Тіманюк В.О., Животова О.М. Біофізика

Подождите немного. Документ загружается.

181

застосовується в радіотерапії пухлин, так як забезпечує захист тільки

здорових клітин, але не пухлинних. Багато радіопротекторів підсилюють

репараційні процеси в клітині, або подовжують такий стан клітини, в

якому її репараційні системи найбільш активні й ефективні.

Дія радіосенсибілізаторів заснована на їхній здатності підсилювати

активність малоактивних вільних радикалів, інгібірувати ферменти,

зокрема ті, що володіють репараційними властивостями, інак тивірувати

нативні радіопротектори або конкурувати з тими з них, які здатні пере-

хопити вільний радикал, а також на ряді інших механізмів.

У медичній практиці широко використовуються сенсибіліза-

тори, що вибірково збільшують чутливість до опромінення тільки

пухлинних клітин, наприклад, бутионінсульфоксимін, діетилма-

леат (знижують вміст сульфгідрильних сполук), мізонидазол або

1F(2FнітроF1Fімідазоліл)F3FметоксиF2Fпропано (знижує активність ре-

параційних систем).

Ефективність модифікаторів (радіопротекторів або радіосенсибілі-

заторів) оцінюють по фактору зміни дози К:

де D — доза випромінювання, що обумовлює

деякий прояв певного біологічного ефекту,

— доза, що викликає такий же прояв біо-

ефекту, але в присутності модифікатора. Для

радіопротекторів К < 1, для радіосенсибіліза-

торів К > 1. К залежить від самої дози, стану

клітини і ряду інших факторів.

§ 52. Іонізуюче випромінювання в медицині

Рентгенівське і γFвипромінювання ши-

роко застосовуються в медичній діагностиці

для інтероскопії

організму. Найбільш відо-

мим із інтероскопічних методів є рентгенодіагностика, що підрозділяєть-

ся на рентгеноскопію (зображення розглядається на люмінесціючому

екрані) і рентгенографію (зображення фіксується на фотоплівці). Для

одержання більш яскравого зображення потрібно посилення інтен-

сивності рентгенівського опромінення, що негативно виявляється

на здоров’ї пацієнта. Тому в рентгенології за стосовується цілий ряд

технічних засобів для поліпшення якості зо браження при малих інтен-

сивностях опромінення.

Для того, щоб досліджуваний орган або група органів були чітко

видні на рентгенограмі, необхідно, щоб його коефіцієнт поглинання

Рис. 9.12. Залежність вижива-

ності клітин від дози в напівло-

гарифмічній системі координат

у випадку, коли загибель клітини

визначається поразкою кількості

мішеней l.

182

рентгенівських променів відрізнявся від коефіцієнтів поглинання

інших тканин. Для діагностичних цілей звичайно застосовують випро-

мінювання λ = (1–2)·10

–11

м, для якого масовий коефіцієнт ослаблення

визначається за формулою

= kλ

, (9.4)

де k — коефіцієнт пропорційності; Z — заряд ядра речовиниFвби рача.

Останнім часом отримав широкого поширення метод комп’ютерної

томографії, який дозволяє за допомогою просвічування тонкими рен-

тгенівськими променями одержувати зображення не цілого об’єму

тканини, а тільки її тонких шарів товщиною 3–5 мм. Цей метод володіє

значно більш високою чутливістю в порівнянні з традиційними рент-

генодіагностичними методами, тому що дозволяє визначити різницю

в поглинанні випромінювання тканиною до 0,1%.

Зображення внутрішніх органів можна одержувати також, викорис-

товуючи радіонуклідний метод діагностики. Відомо, що деякі хімічні

елементи і сполуки мають спроможність вибірково накопичуватися в

якомусь органі або тканині. Якщо в цю сполуку (радіофармпрепарат)

додати радіоактивний ізотоп і ввести пацієнту, то, дочекавшись розподі-

лу препарату в організмі, можна за допомогою спеціальних приладів

(наприклад, сцинтиграфів) визначити ви промінювання ізотопу в різних

ділянках тіла. Природно, що в областях, де концентрація препарату

більша, випромінювання буде сильнішим.

