Проектирование медицинских измерительных преобразователей. Часть 1. Фундаментальные свойства живого

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

Ю.Н. Орлов  
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
МЕДИЦИНСКИХ  
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 
 
Часть 1 
 
Фундаментальные свойства живого 
 
 
Рекомендовано НУК РЛМ МГТУ им. Н.Э. Баумана  
в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов, 
 обучающихся по направлениям подготовки «Биомедицинская техника», 
«Биомедицинская инженерия», «Радиотехника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 1 1  

 

УДК 615.478.6(075.8) 
ББК 53.4+34.7 
О-66 
Рецензенты: Н.Н. Блинов, В.М. Власова, Г.И. Семикин 

 
Орлов, Ю.Н. 
  
 
      Проектирование медицинских измерительных преобразователей : учеб. пособие. — Ч. 1: Фундаментальные свойства живого / Ю.Н. Орлов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 
— 81, [3] с. : ил.  
 
В учебном пособии рассматриваются структурно-функциональ- 
ные характеристики биологических объектов, знание которых оказывается необходимым при разработке средств измерения и методик 
обследования на крайне низких частотах, крайне высоких частотах, в 
оптическом диапазоне частот. Описываются физические принципы, 
характеристики и основы проектирования измерительных преобразователей, входящих в состав медицинских приборов, анализируются 
следующие понятия: строение вещества; структура и определения 
живого; время, собственное время, биологические ритмы.  
Для студентов старших курсов, слушателей факультетов повышения квалификации и аспирантов специальностей «Биомедицинские 
технические аппараты и системы», «Инженерное дело в медикобиологической практике», «Радиотехнические системы».  

УДК 615.478.6(075.8) 
ББК 53.4+34.7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

О-66 

ВЕДЕНИЕ 

Любая биотехническая система диагностического типа содержит 
в своем составе измерительный преобразователь. Измерительный 
преобразователь — это техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой физической величины в другую величину, или в измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших 
преобразований, индикации или передачи (рис. 1).  
Например, биоэлектрический электрод является измерительным преобразователем при измерении биоэлектрических потенциалов. Стандартный биоэлектрический электрод обладает заданной стабильностью собственных электрохимических потенциалов 
и преобразует ионные токи биообъекта в электронный выходной 
ток, который наиболее удобен для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.  
 
Рис. 1. Входная цепь медицинского прибора:  
БО — биообъект; ИП — измерительный преобразователь; F1 — входной сигнал; F2 — выходной 
сигнал измерительного преобразователя 
 
 

К исключительной особенности функционирования измерительного преобразователя относится непосредственное взаимодействие с биообъектом, при этом преобразователь выявляет и преобразует исследуемую форму энергии (электрическую, оптическую, 
тепловую и т. д.), генерируемую биообъектом. Поэтому проектирование измерительных преобразователей, используемых в медицинских приборах, базируется на знании принципов, специфики 
работы и характеристик как технических систем, так и исследуемых биообъектов. Проектирование и эксплуатация медицинских 

