Практикум по физике Часть Биоакустика. Вводное занятие
 Скачать 1.01 Mb.
|
Лабораторная работа № 51.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГОВ СЛЫШИМОСТИ С ПОМОЩЬЮ АУДИОМЕТРА.Цель данной работы: определение индивидуальных особенностей слуха на пороге слышимости с помощью аудиометра. Порядок выполнения лабораторной работы. Аудиометр, используемый в данной работе, обеспечивает проверку остроты слуха по воздушной проводимости, в диапазоне частот от 125 до 8000 Гц. Работа выполняется в два этапа. На первом этапе Ваша задача – определить свои пороги слышимости по воздушной проводимости по левому и правому уху. Данные по обоим ушам фиксируются на одном бланке аудиограммы. Измерения производятся при полной тишине в аудитории. Необходимые пояснения о проведении измерений на аудиометре можно получить от лаборанта или преподавателя. В клинической практике пациент, одев наушники или прислонив к голове вибратор, никаких переключений в приборе не производит, и лишь сообщает врачу-сурдологу о своих слуховых ощущениях. Следуя этой норме, каждый в студенческой бригаде, выполняя эту работу, получает возможность побыть как врачом, так и пациентом. На каждом значении частоты необходимо плавными переключениями уровня громкости добиться появления минимальной слышимости, т.е. определить порог слышимости, и нанести на бланк точку на пересечении соответствующих линий. Точки по каждому уху соединяются ломаной линией «от точки к точке», т. е. без усреднения. На рис 11 представлены аудиограммы порогов слышимости одного уха пациента с нормальным слухом по каналам воздушной и костной проводимости (или, как иногда говорят, по воздушному и костному звукопроведению).  Рис. 11. Аудиограмма с данными уха, имеющего нормальный слух. На втором этапе необходимо проанализировать аудиограмму, руководствуясь российской классификацией нарушений слуха, которая приведена в табл. 3. Согласно этой классификации, заключение «Нарушений слуха нет» уместно в том случае, если кривые на Вашей аудиограмме не опускаются ниже уровня 25 дБ. Там же, в табл. 3, можно ознакомиться и с международной классификацией нарушений слуха. Табл. 3. Классификация нарушений слуха
Если острота слуха одного или обоих ушей - за пределами нормы второй строки, требуется проведение дополнительного анализа аудиограмм на четырех опорных частотах диапазона, наиболее важного для восприятия речи: 500 Гц, 1 кГц, 2 кГц, 4 кГц. Для выполнения этого анализа на Вашем индивидуальном бланке помимо аудиограммы предусмотрена расчетная таблица, представленная ниже (табл. 4) Таблица 4 Острота слуха на опорных частотах:
По данным аудиограммы необходимо: сформировать две выборки значений порога слышимости на четырех опорных частотах (строки 1-4); найти сумму элементов выборок (строка 5) и вычислить средневыборочные значения порогов слышимости (строка 6); по средневыборочным значениям остроты слуха и данным таблицы 3 определить степень тугоухости ушей; выводы записать в строку 7 таблицы 4. Итоговое заключение может, к примеру, оказаться таким: «Слух левого уха - в норме. Тугоухость 1 степени правого уха». БИОАКУСТИКА. УЛЬТРАЗВУК. Высокочастотный звук - ультразвук - это механические колебания в упругой среде, частота которых - выше диапазона слышимых частот. Частотный диапазон ультразвука – от 20 кГц до 1 ГГц. В медицине ультразвук находит применение как в диагностике, так и в терапии. 1. Получение и регистрация ультразвука в медицинской ппаратуре Пьезоэлектрики (от греческого piezo - давлю, сжимаю) - это диэлектрики, которые способны поляризоваться при их деформации: при сжатии пьезоэлектрика на двух его поверхностях, испытывающих давление, возникают заряды противоположного знака, обусловленные его поляризацией. Если сменить знак деформации, то есть сжатие заменить растяжением, то на тех же поверхностях пьезоэлектрика появятся электрические заряды обратной полярности. Прямой пьезоэлектрический эффект- это явление возникновения электрической разности потенциалов на пьезоэлектриках при их механической деформации. Он применяется для регистрации ультразваука. Вот как это происходит: ультразвук, приходящий извне на рабочие поверхности пьезокристалла, создает в прилегающей к ним среде то зону сжатия, то зону разрежения. Это приводит к появлению деформаций сжатия-растяжения пьезокристалла, сменяющих друг друга с частотой регистрируемого ультразвука. Знакопеременные деформации пьезокристалла приводят к появлению знакопеременной разности потенциалов между его рабочими