- •Колебания, волны, звук
- •Физические основы гемодинамики
- •Физический смысл градиента скорости:
- •Величина градиента давления зависит:
- •Моделирование. Механическая и электрическая модели кровообращения
- •Методы определения скорости кровотока
- •Способы измерения давления крови
- •Медицинская электроника
- •Диагностические электронные системы
- •Классификация усми
- •Геометрическая оптика. Фотометрия. Фотоэффект
- •Законы отражения
- •I закон: Луч падающий, перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред в точке падения, и луч отраженный лежат в одной плоскости.
- •Законы преломления
- •I закон: Луч падающий, перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред в точке падения, и преломленный луч лежат в одной плоскости.
- •I I закон: Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды относительно первой:
- •Микроскоп
- •Оптическая система глаза
- •Недостатки оптической системы глаза и их устранение
- •Фотометрия. Фотоэффект
- •Первый закон освещенности:
- •Второй закон освещенности:
- •Фотоэффект
- •I закон: Фототок насыщения j (т.Е. Максимальное число электронов, освобождаемых светом в 1с) прямо пропорционален световому потоку ф.
- •II закон: Скорость фотоэлектронов пропорционально возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.
- •Волновая оптика
- •Разрешающая способность оптических систем
- •Способы уменьшения предела разрешения
- •Электронный микроскоп
- •Поляризация света
- •Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей
- •Способы получения поляризованного света.
- •Механизм оптического излучения. Оптические квантовые генераторы
- •Факторы действия:
- •Эффект биологического действия лучей лазера зависит:
- •Рентгеновское излучение
- •При этом могут возникнуть три случая взаимодействия.
- •Ядро атома. Радиоактивность
- •Основные свойства ядерных сил:
- •Дозиметрия ионизирующего излучения
- •Материя и движение. Современные взгляды на природу вещества и поля
- •Моделирование. Вероятностные методы диагностики
- •Моделирование состоит из следующих стадий:
- •Медицинская диагностика и возможности её автоматизации
- •Вероятностные методы диагностики
- •Структурные основы функционирования мембран
- •Основные этапы работы атф-азы:
- •Электрогенез биопотенциалов
- •1. Диффузный потенциал Δφд.
- •2. Равновесный мембранный потенциал Δφм(р).
- •Активно-возбудимые среды
- •Биофизика мышечного сокращения
- •Активные и пассивные электрические свойства органов и тканей
- •Современные методы обработки информации количественные показатели в биологии и медицине
- •Элементы теории вероятности
- •Распределение Максвелла
- •Распределение Больцмана
- •Нормальный закон распределения
- •Элементы высшей математики
- •Производная от функции в данной точке
- •Некоторые правила нахождения производных
- •Производные второго и высших порядков
- •Возрастание и убывание функции
- •Дифференциал функции
- •Некоторые свойства дифференциала
- •Неопределенный интеграл
- •Основные свойства неопределенного интеграла
- •Основные методы интегрирования
- •Определенный интеграл
- •Некоторые свойства определенного интеграла
- •Техника вычисления определенного интеграла
- •Дифференциальные уравнения
- •Дифференциальные уравнения с разделенными и разделяющимися переменными
- •Задачи на составление дифференциального уравнения
- •Кибернетика и информатика
- •Основные направления медицинской кибернетики:
- •Использование теории информации в биологии и медицине:
- •Основы вычислительной техники
- •К центральным устройствам относятся:
- •Программное обеспечение эвм
- •Примеры простейших программ:
- •Техника электробезопасности при работе с электронными медицинскими системами
- •Классы защиты условной безопасности
Вероятностные методы диагностики
Вероятностные методы диагностики наиболее разработаны. Они основаны на формуле Байеса:
P(Di/S) = (P(Di)*P(S/Di))/(P(S)
Пусть оцениваются два диагноза: D1 - рак легкого, D2 - пневмония и пусть у больного имеется комплекс симптомов S (S1,S2, S3,...,Sn). Тогда по формуле Байеса:
P(D1/S) = (P(D1)*P(S/D1))/P(S), P(D2/S) = (P(D2)*P(S/D2))/P(S)
P(D1/S), P(D2/S) - вероятность данного заболевания при наличии симптомокомплекса S и при независимости симптомов S1, S 2, S 3, …, S I, …,S n
В формуле Байеса кроме условной вероятности входит P(Di), которую называют АПРИОРНОЙ ВЕРОЯТНОСТЬЮ некоторого заболевания Di. Она характеризует распространенность заболевания в данной группе населения. Априорной она называется потому, что уже известна до получения симптомокомплекса данного больного. Смысл ее состоит в том, что P(Di) не постоянна и зависит от географических, сезонных, эпидемиологических и других факторов, которые должны быть учтены при постановке диагноза.
P(Di) = mi/n
m - число больных с данным заболеванием, n! - общее число обследованных больных, P(S / Di) - называется условной вероятностью данного симптомокомплекса при заболевании Di.
