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医学物理学。 チートシート: 簡単に言えば、最も重要なこと
目次
1. 医学物理学。 ショートストーリー 医学物理学は、物理的なデバイスと放射線、医療および診断デバイスと技術で構成されるシステムの科学です。 医学物理学の目的は、物理学、数学、および技術の方法と手段を使用して、病気の予防と診断、および患者の治療のためにこれらのシステムを研究することです。 多くの場合、病気の性質と回復のメカニズムには生物物理学的な説明があります。 医学物理士は、治療と診断のプロセスに直接関与し、物理的知識と医学的知識を組み合わせて、患者に対する責任を医師と共有します。 医学と物理学の発展は常に密接に絡み合ってきました。 古代においても、医学は熱、冷気、音、光、さまざまな機械的効果 (ヒポクラテス、アヴィセンナなど) などの物理的要因を医療目的で使用していました。 最初の医学物理学者はレオナルド ダ ヴィンチ (XNUMX 世紀前) で、人体の動きの仕組みを研究しました。 医学と物理学が最も実りある相互作用を始めたのは、電気と電磁波が発見された XNUMX 世紀後半から XNUMX 世紀初頭、つまり電気の時代の到来でした。 さまざまな時代に最も重要な発見をした偉大な科学者の名前をいくつか挙げましょう。 XNUMX世紀後半～XNUMX世紀半ばX線、放射能、原子構造の理論、電磁放射の発見に関連しています。 これらの発見は、V.K. レントゲン、A. ベクレル、 M. Skladovskoy-Curie、D. Thomson、M. Planck、N. Bohr、A. Einstein、E. Rutherford。 医学物理学が独立した科学および専門職としての地位を確立し始めたのは、XNUMX 世紀後半になってからです。 原子力時代の到来とともに。 医学では、放射線診断用ガンマ装置、電子および陽子加速器、放射線診断用ガンマ カメラ、X 線コンピュータ断層撮影装置など、温熱療法および磁気療法、レーザー、超音波、およびその他の医療物理技術および装置が広く使用されるようになっています。 医学物理学には、医学放射線物理学、臨床物理学、腫瘍学物理学、治療および診断物理学など、多くのセクションと名前があります。 健康診断の分野で最も重要な出来事は、人体のほぼすべての臓器とシステムの研究を拡大したコンピュータ断層撮影装置の作成と考えることができます。 OCT は世界中の診療所に設置されており、多くの物理学者、エンジニア、医師が技術と方法を改善して、可能なことの限界に近づけるように取り組んできました。 放射性核種診断の開発は、放射性医薬品法と電離放射線を記録するための物理的方法の組み合わせです。 陽電子放出断層撮影イメージングは 1951 年に発明され、L. Renn の著作で発表されました。 2. 計測の主な問題と概念 計測学は、測定、その統一性を保証する方法と手段、および必要な精度を達成する方法の科学です。 測定は、技術的手段を使用して物理量の値を実験的に見つけるプロセスです。 測定は自然法則を確立することを可能にし、私たちの周囲の世界についての知識の要素です。 量自体の測定 (たとえば、医療用体温計で体温を測定する、物差しで物体の長さを測定するなど) から結果が直接得られる直接測定と、物差しで物体の長さを測定する間接測定は区別されます。ある量の望ましい値は、その量と直接測定された量との間の既知の関係から求められます（たとえば、ボールの落下速度に基づく液体の粘度によって決定される浮力を考慮して、計量時に体重を決定します）初期化）。 測定を行うための技術的手段にはさまざまな種類があります。 最もよく知られているのは、測定情報が直接知覚できる形式で表示される機器です (たとえば、温度計では温度は水銀柱の長さによって表され、電流の強さは電流計の針の読み取り値によって表されます)。デジタル値）。 物理量の単位は、対応する物理量を定量化するための基礎として合意によって受け入れられた物理量です。 音圧レベル、音の強さレベル、電気信号の増幅、周波数間隔の表現などを表すには、相対値の対数を使用する方が便利です (XNUMX 進対数がより一般的で、より多くの一般）： lg = a2/a1 どこで1 と2 -同様の物理量。 対数値の単位はベル (B) です。 1B \uXNUMXd lg \uXNUMXd a2/ai, で2 = 10a、 a がエネルギー量 (パワー、強度、エネルギーなど) の場合、または  a が電力量 (力、機械的応力、圧力、電界強度など) の場合。 かなり一般的な約数単位はデシベル (dB) です。 1dB = 0,1B。 1 dB は、エネルギー量の比率 a2 = 1,26a:  3. 医療計測とその詳細 医療に使用される技術機器を総称して「医療機器」と呼びます。 ほとんどの医療機器は医療機器を指し、医療機器と医療機器に分けられます。 医療機器は、診断または治療測定 (医療用体温計、血圧計、心電計など) を目的とした技術的機器と見なされます。 医療機器 - 治療、外科的または殺菌特性のエネルギー効果を生み出し、医療目的 (UHF 療法、電気外科手術、人工腎臓、人工耳など) のさまざまな物質の特定の組成を提供することを可能にする技術的装置。 ）。 医療機器の計測要件は非常に明白です。 多くの医療機器は、身体に投与されたエネルギー効果を提供するように設計されているため、計測サービスの注目に値します。 医学における測定は非常に特殊であるため、計測学には医療計測学という別の領域があります。 医療計測および部分的に医療機器に特有の問題を考慮すると、現在、ほとんどの場合、医療測定は技術的な訓練を受けていない医療関係者 (医師、看護師) によって行われていることに注意する必要があります。 したがって、物理量の単位で目盛りを付けた医療機器を作成することをお勧めします。その値は、最終的な医療測定情報（直接測定）です。 有用な結果が得られるまでの測定時間はできるだけ短く、情報はできるだけ完全であることが望ましいです。 これらの要件は、コンピューターによって満たされます。 医療機器の計量標準化では、医学的適応を考慮することが重要です。 臨床医は、診断の結論を下すことができるように、結果を提示するのに十分な精度を決定する必要があります。 多くの医療機器は、記録装置 (心電計など) で情報を提供するため、この形式の記録に固有のエラーを考慮する必要があります。 問題のXNUMXつは熱学的です。 計測の要件に従って、測定器の名前には物理量または単位 (電流計、電圧計、周波数計など) が含まれている必要があります。 医療機器の名前は、この原則に対応していません (心電計、心音計、レオグラフなど)。 したがって、心電計は測定値を記録するミリボルトメーターと呼ばれる必要があります。 多くの医療測定では、直接測定された物理量と対応する生物医学パラメータとの関係についての情報が不十分な場合があります。 したがって、たとえば、血圧を測定する臨床的 (無血) 方法では、カフ内の空気圧は上腕動脈の血圧にほぼ等しいと想定されます。 4. ランダム値。 分配法 確率変数の定義。 多くのランダム イベントは、確率変数として定量化できます。 ランダムとは、ランダムな状況の組み合わせに応じて値を取る量です。 離散確率変数と連続確率変数があります。 離散確率変数の分布。 離散値は、その可能な値とそれに対応する確率が示されている場合に与えられたと見なされます。 離散確率変数x、その値xを示します1、 バツ2…、確率的に: P (x1) =p2、P (x2) = p2 等 x と P のセットは、離散確率変数の分布と呼ばれます。 離散確率変数のすべての可能な値は完全なシステムを表すため、確率の合計は XNUMX に等しくなります。  ここでは、離散確率変数が n 個の値を持つと仮定します。 この式は正規化条件と呼ばれます。 多くの場合、確率変数の分布とともに、またはその代わりに、これらの量に関する情報は、確率変数の数値特性と呼ばれる数値パラメーターによって提供できます。 それらの最も一般的なものは次のとおりです：1）確率変数の数学的期待値（平均値）は、すべての可能な値とこれらの値の確率の積の合計です; 2) 確率変数の分散は、確率変数の数学的期待値からの偏差の XNUMX 乗の数学的期待値です。 連続確率変数の場合、数学的な期待値と分散は次のように記述されます。  ここで、f(x) は確率密度または確率分布関数です。 これは、間隔 dx にランダム変数を割り当てる確率が、この変数自体の値にどのように依存するかを示しています。 正規分布の法則。 確率論や数理統計学、さまざまな応用において、正規分布の法則（ガウスの法則）が重要な役割を果たします。 確率変数は、その確率密度が次の形式である場合、この法則に従って分布されます。  ここで、a = M(x) - 確率変数の数学的期待値; σ - 標準偏差; その結果; σ2確率変数の分散です。 正規分布法則の曲線は、直線 x \uXNUMXd a (散乱中心) に対して対称な釣鐘型の形状をしています。 5. マクスウェル分布（気体分子の速度分布）とボルツマン マクスウェル分布 - 平衡状態では、気体のパラメータ (圧力、体積、温度) は変化しませんが、微小状態 - 分子の相対位置、分子の速度 - は継続的に変化します。 分子の数が膨大であるため、いつでもその速度の値を決定することは事実上不可能ですが、分子の速度を連続確率変数と考えると、速度によって分子の分布を示すことは可能です。 。 速度による分子の分布はさまざまな実験によって確認されています。 マクスウェル分布は、速度だけでなく、運動エネルギーによっても分子の分布として考えることができます (これらの概念は相互に関連しているため)。 単一の分子を分離しましょう。 運動のランダム性により、例えば、分子の速度 Vx の射影が正規分布の法則を受け入れることができます。 この場合、J.K. マクスウェルが示したように、分子が速度成分 Ux を持つ確率密度は次のように記述されます。  速度の絶対値のマクスウェル確率分布関数 (マクスウェル速度分布) を取得できます。  ボルツマン分布。 分子が何らかの外部力場 (たとえば、地球の重力場) にある場合、その位置エネルギーの分布を見つけることができます。つまり、ある特定の値を持つ粒子の濃度を確立することができます。位置エネルギー。 重力、電気などの力の場における位置エネルギーによる粒子の分布は、ボルツマン分布と呼ばれます。 重力場に適用される場合、この分布は、n分子の濃度の対地高度hまたは位置エネルギーmghへの依存性として記述できます。  地球の重力場における分子のそのような分布は、分子動力学の概念の枠組みの中で、分子が XNUMX つの反対の要因の影響を受けるという事実によって定性的に説明することができます。地球、および分子カオス運動 、可能なオブジェクト全体に分子を均等に分散させる傾向があります。 6.数理統計と相関依存性 数理統計は、統計データを体系化し、使用して科学的および実践的な問題を解決するための数学的方法の科学です。 数学統計は確率理論と密接に関連しており、その概念に基づいています。 ただし、数理統計で重要なことは、確率変数の分布ではなく、統計データを分析し、それらがどの分布に対応するかを見つけることです。 研究対象の一部が選択される大規模な統計的母集団を一般母集団と呼び、そこから収集された対象の集合を標本母集団またはサンプルと呼びます。 統計分布は、一連のバリアントとそれに対応する頻度 (または相対頻度) です。 わかりやすくするために、統計分布は多角形とヒストグラムの形式でグラフィカルに表示されます。 周波数の多角形は破線であり、そのセグメントは点を座標 (x1; ん1）、 （バツ2; ん2）…。 または相対度数の多角形の場合 - 座標 (x1;R1）、（バツ2;R2……。 度数ヒストグラム - XNUMX つの直線上に構築された一連の隣接する長方形で、長方形の底辺は同じで a に等しく、高さは度数 (または相対度数) と a の比に等しくなります。  統計分布の最も一般的な特性は平均値です。最頻値、中央値、算術平均 (またはサンプル平均) です。 モード (Mo) は、最高周波数に対応するバリアントに等しくなります。 中央値 (Me) は、統計分布の中央に位置するバリアントに等しくなります。 統計 (変分) シリーズを XNUMX つの等しい部分に分割します。 サンプル平均 (XV) は、統計系列のバリアントの算術平均として定義されます。 相関依存。 機能の依存関係は分析的に表現できます。 したがって、たとえば、円の面積は半径に依存します (S = pr2)、物体の加速度 F - 力と質量から (a = F/m0）。 ただし、それほど明白ではなく、単純かつ明確な式では表現できない依存関係があります。 たとえば、人の身長と体重の間には相関関係があり、気象条件の変化は集団内の風邪の数に影響を与えます。これは関数的、確率的依存性よりも複雑であり、相関関係 (または単に相関関係) です。 この場合、一方の値の変更は他方の平均値に影響を与えます。 確率変数 X と確率変数 Y の関係を研究しているとします。X のそれぞれの特定の値は、Y のいくつかの値に対応します。1、y2 等 条件付き平均 Yх 値 X = x に対応する算術平均値を Y と呼びましょう。 相関依存性、つまり X に対する Y の相関は、関数 Y x = f(x) です。 等式は X 上の Y の回帰式と呼ばれ、関数のグラフは X 上の Y の回帰直線と呼ばれます。 7. サイバネティック システム サイバネティック システムは、情報を認識、記憶、処理し、交換することができる、相互作用および相互接続されたオブジェクト (システムの要素) の順序付けられたセットです。 サイバネティック システムの例としては、人々のグループ、脳、コンピューター、オートマトンなどがあります。 したがって、サイバネティック システムの要素は、人、脳細胞、コンピュータ ブロックなど、さまざまな物理的性質のオブジェクトになる可能性があります。システム要素の状態は、特定のパラメータのセットによって記述され、パラメータは連続的なパラメータに分割され、任意のパラメータを取得します。特定の間隔の実数値、および離散的な、有限の値セットを取る。 たとえば、人の体温は連続パラメータであり、性別は離散パラメータです。 サイバネティック システムの機能は、システム要素の状態の変化を考慮する機能、システムの構造に変化を引き起こす機能 (外部の影響によるものを含む)、およびシステムによって送信される信号を決定する機能の XNUMX つの特性によって記述されます。システムの限界を超えます。 さらに、システムの初期状態が考慮されます。 サイバネティック システムは、その複雑さ、確実性の程度、および組織のレベルが異なります。 サイバネティック システムは連続システムと離散システムに分けられます。 連続システムでは、システム内を循環するすべての信号と要素の状態は、連続パラメーターによって指定され、離散パラメーターによって指定されます。 ただし、両方のタイプのパラメータが存在する混合システムもあります。 システムを連続システムと離散システムに分割することは条件付きであり、研究対象のプロセスの必要な精度、技術的および数学的利便性によって決定されます。 本質的に離散的な一部のプロセスまたは量、たとえば電流 (電荷の離散性: 電子の電荷未満になることはできません) は、連続量によって都合よく記述されます。 