Биофизические основы действия ионизирующих излучений на организм. Радиолиз воды.

Рассматривая первичные физико-химические процессы в организме при действии ионизирующих излучений, следует учитывать две принципиально разные возможности взаимодействия: с молекулами воды и с молекулами органических соединений. Первичным физическим актом взаимодействия ионизирующего излучения с биологическим объектом является ионизация. Именно через ионизацию происходит передача энергии объекту.

Известно, что в биологической ткани 60-70 % по массе составляет вода. В результате ионизации молекулы воды образуют свободные радикалы Н- и ОН- Под действием ионизирующих излучений происходят химические превращения вещества, получившие название радиолиза-разложение химических соединений под действием ионизирующих излучений. Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белков, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму - токсины. Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. В результате воздействия ионизирующего излучения нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен в организме.

Радолиз воды:

Н₂О⁺ + Н₂ Н®О ₃О + ОН

Н₂ Н + ОН®О + е

Н®Н + Н ₂

Н®ОН + ОН ₂О₂

Н®Н + ОН ₂О

Н₂О₂ Н®+ Н ₂О +ОН

Н₂ Н®+ ОН ₂О + Н

Н₂О₂ НО®+ ОН ₂ + Н₂О

НО₂ + НО₂ Н®₂О₂ + О₂.
Конечные продукты радиолиза воды – водород, кислород и пероксид водорода..

Билет № 9 1)Медицинская поляриметрия. Оптическая активность веществ (примеры оптически активных тканей в организме человека. Строение и принцип работы поляриметра-сахариметраСвет имеет двойственную природу, с одной стороны это электромагнитная волна(ЭВМ), с другой – поток частиц – фотонов. В ЭВМ колеблются не частицы, а вектора напряженности электрического поля (Е) и индукции магнитного поля (В) в направлениях, перпендикулярно друг другу и по направлению распространения волны Х. Если вектор Е колеблется во всевозможных направлениях, этот свет естественный, если только в одном – поляризованный. Устройство, позволяющее получить поляризованный свет из естественного называется поляризатором (П). Анализатор (А) – тот же поляризатор, необходимый для анализа поляризации.
I = I₀*cos²φ I₀ – интенсивность света при параллельном расположении осей поляризатора и анализатора. I – интенсивность света, прошедшего через систему П – А или П – П. Косинус фи – косинус угла между осями двух устройств. Оптически активные вещества - некоторые растворы, способные поворачивать плоскость колебания поляризованного света (сахара, аминокислоты и пр.) Угол поворота (фи) зависит от рода вещества (α) , концентрации раствора (С), толщины кюветы( L)
φ =α*С*L. Данное свойство используют для измерения концентраций биологически важных веществ в различных жидкостях. При этом необходимо использовать поляризованный свет. Оптически активные в-ва: лимфа, ликвор, печень и т.д.Поляриметр содержит: светофильтр (С), поляризатор (П), кварцевую пластинку (КП – тсавится на пути не всех, а только центр. Лучей), держатель для кюветы с исследуемой жидкостью (ДсК), анализатор (А), окуляр (Ок – линзу для получения четкой картины). Вращением анализатора добиваются одинаковой освещенности всего поля зрения поляриметра. Это будет тогда, когда ось анализатора делит угол между поляризатором и «кварцем» пополам.Сначала измеряется угол поворота фи для растворов известной концентрации. До того как поставить кювету с раствором в поляриметре добиваются одинаковой освещенности всего поля зрения, и по нониусу опред. Угол – положение анализатора фи1 (до 10ых долей гр). Затем ставят кювету и делают то же самое – опред. Фи2 для одинаковой освщенности всего поля зрения. Угол поворота находят как разность: φ = φ2 – φ1 (с учетом знака углов). Проделав такие измерения дл различных известных концентр., далее строят градуированный график φ = φ(С). Затем опред. Угол поворота для раствора с неизвестной концентрацией, по построенному графику находят неизвестную концентрацию. В результате измерений эксперемент. точки обычно не ложатся на прямую линию. Для построения графика следует по кажд. концетр. Опред. Угол вращения – затем вычислить его среднее значение и уже по этому среднему значению построить график φ = φ(С)

