Физика и медицина
advertisement
Физические основы теплолечения. 1. Теплолечебные среды. Все жизненно важные процессы протекают в нашем организме в определенном температурном интервале: 35—42°С. Повышение температуры тела в пределах этого интервала увеличивает скорость всех биохимических реакций и, наоборот, при понижении температуры происходит их заметное торможение. Наиболее интенсивно они протекают при температуре 40— 41°С. При дальнейшем повышении температуры происходит не ускорение, а, наоборот, замедление всех физиологических процессов; в организме возникает ряд изменений необратимого характера (изменяется вязкость крови и лимфы, набухает протоплазма, изменяется дисперсность коллоидов и т. д.) и жизнь прекращается. Под действием энергии, поступающей в организм из окружающей среды, усиливается кровообращение, ускоряется обмен веществ в тканях организма, существенно уменьшаются спастические явления, увеличивается скорость движения лимфы и отток патологических продуктов. Под действием холода, наоборот, происходит сужение сосудов, движение крови и лимфы замедляется, нервно-мышечные ткани теряют возбудимость, что уменьшает болевые ощущения, в коре головного мозга усиливаются тормозные процессы, пульс и дыхание замедляются. Однако при местном и кратковременном охлаждении число и сила сердечных сокращений увеличиваются и за счет этого повышается артериальное давление крови, пульс улучшается. При локализации холода на сравнительно узком участке тела ткани способны охлаждаться до сравнительно низких температур, так как структура белковых молекул при этом не изменяется и ферменты не разрушаются. Эти особенности действия низких и высоких температур на организм человека широко используются в лечебных целях. Для теплолечения пригодны только такие среды, в которых можно создавать значительные запасы тепловой энергии, а затем ее медленно передавать организму, т. е. тела с достаточно большой удельной теплоемкостью с и малым коэффициентом теплопроводности k. Такими свойствами обладают парафин, торф, лечебные грязи, озокерит (горный воск) и вода. 2. Теплолечебные свойства воды. Из всех применяемых для теплолечения сред вода обладает наибольшей теплоемкостыо и, следовательно, способна накапливать значительные запасы тепловой энергии, но сравнительно высокий коэффициент теплопроводности воды и очень сильная конвекция обусловливают ее быстрое охлаждение. Тем не менее воду широко используют в качестве теплолечебного средства благодаря ее доступности. 3. Теплолечебные свойства парафина, торфа и лечебных грязей. У парафина теплопроводность примерно в 2,5 раза меньше, чем у воды, сравнительно большая удельная теплоемкость и отсутствует конвекция. Благодаря этим свойствам парафин получил широкое применение в лечебной практике. Предварительно расплавленный парафин нагревают до 60— 65°С и с помощью плоской кисти наносят толстым слоем (около 1 см) на сухую чистую кожу. Парафин быстро застывает, образуя на границе с кожей тонкую защитную пленку, через которую тепловая энергия медленно, в течение 30—40 мин передается от верхних, более нагретых слоев, к телу человека. Весьма близок к парафину по тепловому воздействию на организм озокерит. Теплолечебные свойства торфа и лечебных грязей близки к теплолечебным свойствам воды, но отсутствие у них конвекции создает более благоприятные условия для длительного прогревания тканей. Там, где нет иловых грязей и торфа, весьма эффективными и доступными лечебными средствами являются глина и песок. Применение электролиза в медицине. Электрофорез и гальванизация. Постоянный электрический ток используют для лечебных целей. Метод лечения с помощью постоянного тока малой силы (до 50 мА) называют гальванизацией. При гальванизации на участок тела, подлежащий лечению, накладывают две прокладки 1 (рис. 1) из байки или фланели, смоченные физиологическим раствором или просто водой, и плотно прижимают к телу электродами 2. Электроды изготовляются из луженых листов свинца. Наложение металлических электродов на тело без прокладок недопустимо, так как при этом на поверхности кожи под электродом происходит электролиз солей, содержащихся в тканях; продукты электролиза, накапливаясь