измерительных преобразователей (как и других элементов биомедицинской техники) без достаточного владения информацией о 
биообъекте (о «живом», далее — без кавычек) обречено, таким 
образом, на неудачу.  
Биообъект обычно описывают как совокупность сложнофункционирующих соподчиненных элементов, классификацию которых осуществляют по структурному и функциональному признакам. Отрывать функции от соответствующих им структур при 
рассмотрении живого контрпродуктивно, поскольку усложнение и 
развитие структуры живого связано с усложнением и развитием 
функций. Однако на этапе анализа его основных определений допустимо рассматривать эти составляющие живого порознь.  
Таким образом, в соответствии со структурной классификацией можно выделить следующие уровни биообъекта: организм, системы, органы, ткани, клетки. Молекулярный структурный уровень 
(преимущественно уровень сложных органических молекул) относят, как правило, к материальной среде, в которой возник и развивается интересующий нас биообъект. 
Классификация биообъектов по функциональному признаку осложнена огромным разнообразием (сопровождаемым таким же огромным различием) характеристик отдельных представителей живого. Классификационная организация функциональных систем 
также сложна, поскольку функциональные системы включают в себя совокупность различных структур живого, каждая из которых 
обладает специфическими и далеко не простыми характеристиками.  
Элементы структурных уровней, обеспечивающие реализацию 
особого набора функций, называются живыми (например, клетка как 
элемент соответствующего структурного уровня живого мира — живая). Перечисление и отбор такого особого набора функций живого 
осуществляется заинтересованным исследователем и поэтому объективно представляет собой сложную методическую задачу.  
Живое в его разнообразных проявлениях считают высшим 
структурно-функциональным этапом развития материи. Значительные различия в условиях существования живого, связанные с 
ареалом обитания, особенностями внешней среды, с необходимыми функциями, обеспечивающими жизнедеятельность живого, его 
эволюционным уровнем и др., позволяют говорить о многообразии 
живого, о живом как о множестве, о живом как о системе.  

Что же такое — живое? Как дать определение живому, как установить принадлежность той или иной структуры к этой категории материи, на каком структурном уровне сложнофункционирующей живой системы это самое живое заканчивается? Ответы 
на эти вопросы представляют интерес не только для биологов. Понимание живой сущности (или живого объекта) является важным 
и для специалистов в области медицинской техники и медицинских технологий.  
Вероятно, некоторые ответы на поставленные вопросы могут 
быть найдены при анализе современных физических представлений о строении материи, структурно-функциональных особенностях различных структурных уровней, стабильности и самовоспроизводстве элементов вещества. Проведение данного анализа 
будет плодотворным на фоне сопоставлений изучаемого объекта 
со структурно-функциональными особенностями известных, заведомо живых (биологических) структур. Возможно, сформулированное в этом случае определение живого может получить новое, 
непривычное звучание. Наша цель — найти надежные, неоспоримые критерии соответствия рассматриваемого объекта живой 
структуре. Поиск этих критериев — одна из основных задач первой части учебного пособия. Наличие убедительных и достоверных критериев в определении живого создаст предпосылки для 
системной разработки диагностической медицинской техники и в 
первую очередь медицинских измерительных преобразователей.  

1. ВЕЩЕСТВО И ЕГО ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА 

Окружающий нас материальный мир представляет собой совокупность структурных уровней вещества (фундаментальных частиц 
и переносчиков взаимодействий, ядер и элементарных частиц, атомов, молекул, собственно вещества) и энергии движения на всех 
структурных уровнях вещества. Различные виды и формы движения 
приводят к преобразованию энергии и излучению электромагнитных волн в диапазоне от крайне низких частот (на макроуровне) до 
радиочастотного, оптического, рентгеновского и гамма-излучения 
(на микроуровне). 

Движение на всех структурных уровнях вещества (от механического на макроуровне до ядерных процессов на микроуровне), усиливаемое нестабильностью ряда элементарных частиц, 
обеспечивает возможность преобразования объектов материального мира.  
Относительная устойчивость (тождественность) сохраняющегося и самовоспроизводящегося материального мира поддерживается стабильностью (устойчивостью, неизменностью) фундаментальных частиц и переносчиков взаимодействий, энергией 
фундаментальных взаимодействий, дискретностью энергетических 
уровней электронов и квантованностью электронных переходов, 
закономерностями молекулярного уровня (валентностью и др.), 
тождественным самовоспроизводством организменного уровня. 

