Metod_Fizika

Міністерство охорони здоров’я України

Луганський державний медичний університет

Кафедра медичної кібернетики, біофізики та медапаратури.

МЕТОДИЧНИЙ ПОСІБНИК для самопідготовки до лабораторних робіт студентів І курсу медичного

факультету (за фахом лікувальна справа, педіатрія)

з курсу “Біофізика та медична апаратура”

Луганськ 2002 р.

ЗАТВЕРДЖЕНО

ЦЕНТРАЛЬНОЮ МЕТОДИЧНОЮ КОМІСІЄЮ ЛУГАНСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО МЕДИЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Методичний посібник призначений для допомоги при самостійній роботі студентів з курсу “Біофізика та медична апаратура”

Методичний посібник дає можливість студентам засвоїти будову та фізичні принципи роботи медичної апаратури, оволодіти навичками користування ними.

Склали: Кувічка І.М., Деркач Л.С., Петров Є.Г.

Методична розробка для самостійної роботи студентів

по темі: "Вивчення апарата для гальванізації та іонофорезу та

механізма первинної дії постійного електричного струму на імітатори тканин організму”.

Ціль роботи: Ознайомитись з будовою та принципом роботи апарата для

гальванізації; вивчити механізм первинної дії постійного електричного струму на тканини організму.

Прибори та матеріали: апарат для гальванізації "Потік 1", електронний осцилограф, з‟єднуючі проводники.

І. Теоретичне обгрунтування роботи.

І.1. Призначення апарату для гальванізації.

Апарат для гальванізації "Потік 1" являється джерелом постійного струму, який використовується в медицині для проведення лікування постійним електричним струмом.

І.2. Будова (основні блоки) апарата для гальванізації.

Принципіальна схема апарата для гальванізації "Потік 1" зображена на мал.1. Він складається з таких блоків:

1 - блок живлення; 2 - двухполуперіодний випрямувач; 3 - електричний фільтр; 4 - блок пацієнта. куди входять потенціометр, міліамперметр з шунтом. єлектроди пацієнта.

І.3. Принцип роботи апарата для гальванізації.

Апарат вмикають в коло з напругою 220в.. За допомогою трансформатора напруга знижується до 80 - 60в. і подається на випрямувач. У випрямувачі можна здійснити однополуперідне випрямлення змінного струму (мал. 2, б,в). Цей струм передається на потенціометр Z, який використовується для регуляції сили струма в колі пацієнта. За допомогою міліамперметра вимірюється сила струму. Шунт. який підключається до міліамперметра, необхідний для розширення границь вимірювання міліамперметра.

Постійний струм поступає на електроди пацієнта. Електроди пацієнта накладаються на прокладки, які змочені водою, або розчином солі якого-нибудь металу, іони якого необхідно внести в організм людини.

Для спостереження за випрямленням струму в блоці випрямоча вмонтирований вимикач В1, для спостереження сглажуючої дії електричного фільтра вмонтировано на апараті два вимикача. В2 -

паралельно дроселю, В3 - коло конденсаторів.

Вся електрична схема апарата вмонтирована в корпусі. Зовнішний виглвд апарату "Потік 1" приведений на мал.3.

І.4. Механізм первинної дії постійного струму на тканини організма.

Тканини організма по своїм електричним властивостям представляють собою різнорідне середовище. Частина тканин (білки, жири, вуглеводи та ін.) мають властивості діелектриків. Біологічні рідини, які містяться в тканинах та клітинах, або омивають їх (лімфа, кровь та ін.)складаються із органічних коллоїдів, розчинів електролитів, тому мають добрі електропроводні властивості і відносяться до тканин, які проводять струм.

Найкращу електропровідність мають спиномозгова рідина і сиворотка крові. Декілька меньши - цільна кровь і м‟язова тканина. Ще менше електропровідність тканин внутрішніх органів, а також мозкової, нервової, з‟єднуючої тканин. Поганими провідниками струму є роговий прошарок шкіри та сухожілля, особливо кісткові тканини без надкістниці. Тому їх відносять до діелектриків.

