临床医学工程技术课程讲稿课件.ppt
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1、第二章第二章生物体的物理特性及物理因生物体的物理特性及物理因子的生物效应子的生物效应1、医疗仪器在诊治疾病的过程中是如何进行工作的?是通过跟患者进行不同形式的能量转化和交换进行工作的。2、医疗仪器为什么能诊治病人的疾病?当对生物体加以各种不同物理因子和不同剂量的能量作用时,在人体不同部位或组织中就会产生相应的反应。控制这些能量的强度和作用时间可产生有益的效果,使病变组织得到修复或康复。第一节第一节 生物体的构成生物体的构成原子生物大分子细胞器细胞组织器官系统整体细胞水平宏观水平图2-1 人体结构层次框图生物效应:生物效应:是指外加能量进入生物体后被生物体吸收并由此产生相应的生物物理和生物化学过
2、程,从而对生物体不同层次的形态、结构、功能等各方面产生影响和变化。细胞:细胞:是构成人体和其他生物体的基本单位。生物体内所有的生理功能和生化反应都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。第二节第二节 生物体的电特性及电磁场的生物效应生物体的电特性及电磁场的生物效应一、生物体的电特性:导电性和介电性一、生物体的电特性:导电性和介电性1、电特性是指直流电和低频电流的特性2、电磁学特性是指高频电流及高频电磁场特性3、细胞和生物体组织具有:电阻性、电容性、电导性和压电效应二、低频电流和高频电磁场的生物效应二、低频电流和高频电磁场的生物效应1、低频大电流对生物组织的作用1.1、电流对生物活体组织的作用是非常
3、复杂的。与电流的频率、强度、组织结构的部位等因素有关。1.2、主要表现为电阻性,可导致产生物理学效应、电化学效应及其他的反应。1.3、人体的各种脏器的电导率不同,当有一定的电流通过不同脏器时,引起的电刺激反应不同。1.4、电流对于人体组织具有一定的有益作用。2、高频电磁场的生物效应、高频电磁场的生物效应2.1、射频电磁场的生物效应:当有射频电磁场透入生物系统中,将与生物组织发生相互作用时,导致不同生物层次上的形态、结构、功能等方面的变化。在微波段时,称为微波的生物效应。2.2、大剂量的微波通过生物组织时可产生热效应,引起各种物理、化学和生理的变化。2.3、微波致癌:1mW/cm2,不会增加致癌
4、危险。一定条件的微波照射对其他致癌因素有促进作用。2.4、一定条件的微波照射可引起动物和人体内分泌功能的改变,也可引起新陈代谢和生化指标的变化。2.5、在热效应的情况下,高功率密度的微波辐射可以导致染色体畸变和有丝分裂改变,并且在足以产生热损伤的功率密度情况下对细胞增生和脱氧核糖核酸的合成能力发生影响。第三节第三节 人体磁场及磁场的生物效应人体磁场及磁场的生物效应一、生物磁信号的产生一、生物磁信号的产生1、生物磁场:生物体的各种组织、器官(如脑、心、肺、肌肉等)乃至细胞、分子都会产生微弱的磁场。2、生物磁场的类型:脑磁场、心磁场、肝磁场、肺磁场、视网膜磁场、神经磁场、肌磁场、肢体磁场及头皮磁场
5、等。3、生物磁场的产生:脑磁场:大脑存在电活动 心磁场:心脏活动 肺磁场:肺部组织中含有污染的物质和从空气中吸收铁 磁性物质引起的 肝、脾磁场:地磁场或其他外界磁场作用下产生的感应磁场。二、磁场的生物效应二、磁场的生物效应1、生物体的组织、器官等置于外界磁场中时,生物组织、器官等将在外磁场的作用下产生一定的生物效应。2、人的生理节律与地磁场的分布和变化是相关的。太阳黑子的活动(磁暴)对地磁产生强烈的影响,这种变化对人的精神和生理、病理有一定的影响。地磁场的变化对于原发性高血压患者、心脏病患者有明显的影响。3、磁场的生物效应是多方面的。对免疫功能的影响;对于多种酶类活动的影响;对糖类、蛋白质、核
6、酸、自由基等影响;对肝、脾的影响;对生殖细胞的影响和对抗辐射的作用以及磁处理水的理化性能。4、人工磁场在医疗(磁疗)保健方面具有重要的意义。镇痛、镇静解痉、消炎、消肿、降压、降血脂、止泻等。第四节第四节 生物体的力学特性及力学的生物效应生物体的力学特性及力学的生物效应一、骨的力学特性一、骨的力学特性1、骨骼的作用:骨骼是坚硬的和有生命的器官,有着丰富的血管和神经分布。作用一是保护内脏,二是提供坚固的运动链和肌肉附着点,便于肌肉和身体的活动。三是参与机体的钙和磷的代谢。2、骨的材料结构:由骨胶原和羟基磷灰石组成的复合材料。具有非线性黏弹性性能。3、骨的材料的力学特性:杨氏模量、剪切模量、黏弹性、
