Історія виникнення медичної фізики

 Зародження медичної фізики

        Шляху розвитку медицини і фізики завжди були тісно переплетені між собою. Вже в глибокій древності медицина, нарівні з ліками, використала такі фізичні чинники, як механічні впливи, тепло, холод, звук, світло. Розглянемо основні способи використання цих чинників в древній медицині.

Приручивши вогонь, людина навчилася (звичайно ж, не відразу) використати вогонь в лікувальних цілях. Особливо добре це виходило у східних народів. Ще в древності лікуванню припіканням надавали дуже велике значення. У древніх медичних книгах говориться про те, що припікання виявляється дійовим навіть тоді, коли безсилі иглоукаливания і ліки. Коли саме виник такий метод лікування точно не встановлено. Але відомо, що він існував в Китаї з глибокої древності, і застосовувався ще в кам'яному віці для лікування людей і тварин. Використали вогонь для лікування тибетские ченці. Вони робили опік на санмингах - біологічних активних точках, що відповідають за ту або інакшу частину тіла. На пошкодженому місці інтенсивно йшов процес загоєння, і вважалося, що з цим загоєнням відбувалося зцілення.

Звук використовувався практично всіма древніми цивілізаціями. Музика застосовувалася в храмах для лікування нервових розладів, вона знаходилася в прямому зв'язку з астрономією і математикою у Китайців. Пифагор затвердив музику як точну науку. Його послідовники використали її для позбавлення від люті і гніву і вважали головним засобом для виховання гармонійної особистості. Аристотель також затверджував, що музика здатна впливати на естетичну сторону душі. Цар Давид своєю грою на арфі вилікував від депресії царя Саула, а також врятував його від не чистих духи. Ескулап лікував радикулит гучними звуками труби. Також відомі тибетские ченці (про них йшла мова вище), які використали звуки для лікування практично всіх хвороб людини. Вони називалися мантрами - формами енергії в звуці, чистою сущностной енергією самого звуку. Мантри поділялися на різні групи: для лікування лихоманок, кишкових розладів і т. д. Метод використання мантр застосовується тибетскими ченцями і по сьогоднішній день.

Фототерапія, або терапія світлом (photos - "світло"; греч.), існувала завжди. У Древньому Єгипті, наприклад, був створений спеціальний храм, присвячений "все зціляючому лікарю" - світлу. А в Древньому Римі будинки будувалися таким чином, щоб ніщо не заважало світлолюбним громадянам щодня вдаватися "питву сонячних променів" - так називався у них звичай приймати сонячні ванни в особливих прибудовах з плоскими дахами (соляриях). Гиппократ лікував за допомогою сонця хвороби шкіри, нервової системи, рахіт і артрит. Більше за 2000 років тому він назвав таке використання сонячного світла геліотерапія.

         Також в древності почали розвиватися і теоретичні розділи медичної фізики. Одним з них є біомеханіка. Дослідження в області биомеханики мають так же древню історію, як і дослідження по біології і механіці. Дослідження, які по сучасних поняттях віднесуться до області биомеханики, були відомі ще в древньому Єгипті. У славнозвісному єгипетському папірусі (The Edwin Smith Surgical Papyrus, 1800 років до н. е.) описані різні випадки рухових пошкоджень, в тому числі параліч внаслідок дислокації хребців, проведена їх класифікація, дані методи лікування і прогноз.

Сократ, що жив ок. 470-399 рр. до н. е., вчив, що ми не зможемо осягнути навколишній світ, поки не осягнемо нашу власну природу. Древні греки і римляни багато що знали про магістральні кровоносні судини і клапани серця, уміли прослуховувати роботу серця (наприклад, грецький лікар Аретей у 2-м віці до н. е.). Герофил з Халцедока (3 в. до н. е.) розрізнював серед судин артерії і вени.

         Батько сучасної медицини древньогрецький лікар Гиппократ провів реформу античної медицини, відділивши її від методів лікування заклинанням, молитвами і принесенням жертви богам. У трактатах "Вправлення сочленений", "Переломи", "Рани голови" він провів класифікацію відомих в той час пошкоджень опорно-рухової системи і запропонував методи їх лікування, зокрема механічну, за допомогою тугих пов'язок, витяжения, фіксації. Мабуть, вже в той час з'явилися перші вдосконалені протези кінцівок, які служили в тому числі для виконання окремих функцій. Принаймні, у Плінія Старшого є згадка про одного римського командуючого, який брав участь у другій Пунічеської війні (218-210 в. до н. е.). Після отриманої рани йому була ампутована права рука і замінена залізної. При цьому він міг протезом втримувати щит і брав участь в битвах.

Платон створив вчення про ідеї - незмінних умопостигаемих прообразах всіх речей. Аналізуючи форму людського тіла, він вчив, що "боги, наслідуючи контурам Всесвіту. .. включили обидва божественних круговороти в сферовидное тіло. .. яке ми нині іменуємо головою". Пристрій опорно-рухової системи розуміється їм так: "щоб голова не котилася по землі, всюди покритій буграми і ямами. .. тіло стало довгастим і, за задумом бога, що зробив його жвавим, произрастило з себе чотири кінцівки, які можна витягати і згинати; чіпляючись ними і спираючись на них, воно придбало здатність всюди просуватися...". Метод міркувань Платона про пристрій світу і людини побудований на логічним дослідженні, яке "повинно йти таким чином, щоб добитися найбільшої міри імовірності".