逆に、離散パラメータを使用して連続プロセスを記述することが合理的な場合もあります。 サイバネティックスとテクノロジーでは、システムは通常、決定論的システムと確率論的システムに分けられます。 要素が特定の方法で相互作用し、その状態と動作が明確に予測され、明確な関数によって記述される決定論的システム。 確率システムの動作は、ある程度確実に決定できます。 システムの要素が相互に信号のみを交換する場合、そのシステムはクローズドと呼ばれます。 オープン、またはオープンなシステムは、必然的に外部環境と信号を交換します。 外部環境からの信号を感知してシステム内に送信するために、すべての開放システムには受容体 (センサーまたはトランスデューサー) があります。 サイバネティックシステムと同様に、動物では受容体は感覚器官（接触、視覚、聴覚など）であり、オートマタではセンサー（ひずみゲージ、光電、誘導など）です。 8. 医療サイバネティクスの概念 メディカルサイバネティックスは、医学およびヘルスケアにおけるサイバネティックスのアイデア、方法、および技術的手段の使用に関連する科学的な方向性です。 従来、メディカルサイバネティックスは以下のグループで代表されていました。 病気のコンピュータ診断。 この部分は、主に診断の準備のためのコンピューターの使用に関連しています。 診断システムの構造は、医療メモリ (特定のグループの疾患に対する累積的な医療経験) と、調査および臨床検査によって患者に見つかった症状を利用可能な医療経験と比較できるようにする論理デバイスで構成されています。 診断用コンピュータも同じ構造に従います。 まず、患者の健康状態を正式に説明する方法が開発され、診断に使用される臨床徴候の徹底的な分析が行われます。 主に定量化できる機能を選択します。 患者の生理学的、生化学的、およびその他の特徴の定量的表現に加えて、コンピューター診断には、臨床症候群および診断徴候の頻度、それらの分類、依存性、徴候の診断有効性の評価などに関する情報が必要です。これらすべてのデータマシンのメモリに保存されます。 彼女は患者の症状を自分の記憶に保存されているデータと比較します。 コンピュータによる診断のロジックは、診断を下す医師のロジックに対応しています。つまり、症状全体を以前の医療経験と比較します。 マシンは、新しい (未知の) 病気を検出しません。 未知の病気に遭遇した医師は、その症状を説明できるようになります。 このような病気の詳細は、特別な研究を行うことによってのみ確立できます。 このような調査では、コンピュータが補助的な役割を果たすことができます。 治癒過程へのサイバネティックアプローチ。 医師が診断を確定した後、治療が処方されますが、これはXNUMX回の曝露に限定されません。 これは、医師が患者に関する医学的および生物学的情報を絶えず受け取り、分析し、それに応じて治療効果を改善、変更、停止、または継続する複雑なプロセスです。 現在、治療プロセスへのサイバネティックアプローチは、医師の仕事を容易にし、重病患者をより効率的に治療し、手術中に合併症が発生した場合にタイムリーな対策を講じ、薬物治療のプロセスを開発および制御し、生体制御されたプロテーゼを作成することを可能にします、病気を診断し、重要な機能を調節するデバイスを制御します。 運用上の医療管理のタスクには、追跡システムを使用した重病患者の状態の監視が含まれます (極端な状態で健康な人々の状態を監視するための監視システム: ストレスの多い状態、無重力状態、高圧状態、低酸素含有量の環境など)。 . 9.力学の基礎 力学は、物体の機械的運動を研究する物理学の一分野です。 機械的な動きの下で、時間の経過に伴う空間内の体またはその部分の位置の変化を理解します。 医師にとって、このセクションは次の理由で興味深いものです。 1) スポーツおよび宇宙医学を目的とした生物全体の動きの仕組み、解剖学および生理学を目的とした人間の筋骨格系の仕組みを理解する。 2) 生体組織および体液の機械的特性に関する知識。 3）遠心分離などの生物医学研究の実践で使用されるいくつかの実験技術の物理的基礎を理解する。 絶対剛体の回転運動の力学 絶対剛体とは、任意の XNUMX 点間の距離が一定の物体です。 移動するとき、絶対剛体の寸法と形状は変わりません。 物体の回転速度は、時間に対する半径ベクトルの回転角度の一次導関数に等しい角速度によって特徴付けられます。 ω = dt/ダ 角速度は、回転軸に沿って方向付けられ、回転方向に関連するベクトルです。 角速度ベクトルは、速度ベクトルや力ベクトルとは異なり、滑ります。 したがって、ベクトル w を指定すると、回転軸の位置、回転方向、および角速度の係数が指定されます。 角速度の変化率は、時間に関する角速度の XNUMX 次導関数に等しい角加速度によって特徴付けられます。  このことから、角加速度ベクトルは、角速度ベクトル dw の基本的でかなり小さい変化と方向が一致していることが明らかです。加速された回転では、角加速度は角速度と同じ方向を向き、遅い回転では、反対方向。 固定軸の周りの剛体の回転運動の運動学の公式を提示しましょう。 1) 等速回転運動の方程式: a = 重量 + a0 どこで0 - 角度の初期値; 2) 均一な回転運動における角速度の時間依存性: w = et + W0, どこでw0 - 初期角速度; 3) 等速回転運動の方程式:  10.力学の基本概念 力の瞬間。 回転軸周りの力のモーメントは、半径ベクトルと力のベクトル積です。 Mi = ri ×Fi, ここでi およびFi - ベクトル。 慣性モーメント。 質量は、並進運動における物体の慣性の尺度です。 回転運動中の物体の慣性は、質量だけでなく、軸に対する空間内の分布にも依存します。 軸周りのボディの慣性モーメントは、ボディを構成する材料点の慣性モーメントの合計です。  ソリッド ボディの慣性モーメントは通常、次のように積分によって決定されます。  軸を中心とした物体の角運動量は、この物体を構成する点の角運動量の合計に等しくなります。  回転体の運動エネルギー。 物体が回転すると、その運動エネルギーは その個々のポイントの運動エネルギーから。 剛体の場合:  このような回転中のすべての外力の素仕事を、運動エネルギーの素変化と同一視してみましょう。 Mda=Jwdw、 そこから  この等式を ω で減らします。  そこから  角運動量保存則。 物体に作用するすべての外力の総運動量がゼロの場合、この物体の角運動量は一定のままです。 この法則は絶対剛体だけに当てはまるわけではありません。 したがって、共通の軸の周りを回転する N 個の物体からなる系の場合、角運動量保存則は次の形式で記述できます。  11. 人間の筋骨格系の関節とレバー。 エルゴメトリー 機構の可動部分は通常、部品ごとに接続されています。 いくつかのリンクの可動接続により、運動学的接続が形成されます。 人体は運動学的関係の一例です。 人間の筋骨格系は、互いに関節結合した骨格と筋肉で構成されており、物理学の観点からは、人がバランスを保って保持している一連のレバーです。 解剖学では、力のてこは力が増すが動きは失われる、速度のてこは力は減るが動きは速くなる、と区別されます。 スピードレバーの良い例は下顎です。 作用力は咀嚼筋によって発揮されます。 反力、つまり砕かれた食べ物の抵抗が歯に作用します。 作用力の腕は反力の腕よりもはるかに短いため、咀嚼筋は短くて強いです。 歯で何かを噛む必要があるとき、抵抗力の影響は減少します。 骨格をXNUMXつの生物に接続された別々のリンクの集まりと見なすと、これらすべてのリンクは通常のスタンドで非常に不安定なバランスのシステムを形成することがわかります. したがって、体のサポートは、股関節の球面によって表されます。 体の重心がサポートの上にあるため、ボールサポートとのバランスが不安定になります。 同じことが膝関節、足首関節にも当てはまります。 これらのリンクはすべて、不安定な平衡状態にあります。 通常の姿勢での人体の重心は、脚の股関節、膝関節、足首関節の中心と垂直にちょうど同じ位置にあり、仙骨岬の 2 ～ 2,5 cm 下、4 ～ 5 cm 上にあります。股関節軸。 したがって、これはスケルトンの山積みリンクの最も不安定な状態です。 そして、システム全体のバランスが保たれているのは、それを支える筋肉の一定の緊張によるものです。 人が日中に行うことができる機械的作業は多くの要因に依存するため、限界値を示すことは困難です。 これは力にも当てはまります。 したがって、短期間の努力で、人は数キロワットのオーダーの電力を開発できます。 体重 70 kg のアスリートが、通常のスタンスに対して重心が 1 m 上昇し、反発フェーズが 0,2 秒続く場所からジャンプすると、約 3,5 kW のパワーが発生します。 歩くとき、人は仕事をします。これは、手足、主に足の定期的な小さな上げにエネルギーが費やされるためです。 動かなければ仕事はゼロ。 したがって、荷重が支柱やスタンドに乗っている場合、またはポールから吊り下げられている場合、重力による仕事はありません。 ただし、腕を伸ばした状態でおもりやダンベルを動かさずに保持すると、腕と肩の筋肉の疲労が見られます。 同様に、座っている人の背中に負荷がかかると、背中や腰部の筋肉が疲れます。 12. 機械的振動 繰り返される動き（または状態の変化）は、振動（交流電流、振り子の現象、心臓の働きなど）と呼ばれます。 区別： 1) 自由振動、または自然振動 - 振動系に対する可変の外部影響がない場合に発生し、この系が安定した平衡状態から最初に逸脱した結果として発生する振動。 2) 強制振動 - 振動システムが周期的に変化する外部の力にさらされる振動。 3) 調和振動は、変位が時間に応じて正弦または余弦の法則に従って変化する振動です。 X 軸に沿った点の速度と加速度は、それぞれ等しいです。  どこで0 = Aw - 速度振幅; a0 =ああ2 =u0w は加速度振幅です。 4) 減衰振動 - 抵抗力を克服するための振動系によるエネルギーの損失により、振動の振幅の値が時間とともに減少する振動。 減衰振動の周期は摩擦係数に依存し、次の式によって決定されます。  摩擦がほとんどない場合 (β2 <<ω02) 減衰振動の周期は非減衰自由振動の周期に近い  実際には、減衰の程度は、多くの場合、対数減衰減分 s によって特徴付けられます。  ここで、Nl は、振動振幅が l 倍減少する間の振動数です。 減衰係数と対数減衰減衰は、次のような単純な関係で関連付けられます。 l = bT; 5) 強制振動 - 外力の参加によりシステム内で発生する振動。 強制振動の運動方程式の形式は次のとおりです。  ここで、F は駆動力です。 駆動力は、調和則 F = F に従って変化します。0 コスト。 13. 機械式水 機械波は、空間を伝搬してエネルギーを運ぶ擾乱です。 機械的な波には、弾性波と液体の表面の波の XNUMX 種類があります。 弾性波は、媒質の粒子間に存在する結合によって発生します。平衡位置からの XNUMX つの粒子の動きは、隣接する粒子の動きにつながります。 横波は、その方向と伝播が媒体の点の振動方向に垂直な波です。 縦波は、その方向と伝播が媒体の点の振動方向と一致する波です。 調波の波面は、調波進行波を伴う媒質の一連の振動点であり、幾何学的または同相 (XNUMX 位相) である媒質内の単一結合面です。 波面とは、その瞬間に波が到達した最も遠い波面のことです。 平面波とは、波の伝搬に対して垂直な面を前面とする波のことです。 球面波 - 前面が波の伝播方向と一致する半径を持つ球面である波。 ホイヘンスの原理。 摂動が到達した媒質の各点自体が二次球面波の発生源になります。 波の伝搬速度 (位相) - 高調波の等位相面の伝搬速度。 波の速度は、波の振動の周波数と波長の積に等しくなります。 n = lν。 定在波は、振動点の動きの最大値と最小値の位置が時間とともに変化しない媒体の状態です。 弾性波 - 固体、液体、および気体媒体で伝播する弾性摂動（たとえば、地震中に地殻で発生する波、気体、液体、および固体の音波と超音波）。 衝撃波は機械波の一般的な例の 16 つです。 音波 - 気体、液体、固体媒体内で弾性媒体の粒子の振動運動。弾性波 (媒体のある点から別の点に波によって伝達される圧縮変形、せん断) の形で伝播します。 人間の聴覚器官に作用する音波は、対応する振動の周波数が 2 ～ 104 時間 16 Hz (可聴音) の範囲内にある場合、音の感覚を引き起こすことができます。 周波数が 16 Hz 未満の弾性波は超低周波と呼ばれ、周波数が 330 Hz を超える弾性波は超音波と呼ばれます。 音速は、弾性媒体中の音波の位相速度です。 音速は環境によって異なります。 空気中の音速は 340 ～ XNUMX m/s です (空気の状態によって異なります)。 音の大きさは、音源と波の振動エネルギーに関係しているため、振動の振幅に依存します。 音のピッチは、人間が耳で主観的に決定する音の質であり、主に音の周波数に依存します。 14. ドップラー効果 ドップラー効果は、受信機によって記録される波の周波数の変化であり、これらの波の発生源と受信機の移動によって発生します。 たとえば、高速で移動する列車の静止している観測者に近づくとき、後者の音声信号のトーンは高くなり、列車が遠ざかるときは、同じ列車が静止しているときに発する信号のトーンよりも低くなります。 観測者が媒体に対して静止している波源に速度 v で近づいていると想像してみましょう。 同時に、動きがない場合よりも、同じ時間間隔でより多くの波に遭遇します。 これは、知覚される周波数 vy が、音源から放出される波の周波数よりも大きいことを意味します。 しかし、波長、周波数、および波の伝播速度が次のように関連している場合:  ドップラー効果は、媒体内の物体の速度を決定するために使用できます。 医学にとって、これは特に重要です。 たとえば、このケースを考えてみましょう。 超音波発生器は、何らかの技術システムの形で受信機と組み合わされています。 技術システムは、環境に対して静止しています。 速度 u の媒体で0 物体（物体）が動いています。 発生器は、周波数 v の超音波を放出します。1. 動いている物体は周波数 v を知覚する1、式で見つけることができます。  ここで、v は機械波 (超音波) の伝播速度です。 医療用途では、超音波の速度は物体の速度よりもはるかに速い （u> u0）。 これらのケースについては、次のとおりです。  ドップラー効果は、血流の速度、心臓の弁と壁の動きの速度（ドップラー心エコー検査）、および他の臓器を決定するために使用されます。 波動エネルギーの流れ。 波のプロセスは、エネルギーの伝播に関連しています。 エネルギーの定量的な特徴は、エネルギーの流れです。 波エネルギーフラックスは、特定の表面を介して波によって運ばれるエネルギーと、このエネルギーが伝達された時間との比率に等しくなります。  波のエネルギーフラックスの単位はワット (W) です。 波の伝播方向に垂直な方向の領域に関連する波エネルギー束は、波エネルギー束密度または波の強度と呼ばれます。 15.音響 音響学は、最低周波数から最高周波数 (1012 ～ 1013 Hz) までの弾性振動と波動を研究する物理学の分野です。 現代の音響学は幅広い問題をカバーしており、その中にはいくつかのセクションがあります。さまざまな媒体での弾性波の伝播の特徴を研究する物理音響学、受音と音形成の構造を研究する生理学的音響学です。