Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004

• Название: Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004
• Анкор: Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике.doc
• Дата: 30.01.2017
• Размер: 10.98 Mb.
• Имя файла: Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо.doc
• Тип: Руководство; #1280
• Категория: Физика
• страница: 2 из 24

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Что такое звук? Классификация звуков.
   
2. 
   Укажите объективные характеристики звукового тона.
   
3. 
   Назовите субъективные характеристики звукового тона и укажите их связь с объективными характеристиками.
   
4. 
   Шкала уровней интенсивности звука. Единицы измерения.
   
5. 
   Шкала громкости. Единицы измерения. Кривые равной громкости.
   
6. 
   Что такое порог слышимости и порог боли?
   
7. 
   Звуковые методы исследования в клинике.
   
8. 
   Влияние инфразвука на биологические объекты.
   
9. 
   Шум, борьба с ним.
   

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высшая школа,1982. – С. 133 – 199.
   
2. 
   Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978. – Т. 1. – С. 88 – 103.
   
3. 
   Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 150 – 158.
   
4. 
   Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. - С. 127-142.
   
5. 
   Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 86 – 89.
   

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОКАЦИИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. 
   Изучить принцип действия эхоэнцефалоскопа.
   
2. 
   Определить скорость распространения ультразвука в оргстекле.
   
3. 
   Определить коэффициент поглощения ультразвука в оргстекле.
   

ОБОРУДОВАНИЕ:

эхоэнцефалоскоп «ЭХО – 12 », сосуд с водой, образцы из оргстекла, линейка.
УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНЕ

Ультразвуковые методы получили в медицине широкое распространение, включая следующие направления:

• 
  фармакология; применяют способность ультразвуковых волн создавать эмульсии веществ, не смешиваемых в обычных условиях;
  

• 
  физиотерапия; используют механическое и тепловое действие для улучшения обменных процессов в тканях, повышения проницаемости мембран клеток при введении лекарств (фонофорез);
  

• 
  диагностика; широкое применение получили методы на основе:
  

а) эффекта Доплера (для определения скорости движения крови по сосудам, структур сердечной мышцы при сокращениях и др.),

б) эхолокации (для оценки расположения опухоли в головном мозге, определения отслойки сетчатки, а также получения непосредственно изображения внутренних органов на экране прибора для ультразвукового исследования – УЗИ);

• 
  хирургия; ультразвуковой скальпель позволяет выполнять операции с минимальной кровопотерей, вызывая свертывание крови в месте рассечения тканей, а ультразвуковая пила существенно повышает уровень обработки костных тканей. Удаление камней, возникающих при мочекаменной болезни, с помощью ультразвуковой аппаратуры становятся легко переносимой операцией. Под действием сфокусированных ультразвуковых волн камни разрушаются до легковыводимых частиц непосредственно в организме.
  

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ультразвуком называют механические волны, частота которых превышает 20 кГц.

Человеческое ухо не воспринимает ультразвук. Тем не менее некоторые представители животного мира (насекомые, летучие мыши, дельфины и др.) обладают способностью издавать и воспринимать ультразвук низких частот.

Для получения ультразвука используют устройства, называемые ультразвуковыми излучателями (генераторами). Принцип действия таких излучателей основан на явлениях магнитострикции (при низких частотах до 100 кГц) и обратного пьезоэлектрического эффекта (при высоких частотах). Магнитострикция заключается в колебаниях (удлинение и укорочение) длины ферромагнитного сердечника под действием переменного магнитного поля (рис.1а). Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменениях линейного размера пластинки пьезоэлектрика под действием переменного электрического поля (рис. 1б). В обоих случаях колебания размеров рабочего тела излучателя вызывают в граничащей с телом среде продольную ультразвуковую волну.

При распространении продольных ультразвуковых волн, так же, как и при звуковых волнах, в веществе возникают чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды.


Рис. 1. Получение механических волн с помощью магнитострикции (а) и обратного пьезоэлектрического эффекта (б) (стрелками показано направление распространения ультразвуковых волн).

Скорость распространения ультразвука зависит от свойств среды. С увеличением плотности среды скорость увеличивается. Так, в костях она составляет около 3500 м/с, а в воде и мягких тканях – около 1500 м/с.

Поглощение ультразвуковых волн в среде происходит по экспоненциальному закону:

, (1)

где I₀ – интенсивность волн, падающих на вещество,

I_d – интенсивность волн, прошедших слой вещества толщиной d,

μ - коэффициент поглощения, зависящий от свойств вещества,

d – толщина слоя вещества.

