Física Médica. Hoja de trucos: brevemente, lo más importante

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tabla de contenidos

Física Médica. Cuento
Problemas básicos y conceptos de metrología.
Metrología médica y sus especificidades.
Valor aleatorio. ley de distribucion
Distribución de Maxwell (distribución de la velocidad de las moléculas de gas) y Boltzmann
Estadística matemática y dependencia de la correlación
Sistemas cibernéticos
El concepto de cibernética médica.
fundamentos de mecanica
Conceptos basicos de mecanica
Articulaciones y palancas en el sistema musculoesquelético humano. Ergometría
Vibraciones mecánicas
agua mecanica
efecto Doppler
Acústica
Base física de métodos sólidos de investigación en la clínica.
La física de la audición
Ultrasonido y su aplicación en medicina.
Hidrodinámica
Propiedades mecánicas de sólidos y tejidos biológicos
Propiedades mecánicas de los tejidos biológicos.
Cuestiones físicas de la hemodinámica.
Trabajo y poder del corazón. máquina corazón-pulmón
Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica. entropía
estado estacionario
Termometría y calorimetría
Propiedades físicas de los medios fríos y calientes utilizados para el tratamiento.
Procesos físicos en membranas biológicas
Propiedades físicas y parámetros de las membranas.
Una especie de transferencia pasiva de moléculas e iones a través de membranas biológicas.
Electrodinámica
Dipolo y multipolo electrico
Bases físicas de la electrocardiografía
Electricidad
Conductividad eléctrica de tejidos y líquidos biológicos en corriente continua. Descarga eléctrica en gases.
Un campo magnetico
Intensidad del campo magnético y sus otras propiedades.
Propiedades de los imanes y propiedades magnéticas de los tejidos humanos.
Inducción electromagnética. energía del campo magnético
Resistencia total ((impedancia) de los tejidos corporales. Base física de la reografía
El concepto de la teoría de Maxwell. Corriente de polarización
Clasificación de los intervalos de frecuencia adoptados en medicina.
Procesos físicos en los tejidos que ocurren cuando se exponen a campos actuales y electromagnéticos.
Exposición a corrientes alternas (impulso)
Exposición a un campo magnético alterno
Электроника
electronica medica
¿Cómo se garantiza la fiabilidad de los equipos médicos?
Sistema de obtención de información biomédica
Amplificador-osciladores
Óptica
Óptica ondulatoria
polarización de la luz
El sistema óptico del ojo y algunas de sus características
Radiación térmica de los cuerpos.

1. Física médica. Cuento

La física médica es la ciencia de un sistema que consta de dispositivos físicos y radiación, dispositivos y tecnologías médicas y de diagnóstico.

El propósito de la física médica es estudiar estos sistemas para la prevención y el diagnóstico de enfermedades, así como el tratamiento de pacientes utilizando los métodos y medios de la física, las matemáticas y la tecnología. La naturaleza de las enfermedades y el mecanismo de recuperación en muchos casos tienen una explicación biofísica.

Los físicos médicos están directamente involucrados en el proceso de tratamiento y diagnóstico, combinando conocimientos físicos y médicos, compartiendo la responsabilidad del paciente con el médico.

El desarrollo de la medicina y la física siempre ha estado estrechamente entrelazado. Incluso en la antigüedad, la medicina utilizaba factores físicos con fines medicinales, como el calor, el frío, el sonido, la luz, diversos efectos mecánicos (Hipócrates, Avicena, etc.).

El primer físico médico fue Leonardo da Vinci (hace cinco siglos), que realizó investigaciones sobre la mecánica del movimiento del cuerpo humano. La medicina y la física comenzaron a interactuar de manera más fructífera desde finales del siglo XVIII y principios del XIX, cuando se descubrieron la electricidad y las ondas electromagnéticas, es decir, con el advenimiento de la era de la electricidad.

Mencionemos algunos nombres de grandes científicos que hicieron los descubrimientos más importantes en diferentes épocas.

Finales del siglo XIX - mediados del siglo XX asociado con el descubrimiento de los rayos X, la radiactividad, las teorías de la estructura del átomo, la radiación electromagnética. Estos descubrimientos están asociados con los nombres de V. K. Roentgen, A. Becquerel,

M. Skladovskoy-Curie, D. Thomson, M. Planck, N. Bohr, A. Einstein, E. Rutherford. La física médica realmente comenzó a establecerse como una ciencia y una profesión independientes solo en la segunda mitad del siglo XX. con el advenimiento de la era atómica. En medicina se han generalizado los dispositivos gamma de radiodiagnóstico, aceleradores electrónicos y de protones, gammacámaras de radiodiagnóstico, tomógrafos computarizados de rayos X y otros, hipertermia y magnetoterapia, láser, ultrasonido y otras tecnologías y dispositivos físico-médicos. La física médica tiene muchas secciones y nombres: física de radiación médica, física clínica, física oncológica, física terapéutica y de diagnóstico.

El evento más importante en el campo del examen médico puede considerarse la creación de tomógrafos computarizados, que ampliaron el estudio de casi todos los órganos y sistemas del cuerpo humano. La OCT se ha instalado en clínicas de todo el mundo, y un gran número de físicos, ingenieros y médicos han trabajado para mejorar la técnica y los métodos hasta llevarla casi al límite de lo posible. El desarrollo del diagnóstico de radionúclidos es una combinación de métodos radiofarmacéuticos y métodos físicos para registrar la radiación ionizante. La tomografía por emisión de positrones se inventó en 1951 y se publicó en el trabajo de L. Renn.

2. Principales problemas y conceptos de la metrología

La metrología es la ciencia de las mediciones, métodos y medios para asegurar su unidad, formas de lograr la precisión requerida. La medición se llama encontrar empíricamente el valor de una cantidad física utilizando medios técnicos. Las medidas permiten establecer las leyes de la naturaleza y son un elemento de conocimiento del mundo que nos rodea. Hay mediciones directas, en las que el resultado se obtiene directamente de la medición de la cantidad en sí (por ejemplo, medir la temperatura corporal con un termómetro médico, medir la longitud de un objeto con una regla), e indirectas, en las que se mide el valor deseado. La determinación de una cantidad se obtiene a partir de una relación conocida entre ésta y cantidades medidas directamente (por ejemplo, determinando la masa corporal cuando se pesa, teniendo en cuenta la fuerza de flotación determinada por la viscosidad del líquido según la velocidad de la bola que cae en él). Los medios técnicos para realizar mediciones pueden ser de diferentes tipos. Los más famosos son los dispositivos en los que la información de medición se presenta en una forma accesible a la percepción directa (por ejemplo, la temperatura en un termómetro se representa por la longitud de una columna de mercurio, la intensidad de la corriente mediante la indicación de una aguja de amperímetro o un valor digital ).

Una unidad de cantidad física es una cantidad física aceptada por acuerdo como base para cuantificar la cantidad física correspondiente.

Para expresar el nivel de presión sonora, el nivel de intensidad sonora, la amplificación de la señal eléctrica, la expresión del intervalo de frecuencia, y en su defecto, es más conveniente utilizar el logaritmo del valor relativo (el logaritmo decimal es más común y más común):

lg = un₂/A₁

donde un₁ y un₂ - magnitudes físicas similares.

La unidad del valor logarítmico es bel (B):

1B \uXNUMXd lg \uXNUMXd un₂/A_i,

en un₂ = 10a,

si a es una cantidad de energía (potencia, intensidad, energía, etc.), o

si a es una cantidad de potencia (fuerza, tensión mecánica, presión, intensidad de campo eléctrico, etc.).

Una unidad submúltiplo bastante común es el decibelio (dB):

1dB = 0,1B.

1 dB corresponde a la relación de cantidades de energía a₂ = 1,26a:

3. Metrología médica y sus especificidades.

Los dispositivos técnicos utilizados en medicina se denominan el término generalizado "equipo médico". La mayoría de los equipos médicos se refiere a equipos médicos, que a su vez se dividen en dispositivos médicos y dispositivos médicos.

Se considera dispositivo médico un dispositivo técnico destinado a medidas diagnósticas o terapéuticas (termómetro médico, esfigmomanómetro, electrocardiógrafo, etc.).

Dispositivo médico: un dispositivo técnico que le permite crear un efecto energético de propiedades terapéuticas, quirúrgicas o bactericidas, así como proporcionar una determinada composición de diversas sustancias para fines médicos (terapia UHF, electrocirugía, riñón artificial, prótesis de oído, etc.). ).

Los requisitos metrológicos para los dispositivos médicos son bastante obvios. Muchos dispositivos médicos están diseñados para tener un efecto dosificador de energía en el cuerpo, por lo que merecen la atención del servicio de metrología. Las mediciones en medicina son bastante específicas, por lo que en metrología se ha asignado un área separada: la metrología médica.

Teniendo en cuenta algunos problemas específicos de la metrología médica y en parte de la instrumentación médica, cabe señalar que en la actualidad, las mediciones médicas en la mayoría de los casos son realizadas por personal médico (médico, enfermera), que no está técnicamente capacitado. Por lo tanto, es recomendable crear dispositivos médicos graduados en unidades de cantidades físicas, cuyos valores son la información de medición médica final (medidas directas).

Es deseable que el tiempo de medición hasta obtener un resultado útil sea el menor tiempo posible y que la información sea lo más completa posible. Estos requisitos los cumplen los ordenadores.

En la estandarización metrológica de un dispositivo médico, es importante tener en cuenta las indicaciones médicas. El médico debe determinar con qué precisión es suficiente presentar los resultados para que se pueda llegar a una conclusión diagnóstica.

Muchos dispositivos médicos brindan información en un dispositivo de registro (por ejemplo, un electrocardiógrafo), por lo que se deben tener en cuenta los errores inherentes a esta forma de registro.

Uno de los problemas es termológico. De acuerdo con los requisitos de la metrología, el nombre del instrumento de medida debe contener una cantidad o unidad física (amperímetro, voltímetro, frecuencímetro, etc.). Los nombres de los dispositivos médicos no corresponden a este principio (electrocardiógrafo, fonocardiógrafo, reógrafo, etc.). Entonces, un electrocardiógrafo debe llamarse milivoltímetro con lecturas de registro.

En varias mediciones médicas, puede haber información insuficiente sobre la relación entre la cantidad física medida directamente y los parámetros biomédicos correspondientes. Entonces, por ejemplo, en el método clínico (sin sangre) para medir la presión sanguínea, se supone que la presión del aire dentro del manguito es aproximadamente igual a la presión sanguínea en la arteria braquial.

4. Valor aleatorio. ley de distribucion

Definición de variable aleatoria. Muchos eventos aleatorios se pueden cuantificar como variables aleatorias. Random es una cantidad que toma valores dependiendo de una combinación de circunstancias aleatorias. Hay variables aleatorias discretas y continuas.

Distribución de una variable aleatoria discreta. Un valor discreto se considera dado si se indican sus posibles valores y sus correspondientes probabilidades. Denota una variable aleatoria discreta x, sus valores x₁, X₂…, en probabilidad: P (x₁) =p₂, PAG (x2) = PAG₂ etc

El conjunto de x y P se denomina distribución de una variable aleatoria discreta.

Como todos los valores posibles de una variable aleatoria discreta representan un sistema completo, la suma de las probabilidades es igual a uno:

Aquí se supone que la variable aleatoria discreta tiene n valores. La expresión se llama condición de normalización.

En muchos casos, junto con la distribución de una variable aleatoria o en su lugar, la información sobre estas cantidades puede estar dada por parámetros numéricos, que se denominan características numéricas de una variable aleatoria. Los más comunes de ellos son: 1) la expectativa matemática (valor medio) de una variable aleatoria es la suma de los productos de todos sus valores posibles y las probabilidades de estos valores;

2) la varianza de una variable aleatoria es la expectativa matemática del cuadrado de la desviación de una variable aleatoria de su expectativa matemática.

Para una variable aleatoria continua, la expectativa matemática y la varianza se escriben como:

donde f(x) es la densidad de probabilidad o función de distribución de probabilidad. Muestra cómo la probabilidad de asignar una variable aleatoria al intervalo dx depende del valor de esta variable en sí. Ley de distribución normal. En teorías de probabilidad y estadística matemática, en diversas aplicaciones, la ley de distribución normal (ley de Gauss) juega un papel importante. Una variable aleatoria se distribuye de acuerdo con esta ley si su densidad de probabilidad tiene la forma:

donde a = M(x) - expectativa matemática de una variable aleatoria;

σ - desviación estándar; Como consecuencia;

σ²es la varianza de la variable aleatoria. La curva de la ley de distribución normal tiene forma de campana, simétrica con respecto a la línea recta x \uXNUMXd a (centro de dispersión).

5. Distribución de Maxwell (distribución de velocidades de moléculas de gas) y Boltzmann

La distribución de Maxwell: en el estado de equilibrio, los parámetros del gas (presión, volumen y temperatura) permanecen sin cambios, pero los microestados (la disposición mutua de las moléculas, sus velocidades) cambian constantemente. Debido a la gran cantidad de moléculas, es prácticamente imposible determinar los valores de sus velocidades en cualquier momento, pero es posible, considerando la velocidad de las moléculas como una variable aleatoria continua, indicar la distribución de las moléculas sobre las velocidades. La distribución de velocidades de las moléculas ha sido confirmada por varios experimentos. La distribución de Maxwell puede considerarse como la distribución de moléculas no sólo en términos de velocidades, sino también en términos de energías cinéticas (ya que estos conceptos están interrelacionados).

Aislamos una sola molécula. La aleatoriedad del movimiento permite, por ejemplo, que la proyección de la velocidad Vx de una molécula acepte la ley de distribución normal. En este caso, como lo muestra J.K. Maxwell, la densidad de probabilidad de que la molécula tenga un componente de velocidad Ux se escribe de la siguiente manera:

Puede obtener la función de distribución de probabilidad de Maxwell de los valores absolutos de la velocidad (distribución de velocidad de Maxwell):

Distribución de Boltzmann. Si las moléculas se encuentran en algún campo de fuerza externo (por ejemplo, en el campo gravitacional de la Tierra), entonces es posible encontrar la distribución de sus energías potenciales, es decir, establecer la concentración de partículas que tienen un valor potencial específico. energía. La distribución de partículas sobre energías potenciales en campos de fuerza (gravitacional, eléctrica, etc.) se denomina distribución de Boltzmann.

Aplicada al campo gravitatorio, esta distribución se puede escribir como la dependencia de la concentración de n moléculas de la altura h sobre el nivel del suelo, o la energía potencial mgh:

Tal distribución de moléculas en el campo gravitatorio de la Tierra puede explicarse cualitativamente, en el marco de los conceptos de cinética molecular, por el hecho de que las moléculas están influenciadas por dos factores opuestos: el campo gravitatorio, bajo cuya influencia todas las moléculas son atraídas hacia el La Tierra y el movimiento caótico molecular, que tiende a dispersar uniformemente las moléculas sobre todo el objeto posible.

6. Estadísticas matemáticas y dependencia de correlación

La estadística matemática es la ciencia de los métodos matemáticos de sistematización y uso de datos estadísticos para la resolución de problemas científicos y prácticos. La estadística matemática está estrechamente relacionada con la teoría de la probabilidad y se basa en sus conceptos. Sin embargo, lo principal en estadística matemática no es la distribución de variables aleatorias, sino el análisis de datos estadísticos y descubrir a qué distribución corresponden. Una gran población estadística de la cual se selecciona una parte de los objetos de investigación se llama población general, y el conjunto de objetos recolectados de ella se llama población de muestreo o muestra. Una distribución estadística es un conjunto de variantes y sus correspondientes frecuencias (o frecuencias relativas).

Para mayor claridad, las distribuciones estadísticas se representan gráficamente en forma de polígono e histograma.

El polígono de frecuencias es una línea quebrada, cuyos segmentos conectan puntos con coordenadas (x₁; NS₁), (X₂; NS₂)…. o para el polígono de frecuencias relativas - con coordenadas (x₁;R₁),(X₂;R₂)….

Histograma de frecuencia: un conjunto de rectángulos adyacentes construidos sobre una línea recta, las bases de los rectángulos son iguales e iguales a a, y las alturas son iguales a la relación de la frecuencia (o frecuencia relativa) a a:

Las características más comunes de una distribución estadística son las medias: moda, mediana y media aritmética (o media muestral). Modo (Mo) es igual a la variante que corresponde a la frecuencia más alta. La mediana (Me) es igual a la variante que se ubica en el medio de la distribución estadística. Divide la serie estadística (variacional) en dos partes iguales. La media muestral (XV) se define como la media aritmética de una variante de una serie estadística.

dependencia de correlación. Las dependencias funcionales se pueden expresar analíticamente. Entonces, por ejemplo, el área de un círculo depende del radio (S = pr₂), aceleración F del cuerpo - de fuerza y masa (a = F/m₀). Sin embargo, existen dependencias que no son demasiado obvias y no se expresan en fórmulas simples e inequívocas. Por ejemplo, existe una conexión entre la altura de las personas y su peso corporal, los cambios en las condiciones climáticas afectan la cantidad de resfriados en la población, etc. Una dependencia probabilística más compleja que funcional es una correlación (o simplemente una correlación). . En este caso, un cambio en uno de sus valores afecta el valor medio del otro. Supongamos que estamos estudiando la relación entre una variable aleatoria X y una variable aleatoria Y. Cada valor específico de X corresponderá a varios valores de Y: y₁Tener₂ etc

Media condicional Y_х Llamemos al valor medio aritmético Y correspondiente al valor X = x. La dependencia de la correlación, o correlación de Y con X, es la función Y x = f(x). La igualdad se llama ecuación de regresión Y sobre X y la gráfica de la función se llama recta de regresión Y sobre X.

7. Sistemas cibernéticos

Un sistema cibernético es un conjunto ordenado de objetos (elementos del sistema), interactuando e interconectados, que son capaces de percibir, recordar y procesar información, así como intercambiarla. Ejemplos de sistemas cibernéticos son grupos de personas, cerebros, computadoras, autómatas. En consecuencia, los elementos de un sistema cibernético pueden ser objetos de diferente naturaleza física: una persona, células cerebrales, unidades informáticas, etc. El estado de los elementos del sistema se describe mediante un determinado conjunto de parámetros, que se dividen en continuos, tomando valores reales cualesquiera en un intervalo determinado, y discreto, tomando conjuntos finitos de valores. Entonces, por ejemplo, la temperatura corporal de una persona es un parámetro continuo y su género es un parámetro discreto. El funcionamiento de un sistema cibernético se describe mediante tres propiedades: funciones que tienen en cuenta los cambios en los estados de los elementos del sistema, funciones que provocan cambios en la estructura del sistema (incluso debidos a influencias externas) y funciones que determinan las señales. transmitido por el sistema fuera de él. Además, se tiene en cuenta el estado inicial del sistema.

