Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Фізика & медицина

Великий вплив на розвиток медицини справляла й справляє фізика. Створення оптичного, а згодом й електронного мікроскопа відкрили можливості для вивчення структури тканин людського організму, клітин, хвороботворних мікроорганізмів. Використання електронної оптики дало змогу піднести на новий рівень дослідження в галузі цитології, вірусології, молекулярної біології. Розвиток електродинаміки надзвичайно розширив методи діагностики й лікування. Відкриття рентгенівських променів, радію, штучної радіоактивності привело до створення радіобіології та медичної радіології.

Розгляньмо деякі методи діагностування й лікування.

«Дихайте, не дихайте!» — Так говорить лікар, коли прослуховує звуки (мал. 13.7, а), які виникають під час роботи внутрішніх органів людини (серця, легенів та ін.). Або постукує по поверхні тіла (мал. 13.7, б) й аналізує звуки, що виникають унаслідок цього. Складники спектра звуків, що виникають під час роботи серця, фіксують за допомогою фонокардіографа (мал. 13.7, в).

Мал. 13.7. Звукові методи й засоби діагностики: а — перкусія, або вистукування (світлина); б — огляд хворого з використанням стетоскопата фонендоскопа1; в — засоби графічної реєстрації тонів і шумів серця; г — апарат для фонокардіографії серця та фонокардіограма

Аудіометрія — метод, що дає змогу дослідити гостроту слуху (мал. 13.8). В основу методу покладено реєстрування реакції організму, що зумовлена звуковим стимулюванням. У пацієнта визначають індивідуальну криву порогу чутності, яку називають аудіограмою. Порівнявши аудіограми хворого пацієнта з еталонною кривою порога слухового відчуття, діагностують захворювання слухового аналізатора.

Мал. 13.8. Перевіряємо гостроту слуху

1 Картина Івана Антоновича Тихого (1927-1982, Україна) «М. І. Пирогов оглядає хворого Д. І. Менделєєва». Вірджинія Апгар (1909-1974, США), винахідниця способу швидкого оцінювання стану здоров’я новонародженої дитини відразу після народження, обстежує новонароджену дитину (світлина 1966 року).

Єдину природу зі звуком та однакові фізико-гігієнічні характеристики має й ультразвук, його частота перевищує 20 кГц, і людські органи слуху його не фіксують як звук. В ультразвуку такі особливості:

  • мала довжина хвилі (менше від 1,5 см) дає змогу отримувати скерований сфокусований пучок великої енергії;
  • ультразвукові хвилі здатні створювати чітку акустичну тінь, якщо розміри перешкод співмірні з довжиною хвилі;
  • ультразвукові хвилі, що проходять крізь межу поділу двох середовищ, можуть відбиватися, заломлюватися або поглинатися;
  • високочастотний ультразвук практично не поширюється в повітрі;
  • у твердих і рідких середовищах ультразвук спричинює низку механічних і хімічних ефектів, зокрема явища кавітації1 та вібрації рідини або газу.

У медицині методи ультразвукової діагностики (УЗД) базуються на відбиванні УЗ-хвиль від зовнішніх і внутрішніх поверхонь різних органів людини (ехолокація) і на здатності тканин поглинати ультразвук залежно від їхньої густини (мал. 13.9).

Поширені три основні методи: ехографія (одновимірні ультразвукові дослідження, A-режим), сонографія (двовимірне ультразвукове сканування органів і тканин, В-режим) і доплерографія (на основі ефекту Доплера2).

Ехографічний (локаційний) метод, або A-режим УЗ-сканування (amplitude — амплітуда), засновано на використанні імпульсів, спрямовуваних у досліджуваний об’єкт, реєструванні часу їхнього повернення й амплітуди після відбивання від неоднорідностей досліджуваного об’єкта. Наприклад, ехоенцефалографія — методика УЗД головного мозку, яку застосовують для діагностики його об’ємних уражень (гематом, пухлин тощо).

