Поверхностным натяжением называется величина, измеряемая отношением силы поверхностного натяжение к длине отрезка, на который действует эта сила.

Поверхностное натяжение может быть определено так же отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре к площади этой поверхности.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови. Для определения поверхностного натяжения в медицинской практике пользуются методом отрыва капель. При медленном истечении жидкости из отверстия или из вертикальной трубки образуется капля.

В момент отрыва капли сила F =2πδr поверхностного натяжения равна силе тяжести Q=mg=ρυg капли (r - радиус шейки капли, - плотность жидкости, V - объем капли), 2πrδ= ρgυ. Отсюда

δ= ρVg/2π (l)

Измерить радиус шейки практически нельзя (это можно сделать только при фотографировании капли в момент отрыва), поэтому используя метод отрыва капель, прибегают к сравнительному способу. Если известно поверхностное натяжение стандартной жидкости, например воды, то формулу (1) можно записать.

δ₀=ρ₀V₀g /2π (2)

Взять одинаковые объемы воды и исследуемой жидкости V, и подсчитав количество капель в этих объемах можно вычислить объем одной капли.

V₀= V₁/n₀ _(воды), V= V₁/n _{(исследуемой жидкости)}

Подставив эти выражения соответственно в формулу (1) и (2) и взяв их отношение, получим

δ/ δ₀= ρn₀/ ρ₀n (3) или δ= δ₀ρn₀/ ρ₀n (4)

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости и от температуры (уменьшается при ее повышении), но не зависит от величины или формы поверхности. Единицы его измерения в СИ – Н/м, в системе СГС - дин/см.

2 Рассеяние света. При прохождении через вещественную среду световая волна постепенно ослабляется. Это происходит в связи с рассеянием и поглощением света. Рассеяние света происходит в неоднородных средах при условии, что размеры неоднородностей соизмеримы с длиной волны света. Если неоднородность среды образована посторонними частицами, беспорядочно распределенными в массе среды, то рассеяние света называют явлением Тиндаля, а среды – мутными, например мелкий туман, дым, различные взвеси и эмульсии и т.п. Это явление можно наблюдать, например, когда узкий пучок солнечных лучей проходит сквозь запыленную атмосферу: свет рассеивается на пылинках и весь пучок становится видимым при наблюдении с любой стороны.

Длина волны света при рассеянии не изменяется, а интенсивность рассеянного света тем выше, чем меньше размеры этих неоднородностей сравнительно с длиной волны. Интенсивность рассеяния зависит также от длины волны света: короткие волны рассеиваются значительно сильнее, чем длинные. Можно считать, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна примерно второй степени длины волны для более крупных и третьей степени – для более мелких частиц. Поэтому, например, мелкодисперсный туман имеет синий цвет, а состоящий из более крупных капелек – белый.Рассеяние света может происходить также и в однородной среде на мгновенных неоднородностях плотности вещества, образующихся в связи с тепловым движением атомов и молекул, например в чистом газе в процессе теплового движения молекулы в различные моменты сближаются в одних точках объема газа и разреживаются в других. Этот вид рассеяния называется молекулярным рассеянием. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света:

; (закон Рэлея).

В связи с этим, например, свечение неба наблюдается сине-голубым, а прямое солнечное излучение приобретает желто-красный оттенок, особенно при восходе и заходе Солнца, когда это излучение проходит более длинный путь в атмосфере.При рассеянии света в однородных жидкостях и кристаллах в рассеянном свете кроме падающей волны частотой , отличающейся от нее на определенную величину , характерную для молекулярной структуры данного вещества:

.Этот вид молекулярного рассеяния называется комбинационным рассеянием света и имеет значение для изучения структуры вещества.При рассеянии света энергия сохраняет свою электромагнитную природу. При поглощении света она переходит в другие виды внутренней энергии, при этом в веществе могут происходить различные явления: повышение интенсивности теплового движения (тепловой эффект), возбуждение и ионизация атомов и молекул, активация молекул (фотохимический эффект) и т.п.

3 Физическая модель сосудистой системы.Непрерывность кровотока.

Сердечно-сосудистая система в организме человека и животных представлена сердцем, кровеносными сосудами и лимфатическими сосудами. Физическую модель сердечно-сосудистой системы можно представить в виде замкнутой, многократно разветвленной и заполненной жидкостью системы трубок с эластичными стенками. Движение жидкости происходит под действием ритмически работающего нагнетательного насоса - сердца. В наиболее простой гидродинамической модели кровеносной системы, предложенной О.Франком, артериальная часть моделируется в виде упругого резервуара (УР). Эта модель представлена на рис.1. Кровь из сердца поступает в УР (артерии) через отверстие К1. При сжатии упругого резервуара содержащийся в нем объем крови проталкивается через отверстие К2 в периферическую систему сосудов, вызывая в них продвижение крови.Периферическая система (артериолы, капилляры) представляет постоянное и многократное разветвление большого числа трубок, особенно в ее средней части, общий просвет которых имеет настолько большое сечение, что скорость жидкости здесь снижается почти до нуля. Однако внутреннее трение в пристеночных слоях этих трубок настолько велико, что именно эта часть системы представляет наибольшее сопротивление течению жидкости и обусловливает максимальное падение давления.Физическая модель сердечно-сосудистой системы позволяет установить связь между ударным объемом крови (объем крови, выбрасываемой желудочком сердца за одну систолу), гидравлическим сопротивлением периферийной части системы кровообращения и изменения давления в артериях. Так как кровь находится в УР, то ее объем V в любой момент времени зависит от давления (р) следующим образом: где k - коэффициент пропорциональности, зависит от эластичности упругого резервуара; - объем резервуара при отсутствии давления (р = 0).

