ТМД 2026-1sem_глава1

1. Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий

1
Технические методы
диагностических исследований и
лечебных воздействий
Доцент, к.ф.-м.н.
Анцыгин
Игорь Николаевич
РГР - 1
Коллоквиум– 1
Экзамен – 1

2. Место ТМД в медико-биологических исследованиях

Место ТМД в медикобиологических исследованиях
• Триада
БО – Биологический объект
МО – Методическое обеспечение
ТС – Технические средства
Свойства БО, влияющие
на МО и ТС:
БО
МО
ТС
• Сложность
• Индивидуальность
• Изменчивость
• Зависимость от среды
• Нелинейность связей
2

3. 1. Объект диагностических исследований

1.1. Общие определения и характеристики
биообъекта
• Структурная организация
• Особенности функционирования
• Эволюционный аспект
1.1.1. Структурная организация биообъекта
➢Биологический организм
➢Биосистема
Клетки
Биологические ткани
Органы
Функциональные системы
3

4. 1.1.2. Особенности функционирования организмов

Цель
1. Иерархическая организация подсистем управления
2. Пространственная шкала существования организма
3. Принцип последовательности уровней
4. Разветвленная рецепторная система и многочисленность
эффекторных связей
5. Функциональный уровень организма
6. Принцип наименьшего взаимодействия
7. Принцип поддержания постоянства внутренней среды
8. Работа отдельных систем есть результат деятельности всех
подсистем организма
9. Взаимодействие центральных и локальных механизмов
регуляции
10. Различные пути передачи регулирующего фактора
11. Временная шкала существования организма
12. Различие принципов управления
13. Способность к перенастройке и прогнозированию ситуации
14. Способность организма к обучению
15. Индивидуальный характер проявления
4

5. 1.1.3. Эволюционный аспект развития биосистем

1. Организм как открытая система
2. Адаптация к внешней среде
3. Рост эффективности использования энергии
4. Механизмы преобразования энергии
5. Внутренняя среда
6. Системы регулирования внутренней среды
7. Разветвленная рецепторная подсистема
8. Формирование нервной системы
9. Развитие нервной системы
10. Возникновение специализированной
управленческой системы
11. Совершенствование системы управления
12. Взаимозаменяемость и «перестраховка»
5

6. 1.2. Энергетическая сторона функционирования биообъекта

1. Куда тратится энергия
2. Количественные оценки затрат
энергии
3. Источники энергии в организме
4. Связь энергетического и
управляющего компонентов
биосистемы
6

7. Связь энергетического и управляющего компонентов биосистемы

Энергия расходуется не только на синтез соединений …
но и на обеспечение работоспособности системы управления
Поэтому изображение биологической
системы в виде двух
взаимодействующих компонент энергетической и управляющей
(рис. 1.1) — представляется достаточно
убедительной основой для системного
анализа структуры биосистем
Управляющая
компонента –
• рецепторная,
• рефлексивная,
• эффекторная
подсистемы
Энергетическая
компонента –
метаболическая
подсистема
Рис. 1.1 Двухкомпонентная структура биосистемы
Таким образом, по существу, организм
является открытой метаболической
системой, обменивающейся с
окружающей средой энергией,
веществами, информацией.
7

8. 1.3. Особенность биообъектов как объектов исследования

1. Морфологическая и функциональная сложность
2. Вероятностный характер поведения
3. Временная нестационарность
4. Равновесное состояние при разных показателях
5. Отсутствие математической модели
6. Качественная неоднородность
7. Патологические явления
8. Межгрупповая изменчивость
9. Статистический подход
10. Зависимость от внешних условий
11. Влияние измерительных устройств
12. Особенности сигнала
8

