Механизмы реагирования организма человека на физические воздействия. Предпосылки к созданию физиотерапевтических аппаратов


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




            Д.В. БЕЛИК, К.Д. БЕЛИК



МЕХАНИЗМЫ РЕАГИРОВАНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА НА ФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ФИЗИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ





                АППАРАТОВ





Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия










НОВОСИБИРСК
2011

УДК 615.8-7(075.8)
      Б 432

Рецензенты:



Л.И. Лисицына, д-р техн. наук, проф.; Н.В. Голышев, д-р техн. наук, проф.




      Белик Д.В.

Б 432 Механизмы реагирования организма человека на физические воздействия. Предпосылки к созданию физиотерапевтических аппаратов : учеб. пособие // Д.В. Белик, К.Д. Белик. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011.- 154 с.


         ISBN978-5-7782-1755-3


          В учебном пособии рассмотрены свойства биотканей при воздействии на них различных физических факторов, принципы контрактивного регулирования центральной нервной системы (ЦНС) и систем организма на физиовоздействие, что позволяет понять принципы, на основе которых определяются параметры физиотерапетических аппаратов, применяемых в клинической медицине.
          Пособие предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по направлению «Биотехнические системы и технологии.




Работа подготовлена на кафедре ССОД




УДК 615.8-7(075.8)





ISBN 978-5-7782-1755-3

                     © Белик Д.В., Белик К.Д., 2011
© Новосибирский государственный

технический университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................5

ГЛАВА 1. РЕЦЕПТОРНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА........................................10

  1.1. Трансформация энергии раздражения.....................
  1.2. Механорецепторы.......................................
  1.3. Звуковые механорецепторы..............................
  1.4. Хеморецепторы.........................................
  1.5. Фоторецепторы.........................................
  1.6. Терморецепторы........................................
  1.7. Внутренние рецепторы..................................
  1.8. Ноцицепторы (болевые рецепторы).......................
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА.....................................................

12
16
18
23
26
31
36
41

43

  2.1. Электромагнитные свойства биотканей.......................43
  2.2. Распространение электромагнитной энергии в биотканях......48
  2.3. Резонансные явления в биотканях...........................53

  2.4. Взаимодействие электромагнитных полей и излучений диапазона радиочастот с биотканями и организмом в целом.........59
  2.5. Механизмы физического взаимодействия излучений
     оптического диапазона с биотканями. Фотобиологические процессы в биотканях.........................................69
  2.6. Механизмы физического взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Фотофизические и фотобиологические процессы
     в биотканях. Факторно-рецепторная цепь преобразований........76
  2.7. Основные принципы физических преобразований в биотканях и рецепторного реагирования при информационном физиовоздействии. Уровни информационных рецепторных систем. Риски при информационных физиовоздействиях..............79
  2.8. Биоритмика ЦНС и организма в целом. Влияние космофизических биоритмических параметров на некоторые процессы в организме............................................84

3

ГЛАВА 3. МЕХАНИЗМЫ И ПРИНЦИПЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ О ФИЗИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ОТ РЕЦЕПТОРОВ К ЦЕНТРАМ РЕЦЕПТОРНОЙ РЕГУЛЯЦИИ....................................................88
  3.1. Управление переключением в канале передачи нервного импульса. Пространственное восприятие объекта раздражения.................................................89
  3.2. Физиологические и психофизические аспекты формирования пороговых реакций на физиовоздействия.......................94
ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМЫ КОНТРАКТИВНОГО РЕАГИРОВАНИЯ ЦНС И ДРУГИХ СИСТЕМ ОРГАНИЗМА НА ФИЗИОВОЗДЕЙСТВИЯ...............................108
  4.1. Условные и безусловные реакции организма на физиовоздействия........................................108
  4.2. Генерализованные реакции организма на физиовоздействие при превышении допустимых величин..........................112
  4.3. Адаптивные свойства организма..........................119
  4.4. Физиологическая защита организма при физиовоздействиях.122
  4.5. Физические и контрактивные реакции в биотканях и системах организма при воздействии на них магнитных полей. Фоновые магнитные поля. Магнитосенсорика............................124
  4.6. Особенности информационного воздействия на базе БОС-систем (систем с управлением по биологическому параметру).................................................136
  4.7. Электротехнические эквиваленты рецепторной системы организма..................................................142
Заключение....................................................147

Библиографический список.