            Великий древньогрецький філософ Арістотель, твори якого охоплюють практично всі області науки того часу, склав перший докладний опис будови і функцій окремих органів і частин тіла тварин і заклав основи сучасної ембриології. У віці сімнадцяти років Арістотель, син лікаря з Стагири, прийшов в Афіни вчитися в Академії Платона (428-348 рр. до н. е.). Пробувши в Академії двадцять років і ставши одним з самих близьких учнів Платона, Арістотель залишив її тільки після смерті вчителя. Згодом він зайнявся анатомією і дослідженням структури тварин, збираючи різноманітні факти і проводячи експерименти і розкриття. Багато які унікальні спостереження і відкриття були ним зроблені в цій області. Так, Арістотель уперше встановив биття серця курячого ембріона на третій день розвитку, описав жувальний апарат морських їжаків ( "Аристотелев ліхтар") і багато що інше. У пошуках рушійної сили кровотока, Арістотель запропонував механізм руху крові, пов'язаний з її нагріванням в серці і охолоджуванням в легких: "рух серця схожий на рух рідини, яку примушує кипіти теплота". У своїх трудах "Про частини тваринні", "Про рух тварин" ( "De Motu Animalium"), "Про походження тваринних" Арістотель уперше розглянув будову тіл більше за 500 видів живих організмів, організацію роботи систем органів, ввів порівняльний метод дослідження. При класифікації тварин він розділив їх на дві великі групи - що мають кров і безкровних. Це ділення схоже з існуючим нині діленням на хребетних і беспозвоночних тваринних. За способом переміщення Арістотель виділив також групи двоногих, чотириногих, многоногих і безногих тварин. Він перший описав ходьбу як процес, в якому обертальний рух кінцівок перетворюється в поступальний рух тіла, уперше відмітив несиметричний характер руху (опора на ліву ногу, перенесення тягарів на лівому плечі, властивих правшам). Спостерігаючи за рухами людину, Арістотель помітив, що тінь, що відкидається фігурою не стіні описує не пряму, а зигзагоподібну лінію. Їм виділені і описані органи, різні по структурі, але однакові по функціях, наприклад, луска у риб, пера у птахів, волосяной покривало у тварин. Аристотель досліджував умови рівноваги тіла птахів (двонога опора). Роздумуючи про рух тварин, він виділив рухові механізми: "... рушійне за допомогою органу є те, у чого початок співпадає з кінцем, як в зчленуванні. Адже в зчленуванні є опукле і порожнисте, одне з них - кінець, інше - початок... одне покоїться, інше рухається. .. Все рухається через поштовх або натягнення". Аристотель першим описав легеневу артерію і ввів термін "аорта", відмітив кореляції структури окремих частин тіла, указав на взаємодію органів в організмі, заклав основи вчення про біологічну доцільність і сформульований "принцип економії": "що природа віднімає в одному місці, то дає в іншому". Він уперше описав відмінності в структурі кровоносній, дихальній, опорно-руховій систем різних тварин і їх жувального апарату. На відміну від свого вчителя, Арістотель не розглядав "мир ідей" як щось зовнішнє по відношенню до матеріального миру, а ввів "ідеї" Платона як складова частина природи, її основного початку, организующего матерію. Згодом цей початок трансформується в поняття "життєвої енергії", "тваринних духи".

          Великий древньогрецький вчений Архимед заклав основи сучасної гідростатики своїми дослідженнями гідростатичних принципів, керуючих плаваючим тілом і дослідженнями плавучості тіл. Він першим застосував математичні методи до вивчення задач механіки, сформулювавши і довівши ряд тверджень про рівновагу тіл і про центр тягаря у вигляді теорем. Принцип важеля, що широко використовувався Архимедом для створення будівельних конструкцій і військових машин, стане одним з перших механічних принципів, застосованим в биомеханике опорно-рухової системи. У трудах Архимеда містяться ідеї про складання рухів (прямолінійного і кругового при русі тіла по спіралі), про безперервний рівномірний приріст швидкості при прискоренні тіла, які згодом Галілей назве як основу своїх фундаментальних трудів по динаміці.

         У класичному труді "Про частини людського тіла" славнозвісний древнеримский лікар Гален дав перше в історії медицини цілісний опис анатомії і фізіології людини. Ця книга прослужила підручником і настільною книгою по медицині протягом майже півтори тисяч років. Гален поклав початок фізіології, роблячи перші спостереження і експерименти на живих тваринах і вивчаючи їх скелети. Він ввів в медицину вівісекцію - операції і дослідження на живій тварині з метою дослідження функцій організму і розробки методів лікування захворювань. Він виявив, що в живому організмі мозок контролює рече- і звукообразование, що артерії заповнені кров'ю, а не повітрям і, як міг, досліджував шляхи переміщення крові в організмі, описав структурні відмінності артерій і посагів, виявив клапани серця. Гален не проводив розкриттів і, можливо, тому в його труди попали невірні уявлення, наприклад, про утворення венозної крові в печінці, а артеріальної - в лівому шлуночку серця. Він не знав також про існування двох кіл кровообігу і значення предсердий. У своєму труді "De motu musculorum" він описав відмінність між моторними і сенсорними нейронами, мишцами-агонистами і антагоністами, уперше описав тонус м'язів. Причиною мишечного скорочення він вважав "тваринні духи", що поступають з мозку в м'яз по нервових волокнах. Досліджуючи організм, Гален прийшов до переконання, що в природі ніщо не зайво і сформулював філософський принцип про те, що, досліджуючи природу, можна прийти до розуміння задуму бога. У епоху середньовіччя, навіть при всевладді інквізиції, було зроблене дуже багато що, особливо в анатомії, що згодом послужило основою подальшого розвитку биомеханики.

       Своє особливе місце в історії науки займають результати досліджень, що здійснювалися в арабському світі і в країнах Сходу: свідченням тому служать багато які літературні твори і медичні трактати. Арабський лікар і філософ Ібн Сина (Авіценна) заклав основи раціональної медицини, сформулював раціональні основи для постановки діагнозу на основі обстеження пацієнта (зокрема, аналізу пульсових коливань артерій). Революційність його підходу стане зрозумілою, якщо пригадати, що в той час західна медицина, що сходила до Гиппократу і Галену, враховувала вплив зірок і планет на вигляд і хід течії хвороби і вибір терапевтичних коштів.

         Хотілося б сказати, що в більшості трудів античних вчених використовувався метод визначення пульсу. Метод діагностики по пульсу виник за багато віків до нашої ери. Серед літературних джерел, що дійшли до нас, самими древніми є труди древнекитайского і тибетского походження. До древнекитайским відносяться, наприклад, "Бінь-ху Мо-сюе", "Сян-лей-ши", "Чжу-бінь-ши", "Нан-цзін", а також розділи в трактатах "Цзя-і-цзін", "Хуан-ді Ней-цзін Су-вень Лінь-шу" і інш.