Для дослідження, наприклад, щитовидної залози пацієнту вводять

радіоактивні ізотопи

123

I, печінки — фарбу бенгалFроз, позначену

131

кісткової тканини — фосфатний комплекс, мічений

Тс .

Даний метод дозволяє визначити розміри й обриси органа, а за не-

однорідностями розподілу введених радіофармпрепаратів судити про

деякі захворювання, наприклад, цироз печінки, гепатит, остеопороз,

онкозахворювання, визначати наявність і розташування метастаз.

При розробленні нових радіофармпрепаратів необхідно прагнути до

того, щоб ізотоп володів як можна меншим періодом піврозпаду, щоб

уникнути зайвого опромінення організму.

Радіоізотопи використовуються також для визначення незначних кон-

центрацій у крові деяких речовин, наприклад, гормонів, коли звичайні

хімічні методи виявляються неефективними. Суть даного методу, який

називається радіоімунологічним, у наступному.

За допомогою спеціальних методів імунології для визначуваної ре-

човини (антигену) одержують антитіла, здатні зв’язуватися саме з ним.

Інтероскопія (від лат. interior – усередині і гр. skopeo – дивитися) – сукупність методів,

що дозволяють досліджувати внутрішню структуру біологічних об’єктів, не порушуючи

їхньої цілісності.

183

Далі в пробірці змішують антитіла, антигени, позначені якимFнебудь

радіоактивним ізотопом і кров пацієнта, що припусково містить ці

антигени (немічені). Антитіла й антигени, зв’язуючись одні з одними,

утворюють комплекси, які відокремлюють центрифугуванням. Чим

вища була концентрація антигену в крові, тим більше антитіл зв’яжеться

з антигенами пацієнта і менше — із міченими антигенами. Якщо ж

антиген у крові цілком був відсутнім, то утворяться комплекси тільки

з міченими антигенами. По радіоактивності осаду при відомому об’ємі

крові, взятої для аналізу, ви значають концентрацію антигену в крові.

Радіоімунологічний метод дозволяє діагностувати на ранніх стадіях

цілий ряд захворювань, стежити за нормальним протіканням вагітності

і розвитком плоду, робить неоціненну допомогу в наукових досліджен-

нях.

РентгеноF і γFтерапію широко використовують для лікування онко-

логічних захворювань. В основі методу лежить той факт, що найбільшою

чутливістю до опромінення володіють ті клітини, що активно діляться.

Тому дія іонізуючого випромінювання викликає переважну загибель

саме ракових клітин.

Приклади розв’язання задач

Задача 9.1. Для рентгенологічного дослідження шлунка пацієнт

прийняв розчин сульфату барію (ВаSO

). У скільки разів поглинання

рентгенівського випромінювання шлунком вище, ніж навколишніми

м’якими тканинами (Н

О)? Вважати, що поглинання рентге нівського

випромінювання даним атомом не залежить від того, в якій сполуці цей

атом знаходиться.

Розв’язання. Відповідно до (9.4), відношення коефіцієнтів погли-

нання сульфату барію і води складає:

≈ 354,

де n — число атомів даного елемента в сполуці; Z — заряд ядра даного

атома.

Тобто шлунок поглинає в 354 рази більше, ніж навколишні м’які

тканини.

Питання тестового контролю

9.1. Енергія мікрохвильового випромінювання достатня для:

а) збудження атомів, але не їхньої іонізації;

б) збудження й іонізації атомів;

в) переважно іонізації атомів;

184

г) не викликає ні того, ні іншого.

9.2. Деформаційною поляризацією називається явище, при якому:

а) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушуються

по напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний бік;

б) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність електрич-

ного поля, в електричному полі вишиковуються по напрямку поля;

в) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушують-

ся проти напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний

бік;

г) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність елект-

ричного поля, в електричному полі вишиковуються перпендикулярно

напрямку поля.

9.3. Орієнтаційною поляризацією називається явище, при якому:

а) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушуються

по напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний бік;

б) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність електрич-

ного поля, в електричному полі вишиковуються по напрямку поля;

в) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушують-

ся проти напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний

бік;

г) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність елект-

ричного поля, в електричному полі вишиковуються перпендикулярно

напрямку поля.

