Разработка внеклассного мероприятия «Физика и медицина»
методическая разработка по физике (10, 11 класс) на тему

Разработка внеклассного мероприятия «Физика и медицина»

Эту пресс-конференцию мы посвятили применению физических явлений и закономерностей для диагностики и лечения различных заболеваний. Ее материал суммирует и развивает изученное в ряде разделов курса, показывая практическое использование знаний.

Вначале формируется инициативная группа учащихся, в обязанность которой входят подготовка и проведение мероприятия. В ее составе ведущий, «физик» (знающий возможности использования физических методов в медицине), «медик» и «врач» (знающие конкретную методику диагностики и лечения различных заболеваний), участники пресс-конференции (задающие «из зала» вопросы).

В процессе подготовки все знакомятся с литературой:

Антонов   В.Ф. и др. Биофизика. М.: Арктос — Вика-Пресс, 1996. Беркинблит   Е.И.,  Глаголева   В.И. Электричество в живых организмах. М.: Наука, 1986. (Б-ка журн. «Квант»). Участники составляют вопросы, специалисты  «физик» и «медики» — готовят ответы на них

Сценарий пресс-конференции

Вступительное слово ведущего. (Он акцентирует внимание на все более широком использовании физики в медицине. Происходит представление специалистов, и сообщается порядок ведения пресс-конференции.)

Ведущий. Начнем обсуждение.

Голос-1 (из зала). Как физика помогает зарегистрировать начальную стадию заболеваний, о которых человек еще не подозревает?

Медик. Во многих случаях заболевания внутренних органов сопровождаются повышением их температуры. Так, при заболевании печени (гепатит, холецистит) ее температура поднимается на 0,8—2°С; температура злокачественных образований на 0,5—0,8°С выше, чем окружающих тканей. Кровоизлияние в головном мозге приводит к снижению «местной» локальной температуры. Поэтому важна регистрация распределения температуры по поверхности тела человека или его отдельного органа.

Физик (добавляет). Есть такой метод, который позволяет дистанционно измерять температуру различных участков тела. Как вы знаете, тело человека — своеобразный источник теплового излучения, максимум энергии в спектре которого соответствует длине волны 10 мкм, т.е. волнам инфракрасного диапазона. Сегодня широко используется метод инфракрасного тепловидения, на основе которого прибор по интенсивности теплового излучения строит «тепловую карту» распределения температуры по поверхности тела человека. Сравнить полученную карту с эталоном врач может легко и быстро; это дает ему возможность найти области повышенной температуры, косвенно свидетельствующие об очаге заболевания.

Медик (добавляет). Наши ученые первыми в мире в 1983 г. научились изучать тепловую карту работы мозга, даваемую тепловизором, соединенным с миниатюрным чувствительным датчиком; последний позволял измерить температуру до сотых долей градуса. Это дало важную информацию о состоянии коры головного-мозга, что особенно важно для нейрофизиологии и диагностики ряда заболеваний.

Голос-2. А всегда ли этот метод обеспечивает полные сведения о возможных заболеваниях человеческого организма?

Физик. Тепловидение, к сожалению, дает истинную картину только верхнего слоя кожи толщиной примерно 100 мкм. Больше возможностей имеет метод измерения СВЧ-излучения организма. Интенсивность его мала, но все же специальные датчики могут его зарегистрировать и представить в виде карты; карта эта «глубинная»: на 4-6 см внутрь. По ней врачи могут гораздо точнее определить местоположение опухоли или очага воспаления внутренних органов.

Голос-1. Какие еще методы регистрации патологий (отклонений от нормы) основаны на известных из курса физики эффектах?  