Тканини організма складаються із структурних елементів - кліток, які омиваються тканевими рідинами. Такий елемент представляє два середовища, який відносно добре проводить струм - тканева рідина і цитоплазма клітини. Вони поділені клітинною мембраною, яка погано проводить струм

(мал.4.а).

При проходженні постійного струму по тканинам по обі сторони клітинной мембрани відбувається накопичення іонів різного знаку, утворюється система подібно зарядженому конденсатору (мал. 4, б,в).

В тканинах зустрічаються і макроскопічні утворення, які складаються із різних з‟єднуючих оболонок та перегородків. Вони володіють в більший мірі властивостями діелектриків і практично не проводять електричний струм. Но по обидві сторони утворюються або рідини, або добре проводящі тканини. Така структура тканин володіє ємкосними властивостями.

Під впливом електричного струму іони, які накопичуються по обидві сторони подібних тканин, починають рухатися - відбувається їх перерозподіл та зміна концентрації в різних елементах тканин, значить і швидкість зміни тока в них залежать від сили постійного струма, який діє на тканини, прошарка шкіри і підшкірової жирової клітчатки.

Тонка. ніжна, уволожена шкіра є добрим провідником струму. Навпаки - суха, груба шкіра - поганий провідник.

Первинна для електричного струму на тканини організму пов‟язана з переміщенням іонів та інших заряджених частинок. При цьому внаслідок їх різної рухомості, і, головним чином, затримки і накопичення їх у полупроникливих мембран, в тканевих елементах та внутрі і знаружі клітки - відбувається зміна концентрації іонів. Це викликає функціональні зміни стану кліток та інші фізіологічні процеси в тканинах. Таким чином, в основі первинної дії постійного струму на організм лежить зміна концентрації іонів в тканинних утвореннях.

Лікувальний метод, при якому використовується дія на тканини організма постійного струма.

При електрофорезі прокладку під електродом змочують розчианми солі тих металів, іони яких треба ввести в організм. Із прокладки під негативним електродом вводяться кислотні радікали, а також негативно заряджені частинки складних з‟єднань.

Наприклад, з позитивного електрода вводяться в організм іони натрію, кальцію, магнію, хінін (з хлористої солі), новокаїн; з негативного - бром. хлор, іод, радикал фосфорної кислоти, радикал солицилової кислоти, пеніцилин, тощо.

При лікувальном електрофорезі між електродами утворюється складне коло, яке складається з лікарських речовин, якими змочені прокладки, і розчинів електролитів, які входять в склад тканин організма.

На мал.5 показана ділянка тканин організма, на яку накладені електроди з прокладками П. Під позитивним електродом прокладка П змочена розчином хлористого кальцію CaCl2 під негативним - іодістого калія. Напрямок руху іонів показаний стрілкою. Сама тканина містить розчин хлористого натрія NaCl. На ділянках a, b і d показані поляризаційні явища - накопичення іонів по обидві сторони тканевих перегородок, які погано проводять струм.

ІІ.1.Техніка безпеки при роботі з апаратом для гальванізації.

При роботі з апаратом для гальванізації "Потік 1" забороняється:

1.Приступати до роботи, не ознайомившись з інструкцією по його експлуатацію.

2.Підключати або відключати заземлення і заміняти запобіжники при включеному апараті.

3. Замінювати електроди і провода при включеному апараті.

ІІІПорядок виконання роботи.

1.Підготувати до роботи електронний осцилограф.

2.Підключити аппарат для гальванізації на вертикальний вхід електронного осцилографа.

3.Ввимкнути аппарат для гальванізації в мережу.

4. Поставити вимикач В1 в положення "однополуперіодне спрямлення", В2 - в положення "дросель відключений", В3 - в положення "конденсатор вимикнутий".

5.Встановити потенціометр апарата в середнє положення..

6.За допомогою вертикального підсилювача осцилографа одержати на екрані зображення, яке не виходить за його межі. Намалювати його.

7.Ввімкнути вимивачем В2 дросель. намалювати одержане зображення.

8.Ввімкнути дросель і вимикачем В3 ввімкнути конденсатори, намалювати одержане зображення.