人や動物の臓器など 音響学は、人間の耳によって知覚される音、つまり気体、液体、固体の弾性振動と波動 (16 ～ 20 Hz の周波数) の教義として理解されています。 聴覚は聴覚の対象であるため、人によって主観的に評価されます。 トーンを知覚すると、人はそれらを高さで区別します。 ピッチは主観的な特性であり、主に基音の周波数によって決まります。 それほどではありませんが、ピッチはトーンの複雑さとその強度に依存します。より大きな強度の音は、より低いトーンの音として知覚されます。 音の音色は、そのスペクトル構成によってほぼ独占的に決定されます。 異なる音響スペクトルは異なる音色に対応しますが、基音とピッチは同じです。 ラウドネスは聴覚のレベルを特徴づけます。 主観的ではありますが、音量は 10 つの音源の聴覚を比較することで定量化できます。 ラウドネス レベル スケールの作成は、Weber-Fechner の精神物理法則に基づいています。 この法則によれば、イライラを等比数列で（つまり同じ回数だけ）増加させると、そのイライラの感覚は等差数列で（つまり同じ量だけ）増加します。 音に関連して、これは、音の強さが一連の連続する値、たとえば a210、a310、a0 (a は特定の係数、a > I) などを取る場合、対応する音量の感覚は次のようになります。 E2、0E3、0EXNUMX など d. 数学的には、これは音の大きさが音の強さの対数に比例することを意味します。 強度 I と I の XNUMX つの音刺激がある場合0、 そして私0 - 聴覚の閾値。ウェーバー・フェヒナーの法則に基づいて、それに対するラウドネスは次のように強度に関連付けられます。  ここで、k は頻度と強度に応じた比例係数です。 音の鋭さを測定する方法は、聴力検査と呼ばれます。 特別な装置（オージオメーター）での聴力検査により、さまざまな周波数での聴覚の閾値が決定されます。 結果の曲線はオージオグラムと呼ばれます。 病気の人のオージオグラムを正常な聴力閾値曲線と比較すると、聴覚器官の病気を診断するのに役立ちます。 16. 臨床における健全な研究方法の物理的基礎 音は光と同様に情報源であり、これがその主な重要性です。 自然の音、周囲の人々の話し声、機械の作動音は私たちに多くのことを教えてくれます。 人にとって音の意味を想像するには、音を知覚する能力を一時的に奪い、耳を閉じるだけで十分です。 当然のことながら、音は人の内臓の状態に関する情報源にもなり得ます。 病気を診断するための一般的な健全な方法は聴診（聞く）です。 聴診器には、聴診器または聴診器が使用されます。 フォネドスコープは、患者の体に音を伝達する膜が適用された中空のカプセルで構成されており、ゴム製のチューブがそこから医師の耳につながっています。 中空カプセルでは、気柱の共振が発生し、その結果、音が増幅され、聴診が向上します。 肺の聴診中に、呼吸音、病気の特徴であるさまざまな喘鳴が聞こえます。 心音やノイズの見え方を変えることで、心臓の活動状態を判断することができます。 聴診を使用すると、胃や腸の蠕動の存在を確認し、胎児の心拍を聞くことができます。 教育目的または診察中に複数の研究者が患者の話を同時に聞くために、マイク、アンプ、ラウドスピーカー、または複数の電話を含むシステムが使用されます。 心臓の活動状態を診断するために、聴診に似た心音図（FCG）と呼ばれる方法が使用されます。 この方法は、心音と雑音のグラフィック記録とそれらの診断的解釈で構成されています。 心音図は、マイク、アンプ、周波数フィルターのシステム、および記録装置で構成される心音計を使用して記録されます。 上記の XNUMX つのサウンド メソッドと根本的に異なるのはパーカッションです。 この方法では、体の個々の部分を叩くと音が聞こえます。 概略的には、人体は、ガスで満たされた (肺)、液体 (内臓)、および固体 (骨) のボリュームの組み合わせとして表すことができます。 体の表面に当たると、振動が発生し、その周波数は広い範囲にあります。 この範囲から、一部の振動はすぐに消滅しますが、他の振動は空隙の自然な振動と一致して激化し、共鳴により聞こえるようになります。 経験豊富な医師が、内臓の状態と位置 (トノグラフィー) を打診音のトーンから判断します。 17. 聴覚の物理学 聴覚系は、音波の直接受信機を脳に接続します。 サイバネティックスの概念を使用すると、聴覚システムは情報を受け取り、処理し、送信すると言えます。 聴覚系全体から、聴覚の物理学を考慮するために、外耳、中耳、内耳が区別されます。 外耳は耳介と外耳道から構成されます。 人間の耳介は聴覚において重要な役割を果たしません。 これは、音源の位置が特定されるときにその位置を決定するのに役立ちます。音源からの音が耳介に入ります。 垂直面内の音源の位置に応じて、音波は耳介でその特定の形状により異なるように回折します。 これはまた、外耳道に入る音波のスペクトル構成にさまざまな変化をもたらします。 人間は音波のスペクトルの変化を音源に向かう方向と関連付けることを学びました。 水平面内の音源に向かうさまざまな方向が位相差に対応します。 正常な聴力を持つ人は 3° の精度で音源の方向を特定できると考えられており、これは 6° の位相差に相当します。 したがって、人は耳に入る音波の位相差の変化を6°の精度で識別できると考えられます。 位相差に加えて、耳ごとの音の強さの違いと、頭から片方の耳への「音響の影」によってバイノーラル効果が促進されます。 人間の外耳道の長さは約 2,3 cm です。 したがって、音響共鳴は次の周波数で発生します。  中耳の最も重要な部分は、鼓膜と耳小骨です。対応する筋肉、腱、靭帯を備えた槌骨、金床、あぶみです。 耳小骨系は、一端で槌骨によって鼓膜に接続され、もう一端ではあぶみ骨によって内耳の楕円形の窓に接続されています。 音圧は鼓膜に作用し、力 F を決定します。1 = P1 S1 (P1 -音圧、S1 - 四角）。 耳小骨システムはレバーのように機能し、人間の内耳の部分の強度が 1,3 倍増加します。 中耳のもう XNUMX つの機能は、強度の高い音の場合の振動の伝達を弱めることです。 人間の蝸牛は長さ約 3,5 mm の骨構造で、2-3/4 の渦巻きを持つカプセル状の螺旋の形状をしています。 蝸牛にはXNUMX本の管が通っています。 そのうちの XNUMX つは楕円窓から始まり、前庭階と呼ばれます。 別のチャネルは正円窓から来ており、鼓室階と呼ばれます。 前庭階と鼓室階は、小さな開口部であるヘリコトレマを介して蝸牛ドームの領域で接続されています。 蝸牛管と鼓室階の間では、主（基底）膜が蝸牛に沿って走っています。 そこには受容体 (毛) 細胞を含むコルチ器官があり、聴覚神経は蝸牛から来ています。 18. 超音波とその医療への応用 超音波は、人間の耳には聞こえない、固体、液体、または気体媒体の粒子の高周波の機械的振動です。 超音波振動の周波数は、毎秒 20 回を超えています。つまり、聴覚のしきい値を超えています。 治療目的で、超音波は毎秒800から000の振動の周波数で使用されます。 超音波トランスデューサーと呼ばれるデバイスは、超音波を生成するために使用されます。 電気機械エミッタが最も普及しています。 医療における超音波の使用は、その伝播の特殊性と特有の特性に関連しています。 その物理的性質上、超音波は音と同様に機械的 (弾性) 波です。 ただし、超音波の波長は音波の波長よりも大幅に短いです。 さまざまな音響抵抗が大きいほど、異なる媒体の界面での超音波の反射と屈折が強くなります。 超音波の反射は患部への入射角に依存します。入射角が大きいほど、反射係数も大きくなります。 体内では、800 ～ 1000 kHz の周波数の超音波は 8 ～ 10 cm の深さまで、2500 ～ 3000 Hz の周波数では 1,0 ～ 3,0 cm まで伝播します。超音波は組織によって不均一に吸収されます。密度が高いほど吸収が少なくなります。 超音波治療中に人体に作用するXNUMXつの要因： 1) 機械的 - 細胞および組織の振動マイクロマッサージ; 2）熱 - 組織の温度と細胞膜の透過性の上昇。 3) 物理的および化学的 - 組織の代謝および再生プロセスの刺激。 超音波の生物学的効果はその線量に依存し、組織を刺激したり、抑圧したり、破壊したりすることさえあります。 治療および予防効果に最も適しているのは、特にパルスモードでの少量の超音波 (最大 1,2 W/cm2) です。 それらは、鎮痛、消毒（抗菌）、血管拡張、分解、抗炎症、脱感作（抗アレルギー）作用を提供することができます. 理学療法の実践では、主にUZT-1、UZT-2、UZT-3のXNUMXつのシリーズの家庭用デバイスが使用されています。 超音波は、脳の領域、頸椎、骨隆起、成長している骨の領域、重度の循環障害のある組織、妊娠中の腹部、陰嚢には適用されません。 注意して、超音波は心臓、内分泌器官の領域で使用されます。 連続超音波とパルス超音波を区別します。 連続超音波は、超音波の連続流と呼ばれます。 このタイプの放射線は、主に軟部組織や関節に影響を与えるために使用されます。 パルス超音波は不連続な放射です。つまり、超音波は一定の間隔で別々のパルスで送信されます。 19. 流体力学 流体力学は、非圧縮性流体の動きと周囲の固体との相互作用、変形の理論、および物質の流動性の問題を研究する物理学の一分野です。 粘度を測定するための一連の方法は粘度測定と呼ばれ、そのような目的に使用される機器は粘度計と呼ばれます。 粘度測定の最も一般的な方法である毛細管は、重力の影響下で特定の圧力差で毛細管を通る既知の質量の液体の流れの時間を測定することで構成されます。 毛細管粘度計は血液の粘度を測定するために使用されます。 回転粘度計も使用されます。この粘度計では、液体が XNUMX つの同軸本体 (シリンダーなど) の間の隙間に配置されます。 シリンダー (ローター) の XNUMX つが回転し、もう XNUMX つは停止します。 粘度は、固定シリンダーに特定の力のモーメントを生み出すローターの角速度によって、または固定シリンダーに作用する力のモーメントによって、あるいは所定の角速度で固定シリンダーに作用する力のモーメントによって測定されます。ローターの回転。 回転粘度計を使用すると、潤滑油、溶融ケイ酸塩や金属、高粘度のワニスや接着剤、粘土溶液などの液体の粘度が測定されます。 現在、クリニックでは 0,4 つの毛細血管を備えた Hess 粘度計を使用して、血液の粘度を測定しています。 ヘス粘度計では、血液の体積は常に一定であり、水の体積はチューブの分割によって測定されるため、血液の相対粘度の値が直接得られます。 人間の血液の粘度は通常 0,5 ～ 0,17 Pas ですが、病状によっては 2,23 ～ XNUMX Pas の範囲であり、赤血球沈降速度 (ESR) に影響を与えます。 静脈血は動脈血よりも粘度がやや高い。 層流と乱流。 レイノルズ数。 流体の流れは、層状または層流にすることができます。 パイプの断面全体の圧力の不均一性により粘性流体の流量が増加すると、渦が発生し、動きが渦または乱流になります。 乱流では、各所の粒子の速度がランダムに変化し、動きが不安定になります。 動粘度は動的よりも完全に、液体または気体の流れの性質に対する内部摩擦の影響を考慮に入れています。 したがって、水の粘度は空気の約100倍（0°C）ですが、水の動粘度は空気の10分のXNUMXであるため、粘度は空気の性質に強い影響を及ぼします。水よりも空気の流れ。 液体または気体の流れの性質は、パイプのサイズによって異なります。 動脈内の血流は通常、層流であり、弁の近くでわずかな乱流が発生します。 病理学では、粘度が通常よりも低い場合、レイノルズ数が臨界値よりも高くなり、動きが乱れることがあります。 20. 固体と生体組織の力学特性 ソリッドボディの特徴は、その形状を保持する能力です。 固体は、結晶質と非晶質に分けることができます。 結晶状態の際立った特徴は異方性、つまり物理的特性 (機械的、熱的、電気的、光学的) の方向への依存性です。 結晶の異方性の理由は、結晶を構成する原子または分子の規則正しい配置にあり、これは個々の単結晶の正しい外部ファセットに現れます。 ただし、一般に、結晶体は多結晶の形で見つかります。これは、ランダムな方向を向いて融合した個々の小さな結晶 (微結晶) の集合です。 ノードに位置する粒子の性質と相互作用力の性質に応じて、イオン、原子、金属、分子の 4 種類の結晶格子が区別されます。 正の金属イオンは金属格子のすべてのノードに位置します。 電子はそれらの間を無秩序に移動します。 アモルファス状態のボディの内部構造の主な特徴は、ボディ全体に沿ったすべての方向の原子または原子グループの配置の厳密な繰り返しです。 同じ条件下の非晶質体は、結晶よりも大きく、比体積、エントロピー、内部エネルギーを持っています。 非晶質状態は、非常に異なる性質の物質の特徴です。 低圧および高温では、この状態の物質は非常に移動性が高く、低分子量は液体であり、高分子量は非常に弾力性のある状態です。 温度が低下し、圧力が上昇すると、アモルファス物質の移動度が低下し、すべて固体になります。 ポリマーは、分子が化学結合によって接続された多数の原子または原子団から構成される長鎖である物質です。 ポリマーの化学構造の特殊性も、ポリマーの特殊な物理的特性を決定します。 ポリマー材料には、羊毛、皮革、角、毛、絹、綿、天然ゴムなどのほぼすべての生きた植物材料、および合成ゴム、プラスチック、繊維などのあらゆる種類の合成材料が含まれます。 医学にとって非常に興味深いのは、組織接着剤 (例えば、アルキル-α-シアノアクリレート、p-ブチル-α-ジノクリレート) です。これは、縫合せずに創傷を閉じるために使用されるフィルムに急速に重合します。 液晶とは、液体と結晶の両方の性質を併せ持つ物質です。 機械的特性において、これらの物質は液体に似ており、流動します。 分子秩序の性質に基づいて、ネマティック液晶とスメクティック液晶が区別されます。 ネマティック液晶では、分子は平行に配向していますが、その中心はランダムに位置しています。 スメクチック結晶は、分子が規則的に配列された平行な層で構成されています。 特別なクラスはコレステリック結晶で構成されます（その構造はコレステロールを含む化合物の特徴です）。 21. 生体組織の力学特性 生体組織の機械的特性の下で、それらのXNUMXつの種類を理解します。 XNUMXつは生物学的可動性のプロセスに関連しています：動物の筋収縮、細胞成長、分裂中の細胞内の染色体の動きなど。これらのプロセスは化学的プロセスによって引き起こされ、ATPによってエネルギーが供給されます。生化学のコース。 従来、このグループは生体系のアクティブな機械的特性と呼ばれています。 骨。 骨は筋骨格系の主な材料です。 緻密な骨組織の質量 (0,5 体積) の 3 分の 3 は無機物質で、骨ミネラルはヒドロキシランタイト 2 CaXNUMX(PO) x Ca(OH)XNUMX です。 この物質は微細な結晶の形で存在します。 骨組織の密度は 2400 kg/m3 であり、その機械的特性は、年齢、生物の個々の成長条件、そしてもちろん生物の部位など、多くの要因に依存します。 骨の構造は、硬さ、弾力性、強度などの必要な機械的特性を骨に与えます。 レザー。 それはコラーゲンとエラスチンの線維と主要組織であるマトリックスで構成されています。 コラーゲンは乾燥重量の約75％を占め、エラスチンは約4％を占めます。 エラスチンはゴムのように非常に強く伸びます (最大 200 ～ 300%)。 コラーゲンは最大10%まで伸びることができ、これはナイロン繊維に相当します。 