1.1. Элементы и структурные уровни вещества 

Материя — это совокупность вещества и поля (энергии). Вещество состоит из молекул (наименьших составных структур химического соединения), молекулы — из атомов (наименьших 
структурных единиц химических элементов), атомы включают в 
свой состав ядра, группу элементарных частиц, фундаментальных 
частиц и переносчиков взаимодействий (рис. 2). 
В качестве примера вещества рассмотрим основное вещество 
Земли — земную кору, почти на 99 % состоящую из девяти химических элементов: кислорода — 48,4 %, кремния — 27,4 %, алюминия — 7,25 %, железа — 5 %, кальция — 3,5 %, натрия — 2,6 %, 
калия — 2,5 %, магния — 2,0 %, водорода — 1,0 %. Масса остальных элементов составляет в коре менее 1 %.  
Наименьшей корпускулярной частицей любого вещества, определяющей его физико-химические свойства, является атомное ядро. 
Ядро характеризуется очень высокой плотностью (около 1017 кг/м3), 
составляет 99,9 % всей массы атома и занимает ничтожно малую 
часть объема атома. Размеры атомных ядер характеризуются значениями, примерно равными 10–14…10–15 м (размеры атома при этом 
составляют около 10–10 м). 
Ядро атома состоит из элементарных частиц — протонов и 
нейтронов. Протон ( р) имеет положительный заряд, равный заряду 

электрона (e), и массу покоя mp = 1,6726⋅10–27 кг ≈ 1836 те, где  
те — масса электрона. Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой покоя тп = 1,6749⋅10–27 кг ≈ 1839 те. Протоны и нейтроны называют нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре — массовое число А. 
 

 
 

Рис.  2. Структурные уровни материи 

 
Атомное ядро характеризуется зарядовым числом, равным числу протонов в ядре и совпадающим с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Д.И. Менде- 
леева. Заряд ядра обусловливает совокупность свойств (преиму- 
щественно — химических) данного элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию электронных оболочек, характер внутриатомного электрического поля и т. д. 

Ядро символически обозначается так же, как и нейтральный 
атом: 
X,
A
Z
 где X — символ химического элемента, А — массовое 
число (число нуклонов в ядре), Z — атомный номер, или зарядовое 
число (число протонов в ядре).  
Ядра одинаковых веществ могут различаться массовым числом 
А, зарядовым числом Z, либо тем и другим. Ядра с одинаковыми Z, 
но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N = A – Z) называются изотопами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа: 

1
1 H  — протий (Z = 1, N = 0), 2
1 H  — дейтерий (Z = 1, N = 1), 3
1 H  — 
тритий (Z = 1, N = 2), олово — десять и т.  д. Изотопы одного и 
того же химического элемента, обладая одинаковой структурой 
электронных оболочек, имеют в большинстве случаев схожие 
химические характеристики, но различающиеся физические характеристики. Большинство природных веществ состоит из смеси 
изотопов, различающихся числом нейтронов в ядре.  
Ядра с одинаковым массовым числом А, но разным зарядовым 
числом Z называются изобарами. Примерами ядер-изобар могут 
служить ядра углерода 10
6 C,  бериллия 10
4 Be  и 10
5Be.   
Общее название атомных ядер, различающихся параметрами  
Z и А, — нуклиды. 
Представление о неизменных свойствах (стабильности) вещества, начиная с ядерного уровня, строго говоря, является 
ошибочным. С течением времени состав многих структурных 
единиц вещества претерпевает изменения. Вероятно, изотопный 
состав вещества на уровне ядер и атомов в числе других факторов изначально ответствен за программу дальнейшего изменения вещества.  
Таким образом, ядро — это центральная структура атома, являющегося носителем химических свойств вещества. Характеристики вещества на ядерном уровне будут далее определять свойства более высокоорганизованных структурных уровней — атомных, 
молекулярных и т. д. 
К другим микрочастицам нижнего структурного уровня вещества относят элементарные, но составные частицы — адроны 
(барионы, мезоны, резонансные частицы и др.). В основе строения адронов лежат истинно неделимые элементарные (фундаментальные) частицы — кварки. Кварки в свободной (несвязанной) 

