Первичное действие постоянного тока на ткани организма.

Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах.

Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным.

Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов, их разделением, и изменением их концентрации в разных элементах тканей и возникновением встречного поляризационного поля.

Закон Ома для биологического объекта следует записать:

,

где P(t) - э.д.с. поляризации, являющаяся функцией времени.

Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенно электрическое сопротивление тканей и прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать значительный ток через организм.

Гальванизация.

Лечебный метод, при котором используется действие на ткани организма постоянного тока небольшой величины (нескольких “mА”), называется гальванизацией тока.

Источником обычно служит двухполупериодный выпрямитель с электрическим фильтром - аппарат гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца или станиоля толщиной 0,3 - 0,5мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащегося в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные, например, теплой водой.

Дозируют постоянный ток по показаниям миллиамперметра, при этом обязательно учитывают предельно допустимую плотность тока - 0,1mА/см².

Лечебный электрофорез.

Электрофорез - движение в жидкости заряженных частиц под действием электрического поля (взвешенных твердых частиц, пузырьков газа, коллоидных частиц и др.). Электрофорез был открыт Ф.Рейесом в 1807 году. В 1937 году Тизелиус сконструировал прибор для электрофореза белков. Этот метод широко используется для анализа белков и белковых смесей. Поскольку суммарный заряд молекулы - одна из наиболее специфичных характеристик индивидуального белка, а электрофоретическая подвижность сильно зависит от заряда, электрофорез оказался превосходным методом для изучения состава сложных белковых смесей и для их разделения. Наиболее широко применяются два варианта электрофоретического метода:

фронтальный и зонный электрофорез.

Электрофорез применяют в медицине для анализа белкового состава сыворотки крови и желудочного сока. Кроме того, этот метод позволяет разделять не только белки, но и нуклеиновые кислоты, аминокислоты, стерины и другие биологические вещества.

Постоянный ток используется в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через катод или слизистые оболочки. Этот метод получил название электролиза лекарственных веществ. Для этой цели поступают так же, как и при гальванизации, но прокладку активного электрода смачивают раствором соответствующего лекарственного вещества. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает, анионы вводят с катода, катионы - с анода.

Наиболее прост электрофорез на бумаге (рис. а) схема аппарата). На специальную фильтрованную бумагу Б, смоченную буферным раствором Р, помещают в виде полоски К каплю исследуемой жидкости, которая под действием постоянного электрического поля (Э - электроды) перемещается. Подвижность ионов различных фракций неодинакова, поэтому за одно и то же время отдельные фракции переместятся на фильтровальной бумаге на разные расстояния. Фильтровальная бумага высушивается и фиксируется в растворе, образующем на ней окрашенные полоски различных фракций (рис.б). На рисунке в) дан график интенсивности полосок, а следовательно, и концентрации фракций.

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ.

Люминесценция есть свечение вещества, являющееся избытком над тепловым излучением этого вещества при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период (10^-15 сек) излучаемых световых волн ( то есть не прекращающееся сразу после устранения причины, вызвавшей её). Это определение дано С.И.Вавиловым.

В зависимости от способа возбуждения люминесценции различают несколько её видов:

1. Люминесценция, вызванная заряженными частицами:

а) ионолюминесценция - ионами;

б) катодолюминесценция - электронами;

в) радиолюминесценция - ядерным излучением.

2. Люминесценция под воздействием рентгеновского и y-излучения - рентгенолюминесценция; фотонов - фотолюминесценция.

3. Электрическим полем - электролюминесценция (свечение газового разряда).

4. Люминесценция, сопровождающая экзотермическую химическую реакцию, называется хемилюминесценцией. К ней относится биолюминесценция - видимое свечение организмов, связанное с процессами

их жизнедеятельности.

По внутриатомным процессам различают люминесценцию:

а) спонтанную;

б) вынужденную;

в) рекомбинационную.