したがって、皮膚は非常に弾力性のある粘弾性材料であり、よく伸びて伸びます。 筋肉。 筋肉は、コラーゲン繊維とエラスチン繊維からなる結合組織で構成されています。 したがって、筋肉の機械的特性はポリマーの機械的特性に似ています。 骨格筋の機械的挙動は次のとおりです。筋肉が一定量急速に伸ばされると、張力が急激に増加してから減少します。 変形が大きくなると、分子内の原子間距離が増加します。 血管組織（血管組織）。 血管の機械的特性は、主にコラーゲン、エラスチン、平滑筋線維の特性によって決まります。 血管組織のこれらの成分の含有量は、循環系の過程に沿って変化します。総頸動脈ではエラスチンとコラーゲンの比率は 2:1、大腿動脈では 1:2 です。心臓からの距離に応じて、平滑筋線維の割合が増加し、細動脈では平滑筋線維はすでに血管組織構造の主成分となっています。 血管組織の機械的特性の詳細な研究では、サンプルが血管から (血管に沿って、または血管を横切って) どのように切り出されるかが区別されます。 弾性円筒に内側から圧力が作用した結果、容器全体が変形すると考えることができます。 円筒形容器の 2 つの半分は、円筒壁のセクションに沿って互いに相互作用します。 この相互作用断面積の総面積はXNUMXhlです。 血管壁に機械的応力 s がある場合、血管の XNUMX つの半分の間の相互作用の力は次のようになります。 F = sx2hl. 22.血行動態の物理的問題 血行力学は、血管系を通る血液の動きを研究する生体力学の分野です。 血行動態の物理的基礎は流体力学です。 血液の 0 回拍出量 (XNUMX 回の収縮期に心臓の心室から排出される血液の量)、循環系の末梢部分の油圧抵抗 XXNUMX、および動脈内の圧力の変化の間には関係があります。血液は弾性リザーバー内にあり、その量は常に次の比率に従って圧力 p に依存します。 v=v0 +kp、 ここで、k-弾性、リザーバーの弾性。 v0 -圧力がない場合のタンク容量（p = 0）。 弾性リザーバー (動脈) は心臓から血液を受け取ります。血液の体積流量は Q に等しくなります。 血液は弾性リザーバーから体積血流速度 Q で流れます0 末梢系（細動脈、毛細血管）。 かなり明白な方程式を作成できます。  心臓からの血流の体積速度が弾性リザーバーの体積の増加率に等しいことを示しています。 パルス波。 心筋が収縮すると（収縮期）、血液が心臓から大動脈とそこから延びる動脈に放出されます。 これらの血管の壁が硬い場合、心臓の出口で血液内に生じる圧力は音速で末梢に伝達されます。 人の正常な収縮期血圧は約 16 kPa です。 心臓の弛緩中（拡張期）、拡張期血圧は約 11 kPa に維持されながら、拡張した血管が収縮し、心臓から血液を通じて血管に与えられる位置エネルギーが血流の運動エネルギーに変換されます。 パルス波は 5 ～ 10 m/s、あるいはそれ以上の速度で伝わります。 血液の粘性と血管壁の弾性粘性特性により、波の振幅が減少します。 調和パルス波については次の方程式を書くことができます。  ここで、p0 - 脈波の圧力振幅; x - 振動源 (心臓) から任意の点までの距離。 t - 時間; w - 振動の循環周波数; c は、波の減衰を決定する定数です。 脈波の波長は、次の式から求めることができます。  ここで、E は弾性係数です。 p は容器の物質の密度です。 h は血管壁の厚さです。 d は容器の直径です。 23. 心の働きと力。 人工心肺 心臓が行う仕事は、抵抗を克服し、運動エネルギーを血液に伝達することに費やされます。 左心室の XNUMX 回の収縮で行われる仕事を計算します。 Vу - シリンダー状の血液の一回拍出量。 心臓は、平均圧力 p で距離 I まで、断面積 S の大動脈を通じてこの容積を供給すると仮定できます。 行われた作業は次のようになります。 A1=FI=pSI=pVy. この量の血液への運動エネルギーの伝達に費やされる仕事は次のとおりです。  ここで、p は血液の密度です。 υ - 大動脈の血流速度。 したがって、収縮中の心臓の左心室の働きは次のとおりです。  右心室の仕事は左心室の仕事の 0,2 に等しいと見なされるため、XNUMX 回の収縮による心臓全体の仕事は次のようになります。  この公式は体の安静時と活動状態の両方に当てはまりますが、これらの状態は血流量の違いによって異なります。 血圧を測定する化学的方法の物理的基礎。 物理的パラメータである血圧は、多くの病気の診断において重要な役割を果たします。 圧力計に接続された針を使用して、任意の動脈の収縮期圧と拡張期圧を直接測定できます。 しかし、N. S. コロトコフによって提案された無血法は医学で広く使用されています。 この方法の本質は、肩と肘の間の腕の周りにカフを配置することです。 空気がホースを通してカフに送り込まれると、アームが収縮します。 次に、同じホースから空気が放出され、圧力計を使用してカフ内の空気圧が測定されます。 空気を放出することにより、カフ内およびカフが接触する軟組織内の圧力を軽減します。 圧力が収縮期と等しくなると、血液は圧迫された動脈を通過できるようになり、乱流が発生します。 このプロセスに伴う特徴的な音や雑音は、医師がカフの下（つまり、心臓からかなり離れたところ）の動脈に音内視鏡を当てて圧力を測定する際に聞きます。 カフ内の圧力を下げ続けると、層流血流が回復します。これは、可聴音が急激に弱まることでわかります。 動脈内の層流の回復に対応するカフ内の圧力は、拡張期として記録されます。 血圧を測定するには、水銀圧力計を備えた血圧計、金属膜圧力計を備えた血圧計などの機器が使用されます。 24. 熱力学 熱力学は、システムを構成する物体の微視的構造を考慮せずにエネルギーを交換できるシステムを考慮する物理の一分野として理解されています。 平衡システム (または平衡に移行するシステム) の熱力学と非平衡システムの熱力学は区別され、生物学的システムの考察において特別な役割を果たします。 熱力学の基本概念。 熱力学の第一法則。 熱力学系の状態は、パラメータと呼ばれる物理量 (体積、圧力、温度、密度など) によって特徴付けられます。 周囲の物体との相互作用中のシステムのパラメーターが時間の経過とともに変化しない場合、システムの状態は定常と呼ばれます。 定常状態にあるシステムのさまざまな部分では、パラメーターの値は通常異なります。人体のさまざまな部分の温度、生体膜のさまざまな部分の拡散分子の濃度などです。定常状態はシステムを通過するエネルギーと物質の流れにより維持されます。 定常状態では、エネルギーと物質の両方を周囲のシステムと交換するシステム (開放システム)、またはエネルギーのみを交換するシステム (閉鎖システム) が存在する可能性があります。 周囲の物体とエネルギーも物質も交換しない熱力学システムは、孤立したシステムと呼ばれます。 孤立したシステムは最終的に熱力学的平衡状態に達します。 この状態では、定常状態と同様に、システム パラメータは時間が経っても変化しません。 ただし、平衡状態では、粒子の質量や数に依存しないパラメーター (圧力、温度など) がこの系の異なる部分で同じであることが重要です。 熱力学的システムを熱を伝導しないシェルで囲むことは不可能であるため、熱力学システムは孤立しません。 孤立系は、便利な熱力学モデルと見なされます。 熱過程のエネルギー保存則は、熱力学の第一法則として定式化されます。 システムに伝達される熱の量は、システムの内部エネルギーとシステムによる仕事のパフォーマンスを変化させます。 システムの内部エネルギーは、システムを構成する粒子の運動エネルギーとポテンシャル エネルギーの合計として理解されます。 内部エネルギーはシステムの状態の関数であり、この状態に対して明確に定義された値を持っています。DU は、システムの最終状態と初期状態に対応する内部エネルギーの XNUMX つの値の差です。 DU=U2-U1 熱量は、仕事と同様に、状態ではなくプロセスの関数です。 熱力学の第一法則は、次のように記述できます。 dQ = dU + dA。 Q、A、DUおよびdQ、dA、dUの値は、正（熱が外部物体によってシステムに伝達され、内部エネルギーが増加）または負（システムから熱が除去され、内部エネルギーが減少）のいずれかになります。 25.熱力学の第二法則。 エントロピ 熱力学の第 XNUMX 法則にはいくつかの定式化があります。熱はそれ自体では温度の低い物体から温度の高い物体に移動することはできません (クラウジウスの定式化)、または第 XNUMX 種の永久機関は不可能です (トムソンの定式化)。 . システムが元の状態に戻った後、周囲の物体に変化が起こらないように、すべての中間状態を通じて逆のプロセスを完了することができる場合、プロセスは可逆的と呼ばれます。 熱機関または直接サイクルの効率は、ヒーターから作動物質が受け取った熱量に対する行われた仕事の比率です。  熱機関の仕事は熱量によって行われ、作業物質の内部エネルギーは 0 サイクルごとに変化しない (DU = XNUMX) ため、熱力学の第 XNUMX 法則から循環過程での仕事は熱量の代数和に等しい： A = Q1 + Q2. したがって：  熱量Q1作用物質が受け取る熱量 Q2 は正であり、作用物質が冷凍機に与える熱量 QXNUMX は負です。 可逆プロセスの削減された熱量の合計は、エントロピーと呼ばれるシステム状態関数の XNUMX つの値の差として表すことができます。  どこにs2 そして、S1 - それぞれ、最後の XNUMX 番目の状態と最初の最初の状態のエントロピー。 エントロピーはシステムの状態の関数であり、XNUMXつの状態の値の差は、ある状態から別の状態へのシステムの可逆的遷移中に減少した熱量の合計に等しくなります。 エントロピーの物理的意味:  システムがある状態から別の状態に移行した場合、プロセスの性質に関係なく、エントロピーの変化は、これらの状態間で発生する可逆プロセスの式によって計算されます。  ここで、Q は、一定温度 T で第 XNUMX の状態から第 XNUMX の状態に移行する際にシステムが受け取る総熱量です。この式は、融解、気化などのプロセスにおけるエントロピー変化を計算するために使用されます。 26.静止状態 エントロピー生成の原理。 オープンシステムとしての身体 孤立系における熱力学プロセスの方向性については上で説明しました。 しかし、自然やテクノロジーにおける実際のプロセスや状態は非平衡であり、多くのシステムはオープンです。 これらのプロセスとシステムは、非平衡熱力学で考慮されます。 平衡熱力学で平衡状態が特別な状態であるように、非平衡熱力学では定常状態が特別な役割を果たします。 定常状態では、システムで発生する必要なプロセス (拡散、熱伝導など) によってエントロピーが増加するという事実にもかかわらず、システムのエントロピーは変化しません。 システムのエントロピー DS の変化を XNUMX つの項の和として表しましょう。 DS=DSi+DSl、 ここで、DSi はシステム内の不可逆プロセスによって引き起こされるエントロピーの変化です。 DS0 は、システムと外部物体 (システムを通過する流れ) との相互作用によって引き起こされるエントロピーの変化です。 プロセスの不可逆性は DSi > 0 につながり、状態の定常性は DSi = 0 につながります。 したがって、 DSl = DS - DSi < XNUMX。これは、系に入る生成物 (物質とエネルギー) のエントロピーが、系から出ていく生成物のエントロピーよりも小さいことを意味します。 熱力学の初期の開発は、工業生産の必要性によって刺激されました。 この段階 (XNUMX 世紀) での主な業績は、法則の策定、理想化されたプロセスに関連するサイクルと熱力学的ポテンシャルの方法の開発でした。 生物対象は開いた熱力学システムです。 彼らはエネルギーと物質を環境と交換します。 生物（静止系）の場合、dS = 0、S = = const、dS i> 0、dSe < 0 と書くことができます。これは、より大きなエントロピーが食品ではなく排泄物にあるはずであることを意味します。 いくつかの病理学的条件下では、生物学的システムのエントロピーが増加する場合があります (dS > 0)。これは、定常性の欠如、無秩序の増加によるものです。 式は次のように表すことができます。  または定常状態の場合  これは、生物の正常な状態では、内部プロセスによるエントロピーの変化率が、環境との物質とエネルギーの交換による負のエントロピーの変化率に等しいことを示しています。 27. 温度測定と熱量測定 正確な温度測定は、研究開発だけでなく、医療診断にも不可欠です。 広い範囲の温度を取得および測定する方法は大きく異なります。 温度の測り方などを研究する物理学の分野を温度測定といいます。 温度は温度測定物質の任意の特性の値によって決定されるため、その定義は、体積、圧力、電気的、機械的、光学的、磁気的効果などの物理的パラメーターと特性を測定することにあります。さまざまな温度測定方法が関連しています多数の温度測定物質とこれに使用される特性。 温度を測定する装置である温度計は、温度測定特性が実現される感応素子と測定装置 (膨張計、圧力計、検流計、電位差計など) で構成されます。 温度測定に必要な条件は、感応要素と温度が測定される本体の熱平衡です。 測定温度範囲に応じて、温度計および高温計としては、液体温度計、気体温度計、抵抗温度計、熱電対が最も一般的です。 液体温度計では、温度測定特性は体積であり、感応要素は液体 (通常は水銀またはアルコール) の容器です。 高温計は、放射強度を温度測定特性として使用します。 超低温を測定する場合、常磁性体は温度測定物質として機能し、測定される特性はその磁化の温度依存性です。 医療で使用される水銀体温計は最高温度を示すもので、最高体温計と呼ばれます。 この機能はその設計によるものです。水銀の入ったリザーバーは、狭くなっている部分によって目盛り付きキャピラリーから分離されており、温度計が冷えたときに水銀がリザーバーに戻ることはありません。 長期間にわたって観測された最低温度を示す最低温度計もあります。 この目的のために、温度を一定に維持する装置であるサーモスタットが使用されます。これは、自動調整装置によって、または一定温度で発生する一度限りの遷移の特性を使用して実行されます。 さまざまな物理的、化学的、および生物学的プロセスで放出または吸収される熱の量を測定するために、多くの方法が使用され、その全体が熱量測定を構成します。 熱量測定法は、物体の熱容量、相転移熱、溶解、湿潤、吸着、化学反応に伴う熱、放射エネルギー、放射性崩壊などを測定します。 同様の測定は、熱量計を使用して行われます。 28. 治療に使用する温媒と冷媒の物性 医学では、局所加熱または冷却のために高温または低温の物体が使用されます。 通常、比較的アクセスしやすいメディアが選択されますが、その中には有用な機械的または化学的効果を持つものもあります。 このような媒体の物理的特性は、その目的によって決まります。 第一に、所望の効果が比較的長期間にわたって生み出されることが必要である。 したがって、使用する媒体は高い比熱容量 (水、泥) または相変態比熱 (パラフィン、氷) を持たなければなりません。 第二に、皮膚に直接塗布したメディアが痛みを引き起こしてはなりません。 これにより、一方ではそのような媒体の温度が制限され、他方では熱容量の低い媒体の選択が促進されます。 たとえば、処理に使用される水の温度は最大 45 °C、泥炭と泥の温度は最大 50 °C になります。