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Física médica. Folha de dicas: resumidamente, o mais importante

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Índice analítico

1. Física médica. História curta
2. Problemas básicos e conceitos de metrologia
3. Metrologia médica e suas especificidades
4. Valor aleatório. lei de distribuição
5. Distribuição de Maxwell (distribuição de velocidade de moléculas de gás) e Boltzmann
6. Estatística matemática e dependência de correlação
7. Sistemas cibernéticos
8. O conceito de cibernética médica
9. Fundamentos de mecanica
10. Conceitos básicos de mecânica
11. Articulações e alavancas no sistema musculoesquelético humano. Ergometria
12. Vibrações mecânicas
13. água mecânica
14. efeito Doppler
15. Acústica
16. Base física de métodos de pesquisa sólidos na clínica
17. A física da audição
18. Ultrassom e sua aplicação na medicina
19. Hidrodinâmica
20. Propriedades mecânicas de sólidos e tecidos biológicos
21. Propriedades mecânicas dos tecidos biológicos
22. Problemas físicos da hemodinâmica
23. Trabalho e poder do coração. Máquina coração-pulmão
24. Termodinâmica
25. A segunda lei da termodinâmica. Entropia
26. Estado estacionário
27. Termometria e calorimetria
28. Propriedades físicas de meios quentes e frios usados ​​para tratamento
29. Processos físicos em membranas biológicas
30. Propriedades físicas e parâmetros de membranas
31. Um tipo de transferência passiva de moléculas e íons através de membranas biológicas
32. Eletrodinâmica
33. Dipolo elétrico e multipolo
34. Base física da eletrocardiografia
35. Corrente elétrica
36. Condutividade elétrica de tecidos biológicos e líquidos em corrente contínua. Descarga elétrica em gases
37. Um campo magnético
38. Força do campo magnético e suas outras propriedades
39. Propriedades dos ímãs e propriedades magnéticas dos tecidos humanos
40. Indução eletromagnética. Energia do campo magnético
41. Resistência total ((impedância) dos tecidos do corpo. Base física da reografia
42. O conceito da teoria de Maxwell. Corrente de polarização
43. Classificação dos intervalos de frequência adotados na medicina
44. Processos físicos em tecidos que ocorrem quando expostos a campos eletromagnéticos e correntes
45. Exposição a correntes alternadas (impulso)
46. Exposição a um campo magnético alternado
47. Eletrônica
48. eletrônica médica
49. Como a confiabilidade do equipamento médico é garantida
50. Sistema para obter informações biomédicas
51. Osciladores de amplificador
52. Ótica
53. óptica de ondas
54. Polarização da luz
55. O sistema óptico do olho e algumas de suas características
56. Radiação térmica dos corpos

A física médica é a ciência de um sistema que consiste em dispositivos físicos e radiação, dispositivos e tecnologias médicas e de diagnóstico.

O objetivo da física médica é estudar esses sistemas para a prevenção e diagnóstico de doenças, bem como o tratamento de pacientes usando os métodos e meios da física, matemática e tecnologia. A natureza das doenças e o mecanismo de recuperação em muitos casos têm uma explicação biofísica.

Os físicos médicos estão diretamente envolvidos no processo de tratamento e diagnóstico, combinando conhecimentos físicos e médicos, dividindo a responsabilidade pelo paciente com o médico.

O desenvolvimento da medicina e da física sempre estiveram intimamente interligados. Mesmo nos tempos antigos, a medicina usava fatores físicos para fins medicinais, como calor, frio, som, luz, vários efeitos mecânicos (Hipócrates, Avicena, etc.).

O primeiro físico médico foi Leonardo da Vinci (cinco séculos atrás), que realizou pesquisas sobre a mecânica do movimento do corpo humano. A medicina e a física começaram a interagir de forma mais frutífera a partir do final do século XNUMX - início do século XNUMX, quando a eletricidade e as ondas eletromagnéticas foram descobertas, ou seja, com o advento da era da eletricidade.

Vamos citar alguns nomes de grandes cientistas que fizeram as descobertas mais importantes em diferentes épocas.

Final do século XNUMX - meados do século XNUMX associados à descoberta dos raios-x, radioatividade, teorias da estrutura do átomo, radiação eletromagnética. Essas descobertas estão associadas aos nomes de V.K. Roentgen, A. Becquerel,

M. Skladovskoy-Curie, D. Thomson, M. Planck, N. Bohr, A. Einstein, E. Rutherford. A física médica realmente começou a se estabelecer como uma ciência e profissão independente apenas na segunda metade do século XX. com o advento da era atômica. Na medicina, dispositivos gama de radiodiagnóstico, aceleradores eletrônicos e de prótons, câmeras gama de radiodiagnóstico, tomografias computadorizadas de raios-X e outros, hipertermia e magnetoterapia, laser, ultrassom e outras tecnologias e dispositivos médico-físicos tornaram-se amplamente utilizados. A física médica tem muitas seções e nomes: física da radiação médica, física clínica, física oncológica, física terapêutica e diagnóstica.

O evento mais importante no campo do exame médico pode ser considerado a criação da tomografia computadorizada, que ampliou o estudo de quase todos os órgãos e sistemas do corpo humano. A OCT foi instalada em clínicas em todo o mundo, e um grande número de físicos, engenheiros e médicos trabalhou para melhorar a técnica e os métodos para levá-la quase aos limites do que é possível. O desenvolvimento do diagnóstico de radionuclídeos é uma combinação de métodos radiofarmacêuticos e métodos físicos para registro de radiação ionizante. A imagem de tomografia por emissão de pósitrons foi inventada em 1951 e publicada no trabalho de L. Renn.

2. Principais problemas e conceitos da metrologia

Metrologia é a ciência das medições, métodos e meios de garantir sua unidade, formas de alcançar a precisão necessária. A medição é chamada de encontrar o valor de uma quantidade física empiricamente usando meios técnicos. As medições permitem estabelecer as leis da natureza e são um elemento de conhecimento do mundo que nos rodeia. Existem medições diretas, nas quais o resultado é obtido diretamente da medição da própria quantidade (por exemplo, medir a temperatura corporal com um termômetro médico, medir o comprimento de um objeto com uma régua), e indiretas, nas quais o valor desejado da quantidade é encontrada a partir de uma relação conhecida entre ela e quantidades medidas diretamente (por exemplo, determinação da massa corporal quando pesada, levando em consideração a força de empuxo determinada pela viscosidade do líquido de acordo com a velocidade da bola caindo nele). Os meios técnicos para fazer medições podem ser de diferentes tipos. Os mais famosos são os dispositivos nos quais as informações de medição são apresentadas de forma acessível à percepção direta (por exemplo, a temperatura é representada em um termômetro pelo comprimento de uma coluna de mercúrio, a intensidade da corrente pela indicação de uma agulha de amperímetro ou um valor digital ).

Uma unidade de uma quantidade física é uma quantidade física aceita por acordo como base para quantificar a quantidade física correspondente.

Para expressar o nível de pressão sonora, o nível de intensidade sonora, a amplificação do sinal elétrico, a expressão do intervalo de frequência e, caso contrário, é mais conveniente usar o logaritmo do valor relativo (o logaritmo decimal é mais comum e mais comum):

lg = um₂/A₁

onde um₁ e um₂ - grandezas físicas semelhantes.

A unidade do valor logarítmico é bel (B):

1B \uXNUMXd lg \uXNUMXd a₂/A_i,

em um₂ = 10a,

se a é uma quantidade de energia (potência, intensidade, energia, etc.), ou

se a é uma grandeza de potência (força, estresse mecânico, pressão, intensidade do campo elétrico, etc.).

Um submúltiplo bastante comum é o decibel (dB):

1 dB = 0,1 B.

1 dB corresponde à razão das quantidades de energia a₂ = 1,26a:

3. Metrologia médica e suas especificidades

Os dispositivos técnicos utilizados na medicina são denominados pelo termo generalizado "equipamento médico". A maioria dos equipamentos médicos refere-se a equipamentos médicos, que por sua vez são divididos em dispositivos médicos e dispositivos médicos.

Um dispositivo médico é considerado um dispositivo técnico destinado a medições diagnósticas ou terapêuticas (termômetro médico, esfigmomanômetro, eletrocardiógrafo, etc.).

Dispositivo médico - um dispositivo técnico que permite criar um efeito energético de propriedades terapêuticas, cirúrgicas ou bactericidas, bem como fornecer uma certa composição de várias substâncias para fins médicos (terapia UHF, eletrocirurgia, rim artificial, prótese auricular, etc. ).

Os requisitos metrológicos para dispositivos médicos são bastante óbvios. Muitos dispositivos médicos são projetados para ter um efeito de dosagem de energia no corpo, e é por isso que merecem a atenção do serviço metrológico. As medições na medicina são bastante específicas, portanto, uma área separada foi destacada na metrologia - a metrologia médica.

Considerando alguns problemas específicos da metrologia médica e, em parte, da instrumentação médica, deve-se notar que, atualmente, as medições médicas na maioria dos casos são realizadas por pessoal médico (médico, enfermeiro), que não possui formação técnica. Portanto, é aconselhável criar dispositivos médicos graduados em unidades de grandezas físicas, cujos valores sejam as informações finais de medição médica (medições diretas).

É desejável que o tempo de medição até a obtenção de um resultado útil seja gasto o mínimo possível e que a informação seja a mais completa possível. Esses requisitos são atendidos por computadores.

Na padronização metrológica de um dispositivo médico, é importante levar em consideração as indicações médicas. O clínico deve determinar com que precisão é suficiente apresentar os resultados para que uma conclusão diagnóstica possa ser feita.

Muitos dispositivos médicos fornecem informações em um dispositivo de registro (por exemplo, um eletrocardiógrafo), portanto, os erros inerentes a essa forma de registro devem ser levados em consideração.

Um dos problemas é termológico. De acordo com os requisitos da metrologia, o nome do instrumento de medição deve conter uma grandeza ou unidade física (amperímetro, voltímetro, frequencímetro, etc.). Os nomes dos dispositivos médicos não correspondem a este princípio (eletrocardiógrafo, fonocardiógrafo, reógrafo, etc.). Assim, um eletrocardiógrafo deve ser chamado de milivoltímetro com leituras de registro.

Em várias medições médicas, pode haver informações insuficientes sobre a relação entre a quantidade física medida diretamente e os parâmetros biomédicos correspondentes. Assim, por exemplo, no método clínico (sem sangue) de medição da pressão arterial, assume-se que a pressão do ar dentro do manguito é aproximadamente igual à pressão sanguínea na artéria braquial.

4. Valor aleatório. lei de distribuição

Definição de uma variável aleatória. Muitos eventos aleatórios podem ser quantificados como variáveis ​​aleatórias. Aleatório é uma quantidade que assume valores dependendo de uma combinação de circunstâncias aleatórias. Existem variáveis ​​aleatórias discretas e contínuas.

Distribuição de uma variável aleatória discreta. Um valor discreto é considerado dado se seus valores possíveis e suas probabilidades correspondentes forem indicados. Denote uma variável aleatória discreta x, seus valores x₁, X₂…, em probabilidade: P (x₁) =p₂, P (x2) = p₂ etc.

O conjunto de x e P é chamado de distribuição de uma variável aleatória discreta.

Como todos os valores possíveis de uma variável aleatória discreta representam um sistema completo, a soma das probabilidades é igual a um:

Aqui assume-se que a variável aleatória discreta tem n valores. A expressão é chamada de condição de normalização.

Em muitos casos, juntamente com a distribuição de uma variável aleatória ou em vez dela, informações sobre essas quantidades podem ser dadas por parâmetros numéricos, que são chamados de características numéricas de uma variável aleatória. Os mais comuns são: 1) a expectativa matemática (valor médio) de uma variável aleatória é a soma dos produtos de todos os seus valores possíveis e as probabilidades desses valores;

2) a variância de uma variável aleatória é a expectativa matemática do desvio quadrado de uma variável aleatória de sua expectativa matemática.

Para uma variável aleatória contínua, a expectativa matemática e a variância são escritas como:

onde f(x) é a densidade de probabilidade ou função de distribuição de probabilidade. Mostra como a probabilidade de atribuir uma variável aleatória ao intervalo dx depende do valor dessa própria variável. Lei de distribuição normal. Nas teorias de probabilidade e estatística matemática, em várias aplicações, a lei da distribuição normal (lei de Gauss) desempenha um papel importante. Uma variável aleatória é distribuída de acordo com esta lei se sua densidade de probabilidade tem a forma:

onde a = M(x) - esperança matemática de uma variável aleatória;

σ - desvio padrão; Consequentemente;

σ²é a variância da variável aleatória. A curva da lei de distribuição normal tem uma forma em forma de sino, simétrica em relação à linha reta x \uXNUMXd a (centro de espalhamento).

5. Distribuição de Maxwell (distribuição de velocidade das moléculas de gás) e Boltzmann

A distribuição de Maxwell - no estado de equilíbrio, os parâmetros do gás (pressão, volume e temperatura) permanecem inalterados, mas os microestados - o arranjo mútuo das moléculas, suas velocidades - mudam constantemente. Devido ao grande número de moléculas, é praticamente impossível determinar os valores de suas velocidades a qualquer momento, mas é possível, considerando a velocidade das moléculas como uma variável aleatória contínua, indicar a distribuição das moléculas pelas velocidades. A distribuição de velocidade das moléculas foi confirmada por vários experimentos. A distribuição de Maxwell pode ser considerada como a distribuição das moléculas não apenas em termos de velocidades, mas também em termos de energias cinéticas (uma vez que esses conceitos estão inter-relacionados).

Vamos isolar uma única molécula. A aleatoriedade do movimento permite, por exemplo, para a projeção da velocidade Vx de uma molécula, aceitar a lei da distribuição normal. Neste caso, como mostrado por J. K. Maxwell, a densidade de probabilidade de que a molécula tenha uma componente de velocidade Ux é escrita como segue:

Você pode obter a função de distribuição de probabilidade Maxwelliana dos valores absolutos da velocidade (distribuição de velocidade de Maxwell):

distribuição de Boltzmann. Se as moléculas estiverem em algum campo de força externo (por exemplo, no campo gravitacional da Terra), então é possível encontrar a distribuição de suas energias potenciais, ou seja, estabelecer a concentração de partículas que possuem algum valor específico de potencial energia. A distribuição de partículas sobre energias potenciais em campos de força - gravitacional, elétrico, etc. - é chamada de distribuição de Boltzmann.

Aplicada ao campo gravitacional, esta distribuição pode ser escrita como a dependência da concentração de n moléculas na altura h acima do nível do solo, ou a energia potencial mgh:

Tal distribuição de moléculas no campo gravitacional da Terra pode ser explicada qualitativamente, no âmbito dos conceitos de cinética molecular, pelo fato de que as moléculas são influenciadas por dois fatores opostos: o campo gravitacional, sob a influência do qual todas as moléculas são atraídas pelo Terra e movimento molecular-caótico, tendendo a espalhar moléculas uniformemente sobre todo o objeto possível.

6. Estatística matemática e dependência de correlação

Estatística matemática é a ciência dos métodos matemáticos de sistematização e uso de dados estatísticos para resolver problemas científicos e práticos. A estatística matemática está intimamente ligada à teoria da probabilidade e é baseada em seus conceitos. No entanto, o principal na estatística matemática não é a distribuição de variáveis ​​​​aleatórias, mas a análise de dados estatísticos e descobrir a qual distribuição eles correspondem. Uma grande população estatística da qual uma parte dos objetos de pesquisa é selecionada é chamada de população geral, e o conjunto de objetos coletados dela é chamado de população amostral ou amostra. Uma distribuição estatística é uma coleção de variantes e suas frequências correspondentes (ou frequências relativas).

Para maior clareza, as distribuições estatísticas são representadas graficamente na forma de um polígono e um histograma.

O polígono de frequências é uma linha quebrada, cujos segmentos conectam pontos com coordenadas (x₁; P₁), (X₂; P₂)…. ou para o polígono de frequências relativas - com coordenadas (x₁;R₁),(X₂;R₂)…

Histograma de frequência - um conjunto de retângulos adjacentes construídos em uma linha reta, as bases dos retângulos são iguais e iguais a a, e as alturas são iguais à razão da frequência (ou frequência relativa) para a:

As características mais comuns de uma distribuição estatística são as médias: moda, mediana e média aritmética (ou média amostral). A moda (Mo) é igual à variante que corresponde à maior frequência. A mediana (Me) é igual à variante que está localizada no meio da distribuição estatística. Ele divide a série estatística (variacional) em duas partes iguais. A média amostral (XV) é definida como a média aritmética de uma variante de uma série estatística.

dependência de correlação. As dependências funcionais podem ser expressas analiticamente. Assim, por exemplo, a área de um círculo depende do raio (S = pr₂), aceleração F do corpo - da força e da massa (a = F/m₀). No entanto, existem dependências que não são muito óbvias e não são expressas em fórmulas simples e inequívocas. Por exemplo, existe uma conexão entre a altura das pessoas e seu peso corporal, mudanças nas condições climáticas afetam o número de resfriados na população, etc. Uma dependência probabilística tão mais complexa do que funcional é uma correlação (ou simplesmente uma correlação) . Nesse caso, uma alteração em um de seus valores afeta o valor médio do outro. Suponha que estamos estudando a relação entre uma variável aleatória X e uma variável aleatória Y. Cada valor específico de X corresponderá a vários valores de Y: y₁Ter₂ etc.

Média condicional Y_х vamos chamar o valor médio aritmético Y correspondente ao valor X = x. A dependência de correlação, ou correlação de Y a partir de X, é a função Y x = f(x). A igualdade é chamada de equação de regressão Y-on-X, e o gráfico da função é chamado de linha de regressão Y-on-X.

