, что эти вещества представляют собой гидроперекиси, перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны свободных ненасыщенных жирных кислот. Было установлено, что липидные перекиси, накапливаясь в аномальных количествах, вызывают многочисленные морфологические, физиологические и биохимические изменения, по существу не отличающиеся от нарушений, наблюдаемых при соответствующих формах лучевого поражения: острейшей, острой и хронической.

МОДИФИКАЦИЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

В предыдущей главе при рассмотрении сравнительной радиочувствительности мы могли убедиться в том, что различные организмы в сотни и тысячи раз различаются по степени чувствительности к радиационному воздействию. Помимо генетически детерминированных различий, наблюдаемых у объектов из разных филогенетических групп, возможны значительные вариации радиочувствительности у особей одного вида, находящихся в неодинаковых условиях питания, аэрации, температуры и т. д. Кроме того, степень лучевого поражения организмов связана с возрастом, полом, физиологическим состоянием, интенсивностью пролиферативных процессов, активностью метаболических систем и другими факторами. За счет различных внешних воздействий может быть достигнута избирательная регуляция многих перечисленных процессов. Это создает предпосылку для модификации радиочувствительности организмов.

В облученном организме наряду с развитием первичных радиационных повреждений протекают восстановительные процессы, включающие репарацию повреждений ДНК и хромосом, восстановление сублетальных повреждений клеток, размножение и дифференцировку непораженных стволовых клеток и другие, пока еще малоизученные, эффекты. Установлено, что целый ряд химических веществ может влиять на характер и интенсивность протекания репаративных процессов, что создает еще одну предпосылку для направленной модификации радиочувствительности организмов. И наконец, широкие перспективы искусственной модификации радиочувствительности открывают результаты биофизических исследований на молекулярном и субклеточном уровнях. Биофизический анализ позволил установить причинную связь между степенью лучевого поражения организмов и характером начальных физико-химических процессов, включающих миграцию поглощенной энергии излучения, радиолиз воды и органических молекул, перекисное окисление липидов, реакции свободнорадикальных продуктов, формирование структурных повреждений ДНК, белков, липидов и других жизненно важных макромолекул и молекулярных комплексов в клетке. Интенсивность и характер протекания перечисленных процессов зависят от присутствия в облучаемой системе молекул-примесей и кислорода, от степени агрегации макромолекул и адсорбции на них низкомолекулярных соединений и других компонентов того химического «фона», на котором развертываются начальные физико-химические реакции, предопределяющие биологические эффекты облучения. Различными внешними воздействиями, в первую очередь введением в организм ряда химических соединений, можно прямо или опосредованно создать в клетках и тканях условия, способствующие или затрудняющие реализацию лучевых повреждений, и таким образом либо понизить устойчивость биологических объектов к действию радиации, либо сделать их более радиорезистентными.

УСИЛЕНИЕ ПОРАЖАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ Проблема усиления эффективности радиационного воздействия химическими соединениями привлекает внимание широкого круга исследователей. Ее важность определяется двумя основными причинами: во-первых, использование соединений, влияющих на конкретные процессы и структуры по известному механизму и усиливающих лучевое поражение, может выявить критические мишени, ответственные за гибель клетки; во-вторых, знание способов увеличения радиочувствительности клеток в различных условиях может привести к установлению путей, повышающих эффективность лучевой терапии опухолей. Доэрти и Барнеттом в 1955 г. термином «сенсибилизация» было названо усиление лучевой реакции, обусловленное соответствующими воздействиями до и во время облучения. Вещества, обладающие таким действием, получили название радиосенсибилизаторов. Однако при усилении эффекта радиационного воздействия химическими соединениями различают: 1) синергетическое действие (потенцирование), когда комбинированный эффект двух агентов, выше, чем суммарное действие каждого из них, определенное в отдельности; 2) аддитивное действие, при котором комбинированное действие двух агентов равно сумме эффектов, вызываемых каждым из них в отдельности (в этих случаях подразумевается, что химические соединения сами оказывают определенное действие); 3) сенсибилизация, когда химическое соединение само неактивно, но при совместном действии с облучением увеличивает его эффективность. Предполагается, что истинная радиосенсибилизация ограничена временем, т. е. обусловлена влиянием на радиационно-химические процессы. В настоящее время более широко применяется термин «усиление эффективности облучения», под которым понимается любое воздействие до, во время или после- облучения, приводящее к усилению эффекта сверх аддитивного. К сожалению, не всегда можно выявить, в какой момент и каким образом воздействовало данное соединение: произошло ли увеличение повреждаемости, изменилась ли реализация повреждений на радиационно-химическом уровне или репарация повреждений. В конечном итоге усиление эффективности облучения сводится к одному из этих явлений или к их комбинации, выражающейся на молекулярном и клеточном уровнях. Основываясь на клеточных параметрах, можно указать основные пути усиления действия облучения. 1. Увеличение радиочувствительности отдельных клеток. 2. Синхронизация клеток и облучение популяции в радиочувствительной фазе жизненного цикла. 3. Воздействие на репарацию повреждений на молекулярном и клеточном уровнях. Это разделение весьма условно, так как одно и то же химическое соединение может одновременно действовать по всем механизмам: изменяя структуру ДНК и увеличивая ее повреждаемость, вызывая синхронизирующий эффект и подавляя активность систем репарации

ХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОРГАНИЗМОВ ОТ ЛУЧЕВОГО ПОРАЖЕНИЯ

В 1949 г. в двух лабораториях мира, независимо друг от друга, было сделано важное открытие: X. Патт с сотрудниками обнаружил, что цистеин защищает крыс от лучевого поражения, а 3. Бак и А. Эрв сообщили о радиозащитном действии цианида в опытах на мышах. Эти работы стимулировали поиск радиозащитных соединений среди различных классов химических веществ. В 1950 г. Г. Лимперс и В. Мошер получили данные о защите мышей от действия ионизирующей радиации с помощью тиомочевины; в начале 50-х гг. в лаборатории 3. Бака выявлены противолучевые свойства цистеамина, серотонина, гистамина, триптамина, норадреналина, тирамина. Все исследованные препараты были эффективны только при введении животным до облучения, поэтому они получили название радиопротекторов, а противолучевая защита — радиопрофилактической. К 1965 г. было изучено около трех тысяч химических соединений, однако наибольший радиопрофилактический эффект вызывали представители лишь двух классов — аминотиолов и индолилалкиламинов. Уже первые работы по химической защите животных от поражающего действия ионизирующей радиации показали, что эффект защиты наблюдается в тех случаях, когда радиопротектор вводится в организм незадолго до облучения; противолучевая активность снижается по мере увеличения интервала времени между введением препарата и облучением биологического объекта. Хотя интервал времени для получения эффективной защиты небольшой (обычно он составляет 5—15 мин), было установлено, что этого времени достаточно для проникновения протектора в ткани животного и присутствия его в процессе облучения (Бак, 1968). При оценке продолжительности радиозащитного действия вводимых в организм веществ учитывается также длительность лучевого воздействия, которая зависит от мощности дозы облучения. Необходимость присутствия радиопротектора в системе до и во время облучения ионизирующей радиацией (в данной книге рассматриваются эффекты при действии общего однократного облучения редкоионизирующей радиацией) позволила предположить, что механизмы радиопрофилактического эффекта могут быть связаны с первичными реакциями лучевого поражения и что действие радиопротекторов направлено на предотвращение или снижение процессов радиолиза молекул.