Сердце сокращается ритмично, поэтому кровь поступает в кровеносные сосуды порциями. Однако по кровеносным сосудам кровь течет непрерывным потоком. Непрерывный ток крови в сосудах объясняется эластичностью стенок артерий и сопротивлением току крови, возникающим в мелких кровеносных сосудах. Благодаря этому сопротивлению кровь задерживается в крупных сосудах и вызывает растяжение их стенок. Растягиваются стенки артерий и при поступлении крови под давлением из сокращающихся желудочков сердца при систоле. Во время диастолы кровь из сердца в артерии не поступает, стенки сосудов, отличающиеся эластичностью, спадаются и продвигают кровь, обеспечивая непрерывное движение ее по кровеносным сосудам

Билет9

1 Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической информации. Электроды и датчики в медицине.

Инструментальные средства медико-биологических исследований представляют собой совокупность приборов, аппаратов, систем, комплексов и приспособлений к ним, в которых реализуются физические и физико-химические методы исследования различных биологических объектов. Выполнение этих исследований позволяет получить диагностическую информацию о состоянии объекта в виде множества медико-биологических показателей (МБП) и записей физиологических процессов, на основании анализа которых строится диагностическое заключение.

Электроды для съема биоэлектрического сигнала — это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой.

При диагностике электроды используются не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например в реографии. В медицине электроды используются также для оказания электромагнитного воздействия с целью лечения и при электростимуляции.

К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не

создавать помех, не раздражать биологическую ткань.

2 Поглощение света. Закон Бугера. Закон поглощения в однородной среде для параллельного пучка монохроматического света был установлен Н. Бугером:

В каждом последующем слое среды одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии падающей на него световой волны, независимо от его абсолютной величины.

Определим на основании этого закона интенсивность световой волны, прошедшей слой среды толщиной d, если падающая на поверхность среды волна имеет интенсивность . Для этого выделим на расстоянии х от поверхности слой среды толщиной dx (рис.1, а).

Убывание интенсивности волны вследствие поглощения света этим слоем по закону Бугера пропорционально величине и толщине слоя dx:

где - коэффициент пропорциональности. Уравнению можно придать вид

.

Решая это уравнение, получим , или для слоя толщиной x = d будет .

График изменения интенсивности света в зависимости от толщины, слоя среды, который проходит свет, показан на рис.1,б (экспоненциальная кривая).Коэффициент пропорциональности называется показателем поглощения и характеризует поглощательную способность вещества. Он зависит от его природы и состояния, а также от частоты (длины волны ) света.У металлов показатель поглощения весьма высок (рис.2.а).Это объясняется наличием в металлах свободных электронов, вынужденные колебания которые легко возбуждаются и имеют значительную амплитуду. Падающая на поверхность металла световая волна быстро расходует свою энергию и потому проникает на самую глубину. У диэлектриков показатель поглощения в общем невелик, однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волны, в которых показатель поглощения резко возрастает (рис.2.б). Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и значительное поглощение света происходит только при резонансных колебаниях, т.е. при частотах световой волны, близких к собственным (или кратным им) частотам колебаний электронов диэлектрика. Это явление объясняет, например, линейчатые спектры поглощения газов в атомарном состоянии.Любое вещество поглощает и отражает электромагнитное излучение. Вещества, поглощающие излучение с длинами волн 400 – 800 нм (видимый диапазон) окрашены. Характер и величина поглощения и отражения света зависят от природы вещества и его концентрации в растворе.

3 Физические основы клинического метода измерения давления крови.