        Історія пульсовой діагностики нерозривно пов'язана з ім'ям древнього китайського врачевателя - Бянь Цяо (Цинь Юе-Жень). Початок шляху методики пульсовой діагностики, зв'язують з однією з легенд, згідно якої Бянь Цяо був запрошений на лікування дочки знатного мандарина (чиновника). Ситуація ускладнялася тим, що бачити і доторкатися до персон знатного сану було суворо заборонено навіть лікарям. Бянь Цяо попросив тонку мотузку. Потім запропонував прив'язати інший кінець шнура на зап'ясті принцеси, що знаходиться за ширмою, але придворні лікарі зневажливо віднеслися до запрошеного лікаря і вирішили над ним пожартувати, прив'язавши кінець шнура не на зап'ясті принцеси, а на лапку собачки, що бігала рядом. Через декілька секунд, до здивування присутніх, Бянь Цяо незворушно заявив, що це імпульси не людини, а тварини і ця тварина мається глистами. Искусность лікаря викликала захоплення, а шнур з довір'ям був перенесений на зап'ясті принцеси, після чого було визначене захворювання і призначено лікування. У результаті принцеса швидко видужала, а його методика отримала широку популярність.

       Хуа Те - успішно використав пульсовую діагностику в хірургічній практиці, поєднуючи з клінічним оглядом. У ті часи виробляти операції заборонялося законом, операція виготовлялася в крайньому випадку, якщо упевненість на лікування консервативними методами не було, діагностичних лапаротомий хірурги просто не знали. Діагноз ставився при зовнішньому дослідженні. Своє мистецтво володіння пульсовим діагнозом Хуа Те передавав старанним учням. Існувало правило про те, що довершеному володінню пульсовой діагностикою може навчитися тільки чоловік, вчачись тільки у чоловіка протягом тридцяти років. Хуа Те був першим, хто застосував особливий прийом для екзаменації учнів по умінню використати пульси для діагнозу: пацієнта усаджували за ширмою, а в розрізи в ній просовували його руки так, що учень міг бачити і вивчати тільки кисті. Щоденна, наполеглива практика швидко давала успішні результати. 

 Середні віки і Новий час

2.1 Леонардо так Вінчи

        В Середні віки і в епоху Відродження розвиток основних розділів фізики відбувалося в Європі. Відомим фізиком того часу, але не тільки фізиком, був Леонардо так Вінчи. Леонардо досліджував рухи людини, поле птахів, роботу серцевих клапанів, рух рослинного соку. Він описав механіку тіла при положенні стоячи і підйомі з положення сидячи, ходьбі в гору і під гору, техніку стрибка, уперше описав різноманітність ходи людей з різною статурою, виконав порівняльний аналіз ходи людини, мавпи і ряду тварин, здібної до двоногої ходьби (ведмедя). У всіх випадках особлива увага приділялася положенню центрів тягаря і опору. У механіці Леонардо так Вінчи уперше ввів поняття опору, яке надають рідини і гази рухомим в них тілам і перший зрозумів важливість нового поняття - моменту сили відносно точки - для аналізу руху тіл. Аналізуючи сили, що розвиваються м'язами і маючи чудові пізнання в анатомії, Леонардо вводив лінії дії сил вдовж напряму відповідного м'яза і тим самим передбачив уявлення про векторний характер сил. При описі дії м'язів і взаємодії систем м'язів при виконанні руху Леонардо розглядав шнури, натягнуті між точками кріплення м'язів. Для позначення окремих м'язів і нервів він використав буквені позначення. У його роботах можна знайти основи майбутнього вчення про рефлекси. Спостерігаючи скорочення м'язів, він відмітив, що скорочення можуть відбуватися мимовільно, автоматично, без свідомого контролю. Всі спостереження і ідею Леонардо старався втілити в технічних додатках, залишив численні креслення пристроїв, призначених для різного роду переміщень, від водних лиж і планерів до протезів і прообразів сучасних колясок для інвалідів (усього більше за 7 тисяч листів рукописів). Леонардо так Вінчи проводив дослідження звуку, що генерується при русі крил комах, описав можливість зміни висоти звуку при надрізанні крила або змазуванні його медом. Проводячи анатомічні дослідження, він звернув увагу на особливості гілкування трахеї, артерій і посагів в легких, а також указав, що ерекція є слідством притоки крові до статевих органів. Він виконав піонерські дослідження филлотаксиса, описавши закономірності листорасположения ряду рослин, виготовляв відбитки судинно-волокнистих пучків листя і досліджував особливості їх будови.

2.2 Ятрофізіка

       У медицині XVI-XVIII віків існував особливий напрям, що називався ятромеханикой або ятрофизикой (від грецького iatros - лікар). У трудах відомого швейцарського лікаря і хіміка Теофраста Парацельса і голландського натураліста Яна Ван-Гельмонта, відомого своїми дослідами по самозарождению мишей з пшеничної муки, пилу і брудних сорочок, містилося затвердження про цілісність організму, описане в формі містичного початку. Представники раціонального світогляду не могли прийняти цього і в пошуках раціональних основ біологічних процесів поклали в основу їх вивчення механіку - найбільш розвинену в той час область знання. Ятромеханика претендувала на пояснення всіх фізіологічних і патологічних явищ виходячи із законів механіки і фізики. Відомий німецький лікар, фізіологи і хімік Фрідріх Гофман сформулював своєрідне кредо ятрофизики, по якому життя - це рух, а механіка - це причина і закон всіх явищ. Гофман розглядало життя як механічний процес, в ході якого руху нервів, по яких переміщається "тваринний дух" (spiritum animalium), що знаходиться в мозку, управляють скороченнями м'язів, циркуляцією крові і роботою серця. Внаслідок цього організм - своєрідна машина - приводиться в рух. Механіка при цьому розглядалася як основа життєдіяльності організмів.