37

Электроника - область науки и техники, в которой рассматриваются работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов.

Одно из распространенных применений электронных устройств связано с диагностикой и лечением заболеваний. разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных систем для решения медико-биологических задач, а так же устройство соответствующей аппаратуры, получили название медицинской электроники.

Медициские электронные приборы:

1.устройства для получения,передачи и регистрации медико-биологической информации.(диагностическая аппаратура- реографы)

2. электронные устройства, обеспечивающие дозирующее действие на организм различными физическими факторами.(ультразвук,электромагнитные поля) с целью лечения. Кардиостимуляторы.

3. Кибернетические электронные устройства- компьюторные системы и устройства для обработки, хранения, анализа медико биологической информации. Электронные модели биологических объектов.

Структурная схема электронных систем получения медико-биологической информации.

Для того чтобы получить и зафиксировать информацию о состоянии и параметрах МБ системы, необходимо иметь целую совокупность устройств.

Первичный элемент этой совокупности - чувствительный элемент средства измерений -устройство съема,- контактирует с самой системой, остальные элементы находятся обычно обособленно от МБ системы, в некоторых случаях части измерительной системы могут быть даже отнесены на значительные расстояния от объекта измерения.

Структурная схема измерительной цепи изображена на рисунке. Это общая схема и отображает все возможные реальные системы, применяемые в медицине для диагностики и исследования. В устройствах медицинской электроники чувствительный элемент либо прямо выдает электрический сигнал, либо изменяет таковой под воздействием биологической системы. Т.о. устройство съема преобразует информацию МБ и физиологического содержания в сигнал электронного устройства. В мед. электронике используются два вид устройств съема: электроды и датчики.

Завершающим элементом измерительной цепи в медицинской электронике является средство измерений, которое отображает или регистрирует информацию о биологической системе в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Во многих случаях между устройством съема и средством измерений имеются элементы, усиливающие начальный сигнал и передающие его на расстояние.

В структурной схеме Х означает некоторый измеряемый параметр биологический системы, например давление крови. Буквой У обозначена выходная величина, например сила тока на измерительном приборе или смещение писчика на бумаге регистрирующего прибора. Для получения количественной информации о биологической системе должна быть известна зависимость Y = f(X).

Электроды для съема биоэлектрического сигнала-это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткать. При применении электродов используют марлевые повязки смоченные физиологическим раствором-для уменьшения переходного сопротивления.электроды делятся на следующие групп:

*Для кратковременного применения в кааб. Функц. диагностики(разовое снятие кардиограмм)

*Для длительного применения(на тяжело больных)

*На подвижных обследуемых

*Для экстренного применения(скорая помощь)

Датчики МБИ Давление крови, температура, пульс-если к ним удобнее подойти как к неэлектрической величине, то в этих случаях используются датчики - устройство преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования и регистрации. Датчики преобразуют неэлектрическую величину в электрический сигнал. Д. делятся на генераторные и параметрические. Генераторные - под воздействием измеряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение и ток(индукционные, электромагнитная индукция) параметрические -под воздействием измеряемого сигнала изменяют какой-либо свой параметр.(емкостные)

Передача сигнала.Снятый и усиленный электрический сигнал необходимо передать к измирительному прибору.оч.часто электроды и датчики,усилитель и регистрирующее устройство-единое целое. Связь между устройством съема и регистрирующим приборомосуществляется по проводам.

Аналоговое регистрирующее устройство.Конечным элементом тех.схемы, является измерительное устройство, отовражающее или регистрирующее МБИ- они фиксируют информацию на каком либо носителе,что позволяет документировать, хранитьЮ, многократно использовать, обрабатывать и анализировать полученную МБИ. Наиболее распространены в практике МБ исследований аналоговые регистрирующие устройства(самописцы)они пребразуют электрический сигнал в механическое перемещение. Физически они являются гальванометрами –высокочувствительными электроизмерительными приборами, реагирующими на достаточно малую силу тока. В этих приборах ток проходящий по катушкам, прволочной рамке или петле, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате этого взаимодействия подвижная часть отклоняется пропорционально силе тока, т. Е. пропорционально электрическому сигналу. С подвижной частью соединен пишущий элемент, оставляющий след на движущемся носителе записи: спец. Капиллярное перо, либо стеклянный капилляр с соплом в струйном самописце, либо зеркальце, отражающее луч света.

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

38

Датчики медико-биологической информации

Многие медико-биологические характеристики нельзя «снять» электродами, так как они не отражаются биоэлектрическим сигналом: давление крови, температура, звуки сердца и многие другие. В некоторых случаях медико-биологическая информация связана с электрическим сигналом, однако к ней удобнее подойти как к неэлектрической величине (например, пульс). В этих слу­чаях используют датчики (измерительные преобразователи). Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. Датчик, к кото­рому подведена измерительная величина, т. е. первый в измери­тельной цепи, называется первичным. В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контроли­руемую неэлектрическую величину в электрический сигнал. Использование электрического сигнала предпочтительнее, чем иных, так как электронные устройства позволяют сравнительно несложно усиливать их, передавать на расстояние и регистри­ровать. Датчики подразделяются на генераторные и параметрические. Генераторные — это датчики, которые под воздействием изме­ряемого сигнала непосредственно генерируют напряжение или ток. Укажем некоторые типы этих датчиков и явления, на которых они основаны: 1) пьезоэлектрические, пьезоэлектриче­ский эффект ; 2) термоэлектрические, термоэлектри­чество; 3) индукционные, электромагнитная индук­ция; 4) фотоэлектрические, фотоэффект.

Параметрические — это датчики, в которых под воздействием измеряемого сигнала изменяется какой-либо параметр. Укажем некоторые типы этих датчиков и измеряемый с их помощью параметр: 1) емкостные, емкость; 2) реостатные, омическое со­противление; 3) индуктивные, индуктивность или взаимная ин­дуктивность. В зависимости от энергии, являющейся носителем информа­ции, различают механические, акустические (звуковые), темпера­турные, электрические, оптические и другие датчики. В некоторых случаях датчики называют по измеряемой величине; так, например, датчик давления, тензометрический датчик (тензодатчик) — для измерения перемещения или дефор­мации и т. д.

Приведем возможные медико-биологические применения ука­занных типов датчиков (табл. 24).

Датчик характеризуется функцией преобразования — функцио­нальной зависимостью выходной величины у от входной х, которая описывается аналитическим выражением у=f(x). Наиболее простым и удобным случаем является прямо про­порциональная зависимость y = kx.

Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на изменение входной:

Z=Δx/Δy

Таблица 24

Обозначения: АД — артериальное давление крови, БКГ — баллистокардиограмма, ФКГ — фонокардиограмма, ОГГ — оксигемография, Т — температура, ДЖ— давление в желудочно-кишечном тракте.

Чувствительность последовательной совокупности датчиков рав­на произведению чувствительности всех датчиков. Существенны временные характеристики датчиков. Дело в том, что физические процессы в датчиках не происходят мгновенно, это приводит к запаздыванию изменения выходной величины по сравнению с изменением входной. Аналитически такая особенность приводит к зависимости чувствительности дат­чика от скорости изменения входной величины dx/dt или от частоты при изменении х по гармоническому закону.