148

ВВЕДЕНИЕ
   В учебном пособии осуществлена попытка более широко взглянуть на физические факторы, воздействующие на организм человека, его органы и системы. Очередной этап научно-технической эволюции, ее достижения позволяют при систематизации научных знаний сделать выводы, которые формируют новую точку зрения на окружающий человека мир. А он окружает человека самыми разными физиовоздействиями: электромагнитными, магнитными, гравитационными (в том числе их сочетаниями), которые через нейрогуморальные механизмы организма человека влияют на его текущее физиологическое состояние. Вопросы влияния на человека физических факторов будут рассматриваться в этой книге с учетом результатов предыдущих исследований в данной сфере.
   При определении основного механизма формирования лечебного эффекта в физиотерапии необходимо отметить важную роль в этом контрактивных реакций, формируемых организмом человека, в ответ на физиовоздействия внешней среды, характеристики которых отличаются от естественных фоновых. Контрактивные реакции организма являются гомеостатическими и вызывают электробиохимические сдвиги в организме, сопровождающиеся формированием электромагнитных излучений во внешней среде.
   На основе результатов проведенных исследований можно предположить, что существует баланс между энергетическими, частотными и фазовыми характеристиками физиовоздействия и контрактивных реакций. Границы значений этих характеристик для контрактивных реакций будут определяться индивидуальными особенностями организма, в том числе возрастом.
   При этом подавлению патологического процесса могут способствовать серии указанных контрактивных реакций, вызванных воздействиями физических факторов как непосредственно на рецепторы и рефлекторные зоны, так и на массивы клеток.
   Как костно-мышечная система человека противостоит внешним механическим воздействиям механически, так и контрактивный биоэлектрокинетический «скелет» противостоит внешним физическим

5

электрокинетический «скелет» противостоит внешним физическим воздействиям на основе электрохимических реакций.
   При наличии разнонаправленных обратных связей, обеспечивающих общую ответную реакцию организма, отдельные контрактивные реакции способны в итоге привести к формированию побочных по отношению к лечебному действию эффектов, которые могут иметь длительное (в том числе и отрицательное) действие на элементы организма. Негативные реакции наблюдаются и при долговременном воздействии на организм физических факторов, отличающихся по значению параметров от естественного уровня.
   Огромную регулирующую роль в формировании граничных значений параметров контрактивных процессов играет центральная нервная система (спинной мозг и кора головного мозга - ЦНС), где происходит сравнение значений параметров физиовоздействий, полученных из окружающей среды, и выработанных организмом контрответов в виде набора как электромагнитных по своей природе, так и преобразованных в электромагнитные: оптических, температурных, механических и химических сигналов, компенсирующих эти физиовоздействия. При нарушении элементов гомеостаза формирование необходимых контрактивных реакций возможно за счет изменения областей воздействия и изменения их энергетических характеристик.
   Выделяют следующие типы реакций организма на физиовоздействия:
   1) общие;
   2) специфические;
   3) информационные.
   Эти типы реакций обеспечиваются следующими уровнями реагирования центральной нервной системы:
   1) местный;
   2) сегментарный;
   3) общий.
   На базе такого подхода, который позволяет создать электрохимическую модель организма человека, являющуюся частью структур организма в целом, мы сможем по-новому взглянуть на физиовоздействия вокруг нас, оценить их влияние на органы и системы человека и рассмотреть диапазоны характеристик физиовоздействий, используемые при диагностике и лечении. Это также позволяет создавать технические системы, в том числе с обратными связями, для подавления патологических процессов органов и систем организма с помощью физиовоздействий.

6

   Охарактеризуем последствия физических воздействий разных групп физических факторов на организм в целом:
   1) бытовые и производственные;
   2)    естественные фоновые (с учетом влияния Земли, Луны, Солнца и других планет и звездных систем или галактик);
   3) пищевые;
   4) клинические диагностические и терапевтические;
   5) информационные.
   К первой группе относятся все технические системы, которые имеют место в деятельности человека. Максимально (количественно и энергетически) физические факторы воздействуют на жителей больших городов. При этом необходимо отметить, что насыщение города источниками различных воздействий приводит к возникновению пучностей электромагнитных и других излучений и их гармоник в определенных (но не учитываемых) точках пространства. По амплитуде физиовоздействия в этих точках превосходят фоновые излучения в десятки раз.
   Ко второй группе относятся естественные фоновые факторы, такие как изменения магнитного поля Земли, физические влияния Луны, планет солнечной системы, солнечной активности, их динамика. К естественным физиовоздействиям следует отнести и различные излучения, приходящие на Землю из космоса, как первичные, так и вторичные, обусловливаемые состоянием атмосферы, озоновой защиты, ее структурой в данных географических координатах.
   Особо необходимо сказать о физиовоздействиях в космическом пространстве, в том числе и о радиационном поясе вокруг Земли. В связи с тем, что космос изучается в основном с поверхности Земли, воздействие на организм неизвестных частиц и излучений, которые имеют малый уровень взаимодействия с объектами известной атомарной структуры, изученной человеком, могут иметь критические с точки зрения эпидемиологии последствия.
   К физическим факторам третьей группы относятся изменения экологической обстановки, прежде всего характеристик естественных сред: воды, воздуха (их чистоты, ионного состава) и потребляемой пищи. Их отклонения могут привести к длительному изменению контрактивных реакций организма человека и, как следствие, к изменению степени влияния на него физиовоздействий естественной и искусственной природы.

