IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКИ В МЕДИЦИНЕ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Человек ежедневно сталкивается с различными физическими явлениями и даже не придает этому значения. Даже функционирование организма зачастую подчиняется физическим законам.
Становление и развитие физики как науки исторически связано с развитием познаний в медицине. Существует множество подтверждений тому, что большое количество физических понятий и явлений появилось благодаря исследованиям и наблюдениям медиков. Научные достижения в физике также находят применение в современной медицине. Поэтому я решила выявить, как физика и медицина связаны между собой.Тема работы актуальна и не потеряет своей актуальности в будущем, а каждому человеку будет полезно знать об этом для собственного развития и расширения кругозора.
Итак, цель работы – показать взаимосвязь медицины и физики с помощью исторических и современных примеров.
Историческая связь физики с медициной.
Изначально между медициной и физикой была очень тесная связь, да и разделения на эти науки еще не было. О том, что такое теплота, задумались еще в древности. Закладка основ науки о тепле и изобретение первых термометров произошли благодаря Клавдию Галену, который ввел понятия «градус» и «температура».
Многие знаменитые личности, которые имели медицинское образование, прославились благодаря исследованиям физических явлений. Например, Томас Юнг, совместно с Френелем являющийся создателем волновой оптики, открыл один из дефектов зрения – дальтонизм, но дефект был назван в честь первого, у кого он обнаружился. 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. Обобщив результаты своих исследований, Пуазейль получил формулу, которая оказалась крайне важной для физики[1, 2]:
где p1 - p2 = Δp– перепад давления на концах капилляра, Па;
Q– объемный расход жидкости, м3/с;
R – радиус капилляра, м;
d – диаметр капилляра, м;
η–коэффициент динамической вязкости, Па*с;
l– длина капилляра, м.
Медицинская физикаМедицинская физика включает изучение систем и органов человека с точки зрения физики:
– скелет и мышцы – механика, теория упругости, теория устойчивости;
– глаз и зрение – оптика и электричество;
– слух – акустика и электрические импульсы;
– сердце и сосуды – гидравлика;
– мозг и нервная система – электричество;
– дыхательная система и обмен веществ – диффузия.
Цель этой науки – изучение систем профилактики и диагностики заболеваний, а также лечение больных с помощью методов и средств физики, математики и техники. Природа заболеваний и механизм выздоровления во многих случаях имеют биофизическое объяснение[3].
Первопроходцем в области медицинской физики был Леонардо да Винчи, проводивший исследования механики передвижения человеческого тела.
Медицинская физика по-настоящему стала утверждаться как самостоятельная наука и профессия только во второй половине ХХ в.– с наступлением атомной эры. В медицине стали широко применяться диагностические аппараты, основанные на излучении волн определенной длины, а также на рентгеновском и гамма-излучении, магнитных полях, лазерах и других физических явлениях.
Важнейшим в области медицинского обследования стало создание компьютерных томографов, позволивших, проводить широкий спектр медицинских исследований и сократить время, требуемое на их проведение[4].
Для того, чтобы показать, как физика связана с медициной в современном мире, рассмотрим несколько примеров [5].
Тонометр
Для исследования работы сердечно-сосудистой системы, а также выявления отклонений в ней на первом месте остается такой прибор, как тонометр. Конструкция прибора предельно проста: устройство, нагнетающее воздух, манжета, закрепляемая на руке пациента, манометр, который непосредственно и производит измерение, и механическое или электронное устройство, показывающее результаты измерения [6].
Термометр
Измерение температуры уже нельзя представить без такого привычного для всех прибора, как термометр. Принцип работы термометра основан на расширении жидкости при повышении температуры (жидкостный), расширении металла при повышении температуры (механический), изменении сопротивления проводника (электронный), изменению уровня светимости, спектра и иных оптических параметров (оптический), изменении давлении газа (газовый) [7, 8].
УЗИ – аппараты
Ультразвуковой аппарат – первичный инструмент диагностики в медицине. Принцип работы прибора основывается на ультразвуке, который не воспринимается человеческим ухом. В обыденности работу аппарата можно описать так: в полость исследуемого объекта посылается ультразвук, при отражении которого создается эхо. Значимость УЗИ-аппаратов невозможно переоценить, однако среди множества достоинств и плюсов есть и недостатки: обследовать методом ультразвука можно только внутренние органы брюшной полости, почек, щитовидной железы и малого таза [9]. Для того, чтобы выявить, к примеру, перелом кости или дефекты в строении зубов, применяется совсем другой вид приборов – рентген-аппараты.
Рентген – аппараты
Рентгеновские аппараты представляют собой приборы, применяющие рентгеновское излучение для получения информации о внутренних органах и костях для исследования на предмет патологий и их последующего устранения. Излучение из аппарата посылается исключительно по трубочкам-излучателям, а сам аппарат надежно защищен корпусом из свинца, хорошо поглощающего излучение. Принцип работы основывается на подаче напряжения к пульту управления и главному трансформатору, откуда возросшее напряжение поступает к рентгеновской трубке, из которой и происходит излучение. Рентгеновские лучи, проходя через кожные покровы, в разной степени поглощаются костной и мышечной тканью, вследствие чего на снимке будут отображаться ярко-белым –кости (наибольшее поглощение лучей происходит кальцием), оттенками серого цвета – соединительные ткани, жир, мышцы, жидкость, самым темным цветом – воздух (меньше всего поглощает излучение). Специальное устройство преобразует излучение в видимое изображение, доступное для наблюдения. В некоторых случаях пациенту в исследуемый орган вводят контрастную субстанцию для большей точности диагностики [10].