При работе с датчиками следует учитывать возможные, спе­цифические для них погрешности. Причинами погрешностей могут быть: 1) температурная зависимость функции преобра­зования; 2) гистерезис — запаздывание у от х даже при медлен­ном изменении входной величины, происходящее в результате необратимых процессов в датчике; 3) непостоянство функции преобразования во времени; 4) обратное воздействие датчика на биологическую систему, приводящее к изменению показаний; 5) инерционность датчика (пренебрежение его временными характеристиками) и др. Конструкция датчиков, используемых в медицине, весьма разнообразна: от простейших (типа термопары) до сложных доплеровских датчиков. Опишем в виде примера весьма простой датчик частоты дыхания — реостатный (резистивный). Этот датчик (рис. 21.5) выполнен в виде резиновой трубки 1, которая заполнена мелким угольным порошком 2. С торцов трубки вмонтированы электроды 3. Через уголь можно пропус­кать ток от внешнего источника 4. При растяжении трубки увеличивается длина и уменьшается сечение столбика угля согласно формуле R=ρl/S, где ρ — удельное сопротивление угольного порошка.

Таким образом, если трубкой опоясать грудную клетку или, как это обычно делается, прикрепить к концам трубки ремень и охва­тить им грудную клетку, то при вдохе трубка растягивается, а при выдохе — сокращается. Сила тока в цепи будет изменяться с часто­ той дыхания, что можно зафикси­ровать; используя соответствующую измерительную схему. В заключение отметим, что датчики являются техническими аналогами рецепторов биологических систем.

Усиление биоэлектрических сигналов

Усилителями электрических сигналов или электрон­ными усилителями называют устройства, увеличиваю­щие эти сигналы за счет энергии постороннего источ­ника. Прямое, непосредственное измерение биоэлектрического сигнала или сигнала, созданного на выходе генераторного датчика, является трудновыполнимой задачей, так как эти сигналы обыч­но весьма малы. Именно поэтому в структурной схеме необходим усилитель электрических сигналов. Ради определенности проиллюстрируем особенности усиления медико-биологических электрических сигналов на примере био­электрических сигналов, т. е. тех сигналов, которые снимаются электродами с биологического объекта. Специфика усилителей биопотенциалов определяется следующи­ми основными особенностями этой разновидности электрических колебаний: 1) выходное сопротивление биологической системы совместно с сопротивлением электродов обычно достаточно вы­сокое; 2) биопотенциалы — медленно изменяющиеся сигналы; 3) биопотенциалы — слабые сигналы.

В электрофизиологии считают, что Rвх должно в 10—20 раз превышать наибольшее возможное значе­ние Ri.

Малая частота биологических электрических сигналов приво­дит к тому, что в цепях усилителя невозможно использовать конденсаторы, так как при малых частотах значительно возрас­тает емкостное сопротивление. Приходится исполь­зовать специальные усилители постоянного тока. Малость биопотенциалов побуждает использовать усилители с достаточно большим коэффициентом усиления, поэтому даже небольшие помехи, попадающие на вход усилителя, могут иска­зить полезный биоэлектрический сигнал и вызвать ложную ин­формацию. Помехами можно считать любые токи или напряже­ния на выходе усилителя при отсутствии на его входе полезного сигнала. От одних помех можно избавиться или уменьшить их влияние, усложнив и удорожив конструкцию усилителя. От других изба­виться в принципе невозможно, и поэтому приходится использо­вать каскад с небольшим коэффициентом усиления. Так, например, если усилительная схема питается от выпря­мителя с несовершенным фильтром, то возникает фон, соответ­ствующий периодичности тока городской электросети. Улучшение выпрямления, «сглаживание» пульсаций, устраняет этот фон.

Переменный ток городской сети может наводить э. д. с. вслед­ствие электромагнитной индукции в рядом расположенных усили­тельных цепях и биологических объектах. Экранирование усили­теля и проводников в его цепи, а также исследуемых систем, удаление этих элементов от проводников с переменным током позволяет устранить или уменьшить и эти помехи.

Если детали усилителя (электроды ламп, пластины конденса­торов и др.) будут колебаться, то это приведет к периодиче­скому изменению параметров схемы и, как следствие, к возник­новению случайных электромагнитных колебаний — микрофон­ный эффект. Укрепляя детали схемы и усиливая амортизацию, можно уменьшить или ликвидировать и помехи этого вида.

Большая группа помех получила название шумов. Шум слы­шен, например, в приемнике в виде шипения, треска и шороха. Особенно это заметно при большом усилении. Шум слышен лишь тогда, когда его частотные характеристики попадают в область 20 Гц — 20 кГц. Если графически изобразить зависимость силы тока или напряжения на выходе усилителя от времени, то даже при отсутствии сигнала на входе сила тока и напряжение не будут постоянны.

Усилители: по току, по напряжению, усилители мощности.

Обратная связь в электронных усилителях. Повторители. Для медико-биологических целей применяют усилители с глубокой отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь препятствует развитию, изме­нению процесса и стабилизирует его. Это важно и для электрон­ных устройств. Применительно к усилителю обратная связь означает воздейст­вие сигнала с его выхода на вход.

Возможная структурная схема усилителя с обратной связью изображена на рис. 22.18. Здесь цепь обратной связи подклю­чена к выходу усилителя параллельно его нагрузке; следователь­но, напряжение Uос обратной связи прямо пропорционально напряжению Uвых на выходе. Напряжение обратной связи во входной цепи включено последовательно с напряжением Ur ис­точника сигнала (генератора).

Рассчитаем коэффициент усиления усилителя , охваченного обратной связью. Назовем отношение β= Uос/ Uвых коэффициентом передачи цепи обратной связи.

Kсв= Uвых/ Ur - коэффициент усиления схемы с обратной связью.

Отношение Kсв= Uвых/ Uвх является коэффициентом усиления по напряжению собственно усилителя, без цепи обратной связи.

39

Представление информации в цифровой форме.

Для обраб, перед и хран информ, получаемой человеком через органы чувств, она преобразуется в аналоговые электрич сигналы, функциональные зависимости которых с возможной точностью повторяют соответств зависимости несущих информацию физических параметров. Более прогрессивным является обработка, передача и хранение информации в цифровой форме - в виде последовательности импульсов определённой длительн и амплит, причём информ кодируется не величиной импульсов, а именно них последовательностью. Это значительно снижает требования к качеству технических устройств и в то же время повышает качество обработки информации. При этом возникает необходимость преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Наибольшее распространение получил способ преобразования аналогового сигнала в цифровой, основанный на дискретизации сигнала во времени и квантования по уровню. Дискретизация - процесс, при котором сигнал Ua(t) заменяется последовательностью коротких импульсов - отсчётов, величина которых равна значению сигнала в данный момент времени.