これは、これらの環境での熱交換 (対流) が水中よりも低いためです。 パラフィンは熱伝導率が低いため、60〜70℃に加熱され、皮膚に直接隣接するパラフィンの部分はすぐに冷えて結晶化し、残りの部分からの熱の流れが遅くなります。 治療に使用する冷却媒体には氷を使用します。 近年、医療では低温が広く利用されています。 低温では、個々の臓器や組織の保存は移植に関連して行われ、正常に生きて機能する能力が十分に長期間保存されます。 凍結および解凍中の組織破壊の極低温法は、扁桃腺、いぼなどを除去するために医師によって使用されます。この目的のために、特別な極低温装置および極低温プローブが作成されます。 麻酔作用のある風邪の助けを借りて、パーキンソニズムなどの特定の神経疾患の原因となる脳内の核細胞を破壊することができます。 顕微手術では、湿った組織を冷たい金属製の器具に凍結させて、これらの組織を捕捉して移動させます。 低温の医学的使用に関連して、「低温医学」、「凍結療法」、「凍結手術」などの新しい用語が登場しました。 29. 生体膜の物理過程 生体膜は細胞の重要な部分です。 それらは、細胞を環境から分離し、有害な外部の影響から細胞を保護し、細胞とその環境との間の代謝を制御し、電位の生成に寄与し、ミトコンドリアにおける普遍的なATPエネルギー蓄積物質の合成に参加します。 膜の構造とモデル 膜はすべての細胞（原形質膜と細胞外膜）を取り囲んでいます。 膜がなければ、細胞の内容物は単に広がり、拡散は熱力学的平衡につながり、それは生命の欠如を意味します。 最初の細胞は、膜によって環境から隔離されたときに現れたと言えます。 細胞内膜は細胞を多数の閉じたコンパートメントに分割し、それぞれが特定の機能を実行します。 あらゆる膜の構造の基礎は二重脂質層 (主にリン脂質) です。 脂質二重層は、両方の層の疎水性「尾部」が内側を向くように、XNUMX つの脂質単層から形成されます。 これにより、分子の疎水性領域と水との接触が最小限に抑えられます。 この膜構造の考えは、多くの疑問に対する答えを提供しませんでした。 続いて、同じ脂質生体層膜に基づいたモデルが提案されました。 このリン脂質骨格は、タンパク質が浮いている二次元溶媒のようなもので、多かれ少なかれ沈んでいます。 これらのタンパク質のおかげで、透過性、電位の生成など、膜の特定の機能が完全または部分的に実行されます。膜は不動の静かな構造ではありません。 脂質とタンパク質は膜を交換し、膜の面に沿って移動する (側方拡散) と、膜を横切る (いわゆるフリップフロップ) の両方を行います。 生体膜の構造の解明とその性質の研究は、膜の物理化学モデル（人工膜）を用いて可能であることが判明した。 このような XNUMX つのモデルが最も普及しています。 最初のモデルは、水と空気、または水と油の界面にあるリン脂質の単層です。 生体膜のXNUMX番目に普及しているモデルはリポソームであり、これはタンパク質分子を完全に欠いている生体膜のようなものです。 直接的な方法で生体膜のいくつかの特性を研究することを可能にしたXNUMX番目のモデルは、生体脂質（生体層脂質）膜（BLM）です。 膜は XNUMX つの重要な機能を果たします: マトリックス (つまり、マトリックス、さまざまな機能を実行するタンパク質を保持するための基礎) とバリア (不要な粒子の侵入から細胞と個々のコンパートメントを保護します)。 30. 膜の物性とパラメータ 膜分子の移動度と膜を通過する粒子の拡散を測定すると、ビリピッド層が液体のように振る舞うことがわかります。 しかし、膜は規則正しい構造です。 これらの XNUMX つの事実は、膜の自然な機能中のリン脂質が液晶状態にあることを示唆しています。 膜の温度が変化すると、相転移が観察されます。加熱すると脂質が融解し、冷却すると結晶化します。 バイオレイヤーの液晶状態は、固体状態よりも粘度が低く、さまざまな物質の溶解度が高くなります。 液晶バイオレイヤーの厚さは、固体のものよりも薄いです。 液体と固体の分子の構造は異なります。 液相では、リン脂質分子は空洞（キンク）を形成し、そこに分化物質の分子を導入することができます。 この場合のねじれの動きは、膜を横切る分子の拡散につながります。 膜を通過する分子 (原子) の輸送 膜の機能における重要な要素は、分子 (原子) およびイオンを通過させる、または通過させない能力です。 このような粒子の浸透の可能性は、粒子の移動方向（たとえば、セル内またはセル外）と、分子とイオンのタイプの両方に依存します。 転移現象は、物理システム内で質量、運動量、電荷、またはその他の物理量の空間移動 (転移) が生じる不可逆的なプロセスです。 伝達現象には、拡散（物質の質量の伝達）、粘性（運動量の伝達）、熱伝導率（エネルギーの伝達）、電気伝導率（電荷の伝達）が含まれます。 膜全体に電位差があるため、膜内に電界があります。 荷電粒子（イオンと電子）の拡散に影響を与えます。 イオンの輸送は、イオンの不均一な分布（つまり、濃度勾配）と電界の影響（ネルンストプランク方程式）のXNUMXつの要因によって決定されます。  この式は、定常イオン フラックス密度を次の XNUMX つの量に関連付けます。 1) 膜構造とイオンとの相互作用を特徴付ける、特定のイオンの膜透過性。 2) 電場; 3) 膜を取り囲む水溶液中のイオン濃度。 転移現象は受動的輸送に関連しています。分子とイオンの拡散は、それらの濃度が低い方向に起こり、イオンの移動は、電場からそれらに作用する力の方向に応じて起こります。 受動輸送は、化学エネルギーの消費とは関係がなく、粒子がより低い電気化学ポテンシャルに向かって移動する結果として実行されます。 31.生体膜を介した分子とイオンの一種の受動的移動 生きている細胞の脂質層を介した単純な拡散により、酸素と二酸化炭素の通過が保証されます。 多くの薬用物質や毒物も脂質層に浸透します。 ただし、単純な拡散はかなりゆっくりと進行し、必要な量の栄養素を細胞に供給することができません。 したがって、膜内の物質の受動的な移動には他のメカニズムがあり、これらには拡散と促進拡散（キャリアとの組み合わせ）が含まれます。 チャネルまたはチャネルは、膜内の通路を形成するタンパク質分子や脂質を含む膜のセクションと呼ばれることもあります。 この通過により、水分子などの小さな分子だけでなく、より大きなイオンも膜を通過できます。 チャネルは、さまざまなイオンに対して選択性を示すことができます。 特殊なキャリア分子によるイオン輸送の拡散を促進します。 潜在的な休息。 細胞の表面膜は、異なるイオンに対して等しく透過性があるわけではありません。 さらに、特定のイオンの濃度は膜の異なる側で異なり、イオンの最も好ましい組成が細胞内に維持されます。 これらの要因により、正常に機能している細胞に、細胞質と環境の間の電位差 (静止電位) が現れます。 静止電位の生成と維持への主な貢献は、Na+、K+、Cl- イオンによって行われます。 合計 これらの電子の磁束密度は、それらの符号を考慮して、次のようになります。 J=JNA + JK + JCI-。 定常状態では、総フラックス密度はゼロです。つまり、単位時間あたりに膜を通過して細胞に入るさまざまなイオンの数は、膜を通って細胞を出る数に等しくなります。 j = 0。 Goldman-Hodgkin-Katz 方程式 (無次元ポテンシャルが電気に戻る):  細胞の内側と外側で異なる濃度のイオンが、能動輸送システムであるイオン ポンプによって生成されます。 静止電位への主な寄与は、K+ イオンと Cl- イオンによってのみ行われます。 活動電位とその伝播 励起されると、細胞と環境の間の電位差が変化し、活動電位が発生します。 活動電位は神経線維を伝播します。 神経線維に沿った活動電位の伝播は、自動波の形で発生します。 興奮性細胞は活性媒体です。滑らかな無髄神経線維に沿った興奮の伝搬速度は、半径の平方根 (υ≈√r) にほぼ比例します。 32.電気力学 電気現象と磁気現象は、物質の存在の特殊な形式、つまり電場と磁場、およびその影響に関連付けられています。 一般に、これらの場は相互に関連しているため、単一の電場について話すのが通例です。 電磁現象には XNUMX つの生物医学応用分野があります。 その XNUMX つ目は、体内で発生する電気プロセスの理解と、生物学的媒体の電気的および磁気的特性についての知識です。 XNUMX番目の方向は、電磁界が身体に及ぼす影響のメカニズムの理解に関連しています。 XNUMX 番目の方向は、計装、ハードウェアです。 電気力学は、エレクトロニクス、特に医療用エレクトロニクスの理論的基礎です。 エネルギー場は、この場の電荷に力がかかる物質の一種です。 生物学的構造によって生成される電場の特性は、身体の状態に関する情報源です。 張力と電位 - 電場の特性。 電界の出力特性は、点電荷上の電界の特定の点に作用する力とこの電荷の比に等しい強度です。 E = F / q 張力は、場の特定の点で正電荷に作用する力の方向と方向が一致するベクトルです。 電界強度は次の XNUMX つの式で表されます。 Ex =f1 (x、y、z); Ey =f2 (x、y、z); Ez =f3(x、y、z)、 ここで、Eх、Eу とEz - フィールドを記述するために導入された、対応する座標軸上の強度ベクトルの投影。 電界のエネルギー特性はポテンシャルです。 フィールドの XNUMX 点間の電位差は、正電荷をフィールドのある点から別の点に移動するときにフィールドの力によって行われる仕事と、この電荷の比率です。  ここでf1 およびF2 - 電場のポイント 1 と 2 でのポテンシャル。 XNUMX 点間の電位差は、電界の強さに依存します。 電位差とともに、電場の特性として電位の概念が用いられます。 異なる点の電位は、同じ電位の面 (等電位面) として表すことができます。 既存の電気測定器は、強度ではなく電位差を測定するように設計されています。 33. 電気双極子と多重極子 電気双極子は、互いに一定の距離を置いて配置された XNUMX つの等しいが反対の符号点の電荷からなるシステム (双極子アーム) です。 双極子の主な特性は、その電気 (または双極子) モーメントです。これは、負の電荷から正の電荷に向かう、電荷と双極子アームの積に等しいベクトルです。 p = dl。 双極子の電気モーメントの単位はクーロン メートルです。 均一電界内の双極子は、電気モーメント、電界内の双極子の向き、および電界強度に依存するトルクを受けます。 電気モーメントと場の不均一性の程度に応じて、双極子に力が作用します。 dE/dx 双極子が力線に沿っていない不均一な電場に向けられている場合、トルクもそれに作用します。 自由双極子は、ほとんどの場合、電界強度の高い領域に引き込まれます。 双極子は、特定の対称性を持つ電荷系の特殊なケースです。 このような電荷分布の一般名は電気多極子 (I = 0、1、2 など) であり、多極子の電荷数は式 2 で決まります。1. したがって、20 次多極子 (1 = 21) は単一点電荷、2 次多極子 (22 = 4) は双極子、23 次多極子 (8 = XNUMX) は四重極、XNUMX 次e. 多極子 (XNUMX = XNUMX) は XNUMX 極子など e. 多極子の電位は、多極子から大きく離れると減少します (R > d、d は多極子のサイズです) I/Rに比例1 + 1. 電荷が空間の特定の領域に分布している場合、電荷系の外側の電界のポテンシャルは、近似級数として表すことができます。  ここで、R は電荷系からポテンシャル F の点 A までの距離です。 f1、F2、F3…。 - 多極子のタイプ、その電荷、および A 点への方向に応じて、いくつかの機能。 最初の項は単極子、XNUMX 番目の項は双極子、XNUMX 番目の項は XNUMX 極子などに対応します。中性電荷系の場合、最初の項はゼロに等しくなります。 双極子発電機 (電流双極子) 真空または理想的な絶縁体では、電気双極子は任意の時間持続できます。 ただし、実際の状況 (導電性媒体) では、双極子の電場の作用により、自由電荷の移動が発生し、双極子が中和されます。 外部回路の電流強度はほぼ一定のままで、媒体の特性にはほとんど依存しません。 電流源と電流ドレインからなるこのような XNUMX 極システムは、双極子発電機または電流双極子と呼ばれます。 34. 心電図の物理的基礎 生体組織は、電位 (生体電位) の源です。 診断目的での組織や臓器の生体電位の登録は、エレクトログラフィーと呼ばれます。 このような一般的な用語は比較的めったに使用されず、対応する診断方法の特定の名前がより一般的です。筋肉の活動、脳波（EEG） - 生体電気脳活動などを記録する方法。 ほとんどの場合、生体電位は臓器 (心臓、脳) から直接ではなく、この臓器によって電場が生成される他の隣接組織から電極によって取得されます。 臨床的には、これにより登録手順自体が大幅に簡素化され、安全で複雑になりません。 心電図への物理的アプローチは、「除去可能な」電位の画像に対応する発電機のモデルを作成（選択）することにあります。 心臓全体は、実際のデバイスの形をしたある種の発電機として、また人体のような形をした導体内の一連の電源として電気的に表されます。 導体の表面には、同等の発電機の動作中に電圧が発生し、心臓活動の過程で人体の表面に発生します。 双極子等価発電機を使用すれば、心臓の電気的活動をシミュレートすることが可能です。 心臓の双極子ビューは、アイントホーフェンの鉛理論の根底にあります。 彼女によると、心臓は、心周期中に回転し、その位置と作用点を変える双極子モーメントを持つような双極子です。 V. アイントホーフェンは、左右の腕と左脚にほぼ位置する正三角形の頂点間の心臓の生体電位の差を測定することを提案しました。 生理学者の用語によれば、体の XNUMX 点間で記録される生体電位の差は外転と呼ばれます。 リードI(右腕-左腕)、リードII(右腕-左脚)、リードIII(左腕-左脚)があります。 V. アイントホーフェンによれば、心臓は三角形の中心に位置します。 双極子、つまり心臓の電気モーメントは時間の経過とともに変化するため、心電図と呼ばれる一時的な電圧がリード線に得られます。 心電図は空間方向に関する情報を提供しません。 ただし、診断目的では、そのような情報は重要です。 これに関して、ベクトルカーディオグラフィーと呼ばれる、心臓の電場の空間研究方法が使用されます。 ベクトル心電図は、ベクトルの端に対応する点の幾何学的な軌跡であり、その位置は心周期中に変化します。 35.電流 電流は通常、電荷の方向性の移動を指します。 電流には伝導電流と対流電流があります。 伝導電流は、金属中の電子、半導体中の電子と正孔、電解質中のイオン、ガス中のイオンと電子など、導電体中の電荷の方向性の動きです。 対流は、真空中での荷電体の動きと電子または他の荷電粒子の流れです。 電流密度は電流のベクトル特性であり、数値的には、電流を形成する荷電粒子の移動方向に垂直な小さな表面要素を通過する電流の強度と、この面積の比に等しいエレメント： j = dl/dS この式に電流キャリアの電荷 q を掛けると、電流密度が得られます。 j = qj = qnv。 ベクトル形式: j = qnv。 ベクトル j は、流線に対して接線方向に向けられます。 現在の強さについては、次の式を書きます。 j=dq/dt。 電流の強さは、特定のセクションまたは表面を通過する電荷の時間微分です。 導体に直流電流を流すためには、両端で電位差を保つ必要があります。 