     Подібні претензії, як тепер зрозуміло, були багато в чому неспроможні, але ятромеханика протистояла схоластичним і містичним уявленням, ввела в побут багато які важливі доселе невідомі фактичні відомості і нові прилади для фізіологічних вимірювань. Наприклад, згідно з переконаннями одного з представників ятромеханики Джорджіо Бальіві рука уподібнювалася важелю, грудна клітка - ковальським хутрам, залози - ситам, а серце - гідравлічному насосу. Ці аналогії цілком розумні і сьогодні. У XVI віці в роботах французького армійського лікаря А. Паре (Ambroise Pare) були закладені основи сучасної хірургії і запропоновані штучні ортопедичні пристосування - протези ноги, руки, кисті, розробка яких засновувалася швидше на науковому підмурівку, чому на простій імітації втраченої форми. У 1555 р. в роботах французького натураліста Пьера Белона був описаний гідравлічний механізм руху актиній. Один з фундаторів ятрохимії Ван-Гельмонт, вивчаючи процеси бродіння їжі в організмах тваринних, зацікавився газоподібними продуктами і ввів в науку термін "газ" (від голландського gisten - бродити). До розвитку ідей ятромеханики були причетні А. Везалій, У. Гарвей, Дж. А. Бореллі, Р. Декарт. Ятромеханика, що зводить всі процеси в живих системах до механічних, одинаково як і висхідна до Парацельсу ятрохимия, представники якої вважали, що життя зводиться до хімічних перетворень хімічних речовин, що становлять тіло, приводили до одностороннього і часто невірного уявлення про процеси життєдіяльності і способах лікування захворювань. Проте, ці підходи, особливо їх синтез, дозволили сформулювати раціональний підхід в медицині XVI-XVII віків. Навіть вчення про можливість самозарождения життя зіграло свою позитивну роль, ставлячи під сумнів релігійні гіпотези про створення життя. Парацельс створив "анатомію суті людини", якій намагався показати, що в "тілі людини сполучилися містичним образом три всюдисущих інгредієнти: солі, сірка і ртуть".

        У рамках філософських концепцій того часу формувалося нове ятромеханическое уявлення про суть патологічних процесів. Так, німецький лікар Г. Шатль створив вчення об анимизме (від лат.anima - душа), відповідно до якого хвороба розглядалася як рухи, що здійснюються душею для висновку з тіла чужеродних шкідливих речовин. Представник ятрофизики італійський лікар Санторіо (1561-1636), професор медицини в Падує вважав, що будь-яка хвороба - це слідство порушення закономірностей руху окремих найдрібніших частинок організму. Санторио одним з перших застосував експериментальний метод дослідження і математичну обробку даних, створив ряд цікавих приладів. У сконструйованій ним спеціальній камері Санторіо вивчав обмін речовин і уперше встановив пов'язану з життєвими процесами непостійність ваги тіла. Спільно з Галілеєм він винайшов ртутний термометр для вимірювання температури тіл (1626 р.). У його труді "Статична медицина" (1614) одночасно представлені положення ятрофизики і ятрохимії. Подальші дослідження привели до революційних змінами в уявленнях про будову і роботу сердечно-судинної системи. Італійський анатом Фабріцио д'Аквапенденте виявив венозні клапани. Італійський дослідник П. Азеллі і датський анатом Т. Бартолін виявили лімфатичні судини.

       Англійському лікарю Уїльяму Гарвею належить відкриття замкненості системи кровообігу. Навчаючись в Падує (в 1598-1601), Гарвей слухав лекції Фабріцио д'Аквапенденте і, мабуть відвідував лекції Галілея. Принаймні, Гарвей знаходився в Падує, в той час як там гриміла слава про блискучі лекції Галілея, які відвідувалися багатьма дослідниками, що приїжджали спеціально здалеку. Відкриття Гарвеєм замкненості кровообігу з'явилося результатом систематичного застосування розробленого раніше Галілеєм кількісного методу вимірювань, а не простим спостереженням або здогадкою. Гарвей виступив з демонстрацією, в ході якої він показав, що кров рухається з лівого шлуночка серця тільки в одному напрямі. Вимірявши об'єм крові, що викидається серцем за одне скорочення (ударний об'єм), він помножив число, що вийшло на частоту скорочень серця і показав, що за годину воно прокачує об'єм крові, що набагато перевищує об'єм тіла. Таким чином був зроблений висновок, що значно менший об'єм крові повинен безперервно циркулювати по замкненому колу, поступаючи в серці і прокачуючись їм за системою судин. Результати роботи були опубліковані в труді "Анатомічне дослідження про рух серця і крові у тварин" (1628 р.). Результати роботи були більш ніж революційними. Справа в тому, що з часів Галена вважалося, що кров виготовляється в кишечнику, звідки поступає в печінку, потім в серці, звідки розподіляється за системою артерій і посагів до інших органів. Гарвей описав серце розділений на окремі камери як мишечний мішок, що виконує роль насоса, що нагнітає кров в судини. Кров рухається по колу в одному напрямі і попадає знов в серці. Зворотному ж струму крові в посагах перешкоджають венозні клапани, виявлені Фабріцио д'Аквапенденте. Революційне вчення Гарвея про кровообіг суперечило твердженням Галена, в зв'язку з чим його книги зазнавали різкої критики і навіть пацієнти часто відмовлялися від його лікарських послуг. З 1623 р. Гарвей служив як придворний лікар Карла I і найвище заступництво спасало його від нападок противників і забезпечувало можливість подальшої наукової роботи. Гарвей виконав обширні дослідження по ембриології, описав окремі стадії розвитку зародка ( "Дослідження про народження тварин", 1651). XVII повік можна назвати епохою гідравліки і гідравлічного мислення. Успіхи техніки сприяли появі нових аналогій і кращому розумінню процесів, що відбуваються в живих організмах. Ймовірно, саме тому Гарвей описав серце як гідравлічний насос, що прокачує дах по "трубопроводу" судинної системи. Для повного визнання результатів роботи Гарвея було потрібен тільки знайти бракуючу зв'язуючу ланку, що замикає коло між артеріями і посагами, що буде зроблено невдовзі в роботах Мальпіги. Механізм роботи легких і причини прокачування повітря по них залишилися для Гарвея незрозумілими - небувалі успіхи хімії і відкриття складу повітря були ще попереду. XVII повік є важливою віхою в історії биомеханики, оскільки він був ознаменований не тільки появою перших друкарських трудів по биомеханике, але і становленням нового погляду на життя і природу біологічної рухливості.

