XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Физика в медицине
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Физика – это наука о явлениях природы. Медицина – наука о болезнях человека, их лечении и предупреждении. Интерес физиков к медицине непрерывно возрастает. С помощью физики расширяются возможности медицины. В начале ХХ века появился электронный микроскоп, эффективным орудием исследования становятся радиоактивные
изотопы, все более совершенствующаяся техника. Укрупняется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм человека.
Широко проникает в медицину электронная техника. Нет ни одной области медицины, где бы ни применялись физические приборы для диагностики заболеваний и их лечения.
Выбранная тема является для меня достаточно актуальной, так как я, планирую в дальнейшем связать свою жизнь с профессией, имеющей отношение к медицине. В нашем городе с каждым годом растет уровень заболеваемости хроническими болезнями и моя задача, как будущего специалиста, более эффективно использовать свои знания на благо
человека.
Цель данной работы: выяснить, какие методы исследования и приборы дала физика медицине, а так же доказать, что физика и современная медицина не могут существовать друг без друга.
Задача работы: накопить, изучить и обобщить теоретический материал по данной теме.
История развития медицинской физики.
Развитие медицины и физики всегда были тесно связаны между собой. Еще в глубокой древности медицина использовала в лечебных целях физические факторы, такие как тепло, холод, звук, свет, различные механические воздействия (Гиппократ, Авиценна и др.). Первым учёным, который исследовал механику движения тела человека, был Леонардо да Винчи. Наиболее плодотворно медицина и физика стали взаимодействовать с конца XVIII – начала XIX вв., когда были открыты электричество и электромагнитные волны, т. е. с наступлением эры электромагнетизма. Многие знаменитые личности, которые имели медицинское образование, прославились благодаря исследованиям физических явлений. Например, Томас Юнг, совместно с Френелем являющимся создателем волновой оптики, открыли один из дефектов зрения – дальтонизм. Немецкий врач и ученый Герман Гельмгольц сделал великие открытия не только в физике, но и в физиологии зрения, слуха, нервной и мышечной систем, а также пытался применить к физиологическим исследованиям знания по физике и математике. Жан-Луи Пуазейль изучал мощность сердца как насоса и исследовал законы движения крови в капиллярах и венах.
Это лишь малая часть успехов учёных физики в области развития медицины. Но самое удивительное это то, что развитие технологий затронуло абсолютно каждую область медицины. Так, например, в диагностике - рентгенография, которую изобрёл Вильгельм Конрад Рентген. История рентгенографических исследований начинается в 1885 году. Именно тогда Вильгельму Рентгену впервые удалось зарегистрировать затемнение фотопластинок, произошедшее под воздействием излучения особого спектра.
Тогда же ученый обнаружил, что при облучении какой-либо части тела человека на фотопластинке остается изображение скелета.
Или, в 1887 году голландский физиолог Вильям Эйнтховен демонстрирует на международном конгрессе физиологов в Лондоне кривую потенциалов действия сердца, которой он присвоил название «электрокардиограмма». В1895 году он даёт наименование всем зубцам электрокардиограммы : P, Q, R, S, T. В 1901 году им сконструирован первый в мире электрокардиограф, он весил 302 кг. За это в 1924 году Вильяму Эйнтховену принуждается Нобелевская премия.
Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента. Настоящий прорыв в развитии ультразвуковой диагностики произошел в 1949 году, когда в США был создан первый аппарат для медицинского сканирования. Это устройство мало чем напоминало современные УЗИ-сканеры. Он представлял собой большой резервуар, наполненный жидкостью, куда помещался пациент. Для получения достоверных данных больной вынужден был долгое время сидеть неподвижно, пока аппарат проводит сканирование.
И наконец, компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутреннего строения тела — была предложена в 1972 году Годфри Хаунсфилдом и Алланом Кормаком, удостоенными за эту разработку Нобелевской премии. Метод основан на измерении и сложной компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными по плотности тканями. В настоящее время рентгеновская компьютерная томография является основным томографическим методом исследования внутренних органов человека с использованием рентгеновского излучения.
Наука развивается, и методы диагностики постоянно совершенствуются, что в свою очередь качественно меняет подходы и результативность лечения самых разных патологий. Ведь чем более точно и рано поставлен правильный диагноз – тем более эффективным будет лечение человека.
Что такое жизнь с точки зрения физики?