これは、現在の情報源によって行われます。 ソースの起電力は、回路全体で単一の正電荷を移動させるときの外力の仕事に数値的に等しい値です。 実際には、外力の仕事は、電流源内でのみゼロとは異なります。 単位正電荷に対する外力の比率は、外力の電界強度に等しくなります。 ECT = FCT/ NS 起電力は、電流源の電位の急激な変化に対応します。 電解質の電気伝導率。 生体液は電解質であり、その電気伝導率は金属の電気伝導率に似ています。ガスとは異なり、両方の媒体では、電流キャリアは電界とは無関係に存在します。 電場内のイオンの移動方向はほぼ一様であると見なすことができますが、電場からイオンに作用する力 qE は摩擦力 rv に等しくなります。 qE = rv、 私たちが得るところから： v = bE。 比例係数 b はイオン移動度と呼ばれます。 36. 直流における生体組織および液体の電気伝導率。 ガス中の放電 生物学的組織および器官は、電流の作用で変化する可能性のある、さまざまな電気抵抗を持つかなり不均一な形成物です。 これにより、生きている生物学的システムの電気抵抗を測定することが困難になります。 体の表面に直接適用された電極間に位置する体の個々の部分の電気伝導率は、皮膚と皮下層の抵抗に大きく依存します。 体内では、電流は主に血管とリンパ管、筋肉、神経幹の鞘を通って広がります。 皮膚の抵抗は、厚さ、年齢、湿度などの状態によって決まります。 組織や臓器の電気伝導度は機能状態に依存するため、診断指標として使用できます。 そのため、たとえば、炎症の際に細胞が膨張すると、細胞間接続の断面積が減少し、電気抵抗が増加します。 発汗を引き起こす生理現象には、皮膚などの電気伝導度の上昇が伴います。 中性粒子のみからなるガスは絶縁体です。 イオン化すると導電性になります。 ガスの分子や原子のイオン化を引き起こすことができるデバイス、現象、要因は、イオナイザーと呼ばれます。 それらは、光、X線、炎、電離放射線などである可能性があります。空気中の電荷は、極性液体がそれに噴霧されるときにも形成される可能性があります（弾電効果）、つまり、分子が一定の電気双極子モーメントを持つ液体です。 したがって、たとえば、空気中で粉砕されると、水は帯電した液滴に分解します。 大きな液滴（硬水に対して正）の電荷の符号は、最小の液滴の電荷の符号と反対です。 大きな液滴は比較的速く沈降し、負に帯電した水粒子を空気中に残します。 この現象は噴水で見られます。 ガスの電気伝導率は、二次イオン化にも依存します。 内部電子のイオン化ポテンシャルははるかに高くなります。 地上の条件下では、ほとんどの場合、空気には自然のイオン化物質、主に土壌やガス中の放射性物質、および宇宙放射線により、ある程度の量のイオンが含まれています。 空気中のイオンや電子は、中性分子や浮遊粒子と結合して、より複雑なイオンを形成することがあります。 このような大気中のイオンを空気イオンといいます。 それらは符号が異なるだけでなく質量も異なり、慣例的に軽いもの（ガスイオン）と重いもの（浮遊荷電粒子、塵粒子、煙、水分粒子）に分類されます。 重イオンは体に有害な影響を及ぼし、光と主に負の空気イオンは有益な効果をもたらします。 それらは治療（エアロイオノセラピー）に使用されます。 37. 磁場 磁場は、磁場内に配置された移動電荷や磁気モーメントを持つ他の物体に力が及ぼされるすべての物質に与えられた名前です。 磁場には、静電場と同様に、磁気モーメント (ベクトル量) という定量的な特性があります。 磁場のある点での磁気誘導は、このループの磁気モーメントに対する均一な磁場内の電流でループに作用する最大トルクの比率に等しくなります。 磁束の単位はウェーバー (Wb) です。 1Wb = 1Tlm2。 Tl は磁気誘導 (テスラ) の単位です。 式から、フローは正と負の両方になることがわかります。 アンペアの法則。 磁場中の電流を伴う回路のエネルギー。 磁場の主な症状の XNUMX つは、移動する電荷と電流に対する力の影響です。 A. M. Ampere は、この力の効果を決定する法則を確立しました。 磁場内の導体では、かなり小さいセクション dI を選択します。これは、電流に向かうベクトルと見なされます。 プロダクト IdI は、現在の要素と呼ばれます。 磁場から電流要素に作用する力は次のようになります。 dF = kIB sinb × dl、 ここで、k は比例係数です。 またはベクトル形式で dF=ldl×B。 これらの比率は、アンペールの法則を表しています。 アンペールの法則に従って、磁場内の電流を運ぶ導体に作用する力は、この電流を生み出す移動電荷に対する作用の結果です。 個別の移動電荷に作用する力は、電流が流れる導体に加えられる力 F とその中の電流キャリアの総数 N の比によって決まります。 fЛ =F/N（ⅰ） 現在の強さは次のとおりです。 I = jS、 F = jSBL sinb、 ここで、j は電流密度です。 我々が得る： F = jSBL sinb = qnvSBL sinb2、 ここで、n = N/ SI は粒子の濃度です。 最後の式を最初の式に代入すると、磁場から別の移動電荷に作用し、ローレンツ力と呼ばれる力の式が得られます。  ローレンツ力の方向は、方程式のベクトル表記から決定できます。 fn = qvB。 38. 磁場強度とその他の特性 磁場の強さは媒体の特性に依存し、回路を流れる電流の強さによってのみ決定されます。 直流によって生成される磁場の強さは、個々の要素によって生成される磁場の強さで構成されます (ビオ・サバール・ラプラスの法則)。  (dH - 張力、k - 比例係数、di および r - ベクトル)。 積分することで、電流のある回路またはその回路の一部によって生成される磁場の強度がわかります。  Circular は、円の形で導体を流れる電流です。 この電流は、円を描くように回転する電荷にも対応します。 磁場の強さと媒体の相対透磁率がわかれば、磁気誘導を見つけることができます。 B = M + M0H = mNf(2r)。 物質の磁気特性 磁場の中に置かれても状態が変化しない物質は存在しません。 さらに、磁場の中にあると、物質自体がそのような場の発生源になります。 この意味で、すべての物質は通常磁性体と呼ばれます。 磁性材料間の巨視的な違いはその構造によって決まるため、電子、原子核、原子、分子の磁気特性、および磁場中でのこれらの粒子の挙動を考慮することをお勧めします。 粒子の磁気モーメントとその運動量のモーメントの比率は、磁気力学的と呼ばれます。 この関係は、磁気モーメントと機械的 (運動量) モーメントの間に明確に定義された「ハード」接続があることを示しています。 この接続は、磁気機械現象に現れます。 磁気機械現象は、磁気機械関係を決定することを可能にし、これに基づいて、磁化プロセスにおける軌道またはスピン磁気モーメントの役割について結論を導きます。 たとえば、アインシュタインの実験は、電子のスピン磁気モーメントが強磁性 (鉄磁性) 物質の磁化の原因であることを示しました。 原子核、原子、分子も磁気モーメントを持っています。 分子の磁気モーメントは、分子を構成する原子の磁気モーメントのベクトル和です。 磁場は、磁気モーメントを持つ粒子の向きに作用し、その結果、物質が磁化されます。 物質の磁化の程度は、磁化によって特徴付けられます。 磁化ベクトルの平均値は、磁石の体積にあるすべての粒子の総磁気モーメント Spmi とこの体積の比に等しくなります。  したがって、磁化は磁石の単位体積あたりの平均磁気モーメントです。 磁化の単位は、メートルあたりのアンペア (A/m) です。 39. 磁石の性質と人体組織の磁性 常磁性分子はゼロではない磁気モーメントを持っています。 磁場が存在しない場合、これらのモーメントはランダムに配置され、磁化はゼロになります。 磁気モーメントの秩序度は、磁場と分子のカオス運動という XNUMX つの相反する要素に依存するため、磁化は磁気誘導と温度の両方に依存します。 真空中の不均一な磁場では、常磁性物質の粒子は、磁気誘導のより高い値に向かって移動します。彼らが言うように、それらは磁場に引き込まれます。 常磁性体には、アルミニウム、酸素、モリブデンなどが含まれます。 反磁性はすべての物質に固有のものです。 常磁性では、反磁性はより強い常磁性によって無効になります。 分子の磁気モーメントがゼロまたは非常に小さいため反磁性が常磁性よりも優勢である場合、そのような分子からなる物質は反磁性体と呼ばれます。 反磁性体の磁化は磁気誘導とは反対に向けられ、その値は誘導の増加とともに増加します。 不均一な磁場内の真空中の反磁性粒子は、磁場から押し出されます。 強磁性体は、常磁性体と同様に、磁場を誘導することを目的とした磁化を作成します。 それらの相対透磁率は、XNUMXよりもはるかに大きいです。 強磁性特性は、個々の原子や分子に固有のものではなく、結晶状態にある一部の物質にのみ固有のものです。 強磁性体には、結晶鉄、ニッケル、コバルト、これらの元素同士の多くの合金、および他の非強磁性化合物との合金、ならびにクロムおよびマンガンと非強磁性元素との合金および化合物が含まれます。 強磁性体の磁化は、磁気誘導だけでなく、サンプルが磁場にあったときの以前の状態にも依存します。 自然界にはあまり多くの強磁性体はありませんが、技術的には主に磁性材料として使用されています。 身体組織の大部分は、水と同様に反磁性を持っています。 ただし、身体には常磁性物質、分子、イオンも含まれています。 体内には強磁性粒子は存在しません。 体内で生じる生体電流は弱い磁場の発生源となります。 場合によっては、そのような場の誘導を測定できることがあります。 たとえば、心臓の磁場の誘導（心臓生体電流）の時間依存性の記録に基づいて、心磁図という診断方法が作成されました。 磁気誘導は電流の強さに比例し、オームの法則による電流の強さ（生体電流）は電圧（生体電位）に比例するため、一般に心磁図は心電図に似ています。 ただし、心磁図法は心電図法とは異なり、磁場の発生源である生物学的対象物からある程度の距離を置いて磁場を記録できるため、非接触の方法です。 40.電磁誘導。 磁場エネルギー 電磁誘導の本質は、交流磁場が電場を生成することです (1831 年に M. ファラデーによって発見されました)。 電磁誘導の基本法則 磁束が変化すると、電磁誘導の起電力が発生します。  どこで e - 起電力; dt - 時間間隔; dФ は磁束の変化です。 これが電磁誘導の基本法則、ファラデーの法則です。 回路を貫く磁束が変化すると（磁場が時間とともに変化する、磁石が近づいたり離れたり、隣接する回路や離れた回路で電流の強さが変化するなど）、回路には常に電磁誘導の起電力が現れ、磁束の変化率に比例します。 磁場の変化は電場を引き起こします。 電流は時間に対する電荷の導関数であるため、次のように書くことができます。  したがって、電磁誘導によって導体を流れる電荷は、回路を貫く磁束とその抵抗の変化に依存します。 この依存性は、回路に誘導された電荷を記録するデバイスによって磁束を測定するために使用されます。 電磁誘導の兆候の XNUMX つは、金属部品、電解質溶液、生体器官などの固体導電体での閉じた誘導電流 (渦電流、またはフーコー電流) の発生です。渦電流は、導電体が内部を移動するときに形成されます。磁場誘導の時間とともに変化する場合、および両方の要因の複合作用下で磁場。 渦電流の強度は、本体の電気抵抗に依存し、その結果、抵抗率と寸法、および磁束の変化率に依存します。 理学療法では、人体の個々の部分を渦電流で加熱することが、インダクトサーミーと呼ばれる医療処置として規定されています。 電磁振動は、電荷、電流、電場および磁場の強さの周期的な相互関係の変化と呼ばれます。 空間における電磁振動の伝播は、電磁波の形で発生します。 さまざまな物理現象の中で、電磁振動と波動は特別な位置を占めています。 交流とは、時間とともに変化する電流です。 ただし、「交流電流」という用語は、高調波の法則に従って時間に依存する準定常電流に適用されることがよくあります。 41.体組織の総抵抗（（インピーダンス）。レオグラフィーの物理的基礎 体の組織は、直流電流だけでなく交流電流も伝導します。 体内にはインダクタンス コイルに似たシステムがないため、そのインダクタンスはゼロに近くなります。 生体膜 (そして、その結果、生物全体) は容量特性を持っています, これに関連して, 体組織の総抵抗は、オーム抵抗と容量抵抗によってのみ決定されます. 生体系における容量性要素の存在は、という事実によって確認されます電流強度は、同相で印加電圧より進んでいます。 インピーダンスの周波数依存性により、体組織の生存率を評価することが可能になります; これは、組織や臓器の移植 (移植) のために知ることが重要です。 組織や臓器のインピーダンスは生理状態にも依存するため、血管に血液が充満している場合、心血管活動の状態によってインピーダンスが変化します。 心臓活動の過程で組織インピーダンスの使用を記録することに基づく診断方法は、レオグラフィー (インピーダンスプレチスモグラフィー) と呼ばれます。 この方法を使用して、脳 (rheoencephalograms)、心臓 (rheocardiograms)、主要な血管、肝臓の肺、および四肢のレオグラムが取得されます。 通常、測定は 30 kHz の周波数で実行されます。 電気インパルスとインパルス電流 電気インパルスは、電圧または電流強度の短期的な変化です。 技術的には、パルスはビデオ パルスと無線パルスの XNUMX つの大きなグループに分けられます。 ビデオパルスは、ゼロ以外の一定成分を持つ電流パルスまたは電圧パルスです。 したがって、ビデオパルスは主に一方の極性を有する。 ビデオ パルスの形状は、矩形、のこぎり波、台形、指数関数、ベル型などです。 電波パルスは変調された電磁振動です。 生理学では、「電気インパルス」（または「電気信号」）という用語は、特にビデオ インパルスを指します。 繰り返されるパルスをパルス電流といいます。 これは、周期 (パルス繰り返し周期) T、つまり隣接するパルスの開始間の平均時間と周波数 (パルス繰り返し周波数) によって特徴付けられます。 f=1/T。 パルスのデューティ サイクルは次の比率です。  デューティ サイクルの逆数がフィル ファクターです。  42.マクスウェルの理論の概念。 バイアス電流 J. マクスウェルは、古典物理学の枠組みの中で電磁場の理論を作成しました。 J. マクスウェルの理論は、XNUMX つの規定に基づいています。 1. 変位した電場は、渦磁場を生成します。 交流電場は、通常の電流のように磁場を誘導するため、マクスウェルによって名付けられました。 渦磁場は、伝導電流 Ipr (移動する電荷) と変位電流 (変位電場 E) の両方によって生成されます。 マクスウェルの最初の方程式  2. 変位した磁場は、渦電場を生成します (電磁誘導の基本法則)。 マクスウェルの XNUMX 番目の式:  これは、任意の表面を通過する磁束の変化率と、この場合に発生する電界強度のベクトルの循環に関連しています。 循環は、サーフェスが置かれている輪郭に沿って取得されます。 マクスウェルの理論の規定から、空間のある点での任意の場 (電場または磁場) の出現は、相互変換の連鎖全体を伴うということになります。交流電場は磁場を生成し、磁場の変化は磁場を生成します。電気のもの。 電場と磁場の相互形成により電磁場が生じ、空間内に単一の電磁場が伝播します。 