форме не обнаружены, они удерживаются единым блоком с помощью сети частиц-глюонов (от англ. glue — приклеивать, быть 
неотлучно).  
Самый нижний структурный уровень вещества — это лептоны 
(электроны, мюоны, нейтрино и др.) и переносчики взаимодействий (бозоны, глюоны и фотоны).  
Массы некоторых элементарных частиц определены следующим 
образом: масса электрона те составляет примерно 0,91⋅10–30 кг, масса 
электронного нейтрино υ — менее 10–35 кг. Масса покоя переносчиков взаимодействия (фотонов и глюонов) на современном уровне техники не определяется и считается равной нулю.  
Атом является составной структурой. Вокруг атомного ядра на 
большом удалении от него происходит движение электронов, образующее электронные орбитали. Атом электрически нейтрален. 
Количество атомов в молекулах — от двух до сотен тысяч (в биополимерах). 
Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая конкретными химическими свойствами и состоящая из одинаковых  
(в простом веществе) или разных (в химическом соединении) атомов, объединенных химическими связями. Объединенные связями 
молекулы образуют в конечном итоге вещество.  
Ядра, атомы и молекулы вещества находятся в непрерывном 
движении — поступательном, вращательном, колебательном движении ядер. Устойчивость молекул определяется энергией связи 
атомов, входящих в их состав. При внешнем воздействии (изменении радиации, температуры, влажности и т. д.) вещество может 
распадаться и будет продолжать существовать в виде одиночных 
ионов или атомов. Например, соль NaCl в растворителе (воде) диссоциирует на хлор и натрий. Энергия диссоциации, отражающая 
способность к распаду, является важной характеристикой стабильности вещества. При возвращении к исходному состоянию одиночные атомы могут опять объединиться в молекулу (натрий и 
хлор объединяются в соль NaCl).  
Развитие (движение) материи и энергии в направлении «фундаментальные частицы, переносчики взаимодействий → ядра → 
→ атомы → молекулы → вещество» — это генеральный вектор 
развития веществ на Земле с момента ее возникновения. По этому 
закону возникали газы, вода и растворы, минералы и т. д. (Термин 

«движение» следует в данном контексте понимать расширительно: 
это физико-химические процессы, протекающие на всех структурных уровня вещества, т. е. ядерные реакции, атомно-молекулярные 
(химические) реакции, обменные процессы и т. д.) Движение материи, сопряженное с превращениями вещества, проявляется на 
всех этапах его существования — при образовании сложных соединений и веществ, их дальнейшей трансформации, сопровождаемой деградацией до более простых соединений, и на конечном 
этапе — до химических элементов. 
В качестве примера превращения вещества рассмотрим динамику свойств основного вещества Земли — земной коры, составляющей до 80 % массы Земли. Казалось бы, что может быть крепче, надежней и стабильней, чем земная твердь? Однако состояние 
стабильности отмечается лишь при ограниченном времени наблюдения. В течение длительного времени земная кора претерпевает 
существенные превращения. 
Преобладающий компонент коры континентов, породообразующий минерал Земли — это гранит. Гранит — магматическая 
горная порода, появляющаяся в результате геотермической глубинной деятельности, протекающей в ядре Земли под влиянием 
радиоактивного разогрева и высокого давления. Считается, что 
жидкое ядро Земли разогрето примерно до 5000 °С. Мощность 
внутреннего источника тепла Земли составляет около 30…40 ТВт, 
из них 20…25 ТВт реализуется за счет ядерных процессов. Эти 
процессы приводят к расплаву глубинного субстрата, магматическим, вулканическим (породообразующим) процессам в глубине, а 
затем и в приповерхностных слоях Земли.  
В отличие от магматических пород, аналоги которых распространены на Луне и планетах земной группы, граниты встречаются только на Земле. Гранит — одна из самых плотных, твердых и прочных пород, имеет низкое водопоглощение и высокую 
устойчивость к морозу и загрязнениям, что определило широкое 
применение гранита в строительстве в качестве облицовочного 
материала, для мощения и отделки как внутри помещения, так и 
снаружи. Однако следует иметь в виду, что у гранита более высокий радиационный фон (вспомним его происхождение), в связи с чем не рекомендуется облицовывать гранитом жилые помещения.