Лекции_Медицинская физика

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

SБП /SOO 20.

FБП PБПSБП;FОО PООSОО PОО FОО /SОО 1,3FБП /SОО 1,3PБП (SБП /SОО )

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.

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.

25

от клеточных мембран биологические макромолекулы, изменять поверхностный заряд, проницаемость. При достаточно большой интенсивности УЗ происходит разрушение мембран. Резистивность клеток различна от 0,1 104 Вт/м2 до 25 104 Вт/м2.

-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 Н2О2.

-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.

§10. Вязкость жидкости

Вреальной жидкости вследствие взаимного притяжения и теплового движения молекул имеет место внутреннее трение. Силы трения между слоями подчиняются уравнению Ньютона.

26

F Sx

- градиент скорости, S – площадь слоев, - коэффициент

x

внутреннего трения или динамическая вязкость. – зависит от состояния и молекулярных свойств жидкости. (Определяют вязкость вискозиметрами).

Вязкость крови увеличивается при тяжелой физической работе, при некоторых заболеваниях 23 10-3 Па·с (сахарный диабет) или уменьшается

10-3 Па·с (туберкулез). Вязкость сказывается на таком клиническом параметре, как скорость оседания эритроцитов (СОЭ).

§ 11. Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновские жидкости – в этих жидкостях вязкость не зависит от градиента скорости. Они подчиняются уравнению Ньютона (вода, водные растворы, низкомолекулярные органические соединения - этиловый спирт,

ацетон).

Неньютоновские жидкости – это жидкости, для которых вязкость зависит от режима течения и градиента скорости. Это высокомолекулярные органические соединения, суспензии, эмульсии. Эти жидкости состоят из сложных и крупных молекул, которые могут образовывать пространственные структуры. Этот вид вязкости много больше, чем у ньютоновских жидкостей.

Здесь работа затрачивается не только на преодоление сил трения между слоями, но и на разрушение структурных образований.

Цельная кровь (суспензия элементов в белковом растворе – плазме)

является неньютоновской жидкостью. Ее вязкость тем выше, чем медленнее она течет. В основном это обусловлено агрегацией эритроцитов (рис. 18). В

неподвижной крови эритроциты образуют, так называемые «Монетные столбики». При быстром течении крови агрегаты эритроцитов распадаются и

постоянного режима течения нужен перепад давлений (P1-P2). Выделим цилиндрический слой радиусом r.Течение жидкости в нем тормозится под действием силы трения, пропорциональной вязкости и площади боковой

трения можно найти через разность давлений: Fтр (P1 P2 ) r2

Приравняем правые части и разделим переменные

d (P1 P2 )rdr

2 L

Проинтегрируем это выражение

4 L

Это выражение показывает, что скорость от осевой линии до стенки трубы меняется по параболическому закону. Низкая скорость около стенки означает, что давление здесь высокое (уравнение Бернулли), в центре трубы минимальное. В связи с этим частицы (например, клетка крови) будут испытывать силу, толкающую их к центру трубы. По этой же причине клетки

28

крови скапливаются вдоль оси потока, а плазма (малая вязкость) – по его периферии. Толщина плазмы составляет 0,004–0,04 мм. Эритроциты в этот слой практически не попадают. Плазма играет роль смазки, благодаря которой сопротивление движению эритроцитов снижается. Чем тоньше сосуд, тем более выражено снижение сопротивления.

б) Турбулентное течение – это хаотическое, крайне нерегулярное,

неупорядоченное течение. Элементы жидкости совершают движение по сложным траекториям, что приводит к перемешиванию. При турбулентном течении эритроциты, которые обычно ориентированы своей длинной осью по направлению потока, переориентируются и располагаются хаотически. При таком движении местное изменение давления вызывает колебательное движение жидкости, которое сопровождается шумом. Турбулентное движение приводит к дополнительной работе сердца. Шум при турбулентности может быть использован для диагностирования заболевания.

Шум прослушивается на плечевой артерии при измерении давления крови.

