Физика в медицине

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Физика в медицине

Рафиков В.А. 1
1ГБОУ школа №294 г. Санкт-Петербург центральный район
Деребезова Л.Н. 1
1ГБОУ школа №294
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

«Здоровье - это то, что люди больше всего стремятся сохранить и меньше всего берегут» (Ж. Лабрюйер)

В детстве я болел одним опасным заболеванием. Я наблюдал за врачами, которые меня лечили и вдохновился этой профессией. Теперь в будущем хочу стать врачом. Я стал интересоваться различными медицинскими приборами и препаратами. Изучая различные приборы в сфере медицины, я понял, что практически каждый медицинский прибор работает на основе законов физики. Поэтому и решил выполнить данную работу по теме «Физика в медицине».

Ц ель: показать связь физики и медицины.

Задачи:

1.Выяснить, что такое физика и медицина?

2. Узнать, как применяются знания физики в медицине.

3. Выяснить, какие приборы помогают в медицине.

4. Рассмотреть вопрос о нанотехнологиях в медицине.

5. Выполнить практическую часть (исследование) «Факторы, влияющие на артериальное давление людей разного возраста».

6. Сделать вывод.

Основная часть

Физика - наука о явлениях природы. Медицина – наука о болезнях человека, их лечении и предупреждении – эти науки очень тесно связаны.

В настоящее время обширная линия соприкосновения этих наук всё время расширяется и упрочняется. Нет ни одной области медицины, где бы не применялись физические приборы.

Приборы для профилактики заболеваний человека

Профилактика - это комплекс медицинских, санитарно-технических, гигиенических, педагогических и социально-экономических мероприятий, направленных на предупреждение заболеваний и устранение факторов риска

Медицинский бесконтактный термометр

Как работает медицинский бесконтактный термометр? Бесконтактный термометр определяет силу инфракрасного излучения с поверхности тела человека и переводит его в цифровое значение в виде градусов.

Ртутный термометр (прил. 1б)

Это устройство считается одним из точных для измерения температуры тела. Из-за своей точности и низкой себестоимости многие врачи и специалисты предпочитают именно его. Термометр представляет собой измерительный комплекс из шкалы, трубки, ртутной полости. Все находится в вакууме и сохранности благодаря стеклянному покрытию. Металлический кончик при измерении температуры организма начинает нагреваться. Ртуть из-за этого расширяется и начинает занимать больше пространства в своей емкости. Излишки ртути увеличиваются в объеме, выталкиваются в трубочку. Далее там можно уже посмотреть, какая температура тела сейчас.

Э лектронный термометр

Термометр сопротивления (электронныйтермометр) работает, используя изменение электропроводность металлических или полупроводниковых датчиков при изменениях температуры.

Т онометр

Принцип работы тонометра заключается в следующем: манжета фиксируется на руке, затем выполняется нагнетание воздуха, чтобы полностью пережать артерию. Давление повышается на 30-40 миллиметров ртутного столба, выпускается воздух. Происходит открытие артерии, возобновление тока крови. Возникают первые шумы, давление будет соответствовать показателю систолического (верхнего) давления. Происходит снижение давления, появляются характерные звуки. После открытия артерии манометр демонстрирует диастолическое давление.

С тетоскоп

Медицинский прибор для аускультации (выслушивания) звуков, исходящих от сердца, сосудов, лёгких, бронхов, кишечника и других органов. Металлическая «шайба», внутри которой есть воронка или мембрана, и идет трубка, по которой усиленный через мембрану звук попадает к нам в уши напрямую.

Глюкометр

Это прибор для измерения уровня глюкозы в органических жидкостях (кровь, ликвор и т.п.). Глюкометры используются для диагностики состояния углеводного обмена у лиц, страдающих сахарным диабетом. С помощью глюкометра определяют уровень глюкозы в крови и на основе полученных данных принимают меры для компенсации нарушений углеводного обмена.