При спонтанной люминесценции излучение происходит непосредственно вслед за возбуждением. Переход с возбужденного уровня на основной момент может быть как единым - в этом случае излучение называется резонансным, так и ступенчатым. Энергия h как бы "разменивается" и излучаются фотоны с меньшими частотами. В последнем случае некоторые ступени могут не сопровождаться излучением, то есть быть безызлучательными.

У определенных веществ имеются уровни энергетические, переход с которых на основной путем излучения фотонов имеет малую вероятность, то есть происходит медленно и постепенно, поэтому возбужденные атомы могут задерживаться на них достаточно долго. Такие уровни называются метастабильными. В процессе возбуждения на таком уровне может происходить значительное накопление атомов.

Переход с метастабильного на основной уровень может быть ускорен путем какого-либо энергетического воздействия на атомы, например, воздействия квантами излучения такой же длины волны. Вызванное при этом излучение называется вынужденным (индуцированным или стимулированным), а само явление вынужденной люминесценцией.

Рекомбинационной называется люминесценция, происходящая в результате рекомбинационных процессов, например, при рекомбинации электронов и ионов в газах, электронов и дырок в полупроводниках и так далее.

Фотолюминесценция. Правило Стокса.

Фотолюминесценция делится на флуоресценцию (кратковременное послесвечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение) (не менее 10^-3 сек).

Фотолюминесценцию жидкостей и твердых тел можно наблюдать при освещении их видимым или УФ светом. Примером может служить свечение обыкновенного керосина, серной кислоты, раствора флуоресцеина, зеленое свечение стекол с примесью солей урана, красное свечение стекол с примесью солей марганца, синей - с примесью солей церия. Светятся также различные краски и особые неорганические составы и минералы, которые называют фосфорами (люминофорами).

Опытное исследование спектров фотолюминесценции показало, что они отличаются от спектров возбуждающего излучения. При этом обычно соблюдается правило, установленное Стоксом (1852 год), согласно которому спектр люминесценции в целом и его максимум всегда оказывается в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения, способного вызвать эту люминесценцию (рисунок).

Это правило можно объяснить при помощи квантовой теории. Энергия падающего фотона h₀ частично расходуется на какие-то процессы внутри вещества, не приводящие к излучению; остальная часть расходуется на возбуждение молекулы или атома, после которого происходит излучение фотона с энергией h₁. Если часть энергии падающего фотона, не приводящую к излучению, обозначить через A, то, очевидно, согласно закону сохранения энергии, должно иметь место равенство h₀ = h₁ + A, откуда следует, что ₁ < ₀ или ₁ > ₀, то есть испускаемый при люминесценции свет должен иметь более длинные волны, чем поглощаемый.

Если A = 0, то ₁ = ₀; в этом предельном случае испускаемый свет будет иметь ту же длину волны, что и поглощаемый.

В редких случаях, при возбуждении фотолюминесценции отдельной спектральной линией (то есть монохроматическим светом, когда фотон поглощается уже возбужденной молекулой, возможен процесс, при котором испускаемый фотон уносит с собой дополнительно часть энергии молекулы. При этом испускаемый люминесценцией свет будет иметь большую частоту (меньшую длину волны): h₁ > h₀ или ₁ < . В этом случае нарушается правило Стокса ("антистоксова область", излучение).

Антистоксово излучение возникает при возбуждении частицы, которая уже находилась в возбужденном состоянии (уровень 2 на рисунке). При переходе с уровня 3 на основной 1 излучается энергия h. Как видно из рисунка h₁ > h₀ или ₁ < .

Однако антистоксово излучение редко, при большом числе возбуждений в среднем всегда имеет место испускание света с большей длиной волны по сравнению со светом поглощаемым. Поэтому максимум кривой спектра люминесценции всегда находится в области более длинных волн по сравнению с максимумом кривой спектра поглощения.

В жидких и твердых веществах спектр люминесценции не зависит от спектра возбуждающего света (или от длины волны поглощенного излучения, если оно является монохроматическим). Если в пределах спектра поглощения изменять частоту возбуждающего света, то спектр люминесценции при этом не меняется. Он характеризует люминесцирующее вещество и обусловлен природой его молекул, а не энергией возбуждающего фотона (рисунок).

