Комплекс для спеціальності «Сестринська справа».

Тема №1.

«Вступ. Основи біомеханіки та біоакустики».

Лекція №1.

Тема: «Вступ. Основи біомеханіки, біоакустики.

Література: Шевченко: 7,8-10, 110-115, 124-134.

Марценюк : ст.116-119, 2.1.1.

Вступ.

Озн. Біофізика – це предмет, який вивчає:

1. фізичні закономірності процесів в організмі;

2. фізичну суть методів діагностики і роботи лікувальних апаратів;

3. вплив різних фізичних факторів на людину.

Зв’язана: з фізіологією, біохімією, фізикою, хімією, математикою,

застосовує математичне моделювання і комп’ютер.

Розділи: біомеханіка, молекулярна біофізика, біофізика клітин, органів відчуття, дія факторів, медична електроніка.

Озн. Біомеханіка – розділ біофізики, який розглядає механічні властивості живих тканин і органів, а також механічні явища, які відбуваються як з цілим організмом, так і з його частинами.

Опорно-руховий апарат людини складається із з’єднаних між собою кіток скелета і м’язів і є сукупністю важелів (важіль – тверде тіло, що має вісь або точку обертання – точку опори).

^{плече сили плече важеля (до точки прикладання сили)}

М = F · l– момент сили.

Розрізнюють важелі:

1 рода: F – рухаюча сила (м’язи)

R – сила опору (вага)

F R

2 рода: F

R

3 Рода: f

R

Важелі з’єднуються в кінематичні ланцюги, які мають певну кількість ступенів волі.

Робота м’язів поділяються на статичну і динамічну. При статичній – м’язи напружуються для збереження певного положення тіла. При динамічній - м’язи скорочуються.

Ергометрія – вимірювання роботи людського організму.

(На шлях по рівній дорозі – 10 км. – 430 к Дж енерг.) Під час повільного бігу людина витрачає менше енергії, ніж при швидкій ходьбі).

Середня потужність людини – 110 Вт

при фізичній роботі – 200 Вт, штангіст – 4900 Вт.

Механічні коливання і хвилі.

Озн. Механічні коливання – це рухи тіла навколо положення рівноваги, що повторюються (або періодичні зміни фізичних величин, що характеризують коливальний рух).

Озн. Гармонічні коливання – це коливання, при яких фізичні величини змінюються за законом sin або cos.

х = А · sin ( ωt + φ_о )

Озн. Частота – число коливань за 1 с. , [ Гц ]

Озн. Період – час одного коливання, Т, [ c ]

Озн. Циклічна частота – число коливань за 2 Пс ω, [рад. Гц ].

Озн. Амплітуда – величина найбільшого зміщення тіла від положення рівноваги, А, х_о, (найбільше значення величини, що коливається).

Озн. Вільні коливання – це ті, що відбуваються під дією внутрішніх сил системи.

Озн. Вимушені – ті, що відбуваються при періодичній дії зовнішніх сил.

Озн. Незатухаючі – амплітуда залишається незмінною (тільки вимушені), затухаючі – амплітуда зменшується.

Озн. Автоколивання – незатухаючі вимушені коливання тіла з власною частотою, що здійснюються за допомогою механізма подання в систему порцій енергії.

Озн. Резонанс – різке зростання амплітуди вимушених коливань при спів паданні частоти дії зовнішньої сили з власною частотою коливань тіла.

Озн. Для затухаючих коливань вводиться декремент: відношення двух сусідніх амплітуд:

δ= .

логарифмічний декремент – це ℓn δ= λ.

Озн. Механічною хвилею називається розповсюдження механічних коливань у просторі.

Бувають поздовжні (коливання відбуваються вздовж напрямку розповсюдження) і поперечні (перпендикулярно).

Хвиля переносить енергію.

Озн. Інтенсивність хвилі – це енергія, яка переноситься хвилею через одиничну поверхню за одиницю часу, якщо поверхня перпендикулярна до напрямку розповсюдження: Ј; Вт/м².

Вектор Умова – вектор, напрямок якого співпадає з напрямком розповсюдження хвилі, а модуль = Ј.

Звук.

Озн. Звук – це механічна поздовжня хвиля, що сприймається вухом людини: частота 16 – 20 000 Гц.

Хвиля з більшою частотою – ультразвук, з меншою – інфразвук.

Звуки діляться на:

1. тони або музичні звуки (частоти відрізняються в ціле число разів від основної) – акустичний спектр;

2. шуми (частоти не зв’язані);

3. звукові удари – стук, вибух.

Осн. Звуковий або акустичний резонанс – це збільшення гучності звуку при співпаданні частоти звука з власною частотою тіла.

Ефект Доплера – зростання частоти звукової хвилі при наближенні об’єкта- джерела звуку, і зменшення – при віддаленні.