Los sistemas cibernéticos varían en su complejidad, grado de certeza y nivel de organización.

Los sistemas cibernéticos se dividen en continuos y discretos. En sistemas continuos, todas las señales que circulan en el sistema y los estados de los elementos se establecen mediante parámetros continuos, en sistemas discretos, mediante parámetros discretos. Sin embargo, también existen sistemas mixtos en los que existen parámetros de ambos tipos. La división de sistemas en continuos y discretos es condicional y está determinada por el grado requerido de precisión del proceso en estudio, las conveniencias técnicas y matemáticas. Algunos procesos o cantidades que son de naturaleza discreta, como la corriente eléctrica (la discreción de la carga eléctrica: no puede ser menor que la carga de un electrón), se describen convenientemente mediante cantidades continuas. En otros casos, por el contrario, tiene sentido describir un proceso continuo con parámetros discretos.

En cibernética y tecnología, los sistemas se suelen dividir en deterministas y probabilísticos. Un sistema determinista, cuyos elementos interactúan de cierta manera, su estado y comportamiento se predicen sin ambigüedades y se describen mediante funciones sin ambigüedades. El comportamiento de los sistemas probabilísticos se puede determinar con cierta certeza.

Se dice que un sistema es cerrado si sus elementos intercambian señales solo entre sí. Los sistemas abiertos o abiertos necesariamente intercambian señales con el entorno externo.

Para percibir señales del entorno externo y transmitirlas al sistema, cualquier sistema abierto dispone de receptores (sensores o transductores). En los animales, como en un sistema cibernético, los receptores son los órganos de los sentidos (tacto, vista, oído y otros), en los autómatas, sensores: galgas extensométricas, fotoeléctricas, de inducción, etc.

8. El concepto de cibernética médica

La cibernética médica es una dirección científica asociada con el uso de ideas, métodos y medios técnicos de la cibernética en medicina y atención médica. Convencionalmente, la cibernética médica puede estar representada por los siguientes grupos.

Diagnóstico computacional de enfermedades. Esta parte se relaciona principalmente con el uso de computadoras para la elaboración del diagnóstico. La estructura de cualquier sistema de diagnóstico consta de memoria médica (experiencia médica acumulada para un grupo determinado de enfermedades) y un dispositivo lógico que le permite comparar los síntomas encontrados en un paciente mediante interrogatorio y examen de laboratorio con la experiencia médica existente. El ordenador de diagnosis sigue la misma estructura.

En primer lugar, se desarrollan métodos para describir formalmente el estado de salud del paciente y se realiza un análisis exhaustivo de los signos clínicos utilizados en el diagnóstico. Seleccione principalmente aquellas características que se puedan cuantificar.

Además de la expresión cuantitativa de las características fisiológicas, bioquímicas y de otro tipo del paciente, el diagnóstico computacional requiere información sobre la frecuencia de los síndromes clínicos y signos diagnósticos, su clasificación, dependencia, evaluación de la eficacia diagnóstica de los signos, etc. Todos estos datos se almacenan en la memoria de la máquina. Compara los síntomas del paciente con los datos almacenados en su memoria. La lógica del diagnóstico computacional corresponde a la lógica del médico que hace el diagnóstico: la totalidad de los síntomas se compara con la experiencia previa de la medicina. La máquina no detectará una enfermedad nueva (desconocida). Un médico que se encuentra con una enfermedad desconocida podrá describir sus síntomas. Los detalles sobre dicha enfermedad solo se pueden establecer mediante la realización de estudios especiales. Las computadoras pueden desempeñar un papel auxiliar en tales investigaciones.

Aproximación cibernética al proceso de curación. Una vez que el médico establece el diagnóstico, se prescribe el tratamiento, que no se limita a una exposición única. Este es un proceso complejo durante el cual el médico recibe constantemente información médica y biológica sobre el paciente, la analiza y, de acuerdo con ella, refina, cambia, detiene o continúa el efecto terapéutico.

En la actualidad, el enfoque cibernético del proceso de tratamiento facilita el trabajo de un médico, permite tratar de manera más eficiente a los pacientes graves, tomar medidas oportunas en caso de complicaciones durante la cirugía, desarrollar y controlar el proceso de tratamiento farmacológico, crear prótesis biocontroladas , diagnosticar enfermedades y controlar dispositivos que regulan funciones vitales.

Las tareas del control médico operativo incluyen el seguimiento del estado de los pacientes graves mediante sistemas de seguimiento (sistemas de seguimiento para el seguimiento del estado de personas sanas en condiciones extremas: condiciones de estrés, ingravidez, condiciones hiperbáricas, ambiente con bajo contenido de oxígeno, etc.) .

9. Fundamentos de mecánica

La mecánica es una rama de la física que estudia el movimiento mecánico de los cuerpos materiales. Bajo el movimiento mecánico entendemos el cambio de posición del cuerpo o de sus partes en el espacio a lo largo del tiempo.

Para los médicos, esta sección es de interés por las siguientes razones:

1) comprender la mecánica del movimiento de todo el organismo para fines de medicina deportiva y espacial, la mecánica del sistema musculoesquelético humano, para fines de anatomía y fisiología;

2) conocimiento de las propiedades mecánicas de los tejidos y fluidos biológicos;

3) comprender los fundamentos físicos de algunas técnicas de laboratorio utilizadas en la práctica de la investigación biomédica, como la centrifugación.

Mecánica del movimiento de rotación de un cuerpo absolutamente rígido.

Un cuerpo absolutamente rígido es aquel cuya distancia entre dos puntos cualesquiera es constante. Al moverse, las dimensiones y la forma de un cuerpo absolutamente rígido no cambian. La velocidad de rotación del cuerpo se caracteriza por una velocidad angular igual a la primera derivada del ángulo de rotación del radio vector con respecto al tiempo:

ω = dt/da

La velocidad angular es un vector que se dirige a lo largo del eje de rotación y está relacionado con la dirección de rotación. El vector de velocidad angular, a diferencia de los vectores de velocidad y fuerza, se desliza. Por lo tanto, especificar el vector w especifica la posición del eje de rotación, la dirección de rotación y el módulo de la velocidad angular. La tasa de cambio de la velocidad angular se caracteriza por una aceleración angular igual a la primera derivada de la velocidad angular con respecto al tiempo:

De esto se puede ver que el vector de aceleración angular coincide en dirección con un cambio elemental, suficientemente pequeño en el vector de velocidad angular dw: con rotación acelerada, la aceleración angular se dirige de la misma manera que la velocidad angular, con rotación lenta, es opuesto a él. Aquí están las fórmulas para la cinemática del movimiento de rotación de un cuerpo rígido alrededor de un eje fijo:

1) la ecuación del movimiento de rotación uniforme:

a = peso + a₀

donde un₀ - valor inicial del ángulo;

2) la dependencia de la velocidad angular con el tiempo en un movimiento de rotación uniforme:

w = et + W₀,

donde₀ - velocidad angular inicial;

3) ecuación de movimiento de rotación uniforme:

10. Conceptos básicos de mecánica

Momento de poder. El momento de la fuerza con respecto al eje de rotación es el producto vectorial del radio vector y la fuerza:

M_i = r_i ×F_i,

donde r_i y F_i - vectores.

Momento de inercia. La masa es la medida de la inercia de los cuerpos en movimiento de traslación. La inercia de los cuerpos durante el movimiento de rotación depende no solo de la masa, sino también de su distribución en el espacio con respecto al eje.

El momento de inercia del cuerpo respecto al eje es la suma de los momentos de inercia de los puntos materiales que forman el cuerpo:

El momento de inercia de un cuerpo sólido generalmente se determina por integración:

El momento angular del cuerpo con respecto al eje es igual a la suma de los momentos angulares de los puntos que forman este cuerpo:

Energía cinética de un cuerpo en rotación. Cuando un cuerpo gira, su energía cinética es

de las energías cinéticas de sus puntos individuales. Para un cuerpo rígido:

Igualemos el trabajo elemental de todas las fuerzas externas durante tal rotación a un cambio elemental en la energía cinética:

Mda=Jwdw,

¿de dónde

reducimos esta igualdad por ω:

¿de dónde

Ley de conservación del momento angular. Si el momento total de todas las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo es cero, entonces el momento angular de este cuerpo permanece constante. Esta ley es válida no sólo para un cuerpo absolutamente rígido. Entonces, para un sistema que consta de N cuerpos que giran alrededor de un eje común, la ley de conservación del momento angular se puede escribir en la forma:

11. Articulaciones y palancas en el sistema musculoesquelético humano. Ergometría

Las partes móviles de los mecanismos suelen estar conectadas por partes. La unión móvil de varios eslabones forma una unión cinemática. El cuerpo humano es un ejemplo de conexión cinemática. El sistema musculoesquelético humano, formado por huesos articulados del esqueleto y músculos, representa, desde el punto de vista de la física, un conjunto de palancas que una persona sostiene en equilibrio. En anatomía, hay palancas de potencia, en las que se gana fuerza, pero se pierde movimiento, y palancas de velocidad, en las que, perdiendo fuerza, se gana en velocidad de movimiento. Un buen ejemplo de palanca de velocidad es la mandíbula inferior. La fuerza actuante la realiza el músculo masticatorio. La fuerza opuesta, la resistencia de los alimentos triturados, actúa sobre los dientes. El hombro de la fuerza actuante es mucho más corto que el de las fuerzas de reacción, por lo que el músculo masticador es corto y fuerte. Cuando necesitas roer algo con los dientes, el hombro de la fuerza de resistencia disminuye.

Si consideramos el esqueleto como una colección de enlaces separados conectados en un organismo, entonces resulta que todos estos enlaces, con un soporte normal, forman un sistema que se encuentra en un equilibrio extremadamente inestable. Entonces, el soporte del cuerpo está representado por las superficies esféricas de la articulación de la cadera. El centro de masa del cuerpo se encuentra por encima del soporte, lo que crea un equilibrio inestable con un soporte de bola. Lo mismo se aplica a la articulación de la rodilla ya la articulación del tobillo. Todos estos eslabones se encuentran en un estado de equilibrio inestable.

El centro de masa de un cuerpo humano en una postura normal se encuentra justo en la misma vertical que los centros de las articulaciones de la cadera, la rodilla y el tobillo de la pierna, 2-2,5 cm por debajo de la capa del sacro y 4-5 cm por encima el eje de la cadera. Por lo tanto, este es el estado más inestable de los eslabones amontonados del esqueleto. Y si todo el sistema se mantiene en equilibrio, se debe únicamente a la tensión constante de los músculos de apoyo.

El trabajo mecánico que una persona es capaz de realizar durante el día depende de muchos factores, por lo que es difícil indicar algún valor límite. Esto también se aplica al poder. Así, con esfuerzos a corto plazo, una persona puede desarrollar una potencia del orden de varios kilovatios. Si un atleta que pesa 70 kg salta de un lugar tal que su centro de masa se eleva 1 m con respecto a la postura normal, y la fase de repulsión dura 0,2 s, entonces desarrolla una potencia de unos 3,5 kW. Al caminar, una persona realiza un trabajo, ya que la energía se gasta en pequeñas elevaciones periódicas de las extremidades, principalmente las piernas.

El trabajo llega a cero si no hay movimiento. Por lo tanto, cuando la carga está sobre un soporte o plataforma, o suspendida de un poste, la gravedad no realiza ningún trabajo. Sin embargo, si mantiene un peso o mancuerna inmóvil sobre un brazo extendido, se nota fatiga de los músculos del brazo y el hombro. De la misma manera, los músculos de la espalda y región lumbar se cansan si se coloca una carga sobre la espalda de una persona sentada.

12. Vibraciones mecánicas

Los movimientos repetitivos (o cambios de estado) se denominan oscilaciones (corriente eléctrica alterna, fenómeno del péndulo, trabajo del corazón, etc.). Distinguir:

1) oscilaciones libres o naturales: oscilaciones que ocurren en ausencia de influencias externas variables en un sistema oscilatorio y surgen como resultado de cualquier desviación inicial de este sistema de su estado de equilibrio estable;

2) oscilaciones forzadas - oscilaciones durante las cuales el sistema oscilante está expuesto a una fuerza externa que cambia periódicamente;

3) las oscilaciones armónicas son oscilaciones en las que el desplazamiento cambia según la ley del seno o del coseno según el tiempo. La velocidad y la aceleración de un punto a lo largo del eje X son iguales, respectivamente:

donde tu₀= Aw - amplitud de velocidad;

a₀ =Ay² =u₀w es la amplitud de aceleración;

4) oscilaciones amortiguadas: oscilaciones con valores de amplitud de oscilaciones que disminuyen en el tiempo, debido a la pérdida de energía por parte del sistema oscilatorio para vencer la fuerza de resistencia.

El período de oscilaciones amortiguadas depende del coeficiente de fricción y está determinado por la fórmula:

Con muy poca fricción (β² <<ω₀²) el período de la oscilación amortiguada es cercano al período de la oscilación libre no amortiguada

En la práctica, el grado de amortiguamiento a menudo se caracteriza por el decremento de amortiguamiento logarítmico s:

donde Nl es el número de oscilaciones durante las cuales la amplitud de oscilación disminuye l veces. El coeficiente de amortiguamiento y el decremento de amortiguamiento logarítmico están relacionados por una relación bastante simple:

l = bT;

5) oscilaciones forzadas: oscilaciones que ocurren en el sistema con la participación de una fuerza externa. La ecuación de movimiento de oscilaciones forzadas tiene la forma:

donde F es la fuerza impulsora.

La fuerza impulsora cambia según la ley armónica F = F₀ coswt.

13. Agua mecánica

Las ondas mecánicas son perturbaciones que se propagan en el espacio y transportan energía. Hay dos tipos de ondas mecánicas: ondas elásticas y ondas en la superficie de los líquidos.

Las ondas elásticas surgen debido a los enlaces existentes entre las partículas del medio: el movimiento de una partícula desde la posición de equilibrio provoca el movimiento de las partículas vecinas.

Una onda transversal es una onda cuya dirección y propagación son perpendiculares a la dirección de oscilación de los puntos del medio.

Una onda longitudinal es una onda cuya dirección y propagación coinciden con la dirección de oscilación de los puntos del medio.

La superficie de onda de una onda armónica es una superficie conectada individualmente en un medio, que es geométricamente o en fase (en una fase) una serie de puntos oscilantes del medio con una onda viajera armónica.

El frente de onda es la superficie de onda más lejana en ese momento, donde la onda ha llegado hasta ese momento.

Una onda plana es una onda cuyo frente es un plano perpendicular al de propagación de la onda.

Onda esférica - una onda cuyo frente es una superficie esférica con un radio que coincide con la dirección de propagación de la onda.

Principio de Huygens. Cada punto del medio, al que ha llegado la perturbación, se convierte en una fuente de ondas esféricas secundarias. Velocidad de propagación de onda (fase) - la velocidad de propagación de una superficie de igual fase para una onda armónica.

La velocidad de la onda es igual al producto de la frecuencia de las oscilaciones en la onda y la longitud de onda:

norte = lυ.

Una onda estacionaria es un estado del medio en el que la ubicación de los máximos y mínimos de los movimientos de los puntos oscilantes no cambia en el tiempo.

Ondas elásticas: perturbaciones elásticas que se propagan en medios sólidos, líquidos y gaseosos (por ejemplo, ondas que surgen en la corteza terrestre durante un terremoto, ondas sonoras y ultrasónicas en cuerpos gaseosos, líquidos y sólidos).

Las ondas de choque son un ejemplo común de onda mecánica. Onda sonora: movimientos oscilatorios de partículas de un medio elástico, que se propagan en forma de ondas elásticas (compresión, deformaciones cortantes, que se transmiten mediante ondas de un punto del medio a otro) en un medio gaseoso, líquido y sólido. Las ondas sonoras que actúan sobre los órganos auditivos humanos son capaces de provocar sensaciones sonoras si las frecuencias de las vibraciones que les corresponden se encuentran entre 16 y 2 h 104 Hz (sonidos audibles). Las ondas elásticas con frecuencias inferiores a 16 Hz se denominan infrasonidos y aquellas con frecuencias superiores a 16 Hz se denominan ultrasonidos. La velocidad del sonido es la velocidad de fase de las ondas sonoras en un medio elástico. La velocidad del sonido es diferente en diferentes entornos. La velocidad del sonido en el aire es de 330-340 m/s (dependiendo del estado del aire).

La intensidad de un sonido está relacionada con la energía de las oscilaciones en la fuente y en la onda y, por tanto, depende de la amplitud de las oscilaciones. Tono del sonido: la calidad del sonido, determinada subjetivamente por una persona de oído y dependiendo principalmente de la frecuencia del sonido.

14. Efecto Doppler

El efecto Doppler es un cambio en la frecuencia de las ondas registradas por el receptor, que se produce debido al movimiento de la fuente de estas ondas y del receptor. Por ejemplo, cuando un tren en rápido movimiento se acerca a un observador parado, el tono de la señal sonora de este último es más alto, y cuando el tren se aleja, es más bajo que el tono de la señal dada por el mismo tren cuando está. parado en la estación.

Imaginemos que el observador se acerca con una velocidad v a una fuente de ondas inmóvil con respecto al medio. Al mismo tiempo, encuentra más ondas en un mismo intervalo de tiempo que en ausencia de movimiento. Esto significa que la frecuencia percibida vy es mayor que la frecuencia de la onda emitida por la fuente. Pero si la longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de propagación de la onda están relacionadas por:

El efecto Doppler se puede utilizar para determinar la velocidad de un cuerpo en un medio. Para la medicina, esto es de particular importancia. Por ejemplo, considere este caso. El generador de ultrasonido se combina con el receptor en forma de algún sistema técnico.

El sistema técnico es inmóvil en relación con el entorno.

En un medio con velocidad u₀ un objeto (cuerpo) se mueve. El generador emite ultrasonidos con una frecuencia v₁. El objeto en movimiento percibe la frecuencia v₁, que se puede encontrar mediante la fórmula:

donde v es la velocidad de propagación de una onda mecánica (ultrasonido).

En aplicaciones médicas, la velocidad del ultrasonido es mucho mayor que la velocidad del objeto.