Врач. В клиниках и поликлиниках широко используется ультразвуковое исследование (УЗИ). Ультразвук небольшой интенсивности, не принося вреда организму, успешно применяется для диагностирования заболеваний сердца, почек, печени, обнаружения камней, опухолей (даже в головном мозге). Причем этот метод имеет значительное преимущество перед другими: он выявляет отклонения от нормы и более ранних стадиях. Так, если рентген обнаруживает опухоль, когда плотность ее отличается от плотности здоровой ткани в 1,5—2 раза и она бывает уже неоперабельной, то ультразвук «чувствует» ее значительно раньше. Благодаря ультразвуковой эхограмме удается не только обнаружить расположение опухоли, но и получить рельефное изображение ее внутреннего строения.

Физик (добавляет). По физической сути можно выделить две разновидности этого метода: УЗ-локация и УЗ-просвечивание. При ультразвуковой локации регистрируются ультразвуковые импульсы, отраженные от границы сред, имеющих различные акустические свойства. Измеренное прибором на эхограмме расстояние между импульсами дает возможность судить о глубине расположения образования; перемещение же датчика позволяет выявить размеры, форму и расположение. УЗ-просвечивание основано на различном поглощении ультразвука разными тканями организма. При исследовании внутреннего органа на него направляют УЗ-волну определенной интенсивности и регистрируют интенсивность прошедшего сигнала датчиком, находящимся по другую сторону органа. По степени изменения интенсивности воспроизводится картина внутреннего строения исследуемого объекта.

Голос-4. В каких еще целях, кроме диагностики, медики применяют ультразвук?

Врач. Ультразвук оказывает и лечебное действие. Разработаны и широко применяются ультразвуковые терапевтические процедуры. Ультразвук дает равномерное и глубинное прогревание тканей, что хорошо сказывается на интенсивности окислительно-восстановительных реакций, ускоряет расщепление сложных белков, активизирует ферменты. Успехи имеет и ультразвуковая хирургия. С помощью специальных ультразвуковых инструментов' «сваривают» кости, рассекают костные ткани (причем этот метод не дает осколков), ведут операции на плевре легких, бронхах и сосудах. В последнее время ультразвук «пришел» в глазную хирургию. Ультразвуком стерилизуют хирургические инструменты, лекарственные вещества, так как он вызывает гибель вирусов и бактерий.

Голос-5. Почему в одних случаях ультразвук оказывает стимулирующее и бактерицидное действие, в других играет роль скальпеля в руках хирурга?

Физик. Дело в том, что для разных целей применяют УЗ-лучи различной интенсивности, варьируя мощность волны от нескольких ватт до сотен и даже тысяч ватт на квадратный сантиметр при операциях УЗ-луч фокусируют на микроскопически малом участке.

Голос-6. А на чем основано применение рентгена в диагностике?

Физик. На различной поглощаемости рентгеновского излучения разными тканями и органами. Чем больше плотность вещества и особенно чем больше его атомный номер, тем сильнее поглощение. Коэффициент поглощения пропорционален третьей степени атомного номера вещества. У тела человека кости поглощают рентгеновские лучи значительно сильнее, чем мягкие ткани. Поэтому при рентгеновском просвечивании получается неоднородное теневое изображение, которое дает картину, воспроизводящую форму и расположение тканей и внутренних органов. Медики по ней судят о нормальном или патологическом состоянии тканей и органов.

Голос-7. Можно ли проводить рентгеновские исследования органов, резко не отличающихся  по плотности от окружающих тканей?

Врач. Да. Медиками освоены приемы, позволяющие исследовать такие органы: это желудок и кишечник. Чтобы получить их изображение, отличие в поглощающей способности создают искусственно: эти органы предварительно наполняют веществом, лучше поглощающим рентгеновское излучение, чем соседние ткани.

Голос-8. Я хочу спросить: применяется ли рентгеновское излучение в лечебных целях, и если да, то какова физическая основа этого?

Медик. Да, этот метод лечения известен под названием «рентгенотерапия». Рентгеновское излучение определенной интенсивности нарушает жизнедеятельность клеток, особенно быстро размножающихся. Поэтому рентгенотерапия применяется для борьбы со злокачественными опухолями.

Голос-9. Расскажите, какие еще виды излучения работают на диагностику? 

