Муниципальное общеобразовательное учреждение

Гильбиринская средняя общеобразовательная школа

Влияние физики на развитие медицины

Выполнила: Гомбожапова Бэлигма,

ученица 10 класса

Руководитель: Афанасьева Галина Петровна,

 учитель физики и географии

Оглавление

Введение

Актуальность и обоснование проекта

Физика и медицина… Наука о явлениях природы и наука о болезнях человека, их лечении и предупреждении… В настоящее время обширная линия соприкосновения этих наук всё время расширяется и упрочняется. Нет ни одной области медицины, где бы ни применялись физические знания и приборы.   Физика и медицина это две области, постоянно окружающие нас в жизни. Фактически каждый инструмент, используемый медиками, начиная со скальпеля и заканчивая сложнейшими установками для установления точного диагноза, функционирует или изготовлен благодаря достижениям в мире физики. Это приводит к тому, что многие болезни удается вылечить или остановить их распространение и контролировать.

Становление и развитие физики как науки исторически связано с развитием познаний в медицине. Существует множество подтверждений тому, что большое количество физических понятий и явлений появилось благодаря исследованиям и наблюдениям медиков. Научные достижения в физике также находят применение в современной медицине. Поэтому я решила выявить, как физика и медицина связаны между собой.

Актуальность нашего проекта состоит в том, что в связи с модернизацией и развитием технологий медицина все глубже использует достижения физики и поэтому роль физики в медицине огромна. Тема работы актуальна и не потеряет своей актуальности в будущем, а каждому человеку будет полезно знать об этом для собственного развития и расширения кругозора.

Цель нашего исследования: выяснить какое влияние оказывает физика на развитие медицины.

         Задачи:

1. Выявить связь между физикой с медициной;
2. Выяснить как применяются знания физики в медицине;
3. Показать значение физики в изобретении современных медицинских приборов;
4. Доказать, что при помощи знаний физики медицина стала успешной на примере тонометра 20 века и нынешнего времени.

В ходе проектной работы нами использованы следующие методы исследования: анализ и синтез, сравнение, интервьюирование.

План мероприятий по реализации проекта

Данный проект был реализован поэтапно:

1 этап – подготовительный, сентябрь – октябрь 2020 г.

2 этап – основной, октябрь 2020г. – март 2021 г.

3 этап – заключительный, май 2021г.

Ожидаемые результаты

• Умение разрабатывать и реализовывать проект;
• Расширение знаний о физике и медицине, их взаимосвязь;
• Расширение знаний о приборах для измерения артериального давления

Перспективы развития проекта

Получить рецензию на проект для дальнейшего участия в НПК «Шаг в будущее»

Показатели результативности данного проекта:

Глава 1. Историческая связь физики с медициной

Физика — область естествознания: наука о наиболее общих законах природы, о материи, её структуре, движении и правилах трансформации. Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Является точной наукой. Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

Медици́на (лат. medicina от словосочетания ars medicina — «лечебное искусство», «искусство исцеления», и имеет тот же корень, что и глагол medeor, «исцеляю») — система научных знаний и практической деятельности, целями которой являются укрепление и сохранение здоровья, продление жизни, предупреждение и лечение болезней человека и животных (ветеринарная медицина), а также облегчения страданий от физических и психических недугов.

Изначально между медициной и физикой была очень тесная связь, да и разделения на эти науки еще не было. О том, что такое теплота, задумались еще в древности. Закладка основ науки о тепле и изобретение первых термометров произошли благодаря Клавдию Галену, который ввел понятия «градус» и «температура».

Многие знаменитые личности, которые имели медицинское образование, прославились благодаря исследованиям физических явлений. Например, Томас Юнг, совместно с Френелем являющийся создателем волновой оптики, открыл один из дефектов зрения – дальтонизм, но дефект был назван в честь первого, у кого он обнаружился. Немецкий врач и ученый Герман Гельмгольц сделал великие открытия не только в физике, но и в физиологии зрения, слуха, нервной и мышечной систем, а также пытался применить к физиологическим исследованиям знания по физике и математике. Жан-Луи Пуазейль изучал мощность сердца как насоса и исследовал законы движения крови в капиллярах и венах. Обобщив результаты своих исследований, Пуазейль получил формулу, которая оказалась крайне важной для физики. За заслуги перед физикой его именем названа единица динамической вязкости - пуаз.