Квантование по уровню - представление величины отсчётов цифровыми сигналами. [Для этого диапазон напряжения сигнала от Umin до Umax делится на 2n интервалов. Величина интервала ∆=( Umax- Umin)/2n Каждому интервалу присваивается n - разрядный двоичный код - номер интервала, записанный двоичным числом. Каждому отсчёту сигнала присваивается код того! интервала, в который попадает значение напряжения этого отсчёта. Так обр, аналоговый сигн представл-ся последов-стью двоичных! чисел, соответствующих величине сигнала в определ моменты времени, то есть; цифровым сигналом. При этом каждое двоичное число представляется совокупностью, (последовательностью) импульсов высокого (1) и низкого (0) уровня. Дискретизация и квантование сигнала выполняется специальными устройствами, аналога - цифровыми преобразователями (АЦП). Восстановление аналогового сигнала по цифровому выполняется цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Элементы цифровых устройств (логические элементы) и логические операции. Логические элементы предназначены для преобразования информации в цифровой форме. Представление информации в цифровом форме (в двоичной системе) с помощью всего двух знаков «0» и «1». позволяет при преобразовании информации обойтись небольшим количеством операции и элементов, их выполняющих. В самом деле, «0» может быть преобразован только в «1», а «1» в «0». Эта операция называется «инверсия» или логическое отрицание. Реализуется элементом НЕ

Однако преобразовать информации требует выполнения операций с группами знаков, простейшей из которых является группа из двух знаков. (Оперирование с большими группами всегда можно разбить на последовательные операции с двумя знаками). Комбинаций из двух знаков всего три: 0,0; 1,1; 1,0. Результатов преобразования возможно только два: 0 или 1. Эти преобразования называются: дизъюнкция (логическое сложение) и конъюнкция (логическое умножение) и выполняются элементами ИЛИ и И

Этими простейшими логическими операциями (функциями) можно выразить любые другие логические функции. Такой набор простейших функций называется логическим базисом.

Логические элементы подразделяются и по типу использованных в них электронных элементов. Наибольшее применение в настоящее время находят следующие логические элементы: ТТЛ (транзисторно - транзисторная логика), ТТЛЩ (то же с диодами Шотки), КМОП (логика на основе комплементарных ключей на МОП транзисторах), ЭСЛ (эмиттерно - связанная логика)

Логические элементы ТТЛ и ТТЛШ. Устройство, принцип действия, характеристики.

В ТТЛ используются многоэмиттерные (в данном случае двухэмиттерный Т1) транзисторы. При подаче на оба входа сигнала высокого уровня (1,1) ток через Т1 не идёт и на базе Т2 положительный потенциал. Т2 «открыт», его сопротивление мало; и на коллекторе напряжение (Uвыx) соответствует низкому уровню (0).

Если хотя бы на одном из входов сигнал низкого уровня (0), то через базу Т1 на этот вход идёт ток, что приводит к падению напряжения на R6, соответственно на базе Т2 напряжение мало и Т2 «закрыт», Uвых соответствует высокому уровню.

Таким образом, таблица истинности соответствует функции И - НЕ.

Комбинационными называются такие логические устройства, выходные сигналы которых однозначно определяются входными сигналами (в отличие от последовательностных, состояние которых зависит от предыстории их работы).

Шифраторы (кодеры, CD)-устр-ва, преобразующие десятичные числа в двоичную систему счисления.

Дешифраторы (декодеры, DC)-устройства, преобразующие двоичный код в соответствующее десятичное число.

Сумматоры.-устройства, предназначенные для сложения чисел. В простейшем случае рассматривается сложение двух одноразрядных двоичных чисел А и В. Таблица истинности (сложения) выглядит в этом случае следующим образом:

Например, в младшем разряде 0+0=0, 1+0=1,0+1=1,1+1=2' ( ] 0 в двоичном коде, в младшем разряде 0, перенос 1 в старший разряд). Аналогично в следующем разряде - 0+0=0, 2+0=2 (1Р),; 0+2=2 (1 0), 2+2=4 (1 0 0) и т.д. Как видно из таблицы, S = А*В + А*В , Р = А * В

Устройство, реализующее такую логическую функцию, может быть построено следующим образом:

Последовательностными называют такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти. К таким устройствам относятся триггеры, счётчики импульсов, регистры.

Триггер - простейшее последовательностное устройство, которое может длительно находится в одном из двух возможных устойчивых состояний и переходить из одного в другое под воздействием входных сигналов. Применяются в качестве элементов памяти, системах задержки, счётных устройствах. Триггеры: асинхронные и синхронные (тактируемые. Простейший RS - триггер состоит из двух элементов ИЛИ - НЕ или И - НЕ, охваченных обратной связью. Условное обозначение RS - триггера:

40

Медицинские электроизмерительные приборы - измерительные устройства, предназначенные для измерений и регистрации во времени электрических потэнциалов, возникающих при протекании в организме биоэлектрических процессов.(ЭКГ, ЭЭФ,электромиография)(U-10^-6-10^-3V v=10^-1-100Hz ) Также существуют измерители сопротивления кожи, органов,электрореографы.

Электрокардиографы-мед электроизм прибор, с помощью которого измеряют и регистрируют разность потэнциалов между характерными точками на теле человека. В электрическом отношении сердце можно рассматривать как токовый диполь. За время сердечного цикла изменяется положение диполя в пространстве и дипольный момент. В соответствии с теорией Эйнтховена сердце – диполь – расположено в центре равностороннего треугольника, вершины которого условно можно считать находящимися в правой руке, левой руке и левой ноге. Согласно формуле (4) измерение разности потенциалов между вершинами этого треугольника позволяет определить соотношение между проекциями дипольного момента сердца на стороны треугольника. Изменение модуля и направления электрического дипольного момента сердца во времени можно отразить графически с помощью электрокардиограммы (ЭКГ). Разность потенциалов, регистрируемая между двумя точками на поверхности тела человека, в физиологии и в медицине называется отведением.

Биполярные:I (R-L) III(R-F) II(L-F) N –правая нога- нейтральный электрод к корпусу и заземлению прибора.(для борьбы с помехами) рис.а

Монополярные а)Усиленные -усиленный электрод – (aVL рис.б ) и нулевая точка R0.б)Грудные V1-V6 , нулевой потэнциал от RLF через R0( рис.г) – отведение позволяет регистрировать ЭДС сердца в горизонтальной плоскости. Электроды крепятся зажимами, наиболее современные состоят из хлорсеребра, при использовании наносят электропроводящие пасты, прокладки с физ раствором(что улучшает контакт и уменьшает помехи).

Помехи:1) Внутренние возникают в результате теплового шума компонентов,и в результате действия эл поля трансформатора питающей цепи устройства, проблема решается экранировкой.2)Внешние а)Изменение биопотэнциалов тканей, мышц б)Электрохим процессы электродо в)перемещение электродов ----все решаются контролем снятия ЭКГ г)действие внешнего электромагнитного поля-Синфазные помехи от фазных проводов электропроводки. для уменьшения помехи Используют заземленный N-электрод, но из за большого кожного сопротивления не удаётся сделать сопротивление меньшим 10-15Ком, снижение помехи осуществляется подавителями синфазной помехи.

Схема подавления синфазной помехи(Рис б) ОУ3 сравнивает сигналы ОУ1 ОУ2 при равных сопротивлениях, и инверт. Полученный сигнал в противофазе с сигналом синф. Помехи подаётся на N электрод . Образуется отрицательная обратная связь .

Обобщённая схема ЭКГ-фа(Рис а) 1-Устройство защиты от перегрузки 2-Входное устройство(Для переключения отведений)8-Калибратор-высокостабильный -Ист.напряжения ,3-подавитель помехи, 4-предварит усилитель, 5-фильтры 6- оконечный усилитель, 7-Регистратор.

Регистратор кардиографа-электромагнитные поляризованные измерительные механизмы с регистрирующим устройством.

Через полюсные наконечники(2) и якорь(14) замыкается Ф поток обмоток управления,и Ф0 поток постоянного магнита(1). Потоки складываясь усиливают и ослабляют магнитное поле возле двух полюсных диагональных наконечников(2).Это вызывает на якоре(14) вращательный момент уравновешиваемый спиральными пружинами(13).При изменении направления тока, якорь поворачивается в противоположном направлении.8-перо 9-трубка 10-чернильница.Недостатком является запись в криволинейной системе координат,и частота сигналов не более 100-120Гц.