Физик. Широко известен среди медиков метод радиоизотопного исследования внутренних органов — так называемый метод меченых атомов. Он основан на специальном введении в организм небольшого количества радиоактивных изотопов (йод или фосфор, технеций), испускающих (3- или у-излучения. По пути следования таких изотопов внутри человеческого тела (например, по желудочно-кишечному тракту, лимфотоку или кровотоку) они непрерывно подают своим излучением сигналы, которые регистрирует счетчик Гейгера, автоматически и с постоянной скоростью перемещающийся над поверхностью исследуемого органа, последовательно, участок за участком «просматривая» каждую его часть и фиксируя испускаемое излучение. Таким образом, радиоизотопы осуществляют передачу информации из внутренних органов человеческого тела наружу.

Медик (добавляет). Большое число исследований различных заболеваний радиоизотопным методом основано и на способности организма накапливать в тканях некоторые химические вещества; например, в щитовидной железе оседает йод, в костной ткани — фосфор и кальций, в печени — некоторые красители. Этот процесс характеризуется определенной скоростью и количеством собираемого вещества. При нарушении же функции органа наблюдаются отклонения от нормальных значений этих параметров; например, при базедовой болезни активность щитовидной железы резко возрастает, увеличивая накопление йода.

Удобно вести радиоизотопный анализ с помощью препаратов, испускающих у-лучи. Если ввести в организм радиоактивный йод |3|1, то уже через пару минут он начнет накапливаться в щитовидной железе, а его атомы посылать оттуда сигнал, который можно интерпретировать как «мы здесь». Если щитовидная железа в норме, то у-сигнал будет иметь определенную интенсивность; но если она функционирует ненормально, то интенсивность будет или аномально высокой, или, наоборот, аномально низкой и у-сигнал прозвучит тревожно: «Здесь не все в порядке». Тот же радиоактивный йод может быть введен в специальный краситель, поглощаемый печенью, с целью диагностики ее работы.

При исследовании сердечно-сосудистой системы используют радиоактивный изотоп натрия 24Na, который вводят в кровоток.

Голос-10. Мы сегодня слышали о том, что ультразвуковой и рентгенографический методы позволяют находить злокачественные опухоли внутренних органов. А пригодны ли для этой цели радиоактивные изотопы?

Врач. Да, пригодны, особенно для обнаружения опухолей щитовидной железы, мозга и  печени. Диагностика злокачественных новообразований основана на том, что клетки опухоли иначе накапливают радиоактивный препарат по сравнению с клетками здоровой ткани.  

Голос-11. Я хотел бы услышать о том, какие еще физические явления помогают диагностировать работу сердца.

 Физик. Вам должно быть известно из курса механики, что такое реактивное движение и Явление реактивной отдачи. Они основаны на законе сохранения импульса, в соответствии с которым движение одного из двух тел, составляющих изолированную систему, вызывает движение другого тела в обратном направлении. На возникновении реактивной отдачи основано исследование механических показателей работы сердца, называемое баллистокардиографией. При сокращении левого желудочка сердца и выбрасывании в аорту некоторой массы крови сердце и тело получают импульс, направленный к ногам. Поэтому если человека положить на легкоподвижную платформу, то прибором можно обнаружить его движения в продольном направлении.  Регистрация их представленная в виде баллистокардиограммы, используется в практике для диагностики работы сердца и крупных кровеносных сосудов.

Голос-12. А что такое электрокардиография и как связана она с физикой?

Медик. Электрокардиография — это метод исследования сердечной деятельности, в основе которого — регистрация и последующее изучение биопотенциалов сердца.

Реплика из зала. Расскажите, пожалуйста, подробнее о физической сути этого метода.

