-
хирургия).
Ультразвук отличается более короткими длинами волн, следова- тельно, может излучаться в виде узконаправленных пучков - ультразву- ковых лучей.
Отражение и преломление на границе двух сред подчиняется зако- нам геометрической оптики. Ультразвуковые лучи могут распростра- няться в таких средах, которые являются не прозрачными для световых лучей. Ультразвуковые волны большой интенсивности могут сопрово- ждаться нелинейными эффектами. Например, кавитация – образование при сжатии в жидкости микроскопических полостей, которые заполня- ются парами жидкости или газа, а затем при сближении частиц во время сжатия пузырьки захлопываются и создаются импульсы давления, спо- собные разрушить очень прочные материалы.
Физика стоматологический факультет 56
Источники ультразвукаВ основе –
обратный пьезоэлектрический эффект. Некоторые кристаллы (кварц) под действием электрического поля меняют свою толщину. При уменьшении толщины пластинки такого кристалла в при- легающих слоях окружающей среды образуется разряжение, при увели- чении - сгущение частиц среды.
Применение в медицинеПьезоэффект, благодаря которому получают ультразвуковые колеба- ния, был открыт в 1881 году братьями П. Кюри и Ж.П. Кюри. Свое первое применение он нашел во время первой мировой войны, когда К.В. Шилов- ский и П. Ланжевен разработали сонар, использовавшийся для навигации судов, определения расстояния до цели и поиска подводных лодок. В 1929 года крупнейший советский физик-акустик С. Я. Соколов и его ученики применили ультразвук для неразрушающего контроля в металлургии (де- фектоскопия).
Попытки использования УЗ в целях медицинской диагностики привели к появлению в 1937 году одномерной эхоэнцефалографии. Однако лишь в начале пятидесятых годов удалось получить УЗ изображение внутренних органов и тканей человека. С этого момента УЗ эхоскопия стала широко применяться в диагностике многих заболеваний и повреждений внутренних органов.
В медицине применяют ультразвуковые волны
кГц3000 800
Основное применение ультразвук находит в
диагностических це-лях для визуализации структуры внутренних органов и других анато- мических образований.
Информацию о внутренней структуре исследуемой среды несут различные эффекты взаимодействия ультразвука с ней: отражение, пре- ломление, рассеяние, поглощение, а также изменение скорости распро- странения. Основополагающей является способность УЗ волн распро- страняться прямолинейно и с постоянной скоростью в однородной сре- де и отражаться в виде эхо от неоднородностей или границ этой среды, характеризующихся изменением акустического импеданса. Это позво- ляет обнаруживать и визуализировать неоднородности исследуемых сред, определять их местоположение, линейные размеры, упругие свой- ства и другие физические характеристики.
Отдельно можно отметить доплерографию.
Доплерография –
метод ультразвуковой диагностики, основанный на эффекте Доплера. Эффект Доплера – это изменение частоты ультра- звуковых волн, воспринимаемых датчиком, происходящее вследствие перемещения исследуемого объекта относительно датчика.
Доплерография используется в медицине для изучения формы, кон- туров и просветов кровеносных сосудов. Фиброзная стенка сосуда явля- ется хорошим отражателем ультразвуковых волн и поэтому четко видна
Ответы на экзаменационные вопросы 57 на сонограммах. Это позволяет обнаружить сужения и тромбоз сосудов, отдельные атеросклеротические бляшки в них, нарушения кровотока, определить состояние коллатерального кровообращения.
Особое значение в последние годы приобретает сочетание доппле- рографии и сонографии (так называемая дуплексная сонография). При ней получают как изображение сосудов (анатомическая информация), так и запись кривой кровотока в них (физиологическая информация).
Возникает возможность прямого неинвазивного исследования для диаг- ностики окклюзионных поражений различных сосудов с одновременной оценкой кровотока в них. Таким образом следят за кровенаполнением плаценты, сокращениями сердца у плода, за направлением кровотока в камерах сердца, определяют обратный ток крови в системе воротной вены, вычисляют степень стеноза сосуда и т. д.