Картина, показывающая вклад медицины в развитие физики, выглядит достаточно убедительной, но можно добавить к ней еще несколько штрихов. Любой автомобилист слышал о карданном вале, передающем вращательное движение под разными углами, но мало кто знает, что изобрел его итальянский врач Джероламо Кардано (1501-1576).

Глава 2.1. Что такое медицинская физика?

В результате тесной связи физики с медициной образуется наука - медицинская физика.

Медицинская физика включает изучение систем и органов человека с точки зрения физики:

– скелет и мышцы – механика, теория упругости, теория устойчивости;

– глаз и зрение – оптика и электричество;

– слух – акустика и электрические импульсы;

– сердце и сосуды – гидравлика;

– мозг и нервная система – электричество;

– дыхательная система и обмен веществ – диффузия.

        Цель этой науки – изучение систем профилактики и диагностики заболеваний, а также лечение больных с помощью методов и средств физики, математики и техники. Природа заболеваний и механизм выздоровления во многих случаях имеют биофизическое объяснение.

Первопроходцем в области медицинской физики был Леонардо да Винчи, проводивший исследования механики передвижения человеческого тела.

Медицинская физика по-настоящему стала утверждаться как самостоятельная наука и профессия только во второй половине ХХ в.– с наступлением атомной эры. В медицине стали широко применяться диагностические аппараты, основанные на излучении волн определенной длины, а также на рентгеновском и гамма-излучении, магнитных полях, лазерах и других физических явлениях.

Важнейшим в области медицинского обследования стало создание компьютерных томографов, позволивших, проводить широкий спектр медицинских исследований и сократить время, требуемое на их проведение.

Физика и медицина – науки, тесно связанные: многие важнейшие открытия в области физики были сделаны медиками – факт, на первый взгляд кажущийся довольно необычным. К примеру, в 40-х годах. XIX в. Ю. Р. Майер, будучи судовым врачом, во время плавания в тропиках, обнаружил различие в цвете венозной крови между жителями стран с жарким и холодным климатом. Причина заключалась в том, что вследствие высокой температуры организм вырабатывает меньше теплоты, в результате артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой при переходе в вены. Было выявлено, что между потреблением вещества и образованием теплоты существует связь. Майером был сформулирован принцип «Из ничего ничего не бывает» как основа I закона термодинамики, который рассматривает обмен энергией между системой и окружающей средой в форме работы и теплоты.

Многие электрические явления были открыты в опытах физиологов над животными: эксперименты Л. Гальвани – итальянского физиолога и анатома – над скелетными мышцами лягушки легли в основу исследований А. Вольта, закончившихся изобретением Вольтова столба. Даниил Бернулли, профессор анатомии Петербургской академии наук, написав свои знаменитые уравнения для объяснения системы кровообращения, стал основателем гидродинамики.

Некоторые физические понятия являются базовыми для понимания строения и функционирования человеческого тела. К примеру, с позиции общих законов механики, опорно-двигательный аппарат представляет собой систему рычагов: тазобедренный сустав – рычаг I рода, голеностопный сустав – рычаг II рода, предплечье – рычаг III рода. Ровное положение головы (атлантозатылочное сочленение есть также рычаг I рода) обусловлено равенством моментов силы тяжести, приложенной к центру тяжести черепа, и силы мышечной тяги. Изменение любой из этих сил приводит к изменению положения головы. Рычаги широко используются и в медицинском инструментарии: ножницы различных видов, щипцы, кусачки и др. Некоторые манипуляции, совершаемые врачом, также есть реализация рычага (врач-стоматолог при удалении зуба использует закон сохранения момента силы). 