под электродами на поверхности кожи, вызывают ее ожоги. Прокладки, смоченные физиологическим раствором, поглощают продукты электролиза и этим устраняется возможность ожогов. Рис. 1. Схема гальванизации и электрофореза. При гальванизации в результате прохождения электрического тока через ткани организма в клетках происходит изменение обычной концентрации ионов. Функциональное состояние клетки изменяется, чем и обусловливается терапевтическое действие постоянного тока. Одной из разновидностей гальванизации является электрофорез — электролитическое введение лекарственных веществ в организм через кожу или слизистые оболочки с помощью постоянного тока. В этом случае прокладки 1 (рис. 1) смачивают раствором лекарственных веществ. Благодаря диссоциации лекарственные вещества распадаются на ионы. Под действием электрического поля, существующего между электродами, ионы приходят в движение и, преодолевая электрическое сопротивление эпидермиса кожи, проникают в глубь тканей организма. Благодаря емкостным свойствам тканей под кожей образуется скопление ионов в том месте организма, которое нуждается в лечении. С помощью электрофореза через кожу и слизистые оболочки в организм вводят как положительные (натрий, кальций, кодеин, новокаин и др.), так и отрицательные ионы (бром, йод, кофеин и т. д.), причем положительные ионы всегда вводят с положительного электрода, а отрицательные ионы — с отрицательного электрода. Если необходимо повысить концентрацию тех или иных ионов во всем организме, то с этой целью применяется четырехкамерная ванна. Каждую камеру заполняют раствором лекарственного вещества и соединяют с источником тока. Сила тока при электрофорезе колеблется от 2 до 50 мА в зависимости от характера процедуры и индивидуальных особенностей больного. Действие постоянного тока на организм человека. Прохождение постоянного тока через ткани организма сопровождается целым рядом физиологических явлений. Непосредственно под электродами, наложенными на оголенный участок тела, происходит раздражение нервных рецепторов кожи, что сопровождается ощущением легкого жжения и покалывания; температура кожи под электродами несколько повышается, возникает гиперемия кожи. Под действием постоянного электрического тока увеличивается скорость движения крови и лимфы, ускоряется обмен веществ и энергии в тканях организма, усиливается кровоснабжение отдельных органов тела, ускоряются процессы оттока продуктов распада и регенерации поврежденных тканей. Физиологическое действие электрического тока зависит от его плотности и длительности прохождения. При наложении на тело больного двух электродов различной площади гиперемия кожи всегда выражена значительно сильнее под тем электродом, площадь которого меньше. Сила тока, проходящего через оба электрода, одинакова, но плотность его больше там, где площадь электрода меньше. Ток, силой выше 50 мА опасен для жизни человека. Поскольку электрическое сопротивление тела человека колеблется в широких пределах (1— 100 кОм), то минимальное напряжение, безопасное для человека, составляет 50 В. При более высоких напряжениях может произойти повреждение тканей электрическим током — электротравма. Она обусловливается тепловым действием тока: в тканях организма выделяется большое количество тепла, которое вызывает глубокие ожоги, разрушение и омертвение тканей. Биотоки. Все физико-химические процессы, протекающие в живом организме, сопровождаются электрическими явлениями. Каждая живая клетка является своеобразным генератором импульсных токов сложной формы и при работе всех органов нашего организма всегда возникают электрические токи, получившие название биотоков. Биотоки можно непосредственно обнаружить на опыте с помощью микроэлектродов — миниатюрных стеклянных пипеток, наполненных электролитом, или очень тонких платиновых проволочек с диаметром порядка 10– 4 см. Микроэлектроды обычно соединяются с чувствительным гальванометром. Если одним из микроэлектродов слегка коснуться наружной поверхности клетки, а другой ввести внутрь клетки, то стрелка гальванометра регистрирует ток, называемый током покоя. Следовательно, между наружной и внутренней поверхностями клеточной