Относительно недавно появился новый вид доплерографии – цвет- ная доплерография, обладающая рядом преимуществ по сравнению с обычной.
Терапевтическое (лечебное) действие: 1.
Механическое действие. Механическое колебание тканевых частиц обуславливает микромассаж клеток и тканей.
2.
Физико-химическое действие заключается в изменение хода окис- лительно-восстановительных реакций, изменение активности фер- ментов, и тд.
3.
Тепловое действие – прогревание тканей в результате поглощения энергии ультразвукового излучения
4.
Ультрафонофорез – введение лекарства под действием ультразвука.
16. Когерентные источники света. Интерференция света, ус-ловия максимумов и минимумов интерференционной карти-ны. Дифракция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция света на щели. Дифракционная решётка. Условие главных максимумов.Когерентными источниками называются такие источники, кото- рые
дают волны с одинаковой частотой, и для фиксированной точки пространства разность фаз колебаний, возбуждаемых волнами, остается постоянной.
Когерентность можно обеспечить, если разделить волну от одного источника на две части и затем свести их вместе. Излученные одной системой атомов, полученные таким способом, две волны будут коге- рентны и при наложении будут интерферировать.
Интерференция – сложение в пространстве двух волн, при кото- ром в разных его точках получается усиление или ослабление амплиту- ды результирующей волны. Интерференция возникает от согласован-
Физика
стоматологический факультет
58 ных (когерентных) источников, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз распространяющихся в них волн
Рис. 18. Распространение волн в пространстве
)
(
cos
1 1
01 1
v
x
t
w
E
E
)
(
cos
2 2
02 1
v
x
t
w
E
E
, где
)
(
v
x
t
w
- фаза волны
cos
2 02 01 2
02 2
01 2
E
E
E
E
E
Так как
2
E
I
, то
cos
2 2
1 2
1
I
I
I
I
I
Если источники не когерентны, то среднее значение
0
cos
Так как излучение атомов обоих источников света не хаотично, то
2 1
I
I
I
Если источники когерентны max
2
max
I
E
, при
1
cos
k
2
- максимум min
2
min
I
E
при
1
cos
)
1 2
(
k
- минимум
Волны распространяются в средах с показателями
1
n
и
2
n
1 1
n
c
v
2 2
n
c
v
, где
c
– скорость света в вакууме
2
)
(
2 2
1 1
2 2
1 1
2 2
2 2
1 1
n
x
n
x
c
T
v
x
v
x
T
v
x
t
v
x
t
w
где
1 1
2 2
n
x
n
x
- оптическая разность хода интерферирующих волн
Тогда, максимум
k
k
2 2
,
2
,
1
,
0
k
1 2
Ответы на экзаменационные вопросы
59
минимум
2 1
2 2
)
1 2
(
k
k
Принцип Гюйгенса
-
Френеля
Каждый элемент поверхности, которого достигла в
данный момент волна, является источником вторичных
(когерентным) волн. Их внешняя огибающая будет волн о-
вой поверхностью в последующие моменты времени.
Дифракция на щели в параллельных лучах света.
Дифракция – явление отклонения волны от прямол и- нейного распространения в среде с резкими неоднородн о- стями (например, непрозрачный экран).
При расчете получающейся картинки с помощью принципа Гюй- генса-Френеля, волновую поверхность разбивают на ряд когерентных источников и рассматривают интерференцию от них. Т.е. с точки зрения принципа Гюйгенса-Френеля разницы между интерференцией и ди- фракцией нет. Дифракцию можно наблюдать при условии, что
d
(длина волны сравнима с размером препятствия).
Физика
стоматологический факультет
60
Рис. 19. Прохождение света через дифракционную щель.
a
–ширина щели; BD – разность хода между лучами
sin sin
a
AB
BD
k
k
a
2 2
sin
- минимум
2 1
2
sin
k
a
- максимум
Спроектируем концы отрезков па щель АВ. В результате волновая поверхность разбита на когерентные источники. Волны от соседних ис- точников сдвинуты на ½ длины волны. Если число зон Френеля четное, то в точке Р будет минимальная интенсивность, а если нечетное, то – максимальная, т.к. излучение соседних зон находится в противофазе.