7. Sistemas cibernéticos

Um sistema cibernético é um conjunto ordenado de objetos (elementos do sistema), interagindo e interconectados, que são capazes de perceber, lembrar e processar informações, bem como trocá-las. Exemplos de sistemas cibernéticos são grupos de pessoas, cérebros, computadores, autômatos. Assim, os elementos de um sistema cibernético podem ser objetos de diferentes naturezas físicas: uma pessoa, células cerebrais, unidades de computador, etc. O estado dos elementos do sistema é descrito por um determinado conjunto de parâmetros, que são divididos em contínuo, assumindo quaisquer valores reais em um determinado intervalo e discreto, assumindo conjuntos finitos de valores. Assim, por exemplo, a temperatura corporal de uma pessoa é um parâmetro contínuo e seu sexo é um parâmetro discreto. O funcionamento de um sistema cibernético é descrito por três propriedades: funções que levam em consideração mudanças nos estados dos elementos do sistema, funções que causam mudanças na estrutura do sistema (inclusive devido a influências externas) e funções que determinam os sinais transmitidos pelo sistema fora dele. Além disso, o estado inicial do sistema é levado em consideração.

Os sistemas cibernéticos variam em complexidade, grau de certeza e nível de organização.

Os sistemas cibernéticos são divididos em contínuos e discretos. Em sistemas contínuos, todos os sinais que circulam no sistema e os estados dos elementos são definidos por parâmetros contínuos, em discretos - por discretos. No entanto, também existem sistemas mistos em que existem parâmetros de ambos os tipos. A divisão dos sistemas em contínuos e discretos é condicional e é determinada pelo grau de precisão exigido do processo em estudo, conveniências técnicas e matemáticas. Alguns processos ou quantidades de natureza discreta, como a corrente elétrica (a diferença da carga elétrica: não pode ser menor que a carga de um elétron), são convenientemente descritos por quantidades contínuas. Em outros casos, ao contrário, faz sentido descrever um processo contínuo com parâmetros discretos.

Em cibernética e tecnologia, os sistemas são geralmente divididos em determinísticos e probabilísticos. Um sistema determinístico, cujos elementos interagem de uma certa maneira, seu estado e comportamento são previstos de forma inequívoca e são descritos por funções inequívocas. O comportamento de sistemas probabilísticos pode ser determinado com alguma certeza.

Um sistema é dito fechado se seus elementos trocam sinais apenas entre si. Sistemas abertos, ou abertos, necessariamente trocam sinais com o ambiente externo.

Para perceber sinais do ambiente externo e transmiti-los ao sistema, qualquer sistema aberto possui receptores (sensores ou transdutores). Nos animais, como num sistema cibernético, os receptores são os órgãos dos sentidos - tato, visão, audição e outros, nos autômatos - sensores: extensômetro, fotoelétrico, indução, etc.

8. O conceito de cibernética médica

A cibernética médica é uma direção científica associada ao uso de ideias, métodos e meios técnicos da cibernética na medicina e na saúde. Convencionalmente, a cibernética médica pode ser representada pelos seguintes grupos.

Diagnóstico computacional de doenças. Esta parte está relacionada principalmente com o uso de computadores para a elaboração do diagnóstico. A estrutura de qualquer sistema de diagnóstico consiste em memória médica (experiência médica cumulativa para um determinado grupo de doenças) e um dispositivo lógico que permite comparar os sintomas encontrados em um paciente por questionamento e exame laboratorial com a experiência médica existente. O computador de diagnóstico segue a mesma estrutura.

Em primeiro lugar, são desenvolvidos métodos para descrever formalmente o estado de saúde do paciente e é realizada uma análise minuciosa dos sinais clínicos utilizados no diagnóstico. Selecione principalmente os recursos que podem ser quantificados.

Além da expressão quantitativa das características fisiológicas, bioquímicas e outras do paciente, o diagnóstico computacional requer informações sobre a frequência de síndromes clínicas e sinais diagnósticos, sua classificação, dependência, avaliação da eficácia diagnóstica dos sinais, etc. Todos esses dados são armazenados na memória da máquina. Ela compara os sintomas do paciente com os dados armazenados em sua memória. A lógica do diagnóstico computacional corresponde à lógica do médico que faz o diagnóstico: a totalidade dos sintomas é comparada com a experiência anterior da medicina. A máquina não detectará uma nova doença (desconhecida). Um médico que encontra uma doença desconhecida poderá descrever seus sintomas. Detalhes sobre tal doença podem ser estabelecidos apenas através da realização de estudos especiais. Os computadores podem desempenhar um papel auxiliar em tais investigações.

Abordagem cibernética ao processo de cura. Depois que o médico estabelece o diagnóstico, é prescrito o tratamento, que não se limita a uma exposição única. Este é um processo complexo durante o qual o médico recebe constantemente informações médicas e biológicas sobre o paciente, as analisa e, de acordo com elas, refina, altera, interrompe ou continua o efeito terapêutico.

Atualmente, a abordagem cibernética do processo de tratamento facilita o trabalho do médico, permite tratar pacientes graves com mais eficiência, tomar medidas oportunas em caso de complicações durante a cirurgia, desenvolver e controlar o processo de tratamento medicamentoso, criar próteses biocontroladas , diagnosticar doenças e controlar dispositivos que regulam funções vitais.

As tarefas de controle médico operacional incluem monitorar a condição de pacientes gravemente doentes usando sistemas de rastreamento (sistemas de monitoramento para monitorar a condição de pessoas saudáveis ​​em condições extremas: condições estressantes, ausência de peso, condições hiperbáricas, ambiente com baixo teor de oxigênio etc.) .

9. Fundamentos de mecânica

A mecânica é um ramo da física que estuda o movimento mecânico dos corpos materiais. Sob o movimento mecânico entende-se a mudança na posição do corpo ou de suas partes no espaço ao longo do tempo.

Para os médicos, esta seção é de interesse pelas seguintes razões:

1) compreender a mecânica do movimento de todo o organismo para fins de esportes e medicina espacial, a mecânica do sistema músculo-esquelético humano - para fins de anatomia e fisiologia;

2) conhecimento das propriedades mecânicas dos tecidos e fluidos biológicos;

3) compreender os fundamentos físicos de algumas técnicas laboratoriais utilizadas na prática da pesquisa biomédica, como a centrifugação.

Mecânica do Movimento Rotacional de um Corpo Absolutamente Rígido

Um corpo absolutamente rígido é aquele cuja distância entre quaisquer dois pontos é constante. Ao se mover, as dimensões e a forma de um corpo absolutamente rígido não mudam. A velocidade de rotação do corpo é caracterizada por uma velocidade angular igual à primeira derivada do ângulo de rotação do raio vetor em relação ao tempo:

ω = dt/da

A velocidade angular é um vetor que é direcionado ao longo do eixo de rotação e está relacionado à direção de rotação. O vetor velocidade angular, ao contrário dos vetores velocidade e força, é deslizante. Assim, especificando o vetor w especifica a posição do eixo de rotação, a direção de rotação e o módulo da velocidade angular. A taxa de variação da velocidade angular é caracterizada por uma aceleração angular igual à primeira derivada da velocidade angular em relação ao tempo:

A partir disso, pode-se ver que o vetor aceleração angular coincide na direção com uma mudança elementar suficientemente pequena no vetor velocidade angular dw: com rotação acelerada, a aceleração angular é direcionada da mesma forma que a velocidade angular, com rotação lenta, é oposto a isso. Aqui estão as fórmulas para a cinemática do movimento rotacional de um corpo rígido em torno de um eixo fixo:

1) a equação do movimento rotacional uniforme:

a = peso + a₀

onde um₀ - valor inicial do ângulo;

2) a dependência da velocidade angular no tempo em um movimento de rotação uniforme:

w = e + W₀,

onde w₀ - velocidade angular inicial;

3) equação do movimento rotacional uniforme:

10. Conceitos básicos de mecânica

Momento de poder. O momento da força em relação ao eixo de rotação é o produto vetorial do vetor raio pela força:

M_i = r_i ×F_i,

onde r_i e F_i - vetores.

Momento de inércia. A massa é a medida da inércia dos corpos em movimento de translação. A inércia dos corpos durante o movimento de rotação depende não apenas da massa, mas também de sua distribuição no espaço em relação ao eixo.

O momento de inércia do corpo em relação ao eixo é a soma dos momentos de inércia dos pontos materiais que compõem o corpo:

O momento de inércia de um corpo sólido é geralmente determinado por integração:

O momento angular do corpo em torno do eixo é igual à soma do momento angular dos pontos que compõem este corpo:

Energia cinética de um corpo em rotação. À medida que um corpo gira, sua energia cinética é

das energias cinéticas de seus pontos individuais. Para um corpo rígido:

Vamos igualar o trabalho elementar de todas as forças externas durante tal rotação a uma mudança elementar na energia cinética:

Mda=Jwdw,

de onde

reduzimos esta igualdade por ω:

de onde

Lei da conservação do momento angular. Se o momento total de todas as forças externas que atuam sobre um corpo é zero, então o momento angular desse corpo permanece constante. Esta lei é válida não apenas para um corpo absolutamente rígido. Assim, para um sistema consistindo de N corpos girando em torno de um eixo comum, a lei de conservação do momento angular pode ser escrita na forma:

11. Articulações e alavancas no sistema musculoesquelético humano. Ergometria

As partes móveis dos mecanismos geralmente são conectadas por partes. A conexão móvel de vários elos forma uma conexão cinemática. O corpo humano é um exemplo de conexão cinemática. O sistema musculoesquelético de uma pessoa, constituído por ossos articulados do esqueleto e músculos, representa, do ponto de vista da física, um conjunto de alavancas mantidas por uma pessoa em equilíbrio. Na anatomia, existem alavancas de poder, nas quais há ganho de força, mas perda de movimento, e alavancas de velocidade, nas quais, perdendo força, ganham velocidade de movimento. Um bom exemplo de alavanca de velocidade é a mandíbula inferior. A força atuante é realizada pelo músculo mastigatório. A força oposta - a resistência do alimento triturado - atua nos dentes. O ombro da força atuante é muito mais curto do que o das forças de reação, de modo que o músculo da mastigação é curto e forte. Quando você precisa roer algo com os dentes, o ombro da força de resistência diminui.

Se considerarmos o esqueleto como uma coleção de elos separados conectados em um organismo, verifica-se que todos esses elos, com uma posição normal, formam um sistema que está em um equilíbrio extremamente instável. Assim, o suporte do corpo é representado pelas superfícies esféricas da articulação do quadril. O centro de massa do corpo está localizado acima do suporte, o que cria um equilíbrio instável com um suporte de bola. O mesmo se aplica à articulação do joelho e à articulação do tornozelo. Todos esses links estão em estado de equilíbrio instável.

O centro de massa de um corpo humano em uma postura normal está localizado exatamente na mesma vertical com os centros das articulações do quadril, joelho e tornozelo da perna, 2-2,5 cm abaixo da capa do sacro e 4-5 cm acima o eixo do quadril. Assim, este é o estado mais instável dos elos empilhados do esqueleto. E se todo o sistema se mantém em equilíbrio, é apenas devido à tensão constante dos músculos de sustentação.

O trabalho mecânico que uma pessoa é capaz de realizar durante o dia depende de muitos fatores, por isso é difícil indicar qualquer valor limite. Isso também se aplica ao poder. Assim, com esforços de curto prazo, uma pessoa pode desenvolver uma potência da ordem de vários quilowatts. Se um atleta pesando 70 kg salta de um local de modo que seu centro de massa se eleve 1 m em relação à posição normal e a fase de repulsão dura 0,2 s, ele desenvolve uma potência de cerca de 3,5 kW. Ao caminhar, uma pessoa realiza trabalho, uma vez que a energia é gasta em pequenos levantamentos periódicos dos membros, principalmente das pernas.

O trabalho vai a zero se não houver movimento. Portanto, quando a carga está em um suporte ou suporte, ou suspensa em um poste, nenhum trabalho é realizado pela gravidade. No entanto, se você mantiver um peso ou haltere imóvel em um braço estendido, a fadiga dos músculos do braço e do ombro é notada. Da mesma forma, os músculos das costas e da região lombar se cansam se uma carga for colocada nas costas de uma pessoa sentada.

12. Vibrações mecânicas

Movimentos repetitivos (ou mudanças de estado) são chamados de oscilações (corrente elétrica alternada, o fenômeno de um pêndulo, o trabalho do coração, etc.). Distinguir:

1) oscilações livres ou naturais - tais oscilações que ocorrem na ausência de influências externas variáveis ​​em um sistema oscilatório e surgem como resultado de qualquer desvio inicial desse sistema de seu estado de equilíbrio estável;

2) oscilações forçadas - oscilações durante as quais um sistema oscilante é exposto a uma força externa que muda periodicamente;

3) oscilações harmônicas são oscilações em que o deslocamento muda de acordo com a lei do seno ou cosseno dependendo do tempo. A velocidade e a aceleração de um ponto ao longo do eixo X são iguais, respectivamente:

onde você₀ = Aw - amplitude da velocidade;

a₀ =Ah² =u₀w é a amplitude de aceleração;

4) oscilações amortecidas - oscilações com valores da amplitude das oscilações diminuindo com o tempo, devido à perda de energia pelo sistema oscilatório para vencer a força de resistência.

O período de oscilações amortecidas depende do coeficiente de atrito e é determinado pela fórmula:

Com muito pouco atrito (β² <<ω₀²) o período da oscilação amortecida é próximo ao período da oscilação livre não amortecida

Na prática, o grau de amortecimento é frequentemente caracterizado pelo decremento de amortecimento logarítmico s:

onde Nl é o número de oscilações durante as quais a amplitude de oscilação diminui l vezes. O coeficiente de amortecimento e o decremento de amortecimento logarítmico estão relacionados por uma relação bastante simples:

l = bT;

5) oscilações forçadas - oscilações que ocorrem no sistema com a participação de uma força externa. A equação do movimento das oscilações forçadas tem a forma:

onde F é a força motriz.

A força motriz muda de acordo com a lei harmônica F = F₀ coswt.

13. Água mecânica

Ondas mecânicas são distúrbios que se propagam no espaço e transportam energia. Existem dois tipos de ondas mecânicas: ondas elásticas e ondas na superfície dos líquidos.

As ondas elásticas surgem devido às ligações que existem entre as partículas do meio: o movimento de uma partícula da posição de equilíbrio leva ao movimento das partículas vizinhas.

Uma onda transversal é uma onda cuja direção e propagação são perpendiculares à direção de oscilação dos pontos do meio.

Uma onda longitudinal é uma onda cuja direção e propagação coincidem com a direção de oscilação dos pontos do meio.

A superfície da onda de uma onda harmônica é uma superfície conectada individualmente em um meio, que é geometricamente ou em fase (em uma fase) uma série de pontos oscilantes do meio com uma onda harmônica viajante.

A frente de onda é a superfície de onda mais distante no momento, onde a onda atingiu até este momento.

Uma onda plana é uma onda cuja frente é um plano perpendicular à propagação da onda.

Onda esférica - uma onda cuja frente é uma superfície esférica com um raio coincidente com a direção de propagação da onda.

Princípio de Huygens. Cada ponto do meio, ao qual a perturbação atingiu, torna-se uma fonte de ondas esféricas secundárias. Velocidade de propagação da onda (fase) - a velocidade de propagação de uma superfície de fase igual para uma onda harmônica.

A velocidade da onda é igual ao produto da frequência de oscilações na onda e o comprimento de onda:

n = euυ.

Uma onda estacionária é um estado do meio em que a localização dos máximos e mínimos dos movimentos dos pontos oscilantes não muda no tempo.

Ondas elásticas - perturbações elásticas que se propagam em meios sólidos, líquidos e gasosos (por exemplo, ondas que surgem na crosta terrestre durante um terremoto, ondas sonoras e ultrassônicas em corpos gasosos, líquidos e sólidos).

As ondas de choque são um exemplo comum de onda mecânica. Onda sonora - movimento oscilatório de partículas de um meio elástico, propagando-se na forma de ondas elásticas (deformações de compressão, cisalhamento, que são transferidas por ondas de um ponto do meio para outro) em meio gasoso, líquido e sólido. As ondas sonoras, atuando nos órgãos auditivos humanos, são capazes de causar sensações sonoras se as frequências das vibrações correspondentes a elas estiverem dentro de 16 - 2 h 104 Hz (sons audíveis). Ondas elásticas com frequências menores que 16 Hz são chamadas de infrassom, e aquelas com frequências maiores que 16 Hz são chamadas de ultrassom. A velocidade do som é a velocidade de fase das ondas sonoras em um meio elástico. A velocidade do som é diferente em diferentes ambientes. A velocidade do som no ar é de 330-340 m/s (dependendo do estado do ar).

A intensidade de um som está relacionada à energia das oscilações na fonte e na onda e, portanto, depende da amplitude das oscilações. Altura do som - a qualidade do som, determinada subjetivamente pelo ouvido de uma pessoa e dependendo principalmente da frequência do som.

14. Efeito Doppler

O efeito Doppler é uma mudança na frequência das ondas registradas pelo receptor, que ocorre devido ao movimento da fonte dessas ondas e do receptor. Por exemplo, quando um trem em movimento rápido se aproxima de um observador parado, o tom do sinal sonoro deste último é mais alto, e quando o trem está se afastando, é mais baixo que o tom do sinal dado pelo mesmo trem quando está parado na estação.

Imaginemos que o observador se aproxima com velocidade v de uma fonte de ondas que está imóvel em relação ao meio. Ao mesmo tempo, encontra mais ondas em um mesmo intervalo de tempo do que na ausência de movimento. Isso significa que a frequência percebida vy é maior que a frequência da onda emitida pela fonte. Mas se o comprimento de onda, a frequência e a velocidade de propagação da onda estão relacionados pela relação:

O efeito Doppler pode ser usado para determinar a velocidade de um corpo em um meio. Para a medicina, isso é de particular importância. Por exemplo, considere este caso. O gerador de ultra-som é combinado com o receptor na forma de algum sistema técnico.

O sistema técnico é imóvel em relação ao ambiente.