7

   Четвертая группа подразумевает применение физических факторов в лечебных и диагностических целях (физиотерапия, ЯМР-томография, рентгенодиагностика, ультразвуковые исследования, применение хирургических аппаратов контроля в реанимации и интенсивной терапии).
   К пятой группе относятся информационные физиовоздействия, которые при их использовании в малых энергетических дозах вследствии того, что организм имеет большой запас электролитической (химической) энергии и находится в предпороговом состоянии, могут запускать механизм подавления патологического процесса.
   Виды, сочетание и степень воздействий, которым подвергается человек на протяжении своей жизни, индивидуальны.
   В свою очередь сегодня в медицине используются почти все возможные виды физиовоздействий. При этом их характеристики нередко намного отличаются от естественных фоновых значений. Проводя лечение с использованием таких физиовоздействий, часто не задумываются о высокой степени риска формирования побочных (в том числе негативных) контрактивных реакций в организме.
   В связи с этим существует необходимость исследований используемых сегодня человеком физиовоздействий с целью определения допустимости и необходимости их применения в лечебной практике для формирования требуемых контрактивных реакций, не вызывающих отклонений в нормальной работе систем организма, включая отдаленный период.
   Материалы обо всем этом, в том числе об особенностях построения физиотерапевтических технически систем для использования в лечебной практике, авторы представили и проанализировали в данном учебном пособии, обобщив результаты многочисленных исследований в области физиовоздействий на органы и системы организма человека.
   Пособие состоит из четырех глав.
   Глава 1. Рецепторные системы организма человека.
   Глава 2. Физические свойства биотканей организма человека.
   Глава 3. Механизмы и принципы передачи информации о физическом воздействии от рецепторов к центрам рецепторной регуляции.
   Глава 4. Принципы и механизмы контрактивного реагирования ЦНС и других систем организма на физиовоздействия.
   Данная структура учебного пособия позволяет проследить условную схему восприятия рецепторами, органами и системами организма

8

человека физиовоздействий с учетом энергетического уровня и характеристик.
   Изучение параметров рецепторных систем и вариантов реагирования на физиовоздействия, химических и электрических процессов, происходящих в результате этих воздействий, реакции организма как физиологического объекта и физического объекта на электрические сегменты, возбуждаемые рецепторными системами и определяющие «следовые» лечебные действия, и при прямом попадании этих сигналов на конкретный орган, и через центральную нервную систему, позволяет более ценно понять механизмы физиотерапии с анализом некоторых конкретных методик.
   При превышении уровня таких воздействий организм должен «блокировать» это превышение до определенного уровня, за которым может наступать деструкция рецептора, биотканей и органа в целом.
   Контрактивные, блокирующие физиовоздействия в виде электрического сигнала, некорректные для организма, работающие по обратной схеме, вырабатываются организмом в ущерб состоянию самого организма, что нередко приводит к заболеваниям, которые можно оценить как последствия самого физиовоздействия, его фазовых характеристик и его длительности.
   Авторы надеются, что учебное пособие будет полезным для студентов направления «Биотехнические системы и технологии», для специалистов, работающих в области создания подобных технических систем и приборов, а также для медицинских работников, использующих их в медицинской практике.

        ГЛАВА 1. РЕЦЕПТОРНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

   Как известно, живые организмы функционируют в условиях постоянно изменяющейся внешней среды, и основой выживания является наличие у них способности реагировать на изменения последней соответствующей перестройкой своей жизнедеятельности, позволяющей определить и захватить пищевые вещества, избежать повреждения, осуществить воспроизводство новых организмов и т. д. Начальным звеном во всех этих реакциях, обеспечиваемых у многоклеточных организмов в первую очередь деятельностью нервной системы, является превращение внешнего воздействия (обозначаемого обычно как раздражение, или стимул) в определенный физиологический процесс, который содержит в себе информацию об этом воздействии.
   Раздражение может заключаться в действии на организм самых различных видов энергии (механической, тепловой, химической, гравитационной, электрической, электромагнитной); в организме же сведения об этом действии передаются одним и тем же механизмом -сигнальной деятельностью нервных клеток; трансформация внешней энергии в эту деятельность обеспечивается рецепторами внешних раздражений.
   Рецепторы обладают свойством не только отмечать сам факт действия раздражителя, но и отражать определенные характеристики последнего, осуществляя таким образом функцию перекодирования характеристик воздействующего фактора в виде, характерном для проводящих и рефлекторных (аналитических) систем организма. Этот процесс кодирования, передачи и обработки информации о внешних раздражениях обозначается как сенсорная (афферентная) деятельность организма, а структуры, его осуществляющие, - как чувствительные (сенсорные, афферентные) системы. Он является, очевидно, тем биофизическим процессом, который должен быть рассмотрен в первую очередь при жизнедеятельности организмов как сложных биофизических систем.