9.4. Глибиною проникнення електромагнітного випромінювання в

тканині називається відстань, на якій:

а) потужність падаючої енергії збільшується в е раз;

б) довжина хвилі випромінювання збільшується в е раз;

в) потужність падаючої енергії зменшується в е раз;

г) довжина хвилі випромінювання зменшується в е раз;

д) довжина хвилі випромінювання зменшується в 10 раз.

9.5. Для збудження атомів необхідно, щоб:

а) енергія випромінювання була набагато менша різниці енергій між

двома електронними рівнями;

б) енергія випромінювання приблизно дорівнювала різниці енергій

між двома електронними рівнями;

в) енергія випромінювання набагато перевищувала різницю енергій

між двома електронними рівнями;

г) потужність випромінювання перевищувала 1 Вт/м

;

д) потужність випромінювання була менша, ніж 1 Вт/м

9.6. Довжина хвилі, на яку приходиться максимум поглинання даної

речовини, залежить від кількості сполучених подвійних зв’язків N у

молекулі в такий спосіб:

185

а)

б)

в)

г)

д)

9.7. Енергія випромінювання оптичного діапазону (крім далекого

ультрафіолету), як правило, достатня для:

а) збудження атомів, але не їхньої іонізації;

б) збудження й іонізації атомів;

в) переважно іонізації атомів;

г) не викликає ні того, ні іншого.

9.8. Глибина проникнення ультрафіолетового випромінювання

складає порядку:

а) 1 мкм;

б) 0,1 мм;

в) 1 мм;

г) 1 см;

д) 1 м.

9.9. Основний внесок у фотопошкодження білків вносять:

а) заряджені амінокислоти;

б) полярні амінокислоти;

в) гідрофільні амінокислоти;

г) аліфатичні амінокислоти;

д) ароматичні амінокислоти.

9.10. Максимум поглинання ДНК приходиться на довжину хвилі:

а) 260 нм;

б) 350 нм;

в) 400 нм;

г) 1000 нм;

д) 1 см.

9.11. Іонізуюче випромінювання включає:

а) випромінювання радіодіапазону й інфрачервоне випромінюван-

ня;

б) далеку область ультрафіолетового випромінювання, рентге нівське

186

і γFвипромінювання;

в) випромінювання радіодіапазону й ультрафіолетове випроміню-

вання;

г) рентгенівське і γFвипромінювання;

д) інфрачервоне, видиме й ультрафіолетове випромінювання.

9.12. Іонізуюче випромінювання викликає:

а) збудження атомів, але не їхню іонізацію;

б) збудження й іонізацію атомів;

в) переважно іонізацію атомів;

г) не викликає ні того, ні іншого.

9.13. Радіопротектори:

а) зменшують нагрівання тканини при опроміненні хвилями радіо-

частотного діапазону;

б) збільшують нагрівання тканини при опроміненні хвилями радіо-

частотного діапазону;

в) збільшують радіобіологічний ефект при опроміненні іонізуючим

випромінюванням;

г) послабляють радіобіологічний ефект при опроміненні іонізуючим

випромінюванням;

д) сприяють збільшенню контрастності рентгенівських знімків.

9.14. Масовий коефіцієнт ослаблення випромінювання хвиль дов-

жиною λ = (1–2)·10

–11

м пропорційний:

а) λ

;

б)

в) λ

;

г)

д)

187

188

Розділ 10. ВЛАСНІ ФІЗИЧНІ ПОЛЯ ЛЮДИНИ

Процеси, що відбуваються в живому організмі, створюють фізичні

поля: електромагнітні й акустичні. Джерелом електромагнітного вип-

ромінювання є електрична активність органів, тертя одягу об тіло, акус-

тичних — биття серця, течія крові по судинах, випромінювання з вуха

людини (так зване кохлеарне випромінювання), тепловий рух атомів і

молекул (що створює акустичне випромінювання мегагерцевого діапа-

зону) та ін. Діапазон довжин хвиль електромаг нітного випромінювання

тіла людини складає від 60 см (радіодіапазон) до 0,5 мкм (оптичний діа-

пазон), діапазон акустичного ви промінювання — від 0,01 Гц (інфразвук)

до 10 МГц (ультразвук).