Мал. 13.9. Використання ультразвуку в медицині

В-режим УЗ-сканування (brightness — яскравість) дає змогу отримувати двовимірне зображення внутрішніх структур людського тіла в певних площинах, вибраних для дослідження. Якщо УЗ-випромінювач прикласти безпосередньо до тіла людини, то ультразвук не проникатиме в нього, а відбиватиметься. Тому шкіру пацієнта змащують гелем, — це зменшує відбивання.

1 Виникає в змішаному середовищі — рідина-газ, де в зоні розриву рідини внаслідок періодичного стиснення й розтягування утворюються бульбашки, наповненні парою.

2 Крістіан Доплер (1803-1853, Австрія).

УЗ-промінь рухається (сканує) у певній площині, що проходить крізь досліджуваний орган. Відбиті від межі різних ділянок органу УЗ-хвилі, перетворюються на електричні сигнали, подальше опрацювання яких дає змогу отримати на екрані монітора світіння точок різної яскравості — зображення органа (мал. 13.9, а). Яскравий білий колір зображення означає відбиття ехосигналу щільними тканинами, кістками, камінцями тощо. Темний колір виникає за відсутності відбитого сигналу (рідини, печінка, підшлункова залоза, легені, нирки й ін.).

УЗД, що базується на ефекті Доплера, дає змогу фіксувати рухомі об’єкти (наприклад, плин крові) за зміною частоти відбитого УЗ-сигналу від рухомого об’єкта.

Ультразвукова апаратура останнього покоління дає змогу використовувати додаткові режими дослідження: кольорове доплерівське картування (виділення кольором на ехограмі характеру кровоплину, наприклад серця, мал. 13.9, б), енергетичне доплерівське картування (для якісної оцінки кровоплину в дрібних капілярних судинах нирок, печінки тощо), тканинна гармоніка (візуалізація тканинних структур), тривимірна реконструкція (3D режим УЗД, мал. 13.9, в), ендоскопічна ультрасонографія (ендоУЗД), що полягає у використанні високоякісних мініатюрних датчиків, які можуть бути проведені через допоміжні канали стандартних ендоскопів, еластографія (соноеластографія) — це інноваційний метод УЗД, який дає змогу оцінити пружність і жорсткість тканин.

Ультразвук застосовують не лише для діагностування, — ним ще й лікують. Основна дія ультразвуку — пришвидшення фізіологічних процесів у клітинах. Ультразвук здійснює на частини тіла фізико-хімічний, механічний і тепловий вплив; спричинює мікровібрації на клітинному й субклітинному рівнях; змінює проникність біологічних мембран.

Ультразвукова фізіотерапія дає змогу зменшити набряк і запалення, зняти больові відчуття, увести лікарські препарати вглиб тканин (фонофорез) та ін. Сфокусовані промені застосовують для лікування гаймориту, запалень середнього вуха, хронічного нежитю, радикуліту, невритів, захворювань опорно-рухового апарату, стоматологічних хвороб тощо.

Кавітація й зумовлені нею явища є основним фізико-хімічним механізмом терапевтичної дії за низьких інтенсивностей ультразвуку й джерелом руйнівної дії — за високих. Енергія, що вивільняється під час кавітації, може виконувати механічну роботу. Наприклад, у стоматології її використовують для відривання частинок нальоту або зубного каменю з поверхні зуба, шліфування та полірування емалі; у фармації — для виготовлення емульсій, суспензій, лікарських аерозолів.

Високу інтенсивність ультразвуку застосовують у хірургії й ортопедії для руйнування злоякісних пухлин, розрізання м’яких і кісткових тканин (УЗ-скальпель), зварювання кісток, прикріплення кісткових імплантатів (УЗ-остеосинтез). У фармації — для пришвидшення деяких хімічних реакцій, руйнування оболонок рослинних і тваринних клітин для добування біологічно активних речовин (ферменти, вітаміни тощо), в офтальмології — приварювання сітківки, видалення катаракти, у нефрології — для виконання літотрипсії (дроблення каменів у нирках або жовчному міхурі спрямованою дією високоінтенсивних УЗ-хвиль).

Згубну дію УЗ на мікроорганізми використовують для стерилізації різних середовищ. Інформацію про застосування ультразвуку в медицині узагальнено в таблиці 13.1.