Частота визначає висоту звука (↑↑), амплітуда – гучність.

Озн. Тембр – якісне забарвлення звука, що залежить від частот, що входять в звук, та амплітуд, які відповідають цим частотам.

Гучність. Шкала гучності.

Енергетична характеристика звука – інтенсивність. На частоті 1000 Гц людина здібна сприймати звуки в діапазоні від

Ј_о = 10 ^-12Вт/м² - поріг чутності – це найменша інтенсивність, яку сприймає вухо;

до Ј_max = 1 Вт/м² – больовий поріг – найбільша інтенсивність, яка ще не викликає болі (Ј_о і Ј залежать від частоти, віку тощо).

Озн. Гучність – це інтенсивність звукової хвилі, яка оцінюється людським вухом – суб’єктивна характеристика.

Гучність і інтенсивність зв’язані законом Вебера – Фехнера:

Гучність прямопропорційна десятковому логарифму відношення Ј до Ј_о:

L = k · lg (k залежить від частоти і інтенсивності)

(за цим законом людина сприймає запахи, біль, температуру).

Для ν = 1000 Гц k = 1

L = lg

За одиницю гучності приймається Бел – гучність такого звуку, інтенсивність якого більше від порога чутності Ј_о в 10 разів.

Порогова крива – це залежність порогової інтенсивності від частоти (для ν більших і менших 1000 Гц поріг зростає).

Озн. Шкала гучності:

1. за 0 – поріг чутності;

2. одиниця – бел (дБ = 0,1Б).

При збільшенні J в 100 р. порівняно з J_о – гучність зростає до 2 Б.

Приклад розрахунків:

Інтенсивність зросла від J₁ = 10^-8 Вт/м² до J₂ = 10^-4 Вт/м². Як змінилась гучність?

Відповідь: інтенсивність зросла в 10⁴, тобто гучність зросла на 4 Б або на 40 дБ.

Приклади гучностей:

тиха розмова – 30 дБ

нормальна розмова – 50 дБ

гучна розмова – 70 дБ

шум мотоцикла – 100 дБ

На ν= 1000 Гц людина розрізняє зміну гучності при Δ L = 0,59 дБ.

Аудіометрія

Озн. Аудіометрія – це метод дослідження гостроти слуху (аудіо – звук, метрія – вимірювати). Гострота слуху визначається мінімальною інтенсивністю (або порогом чутності), яка сприймається вухом людини.

Аудіометрія проводиться за допомогою спеціальних апаратів – аудіометрів.

Залежно від участі обстежуваного аудіометрію поділяють на суб’єктивну та об’єктивну.

Об’єктивна аудіометрія – дослідження, при яких результат не залежить від відповідей пацієнта (реєстрація акустичного опору середнього вуха, слухових викликаних потенціалів, потенціалів у завитку тощо).

Суб’єктивна – результат залежить від відповідей: мовна аудіометрія, тональна порогова і надпорогова аудіометрія, визначення слухової чутливості до ультразвуків.

Основним і найпоширенішим аудіометричним методом є тональна порогова аудіометрія. Звуки чистих тонів подаються до пацієнта через телефони повітряної та кісткової провідності, визначаються пороги чутності на стандартних частотах (125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц), будуються аудіограми для обох видів телефонів.

Осн. Аудіограма – сукупність порогових значень інтенсивності звуку на різних частотах.

Аналізуються взаємні положення аудіограм:

- при ураженні звукопровідної системи (сірчана пробка, гострий чи хронічний отит тощо) крива тканинної провідності залишається приблизно на рівні ОДб (норма), а крива повітряної провідності знижується. Різниця між кривими повітряної і тканинної провідності називається повітряно-тканинним інтервалом;

- при ураженні звукосприймальної системи (нейросенсорна приглухуватість) обидві криві знижуються приблизно на одну величину і ідуть поряд.

Ультразвук та інфразвук.

а) Інфразвук—поздовжня механічна хвиля частотою меншою за 16 Гц.

Людиною не сприймається. Джерелом його можуть бути вітер, грозові розряди, землетруси, обвали, вибухи, робота промислових установок, шторм тощо. Інтенсивність звука І пропорційна квадрату амплітуди А і частоті ω, тобто I~А·ω, а ω мала, то інфразвуки утворюються від коливань з великою амплітудою, тобто при коливаннях речовини великого об’єму і маси, наприклад, під час шторму. Інфразвук розповсюджується на великі відстані, слабо поглинаючись.

За великих інтенсивностей І>170 дБ відбувається розрив барабанної перетинки. Менш інтенсивні інфразвуки небезпечні тим, що можуть викликати резонансні коливання внутрішніх органів, тому що ті мають власні частоти коливання в діапазоні інфразвуку:

Тіло людини:

а) в лежачому положенні 3—4 Гц

б) стоячому 5—12 Гц

в) грудна клітина 5—8 Гц

г) черевна порожнина 3—4 Гц

При цьому виникає тертя внутрішніх органів одне об одне, що супроводжується неп приємним відчуттям, або може статися розрив органа.