поверхностями. Обратный пьезоэлектрический эффект - появление деформаций при поляризации пьезоэлектрика во внешнем электрическом поле. Вот как этот эффект используется для получения ультразвука: если пьезоэлектрик помещен в переменное электрическое поле, то в такт со сменой полярности приложенного электрического напряжения в пьезоэлектрике возникают, сменяя друг друга, деформации сжатия и растяжения; в направлении силовых линий поля пьезокристалл то укорачивается, то удлиняется, становясь источником ультразвуковых колебаний в примыкающей к нему среде. Итак, обратный пьезоэлектрический эффект применяется для получения ультразвука, а прямой - для его регистрации. Технические подробности - в разделе 1.2. Но не следует думать, что природа предусмотрела пьезоэлектрический эффект исключительно для создания ультразвуковой аппаратуры. Прямой пьезоэлектрический эффект выполняет важные функции в процессах ремоделирования костных тканей. Ремоделирование костных тканей - это непрерывный процесс их обновления. Цикл полного обновления в среднем составляет 25 лет. Обновление осуществляют специализированные клетки двух типов: Остеокласты - клетки-разрушители изношенных костных тканей; Остеобласты - клетки-созидатели костных тканей из обновленного материала. Деформации растяжения кости вызывают появление в костных пластинах положительного пьезоэлектрического потенциала. Благодаря этому активируются остеокласты, резорбируют (разрушают) изношенный костный материал, а затем, спустя некоторое время, активируют остеобласты, намекая, что им тоже пора браться за работу. Деформации сжатия кости вызывают появление отрицательного потенциала, дополнительно активизирующего работу остеобластов по синтезу нового костного материала из продуктов резорбции, выполненной остеокластами. При отсутствии физической нагрузки и сопутствующих ей деформаций кости имеет место нулевой пьезоэлектрический потенциал. При нулевом пьезопотенциале стимулируются остеокласты, и кроме того - выведение солей из кости. Общеизвестно, что отсутствие полноценной физической нагрузки в условиях длительных космических полетов создает серьезнейшие проблемы для опорно-двигательного аппарата космонавтов. 2. Ультразвуковые излучатели и приемники в медицинской технике. В медицинской технике используются электромеханические излучатели и приемники ультразвука, работающие на основе прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Ультразвуковой излучатель представляет собой пластину из пьезоэлектрика с нанесенными на ее поверхности проводящими слоями, выполняющими функции электродов. При подключении этих электродов к высокочастотному электрическому генератору возникает обратный пьезоэлектрический эффект: поверхность пластины с нанесенными на нее электродами начинает совершать вынужденные механические колебания, имеющие частоту, равную частоте электрического генератора. В прилегающей к электродам среде возникает ультразвуковая волна. Частота ультразвуковых колебаний пьезоэлемента-излучателя равна частоте электрических колебаний, подаваемых на электроды. Наиболее охотно, с наибольшей амплитудой будут происходить колебания пьезоэлемента, если частота электрического напряжения совпадет с собственной частотой механических колебаний излучателя (условие резонанса). Чем меньше масса и размеры излучателя, тем больше его собственная частота колебаний. В большинстве медицинских приборов ультразвуковой излучатель выполняет так же и функцию приемника ультразвуковых волн, им же и создаваемых, периодически переключаясь с режима излучения на режим приема отраженных ультразвуковых волн. Чтобы излучатель ультразвука стал его приемником, необходимо отключить его электроды от электрического генератора и подключить их к системе, регистрирующей разность потенциалов, возникшую, благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту, под воздействием отраженного ультразвука. Разумеется, переключения производятся автоматически. Эхолокация в ультразвуковой диагностике. Многие приборы для ультразвуковых медицинских исследований (УЗИ) работают на основе принципа эхолокации. Эхолокация - это определение положения (локация) удаленных предметов по длительности задержки с приходом отраженных от них звуковых импульсов (эхо). В природе эхолокацию раньше человека освоили летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные. Радиолокация — это решение аналогичных задач с использованием импульсов электромагнитных излучений. Пример использования эхолокации в медицинской аппаратуре: на рис. 1 представлена схема одномерного ультразвукового диагностического прибора для эхоскопии глаза. В нижней половине рисунка - схема строения глаза. В контакте с роговицей - ультразвуковой излучатель, испускающий короткие ультразвуковые импульсы длительностью порядка 1 мкс. В паузах между излучаемыми импульсами этот же прибор принимает импульсы, отраженные от различных внутриглазных неоднородностей. Возникающие при этом электрические импульсы, после их усиления, формируют на экране монитора эхограмму – запись последовательности отраженных импульсов в порядке их поступления. Эхограмма представлена на верхней половине рис. 1.  