Движение крови по сосудам, возникающее вследствие разности гидростатического давления в различных участках кровеносной системы (кровь движется из области высокого давления в область низкого) называют гемодинамикой. Энергия, обеспечивающая движение крови по сосудам создаётся сердцем. В результате постоянного циклического выброса крови в аорту создаётся и поддерживается высокое гидростатическое давление в сосудах большого круга кровообращения (130/70 мм рт. ст.), которое является причиной движения крови. Артериальное давление – АД – зависит от того, с какой скоростью и силой сокращается сердце человека, сколько крови оно может прокачать за одну минуту, от свойств самой крови и сопротивления стенок сосудов.

Как говорит профессор Твердислов В.А., заведующий кафедрой биофизики физического факультета МГУ: «В Европе физику сначала делали медики, а в наше время физика отдает медицине свои долги».

Будущему врачу знать физику необходимо, так как опора на физические законы позволяет изучать функционирование живого организма, объяснять нормальные физиологические и патологические процессы. Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека очень многие из них близки к физическим.

Физика внедряется в медицину все более и более ускоренными темпами: лазерная хирургия, ультразвуковые исследования мягких тканей, магнитно-резонансная томография, рентген, операции с помощью гамма-скальпеля и др.

В настоящее время диагностические исследования разной степени сложности и максимально безопасные оперативные вмешательства можно проводить лишь с использованием современных технических устройств, разрабатываемых и обслуживаемых физиками.

Глава 2.2. Тонометры XX и XXI века

В предыдущей главе мы рассматривали одно из базовых понятий -  давление крови в сосудах  с точки зрения физики, в данной главе поговорим об истории прибора, который измеряет давление. Тонометр – это прибор для измерения артериального давления человека, призванный способствовать профилактике сердечно сосудистых заболеваний, прежде всего артериальной гипертензии (или проще - гипертонии).

Прадедушкой современных тонометров является сфигмоманометр, который изобрел в 1881 году австрийский врач Самуэль Зигфрид Карл Риттер фон Баш (Basch). Принцип его работы был прост - на место пульсации артерии помещался резиновый мешок с водой, который давил на артерию до тех пор, пока не прекращалась пульсация. Давление, создаваемое мешком, считывалось ртутным манометром, и таким образом измерялось систолическое давление.

В 1896 году Сципион Рива-Роччи (Riva-Rocci) представил метод измерения кровяного давления, актуальный по сей день. Прибор, изобретенный им, был прост в применении и безопасен для пациента. По сути, он выглядел так же, как и современные тонометры - резиновый полый мешок, помещенный в манжету из нерастяжимого материала, обхватывал плечо и накачивался резиновой грушей.

Давление в манжете, считываемое ртутным манометром, повышалось до тех пор, пока не пропадала пульсация. Когда давление слегка ослаблялось, уровень ртути в манометре падал, и то значение, в котором пульсация возобновлялась, соответствовало систолическому давлению. Единственным недостатком прибора была слишком узкая манжета (5 см), которая создавала области повышенного давления, вследствие чего результаты измерения были слегка завышены. В 1901 году данный недочет исправил Генрих фон Реклингхаузен, который увеличил ширину манжеты до 12 см.

В 1905 году в Императорской военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге хирург Николай Сергеевич Коротков сделал свой знаменитый доклад о звуковом методе определения систолического и диастолического давления с использованием рукава Рива-Роччи.

Суть метода сводилась к прослушиванию стетоскопом звуков (тонов), которые появляются в артерии ниже рукава Рива-Роччи, сжимающего плечо. Значение манометра, при котором появляется первый тон, соответствует систолическому давлению, а значение, соотносимое с исчезновением звуков, показывает диастолическое давление. Без преувеличения можно сказать, что 280 слов доклада Короткова определили дальнейшую историю развития тонометров, поскольку предложенный им метод до сих пор лежит в основе работы приборов по измерению давления.

