ФИЗИКА Пraktikum. Учебнометодическое пособие для студентов медицинских вузов 2018 Вводное занятие
 Скачать 4.99 Mb.
|
|
ν ՜ ′= ν0 (V - U) / (V + U) ( ν ՜ ՜ ν0 ) (4) Уравнения получены в предположении, что все события развиваются вдоль одной прямой. Но эффект Допплера будет иметь место и при более сложном движении источника и приемника, лишь бы менялось расстояние между ними. Приведем пример ситуации, в которой проявляется эффект Допплера. Вы стоите на обочине шоссе, а мимо Вас на неизменных оборотах мотора (и на неизменной частоте ν производимого им звука) проезжает автомобиль. Пока он к Вам приближается, Вы слышите звук его мотора ΄ более высокий, чем , а как только он проехал мимо Вас, звук мотора становится низким, басовитым: ν < ν0 Вы даже можете подумать о водителе что-нибудь лестное: что он нажал на педаль газа только после того, как проехал мимо Вас... Ультразвуковая аппаратура, работающая на основе эффекта Допплера, широко применяется для контроля состояния кровеносной системы. В качестве примера, рассмотрим сравнительно простой прибор для измерения скорости кровотока. Компактный ультразвуковой излучатель прижимается к кровеносному сосуду и работает в режиме излучение – прием – излучение – и т.д. Частота излучаемого ультразвука строго постоянна. Импульсы ультразвука отражаются от эритроцитов, так чтоэритроциты становятся движущимися источниками отраженного ультразвука, а ультразвуковая головка его регистрирует. Чем больше скорость кровотока, тем больше, через эффект Допплера, отличаются частоты излученного и отраженного ультразвука. Разность этих частот (так называемый частотный сдвиг) дает информацию о скорости кровотока, а знак этой разности указывает на направление кровотока. У подобного прибора появляются дополнительные возможности, если переключения режимов с излучения на прием производить с некоторой задержкой: импульсы, отраженные от ближних к излучателю эритроцитов, регистрироваться не будут. Меняя время задержки, можно, при неподвижном излучателе, обследовать участки кровеносной системы на различном удалении от излучателя. Продвинутому студенту: предложите что-нибудь для того, чтобы удаленные участки предыдущего абзаца имели малую протяженность. Эффект Допплера наблюдается и при распространении световых волн. Если источник и приемник света движутся по отношению друг к другу, то чем больше скорость этого относительного движения, тем больше частотный сдвиг спектральных линий света от дальних звезд по отношению к аналогичным спектральным линиям от земных источников. Знак этой разности частот указывает на то, что звезды удаляются от нас. Имеет место так называемое «красное смещение» в регистрируемых оптических спектрах. По величине «красного смещения» частот вычисляется скорость удаления этого объекта от нас, и эта скорость пересчитывается на расстояние до него. Не следует думать, что при этом наша Земля – Пуп Вселенной, от которого все разбегается во всех направлениях. Растут, в связи с расширением Вселенной, расстояния между любыми двумя объектами. 7. Действие ультразвука на ткани организма. Методы лечения с применением ультразвука Ультразвук может оказывать на ткани организма механическое, тепловое и химическое действие. Терапевтический эффект достигается совместным действием этих факторов. Тепловое действие ультразвука в жидкостях и в мягких тканях обусловлено тем, что в таких средах, охваченных ультразвуковыми колебаниями, соседствует множество тонких слоев вещества, имеющих большие отличия в скорости их движения, вплоть до движения соседних слоев в противоположных направлениях. Поэтому силы вязкого трения между слоями могут быть весьма существенны. Механическая работа этих сил во всем объеме «озвученной» среды и есть тепловая энергия, выделенная в этом объеме. Аналогия: в холодную погоду мы интенсивно трем руки. Чем больше частота ультразвука, тем больше перепады скоростей в слоях вещества, больше коэффициент его ослабления, больше тепловой эффект. Обращаем Ваше внимание на значительный, иногда опасный тепловой эффект, возникающий на границах раздела тканей с большой разностью волновых сопротивлениях. В таких случаях коэффициент отражения ультразвукового луча близок к единице , и интенсивность отраженного луча почти равна интенсивности падающего луча. Поэтому при наложении отраженного луча на падающий, благодаря одинаковости фаз колебаний в этих лучах, результатом их интерференции становятся колебания почти что удвоенной амплитуды. Энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, так