(tú > tú₀). Para estos casos tenemos:

El efecto Doppler se utiliza para determinar la velocidad del flujo sanguíneo, la velocidad de movimiento de las válvulas y paredes del corazón (ecocardiografía Doppler) y otros órganos; flujo de energía de las olas. El proceso ondulatorio está asociado con la propagación de la energía. Una característica cuantitativa de la energía es el flujo de energía.

El flujo de energía de las olas es igual a la relación entre la energía transportada por las olas a través de una determinada superficie y el tiempo durante el cual se transfirió esta energía:

La unidad de flujo de energía de las olas es el vatio (W).

El flujo de energía de las olas relacionado con el área orientada perpendicularmente a la dirección de propagación de las olas se denomina densidad de flujo de energía de las olas o intensidad de las olas.

15. Acústica

La acústica es un campo de la física que estudia las vibraciones y ondas elásticas desde las frecuencias más bajas hasta las más altas (1012-1013 Hz). La acústica moderna cubre una amplia gama de temas, tiene varias secciones: acústica física, que estudia las características de la propagación de ondas elásticas en varios medios, acústica fisiológica, que estudia la estructura de recepción y formación de sonido. órganos en humanos y animales, etc.

La acústica se entiende como la doctrina del sonido, es decir, vibraciones y ondas elásticas en gases, líquidos y sólidos, percibidas por el oído humano (frecuencias de 16 a 20 Hz).

La audición es un objeto de sensaciones auditivas, por lo tanto, una persona la evalúa subjetivamente. Al percibir los tonos, una persona los distingue por su altura.

El tono es una característica subjetiva, determinada principalmente por la frecuencia del tono fundamental. En mucha menor medida, el tono depende de la complejidad del tono y de su intensidad: un sonido de mayor intensidad se percibe como un sonido de un tono más bajo.

El timbre de un sonido está determinado casi exclusivamente por su composición espectral. Diferentes espectros acústicos corresponden a diferentes timbres, aunque el tono fundamental y, por lo tanto, el tono son los mismos.

El volumen caracteriza el nivel de sensación auditiva. Aunque subjetivo, el volumen se puede cuantificar comparando la sensación auditiva de dos fuentes. La creación de la escala de niveles de sonoridad se basa en la ley psicofísica de Weber-Fechner. Según esta ley, si el estímulo aumenta exponencialmente (es decir, el mismo número de veces), entonces la sensación de este estímulo aumenta en progresión aritmética (es decir, la misma cantidad). Con respecto al sonido, esto significa que si la intensidad del sonido toma una serie de valores sucesivos, por ejemplo, a10, a210, a310 (a es un determinado coeficiente, a > I), etc., entonces la sensación de El volumen del sonido correspondiente a ellos es igual a E0, 2E0, 3E0, etc. E. Matemáticamente, esto significa que el volumen de un sonido es proporcional al logaritmo de la intensidad del sonido. Si hay dos estímulos sonoros con intensidades I y I₀, y yo₀ - el umbral de audición, luego, sobre la base de la ley de Weber-Fechner, el volumen relativo a él está relacionado con las intensidades de la siguiente manera:

donde k es un factor de proporcionalidad en función de la frecuencia y la intensidad. El método para medir la agudeza del sonido se llama audiometría. Con audiometría en un dispositivo especial (audiómetro), se determina el umbral de la sensación auditiva a diferentes frecuencias; la curva resultante se llama audiograma. La comparación de un audiograma de una persona enferma con una curva de umbral auditivo normal ayuda a diagnosticar una enfermedad de los órganos auditivos.

16. Base física de métodos sólidos de investigación en la clínica.

El sonido, como la luz, es una fuente de información y éste es su principal significado. Los sonidos de la naturaleza, el habla de las personas que nos rodean, el ruido de las máquinas en funcionamiento nos dicen mucho. Para imaginar el significado del sonido para una persona, basta con privarse temporalmente de la capacidad de percibir el sonido: cerrar los oídos. Naturalmente, el sonido también puede ser una fuente de información sobre el estado de los órganos internos humanos.

Un método de sonido común para diagnosticar enfermedades es la auscultación (escuchar). Para la auscultación se utiliza un estetoscopio o fonendoscopio. El fonendoscopio consiste en una cápsula hueca con una membrana que transmite el sonido aplicada al cuerpo del paciente, los tubos de goma van desde ella hasta el oído del médico. En la cápsula hueca se produce la resonancia de la columna de aire, por lo que se amplifica el sonido y mejora la auscultación. Durante la auscultación de los pulmones, se escuchan sonidos respiratorios, varias sibilancias, características de las enfermedades. Al cambiar los sonidos del corazón y la apariencia del ruido, se puede juzgar el estado de la actividad cardíaca. Usando la auscultación, puede establecer la presencia de peristalsis del estómago y los intestinos, escuchar los latidos del corazón del feto.

Para la escucha simultánea del paciente por parte de varios investigadores con fines educativos o durante una consulta, se utiliza un sistema que incluye micrófono, amplificador y altavoz o varios teléfonos.

Para diagnosticar el estado de la actividad cardíaca se utiliza un método similar a la auscultación y denominado fonocardiografía (FCG). Este método consiste en el registro gráfico de los sonidos y soplos cardíacos y su interpretación diagnóstica. Un fonocardiograma se registra mediante un fonocardiógrafo, que consta de un micrófono, un amplificador, un sistema de filtros de frecuencia y un dispositivo de grabación.

Fundamentalmente diferente de los dos métodos de sonido descritos anteriormente es la percusión. Con este método, el sonido de partes individuales del cuerpo se escucha cuando se golpean. Esquemáticamente, el cuerpo humano se puede representar como una combinación de volúmenes llenos de gas (pulmones), líquidos (órganos internos) y sólidos (huesos). Al golpear la superficie del cuerpo, se producen oscilaciones, cuyas frecuencias tienen un amplio rango. A partir de este rango, algunas oscilaciones se extinguirán con bastante rapidez, mientras que otras, coincidiendo con las oscilaciones naturales de los vacíos, se intensificarán y, debido a la resonancia, serán audibles. Un médico experimentado determina el estado y la ubicación (tonografía) de los órganos internos por el tono de los sonidos de percusión.

17. Física de la audición

El sistema auditivo conecta al receptor directo de la onda sonora con el cerebro.

Usando los conceptos de la cibernética, podemos decir que el sistema auditivo recibe, procesa y transmite información. De todo el sistema auditivo, para la consideración de la física de la audición, se distinguen el oído externo, medio e interno.

El oído externo está formado por la aurícula y el meato auditivo externo. La aurícula en humanos no juega un papel importante en la audición. Ayuda a determinar la localización de la fuente de sonido en su ubicación: el sonido de la fuente ingresa a la aurícula. Dependiendo de la posición de la fuente en el plano vertical, las ondas sonoras se difractarán de forma diferente en el pabellón auricular debido a su forma específica. Esto también conduce a un cambio diferente en la composición espectral de la onda sonora que ingresa al canal auditivo. Una persona ha aprendido a asociar el cambio en el espectro de una onda sonora con la dirección hacia la fuente del sonido.

Diferentes direcciones hacia la fuente de sonido en el plano horizontal corresponderán a la diferencia de fase. Se cree que una persona con audición normal puede fijar direcciones hacia la fuente de sonido con una precisión de 3°, esto corresponde a una diferencia de fase de -6°. Por lo tanto, se puede suponer que una persona es capaz de distinguir el cambio en la diferencia de fase de las ondas sonoras que ingresan a sus oídos con una precisión de 6 °.

Además de la diferencia de fase, el efecto binaural se ve facilitado por la diferencia de intensidades de sonido en diferentes oídos, así como por la "sombra acústica" desde la cabeza hasta un oído.

El canal auditivo humano mide aproximadamente 2,3 cm de largo; por lo tanto, la resonancia acústica ocurre a una frecuencia:

Las partes más esenciales del oído medio son la membrana timpánica y los huesecillos auditivos: el martillo, el yunque y el estribo con los músculos, tendones y ligamentos correspondientes.

El sistema de huesos en un extremo está conectado con la membrana timpánica mediante un martillo, en el otro, mediante un estribo con una ventana ovalada del oído interno. La presión del sonido actúa sobre la membrana timpánica, lo que provoca una fuerza F₁ = P₁ S₁ (P₁ - presión sonora, S₁ - cuadrado).

El sistema de huesecillos funciona como una palanca, con un aumento de fuerza del oído interno en los humanos de 1,3 veces. Otra de las funciones del oído medio es la debilitación de la transmisión de vibraciones en el caso de un sonido de gran intensidad.

La cóclea humana es una formación ósea de unos 3,5 mm de largo y tiene la forma de una espiral en forma de cápsula con 2-3/4 verticilos. Tres canales recorren la cóclea. Uno de ellos, que parte de la ventana ovalada, se llama escala vestibular. Otro canal sale de la ventana redonda, se llama escalera timpánica. La escala vestibular y timpánica están conectadas en la región de la cúpula de la cóclea a través de una pequeña abertura: el helicotrema. Entre el canal coclear y la rampa timpánica, la membrana principal (basilar) corre a lo largo de la cóclea. En él se encuentra el órgano de Corti, que contiene células receptoras (ciliadas), de la cóclea sale el nervio auditivo.

18. Ultrasonido y su aplicación en medicina.

El ultrasonido es una vibración mecánica de alta frecuencia de partículas de un medio sólido, líquido o gaseoso, inaudible para el oído humano. La frecuencia de las oscilaciones de ultrasonido está por encima de 20 por segundo, es decir, por encima del umbral de audición.

Para fines terapéuticos se utiliza el ultrasonido con una frecuencia de 800 a 000 de vibraciones por segundo. Los dispositivos llamados transductores ultrasónicos se utilizan para generar ultrasonido.

Los emisores electromecánicos más utilizados. El uso de la ecografía en medicina está asociado a las peculiaridades de su distribución y propiedades características. Por naturaleza física, el ultrasonido, como el sonido, es una onda mecánica (elástica). Sin embargo, la longitud de onda del ultrasonido es mucho menor que la longitud de onda de la onda sonora. Cuanto mayores sean las distintas impedancias acústicas, más fuerte será la reflexión y refracción del ultrasonido en el límite de medios diferentes. La reflexión de las ondas ultrasónicas depende del ángulo de incidencia sobre la zona afectada: cuanto mayor es el ángulo de incidencia, mayor es el coeficiente de reflexión.

En el cuerpo, los ultrasonidos con una frecuencia de 800-1000 kHz se propagan a una profundidad de 8-10 cm, y con una frecuencia de 2500-3000 Hz, de 1,0 a 3,0 cm. Los tejidos absorben el ultrasonido de manera desigual: cuanto mayor es la frecuencia acústica densidad, menor será la absorción.

Tres factores actúan sobre el cuerpo humano durante la terapia de ultrasonido:

1) micromasaje mecánico - vibratorio de células y tejidos;

2) térmico: un aumento en la temperatura de los tejidos y la permeabilidad de las membranas celulares;

3) físico y químico: estimulación del metabolismo de los tejidos y procesos de regeneración.

El efecto biológico de los ultrasonidos depende de su dosis, que puede ser estimulante, depresora o incluso destructiva para los tejidos. Las más adecuadas para efectos terapéuticos y profilácticos son pequeñas dosis de ultrasonido (hasta 1,2 W/cm2), especialmente en el modo pulsado. Son capaces de proporcionar acción analgésica, antiséptica (antimicrobiana), vasodilatadora, resolutiva, antiinflamatoria, desensibilizante (antialérgica).

En la práctica de fisioterapia, se utilizan principalmente dispositivos domésticos de tres series: UZT-1, UZT-2, UZT-3.

El ultrasonido no se aplica en el área del cerebro, vértebras cervicales, prominencias óseas, áreas de huesos en crecimiento, tejidos con trastornos circulatorios graves, el abdomen durante el embarazo, el escroto. Con precaución, el ultrasonido se usa en la región del corazón, órganos endocrinos.

Distinguir entre ultrasonido continuo y pulsado. El ultrasonido continuo se denomina flujo continuo de ondas ultrasónicas. Este tipo de radiación se usa principalmente para afectar los tejidos blandos y las articulaciones. El ultrasonido pulsado es una radiación discontinua, es decir, el ultrasonido se envía en pulsos separados a ciertos intervalos.

19. Hidrodinámica

La hidrodinámica es una rama de la física que estudia las cuestiones del movimiento de fluidos incompresibles y su interacción con los cuerpos sólidos circundantes, la teoría de las deformaciones y la fluidez de una sustancia.

El conjunto de métodos para medir la viscosidad se denomina viscometría, y los instrumentos utilizados para tales fines se denominan viscosímetros. El método más común de viscometría, la capilar, consiste en medir el tiempo de flujo a través de un capilar de un líquido de masa conocida bajo la acción de la gravedad con una determinada caída de presión. Se utiliza un viscosímetro capilar para determinar la viscosidad de la sangre.

También se utilizan viscosímetros rotacionales, en los que el líquido se encuentra en el espacio entre dos cuerpos coaxiales, como por ejemplo cilindros. Uno de los cilindros (rotor) gira, mientras que el otro está inactivo. La viscosidad se mide por la velocidad angular del rotor, que crea un cierto momento de fuerza sobre un cilindro estacionario, o por el momento de fuerza que actúa sobre un cilindro estacionario, o por el momento de fuerza que actúa sobre un cilindro estacionario, en un momento dado. Velocidad angular de rotación del rotor. Con la ayuda de viscosímetros rotacionales, se determina la viscosidad de los líquidos: aceites lubricantes, silicatos y metales fundidos, barnices y adhesivos de alta viscosidad, soluciones de arcilla.

Actualmente, la clínica utiliza un viscosímetro Hess con dos capilares para determinar la viscosidad de la sangre. En el viscosímetro de Hess, el volumen de sangre es siempre el mismo, y el volumen de agua se mide por divisiones en el tubo, por lo que el valor de la viscosidad relativa de la sangre se obtiene directamente. La viscosidad de la sangre humana es normalmente de 0,4 a 0,5 Pas, con patología varía de 0,17 a 2,23 Pas, lo que afecta la tasa de sedimentación de eritrocitos (VSG). La sangre venosa tiene una viscosidad ligeramente mayor que la sangre arterial.

Flujos laminares y turbulentos. número de Reynolds. El flujo de fluido puede ser estratificado o laminar. Un aumento en la velocidad de flujo de un fluido viscoso debido a la falta de homogeneidad de la presión en la sección transversal de la tubería crea un remolino y el movimiento se convierte en vórtice o turbulento.

En un flujo turbulento, la velocidad de las partículas en cada lugar cambia al azar, el movimiento es inestable.

La viscosidad cinemática, más completamente que la dinámica, tiene en cuenta la influencia de la fricción interna en la naturaleza del flujo de un líquido o gas. Así, la viscosidad del agua es aproximadamente 100 veces mayor que la del aire (a 0 °C), pero la viscosidad cinemática del agua es 10 veces menor que la del aire y, por lo tanto, la viscosidad tiene un efecto más fuerte sobre la naturaleza del flujo de aire que el agua. La naturaleza del flujo de líquido o gas depende del tamaño de la tubería.

El flujo de sangre en las arterias normalmente es laminar, con ligeras turbulencias cerca de las válvulas. En patología, cuando la viscosidad es inferior a la normal, el número de Reynolds puede ser superior al valor crítico y el movimiento se vuelve turbulento.

20. Propiedades mecánicas de sólidos y tejidos biológicos

Un rasgo característico de un cuerpo sólido es la capacidad de conservar su forma. Los sólidos se pueden dividir en cristalinos y amorfos.

Una característica distintiva del estado cristalino es la anisotropía: la dependencia de las propiedades físicas (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas) de la dirección. La razón de la anisotropía de los cristales radica en la disposición ordenada de los átomos o moléculas a partir de las cuales están formados, que se manifiesta en el correcto facetado externo de los cristales individuales individuales. Sin embargo, como regla general, los cuerpos cristalinos se encuentran en forma de policristales, un conjunto de conjuntos de pequeños cristales individuales (cristalitos) intercalados y orientados aleatoriamente. Dependiendo de la naturaleza de las partículas en los nodos y de la naturaleza de las fuerzas de interacción, se distinguen 4 tipos de redes cristalinas: iónica, atómica, metálica y molecular. Los iones metálicos positivos se encuentran en todos los nodos de la red metálica. Los electrones se mueven aleatoriamente entre ellos.

La principal característica de la estructura interna de los cuerpos en estado amorfo es la estricta repetición en la disposición de los átomos o grupos de átomos en todas las direcciones a lo largo de todo el cuerpo. Los cuerpos amorfos en las mismas condiciones tienen mayor volumen que los cristales, volumen específico, entropía y energía interna. El estado amorfo es característico de sustancias de naturaleza muy diferente. A baja presión y alta temperatura, las sustancias en este estado son muy móviles: las de bajo peso molecular son líquidas, las de alto peso molecular se encuentran en un estado muy elástico. Con una disminución de la temperatura y un aumento de la presión, la movilidad de las sustancias amorfas disminuye y todas se vuelven sólidas.

Los polímeros son sustancias cuyas moléculas son largas cadenas compuestas por una gran cantidad de átomos o grupos atómicos unidos por enlaces químicos. La peculiaridad de la estructura química de los polímeros también determina sus propiedades físicas especiales. Los materiales poliméricos incluyen casi todos los materiales vivos y vegetales, como lana, cuero, cuerno, pelo, seda, algodón, caucho natural y otros, así como todo tipo de materiales sintéticos: caucho sintético, plásticos, fibras, etc.

De gran interés para la medicina son los adhesivos tisulares (por ejemplo, alquil-a-cianoacrilatos, p-butil-a-zinocrilato), que se polimerizan rápidamente en una película, que se utilizan para cerrar heridas sin sutura.

Los cristales líquidos son sustancias que tienen propiedades tanto de líquidos como de cristales. En términos de propiedades mecánicas, estas sustancias son similares a los líquidos: fluyen. Según la naturaleza del orden molecular, se distinguen los cristales líquidos nemáticos y esmécticos. En los cristales líquidos nemáticos, las moléculas están orientadas en paralelo, pero sus centros están ubicados al azar. Los cristales esmécticos constan de capas paralelas en las que se ordenan las moléculas. Una clase especial la forman los cristales de tipo colestérico (su estructura es característica de los compuestos que contienen colesterol).