電磁波の伝播速度は光の速度と同じです。 これは、マクスウェルによる光の電磁理論の基礎となりました。 この理論は、医学物理学のさらなる発展において非常に重要な段階となりました。 43.医学で採用された周波数間隔の分類 光波を含むさまざまな電磁波が共通の性質を持っていることは、マクスウェルの理論から導かれます。 この点で、すべての種類の電磁波を単一の目盛りの形で表すことをお勧めします。 各スケールは条件付きで、電波 (長、中、短)、赤外線、可視光線、紫外線、X 線、ガンマ線の XNUMX つの範囲に分けられます。 この分類は、波形成のメカニズム、または人による視覚の可能性によって決定されます。 電波は、導体中の交流電流と電子の流れ (マクロラジエーター) によって発生します。 赤外線、可視光線、紫外線は、原子、分子、および高速荷電粒子 (マイクロエミッター) から発生します。 X 線放射は、原子内プロセス中に発生します。 ガンマ線は核起源です。 同じ長さの波が異なるプロセスで生成される可能性があるため、一部の範囲が重複します。 したがって、最も短波の紫外線放射は、長波の X 線によってブロックされます。 この点、赤外線と電波の境界領域は非常に特徴的です。 1922 年まで、これらの範囲の間にギャップがありました。 この充填されていないギャップの最短波長の放射は分子原子起源 (加熱された物体の放射) であり、最長波長は巨視的なヘルツ振動子によって放射されました。 ミリ波でさえ、電波工学だけでなく、分子遷移によっても生成できます。 さまざまな物質による電波の吸収と放射を研究する「放射分光法」のセクションが登場しました。 医学では、以下の電磁振動の周波数範囲への条件付き分割が受け入れられます（表1）。 表1 電磁振動の周波数範囲への条件付き分割  低音および音響周波数の理学療法用電子機器は、しばしば低周波と呼ばれます。 他のすべての周波数の電子機器は、一般的な概念「高周波機器」と呼ばれます。 44. 電流や電磁界にさらされたときに組織内で起こる物理的プロセス すべての物質は分子で構成されており、それぞれは電荷の系です。 したがって、物体の状態は、物体を流れる電流と作用する電磁場に大きく依存します。 生物は空間内の濃度が変化するイオンの集合体でもあるため、生物体の電気的特性は無生物の特性よりも複雑です。 電流と電磁界が身体に与える影響の主なメカニズムは物理的なものです。 生体組織に対する直流電流の主な作用。 亜鉛メッキ。 医薬品の電気泳動 人体の大部分は、さまざまな代謝プロセスに関与する多数のイオンを含む体液で構成されています。 電場の影響下で、イオンはさまざまな速度で移動し、細胞膜の近くに蓄積して、分極と呼ばれる逆電場を形成します。 したがって、直流電流の主な効果は、組織のさまざまな要素におけるイオンの移動に関連しています。 直流電流が人体に及ぼす影響は電流の強さに依存するため、組織、特に皮膚の電気抵抗は非常に重要です。 湿気や汗は抵抗を大幅に低下させ、たとえ小さな電圧でも体に電流が流れることがあります。 電圧60〜80 Vの連続直流は、理学療法（亜鉛メッキ）の治療方法として使用されます。 電流源は全波整流器、つまり亜鉛メッキ装置です。 これには、厚さ0,3〜0,5 mmのシート鉛で作られた電極が使用されます。 組織に含まれる食塩水の電気分解生成物は焼灼を引き起こすため、温水で湿らせた親水性パッドを電極と皮膚の間に置きます。 直流は、皮膚や粘膜を通して薬剤を投与するために医療行為でも使用されます。 この方法を医薬品の電気泳動といいます。 この目的のために、亜鉛メッキ中と同じ方法で作業を進めますが、活性電極ガスケットは対応する薬剤の溶液で湿らせます。 薬物は、その電荷を有する極から投与されます。陰イオンは陰極から導入され、陽イオンは陽極から導入されます。 薬用物質の亜鉛メッキと電気泳動は、患者の手足が浸される浴の形の液体電極を使用して実行できます。 45. 交流 (インパルス) 電流の影響 体に対する交流電流の影響は、その周波数に大きく依存します。 低い音や超音波の周波数では、交流は直流と同様に生体組織に刺激を与えます。 これは、電解質溶液のイオンの移動、それらの分離、細胞のさまざまな部分および細胞間空間での濃度の変化によるものです。 組織の刺激は、パルス電流の形状、パルスの持続時間、およびその振幅にも依存します。 したがって、たとえば、パルスフロントの急峻さを増加させると、筋収縮を引き起こすしきい値電流強度が低下します。 これは、筋肉が現在の強さの変化に適応し、イオン補償プロセスが始まることを示しています。 電流の特定の生理学的効果はパルスの形状に依存するため、医学では、中枢神経系 (電気睡眠、電子麻酔)、神経筋系、心血管系 (ペースメーカー、除細動器) などを刺激します。時間依存性が使用されます。 電流が心臓に影響を与えると心室細動を引き起こし、死に至る可能性があります。 細動を引き起こす閾値電流の強さは、心臓を流れる電流の密度、その作用の頻度と持続時間によって異なります。 電流や電磁波は熱的な影響を与えます。 高周波電磁振動による治療的加熱には、従来の単純な方法である加熱パッドに比べて多くの利点があります。 加熱パッドによる内臓の温めは、皮膚や皮下脂肪などの外部組織の熱伝導率によって行われます。 高周波加熱は、体の内部での熱の形成によって発生します。つまり、必要な場所で熱を作り出すことができます。 また、高周波振動による温めは、発電機の出力を調整することで内臓の熱放出の強さをコントロールでき、手順によっては加熱を抑えることができるので便利です。 高周波電流は、電流で組織を加熱するために使用されます。 組織に高周波電流を流すことは、ジアテルミーおよび局所ダーソンバリゼーションと呼ばれる理学療法手順で使用されます。 ジアテルミーの間、弱減衰振動を伴う約1 MHzの周波数の電流、100〜150 Vの電圧が使用されます。 電流は数アンペアです。 皮膚、脂肪、骨、筋肉は比抵抗が最も大きいため、より熱くなります。 血液やリンパ液が豊富な臓器で最も発熱が少ないのは、肺、肝臓、リンパ節です。 ジアテルミーの欠点は、大量の熱が皮膚層と皮下組織で非生産的に放出されることです。 最近、ジアテルミーは治療の実践から離れており、高周波曝露の他の方法に取って代わられています。 高周波電流は、外科目的（電気外科）にも使用されます。 それらは、焼灼、組織の「溶着」 (diathermocoagulation) またはそれらの解剖 (diathermotomy) を可能にします。 46. 交流磁場への暴露 渦電流は、交流磁場の巨大な導電体で発生します。 これらの電流は、生体組織や器官を暖めるために使用できます。 この治療法である誘導温熱療法には、ジアテルミー法に比べて多くの利点があります。 誘導熱療法では、組織内で放出される熱の量は、周波数と交流磁場の誘導の二乗に比例し、抵抗率に反比例します。 したがって、血管の多い組織 (筋肉など) は脂肪組織よりも熱くなります。 渦電流による治療は、一般的なダーソンバリゼーションでも可能です。 この場合、患者はソレノイドケージに入れられ、そのターンにパルス状の高周波電流が流されます。 交流電場への暴露。 交流電界中の組織では、変位電流と伝導電流が発生します。 通常、この目的には超高周波電場が使用されるため、対応する理学療法法は UHF 療法と呼ばれます。 UHF デバイスでは 40,58 MHz の周波数を使用するのが通例であり、この周波数の電流では、身体の誘電体組織が導電体組織よりも集中的に加熱されます。 電磁波への暴露。 マイクロ波範囲の電磁波の使用に基づく理学療法は、波長に応じて、「マイクロ波療法」と「DCV療法」のXNUMXつの名前が付けられました。 現在、最も発展した理論は、生体に対するマイクロ波場の熱効果です。 電磁波は物質の分子を分極させ、電気双極子として定期的に再配向させます。 さらに、電磁波は生物系のイオンに影響を与え、交流伝導電流を引き起こします。 これらすべてが物質の加熱につながります。 電磁波は、水素結合を破壊し、DNA および RNA 高分子の配向に影響を与えることにより、生物学的プロセスに影響を与える可能性があります。 電磁波が体の領域に当たると、皮膚の表面で部分的に反射されます。 反射の程度は、空気と生体組織の誘電率の違いによって異なります。 生体組織への電磁波の浸透の深さは、これらの組織が波のエネルギーを吸収する能力に依存し、それは組織の構造（主に水分含有量）と電磁波の周波数の両方によって決まります。 したがって、理学療法で使用されるセンチメートル電磁波は、筋肉、皮膚、体液には約 2 cm の深さまで、脂肪や骨には約 10 cm まで浸透します。 組織の複雑な組成を考慮すると、マイクロ波療法の場合、電磁波の浸透の深さは体表面から3〜5cm、DCV療法の場合は最大9cmであると従来考えられています。 47. エレクトロニクス エレクトロニクスは、現在広く普及している概念です。 エレクトロニクスは主に物理学の成果に基づいています。 今日、電子機器がなければ、病気の診断も効果的な治療もできません。 「エレクトロニクス」という用語は、ほとんど恣意的なものです。 エレクトロニクスを科学と技術の分野として理解するのが最も正しいです。そこでは、電気真空、イオン、および半導体デバイス（デバイス）の作業と応用が考慮されます。 彼らは物理的電子工学、つまり物体の電気伝導性、接触、熱電子現象を考慮する物理学のセクションを選び出します。 テクニカルエレクトロニクスは、デバイスや装置のデバイス、およびそれらを含めるためのスキームを説明するセクションとして理解されています。 半導体エレクトロニクスとは、半導体デバイスなどを使用することを指します。 場合によっては、すべてのエレクトロニクスが XNUMX つの大きな分野に分けられることがあります。XNUMX つは真空エレクトロニクスであり、電気真空デバイス (真空管、光電子デバイス、X 線管、ガス放電デバイスなど) の作成と使用をカバーします。 ソリッドステートエレクトロニクス。集積回路を含む半導体デバイスの作成と使用をカバーします。 量子エレクトロニクスは、レーザーに関連するエレクトロニクスの特定の分野です。 エレクトロニクスは、科学技術のダイナミックな分野です。 新しい効果（現象）に基づいて、生物学や医学で使用されるものを含む電子デバイスが作成されます。 技術的（無線技術的または電子的）デバイスは、アップグレード、小型化などされています。ただし、これには困難が伴います。 したがって、たとえば、製品の寸法を小さくすると、その信頼性などが低下する可能性があります。 電子デバイスの小型化における大きな変化は、半導体ダイオードと三極管の導入でした。これにより、電子デバイスの密度を 2 cm3 あたり 1 ～ 3 素子にすることが可能になりました。 現在も発展途上にある電子機器の小型化の次の段階は、集積回路の作成です。 これは、すべての要素 (またはそれらの一部) が構造的に不可分に接続され、電気的に相互接続されている小型電子デバイスです。 集積回路には、主に半導体とフィルムの XNUMX 種類があります。 半導体集積回路は高純度の半導体から作られています。 熱、拡散、その他の処理によって半導体の結晶格子が変化し、その個々の領域が回路の異なる要素になります。 フィルム集積回路は、適切な基板上にさまざまな材料を真空蒸着することによって作成されます。 半導体回路とフィルム回路を組み合わせたハイブリッド集積回路も使用されます。 48. 医療用電子機器 電子機器の一般的な用途の XNUMX つは、病気の診断と治療に関連しています。 生物医学的問題を解決するための電子システムの使用の特徴と、対応する機器のデバイスを考慮する電子機器のセクションは、医療用電子機器と呼ばれます。 医療用電子機器は、物理学、数学、工学、医学、生物学、生理学、その他の科学からの情報に基づいており、生物学的および生理学的電子機器が含まれます。 現在、多くの伝統的な「非電気的」特性 (温度、体の変位、生化学的パラメーターなど) が測定中に測定され、電気信号に変換されています。 電気信号で表される情報は、距離を置いて便利に送信でき、確実に記録できます。 生物医学目的で使用される電子デバイスおよび装置の次の主なグループを区別できます。 1. 生物医学情報の受信 (スキーム)、送信、および登録のためのデバイス。 このような情報は、体内（生体組織、器官、システム）で発生するプロセスに関するものだけでなく、環境の状態（衛生および衛生目的）、プロテーゼなどで発生するプロセスに関するものでもあります。診断機器の大部分：心弾計、心音計など 2. 治療を目的として、さまざまな物理的要因 (超音波、電流、電磁場など) によって身体に投薬効果をもたらす電子機器: マイクロ波治療機器、電気外科機器、ペースメーカーなど。 3. サイバネティック電子機器デバイス: 1) 医学的および生物学的情報の処理、保存、および自動分析のための電子コンピュータ。 2) 生命過程を制御し、人間環境を自動的に調整するための装置。 3) 生物学的プロセスの電子モデルなど デバイスに関連する重要な課題の XNUMX つ 電子医療機器は、患者と医療従事者の両方にとっての電気的安全性です。 電気回路網や技術装置では、通常、電圧が設定されますが、電流、つまり単位時間あたりに生体内を流れる電荷は、体や器官に影響を与えます。 XNUMX回のタッチ（電極）の間の人体の抵抗は、内部の組織や器官の抵抗と皮膚の抵抗の合計です。 主な要件は、電圧がかかっている機器に触れないようにすることです。 これを行うには、まず、電圧がかかっているデバイスや機器の部品を互いに絶縁し、機器の本体から絶縁します。 49. 医療機器の信頼性はどのように確保されていますか 患者に適用された電極を使用して処置を行う場合、電気的に危険な状況を作り出すための多くのオプションを予測することは難しいため、この手順の指示から逸脱することなく明確に従う必要があります。 医療機器の信頼性。 医療機器は正常に機能しなければなりません。 製品が一定の使用条件下で故障せず、一定期間その機能を維持できることを総称して「信頼性」といいます。 医療機器の場合、機器や装置の故障は経済的損失だけでなく患者の死につながる可能性があるため、信頼性の問題は特に重要です。 機器が故障せずに動作するかどうかは多くの要因に依存しますが、その影響を考慮することはほとんど不可能であるため、信頼性の定量的評価は本質的に確率論的になります。 たとえば、重要なパラメータは、故障のない動作の確率です。 これは、テストされた製品の総数に対する、一定期間にわたって正常に動作した (損傷していない) 製品の数の比率によって実験的に推定されます。 この特性は、特定の時間間隔内で操作性を維持する製品の能力を評価します。 信頼性を示すもう XNUMX つの定量的な指標は故障率です。 動作中の故障によって起こり得る結果に応じて、医療機器は XNUMX つのクラスに分類されます。 A - 製品の故障は、患者または職員の生命に差し迫った危険をもたらします。 このクラスの製品には、患者の生命機能を監視するためのデバイス、人工呼吸、および循環器が含まれます。 B - 障害が身体または環境の状態に関する情報の歪みを引き起こし、患者または職員の生命に差し迫った危険をもたらさない製品、または同様の装置の即時使用を必要とする製品機能をスタンバイモードにします。 これらの製品には、患者を監視するシステム、心臓活動を刺激するためのデバイスが含まれます。 B - 製品の故障により、有効性が低下したり、重要でない状況での治療および診断プロセスが遅延したり、医療担当者やメンテナンス担当者の負担が増加したり、物的損害のみにつながる製品。 