Таблиця 13.1

Галузі застосування ультразвуку

Фізичні явища, які лежать в основі цього застосування

Ультразвукова діагностика

відбиття ультразвуку від межі поділу двох середовищ; поглинання ультразвуку тканинами й органами;

ультразвуковий ефект Доплера

Ультразвукова терапія й хірургія

поглинання ультразвуку тканинами й органами;

перетворення механічної енергії УЗ-хвилі на теплову;

фокусування УЗ-пучка для локальних пошкоджень у тканинах;

механічні коливання ультразвукової частоти накладаються на і хірургічні інструменти (скальпелі, пилки, голки)

Усі клітини, органи та організм у цілому мають власне електричне поле. Концентрація йонів у цитоплазмі клітини та міжклітинному середовищі — різна, тому на мембранах клітин є мембранні потенціали, які ще називають біопотенціалами. Ця різниця потенціалів підтримується в процесі життєдіяльності клітини. Організм людини вважають однорідним провідним середовищем, тому, якщо на дві різні ділянки тіла накласти електроди, то можна зареєструвати різницю потенціалів. Графік залежності різниці біопотенціалів від часу відповідно до органа, що цю різницю створює, називають електрограмою. Наприклад, електрокардіограма ЕКГ, електроенцефалограма ЕЕГ, електроміограма ЕМГ (мал. 13.10).

Мал. 13.10. а — електрокардіографія; б — електроенцефалографія; в — електроміографія

Про електрокардіографію ми вже згадували в розділі Д.5. Зауважимо, що є ще холтерівський моніторинг ЕКГ — один з методів діагностики порушень серцевого ритму, за якого відбувається тривала реєстрація ЕКГ. Цей метод запропоновано біофізиком Норманом Холтером (1914-1983, США). Дослідження ґрунтується на безперервному реєструванні електрокардіограми протягом 12 годин і більше. Записують ЕКГ за допомогою спеціального портативного апарата, який пацієнт носить із собою.

Електроенцефалографія (ЕЕГ) — метод дослідження, що реєструє електричні процеси, які відбуваються під час діяльності головного мозку людини.

Електроміографія (ЕМГ) — засіб реєстрування нейро-м’язової активності, пов’язаної зі скороченням м’язів. У стоматології, ортопедії та травматології ЕМГ дає змогу дослідити функціональний стан м’язів, об’єктивно оцінити патологічний процес під час протезування зубів, міопластичних операцій та реабілітації різних частин тіл а то що.

Організм людини складається з провідників (електролітів) і діелектриків. Провідники — це речовини, у яких є вільні заряди, що здатні переміщатися під дією електричного поля. Діелектрики (ізолятори) — це речовини, у яких немає вільних зарядів, тому вони не проводять електричний струм (мал. 13.11).

Мал. 13.11. Організм людини складається з провідників (електролітів) і діелектриків

Біологічні тканини здатні проводити електричний струм і мають різну електропровідність. У них у складній послідовності чергуються ділянки з високою провідністю (біологічні рідини) і низькою провідністю (шкіра, кісткова й жирова тканини, мембрани клітин та клітинних органел). Наприклад, електричний опір мембран клітин, кісткової й жирової тканин досить великий. Вони подібні до діелектриків. Найбільша електропровідність в електролітів — спинномозкової рідини й крові. Основними носіями заряду в них є йони.

Усередині організму електричний струм поширюється переважно кровоносними й лімфатичними судинами, м’язами, оболонками нервових стовбурів. Дослідження проходження електричного струму крізь тканини й органи дає змогу виміряти їхні електричні параметри, а отже — дослідити й біологічні властивості. На цьому базується реографія. Своєчасна реографія серця й мозку сприяє попередженню інсультів або інфарктів, а дослідження кінцівок за допомогою реографа сприяють профілактиці захворювань периферичних судин.

Біоструми, що виникають в організмі, є джерелом слабких магнітних полів, які інколи можна зареєструвати. Магнітні поля можуть відображати аномалії в роботі органів або тканин.

Ядра атомів Гідрогену, Фосфору, Флуору та інших хімічних елементів в організмі людини подібні до дзиґи, яка обертається навколо своєї осі.