Энергия, затраченная на возбуждение вещества, превращается в энергию излучения; при этом часть энергии рассеивается в веществе, не вызывая излучения. Процессы, приводящие к рассеиванию энергии, называются тушением люминесценции.

Полнота преобразования поглощенной энергии в энергию излучения характеризуется так называемым "выходом люминесценции".

Это понятие было введено С.И.Вавиловым:

1) энергетическим выходом В_Э люминесценции называется отношение энергии люминесценции W_Л к поглощенной энергии Wп:

В_Э ;

2) квантовым выходом B_К называется отношение числа квантов N_Л, излученных веществом, к числу N_П поглощенных квантов:

.

Измерения показали, что в некоторых случаях величина выхода люминесценции может быть весьма большой; например, для флуоресцина он равен 0,76. Однако в большинстве случаев выход люминесценции оказывается значительно меньшим единицы.

Применение спектрального

и люминесцентного анализа в медицине.

Фотолюминесценция наблюдается у многих жидких и твердых тел как неорганической, так и органической природы, особенно под действием УФ излучения.

Определение природы и состава вещества по спектру его люминесцентного излучения, называется люминесцентным анализом.

При благоприятных условиях люминесцентный анализ позволяет обнаруживать люминесцентные вещества в количестве до 10^-10г.

Люминесцентный анализ используют для обнаружения начальной стадии порчи продуктов, сортировки фармакологических препаратов и диагностики некоторых заболеваний.

Под действием УФ излучения флуоресцируют многие ткани организма (ногти, зубы, непигментированные волосы, роговая оболочка, хрусталик глаза и другие). В некоторых случаях по характеру свечения можно отличить патологически измененные ткани от нормальных. Характерное свечение дают бактериальные и грибковые колонии. В связи с этим люминесцентный анализ применяется при диагностике многих заболеваний, особенно в области дерматологии.

При люминесцентной микроскопии исследуются естественные препараты, имеющие собственную флуоресценцию или окрашенные флуоресцирующими красками. Источником света являются лампы ртутные высокого и сверхвысокого давления и применяются два светофильтра, один из которых расположен перед конденсатором и выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой находящийся после объектива, выделяет свет люминесценции. Оптика микроскопа может быть обычной, так как через нее проходит уже видимый свет, возникший на препарате в результате флуоресценции.

Спектры являются иточником различной информации.

Для атомного спектрального анализа используют как спектры испускания (эмиссионный спектральный анализ), так и спектры поглощения (абсорбционный атомный спектральный анализ).

В медицинских целях эмиссионный анализ служит в основном для определения микроэлементов в тканях организма, небольшого количества атомов металлов в консервированных продуктах с гигиенической целью, некоторых элементов в трупных тканях для целей судебной медицины и так далее.

Специфичность и индивидуальность спектров отдельных молекул лежит в основе кочественного и количественного спектрального анализа. Молекулярные спектры позволяют исследовать не только строение молекул, но и характер межмолекулярного взаимодействия.

Молекулярные абсорбционные спектры являются важным источником информации о биологических молекулах и широко используются в современных биохимических и биофизических работах.

Если учесть, что по спектру вещества удается делать выводы о его состоянии, температуре, давлении и так далее, то можно высоко оценить использование излучения и поглощения энергии атома ми и молекулами как исследовательский метод.

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, ИК, УФ, видимого излучения, рентгеновская.

По типу вещества источника спектра различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

Имеется целый класс весьма интересных соединений, которые не флуоресцируют в водных растворах. Однако эти соединения сильно флуоресцируют, если они связаны с гидрофобными областями белков. Вот два примера таких соединений:

В этом случае флуоресцентные свойства таких молекул могут быть использованы для того, чтобы охарактеризовать конформацию белка вблизи связывающего центра. Например, квантовый выход флуоресценции АНС в воде равен 0,04, а в комплексе аномноглобин - АНС квантовый выход равен почти единице. (Аномноглобином называется многлобин без гемовой группы). Ряд данных указывает на то, что АНС и гемовая группа связываются в одном и том же центре аномноглобина.