P(S / Di) = P(S1/D1) * P(S2/D1) * P(S3/D1) * ...
где P(S1/D1), P(S2/D1), ...- условные вероятности отдельных симптомов, по отношению к данному диагнозу и находятся в медицинской памяти, содержащейся в ЭВМ. Они могут быть определены статистически, а медицинскую память можно представить в виде матрицы.
Знаменатель формулы представляет полную вероятность наличия симптомокомплекса при всех болезнях, т.е. сумма произведений априорной вероятности каждой из болезней на условную вероятность симптомокомплекса при каждой из этих болезней
P(S) = ∑[P(Di)*P(S/Di)]
Он входит в формулу Байеса для нормировки, т.е. чтобы получающиеся вероятности были выражены в процентах. Болезнь, имеющая наибольшую вероятность, при наличии данного симптомокомплекса и будет рассматриваться как искомый диагноз.
Структурные основы функционирования мембран
Важнейшие физические и физико-химические функции клетки проявляются в метаболизме и биосинтезе, в биоэнергитических процессах запаса энергии и ее преобразовании при реализации электро- и механохимических процессов, а также регулируемого активного и пассивного транспорта веществ с сохранением автономности внутреннего устройства клетки. Для выполнения этих жизненно важных функций клетка отделена от внешней среды полупроницаемой плазматической мембраной. С точки зрения структуры мембрана представляет собой матрицу для мембранных ферментов, рецепторов и других компонентов, создающих барьерную функцию. Молекулы фосфолипидов состоят из полярной головки (П), в состав которой входит одно из полярных соединений (холин, этаноламин, серии и др.) и неполярного хвоста (Г), который содержит глицерин, жирные кислоты, фосфорную кислоту. Фосфолипидные молекулы обладают свойством амфифильности: полярная головка гидрофильна, т.е. смачивается водой (контактирует с водой), «хвост» является гидрофобным, т.е. не смачивается водой («боится воды»). По форме молекулы фосфолипидов представляют сплющенные цилиндры, 1/4 которых гидрофильна, а 3/4 гидрофобны. В водных растворах такие молекулы самособираются, стараясь спрятать от воды гидрофобные хвосты, и образуют двойной фосфолипидный слой - собственно основу мембраны. В этот слой встраиваются поверхностные (ПБ) и интегральные (ИБ) белки. Причем, поверхностные белки удерживаются электростатическими силами, а интегральные - прочными гидрофобными взаимодействиями. За счет этих белков частично или полностью осуществляются такие функции мембран, как проницаемость, транспорт веществ, генерация биопотенциалов и др. Перекисное окисление при свободном радикальном процессе одной из кислых цепей фосфолипидов или отщепление ее под действием фосфолипазы, приводит к сужению ее хвостовой части. Такие дефектные молекулы при сборке образуют не бислой, а сферические мицеллы. Оказываясь в составе мембраны, они образуют поры или каналы (К), через которые могут проникать вода и растворенные в ней вещества. В результате, мембрана частично теряет свои барьерные свойства. Поэтому перекисное окисление и действие фосфолипаз являются процессами, ответственными за повреждение мембран при ряде заболеваний. Из физических свойств мембраны следует отметить, что молекулы фосфолипидов испытывают боковое давление, обусловленное поверхностным натяжением на границе вода – липидная фаза. Это давление в норме определяет величину плотности упаковки в липидном слое. При изменении температуры, химического состава хвоста, заряда «головки», при патологических процессах, изменяется и плотность упаковки.
Различного вида исследования показали, что липидный бислой может находиться в двух состояниях:
1. Твердого двухмерного кристалла
2. Бимолекулярной жидкой пленки (жидкокристаллической).
В обоих состояниях сохраняется плотная гексагональная упаковка фосфолипидных молекул, однако плотность упаковки уменьшается при переходе к жидкой фазе. Жидкое и твердое состояние различается также по вязкости липидной фазы, растворимости различных веществ в ней. Будет ли состояние бислоя твердым или жидким, не вдаваясь в подробности, зависит от химического состава липидов, числа заряженных групп на поверхности мембраны, содержания воды и температуры. Проницаемость мембран для различных веществ, работа мембранных ферментов и рецепторов непосредственно зависит от физических свойств липидной фазы биологических мембран (поверхностного заряда и межфазного скачка потенциала).
Поверхностный заряд мембраны образуется заряженными фосфолипидами, которые создают на поверхности мембраны, преимущественно отрицательный заряд, стабилизирующий мембрану и клеточные элементы. В связи с этим мембраны напоминают плоско-параллельный конденсатор (электростатическая емкость).
C = (εε0S)/d
Толщина мембраны составляет (0,4 - 0,9) нм. Если е = 13, тогда величина этой емкости (0,5 - 1,3)10-2 нм на единичной площади. Вязкость мембраны на два порядка выше вязкости воды и составляет (30 - 100) МПа*с. Поверхностное натяжение мембраны (0,03 - 1,0) нН/м. Распределение электрического потенциала мембраны и ее границ можно считать важным фактором, определяющим скорость переноса веществ через мембрану.