21. Propiedades mecánicas de los tejidos biológicos

Bajo las propiedades mecánicas de los tejidos biológicos entendemos sus dos variedades. Uno está relacionado con los procesos de movilidad biológica: contracción muscular de los animales, crecimiento celular, movimiento de los cromosomas en las células durante su división, etc. Estos procesos son provocados por procesos químicos y son provistos de energía por el ATP, su naturaleza se considera en el curso de bioquimica Convencionalmente, este grupo se denomina propiedades mecánicas activas de los sistemas biológicos.

Hueso. El hueso es el material principal del sistema musculoesquelético. Dos tercios de la masa del tejido óseo compacto (0,5 volumen) está formado por material inorgánico, la sustancia mineral del hueso es hidroxilantita 3 Ca3 (PO) x Ca (OH) 2. Esta sustancia se presenta en forma de cristales microscópicos.

La densidad del tejido óseo es de 2400 kg/m3, sus propiedades mecánicas dependen de muchos factores, incluyendo la edad, las condiciones individuales de crecimiento del organismo y, por supuesto, el sitio del organismo. La estructura del hueso le confiere las propiedades mecánicas necesarias: dureza, elasticidad y resistencia.

Cuero. Se compone de fibras de colágeno y elastina y el tejido principal: la matriz. El colágeno tiene aproximadamente un 75% de peso seco y la elastina aproximadamente un 4%. La elastina se estira mucho (hasta un 200-300%), como el caucho. El colágeno puede estirarse hasta un 10%, lo que corresponde a la fibra de nailon.

Así, la piel es un material viscoelástico con propiedades muy elásticas, se estira y alarga bien.

Músculos. Los músculos están formados por tejido conectivo formado por fibras de colágeno y elastina. Por lo tanto, las propiedades mecánicas de los músculos son similares a las propiedades mecánicas de los polímeros. El comportamiento mecánico de un músculo esquelético es el siguiente: cuando los músculos se estiran rápidamente en una cierta cantidad, la tensión aumenta bruscamente y luego disminuye. Con una mayor deformación, se produce un aumento de las distancias interatómicas en las moléculas.

Tejido de vasos sanguíneos (tejido vascular). Las propiedades mecánicas de los vasos sanguíneos están determinadas principalmente por las propiedades del colágeno, la elastina y las fibras musculares lisas. El contenido de estos componentes del tejido vascular cambia a lo largo del sistema circulatorio: la proporción de elastina a colágeno en la arteria carótida común es de 2: 1, y en la arteria femoral, de 1: 2. A medida que se aleja del corazón, aumenta la proporción de fibras musculares lisas, en las arteriolas ya son el componente principal del tejido vascular.

En un estudio detallado de las propiedades mecánicas del tejido vascular, se distingue cómo se extrae la muestra del vaso (a lo largo oa través del vaso). Es posible considerar la deformación del recipiente en su conjunto como resultado de la acción de la presión desde el interior sobre el cilindro elástico. Dos mitades de un recipiente cilíndrico interactúan entre sí a lo largo de las secciones de las paredes del cilindro. El área total de esta sección transversal de interacción es 2hl. Si hay una tensión mecánica s en la pared vascular, entonces la fuerza de interacción entre las dos mitades del vaso es igual a:

F = sx2hl.

22. Cuestiones físicas de hemodinámica.

La hemodinámica es un campo de la biomecánica que estudia el movimiento de la sangre a través del sistema vascular. La base física de la hemodinámica es la hidrodinámica.

Existe una relación entre el volumen sistólico de sangre (el volumen de sangre expulsado por el ventrículo del corazón en una sístole), la resistencia hidráulica de la parte periférica del sistema circulatorio X0 y el cambio de presión en las arterias: desde el la sangre está en un depósito elástico, su volumen en cualquier momento depende de la presión p de acuerdo con la siguiente relación:

v=v₀ +kp,

donde k - elasticidad, elasticidad del depósito;

v₀ - volumen del tanque en ausencia de presión (p = 0).

El reservorio elástico (arterias) recibe sangre del corazón, la tasa de flujo sanguíneo volumétrico es igual a Q.

La sangre fluye desde el reservorio elástico con una tasa de flujo sanguíneo volumétrico Q₀ en el sistema periférico (arteriolas, capilares). Puedes hacer una ecuación bastante obvia:

mostrando que la velocidad volumétrica del flujo de sangre desde el corazón es igual a la tasa de aumento en el volumen del depósito elástico.

onda de pulso. Cuando el músculo cardíaco se contrae (sístole), la sangre es expulsada del corazón hacia la aorta y las arterias que se extienden desde ella. Si las paredes de estos vasos fueran rígidas, entonces la presión que surge en la sangre en la salida del corazón se transmitiría a la periferia a la velocidad del sonido. La presión arterial sistólica humana normal es de aproximadamente 16 kPa. Durante la relajación del corazón (diástole), los vasos sanguíneos distendidos disminuyen y la energía potencial que les comunica el corazón a través de la sangre se convierte en energía cinética del flujo sanguíneo, mientras se mantiene una presión diastólica de aproximadamente 11 kPa. La onda del pulso se propaga a una velocidad de 5 a 10 m/s e incluso más. La viscosidad de la sangre y las propiedades elástico-viscosas de las paredes del vaso reducen la amplitud de la onda. Puedes escribir la siguiente ecuación para una onda de pulso armónica:

donde p₀ - amplitud de presión en la onda del pulso;

x - distancia a un punto arbitrario desde la fuente de vibraciones (corazón);

t - tiempo;

w - frecuencia circular de oscilaciones;

c es una constante que determina la atenuación de la onda.

La longitud de onda del pulso se puede encontrar a partir de la fórmula:

donde E es el módulo de elasticidad;

p es la densidad de la sustancia del recipiente;

h es el espesor de la pared del vaso;

d es el diámetro del vaso.

23. Trabajo y poder del corazón. máquina corazón-pulmón

El trabajo realizado por el corazón se gasta en vencer la resistencia y comunicar energía cinética a la sangre.

Calcular el trabajo realizado con una sola contracción del ventrículo izquierdo.

V_у - volumen sistólico de sangre en forma de cilindro. Podemos suponer que el corazón suministra este volumen a través de la aorta con una sección transversal S a una distancia I a una presión media p. El trabajo realizado es igual a:

A1=FI=pSI=pV_y.

El trabajo invertido en la comunicación de energía cinética a este volumen de sangre es:

donde p es la densidad de la sangre;

υ - velocidad de la sangre en la aorta.

Así, el trabajo del ventrículo izquierdo del corazón durante la contracción es:

Dado que el trabajo del ventrículo derecho se toma igual a 0,2 del trabajo del izquierdo, el trabajo de todo el corazón con una sola contracción es igual a:

Esta fórmula es válida tanto para el estado de reposo como para el estado activo del cuerpo, pero estos estados se diferencian en diferentes caudales sanguíneos. Fundamentos físicos del método químico para medir la presión arterial. El parámetro físico, la presión arterial, juega un papel importante en el diagnóstico de muchas enfermedades.

La presión sistólica y diastólica en cualquier arteria se puede medir directamente con una aguja conectada a un manómetro. Sin embargo, en medicina se utiliza ampliamente el método sin sangre propuesto por N. S. Korotkov. La esencia del método: se coloca un brazalete alrededor del brazo entre el hombro y el codo. Al bombear aire a través de la manguera hacia el brazalete, el brazo se comprime. Luego, se libera aire a través de la misma manguera y se mide la presión del aire en el brazalete con un manómetro. Liberando aire, reduzca la presión en el manguito y en los tejidos blandos con los que entra en contacto. Cuando la presión se vuelve igual a la sistólica, la sangre podrá atravesar la arteria exprimida y se producirá un flujo turbulento. El médico escucha los tonos y ruidos característicos que acompañan a este proceso al medir la presión, colocando el fonendoscopio en la arteria debajo del manguito (es decir, a gran distancia del corazón). Continuando reduciendo la presión en el manguito, es posible restablecer el flujo laminar de sangre, que se nota por un fuerte debilitamiento de los tonos audibles. La presión del manguito correspondiente a la restauración del flujo laminar en la arteria se registra como diastólica. Para medir la presión arterial, se utilizan dispositivos: un esfigmomanómetro con un manómetro de mercurio, un esfigmotonómetro con un manómetro de membrana metálica.

24. Termodinámica

La termodinámica se entiende como una rama de la física que considera sistemas entre los que se puede intercambiar energía sin tener en cuenta la estructura microscópica de los cuerpos que componen el sistema. Se hace una distinción entre la termodinámica de los sistemas en equilibrio (o sistemas que pasan al equilibrio) y la termodinámica de los sistemas que no están en equilibrio, que juega un papel especial en la consideración de los sistemas biológicos.

Conceptos básicos de termodinámica. Primera ley de la termodinámica. El estado de un sistema termodinámico se caracteriza por cantidades físicas llamadas parámetros (como volumen, presión, temperatura, densidad, etc.). Si los parámetros del sistema durante su interacción con los cuerpos circundantes no cambian con el tiempo, entonces el estado del sistema se denomina estacionario. En diferentes partes de un sistema que se encuentra en estado estacionario, los valores de los parámetros suelen diferir: temperatura en diferentes partes del cuerpo humano, concentración de moléculas difusoras en diferentes partes de la membrana biológica, etc. El estado estacionario es mantenido debido a los flujos de energía y sustancias que pasan a través del sistema. En un estado estacionario, puede haber sistemas que intercambien energía y materia con los sistemas circundantes (sistemas abiertos), o que intercambien solo energía (sistemas cerrados).

Un sistema termodinámico que no intercambia ni energía ni materia con los cuerpos circundantes se llama aislado. Un sistema aislado eventualmente llega a un estado de equilibrio termodinámico. En este estado, al igual que en el estado estacionario, los parámetros del sistema permanecen sin cambios en el tiempo. Sin embargo, es fundamental que en el estado de equilibrio los parámetros que no dependen de la masa o número de partículas (presión, temperatura, etc.) sean los mismos en diferentes partes de este sistema. Cualquier sistema termodinámico no estará aislado, ya que es imposible rodearlo con una capa que no conduzca el calor.

Un sistema aislado se considera un modelo termodinámico conveniente. La ley de conservación de la energía para los procesos térmicos se formula como la primera ley de la termodinámica. La cantidad de calor transferido al sistema cambia la energía interna del sistema y el rendimiento del trabajo por parte del sistema. La energía interna de un sistema se entiende como la suma de las energías cinética y potencial de las partículas que componen el sistema.

La energía interna es función del estado del sistema y tiene un valor bien definido para este estado: DU es la diferencia entre dos valores de la energía interna correspondientes al estado final e inicial del sistema:

DU=T₂- U₁

La cantidad de calor, como el trabajo, es una función del proceso, no del estado. La primera ley de la termodinámica se puede escribir como:

dQ = dU + dA.

Los valores de Q, A, DU y dQ, dA, dU pueden ser positivos (cuerpos externos transfieren calor al sistema, aumenta la energía interna) o negativos (se elimina calor del sistema, disminuye la energía interna).

25. La segunda ley de la termodinámica. entropía

Hay varias formulaciones de la segunda ley de la termodinámica: el calor por sí solo no puede transferirse de un cuerpo con una temperatura más baja a un cuerpo con una temperatura más alta (formulación de Clausius), o una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible (formulación de Thomson) .

Un proceso se llama reversible si es posible completar el proceso inverso a través de todos los estados intermedios de modo que después de que el sistema regrese a su estado original, no ocurran cambios en los cuerpos circundantes.

La eficiencia de un motor térmico, o ciclo directo, es la relación entre el trabajo realizado y la cantidad de calor recibido por la sustancia de trabajo del calentador:

Dado que el trabajo de una máquina térmica se realiza debido a la cantidad de calor, y la energía interna de la sustancia de trabajo no cambia por ciclo (DU = 0), se deduce de la primera ley de la termodinámica que el trabajo en procesos circulares es igual a la suma algebraica de las cantidades de calor:

Una = Q₁ + Q₂.

Por lo tanto:

Cantidad de calor Q₁, recibida por la sustancia de trabajo, es positiva, la cantidad de calor Q2 que la sustancia de trabajo da al refrigerador es negativa.

La suma de las cantidades reducidas de calor para un proceso reversible se puede representar como la diferencia entre dos valores de alguna función de estado del sistema, lo que se denomina entropía:

donde s₂ y S₁ - entropía, respectivamente, en el segundo final y en el primer estado inicial.

La entropía es una función del estado del sistema, cuya diferencia entre los valores para dos estados es igual a la suma de las cantidades reducidas de calor durante la transición reversible del sistema de un estado a otro.

El significado físico de la entropía:

Si el sistema ha pasado de un estado a otro, entonces, independientemente de la naturaleza del proceso, el cambio de entropía se calcula mediante la fórmula para cualquier proceso reversible que ocurra entre estos estados:

donde Q es la cantidad total de calor recibido por el sistema durante la transición del primer estado al segundo estado a una temperatura constante T. Esta fórmula se usa para calcular el cambio de entropía en procesos como fusión, vaporización, etc.

26. Estado estacionario

El principio de producción de entropía. El cuerpo como sistema abierto.

La tendencia de los procesos termodinámicos en un sistema aislado se ha descrito anteriormente. Sin embargo, los procesos y estados reales de la naturaleza y la tecnología no están en equilibrio y muchos sistemas están abiertos.

Estos procesos y sistemas se consideran en termodinámica de no equilibrio. Así como en la termodinámica de equilibrio el estado de equilibrio es un estado especial, en la termodinámica de no equilibrio los estados estacionarios juegan un papel especial. A pesar de que en el estado estacionario los procesos necesarios que ocurren en el sistema (difusión, conducción de calor, etc.) aumentan la entropía, la entropía del sistema no cambia.

Representemos el cambio en la entropía DS del sistema como la suma de dos términos:

DS=DSi+DSl,

donde DSi - cambio de entropía debido a procesos irreversibles en el sistema; DSl es el cambio de entropía provocado por la interacción del sistema con cuerpos externos (flujos que atraviesan el sistema). La irreversibilidad de los procesos conduce a DSi > 0, la estacionariedad del estado - a DSi = 0; por lo tanto: DSl = DS - DSi < 0. Esto significa que la entropía de los productos (materia y energía) que entran al sistema es menor que la entropía de los productos que salen del sistema.

El desarrollo inicial de la termodinámica fue estimulado por las necesidades de la producción industrial. En esta etapa (siglo XIX), los principales logros fueron la formulación de leyes, el desarrollo de métodos de ciclos y potenciales termodinámicos en relación con procesos idealizados.

Los objetos biológicos son sistemas termodinámicos abiertos. Intercambian energía y materia con el medio ambiente. Para un organismo, un sistema estacionario, se puede escribir dS = 0, S = = const, dS i> 0, dSe < 0. Esto significa que una gran entropía debe estar en los productos excretores y no en los alimentos.

Bajo algunas condiciones patológicas, la entropía de un sistema biológico puede aumentar (dS > 0), esto se debe a la falta de estacionariedad, un aumento del desorden. La fórmula se puede representar:

o para estado estacionario

Esto demuestra que, en el estado normal del organismo, la tasa de cambio de entropía debida a procesos internos es igual a la tasa de cambio de entropía negativa debida al intercambio de materia y energía con el medio ambiente.

27. Termometría y calorimetría

Las mediciones precisas de temperatura son una parte integral de la investigación y el desarrollo, así como del diagnóstico médico.

Los métodos para obtener y medir temperaturas en un amplio rango son muy diferentes. El campo de la física en el que se estudian los métodos para medir la temperatura y temas relacionados se llama termometría. Dado que la temperatura está determinada por el valor de cualquier característica de una sustancia termométrica, su definición consiste en medir parámetros y propiedades físicas tales como volumen, presión, efectos eléctricos, mecánicos, ópticos, magnéticos, etc. Una variedad de métodos de medición de temperatura están asociados con un gran número de sustancias termométricas y las propiedades utilizadas en este.

Un termómetro, un dispositivo para medir la temperatura, consta de un elemento sensible en el que se realiza una propiedad termométrica y un dispositivo de medición (dilatómetro, manómetro, galvanómetro, potenciómetro, etc.). Una condición necesaria para medir la temperatura es el equilibrio térmico entre el elemento sensible y el cuerpo cuya temperatura se determina. Dependiendo de los rangos de temperatura medidos, los más habituales son los termómetros de líquido, gas, termómetros de resistencia, termopares como termómetros y pirómetros.

En un termómetro de líquido, la característica termométrica es el volumen, el elemento sensible es un depósito de líquido (normalmente mercurio o alcohol). Los pirómetros utilizan la intensidad de la radiación como propiedad termométrica.

Al medir temperaturas ultrabajas, los paramagnetos sirven como sustancias termométricas y la propiedad medida es la dependencia de su magnetización de la temperatura.

El termómetro de mercurio utilizado en medicina indica la temperatura máxima y se llama termómetro de máxima. Esta característica se debe a su diseño: el depósito de mercurio está separado del capilar graduado por un estrechamiento que no permite que el mercurio regrese al depósito cuando se enfría el termómetro. También existen termómetros de mínima que marcan la temperatura más baja observada durante un largo período de tiempo. Para ello, se utilizan termostatos, dispositivos en los que la temperatura se mantiene constante, lo que se realiza mediante reguladores automáticos o, para ello, utilizan la propiedad de cambios únicos para funcionar a una temperatura constante.

Para medir la cantidad de calor liberado o absorbido en diversos procesos físicos, químicos y biológicos, se utilizan varios métodos, la totalidad de los cuales constituye la calorimetría. Los métodos calorimétricos miden la capacidad calorífica de los cuerpos, el calor de las transiciones de fase, la disolución, la humectación, la adsorción, el calor que acompaña a las reacciones químicas, la energía de radiación, la desintegración radiactiva, etc.

Se realizan mediciones similares utilizando calorímetros.

28. Propiedades físicas de los medios fríos y calientes utilizados para el tratamiento

En medicina, con el propósito de calentar o enfriar localmente, se usan cuerpos calientes o fríos. Por lo general, se eligen medios relativamente accesibles para esto, algunos de ellos también pueden tener un efecto mecánico o químico útil.