         Французький математик, фізик, філософ і фізіолог Рене Декарт був першим, хто спробував побудувати механічну модель живого організму з урахуванням управління за допомогою нервової системи. Його трактування фізіологічної теорії на основі законів механіки містилося в опублікованому посмертно труді (1662-1664). У цьому формулюванні уперше була висловлена кардинальна для наук про живе ідея регуляції за допомогою зворотного зв'язку. Декарт розглядав людину як тілесний механізм, що приводиться в рух "живими духи", які "постійно сходять у великій кількості від серця до мозку, а звідти - через нерви до м'язів і приводять всі члени в рух". Не перебільшуючи роль "духи", в трактаті "Опис людського тіла. Про утворення тварини" (1648 р.) він пише, що знання механіки і анатомії дозволяє побачити в тілі "значну кількість органів, або пружин" для організації пересування організму. Роботу організму Декарт уподібнює механізму годин, з окремими пружинами, гвинтиками, шестеренками. Крім цього, Декарт займався дослідженням координації рухів різних частин тіла. Проводячи обширні експерименти по дослідженню роботи серця і руху крові в порожнинах серця і великих судинах, Декарт не погоджується з концепцією Гарвея про скорочення серця як рушійну силу кровообігу. Він відстоює висхідну в Арістотелю гіпотезу про нагрівання і розрідження крові в серці під дією властивої серцю теплоті, просуванні крові, що розширяється у великі судини, де вона охлаждаться, а "серце і артерії негайно опадають і стискуються". Роль дихальної системи Декарт бачить в тому, що дихання "приносить в легкі досить свіжого повітря для того, щоб кров, що поступає туди з правої частини серця, де вона розріджувалася і як би перетворювалася в пару, знов звернулася з пари в кров". Він досліджував також рухи очей, використав ділення біологічних тканин по механічних властивостях на рідкі і тверді. У області механіки Декарт сформулював закон збереження кількості руху і ввів поняття імпульсу сили.

2.3 Створення мікроскопа

Винахід мікроскопа, так важливого для всієї науки приладу зумовлено, передусім, впливом розвитку оптики. Деякі оптичні властивості зігнених поверхонь були відомі ще Евкліду (300 років до н. е.) і Птоломею (127-151 рр.), однак їх збільшувальна здатність не знайшла практичного застосування. У зв'язку з цим перші очки були винайдені Сальвініо поділи Арлеаті в Італії тільки в 1285 р. У 16 віці Леонардо так Вінчи і Мауроліко показали, що малі об'єкти краще вивчати за допомогою лупи.

Перший мікроскоп був створений лише в 1595 році Захаріусом Йансеном (Z. Jansen). Винахід полягав в тому, що Захаріус Йансен змонтував дві опуклі лінзи всередині однієї трубки, тим самим, заклавши основи для створення складних мікроскопів. Фокусування на досліджуваному об'єкті досягалося за рахунок висувного тубуса. Збільшення мікроскопа складало від 3 до 10 крат. І це був справжній прорив в області мікроскопії! Кожний свій наступний мікроскоп він значно вдосконалював.

У цей період (XVI в.) датські, англійські і італійські дослідницькі прилади поступово почали свій розвиток, закладаючи підмурівок сучасної мікроскопії.

Швидке поширення і вдосконалення мікроскопів почалося після того, як Галілей (G. Galilei), вдосконалюючи сконструйовану ним зорову трубу, став використати її як своєрідний мікроскоп (1609-1610), змінюючи відстань між об'єктивом і окуляром.

Пізніше, в 1624 р., добившись виготовлення більш короткофокусних лінз, Галілей значно зменшив габарити свого мікроскопа.

        У 1625 р. членом Римської "Академії гострозорих" ( "Akudemia dei lincei") І. Фабером був запропонований термін "мікроскоп". Перші успіхи, пов'язані із застосуванням мікроскопа в наукових біологічних дослідженнях, були досягнуті Гуком (R. Hooke), який першим описав рослинну клітку (біля 1665 р.). У своїй книзі "Micrographia" Гук описав пристрій мікроскопа.

      У 1681 р. Лондонське королівське суспільство в своєму засіданні детально обговорювало своєрідне положення. Голландець Левенгук (A. van Leenwenhoek) описував дивовижні чудеса, які відкривав своїм мікроскопом в краплині води, в настої перця, в мулові ріки, в дуплі власного зуба. Левенгук за допомогою мікроскопа виявив і замалював сперматозоиди різних найпростіших, деталі будови кісткової тканини (1673-1677).

        "З найбільшим подивом я побачив в краплині велику безліч зверюшек, що жваво рухаються у всіх напрямах, як щука у воді. Саме дрібне з цих крихітних тварин в тисячу разів менше ока дорослої воші."

3. Історія використання електрики в медицині

3.1 Невелика предистория

       З давніх часів чоловік намагався зрозуміти явища в природі. Багато геніальних гіпотез, що пояснюють те, що відбувається навколо людини, з'явилося в різний час і в різних країнах. Думки грецьких і римських вчених і філософів, що жили ще до нашої ери: Архимеда, Евкліда, Лукреция, Арістотеля, Демокріта і інших - і зараз допомагають розвитку наукових досліджень.