Знание давления крови играет важную роль при диагностике многих заболеваний и контроле за эффективностью проводимого лечения. Систолическое и диастолическое давление в артерии можно измерить непосредственно с помощью иглы, соединенной с манометром. Однако в медицине широко используется бескоровный метод, предложенный Н.С.Коротковым. Он заключается в том, что измеряют давление, которое необходимо приложить снаружи, чтобы сжать артерию до прекращения в ней тока крови. Это давление весьма близко к давлению крови в артерии. Измерение обычно производится на плечевой артерии выше локтевого сгиба. Сжатие артерии осуществляется с помощью манжеты, которая представляет собой резиновую камеру в чехле из тонкого материала. Манжету обертывают вокруг руки между плечом и локтем. При накачивании воздуха через шланг с помощью резиновой груши давление в манжете растет. Величина давления определяется по манометру, соединенному с манжетой. В процессе накачивания воздуха в манжету следят за пульсом на лучевой артерии с помощью датчика (фонендоскоп или пьезоэлектрический преобразователь). Воздух накачивают в манжету до давления на 10- 20 мм рт.ст. выше того, при котором перестает прослушиваться пульс на лучевой артерии. Затем, медленно открывая выпускной клапан резиновой груши, постепенно снижают давление в манжете, прислушиваясь к звукам в фонендоскопе (или динамике). Соотношение между изменением давления (р) в манжете и "тонами Короткова" показано схематически на рис. 5. Пока артерия сжата полностью, никакие звуки не прослушиваются. При снижении в манжете давления начинают прослушиваться отчетливые тоны (участок а на рис. 5). Эти тоны обусловлены вибрацией стенок артерии непосредственно за манжетой под действием мощных толчков крови, которые проходят сквозь сжатый манжетой участок сосуда только в моменты систолы сердца. Показание манометра, соответствующее моменту появлении тонов, определяет систолическое давление. При дальнейшем снижении давления в манжете тоны дополняются шумами (участок б на рис. 5). Эти шумы обуслов- лены турбулентным течением крови через частично сжатый манжетой участок артерии. Затем шумы уменьшаются и в фонендоскопе вновь прослушиваются чистые тоны (участок в на рис. 5). Эти тоны быстро затухают, в артерии устанавливается ламинарное течение крови. Показание манометра в момент резкого ослабления тонов соответствует диастолическому давлению.

Для здорового нормального человека рс = 10- 120 мм рт.ст., рд = 70- 80 мм рт.ст.

Билет10

1 Виды датчиков:

датчики подразделяются на механические, звуковые, температурные, оптические. Механические датчики в медицине применяются при различных методах исследования деятельности сердечно-сосудистой системы. Например, электрические манометры измеряют давление крови в полостях сердца, при электрической сфигмографии и электрической флебографии записывают кривые артериального и венозного пульса.

все датчики можно подразделить на две группы по принципу действия: генераторные и параметрические.

Генераторные датчики – это такие преобразователи, которые при механическом воздействии

измеряемого сигнала генерируют напряжение и ток. Типы этих датчиков называются так же, как и явления, на которых они основаны:

1. пьезоэлектрически е - пьезоэлектрический эффект;

2. термоэлектрические - термоэлектрический эффект;

3. индукционны е - электромагнитная индукция;

4. фотоэлектрические – вентильный фотоэффект.

Пьезоэлектрические датчики основаны на явлении пьезоэлектрического эффекта. Это явление возникает при механических деформациях кристаллических диэлектриков.при деформации элементарных кристаллических ячеек и сдвигах подрешеток относительно друг друга происходит поляризация. Пьезоэлектрический эффект возникает в кварце, сегнетовой соли и других кристаллах. Если пластины, замкнутые через неоновую лампу, приложить к кристаллу, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, то при ударе по кристаллу напряжение появляется на его гранях. Напряжение появляется и на металлических пластинах, при этом неоновая лампа вспыхивает. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.механическая деформация может возникать в кристалле, помещенном в электрическом поле. Это явление называется о братный пьезоэлектрический эффект.работа пьезоэлектрического датчика для записи пульса лучевой артерии основана на явлении прямого пьезоэлектрического эффекта. Основным элементом датчика является пластина из сигнетоэлектрика, которая одним концом укрепляется на запястье, а другой ее конец касается стенки артерии. Колебания стенки артерии вызывают деформацию изгиба пластинки.переменная разность потенциалов возбуждается при этом на поверхности пластинки. Разность потенциалов повторяет по форме колебания стенки артерии. Она предается к усилителю с помощью электродов и проводов, а затем к регистрирующему устройству. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.

термопара применяется в качестве термоэлектрического датчика. Термопара это спай двух проводников из различных металлов. Термопары применяются для измерения температур. Показания измерительного прибора, подключенного к свободным концам термопары, пропорциональны разности температур этих спаянных концов. Термопара имеет преимущества перед ртутным термометром вследствие большой чувствительности и отсутствия тепловой инерции.однако по удобству измерений она значительно хуже термистора. термобатарея применяется в тех случаях, когда одна термопара является недостаточно чувствительной. Термопары могут быть изготовлены из полупроводников с различной проводимостью (n-типа и p-типа).

механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или наоборот) вызывают в них индукционный ток. Это явление используется в индукционном датчике. Ток, индуцируемый при смещениях катушек относительно магнита, передается на усилитель и регистрирующее устройство. Их применяют для прямой баллистокардиографии.

Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на зависимости их сопротивления от освещения и радиационного облучения.

Параметрические датчики- датчики, в которых под влиянием механических усилий или перемещений изменяются электрические параметры, называются параметрическими. Типы этих датчиков называются так же, как и явления, на которых они основаны:

1. сопротивление – резистивные датчики;

2. емкость – емкостные датчики;