Цю властивість елементарних частинок й атомів називають спіном. Якщо зразок розмістити в постійному магнітному полі, то осі «дзиґ» орієнтуються в напрямку ліній індукції поля: одні вздовж поля, інші — проти нього. Якщо перпендикулярно подати змінний високочастотний сигнал (радіохвилі), то ядерні дзиґи отримають енергію та обертатимуться навколо силових ліній магнітного поля на чітко визначеній резонансній частоті. Цю властивість використовують у магнітно-резонансній томографії (МРТ) — методі пошарового дослідження внутрішніх органів і тканин організму.

Важливою перевагою МРТ є відсутність радіаційних пошкоджень і можливість одержати зображення органів усередині черепа або грудної клітки завдяки прозорості повітря й кісткової тканини для радіохвиль (мал. 13.12).

Мал. 13.12. Пошарове сканування черепа за допомогою МРТ

Усі методи, у яких діючим чинником є електричне або магнітне поле, умовно поділяють на дві групи:

  • дія постійним або імпульсним струмом (первинні явища під час впливу на організм електричного струму пов’язані переважно з рухом йонів тканинних електролітів);
  • дія струмом, полями високої та ультрависокої частоти, а також низькочастотним магнітним полем (методи використовують для створення лікувального теплового ефекту).

Дізнатися більше про методи електролікування й порівняти їх за діючим чинником на пацієнта, ефектами впливу на біологічні тканини та фізіотерапевтичним ефектом ви зможете, проаналізувавши відомості, наведені в таблиці 13.2 (зробіть це).

Таблиця 13.2

Продовження табл. 13.2

1 Поль-Мішель Фуко (1926-1984, Франція).

Продовження табл. 13.2

Продовження табл. 13.2

Продовження табл. 13.2

Про термометр і вимірювання температури тіла знають усі. А чи доводилося кому з вас вимірювати температуру тіла дистанційно? У медичній діагностиці застосовують термографію (мал. 13.12) — реєстрування теплового випромінювання тіла людини. Її застосовують для:

  • визначення вогнищ запальних процесів, больових ділянок і травм;
  • спостереження за процесами заживання ран;
  • виявлення порушень функціонування судинної системи;
  • з’ясування механізмів обміну речовин;
  • первинної діагностики онкологічних захворювань;
  • термоенцелоскопії під час операцій на відкритому мозку (нейрохірургія);
  • виявлення патологій периферичних нервів кінцівки та ін.

Мал. 13.12. Дистанційне вимірювання температури тіла

Волоконна оптика — це розділ фізики, у якому розглядають передавання світла й зображення оптичним волокном. Це в найпростішому випадку — тонка прозора скляна нитка, якою може передаватися оптичне випромінювання за рахунок явища повного внутрішнього відбивання. Оптичне волокно ефективно застосовують у системах оптичного зв’язку, передачі зображення, освітлення, у датчиках фізичних величин тощо (мал. 13.13).

Мал. 13.13. Оптичне волокно

У медицині оптичне волокно використовують в ендоскопах (мал. 13.14) — складних оптикомеханічних приладах, які дають змогу проводити огляд внутрішніх органів (носоглотки, трахеї, бронхів, стінок шлунка, сечового міхура та ін.) і порожнин організму, здійснювати лікувальні маніпуляції. До ендоскопів прикріпляють фото- або відеокамеру, за допомогою яких реєструють процеси.

Неабияке значення ендоскопії в хірургії. Наприклад, ендоскопічна хірургія ефективна для зупинки шлунково-кишкової кровотечі, видалення поліпів шлунка й кишок.

Мал. 13.14. Ендоскопи

Усі чули про оптичний лазер. Винайти його вчені змогли після того, як з’ясували будову атома й умови виникнення світла на атомарному рівні. Лазер (англ. Laser, акронім від light amplification by stimulated emission of radiation — посилення світла вимушеним випромінюванням) — пристрій для генерування або підсилення монохроматичного (світло однієї довжини) світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання й створювати винятково велику густину потужності випромінювання за фокусування.