Спектр флуоресценции представляет собой зависимость интенсивности излучения от длины волны.

Значение измерений спектров флуоресценции состоит в том, что вероятность перехода электрона между различными энергетическими уровнями в излучающем центре (люминофоре) зависит от его окружения. Флуоресценция дает информацию об изменении конформации макромолекул. С этой целью исследуется либо собственная флуоресценция макромолекул, изменяющаяся под влиянием окружения, либо флуоресценция молекул, связывающихся с данными макромолекулами.

Некоторые коферменты флуоресцируют в свободном или связанном состоянии, причем параметры флуоресценции меняются при связывании с ферментом или с субстратом (например, флуоресценцияпи ридоксальфосфата изменяется при связывании с триптофансинтетазой).

Для остатков типтофана и тирозина характерна интенсивная флуоресценция; они являются группами с сильно выраженными гидрофобными свойствами (то есть располагаются в белковой молекуле так, чтобы как можно меньше контактировать с растворителем) и "чувствуют" боковые цепи соседних остатков.

Анилинонафталинсульфат (АНС) слабо флуоресцирует в водной среде и в других полярных растворителях; в неполярных раствориелях интенсивность его флуоресценции сильно возрастает. Это свойство было использовано для доказательства гидрофобного характера места связывания гема в миоглобине.

Хемилюминесценция сопровождает некоторые экзотермические химические реакции. Химические превращения в веществе сопровождаются перестройкой внешних электронных оболочек атомов. Излучение света приводит к образованию химического соединения с более устойчивой в данном окружении и при данных условиях электронной конфигурацией. Хемилюминесценция часто сопровождает процессы окисления с образованием более устойчивых продуктов сгорания.

Свечение при хемилюминесценции вызывается молекулами (атомами, ионами) продуктов реакции в возбужденных электронных, колебательных и вращательных состояниях.

Хемилюминесценцией называется генерация света при химических реакциях. В процессе реакции одно или несколько промежуточных соединений могут первоначально образовать в электронно-возбужденном состоянии и быть способными испускать свет путем флуоресценции. В этом случае мы имеем дело с превращением химической энергии в световую - процесс, прямо противоположный фотосинтезу.

Известно большое число хемилюминесцентных соединений. К наиболее изученным относится реакция окисления люминола (5-амино-2,3-дигидро-1,4-фталазиндиона).

Биолюминесцентные реакции обычно осуществляются при участии кислорода и специализированных ферментов. Многие организмы, включая ряд бактерий, грибов, кораллов, моллюсков, насекомых, обладают способностью излучать свет. Из них лучше всего нам знакомы, несомненно, светлячки и их личинки, так называемые светящиеся черви. (Свет у многих видов светлячков служит брачным сигналом).

Флуоресценция обусловлена переходами атомов, молекул или ионов из возбужденного состояния в нормальное.

Фосфоресценция обусловлена наличием метастабильных возбужденных состояний атомов и молекул, переход из которых в нормальное состояние затруднен по тем или иным причинам. Переход из метастабильного состояния в нормальное возможен лишь в результате дополнительного возбуждения, например теплового.

Квантовым выходом флуоресценции Ф_F называется отношение списка излученных фотонов к общему числу поглощенных фотонов. Максимальное значение Ф_F равно единице, хотя оно может быть и гораздо меньше единицы, если в системе действуют другие процессы, также приводящие к дезактивации возбужденных молекул.

Мультиплетность - число возможных ориентаций в пространствеспина атома или молекулы. Мультиплетность определяет число подуровней, на которое может расцениваться уровень энергии вследствие спин-орбитального взаимодействия.

Синглеты (от английского single - одиночный) – одиночные спектральные линии, обусловленные электронными квантовыми переходами между нерасщепленными уровнями квантовой системы.