A
α
α
В
О
Р
½ длины вол- ны
Зоны Френеля
F
Собирательная линза экран
Sin x
I
0
К=0
К=1
К=2
К=-1
К=-2 a
D
Ответы на экзаменационные вопросы
61
Дифракционная решетка.
Рис. 20. Прохождение света через дифракционную решетку.
b
a
c
- постоянная решетки
Вторичные волны как от разных участков одной щели, так и от раз- ных щелей будут интерферировать, формирую дифракционную карти- ну. Найдем только те направления, по которым распространяющиеся вторичные волны будут приходить в фазе и усиливаться. На экране они дадут систему главных максимумов, т.е. наиболее яркие участки ди- фракционной картины.
k
c
BD
sin
- условие главных максимумов дифракци-
онной решетки.
D
α
A
α
α
В
F
Собирательная линза экран sinx
I
0
К=0
К=1
К=2
К=-1 a b c
Физика стоматологический факультет 62
17. Оптическая микроскопия. Устройство микроскопа. Ход лучей. Увеличение микроскопа. Разрешающая способность, пределразрешения. Опыты Аббе. Полезное увеличение. Пути повышения разрешающей способностимикроскопа.Специ-альныеметодымикроскопии. Микроскоп представляет собой систему двух линз – короткофокус- ный объектив и длиннофокусный окуляр. Объектив дает действитель- ное обратное изображение предмета. А окуляр работает как лупа, т.к. изображение предмета, сформированное объективом, попадает в фо- кальную плоскость окуляра. Параллельный пучок, выходящий из оку-
ляра преломляясь в средах глаза, дает на сетчатке глаза изображение предмета.
Рис. 21. Схема построение изображения на сетчатке при использовании линз ы
обококококмикрбмикрcГГFFaВFaBВBГ
0 0
/
'
/
'
увеличение микро- скопа, где
0
a= 25 см
- оптическая длина тубуса
Соответствующим подбором линз можно обеспечить достаточно большое увеличение микроскопа. Однако это бессмысленно, так как возможность различения мелких деталей предмета нарушается явлени- ем дифракции. При прохождении света через мельчайшие детали объек- та происходит дифракция, в результате которой изображение деталей теряет резкость, а может и вообще не сформироваться. Свойство опти- ческой системы давать раздельное изображение двух близко располо- женных точек называют
разрешающей способностью системы и харак- теризуют наименьшим возможным расстоянием между этими точками –
пределом разрешения оптической системы. Предел разрешения микроскопа – наименьшее расстояние между двумя различными в микроскопе точками предмета.
∆
Fок
B’
B
0
F
Fоб
Ответы на экзаменационные вопросы 63
Разрешающая способность – величина обратная пределу разреше- ния.
Опыты АббеОсновным элементом, обуславливающим разрешающую способ- ность микроскопа, является объектив. Для выяснения роли объектива формировании изображения на предметный столик микроскопа поме- щалась дифракционная решетка.
Рис. 22. Дифракционная решетка. Опыт Аббе.
Закрывая и открывая дифракционные максимумы в плоскости пер- вичного изображения, Аббе установил, что для получения изображения решетки в плоскости вторичного изображения необходимо, чтобы в формировании этого изображения принимали участия лучи нулевого и, по крайней мере, одного из боковых максимумов.
kc
sin
ck
sin
1
Чем меньше характерный размер, на который происходит дифрак- ция, тем больше угол, на
который рассеивается луч, формирующий пер- вичный максимум.