2)Тоны Короткова. Физические основы применения неинвазивного метода Короткова для измерения систолического и диастолического давлений.Метод Короткова – бескровный метод измерения систолического и диастолического давления крови в плечевой артерии.Тоны Короткова - звуки, которые слышны с помощью фонендоскопа, помещенного на лучевой артерии, при нагнетании воздуха в манжетку и его постепенном выпускании. Систолическое (верхнее) артериальное давление — это уровень давления крови в момент максимального сокращения сердца. Диастолическое (нижнее) артериальное давление — это уровень давления крови в момент максимального расслабления сердца. Метод Короткова предусматривает для измерения артериального давления очень простой тонометр, состоящий из механического манометра, манжеты с грушей и фонендоскопа. Метод основан на полном пережатии манжетой плечевой артерии и выслушивании тонов, возникающих при медленном выпускании воздуха из манжеты.Если мускулатура расслаблена, то давление воздуха внутри манжеты, состоящей из эластичных стенок, приблизительно равно давлению в мягких тканях, соприкасающихся с манжетой – основная идея бескровного метода Короткова.Сначала избыточное над атмосферным давление воздуха в манжете равно нулю, манжета не сжимает руку и артерию. По мере накачивания воздуха в манжету последняя сдавливает плечевую артерию и прекращает ток крови. Выпуская воздух, уменьшают давление в манжете и в мягких тканях, с которыми она соприкасается. Когда давление станет равным систолическому, кровь будет способна пробиться через сдавленную артерию – возникает турбулентное течение. Этот процесс сопровождают характерные тоны и шумы (тоны Короткова). Продолжая уменьшать давление в манжете, можно восстановить ламинарное течение крови – резкое ослабление прослушиваемых тонов – диастолическое давление.

Билет№10

1). Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека; механическая работа человека эргометрия.*Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета, к которым в определенных точках прикрепляются мышцы. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц. Рычагом называется твердое тело, которое может вращаться около неподвижной оси. Различают три вида рычагов:

1) Когда т. опоры лежит между т. приложения действующей силы F и силы сопротивления R. Условие равновесия рычага Fа = Rb.

Пример: череп, рассматриваемый в сагит. плоскости. Ось вращения проходит через сочленение черепа с первым позвонком. R - сила тяжести головы, приложенная в центре тяжести. F - сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

2) Когда точка опоры лежит за точкой приложения силы сопротивления R, а сила F приложена на конце рычага.Условие равновесия рычага Fa = Rb, но а > b,(рычаг силы) следовательно, F > R, Пример: действие свода стопы при подъёме на полупальцы. Опорой служат головки плюсневых костей. R - сила тяжести всего тела, приложена к таранной кости. F - мышечная сила, осуществляющая подъём тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

3) Когда сила F приложена ближе к точке опоры, чем сила R.Условие равновесия рычага . Fa=Rb,но а < b, (рычаг скорости)следовательно, F > R, Пример: кости предплечья. Точка опоры находится в локтевом суставе. F - сила мышц, сгибающих предплечье, R - сила тяж. поддерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также сила тяжести самого предплечья.

Кости опорно-двигательного аппарата соединяются между собой в сочленениях или суставах.

Основной механической характеристикой сустава является число степеней свободы.

Различают суставы с 1, 2 и 3 степенями свободы.

Примеры: плече-локтевой сустав - одна степень свободы;

лучезапястный сустав - две степени свободы;

тазобедренный сустав, лопаточно-плечевое сочленение - три степени свободы (сгибание и разгибание, приведение и отведение, вращение).

*Человек с помощью мышц совершает механическую работу, которая обусловлена силой мышц и развиваемой ими мощностью. Средняя мощность, развиваемая человеком, не занятым специально физическим трудом, весьма невелика и, например, при ходьбе по ровной местности составляет 100-200 вт в зависимости от скорости.

Усталость свидетельствует о том, что мышцы совершают работу, хотя перемещения нет и работа равна нулю. Такую работу называют статической работой мышц.

Исследование работоспособности мышц называется эргометрией, а соответствующие приборы - эргометрами.

Пример: тормозной велосипед (велоэргометр). F - сила трения между лентой и ободом колеса, измеряемая динамометром. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения.

Тогда A = F_тр l = F_тр 2 r - за один оборот,

A = n F_тр 2 r - за n оборотов - средняя мощность.

Когда мышцы совершают работу, в них освобождается химическая энергия, накопленная в процессе метаболизма; она частично превращается в механическую работу, а частично теряется в виде тепла.