Триплеты - тройки близко расположенных спектральных линий. Обусловлены мультиплетностью, равной 3. Наблюдаются, например, в спектрах атомов щелочноземельных элементов, при эффекте Зеемана.

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ И ТОРМОЗНОЕ. СПЕКТР ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО ГРАНИЦА. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ (ЖЕСТКОСТЬ И ИНТЕНСИВНОСТЬ) ИЗЛУЧЕНИЯ.

Рентгеновским излучением называется электромагнитные волны с длиной ~ от 80 нм до 10^-5 нм (в медицине 10  510^-3 нм). По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое. Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. Рентгеновская трубка состоит из подогревного катода и анода, заключенных в баллон с высоким вакуумом (10^-7 мм рт.ст.) Между катодом и анодом приложено напряжение порядка 10⁵ В. Освобожденные из катода электроны ускоряются электрическим полем и, двигаясь к аноду, достигают скоростей порядка сотен тысяч км/с (в зависимости от величины напряжения между анодом и катодом). Достигнув анода,электроны резко затормаживают при ударе о его поверхность. Приэтом происходит превращение части кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного излучения; однако большая часть энергии электронов превращается в энергию молекулярно-теплового движения частиц анода, что вызывает его сильное нагревание (поэтому анод изготавливают из хорошо теплопроводящего материала - меди например).

Возникающее электромагнитное излучение называют тормозным ренгеновским излучением. Его механизм объясняют следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и, в соответствии с теорией Масквелла, появляется электромагнитная волна.

Тормозное ренгеновское излучение имеет сплошной спектр. Это объясняется тем, что одни элктроны тормозятся быстрее, другие медленнее, что и приводит к возникновению электромагнитного излучения с различными длинами волн.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение _min возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию кванта:

откуда

Выражая U в кВ и  в ингетремах, получим:

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое - мягким.

Интенсивность рентгеновского излучения определяется эмпирической формулой

J = kiU²Z,

где i - сила тока, U - напряжение, Z - порядковый номер атома вещества анода, k - коэффициент пропорциональности

(CU - k = 10^-9 В^-1).

При больших напряжениях в рентгеновской трубке наряду с рентгеновским излучением, имеющим сплошной спектр, возникает рентгеновское излучение, имеющее линейчатый спектр, последний налагается на сплошной спектр. Это излучение называется характеристическим, то есть каждое вещество имеет собственный, характерный для него линейчатый спектр (сплошной спектр не зависит от вещества анода и определяется только напря жением на рентгеновской трубке).

Линейчатый характеристический спектр возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают вглубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней, в результате излучаются фотоны характеристического излучения. Как видно из рисунка, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий K, L, M и так далее. Так как при излучении K-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.

Мозли установил простой закон, связывающий частоты спектральных линий с атомным номером испускающего их элемента:

- частота спектральной линии;

Z - атомный номер испускающего элемента;

A и B - постоянные.

Устройство рентгеновских трубок и простейших

рентгеновских аппаратов, применяемых в медицине.

Устройство рентгеновской трубки было разобрано выше. Принципиальная электрическая схема простейшего рентгеновского аппа рата приведена на рисунке.

В схеме имеется два трансформатора: Т₁ высокого напряжения для питания анодной цепи трубки и Т₂ для питания накала. Высокое напряжение на трубке регулируется при помощи автотрансформатора АТ, подключенного к первичной обмотке трансформатора Т₁. Перек-лючателем П изменяется число витков обмотки автотрансформатора. В связи с этим измененяется и напряжение вторичной обмотки транс-форматора, подаваемое на трубку. Ток накала трубки регулируется реостатом R, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора Т₂. Ток анодной цепи изменяется миллиамперметром. О величине нап-ряжения в анодной цепи трубки судят по положению переключателя П.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

(когерентное рассеяние, фотоэффект, Комптон-эффект).

Проходя через вещество фотоны рентгеновского излучения взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества.