мембраны существует разность потенциалов. Разность потенциалов, существующая между двумя точками живого организма, называется биопотенциалом. Величина биопотенциалов у различных клеток неодинакова и колеблется в пределах от 50 до 100 мВ. При переходе клетки из состояния покоя в активное возбужденное состояние стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону: направление биотока изменяется на обратное. Биотоки протекающие через клетки в возбужденном состоянии, называются токами действия. Биоэлектрические явления в нашем организме обусловливаются неравномерным распределением ионов между клетками нашего тела. Концентрация ионов внутри клетки и вне ее неодинакова. В спокойном состоянии концентрация положительных ионов вне клетки выше, чем внутри нее, и поэтому наружная поверхность клетки заряжается положительно. При самом незначительном раздражении проницаемость клеточной мембраны увеличивается и положительно заряженные ионы вследствие диффузии устремляются внутрь клетки. Этот процесс, однако, длится очень короткий промежуток времени, после чего излишек ионов клетки переходит наружу и восстанавливается прежняя концентрация ионов. Регистрация электрических процессов, происходящих при работе сердца, называется электрокардиографией, при работе мозга — электроэнцефалографией, при работе мышц — электромиографией. Ультразвуковые волны и их свойства Свойства ультразвуков. Ультразвуки, как и колебания звукового диапазона, распространяются в однородной среде с постоянной скоростью, равной скорости звука. Они обладают всеми свойствами, присущими всякому волновому процессу, но вместе с тем ультразвуковые волны имеют и ряд специфических свойств, нашедших широкое применение в современной технике и медицине. В отличие от звуковых ультразвуковые волны очень сильно поглощаются веществом, при этом энергия ультразвуковых волн практически полностью превращается в теплоту. Второе отличительное свойство ультразвуковых волн состоит в том, что они могут распространяться узким пучком. При этом ширина пучка тем уже, чем короче длина ультразвуковых волн. Если ультразвуковые волны распространяются в жидкости или твердом теле, то на границе с воздухом или каким-либо другим газом они почти полностью отражаются внутрь жидкости или твердого тела. Терапевтическое и биологическое действие ультразвуков. До недавнего времени считалось, что ультразвуковые колебания — достаточно редкое явление природы. Однако оказалось, что морские волны, шелест листьев, молния и гром, песчаные бури и снежные бураны являются постоянными источниками ультразвуковых колебаний и создают в природе постоянный ультразвуковой фон. Помимо этого, интенсивные ультразвуковые волны возникают, при работе многих современных машин и приборов. Поэтому человек и другие биологические системы постоянно подвергаются ультразвуковому облучению. В основе биологического действия ультразвука лежит его свойство поглощаться мягкими тканями человека и животных. Энергия поглощенных ультразвуковых волн внутри организма превращается главным образом в тепловую энергию. Тепловой эффект, производимый ультразвуком, может быть весьма значительным. При облучении ультразвуком интенсивностью 4 Вт/см2 в течение 20 с температура тканей на глубине 2—3 см повышается на 5—6°. Биологическое действие ультразвуковых волн зависит от их интенсивности. Ультразвуковые волны малой (до 1,5 Вт/см'2) и средней (до 3 Вт/см2) интенсивности, вызывают положительные биологические и терапевтические эффекты: ускоряется рост растений, стимулируется протекание нормальных физиологических процессов, в ряде случаев успешно лечится радикулит, бронхиальная астма, травматические повреждения связок и т. д. Ультразвуковые волны большой интенсивности (более 3 Вт/см2) оказывают вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. При длительном воздействии на человека ультразвуковых колебаний частотой 20—30 кГц повышается утомляемость, поднимается температура, расстраивается нервная система. Ультразвуковые волны большой интенсивности могут вызвать смерть человека. Ультразвуковая диагностика. В последние годы отражение ультразвуковых волн стали использовать для обнаружения