Ці поля, а також їхня зміна в часі, дозволяють одержати інформа-

цію про фізіологічні процеси в організмі. У медичній практиці широ-

ко використовуються з діагностичною метою електрокардіо графія й

електроенцефалографія (методи виміру електричної активності серця

і мозку), теплобачення (одержання температурних карт ділянок тіла) і

багато інших методів.

§ 53. Електричні і магнітні поля людини.

Фізичні основи електрокардіографії

Кожна клітина організму має електричний потенціал. Потенціал де-

яких із них (наприклад, нервових і м’язових) змінюється в часі, у зв’язку

з чим змінюється і потенціал цілих органів і тканин. Залежність елек-

тричного потенціалу якогось органа або тканини від часу називається

електрограмою, а діагностичний метод дослідження — електрографією.

Електрографічний метод застосовують для клінічної діагностики за-

хворювань цілого ряду органів — серця (електрокардіографія), м’язів

(електроміографія), головного мозку (електроенцефалографія), сітківки

ока (електроретинографія) та ін.

Для виміру різниці потенціалів між якимись двома точками органа

можна безпосередньо прикласти до них електроди. Однак такий прямий

метод електрографії на практиці майже не використовується. Різниця

потенціалів вимірюється на поверхні тіла, а вся сукупність клітин до-

сліджуваного органа (через неможливість математичного опису зміни

в просторі і часі електричного потенціалу кожного окремого волокна)

представляється у вигляді моделі еквівалентного генератора, який

створює такий же електричний потенціал на поверхні тіла, як і даний

орган.

189

В електрографії існують дві задачі: пряма

— визначення електричного потенціалу на

поверхні тіла по відомих характеристиках екві-

валентного генератора і зворотна — визначен-

ня характеристик еквівалентного генератора

(тобто досліджуваного органа) по електрич-

ному потенціалу, створеному ним на поверхні

тіла. Вирішення останньої задачі потрібно для

діагностики ряду захворювань.

У медичній практиці найбільше поширення

одержало дослідження електричної активності

серця — електрокардіографія. Еквівалентний

генератор серця представляють у вигляді стру-

мового електричного диполя (джерела електро-

рушійної сили ε) із внутрішнім опором r, замкнутого на зовнішній опір

R (мал. 10.1), причому r >> R . Опір R є аналогом опору середовища, що

оточує серце. Відповідно до закону Ома для повного ланцюга,

Отже, струм у системі не залежить від опору зовнішнього середо-

вища.

Для розрахунку електричного потенціалу, створюваного в довільній

точці простору електричним полем диполя, потрібно розрахувати роз-

поділ потенціалу уніполя — одного з полюсів диполя. Запишемо закон

Ома в диференціальній формі

(10.1)

де j — густина струму; σ — питома електропровідність; ρ — питомий

опір; ϕ — потенціал; r — відстань від уніполю до деякої точки.

По визначенню, густина струму, що протікає через сферичну повер-

хню радіуса r, дорівнює:

(10.2)

де I — струм у ланцюзі.

Прирівнявши (10.1) і (10.2), одержимо:

Розділимо перемінні в цьому виразі і проінтегруємо:

Рис. 10.1. Еквівалентна

електрична схема струмо-

вого електричного генерато-

ра і зовнішнього провідного

середовища.

190

Тут ми припускаємо, що при r→∞ ϕ→0, а також те, що диполь зна-

ходиться в однорідному нескінченному про-

відному середовищі з питомим електричним

опором ρ. Тоді

Потенціал електричного поля, створеного

кількома уніполями в деякій точці простору

А, дорівнює алгебраїчній сумі потенціалів

електричних полів, створених кожним з уні-

полів (принцип суперпозиції). Для диполя,

що складається з одного позитивного й одного

негативного уніполів, потенціал на відстані r

від позитивного полюса і r — від негативного

дорівнює (мал. 10.2)

По теоремі косинусів:

де l — відстань між полюсами диполю. Тоді

(10.3)

де

Якщо r > l , то –1 < x < 1. Тоді функцію можна розкласти в

біномний ряд:

Таким чином, різниця потенціалів між деякими точками тим більша,

чим більший питомий опір середовища ρ, відстань між цими точками

Рис. 10.2. Схема до виве-

дення формули електрич-

ного потенціалу диполя.