Лекции_Медицинская физика. Лекции по курсу Медицинская физика для специальности "Лечебное дело"
 Скачать 4.42 Mb.
|
Глаз, как оптическая система состоит из следующих элементов (рис. 28): Рис. 27. 49 1. Склера – достаточно прочная внешняя белковая оболочка белого цвета, защищающая глаз и придающая ему постоянную форму. 2. Роговица – передняя часть склеры, более выпуклая и прозрачная, действующая как собирающая линза (оптическая сила Д 40 дптр). Она обеспечивает 75 % фокусирующей способности глаза. Ее толщина 0,6–1 мм; показатель преломления n = 1,38; 3. Радужная оболочка с отверстием – зрачком (4). Радужная оболочка представляет собой мышечное кольцо, окрашенное пигментом. Это кольцо, сжимаясь или растягиваясь, меняет размеры зрачка и тем самым величину светового потока, попадающего в глаз. 5. Хрусталик – природная прозрачная двояковыпуклая линза диаметром 8 – 10 мм, имеющая слоистую структуру (n = 1,41) (Д = 20–30 дптр.). 6. Циллиарная связка, которая может натягиваться и расслабляться, меняя радиусы кривизны поверхности хрусталика. Полость между роговицей и хрусталиком (передняя камера) заполнена водянистой влагой (n = n воды ) (Д = 2-4 дптр.). 7. Стекловидное тело (задняя глазная камера) – это стекловидное вещество (n = n воды ) (Д = 6 дптр.). Роговица, передняя камера, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему, оптический центр которой находится на расстоянии 5 мм от роговицы (фокусное расстояние F = 17,2 мм). 8. Сосудистая оболочка. Ей с внутренней стороны выстлана склера. Это тёмные пигментные клетки, препятствующие рассеянию света в глазу. 9. Сетчатка – представляет собой полусферу, состоящую из рецепторных клеток, которые образуются при разветвлении зрительного Рис. 28. 50 нерва, а нервные окончания имеют вид колбочек и палочек. Колбочки и палочки – это светочувствительный слой, который служит для различения мелких деталей и восприятия цвета. Палочек 120-125 млн.; колбочек 6 - 10 млн. С помощью палочек человек различает предметы в сумерки и ночью. Диаметр палочек 2 мкм, длина 6 мкм. Диаметр колбочек 7 мкм, длина около 35 мкм. В средней части сетчатки преобладают колбочки, а по краям палочки. 10. Зрительный нерв – он, разветвляясь, образует светочувствительный слой. 11. Слепое пятно – место, где зрительный нерв входит в глаз. Здесь нет ни колбочек, ни палочек. Свет попадающий на эту область не вызывает ощущений. 12. Центральная ямка – область наибольшей остроты зрения. Область вокруг центральной ямки называется жёлтым пятном. Человек видит ясно те предметы, изображение которых проецируется на жёлтое пятно. Роговицу и открытую часть глаза защищает коньюктива. На жёлтое пятно проецируются изображения, охватывающие по горизонтали 8°, а по вертикали 6°, на центральную ямку 1-1,5°. Общее поле зрения глаза 120–150°. Общая оптическая сила глаза в покое 60 дптр. При напряжении > 70 дптр. Аккомодация – приспособление глаза к чёткому видению различно удалённых предметов. В норме при приближении предмета к глазу на расстояние до 25 см аккомодация совершается без существенного напряжения. Это расстояние называется расстоянием наилучшего зрения. Адаптация – способность глаза приспосабливаться к различным яркостям. Светочувствительность глаза изменяется в широких пределах. Угол зрения – это угол между лучами, идущими от крайних точек предмета через оптический центр глаза. Наименьший угол зрения – угол, при котором человеческий глаз ещё различает две точки предмета раздельно. 51 Предел разрешения – наименьшее расстояние между двумя точками предмета, рассматриваемого с расстояния наилучшего зрения, при котором они различимы как отдельные объекты. В норме это 75 мкм. Недостатки оптической системы глаза. В норме в глазу при отсутствии аккомодации лучи фокусируются на сетчатку. Такой глаз называется эмметропическим. Глаз, в котором это условие не выполняется, называют аметропическим. Видами аметропии являются близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия) (рис. 29). Рис. 29 Одна из причин – изменение свойств хрусталика. Исправляют недостатки зрения при помощи линз. Острота зрения – медицинский показатель – показывает величину, обратную наименьшему углу зрения (в угловых минутах). W = 1/β; Для нормального зрения острота равна 1. То есть