Колебания верхних конечностей при ходьбе

В нашем генофонде заложена диагональная походка, присущая далеким предкам человека - четвероногим. Все они передвигают вперед одновременно две диагонально расположенные лапы, поскольку две несущие лапы являются уверенной опорой туловищу. Только немногие животные, например жираф, верблюд, медведь и окапи, являются парнокопытными, т.е. опираются одной стороной, а выносят вперед одновременно обе лапы другой стороны. Лошадь может научиться такой походке, но только после дрессировки.  Таким образом, человеческая походка включает сгибание верхней конечности на противоположной колеблющейся нижней конечности стороне, что проиллюстрировано двумя рисунками:

• левая верхняя конечность одновременно с правой ногой (рис. 32);

• правая верхняя конечность одновременно с левой ногой (рис. 33).

Это движение осуществляется непроизвольно и обычно локтевой сустав согнут сильнее при согнутом плечевом суставе, чем при разогнутом. При некоторых неврологических заболеваниях, как, например, болезнь Паркинсона, автоматическое колебание конечностей исчезает. Во время военных маршей это движение карикатурно преувеличено вследствие тренировок. При виде спереди становится хорошо заметен диагональный характер колебания:

• продвижение вперед правой стопы и левой кисти (рис. 34);

• верхние конечности практически вертикальны, когда нижние сближены друг с другом (рис. 35);

• максимальное колебание, естественно, диагонально направленное при опоре на две ноги (рис. 36);

• голова обычно не участвует...

Вестибуля́рный аппара́т (лат. vestibulum — преддверие), орган, воспринимающий изменения положения головы и тела в пространстве и направление движения тела у позвоночных животных и человека; часть внутреннего уха.

Вестибулярный аппарат — сложный рецептор вестибулярного анализатора. Структурная основа вестибулярного аппарата — комплекс скоплений реснитчатых клеток внутреннего уха, эндолимфы, включенных в неё известковых образований — отолитов и желеобразных купул в ампулах полукружных каналов. Из рецепторов равновесия поступают сигналы двух типов: статические (связанные с положением тела) и динамические (связанные с ускорением). И те и другие сигналы возникают при механическом раздражении чувствительных волосков смещением

Вследствие разной инерции эндолимфы и купулы при ускорении происходит смещение купулы, а сопротивление трения в тонких каналах служит демпфером (глушителем) всей системы. Овальный мешочек (утрикулюс) играет ведущую роль в восприятии положения тела и, вероятно, участвует в ощущении вращения. Круглый мешочек (саккулюс) дополняет овальный и, по-видимому, необходим для восприятия вибраций.

Вестибулярный аппарат большинства нетренированных животных можно кратковременно запутать, при этом животное теряет ориентацию в пространстве. Обычно для обмана вестибулярного аппарата достаточно вращать животное некоторое время, после чего организму будет казаться, что земля под ним качается. Вестибулярный аппарат людей, находящихся в состоянии невесомости, не функционирует в полной мере и представлен только зрительным анализатором. Похожую ситуацию можно сымитировать, если неожиданно для человека перевернуть его зрительное поле с помощью оптического устройства инвертоскопа. В этом случае проприоцептивные сигналы и сигналы из среднего уха будут указывать на прямое положение тела, а наблюдаемое оптическое поле — на обратное. Вследствие такого конфликта возможна частичная или полная дезориентация. Решение конфликта состоит в последовательном согласовании всех механизмов вестибулярного аппарата с опорой на зрительное поле.

3

Механические колебания сердца

Существуют различные методы исследования сердца, в основе которых лежат механические периодические процессы.

Баллистокардиография (БКГ) - метод исследования механических проявлений сердечной деятельности, основанный на регистрации пульсовых микроперемещений тела, обусловленных выбрасыванием толчком крови из желудочков сердца в крупные сосуды. При этом возникает явление отдачи. Тело человека помещают на специальную подвижную платформу, находящуюся на массивном неподвижном столе. Платформа в результате отдачи приходит в сложное колебательное движение. Зависимость смещения платформы с телом от времени называется баллистокардиограммой (рис. 1.9), анализ которой позволяет судить о движении крови и состоянии сердечной деятельности.

Апекскардиография (AKГ) - метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки в области верхушечного толчка, вызванных работой сердца. Регистрация апекскардиограммы производится, как правило, на многоканальном электрокарди-

Рис. 1.9. Запись баллистокардиограммы

ографе при помощи пьезокристаллического датчика, являющегося преобразователем механических колебаний в электрические. Перед записью на передней стенке грудной клетки пальпаторно определяют точку максимальной пульсации (верхушечный толчок), в которой и фиксируют датчик. По сигналам датчика автоматически строится апекскардиограмма. Проводят амплитудный анализ АКГ - сравнивают амплитуды кривой при разных фазах работы сердца с максимальным отклонением от нулевой линии - отрезок ЕО, принимаемый за 100%. На рисунке 1.10 представлена апекскардиограмма.