Las propiedades físicas de dichos medios están determinadas por su finalidad. En primer lugar, es necesario que el efecto deseado se produzca en un tiempo relativamente largo. Por tanto, los medios utilizados deben tener una alta capacidad calorífica específica (agua, suciedad) o calor específico de transformación de fase (parafina, hielo). En segundo lugar, los medios aplicados directamente sobre la piel no deberían causar dolor. Esto, por un lado, limita la temperatura de dichos medios y, por otro lado, favorece la elección de medios con baja capacidad calorífica. Así, por ejemplo, el agua utilizada para el tratamiento tiene una temperatura de hasta 45 ° C, y la turba y el lodo, hasta 50 ° C, ya que la transferencia de calor (convección) en estos ambientes es menor que en el agua. La parafina se calienta a 60-70 °C, ya que tiene una baja conductividad térmica, y las partes de la parafina directamente adyacentes a la piel se enfrían rápidamente, cristalizan y retrasan la entrada de calor del resto de sus partes.

El hielo se utiliza como medio de enfriamiento utilizado para el tratamiento. En los últimos años, las bajas temperaturas han sido muy utilizadas en medicina. A baja temperatura, dicha conservación de órganos y tejidos individuales se lleva a cabo en relación con el trasplante, cuando la capacidad de vivir y funcionar normalmente se conserva durante un tiempo suficientemente largo.

Los médicos utilizan el método criogénico de destrucción de tejidos durante la congelación y descongelación para extirpar amígdalas, verrugas, etc. Para este propósito, se crean aparatos criogénicos y criosondas especiales.

Con la ayuda del frío, que tiene propiedades anestésicas, es posible destruir las células nucleares del cerebro responsables de ciertas enfermedades nerviosas, como el parkinsonismo.

La microcirugía utiliza la congelación de tejidos húmedos en un instrumento de metal frío para capturar y transferir estos tejidos.

En relación con el uso médico de la baja temperatura, han aparecido nuevos términos: "medicina criogénica", "crioterapia", "criocirugía", etc.

29. Procesos físicos en membranas biológicas

Las membranas biológicas son una parte importante de la célula. Delimitan la célula del entorno, la protegen de influencias externas nocivas, controlan el metabolismo entre la célula y su entorno, contribuyen a la generación de potenciales eléctricos, participan en la síntesis de acumuladores de energía ATP universales en las mitocondrias, etc.

La estructura y los modelos de las membranas.

Las membranas rodean todas las células (plasma y membranas celulares externas). Sin una membrana, el contenido de la célula simplemente se esparciría, la difusión conduciría al equilibrio termodinámico, lo que significa la ausencia de vida. Podemos decir que la primera célula apareció cuando estaba cercada del medio ambiente por una membrana.

Las membranas intracelulares subdividen la célula en varios compartimentos cerrados, cada uno de los cuales realiza una función específica. La base de la estructura de cualquier membrana es una doble capa de lípidos (en gran parte, fosfolípidos). La bicapa lipídica se forma a partir de dos monocapas de lípidos de modo que las "colas" hidrofóbicas de ambas capas se dirigen hacia adentro. Esto asegura el menor contacto de las regiones hidrofóbicas de las moléculas con el agua. Esta idea de la estructura de la membrana no dio respuesta a muchas preguntas.

Posteriormente, se propuso un modelo basado en la misma membrana con biocapas lipídicas. Esta base fosfolípida es como un disolvente bidimensional en el que flotan proteínas más o menos sumergidas. Gracias a estas proteínas, las funciones específicas de las membranas se llevan a cabo total o parcialmente: permeabilidad, generación de potencial eléctrico, etc. Las membranas no son estructuras inmóviles y tranquilas. Los lípidos y las proteínas intercambian membranas y se mueven tanto a lo largo del plano de la membrana (difusión lateral) como a través de ella, el llamado flip-flop.

El perfeccionamiento de la estructura de la biomembrana y el estudio de sus propiedades fue posible utilizando modelos fisicoquímicos de la membrana (membranas artificiales). Tres de estos modelos son los más utilizados. El primer modelo son las monocapas de fosfolípidos en la interfaz agua-aire o agua-aceite.

El segundo modelo generalizado de una biomembrana son los liposomas, que son como una membrana biológica completamente desprovista de moléculas de proteína. El tercer modelo, que permitió estudiar algunas propiedades de las biomembranas por métodos directos, es la membrana biolipídica (biocapa lipídica) (BLM).

Las membranas realizan dos funciones importantes: matriz (es decir, son una matriz, la base para contener proteínas que realizan diferentes funciones) y barrera (protegen la célula y los compartimentos individuales de la penetración de partículas no deseadas).

30. Propiedades físicas y parámetros de las membranas.

La medición de la movilidad de las moléculas de la membrana y la difusión de partículas a través de la membrana indica que la capa bilipídica se comporta como un líquido. Sin embargo, la membrana es una estructura ordenada. Estos dos hechos sugieren que los fosfolípidos de la membrana durante su funcionamiento natural se encuentran en estado líquido cristalino. Cuando la temperatura cambia en la membrana, se pueden observar transiciones de fase: fusión de lípidos cuando se calienta y cristalización cuando se enfría. El estado líquido-cristalino de la biocapa tiene menor viscosidad y mayor solubilidad de diversas sustancias que el estado sólido. El espesor de la biocapa de cristal líquido es menor que el de la sólida.

La estructura de las moléculas en estado líquido y sólido es diferente. En la fase líquida, las moléculas de fosfolípidos pueden formar cavidades (torceduras) en las que se pueden introducir moléculas de una sustancia diferenciadora. El movimiento de la torcedura en este caso conducirá a la difusión de la molécula a través de la membrana.

Transporte de moléculas (átomos) a través de membranas

Un elemento importante en el funcionamiento de las membranas es su capacidad de pasar o no pasar moléculas (átomos) e iones. La probabilidad de tal penetración de partículas depende tanto de la dirección de su movimiento (por ejemplo, dentro o fuera de la célula) como del tipo de moléculas e iones.

Los fenómenos de transferencia son procesos irreversibles, como resultado de los cuales se produce un movimiento espacial (transferencia) de la masa de un impulso, carga o alguna otra cantidad física en un sistema físico. Los fenómenos de transferencia incluyen difusión (transferencia de masa de una sustancia), viscosidad (transferencia de momento), conductividad térmica (transferencia de energía), conductividad eléctrica (transferencia de carga eléctrica).

Hay una diferencia de potencial a través de la membrana, por lo tanto, hay un campo eléctrico en la membrana. Afecta la difusión de partículas cargadas (iones y electrones). El transporte de iones está determinado por dos factores: la distribución desigual de los iones (es decir, el gradiente de concentración) y el efecto de un campo eléctrico (la ecuación de Nernst-Planck):

La ecuación relaciona la densidad de flujo de iones estacionarios con tres cantidades:

1) permeabilidad de la membrana para un ion dado, que caracteriza la interacción de las estructuras de la membrana con un ion;

2) campo eléctrico;

3) la concentración de iones en la solución acuosa que rodea la membrana.

Los fenómenos de transferencia están relacionados con el transporte pasivo: la difusión de moléculas e iones se produce en la dirección de su menor concentración, el movimiento de los iones, de acuerdo con la dirección de la fuerza que actúa sobre ellos desde el campo eléctrico.

El transporte pasivo no está asociado al consumo de energía química, se realiza como resultado del movimiento de partículas hacia un potencial electroquímico menor.

31. Una especie de transferencia pasiva de moléculas e iones a través de membranas biológicas.

La simple difusión a través de la capa lipídica en una célula viva asegura el paso de oxígeno y dióxido de carbono. Una serie de sustancias medicinales y venenos también penetran en la capa lipídica. Sin embargo, la difusión simple procede con bastante lentitud y no puede suministrar a la célula la cantidad necesaria de nutrientes. Por lo tanto, existen otros mecanismos de transferencia pasiva de materia en la membrana, estos incluyen la difusión y la difusión facilitada (en combinación con el portador).

A veces, o un canal, se llama una sección de la membrana, que incluye moléculas de proteínas y lípidos, que forma un pasaje en la membrana. Este paso permite que no solo las moléculas pequeñas, como las moléculas de agua, sino también los iones más grandes pasen a través de la membrana. Los canales pueden exhibir selectividad por diferentes iones. Facilita la difusión del transporte de iones por moléculas portadoras especiales.

Potencial de reposo. La membrana superficial de una célula no es igualmente permeable a diferentes iones. Además, la concentración de cualquier ion específico es diferente en diferentes lados de la membrana, la composición de iones más favorable se mantiene dentro de la célula. Estos factores conducen a la aparición en una célula que funciona normalmente de una diferencia de potencial entre el citoplasma y el ambiente (potencial de reposo).

La principal contribución a la creación y mantenimiento del potencial de reposo la realizan los iones Na+, K+, Cl-. Total

la densidad de flujo de estos electrones, teniendo en cuenta sus signos, es igual a:

J=J_NA + J_K + J_CI-.

En el estado estacionario, la densidad de flujo total es cero, es decir, el número de iones diferentes que pasan a través de la membrana hacia la celda por unidad de tiempo es igual al número que sale de la celda a través de la membrana:

j = 0.

Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz (rendimientos potenciales adimensionales de la electricidad):

Las bombas de iones, sistemas de transporte activo, crean diversas concentraciones de iones dentro y fuera de la célula. La principal contribución al potencial de reposo la realizan únicamente los iones K+ y Cl-.

Potencial de acción y su propagación.

Cuando se excita, la diferencia de potencial entre la célula y el entorno cambia, surge un potencial de acción.

Un potencial de acción se propaga en las fibras nerviosas. La propagación del potencial de acción a lo largo de la fibra nerviosa se produce en forma de autoonda. Las células excitables son el medio activo: la velocidad de propagación de la excitación a lo largo de las fibras nerviosas amielínicas lisas es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de su radio (υ≈√r).

32. Electrodinámica

Los fenómenos eléctricos y magnéticos están asociados con una forma especial de existencia de la materia: los campos eléctricos y magnéticos y su impacto. Estos campos generalmente están tan interconectados que se acostumbra hablar de un solo campo eléctrico.

Los fenómenos electromagnéticos tienen tres áreas de aplicaciones biomédicas. El primero de ellos es la comprensión de los procesos eléctricos que ocurren en el cuerpo, así como el conocimiento de las propiedades eléctricas y magnéticas de los medios biológicos.

La segunda dirección está relacionada con la comprensión del mecanismo de la influencia de los campos electromagnéticos en el cuerpo.

La tercera dirección es instrumentación, hardware. La electrodinámica es la base teórica de la electrónica y, en particular, de la electrónica médica.

Un campo de energía es un tipo de materia a través de la cual se ejerce una fuerza sobre las cargas eléctricas en este campo. Las características del campo eléctrico generado por las estructuras biológicas son una fuente de información sobre el estado del cuerpo.

Tensión y potencial - características del campo eléctrico. La característica de potencia de un campo eléctrico es una intensidad igual a la relación entre la fuerza que actúa en un punto dado del campo sobre una carga puntual y esta carga:

E = F / q

La tensión es un vector cuya dirección coincide con la dirección de la fuerza que actúa en un punto dado del campo sobre una carga positiva. La intensidad del campo eléctrico se expresa mediante tres ecuaciones:

E_x =f₁ (x, y, z);

E_y =f₂ (x, y, z);

E_z =f₃(x, y, z),

donde E_х, E_у y mi_z - proyecciones del vector intensidad sobre los correspondientes ejes de coordenadas introducidos para describir el campo. La característica energética del campo eléctrico es el potencial. La diferencia de potencial entre dos puntos del campo es la relación entre el trabajo realizado por las fuerzas del campo al mover una carga puntual positiva de un punto del campo a otro, a esta carga:

donde F₁ y F₂ - potenciales en los puntos 1 y 2 del campo eléctrico. La diferencia de potencial entre dos puntos depende de la intensidad del campo eléctrico. Junto con la diferencia de potencial, se utiliza el concepto de potencial como característica del campo eléctrico. Los potenciales en diferentes puntos se pueden representar como superficies del mismo potencial (superficies equipotenciales). Los instrumentos de medición eléctrica existentes están diseñados para medir la diferencia de potencial, no la intensidad.

33. Dipolo y multipolo eléctrico

Un dipolo eléctrico es un sistema que consta de dos cargas eléctricas puntuales iguales pero de signo opuesto ubicadas a cierta distancia entre sí (brazo dipolo). La característica principal de un dipolo es su momento eléctrico (o dipolar), un vector igual al producto de la carga y el brazo del dipolo, dirigido de una carga negativa a una positiva:

p = dl.

La unidad de momento eléctrico de un dipolo es el coulombímetro.

Un dipolo en un campo eléctrico uniforme está sujeto a un par que depende del momento eléctrico, la orientación del dipolo en el campo y la intensidad del campo. Una fuerza actúa sobre el dipolo, dependiendo de su momento eléctrico y del grado de falta de homogeneidad del campo.

dE/dx

Si el dipolo está orientado en un campo eléctrico no homogéneo no a lo largo de la línea de fuerza, entonces también actúa un par sobre él. Un dipolo libre casi siempre es atraído hacia la región de altas intensidades de campo.

Un dipolo es un caso especial de un sistema de cargas eléctricas con cierta simetría. El nombre general de tales distribuciones de carga es multipolar eléctrico (I = 0, 1, 2, etc.), el número de cargas multipolares está determinado por la expresión 2¹.

Entonces, un multipolo de orden cero (20 = 1) es una carga puntual única, un multipolo de primer orden (21 = 2) es un dipolo, un multipolo de segundo orden (22 = 4) es un cuadrupolo, un multipolo de tercer orden el multipolo (23 = 8) es un octupolo, etc. e) El potencial del campo multipolar disminuye a distancias significativas de él (R > d, donde d son las dimensiones del multipolo)

proporcional a I/R^{1 + 1}. Si la carga se distribuye en cierta región del espacio, entonces el potencial del campo eléctrico fuera del sistema de cargas se puede representar como una serie aproximada:

Aquí R es la distancia del sistema de cargas al punto A con potencial F;

f₁, F₂, F₃…. - algunas funciones según el tipo de multipolo, su carga y dirección al punto A.

El primer término corresponde a un monopolo, el segundo a un dipolo, el tercero a un cuadrupolo, etc.. En el caso de un sistema neutro de cargas, el primer término es igual a cero.

Generador eléctrico dipolar (dipolo de corriente) En el vacío o en un aislador ideal, un dipolo eléctrico puede persistir durante un tiempo arbitrariamente largo. Sin embargo, en una situación real (un medio eléctricamente conductor), bajo la influencia del campo eléctrico del dipolo, se produce el movimiento de cargas libres y el dipolo se neutraliza. La intensidad de la corriente en el circuito externo permanecerá casi constante, casi no depende de las propiedades del medio. Tal sistema de dos polos, que consta de una fuente de corriente y un drenaje de corriente, se denomina generador eléctrico dipolar o dipolo de corriente.

34. Bases físicas de la electrocardiografía

Los tejidos vivos son una fuente de potenciales eléctricos (biopotenciales).

El registro de biopotenciales de tejidos y órganos con fines de diagnóstico se denomina electrografía. Este término general se usa relativamente raramente, los nombres específicos de los métodos de diagnóstico correspondientes son más comunes: electrocardiografía (ECG) - registro de biopotenciales que ocurren en el músculo cardíaco cuando está excitado, electromiografía (EMG) - un método para registrar el bioeléctrico actividad de los músculos, electroencefalografía (EEG) - un método para registrar la actividad cerebral bioeléctrica, etc.

En la mayoría de los casos, los biopotenciales son tomados por electrodos no directamente del órgano (corazón, cerebro), sino de otros tejidos adyacentes en los que este órgano crea campos eléctricos.

En términos clínicos, esto simplifica enormemente el propio procedimiento de registro, haciéndolo seguro y sin complicaciones. El enfoque físico de la electrografía consiste en crear (elegir) un modelo de generador eléctrico que corresponda a la imagen de los potenciales "removibles".

Todo el corazón se representa eléctricamente como una especie de generador eléctrico en forma de dispositivo real y como un conjunto de fuentes eléctricas en un conductor con forma de cuerpo humano. En la superficie del conductor, durante el funcionamiento de un generador eléctrico equivalente, habrá un voltaje eléctrico que se produce en la superficie del cuerpo humano durante la actividad cardíaca. Es bastante posible simular la actividad eléctrica del corazón si se utiliza un generador eléctrico equivalente a un dipolo. La vista dipolo del corazón subyace en la teoría del plomo de Einthoven. Según ella, el corazón es un dipolo con un momento dipolar que gira, cambia su posición y punto de aplicación durante el ciclo cardíaco. V. Einthoven propuso medir las diferencias de biopotenciales del corazón entre los vértices de un triángulo equilátero, que se encuentran aproximadamente en los brazos derecho e izquierdo y en la pierna izquierda.

Según la terminología de los fisiólogos, la diferencia de biopotenciales registrada entre dos puntos del cuerpo se llama abducción. Hay derivación I (mano derecha - mano izquierda), derivación II (mano derecha - pierna izquierda) y derivación III (mano izquierda - pie izquierdo).

Según V. Einthoven, el corazón está situado en el centro del triángulo. Dado que el momento eléctrico del dipolo (el corazón) cambia con el tiempo, se obtendrán voltajes temporales en los cables, que se denominan electrocardiogramas. El electrocardiograma no da idea de la orientación espacial. Sin embargo, para fines de diagnóstico dicha información es importante. En este sentido, se utiliza un método de estudio espacial del campo eléctrico del corazón, denominado cardiografía vectorial. Un vector-cardiograma es un lugar geométrico de puntos correspondiente al final de un vector, cuya posición cambia durante el ciclo cardíaco.

35. Corriente eléctrica

Se suele entender por corriente eléctrica el movimiento dirigido de cargas eléctricas. Distinga entre corriente de conducción y corriente de convección. La corriente de conducción es el movimiento dirigido de cargas en cuerpos conductores: electrones - en metales, electrones y huecos - en semiconductores, iones - en electrolitos, iones y electrones - en gases. La corriente de convección es el movimiento de cuerpos cargados y el flujo de electrones u otras partículas cargadas en el vacío.

La densidad de corriente es un vector característico de una corriente eléctrica, numéricamente igual a la relación de la fuerza de la corriente que pasa a través de un pequeño elemento superficial, normal a la dirección de movimiento de las partículas cargadas que forman la corriente, al área de este elemento:

j = dl/dS

Si esta fórmula se multiplica por la carga q del portador de corriente, obtenemos la densidad de corriente:

j = qj = qnv.

En forma vectorial:

j = qnv.

El vector j está dirigido tangencialmente a las líneas de corriente. Para la fuerza actual, escribimos la siguiente expresión:

j=dq/dt.

La intensidad de la corriente es la derivada temporal de la carga que pasa por una determinada sección o superficie.