наименьший угол зрения = 1'. На практике остроту зрения определяют по специальной таблице. § 29. Тепловое излучение Солнце – источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. Его излучение обладает лечебными свойствами (гелиотерапия). Но возможно и негативное действие (тепловой удар, ожоги). Максимум энергии излучения в спектре Солнца приходится на длину волны 555 нм, что соответствует наилучшей чувствительности глаза. В излучении, достигающем земной поверхности отсутствуют коротковолновые УФ лучи. 52 Они поглощаются озоновым слоем. Термография – диагностический метод, основанный на измерении и регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков. Организм человека поддерживает постоянную температуру тела, которая отличается от температуры внешней среды. Между телом человека и окружающей средой возникает теплообмен. Задача организма состоит в обеспечении равенства между теплотой, выделяемой в организме (Q выд ) и теплотой, отдаваемой в окружающую среду(Q отд ). Если этот баланс нарушается, то организм погибает от переохлаждения или от перегрева. От общей доли энергетических потерь тепловое излучение организма составляет 50 %. Максимум излучения приходится на длину волны λ = 9,5 мкм. Мощность потерь P для раздетого человека 122 Вт при T 0 = 18°C. P для человека одетого в x/б ткань 37 Вт при тех же условиях. В последнем случае уменьшение теплопотерь связано с теплопроводностью – процессом передачи тепла через слой материала. Здесь передача тепла осуществляется при непосредственном контакте. Теплопроводность описывается уравнением Фурье. Теплообмену способствует явление конвекции – образование газовых или жидкостных потоков, перемешивающих эти среды. В конвекционном потоке теплообмен происходит гораздо эффективнее (например, при ветре). Для тела под одеждой конвекционные потоки сведены практически к нулю. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела. Это может привести к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу. Еще один механизм, посредством которого организм отдаёт теплоту, связан с испарением жидкости. При комнатной температуре и нормальной влажности человек выводит из организма 0,35 кГ влаги в сутки вместе с 53 выдыхаемым воздухом; 0,5 кГ влаги в виде пота. Это в сумме составляет энергию 2 10 6 Дж, и в сутки достигает 25–30 % от всей теплопродукции организма. При соблюдении стандартных условий регистрируемая топография излучения характерна для данного человека. Определение температуры поверхности тела осуществляется несколькими способами: а) плёнками жидких кристаллов; б) тепловизорами, чувствительность которых до 0,2°. Регистрация излучения разных участков поверхности тела является надёжным неинвазивным диагностическим методом. Воздействие низких температур. Холод – лечебное средство. Под действием холода происходит спазм мелких сосудов, понижается нервная возбудимость, замедляется кровоток, предотвращается возникновение отёков. Процедура криомассажа использует жидкий азот (-196°C). При этом тефлоновая насадка имеет температуру (-50– 60°C). Светолечение – это использование инфракрасного (ИК) и видимого излучения в лечебных целях. Лампа Минина, лампа Соллюкс. В них сочетается видимое и ИК излучения. Источник лампа накаливания 50 и 500 Вт соответственно. Длинноволновое ультрафиолетовое (УФ) излучение (400–315 нм). Вызывает эритемное и загарное действие. Используется при лечении многих дерматологических заболеваний. Средневолновое УФ излучение (315–280 нм). Витаминообразующее и антирахитное действие. Коротковолновое УФ излучение (280–200 нм). Бактерицидное действие. Для глаз все УФ излучения вредны. § 30. Рентгеновское излучение Это электромагнитные волны с длиной от 80 до 10 -5 нм. Получают в рентгеновских трубках (рис. 30 а). При торможении электронов материалом 54 анода возникает тормозное рентгеновское излучение. Спектр этого излучения сплошной. Это связано с тем, что разные электроны отдают на излучение различную энергию (рис. 30 б). max h eU - закон сохранения энергии для рентгеновского излучения. Увеличение напряжения на рентгеновской трубке приводит к тому, что на фоне сплошного спектра появляется линейчатый, который зависит от материала анода. Спектр называется характеристическим (рис. 30 