Em um meio com velocidade u₀ um objeto (corpo) está se movendo. O gerador emite ultrassom com frequência v₁. O objeto em movimento percebe a frequência v₁, que pode ser encontrado pela fórmula:

onde v é a velocidade de propagação de uma onda mecânica (ultrassom).

Em aplicações médicas, a velocidade do ultrassom é muito maior que a velocidade do objeto

(u > você₀). Para estes casos temos:

O efeito Doppler é usado para determinar a velocidade do fluxo sanguíneo, a velocidade de movimento das válvulas e paredes do coração (ecocardiografia Doppler) e outros órgãos; fluxo de energia das ondas. O processo ondulatório está associado à propagação de energia. Uma característica quantitativa da energia é o fluxo de energia.

O fluxo de energia das ondas é igual à razão entre a energia transportada pelas ondas através de uma determinada superfície e o tempo durante o qual essa energia foi transferida:

A unidade de fluxo de energia das ondas é o watt (W).

O fluxo de energia da onda relacionado à área orientada perpendicularmente à direção de propagação da onda é chamado de densidade de fluxo de energia da onda, ou intensidade da onda.

15. Acústica

A acústica é um campo da física que estuda vibrações e ondas elásticas das frequências mais baixas às mais altas (1012-1013 Hz). A acústica moderna abrange uma ampla gama de questões, há várias seções: acústica física, que estuda as características da propagação de ondas elásticas em vários meios, acústica fisiológica, que estuda a estrutura de recepção e formação de som órgãos em humanos e animais, etc.

A acústica é entendida como a doutrina do som, ou seja, vibrações e ondas elásticas em gases, líquidos e sólidos, percebidas pelo ouvido humano (frequências de 16 a 20 Hz).

A audição é um objeto de sensações auditivas, portanto, é avaliada por uma pessoa subjetivamente. Percebendo tons, uma pessoa os distingue pela altura.

O tom é uma característica subjetiva, determinada principalmente pela frequência do tom fundamental. Em muito menor grau, o tom depende da complexidade do tom e de sua intensidade: um som de maior intensidade é percebido como um som de tom mais baixo.

O timbre de um som é quase exclusivamente determinado por sua composição espectral. Diferentes espectros acústicos correspondem a diferentes timbres, embora o tom fundamental e, portanto, o tom sejam os mesmos.

Loudness caracteriza o nível de sensação auditiva. Embora subjetivo, o volume pode ser quantificado comparando a sensação auditiva de duas fontes. A criação da escala de nível de intensidade é baseada na lei psicofísica de Weber-Fechner. De acordo com esta lei, se o estímulo é aumentado exponencialmente (isto é, pelo mesmo número de vezes), então a sensação desse estímulo aumenta em progressão aritmética (isto é, pela mesma quantidade). Com relação ao som, isso significa que se a intensidade do som assume uma série de valores sucessivos, por exemplo, a10, a210, a310 (a é um certo coeficiente, a > I), e assim por diante, então a sensação de o volume do som correspondente a eles é igual a E0, 2E0, 3E0, etc.. Matematicamente, isso significa que o volume de um som é proporcional ao logaritmo da intensidade do som. Se houver dois estímulos sonoros com intensidades I e I₀, e eu₀ - o limiar de audição, então com base na lei de Weber-Fechner, a intensidade relativa a ele está relacionada às intensidades da seguinte forma:

onde k é algum fator de proporcionalidade dependendo da frequência e intensidade. O método de medição da acuidade sonora é chamado de audiometria. Com a audiometria em um dispositivo especial (audiômetro), é determinado o limiar da sensação auditiva em diferentes frequências; a curva resultante é chamada de audiograma. A comparação de um audiograma de uma pessoa doente com uma curva de limiar de audição normal ajuda a diagnosticar uma doença dos órgãos auditivos.

16. Base física de métodos de pesquisa sólidos na clínica

O som, como a luz, é uma fonte de informação, e este é o seu principal significado. Os sons da natureza, a fala das pessoas ao nosso redor, o barulho das máquinas em funcionamento nos dizem muito. Para imaginar o significado do som para uma pessoa, basta privar-se temporariamente da capacidade de perceber o som - feche os ouvidos. Naturalmente, o som também pode ser uma fonte de informação sobre o estado dos órgãos internos humanos.

Um método de som comum para diagnosticar doenças é a auscultação (ouvir). Para a ausculta, utiliza-se um estetoscópio ou estetoscópio. O fonendoscópio consiste em uma cápsula oca com uma membrana transmissora de som aplicada ao corpo do paciente, tubos de borracha vão dela até o ouvido do médico. Na cápsula oca, ocorre a ressonância da coluna de ar, como resultado da amplificação do som e melhora da auscultação. Durante a auscultação dos pulmões, são ouvidos sons respiratórios, vários sibilos, característicos de doenças. Ao alterar os sons cardíacos e a aparência do ruído, pode-se avaliar o estado da atividade cardíaca. Usando a auscultação, você pode estabelecer a presença de peristaltismo do estômago e dos intestinos, ouvir os batimentos cardíacos fetais.

Para a escuta simultânea do paciente por vários pesquisadores para fins educacionais ou durante uma consulta, é utilizado um sistema que inclui microfone, amplificador e alto-falante ou vários telefones.

Para diagnosticar o estado de atividade cardíaca, é utilizado um método semelhante à ausculta e chamado de fonocardiografia (FCG). Este método consiste no registro gráfico das bulhas e sopros cardíacos e sua interpretação diagnóstica. Um fonocardiograma é gravado usando um fonocardiógrafo, que consiste em um microfone, um amplificador, um sistema de filtros de frequência e um dispositivo de gravação.

Fundamentalmente diferente dos dois métodos de som descritos acima é a percussão. Com este método, o som de partes individuais do corpo é ouvido quando são tocados. Esquematicamente, o corpo humano pode ser representado como uma combinação de volumes cheios de gás (pulmões), líquidos (órgãos internos) e sólidos (ossos). Ao atingir a superfície do corpo, ocorrem oscilações, cujas frequências têm um amplo alcance. A partir desta faixa, algumas oscilações desaparecerão rapidamente, enquanto outras, coincidindo com as oscilações naturais dos vazios, intensificarão e, devido à ressonância, serão audíveis. Um médico experiente determina o estado e a localização (tonografia) dos órgãos internos pelo tom dos sons de percussão.

17. Física da audição

O sistema auditivo conecta o receptor direto da onda sonora com o cérebro.

Utilizando os conceitos da cibernética, podemos dizer que o sistema auditivo recebe, processa e transmite informações. De todo o sistema auditivo, para consideração da física da audição, distinguem-se os ouvidos externo, médio e interno.

A orelha externa é composta pelo pavilhão auricular e pelo meato acústico externo. A aurícula em humanos não desempenha um papel significativo na audição. Ajuda a determinar a localização da fonte sonora em seu local - o som da fonte entra na aurícula. Dependendo da posição da fonte no plano vertical, as ondas sonoras irão difratar de forma diferente na aurícula devido à sua forma específica. Isso também leva a uma mudança diferente na composição espectral da onda sonora que entra no canal auditivo. Uma pessoa aprendeu a associar a mudança no espectro de uma onda sonora com a direção da fonte sonora.

Direções diferentes para a fonte sonora no plano horizontal corresponderão à diferença de fase. Acredita-se que uma pessoa com audição normal possa fixar as direções para a fonte sonora com uma precisão de 3 °, o que corresponde a uma diferença de fase de - 6 °. Portanto, pode-se supor que uma pessoa seja capaz de distinguir a mudança na diferença de fase das ondas sonoras que entram em seus ouvidos com uma precisão de 6 °.

Além da diferença de fase, o efeito binaural é facilitado pela diferença de intensidades sonoras em diferentes orelhas, bem como pela “sombra acústica” da cabeça a uma orelha.

O comprimento do canal auditivo humano é de aproximadamente 2,3 cm; portanto, a ressonância acústica ocorre em uma frequência:

As partes mais essenciais do ouvido médio são a membrana timpânica e os ossículos auditivos: martelo, bigorna e estribo com os músculos, tendões e ligamentos correspondentes.

O sistema de ossos em uma extremidade está conectado com a membrana timpânica por um martelo, na outra - por um estribo com uma janela oval da orelha interna. A pressão sonora atua na membrana timpânica, o que causa uma força F₁ = P₁ S₁ (P₁ - pressão sonora, S₁ - quadrado).

O sistema ossicular funciona como uma alavanca, com ganho de força do ouvido interno em humanos em 1,3 vezes. Outra das funções do ouvido médio é o enfraquecimento da transmissão de vibrações no caso de um som de grande intensidade.

A cóclea humana é uma formação óssea com cerca de 3,5 mm de comprimento e tem a forma de uma espiral em forma de cápsula com 2-3/4 espirais. Três canais correm ao longo da cóclea. Uma delas, que começa na janela oval, é chamada de escala vestibular. Outro canal vem da janela redonda, é chamado de escada timpânica. As escalas vestibular e timpânica estão conectadas na região da cúpula da cóclea através de uma pequena abertura - o helicotrema. Entre o canal coclear e a escala timpânica, a membrana principal (basilar) corre ao longo da cóclea. Nela está o órgão de Corti, contendo células receptoras (cabelos), da cóclea sai o nervo auditivo.

18. Ultrassom e sua aplicação na medicina

O ultrassom é uma vibração mecânica de alta frequência de partículas de um meio sólido, líquido ou gasoso, inaudível ao ouvido humano. A frequência das oscilações do ultrassom está acima de 20 por segundo, ou seja, acima do limiar da audição.

Para fins terapêuticos, o ultrassom é usado com uma frequência de 800 a 000 vibrações por segundo. Dispositivos chamados transdutores ultrassônicos são usados ​​para gerar ultrassom.

Os emissores eletromecânicos mais usados. O uso do ultrassom na medicina está associado às peculiaridades de sua distribuição e propriedades características. Por natureza física, o ultrassom, assim como o som, é uma onda mecânica (elástica). No entanto, o comprimento de onda do ultrassom é muito menor do que o comprimento de onda da onda sonora. Quanto maiores forem as várias impedâncias acústicas, mais fortes serão a reflexão e a refração do ultrassom no limite de meios diferentes. A reflexão das ondas ultrassônicas depende do ângulo de incidência na área afetada - quanto maior o ângulo de incidência, maior o coeficiente de reflexão.

No corpo, o ultrassom com frequência de 800-1000 kHz se propaga a uma profundidade de 8 a 10 cm e com frequência de 2500 a 3000 Hz - por 1,0 a 3,0 cm. O ultrassom é absorvido pelos tecidos de maneira desigual: quanto maior a acústica densidade, menor a absorção.

Três fatores atuam no corpo humano durante a terapia de ultrassom:

1) mecânica - micromassagem vibratória de células e tecidos;

2) térmico - aumento da temperatura dos tecidos e da permeabilidade das membranas celulares;

3) físico-químico - estimulação do metabolismo tecidual e processos de regeneração.

O efeito biológico do ultrassom depende de sua dose, que pode ser estimulante, depressora ou até mesmo destrutiva para os tecidos. Os mais adequados para efeitos terapêuticos e profiláticos são pequenas dosagens de ultrassom (até 1,2 W/cm2), principalmente no modo pulsado. São capazes de proporcionar ação analgésica, antisséptica (antimicrobiana), vasodilatadora, resolutiva, anti-inflamatória, dessensibilizante (antialérgica).

Na prática da fisioterapia, são utilizados principalmente dispositivos domésticos de três séries: UZT-1, UZT-2, UZT-3.

O ultra-som não é aplicado na área do cérebro, vértebras cervicais, proeminências ósseas, áreas de ossos em crescimento, tecidos com distúrbios circulatórios graves, abdômen durante a gravidez, escroto. Com cautela, o ultrassom é usado na região do coração, órgãos endócrinos.

Distinguir entre ultra-som contínuo e pulsado. O ultrassom contínuo é chamado de fluxo contínuo de ondas ultrassônicas. Este tipo de radiação é usado principalmente para afetar tecidos moles e articulações. O ultrassom pulsado é uma radiação descontínua, ou seja, o ultrassom é enviado em pulsos separados em determinados intervalos.

19. Hidrodinâmica

A hidrodinâmica é um ramo da física que estuda as questões do movimento de fluidos incompressíveis e sua interação com corpos sólidos circundantes, a teoria das deformações e a fluidez de uma substância.

O conjunto de métodos para medir a viscosidade é chamado de viscometria, e os instrumentos utilizados para tais fins são chamados de viscosímetros. O método mais comum de viscometria - capilar - é medir o tempo de escoamento através do capilar de um líquido de massa conhecida sob a ação da gravidade em uma determinada queda de pressão. Um viscosímetro capilar é usado para determinar a viscosidade do sangue.

Viscosímetros rotacionais também são usados, nos quais o líquido está localizado no espaço entre dois corpos coaxiais, como cilindros. Um dos cilindros (rotor) gira, enquanto o outro fica inativo. A viscosidade é medida pela velocidade angular do rotor, que cria um determinado momento de força em um cilindro estacionário, ou pelo momento da força atuando em um cilindro estacionário, ou pelo momento da força atuando em um cilindro estacionário, em um dado velocidade angular de rotação do rotor. Com a ajuda de viscosímetros rotacionais, a viscosidade dos líquidos é determinada - óleos lubrificantes, silicatos e metais fundidos, vernizes e adesivos de alta viscosidade, soluções de argila.

Atualmente, a clínica utiliza um viscosímetro Hess com dois capilares para determinar a viscosidade do sangue. No viscosímetro de Hess, o volume de sangue é sempre o mesmo, e o volume de água é medido por divisões no tubo, de modo que o valor da viscosidade relativa do sangue é obtido diretamente. A viscosidade do sangue humano é normalmente 0,4-0,5 Pas, com patologia varia de 0,17 a 2,23 Pas, o que afeta a velocidade de hemossedimentação (VHS). O sangue venoso tem uma viscosidade ligeiramente maior do que o sangue arterial.

Escoamentos laminares e turbulentos. Número de Reynolds. O fluxo de fluido pode ser em camadas ou laminar. Um aumento na taxa de fluxo de um fluido viscoso devido à falta de homogeneidade da pressão na seção transversal do tubo cria um redemoinho e o movimento se torna vórtice ou turbulento.

Em um fluxo turbulento, a velocidade das partículas em cada local muda aleatoriamente, o movimento é instável.

A viscosidade cinemática mais completa do que dinâmica leva em consideração a influência do atrito interno na natureza do fluxo de um líquido ou gás. Assim, a viscosidade da água é aproximadamente 100 vezes maior que a do ar (a 0°C), mas a viscosidade cinemática da água é 10 vezes menor que a do ar e, portanto, a viscosidade tem um efeito mais forte sobre a natureza da água. fluxo de ar do que de água. A natureza do fluxo de líquido ou gás depende do tamanho do tubo.

O fluxo de sangue nas artérias é normalmente laminar, com ligeira turbulência ocorrendo perto das válvulas. Na patologia, quando a viscosidade é menor que o normal, o número de Reynolds pode ser maior que o valor crítico, e o movimento se tornará turbulento.

20. Propriedades mecânicas de sólidos e tecidos biológicos

Uma característica de um corpo sólido é a capacidade de manter sua forma. Os sólidos podem ser divididos em cristalinos e amorfos.

Uma característica distintiva do estado cristalino é a anisotropia - a dependência das propriedades físicas (mecânica, térmica, elétrica, óptica) da direção. A razão para a anisotropia dos cristais reside no arranjo ordenado de átomos ou moléculas a partir dos quais eles são construídos, o que se manifesta na correta lapidação externa de cristais individuais individuais. No entanto, como regra, os corpos cristalinos são encontrados na forma de policristais - um conjunto de conjuntos de pequenos cristais individuais (cristalitos) intercrescidos e orientados aleatoriamente. Dependendo da natureza das partículas nos nós e da natureza das forças de interação, distinguem-se 4 tipos de redes cristalinas: iônica, atômica, metálica e molecular. Os íons metálicos positivos estão localizados em todos os nós da rede metálica. Os elétrons se movem aleatoriamente entre eles.

A principal característica da estrutura interna dos corpos no estado amorfo é a estrita repetição no arranjo de átomos ou grupos de átomos em todas as direções ao longo de todo o corpo. Corpos amorfos nas mesmas condições têm maior que os cristais, volume específico, entropia e energia interna. O estado amorfo é característico de substâncias de natureza muito diferente. Em baixa pressão e alta temperatura, as substâncias neste estado são muito móveis: baixo peso molecular são líquidos, alto peso molecular estão em um estado altamente elástico. Com a diminuição da temperatura e o aumento da pressão, a mobilidade das substâncias amorfas diminui e todas elas se tornam sólidas.

Polímeros são substâncias cujas moléculas são longas cadeias compostas por um grande número de átomos ou grupos atômicos conectados por ligações químicas. A peculiaridade da estrutura química dos polímeros também determina suas propriedades físicas especiais. Os materiais poliméricos incluem quase todos os materiais vivos e vegetais, como lã, couro, chifre, cabelo, seda, algodão, borracha natural e outros, bem como todos os tipos de materiais sintéticos - borracha sintética, plásticos, fibras, etc.

De grande interesse para a medicina são os adesivos teciduais (por exemplo, alquil-a-cianoacrilatos, p-butil-a-zinocrilato), que polimerizam rapidamente em um filme, que são usados ​​para fechar feridas sem sutura.

Cristais líquidos são substâncias que possuem as propriedades tanto dos líquidos quanto dos cristais. De acordo com suas propriedades mecânicas, essas substâncias são semelhantes aos líquidos - elas fluem. De acordo com a natureza do ordenamento molecular, os cristais líquidos nemáticos e esméticos são diferenciados. Nos cristais líquidos nemáticos, as moléculas são orientadas em paralelo, mas seus centros estão localizados aleatoriamente. Os cristais esméticos consistem em camadas paralelas nas quais as moléculas são ordenadas. Uma classe especial é formada por cristais do tipo colestérico (sua estrutura é característica de compostos contendo colesterol).