§ 12. Формула Пуазейля

Объем жидкости, протекающей по горизонтальной трубе радиуса R и

длиной L ламинарно, можно вычислить следующим образом. Выделим в трубе тонкий цилиндрический слой радиусом r и толщиной dr. Его площадь dS 2 rdr , т.к. слой тонкий, скорость жидкости в нем одинакова . За единицу времени слой перенесет объем жидкости:

dQ 2 rdr

Подставляя в это выражение из формулы (*), получим:

dQ P1 P2 (R2 r2 )2 rdr

4 L

Интегрируя это выражение по всему сечению трубы:

Q 2 P1 P2 R(R2 r2)rdr

4 L 0

Окончательно: Q P1 P2 R4 - Формула Пуазейля для ньютоновских

8 L

29

жидкостей.

Для труб переменного сечения P1 P2 нужно заменить на градиент

Видно, что Q зависит от R4. Это очень сильная зависимость. Например,

если при атеросклерозе радиус сосудов уменьшается в 2 раза, то для сохранения Q перепад давлений нужно увеличить в 16 раз. При этом сердце работает с перегрузкой. Скорость кровотока можно менять, изменяя вязкость крови, но вязкость зависит от температуры. С ростом температуры увеличивается скорость кровотока.

Гидравлическое сопротивление. Запишем формулу Пуазейля в виде

меняется просвет (атеросклероз) в сосудах, то растет их гидравлическое сопротивление, наступает недостаток кислорода - ишемия. В ряде случаев для увеличения кровотока производят шунтирование – это способ обхода препятствия в русле посредством присоединения обводного русла.

Формула Пуазейля применима и к газам при их ламинарном течении.

При движении жидкости в трубе ее давление падает пропорционально длине. В трубе с переменным сечением давление падает быстрее в узкой части. Из формулы Пуазейля следует, что падение давления зависит от гидравлического сопротивления

По мере разветвления сосудов кровеносной системы полное сечение кровотока увеличивается, но гидравлическое сопротивление при этом

30

высокое (малые радиусы сосудов). Поэтому значительное падение давления

(до 70 %) приходится на мелкие сосуды.

Закон Пуазейля используется при введении жидкостей с лечебной целью. Так, при подъеме камеры капельницы на 120 см (вдвое выше стандартной) расход жидкости примерно удваивается, но при удвоении диаметра иглы поток жидкости должен возрасти в 16 раз. Для того чтобы добиться такого же увеличения скорости инъекции шприцем потребовалось бы 16-ти кратное увеличение силы.

Риноманометрия метод определения объема носового дыхания и сопротивления после ринопластики.

Риноманометр – прибор, позволяющий регистрировать давление в одной половине носа, пока пациент дышит через другую. Это осуществляется с помощью катетера, который крепится в носу.

Фотогемотерапия используется для уменьшения вязкости крови. У

больного берут кровь ~ 2 мл/кг веса, облучают ее ультрафиолетом и вводят обратно в кровеносное русло. Примерно через 5 минут наблюдается значительное снижение вязкости. Сильнее всего вязкость снижается в медленно движущейся крови (снижается агрегация эритроцитов,

увеличивается их деформируемость, улучшается макро- и микроциркуляция крови).

§ 13. Физические основы гемодинамики

Гемодинамика - раздел биомеханики, в котором исследуется движение крови по сосудистой системе. Физической основой гемодинамики является гидродинамика. Течение крови зависит как от свойств крови, так и от свойств кровеносных сосудов.

Кровь – 5,2 л у мужчин; 3,9 л у женщин; в 1 мм3 находится до 5 млн.

эритроцитов; 4–9 тыс. лейкоцитов (0,2 %); 18-320 тыс. тромбоцитов (6,4 %); 13-16 г гемоглобина в 100 мл. В состав крови входит плазма.

Гемоглобин придает красный цвет, переносит кислород и углекислый газ, доставляет питательные вещества из органов пищеварения к тканям, а