Глюкоза взаимодействует с тест-полоской, в результате чего возникает небольшой электрический ток. Аппарат, в свою очередь фиксирует это значение и определяет уровень сахара. В этом случае результаты можно считать более точными.

Приборы для диагностики заболеваний человека

Диагностиказаболеваний (ДЗ) - это процесс распознавания болезни и ее констатация или обозначение при помощи соответствующей профессиональной терминологии. Диагностиказаболеваний - это целая наука, которая изучает и открывает различные методы установления диагноза.

Аппарат ультразвуковой диагностики

Этоприбор, предназначенный для получения информации о расположении, форме, размере, структуре, кровоснабжении органов и тканей человека и животных.

Ультразвуковая диагностика (УЗД, сонография, ультрасонография) – метод диагностики, при котором используются высокочастотные звуковые (ультразвуковые) волны для получения изображения внутренних органов человеческого тела. В основе метода лежит регистрация отраженных от внутренних структур ультразвуковых волн – эхо (по аналогии с отражением обычным отражением волн звукового диапазона)

Электрокардиограф

Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Электрокардиограф представляется как некоторый электрический генератор в виде реального устройства и как совокупность электрических источников в проводнике, имеющем форму человеческого тела. На поверхности проводника при функционировании эквивалентного электрического генератора будет электрическое напряжение, которое в процессе сердечной деятельности возникает на 34б поверхности тела человека. Моделировать электрическую деятельность сердца вполне допустимо, если использовать дипольный эквивалентный электрический генератор. Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтховена. Согласно ей, сердце есть таковой диполь с дипольным моментом, который поворачивается, изменяет свое положение и точку приложения за время сердечного цикла. В. Эйнтховен предложил снимать разности биопотенциалов сердца между вершинами равностороннего треугольника, которые приближенно расположены в правой и левой руке и левой ноге.

Динамометр

Прибор для измерения силы мышц человека. В общем же принцип работы этого прибора основан на одном из известных законов физики, согласно которому возникающая при сжатии пружины деформация находится в прямой зависимости от приложенной к ней внешней нагрузке. Этот закон назван в честь английского ученого Гука, жившего в XVII столетии.

М икроскоп

Прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом.

В основе работы оптического микроскопа лежат следующие физические процессы: дифракция, отражение и преломление электромагнитного излучения (света) при взаимодействии с исследуемым объектом и последующая регистрация излучения для построения изображения. Минимальный размер образца, изображение которого можно получить, при этом определяется разрешающей способностью микроскопа, то есть длиной волны излучения. Такой минимальный размер образца называется дифракционным пределом и, кроме длины волны света, зависит так же от показателя преломления среды и угла падения. Диапазон видимого света (воспринимаемого человеческим глазом) составляет 380-780 нанометров, а разрешающая способность оптического микроскопа составляет ~200 нм.

Ц ентрифуга

Представляет собой устройство, которое использует центробежную силу для разделения различных компонентов жидкости. Это достигается вращением жидкости на высокой скорости внутри контейнера, тем самым отделяя жидкости от твердых веществ.Центрифуга нужна врачам, например, для того, что бы отделить кровь от лимфы.

МРТ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — способ получения томографических медицинских изображений для исследования внутренних органов и тканей с использованием явления ядерного магнитного резонанса.

В результате действия статического поля внутри магнита в организме исследуемого ядра водородных атомов начинают ориентироваться относительно статического электромагнитного поля с высоким напряжением.

Далее следует облучение исследуемого пациента радиоволнами. Частота радиоволн подбирается с тем условием, чтобы в теле человека частицы с положительным зарядом были способны поглощать некоторый уровень энергии радиоволн и изменять направленность электромагнитных полей относительно статического магнитного поля. После этого протоны начинают обратную трансформацию в первоначальное состояние, при этом они способны излучать энергию. Именно эта энергия обуславливает возникновение электрического тока в принимающих катушках аппарата МРТ.