Регистрирующее устройство с тепловой записью позволяет устранить эти недостатки, запись вдекартовой СК. 50-200Гц.

41

ЭКГ это медицинский ЭИП(электро измерит прибор) с помощью которого измеряют и регистрируют разность потенциалов между характерн точками поверхности тела человека. Сокращения вызывают периодическое измен-ние потенциала поверхн тела, при этом считают что начало вектора наход-ся в сердце, а конец описывает во времени сложн кривую т.о. изменяя свое направление и модуль.

Разновидности электрокардиографов.

аналого—цифровые ЭКГ. функция

первичной обработки электрокардиосигналов осуществляется аналоговыми устройствами, а усиленные электрокардиосигналы с выхода оконечного усилителя преобразуются в цифровые формы. Для их дальнейшей обработки, хранения, анализа и передачи используются современные средства цифровой и телекоммуникационной техники.(обобщенная схема компьютерного электрокардиографа.)

Здесь с помощью электродов пациент подключается к адаптеру, который реализован на элементах микроэлектронной техники, и включает в себя соответствующий аналого-цифровой преобразователь, снабженный мультиплексором. Адаптер пациента представляет собой миниатюрную коробочку массой 200—300 г, которая в процессе исследований размещается на теле пациента. От адаптера цифровой сигнал по кабелю передается в один из портов системного блока компьютера. С помощью мультиплексора выходы отдельных каналов усиления электрокардиосигналов поочередно подключаются к аналого-цифровому преобразователю, а результаты этих преобразований отображаются на дисплее компьютера в виде кардиограмм, которые из-за большой частоты аналого-цифрового преобразования и большей скорости обработки цифровой информации, которой обладают современные компьютеры, отображаются для всех отведений практически одновременно. Имеются компьютерные электрокардиографы на базе различных персональных компьютеров (стационарных, переносных, карманных).

Аналоговая микроэлектронная техника и микропроцессоры позволяют осуществлять дистанционные (беспроводные) электрокардиологические исследования. Аппаратура для дистанционного электрокардиологического исследования состоит из миниатюрного микропроцессорного электрокардиографа, являющегося преобразователем и передатчиком электрокардиосигналов, устройства радиоканала и центрального поста наблюдения.

Широкое применение в медицинской практике получили специальные электрокардиографы — автоматические мониторные устройства. Они представляют собой миниатюрные устройства, которые можно носить в кармане рубашки или в небольшой сумке. Запись электрокардиограммы в этих устройствах осуществляется на флэшкарту или на магнитную ленту. После проведения записи электрокардиограммы в течение выбранного отрезка времени с помощью специального устройствавоспроизведения и отображения графической информации, работающего в ускоряющем режиме, врач анализирует полученные электрокардиограммы. Включение в состав электрокардиографа такого универсального и мощного средства обработки информации, каковым является персональный компьютер, позволяет существенно расширить возможности электрокардиологических исследований. Обеспечивается возможность простой программной реализации таких сложных методов исследований, как векторкардиография и кардиомониторинг. Векторэлектрокардиографы представляют собой измерительные устройства, обеспе-чивающие получение информации о значении модуля и направлении электрического вектора сердца в процессе кардиоцикла. Информация о форме проекций векторэлектрокардиограмм используется для диагностики заболеваний сердца.

Кардиомониторы можно разделить на виды и группы, отличающиеся друг от друга контролируемыми параметрами,эксплуатационными свойствам методами обработки и представления информации.Предлагаемая классификация является в какой-то мере условной, но даетпредставление о сферах применения и особенностях КМ: амбулаторные (носимые), скорой помощи, клинические, тестирующие, реабилитационные, санаторно-курортные. Амбулаторные КМ используются в стационаре и после выписки из стационара для контроля таких изменений состояния сердечной деятельности за весь период суточной активности, которые не могут быть выявлены во время непродолжительного ЭКГ-исследования в покое. На основании полученных данных производится выбор и дозировка лекарственных препаратов и определение допустимых физических нагрузок. Малые габаритные размеры, масса и автономное питание позволяют носить КМ на себе с укрепленными электродами 24 ч. В кардиомониторе Холтера ведется непрерывная запись ЭКС на магнитную ленту с очень малой скоростью (1 мм/с). Для этого производится трансформация низкочастотного спектра ЭКС область частот, регистрируемых магнитным носителем. Обычно применяется широтно-импульсная и реже амплитудная или частотная модуляции ЭКС. Кассета с записью просматривается кардиологом при помощи специального устройства со скоростью, превышающей скорость записи в 60-120 раз. В дальнейшем метод Холтера был усовершенствован путем автоматического машинного скоростного анализа ЭКС. Обычно диагностируются основные типы аритмий и параметры смещения ST- сегмента. Применение в амбулаторных КМ полупроводниковых запоминающих устройств и микропроцессоров позволило провести автоматический анализ аритмий и смешения сегмента ST непосредственно в приборе с запоминанием патологических фрагментов ЭКС. Удобство КМ с полупроводниковой памятью заключается в том, что данные обработки ЭКС можно получить оперативно в любой момент времени, и запуск может быть осуществлен самим больным при плохом самочувствии или во время сердечного приступа. Кардиомониторы скорой помощи предназначены для контроля состояния сердечной деятельности, восстановления утраченного или нарушенного ритма сердца на дому и в машине скорой помощи. Все КМ позволяют вести наблюдение ЭКГ, измерять частоту сердечных сокращений (ЧСС), проводить дефибрилляцию или стимуляцию сердца. Кардиомониторы должны работать от аккумулятора машины, внутренней батареи и от сети. Масса КМ около 5-8 кг. Клинические КМ предназначены для стационаров и могут в зависимости от назначения быть нескольких типов.

1. Кардиологические КМ применяются в палатах интенсивного наблюдения за кардиологическими сольными в острый период заболевания. Основное назначение КМ — сигнализация о нарушениях ритма и проводимости сердца. Такие КМ обычно работают в автоматизированной системе оперативного врачебного контроля за несколькими больными.

2. Хирургические КМ применяются во время операций на сердце и сосудах и в послеоперационных палатах. В отличие от остальных типов КМ измеряют ряд дополнительных параметрон кровообращения и дыхания (систолическое, среднее и диастолическое кровяное давление; минутный объем сердца; периферический пульс; температуру тела; газовый состав и т. д.). Особенностью хирургических КМ является использование в основном прямых методов измерения параметров.

3. Акушерские КМ устанавливаются в родильных залах, предродовых палатах и в отделениях интенсивного ухода за новорожденными. Кардиомониторы применяются при патологиях сердечно-сосудистой системы рожениц и контроля за новорожденными. Кардиомониторы матери и плода позволяют измерять ЧСС матери и плода по прямому ЭКС и доплеровскому эхокардиосигналу, обнаруживать нарушения ритмов и измерять силу маточных сокращений. Кардиомонитор для новорожденных (переношенных, недоношенных и травмированных в родах) и детей до двухлетнего возраста, страдающих воспалением легких, измеряет ЧСС, частоту дыхания и сигнализирует о нарушениях ритма сердца и остановках дыхания.