Физик. Я помогу коллеге. Разности потенциалов между внутренними и наружными поверхностями отдельных клеток сердечной мышцы, суммируясь, образуют результирующую разность биопотенциалов. Подчеркну особо, что разность потенциалов будет возникать не только между точками сердца, но и между любыми двумя точками на поверхности тела человека. Вследствие этого между сердцем и другими участками существует небольшое напряжение (~ до 100 мВ). Поэтому при снятии изменяющейся во времени разности потенциалов электроды накладывают в определенных местах поверхности тела. Чаще всего для расположения электродов используется треугольник «правая рука — левая нога — левая рука» (сердце — в центре). Полученная таким образом электрокардиограмма (ЭКГ) представляет собой сложную несимметричную кривую, отражающую асинхронность импульсов возбуждения предсердий и желудочков; периодичность ее связана с частотой сокращений сердца. Нормальная ЭКГ (как бы эталон) имеет характерную форму. По отклонению от эталона врачи распознают возникшее заболевание.

Голос 13. Проводятся ли подобные исследования работы других органов человека?

Врач. Да. Поскольку биопотенциалы возникают всюду и очень тонко отражают состояние и функции органов и тканей. Наряду с ЭКГ большое распространение получила регистрация потенциалов головного мозга (электроэнцефалография), а также мышц (электромиография).

Реплика из зала. Хотелось бы сегодня услышать об электротерапии и ее основных направлениях.

Медик. Пожелание весьма ценное. Ведь электротерапия — целая отрасль медицины; она посвящена применению в лечебных целях электрического тока, электрических и магнитных полей. Современная электротерапия очень разнообразна: она использует, в частности, статическое электричество, постоянный ток, переменный высокочастотный.

На статическом электричестве основан «электростатический душ». Больного помещаю между двумя электродами, на которые подай постоянное напряжение 40-50 кВ. Один электрод — в виде звезды с небольшими остриями — располагают над головой, другой — на изолирующей подставке под ногами. Образующиеся в зоне разряда (между электродами) ионы действуют на нервные окончания кожи и рецепторы слизистых оболочек при вдыхании ионизированного воздуха.

Посредством постоянного электрического тока в организм можно ввести через кожу или слизистые оболочки лекарственные вещества. Эта процедура называется лечебным электрофорезом.

Физик (добавляет). В медицинской практике широко применяются и три метода воздействия на ткани организма высокочастотным электрическим током: диатермия, дарсонвализация и индуктотермия. Поясню, что это такое.

При диатермии используется джоулево тепло, выделяющееся при прохождении по тканям организма высокочастотного тока (частота 1 — 2 МГц, сила тока 1 — 1,5 А) и вызывающее глубокое их прогревание. Степень его воздействия V находится в прямой зависимости от плотности тока на электродах и в обратной зависимости от удельной теплопроводности тканей. Этим методом лечат воспалительные заболевания мышц, периферической нервной системы, суставов, иногда — болезни внутренних органов.

Дарсонвализация — это лечение импульсным током высокой (~ 500 кГц) частоты, малой силы, но высокого напряжения (порядка нескольких киловольт). Метод предложен французским ученым Ж.А.Д'Арсонвалем в 1891 г.; вошел же он в медицинскую практику в начале XX столетия. При дарсонвализации используется воздействие через кожу и доступные слизистые оболочки слабого высокочастотного импульсного разряда, который образуется между поверхностью тела и специальным электродом в виде фигурного стеклянного баллона с разреженным воздухом. Ток не вызывает теплового эффекта в тканях. Этим методом лечат неврозы, местные нарушения питания каких-либо очагов (например, обмороженных мест, трофических язв).

При индуктотермии ткани организма подвергают действию высокочастотного (10—15 МГц) Магнитного поля, которое создается высокочастотным током в катушке. Катушка устроена так, что ее витки охватывают больную область тела. Переменное магнитное поле вызывает в тканях вихревые электрические токи, энергия которых переходит в теплоту. Так можно лечить преимущественно токопроводящие ткани, содержащие растворы электролитов: в них хорошо образуются вихревые токи. Расчеты показывают, что выделяющееся количество теплоты пропорционально электропроводности ткани, квадрату частоты и квадрату магнитной индукции поля. Этим методом лечат острые процессы: пневмонию, спайки, переломы.