Больше 50 лет тонометр, работающий по принципу прослушивания «тонов Короткова», был единственным прибором для измерения кровяного давления и использовался врачами во всем мире. Лишь в 1965 году американский врач Сеймур Лондон изобрел автоматический тонометр, в котором резиновая груша была заменена компрессором, а стетоскоп - микрофоном.

Новый прибор сам нагнетал воздух в манжету и сам же «слушал» тоны, определяя давление. Для подтверждения точности измерений Сеймур и его жена провели массовое двойное измерение давления (механически и автоматически) на съезде Американской медицинской ассоциации. Более 400 измерений не выявили статистически значимых различий между измерениями с помощью механического тонометра и его автоматического аналога. В 1966 году новый прибор был запатентован в США, Франции, Германии и Италии.

Повышенное артериальное давление, или гипертензия, встречается уже более чем у 20% людей, населяющих нашу планету, и присутствует у более половины всех лиц старшего возраста. По оценкам специалистов к середине двадцатых годов XXI века общее число людей с повышенным артериальным давлением приблизится к 1,5-1,6 млрд. человек. Регулярное измерение артериального давления должно стать обязательным правилом в жизни каждого человека, как первый шаг для предупреждения гипертензии. В последние годы такое заболевание, как артериальная гипертензия, довольно сильно «помолодело». Все больше людей не только старшего, но и среднего возраста, и даже молодых людей обнаруживает у себя признаки этого заболевания.

Как и любую другую болезнь, повышенное артериальное давление лучше предупредить, чем лечить впоследствии. Важнейшим условием для этого является приверженность к здоровому образу жизни, отсутствие вредных привычек, занятие спортом, здоровое питание. Именно диагностика, регулярный мониторинг своего артериального давления, становятся первым и важным шагом в борьбе с этим недугом. Выявленные проблемы на ранних стадиях, в самом начале заболевания, позволяют наиболее эффективно бороться с ним, и в итоге продлевает человеку жизнь.

Тонометром начала XX века считается механический. Для того что бы измерить давление механическим тонометром, необходимо вручную грушей накачать воздух в манжету, закрепленную на плече пациента. Затем медленно отвинчивая (открывая) клапан начать стравливать воздух из манжеты одновременно выслушивая фонендоскопом начало и окончание характерных тонов. Начало появления тонов и их окончание будет соответствовать уровням верхнего и нижнего артериального давления. Эти значения считываются со стрелочного манометра, встроенного в прибор.

Более современный тонометр, тонометр XXI века – автоматический. Электронные тонометры были созданы как раз для самостоятельного измерения артериального давления обычным человеком, а не специалистом. В основу их работы лег осциллометрический метод измерения артериального давления. При этом методе также в манжету, которая закреплена на плече или запястье человека, накачивается воздух перекрывая кровоток по артерии. Колебания артериального давления в артерии руки, или осцилляции, приводят к колебаниям воздуха внутри манжеты. Эти воздушные колебания улавливаются датчиком прибора и затем обрабатываются специальным процессором.   При этом процессор следит за правильным накачиванием манжеты, компрессор внутри автоматического тонометра накачивает ровно столько воздуха в манжету, сколько необходимо для точного измерения, а при стравливании воздуха из манжеты происходит анализ осциллограммы, по результатам обработки которой тонометр определяет систолическое (верхнее) и диастолическое (нижнее) давление пациента. Процессоры современных электронных тонометров обладают различными технологиями интеллектуального измерения. У разных производителей они называются по - разному, но все призваны увеличить точность измерения, благодаря обработки многих параметров в том числе и пульса, правильного дозирования воздуха при нагнетании в манжету, быстрой обработки результатов, полученных датчиками. После измерения значения верхнего и нижнего артериального давления выводятся на дисплей устройства, там же отображается значения измеренного пульса и дополнительно, при наличии в устройстве такой функции, индикация наличия аритмии и другие параметры.