9.Ввімкнути В2 (весь фільтр повністю). Замалювати одержане зображення.

10.Такі ж самі спостереження провести в положенні "двухполуперіодне випрямлення"

11.Проаналізувати одержані результати. Зробити висновки.

12.Вимкнути аппарат із мережи.

IV. Питання для самоконтролю.

1.Електропровідні властивості тканин організма.

2.Дія постійного струма на різні по проводимості тканини.

3.Біофізичні основи методу гальванізації та електрофорезу.

4.Використання методів гальванізації та електрофорезу в медицині.

5.Будова та принцип дії апарата для гальванізації.

6.Випрямлення та зглаження змінного струма.

7.Порядок виконання роботи.

8.Правила техніки безпеки при роботі з апаратом для гальванізації.

У. Література.

1. Ремизов А.Н. Курс физики, электроники, и кибернетики для мединститутов. М, 1982, с.217-218, 255-259. 263-265.

2.Ливенцев Н.М. Курс фізики, М, 1978, т.1, с 140-149.

3.Методична розробка.

Методична розробка

для самостійної роботи студентів по темі: “Вивчення апарата – УВЧ – терапії та теплового ефекту

дії змінного єлектричного поля УВЧ на імітатори біологічних тканин”

Ціль роботи: Ознайомитись з будовою та принципом роботи апарата УВЧ – терапії; дослідити ефект дії електричного поля УВЧ на біологічні тканини.

Прибори та матеріали: апарат УВЧ – терапії, кювети з єлектролітом та діелектриком, термотетри, неонова лампочка.

І. Теоретичне обгрунтування роботи.

1. Призначення апарату УВЧ – терапії. Апарат УВЧ – терапії призначений для використання з лікувальною ціллю – дії на тканини та органи змінним електричним полем ультрависокої частоти (30 – 300 МГЦ). Метод УВЧ – терапії використовується при лікуванні процесів запалення на кістках, при невралгії, бронхіальній астмі тощо.

2. Будова (основні блоки апарата УВЧ – терапії). Принципова схема апарата УВЧ – терапії зображена на мал. 1. Апарат УВЧ – терапії складається з двох блоків – двухтактного лампового генератора (ЛГ) і терапевтичного контуру (ТК)

3. Принцип роботи апарата УВЧ – терапіі. Ламповій генератор (ЛГ) використовується для здобування незатухаючих електромагнітних коливань. Основні його частини: коливальний контур (КК); джерело електричної енергії; електронні лампи Л1 і Л2, котушка оберненого з‟язку Lc, яка включена в мережу лампових сіток.

Коливальний контур (КК) включений в анодні кола ламп Л1 і Л2 та призначений для збудження незатухаючих електромагнітних коливань. Частота цих коливань залежить від індуктивності Lа котушки та ємкості Са конденсатора контура і по формулі Томпсона визначається:

V 1

LC

a a

Джерело електричної енергії використовується для періодичної подачи її в контур, щоб підтримати незатухаючі коливання.

Електронні лампи Л1 і Л2 призначені для регуліровки подачи єнергії від джерела в конрук ТК. Подача змінної напруги із вихідного кола на сітки ламп Л1 і Л2 проводиться завдяки наявності котушки оберненого з‟язку Lс. Електромагнітні коливання, які одержані в генераторі, передаються в терапевтичний контур, індуктивно пов‟язаний з анодним коливальним контуром генератора. Індуктивний зв‟язок контура виключає можливість попадання хворого під високу напругу Uа, забезпечючи тим самим його безпеку.

Терапевтичний контур складається:

а) з коливального контура з котушкою індуктивності Lт і конденсатора змінної єкості Ст. б) з електродів пацієнта, які підключаються до означеного коливального контура.

Між електродами пацієнта виникає змінне електричне поле, частота якого залежить від індуктивності Lт та ємкості Ст контура, а також від ємкості між електродами пацієнта. Невелика потужність в терапевтичному контурі найбільша виділяється тоді, коли частота власних коливань контура співпадає з частотою коливань, які виникають в анодному контурі КК лампового генератора.