Поскольку живая клетка, как термодинамическая система, обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией, то транспорт веществ через мембрану является неотъемлемым свойством существования клетки. Он обеспечивает биоэнергетику клетки (синтез АТФ), формирование специальных структур внутри клетки, осуществляет действие лекарственных веществ на цитоплазму, саму мембрану, ферментативные системы и рецепторы.
Различают два вида транспорта веществ: пассивный, когда частицы переносятся по градиенту без затрат энергии, и активный, требующий затрат химической энергии, которая освобождается при гидролизе АТФ.
По пути простой диффузии в клетке обеспечивается проницаемость мембран для 02 и СО2, большинства ядов и лекарственных веществ. Это самый медленный и мало управляемый процесс. Для переноса питательных веществ и необходимых для жизнедеятельности ионов эволюция выработала специальные белковые поры (каналы). Диффузия через поры происходит при возбуждении мембраны. В этом случае в ней открываются специальные каналы, через которые по градиенту устремляются потоки веществ и ионов.
Ряд веществ служит ионофорами - переносчиками катионов. К ним относится циклический антибиотик валиномицин (подвижный переносчик). Он представляет собой нейтральную молекулу с высокой поляризуемостью, образующую с ионами К+ сферические комплексы, которые снижают барьер для прохождения иона. Присоединяя ион К+, он транспортирует его внутрь клетки. На внутренней поверхности ионы К+ высвобождаются. Переносчик возвращается к наружной поверхности мембраны. Далее цикл повторяется. Вторым переносчиком является грамицидин, который образует в мембране полярную пору. Транспорт, облегченный образованием пор, имеет эстафетный характер - пора может быть образована несколькими последовательно расположенными молекулами, между которыми происходит передача иона. Ион может переноситься не одной, а сразу несколькими молекулами ионофора - это коллективный процесс.
Пассивный транспорт описывается уравнением Нернста - Планка.
Ф = -uRT(dC/dx) – ucZF(dφ/dx)
где: Ф - поток вещества,
u - подвижность иона, молекулы,
R - универсальная газовая постоянная,
Т - температура по шкале К0,
dC/dx - концентрационный градиент,
С - концентрация в молях,
Z - величина заряда иона,
F - число Фарадея,
dφ/dx - градиент потенциала.
В этом уравнении первое слагаемое определяет поток незаряженных частиц, второе - заряженных, знак « - » показывает, что суммарная плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения концентрации.
Для описания диффузии незаряженных частиц используют уравнение Фика:
Ф = -D(dC/dx)
В этом виде уравнение Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную площадь в случае, если не существует перегородки (мембраны), которая может затруднять перенос, где: D - коэффициент диффузии, dC/dx -градиент концентрации.
Для клеточной мембраны : dx = L - толщина мембраны, dC = Сi - Сe , где Сi и Сe - концентрация частиц внутри и снаружи клетки. В уравнение Фика для клетки добавляется коэффициент К (коэффициент распределения), который определяет соотношение концентрации частиц между средой и мембраной и в конечном итоге скорость переноса. Учитывая это, уравнение Фика для клеточной мембраны представляется в виде:
Ф = -((DK)/L)(Ce – Ci)
DK / L = Р - называют эффективным коэффициентом проницаемости, тогда Ф = - Р (Сe- Ci)
Мембраны обладают также селективной проницаемостью, т.е. различным коэффициентом проницаемости, который при простой диффузии определяется коэффициентом распределения К, а в случае облегченной диффузии - избирательностью канала и переносчика.
Хорошо известны четыре основные системы активного транспорта ионов в живой клетке: 1. Na+-K+, 2. Са++, 3. Н+, 4. Протонный (в дыхательной цепи митохондрий). Во всех случаях перенос ионов через мембрану производится за счет энергии гидролиза АТФ (специальными ферментами переносчиками), называемыми транспортными АТФ-азами. Мы рассмотрим только механизмы Na+-К+-АТФ-азы. Несмотря на значительные различия в структуре Na+-K+ и Са++- АТФ-аз, в механизме их осуществления много общего.
Ионы Na+ и К+ определяют водно-электролитный обмен организма. В норме в живых клетках животных существует асимметрия концентраций этих ионов внутри (i) и снаружи (е) клетки.
[К+]i > [К+]e
[Na+]i < [Na+]e
Клеточная мембрана одинаково проницаема для обоих ионов. Поэтому, для поддержания асимметрии осуществляется противо-градиентный перенос при помощи Na+-K+- АТФ-азы или Na+- K+ насоса (помпы), за счет энергии освобождающейся при гидролизе АТФ
ФТФ + HOH → АДФ + ФН + ΔG , где Ф - неорганический фосфат.