Томография
Настоящий прорыв в диагностике произошел после создания томографов. Различают компьютерную и магнитно-резонансную томографию.
Компьютерная томография (КТ) – метод послойного исследования внутреннего строения органов, основан на измерениях и последующей компьютерной обработке разности ослабления рентгеновского излучения различными тканями[11]. 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.
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, поэтому главным ограничением в применении данного метода является клаустрофобия. Еще одно отличие от КТ – МРТ проводится без использования рентгеновского излучения, в процессе диагностики используется только магнит, который не оказывает вредного воздействия на человека, но достаточных оснований полагать, что метод полностью безопасен, пока нет, так как он достаточно молод и до конца не изучен [12].
Физиотерапия
Физиотерапия – совокупность методов лечения с помощью физических факторов (электрический ток, магнитное излучение, воздух, свет и др.).
Электрофорез – воздействие на организм постоянного электрического тока в сочетании с введением через кожу или слизистые оболочки разнообразных препаратов. Принцип действия основан на действии электрического поля, вызывающего разложение лекарственного препарата на заряженные частицы, движущиеся к электродам [13].
Бытовые аппараты для диагностики
Благодаря достижениям физики в быту мы используем множество различных медицинских приборов, которые позволяют не посещать врача без особой надобности.
К примеру, бытовой глюкометр позволяет контролировать уровень сахара в крови, не выходя из дома и не обращаясь в больницу. Появление таких приборов сильно облегчило жизнь людям, страдающим сахарным диабетом, ведь им необходимо регулярно проверять уровень сахара в крови, а часто ходить в медицинские лаборатории не представлялось возможным.
Бытовые тонометры мало отличаются от механических, используемых в медицинских учреждениях, однако сильно облегчают задачу, так как электронные и полуэлектронные тонометры не требуют фонендоскопа для измерения давления.
ЗаключениеТаким образом, в работе показана тесная взаимосвязь физики и медицины. Достижения в области физических и технических изысканий находят широкое применение в медицинских исследованиях, позволяют создавать новые, более точные и надежные приборы и аппараты, которые спасут множество жизней.
Анализ исторических фактов показывает, что одним из двигателей прогресса в физике на протяжении многих веков является медицина, в древности и до XVIII века физика и медицина были неразрывны друг от друга и входили в единую область знаний – естествознание. Врачи-мыслители древности и медики средневековья открыли и описали явления, которые положили начало многим наукам, а самыми крупными из них стали медицина и физика.
Новые болезни требуют новых методов индикации, диагностики и лечения, что подталкивает ученых физиков и связанных с физикой специалистов разрабатывать, создавать и совершенствовать приборы для нужд медицины.
Таким образом, знание того, что две науки развивались совместно и под влиянием нужд обеих, необходимо не только тем, кто с этими науками связан, но и всем, кто хочет расширить свой кругозор. И каждый человек может стать исторической личностью, внеся свой вклад в развитие знаний.
Список использованной литературы1Смолова А. А. Значение физики в медицине / А. А. Смолова, И. В. Щербакова // Студенческая наука XXI века: материалы XII Междунар. студенч. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 25 янв. 2017 г.) / — Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2017. — № 1 (12). — С. 55–57.
2Петренко Ю. Нужна ли физика врачу? / Ю. Петренко // Наука и жизнь.– №3.– 2003.
3Подколзина В. А. Медицинская физика/ В. А. Подколзина – Москва: ЭКСМО, 2007.
4Медицинская физика. Краткая история / – Режим доступа: https://cribs.me/meditsinskaya-fizika/meditsinskaya-fizika-kratkaya-istoriya
5Подлесникова А. Физика в медицине и её роль / А. Подлесникова // – 2016. – Режим доступа: http://fb.ru/article/242003/fizika-v-meditsine-i-ee-rol
6Тонометр. Принцип работы / http://krasotaizdorovie.ru/articles/tonometr-princip-raboty.php
7Термометр/Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/4776/ТЕРМОМЕТР
8Термометр / – 2016. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Термометр
9УЗИ-аппараты. Принцип работы / Режим доступа: http://www.baltmedical.ru/uzi-apparaty.htm
10Устройство и принцип работы рентгеновского аппарата / – Режим доступа: http://www.stormoff.ru/articles_565_139.html
11Компьютерная томография / – 2017. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерная_томография
12Аманова Е. Что может томография и кому она нужна / Е. Аманова // АиФ. Здоровье. –№ 15. – 2009. – Режим доступа: http://www.aif.ru/health/life/10461
13Электрофорез/Режим доступа: http://www.diagnos.ru/procedures/manipulation/elektroforez_lekarstvennyj