2’
1’
К=1
К=0
Плоскость первичного изображе- ния
Плоскость вторичного изображе- ния
Дифракционная решетка
K0 max
U
U – апертурный угол объектива
(угол между крайними лучами, входящими в объектив)
Физика
стоматологический факультет
64 2
sinU
Z
c
При наличии конденсора (обеспечивает сходящиеся лучи)
2
sin
5
,
0
U
Z
С учетом
n
– показателя преломления среды между объективом и окуляром
A
U
n
Z
5
,
0 2
sin
5
,
0
, где
A
– числовая апертура.
Полезное увеличение микроскопа определяется тем, что детали разрешаемые объективом будут разрешаться и глазом. Изображение де- тали предмета, равное пределу разрешения объектива должно соответ- ствовать пределу разрешения глаза (не меньше) после увеличения в окуляре.
Z
мм
Z
Z
Г
полезн
2
,
0
'
- отношение предела разрешения глаза к пределу разрешения объектива.
Для повышения разрешающей способности микроскопа следу-
ет:
1.
Уменьшать предел разрешения объектива .
Для освещения объекта применяют более короткие длины волн, на- пример, в ультрафиолетовом микроскопе в объективе – кварц.
Используют электронный микроскоп, в котором вместо света при- меняют поток электронов на препарат. Движущиеся элементарные час- тицы обладают волновыми свойствами: длина волны движущейся час- тицы
mv
h
, где h – постоянная Планка
eU
- работа электрического поля m, v – масса и скорость частицы
2 2
mv
- кинетическая работа на выходе
U
me
h
m
eU
m
h
m
eU
v
eU
mv
2 2
2 2
2
Ответы на экзаменационные вопросы 65 2
sin
2 5
,
0
UnmeUhZ
U=100кВт Z0,01нм
2.
Увеличивать апертуру . Достигается, если между объектом и объективом поместить
среду с показателем преломления большим, чем у воздуха.
Например, используют иммерсионные жидкости: вода n=1,33; мас- ло n=1,5
Специальные методы микроскопииК специальным методам микроскопии относятся: темнопольная, фазово-контрастная, флюоресцентная, поляризационная, ультрафиоле- товая микроскопия.
Метод темного поля основан на эффекте, который достигается ос- вещением объекта полым конусом света, внутренняя апертура которого должна превосходить числовую апертуру применяемого объектива. Та- ким образом, ни один прямой луч не попадает в объектив: при отсутст- вии объекта поле зрения микроскопа будет темным, а при его наличии
— контрастный светлый объект будет виден на темном фоне в отражен- ном или рассеянном (диффузно отраженном) свете.
Для создания темного поля в биологическом микроскопе применя- ют:
щелевой метод;
упрощенный метод, связанный с одновременным диафрагмирова- нием осветительной апертуры конденсора и выходной апертуры объектива, при этом объектив должен иметь ирисовую диафрагму или вкладыш, которые позволяют уменьшать выходное отверстие объектива, приближая его к осветительной апертуре, оптимальной для получения эффекта темного поля;
специальный конденсор темного поля.
Метод исследования в темном поле впервые был предложен авст- рийскими учеными Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом в 1903 г.
Метод фазового контраста связан с изменением условий освеще- ния при наблюдении слабоконтрастных биологических объектов (мик- роорганизмов, растительных клеток) в неокрашенном состоянии с це- лью их визуализации (контрастирования).
В отличие от метода темного поля, выявляющего лишь контуры объекта, метод фазового контраста позволяет увидеть элементы внут- ренней структуры рассматриваемого прозрачного объекта. Устройство дает возможность преобразовывать фазовые изменения световых волн, проходящих через объект, в амплитудные, в результате чего прозрачные микроорганизмы становятся видимыми
Внутри такие микроскопы имеют фазовый элемент (линза или пла- стина) с нанесенным кольцом, которое изменяет фазу и уменьшает ам-
Физика стоматологический факультет 66 плитуду световой волны. Середина кольца в среднем составляет 1/2—
2/3 от диаметра выходного зрачка объектива при этом светопропуска- ние кольца — 10—30% в зависимости от типа фазового контраста.
Скачать 1.47 Mb.