Para que la corriente continua fluya a través de un conductor, es necesario mantener una diferencia de potencial en sus extremos. Esto se hace por fuentes actuales. La fuerza electromotriz de la fuente es un valor que es numéricamente igual al trabajo de las fuerzas externas al mover una sola carga positiva a lo largo del circuito.

En la práctica, el trabajo de las fuerzas externas es diferente de cero solo dentro de la fuente de corriente. La relación entre la fuerza externa y una unidad de carga positiva es igual a la intensidad de campo de las fuerzas externas:

E_CT= F_CT/q

La fuerza electromotriz corresponde a un cambio brusco de potencial en la fuente de corriente.

Conductividad eléctrica de electrolitos. Los fluidos biológicos son electrolitos, cuya conductividad eléctrica es similar a la conductividad eléctrica de los metales: en ambos medios, a diferencia de los gases, los portadores de corriente existen independientemente del campo eléctrico.

La dirección del movimiento de los iones en un campo eléctrico puede considerarse aproximadamente uniforme, mientras que la fuerza qE que actúa sobre el ion del campo eléctrico es igual a la fuerza de fricción rv:

qE = rv,

de donde obtenemos:

v = serE.

El coeficiente de proporcionalidad b se denomina movilidad iónica.

36. Conductividad eléctrica de tejidos y líquidos biológicos en corriente continua. Descarga eléctrica en gases

Los tejidos y órganos biológicos son formaciones bastante heterogéneas con diferentes resistencias eléctricas, que pueden cambiar bajo la acción de una corriente eléctrica. Esto hace que sea difícil medir la resistencia eléctrica de los sistemas biológicos vivos.

La conductividad eléctrica de partes individuales del cuerpo, ubicadas entre los electrodos aplicados directamente a la superficie del cuerpo, depende significativamente de la resistencia de la piel y las capas subcutáneas. Dentro del cuerpo, la corriente se propaga principalmente a través de los vasos sanguíneos y linfáticos, los músculos y las vainas de los troncos nerviosos. La resistencia de la piel, a su vez, viene determinada por su estado: grosor, edad, humedad, etc.

La conductividad eléctrica de los tejidos y órganos depende de su estado funcional y, por tanto, puede utilizarse como indicador de diagnóstico.

Entonces, por ejemplo, durante la inflamación, cuando las células se hinchan, la sección transversal de las conexiones intercelulares disminuye y la resistencia eléctrica aumenta; los fenómenos fisiológicos que provocan la sudoración van acompañados de un aumento de la conductividad eléctrica de la piel, etc.

Un gas que consta únicamente de partículas neutras es un aislante. Si está ionizado, se vuelve eléctricamente conductor. Cualquier dispositivo, fenómeno, factor que puede causar la ionización de moléculas y átomos de un gas se llama ionizador. Pueden ser luz, rayos X, llamas, radiaciones ionizantes, etc. También se puede formar una carga eléctrica en el aire cuando se rocían en él líquidos polares (efecto baloeléctrico), es decir, líquidos cuyas moléculas tienen un momento dipolar eléctrico constante. Entonces, por ejemplo, cuando se tritura en el aire, el agua se descompone en gotas cargadas. El signo de la carga de las gotas grandes (positivo para agua dura) es de signo opuesto al de la carga de las gotas más pequeñas. Las gotas más grandes se asientan con relativa rapidez, dejando partículas de agua cargadas negativamente en el aire. Este fenómeno se observa en la fuente.

La conductividad eléctrica del gas también depende de la ionización secundaria. El potencial ionizado de los electrones internos es mucho mayor.

En condiciones terrestres, el aire casi siempre contiene una cierta cantidad de iones debido a los ionizadores naturales, principalmente sustancias radiactivas del suelo y gases y radiación cósmica. Los iones y electrones del aire pueden, al unir moléculas neutras y partículas suspendidas, formar iones más complejos. Estos iones en la atmósfera se llaman iones de aire. Se diferencian no solo en el signo, sino también en la masa, se dividen condicionalmente en ligeros (iones de gas) y pesados (partículas cargadas en suspensión: partículas de polvo, humo y partículas de humedad).

Los iones pesados tienen un efecto nocivo en el cuerpo, los iones de aire ligeros y en su mayoría negativos tienen un efecto beneficioso. Se utilizan para el tratamiento (aeroionoterapia).

37. Campo magnético

Se llama campo magnético a toda materia, a través de la cual se ejerce una fuerza sobre cargas eléctricas en movimiento colocadas en un campo, y sobre otros cuerpos que tienen un momento magnético. Para un campo magnético, así como para uno electrostático, existe una característica cuantitativa: un momento magnético (cantidad vectorial).

La inducción magnética en un punto determinado del campo es igual a la relación entre el par máximo que actúa sobre la espira con corriente en un campo magnético uniforme y el momento magnético de esta espira. La unidad de flujo magnético es weber (Wb):

1Wb = 1Tlm2.

Tl es la unidad de inducción magnética (Tesla). De la fórmula se puede ver que el flujo puede ser tanto positivo como negativo.

Ley de Ampere. La energía de un circuito con corriente en un campo magnético. Una de las principales manifestaciones del campo magnético es su efecto de fuerza sobre las cargas y corrientes eléctricas en movimiento. A. M. Ampere estableció la ley que determina este efecto de fuerza.

En un conductor en un campo magnético, seleccionamos una sección dI bastante pequeña, que se considera como un vector dirigido hacia la corriente. El producto IdI se denomina elemento actual. La fuerza que actúa del campo magnético sobre el elemento actual es igual a:

dF = kIB senb × dl,

donde k es el coeficiente de proporcionalidad; o en forma vectorial

dF = ldl × B.

Estas proporciones expresan la ley de Ampère.

La fuerza que actúa según la ley de Ampère sobre un conductor que lleva corriente en un campo magnético es el resultado de su acción sobre las cargas eléctricas en movimiento que crean esta corriente. La fuerza que actúa sobre una carga en movimiento separada está determinada por la relación de la fuerza F aplicada a un conductor que lleva corriente al número total N de portadores de corriente en él:

f_Л =F/N_(I)

La fuerza actual es:

yo = jS,

F = jSBL senb,

donde j es la densidad de corriente. Obtenemos:

F = jSBL senb = qnvSBL senb2,

donde n =N/ SI es la concentración de partículas.

Sustituyendo la última expresión por la primera, obtenemos una expresión para la fuerza que actúa del campo magnético sobre una carga eléctrica separada en movimiento y que llamamos fuerza de Lorentz:

La dirección de la fuerza de Lorentz se puede determinar a partir de la notación vectorial de la ecuación

fn = qvB.

38. Fuerza del campo magnético y sus otras propiedades.

La fuerza del campo magnético depende de las propiedades del medio y está determinada únicamente por la fuerza de la corriente que fluye a través del circuito. La fuerza del campo magnético creado por la corriente continua se compone de la fuerza de los campos creados por sus elementos individuales (Ley de Biot-Savart-Laplace):

(dH - tensión, k - coeficiente de proporcionalidad, di yr - vectores). Integrando, encontramos la fuerza del campo magnético creado por el circuito con corriente o parte de este circuito:

Circular es la corriente que fluye a través del conductor en forma de círculo. Esta corriente también corresponde a una carga eléctrica que gira circularmente. Conociendo la fuerza del campo magnético y la permeabilidad magnética relativa del medio, se puede encontrar la inducción magnética:

B = M + M0H = mNf(2r).

propiedades magnéticas de la materia

No existen sustancias cuyo estado no cambie cuando se colocan en un campo magnético. Además, al estar en un campo magnético, las propias sustancias se convierten en fuentes de dicho campo. En este sentido, todas las sustancias se denominan imanes. Dado que las diferencias macroscópicas de los imanes se deben a su estructura, es recomendable considerar las características magnéticas de los electrones, núcleos, átomos y moléculas, así como el comportamiento de estas partículas en un campo magnético.

La relación entre el momento magnético de una partícula y el momento de su cantidad de movimiento se llama magnetomecánica. Las relaciones muestran que existe una conexión "dura" bien definida entre los momentos magnético y mecánico (momento de momento); esta conexión se manifiesta en fenómenos magnetomecánicos. Los fenómenos magnetomecánicos permiten determinar relaciones magnetomecánicas y, a partir de ellas, extraer conclusiones sobre el papel de los momentos magnéticos orbitales o de espín en los procesos de magnetización. Entonces, por ejemplo, los experimentos de Einstein mostraron que los momentos magnéticos de espín de los electrones son responsables de la magnetización de los materiales ferromagnéticos (hierromagnéticos).

Los núcleos, los átomos y las moléculas también tienen un momento magnético. El momento magnético de una molécula es la suma vectorial de los momentos magnéticos de los átomos que la componen. El campo magnético actúa sobre la orientación de partículas que tienen momentos magnéticos, como resultado de lo cual la sustancia se magnetiza. El grado de magnetización de una sustancia se caracteriza por la magnetización. El valor promedio del vector de magnetización es igual a la relación del momento magnético total Spmi de todas las partículas ubicadas en el volumen del imán a este volumen:

Por lo tanto, la magnetización es el momento magnético promedio por unidad de volumen de un imán. La unidad de magnetización es el amperio por metro (A/m).

39. Propiedades de los imanes y propiedades magnéticas de los tejidos humanos.

Las moléculas paramagnéticas tienen momentos magnéticos distintos de cero. En ausencia de campo magnético, estos momentos están ordenados aleatoriamente y su magnetización es cero. El grado de ordenación de los momentos magnéticos depende de dos factores opuestos: el campo magnético y el movimiento caótico molecular, por lo que la magnetización depende tanto de la inducción magnética como de la temperatura.

En un campo magnético no uniforme en el vacío, las partículas de una sustancia paramagnética se mueven hacia un valor más alto de inducción magnética, como dicen, son atraídas hacia el campo. Los paraimanes incluyen aluminio, oxígeno, molibdeno, etc.

El diamagnetismo es inherente a todas las sustancias. En los paramagnetos, el diamagnetismo es anulado por un paramagnetismo más fuerte.

Si el momento magnético de las moléculas es cero o tan pequeño que el diamagnetismo prevalece sobre el paramagnetismo, entonces las sustancias que consisten en tales moléculas se denominan diamagnetos. La magnetización de los diamagnetos se dirige en dirección opuesta a la inducción magnética, su valor aumenta con el aumento de la inducción. Las partículas diamagnéticas en el vacío en un campo magnético no uniforme serán expulsadas del campo.

Los ferroimanes, como los paraimanes, crean una magnetización destinada a inducir un campo; su permeabilidad magnética relativa es mucho mayor que la unidad. Las propiedades ferromagnéticas no son inherentes a átomos o moléculas individuales, sino solo a algunas sustancias que se encuentran en estado cristalino. Los ferroimanes incluyen hierro cristalino, níquel, cobalto, muchas aleaciones de estos elementos entre sí y con otros compuestos no ferromagnéticos, así como aleaciones y compuestos de cromo y manganeso con elementos no ferromagnéticos. La magnetización de los ferroimanes depende no solo de la inducción magnética, sino también de su estado previo, del tiempo que la muestra estuvo en el campo magnético. Aunque no hay muchos ferroimanes en la naturaleza, se utilizan principalmente como materiales magnéticos en tecnología.

Los tejidos corporales son en gran medida diamagnéticos, como el agua. Sin embargo, en el cuerpo también hay sustancias, moléculas e iones paramagnéticos. No hay partículas ferromagnéticas en el cuerpo. Las biocorrientes que surgen en el cuerpo son una fuente de campos magnéticos débiles. En algunos casos, se puede medir la inducción de dichos campos. Así, por ejemplo, basándose en el registro de la dependencia temporal de la inducción del campo magnético del corazón (biocorrientes del corazón), se creó un método de diagnóstico: la magnetocardiografía. Dado que la inducción magnética es proporcional a la intensidad de la corriente, y la intensidad de la corriente (biotok) según la ley de Ohm es proporcional al voltaje (biopotencial), en general, un magnetocardiograma es similar a un electrocardiograma. Sin embargo, la magnetocardiografía, a diferencia de la electrocardiografía, es un método sin contacto, porque el campo magnético también se puede registrar a cierta distancia del objeto biológico, la fuente del campo.

40. Inducción electromagnética. energía del campo magnético

La esencia de la inducción electromagnética es que un campo magnético alterno genera un campo eléctrico (descubierto por M. Faraday en 1831). La ley básica de la inducción electromagnética Con cualquier cambio en el flujo magnético, surgen fuerzas electromotrices de inducción electromagnética.

donde e - fuerzas electromotrices;

dt - intervalo de tiempo;

dФ es el cambio en el flujo magnético. Esta es la ley básica de la inducción electromagnética, o ley de Faraday.

Cuando el flujo magnético que penetra en el circuito cambia (el campo magnético cambia con el tiempo, el imán se acerca o se aleja, la intensidad de la corriente cambia en el circuito adyacente o distante, etc.), siempre aparece en el circuito una fuerza electromotriz de inducción electromagnética, proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético. Un cambio en el campo magnético provoca un campo eléctrico. Como la corriente es la derivada de la carga con respecto al tiempo, podemos escribir:

De ello se deduce que la carga que fluye en el conductor debido a la inducción electromagnética depende del cambio en el flujo magnético que penetra en el circuito y su resistencia. Esta dependencia se utiliza para medir el flujo magnético mediante dispositivos que registran la carga eléctrica inducida en el circuito.

Una de las manifestaciones de la inducción electromagnética es la aparición de corrientes de inducción cerradas (corrientes de Foucault o corrientes de Foucault) en cuerpos sólidos conductores, como piezas metálicas, soluciones electrolíticas, órganos biológicos, etc. Las corrientes de Foucault se forman cuando un cuerpo conductor se mueve un campo magnético, cuando cambia con el tiempo de la inducción del campo, así como bajo la acción combinada de ambos factores. La intensidad de las corrientes de Foucault depende de la resistencia eléctrica del cuerpo y, en consecuencia, de la resistividad y las dimensiones, así como de la tasa de cambio del flujo magnético. En fisioterapia, el calentamiento de partes individuales del cuerpo humano con corrientes de Foucault se prescribe como un procedimiento médico llamado inductotermia.

Las oscilaciones electromagnéticas se denominan cambios periódicos interrelacionados en cargas, corrientes, intensidades de campos eléctricos y magnéticos. La propagación de las oscilaciones electromagnéticas en el espacio se produce en forma de ondas electromagnéticas. Entre varios fenómenos físicos, las oscilaciones y ondas electromagnéticas ocupan un lugar especial.

La corriente alterna es cualquier corriente que cambia con el tiempo. Sin embargo, más a menudo el término "corriente alterna" se aplica a corrientes casi estacionarias que dependen del tiempo de acuerdo con una ley armónica.

41. Resistencia total ((impedancia) de los tejidos corporales. Base física de la reografía

Los tejidos corporales conducen no solo corriente continua sino también corriente alterna. No existen tales sistemas en el cuerpo que sean similares a las bobinas de inductancia, por lo que su inductancia es cercana a cero.

Las membranas biológicas (y, en consecuencia, todo el organismo) tienen propiedades capacitivas, en relación con esto, la resistencia total de los tejidos del cuerpo está determinada solo por resistencias óhmicas y capacitivas.La presencia de elementos capacitivos en los sistemas biológicos se confirma por el hecho de que la la intensidad de la corriente está por delante del voltaje aplicado en fase. La dependencia de la frecuencia de la impedancia permite evaluar la viabilidad de los tejidos corporales, esto es importante saberlo para el trasplante (trasplante) de tejidos y órganos. La impedancia de los tejidos y órganos también depende de su estado fisiológico, así, cuando los vasos sanguíneos se llenan de sangre, la impedancia cambia dependiendo del estado de actividad cardiovascular.

Un método de diagnóstico basado en el registro del uso de la impedancia tisular en el proceso de la actividad cardíaca se denomina reografía (pletismografía de impedancia). Con este método, se obtienen reogramas del cerebro (reoencefalogramas), corazones (reocardiogramas), vasos principales, pulmones, hígado y extremidades. Las mediciones se realizan normalmente a una frecuencia de 30 kHz. Impulso eléctrico e impulso de corriente Un impulso eléctrico es un cambio a corto plazo en el voltaje eléctrico o en la intensidad de la corriente. En tecnología, los pulsos se dividen en dos grandes grupos: pulsos de video y de radio.

Los pulsos de video son tales pulsos de corriente eléctrica o voltaje que tienen un componente constante que es diferente de cero. Por lo tanto, el pulso de video tiene predominantemente una polaridad. La forma de los pulsos de video es rectangular, diente de sierra, trapezoidal, exponencial, en forma de campana, etc.

Los pulsos de radio son oscilaciones electromagnéticas moduladas.

En fisiología, el término "impulso eléctrico" (o "señal eléctrica") se refiere específicamente a impulsos de vídeo. Los impulsos repetitivos se llaman corriente de impulso. Se caracteriza por un período (período de repetición de pulso) T: el tiempo promedio entre el inicio de pulsos adyacentes y la frecuencia (frecuencia de repetición de pulso):

f=1/T.

El ciclo de trabajo de los pulsos es la relación:

El recíproco del ciclo de trabajo es el factor de llenado:

42. El concepto de la teoría de Maxwell. Corriente de polarización

J. Maxwell creó la teoría del campo electromagnético en el marco de la física clásica. La teoría de J. Maxwell se basa en dos disposiciones.

1. Cualquier campo eléctrico desplazado genera un campo magnético de vórtice. Maxwell nombró un campo eléctrico alterno porque, como una corriente ordinaria, induce un campo magnético. El campo magnético de vórtice es generado tanto por corrientes de conducción Ipr (cargas eléctricas en movimiento) como por corrientes de desplazamiento (campo eléctrico desplazado E).

La primera ecuación de Maxwell

2. Cualquier campo magnético desplazado genera un campo eléctrico de vórtice (la ley básica de la inducción electromagnética).

Segunda ecuación de Maxwell:

Relaciona la tasa de cambio del flujo magnético a través de cualquier superficie y la circulación del vector de la fuerza del campo eléctrico que surge en este caso. La circulación se toma a lo largo del contorno sobre el que descansa la superficie.

De las disposiciones de la teoría de Maxwell se sigue que la aparición de cualquier campo (eléctrico o magnético) en algún punto del espacio implica toda una cadena de transformaciones mutuas: un campo eléctrico alterno genera un campo magnético, un cambio en un campo magnético genera un campo eléctrico una.