9. 1.4. Общая характеристика физических параметров биологического организма

Вокруг и внутри биологического объекта при его жизнедеятельности всегда имеются
физические поля. Их распределение в пространстве и изменение во времени несут важную
информацию о состоянии биологического организма.
0,45
8
h
( , T ) = 3 2 h / KT
c
e
−1
где ρ(v, Т) — спектральная
плотность излучения в
интервале частот от v до v+dv
0,40
объемная плотность излучения
Известно, что любые тела,
температура которых не равна
абсолютному нулю, излучают
электромагнитные волны всех
длин. Интенсивность этого
излучения характеризуется
законом Планка - законом
распределения энергии в спектре
равновесного излучения при
определенной температуре
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
10
20
30
40
50
Длина волны, мкм
Рис. 1.2 Планковский спектр при 310 К
9

10. Шкала ЭМ волн

Длина
более 100 км
100 км - 1 мм
100-10 км
10 - 1 км
1 км - 100 м
100 - 10 м
10 - 1 м
1 м - 10 см
10 - 1 см
1 см - 1 мм
1 - 0.1 мм
2 мм - 760 нм
760 - 380 нм
380 - 3 нм
Название
Низкочастотные
электрические колебания
Радиоволны
мириаметровые (очень
низкие частоты)
километровые (низкие
частоты)
гектометровые (средние
частоты)
декаметровые (высокие
частоты)
метровые (очень высокие
частоты)
дециметровые
(ультравысокие)
сантиметровые
(сверхвысокие)
миллиметровые (крайне
высокие)
децимиллиметровые
(гипервысокие)
Инфракрасное излучение
Видимое излучение
(оптический спектр)
Ультрафиолетовое
излучение
10 нм - 1пм
Рентгеновское излучение
<=10 пм
Гамма-излучение
Частота
0-3 кГц
Шкала ЭМ волн
3 кГц - 3 ТГц
3 - 3-кГц
30 - 300 кГц
300 кГц - 3
МГц
3 - 30 МГц
30 - 300МГц
300 МГц - 3
ГГц
3 - 30 ГГц
30 - 300 ГГц
300 ГГц - 3
ТГц
150 ГГц 400 ТГц
400 - 800
ТГц
800 ТГц 100 ПГц
30 ПГц - 300
ЭГц
>=30 ЭГц
Энергия
1,6 – 3,3 эВ
3 – 124 эВ
124 эВ – 1,24 МэВ
> 0,124 МэВ
10

11. Биообъект и физические поля

• Электромагнитное излучение
• Акустические колебания
• Электрические поля
• Магнитные поля
• Инфракрасный диапазон
• Радиодиапазон СВЧ
• Радиодиапазон КВЧ
• Оптический диапазон
Измеряемые биофизические характеристики при исследовании
биотканей:
• пассивные электрические свойства тканей
• активные электромагнитные характеристики органов, тканей клеток
• пассивные оптические свойства тканей
• пассивные магнитные свойства биологических тканей
• механические свойства тканей
• параметры, характеризующие подвижность органов и частей тела
• пассивные акустические свойства и акустические излучения организма
• пассивные теплофизические свойства
• биофизические параметры дыхания
11

12. Физические явления, применяемые для получения биофизических характеристик

• прямой и обратный пьезоэффекты
• эффект Холла
• эффект Ганна
• эффект Кикоина-Носкова
• эффект Керра
• эффект Коттона-Мутона
• эффект Фарадея
• эффект Зеебека
• эффект Зеемана
• эффект сцинтилляции
• эффект фотопроводимости
• фотомеханический эффект
• эффект Вавилова-Черенкова
• сверхпроводимость
12

13. 1.5. Основные подходы к получению информации о биообъектах с помощью технических средств

Функциональная диагностика
Анализ функции при покое и нагрузке
Аппаратурное
обеспечение
Определение состояния функции
Характеристика покоя
Анализ выделений
и субстанций
Технические аспекты
Анализ изменения свойств
Приборная реализация
Выбор нагрузки
Проблемы шумов и наводок
Унификация параметров
Приборы качественной оценки
13