7、破坏时的极限应力和应变4、软骨是特殊的结缔组织。软骨的力学性质随着组织中液体的含量发生变化。5、关节软骨:作为滑膜关节中衬垫骨的轴承,具有极强的润滑特性,还有极好的减震作用。二、血管的力学特性二、血管的力学特性1、血管:传输血液的通道。是中空的圆柱形管道,管壁受到管内流动着的血液的压力和管外结缔组织的约束。血管壁由弹性纤维、胶原纤维和平滑肌等成分组成,是一种黏弹性体。2、动脉血管的顺应性(C):在一定的压强下,动脉管内压强改变一个单位时引起管内体积的变化量。即C=dv/dP。动脉顺应性大即动脉的可扩张性能好、弹性好。3、脉搏波的传播:心脏向主动脉周期性的射血过程造成动脉管中血液压力的时高时低的
8、变化,以及动脉管时张时缩的动作,波及和影响着整个动脉管系统,这个过程称为脉搏波在动脉中的传播。血管越硬,脉搏波的传播速度越快。三、生物体的声学特性和超声波的生物效应三、生物体的声学特性和超声波的生物效应1、生物体的声学特性1.1、生物体的声学特性:超声波的特性1.2、超声波的频率范围:(2*1041012)Hz人耳听不到的声波。1.3、超声波在生物体组织和器官中的传播特性:由于生物体各种组织的组成成分和结构状况的差异,需建立不同的近似模型。骨骼固体中的波动方程;软组织液体中的波动方程。1.4、超声波的反射和折射:理想情况服从反射定律和折射定律(类似光波的情况),声波被反射和折射(透射)各自所占
9、入射波总能量的百分比分别称为声强反射因数和声强透射因数。1.5、超声波的声散射:超声波在传播的过程中遇到线度小的物质微粒时,其传播方向会发生改变,这种现象称为声散射。1.6、声吸收:声波在媒质中传播过程中,由于跟媒质间的相互作用(媒质为非理想弹性,如黏滞性和其他原因)发生其他形式能量的转变(主要转变为分子热运动能量),使声能减小。1.7、声衰减:由声散射和声吸收作为主要原因造成的声能的衰减之和构成了生物体组织总的声衰减。2、超声波的生物效应超声波的生物效应2.1、定义:指一定声强的超声波照射生物体时,对于生物体组织的状态、形态结构或功能所产生的影响。与声强度、频率以及生物体组织本身的性质有关。
10、表现为可逆效应和不可逆效应。2.2、超声波的生物效应的类型:热效应、机械效应、空化效应。声强10W/cm2,辐射时间1S 热效应 声强(1001000)W/cm2 机械效应 声强1000W/cm2 空化效应2.3、人体安全照射的超声剂量随照射时间、检查部位、检查对象变化:照射1S,安全剂量可达到500 W/cm2 照射1min,安全剂量100mW/cm2 胎儿:30min 安全剂量20mW/cm2 成人腹部:60min 安全剂量40mW/cm2 第五节第五节 生物体的热学特性和热的生物效应生物体的热学特性和热的生物效应一、生物体温度及其热学特性一、生物体温度及其热学特性1、人体的温度:人体具有
11、一定的温度,正常为(3637)。体温的相对稳定是人生命活动的重要特征之一,是维持人的机体各部分功能正常运转必不可少的。机体深部的温度为深部体温。2、人体温度能在不同的生存条件下通过各种自调节机制维持一个变化范围,上限约为41,下限约为33。3、环境温度对人体温度的影响:为保持人体具有稳定的温度,高温时,人体加快体热的散失,低温时,将体内其他形式能量向热能形式转化,减少体热的散失。4、皮肤与外界进行热交换的方式:对流、蒸发、辐射。5、人体血液的流动对于体温的调节起着十分重要的作用,天热时分流到体表的血液多利于散热;寒冷时分流到体表的血液大大减少,使皮肤接近于绝热层,对身体起到保温作用。二、热的生