Согласно определению немецкого физика Эрвина Шрёдингера, жизнь с точки зрения физики — это работа специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счёт повышения энтропии окружающей среды. Согласно этой теории, живые организмы способны «перераспределять» энтропию, предотвращать всеобщую деградацию, повышать сложность систем и перенаправлять потоки энергии. С точки зрения физики, человек – это электростанция, так как в каждой человеческой клетке есть маленькие генераторы энергии (митохондрии), которые постоянно вырабатывают статическое электричество. Таким образом, проблема человека всегда интересовала ученых и философов, но в наши дни главным фактором, характеризующим человеческое существо, считается определение человека как отдельной личности со своими физиологическими и духовными потребностями. Э́рвин Ру́дольф Йо́зеф Алекса́ндр Шрёдингер (1887–1961) написал книгу, которая так и называется – «Что такое жизнь с точки зрения физики?». И в ней дал весьма примечательное определение: «Жизнь – это работа специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счёт повышения энтропии окружающей среды». Работа живого организма и процессы, происходящие в мозге каждого индивидуума, подчиняются точным физическим законам, – считает Э. Шредингер. И эти законы вполне сопоставимы с теми строгими физическими законами, согласно которым происходят процессы физического взаимодействия между различными системами. Э. Шредингер доказал, что с определённой степенью точности это верно как для атомных, так и для макроскопических систем. Но при этом Э. Шредингер утверждает, что многие жизненные процессы не полностью подчиняются законам физики, точнее к физическим законам нужны поправки, чтобы точно описать жизненные процессы. Вернадский, в свою очередь, для описания жизненных процессов, как мы видим, тоже использовал не только биологические принципы. Он нередко обращался к термодинамике и другим разделам физических наук. И, тем не менее, мне кажется, что мы уже получили главный ответ на вопрос что же такое жизнь с точки зрения современной науки. Ответ заключается в следующем: на этот вопрос самостоятельно и обособленно от других наук не может ответить ни физика, ни биология, ни один другой раздел науки. Это слишком сложное понятие, глубинный вопрос, и очень здорово, что будет сделано еще немало открытий в разных отраслях науки в поиске ответа на этот вопрос.
Как же физика может описать процессы, протекающие в живых организмах?
Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека, часто среди них можно выделить процессы, близкие к физическим. Например, такой сложный физиологический процесс, как кровообращение. В своей основе этот процесс является физическим, так как связан с течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество) и т.п. Дыхание связано с движением газа (аэродинамика), теплоотдачей (термодинамика), испарением (фазовые превращения) и т. п. В организме кроме физических макропроцессов, как и в неживой природе, имеют место молекулярные процессы, которые в конечном итоге определяют поведение биологических систем. Понимание физики таких микропроцессов необходимо для правильной оценки состояния организма, природы некоторых заболеваний, действия лекарств. Во всех этих вопросах физика настолько связана с биологией, что формирует самостоятельную науку – биофизику, которая изучает физические и физико-химические процессы в живых организмах, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации – от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма.
Все электрические явления, о которых мы говорим, происходят только на клеточной мембране. При достаточном усилении электрическое поле всегда можно обнаружить вокруг возбужденной клетки или органа, особенно когда все клетки органа возбуждаются одновременно. Наше сердце - это такой орган, в котором все клетки возбуждаются практически одновременно. Как и все другие внутренние органы, все это окружено электропроводящей средой (удельное сопротивление крови составляет ~ 100 Ом · см). Таким образом, при каждом возбуждении сердце окружает себя электрическим полем. Следовательно, кардиолог, измеряя и анализируя потенциальные различия между различными точками тела, которые появляются в систолу (электрокардиограмма), видит, как работает сердце. Многие биофизики современности придерживаются такого вывода в данных рассуждениях: биологическая жизнь зародилась именно благодаря процессам, имеющим колебательно-волновой характер. Такие процессы лежат в основе биологической жизни. Любые процессы, в основе которых лежат колебательно-волновые движения генерируют электромагнитные колебания. При исследованиях влияния разного рода колебаний на биологический организм обнаружили интересную особенность, если сгенерировать наиболее значимую для работы молекул, биологических
клеток тканей и органов частоту ЭМП и поместить туда человека, то можно воссоздать эффект стимуляции работы клеток, а значит и органов. Либо, напротив, вызвать спад деления клеток и даже резкую неадекватную реакцию клеток организма на подобные воздействия (при разрушающей частоте воздействия ЭМП).
Диагностика заболеваний.
Большинство известных на сегодня методов диагностических исследований, лабораторных и инструментальных, создано для изучения структурных изменений органов человека без хирургического вмешательства. Широко используются различные виды осмотра пациента: микроскопы, биохимические анализы, различные виды рентгенологических исследований, компьютерной или магниторезонансной томографии, ультразвукового исследования, волоконно-оптических инструментов, приборов для анализа электрической активности органов (сердце, мозг).
Физические основы клинического метода измерения давления крови.