Тому, при різних процедурах ємкість між електродами пацієнта змінюється, і кожен раз треба проводити настройку терапевтичного контура в резонанс, змінюя ємкість конденсатора Ст.

Вся електрична схема апарата змонтована в металевому корпусі. Окремі елементи схеми екранізовані. Елементи управління знаходяться на передній панелі і мають таке призначення. Мал 2.

1.– перемикач “напруга” служить для регуліровки режимів роботи апарата в умовах коливання напруги в мережі.

2.– кнопка “контроль” при надавлюванні подає напругу від мережі на вимірюючий прилад для контролю.

3.– перемикач “потужність” має чотири положення : 0, 20, 40, 70 Вт і служить для перемикання потужності, яка віддається генератором в коло пацієнта.

4.– ручка “ настройка “, служить для зміни ємкості Ст змінного конденсатора.

5.– стрілочний вимірювальний прилад використовується для контролю напруги в електрододержателі генераторі, а також для слідкування за настройкою терапевтичного коливального контура.

На правій боковій стінки апарата закріплені два кронштейна 6 для установки електрододержателів 7, які мають шарнирні з‟єднання за допомогою яких забезпечюється різне положення електродів пацієнта ЕП.

4. Механізм первинної дії електричного поля УВЧ на тканини організма. Фізіологічна дія електрічного поля УВЧ заснована на його дії на молекули та іони тканин організму. В результаті цієї дії в тканинах виділяється значна кількість теплоти, що призводить до активізації фізіологічних та біохімічних процесів. Кількість теплоти, яка виділяється у внутрішніх частинах організма залежить від електропровідних властивостей тканин, на які діє електричне поле УВЧ. Відомо, що по електричним властивостям, біологічні тканини можна віднести до двух видів:

-тканини, які мають активний опір і добре проводять електричний струм (електропровідні тканини);

-тканини, які мають ємкісний опір і погано проводять електричний струм (діелектрики).

До перших відносяться лімфа, кров, спинномозгова рідина, м‟язова, нервова і деякі інші тканини.

До других – кістки, сухожілля, суставна, жирова тканини, суха шкіра та інші.

Втканинах, які добре проводять електричний струм, знаходиться деяка кількість вільних іонів. Під дією електричного поля УВЧ в тканинах віникає струм проводимості. При цьому енергія струму переходить во внутрішню енергію тканини, яка по закону Джоуля – Ленца може бути розрахована по формулі:

Де: U – напруга, між електродами пацієнта.

R – активний опір ділянки тканини, яка розташована між електродами. t - часть дії електричного поля.

Так як U = Е · l , а R Se , де Е – єфективна напруга електричного поля, l – товщина тканини,

- питомий опір тканини, S – площина цієї ділянки, то підставив ці значення в формулу [ 1 ], одержимо розрахункову формулу [ 2 ] для визначення кількості теплоти:

Q E2Vt [ 2 ],

1

де V – об‟ем ділянки тканини між електродами

За одиницю часу при V= одиниці об‟єму, в ділянці тканини виділиться кількість теплоти.

q1 E2 [ 3 ],

В тканинах діелектриках під дією елекртічного поля УВЧ відбувається неперервна переорієнтація дипольних молекул.

При цьому коливання диполей відстають по фазі від коливань напружинності електричного поля Е на кут , який називають кутом діелектричних утрат (мал. 3).

Так як тканина-діелектрик має ємкісний опір, то в ній виникає струм зміщення, енергія якого переходить у внутрішню енергію тканин.

0 Iр

Кількість теплоти, яка виділяється в означенних тканинах визначається по закону Джоуля – Ленца по формулі:

Iа – активна составляюча тока (мал. 3) Iр – реактивна составляюча тока (мал. 3) t – час дії поля УВЧ на тканини.

Imax, Umax – амплітудні значення тока і напруги в колі з ємкісним опором. Из мал. 3

[ 5 ] Imax * cos = Iа Iа = Iр * tg [ 6 ] Imax * cos = Iр * tg [ 7 ]

Підставив в формулу [ 4 ] замість Imax * cos його значення із формули [ 7 ], одержимо: Q 2

В склад організма входять тканини, які мають властивості як діелектриків, так і провідників тока. Таким чином, кількість теплоти, яка виділяеться в одиниці об‟ему за одиницю часу може

бути визначено по формулі q = q 1 + q 2

В апаратах УВЧ – терапії використовують частоту 40 – 58 мГц. При цій частоті нагрів тканин діелектриків відбувається скоріше ніж тканин, що проводять ток.