2) Дифракция света на живых клетках. Измерение размеров эритроцитов методом дифракции.Дифpакцией называется огибание светом пpепятствий. Дифракция тесно связана с явлением интерференции.
Явление дифракции света объясняется: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причем все вторичные источники когерентны (принцип Гюйгенса - Френеля). Дифракция происходит в том случае, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волны: L ~ Л. Дифракционная решетка - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Число штрихов у хороших дифракционных решеток доходит до нескольких тысяч на 1 мм. Если ширина прозрачной щели (или отражающих полос) а, а ширина непрозрачных промежутков (или рассеивающих свет полос) b, то величина d = а + b называется периодом решетки. Измерение размеров эритроцитов методом дифракции.
Для исследования биологических объектов наиболее часто используется дифракционный метод.
Одним из наиболее распространенных объектов дифрактометрического исследования являются красные клетки крови.
ход исследования: Эридифрактометр предназначен для динамического контроля сдвиговой упругости живых эритроцитов (достаточно стандартной пробы крови из пальца) в гидродинамическом контуре, который моделирует круг кровообращения . Суспензию с концентрацией эритроцитов заливают в широкую буферную часть с открытой поверхностью. Через нее же можно вводить свет, добавлять и откачивать кислород, а также применять иные воздействия, например, тестировать реакцию на лекарственный препарат. Измерения проводятся в другой части контура, где луч зондирующего и весьма маломощного (менее 1 мВт) лазера пересекает тонкую оптическую кювету - плоский капилляр. Используется основное свойство дифракции Фраунгофера (в параллельных лучах). Световой пучок, пересекающий плоскость с N случайно расположенными малыми дисками одинакового диаметра, дает такую же систему концентрических колец, как и одиночный диск, только яркость изображения в N раз больше. По нему сразу можно определить диаметр диска. Если диаметры дисков немного различаются (что характерно для эритроцитов!), то кольца немного размываются, и с помощью фотометрирования можно определить распределение по размерам. Когда диски овальные, но в плоскости ориентированы одинаково, дифракционная картина состоит из системы овальных колец, развернутых на 90 градусов.

Билет №11

1).Работа и мощность сердца. Аппарат искусственного кровообращения.Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сопротивления и сообщение крови кинетической энергии.Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении левого желудочка.V_у – ударный объем крови в виде цилиндра. Можно считать, что сердце поставляет этот объем по аорте сечением S на расстояние I при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа равна:A1 = FI = pSI = pV_y.На сообщение кинетической энергии этому объему крови затрачена работа:

где р – плотность крови;

υ – скорость крови в аорте.

Таким образом, работа левого желудочка сердца при сокращении равна:

Так как работа правого желудочка принимается равной 0,2 от работы левого, то работа всего сердца при однократном сокращении равна:

Эта формула справедлива как для покоя, так и для активного состояния организма, но эти состояния отличаются разной скоростью кровотока.

Конструктивно аппарат представляет из себя систему, состоящую из консоли с насосами и блоком управления с необходимым набором датчиков и вспомогательной оснастки (инфузионные стойки, полки из нержавеющей стали, венозный зажим). На подвижной консоли устанавливаются роликовые насосы с частотой вращения роликов до 250 об/мин. Один из насосов – артериальный – осуществляет функцию сердца, перекачивая кровь из венозной системы в артериальную. Второй насос предназначен для дренажа левого желудочка сердца, третий для отсоса крови из раны и возвращения ее в экстракорпоральный контур, четвертый и пятый насос используют для различных режимов кардиоплегии. Для уменьшения размеров аппарата и обеспечения согласованных режимов кровяной кардиоплегии насосы могут быть объединены в единый насосный модуль с 2-мя независимыми моторами но в едином корпусе и совместном электронным модулем контроля (для более точного задания объемов растворов скорости потока для этих насосов устанавливаются в пределах от 0 до 1,5 л/мин на насосном сегменте ¼ дюйма). Кроме насосов аппарат снабжен блоком контроля давления, электротермометром, смесителем газов, таймерами, детекторами уровня и пузырьков - объединенными в блок управления.

2)Тормозное рентгеновское излучение. Строение, принцип работы и характеристики рентгеновской трубки:

Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. Электрон, движущийся в некоторой среде, теряет свою скорость. При этом возникает отрицательное ускорение. Согласно теории Максвелла, любоеускоренное движение заряженной частицы сопровождается электромагнитным излучением. Излучение, возникающее при торможении электрона в веществе анода, называют тормозным рентгеновским излучением. Спектр тормозного излучения непрерывен, максимальная энергия равна начальной энергии частицы.

Рентгеновская трубка- электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения.
Излучающий элемент представляет собой вакуумный сосуд с тремя электродами: катодом, накалом катода и анодом. В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли: где Z — атомный номер элемента анода, A и B — константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки).

Билет № 12.