Тестирующие КМ предназначены для функциональной диагностики состояния сердечно-сосудистой системы здоровых и больных людей. Они позволяют автоматизировать процесс ЭКГ-исследований под нагрузкой под нескольким отведениям и определять газовый состав выдыхаемого воздуха. Обычно КМ поставляются с велоэргометрами или бегущей дорожкой для дозировки нагрузки. Реабилитационные КМ необходимы для контроля сердечно-сосудистой системы в условиях возросших нагрузок и проверки эффективности назначенных лекарственных препаратов. Для этой цели возможно применение амбулаторных КМ, но более удобно, пользоваться мониторированием по радиоканалу или телефону. На больном укрепляется передатчик ЭКС с электродами, и ЭКС преобразуется в частотно-модулированный сигнал (для радиоканала) или в частотно-модулированный акустический сигнал (для передачи ЭКС по телефону). Анализ ЭКС ведется кардиологом или автоматически в центре наблюдения. Санаторно-курортные КМ находят применение в кардиологических санаторных для контроля лечения, особенно в бальнеологических условиях; при грязе- и светолечении, лечебных ваннах и других процедурах. Электроды ЭКГ могут быть опущены в ванну и не крепиться на больном. Для дозировки нагрузки (терренкур) может быть использован КМ, который выдает сигнал тревоги при уходе ЧСС за установленные пределы. Из всех перечисленных типов КМ самое важное значение имеют клинические КМ для палат интенсивного наблюдения. Кроме того, их устройство наиболее сложно и включает в себя элементы остальных типов КМ.

42

Электроэнцефалографы, их назначение, обобщенная схема. Средства измерений биопотенциалов (электромиографы, электрогастрографы, электроокулографы, электроретинографы) – их назначение, схемы отведений, особенности технических решений.

Электроэнцефалографы – медицинские электроизмерительные приборы с помощью которых измеряют и регистрируют разность потенциалов между точками ГМ располаг в глубине ГМ или на его поверхности. Образование и колебание потенциалов ГМ является результатом физико-химических процессов лежащих в основе обмена вещ-в в нервной ткани, перемещение «+» и «-» ионов. Одни из этих процессов протекают медленно, др соверш-ся циклически и с большой частотой. По существу источники потенц-ов – это скопление клеток с их многочисл-ми отростками.

В ЭФГ(энцефалограмма) здорового человека выделяют следующие характерные составляющие электрических колеб-ий различ-ся по частоте и амплитуде, - ритмы:

- альфа ритм ( ν = 8÷13Гц, А=50÷100мВ)

- бэта-ритм ( ν=14÷30Гц, А=10÷20мкВ)

- гамма-ритм ( ν>31Гц, А мала)

- тэта-ритм (ν=4÷7Гц, А мала)

- дэльта-ритм (ν=1,5-3Гц, А мала)

В состоянии покоя колеб-я альфа-ритма преобладают в ЭФГ, а в целом соотнош-е м/д амплитудами колебаний различных ритмов зависит от состояия человека и внешних раздражителей (звук, свет, электрические и т.п.)

Назначение Энцефалографы обеспечиваютрегистрацию электрических колебаний частотой 0,5-100Гц, чувствиетльность (0,5-1мм/мкВ), скорость регистарции 5-100мм/с, число каналов (аналоговые до 24 а компьютерные до 130). ЭЭГ широко используется в диагностических целях при исследовании таких заболеваний как эпилепсия, алкогольной эпилепсии, диагностики новообразований, при сосудистых заболеваниях и после черепно-мозговых травм.

В целом ЭЭГ позволяет:

- установить участки мозга, участвующие в провоцировании приступов;

- следить за динамикой действия лекарственных препаратов;

- решить вопрос о прекращении лекарственной терапии;

- идентифицировать степень нарушения работы мозга в межприступные периоды(эпилепсия).

- оценить степень нарушения работы мозга;

- исследовать функциональное состояние мозга у людей, у которых структурные методы исследования (например, метод магнитно-резонансной томографии) показывают, что мозг "нормален", но дисфункция мозга очевидна клинически (например, при метаболической энцефалопатии).

Основным преимуществом ЭЭГ в сравнении с такимим новыми методиками как позитронно-эмиссионная или функциональная магнитно-резонансная, является то что ЭЭГ может показывать один из основных параметров работы нервной системы – свойство ритмичности (отражает согласованность работы разных структур мозга т.е. исследует электрические процессы в нервных клетках что даёт доступ к фактическим механизмам обработки информации мозгом). Это помогает обнаружить схему процессов, задействованных мозгом, показывая «где» и «как» информация обработана в ГМ.

Обобщенная схема

Пациент и измерительная аппаратура обычно помещ-ся в различных помещ-ях. Комната с пациентом экранир-ся и изолир-ся. В ходе исследования сигнал по проводам поступает во входное устр-во, которое обеспеч-ет реализацию необходимой схемы отведений, переключение электродов и подачу калибровочных и градуировочных сигналов ступенями от 5 до 500 мВ от эталонного калибратора (12). После этого сигнал поступает на регистратор информации (аналоговый или цифровой).

Средства измерений биопотенциалов - их назначение, схемы отведений, особенности технических решений.

Электромиографы – мед измерительный прибор с помощью которого измер-ся разность потенциалов м/д 2-мя точками мышц. Прибор использ-ют при диагностике двигательных нарушений связ-ых с наруш-ем нервно-мышечного аппарата. Для отведения биопотенциала мышц применяют 2 типа электродов в различных вариантах (подкожн, игольчаьые, накожные).

- подкожные – позв-ют измерять потенциалы непосредственно от мышечных волокн и исключичить влияние кожного R (но может вызвать болевые ощущ-я кот могут повлиять на измерения)

- поверхностные – требуют использ-я усилителей и полученные данные сложны в анализе т.к. сигнал является суммой потенциалов, создаваемых многими сторонними потенциалами. При монополярном отведении (I) один электрод накладывают над исслед-ой точкой мышцы а другой(индифферентный) наклад-ся на сухожилие или мочку уха. Биполярные отведения (II) формир-ся путем размещ-я на мышце на расстоянии 10-20мм 2х электродов закрепл-ых резиновыми накладками(или лейкопластырем или клеем). Кожу смазыв-ют электропроводящей пастой или подклад-ют прокладку смоченную физ раствором. Частота мышечных потенциалов зависит от интенсивности сокращ-я мышц. В расслабл сост разность потенциалов практич отсутствует. К особенностям технических решений в аналоговых миографах относиться – для регистрации колебаний биопотенциала использ-ся фотографическая запись с экрана ЭЛТ на движущуюся фотобумагу или кинопленку. В компьютерных электромиографах рез-ты измерений запис-ся в память и отображ-ся на мониторе. Обработка электромиограмм заключ-ся в подсчете числа импульсов за опред-ый интервал t, вычислении площди выбранной серии импульсов, определении огибающей амплитуд импульсов, анализе формы, длительности и т.п. Аналоговая реализ-я измерений требует сложн. Оборудов-я в отличие от PC томографов. После аналогово-цифрового преобраз-ния, в PC использ-ся программное обработка миограммы.

Элеткрогастрограф – прибор регистрации биопотенциалов желудка. В них использ-ся поверхностные отедения а электроды размещ-ся на коже средней части бедер обех ног и на брюшной стенке, что позволяет исследовать перестальтическую деят-сть мышц желудка и диагностировать ряд желудочных заболеваний.