La formación mutua de campos eléctricos y magnéticos conduce a un campo electromagnético: la propagación de un único campo electromagnético en el espacio. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es igual a la velocidad de la luz. Esta fue la base para la creación de Maxwell de la teoría electromagnética de la luz. Esta teoría se ha convertido en una etapa muy importante en el desarrollo posterior de la física médica.

43. Clasificación de los intervalos de frecuencia adoptados en medicina

De la teoría de Maxwell se desprende que varias ondas electromagnéticas, incluidas las ondas de luz, tienen una naturaleza común. En este sentido, es recomendable presentar todo tipo de ondas electromagnéticas en forma de una única escala.

Cada escala se divide condicionalmente en seis rangos: ondas de radio (larga, media y corta), radiación infrarroja, visible, ultravioleta, rayos X y gamma. Esta clasificación está determinada por el mecanismo de formación de ondas o por la posibilidad de que una persona las perciba visualmente. Las ondas de radio son causadas por corrientes alternas en conductores y flujos electrónicos (macroradiadores).

Las radiaciones infrarrojas, visibles y ultravioletas provienen de átomos, moléculas y partículas de carga rápida (microemisores). La radiación de rayos X se produce durante los procesos intraatómicos. La radiación gamma es de origen nuclear.

Algunos rangos se superponen porque diferentes procesos pueden producir ondas de la misma longitud. Entonces, la mayoría de la radiación ultravioleta de onda corta es bloqueada por rayos X de onda larga. En este sentido, la región límite de las ondas infrarrojas y las ondas de radio es muy característica. Hasta 1922 hubo una brecha entre estos rangos. La radiación de longitud de onda más corta de este espacio vacío era de origen atómico molecular (radiación de un cuerpo calentado), mientras que la longitud de onda más larga era emitida por vibradores macroscópicos de Hertz. Incluso las ondas milimétricas pueden generarse no solo mediante ingeniería de radio, sino también mediante transiciones moleculares. Ha aparecido la sección "Radioespectroscopia", que estudia la absorción y emisión de ondas de radio por parte de diversas sustancias.

En medicina, se acepta la siguiente división condicional de las oscilaciones electromagnéticas en rangos de frecuencia (Tabla 1).

Tabla 1

División condicional de oscilaciones electromagnéticas en rangos de frecuencia

A menudo, los equipos electrónicos fisioterapéuticos de baja frecuencia y audio se denominan de baja frecuencia. Los equipos electrónicos de todas las demás frecuencias se denominan concepto generalizador: "equipos de alta frecuencia".

44. Procesos físicos en los tejidos que ocurren cuando se exponen a campos electromagnéticos y corrientes

Todas las sustancias están compuestas de moléculas, cada una de ellas es un sistema de cargas. Por tanto, el estado de los cuerpos depende esencialmente de las corrientes que fluyen a través de ellos y del campo electromagnético que actúa. Las propiedades eléctricas de los cuerpos biológicos son más complejas que las propiedades de los objetos inanimados, porque un organismo es también una colección de iones con una concentración variable en el espacio.

El mecanismo principal del impacto de las corrientes y los campos electromagnéticos en el cuerpo es físico.

La acción primaria de la corriente continua en los tejidos del cuerpo. Galvanización. Electroforesis de sustancias medicinales.

El cuerpo humano se compone en gran parte de fluidos biológicos que contienen una gran cantidad de iones que están involucrados en varios procesos metabólicos. Bajo la influencia de un campo eléctrico, los iones se mueven a diferentes velocidades y se acumulan cerca de las membranas celulares, formando un campo eléctrico contrario, llamado polarización. Así, el efecto primario de la corriente continua está asociado con el movimiento de iones en diferentes elementos de los tejidos.

El efecto de la corriente continua en el cuerpo depende de la fuerza de la corriente, por lo que la resistencia eléctrica de los tejidos, especialmente la piel, es de gran importancia. La humedad y el sudor reducen significativamente la resistencia que, incluso con un voltaje pequeño, puede provocar el paso de corriente a través del cuerpo. La corriente continua continua con un voltaje de 60-80 V se utiliza como método terapéutico de fisioterapia (galvanización). La fuente actual es un rectificador de onda completa, un aparato de galvanización. Para ello se utilizan electrodos de chapa de plomo con un espesor de 0,3-0,5 mm. Dado que los productos de la electrólisis de una solución de cloruro de sodio contenida en los tejidos causan cauterización, se colocan almohadillas hidrófilas humedecidas con agua tibia entre los electrodos y la piel.

La corriente continua también se utiliza en la práctica médica para la introducción de fármacos a través de la piel o las membranas mucosas. Este método se llama electroforesis de fármacos. Para ello se procede de la misma forma que en la galvanización, pero la junta del electrodo activo se humedece con una solución de la sustancia medicinal correspondiente. El fármaco se inyecta desde el polo, cuya carga tiene: los aniones se inyectan desde el cátodo, los cationes, desde el ánodo.

La galvanización y la electroforesis de sustancias medicinales se pueden realizar utilizando electrodos líquidos en forma de baños, en los que se sumergen las extremidades del paciente.

45. Impacto de las corrientes alternas (impulso)

El efecto de la corriente alterna en el cuerpo depende esencialmente de su frecuencia. A frecuencias bajas, sonoras y ultrasónicas, la corriente alterna, como la corriente continua, tiene un efecto irritante sobre los tejidos biológicos. Esto se debe al desplazamiento de iones de soluciones de electrolitos, su separación, cambios en su concentración en diferentes partes de la célula y el espacio intercelular.

La irritación del tejido también depende de la forma de la corriente pulsada, la duración del pulso y su amplitud. Entonces, por ejemplo, aumentar la inclinación del frente de pulso reduce la fuerza de la corriente umbral, lo que provoca la contracción muscular. Esto indica que los músculos se adaptan a los cambios en la fuerza actual y comienzan los procesos de compensación iónica. Dado que el efecto fisiológico específico de la corriente eléctrica depende de la forma de los pulsos, en medicina, para estimular el sistema nervioso central (electrosueño, anestesia electrónica), el sistema neuromuscular, el sistema cardiovascular (marcapasos, desfibriladores) y otros, corrientes con diferentes Se utiliza la dependencia del tiempo.

Al actuar sobre el corazón, la corriente puede provocar fibrilación ventricular, que provoca la muerte de una persona. El umbral de intensidad de la corriente que causa la fibrilación depende de la densidad de la corriente que fluye a través del corazón, la frecuencia y la duración de su acción. La onda actual o electromagnética tiene un efecto térmico. El calentamiento terapéutico con oscilaciones electromagnéticas de alta frecuencia tiene una serie de ventajas sobre el método tradicional y simple: una almohadilla térmica. El calentamiento de los órganos internos con una almohadilla térmica se realiza debido a la conductividad térmica de los tejidos externos: la piel y el tejido adiposo subcutáneo. El calentamiento de alta frecuencia se produce debido a la formación de calor en las partes internas del cuerpo, es decir, se puede generar donde se necesita. Calentar con vibraciones de alta frecuencia también es conveniente porque, al ajustar la potencia del generador, es posible controlar la potencia de liberación de calor en los órganos internos y, en algunos procedimientos, también es posible dosificar el calor. Las corrientes de alta frecuencia se utilizan para calentar tejidos con corrientes. El paso de corriente de alta frecuencia a través del tejido se utiliza en procedimientos fisioterapéuticos llamados diatermia y darsonvalización local.

Durante la diatermia, se utiliza una corriente con una frecuencia de aproximadamente 1 MHz con oscilaciones débilmente amortiguadas, un voltaje de 100-150 V; la corriente es de unos pocos amperios. Dado que la piel, la grasa, los huesos y los músculos tienen la mayor resistencia específica, se calientan más. El menor calentamiento en órganos ricos en sangre o linfa son los pulmones, el hígado y los ganglios linfáticos.

La desventaja de la diatermia es que se libera una gran cantidad de calor de manera improductiva en la capa de la piel y el tejido subcutáneo. Recientemente, la diatermia ha ido abandonando la práctica terapéutica y ha sido sustituida por otros métodos de exposición de alta frecuencia.

Las corrientes de alta frecuencia también se utilizan con fines quirúrgicos (electrocirugía). Permiten cauterizar, "soldar" tejidos (diatermocoagulación) o diseccionarlos (diatermotomía).

46. Exposición a un campo magnético alterno

En cuerpos conductores masivos en un campo alterno surgen corrientes parásitas. Estas corrientes se pueden utilizar para calentar tejidos y órganos biológicos. Este método de tratamiento, la inductotermia, tiene una serie de ventajas sobre el método de diatermia. Con la inductotermia, la cantidad de calor liberada en los tejidos es proporcional a los cuadrados de la frecuencia y la inducción del campo magnético alterno e inversamente proporcional a la resistividad. Por tanto, los tejidos ricos en vasos sanguíneos (por ejemplo, los músculos) se calentarán con más fuerza que los grasos. El tratamiento con corrientes parásitas también es posible con darsonvalización general. En este caso, se coloca al paciente en una jaula de solenoide, a través de cuyas bobinas pasa una corriente pulsada de alta frecuencia.

Exposición a un campo eléctrico alterno. En tejidos en un campo eléctrico alterno, surgen corrientes de desplazamiento y corrientes de conducción. Por lo general, los campos eléctricos de ultra alta frecuencia se utilizan para este propósito, por lo que el método fisioterapéutico correspondiente se denomina terapia UHF. Es habitual utilizar una frecuencia de 40,58 MHz en dispositivos UHF, a corrientes de esta frecuencia, los tejidos dieléctricos del cuerpo se calientan más intensamente que los conductores.

Exposición a ondas electromagnéticas. Los métodos fisioterapéuticos basados en el uso de ondas electromagnéticas en el rango de microondas, según la longitud de onda, recibieron dos nombres: "terapia de microondas" y "terapia DCV". En la actualidad, la teoría más desarrollada es el efecto térmico de los campos de microondas sobre los objetos biológicos.

Una onda electromagnética polariza las moléculas de una sustancia y las reorienta periódicamente como dipolos eléctricos. Además, una onda electromagnética afecta a los iones de los sistemas biológicos y provoca una corriente de conducción alterna. Todo esto conduce al calentamiento de la sustancia.

Las ondas electromagnéticas pueden influir en los procesos biológicos al romper los enlaces de hidrógeno y afectar la orientación de las macromoléculas de ADN y ARN.

Cuando una onda electromagnética incide en una parte del cuerpo, se refleja parcialmente en la superficie de la piel. El grado de reflexión depende de la diferencia en las constantes dieléctricas del aire y los tejidos biológicos. La profundidad de penetración de las ondas electromagnéticas en los tejidos biológicos depende de la capacidad de estos tejidos para absorber la energía de las ondas, que a su vez está determinada tanto por la estructura de los tejidos (principalmente el contenido de agua) como por la frecuencia de las ondas electromagnéticas. Así, las ondas electromagnéticas centimétricas utilizadas en fisioterapia penetran en los músculos, la piel y los fluidos biológicos hasta una profundidad de unos 2 cm, y en la grasa y los huesos, unos 10 cm.

Teniendo en cuenta la compleja composición de los tejidos, se considera convencionalmente que durante la terapia con microondas la profundidad de penetración de las ondas electromagnéticas es de 3 a 5 cm desde la superficie del cuerpo, y durante la terapia con DCV, de hasta 9 cm.

47. Electrónica

La electrónica es un concepto muy extendido en la actualidad. La electrónica se basa principalmente en los logros de la física. Hoy, sin equipos electrónicos, no es posible el diagnóstico de enfermedades ni su tratamiento efectivo.

El término "electrónica" es en gran parte arbitrario. Es más correcto entender la electrónica como el campo de la ciencia y la tecnología, en el que se considera el trabajo y la aplicación de dispositivos (dispositivos) de electrovacío, iónicos y semiconductores. Destacan la electrónica física, es decir, la sección de la física que considera la conductividad eléctrica de los cuerpos, el contacto y los fenómenos termoiónicos. Se entiende por electrónica técnica aquellas secciones de la misma que describen los dispositivos de aparatos y aparatos y los esquemas para su inclusión. La electrónica de semiconductores es lo que se refiere al uso de dispositivos semiconductores, etc.

A veces, toda la electrónica se divide en tres áreas principales: la electrónica de vacío, que abarca la creación y aplicación de dispositivos de electrovacío (como tubos de vacío, dispositivos fotoelectrónicos, tubos de rayos X, dispositivos de descarga de gas); electrónica de estado sólido, que cubre la creación y aplicación de dispositivos semiconductores, incluidos circuitos integrados; Electrónica cuántica: una rama específica de la electrónica relacionada con los láseres.

La electrónica es una rama dinámica de la ciencia y la tecnología. Sobre la base de nuevos efectos (fenómenos), se crean dispositivos electrónicos, incluidos los que se utilizan en biología y medicina.

Cualquier dispositivo técnico (radio o electrónico) está siendo actualizado, reducido, etc. Sin embargo, surgen dificultades en esto. Así, por ejemplo, reducir las dimensiones de un producto puede reducir su fiabilidad, etc.

Un cambio significativo en la miniaturización de los dispositivos electrónicos fue la introducción de diodos y triodos semiconductores, que permitieron aumentar la densidad de los dispositivos electrónicos a 2-3 elementos por 1 cm3.

La siguiente etapa en la miniaturización de la electrónica, que todavía se está desarrollando en la actualidad, es la creación de circuitos integrados. Este es un dispositivo electrónico en miniatura en el que todos los elementos (o parte de ellos) están inseparablemente conectados estructuralmente y eléctricamente interconectados. Hay dos tipos principales de circuitos integrados: semiconductores y de película.

Los circuitos integrados de semiconductores están hechos de semiconductores de alta pureza. Mediante procesamiento térmico, difuso y de otro tipo, la red cristalina de un semiconductor se modifica de modo que sus regiones individuales se convierten en diferentes elementos del circuito. Los circuitos integrados de película se fabrican mediante deposición al vacío de diversos materiales sobre sustratos apropiados. También se utilizan circuitos integrados híbridos, una combinación de circuitos semiconductores y de película.

48. Electrónica médica

Uno de los usos comunes de los dispositivos electrónicos está relacionado con el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Las secciones de electrónica, que consideran las características del uso de sistemas electrónicos para resolver problemas biomédicos, así como el dispositivo del equipo correspondiente, se denominan electrónica médica.

La electrónica médica se basa en información de la física, las matemáticas, la ingeniería, la medicina, la biología, la fisiología y otras ciencias, incluye electrónica biológica y fisiológica.

Actualmente, muchas características tradicionalmente "no eléctricas" (temperatura, desplazamiento del cuerpo, parámetros bioquímicos, etc.) se miden durante las mediciones para convertirlas en una señal eléctrica. La información representada por una señal eléctrica puede transmitirse convenientemente a distancia y registrarse de manera confiable. Podemos distinguir los siguientes grupos principales de dispositivos y aparatos electrónicos utilizados con fines biomédicos.

1. Dispositivos de recepción (esquema), transmisión y registro de información biomédica. Dicha información puede ser no solo sobre los procesos que ocurren en el cuerpo (en tejidos biológicos, órganos, sistemas), sino también sobre el estado del medio ambiente (propósito sanitario e higiénico), sobre los procesos que ocurren en las prótesis, etc. Esto incluye un gran parte de los equipos de diagnóstico: balistocardiógrafos, fonocardiógrafos, etc.

2. Dispositivos electrónicos que proporcionan efectos de dosificación en el cuerpo por diversos factores físicos (como ultrasonido, corriente eléctrica, campos electromagnéticos, etc.) con fines de tratamiento: dispositivos de terapia de microondas, dispositivos electroquirúrgicos, marcapasos, etc. 3. Electrónica cibernética dispositivos:

1) computadoras electrónicas para procesamiento, almacenamiento y análisis automático de información biomédica;

2) dispositivos para controlar los procesos de la vida y la regulación automática del entorno humano;

3) modelos electrónicos de procesos biológicos, etc. Uno de los temas importantes relacionados con el dispositivo

El equipo médico electrónico es su seguridad eléctrica tanto para los pacientes como para el personal médico. En una red eléctrica y en los dispositivos técnicos, generalmente se establece un voltaje eléctrico, pero una corriente eléctrica, es decir, una carga que fluye a través de un objeto biológico por unidad de tiempo, tiene un efecto sobre el cuerpo o los órganos.

La resistencia del cuerpo humano entre dos toques (electrodos) es la suma de la resistencia de los tejidos y órganos internos y la resistencia de la piel.

El requisito principal y principal es hacerlo inaccesible para tocar el equipo bajo voltaje. Para ello, en primer lugar, las partes de los dispositivos y aparatos bajo tensión se aíslan entre sí y del cuerpo del equipo.

49. ¿Cómo se asegura la fiabilidad de los equipos médicos?

Al realizar procedimientos con electrodos aplicados al paciente, es difícil prever muchas opciones para crear una situación eléctricamente peligrosa, por lo que debe seguir claramente las instrucciones para este procedimiento sin desviarse de él.

Fiabilidad de los equipos médicos. El equipo médico debe funcionar normalmente. La capacidad de un producto para no fallar en funcionamiento en condiciones operativas específicas y mantener su rendimiento durante un intervalo de tiempo determinado se caracteriza por un término general: "confiabilidad". Para los equipos médicos, el problema de la confiabilidad es especialmente relevante, ya que la falla de dispositivos y dispositivos puede provocar no solo pérdidas económicas, sino también la muerte de los pacientes. La capacidad del equipo para funcionar a prueba de fallos depende de muchas razones, cuyo efecto es prácticamente imposible de tener en cuenta, por lo que la evaluación cuantitativa de la confiabilidad es de naturaleza probabilística. Así, por ejemplo, un parámetro importante es la probabilidad de funcionamiento sin fallos. Se estima experimentalmente mediante la relación entre el número de productos en funcionamiento (no estropeados) durante un tiempo determinado y el número total de productos probados. Esta característica evalúa la capacidad del producto para mantener la operatividad en un intervalo de tiempo determinado. Otro indicador cuantitativo de confiabilidad es la tasa de fallas. Dependiendo de las posibles consecuencias de un fallo durante el funcionamiento, los dispositivos médicos se dividen en cuatro clases.

A - productos, cuya falla representa un peligro inmediato para la vida del paciente o del personal. Los productos de esta clase incluyen dispositivos para monitorear las funciones vitales del paciente, dispositivos de respiración artificial y circulación sanguínea.