Знание давления крови играет важную роль при диагностике многих заболеваний. В медицине широко используется метод, предложенный Н.С.Коротковым. Он заключается в том, что измеряют давление, которое необходимо приложить снаружи, чтобы сжать артерию до прекращения в ней тока крови. Это давление весьма близко к давлению крови в артерии. Измерение обычно производится на плечевой артерии выше локтевого сгиба (см. прилож№1).Сжатие артерии осуществляется с помощью манжеты, которая представляет собой резиновую камеру в чехле из тонкого материала. Манжету обертывают вокруг руки между плечом и локтем. При накачивании воздуха через шланг с помощью резиновой груши давление в манжете растет. Величина давления определяется по манометру, соединенному с манжетой. В процессе накачивания воздуха в манжету следят за пульсом на лучевой артерии с помощью датчика (фонендоскоп или пьезоэлектрический преобразователь). Воздух накачивают в манжету до давления на 10- 20 мм рт.ст. выше того, при котором перестает прослушиваться пульс на лучевой артерии. Затем, медленно открывая выпускной клапан резиновой груши, постепенно снижают давление в манжете, прислушиваясь к звукам в фонендоскопе (или динамике). Соотношение между изменением давления (р) в манжете и "тонами Короткова" показано схематически на рис. Пока артерия сжата полностью, никакие звуки не прослушиваются. При снижении в манжете давления начинают прослушиваться отчетливые тоны (участок а на рис. ). Эти тоны обусловлены вибрацией стенок артерии непосредственно за манжетой под действием мощных толчков крови, которые проходят сквозь сжатый манжетой участок сосуда только в моменты систолы сердца. Показание манометра, соответствующее моменту появлении тонов, определяет систолическое давление. При дальнейшем снижении давления в манжете тоны дополняются шумами (участок б на рис.). Эти шумы обусловлены турбулентным течением крови через частично сжатый манжетой участок артерии. Затем шумы уменьшаются и в фонендоскопе вновь прослушиваются чистые тоны (участок в на рис.). Эти тоны быстро затухают, в артерии устанавливается ламинарное течение крови. Показание манометра в момент резкого ослабления тонов соответствует диастолическому давлению. Для здорового нормального человека рс = 10- 120 мм рт.ст., рд = 70- 80 мм рт.ст.
В быту многие чаще используют автоматический тонометр – более технологичный вариант измерения артериального давления. Особенности устройства:
-Отсутствие нагнетателя воздуха (груши). Присутствует только манжета и электронный блок.
-Оборудование может хранить информацию о предыдущих измерениях.
-Одна кнопка на манометре запускает весь процесс.
Давление измеряется посредством осциллометрического метода. Принцип действия: воздух в манжету постепенно накачивается и сбрасывается специальным компрессором. Прибор отслеживает колебания воздуха в манжете, которые возникают из-за потока крови на пережатом участке. Колебания преобразуются в сигналы, которые переводятся в цифровые значения на дисплее.
Современные автоматические тонометры имеют дополнительные возможности. Автоматические измерители могут измерять индикатор положения тела, аритмии, артериальной гипертензии и другие показатели.
Оснащение машин скорой медицинской помощи.
Трудно представить себе современный мир, в котором нет такой важной службы, как скорая медицинская помощь. Ежедневно ее сотрудники спасают сотни тысяч человеческих жизней.
Каждый автомобиль скорой медицинской помощи имеет «арсенал спасения», я рассмотрю только те приборы, которые связаны с медицинской физикой: 1)Дефибриллятор – прибор для стимулирования сердечной мышцы при помощи электрического разряда. Используется при нарушении сердечного ритма. Применяется, когда не помогает искусственное дыхание и непрямой массаж сердца. Прибор пропускает электрический ток через проводящую систему сердца и возвращает его в электроды. С помощью разряда на короткий срок «выключаются» все хаотичные подергивания мышечных волокон сердца, возникающие при некоторых аритмиях. Это даёт шанс восстановить нормальное проведение электрического импульса через весь орган, и он начнёт работу по новой, в правильном ритме. При полной остановке сердца (асистолии) дефибриллятор бесполезен.(см. прилож№2)
2)Пульсометр – это аппарат, который измеряет среднее количество кислорода, связанного с каждой молекулой гемоглобина в артериальной крови и частоту пульса. Работа прибора основана на волнах красного и инфракрасного поля, они проецируются на кожу, в результате чего клетки крови поглощают часть волн, а остальное фиксирует датчик, на основании показателей которого выводится изображение на экран.(см. прилож№3)
3) Электрокардиограф - это специализированный высокотехнологичный аппарат, предназначенный для измерения и регистрации электромагнитных импульсов, образующихся при работе сердечной мышцы и получения электрокардиограммы — это графическая схема разности потенциалов, которые возникают при работе сердца. Электрокардиограф является усилителем биопотенциалов и для установки на нем стандартного коэффициента усиления подбирают такой его уровень, когда подача на вход прибора калибровочного сигнала в 1 мВ, приводит к отклонению записи от нулевой или изоэлектрической линии на 10 мм. Электрический диполь - система из двух равных по величине, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Расстояние между зарядами называется плечом диполя. Основной характеристикой диполя является векторная величина, называемая электрическим моментом диполя (P).(см. прилож№4-8)
4) Аппарат искусственной вентиляции лёгких(ИВЛ) - Медицинское оборудование, которое предназначено для принудительной подачи газовой смеси (кислород и сжатый осушенный воздух) в лёгкие с целью насыщения крови кислородом и удаления из лёгких углекислого газа. ИВЛ-аппараты используют для оказания помощи пациентам, которые не могут дышать самостоятельно. К искусственной вентиляции легких прибегают для оказания помощи в случаях, когда пациент не в состоянии самостоятельно вдыхать необходимый для полноценного функционирования организма объем кислорода, а также выдыхать углекислый газ. Медицинский кислород имеет влажность около 0,009%. Недостаток увлажнения дыхательной смеси приведёт повышению нагрузки на бронхиальные железы, избыточной потере воды – до 800 мл и энергии - до 500 ккал в сутки.
