Лекции_Медицинская физика. Лекции по курсу Медицинская физика для специальности "Лечебное дело"
 Скачать 4.42 Mb.
|
Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой или механической волной. С волной связан процесс переноса энергии колебаний. Частицы среды при этом не переносятся, а колеблются около положения равновесия. Т.е переноса вещества нет. Есть продольные и поперечные волны. В продольных волнах есть области сжатия и растяжения. В поперечных волнах в среде возникают периодические деформации сдвига. – Продольные волны можно наблюдать во всех средах. – Поперечные – в твердых телах и на поверхностях жидкостей. Фронт волны – геометрическое место точек (поверхность), в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение. Фронт волны разделяет области, в которой точки колеблются и области, в которой точки находятся еще в равновесии. Волны распространяются с конечной скоростью. Скорость волны – это движение (скорость) фронта. В воздухе скорость колебания частиц – 10 см/с, а скорость звуковой волны 330 м/с. Волны могут быть плоскими и сферическими. Длина волны – расстояние, на которое перемещается ее фронт за время равное одному периоду колебаний частицы. Энергетические характеристики волны. Переносимая волной энергия складывается из кинетической (движение частиц) и потенциальной (деформация среды). Поток энергии (Ф) – величина, равная средней энергии, проходящей за единицу времени через данную поверхность 15 dt dE Ф [Вт]. Интенсивность волны (I) – величина равная потоку энергии волны, проходящей через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения волны S Ф I [Вт/м 2 ]; Объемная плотность энергии ( p ) – средняя энергия колебательного движения, приходящаяся на единицу объема среды 2 2 2 A p [Дж/м 3 ]; – плотность среды; A – амплитуда колебаний; - циклическая частота. § 6. Эффект Доплера Эффект Доплера состоит в том, что воспринимаемая приемником частота сигнала отличается от излучаемой источником частоты вследствие движения источника сигнала или приемника. Изменение частоты сигнала называется доплеровским сдвигом частоты - Д v . Д v определяется по формуле: И Т Д v v 2 . Здесь T - скорость движущегося тела; - скорость сигнала; И v - частота сигнала. Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов. Эффект Доплера используется в ультразвуковой диагностике. Использование эффекта Доплера показано на рис. 12. Ультразвуковые волны отражаются от эритроцитов. З У приемник - 2 З У источник - 1 1 и 2 - пьезодатчики. Рис. 12. 16 § 7. Акустика, звук 1. Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом. Звуковые явления, изучаемые в акустике, чрезвычайно важны для медицины, особенно для оценки слуховых ощущений. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20 10 3 Гц. С возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается. Возраст Верхняя граница Маленькие дети 22000 Гц До 20 лет 20000 Гц 35 лет 15000 Гц 50 лет 12000 Гц Звук с частотами меньше 16 Гц – инфразвук. Если частота звука выше 20 кГц – ультразвук. Частоты в диапазоне 10 9 – 10 12 Гц – гиперзвук. 2. Характеристики звука. Интенсивность звука (I). Для человека важны два значения интенсивности, которые определяют на частоте 1 кГц. Порог слышимости I 0 = 10 -12 Вт/м 2 – это минимальный порог восприятия звука в норме. У некоторых людей может быть 10 -13 Вт/м 2 или 10 -9 Вт/м 2 Порог болевого ощущения I max =10 Bт/м 2 . Звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли. Чувствительность уха колоссальна от min до max отличается в 10 13 раз. Звуковое давление. Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления. Звуковое давление – (Р ) давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде. Оно является избыточным, и воздействует на барабанную перепонку. Давление на пороге слышимости Р 0 =2 10 -5 Па. При болевом ощущении Р max = 60 Па. Между интенсивностью I и звуковым давлением есть связь 17 2 / 2 P I ; – плотность среды; – скорость звуковой волны. Волновое сопротивление среды ( а R ). Это произведение плотности среды на скорость звука в среде а R [кг/м 2 с] . Вещество , м/с а R Воздух 331 0,00043 Сталь 5100 40 Мозг 1520 1,6 Кость черепа 3660 6,22 Жировая ткань 1460 1,32 Коэффициент отражения (r) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волны: / пад отр I I r При нормальном падении коэффициент отражения рассчитывается по формуле: ; 2 1 2 1 2 a a a a R R R R r Коэффициент пропускания ( ) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн / пад прош I I При нормальном падении волны рассчитывается по формуле: 2 ) 1 / ( ) / ( 4 2 1 2 1 a a a a R R R R Сумма r и = 1. Уровень интенсивности. При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется величина L – уровень интенсивности. ) / lg( 2 ) / lg( 0 0 P P I I L Единицей уровня интенсивности является бел [Б]. Если интенсивность возрастает в 10 раз, то уровень интенсивности возрастает на 1 Б. На практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности [дБ] – децибел. 