в). Электроны, ускоренные высоким напряжением проникают вглубь атома и выбивают электроны из внутренних слоёв. На свободные места переходят электроны с верхних уровней. Это и даёт характеристическое излучение. Поток рентгеновского излучения ослабляется в веществе по закону x e I I 0 (**) - линейный коэфициент ослабления, зависящий от плотности вещества; x - толщина слоя. 1. Использование рентгеновское излучение в медицине. Рентгеновское излучение (РИ) при падении на тело незначительно отражается, а в основном проходит вглубь. Там оно частично поглощается, рассеивается и частично проходит насквозь. В медицине пользуются массовым коэфициентом ослабления, который не зависит от плотности вещества / m ; а) б) в) Рис. 30. 55 Массовый коэфициент ослабления зависит от энергии фотона и от атомного номера вещества поглотителя. Если на пути рентгеновских лучей поместить неоднородное тело и за ним поставить флуоресцирующий экран, то это тело, поглощая излучение, образует на экране тень. По виду тени можно судить о форме, плотности, структуре, а во многих случаях и о природе тела. Различия в поглощении РИ разными тканями позволяют в теневой проекции видеть изображение внутренних органов. Если используемый орган и окружающие ткани одинаково ослабляют РИ, то применяют рентгено-контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария (BaSO 4 ), можно видеть их теневое изображение (соотношение коэффициентов ослабления равно 354). В медицине используют РИ с энергией фотонов от 60 до 100–120 кэВ – при диагностике; 150–200 кэВ – при терапии. 2. Рентгенодиагностика – распознавание заболеваний при помощи просвечивания тела рентгеновским излучением. Рентгеноскопия. Рентгеновская трубка расположена позади пациента. Перед ним флуоресцирующий экран. На экране теневое изображение. В каждом отдельном случае подбирается соответствующая жёсткость излучения, так чтобы оно проходило через мягкие ткани, но поглощалось плотными. На экране сердце, рёбра видны тёмными, а лёгкие светлыми. Рентгенография. Пациент помещается на кассете с фотоплёнкой. Рентгеновская трубка над пациентом. Рентгенограмма даёт негативное изображение. В данном методе есть возможность наблюдать детали, которые трудно рассмотреть при просвечивании. Преимущество – малая доза. Недостаток – нельзя проследить динамику. Флюорография. На малоформатной плёнке фиксируется изображение с большого экрана. Снимки рассматриваются на специальном увеличителе. 3. Рентгенотерапия – использование РИ для уничтожения злокачественных образований. 56 Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности особенно быстро размножающихся клеток. § 31. Рентгеновская компьютерная томография Из формулы (**) можно найти коэффициент ослабления, зная интенсивность I и I 0 рентгеновского излучения. I I x 0 ln 1 Просветим рентгеновскими лучами два слоя из различных материалов ( 2 1 ), но одинаковой толщины l (рис. 31). Интенсивность I 1 рентгеновского излучения на границе раздела слоёв будет равна: l e I I 1 0 1 Тогда при выходе РИ из второго слоя интенсивность будет l e I I 2 1 2 или l l e e I I 2 1 0 2 ; Отсюда следует, что ср l l I I 2 ) ( ln 2 1 2 0 ; 2 ) ( 2 1 ср ; Отсюда виден основной недостаток рентгенодиагностических методик. Измерение величины n I I / 0 не в состоянии дать информацию о находящихся внутри тела человека органах. Прежде чем попасть на исследуемый орган рентгеновское излучение проходит некоторое расстояние в предшествующих ему тканях и в последующих. То есть n I I / ln 0 даёт информацию лишь о некотором среднем коэффициенте ослабления, но не о том, который соответствует исследуемому органу. Второй недостаток связан с контрастностью изображения. Её оценивают как / . Здесь минимальная разность коэффициентов ослабления объектов, при которой их изображения на плёнке будут различаться по интенсивности. Чем меньше / , тем более контрастное Рис. 31. 