         Йдуть вони з старовинного торгового міста на середземному море Мілета, автор їх - милетский філософ Фалес (кінець VII - початок VI вв. до н. е.). Він описав електричні явища на основі властивості натертого янтарю притягати шматочки тканини, нитки, папір. Описав і магнітні явища. Фалеса Мілетського по праву вважають фундатором науки про електрику. Учні Фалеса накопичували по крупинках відомості про електризацію, яка в тій або інакшій мірі зв'язувалася з живим організмом, з людиною. Так, в античні часи були відомі електричні властивості деяких видів риб, і вони навіть використовувалися як лікувальний засіб. За 30 років до нашої ери Діаськорд ударами від зіткнення з електричним вугром лікував подагру і хронічний головний біль. У російських літописах XIV віку є опис, з якого видно, що цей дивний зціляючий засіб був відомий і російським. Розказується про дивовижних риб, що вміщуються в бочку, і своїм торканням людини зухвалих лікувальну дію.

Після перших спостережень електричних і магнітних явищ Фалесом Мілетським періодично виникав інтерес до них, визначуваний задачами лікування.

         Потрібно відмітити, що електричні властивості деяких риб, відомі ще в далекі часи, досі є нерозкритою таємної природи. Так, наприклад, в 1960 р. на виставці, організованій англійським Науковим королівським суспільством в честь 300-летия від дня його основи, серед загадок природи, які людині має бути розкрити, демонструвався звичайний скляний акваріум з рибою, що знаходиться в йому - електричним скатом (мал. 1). До акваріума через металеві електроди був підключений вольтметр. Коли риба була в спокої, стрілка вольтметра стояла на нулі. При русі риби вольтметр показував напруження, те, що досягало при активних рухах 400 В. Надпісь свідчила: "Природу цього електричного явища, що спостерігалося задовго до організації англійського королівського суспільства, чоловік розгадати досі не може".

3.2 Чим ми зобов'язані Джільберту?

         Лікувальна дія електричних явищ на людину по спостереженнях, що існували в далекі часи можна розглядати як своєрідний стимулюючий і психогенний засіб. Цим засобом або користувалися, або про нього забували. Довгий час серйозних досліджень самих електричних і магнітних явищ, і особливо їх дії як лікувальний засіб, не проводився.

        Перше грунтовне експериментальне дослідження електричних і магнітних явищ належить англійському лікарю-фізику, згодом придворному лейб-медику Вільяму Джільберту (Гильберту) (1544-1603 тт.). Джильберта заслужено вважали лікарем-новатором. Успіх його значною мірою визначався добросовісним вивченням, а потім і застосуванням древніх медичних коштів, в тому числі електрики і магнетизму. Джильберт розумів, що без грунтовного вивчення електричного і магнітного випромінювання важко використати "флюїди" при лікуванні.

Нехтуючи фантастичними, неперевіреними домислами і бездоказовими твердженнями, Джільберт провів різносторонні експериментальні дослідження електричних і магнітних явищ. Результати цього першого в історії вивчення електрики і магнетизму грандіозні.

           Передусім Джільберт висловив уперше думку, що магнітна стрілка компаса переміщається під впливом магнетизму Землі, а не під дією однієї із зірок, як вважали до нього. Він уперше здійснив штучне намагнічення, встановив факт невіддільності магнітних полюсів. Вивчаючи одночасно з магнітними явищами і електричні, Джільберт на основі численних спостережень показав, що електроизлучение виникає не тільки при терті янтарю, але і при терті інакших матеріалів. Віддаючи повинне янтарю - першому матеріалу, на якому спостерігалася електризація, він називає їх електричним, поклавши в основу грецьку назву янтарю - електрон. Отже, слово "електрика" введено в життя за пропозицією лікаря на основі що став історичним його дослідження, яке поклало початок розвитку і електротехніка і електротерапії. У той же час Джільберт вдало сформулював принципову відмінність електричних і магнітних явищ: "Магнетизм, так само як і тягар, є деяка початкова сила, вихідна з тіл, в той час як електризація зумовлена вичавленням з пір тіла особливих закінчень внаслідок тертя".

По суті, до робіт Ампера і Фарадея, т. е. протягом двохсот із зайвим років після смерті Джільберта (результати його досліджень були опубліковані в книзі "Про магніт, магнітних тілах і про великий магніт - Землі", 1600 р.), електризація і магнетизм розглядалися ізольовано.

         П. С. Кудрявцев в "Історії фізики" приводить слова великого представника епохи Відродження Галілея: "Віддаю хвалу, дивуюся, заздрячи Гильберту (Джільберту). Він розвинув гідні здивування ідеї про предмет, про який трактувало стільки геніальних людей, але який жодним з них не був вивчений уважно. .. Я не сумніваюся, що згодом ця галузь науки (мова йде про електрику і магнетизм - В. М.) зробить успіхи як внаслідок нових спостережень, так, особливо, внаслідок суворої міри доказів".

Джильберт помер 30 листопада 1603 р., заповідавши всі створені ним прилади і труди Лондонському суспільству медиків, активним головою якого він був до самої смерті.

3.3 Премія, присуджена Марату

         Переддень французької буржуазної революції. Підсумуємо дослідження в області електротехніки цього періоду. Встановлена наявність позитивної і негативної електрики, побудовані і вдосконалені перші електростатичні машини, створені лейденские банки (своєрідні накопичувачі зарядів - конденсатори), електроскопи, сформульовані якісні гіпотези електричних явищ, проведені сміливі спроби дослідити електричну природу блискавки.

         Електрична природа блискавки і дія її на людину ще більше зміцнювали думку, що електрика може не тільки вражати, але і лікувати людей. Приведемо деякі приклади. 8 квітня 1730 р. англійці Грій і Уїлер провели той, що став нині класичним досвід з електризацією людини.

У дворі будинку, де жил Грій, були врити в землю два сухих дерев'яних стовпа, на яких була укріплена дерев'яна балка- Через дерев'яну балку були перекинені два волосяних канати. Нижні кінці їх були пов'язані. Канати легко витримували вагу хлопчика, що погодився взяти участь в досвіді. Розташувавшись, як на качелях, хлопчик однією рукою тримав наелектризований тертям стержень або металеву лозину, на яку передавався електричний заряд від наелектризованого тіла. Іншою рукою хлопчик кидав одну за іншої монети в металеву тарілку, що знаходилася на сухій дерев'яній дошці під ним (мал. 2). Монети придбавали заряд через тіло хлопчика; падаючи, вони заряджали металеву тарілку, яка починала притягати шматочки сухої соломи, розташовані поблизу. Досліди проводилися багато разів і викликали значний інтерес не тільки у вчених. Англійський поет Георг Бозе писав:

Шалений Грій, що знав ти дійсно Про властивості сили тієї, незнаної доселе? Дозволено ль тобі, божевільний, ризикувати І людини з електрикою зв'язати?