Магнитно-резонансная томография основана на взаимодействии сильного магнитного поля устройства и атомов водорода в организме. Аппарат посылает электромагнитный сигнал определенной частоты и улавливает сигнал атомов водорода, имеющих такую же частоту. Ответный сигнал регистрируется устройством. Разные ткани организма имеют разное количество атомов водорода, соответственно сигнал имеет различные характеристики. Томограф распознает сигнал и преобразует его в изображение. Проводится МРТ точно так же, как КТ, но пациент находится в тоннеле прибора практически полностью. Еще одно отличие от КТ – МРТ проводится без использования рентгеновского излучения, в процессе диагностики используется только магнит, который не оказывает вредного воздействия на человека.

К омпьютерная томография (КТ)

Компьютерная томография (КТ) – метод послойного исследования внутреннего строения органов, основан на измерениях и последующей компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными тканями. Обычно процедура компьютерной томографии назначается для уточнения диагноза после предварительного осмотра и для установления точного местоположения проблемы. Компьютерный томограф так же является рентгеновским аппаратом, однако его преимущество над последним в том, что снимки делаются под различными углами вследствие вращения рамки томографа вокруг тела пациента, а компьютерная обработка позволяет различать ткани, отличающиеся друг от друга на 0,5%, что повышает точность диагностики в 1000 раз. При КТ в подробностях различимы скелет и ткани легких, а также свежие кровотечения, что позволяет исследовать больных с травмами головы, брюшной полости, грудной клетки, а также выявить инсульт на ранней стадии.

Р ентген

Принцип работы рентгеновского аппарата основывается на подведении напряжения к пульту управления, откуда, после регулировки, напряжение передается на главный трансформатор. Затем возросшее напряжение достигает рентгеновской трубки, и происходит излучение. Лучи проходят через кожный покров и в разной степени поглощаются мышечной и костной тканью. Больше всего рентгеновские лучи поглощает кальций, входящий в состав костей. Поэтому кости на снимке ярко-белого цвета. Соединительные ткани, мышцы, жир и жидкость не так интенсивно поглощают лучи, поэтому на изображении они имеют оттенки серого цвета. Меньше всего рентгеновские лучи поглощает воздух. Поэтому содержащие его полости будут на изображении самыми темными.

На снимке, полученном при помощи устройства, преобразующего в рентгеновском аппарате излучение в готовое изображение, хорошо видны кости и внутренние органы (иногда для лучшей визуализации органы предварительно наполняют контрастной субстанцией), что позволяет точно выявить различные патологии.

Приборы для лечения заболеваний

И нгалятор

Мембранный ингалятор оснащаются вибрирующей сеткой, которая дробит лекарственные вещества на мельчайшие частицы. Вибрация обеспечивается за счет УЗ-волн, но они не оказывают воздействия на лекарство. Разновидность ультразвукового ингалятора, в которой для измельчения раствора применяется вибрирующая с высокой частотой сетка-мембрана. Ультразвук подается не на раствор, а на сетку, что предотвращает разрушение лекарственных веществ. Размер частиц аэрозоля — 4-5 мкм. Устройство функционирует бесшумно, имеет малые размеры, позволяет работать с любыми препаратами.

Дефибриллятор

Неотложная медицинская помощь при тяжелых состояниях имеет смысл там, где есть профессиональные реаниматоры. Если у человека внезапно остановилось дыхание, прекратилось сердцебиение, то, как правило, его стараются вернуть к жизни.

Создатели прибора рассчитывали, какие токи должны проходить через человеческое сердце, чтобы запустить его. Дефибрилляция – это важнейший этап сердечно-легочной реанимации. Принцип действия построен на остановке быстрых, нерезультативных сокращений камер сердца путем создания электрического разряда. Восстановление ритма осуществляется с помощью высокоэнергетического (200-360 Дж) электрического импульса, который проходит через тело человека за 0,01 с.