При этом имеют место три главных процесса:

1. Когерентное рассеяние.

Рассеянием длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия кванта меньше энергии ионизации: E = h < A_u (A_u - энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы). Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения учитывается возможность изменения направления первичного пучка.

2. Эффект Комптона (некогерентное рассеяние) - при рассеянии жестких рентгеновских лучей у рассеянных лучей длина волны больше, чем у падающих (1922 год - Комптон). Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации:

h > A_u.

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия фотона h расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией h₁, на отрыв электрона от атома (A_u) и сообщение электрону кинетической энергии E_k:

h = h + A_u + E_k.

Так как во многих случаях h >> A_u или эффект Комптона происходит на свободных электронах, то можно приближенно записать:

h = h + E_k.

В этом явлении наряду со вторичным рентгеновским излучением (h) появляются электроны отдачи (E_k). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

3. Фотоэффект рентгеновских лучей изучали А.Ф.Иоффе и Н.И.Добронравов.

При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фото ионизация). Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Три основных процесса взаимодействия являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям. Например, ионизированные атомы могут излучать характеристический спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т.п. Рентгеновское излучение приводит к образованию перекиси водорода в воде, действует на фотопластинку. Ионизирующее действие проявляется в увеличении элект ропроводности под влиянием рентгеновского излучения (использует-

ся в дозиметрии).

Закон ослабления потока излучения.

Защита от рентгеновского излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом Ф = Ф₀ е^-х ,

 - линейчатый коэффициент ослабления. Он зависит от природы вещества (от плотности и атомного номера 2) и от длины волны  (энергии фотонов) излучения. Используют также массовый коэффициент ослабления, который равен отношению линейного коэффициента

ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества.

Использование рентгеновского излучения в медицине: понятие о рентгеноскопии, рентгенографии, рентгенотерапии и рентгеновской томографии.

Для целей диагностики используют фотоны с энергией порядка 60 120 кэВ. При этих энергиях массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение _m = k³ Z³, где k - коэффициент пропорциональности. Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутриклеточных органов тела человека.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия - изображение рассматривается на рентгенолюминесцирующем экране и рентгенография - изображение фиксируется на фотопленке.

С лечебной целью - рентгенотерапия - рентгеновское излучение применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований.

Флюорография - фиксация изображения на чувствительной мало форматной пленке с большого рентгенолюминесцирующего экрана.

Томография - метод рентгенологического исследования, заклюю чающийся в получении теневого изображения отдельных слоев исследуемого объекта, лежащих на разной глубине.

Томографию производят с помощью специальных рентгенодиагностических аппаратов - томографов. Томограф состоит из рентгеновского питающего устройства, излучателя, приемника излучения (кассеты с усиливающим экраном и пленкой или селеновой пластиной), устройства для фиксации больного, а также механизма для синхронного перемещения излучателя и приемника либо больного и приемника излучения.

Томография компьютерная - метод рентгеновского исследования, заключающийся в круговом просвечивании объекта рентгеновским излучением и последующем построении с помощью быстродействующей ЭВМ послойного изображения этого объекта.

Математические принципы метода были обоснованы Кормаком в 60-х годах XX века. Первое официальное сообщение о применениикомпьютерной томографии для исследования головы человека сделано Хаунсфилдом и Амброусом в 1972 году. Первый компьютерный томограф для всего тела был создан Ледли в 1974 году. За разработку метода компьютерной томографии в 1979 году Хаунсфилду и Кормаку была присуждена Нобелевская премия.

Компьютерную томографию производят с помощью компьютерных томографов, имеющих сканирующее устройство, состоящее из источника рентгеновского излучения, детекторов, его воспринимающих, и системы, обеспечивающей их перемещение; систему преобразования регистрируемой детекторами информации; специализированную ЭВМ, производящую необходимые для построения изображения вычисления по заданному алгоритму; систему записи и воспроизведения реконструированных изображений внутреннего строения тонких слоев объекта в аксиальном (поперечном) сечении.

СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ.

РОЛЬ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПАТОЛОГИИ.

Свободные радикалы являются частицами, имеющими неспаренные электроны. Они могут быть положительно заряженными, отрицательно заряженными и нейтральными, и все три типа радикалов играют важную роль.

Радикалы имеют различную реакционную способность, зависящую, как и в случае других химических частиц, от температуры и концентрации окружающих молекул. Некоторые свободные радикалы удивительно стабильны. Примерами могут служить нитроксиды, которые используют в опытах со спиновыми метками и получают путем присоединения радикалов к нитронам.

Существует четыре типа процессов, в которых получаются свободные радикалы:

1) мономолекулярный гомолиз молекул, в которых имеются необычно слабые связи (так называемых инициаторов);

2) радиолиз;

3) фотолиз;

4) одноэлектронный перенос с ионов переходных металлов на органические соединения.

Кроме того, необходимо учитывать действие веществ, загрязняющих среду, таких, как озон, NO₂, синглетный кислород. Эти вещества могут вести себя как инициаторы. Кроме того имеются ферментативные процессы, в которых могут образовываться свободные радикалы.

Обнаружение свободных радикалов возможно с помощью метода ЭПР и ЯМР.

С помощью ЭПР-спектроскопии в сочетании с другими методами исследования было установлено, что свободные радикалы и другие парамагнитные частицы (преимущественно металлокомплексы) принимают участие в важнейших процессах жизнедеятельности клетки. Кроме того, активные свободнорадикальные частицы могут возникать в окружающей живые организмы среде, например, при действии света или проникающей радиации. Эти радикалы оказывают различного рода нежелательное действие на организмы, что может приводить к патологическим изменениям или к гибели организмов. Например, получающийся в ферментативных реакциях гидроксильный радикал (OH) может в некоторых условиях вызывать патологические процессы.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Применение ЭПР-спектроскопии в биологии и медицине.

Основу магниторезонансных методов составляет поглощение энергии электромагнитных волн микроволнового и радиочастотного диапазонов в присутствии внешнего постоянного магнитного поля. Первые эксперименты на конденсированных образцах были ыполнены в СССР Завойским Е.К. в 1944 году. Дальнейшее быстрое развитие эти методы получили благодаря успехам, достигнутым в микроволновой технике (Блох и Парселл).

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней. Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

Ядра, как и электроны, характеризуются собственным моментом количества движения (спином), который квантуется (то есть принимает не все, а лишь определенные значения), а также обладают и магнитным моментом.

В зависимости от типа частиц-носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

ЭПР наблюдается в веществах, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами.

Поглощение (или резонанс) происходит, когда величина E = h, энергия поставляемая осциллирующим полем, становится равной величине h = g_БB_рез, т.е. h = g_Б B_рез

где g - множитель Ланде (g-фактор), для заданного уровня энергииатома он зависит от квантовых чисел L, j, S;

_Б = - магнетон Бора;

B - вектор магнитной индукции.

Магнитный резонанс наблюдается, если на частицу одновременно действует постоянное магнитное поле индукции B_рез. и электромагнитное поле с частотой .

Из условия (1) видно, что обнаружить резонансное поглощение можно двумя путями: или при неизменной частоте плавно изменять магнитную индукцию, или при неизменной магнитной индукции плавно изменять частоту. Технически более удобным оказывается первый вариант.

Форма и интенсивность спектральных линий, наблюдаемых в ЭПР, определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, друг с другом, с решеткой твердого тела и т.п.

Современная методика измерения ЭПР основывается на определении изменения какого-либо параметра колебательной системы, происходящего при поглощении электромагнитной энергии.

Прибор, используемый для этой цели, называют спектрометром ЭПР. Он состоит из:

1 - электромагнит, создающий сильное однородное магнитное поле, индукция которого может плавно изменяться;

2 - генератор СВЧ-излучения электромагнитного поля;

3 - специальная "поглощающая ячейка", которая концентрирует падающее СВЧ-излучение на образце и позволяет обнаружить поглощение энергии образцом (объемный резонатор);

4 - электронная схема, обеспечивающая наблюдение или запись ЭПР;

5 - образец;

6 - осциллограф.