Рис. 2. Досвід з електризацією людини

        Французи Дюфе, Нолле і наш співвітчизник Георг Ріхман майже одночасно, незалежно один від одного сконструювали прилад для вимірювання міри електризації, що значно розширило застосування електричного розряду для лікування, з'явилася можливість його дозування. Парижская академія наук присвятила декілька засідань обговоренню дії розряду лейденских банок на людину. Зацікавився цим і Людовік XV. На прохання короля фізик Нолле спільно з лікарем Луї Лемонье провів в одній з великих зал Версальського палацу досвід, що демонструє уколюючу дію статичної електрики. Користь від "придворних забав" була: багатьох вони зацікавили, багато які почали займатися вивченням явищ електризації.

     У 1787 р. англійський лікар і фізик Адамові уперше створив спеціальну електростатичну машину для лікувальних цілей. Нею він широко користувався в своїй медичній практиці (мал. 3) і отримував позитивні результати, які можна пояснити і стимулюючою дією струму, і психотерапевтичним ефектом, і специфічною дією розряду на людину.

Епоха електростатики і магнитостатики, до якої відноситься все, про що говорилося вище, завершується розробкою математичних основ цих наук, виконаною Пуассоном, Остроградським, Гауссом.

Рис. 3. Сеанс електролікування (зі старовинної гравюри)

       Використання електричних розрядів в медицині і біології отримало повне визнання. Скорочення м'язів, викликане торканням електричних скатів, вугрів, сомів, свідчило про дію електричного удару. Досліди англійця Джона Уорліша довели електричну природу удару ската, а анатом Гунтер дав точний опис електричного органу цієї риби.

У 1752 р. німецький лікар Зульцер опублікував повідомлення про нове, виявлене ним явище. Торкання мовою одночасно двох різнорідних металів спричиняє своєрідне кисле смакове відчуття. Зульцер не передбачав, що це спостереження являє собою початок найважливіших наукових напрямів - електрохимії і електрофизиології.

Інтерес до використання електрики в медицині зростав. Руанская академія оголосила конкурс на кращу роботу по темі: "Визначити міра і умови, при яких можна розраховувати на електрику в лікуванні хвороб". Перша премія була присуджена Марату - лікарю за професією, чиє ім'я увійшло в історію французької революції. Поява роботи Марата була своєчасною, оскільки застосування електрики для лікування не обійшлося без містики і шарлатанства. Деякий Месмер, використовуючи модні наукові теорії про електричні машини, що іскрять, почав затверджувати, що ним в 1771 р. знайдений універсальний медичний засіб - "тваринний" магнетизм, діючий на хворого на відстані. Їм були відкриті спеціальні лікарські кабінети, де знаходилися електростатичні машини досить високого напруження. Хворий повинен був торкатися токоведущих частин машини, при цьому він відчував удар електричного струму. Мабуть, випадки позитивного ефекту перебування у "лікарських" кабінетах Месмера можна пояснити не тільки дратівливою дією електричного удару, але і дією озону, що з'являється в приміщеннях, де працювали електростатичні машини, і явищами, про які згадувалося раніше. Могло позитивно впливати на деякі хворі і зміну вмісту бактерій в повітрі під дією іонізації повітря. Але про це Месмер і не підозрював. Після невдач, що супроводилися важким виходом, про які своєчасно попереджав в своїй роботі Марат, Месмер зник з Франції. Створена з участю найбільшого французького фізика Лавуазье урядова комісія для розслідування "лікарської" діяльності Месмера не зуміла пояснити позитивної дії електрики на людину. Лікування електрикою у Франції тимчасово припинилося.

3.4 Спор Гальвані і Вольта

А тепер мова піде про дослідження, проведені майже через двісті років після публікації роботи Джільберта. Вони пов'язані з іменами італійського професора анатомії і медицини Луїджі Гальвані і італійського професора фізики Алессандро Вольта.

У лабораторії анатомії Булонського університету Луїджі Гальвані провів досвід, опис якого приголомшив вчених всього світу. На лабораторному столі препарувалися жаби. Задача досвіду полягала в демонстрації і спостереженні оголених, нервів їх кінцівок. На цьому столі знаходилася електростатична машина, за допомогою якої створювалася і вивчалася іскра. Приведемо висловлювання самого Луїджі Гальвані з його роботи "Про сили електричні при мишечних рухах": "... Один з моїх помічників вістрям випадково дуже легко торкнувся внутрішніх стегнових нервів жаби. Лапка жаби різко сіпнулася". І далі: "... Це вдається тоді, коли з конденсатора машини витягується іскра".

      Це явище можна пояснити таким чином. На атоми і молекули повітря в зоні виникнення іскри діє змінне електричне поле, в результаті вони придбавають електричний заряд, перестаючи бути нейтральними. Виниклі іони і електрично заряджені молекули розповсюджуються на деяке, відносна невелика відстань від електростатичної машини, оскільки при русі, стикаючись з молекулами повітря, втрачають свій заряд. У той же час вони можуть нагромаджуватися на металевих предметах, добре ізольованих від поверхні землі, і розряджаються у випадку, якщо виникне провідний електричний ланцюг на землю. Підлога в лабораторії була сухий, дерев'яний. Він добре ізолював приміщення, де працював Гальвані, від землі. Предметом, на якому нагромаджувалися заряди, був металевий скальпель. Навіть легке торкання скальпелем нерва жаби приводило до "розряду" статичної електрики, що нагромадилася на скальпелі, спричиняючи відсмикувати лапки без якого-небудь механічного руйнування. Саме по собі явище повторного розряду, викликане електростатичною індукцією, вже в той час було відомо.