Электроокулограф – прибор регистрации биопотенциалов внешнего аппарата глазного анализатора. Может использ-ся 2 схемы отведений: в первой 2 электрода располаг-ся ниже нижнего века, 1 надо верхним веком, а другой у края глаза , это позволяет регистрир-ть 3 электроокулограммы: 2 горизонтальные (отведения I и II), 1 вертикальная(отведение III); Во второй 4 электрода охватывают глаз со всех сторон, с помощью отведения I формир-ся горизонтальная, а отведения II – вертикальная окулограммы.

Электроретинограф – прибор исследования биопотенциалов глаза. Отведения роговицы обеспеч-ют диодом в контактной линзе а 2 электрод размещ-ся на мочке уха или на лбу у пациента.

43

Принципы и средства измерения температуры.

Температура — физическая величина, характеризую­щая термодинамическое состояние объекта (тела, системы) и связанная с его внутренней энер­гией. Часто температуру определяют как степень нагретости объекта. Температура— это ста­тистическое понятие, которое применимо к системам, состоящим из большого числа частиц, находящихся в тепловом равновесии. Энергия частиц, усредненная по их числу, и определяет температуру системы. Ее из­меряют, используя измерительное преобразование, т. е. определяют по значению различных физических величин, изменяющихся при изменении температуры. В медицинской практике температура человека являет­ся одним из первичных диагностических параметров. Кроме этого, измерение температуры имеет важное значение при эксплуатации различных средств медицинской техники. В настоящее время для воспроизведения термодинамической температурной шкалы обычно используется международная практическая температурная шкала (МПТШ). Эта шкала была принята в 1927 г. и с тех пор постоянно совершенствуется на основе научных исследова­ний, выполняемых метрологическими службами ведущих стран мира. МПТШ воспроизводит­ся по значениям температур затвердевания и кипения ряда чистых веществ. Значения этих температур приняты на основе усреднения результатов измерений, выполненных газовыми термометрами, метрологическими службами различных стран мира. Существует несколько температурных шкал, Цельсия, Кельвина, Фарингейта и др.1К=1/273,16 часть термод температуры тройной точки воды.1К=273,15С

t(°C)=(5/9)(t(°F)-32)

Механические устройства для измерений температуры-Изменение размеров тел при нагреве.

Дилатометрический термометр(рис в) Трубка(1)с максимальным КТЛР- α Внутри стержень(2) с меньшим α.Длина трубки меняется по формуле:

L=L₀(1+ α (t-t₀)) Перемещения конца стержня: Δ L=αl(t-t₀). Могут восприниматься каким либо преобразователем перемещений и силы.

T=-30 +1000 C КТ=1-3.

Биметаллический термометр.Чувствительный эл-т-биметаллическая пластина(б),Перемещение конца:h=3/4(α₁- α₂)l²/δ( t-t₀ ),l-длина пластины

Обычно используются спиральные пружины -->

Δγ=3/4(α₁- α₂)l/δ( t-t₀ ),

T=-50 +600 C КТ=1-3

Cтеклянные жидкостные термометры –явление расширения жидкости при нагревании:

V=V₀(1+ β (t-t₀)), β-коэфф обьёмного теплового расширения жидкости в стекле.

Высота подьёма жидкости в резервуаре: h=ΔV/S=(4 β V₀(t-t₀)),/πd² .Зависит от внутреннего диаметра капилляра, начального обьёма резервуара, параметров жидкости. Различают палочные и со вложенной шкалой,Для высоких температур применяют ртуть с Азотом, для низких изопентан, пентан, этил спирт, толулол .Медицинские термометры имеют сужение в нижней части,обеспечивающее запоминание температуры.

T=-195-- +1000°C.

Термоэлектрические средства измерений температуры-

Термопара(ТЭП)-Электроды А В и два спая (рабочий и свободный) температура которых различна.Возникновение ТЭДС объясняется различной концентрацией электронов в А и В металлах, поэтому возникает контактная разность потэнциалов, также идёт диффузия е от нагретого спая. E_AB(t)=e_AB(t)-e₀,если t₀ =const,

Для измерении ТЭДС в контур вкючают Изм Устройство, в разрыв сразу двух металлов(1 случай)-ТЭДС не меняется при t₀’=t₀’’ , в раз рыв одного металла(2 случай) t₁’=t₁’’

Существуют конструкции с подводящими проводами от ИУ , Условие: ТЭДС подводящих проводов = ТЭДС термоэлектродов.Температура свободных спаев может изменяться, применяются специальные поправки с помощью градуировочных характеристик.

Дифференциальные ТЭП позволяет измерить разность двух температур (рис е)

E_AB(t₂t₁)=k(t_2- t₁), k-коэфф преобразования ТЭП.

Батареи ТЭП (рис ж) позволяют измерять малые температуры, так как имеют большую чувствительность. Ebatarei=nE(tt₀),

Используемые ТЭП: 1) ТХК (хромель копелевый) -50 +600 2)ТХА хромель-алюмель -50 +1000 3) ТПП(платинородий-платиновый) 0 +1300 С.

Для измерений сигналов ТЭП используются магнитоэлектрические милливольтметры, различные потэнциометры и нормирующие преобразователи.

Терморезистивные средства измерения температуры-эффект изменения R при изменении t.

Лин зависимость: R_t=R₀(1+α(t-t₀))

А)Для Металлов: R_t=R₀(1+at+bt²) обычно используются медь,никель, платина,терморезистор в виде двух спиралей(2).t=-200 +650 °C рис(а)

Б)Для Полупроводников: R_t=R₀e^(B(1/T-1/T₀))

Термисторы(П/пр) рис(б-ж) 7-Полупр элемент, 9-Изолятор 10-Кожух,11-13 защитные элементы 14 –изоляц обойма.+Большой Отрицательный ТКС

+Большое удельное сопротивление и малые размеры.

-Нелинейность характеристики, и разброс номинальных параметров.

В конструкции термометров с применением термисторов должна быть обеспечена постоянная площадь плоскости чувствит элемента, и постоянное прижимное усилие измерения.

Полупроводниковые диодные и транзисторные средства измерений температуры:--Зависимость сопротивления р-n перехода от температуры при его включении в запирающем направлении.

А)-схема делителя напряжения (1-источник тока) Обр.Ток, как мера температуры меняется приводя к перераспределению напряжений на R что фиксируется измерительным прибором.

Б)диод является одним из плеч неуравновешенного электрического моста, а разбаланс как сигнал снимается с диагонали а-с с помощью вольтметра.

В)Температурная зависимость обратного тока коллектора подобна приведённой выше зависимости для диода. Значение тока измеряется по падению U на сопротивлении.

t=-250 +150 °C чувствительность 2-500мВ/град, выше у транзистора.

44.

Классификация преобразователей:

а) контактные б) бесконтактные

1)Электромеханические 2)Электрофизические 3)Спектрометрические

Резистивные преобразователи:

Контактный преобразователь:

3,6-контактные пластины, 4-основание, 5-выступ штока, 7-шток.

При растягивающем усилии Штока относительно

Основания происходит контакт –размыкание .

Контактно-резистивные преобразователи:

1)10-угольный порошок 11-резиновая трубка. При приложении растягивающего усилия происходит увеличение общего R преобразователя.

2) Столбик из нескольких слоёв электропроводящих пластин или угольных таблеток(13). При осевом сжатии которых сопротивление образца уменьшается.