Виокремлюють кілька напрямів використання лазерного випромінювання в медицині (мал. 13.15). Ідеться, зокрема, про дію на тканини імпульсним або безперервним випромінюванням з невеликою енергією, за якої ще не відбувається зневоднення й випаровування тканин (дерматологія, онкологія). У хірургії лазер використовують як скальпель: лазерний промінь спрямовують гнучким світловодом. Таким «скальпелем» розтинають тканину, забезпечуючи стерильність, точний розтин і відсутність кровотечі. Окрім цього лазери використовують в офтальмології для лікування глаукоми, катаракти, відшарування сітківки тощо та в нейрохірургії для зшивання судин мозку та ін. Дія низькоенергетичного лазерного випромінювання справляє фізіотерапевтичний ефект. Воно дає змогу не пошкоджувати клітини й тканини, забезпечує біостимулювальний ефект, активізацію найважливіших процесів життєдіяльності організму, стимулювання імунної системи тощо. У медицині використовують також лазеропунктуру як аналог голкотерапії.

Мал. 13.15. Лазер лікує

Відкриття фізиками рентгенівського випромінювання (мал. 13.16, а), з малою довжиною хвилі (10-14-10-11 м) і, завдяки цьому, великою проникною здатністю дало змогу свого часу вперше сфотографувати зображення внутрішніх органів. Через відмінності в структурі тканин, органи тіла людини по-різному поглинають рентгенівські промені. Тому під час просвічування їх рентгенівськими променями виникає тіньове зображення внутрішніх органів, яке проектують на люмінесцентний екран або фіксують на фотоплівці (мал. 13.16, б).

Мал. 13.16. Газорозрядна трубка — джерело рентгенівських променів; б — світлина кисті фрау Анни Берти — дружини В. Рентгена1

Важливим завданням рентгенодіагностики є отримання зображень не тільки внутрішніх органів у цілому, а й різних їхніх перерізів. Для цього використовують комп’ютерну томографію (КТ) — метод рентгенологічного дослідження, який полягає в отриманні тіньового зображення окремих шарів досліджуваного об’єкта, що лежать на різній глибині. Нині використовують модель спіральних мультидетекторних систем. Спіральне сканування ґрунтується на одночасному виконанні двох процедур (мал. 13.17): безперервному обертанні рентгенівської трубки навколо об’єкта й безперервному поступальному русі стола з пацієнтом (траєкторія пучка рентгенівських променів, спроектована на пацієнта, набуває форми спіралі).

Мал. 13.17. Рентгенодіагностика

В основу радіонуклідної діагностики покладено використання радіонуклідів або мічених хімічних сполук. Уведені в організм радіонукліди є джерелами у-випромінювання, яке реєструють спеціальними детекторами. Це дає змогу визначити шляхи їхнього поширення в організмі, швидкість накопичення й активність в органах і тканинах.

Методи радіонуклідної діагностики умовно поділяють на три групи:

  • радіографія (гамма-хронографія) — метод функціонального дослідження, в основі якого лежить вивчення залежності інтенсивності у-випромінювання органа (після введення радіофармацевтичних препаратів) від часу. За допомогою таких досліджень можна судити про рух крові судинами й камерами серця, функціонування печінки, нирок, легенів тощо;

1 Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923, Німеччина).

  • гамма-топографія — клініко-анатомічне дослідження, засноване на вивченні просторового розподілу радіонуклідів, що накопичуються в органі. Дає інформацію про локалізацію, величину й положення органа, розподіл у ньому функціонуючої тканини;
  • позитронна емісійна томографія (ПЕТ) — метод медичної візуалізації, заснований на застосуванні радіофармпрепаратів, здатних до позитронного розпаду.

Використання радіонуклідів у терапії базується на руйнівній дії йонізованого випромінювання на клітини пухлини.

  • гамма-терапія — застосування γ-випромінювання високої енергії (джерело 60Со) для руйнування глибинних пухлин в організмі;
  • альфа-терапія — лікувальне використання дії радону (222Rn) як джерела α-частинок на шкіру (ванни), органи травлення (напої), органи дихання (інгаляції).