1дБ = 0,1 Б. Тогда L дБ =10 ) / lg( 0 I I или L дБ =20 ) / lg( 0 P P ; 18 Интенсивность звука от нескольких источников 3 2 1 I I I I , а уровень интенсивности результирующего сигнала ...) 10 10 10 lg( 3 2 1 L L L L В последнем случае уровни интенсивности берутся в белах. Закон Вебера-Фехнера. Это психофизический закон. Так как он характеризует свойство субъективных ощущений. (Закон справедлив при оценке зрительной чувствительности яркости, тактильной чувствительности для кожи и др.). Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину). Громкость звука. Субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука (например, ультразвук не воспринимается при большой интенсивности). При построении шкалы громкости учитывают восприимчивость уха «среднего» человека к различным частотам. Поступают следующим образом. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости – фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по правилу: Громкость звука равна уровню интенсивности звука на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук. На рисунке приведены кривые равной громкости. Их строят экспериментально. Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности для разных частот. Характеристика звуков Рис. 13. 19 Уровень интенсивности, дБ Звуковое давление, Па Тихий шепот 30 0,0002 Разговорная речь 50 0,006 Крик 80 0,2 Метро 90 0,64 Реактивный двигатель 120 20 Аудиометрия – метод измерения остроты слуха. Прибор – аудиометр, на нем определяется порог восприятия П L . ) / lg( 10 0 I I L П П П L – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения. Аудиограмма – это спектральная характеристика уха на пороге слышимости. Сравнивая аудиограмму больного пациента с нормальной кривой порога слухового ощущения, ставят диагноз. Таблица тугоухости (Международная классификация) Степень тугоухости I II III IV Среднее значение порога слышимости (дБ) 26-40 41-55 56-70 71-90 Глухота 90 дБ 3.Звуковые методы исследования а) Аускультация – непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. Приборы: стетоскоп, фонендоскоп. б) Фонокардиография – графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. в) Перкуссия – исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализ возникающих при этом звуков. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органов. § 8. Физика слуха В слуховом аппарате человека можно выделить звукопроводящую и звуковоспринимающую части (рис. 14) 20 Рис. 14. 1. Наружное ухо – это ушная раковина, наружный слуховой проход и барабанная перепонка. Ушная раковина (1) – звукоулавливатель, концентрирующий звуковые волны на слуховом проходе (2). Вследствие этого давление на барабанную перепонку (3) возрастает в 3 раза по сравнению с давлением в падающей волне. Наружный слуховой проход (длина 2,5 см) вместе с ушной раковиной играет роль резонатора. Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего и состоит из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Ее толщина 0,1 мм. Максимальная чувствительность уха в районе 3 кГц. 2. Среднее ухо содержит систему косточек (4) – устройство, передающее звуковое колебание из воздушной среды (наружное ухо) в жидкую среду (внутреннее ухо). Объем среднего уха 0,8 см 3 , оно заполнено воздухом. Для того чтобы понять назначение среднего уха нужно рассмотреть переход звука из воздушной среды в жидкую. Он характеризуется коэффициентом пропускания 1 a R для воздуха – 440 (кг/м 2 с); 2 a R для жидкости внутри уха – 1440000 кг/м 2 с; (см. формулу для ) 001 , 0 пад прош I I В логарифмическом масштабе потери составляют: дБ 29 ) / lg( 10 дБ прош пад I I L 21 Такой переход с энергетических позиций не эффективен. Система слуховых косточек среднего уха выполняет функцию согласования волновых сопротивлений воздушной и жидкой среды для уменьшения энергетических потерь. Система косточек работает как рычаг, в связи, с чем сила F OO , действующая на овальное окно (рис. 15) возрастает в 1,3 раза по сравнению с силой, развиваемой барабанной перепонкой, т.е. F OO = 1,3 F БП Площади барабанной перепонки и овального окна относятся как 20 / OO БП S S ) / ( 3 , 1 / 3 , 1 / ; ОО БП БП ОО БП ОО ОО ОО ОО ОО ОО БП БП БП S S P S F S F P S P F S P F OO БП БП OO 3 , 1 S S P P 26 раз. Таким образом, различие площадей БП S и ОО S совместно с системой косточек обеспечивает усиление звукового давления в 26 раз. В логарифмических единицах это составляет: дБ 28 ) / lg( 20 2 1 дБ P P L , т.е. энергетические потери составят лишь 1 дБ. Еще одна функция среднего уха – ослабление передачи колебаний в случае большой интенсивности за счет рефлекторного ослабления с помощью мышц связи между косточками. Сильное изменение давления в окружающей среде может вызвать растяжение барабанной перепонки (болевые ощущения, разрыв). Для ослабления таких перепадов служит евстахиева труба, которая соединяет полость среднего уха с верхней частью глотки. Рис. 15. 