21. Propriedades mecânicas de tecidos biológicos

Sob as propriedades mecânicas dos tecidos biológicos entendemos suas duas variedades. Uma está relacionada aos processos de mobilidade biológica: contração muscular dos animais, crescimento celular, movimentação dos cromossomos nas células durante sua divisão, etc. Esses processos são causados ​​por processos químicos e recebem energia pelo ATP, sua natureza é considerada no curso de bioquímica. Convencionalmente, esse grupo é chamado de propriedades mecânicas ativas de sistemas biológicos.

Osso. O osso é o principal material do sistema musculoesquelético. Dois terços da massa do tecido ósseo compacto (0,5 volume) é material inorgânico, a substância mineral do osso é a hidroxilante 3 Ca3 (PO) x Ca (OH) 2. Esta substância é apresentada na forma de cristais microscópicos.

A densidade do tecido ósseo é de 2400 kg/m3, suas propriedades mecânicas dependem de muitos fatores, incluindo idade, condições individuais de crescimento do organismo e, claro, do local do organismo. A estrutura do osso confere-lhe as propriedades mecânicas necessárias: dureza, elasticidade e resistência.

Couro. É composto por fibras de colágeno e elastina e o tecido principal - a matriz. O colágeno é cerca de 75% do peso seco e a elastina é cerca de 4%. A elastina se estende muito fortemente (até 200-300%), muito parecido com a borracha. O colágeno pode esticar até 10%, o que corresponde à fibra de nylon.

Assim, a pele é um material viscoelástico com propriedades altamente elásticas, bem esticada e alongada.

Músculos. Os músculos são compostos de tecido conjuntivo composto por fibras de colágeno e elastina. Portanto, as propriedades mecânicas dos músculos são semelhantes às propriedades mecânicas dos polímeros. O comportamento mecânico de um músculo esquelético é o seguinte: quando os músculos são esticados rapidamente por uma certa quantidade, a tensão aumenta acentuadamente e depois diminui. Com maior deformação, ocorre um aumento nas distâncias interatômicas nas moléculas.

Tecido dos vasos sanguíneos (tecido vascular). As propriedades mecânicas dos vasos sanguíneos são determinadas principalmente pelas propriedades do colágeno, elastina e fibras musculares lisas. O conteúdo desses componentes do tecido vascular muda ao longo do sistema circulatório: a proporção de elastina para colágeno na artéria carótida comum é de 2: 1 e na artéria femoral - 1: 2. Com distância do coração, a proporção de fibras musculares lisas aumenta, nas arteríolas elas já são o principal componente dos tecidos vasculares.

Em um estudo detalhado das propriedades mecânicas do tecido vascular, distingue-se como a amostra é cortada do vaso (ao longo ou transversalmente ao vaso). É possível considerar a deformação do vaso como um todo como resultado da ação da pressão interna sobre o cilindro elástico. Duas metades de um recipiente cilíndrico interagem entre si ao longo das seções das paredes do cilindro. A área total desta seção transversal de interação é de 2hl. Se houver um estresse mecânico s na parede vascular, então a força de interação entre as duas metades do vaso é igual a:

F = sx2hl.

22. Questões físicas de hemodinâmica

A hemodinâmica é um campo da biomecânica que estuda o movimento do sangue através do sistema vascular. A base física da hemodinâmica é a hidrodinâmica.

Existe uma relação entre o volume sistólico de sangue (o volume de sangue ejetado pelo ventrículo do coração em uma sístole), a resistência hidráulica da parte periférica do sistema circulatório X0 e a mudança na pressão nas artérias: desde o o sangue está em um reservatório elástico, seu volume a qualquer momento depende da pressão p de acordo com a seguinte razão:

v=v₀ +kp,

onde k - elasticidade, elasticidade do reservatório;

v₀ - volume do tanque na ausência de pressão (p = 0).

O reservatório elástico (artérias) recebe sangue do coração, a taxa de fluxo sanguíneo volumétrico é igual a Q.

O sangue flui do reservatório elástico com uma taxa de fluxo sanguíneo volumétrico Q₀ no sistema periférico (arteríolas, capilares). Você pode fazer uma equação bastante óbvia:

mostrando que a velocidade volumétrica do fluxo sanguíneo do coração é igual à taxa de aumento do volume do reservatório elástico.

onda de pulso. Quando o músculo cardíaco se contrai (sístole), o sangue é ejetado do coração para a aorta e as artérias que se estendem a partir dela. Se as paredes desses vasos fossem rígidas, a pressão que surge no sangue na saída do coração seria transmitida para a periferia na velocidade do som. A pressão arterial sistólica humana normal é de aproximadamente 16 kPa. Durante o relaxamento do coração (diástole), os vasos sanguíneos distendidos diminuem e a energia potencial comunicada a eles pelo coração através do sangue é convertida em energia cinética do fluxo sanguíneo, mantendo uma pressão diastólica de aproximadamente 11 kPa. A onda de pulso se propaga a uma velocidade de 5-10 m/s e ainda mais. A viscosidade do sangue e as propriedades elástico-viscosas das paredes do vaso reduzem a amplitude da onda. Você pode escrever a seguinte equação para uma onda de pulso harmônico:

onde p₀ - amplitude de pressão na onda de pulso;

x - distância a um ponto arbitrário da fonte de vibrações (coração);

t - tempo;

w - frequência circular de oscilações;

c é alguma constante que determina a atenuação da onda.

O comprimento de onda de pulso pode ser encontrado a partir da fórmula:

onde E é o módulo de elasticidade;

p é a densidade da substância do recipiente;

h é a espessura da parede do vaso;

d é o diâmetro do vaso.

23. Trabalho e poder do coração. Máquina coração-pulmão

O trabalho realizado pelo coração é gasto na superação da resistência e na comunicação de energia cinética ao sangue.

Calcule o trabalho realizado com uma única contração do ventrículo esquerdo.

V_у - volume sistólico de sangue na forma de um cilindro. Podemos supor que o coração supre este volume através da aorta com um corte transversal S a uma distância I a uma pressão média p. O trabalho realizado é igual a:

A1=FI=pSI=pV_y.

O trabalho gasto na comunicação de energia cinética para este volume de sangue é:

onde p é a densidade do sangue;

υ - velocidade do sangue na aorta.

Assim, o trabalho do ventrículo esquerdo do coração durante a contração é:

Como o trabalho do ventrículo direito é igual a 0,2 do trabalho do esquerdo, o trabalho de todo o coração com uma única contração é igual a:

Essa fórmula é válida tanto para o repouso quanto para o estado ativo do corpo, mas esses estados diferem em diferentes taxas de fluxo sanguíneo. Fundamentos físicos do método químico de medição da pressão arterial. O parâmetro físico - pressão arterial - desempenha um papel importante no diagnóstico de muitas doenças.

A pressão sistólica e diastólica em qualquer artéria pode ser medida diretamente com uma agulha conectada a um manômetro. No entanto, na medicina, o método sem sangue proposto por N. S. Korotkov é amplamente utilizado. A essência do método: um manguito é colocado ao redor do braço entre o ombro e o cotovelo. Ao bombear ar através da mangueira para o manguito, o braço é comprimido. Em seguida, o ar é liberado pela mesma mangueira e a pressão do ar no manguito é medida por meio de um manômetro. Liberando o ar, reduza a pressão no manguito e nos tecidos moles com os quais ele entra em contato. Quando a pressão se torna igual à sistólica, o sangue pode romper a artéria espremida - ocorre um fluxo turbulento. Os tons e ruídos característicos que acompanham esse processo são ouvidos pelo médico ao medir a pressão, colocando o estetoscópio na artéria abaixo do manguito (ou seja, a uma grande distância do coração). Continuando a reduzir a pressão no manguito, é possível restaurar o fluxo laminar de sangue, o que é perceptível por um enfraquecimento acentuado dos tons audíveis. A pressão do manguito correspondente à restauração do fluxo laminar na artéria é registrada como diastólica. Para medir a pressão arterial, são utilizados aparelhos - esfigmomanômetro com manômetro de mercúrio, esfigmotonômetro com manômetro de membrana metálica.

24. Termodinâmica

A termodinâmica é entendida como um ramo da física que considera sistemas entre os quais a energia pode ser trocada sem levar em conta a estrutura microscópica dos corpos que compõem o sistema. É feita uma distinção entre a termodinâmica dos sistemas em equilíbrio (ou sistemas que passam ao equilíbrio) e a termodinâmica dos sistemas não-equilíbrios, que desempenha um papel especial na consideração dos sistemas biológicos.

Conceitos básicos de termodinâmica. Primeira lei da termodinâmica. O estado de um sistema termodinâmico é caracterizado por grandezas físicas chamadas parâmetros (como volume, pressão, temperatura, densidade, etc.). Se os parâmetros do sistema durante sua interação com os corpos circundantes não mudam ao longo do tempo, o estado do sistema é chamado de estacionário. Em diferentes partes de um sistema que está em estado estacionário, os valores dos parâmetros geralmente diferem: temperatura em diferentes partes do corpo humano, concentração de moléculas em difusão em diferentes partes da membrana biológica, etc. O estado estacionário é mantida devido aos fluxos de energia e substâncias que passam pelo sistema. Em um estado estacionário, pode haver sistemas que trocam energia e matéria com os sistemas circundantes (sistemas abertos) ou trocam apenas energia (sistemas fechados).

Um sistema termodinâmico que não troca energia ou matéria com os corpos circundantes é chamado de isolado. Um sistema isolado eventualmente chega a um estado de equilíbrio termodinâmico. Neste estado, como no estado estacionário, os parâmetros do sistema permanecem inalterados no tempo. No entanto, é essencial que no estado de equilíbrio os parâmetros que não dependem da massa ou do número de partículas (pressão, temperatura, etc.) sejam os mesmos em diferentes partes desse sistema. Nenhum sistema termodinâmico será isolado, pois é impossível envolvê-lo com uma casca que não conduza calor.

Um sistema isolado é considerado um modelo termodinâmico conveniente. A lei de conservação de energia para processos térmicos é formulada como a primeira lei da termodinâmica. A quantidade de calor transferida para o sistema vai alterar a energia interna do sistema e o desempenho do trabalho pelo sistema. A energia interna de um sistema é entendida como a soma das energias cinética e potencial das partículas que compõem o sistema.

A energia interna é função do estado do sistema e tem um valor bem definido para este estado: DU é a diferença entre dois valores da energia interna correspondentes aos estados final e inicial do sistema:

DU=U₂- VOCÊ₁

A quantidade de calor, como o trabalho, é uma função do processo, não do estado. A primeira lei da termodinâmica pode ser escrita como:

dQ = dU + dA.

Os valores de Q, A, DU e dQ, dA, dU podem ser positivos (o calor é transferido para o sistema por corpos externos, a energia interna aumenta) ou negativos (o calor é removido do sistema, a energia interna diminui).

25. A segunda lei da termodinâmica. Entropia

Existem várias formulações da segunda lei da termodinâmica: o calor não pode ser transferido por si só de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta (formulação de Clausius), ou uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo é impossível (formulação de Thomson) .

Um processo é dito reversível se for possível completar o processo inverso através de todos os estados intermediários, de modo que, após o sistema retornar ao seu estado original, não ocorram mudanças nos corpos circundantes.

A eficiência de uma máquina térmica, ou ciclo direto, é a razão entre o trabalho realizado e a quantidade de calor recebida pela substância de trabalho do aquecedor:

Como o trabalho de uma máquina térmica é realizado devido à quantidade de calor e a energia interna da substância de trabalho não varia por ciclo (DU = 0), segue-se da primeira lei da termodinâmica que o trabalho em processos circulares é igual à soma algébrica das quantidades de calor:

UMA = Q₁ + Q₂.

Portanto:

Quantidade de calor Q₁recebido pela substância de trabalho é positivo, a quantidade de calor Q2 fornecida pela substância de trabalho ao refrigerador é negativa.

A soma das quantidades reduzidas de calor para um processo reversível pode ser representada como a diferença entre dois valores de alguma função de estado do sistema, que é chamada de entropia:

Onde está a₂ e S₁ - entropia, respectivamente, no segundo estado final e no primeiro estado inicial.

A entropia é uma função do estado do sistema, cuja diferença entre os valores para dois estados é igual à soma das quantidades reduzidas de calor durante a transição reversível do sistema de um estado para outro.

O significado físico da entropia:

Se o sistema passou de um estado para outro, então, independentemente da natureza do processo, a mudança na entropia é calculada pela fórmula para qualquer processo reversível que ocorra entre esses estados:

onde Q é a quantidade total de calor recebida pelo sistema durante a transição do primeiro estado para o segundo estado a uma temperatura constante T. Esta fórmula é usada para calcular a mudança de entropia em processos como fusão, vaporização, etc.

26. Estado estacionário

O princípio da produção de entropia. O corpo como um sistema aberto

A tendência dos processos termodinâmicos em um sistema isolado foi descrita acima. No entanto, processos e estados reais na natureza e na tecnologia não estão em equilíbrio e muitos sistemas são abertos.

Esses processos e sistemas são considerados na termodinâmica de não equilíbrio. Assim como na termodinâmica de equilíbrio o estado de equilíbrio é um estado especial, na termodinâmica de não equilíbrio os estados estacionários desempenham um papel especial. Apesar do fato de que no estado estacionário os processos necessários que ocorrem no sistema (difusão, condução de calor, etc.) aumentam a entropia, a entropia do sistema não muda.

Vamos representar a mudança na entropia DS do sistema como a soma de dois termos:

DS=DSi+DSl,

onde DSi - mudança de entropia devido a processos irreversíveis no sistema; DSl é a variação de entropia causada pela interação do sistema com corpos externos (fluxos que passam pelo sistema). A irreversibilidade dos processos leva a DSi > 0, estacionariedade do estado - a DSi = 0; portanto: DSl = DS - DSi < 0. Isso significa que a entropia dos produtos (matéria e energia) que entram no sistema é menor que a entropia dos produtos que saem do sistema.

O desenvolvimento inicial da termodinâmica foi estimulado pelas necessidades da produção industrial. Nesta fase (século XIX), as principais conquistas foram a formulação de leis, o desenvolvimento de métodos de ciclos e potenciais termodinâmicos em relação a processos idealizados.

Objetos biológicos são sistemas termodinâmicos abertos. Eles trocam energia e matéria com o meio ambiente. Para um organismo - um sistema estacionário - pode-se escrever dS = 0, S = = const, dS i> 0, dSe < 0. Isso significa que uma grande entropia deve estar nos produtos excretores, e não nos alimentos.

Sob algumas condições patológicas, a entropia de um sistema biológico pode aumentar (dS > 0), isso se deve à falta de estacionaridade, um aumento na desordem. A fórmula pode ser representada:

ou para estado estacionário

Isso mostra que no estado normal do organismo, a taxa de variação da entropia devido a processos internos é igual à taxa de variação da entropia negativa devido à troca de matéria e energia com o meio ambiente.

27. Termometria e calorimetria

Medições precisas de temperatura são parte integrante da pesquisa e desenvolvimento, bem como do diagnóstico médico.

Os métodos para obter e medir temperaturas em uma ampla faixa são muito diferentes. O campo da física em que os métodos de medição de temperatura e questões relacionadas são estudados é chamado de termometria. Como a temperatura é determinada pelo valor de qualquer característica de uma substância termométrica, sua definição consiste em medir parâmetros físicos e propriedades como volume, pressão, efeitos elétricos, mecânicos, ópticos, magnéticos, etc. um grande número de substâncias termométricas e as propriedades usadas nesta.

Um termômetro - um dispositivo para medir temperatura - consiste em um elemento sensível no qual uma propriedade termométrica é realizada e um dispositivo de medição (dilatômetro, manômetro, galvanômetro, potenciômetro, etc.). Uma condição necessária para medir a temperatura é o equilíbrio térmico do elemento sensível e do corpo, cuja temperatura é determinada. Dependendo das faixas de temperatura medidas, os líquidos mais comuns, termômetros de gás, termômetros de resistência, termopares como termômetros e pirômetros.

Em um termômetro líquido, a característica termométrica é o volume, o elemento sensível é um reservatório de líquido (geralmente mercúrio ou álcool). Os pirômetros usam a intensidade da radiação como uma propriedade termométrica.

Ao medir temperaturas ultrabaixas, os paramagnetos servem como substâncias termométricas, e a propriedade medida é a dependência de sua magnetização com a temperatura.

O termômetro de mercúrio usado na medicina indica a temperatura máxima e é chamado de termômetro máximo. Essa característica se deve ao seu design: o reservatório com mercúrio é separado do capilar graduado por um estreitamento, que não permite o retorno do mercúrio ao reservatório quando o termômetro é resfriado. Existem também termômetros mínimos que mostram a temperatura mais baixa observada durante um longo período de tempo. Para isso, são utilizados termostatos - dispositivos nos quais a temperatura é mantida constante, o que é realizado por reguladores automáticos, ou para isso utilizam a propriedade de transições únicas para proceder a uma temperatura constante.

Para medir a quantidade de calor liberada ou absorvida em vários processos físicos, químicos e biológicos, são utilizados vários métodos, cuja totalidade constitui a calorimetria. Os métodos calorimétricos medem a capacidade calorífica dos corpos, o calor das transições de fase, dissolução, molhagem, adsorção, reações químicas que acompanham o calor, energia da radiação, decaimento radioativo, etc.

Medidas semelhantes são feitas usando calorímetros.

28. Propriedades físicas de meios quentes e frios usados ​​para tratamento

Na medicina, corpos quentes ou frios são usados ​​para aquecimento ou resfriamento local. Normalmente, meios relativamente acessíveis são escolhidos para isso, alguns deles também podem ter um efeito mecânico ou químico útil.