Голос-14. Как-то в поликлинике я слышал, как одна женщина рассказывала, что принимала в физиотерапевтическом кабинете процедуры, которые назывались «гальванизация». Они ей помогли при болях в коленном суставе. Нельзя ли рассказать об этом виде лечения?

Физик. Да, есть такая электротермическая процедура. Это лечение постоянным током небольшой силы и напряжения. Им, действительно, борются с разного вида артритами (воспалительными процессами в суставах) и заболеваниями периферической нервной системы, например радикулитом. Иногда используют этот метод в сочетании с воздействием ВЧ магнитного поля; такое «гибридное» лечение ,, называется гальваноиндуктотермией.

Голос-15. Мой вопрос к врачу. Скажите, пожалуйста, используются ли в лечебной практике электрические токи, создаваемые в самом организме?

Медик. Все вы. конечно, слышали об аппарате доктора Илизарова и его методе, применяемом для лечения переломов костей. Этот метод основан на том, что деформация кости сопровождается возникновением электрического поля (напряженностью ~ 0,5 В/см). При растягивании кости поверхность заряжается положительно, при сжатии — отрицательно. Данные клинических наблюдений показывают, что это способствует тому, что при длительных деформациях, создаваемых с помощью специального аппарата, костная ткань «достраивается» на вогнутых участках вследствие притока положительных ионов кальция и разрушается на выпуклых.

Голос-16. Я знаю, что сейчас медики имеют возможность осматривать в буквальном смысле слова некоторые внутренние органы. Думаю, что эту возможность им предоставили физики. Хотелось бы узнать: на каких явлениях основан метод визуального исследования труднодоступных внутренних органов?

Физик. Да, вы правы: этот метод — дело рук физиков и медицинских инженеров. Для осмотра носоглотки, трахеи, бронхов, желудка и других органов применяют эндоскопы, в которых используется волоконная оптика. В них находится до нескольких тысяч тончайших стекловолокон толщиной до 10 мкм, скрепленных на концах, благодаря чему обеспечивается большая площадь обзора и гибкость кабеля. Распространение света по нему основано на явлении полного отражения, поэтому информация получается четкой, не искаженной даже при значительной длине и сгибании световода. Такие приборы помогают и останавливать кровотечения, целенаправленно вводить лекарственные вещества.

Голос-17. Какие еще новые физические инструменты использует современная медицина?

Врач. Сегодня очень широко применяются лазеры. Начало положила глазная хирургия. Одна из самых тяжелых глазных болезней — это отслоение сетчатки от внутренней задней стенки глазного яблока. С помощью лазера бесконтактным способом удалось «приварить» отслоившуюся сетчатку подобно тому, как скрепляются точечной сваркой листы железа. Лазер обеспечивает невероятно высокую плотность энергии, которую можно к тому же сконцентрировать в пятнышке диаметром 1/50 толщины человеческого волоса, а именно это требуется в такой «тонкой» области, как глазная хирургия.

Лазеры используют также в микрохирургии и для заживления небольших кровоточащих участков в труднодоступных местах, например при лечении острых гастритов и язв желудка. В ходе операционной процедуры вначале погружают в желудок эндоскоп; когда найден кровоточащий участок, лазерную вспышку направляют на него; она прижигает рану. Это очень быстрая процедура, а результат ее весьма надежен. Некоторые виды раковых заболеваний также оперируют с помощью лазеров.

У хирургов сегодня также есть на вооружении плазменный скальпель. Высокотемпературная плазма расплавляет больные ткани, а также осушает их, коагулирует и обеззараживает. Применяется такой метод при операциях на печени и селезенке, где возникшие кровотечения наиболее опасны; данный же метод позволяет этих опасностей избежать.

Ведущий. Ребята! Сегодня мы смогли выяснить довольно большой круг вопросов, касающихся применений физических методов в медицине, и в этом я вижу ощутимую пользу.

Мне остается поблагодарить наших гостей — врачей, медиков, физиков, любезно согласившихся принять участие в разговоре и прояснивших нам физические основы диагностики и лечения многих заболеваний.