патологических изменений во внутренних органах человека. При этом используется принцип эхолокации. Ультразвуковые импульсы, направленные внутрь исследуемого органа, например желудка, отражаются от его передней и задней стенок, сравниваются по графикам, которые получают с помощью осциллографа. Если обе стенки желудка здоровы, то интенсивность отраженных волн одинакова. При наличии дефекта, например язвы, интенсивность отраженных волн различна. Ультразвуковая терапия. При ультразвуковой терапии используют ультразвуковые волны интенсивностью не выше 3 Вт/см2. В медицине используется два метода облучения ультразвуками: непосредственное и косвенное. В первом случае ультразвуковые волны непосредственно направляются на область заболевания, при косвенном облучении ультразвук действует на рефлекторные дуги. Чтобы уменьшить отражение ультразвуковых волн от воздушного слоя, их направляют на ткани через слой воды. С этой целью облучаемую часть тела помещают в водяную ванну или применяют специальные насадки, позволяющие облучать через воду (или другую жидкость) такие части тела, которые невозможно погрузить в воду. Значительные помехи при ультразвуковой терапии возникают из-за теплового действия ультразвуковых волн. Чтобы уменьшить тепловое действие ультразвука, в настоящее время вместо непрерывного облучения стали применять импульсное. При импульсном облучении температура тканей повышается всего на 0,4—0,7°С. Однако и тепловое действие ультразвука находит в медицине целый ряд полезных применений. Оно успешно используется при изучении проблемы разрушения злокачественных опухолей. В этом случае ультразвуковой излучатель позволяет концентрировать ультразвуковые волны на участке диаметром 4—8 мм и доводить интенсивность ультразвуковых волн до 30 Вт/см2. Применение рентгеновского излучения в медицине Рентгеноскопия. Рентгеновские лучи получили широкое применение в медицине и научных исследованиях. В медицине рентгеновские лучи применяются в лечебных и диагностических целях. Существует два метода диагностики, проводимые с помощью рентгеновских лучей: рентгеноскопия и рентгенография. При рентгеноскопии больной располагается между рентгеновской трубкой и экраном, покрытым сульфидами цинка с добавкой солей кадмия. Поток рентгеновских лучей ограничивается свинцовой диафрагмой. При прохождении рентгеновских лучей через тело человека они поглощаются мягкими тканями и костным веществом в неодинаковой мере. Благодаря этому при прохождении лучей через тело человека одни участки экрана оказываются более светлыми — на них больше попадает рентгеновских лучей, другие — более темными и на экране возникает теневое изображение внутренних органов человека. При рентгенографии экран заменяется фотопленкой большого размера, находящейся в специальной кассете, непрозрачной для лучей видимого света. Под действием рентгеновских лучей фотопленка темнеет пропорционально падающему на нее излучению. Получаемый при этом снимок дает негативное изображение по отношению к картине, наблюдаемой на экране: места, темные на экране, являются светлыми на снимке и наоборот. Фотография дает более четкое изображение: на ней можно рассмотреть больше деталей, чем на экране, и сделать необходимые измерения. Ее можно изучать сравнительно долго, а время нахождения больного под непосредственным воздействием рентгеновского излучения по возможности должно быть ограниченным. Рентгенотерапия. Рентгеновские лучи используются в медицине и для лечения. В этом случае используют ионизирующие и бактерицидные свойства рентгеновских лучей. При прохождении через ткани организма рентгеновские лучи вызывают интенсивную ионизацию молекул и губительно воздействуют на очаги бактериального характера. Действие ионизирующих излучений на организм человека Ионизирующие излучения. Все виды радиоактивного излучения — альфа-, бета- и гамма-лучи, нейтроны, протоны и позитроны при взаимодействии с атомами и молекулами вещества ионизируют их. По этой причине все виды ядерного излучения получили название ионизирующего излучения. Ионизирующая способность различных видов радиоактивного излучения различна. Так, альфа-частица, обладая энергией в 2 МэВ, на 1 мы пробега