As propriedades físicas de tais meios são determinadas por sua finalidade. Primeiro, é necessário que o efeito desejado seja produzido em um tempo relativamente longo. Portanto, o meio utilizado deve ter uma alta capacidade de calor específico (água, sujeira) ou calor específico de transformação de fase (parafina, gelo). Em segundo lugar, a mídia aplicada diretamente na pele não deve causar dor. Por um lado, isso limita a temperatura desses meios e, por outro lado, incentiva a escolha de meios com baixa capacidade de calor. Assim, por exemplo, a água utilizada para tratamento tem temperatura de até 45 ° C, e turfa e lama - até 50 ° C, pois a transferência de calor (convecção) nesses ambientes é menor do que na água. A parafina é aquecida a 60-70 °C, pois possui baixa condutividade térmica, e as partes da parafina diretamente adjacentes à pele esfriam rapidamente, cristalizam e retardam o influxo de calor do restante de suas partes.

O gelo é usado como um meio de resfriamento usado para tratamento. Nos últimos anos, as baixas temperaturas têm sido amplamente utilizadas na medicina. A uma temperatura baixa, essa preservação de órgãos e tecidos individuais é realizada em conexão com o transplante, quando a capacidade de viver e funcionar normalmente é preservada por um tempo suficientemente longo.

O método criogênico de destruição de tecidos durante o congelamento e descongelamento é usado pelos médicos para remover amígdalas, verrugas, etc. Para isso, são criados aparelhos criogênicos especiais e criossondas.

Com a ajuda do frio, que tem propriedade anestésica, é possível destruir as células nucleares do cérebro responsáveis ​​por certas doenças nervosas, como o parkinsonismo.

A microcirurgia usa o congelamento de tecidos úmidos em um instrumento de metal frio para capturar e transferir esses tecidos.

Em conexão com o uso médico de baixa temperatura, surgiram novos termos: "medicina criogênica", "crioterapia", "criocirurgia", etc.

29. Processos físicos em membranas biológicas

As membranas biológicas são uma parte importante da célula. Eles delimitam a célula do ambiente, protegem-na de influências externas nocivas, controlam o metabolismo entre a célula e seu ambiente, contribuem para a geração de potenciais elétricos, participam da síntese de acumuladores universais de energia ATP nas mitocôndrias, etc.

A estrutura e os modelos de membranas

As membranas envolvem todas as células (plasma e membranas celulares externas). Sem uma membrana, o conteúdo da célula simplesmente se espalharia, a difusão levaria ao equilíbrio termodinâmico, o que significa a ausência de vida. Podemos dizer que a primeira célula surgiu quando foi isolada do meio ambiente por uma membrana.

As membranas intracelulares subdividem a célula em vários compartimentos fechados, cada um dos quais desempenha uma função específica. A base da estrutura de qualquer membrana é uma dupla camada lipídica (em grande parte - fosfolipídios). A bicamada lipídica é formada por duas monocamadas de lipídios, de modo que as "caudas" hidrofóbicas de ambas as camadas são direcionadas para dentro. Isso garante o menor contato das regiões hidrofóbicas das moléculas com a água. Essa ideia da estrutura da membrana não deu respostas a muitas perguntas.

Posteriormente, um modelo foi proposto com base na mesma membrana de biocamada lipídica. Essa base fosfolipídica é como um solvente bidimensional no qual flutuam proteínas mais ou menos imersas. Devido a essas proteínas, as funções específicas das membranas são realizadas total ou parcialmente - permeabilidade, geração de potencial elétrico, etc. As membranas não são estruturas imóveis e calmas. Lipídios e proteínas trocam membranas e se movem ao longo do plano da membrana - difusão lateral e através dela - o chamado flip flop.

O refinamento da estrutura da biomembrana e o estudo de suas propriedades tornaram-se possíveis por meio de modelos físico-químicos da membrana (membranas artificiais). Três desses modelos são os mais amplamente utilizados. O primeiro modelo são monocamadas de fosfolipídios na interface água-ar ou água-óleo.

O segundo modelo difundido de uma biomembrana são os lipossomas, que são como uma membrana biológica completamente desprovida de moléculas de proteína. O terceiro modelo, que possibilitou o estudo de algumas propriedades das biomembranas por métodos diretos, é a membrana biolipídica (biolayer lipid) (BLM).

As membranas desempenham duas funções importantes: matriz (ou seja, são uma matriz, a base para a retenção de proteínas que desempenham diferentes funções) e barreira (protegem a célula e os compartimentos individuais da penetração de partículas indesejadas).

30. Propriedades físicas e parâmetros de membranas

Medir a mobilidade das moléculas da membrana e a difusão das partículas através da membrana indica que a camada bilípides se comporta como um líquido. No entanto, a membrana é uma estrutura ordenada. Esses dois fatos sugerem que os fosfolipídios na membrana durante seu funcionamento natural estão em estado líquido cristalino. Quando a temperatura muda na membrana, pode-se observar transições de fase: fusão dos lipídios quando aquecidos e cristalização quando resfriados. O estado líquido-cristalino da biocamada tem menor viscosidade e maior solubilidade de várias substâncias do que o estado sólido. A espessura da biocamada de cristal líquido é menor que a do sólido.

A estrutura das moléculas nos estados líquido e sólido é diferente. Na fase líquida, as moléculas de fosfolipídios podem formar cavidades (torções), nas quais podem ser introduzidas moléculas de uma substância diferenciadora. O movimento da dobra neste caso levará à difusão da molécula através da membrana.

Transporte de moléculas (átomos) através das membranas

Um elemento importante no funcionamento das membranas é sua capacidade de passar ou não passar moléculas (átomos) e íons. A probabilidade de tal penetração de partículas depende tanto da direção de seu movimento (por exemplo, para dentro da célula ou para fora da célula) quanto do tipo de moléculas e íons.

Os fenômenos de transferência são processos irreversíveis, como resultado de um movimento espacial (transferência) da massa de um impulso, carga ou alguma outra quantidade física ocorre em um sistema físico. Os fenômenos de transferência incluem difusão (transferência de massa de uma substância), viscosidade (transferência de momento), condutividade térmica (transferência de energia), condutividade elétrica (transferência de carga elétrica).

Existe uma diferença de potencial através da membrana, portanto, existe um campo elétrico na membrana. Afeta a difusão de partículas carregadas (íons e elétrons). O transporte de íons é determinado por dois fatores: a irregularidade de sua distribuição (ou seja, o gradiente de concentração) e o efeito de um campo elétrico (a equação de Nernst-Planck):

A equação relaciona a densidade de fluxo de íons estacionários a três quantidades:

1) permeabilidade da membrana para um determinado íon, que caracteriza a interação das estruturas da membrana com um íon;

2) campo elétrico;

3) a concentração de íons na solução aquosa ao redor da membrana.

Os fenômenos de transferência estão relacionados ao transporte passivo: a difusão de moléculas e íons ocorre na direção de sua menor concentração, o movimento dos íons - de acordo com a direção da força que age sobre eles do campo elétrico.

O transporte passivo não está associado ao consumo de energia química, é realizado como resultado do movimento das partículas em direção a um menor potencial eletroquímico.

31. Uma espécie de transferência passiva de moléculas e íons através de membranas biológicas

A difusão simples através da camada lipídica em uma célula viva garante a passagem de oxigênio e dióxido de carbono. Várias substâncias medicinais e venenos também penetram na camada lipídica. No entanto, a difusão simples ocorre de forma bastante lenta e não pode fornecer à célula a quantidade necessária de nutrientes. Portanto, existem outros mecanismos de transferência passiva de matéria na membrana, estes incluem difusão e difusão facilitada (em combinação com o transportador).

Às vezes, ou um canal, é chamado de seção da membrana, incluindo moléculas de proteínas e lipídios, que forma uma passagem na membrana. Essa passagem permite que não apenas moléculas pequenas, como moléculas de água, mas também íons maiores passem pela membrana. Os canais podem exibir seletividade para diferentes íons. Facilita a difusão do transporte de íons por moléculas transportadoras especiais.

Potencial de repouso. A membrana superficial de uma célula não é igualmente permeável a diferentes íons. Além disso, a concentração de quaisquer íons específicos é diferente em diferentes lados da membrana, a composição de íons mais favorável é mantida dentro da célula. Esses fatores levam ao aparecimento em uma célula de funcionamento normal de uma diferença de potencial entre o citoplasma e o ambiente (potencial de repouso).

A principal contribuição para a criação e manutenção do potencial de repouso é feita pelos íons Na+, K+, Cl-. Total

a densidade de fluxo desses elétrons, levando em consideração seus sinais, é igual a:

J=J_NA + J_K + J_CI-.

No estado estacionário, a densidade total de fluxo é zero, ou seja, o número de íons diferentes que passam através da membrana para a célula por unidade de tempo é igual ao número que sai da célula através da membrana:

j = 0.

Equação de Goldmann-Hodgkin-Katz (potencial adimensional retorna ao elétrico):

Várias concentrações de íons dentro e fora da célula são criadas por bombas de íons - sistemas de transporte ativo. A principal contribuição para o potencial de repouso é feita apenas pelos íons K+ e Cl-.

Potencial de ação e sua propagação

Quando excitado, a diferença de potencial entre a célula e o ambiente muda, surge um potencial de ação.

Um potencial de ação se propaga nas fibras nervosas. A propagação do potencial de ação ao longo da fibra nervosa ocorre na forma de uma onda automática. As células excitáveis ​​são o meio ativo: a taxa de propagação da excitação ao longo das fibras nervosas lisas não mielinizadas é aproximadamente proporcional à raiz quadrada de seu raio (υ≈√r).

32. Eletrodinâmica

Os fenômenos elétricos e magnéticos estão associados a uma forma especial de existência da matéria - campos elétricos e magnéticos e seu impacto. Esses campos geralmente estão tão interconectados que costuma-se falar de um único campo elétrico.

Os fenômenos eletromagnéticos têm três áreas de aplicações biomédicas. A primeira delas é a compreensão dos processos elétricos que ocorrem no corpo, bem como o conhecimento das propriedades elétricas e magnéticas dos meios biológicos.

A segunda direção está ligada ao entendimento do mecanismo da influência dos campos eletromagnéticos no corpo.

A terceira direção é instrumentação, hardware. A eletrodinâmica é a base teórica da eletrônica e, em particular, da eletrônica médica.

Um campo de energia é um tipo de matéria através da qual uma força é exercida sobre as cargas elétricas neste campo. As características do campo elétrico gerado pelas estruturas biológicas são uma fonte de informação sobre o estado do corpo.

Tensão e potencial - características do campo elétrico. A característica de potência de um campo elétrico é uma força igual à razão entre a força que atua em um dado ponto do campo em uma carga pontual para esta carga:

E = F / q

A tensão é um vetor cuja direção coincide com a direção da força que atua em um determinado ponto do campo sobre uma carga positiva. A força do campo elétrico é expressa por três equações:

E_x =f₁ (x, y, z);

E_y =f₂ (x, y, z);

E_z =f₃(x, y, z),

onde e_х, E_у e E_z - projeções do vetor de intensidade nos eixos coordenados correspondentes introduzidos para descrever o campo. A característica energética do campo elétrico é o potencial. A diferença de potencial entre dois pontos do campo é a razão do trabalho realizado pelas forças do campo ao mover uma carga positiva pontual de um ponto do campo para outro, para esta carga:

onde f₁ e F₂ - potenciais nos pontos 1 e 2 do campo elétrico. A diferença de potencial entre dois pontos depende da intensidade do campo elétrico. Junto com a diferença de potencial, o conceito de potencial é usado como uma característica do campo elétrico. Potenciais em diferentes pontos podem ser representados como superfícies do mesmo potencial (superfícies equipotenciais). Os instrumentos de medição elétrica existentes são projetados para medir a diferença de potencial, não a intensidade.

33. Dipolo elétrico e multipolo

Um dipolo elétrico é um sistema que consiste em duas cargas elétricas iguais, mas opostas em pontos de sinal, localizadas a alguma distância uma da outra (braço do dipolo). A principal característica de um dipolo é seu momento elétrico (ou dipolo) - um vetor igual ao produto da carga e o braço do dipolo, direcionado de uma carga negativa para uma positiva:

p = dl.

A unidade de momento elétrico de um dipolo é o medidor de coulomb.

Um dipolo em um campo elétrico uniforme é submetido a um torque que depende do momento elétrico, da orientação do dipolo no campo e da intensidade do campo. Uma força atua sobre o dipolo, dependendo de seu momento elétrico e do grau de heterogeneidade do campo

dE/dx

Se o dipolo está orientado em um campo elétrico não homogêneo, não ao longo da linha de força, então um torque também atua sobre ele. Um dipolo livre é quase sempre atraído para a região de alta intensidade de campo.

Um dipolo é um caso especial de um sistema de cargas elétricas com uma certa simetria. O nome geral para tais distribuições de carga é multipolos elétricos (I = 0, 1, 2, etc.), o número de cargas multipolos é determinado pela expressão 2¹.

Assim, um multipolo de ordem zero (20 = 1) é uma carga pontual, um multipolo de primeira ordem (21 = 2) é um dipolo, um multipolo de segunda ordem (22 = 4) é um quadrupolo, um multipolo de terceira ordem multipolo (23 = 8) é um octupolo, etc. e. O potencial do campo multipolo diminui a distâncias significativas dele (R > d, onde d são as dimensões do multipolo)

proporcional a I/R^{1 1 +}. Se a carga está distribuída em uma certa região do espaço, então o potencial do campo elétrico fora do sistema de cargas pode ser representado como uma série aproximada:

Aqui R é a distância do sistema de cargas ao ponto A com potencial Ф;

f₁, F₂, F₃…. - algumas funções dependendo do tipo de multipolo, sua carga e direção ao ponto A.

O primeiro termo corresponde a um monopolo, o segundo a um dipolo, o terceiro a um quadrupolo e assim por diante.No caso de um sistema neutro de cargas, o primeiro termo é igual a zero.

Gerador elétrico dipolo (dipolo de corrente) No vácuo ou em um isolante ideal, um dipolo elétrico pode persistir por um tempo arbitrariamente longo. No entanto, em uma situação real (meio eletricamente condutor), sob a ação do campo elétrico do dipolo, ocorre o movimento de cargas livres e o dipolo é neutralizado. A força da corrente no circuito externo permanecerá quase constante, quase não depende das propriedades do meio. Esse sistema de dois pólos, consistindo de uma fonte de corrente e um dreno de corrente, é chamado de gerador elétrico dipolo ou dipolo de corrente.

34. Base física da eletrocardiografia

Os tecidos vivos são uma fonte de potenciais elétricos (biopotenciais).

O registro de biopotenciais de tecidos e órgãos para fins diagnósticos é chamado de eletrografia. Tal termo geral é usado relativamente raramente, nomes específicos dos métodos de diagnóstico correspondentes são mais comuns: eletrocardiografia (ECG) - registro de biopotenciais que ocorrem no músculo cardíaco quando é excitado, eletromiografia (EMG) - um método para registrar o bioelétrico atividade dos músculos, eletroencefalografia (EEG) - um método para registrar a atividade cerebral bioelétrica, etc.

Na maioria dos casos, os biopotenciais são captados por eletrodos não diretamente do órgão (coração, cérebro), mas de outros tecidos adjacentes nos quais os campos elétricos são criados por esse órgão.

Em termos clínicos, isso simplifica muito o próprio procedimento de registro, tornando-o seguro e descomplicado. A abordagem física da eletrografia consiste em criar (escolher) um modelo de gerador elétrico que corresponda à imagem de potenciais "removíveis".

Todo o coração é representado eletricamente como uma espécie de gerador elétrico na forma de um aparelho real e como um conjunto de fontes elétricas em um condutor em forma de corpo humano. Na superfície do condutor, durante a operação de um gerador elétrico equivalente, haverá uma tensão elétrica que ocorre na superfície do corpo humano durante a atividade cardíaca. É bem possível simular a atividade elétrica do coração se for usado um gerador elétrico equivalente a dipolo. A visão dipolar do coração fundamenta a teoria principal de Einthoven. Segundo ela, o coração é um tal dipolo com um momento de dipolo que gira, muda de posição e ponto de aplicação durante o ciclo cardíaco. V. Einthoven propôs medir as diferenças nos biopotenciais do coração entre os vértices de um triângulo equilátero, que estão localizados aproximadamente nos braços direito e esquerdo e na perna esquerda.

Segundo a terminologia dos fisiologistas, a diferença de biopotenciais registrada entre dois pontos do corpo é chamada de abdução. Existem derivação I (mão direita - mão esquerda), derivação II (mão direita - perna esquerda) e derivação III (mão esquerda - pé esquerdo).

Segundo V. Einthoven, o coração está localizado no centro do triângulo. Como o momento elétrico do dipolo - o coração - muda com o tempo, serão obtidas tensões temporárias nas derivações, chamadas de eletrocardiogramas. O eletrocardiograma não dá uma ideia da orientação espacial. No entanto, para fins de diagnóstico, essas informações são importantes. Para tanto, utiliza-se um método de estudo espacial do campo elétrico do coração, denominado cardiografia vetorial. Um vetor-cardiograma é um locus de pontos correspondentes ao final de um vetor, cuja posição muda durante o ciclo cardíaco.

35. Corrente elétrica

A corrente elétrica é geralmente entendida como o movimento direcionado de cargas elétricas. Diferencie corrente de condução de corrente de convecção. A corrente de condução é o movimento direcionado de cargas em corpos condutores: elétrons - em metais, elétrons e buracos - em semicondutores, íons - em eletrólitos, íons e elétrons - em gases. A corrente de convecção é o movimento de corpos carregados e o fluxo de elétrons ou outras partículas carregadas no vácuo.

A densidade de corrente é um vetor característico de uma corrente elétrica, numericamente igual à razão da força da corrente que passa por um pequeno elemento de superfície, normal à direção do movimento das partículas carregadas que formam a corrente, para a área deste elemento:

j = dl/dS

Se esta fórmula for multiplicada pela carga q do transportador atual, obtemos a densidade de corrente:

j = qj = qnv.

Em forma vetorial:

j = qnv.

O vetor j é direcionado tangencialmente às linhas de corrente. Para a força atual, escrevemos a seguinte expressão:

j=dq/dt.