        Блискучий талант експериментатора і проведення великого числа різносторонніх досліджень дозволили Гальвані виявити інше важливе для подальшого розвитку електротехніки явище. Йде досвід по вивченню атмосферної електрики. Процитуємо самого Гальвані: ". ... Втомлений. .. марним очікуванням. .. початків. .. притискувати мідні гачки, вткнені в спинний мозок, до залізної гратки - лапки жаби скоротилися". Результати експерименту, проведеного вже не на відкритому повітрі, а в приміщенні при відсутності яких-небудь працюючих електростатичних машин, підтвердили, що скорочення м'яза жаби, подібне скороченню, викликаному іскрою електростатичної машини, виникає при торканні тіла жаби одночасно двома різними металевими предметами - дротом і пластиною з міді, срібла або заліза. Такого явища ніхто до Гальвані не спостерігав. На основі результатів спостережень він робить сміливий однозначний висновок. Існує інакше джерело електрики, ним є "тваринна" електрика (термін рівнозначний терміну "електрична активність живої тканини"). Живий м'яз, затверджував Гальвані, являє собою конденсатор на зразок лейденской банки, всередині неї нагромаджується позитивна електрика. Нерв жаби служить внутрішнім "провідником". Приєднання до м'яза двох металевих провідників спричиняє появу електричного струму, що приводить, подібно іскрі від електростатичної машини, до скорочення м'яза.

       Гальвани експериментував з метою отримання однозначного результату тільки на м'язах жаби. Можливо саме це дозволило йому запропонувати використати "фізіологічний препарат" лапки жаби як вимірювач кількості електрики. Мірою кількості електрики, для оцінки якого служив подібний фізіологічний індикатор, були активність підйому і падіння лапки при зіткненні її з металевою пластинкою, якої одночасно торкається гачок, що проходить через спинний мозок жаби, і частота підйомів лапки в одиницю часу. Деякий час подібний фізіологічний індикатор використовувався навіть великими фізиками, і зокрема Георгом Омом.

     Електрофизиологический експеримент Гальвані дозволив Алессандро Вольта створити перше електрохімічне джерело електричної енергії, що, в свою чергу, відкрило нову епоху в розвитку електротехніки.

        Алессандро Вольта одним з перших по достоїнству оцінив відкриття Гальвані. Він повторює з великою ретельністю досліди Гальвані, отримує багато даних, підтверджуючих його результати. Але вже в перших своїх статтях "Про тваринну електрику" і в листі до лікаря Бороніо від 3 квітня 1792 р. Вольта на відміну від Гальвані, що трактує явища, що спостерігаються з позицій "тваринної" електрики, висуває на перший план химико-фізичні явища. Вольта встановлює важливість використання для цих дослідів різнорідних металів (цинк, мідь, свинець, срібло, залізо), між якими прокладена змочена кислотою тканина.

Ось що пише Вольта: "У. дослідах Гальвані джерелом електрики є жаба. Однак, що собою представляє жаба або взагалі будь-яка тварина? Передусім, це нерви і м'язи, а в них різні хімічні сполуки. Якщо нерви і м'язи препарированной жаби з'єднати з двома різнорідними металами, то при замиканні такого ланцюга виявляється електрична дія. У моєму останньому досвіді також брали участь два різнорідних метали - це станиоль (свинець) і срібло, а роль рідини грала слина мови. Замикаючи ланцюг з'єднувальною пластинкою, я створював умови для безперервного пересування електричної рідини з одного місця на інше. Але адже я міг опустити ці ж металеві предмети просто у воду або в рідину, подібну слині? Причому тут "тваринна" електрика?"

Досліди, проведені Вольта, дозволяють сформулювати висновок про те, що джерелом електричної дії є ланцюг з різнорідних металів при їх зіткненні з вологої або змоченої в розчині кислоти тканиною.

У одному з листів своєму другові лікарю Вазаги (знову приклад вияву інтересу лікаря до електрики) Вольта писав: "Я вже давно пересвідчився, що вся дія виходить від металів, від зіткнення яких електрична рідина входить у вологе або водянисте тіло. На цій основі я вважаю себе має право приписати всі нові електричні явища металам і замінити назву "тваринна електрика" вираженням "металева електрика".

На думку Вольта, лапки жаби - чутливий електроскоп. Виникла історична суперечка між Гальвані і Вольта, а також між їх послідовниками - суперечка про "тварину" або '' металеву" електрику.

      Гальвани не здавався. Він повністю виключив з експерименту метал і навіть жаб препарував скляними ножами. Виявилося, що і при такому досвіді зіткнення стегнового нерва жаби з її м'язом приводило до добре помітного, хоч і значно меншому, ніж за участю металів, скороченню. Це була перша фіксація биоелектрических явищ, на яких побудована сучасна електродиагностика сердечно-судинної і ряду інших систем людини.

       Вольта намагається розгадати природу виявлених незвичайних явищ. Перед собою він чітко формулює наступну задачу: "Що ж є причиною виникнення електрики? - спитав я себе так само, як і кожний з вас зробив би це. Роздуми привели мене до одного рішення: від зіткнення двох різнорідних металів, наприклад срібла і цинку, порушується рівновага електрики, що знаходиться в обох металах. У точці зіткнення металів позитивна електрика прямує від срібла до цинку і нагромаджується на останньому, в той самий час як негативну електрику густішає на сріблі. Це означає, що електрична матерія переміщається в певному напрямі. Коли я накладав один на одну пластинки з срібла і цинку без проміжних прокладок, тобто цинкові пластинки знаходилися в зіткненні з срібними, то загальна їх дія зводилася до нуля. Щоб посилити електричну дію або підсумовувати його, потрібно кожну цинкову пластинку привести в зіткнення тільки з однією срібною і послідовно скласти найбільше число пар. Це і досягається якраз тим, що на кожну цинкову пластинку я кладу мокрий шматок тканини, відділяючи її тим самим від срібної пластинки наступної пари". Багато що з сказаного Вольта не втрачає значення і зараз, в світлі сучасних наукових уявлень.