что в областях, примыкающих к границам раздела с большим коэффициентом отражения, тепловое действие ультразвука наиболее интенсивно. При вводе ультразвука в организм обсуждаемое усиление теплового действия происходит вне организма, и оно не ощутимо. А вот на выходе из организма оно может быть вполне ощутимо. Например, если ультразвуковой излучатель прислонить к мокрой ладони, то вскоре с тыльной стороны ладони появится ощущение, похожее на боль ожога. В онкологии: ультразвуковая гипертермия – локальный контролируемый нагрев нежелательных структур до температуры 41 -44 ОС без перегрева соседних тканей – может достигаться фокусировкой ультразвукового потока, либо пропусканием нескольких потоков излучения неопасной интенсивности, с их пересечением на нежелательных структурах, где их тепловое действие суммируется. Терапевтическая процедура, основанная на механическом действии ультразвука – микромассаж. Ультразвук создает в тканях высокочастотные локальные пульсации давления. На любом расположенном вдоль УЗ-луча отрезке протяженностью, равной длине волны, сосуществуют: зона повышенного давления (зона сжатия) и зона пониженного давления (зона растяжения). Спустя каждые полпериода зоны повышенного давления становятся зонами давления пониженного, и наоборот. Длина волны ультразвука в мягких тканях при частоте 1 МГц равна 1,5 мм. Так что зоны сжатия и расширения - действительно зоны локальные, клеточного и субклеточного масштаба. Результаты подобных пульсаций давления зависят от их амплитуды, то есть от интенсивности ультразвука. При низкой интенсивности, не более 1 Вт/см2, увеличивается проницаемость клеточных мембран, улучшаются процессы тканевого обмена, и в целом достигается положительный эффект. Малые по интенсивности и длительности терапевтические УЗ-дозы оказывают болеутоляющее, сосудорасширяющее, рассасывающее действие, стимулирующее восстановление поврежденных органов и тканей. Малыми дозами УЗ-излучения осуществляют массаж сердца и легких, мышечных тканей. При малых интенсивностях ультразвука микромассаж сопровождается слабым локальным нагревом тканей на доли градуса. Это, как правило, дополнительно стимулирует нормальное протекание физиологических процессов. Но нужна осторожность: при длительном воздействии может наступить перегрев тканей и от ультразвука малой интенсивности. Перегрев возможен, если локальное ежесекундное тепловыделение превосходит ежесекундный теплоотвод, и это длится достаточно долго. Ультразвуковые ингаляторы – простые и компактные устройства, в которых ультразвук создает из лечебного раствора тонкодисперсный туман, вдыхаемый при ингаляции. Фонофорез (сонофорез, ультрафонофорез) — это терапевтический метод воздействия на организм, в котором так же сочетаются эффекты механического и теплового действия ультразвука. Он применяется для введения в ткани организма лечебных или косметических препаратов. Вводимый препарат смешивается с контактным гелем для ввода ультразвука в ткани организма. Ультразвуковой излучатель может работать в постоянном режиме (интенсивность порядка 0,5 - 2 Вт/см2), либо в импульсном (0,1 - 3 Вт/см2). При импульсном режиме тепловой эффект воздействия меньше, и это важно для предотвращения перегрева тканей. Фонофорез аналогичен электрофорезу. При электрофорезе лекарственный препарат, имеющий вследствие диссоциации ионную структуру, внедряется в ткани организма под действием электрического поля. При фонофорезе ультразвук внедряет в ткани хоть ионы, хоть нейтральные частицы. Кавитация – явление возникновения пустот в виде пузырьков, заполненных газом или насыщенным паром, в жидкости, имеющей пониженное давление. В зонах разрежения в жидкости возникают зоны пониженного давления, провоцирующие появление в жидкостях деформации растяжения. А на растяжение жидкости работать не умеют: недостаточно велики силы межмолекулярных взаимодействий. Поэтому в зонах пониженного давления жидкость может разорваться, и в ней могут образовываться микрополости, заполненные насыщенным паром. Возникает явление кавитации. Cavity (лат.) – пустота. Размеры кавитационных пузырьков невелики: доли миллиметра. Кавитационные пузырьки, возникнув в зоне пониженного давления, оказываются, спустя полпериода, в зоне повышенного давления, и происходит их схлопывание – сокращение до нулевых размеров. Заполняющий их насыщенный пар опять становится жидкостью. При этом происходит сближение его диаметрально противоположных поверхностей с очень большой, и все возрастающей