A intensidade da corrente é a derivada temporal da carga que passa por uma determinada seção ou superfície.

Para que a corrente contínua flua através de um condutor, é necessário manter uma diferença de potencial em suas extremidades. Isso é feito por fontes atuais. A força eletromotriz da fonte é um valor numericamente igual ao trabalho das forças externas ao mover uma única carga positiva pelo circuito.

Na prática, o trabalho das forças externas é diferente de zero apenas dentro da fonte de corrente. A razão de uma força externa para uma carga positiva unitária é igual à intensidade do campo de forças externas:

E_CT = F_CT/q

A força eletromotriz corresponde a uma mudança abrupta no potencial da fonte de corrente.

Condutividade elétrica de eletrólitos. Os fluidos biológicos são eletrólitos, cuja condutividade elétrica é semelhante à condutividade elétrica dos metais: em ambos os meios, ao contrário dos gases, os portadores de corrente existem independentemente do campo elétrico.

A direção do movimento dos íons em um campo elétrico pode ser considerada aproximadamente uniforme, enquanto a força qE que atua sobre o íon a partir do campo elétrico é igual à força de atrito rv:

qE = v,

de onde obtemos:

v = serE.

O coeficiente de proporcionalidade b é chamado de mobilidade iônica.

36. Condutividade elétrica de tecidos biológicos e líquidos em corrente contínua. Descarga elétrica em gases

Tecidos e órgãos biológicos são formações bastante heterogêneas com diferentes resistências elétricas, que podem mudar sob a ação de uma corrente elétrica. Isso torna difícil medir a resistência elétrica de sistemas biológicos vivos.

A condutividade elétrica de partes individuais do corpo, localizadas entre os eletrodos aplicados diretamente na superfície do corpo, depende significativamente da resistência da pele e das camadas subcutâneas. Dentro do corpo, a corrente se espalha principalmente pelos vasos sanguíneos e linfáticos, músculos e bainhas dos troncos nervosos. A resistência da pele, por sua vez, é determinada por sua condição: espessura, idade, umidade, etc.

A condutividade elétrica dos tecidos e órgãos depende de seu estado funcional e, portanto, pode ser utilizada como indicador diagnóstico.

Assim, por exemplo, durante a inflamação, quando as células incham, a seção transversal das conexões intercelulares diminui e a resistência elétrica aumenta; fenômenos fisiológicos que causam sudorese são acompanhados por um aumento na condutividade elétrica da pele, etc.

Um gás constituído apenas por partículas neutras é um isolante. Se for ionizado, torna-se eletricamente condutor. Qualquer dispositivo, fenômeno, fator que possa causar a ionização de moléculas e átomos de um gás é chamado de ionizador. Eles podem ser luz, raios X, chamas, radiação ionizante, etc. Uma carga elétrica no ar também pode ser formada quando líquidos polares são pulverizados nele (efeito baloelétrico), ou seja, líquidos cujas moléculas têm um momento de dipolo elétrico constante. Assim, por exemplo, quando esmagada no ar, a água se desfaz em gotículas carregadas. O sinal da carga das gotas grandes (positivo para a água dura) tem sinal oposto ao da carga das gotas menores. Gotas maiores se depositam de forma relativamente rápida, deixando partículas de água carregadas negativamente no ar. Este fenômeno é observado na fonte.

A condutividade elétrica do gás também depende da ionização secundária. O potencial ionizado dos elétrons internos é muito maior.

Em condições terrestres, o ar quase sempre contém uma certa quantidade de íons devido a ionizadores naturais, principalmente substâncias radioativas no solo e gases e radiação cósmica. Íons e elétrons no ar podem, juntando-se a moléculas neutras e partículas suspensas, formar íons mais complexos. Esses íons na atmosfera são chamados de íons de ar. Eles diferem não apenas em sinal, mas também em massa, são condicionalmente divididos em leves (íons de gás) e pesados ​​​​(partículas carregadas suspensas - partículas de poeira, fumaça e partículas de umidade).

Íons pesados ​​têm um efeito prejudicial no corpo, íons leves e principalmente negativos do ar têm um efeito benéfico. Eles são usados ​​para tratamento (aeroionoterapia).

37. Campo magnético

Um campo magnético é chamado de toda a matéria, através da qual uma força é exercida sobre cargas elétricas em movimento colocadas em um campo e outros corpos que possuem um momento magnético. Para um campo magnético, assim como para um eletrostático, existe uma característica quantitativa - um momento magnético (quantidade vetorial).

A indução magnética em um certo ponto do campo é igual à razão entre o torque máximo que atua na espira com a corrente em um campo magnético uniforme e o momento magnético dessa espira. A unidade de fluxo magnético é Weber (Wb):

1Wb = 1Tlm2.

Tl é a unidade de indução magnética (Tesla). Pode-se ver pela fórmula que o fluxo pode ser positivo e negativo.

Lei de Ampère. A energia de um circuito com corrente em um campo magnético. Uma das principais manifestações do campo magnético é seu efeito de força sobre cargas e correntes elétricas em movimento. A. M. Ampere estabeleceu a lei que determina este efeito de força.

Em um condutor em um campo magnético, selecionamos uma seção bastante pequena dI, que é considerada como um vetor direcionado à corrente. O produto IdI é chamado de elemento atual. A força que atua do campo magnético sobre o elemento de corrente é igual a:

dF = kIB sinb × dl,

onde k é o coeficiente de proporcionalidade; ou em forma vetorial

dF = ldl × B.

Essas razões expressam a lei de Ampère.

A força que atua de acordo com a lei de Ampère em um condutor de corrente em um campo magnético é o resultado de sua ação em cargas elétricas em movimento que criam essa corrente. A força que atua sobre uma carga em movimento separada é determinada pela razão entre a força F aplicada a um condutor de corrente e o número total N de portadores de corrente nele:

f_Л =S/N_(I)

A força atual é:

Eu = jS,

F = jSBL sinb,

onde j é a densidade de corrente. Nós temos:

F = jSBL sinb = qnvSBL sinb2,

onde n =N/SI é a concentração de partículas.

Substituindo a última expressão pela primeira, obtemos uma expressão para a força que atua do campo magnético em uma carga elétrica em movimento separada e chamada de força de Lorentz:

A direção da força de Lorentz pode ser determinada a partir da notação vetorial da equação

fn = qvB.

38. Intensidade do campo magnético e suas outras propriedades

A força do campo magnético depende das propriedades do meio e é determinada apenas pela força da corrente que flui através do circuito. A força do campo magnético criado pela corrente contínua é composta pela força dos campos criados por seus elementos individuais (Lei de Biot-Savart-Laplace):

(dH - tensão, k - coeficiente de proporcionalidade, di e r - vetores). Integrando, encontramos a força do campo magnético criado pelo circuito com corrente ou parte deste circuito:

Circular é a corrente que flui através do condutor na forma de um círculo. Essa corrente também corresponde a uma carga elétrica que gira circularmente. Conhecendo a intensidade do campo magnético e a permeabilidade magnética relativa do meio, pode-se encontrar a indução magnética:

B = M + M0H = mNf(2r).

Propriedades magnéticas da matéria

Não existem tais substâncias, cujo estado não mudaria quando colocadas em um campo magnético. Além disso, estando em um campo magnético, as próprias substâncias se tornam fontes de tal campo. Nesse sentido, todas as substâncias são chamadas de ímãs. Como as diferenças macroscópicas dos ímãs se devem à sua estrutura, é aconselhável considerar as características magnéticas de elétrons, núcleos, átomos e moléculas, bem como o comportamento dessas partículas em um campo magnético.

A razão entre o momento magnético de uma partícula e o momento de seu momento é chamada de magnetomecânica. As relações mostram que existe uma conexão "dura" bem definida entre os momentos magnético e mecânico (momento do momento); essa conexão se manifesta em fenômenos magnetomecânicos. Fenômenos magneto-mecânicos permitem determinar relações magnetomecânicas e, com base nisso, tirar conclusões sobre o papel dos momentos magnéticos orbitais ou de spin nos processos de magnetização. Assim, por exemplo, os experimentos de Einstein mostraram que os momentos magnéticos de spin dos elétrons são responsáveis ​​pela magnetização de materiais ferromagnéticos (ferro-magnéticos).

Núcleos, átomos e moléculas também têm um momento magnético. O momento magnético de uma molécula é a soma vetorial dos momentos magnéticos dos átomos que a compõem. O campo magnético atua na orientação das partículas que possuem momentos magnéticos, pelo que a substância é magnetizada. O grau de magnetização de uma substância é caracterizado pela magnetização. O valor médio do vetor de magnetização é igual à razão do momento magnético total Spmi de todas as partículas localizadas no volume do ímã para este volume:

Assim, a magnetização é o momento magnético médio por unidade de volume de um ímã. A unidade de magnetização é o ampere por metro (A/m).

39. Propriedades dos ímãs e propriedades magnéticas dos tecidos humanos

Moléculas paramagnéticas têm momentos magnéticos diferentes de zero. Na ausência de um campo magnético, esses momentos são arranjados aleatoriamente e sua magnetização é zero. O grau de ordenação dos momentos magnéticos depende de dois fatores opostos - o campo magnético e o movimento caótico molecular, de modo que a magnetização depende tanto da indução magnética quanto da temperatura.

Em um campo magnético não uniforme no vácuo, as partículas de uma substância paramagnética se movem em direção a um valor mais alto de indução magnética, como se costuma dizer, são atraídas para o campo. Paraímãs incluem alumínio, oxigênio, molibdênio, etc.

O diamagnetismo é inerente a todas as substâncias. Nos paramagnetismos, o diamagnetismo é substituído por um paramagnetismo mais forte.

Se o momento magnético das moléculas é zero ou tão pequeno que o diamagnetismo prevalece sobre o paramagnetismo, então as substâncias que consistem em tais moléculas são chamadas de diamagnets. A magnetização dos diamagnetos é direcionada oposta à indução magnética, seu valor aumenta com o aumento da indução. Partículas de diamagnet no vácuo em um campo magnético não uniforme serão empurradas para fora do campo.

Os ferroímãs, como os paraímãs, criam uma magnetização destinada a induzir um campo; sua permeabilidade magnética relativa é muito maior que a unidade. As propriedades ferromagnéticas não são inerentes a átomos ou moléculas individuais, mas apenas a algumas substâncias que estão em estado cristalino. Ferroímãs incluem ferro cristalino, níquel, cobalto, muitas ligas desses elementos entre si e com outros compostos não ferromagnéticos, bem como ligas e compostos de cromo e manganês com elementos não ferromagnéticos. A magnetização dos ferromagnetos depende não só da indução magnética, mas também do seu estado anterior, do tempo em que a amostra esteve no campo magnético. Embora não existam muitos ferromagnetos na natureza, eles são usados ​​principalmente como materiais magnéticos em tecnologia.

Os tecidos do corpo são em grande parte diamagnéticos, como a água. No entanto, no corpo também existem substâncias paramagnéticas, moléculas e íons. Não há partículas ferromagnéticas no corpo. As biocorrentes que surgem no corpo são uma fonte de campos magnéticos fracos. Em alguns casos, a indução de tais campos pode ser medida. Assim, por exemplo, com base no registro da dependência temporal da indução do campo magnético do coração (biocorrentes cardíacas), foi criado um método de diagnóstico - a magnetocardiografia. Como a indução magnética é proporcional à intensidade da corrente, e a intensidade da corrente (biotok) de acordo com a lei de Ohm é proporcional à voltagem (biopotencial), em geral, o magnetocardiograma é semelhante ao eletrocardiograma. No entanto, a magnetocardiografia, ao contrário da eletrocardiografia, é um método sem contato, porque o campo magnético também pode ser registrado a alguma distância do objeto biológico - a fonte do campo.

40. Indução eletromagnética. Energia do campo magnético

A essência da indução eletromagnética é que um campo magnético alternado gera um campo elétrico (descoberto por M. Faraday em 1831). A lei básica da indução eletromagnética Com qualquer mudança no fluxo magnético, forças eletromotrizes de indução eletromagnética surgem nele.

onde e - forças eletromotrizes;

dt - intervalo de tempo;

dФ é a variação do fluxo magnético. Esta é a lei básica da indução eletromagnética, ou lei de Faraday.

Quando o fluxo magnético que penetra no circuito muda (o campo magnético muda com o tempo, o ímã se aproxima ou se afasta, a intensidade da corrente muda no circuito adjacente ou distante, etc.), uma força eletromotriz de indução eletromagnética sempre aparece no circuito, proporcional à taxa de variação do fluxo magnético. Uma mudança no campo magnético causa um campo elétrico. Como a corrente é a derivada da carga em relação ao tempo, podemos escrever:

Segue-se que a carga que flui no condutor devido à indução eletromagnética depende da mudança no fluxo magnético que penetra no circuito e de sua resistência. Essa dependência é utilizada para medir o fluxo magnético por dispositivos que registram a carga elétrica induzida no circuito.

Uma das manifestações da indução eletromagnética é a ocorrência de correntes de indução fechadas (correntes parasitas, ou correntes de Foucault) em corpos sólidos condutores, como peças metálicas, soluções eletrolíticas, órgãos biológicos, etc. um campo magnético, quando varia com o tempo de indução do campo, bem como sob a ação combinada de ambos os fatores. A intensidade das correntes parasitas depende da resistência elétrica do corpo e, consequentemente, da resistividade e das dimensões, bem como da taxa de variação do fluxo magnético. Na fisioterapia, o aquecimento de partes individuais do corpo humano com correntes parasitas é prescrito como um procedimento médico chamado indutermia.

As oscilações eletromagnéticas são chamadas de mudanças periódicas inter-relacionadas em cargas, correntes, intensidades de campos elétricos e magnéticos. A propagação de oscilações eletromagnéticas no espaço ocorre na forma de ondas eletromagnéticas. Entre vários fenômenos físicos, as oscilações e ondas eletromagnéticas ocupam um lugar especial.

Corrente alternada é qualquer corrente que muda com o tempo. No entanto, mais frequentemente o termo "corrente alternada" é aplicado a correntes quase estacionárias que dependem do tempo de acordo com uma lei harmônica.

41. Resistência total ((impedância) dos tecidos do corpo. Base física da reografia

Os tecidos do corpo conduzem não apenas a corrente direta, mas também a corrente alternada. Não existem tais sistemas no corpo que seriam semelhantes às bobinas de indutância, então sua indutância é próxima de zero.

As membranas biológicas (e, consequentemente, todo o organismo) têm propriedades capacitivas, em conexão com isso, a resistência total dos tecidos do corpo é determinada apenas pelas resistências ôhmicas e capacitivas. A presença de elementos capacitivos em sistemas biológicos é confirmada pelo fato de que o a intensidade da corrente está à frente da tensão aplicada em fase. A dependência da frequência da impedância permite avaliar a viabilidade dos tecidos do corpo; isso é importante saber para o transplante (transplante) de tecidos e órgãos. A impedância dos tecidos e órgãos também depende de seu estado fisiológico, assim, quando os vasos sanguíneos estão cheios de sangue, a impedância muda dependendo do estado da atividade cardiovascular.

Um método diagnóstico baseado no registro do uso da impedância tecidual no processo da atividade cardíaca é chamado de reografia (pletismografia de impedância). Usando este método, são obtidos reogramas do cérebro (reoencefalogramas), corações (reocardiogramas), vasos principais, pulmões do fígado e extremidades. As medições são geralmente realizadas a uma frequência de 30 kHz. Impulso elétrico e corrente de impulso Um impulso elétrico é uma mudança de curto prazo na tensão elétrica ou na intensidade da corrente. Na tecnologia, os pulsos são divididos em dois grandes grupos: pulsos de vídeo e pulsos de rádio.

Os pulsos de vídeo são pulsos de corrente elétrica ou tensão que possuem um componente constante diferente de zero. Assim, o pulso de vídeo tem predominantemente uma polaridade. A forma dos pulsos de vídeo é retangular, dente de serra, trapezoidal, exponencial, em forma de sino, etc.

Os pulsos de rádio são oscilações eletromagnéticas moduladas.

Na fisiologia, o termo "impulso elétrico" (ou "sinal elétrico") refere-se especificamente aos impulsos de vídeo. Os impulsos repetitivos são chamados de corrente de impulso. É caracterizado por um período (período de repetição do pulso) T - o tempo médio entre o início dos pulsos adjacentes e a frequência (frequência de repetição do pulso):

f=1/T.

O ciclo de trabalho dos pulsos é a razão:

O recíproco do ciclo de trabalho é o fator de preenchimento:

42. O conceito da teoria de Maxwell. Corrente de polarização

J. Maxwell criou a teoria do campo eletromagnético dentro da estrutura da física clássica. A teoria de J. Maxwell é baseada em duas provisões.

1. Qualquer campo elétrico deslocado gera um campo magnético de vórtice. Um campo elétrico alternado foi nomeado por Maxwell porque, como uma corrente comum, induz um campo magnético. Um campo magnético de vórtice é gerado tanto por correntes de condução Ipr (cargas elétricas em movimento) quanto por correntes de deslocamento (campo elétrico deslocado E).

Primeira equação de Maxwell

2. Qualquer campo magnético deslocado gera um campo elétrico de vórtice (a lei básica da indução eletromagnética).

Segunda equação de Maxwell:

Relaciona a taxa de variação do fluxo magnético através de qualquer superfície e a circulação do vetor da intensidade do campo elétrico que surge neste caso. A circulação é feita ao longo do contorno sobre o qual a superfície repousa.

Segue-se das provisões da teoria de Maxwell que o aparecimento de qualquer campo (elétrico ou magnético) em algum ponto do espaço implica toda uma cadeia de transformações mútuas: um campo elétrico alternado gera um campo magnético, uma mudança em um campo magnético gera um campo elétrico XNUMX.

A formação mútua de campos elétricos e magnéticos leva a um campo eletromagnético - a propagação de um único campo eletromagnético no espaço. A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas é igual à velocidade da luz. Esta foi a base para a criação de Maxwell da teoria eletromagnética da luz. Esta teoria tornou-se uma etapa muito importante no desenvolvimento da física médica.