Шприц

медицинский инструмент, предназначенный для инъекций. При движении поршня (на который давим пальцем) к себе, в шприце создается низкое давление, которое компенсируется засасыванием внутрь через отверстие на конце шприца либо жидкости(лекарство), либо воздуха при движении поршня от себя давление в шприце повышается, из-за чего жидкость, либо воздух выталкиваются наружу.

Лазер

Устройство, создающее мощный узконаправленный пучок света. Лазер создаёт световые лучи такой силы, что они способны прожигать отверстия даже в очень прочных материалах, затрачивая на это лишь доли секунды.

Лазерная коррекция зрения — это эффективный и щадящий вид хирургического вмешательства. С его помощью восстанавливают зрение людям с аномалиями рефракции — астигматизмом, миопией (близорукостью), гиперметропией (дальнозоркостью).С помощью специального лезвия – микрокератома срезается верхний слой роговицы, затем он приподнимается как крышка, и в строме с помощью эксимерного лазера (ультрафиолетовый газовый лазер) выпаривается линза, затем крышка кладётся на место.

Медицинские банки

Медицинскиебанки — небольшие грушевидные стеклянные сосуды, употребляемые в медицине с целью вызвать местный прилив крови (обычно при заболевании органов грудной клетки). Сама процедура постановки банок ассоциируется, прежде всего, с народной медициной.

Перед тем как поставить банку больному, ее сначала нагревают. При этом воздух в ней расширяется, и часть его выходит наружу. Когда банка приложена к телу больного, воздух внутри нее снова охлаждается и в банке давление становится меньше атмосферного. Внешнее давление прижимает банку к участку, который краснеет вследствие усиленного притока крови к месту пониженного давления.

Магнитотерапия

Группа методов альтернативной медицины, подразумевающих применение статического магнитного поля или переменного магнитного поля.

Положительное влияние магнитного поля на организм человека известно с древних времён. Китайские лекари при помощи магнитотерапии восстанавливали энергетический баланс организма, во времена Гиппократа магнитное поле применялось для борьбы с воспалением и кровотечением.

Магнитное поле обладает сосудорасширяющим, обезболивающим, противовоспалительным, общеукрепляющим, стимулирующим, регенерирующим действиями. Так, под действием магнитных полей увеличивается намагниченность атомов железа в красных кровяных тельцах, что улучшает транспортные свойства гемоглобина. Это, в свою очередь, обеспечивает лучшее насыщение тканей кислородом, при этом повышается интенсивность обмена веществ. Кроме того, магнитное поле способно повышать тонус лимфатических сосудов.

С помощью магнитотерапии можно добиться следующих терапевтических эффектов – избавление от головных болей, головокружения.

Магнитотерапия – эффективная методика оздоровления суставов, уменьшает негативную симптоматику при болезнях суставов и позвоночника, спазм сосудов, сменяющийся их расширением, усиление кровотока; увеличение проницаемости стенок капилляров; усиление тканевого обмена, активация окислительно-восстановительных процессов; противовоспалительный эффект.

Диатермия

Метод электротерапии; глубокое прогревание тканей токами ВЧ (обычно 1,65 МГц) большой силы, получаемыми от специального аппарата. Применяется при воспалительных заболеваниях мышц, периферической нервной системы, суставов.

Диатермия – один из методов электролечения, заключающийся в нагревании органов и тканей организма токами высокой частоты.

Индукционный ток (индуктотермия)

При индуктотермии соответствующая область тела помещают внутри спирали (соленоида), подсоединённой к терапевтическому контуру аппарата. При этом она подвергается действию высокочастотного магнитного поля (10-15 МГц), которое создает в тканях вихревые электрические токи. За счет электрической энергии происходит нагревание тканей.