создает 6000 пар ионов, а бета-частица при тех же условиях образует всего 6 пар ионов. Действие ионизирующих излучений на организм. Первичные процессы ионизации, как правило, не вызывают больших нарушений в тканях организма. Губительное действие ионизирующего излучения связано со вторичными биохимическими реакциями, в которые вступают продукты ионизации. Помимо ионизации, облучение организма сопровождается и рядом других эффектов. При поглощении тканями организма ионизирующего излучения часть атомов и молекул не ионизируется, а только переходит в возбужденное состояние. Спустя некоторый промежуток времени эти атомы возвращаются в нормальное состояние, а избыток энергии излучают в виде квантов ультрафиолетового излучения, поглощаемого затем тканями организма. Общее количество энергии, поглощаемой при этом тканями, составляет всего примерно 250 Дж. Однако даже столь ничтожная порция лучистой энергии имеет катастрофические последствия для человеческого организма. За счет сравнительно небольшого количества лучистой энергии в организме человека происходит цепная биохимическая реакция. Конечным результатом такой реакции является разрушение структуры молекул нуклеиновых кислот и белка. Сочетание этих двух факторов — первичной ионизации и цепной биохимической реакции — приводит к возникновению лучевой болезни. Доза облучения. Биологическое действие оказывает только та часть излучения, которая поглощается тканями организма. Та часть излучения, которая проходит через вещество без поглощения, никакого действия на организм не оказывает. Поэтому действие ионизирующего излучения на вещество, в том числе и на живые ткани, характеризуется количеством энергии излучения, поглощаемой атомами вещества. Величина, измеряемая количеством излучения, которое поглощается единицей массы вещества, называется поглощенной дозой излучения: Dп m . За единицу поглощенной дозы излучения в СИ принята такая доза, при которой 1 кг Дж . кг вещества поглощает лучистую энергию в 1 Дж: Dп 1 Непосредственно измерить поглощенную дозу излучения очень трудно. Однако ее можно определить косвенным путем. Все виды ионизирующего излучения вызывают ионизацию атомов и молекул вещества. На ионизацию атомов данного вещества затрачивается вполне определенное количество энергии. Поэтому, измеряя заряд ионов, образуемых ионизирующим излучением в веществе, можно оценить и количество лучистой энергии, поглощенной веществом. Величина, измеряемая количеством электричества, которое образуется излучением в единице массы сухого атмосферного воздуха в результате его полной ионизации, называется экспозиционной дозой излучения: Dэ q . m За единицу экспозиционной дозы излучения в СИ принимают такую дозу, которая образует в 1 кг сухого атмосферного воздуха число ионов одного знака с общим зарядом в 1 Кл: Dп 1 Кл . кг Дозиметр. Для измерения поглощенной дозы излучения применяют специальные приборы — дозиметры. Ламповый дозиметр состоит из ионизирующей камеры К, измерительного прибора Г (гальванометра), лампового усилителя Л и источников электрической энергии Иь И2 и И3. Защита от ионизирующего излучения. При длительном облучении ионизирующими излучениями живых организмов в них возможны различные патологические изменения. Поэтому везде, где приходится иметь дело с ионизирующими излучениями, принимаются специальные меры защиты обслуживающего персонала от чрезмерного облучения. В медицине необходимо защищать от ионизирующего излучения не только медицинский персонал, но и больных. С этой целью источник радиоактивного излучения — радиоактивный препарат, ядерный реактор, разные приборы и устройства с интенсивным ионизирующим излучением — заключают в специальный защитный блок, контейнер или камеру. При работе с радиоактивными препаратами применяют манипуляторы — сложные автоматические устройства, с помощью которых можно перемещать препарат, не притрагиваясь к нему руками. При работе с радиоактивными материалами устанавливается строго ограниченное время пребывания обслуживающего персонала на рабочем месте в зависимости от интенсивности излучения. Разработаны специальные предписания по защите от облучения и составлены специальные инструкции.