43. Classificação dos intervalos de frequência adotados na medicina

Segue-se da teoria de Maxwell que várias ondas eletromagnéticas, incluindo ondas de luz, têm uma natureza comum. A este respeito, é aconselhável representar todos os tipos de ondas eletromagnéticas na forma de uma única escala.

Cada escala é condicionalmente dividida em seis faixas: ondas de rádio (longas, médias e curtas), infravermelho, visível, ultravioleta, raios-x e radiação gama. Essa classificação é determinada pelo mecanismo de formação das ondas, ou pela possibilidade de sua percepção visual por uma pessoa. As ondas de rádio são causadas por correntes alternadas em condutores e fluxos eletrônicos (macrorradiadores).

As radiações infravermelha, visível e ultravioleta provêm de átomos, moléculas e partículas de carga rápida (microrradiadores). A radiação de raios X ocorre durante processos intra-atômicos. A radiação gama é de origem nuclear.

Algumas faixas se sobrepõem porque ondas do mesmo comprimento podem ser produzidas por diferentes processos. Assim, a radiação ultravioleta de onda mais curta é bloqueada por raios-X de onda longa. A este respeito, a região limite de ondas infravermelhas e ondas de rádio é muito característica. Antes de 1922 havia uma lacuna entre essas faixas. A radiação de comprimento de onda mais curto desta lacuna não preenchida foi de origem atômica molecular (radiação de um corpo aquecido), enquanto o comprimento de onda mais longo foi emitido por vibradores Hertz macroscópicos. Mesmo ondas milimétricas podem ser geradas não apenas por engenharia de rádio, mas também por transições moleculares. Surgiu a seção "Radiospectroscopia", que estuda a absorção e emissão de ondas de rádio por várias substâncias.

Na medicina, aceita-se a seguinte divisão condicional das oscilações eletromagnéticas em faixas de frequência (Tabela 1).

Tabela 1

Divisão condicional de oscilações eletromagnéticas em faixas de frequência

Muitas vezes, o equipamento eletrônico fisioterapêutico de baixa frequência e áudio é chamado de baixa frequência. O equipamento eletrônico de todas as outras frequências é chamado de conceito generalizante - "equipamento de alta frequência".

44. Processos físicos em tecidos que ocorrem quando expostos a campos atuais e eletromagnéticos

Todas as substâncias são compostas de moléculas, cada uma delas é um sistema de cargas. Portanto, o estado dos corpos depende essencialmente das correntes que os atravessam e do campo eletromagnético atuante. As propriedades elétricas dos corpos biológicos são mais complexas do que as propriedades dos objetos inanimados, porque um organismo também é uma coleção de íons com concentração variável no espaço.

O mecanismo primário do impacto de correntes e campos eletromagnéticos no corpo é físico.

A ação primária da corrente contínua nos tecidos do corpo. Galvanização. Eletroforese de substâncias medicinais

O corpo humano consiste em grande parte de fluidos biológicos contendo um grande número de íons que estão envolvidos em vários processos metabólicos. Sob a influência de um campo elétrico, os íons se movem em velocidades diferentes e se acumulam próximo às membranas celulares, formando um campo elétrico contrário, chamado de polarização. Assim, o efeito primário da corrente contínua está associado ao movimento de íons em diferentes elementos dos tecidos.

O impacto da corrente contínua no corpo depende da intensidade da corrente, por isso a resistência elétrica dos tecidos, principalmente da pele, é de grande importância. A umidade, o suor reduzem significativamente a resistência, que, mesmo com uma pequena voltagem, pode causar a passagem de corrente pelo corpo. A corrente contínua contínua com uma voltagem de 60-80 V é usada como método terapêutico de fisioterapia (galvanização). A fonte de corrente é um retificador de onda completa - um aparelho de galvanização. Para isso, são utilizados eletrodos de folha de chumbo com espessura de 0,3-0,5 mm. Como os produtos da eletrólise de uma solução de cloreto de sódio contida nos tecidos causam cauterização, almofadas hidrofílicas umedecidas com água morna são colocadas entre os eletrodos e a pele.

A corrente contínua também é usada na prática médica para a introdução de medicamentos através da pele ou membranas mucosas. Este método é chamado de eletroforese de drogas. Para isso, procedem da mesma forma que na galvanização, mas a junta do eletrodo ativo é umedecida com uma solução da substância medicinal correspondente. A droga é injetada do pólo, cuja carga possui: os ânions são injetados do cátodo, os cátions - do ânodo.

A galvanização e a eletroforese de substâncias medicinais podem ser realizadas usando eletrodos líquidos na forma de banhos, nos quais os membros do paciente são imersos.

45. Impacto de correntes alternadas (impulso)

O efeito da corrente alternada no corpo depende essencialmente de sua frequência. Em baixas frequências sonoras e ultrassônicas, a corrente alternada, como a corrente contínua, tem um efeito irritante nos tecidos biológicos. Isso se deve ao deslocamento de íons de soluções eletrolíticas, sua separação, mudanças em sua concentração em diferentes partes da célula e no espaço intercelular.

A irritação tecidual também depende da forma da corrente pulsada, da duração do pulso e de sua amplitude. Assim, por exemplo, um aumento na inclinação da frente do pulso reduz a força da corrente de limiar, o que causa a contração muscular. Isso indica que os músculos se adaptam às mudanças na força atual e os processos de compensação iônica começam. Como o efeito fisiológico específico da corrente elétrica depende da forma dos pulsos, na medicina, para estimular o sistema nervoso central (eletrosono, anestesia eletrônica), o sistema neuromuscular, o sistema cardiovascular (marcapassos, desfibriladores) e outros, correntes com diferentes dependência do tempo são usados.

Atuando no coração, a corrente pode causar fibrilação ventricular, que leva à morte de uma pessoa. A intensidade da corrente limiar que causa fibrilação depende da densidade da corrente que flui pelo coração, da frequência e da duração de sua ação. A corrente ou onda eletromagnética tem um efeito térmico. O aquecimento terapêutico com oscilações eletromagnéticas de alta frequência tem várias vantagens sobre o método tradicional e simples - uma almofada de aquecimento. O aquecimento dos órgãos internos com uma almofada de aquecimento é realizado devido à condutividade térmica dos tecidos externos - a pele e o tecido adiposo subcutâneo. O aquecimento de alta frequência ocorre devido à formação de calor nas partes internas do corpo, ou seja, pode ser criado onde é necessário. O aquecimento com vibrações de alta frequência também é conveniente porque, ajustando a potência do gerador, é possível controlar a potência de liberação de calor nos órgãos internos, e em alguns procedimentos também é possível dosar o calor. Correntes de alta frequência são usadas para aquecer tecidos com correntes. A passagem de corrente de alta frequência pelo tecido é utilizada em procedimentos fisioterapêuticos chamados de diatermia e darsonvalização local.

Durante a diatermia, é usada uma corrente com uma frequência de cerca de 1 MHz com oscilações fracamente amortecidas, uma tensão de 100-150 V; corrente é de alguns amperes. Como a pele, a gordura, os ossos, os músculos têm a maior resistência específica, eles aquecem mais. O menor aquecimento em órgãos ricos em sangue ou linfa são os pulmões, fígado e linfonodos.

A desvantagem da diatermia é que uma grande quantidade de calor é liberada de forma improdutiva na camada da pele e no tecido subcutâneo. Recentemente, a diatermia vem deixando a prática terapêutica e sendo substituída por outros métodos de exposição de alta frequência.

As correntes de alta frequência também são usadas para fins cirúrgicos (eletrocirurgia). Eles permitem cauterizar, "soldar" tecidos (diatermocoagulação) ou dissecá-los (diatermotomia).

46. ​​​​Exposição a um campo magnético alternado

Em corpos condutores maciços em um campo alternado, surgem correntes parasitas. Essas correntes podem ser usadas para aquecer tecidos e órgãos biológicos. Tal método de tratamento - inductothermy - tem uma série de vantagens sobre o método de diatermia. Com inductothermy, a quantidade de calor liberada nos tecidos é proporcional aos quadrados da frequência e indução do campo magnético alternado e inversamente proporcional à resistividade. Portanto, tecidos ricos em vasos sanguíneos (por exemplo, músculos) serão aquecidos com mais força do que os gordurosos. O tratamento com correntes parasitas também é possível com darsonvalização geral. Nesse caso, o paciente é colocado em uma gaiola solenóide, através das bobinas das quais é passada uma corrente pulsada de alta frequência.

Exposição a um campo elétrico alternado. Nos tecidos em um campo elétrico alternado, surgem correntes de deslocamento e correntes de condução. Normalmente, campos elétricos de ultra-alta frequência são usados ​​para esse fim, então o método fisioterapêutico correspondente é chamado de terapia UHF. É costume usar uma frequência de 40,58 MHz em dispositivos UHF; em correntes dessa frequência, os tecidos dielétricos do corpo aquecem mais intensamente do que os condutores.

Exposição a ondas eletromagnéticas. Os métodos fisioterapêuticos baseados no uso de ondas eletromagnéticas na faixa de micro-ondas, dependendo do comprimento de onda, receberam dois nomes: “terapia por micro-ondas” e “terapia DCV”. Atualmente, a teoria mais desenvolvida é o efeito térmico dos campos de micro-ondas em objetos biológicos.

Uma onda eletromagnética polariza as moléculas de uma substância e as reorienta periodicamente como dipolos elétricos. Além disso, uma onda eletromagnética afeta os íons dos sistemas biológicos e causa uma corrente de condução alternada. Tudo isso leva ao aquecimento da substância.

As ondas eletromagnéticas podem influenciar os processos biológicos quebrando as ligações de hidrogênio e afetando a orientação das macromoléculas de DNA e RNA.

Quando uma onda eletromagnética atinge uma parte do corpo, ela é parcialmente refletida na superfície da pele. O grau de reflexão depende da diferença nas constantes dielétricas do ar e dos tecidos biológicos. A profundidade de penetração das ondas eletromagnéticas nos tecidos biológicos depende da capacidade desses tecidos de absorver a energia das ondas, que por sua vez é determinada tanto pela estrutura dos tecidos (principalmente pelo conteúdo de água) quanto pela frequência das ondas eletromagnéticas. Assim, as ondas eletromagnéticas de centímetros usadas na fisioterapia penetram nos músculos, pele, fluidos biológicos a uma profundidade de cerca de 2 cm e na gordura e nos ossos - cerca de 10 cm.

Levando em consideração a composição complexa dos tecidos, é convencionalmente considerado que durante a terapia por micro-ondas a profundidade de penetração das ondas eletromagnéticas é de 3 a 5 cm da superfície do corpo e durante a terapia DCV - até 9 cm.

47. Eletrônicos

A eletrônica é um conceito muito difundido na atualidade. A eletrônica é baseada principalmente nas conquistas da física. Hoje, sem equipamentos eletrônicos, nem o diagnóstico de doenças nem o seu tratamento eficaz são possíveis.

O termo "eletrônica" é amplamente arbitrário. O mais correto é entender a eletrônica como o campo da ciência e da tecnologia, no qual são considerados o trabalho e a aplicação de dispositivos (dispositivos) de eletrovácuo, iônicos e semicondutores. Eles destacam a eletrônica física, ou seja, a seção da física que considera a condutividade elétrica dos corpos, contato e fenômenos termiônicos. Eletrônica técnica é entendida como aquelas seções que descrevem os dispositivos de dispositivos e aparelhos e os esquemas para sua inclusão. A eletrônica de semicondutores é o que se refere ao uso de dispositivos semicondutores, etc.

Às vezes, toda a eletrônica é dividida em três grandes áreas: eletrônica a vácuo, que abrange a criação e aplicação de dispositivos de eletrovácuo (como tubos de vácuo, dispositivos fotoeletrônicos, tubos de raios X, dispositivos de descarga de gás); eletrônica de estado sólido, que abrange a criação e aplicação de dispositivos semicondutores, incluindo circuitos integrados; eletrônica quântica - um ramo específico da eletrônica relacionado a lasers.

A eletrônica é um ramo dinâmico da ciência e da tecnologia. Com base em novos efeitos (fenômenos), dispositivos eletrônicos são criados, incluindo aqueles usados ​​em biologia e medicina.

Qualquer dispositivo técnico (rádio ou eletrônico) está sendo atualizado, reduzido, etc. No entanto, surgem dificuldades nisso. Assim, por exemplo, reduzir as dimensões de um produto pode reduzir sua confiabilidade etc.

Uma mudança significativa na miniaturização de dispositivos eletrônicos foi a introdução de diodos e triodos semicondutores, que possibilitou aumentar a densidade de dispositivos eletrônicos para 2-3 elementos por 1 cm3.

A próxima etapa na miniaturização da eletrônica, que ainda está em desenvolvimento atualmente, é a criação de circuitos integrados. Trata-se de um dispositivo eletrônico em miniatura no qual todos os elementos (ou parte deles) são estruturalmente inseparáveis ​​e interligados eletricamente. Existem dois tipos principais de circuitos integrados: semicondutor e filme.

Os circuitos integrados semicondutores são feitos de semicondutores altamente puros. Por processamento térmico, difuso e outros, a rede cristalina de um semicondutor é alterada para que suas regiões individuais se tornem diferentes elementos do circuito. Circuitos integrados de filme são feitos por deposição a vácuo de vários materiais em substratos apropriados. Circuitos integrados híbridos também são usados ​​- uma combinação de semicondutores e circuitos de filme.

48. Eletrônica médica

Um dos usos comuns dos dispositivos eletrônicos está relacionado ao diagnóstico e tratamento de doenças. As seções de eletrônica, que consideram os recursos do uso de sistemas eletrônicos para resolver problemas biomédicos, bem como o dispositivo do equipamento correspondente, são chamadas de eletrônica médica.

A eletrônica médica é baseada em informações da física, matemática, engenharia, medicina, biologia, fisiologia e outras ciências, incluindo eletrônica biológica e fisiológica.

Atualmente, muitas características tradicionalmente "não elétricas" (temperatura, deslocamento corporal, parâmetros bioquímicos, etc.) estão sendo medidas durante as medições para serem convertidas em um sinal elétrico. A informação representada por um sinal elétrico pode ser convenientemente transmitida à distância e gravada de forma confiável. Podemos distinguir os seguintes grupos principais de dispositivos e aparelhos eletrônicos usados ​​para fins biomédicos.

1. Dispositivos para recebimento (esquema), transmissão e registro de informações biomédicas. Tais informações podem ser não apenas sobre os processos que ocorrem no corpo (em tecidos biológicos, órgãos, sistemas), mas também sobre o estado do meio ambiente (finalidade sanitária e higiênica), sobre os processos que ocorrem em próteses, etc. grande parte dos equipamentos de diagnóstico: balistocardiógrafos, fonocardiógrafos, etc.

2. Dispositivos eletrônicos que proporcionam efeitos de dosagem no corpo por diversos fatores físicos (como ultrassom, corrente elétrica, campos eletromagnéticos, etc.) para fins de tratamento: dispositivos de terapia por micro-ondas, dispositivos eletrocirúrgicos, marcapassos, etc. 3. Eletrônicos cibernéticos dispositivos:

1) computadores eletrônicos para processamento, armazenamento e análise automática de informações biomédicas;

2) dispositivos de controle dos processos vitais e regulação automática do ambiente humano;

3) modelos eletrônicos de processos biológicos, etc. Uma das questões importantes relacionadas ao dispositivo

equipamentos médicos eletrônicos é sua segurança elétrica para pacientes e pessoal médico. Em uma rede elétrica e em dispositivos técnicos, geralmente é definida uma tensão elétrica, mas uma corrente elétrica, ou seja, uma carga que flui através de um objeto biológico por unidade de tempo, tem efeito no corpo ou nos órgãos.

A resistência do corpo humano entre dois toques (eletrodos) é a soma da resistência dos tecidos e órgãos internos e da resistência da pele.

O principal e principal requisito é torná-lo inacessível ao toque no equipamento sob tensão. Para fazer isso, em primeiro lugar, partes de dispositivos e aparelhos sob tensão são isoladas umas das outras e do corpo do equipamento.

49. Como a confiabilidade do equipamento médico é garantida

Ao realizar procedimentos usando eletrodos aplicados ao paciente, é difícil prever muitas opções para criar uma situação eletricamente perigosa, portanto, você deve seguir claramente as instruções para este procedimento sem fazer nenhum desvio.

Confiabilidade de equipamentos médicos. O equipamento médico deve funcionar normalmente. A capacidade de um produto não falhar em operação sob condições operacionais especificadas e manter seu desempenho por um determinado intervalo de tempo é caracterizada por um termo geral - "confiabilidade". Para equipamentos médicos, o problema da confiabilidade é especialmente relevante, pois a falha de aparelhos e dispositivos pode levar não apenas a perdas econômicas, mas também à morte de pacientes. A capacidade do equipamento de operar à prova de falhas depende de muitos motivos, cujo efeito é praticamente impossível de levar em consideração; portanto, a avaliação quantitativa da confiabilidade é de natureza probabilística. Assim, por exemplo, um parâmetro importante é a probabilidade de operação sem falhas. É estimado experimentalmente pela proporção do número de produtos em funcionamento (não estragados) por um certo tempo para o número total de produtos testados. Essa característica avalia a capacidade do produto em manter a operacionalidade em um determinado intervalo de tempo. Outro indicador quantitativo de confiabilidade é a taxa de falhas. Dependendo das possíveis consequências de uma falha durante a operação, os dispositivos médicos são divididos em quatro classes.

A - produtos cuja falha representa um perigo imediato para a vida do paciente ou do pessoal. Os produtos desta classe incluem dispositivos para monitorar as funções vitais do paciente, respiração artificial e dispositivos de circulação sanguínea.