22 3. Внутренне ухо содержит улитку, основную мембрану, рецепторы, разветвление слухового нерва и представляет собой полость, заполненную перелимфой. Полость – лабиринт имеет сложную форму и состоит из двух основных частей: улитки (5), преобразующей механические колебания в электрический сигнал и полукружий вестибулярного аппарата. Вдоль улитки, представляющей собой полое костное образование длиной 35 мм, в виде спирали, содержащей 2,5 завитка, проходит три канала: вестибулярный, барабанный, улитковый. Между улитковым и барабанным каналом вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана (6), на которой находится Кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки (7) (около 24000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву (8) в мозг. Кортиев орган является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал. Длина основной мембраны 32 мм. Она неоднородна. Так, например, модуль упругости вблизи стремечка в 100 раз больше, чем у вершины. 4. Бинауральный эффект – это способность устанавливать направление на источник звука в горизонтальной плоскости. Звуковая волна приходит в левую и правую ушные раковины в разных фазах и с отличающимися интенсивностями. Это обеспечивает бинауральный эффект. Человек с нормальным слухом фиксирует направление на источник звука с точностью до 3°. В вертикальной плоскости разности фаз нет и интенсивность одинакова, но форма ушной раковины способствует определению локализации источника звука. Дифракция звука на ушных раковинах происходит по-разному. В результате на спектр звукового сигнала накладываются max и min, зависящие от положения источника. По- видимому, в результате огромного опыта слушатели научились ассоциировать различные спектральные характеристики с соответствующими направлениями. Специальным подбором спектрального состава можно 23 «обмануть» ухо. Человек воспринимает звук, содержащий основную часть энергии в области 1 кГц – сзади, независимо от его действительного расположения. Звуковые волны с частотами ниже 500 Гц и в области 3 кГц – спереди, 8 кГц – сверху. 5. Тимпанометрия – метод измерения податливости звукопроводящего аппарата слуховой системы под влиянием аппаратного изменения воздушного давления в слуховом проходе. По тимпанограммам судят о патологиях. В слуховом проходе создается избыточное или недостаточное давление до 200 дПа. Подается волна определенной интенсивности, которая отражается от барабанной перепонки. Изменение интенсивности отраженной волны позволяет судить о звукопроводящих возможностях среднего уха. Мерой является параметр подвижности (рис. 16). Тимпанограммы позволяют определять патологии среднего уха (рис. 17). Рис. 16. 24 Рис. 17. § 9. Ультразвук Получают ультразвук (УЗ) за счет пьезоэффекта. Особенность ультразвука – это направленность распространения, как луч света. Для УЗ применимы законы геометрической оптики. При прохождении через вещество УЗ поглощается. На глубине h интенсивность УЗ: H h h I I / 0 2 ; H – глубина полупоглощения, на ней интенсивность УЗ уменьшается вдвое. В медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая 1,5 Вт/м 2 , средняя 1,5–3 Вт/м 2 , большая 3–10 Вт/м 2. . Волновое сопротивление биологических тканей в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха, поэтому 99,99 % УЗ отражается. Для исключения воздушного слоя поверхность кожи покрывают смазкой, уменьшающей отражение. Биофизическое действие УЗ - УЗ механические колебания частиц вещества в тканях могут вызывать благоприятные структурные перестройки вследствие микровибраций на клеточном и субклеточном уровне, микромассаж тканевых структур. - УЗ оказывает действие на клеточные мембраны. Внутри клетки микропотоки могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму, изменять ее вязкость. УЗ волны могут отрывать 25 от клеточных мембран биологические макромолекулы, изменять поверхностный заряд, проницаемость. При достаточно большой интенсивности УЗ происходит разрушение мембран. Резистивность клеток различна от 0,1 10 4 Вт/м 2 до 25 10 4 Вт/м 2 - Облучение УЗ с интенсивностью, превышающей порог кавитации, используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов. - УЗ вызывает расщепление молекул воды на H + и ОН - с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 - При воздействии УЗ происходит нагрев тканей. Теплота выделяется на границах раздела тканей: мягкие ткани - кость. При этом повышается интенсивность процессов обмена. УЗ – терапия. Это УЗ массаж – при помощи дозированного пучка УЗ (массаж сердца, легких и др.). Фонофорез – введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. При этом перемещаются и незаряженные частицы. Фонорез эффективнее электрофореза. Аутогемотерапия – внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура более эффективна, если кровь перед вливанием облучить УЗ. Предварительное воздействие УЗ усиливает действие γ и СВЧ облучения на опухоли. УЗ можно использовать для сваривания мягких тканей и костей и, наоборот, для резки тканей. При этом инструмент соединяют с источником УЗ. Снижаются усилия резания, уменьшается болевое ощущение, есть кровоостанавливающий и стерилизующий эффект. Очень интенсивный УЗ смертелен. Инфразвук с характеристиками: 160 дБ и 7 Гц – смертелен. |