Практически на ЭПР-спектрометрах регистрируют не кривую поглощения энергии (E_погл (B)), а ее производную (то есть .

При помощи ЭПР можно изучать лишь объекты, обладающие неспаренными электронами; таковыми являются свободные радикалы и соединения, включающие ионы переходных металлов.

В зависимости от изучаемого объекта можно выделить три основных типа исследований:

- анализ свободных радикалов, в норме присутствующих в живом организме;

- исследования металлопротеидов (белков, содержащих ионы металлов, главным образом железа, меди и реже - марганца);

- исследования парамагнитных меток, искусственно вводимых в изучаемую систему, с тем чтобы установить механизм реакции или место связывания определенного соединения (например, выявить природу активного центра).

Метод спиновых меток - соединений, которые обычно представляют собой различные нитроксильные радикалы, является своего рода способом зондирования крупных молекул.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и его медико- биолгические применения.

Ядерным магнитным резонансом (ЯМР) называют избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

ЯМР наблюдается при выполнении условия (для свободных атомных ядер):

h = g_я _я В,

где g_я - ядерный множитель Ланде, _я - ядерный магнетон Бора.

ЯМР представляет собой весьма чувствительный метод; в ходе измерений образец не разрушается, а необходимые его количества очень малы. С помощью ЯМР исследуют самые разные процессы и определяют самые разные величины, например:

- кинетику роста кристаллов в растворах или, напротив, кинетику их растворения;

- процессы полимеризации, например, синтетических смол;

- процессы гидратации и дегидратации, определение содержания воды в различных веществах при данных условиях;

- определение содержания свободных радикалов (кинетика горения, анализ выхлопных газов);

- исследование вязкости смазочных материалов.

Этот метод применяется при контроле за пищевыми продуктами (определение содержания воды в продуктах, отношения содержания твердых ингредиентов к жидким в жирах и маргаринах, содержания ненасыщенных компонентов в жирах, установление причин порчи продуктов и поиски новых консервантов).

С его помощью исследуют структурированность внутриклеточной воды (в раковых клетках она меньше, чем в нормальных), пытаясь создать на этой основе эффективные методы диагностики определенных заболеваний. ЯМР применяют для определения содержания масла в зернах масличных культур (анализ, не разрушающий образцы), что позволяет отбирать лучшие зерна и увеличивает рентабельность производства масла. Этот метод находит применение при стереохимических исследованиях, помогая установить механизм некоторых реакций.

ЭПР и ЯМР.

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней.

Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

В зависимости от типа частиц - носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ЭПР был открыт в 1944 году Е.К.Забойским. Он имеет место в вещества, содержащих парамагнитные части-

цы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней.

ЯМР был открыт в 1946 году Блохом и Парселом. Так как величина магнитного момента ядер приблизительно в тысячу раз меньше моментов электронных оболочек, то и частоты, отвечающие ядерному резонансу, будут в тысячу раз меньше по сравнению с частотами ЭПР.

_Б  Н

При помощи ЯМР можно изучать строение молекул, их конформацию, распределение электронной плотности, слабые межмолекулярные взаимодействия (комплексообразование, сольватация, водородные связи),заторможенное внутреннее вращение, таутомерное равновесие, а иногда и кинетику реакций. Обычно снимают спектры жидкостей или растворов, иногда газов.

Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля , оставляя постоянной напряженность магнитного поля H_o, либо, напротив, изменять H_o при постоянной . Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют Ho, то при некотором значении Ho происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает.

Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.

А - ампула с образцом

М – магнит Г – генератор

У – усилитель

О – осциллограф С - самописец

Применения ЭПР - обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.

ЯМР - томография.

Картину пространственного расположения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-томографии (интроскопии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали слои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов изменений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдениях магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.

На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.