12、物效应二、热的生物效应1、热的生物效应:体内某些部位发生疾病时,这些区域的温度就会发生改变,同时这种改变也会反映到体表的相应部位的温度发生变化,对于体温的分布及其变化的研究有助于对疾病的诊治。2、新陈代谢是生命的基本特征,由于能量代谢的过程复杂,无法建立一个对应的数学模型。3、人体内热传导是一个十分复杂的过程,难以建立一个合理的体内传热的数学模型。4、医用红外热像仪补充和完善了应用热特性对人体测温的技术。临床应用:头部、颈部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃肠等5、低温在医学上的广泛应用。第六节第六节 生物体的光学特性和光的生物效应生物体的光学特性和光的生物效应一、生物体的光学特性和光
13、的生物效应一、生物体的光学特性和光的生物效应1、生物体的光学特性1.1、光辐射:包括紫外光(大约100400nm),可见光(大约400760nm),红外辐射(大约7601mm)1.2、皮肤对于红外线的反射系数非常低,但对波长为8-13um的红外线辐射率相当高。皮肤能直接反射太阳的红外辐射线,又能极好地辐射身体内部产生的红外线。1.3、皮肤有很好的适应性:光谱中的可见光部分和近红外线部分在太阳的辐射光中量最大,皮肤反射量也大。而太阳辐射量很少的为紫外光和远红外光,皮肤却能够大量吸收、反射很少。皮肤的最外层,即角质层,可强烈吸收紫外线(200-315nm)而引起晒伤,也强烈吸收远红外线。1.4、少
14、量的光辐射穿入机体深处可与光敏细胞起反应,产生生理反应,如生理节律、季节节律等。生理节律被抑制会影响人体的健康。2、光的生物效应2.1、光辐射的生物效应:温热性、光化学性和直接电磁场效应 红外光和可见光主要表现为温热效应 紫外光主要表现为光化学性 直接电磁场效应发生在周期小于纳秒(ns)的脉冲波,是非线性的电磁场与生物分子的相互作用而造成组织损伤的主要原因。2.2、光辐射主要影响眼睛和皮肤。急性作用:眼睛的光照射性角膜炎及温热性、光化学性视网膜损伤和皮肤的红斑与烧伤。迟发作用:引发眼睛白内障、可能形成视网膜变性及皮肤的加速老化和皮肤癌。290-320nm波长的紫外线具有强的致癌作用。2.3、紫
15、外线对人的效应分为有益和有害两种情况:长期缺乏紫外线照射可对人体产生有害作用,最明显的现象是维生素D缺乏症和由于磷和钙的新陈代谢紊乱发生儿童佝偻病,同时,由于身体防御能力的减低而导致身体容易患许多疾患。有害效应为急性和慢性两种,主要是影响眼睛和皮肤。二、激光的特性及其生物效应二、激光的特性及其生物效应1、激光的产生和特性1.1、光和原子的作用:吸收、自发辐射、受激辐射 1.2、激光的产生:在特定的情况下处在高能级的原子受到外来光子的作用后将向低能级跃迁,同时将释放出两个跟入射光子的能量和振动状态完全相同的光子,而新的光子又去作用更多的原子,产生更多的光子,于是进行了光放大,这种情况叫原子的受激
16、辐射,受激辐射是光子与高能级状态原子的作用时产生的,所发出的光称为激光。1.3、激光的性质:单色性好、方向性好各相干性强。单色性好:激光的颜色最纯,即频率单一 方向性好:即在射程很长的情况下发散很小,光线高度平行,激光在确定方向上的亮度比普通光源发光和太阳光强百万倍以上,甚至更大。相干性强:比普通光源强得多。2、激光的生物效应2.1、温热效应:波长在红外和可见光波段的激光主要产生温热效应。2.2、压强效应:激光照射产生的压强由两种因素形成,一是由激光辐射本身产生的;二是由于生物组织受热急剧膨胀而产生汽化、沸腾和固体的直接汽化形成的巨大压强,进而破坏那些未直接被照射的部分。两种压强的总效应是引起
17、组织改变乃至破坏的关键。2.3、光化效应:包括分子光化反应和敏化反应。利用光能作为激活能而产生的化学反应叫光化反应。敏化反应是指吸光物质本身只是一个敏化剂,它能催化其他物质的化学反应。光化反应是激光的生物效应和防病治病的医学基础。2.4、电磁场作用:强脉冲激光经聚焦可产生极强的场强,可在生物组织中产生各种次级效应,最终导致生物大分子引起变性,产生自由基,从而引起一系列的生化反应,在生物体内引起光化反应等。2.5、弱激光生物效应:弱激光的生物效应表现在对机体生物细胞的刺激作用,可对神经系统功能和免疫功能产生影响,也可用于激光穴位照射等2.6、激光医疗中应充分注意安全问题。第七节第七节 辐射及其生
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