Лечение электрическим полем УВЧ

При терапии электрическим полем УВЧ область тела помещают между двумя изолированными электродами, подключёнными к терапевтическому контуру аппарата. При этом она подвергается действию высокочастотного электрического поля (40 – 50 МГц). Электрическое поле действует как на ткани, содержащие растворы электролитов, вызывая в них высокочастотный ток проводимости, так и ткани-диэлектрики, вызывая в них переменную по знаку поляризацию.

Нанотехнологии в медицине

Наномедицина – медицинское применение нанотехнологии (это технологии, дающие возможность работать с ничтожно малыми объектами).

Н аномедицина – слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры. Управление нанороботами будет осуществляться акустически путем подачи команд через компьютер.

Типичный медицинский наноробот будет иметь микронные размеры, позволяющие двигаться по капиллярам, и состоять из углерода. Углерод и его производные выбираются по причине высокой прочности и его химической инертности.

В начале 2015 года сфера робототехники одержала большую победу, когда группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего объявила о том, что провела первые успешные тесты с применением наноботов, которые выполнили поставленную перед ними задачу, находясь внутри живого организма.

Живым организмом в данном случае выступали лабораторные мыши. После помещения наноботов внутрь животных микромашины направились к желудкам грызунов и доставили помещенный на них груз, в качестве которого выступали микроскопические частички золота. К концу процедуры ученые не отметили никаких повреждений внутренних органов мышей и тем самым подтвердили полезность, безопасность и эффективность нанороботов.

Дальнейшие тесты показали, что доставленных нанороботами частичек золота в желудках остается больше, чем тех, которые были просто введены туда с приемом пищи. Это натолкнуло ученых на мысль о том, что наноботы в будущем смогут гораздо эффективные доставлять нужные лекарства внутрь организма, чем при более традиционных методах их введения.

Что изменится в медицине с появлением нанороботов?

• с помощью нанороботов будет возможно полное обследование пациента;

• от операций на органах медицина перейдёт к операциям на молекулах.

Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Снабжённые полным описанием человеческого тела с точностью до атома они смогут устранять изменения в организме, ведущие к старению.

Раковые клетки будут эффективно распознаваться нанороботами и убиваться сильными препаратами. Аналогично будет уничтожаться различная инфекция.

Воздействие лекарств на организм станет намного эффективнее. Адресная доставка лекарства к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций рожденных клеток.

Нанотехнологии продолжают развиваться, охватывая область очень распространенных и неприятных патологий позвоночника, хрящей и других структур соединительной ткани. Итогом многолетней клинической научной работы стало создание пластыря Нанопласт на основе нанопорошка из редкоземельных металлов.

С медицинской точки зрения, такой способ лечения обеспечивает быстрый локальный эффект без выраженных нежелательных реакций. В 2009 году Росздравнадзором было одобрено применение совершенно новой лекарственной формы – пластыря Нанопласт Форте, после чего он появился на прилавках российских аптек.

Практическая часть (исследование)
«Факторы, влияющие на артериальное давление людей разного возраста»

Уровень артериального давления – один из ярких показателей состояния здоровья. Правда, чаще всего о необходимости следить за АД вспоминают при заболеваниях сердечно-сосудистой системы. На самом деле каждый должен знать все о своем давлении, потому что оно меняется по разным причинам.

Было решено провести небольшое исследование, направленное на выявление факторов, влияющих на артериальное давление людей разного возраста. Выдвинута следующая гипотеза: артериальное давление людей разного возраста зависит от физической нагрузки (одинаковые условия эксперимента) и ряда других факторов, в т.ч.: после приёма пищи, после горячего, холодного душа, после употребления холодного мороженного, после выполнения гимнастических упражнений. Результаты исследования приведены в таблице (Таблица 1).