ІІ. Техніка безпеки при роботі з апаратом УВЧ – терапії.

При роботі з апаратом УВЧ – терапії забороняється:

1)приступати до роботи, не ознайомившись з інструкцією по його експлуатації;

2)підключати або відключати заземлення і заміняти запобіжники при включеному. апараті;

3)підключати і підносити до проводів та електродів апарата металеві предмети, щоб уникнути опіку токами високої частоти;

4)заміняти електроди і провід при включеному апараті.

1. Імітатори тканин організму.

Як імітатори тканин організму використовують рідини, які мають властивості як провідників так і діелектриків. Їх використовують для вивчення теплової дії поля УВЧ на тканини, які проводять та не проводять ток. Досліджувані рідини розташовують в кюветах із оргскла. Їх об‟єм в кюветах повинен бути однаков. Рідини, які проводять ток, повинні мати однакову

теплоємкість. Для вимірювання температури використовують термометри з однаковою ціною поділок. Продовження дії поля УВЧ на імітатори тканини повинна бути однакова. Вимірювання температури проводиться через однакові проміжки часу.

ІІІ. Порядок виконання роботи.

3.1 Підготовка апарата УВЧ – терапії до роботи.

1.Встановити електроди на відстані заданом викладачем.

2.Перевірити заземління апарату і включити його в мережу.

3.Перемикач “напруга” поставити в положення 1 при цому повинна загорітися сигнальна лампочка.

4.Нажати кнопку “контроль” і, повертаючи перемикач напруги, встановити стрілку вимірювального прилада апарата на середину червоного сектора.

5.Встановити перемикач “потужність” на задане значення.

6.Ручкою “настройка” добитися максимального свічіння індикаторної лампочки.

3.2 Дослідження теплової дії електричного поля УВЧ на імітатор тканин.

1. Заміряти початкову температуру імітаторів тканин і записати данні в таблицю.

Розчин повареної солі

NaCl

Розчин

CuSO4

Касторове

масло

2.Розташувати кювети між електродами пацієнта і замітити час початку дії електричного поля.

3.Через кожні п‟ять хвилин знімати показання термометрів.

4.Данні, одержані в досліді, заносити в таблицю.

5.Побудувати графіки залежності температури досліджуємих рідин від часу t дії на них електрічного поля УВЧ.

t 0 C = f (t хвилин)

ІУ. Питання для самоконтроля.

1.Які електричні властивості мають тканини організму? Чим вони пояснюються?

2.Який первинний механізм дії електричного поля УВЧ на тканини, які мають електропровідні властивості?

3.Який первинний механізм дії електричного поля УВЧ на тканини, які мають властивості діелектриків.

4.По якій формулі можна визначити кількість теплоти, яка виділяється під дією електричного поля УВЧ в тканинах – провідниках тока?

5.По якій формулі можна визначити кількість теплоти, під дією електричного поля УВЧ в тканинах – діелектриках.

6.Для чого призначений аппарат УВЧ терапії.

7.Основні блоки апарата УВЧ – терапії.

8.Електрична схема апарата УВЧ – терапії.

9.Поясніть призначення, будову та принцип роботи двухтактового лампового генератора. Його електрична схема, призначення окремих елементів схеми.

10.Поясніть призначення, будову та принцип роботи терапевтичного контура, який використовується в апараті УВЧ – терапії. Його схема, призначення окремих елементів схеми.

11.Які ручки управління використовуються в апараті УВЧ – терапії, їх назва та призначення.

12.Як перевірити дослідним шляхом, в яких тканинах – проводниках чи діелектриках виділяється більше теплоти?

13.Як підготувати апарат УВЧ – ткрапії до роботи.

14.Як налаштувати терапевтичний контур в резонанс с коливаннями в генераторі апарата УВЧ терапії.