このクラスには、ほとんどの診断および理学療法機器、ツールなどが含まれます。 G - フェールセーフ部品を含まない製品。 電気医療機器はこのクラスに属しません。 50. 医学・生体情報取得システム 生物医学研究には、欠落している情報の取得と記録が含まれます。 医療生物学システムの状態とパラメータに関する情報を取得して記録するには、一連のデバイスが必要です。 このセットの主要な要素、つまりピックアップ デバイスと呼ばれる測定器の高感度要素は、確実にシステム自体と接触または相互作用します。 医用電子機器では、感知素子は電気信号を直接出力するか、生体系の影響下でそのような信号を変化させます。 ピックアップ デバイスは、生物医学的および生理学的コンテンツの情報を電子デバイスの信号に変換します。 医療用電子機器で使用されるピックアップ デバイスには、電極とセンサーの XNUMX 種類があります。 電極は、測定回路を生体系に接続する特別な形状の導体です。 診断の際、電極は電気信号を取得するためだけでなく、外部電磁効果をもたらすためにも使用されます (レオグラフィーなど)。 医療では、電極は治療や電気刺激の目的で電磁効果を提供するためにも使用されます。 多くの医学的および生物学的特性は、生体電気信号によって反映されないため、電極で「記録」することはできません: 血圧、体温、心音、その他多数。 生体情報が電気信号に関連付けられている場合もあり、このような場合はセンサー (測定トランスデューサ) が使用されます。 センサーは、測定値または制御値を、送信、さらなる変換、または登録に便利な信号に変換するデバイスです。 センサーは、ジェネレーターとパラメトリックに分けられます。 発電機 - これらは、測定信号の影響下で、電圧または電流を直接生成するセンサーです。 これらのタイプのセンサーには次のものがあります。 1) 圧電; 2) 熱電; 3) 誘導; 4) 太陽光発電。 パラメトリック センサーは、測定信号の影響下で一部のパラメーターが変化するセンサーです。 これらのセンサーには次のものがあります。 1) 容量性; 2) レオスタティック; 3) 誘導性。 情報のキャリアであるエネルギーに応じて、機械、音響 (音)、温度、電気、光学などのセンサーがあります。 生体電位は、多くの病気の重要な診断指標です。 したがって、これらの電位を正しく登録し、必要な医療情報を抽出することが非常に重要です。 51. アンプオシレーター 電気信号の増幅器、または電子増幅器は、DC 電圧源のエネルギーをさまざまな形の電磁振動のエネルギーに変換するデバイスです。 動作原理によれば、自己励磁型発電機と外部励磁型発電機が区別されます。これらは本質的に高周波電力増幅器です。 ジェネレーターは、振動の周波数とパワーによって細分化されます。 医学では、電子発電機には XNUMX つの主な用途があります。 電子刺激装置; レオグラフなどの個別の診断装置で。 すべての発生器は低周波と高周波に分かれています。 医療機器 - 高調波およびパルス低周波電磁振動の発生器は、電子刺激装置 (電気刺激装置) と理学療法装置という、明確に区別することが難しい XNUMX つの大きなグループの装置を組み合わせたものです。 低周波数では、電流の熱的効果ではなく特定の効果が最も顕著になります。 電気治療は何らかの刺激を与えるという性質があるため、「治療器」と「電気刺激器」という概念の間には一種の混同が生じます。 電気刺激装置は、静止型、ウェアラブル型、埋め込み型（埋め込み型）に分けられます。 ウェアラブルでしばしば植込み型のペースメーカーは、EKSR-01植込み型高周波ペースメーカーです。 受信機は外部送信機から無線信号を受信します。 これらの信号は、埋め込み可能な部分によって患者の体内で認識され、電極を介してインパルスの形で心臓に送信されます。 電気刺激のための技術的装置はまた、生物学的システムに電気信号を供給するための電極を含む。 多くの場合、電気刺激は、心電図検査用の電極のように人体に適用されるプレート電極によって実行されます。 電磁振動や電磁波の発生装置である医療機器の大規模なグループは、超音波、高周波、超高周波の範囲で動作し、総称して「高周波電子機器」と呼ばれます。 UHF 療法では、体の加熱する部分を、絶縁層で覆われた円盤状の金属電極の間に置きます。 電磁波にさらされると、これらの波のエミッターが身体に近づきます。 その他の理学療法装置には次のものがあります。 1）装置「Iskra-1」-パルスモードで動作し、局所的なダーソンバリゼーションに使用される高周波発生器。 2) 4 MHz の周波数で動作するインダクトサーミー用装置 IKV-13,56。 3）UHF療法用の携帯機器 - UHF-66; 4）マイクロ波治療装置「Luch-58」。 電気手術装置（高周波手術）は、高周波電子医療機器とも呼ばれます。 52. 光学 光学は、光の放射、吸収、伝播の法則を扱う物理の一分野です。 光の直進の法則。 透明で均質な媒質中の光は、直進します。 光ビームは、直線で伝搬する無限に細い光ビームであり、これは光エネルギーの伝搬方向を示す線です。 フラットミラー。 入射平行光線が平面からの反射後も平行のままである場合、そのような反射は鏡面反射と呼ばれ、反射面は平面鏡です。 光の屈折の法則。 入射光線と屈折光線、および入射点での媒体間の界面の法線は、同じ平面にあります。 sinα/sinβ=n、 ここで、α は入射ビームと法線の間の角度です。 β は、屈折したビームと法線の間の角度です。 絶対および相対屈折率。 光の相対屈折率 n = n1/ NS2, ここでn1 そしてn2 -真空中の光速と媒体中の光速の比に等しい、XNUMXつの媒体の絶対屈折率： n=c/v1、n2=c/v2 プリズム内の光線の進路。 光の屈折の法則により、さまざまな光学デバイス、特に三角プリズムの光線の進路を計算できます。 全ビームたわみ d = a1 + B2 ×ｗ、 w=b1 + a2. w が小さい場合、次のようになります。 d = (n-1) h w、 ここで、nはプリズム材料の屈折率です。 全反射の現象。 ビームが光学的に密度の高い (屈折率が高い) 媒体から光学的に密度の低い媒体に移動する場合、次のようになります。  入射角 a0 の特定の値で、屈折ビームは媒質間の界面に沿って滑ります。 и β = n/2 の場合、sinα0 =n1/ NS2 53. 波動光学 光の波動特性。 光は、人間の目によって知覚される周波数範囲 13 x 1014-8 x h 1014 Hz の電磁波です。つまり、波長は 380 x 770 nm です。 光は、反射、屈折、干渉、回折、偏光など、電磁波のすべての特性を備えています。 光の電磁的な性質。 XNUMX 世紀半ばまで、光の性質の問題は実質的に未解決のままでした。 これに対する答えは、電磁場の一般法則を実証した J. マクスウェルによって発見されました。 J. マクスウェルの理論から、光は特定の範囲の電磁波であると結論づけられました。 均一媒質における光の速度。 光の速度は、媒体の電気的および磁気的特性によって決まります。 これは、真空中の光の速度と電気力学定数の一致によって確認されます。  (ε0 - 電気定数、m0 は磁気定数です)。 知られているように、均一な媒体内の光の速度は、媒体の屈折率 n によって決まります。物質内の光の速度は次のとおりです。 ν=c/n ここで、c は真空中の光速です。 マクスウェルの理論から次のようになります。  すなわち、媒体の屈折率とその結果としての速度は、媒体の誘電率と透磁率によって決まります。  干渉とは、XNUMX つ以上のソースからの波の追加であり、追加の結果として、強度の重ね合わせの原則が破られます。 電磁波のエネルギー密度は波の振幅の二乗に比例し、人間の目が照明として評価する光波の強度を決定します。 光の回折は、障害物の端付近を通過するときに光が直線方向からずれる現象です。 波の回折は、不均一な媒質内を波が通過する際に観察される一連の現象であり、元の直線伝搬からの波の逸脱につながります。 ホイヘンス・フレネルの原理。 波が特定の瞬間に到達した表面の各点は、コヒーレントな二次球面波の点源として機能します。いつでも波面は二次波の単なるエンベロープではなく、それらの干渉の結果です。 フレネルゾーン方式。 均一で等方性の媒質内の点源の場合、波面は球形になります。 フレネルは、波面をフレネル ゾーンと呼ばれる別々のセクションに分割することを提案しました。これにより、XNUMX つの隣接するゾーンから観測点に来る振動が追加されたときに互いに相殺されます。 54. 偏光 光は横電磁波です。 光の偏光は、光ビームに垂直な平面内での光波の電界および磁界の強さのベクトルの向きの順序です。 自然光（太陽光、白熱灯）は偏光していません。つまり、光線に垂直な電気ベクトルと磁気ベクトルの振動のすべての方向が等しいです。 偏光子と呼ばれるデバイスがあり、電気ベクトル E の一方向の振動で光線を通過させる能力があるため、偏光子の出力では光は平面 (直線) 偏光になります。 検光子と偏光子の方向間の任意の角度 a では、検光子から発せられる光振動の振幅は次と等しくなります。 Ea = En cos a、 ここで、En は偏光子の出力における振動の振幅です。 電磁波では、エネルギー密度 (強度) は振動振幅 E の XNUMX 乗に比例します。n -E2n そして私a -E2a. これに基づいて、次のようになります。 Ia = In cos2 この関係はマルスの法則と呼ばれます。 光の偏光度 (最大および最小) は、アナライザーを透過した部分偏光の強度に等しくなります。 分極は XNUMX つの等方性誘電体の境界でも発生します。 入射光が自然光の場合、屈折光線と反射光線は部分的に偏光しており、屈折波の電気ベクトルの振動の主な方向は入射面内にあり、反射光線は入射面に対して垂直です。 偏光度は、最初の媒質に対する XNUMX 番目の媒質の屈折率によって決まります。 n21 =n2/n1 また、入射角 a では、さらに、入射角 ab で、tg aБ =n21 (ブリュースターの法則)、反射ビームはほぼ完全に偏光され、屈折ビームの偏光度は最大になります。 複屈折とは、一部の物質、特に結晶が入射光線を XNUMX つの光線 (常光線 (O) と異常光線 (E)) に分割する能力であり、これらの光線は異なる位相速度で異なる方向に伝播し、互いに垂直な面で偏光します。 光が光学活性と呼ばれるいくつかの物質を通過するとき、光の偏光面はビームの方向を中心に回転します。 偏光面の回転角 f は、光学活性物質内で光が移動した経路 I に比例します。 ここで、a はプロパティに応じた回転定数です。 f = ai、 光の物質と波長  55.目の光学系とその特徴のいくつか 人間の目は、光学の特別な場所を占める一種の光学デバイスです。 医師にとって、目は機能障害や病気の可能性がある器官であるだけでなく、いくつかの非眼疾患に関する情報源でもあります。 人間の目の構造について簡単に説明しましょう。 目自体は眼球であり、不規則な球形をしています。 目の壁は、同心円状に位置する外側、中央、内側の XNUMX つの膜で構成されています。 目の前部にある外側のタンパク質膜である強膜は、透明な凸面の角膜である角膜に変わります。 光学特性の観点から見ると、角膜は目の中で最も屈折力の強い部分です。 それは光線が目に入る窓のようなものです。 角膜の外層は結膜と結合し、まぶたに取り付けられています。 強膜の隣には脈絡膜があり、その内面は目の中の光の内部散乱を防ぐ暗い色素細胞の層で覆われています。 目の前部では、脈絡膜が虹彩に入り、そこに丸い穴、つまり瞳孔があります。 目の内側の瞳孔に直接隣接しているのはレンズです。これは両凸レンズに似た、透明で弾性のある本体です。 レンズの直径は 8 ～ 10 mm、前面の曲率半径は平均 10 mm、後面は 6 mm です。 レンズ物質の屈折率はわずかに高く、11,4です。 レンズの構造はタマネギの層構造に似ており、各層の屈折率は同じではありません。 眼の前房は角膜と水晶体の間に位置しており、光学特性が水に似た液体である水分で満たされています。 水晶体から後壁までの目の内部全体は、硝子体と呼ばれる透明なゼラチン状の物質で占められています。 硝子体液の屈折率は房水の屈折率と同じです。 上記の目の要素は、主にその光伝導装置に関連しています。 視神経は後壁を通って眼球に入ります。 分岐すると、それは目の最内層、つまり目の光を知覚（受容）する装置である網膜に入ります。 網膜はいくつかの層で構成されており、厚さと光に対する感受性が異なり、周縁部の形状が異なる光感受性の視細胞が含まれています。 視神経の入り口には光を感知しない盲点があります。 目は、角膜、前房液、水晶体 (XNUMX つの屈折面) によって形成され、前方は空気環境によって制限され、後方は硝子体によって制限される中心光学系として表すことができます。 主光軸は、角膜、瞳孔、および水晶体の幾何学的中心を通過します。 さらに、目の視軸も区別されます。これは、最大の光感受性の方向を決定し、レンズと黄斑の中心を通過します。 56. 身体の熱放射 人間の目に見えるか見えないかを問わず、あらゆる種類の電磁放射のうち、すべての体に固有のものを区別できます。 これは、加熱された物体の放射、または熱放射です。 熱放射中、電磁波の放出と吸収により、エネルギーはある物体から別の物体に伝達されます。 加熱された物体の熱放射はあらゆる温度で発生するため、すべての物体から放出されます。 平衡（黒色）放射線は、特定の温度を有する物体と熱力学的平衡にある放射線です。 完全に黒い物体は、物体の温度に関係なく、その表面に入射する電磁放射を完全に吸収する物体です。 完全な黒体の場合、吸収容量 (吸収されたエネルギーと入射放射線のエネルギーの比率) は XNUMX に等しくなります。 その特性によると、そのような放射は、黒体の放射率とエネルギー輝度を決定するプランクの放射の法則に従います。 彼は仮説を立てました。そこから、黒体はエネルギーを連続的にではなく、特定の部分で量子的に放射および吸収することがわかりました。 キルヒゴールの法則は、黒色の物体を含むあらゆる物体の単色光吸収係数と同じエネルギー視度密度における放射線と吸収との定量的な関係を確立します。 キルヒゴールの法則は、同じ温度と周波数の値における、物体の放射率 r と絶対黒体の吸収能力 f(w, T) の比を確立します。  ここで、w は波の周波数です。 ステファン・ボルツマンの法則: 黒体のエネルギー積分光度 R (T) は、絶対温度の XNUMX 乗に比例します。 R(T) = QT4. ステファン・ボルツマン定数と呼ばれる定数 Q の数値は、次のとおりです。  Vip の変位法則 - 完全な黒体の最大放射エネルギーを説明する長さ lm は、絶対温度 T に反比例します。 Wiepの定数の値は2,898×10-3 μK。 μK は Wip の定数です。 この法則は灰色の体にも当てはまります。 Vip の法則の現れは日常の観察から知られています。 室温では、物体の熱放射は主に赤外線領域にあり、人間の目では認識されません。 温度が上昇すると、体は濃い赤色の光で輝き始め、非常に高い温度では青みがかった白になり、体が加熱されている感覚が増加します。 著者: Podkolzina V.A.
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