R_к=R₀(1±kδ) –Зависимость сопротивления Контактно-резистивных преобразователей

От деформации δ в первом приближении (k=cons’t).

Реостатные преобразователи линейных(д), угловых(е), перемещений.

Представляют собой реостаты, движок(15) которых связан с подвижной частью системы, к их обмотке (19) подсоединяют стабилизированный источник напряжения(18).

Ж-включение резистивного преобразователя как делителя напряжения.

U=(Uст/L)*x; U=(Uст/φ_B)φ, L-длина намотки реостата, x- преобраз-ое лин-ое перемещ-ние, φ_B- верхний предел измерений углового перемещ-я.

Погрешность определяется погрешностью подводимого напряжения. 0,05-1%.

Тензорезистивные преобразователи:

В основе эффект изменения R полупроводников и п/пр. в результате их упругой деформации.Тензоэффект связан как с изменением обьёма проводника, так и с изменением удельного сопротивления.

Основные характеристики: Длина петли решётки А,ширина петли В, Температурный Коэффициент Чувствительности, погрешность.

Для температурной компенсации используют компенсационные тензорезисторные мосты.

Коэффициент относит. тензочувствительности:

S=(1+2μ)+ m

μ -коэфф. Пуассона. m-Постоянная зависящая от изменения удельного сопротивления при деформации- m<<(1+2μ) для металлов, m>>(1+2μ), для п/пр.

Классификация по конструктивному изготовлению:

1)Свободные 1-тензорезистивная проволока, 2-изоляторы, 3 выводы, 4 скобы.

2)Наклеиваемые - преобразователи приклеенные к испытуемому обьекту, чувствительный элемент изготавливается из тензометрического константана. Проволока, фольга или плёнка являются тензорезисторами. Сверху бывают покрыты защитным лаком.XX-ось деформации.

3) Интегральные тензорезистивные преобразователи- Упругий элемент изготовленный из кремния, или сапфира на котором выращен тензорезистор.

Ёмкостные преобразователи:

Эффект изменения ёмкости в результате изменения расстояния между электродами d, или площади S.

а) С=ε₀S/d изменение расстояния электродов d.

в,д) Изменение площади обкладок, линейными и угловыми перемещениями.

Cx=(ε₀k_x/d)x; Cφ=(ε₀k_φ/d)φ Применение ёмкостных преобразователей имеет свои особенности: большое ёмкостное сопротивление даже при больших частотах, малую мощность выходного сигнала, что требует применения усилителей и экранирования.

Схемы включения преобразователей:

1)делитель напряжения:

1-Генератор, 2 усилитель

Когда: R>>x_c=1/2πfC

То: ΔU=(Uпит/2πfc²R)ΔC

Индуктивные преобразователи: Используется изменение индуктивности магнитной системы при воздействии на её элементы перемещений или возникновении деформации этих элементов.

L=gn²f(μ,μ_в)

g-геометрический фактор, n-число витков обмотки, μ,μ_в- магнитная проницаемость ферр.сердечника, или магнитопровода и воздуха.

А)индуктивный преобразователь перемещений ферромагнитной пластины относительно ферромагнитного магнитопровода. При отсутствии воздушного зазора :

При наличии воздушного зазора: L=(n²S_мμ)/l_м; L=(n²S_Bμ_B)/(2d), Zм<<Zв

L изменяется в результате изменения Sв и величины зазора d.

б)дифференциальный индуктивный преобразователь перемещений с разомкнутой магнитной цепью. Перемещения ферр.сердечника (4), вызывает изменения индуктивностей обмоток (1-5).

в)L изменяется при перемещении электропроводящей пластины (8) относительно плоской обмотки(6) на диэлектрике(7).Используется экранирующее действие проводника на магнитное поле. Используется при измерении оч.малых перемещений.

д,е)F Деформация магнитопровода(2) приводит к изменению μ магнитопровода, что приводит к изменению L обмотки(1).

Пьезоэлектрические преобразователи:Действие преобразователей основано на прямом(б) и обратном(в) пьезоэффекте. При воздействии силы на грани кристалла(SiO2) на гранях возникают заряженные частицы, по знаку противоположные ближайщим ионам решётки кристалла. Пьезоэффект вызванный перемещением вдоль электрич., оси – продольный, вдоль механической – поперечным.

3-усилитель с большим Rвх,2электроды, 3-пьезоэлектрич пластина.

Е)Биморфные пьезоэлектрич.,преобразователи.

Получаемая ЭДС определяется формулой: E=k(d/lb)F. Выходная мощность сигнала мала, что требует применения усилителей, заряд на пьезоэлектрике имеет свойство стекания со временем, поэтому преобразователи подходят для измерения сил,быстро изменяющих своё значение во времени.

Механотронные, магнитные и струнные преобразователи. Механотроном называется электронная лампа,в которой имеется возможность взаимного перемещения электродов.

Зависимость напряжения от тока анода определяется формулой, I=k(SU^3/2)/d², где k-коэфф.,S-площадь катода, d-расстояние между анодом и катодом.1-подвижный стержень, 2-упругая мембрана,3-баллон, 4, 7-аноды, 5-стабилизированный ИТ, 6-Вольтметр,8-нить накала,9-ТермоКатод. Под воздействием силы расстояние между одним из анодов и катодом уменьшается, что увеличивает анодный ток, через этот диод, расстояние между другим анодом и катодом увеличивается,что уменьшает ток, это вызывает разбаланс, который измеряется на диагонали a-b, вольтметром. Перемещения 0-100мкм, погрешность 1%.

Магнитные преобразователи .Принцип действия состоит в измерении E магнитного поля магнитометром(13) , которая меняется подвижным магнитом(11) прикреплённым к подвижному элементу(10). Сигнал магнитометра является мерой перемещения.

Струнные преобразователи. Струна(14) закрепляется изоляторами(15) между полюсами постоянного магнита(11), и включается в качестве одного из плеч неуравновешенного электр моста. С диагонали а-с сигнал поступает на вход Усилителя(16), а с выхода на диагональ d-b.При совпадении фаз сигналов, реализуется ПОС.Устройство образует электромеханический генератор, частота которого определяется частотой колебания струны, а она зависит от растягивающей силы. Выходным параметром системы является частота колебаний струны - 100-10000 Гц, ток не превышает 100 мА.Погрешность - 0,5-1%; f=2/2l(√(F/ρS)

Применение преобразователей перемещений и силы в медицине.

Пнемографы (резистивные преобразователи) используются для измерения частоты , глубины дыхания.

Сфимографы - измерительные устройства, служащие для измерений и регистраций движений артериальной стенки. Основным устройством является приёмник пульса.

Виды приёмников пульса:

1. с непосредственным восприятием колебаний стенки сосуда, угольные, ёмкостные,тензорезистивные преобразователи.

2. с восприятием колебаний через пелот.

3. с восприятием колебаний через воздушный столб. (рис. г)-

Кинетокардиографы- устройства предназначенные для измерения вибраций грудной клетки обусловленные сердечной деятельностью.

Кроме тензорезистивных преобразователей в состав могут входить ёмкостные. индуктивные, пьезоэлектрические датчики.

Баллистокардиографы- предназначены для измерения реактивных микродвижений тела, вызванных механической деятельностью сердца. Измеряемыми величинами могут быть перемещения, скорости, ускорения.

Позволяют определить силу и координированность сердечных сокращений.

Применяются измерительные преобразователи различных видов.

Рис 6.12 б- упрощённый баллистокардиограф.