Таблица 1. Результаты измерения артериального давления

Условия Возраст

Мама, 38 лет

Бабушка, 68 лет

Сын, 15 лет

Обычное давление при нормальных условиях

Верхнее: 99

Нижнее: 62

Пульс: 67

Верхнее: 106

Нижнее: 75

Пульс: 79

Верхнее: 98

Нижнее: 73

Пульс: 71

После приёма пищи

Верхнее: 105

Нижнее: 80

Пульс: 79

Верхнее: 110

Нижнее: 79

Пульс: 81

Верхнее: 105

Нижнее: 74

Пульс:69

После горячего душа

Верхнее: 110

Нижнее: 65

Пульс: 84

Верхнее: 115

Нижнее 83

Пульс: 85

Верхнее: 120

Нижнее:64

Пульс: 92

После холодного душа

Верхнее: 131

Нижнее: 80

Пульс: 92

Верхнее: 138

Нижнее: 85

Пульс: 93

Верхнее: 156

Нижнее: 70

Пульс: 92

После употребления холодного мороженного

Верхнее: 98

Нижнее: 68

Пульс: 71

Верхнее: 107

Нижнее: 72

Пульс: 75

Верхнее: 100

Нижнее: 79

Пульс: 74

После выполнения гимнастических упражнений

Верхнее: 122

Нижнее: 65

Пульс: 93

Верхнее: 130

Нижнее: 77

Пульс: 97

Верхнее: 127

Нижнее: 74

Пульс: 102

По результатам исследования мы пришли к выводу, что артериальное давление изменяется в случаях физических нагрузок, после приёма пищи и принятия горячего душа. После холодного душа замечено, что давление резко увеличивается. Однако употребление мороженного на изменении артериального давления сказывается незначительно. Для наглядности результаты представлены в виде гистограмм и линейчатых диаграмм (Приложение 1, а-и).

Заключение

Из всего вышесказанного следует, что физика и медицина тесно связаны между собой, они дополняют друг друга. С помощью знаний по физике можно объяснить принцип действия медицинских приборов. Для того чтобы иметь крепкое здоровье, надо регулярно проводить профилактику заболеваний, в частности, измерять артериальное давление.

Закончив работу, мы проанализировали её результаты и пришли к выводу, что она выполнена в полном объёме, задачи решены, цель достигнута. Умения, полученные в процессе работы, несомненно, пригодятся мне в дальнейшем в предстоящей профессиональной деятельности врача.

Список источников

Литература

Елисеев А. Г, Шилов В.Н, Гитун Т.В. Большая медицинская энциклопедия. –М.: Эксмо, 2005, 859 с.

Кац Ц. Б. Биофизика на уроках физики. -М.: Просвещение, 1974, 70 с.

Труфанов Г.Е., Асатурян М.А. Лучевая терапия: учебник. -Т.2, -М. 2010. -192 с.: ил.

Интернет-ресурсы

Как и что измеряет динамометр? Выясняем вместе. электронный ресурс]. URL: https://clck.ru/UZLvX(дата обращения 10.04.2021).

Принцип работы ингалятора. [электронный ресурс]. URL: https://principraboty.ru/princip-raboty-ingalyatora (дата обращения 12.04.2021).

Принцип работы МРТ. Как работает МРТ томограф. [электронный ресурс]. URL: https://clck.ru/UZLuQ(дата обращения 10.04.2021).

Принцип работы тонометра. [электронный ресурс]. URL: https://principraboty.ru/princip-raboty-tonometra(дата обращения 12.04.2021).

Устройство и принцип работы рентгеновского аппарата. [электронный ресурс]. URL: https://stormoff.ru/mediacenter/articles/article_139(дата обращения 12.04.2021).

Электронный стетоскоп: что это такое и как устроен. [электронный ресурс]. URL: https://evercare.ru/elektronnyi-stetoskop-chto-eto-takoe-i-kak-ustroen(дата обращения 12.04.2021).

Приложения

Приложение 1а

Приложение 1б

Приложение 1в

Приложение 1г

Приложение 1д

Приложение 1е

Приложение 1ж

Приложение 1з

Приложение 1и

Просмотров работы: 163