Рис. 1. Схема получения эхограммы глаза. На этой схеме: 1 - эхосигнал от передней поверхности роговицы; 2, 3 - эхосигналы от передней и задней поверхностей хрусталика; 4 - эхосигнал от сетчатки и структур заднего полюса глазного яблока. Эхограмма формируется следующим образом. Любой ультразвуковой импульс излучателя проходит сквозь глаз, частично отражаясь в обратном направлении на каждой из границ раздела смежных структур. Так что каждый импульс ультразвукового излучателя порождает несколько отраженных УЗ-импульсов. В нашем примере хорошо различимы эхосигналы от четырех отражающих поверхностей. Координаты эхосигналов на эхограмме пропорциональны времени задержки с приходом на излучатель УЗ-импульсов, отраженных от различных внутриглазных поверхностей. А излучатель успевает вовремя стать приемником. Эхосигналы формируют на экране монитора неподвижное изображение. Инерционность нашего зрения делает незаметным то обстоятельство, что это изображение в течение секунды тысячекратно исчезает и вновь появляется. Двухмерные приборы для УЗ-диагностики имеют многоэлементные ультразвуковые преобразователи в виде блока автономных одномерных пьезоэлементов. Каждый такой элемент имеет свою «зону ответственности» в двухмерном (плоском) изображении внутренних органов на экране монитора. Система работает циклически. Каждый цикл организован следующим образом: пьезоэлементы поочередно подключаются к высокочастотному генератору электрических импульсов и поочередно становятся источниками ультразвуковых импульсов. Затем система переключается на режим поочередной регистрации отраженных УЗ-импульсов. При этом актуальным является не длительность задержки отраженных эхосигналов, а их интенсивность: чем больше интенсивность, тем больше яркость свечения монитора в «зоне ответственности» каждого пьезоэлемента. Диагностические возможности расширяются, если в ходе обследования осуществляется перемещение ультразвуковой головки - преобразователя вдоль тела пациента (сканирование). 1.4. Волновое сопротивление. Коэффициенты отражения и пропускания Плотность среды ρ и скорость звука V в этой среде образуют комплекс ρV - волновое сопротивление (акустическое сопротивление; звуковой импеданс). Именно этот параметр и его распределение в объеме исследуемых органов определяют, в конечном счете, диагностические возможности методов УЗИ. В методах УЗИ зрительные образы формируются на ультразвуковых лучах, введенных в организм пациента и отраженных, в той или иной степени, на неоднородностях в распределении волнового сопротивления. Но мы в ультразвуковых лучах ничего не видим и не слышим. Поэтому потоки отраженного ультразвука, вышедшего из организма, регистрирующая аппаратура преобразует в электрические сигналы. По ним на экране монитора получается некоторый видео-образ: зрительно доступная картина на плоскости экрана, показывающая, как распределены неоднородности волнового сопротивления в объеме тела пациента. При этом более глубоко расположенные неоднородности могут оказаться в тени неоднородностей, расположенных менее глубоко. Так что медицинское прочтение таких картинок может оказаться сложным, особенно с непривычки. В таблице 1 приведены значения скорости звуковых волн и волнового сопротивления для различных биологических сред организма человека. Таблица 1.Волновое сопротивление тканей человека.
Значения волнового сопротивления сред, следующих одна за другой по ходу волнового луча, определяют распределение энергии между отраженными и проходящими в соседнюю среду потоками энергии. Если два слоя две среды одинаковы по величине волнового сопротивления, то на их границе ни отражения, ни преломления не произойдет; луч останется прямолинейным. И наоборот, чем больше отличаются волновые сопротивления соседствующих слоев вещества, тем заметнее будет это место при проведении УЗИ. |