У зв’язку з цим військові намагаються використати інфразвукові хвилі як зброю. В мирних цілях інфразвукові хвилі, які ідуть від центрів природних катаклізмів, уловлюють для завбачення цих катаклізмів.

Б) Ультразвук—поздовжня механічна хвиля з частотою більшою за 20000 Гц. Ультразвук людина не чує, але його чують багато тварин (кішки, собаки, дельфіни, кажани та ін.)

Для отримання ультразвуку використовують п’єзоелектричний ефект або магнітострикцію.

Озн. Зворотній п’єзоелектричний ефект—зміна форми і розміру п’єзокристала (наприклад, кварцу)при розміщенні його в змінному електричному полі.

Озн. Магнітострикція—зміна форми і розмірів феромагнітного стрижня в змінному магнітному полі.

Ультразвук широко використовують в медицині. Ультразвук добре відбивається на межі м’яз—надкісниця—кістка, на поверхні порожніх органів.

Тому можна визначити розташування і розміри внутрішніх органів, порожнин(УЗД)

Використавши ефект Допплера, можна виміряти швидкість крові в судинах. Для цього направляють жмуток ультразвуку на кров в судині і реєструють зміну частоти відбитого від еритроцитів сигналу (до 0,001% зміни швидкості). Аналогічно визначають характер руху серцевих клапанів.

В рідині ультразвук викликає кавітацію—утворення порожнин і миттєве їх зхлопування, що має великий дроблячий ефект(використовується у фармакології для виготовлення емульсій), а також приводить до нагріву речовини. Іонізації молекул. В біологічних тканинах ультразвук виявляє такі явища:

1. Мікровібрації на клітинному і субклітинному рівні.

2. Руйнацію біомакромолекул.

3. Перебудову і пошкодження біологічних мембран.

4. Теплову дію.

5. Руйнацію клітин і мікроорганізмів.

Для терапевтичних цілей використовують ультразвук з частотою 800 кГц і з інтенсивністю

1 Вт/см і менше. Первинним механізмом ультразвукової терапії є мікро масаж і теплова дія.

В хірургії ультразвук використовують як скальпель. За його допомогою розтинають м’які і кісткові тканини, руйнують злоякісні пухлини.

Бактерицидна дія ультразвуку використовується в стоматології.

Біологічні основи слухового відчуття.

Слуховий аналізатор людини складається з наружнього вуха, середнього вуха, внутрішнього вуха, звідки сигнал передається в мозок.

1. Зовнішнє вухо: вушна раковина, слуховий прохід (закінчується барабанною перетинкою, яка належить до середнього вуха).

_{Слуховий прохід – резонатор для хвиль}

2. Середнє вухо: барабанна порожнина з 3 кістками (молоточок, коваделко, стремінце), слухова (Євстахієва) труба, яка здійснює зв'язок барабанної порожнини з атмосферою (довжина 4 см, ), барабанна перетинка, яка має нелінійну характеристику, її властивості не підлягають закону Гука.

Роль середнього вуха:

1. Підсилююча – від барабанної перетинки через 3 кістки коливання передаються овальному вікну, яке відділяє середнє вухо від внутрішнього, при цьому тиск на вікно в 26 разів більше тиску на барабанну перетинку;

2. Злагоджуюча – звукова хвиля не переходить у рідину внутрішнього вуха, а коливання передаються за рахунок ричага з кісток;

3. Захисна – за великих інтенсивностей м’язи між кісточками розслабляються (рефлекторно) і зменшується передача енергії хвилі у внутрішнє вухо;

в) Внутрішнє вухо: складається зі звукоприймальної частини, яка знаходиться всередині завитки, та вестибулярного апарату – три півколові канали.

Завитка – конусоподібна кістна спіраль приблизно з 2,5 витків, у якій знаходиться рецептор слухового аналізатора. Слуховий аналізатор дає можливість людині розрізняти звуки за висотою, силою (гучністю) і тембром. Будова слухового аналізатора така: внутрішня порожнина завитки розділена двома мембранами на 3 частини.

Більш товсту мембрану називають основною, поперек неї розташовано біля 24 000 еластичних волокон різної довжини. Коливання ендолімфи, що омиває мембрану, передаються волокнам і , завдяки резонансу, у тих волокон, чия власна частота коливань співпадає з частотою коливань ендолімфи, амплітуда буде найбільша. Механічна енергія звукової хвилі перетворюється при цьому в електричну, виникає нервовий імпульс, який передається у мозок. Чутливість слухового аналізатора (Кортієва органа) величезна: його волоскові клітинки реагують на зміщення мембрани , що менше діаметра атома.