скоростью, и гидравлический удар – резкий всплеск давления, который способен разрушать не только клетки или микроорганизмы, но и металлы. Есть даже способ контроля интенсивности кавитации по количеству дырочек, возникающих в металлической фольге за одно погружение в жидкость. В зонах возникновения кавитации существенно возрастает коэффициент поглощения УЗ-излучения, интенсивно идут процессы перемешивания и перехода энергии механических колебаний в тепловую. Кавитационный режим действия ультразвука на ткани организма – в основе эффективной методики безоперационной ультразвуковой липосакции. В этой методике разрушение жировых тканей производится низкочастотным ультразвуком (20 – 100 кГц). В фармацевтических производствах кавитационное дробление и перемешивание разнородных препаратов применяется для получения лечебных эмульсий, которые другими способами не изготовить. Ультразвуковые скальпели в хирургии. Наложение УЗ-колебаний на хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) существенно снижает усилия резания, уменьшает болевые ощущения, оказывает стерилизующее и кровоостанавливающее действие. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20 -50 кГц составляет 20-50 мкм. Подобные скальпели позволяют проводить операции в дыхательных органах без вскрытия грудной клетки, операции в пищеводе и на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ-скальпель в вену, можно разрушить в ней холестериновые утолщения. В другой разновидности УЗ-скальпелей ультразвук накладывается непосредственно на разрезаемые ткани, Происходит кавитационная деструкция тканей под действием ультразвука высокой интенсивности, достигаемой его фокусировкой на зоне разреза. Аналогия: в лазерном скальпеле луч тоже фокусируется на зоне разреза. В урологии механическое действие ультразвука используется для дробления камней в мочевых путях; тем самым и в этих обстоятельствах отпадает необходимость в операции. При сложных переломах может применяться ультразвуковой остеосинтез. Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), который под действием ультразвука быстро полимеризуется (химическое действие ультразвука). После УЗ-облучения образуется прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью. Биоакустика: инфразвук. (Материалы к семинару по биоакустике) Инфразвук - это звуковые волны, частота которых ниже области слышимых человеком частот (от латинского infra – ниже, под). Верхняя частотная граница инфразвука - 16 Гц, нижняя - точно не установлена. В настоящее время исследуются инфразвуковые колебания с частотой до тысячных долей одного герца. Если частота колебаний ν=0.001 Гц, то их период: Т = 1000 с= 16,7 мин. Утверждение о том, что 16 Гц – частотная граница между звуком и инфразвуком, - достаточно условное: установлено, что при высокой интенсивности инфразвука слуховое ощущение возникает и на частотах в несколько герц. Правда, эти ощущения необычны: вместо ощущения тона – лишь способность различать отдельные циклы. Не исключено, что на инфразвук мы реагируем и «в обход» органов слуха: неосознанно используем такие протяженные элементы, как позвоночник и диафрагма. Инфразвуковые волны распространяются в земной коре, в воздушной и в водной среде. Интенсивность инфразвука можно измерять в Вт/м2 и в единицах децибельной шкалы. 1. Природные источники инфразвука «Голос моря» - инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре в результате возникновения вихрей за гребнями волн. Грозовые разряды. Акустический спектр грома содержит не только громкие звуки слышимого диапазона, но и инфразвук высокой интенсивности. Резкие изменения атмосферного давления, обусловленные циклоническими процессами. Землетрясения. Извержения вулканов. 2. Техногенные источники инфразвука. - Вентиляционные шахты метрополитена. - Ветряные электростанции. - Все виды транспорта (автомобильный, железнодорожный, метро, трамваи, самолеты). - Взрывы, обвалы, выстрелы. - Раскачивание точечных зданий под действием ветровой нагрузки. 3. Особые свойства инфразвуковых волн Во-первых, для инфразвука характерна большая длина волны, и это-прямое следствие его малой частоты. Напоминаем: длина волны – это расстояние λ, на которое смещается фронт волны за время, равное периоду колебаний Т: λ =VТ, где V - скорость звука. Насколько велики отличия значений длины волны в воде (скорость звука - около 1500 м/с) на частотах инфразвука, звука и ультразвука, можно оценить с помощью таблицы 4. Таблица 4. Длина звуковой волны в воде как функция частоты.