57 изображение можно получить. Для обычной рентгенодиагностики это отношение составляет около 0,1. То есть различить изображение соседних тканей или органов возможно, если их коэффициенты ослабления отличаются не менее чем на 10 %. В ряде диагностических задач этого недостаточно. Эти недостатки устраняет рентгеновская компьютерная томография. В 1979 г. английские физики А. Корман и Г. Хаунсфилд получили за это изобретение Нобелевскую премию. В основе его две идеи: - Авторы предложили получать изображение в срезах, просвечивая объект с разных сторон (рис. 32 а). - Изображение органов получается в нескольких последовательных срезах, которые можно объединять, получая объёмное изображение объекта (рис. 32 б). Рассмотрим эту методику на модели (рис. 32 в). Пусть имеется 4 области с различными коэфициентами ослабления РИ ( 4 3 2 1 , , , ). Поместим источник РИ слева от структуры, представленной на рис. 32 в. 0 I – интенсивность падающих лучей, 2 I 4 I - вышедших. l l e e I I 2 1 0 2 l l e e I I 4 3 0 4 считая, что l известно, получим систему из двух уравнений с 4-мя неизвестными. a) б) в) Рис. 32. 58 Повернём источник на 90° и поместим его в положение II (вверху). Тогда для интенсивностей прошедших лучей запишем: l l e e I I 3 1 0 3 l l e e I I 4 2 0 ' 4 то есть получается ещё два уравнения и те же 4 неизвестных. Решая при помощи компьютера эту систему уравнений можно найти все коэффициенты. Теперь, если квадраты на рис. 32 в. раскрасить различными цветами, получим некий прообраз томограммы. В томографе срез просвечивается по многу раз, компьютер разбивает этот срез на малые квадраты и когда число уравнений становится равным числу неизвестных (число малых квадратов) ЭВМ решает их и раскрашивает изображения в разные цвета с той или иной яркостью, в зависимости от полученного значения. После получения изображения органа в различных срезах можно восстановить объёмное изображение. В этом методе нет наложений изображений одних объектов на другие. Можно добиться более высокого разрешения по контрастности ( 001 , 0 ). § 32. Радиоактивность Это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц (Есть естественная и искусственная радиоактивность. У них общие закономерности). Основные природные источники радиации - Газ радон Rn 222 и продукты его распада - Радиоизотоп K 40 - Космическое излучение - Радиевый ряд урана - Ториевый ряд урана Радон образуется при распаде радия Ra 236 с образованием частиц и излучения. Ra рассеян в породах земной коры. Поэтому облучается почва, корни растений и наземная флора и фауна. Вода это один из источников, поставляющих радон в жилые помещения. Радон поступает из подвалов, 59 строительных материалов. Rn хорошо растворим в воде. K 40 . Природный калий состоит из трёх изотопов. K 40 является радиоактивным. K 40 это основной радионуклид, обеспечивающий постоянное внутреннее облучение живых тел. Поступает он в организм с растительной пищей. Космическое излучение. Первичное космическое излучение состоит из частиц высоких энергий. В атмосфере в результате реакций возникают радиоактивный тритий ( T H 3 ) дающий тяжелую воду T 2 O, она β – радиоактивна, и есть в обычной воде. Поэтому все живые ткани подвержены этому облучению. Кроме того образуется радиоактивный C 14 . Он присутствует во всех органических соединениях. Урановый ряд. Три изотопа: U 235 , U 234 , U 238 . Последний вносит основной вклад. В местах с повышенным содержанием он попадает в воду, почву, растения, в организмы животных, человека. За сутки в организм человека поступает 3,045 10 -4 г, а выводится естественным путём 4,3 10 -5 г урана (при среднем содержании его в окружающей среде). Ряд тория. Th 232 как и уран встречается в виде месторождений. Продукт его распада Ra 228 тоже радиоактивен. При дыхании с пылью торий попадает в лёгкие. Периоды полураспада для некоторых элементов Изотоп Доля в природном элементе Период полураспада (T) Уран-234 0,006 % 2,48 10 5 лет Уран-235 0,71 % 7,13 10 8 лет Уран-238 99,28 % 4,50 10 9 лет Калий-40 0,012 % 1,3 10 9 лет Йод-131 - 8 дней Йод-132 - 2,26 часа Литий-8 - 0,84 с Торий-232 100 % 1,4 10 10 лет Радон-222 - 3,8 дня Углерод-14 - 5570 лет Все радиоактивные вещества распадаются по одному закону 60 T t N N 2 0 N 0 - исходное число ядер, t - время распада, T - период полураспада – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Характеристикой распада является активность (A) – число ядер, распадающихся за единицу времени. Единица измерения активности беккерель (Бк), что соответствует одному акту распада в секунду. На практике часто пользуются внесистемной единицей – кюри (Ки) 1 Ки = 3,77 10 16 Бк. T t A A 2 0 ; |