Для более тесной связи физики с медициной нами было проведено интервью с пятью медицинскими работниками Хурамшинской врачебной амбулаторией. Каждому из них были заданы вопросы:

1. Нравилась ли вам в школьные годы физика?
2. Понадобились ли школьные знания физики во время поступления и обучения в медучилище или институте?
3. Как вы думаете влияет, ли физика на развитие медицины?
4. Как помогают знания физики в вашей работе?
5. Что бы вы пожелали учащимся, которые собираются поступать в медицинские учреждения, насчет изучения физики в школе?

На первые три вопроса все медики дали положительный ответ. Всем нравилась физика в школе, школьные знания физики очень нужны при поступлении и обучении в вузе или медколледже и, также они отметили тесную взаимосвязь физики и медицины. На четвертый вопрос более подробно ответил врач Хурамшинской врачебной амбулатории. Он рассказал, что знания физики в равной степени с биологией помогают понять физиологию человека, объясняют процессы, протекающие внутри организма. Без хорошего знания физики на этапе модернизации науки и в период научно-технического прогресса медицинскому работнику сложно понять принципы работы сложного диагностического оборудования (МРТ, КТ, УЗИ и т.д.). При ответе на пятый вопрос медработники указали на то, что учащимся следует обратить внимание на глубокое и качественное изучение тем «Электричество», «Гидродинамика» и «Гравитация».

Заключение

Физика в медицине играет огромную роль - все основные законы физики применимы к живому. Механика переходит в биомеханику (сокращение мышц), движение крови по сосудам (гемодинамика), генерация и проведение электричества в живых клетках (кардиомиоцитах и нейронах). Благодаря открытиям ученых – физиков можно понять многие процессы в живом организме и разрабатывать новые методы диагностики и лечения.

Таким образом, в работе показана тесная взаимосвязь физики и медицины. Достижения в области физических и технических изысканий находят широкое применение в медицинских исследованиях, позволяют создавать новые, более точные и надежные приборы и аппараты, которые спасут множество жизней.

Физика является теоретической основой всех физических методов лечения и диагностики, вооружает медицинских работников знанием принципов устройства аппаратуры, применяемой для лечебных целей. Эти знания необходимы для технически грамотной эксплуатации всего комплекса современной медицинской техники.

Таким образом, значение физики для медицины обусловливается тремя обстоятельствами:

1) физика создает основу для правильного понимания биологических процессов;

2) она является теоретической базой современной медицинской техники;

3) вооружает знанием физических методов клинической диагностики и лечения, а также исследования сложных биологических систем.

Трудно указать такую область медицины, где бы не использовались те или иные законы физики. Существует много медицинских специальностей, непосредственно основанных на использовании физики: радиология, рентгенология, офтальмология, физиотерапия и многие другие области медицинской науки. Новые болезни требуют новых методов индикации, диагностики и лечения, что подталкивает ученых физиков и связанных с физикой специалистов разрабатывать, создавать и совершенствовать приборы для нужд медицины.

Таким образом, знание того, что две науки развивались совместно и под влиянием нужд обеих, необходимо не только тем, кто с этими науками связан, но и всем, кто хочет расширить свой кругозор. И каждый человек может стать исторической личностью, внося свой вклад в развитие знаний.

Список используемой литературы

1. Подколзина В. А. Медицинская физика/ В. А. Подколзина – Москва: ЭКСМО, 2007.
2. Петренко Ю. Нужна ли физика врачу? / Ю. Петренко // Наука и жизнь.– №3.– 2003.
3. Смолова А. А. Значение физики в медицине / А. А. Смолова, И. В. Щербакова // Студенческая наука XXI века: материалы XII Междунар. студенч. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 25 янв. 2017 г.) / — Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2017. — № 1 (12). — С. 55–57.
4. Тонометр. Принцип работы https://www.sciencedebate2008.com/ustroystvo-i-rabota-tonometra/#
5. Физика в медицине. https://www.nastroy.net/post/fizika-v-meditsine-vliyanie-fiziki-na-razvitie-meditsinyi-izobreteniya-fizikov-ispolzuyuschiesya-v-meditsine
6. Хабибулина О.Л. Роль физики в медицинском образовании// Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 4-1. – С. 302-304;