Из формулы (1) можно определить коэффициент поглощения μ следующим образом

, (2)

, (3)

. (4)

Распространение ультразвуковых волн имеет некоторые особенности:

1. 
   Ультразвук сильно поглощается газами (так как его длины волн малы) и слабее – жидкостями. Например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе примерно в 1000 раз больше, чем в воде. Поэтому контакт между излучателем и облучаемым объектом не должен содержать воздушной прослойки.
   
2. 
   Ультразвук излучается в виде узких направленных пучков и может быть сфокусирован подобно световым потокам.
   
3. 
   Отражение и преломление ультразвуковых волн на границе раздела двух сред происходит по законам геометрической оптики и зависит от их волновых сопротивлений. Волновым сопротивлением называется произведение плотности среды ρ и скорости распространения ультразвуковых волн в среде υ. Поэтому ультразвук хорошо отражается на границах мышца – надкостница – кость, на поверхности полых органов и т. д., что позволяет определять локализацию неоднородных включений в теле человека (ультразвуковая локация).
   
4. 
   При большой мощности ультразвуковые волны образуют в жидких средах микрополости, возникающие в участках разрежения среды. В них интенсивно входят из окружающей жидкости газы. Попадая в область фронта волны, микрополости сжимаются, «схлопываются» под большим давлением. При этом выделяется большое количество энергии и происходит ионизация молекул среды. Это явление называется кавитацией. Внешне эффект кавитации напоминает кипение жидкости.
   
5. 
   Ультразвук оказывает на вещество сложное механическое, физико-химическое, тепловое действие.
   

Механическое действие ультразвука связано с деформацией микроструктуры вещества, происходящей вследствие поочередного сближения и разрежения его частиц, вызываемых ультразвуковой волной. В жидкости это приводит к явлению кавитации.

На комплексном действии перечисленных факторов основано биологическое действие ультразвука, которое сопровождается следующими эффектами:

• 
  микровибрация на клеточном и субклеточном уровне,
  
• 
  увеличение проницаемости мембран,
  
• 
  разрушение биомакромолекул,
  
• 
  повреждение биологических мембран,
  
• 
  тепловое действие,
  
• 
  разрушение клеток и микроорганизмов.
  

МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОКАЦИИ

Метод заключается в следующем: ультразвуковые волны, образованные зондом – пьезодатчиком (обратный пьезоэффект), проходят через объект и отражаются от неоднородностей. При этом отраженные сигналы распространяются по тому же пути в обратном направлении и принимаются тем же зондом в интервалах между излучениями (рис. 2) (на основе прямого пьезоэффекта, заключающегося в возникновении разности потенциалов на гранях пьезокристалла под действием механической деформации).

Рассмотрим принцип получения изображения (эхограммы) на экране эхоэнцефалоскопа.

Смещение луча по экрану вдоль горизонтальной оси осуществляется с постоянной скоростью блоком развертки.


Рис. 2. Блок – схема эхоэнцефалоскопа (1 – входной сигнал, 2 – отраженный сигнал).
Возникающий в генераторе электрический импульс возбуждает ультразвуковой зонд и одновременно отклоняет электронный луч на экране прибора, создавая первый пик. После прохождения в веществе отраженный ультразвуковой сигнал принимается зондом, усиливается и передается на электронно-лучевую трубку, создавая второй и следующие пики. Таким образом, расположение импульсов по горизонтальной оси определяется временем, необходимым для прохождения ультразвука до исследуемого объекта и обратно.

Для определения глубины расположения исследуемой структуры измеряется расстояние от входного импульса до отраженного. Измерение производится с помощью метки времени, вырабатываемой специальным генератором. Шкала измерителя проградуирована с учетом скорости распространения ультразвука в воде (1500 м/с), что соответствует скорости ультразвука в ткани мозга.

С помощью эхоэнцефалоскопа можно определить скорость распространения ультразвука в любой среде. Для этого направим ультразвуковой сигнал на исследуемый объект толщиной L и рассмотрим на экране эхоэнцефалоскопа полученное изображение – эхограмму.

Расстояние L₀ между входным и отраженным импульсами на эхограмме по шкале измерителя определяется следующим образом:

, (5)

где υ ₀ – скорость ультразвука в воде,

t – время распространения ультразвукового сигнала в объекте.

С другой стороны, время распространения ультразвукового сигнала в исследуемом объекте толщиной L можно определить по формуле

, (6)

где υ – скорость распространения ультразвука в данной среде (объекте).

Так как значение времени распространения t в уравнениях (5) и (6) одинаковое, то получим:

. (7)