Явление дисперсии - огибание препятствий - характерно для волн любой физической природы. Его проявления таковы: если размеры препятствия меньше, чем длина волны, то волна его «не замечает», волна на нем не рассеивается и тем более не отражается, луч остается прямолинейным. Из таблицы 4 (см. столбец 4) следует, что высокочастотный ультразвук может обеспечить при УЗИ обнаружение неоднородностей размерами менее одного миллиметра. А для инфразвуковой волны далеко не любое здание, и даже не любой холм могут оказаться заметной неоднородностью. Во-вторых, для инфразвука характерно очень слабое поглощение в любых средах; как следствие этого - способность распространяться без больших потерь на гигантские расстояния. 4. Влияние инфразвука на организм человека. Биологическое действие инфразвука изучено недостаточно, но репутация у него скверная. Установлено, что инфразвук может быть весьма опасен. Наиболее опасным признан частотный диапазон 6 - 8 Гц. В этом диапазоне находятся собственные частоты механических колебаний большинства внутренних органов. Разумеется, при этом уровень опасности сильно зависит от интенсивности инфразвука. С уровнями интенсивности инфразвука некоторых технических устройств можно ознакомиться с помощью таблицы 5. Таблица 5. Характеристики некоторых инфразвуковых волн.
Наблюдавшиеся проявления действия инфразвука: головные боли, снижение внимания, раздражительность. Возможны нарушения функции вестибулярного аппарата. Возможны приступы морской болезни. Наблюдались нарушения ритмов сердечных сокращений и дыхания. Известны случаи нарушений зрения и слуха. При средней интенсивности 140 - 155 Дб могут наступать обмороки, временная потеря зрения, а при интенсивности порядка 180 Дб может наступить паралич со смертельным исходом. Согласно действующим санитарным нормам, допустимый уровень интенсивности инфразвука на рабочем месте при работах различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности - не более 95 Дб. Памятуя о существовании явления резонанса, укажем некоторые частоты собственных колебаний человека: тело человека в положении лежа - 3-4 Гц; грудная клетка - 5-8 Гц; брюшная полость - 3-4 Гц; глаза - 12-27 Гц. Настораживающим является и тот факт, что ритмы, характерные для многих систем организма, тоже лежат в инфразвуковом диапазоне: частота сердечных сокращений:1-2 Гц; дельта- ритм мозга (сон): 0.5 - 3.5 Гц; альфа-ритм мозга (состояние покоя): 8 - 13 Гц; бета-ритм (умственная работа); 14-35 Гц. В истории развития науки и техники ряда стран есть мрачные страницы, связанные с разработкой инфразвукового (психотронного) оружия. Оно потенциально предназначалось для дистанционного медико-биологического и психофизического воздействия на войска и население противника. Но могло бы пригодиться и силам полиции для «работы» с собственным населением, как замена водометов, слезоточивых газов и т. п. Пока что международные конвенции приостановили прогресс в этих направлениях. |