B - productos cuya falla provoque una distorsión de la información sobre el estado del cuerpo o del medio ambiente, que no conlleve un peligro inmediato para la vida del paciente o del personal, o requiera el uso inmediato de un dispositivo similar en función al modo de espera. Estos productos incluyen sistemas que monitorean al paciente, dispositivos para estimular la actividad cardíaca.

B - productos cuya falla reduce la eficacia o retrasa el proceso de tratamiento y diagnóstico en situaciones no críticas, o aumenta la carga para el personal médico o de mantenimiento, o conduce solo a daños materiales. Esta clase incluye la mayoría de los equipos, herramientas, etc. de diagnóstico y fisioterapia.

G - productos que no contienen partes a prueba de fallas. Los equipos electromédicos no pertenecen a esta clase.

50. Sistema de obtención de información médica y biológica

Cualquier investigación biomédica está asociada a la adquisición y registro de información faltante. Para recibir y registrar información sobre el estado y parámetros de un sistema biomédico es necesario disponer de un conjunto completo de dispositivos. El elemento principal de este conjunto, el elemento sensible del instrumento de medición, llamado dispositivo captador, ciertamente entra en contacto o interactúa con el propio sistema.

En los dispositivos electrónicos médicos, el elemento sensor emite directamente una señal eléctrica o cambia dicha señal bajo la influencia de un sistema biológico. El dispositivo de captación convierte la información de contenido biomédico y fisiológico en una señal de un dispositivo electrónico. Hay dos tipos de dispositivos de captación que se utilizan en la electrónica médica: electrodos y sensores.

Los electrodos son conductores de forma especial que conectan el circuito de medición al sistema biológico. Al diagnosticar, los electrodos se utilizan no solo para captar una señal eléctrica, sino también para generar un efecto electromagnético externo (por ejemplo, en reografía). En medicina, los electrodos también se utilizan para proporcionar efectos electromagnéticos con fines de tratamiento y estimulación eléctrica.

Muchas características biomédicas no pueden ser "registradas" por electrodos, ya que no son reflejadas por una señal bioeléctrica: presión arterial, temperatura, ruidos cardíacos y muchas otras. En algunos casos, la información biomédica se asocia a una señal eléctrica, en estos casos se utilizan sensores (transductores de medición). Un sensor es un dispositivo que convierte un valor medido o controlado en una señal conveniente para su transmisión, conversión o registro. Los sensores se dividen en generadores y paramétricos.

Generador: estos son sensores que, bajo la influencia de la señal medida, generan voltaje o corriente directamente. Estos tipos de sensores incluyen:

1) piezoeléctrico;

2) termoeléctrico;

3) inducción;

4) fotovoltaica.

Los sensores paramétricos son sensores en los que algunos parámetros cambian bajo la influencia de la señal medida.

Estos sensores incluyen:

1) capacitivo;

2) reostático;

3) inductivo.

Dependiendo de la energía que es portadora de la información, existen sensores mecánicos, acústicos (sonidos), de temperatura, eléctricos, ópticos y otros.

Los potenciales bioeléctricos son un indicador de diagnóstico esencial de muchas enfermedades. Por lo tanto, es muy importante registrar correctamente estos potenciales y extraer la información médica necesaria.

51. Amplificadores-osciladores

Los amplificadores de señales eléctricas, o amplificadores electrónicos, son dispositivos que convierten la energía de fuentes de tensión continua en energía de oscilaciones electromagnéticas de diversas formas.

Según el principio de funcionamiento, se distinguen los generadores con autoexcitación y los generadores con excitación externa, que son esencialmente amplificadores de potencia de alta frecuencia.

Los generadores se subdividen según la frecuencia y la potencia de las oscilaciones. En medicina, los generadores electrónicos encuentran tres aplicaciones principales: en equipos electrónicos fisioterapéuticos; en estimuladores electrónicos; en dispositivos de diagnóstico separados, por ejemplo, en un reógrafo.

Todos los generadores se dividen en baja frecuencia y alta frecuencia. Dispositivos médicos: los generadores de oscilaciones electromagnéticas armónicas y pulsadas de baja frecuencia combinan dos grandes grupos de dispositivos que son difíciles de distinguir claramente: estimuladores electrónicos (electroestimuladores) y dispositivos de fisioterapia. A bajas frecuencias, el más significativo es el efecto específico, y no térmico, de la corriente. El tratamiento actual tiene el carácter de estimular algún efecto, por lo que existe una especie de confusión entre los conceptos de “aparato de tratamiento” y “electroestimulador”.

Los electroestimuladores se dividen en estacionarios, portátiles e implantables (implantados).

Un marcapasos portátil ya menudo implantable es el marcapasos de radiofrecuencia implantable EKSR-01. El receptor recibe señales de radio de un transmisor externo. Estas señales son percibidas dentro del cuerpo del paciente por la parte implantable y son enviadas al corazón en forma de impulsos a través de electrodos. Los dispositivos técnicos de estimulación eléctrica también incluyen electrodos para suministrar una señal eléctrica a un sistema biológico. En muchos casos, la estimulación eléctrica se realiza mediante electrodos de placa, que se aplican al cuerpo humano como electrodos para electrocardiografía.

Un gran grupo de dispositivos médicos, generadores de oscilaciones y ondas electromagnéticas, funcionan en el rango de frecuencias ultrasónicas, altas y ultraaltas y se denominan en el término general "equipos electrónicos de alta frecuencia".

Con la terapia UHF, la parte del cuerpo a calentar se coloca entre electrodos metálicos en forma de disco cubiertos con una capa aislante. Cuando se expone a ondas electromagnéticas, el emisor de estas ondas se acerca al cuerpo.

Otros dispositivos de fisioterapia incluyen:

1) aparato "Iskra-1": un generador de alta frecuencia que funciona en modo pulsado y se utiliza para la darsonvalización local;

2) aparato IKV-4 para inductotermia, operando a una frecuencia de 13,56 MHz;

3) aparato portátil para terapia UHF - UHF-66;

4) aparato para terapia de microondas "Luch-58".

Los dispositivos de electrocirugía (cirugía de alta frecuencia) también se denominan equipos médicos electrónicos de alta frecuencia.

52. Óptica

La óptica es una rama de la física que se ocupa de las leyes de la radiación, la absorción y la propagación de la luz.

La ley de propagación rectilínea de la luz.

La luz en un medio homogéneo transparente se propaga en línea recta.

Un haz de luz es un haz de luz infinitamente delgado que se propaga en línea recta, esta es una línea que indica la dirección de propagación de la energía luminosa.

espejo plano. Si los rayos paralelos incidentes permanecen paralelos después de la reflexión desde una superficie plana, dicha reflexión se denomina reflexión especular y la superficie reflectante es un espejo plano.

Leyes de la refracción de la luz. Los rayos incidente y refractado y la normal a la interfaz entre los medios en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.

sinα /sinβ = n,

donde α es el ángulo entre el haz incidente y la normal; β es el ángulo entre el haz refractado y la normal. Índices de refracción absolutos y relativos.

Índice de refracción relativo de la luz n = n₁/ n₂,

donde n₁ y N₂ - índices de refracción absolutos de dos medios, igual a la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio:

n=c/v₁, N₂= c/v₂

El curso de los rayos en un prisma. La ley de la refracción de la luz permite calcular el curso de los rayos en varios dispositivos ópticos, en particular en un prisma triangular.

desviación total del haz

re = un₁ + B₂ ×w,

w = segundo₁ + Un₂.

Si w es pequeño, entonces:

d = (n-1) h w,

donde n es el índice de refracción del material del prisma.

Fenómenos de reflexión interna total. Si el haz pasa de un medio ópticamente más denso (con un índice de refracción más alto) a un medio ópticamente menos denso, entonces:

A un cierto valor del ángulo de incidencia a0, el rayo refractado se desliza a lo largo de la interfaz entre el medio

β = n/2, luego senα₀ = norte₁/ n₂

53. Óptica ondulatoria

Propiedades ondulatorias de la luz. La luz son ondas electromagnéticas en el rango de frecuencia 13 x 1014-8 x h 1014 Hz percibidas por el ojo humano, es decir, la longitud de onda es de 380 x 770 nm. La luz tiene todas las propiedades de las ondas electromagnéticas: reflexión, refracción, interferencia, difracción, polarización.

Naturaleza electromagnética de la luz. Hasta mediados del siglo XIX, la cuestión de la naturaleza de la luz permaneció prácticamente sin resolver. La respuesta la encontró J. Maxwell, quien fundamentó las leyes generales del campo electromagnético. De la teoría de J. Maxwell, se llegó a la conclusión de que la luz son ondas electromagnéticas de un cierto rango. La velocidad de la luz en un medio homogéneo. La velocidad de la luz está determinada por las propiedades eléctricas y magnéticas del medio. Esto se confirma por la coincidencia de la velocidad de la luz en el vacío con la constante electrodinámica:

(ε₀ - constante eléctrica, m₀ es la constante magnética). La velocidad de la luz en un medio homogéneo, como se sabe, está determinada por el índice de refracción del medio n.La velocidad de la luz en una sustancia:

υ=c/n

donde c es la velocidad de la luz en el vacío.

De la teoría de Maxwell se sigue:

es decir, el índice de refracción y, en consecuencia, la velocidad en el medio están determinados por la permeabilidad dieléctrica y magnética del medio:

La interferencia es la suma de ondas de dos o más fuentes, cuando, como resultado de la suma, se viola el principio de superposición de intensidades.

La densidad de energía en una onda electromagnética es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda y determina la intensidad de la onda luminosa, que el ojo humano percibe como iluminación. Difracción de la luz: el fenómeno de desviación de la luz de una dirección rectilínea al pasar por el borde de un obstáculo.

La difracción de ondas es un conjunto de fenómenos observados durante el paso de las ondas en medios no homogéneos, que conducen a la desviación de las ondas de la propagación rectilínea original.

Principio de Huygens-Fresnel. Cada punto de la superficie que ha alcanzado la onda en un momento dado sirve como fuente puntual de ondas esféricas secundarias, que son coherentes: la superficie de la onda en cualquier momento no es sólo una envoltura de ondas secundarias, sino el resultado de su interferencia.

Método de la zona de Fresnel. Para una fuente puntual en un medio homogéneo e isotrópico, las superficies de onda tienen forma esférica. Fresnel propuso dividir la superficie de la onda en secciones separadas, llamadas zonas de Fresnel, de modo que las oscilaciones provenientes de dos zonas adyacentes al punto de observación se cancelen entre sí cuando se sumen.

54. Polarización de la luz

La luz son ondas electromagnéticas transversales. Polarización de la luz: ordenación en la orientación de los vectores de intensidades de los campos eléctrico y magnético de una onda luminosa en un plano perpendicular al haz de luz. La luz natural (luz solar, lámparas incandescentes) no está polarizada, es decir, todas las direcciones de oscilación de los vectores eléctrico y magnético perpendiculares a los rayos de luz son iguales. Existen dispositivos llamados polarizadores, que tienen la capacidad de hacer pasar a través de sí mismos rayos de luz con una dirección de oscilación del vector eléctrico E, de modo que a la salida del polarizador, la luz se polariza plana (linealmente). Para un ángulo arbitrario a entre las direcciones del analizador y el polarizador, la amplitud de las oscilaciones de la luz que emergen del analizador es igual a:

Ea = En cos a,

donde En es la amplitud de las oscilaciones a la salida del polarizador.

En una onda electromagnética, la densidad de energía (intensidad) es proporcional al cuadrado de la amplitud de oscilación E, es decir, I_n -E²_n y yo_a -E²_a.

En base a esto, obtenemos:

I_a = I_n cos2 a.

Esta relación se llama ley de Malus.

El grado de polarización de la luz (máximo y mínimo) es igual a la intensidad de la luz parcialmente polarizada transmitida por el analizador.

La polarización también ocurre en la interfaz entre dos dieléctricos isotrópicos. Si la luz incidente es natural, entonces los rayos refractados y reflejados están parcialmente polarizados y la dirección de oscilación predominante del vector eléctrico de la onda refractada se encuentra en el plano de incidencia, y la reflejada es perpendicular a él. El grado de polarización depende del índice de refracción del segundo medio con respecto al primero:

n₂₁ = norte₂/n₁

y en el ángulo de incidencia a, además, en el ángulo de incidencia ab, para lo cual tg a_Б = norte₂₁ (Ley de Brewster), el haz reflejado está casi completamente polarizado y el grado de polarización del haz refractado es máximo.

La birrefringencia es la capacidad de algunas sustancias, en particular los cristales, para dividir un haz de luz incidente en dos haces: ordinario (O) y extraordinario (E), que se propagan en diferentes direcciones con diferentes velocidades de fase y están polarizados en planos mutuamente perpendiculares.

Cuando la luz atraviesa algunas sustancias, llamadas ópticamente activas, el plano de polarización de la luz gira alrededor de la dirección del haz. El ángulo de rotación f del plano de polarización es proporcional al camino recorrido por la luz en una sustancia ópticamente activa:

donde a es una constante de rotación, dependiendo de las propiedades

f = ai,

sustancias y longitudes de onda de la luz

55. Sistema óptico del ojo y algunas de sus características

El ojo humano es una especie de dispositivo óptico que ocupa un lugar especial en la óptica. Para los médicos, el ojo no es sólo un órgano capaz de sufrir trastornos funcionales y enfermedades, sino también una fuente de información sobre algunas enfermedades no oculares. Detengámonos brevemente en la estructura del ojo humano.

El ojo en sí es el globo ocular, que tiene una forma esférica no del todo regular. Las paredes del ojo constan de tres capas dispuestas concéntricamente: exterior, media e interior. La capa proteica externa, la esclerótica, en la parte frontal del ojo se convierte en una córnea convexa transparente, la córnea. En términos de propiedades ópticas, la córnea es la parte más refractiva del ojo. Es como una ventana por la que pasan rayos de luz al ojo. La cubierta exterior de la córnea pasa a la conjuntiva unida a los párpados.

La coroides está adyacente a la esclerótica, cuya superficie interna está revestida con una capa de células pigmentarias oscuras que evitan la dispersión interna difusa de la luz en el ojo. Delante del ojo, la coroides pasa al iris, en el que hay un orificio redondo: la pupila. Directamente a la pupila en el interior del ojo se encuentra una lente, un cuerpo transparente y elástico, similar a una lente biconvexa. El diámetro de la lente es de 8 a 10 mm, el radio de curvatura de la superficie anterior es en promedio de 10 mm y la superficie posterior es de 6 mm. El índice de refracción de la sustancia del cristalino es ligeramente mayor: 11,4. La estructura de la lente se asemeja a la estructura en capas de una cebolla y el índice de refracción de las capas no es el mismo. Entre la córnea y el cristalino se encuentra la cámara anterior del ojo, que está llena de humedad, un líquido similar en propiedades ópticas al agua. Toda la parte interna del ojo desde el cristalino hasta la pared posterior está ocupada por una masa gelatinosa transparente llamada cuerpo vítreo. El índice de refracción del cuerpo vítreo es el mismo que el del humor acuoso.

Los elementos del ojo discutidos anteriormente se relacionan principalmente con su aparato conductor de luz.

El nervio óptico ingresa al globo ocular a través de la pared posterior; Al ramificarse, pasa a la capa más interna del ojo: la retina o retina, que es el aparato de percepción (receptor) de la luz del ojo. La retina consta de varias capas y no es la misma en su grosor y sensibilidad a la luz; contiene células visuales sensibles a la luz, cuyos extremos periféricos tienen una forma diferente. En el sitio de entrada del nervio óptico hay un punto ciego que no es sensible a la luz.

El ojo se puede representar como un sistema óptico centrado formado por la córnea, el líquido de la cámara anterior y el cristalino (cuatro superficies refractivas) y limitado por delante por el medio aéreo y por detrás por el cuerpo vítreo. El eje óptico principal pasa por los centros geométricos de la córnea, la pupila y el cristalino.

Además, también se distingue el eje visual del ojo, que determina la dirección de mayor fotosensibilidad y pasa por los centros del cristalino y la mácula.

56. Radiación térmica de cuerpos.

De toda la variedad de radiaciones electromagnéticas, visibles o invisibles al ojo humano, se puede distinguir una, que es inherente a todos los cuerpos. Esta es la radiación de los cuerpos calentados, o radiación térmica. Durante la radiación térmica, la energía se transfiere de un cuerpo a otro debido a la emisión y absorción de ondas electromagnéticas. La radiación térmica de los cuerpos calentados ocurre a cualquier temperatura, por lo tanto, todos los cuerpos la emiten.

La radiación de equilibrio (negra) es la radiación que se encuentra en equilibrio termodinámico con cuerpos que tienen una determinada temperatura. Un cuerpo negro es un cuerpo que absorbe completamente cualquier radiación electromagnética que incide en su superficie, independientemente de la temperatura del cuerpo.

Para un cuerpo completamente negro, la capacidad de absorción (la relación entre la energía absorbida y la energía de la radiación incidente) es igual a uno.

Según sus características, dicha radiación obedece a la ley de radiación de Planck, que determina la emisividad y el brillo energético de un cuerpo negro. Presentó una hipótesis, de la que se deducía que el cuerpo negro irradia y absorbe energía no continuamente, sino en ciertas porciones, cuantos.

La ley de Kirchgaard establece una relación cuantitativa entre radiación y absorción, al mismo tiempo que la densidad de luminosidad energética y el coeficiente de absorción de luz monocromática para cualquier cuerpo, incluidos los negros. La ley de Kirchgaard establece que la relación entre la emisividad r de un cuerpo y su capacidad de absorción de un cuerpo negro f(w, T) a los mismos valores de temperatura y frecuencia:

donde w es la frecuencia de la onda.

Ley de Stefan-Boltzmann: la luminosidad integral de energía R (T) de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta:

R(T) = QT₄.

El valor numérico de la constante Q, llamada constante de Stefan-Boltzmann, es:

Ley de desplazamiento de Vip: la longitud lm, que representa la energía de radiación máxima de un cuerpo completamente negro, es inversamente proporcional a la temperatura absoluta T.

El valor de la constante de Wiep es 2,898 × 10^-3 µK.

μK es la constante de Wip. Esta ley también es válida para cuerpos grises.

La manifestación de la ley de Vipa se conoce por observaciones ordinarias. A temperatura ambiente, la radiación térmica de los cuerpos se produce principalmente en la región infrarroja y no es percibida por el ojo humano. Si la temperatura aumenta, los cuerpos comienzan a brillar con una luz roja oscura y, a una temperatura muy alta, blanca con un tinte azulado, aumenta la sensación de calentamiento del cuerpo.

Autor: Podkolzina V.A.

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