10

   Согласно данным физиологов, на 1 см² кожи приходится 115 окончаний свободного типа, по 15 колб Краузе и 1.. .2 тельца Руффини, помимо других форм окончаний, в числе которых 6.12 холодовых точек и 0,7.. .0,9 тепловых точек при очень неравномерном их распределении.
   Процессы, происходящие во внешней среде наряду с ответными реакциями систем организма на фоне единства физики этих систем, определяют динамические процессы, происходящие в организме. В связи с преобладанием энергии и количества вещества внешней среды ее физические факторы являются преимущественно определяющими динамическое состояние системы организм-внешняя среда.
   По типу максимальной реакции на определенные виды физиовоздействия все рецепторы могут быть разделены на механо-, термо-, хе-мо- и фоторецепторы, а также электрорецепторы. Хотя такое разделение довольно условно, в дальнейших наших рассуждениях мы будем исходить из этого представления и рассматривать процессы, происходящие в рецепторной системе, на примерах рецепторов, входящих в эти системы.
   Таким образом, в общем виде функционально-рецепторная система представляет собой систему по трансформации внешних физических воздействий, формированию адекватного воздействия электрического сигнала (рецепторный потенциал) и его передачу в сенсорные и аналитические области головного мозга и центры регуляции.
   Следовательно, являясь включенными в цепь нервной регуляции, рецепторы представляют собой физиологические структуры, работа которых построена на формировании и передаче биоэлектрических импульсов.
   В связи с этим утверждением рассмотрим электрические функции и свойства клеточной системы рецептора.
   Возбудимые клетки рецепторов окружены плазматической мембраной, главная функция которой состоит в управлении переходом веществ (ионов и молекул) в клетку и из нее. Электрические свойства клеток определяются ионным поведением мембраны. Толщина мембраны составляет около 75 А. Когда клетка находится в состоянии покоя, между внутренней и наружной поверхностями регистрируется разность потенциалов порядка 0,1 В. В нерве и мышце электрическая активация связана с движением ионов натрия и калия (и других) сквозь мембрану этой клетки.
   Неравенство концентраций ионов во внутри- и внеклеточном пространстве вызывает диффузию ионов от области высокой концентра

11

ции. Поскольку ионы несут электрические заряды, а мембрана характеризуется определенной электрической емкостью, заряды накапливаются, приводя к возникновению разности потенциалов на мембране. Эта разность потенциалов создает в толще мембраны электрическое поле, которое в свою очередь порождает силы, действующие на все заряженные частицы внутри мембраны. Следовательно, любое количественное описание потока ионов через мембрану должно учитывать, по крайней мере, силы диффузии и силы, создаваемые электрическим полем.
   Плотность электрического тока в электролите, возникающего в результате движения иона под действием электрического поля напряженностью Ё = -УФ, равна
1Р = - uₚ\Zₚ\CₚF УФ,               (1.1)
где иР - разность потенциалов на мембране, Zₚ - импеданс ткани мембраны, СР - электрическая емкость мембраны, F УФ- величина, характеризующая поток ионов через мембрану.
   Ток Jₚ обусловлен исключительно электрическим полем. Это выражение связывает феноменологическое свойство проводимости с лежащим в ее основе физическим поведением молекул (пороговое значение реагирования).

        1.1. Трансформация энергии раздражения

   Трансформация и передача внешних раздражений в рецепторный слой должна быть рассмотрена более подробно.
   Согласно отмеченному выше, первичным звеном в деятельности любой сенсорной системы является трансформация энергии раздражения (стимула) в распространяющийся сигнал - нервный импульс. Рецепторные структуры, в которых происходит эта трансформация, оказываются приспособленными к реагированию на раздражения определенного рода, которые обозначаются как адекватные для данных рецепторов. Однако эта приспособленность не является абсолютной, и в некоторой степени рецепторы могут активироваться и неадекватными стимулами. Специализация рецепторов определяется наличием у них особых механизмов, позволяющих реагировать на очень слабые адекватные раздражители; чувствительность при этом может достигать в некоторых случаях практически предельно возможной по физическим законам величины.

12