B - produtos cuja falha cause distorção das informações sobre o estado do corpo ou do ambiente, que não leve a um perigo imediato à vida do paciente ou do pessoal, ou exija o uso imediato de um dispositivo semelhante em função para o modo de espera. Esses produtos incluem sistemas que monitoram o paciente, dispositivos para estimular a atividade cardíaca.

B - produtos cuja falha reduza a eficácia ou atrase o processo de tratamento e diagnóstico em situações não críticas, ou aumente a carga sobre o pessoal médico ou de manutenção, ou leve apenas a danos materiais. Esta classe inclui a maioria dos equipamentos de diagnóstico e fisioterapêuticos, ferramentas, etc.

G - produtos que não contêm peças à prova de falhas. Os equipamentos eletromédicos não pertencem a esta classe.

50. Sistema para obtenção de informações médicas e biológicas

Qualquer pesquisa biomédica está associada à aquisição e registro de informações ausentes. Para receber e registrar informações sobre o estado e os parâmetros de um sistema biomédico, é necessário dispor de todo um conjunto de dispositivos. O elemento primário desse conjunto - o elemento sensível do instrumento de medida, denominado captador - certamente contata ou interage com o próprio sistema.

Em dispositivos eletrônicos médicos, o elemento sensor produz diretamente um sinal elétrico ou altera esse sinal sob a influência de um sistema biológico. O dispositivo captador converte as informações de conteúdo biomédico e fisiológico em um sinal de um dispositivo eletrônico. Existem dois tipos de dispositivos de captação usados ​​em eletrônica médica: eletrodos e sensores.

Os eletrodos são condutores de formato especial que conectam o circuito de medição ao sistema biológico. Ao diagnosticar, os eletrodos são usados ​​não apenas para captar um sinal elétrico, mas também para trazer um efeito eletromagnético externo (por exemplo, na reografia). Na medicina, os eletrodos também são usados ​​para fornecer efeitos eletromagnéticos para fins de tratamento e estimulação elétrica.

Muitas características médicas e biológicas não podem ser "registradas" por eletrodos, pois não são refletidas por um sinal bioelétrico: pressão arterial, temperatura, sons cardíacos e muitos outros. Em alguns casos, a informação biomédica está associada a um sinal elétrico; nesses casos, são utilizados sensores (transdutores de medição). Um sensor é um dispositivo que converte um valor medido ou controlado em um sinal conveniente para transmissão, conversão posterior ou registro. Os sensores são divididos em geradores e paramétricos.

Gerador - são sensores que, sob a influência do sinal medido, geram diretamente tensão ou corrente. Esses tipos de sensores incluem:

1) piezoelétrico;

2) termoelétrica;

3) indução;

4) fotovoltaica.

Sensores paramétricos são sensores nos quais alguns parâmetros mudam sob a influência do sinal medido.

Esses sensores incluem:

1) capacitivo;

2) reostático;

3) indutivo.

Dependendo da energia que é portadora da informação, existem sensores mecânicos, acústicos (som), de temperatura, elétricos, ópticos e outros.

Os potenciais bioelétricos são um indicador diagnóstico essencial de muitas doenças. Portanto, é muito importante registrar corretamente esses potenciais e extrair as informações médicas necessárias.

51. Amplificadores-osciladores

Amplificadores de sinais elétricos, ou amplificadores eletrônicos, são dispositivos que convertem a energia de fontes de tensão CC em energia de oscilações eletromagnéticas de diversas formas.

De acordo com o princípio de operação, distinguem-se geradores com autoexcitação e geradores com excitação externa, que são essencialmente amplificadores de potência de alta frequência.

Os geradores são subdivididos de acordo com a frequência e potência das oscilações. Na medicina, os geradores eletrônicos encontram três aplicações principais: em equipamentos eletrônicos fisioterapêuticos; em estimuladores eletrônicos; em dispositivos de diagnóstico separados, por exemplo, em um reógrafo.

Todos os geradores são divididos em baixa frequência e alta frequência. Dispositivos médicos - geradores de oscilações eletromagnéticas de baixa frequência harmônicas e pulsadas combinam dois grandes grupos de dispositivos difíceis de distinguir claramente: estimuladores eletrônicos (eletroestimuladores) e dispositivos de fisioterapia. Em baixas frequências, o mais significativo é o efeito específico e não térmico da corrente. O tratamento atual tem o caráter de estimular algum efeito, portanto, existe uma espécie de confusão entre os conceitos de "aparelho de tratamento" e "eletroestimulador".

Os eletroestimuladores são divididos em estacionários, vestíveis e implantáveis ​​(implantados).

Um marcapasso vestível e frequentemente implantável é o marcapasso implantável de radiofrequência EKSR-01. O receptor recebe sinais de rádio de um transmissor externo. Esses sinais são percebidos dentro do corpo do paciente pela parte implantável e são enviados ao coração na forma de impulsos por meio de eletrodos. Os dispositivos técnicos para estimulação elétrica também incluem eletrodos para fornecer um sinal elétrico a um sistema biológico. Em muitos casos, a estimulação elétrica é realizada por eletrodos de placa, que são aplicados ao corpo humano como eletrodos para eletrocardiografia.

Um grande grupo de dispositivos médicos - geradores de oscilações e ondas eletromagnéticas - opera na faixa de frequências ultrassônicas, altas e ultraaltas e é chamado de termo geral "equipamento eletrônico de alta frequência".

Com a terapia UHF, a parte do corpo a ser aquecida é colocada entre eletrodos metálicos em forma de disco cobertos com uma camada isolante. Quando exposto a ondas eletromagnéticas, o emissor dessas ondas é aproximado do corpo.

Outros dispositivos de fisioterapia incluem:

1) aparelho "Iskra-1" - um gerador de alta frequência operando em modo pulsado e usado para darsonvalização local;

2) aparelho IKV-4 para indutância térmica, operando na frequência de 13,56 MHz;

3) aparelho portátil para terapia UHF - UHF-66;

4) aparelho para terapia por micro-ondas "Luch-58".

Dispositivos de eletrocirurgia (cirurgia de alta frequência) também são chamados de equipamentos médicos eletrônicos de alta frequência.

52. Óptica

A óptica é um ramo da física que trata das leis da radiação, absorção e propagação da luz.

A lei da propagação retilínea da luz.

A luz em um meio transparente e homogêneo se propaga em linha reta.

Um feixe de luz é um feixe de luz infinitamente fino que se propaga em linha reta, esta é uma linha que indica a direção de propagação da energia da luz.

Espelho plano. Se os raios paralelos incidentes permanecerem paralelos após a reflexão de uma superfície plana, tal reflexão é chamada de reflexão especular e a superfície refletora é um espelho plano.

Leis da refração da luz. Os raios incidente e refratado e a normal à interface entre os meios no ponto de incidência estão no mesmo plano.

sinα/sinβ = n,

onde α é o ângulo entre o feixe incidente e a normal; β é o ângulo entre o feixe refratado e a normal. Índices de refração absolutos e relativos.

Índice de refração relativo da luz n = n₁/n₂,

onde n₁ e n₂ - índices de refração absolutos de dois meios, iguais à razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio:

n=c/v₁n₂=c/v₂

O curso dos raios em um prisma. A lei da refração da luz permite calcular o curso dos raios em vários dispositivos ópticos, em particular em um prisma triangular.

deflexão total do feixe

d = um₁ + B₂ ×w,

w=b₁ + Um₂.

Se w é pequeno, então:

d = (n-1) h w,

onde n é o índice de refração do material do prisma.

Fenômenos de reflexão interna total. Se um feixe vai de um meio que é opticamente mais denso (com um índice de refração mais alto) para um meio que é opticamente menos denso, então:

A um certo valor do ângulo de incidência a0, o feixe refratado desliza ao longo da interface entre o meio

и

β = n/2, então sinα₀ =n₁/n₂

53. Óptica de ondas

Propriedades ondulatórias da luz. A luz são ondas eletromagnéticas na faixa de frequência 13 x 1014-8 x h 1014 Hz percebidas pelo olho humano, ou seja, o comprimento de onda é 380 x 770 nm. A luz tem todas as propriedades das ondas eletromagnéticas: reflexão, refração, interferência, difração, polarização.

natureza eletromagnética da luz. Até meados do século XIX, a questão da natureza da luz permaneceu praticamente sem solução. A resposta foi encontrada por J. Maxwell, que comprovou as leis gerais do campo eletromagnético. Da teoria de J. Maxwell, a conclusão foi que a luz são ondas eletromagnéticas de um certo alcance. A velocidade da luz em um meio homogêneo. A velocidade da luz é determinada pelas propriedades elétricas e magnéticas do meio. Isso é confirmado pela coincidência da velocidade da luz no vácuo com a constante eletrodinâmica:

(ε₀ - constante elétrica, m₀ é a constante magnética). A velocidade da luz em um meio homogêneo, como é conhecido, é determinada pelo índice de refração do meio n. A velocidade da luz em uma substância:

υ=c/n

onde c é a velocidade da luz no vácuo.

Da teoria de Maxwell segue:

ou seja, o índice de refração e, consequentemente, a velocidade no meio são determinados pela permeabilidade dielétrica e magnética do meio:

A interferência é a adição de ondas de duas ou mais fontes, quando, como resultado da adição, o princípio da superposição de intensidades é violado.

A densidade de energia em uma onda eletromagnética é proporcional ao quadrado da amplitude da onda e determina a intensidade da onda de luz, que o olho humano avalia como iluminação. Difração da luz - o fenômeno do desvio da luz de uma direção retilínea ao passar na borda de um obstáculo.

A difração de ondas é um conjunto de fenômenos observados durante a passagem de ondas em meios não homogêneos, levando ao desvio das ondas da propagação retilínea original.

Princípio de Huygens-Fresnel. Cada ponto da superfície que a onda atingiu em um determinado momento serve como fonte pontual de ondas esféricas secundárias, que são coerentes: a superfície da onda em qualquer momento não é apenas um envelope de ondas secundárias, mas o resultado de sua interferência.

Método da zona de Fresnel. Para uma fonte pontual em um meio homogêneo e isotrópico, as superfícies das ondas têm formato esférico. Fresnel propôs dividir a superfície da onda em seções separadas, chamadas zonas de Fresnel, de modo que as oscilações provenientes de duas zonas adjacentes ao ponto de observação se cancelem quando somadas.

54. Polarização da luz

A luz são ondas eletromagnéticas transversais. Polarização da luz - ordenação na orientação dos vetores de intensidade dos campos elétrico e magnético de uma onda de luz em um plano perpendicular ao feixe de luz. A luz natural (luz solar, lâmpadas incandescentes) é não polarizada, ou seja, todas as direções de oscilação dos vetores elétrico e magnético perpendiculares aos raios de luz são iguais. Existem dispositivos chamados polarizadores, que têm a capacidade de passar por si mesmos raios de luz com uma direção de oscilação do vetor elétrico E, de modo que, na saída do polarizador, a luz se torna plana (linearmente) polarizada. Para um ângulo arbitrário a entre as direções do analisador e do polarizador, a amplitude das oscilações de luz que emergem do analisador é igual a:

Ea = En cos a,

onde En é a amplitude das oscilações na saída do polarizador.

Em uma onda eletromagnética, a densidade de energia (intensidade) é proporcional ao quadrado da amplitude de oscilação E, ou seja, I_n -E²_n e eu_a -E²_a.

Com base nisso, obtemos:

I_a = Eu_n cos2 a.

Essa relação é chamada de lei de Malus.

O grau de polarização da luz (máximo e mínimo) é igual à intensidade da luz parcialmente polarizada transmitida pelo analisador.

A polarização também ocorre na interface entre dois dielétricos isotrópicos. Se a luz incidente for natural, os raios refratados e refletidos são parcialmente polarizados, e a direção predominante de oscilação do vetor elétrico da onda refratada está no plano de incidência, e o refletido é perpendicular a ele. O grau de polarização depende do índice de refração do segundo meio em relação ao primeiro:

n₂₁ =n₂/n₁

e no ângulo de incidência a, além disso, no ângulo de incidência ab, para o qual tg a_Б =n₂₁ (Lei de Brewster), o feixe refletido é quase completamente polarizado e o grau de polarização do feixe refratado é máximo.

Birrefringência é a capacidade de algumas substâncias, em particular cristais, de dividir um feixe de luz incidente em dois feixes - ordinário (O) e extraordinário (E), que se propagam em diferentes direções com diferentes velocidades de fase e são polarizados em planos mutuamente perpendiculares.

Quando a luz passa por algumas substâncias, chamadas opticamente ativas, o plano de polarização da luz gira em torno da direção do feixe. O ângulo de rotação f do plano de polarização é proporcional ao caminho percorrido pela luz em uma substância opticamente ativa:

onde a é uma constante de rotação, dependendo das propriedades

f = ai,

substâncias e comprimentos de onda da luz

55. Sistema óptico do olho e algumas de suas características

O olho humano é um tipo de dispositivo óptico que ocupa um lugar especial na óptica. Para os médicos, o olho não é apenas um órgão capaz de distúrbios e doenças funcionais, mas também uma fonte de informações sobre algumas doenças não oculares. Detenhamo-nos brevemente na estrutura do olho humano.

O próprio olho é o globo ocular, que tem uma forma esférica não muito regular. As paredes do olho consistem em três conchas dispostas concentricamente: externa, média e interna. A casca de proteína externa - a esclera - na frente do olho se transforma em uma córnea convexa transparente - a córnea. Em termos de propriedades ópticas, a córnea é a parte mais refrativa do olho. É como uma janela através da qual os raios de luz entram no olho. A cobertura externa da córnea passa para a conjuntiva ligada às pálpebras.

A coróide é adjacente à esclera, cuja superfície interna é revestida por uma camada de células de pigmento escuro que impedem a dispersão interna difusa da luz no olho. Na frente do olho, a coróide passa para a íris, na qual existe um orifício redondo - a pupila. Diretamente para a pupila no interior do olho fica ao lado da lente - um corpo transparente e elástico, semelhante a uma lente biconvexa. O diâmetro da lente é de 8-10 mm, o raio de curvatura da superfície anterior é em média 10 mm, a superfície posterior é de 6 mm. O índice de refração da substância da lente é ligeiramente maior - 11,4. A estrutura da lente se assemelha à estrutura em camadas de uma cebola e o índice de refração das camadas não é o mesmo. Entre a córnea e a lente está a câmara anterior do olho, ela é preenchida com umidade - um líquido semelhante em propriedades ópticas à água. Toda a parte interna do olho, desde a lente até a parede posterior, é ocupada por uma massa gelatinosa transparente chamada corpo vítreo. O índice de refração do corpo vítreo é o mesmo do humor aquoso.

Os elementos do olho discutidos acima referem-se principalmente ao seu aparelho condutor de luz.

O nervo óptico entra no globo ocular pela parede posterior; ramificando-se, ele passa para a camada mais interna do olho - a retina, ou retina, que é o aparelho de percepção de luz (receptor) do olho. A retina consiste em várias camadas e não é a mesma em sua espessura e sensibilidade à luz; contém células visuais sensíveis à luz, cujas extremidades periféricas têm uma forma diferente. No local de entrada do nervo óptico existe um ponto cego que não é sensível à luz.

O olho pode ser representado como um sistema óptico centrado formado pela córnea, o fluido da câmara anterior e o cristalino (quatro superfícies refrativas) e delimitado na frente pelo meio aéreo, atrás pelo corpo vítreo. O eixo óptico principal passa pelos centros geométricos da córnea, pupila e cristalino.

Além disso, também se distingue o eixo visual do olho, que determina a direção da maior fotossensibilidade e passa pelos centros do cristalino e da mácula.

56. Radiação térmica dos corpos

De toda a variedade de radiações eletromagnéticas, visíveis ou invisíveis ao olho humano, pode-se distinguir uma, que é inerente a todos os corpos. Esta é a radiação de corpos aquecidos, ou radiação térmica. Durante a radiação térmica, a energia é transferida de um corpo para outro devido à emissão e absorção de ondas eletromagnéticas. A radiação térmica de corpos aquecidos ocorre em qualquer temperatura, portanto, é emitida por todos os corpos.

A radiação de equilíbrio (preta) é a radiação que está em equilíbrio termodinâmico com corpos que têm uma certa temperatura. Um corpo negro é um corpo que absorve completamente qualquer radiação eletromagnética incidente em sua superfície, independentemente da temperatura do corpo.

Para um corpo completamente negro, a capacidade de absorção (a razão entre a energia absorvida e a energia da radiação incidente) é igual a um.

De acordo com suas características, tal radiação obedece à lei de radiação de Planck, que determina a emissividade e o brilho energético de um corpo negro. Ele apresentou uma hipótese, da qual se seguiu que o corpo negro irradia e absorve energia não continuamente, mas em certas porções, quanta.

A lei de Kirchgaard estabelece uma relação quantitativa entre radiação e absorção - na mesma densidade de luminosidade de energia para o coeficiente de absorção de luz monocromática para quaisquer corpos, inclusive negros. A lei de Kirchgaard estabelece que a razão entre a emissividade r de um corpo e sua capacidade de absorção de um corpo negro f(w, T) nos mesmos valores de temperatura e frequência:

onde w é a frequência da onda.

Lei de Stefan-Boltzmann: a luminosidade integral da energia R (T) de um corpo negro é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta:

R(T) = QT₄.

O valor numérico da constante Q, chamada constante de Stefan-Boltzmann, é:

A lei de deslocamento de Vip - o comprimento lm, que representa a energia máxima de radiação de um corpo completamente negro, é inversamente proporcional à temperatura absoluta T.

O valor da constante de Wiep é 2,898 × ​​10^-3 μK.

μK é a constante de Wip. Esta lei também é válida para corpos cinzentos.

A manifestação da lei de Vipa é conhecida a partir de observações comuns. À temperatura ambiente, a radiação térmica dos corpos está principalmente na região do infravermelho e não é percebida pelo olho humano. Se a temperatura subir, os corpos começam a brilhar com uma luz vermelha escura e, em temperaturas muito altas - branco com um tom azulado, a sensação de aquecimento do corpo aumenta.

Autor: Podkolzina V.A.

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