Новый Ангиограф в Балаковской Городской Клинической Больнице.
В декабре 2023 году в рамках национального государственного проекта здравоохранения «Борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями» в Балаковскую Городскую Клиническую Больницу поступил новый ангиохирургический комплекс. Ангиография — современный диагностический метод, в основе которого лежит рентгенологическое исследование кровеносных сосудов. Эта процедура позволяет наиболее достоверно оценить степень функциональности сосудов, состояние коллатерального кровотока, выявить патологическое процессы и их локализации. Ангиографию применяют для оценки состояния сосудов головы, верхних и нижних конечностей, сердечной мышцы и других органов. Процедура выполняется при помощи современного рентгенологического оборудования. Принцип действия диагностической установки основан на использовании рентгеновского излучения в низких дозовых нагрузках. Чтобы провести исследование, в сосуд больного вводится безвредный йодосодержащий рентгеноконтрастный препарат, не пропускающий рентгеновские лучи. Введенное вещество смешивается с кровью и под воздействием рентгеновских лучей дает возможность визуализировать состояние полостей сердца и коронарных сосудов: выявить наличие бляшек, сужений, изменений строения, локализацию, размер, характер патологических процессов.
Так почему же это важно? Меньше чем за месяц ангиохирурги Балаковской Городской Клинической Больницы провели более сотни процедур под названием коронарография, и ещё больше процедур с стентированием коронарных артерий. Именно поэтому, исходя из выше сказанного я делаю вывод, что новый ангиограф является новым ключевым достижением Балаковской Городской Клинической Больницы в рамках национального государственного проекта здравоохранения «Борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями».https://youtu.be/huc-pIup30s
Заключение.
Современная медицина далеко шагнула в своём развитии благодаря открытиям учёных физиков.
Физика и медицина были и остаются тесно связанными друг с другом. Благодаря внедрению новых технологий, приборов, способных проводить качественную диагностику организма человека, медицина смогла побороть ряд заболеваний, которые уносили жизни миллионов людей, дала шанс людям, которые казались неизлечимо больными. Без физики сделать это было бы невозможно.
С древних времен и до наших дней физика развивалась как наука. Происходили новые открытия, которые переворачивали представления человека об окружающем мире. Физика является теоретической основой всех физических методов лечения и диагностики, вооружает медицинских работников знанием принципов работы аппаратуры, применяемой для лечебных целей. Эти знания необходимы для технически грамотной эксплуатации всего комплекса современной медицинской техники.
Я считаю, что в будущем благодаря научным достижениям в области физики, человечество сможет добиться огромных успехов в медицине. Ведь если в стране будет существовать здоровая нация, то такая страна будет процветать.
Литература и источники.
-
В. Азерников. Великие открытия. –М. : «Олма-Пресс», 2000г.
-
Газета «Физика» №4, 2007 г.
-
Журнал «Физика в школе» № 3, 2006 г.
-
Р. Вольк. Занимательная энциклопедия. -М. : «Мир книги», 1999г.
-
Энциклопедия для детей. Физика, том 16. –М. : «Аванта +», 2001 г.
-
https://angioclinic.ru/metodiki/koronarnaya-angioplastika-i-stentirovanie/
-
https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/1743/1/1213213.pdf
Приложение 1.
« Измерение АД по методу Короткова»
Приложение 2.
« Принцип работы дефибриллятора».
Приложение 3.
« Как работает пульсоксиметр».
Приложение 4.
Приложение 5.
«Токовый диполь»
Приложение 6
«ЭКГ здорового человека»
Приложение 7.
« ЭКГ диагностика при ИМ»
Приложение 8.
« Зубцы, интервалы и сегменты ЭКГ»
Приложения 9-11
« Принцип работы аппарата ИВЛ».