Рис. 1.10. Запись апекскардиограммы

Кинетокардиография (ККГ) - метод регистрации низкочастотных вибраций стенки грудной клетки, обусловленных сердечной деятельностью. Кинетокардиограмма отличается от апекскардиограммы: первая фиксирует запись абсолютных движений грудной стенки в пространстве, вторая регистрирует колебания межреберий относительно ребер. В данном методе определяются перемещение (ККГ_х), скорость перемещения (ККГ_v) а также ускорение (ККГ_а) для колебаний грудной клетки. На рисунке 1.11 представлено сопоставление различных кинетокардиограмм.

Рис. 1.11. Запись кинетокардиограмм перемещения (х), скорости (v), ускорения (а)

Динамокардиография (ДКГ) - метод оценки перемещения центра тяжести грудной клетки. Динамокардиограф позволяет регистрировать силы, действующие со стороны грудной клетки человека. Для записи динамокардиограммы пациент располагается на столе лежа на спине. Под грудной клеткой находится воспринимающее устройство, которое состоит из двух жестких металлических пластин размером 30x30 см, между которыми расположены упругие элементы с укрепленными на них тензодатчиками. Периодически меняющаяся по величине и месту приложения нагрузка, действующая на воспринимающее устройство, слагается из трех компонент: 1) постоянная составляющая - масса грудной клетки; 2) переменная - механический эффект дыхательных движений; 3) переменная - механические процессы, сопровождающие сердечное сокращение.

Запись динамокардиограммы осуществляют при задержке дыхания исследуемым в двух направлениях: относительно продольной и поперечной оси воспринимающего устройства. Сравнение различных динамокардиограмм показано на рис. 1.12.

Сейсмокардиография основана на регистрации механических колебаний тела человека, вызванных работой сердца. В этом методе с помощью датчиков, установленных в области основания мечевидного отростка, регистрируется сердечный толчок, обусловленный механической активностью сердца в период сокращения. При этом происходят процессы, связанные с деятельностью тканевых механорецепторов сосудистого русла, активирующихся при снижении объема циркулирующей крови. Сейсмокардиосигнал формирует форма колебаний грудины.

Рис. 1.12. Запись нормальной продольной (а) и поперечной (б) динамокардиограмм

Вибрация

Широкое внедрение различных машин и механизмов в жизнь человека повышает производительность труда. Однако работа многих механизмов связана с возникновением вибраций, которые передаются человеку и оказывают на него вредное влияние.

Вибрация - вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отдельные части с различными амплитудами и частотами.

Человек постоянно испытывает различного рода вибрационные воздействия в транспорте, на производстве, в быту. Колебания, возникшие в каком-либо месте тела (например, руке рабочего, держащего отбойный молоток), распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, сдвиг, изгиб). Действие вибраций на человека обусловлено многими факторами, характеризующими вибрации: частотой (спектр частот, основная частота), амплитудой, скоростью и ускорением колеблющейся точки, энергией колебательных процессов.

Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть «вибрационная болезнь». Эта болезнь приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.

Влияние, которое вибрации оказывают на организм, зависит от интенсивности, частоты, длительности вибраций, места их приложения и направления по отношению к телу, позе, а также от состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Колебания с частотой 3-5 Гц вызывают реакции вестибулярного аппарата, сосудистые расстройства. При частотах 3-15 Гц наблюдаются расстройства, связанные с резонансными колебаниями отдельных органов (печень, желудок, голова) и тела в целом. Колебания с частотами 11-45 Гц вызывают ухудшение зрения, тошноту, рвоту. При частотах, превышающих 45 Гц, возникают повреждение сосудов головного мозга, нарушение циркуляции крови и т.д. На рисунке 1.13 приведены области частот вибрации, оказывающие вредное действие на человека и системы его органов.

Рис. 1.13. Области частот вредного воздействия вибрации на человека

В то же время в ряде случаев вибрации находят применение в медицине. Например, при помощи специального вибратора стоматолог готовит амальгаму. Использование высокочастотных вибрационных аппаратов позволяет высверлить в зубе отверстие сложной формы.

Вибрация используется и при массаже. При ручном массаже массируемые ткани приводятся в колебательное движение при помощи рук массажиста. При аппаратном массаже используются вибраторы, в которых для передачи телу колебательных движений служат наконечники различной формы. Вибрационные аппараты подразделяются на аппараты для общей вибрации, вызывающие сотрясение всего тела (вибрационные «стул», «кровать», «платформа» и др.), и аппараты местного вибрационного воздействия на отдельные участки тела.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Эффект назван в честь австрийского физика К. Доплера.

Сущность явления

Эффект Доплера легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится, и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты звуковых волн.

Для волн (например, звука), распространяющихся в какой-либо среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, в вакууме имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

Математическое описание

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны λ) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

где  — угловая частота, с которой источник испускает волны,  — скорость распространения волн в среде,  — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

(1)

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника

(2)

где  — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив вместо в формуле (2) значение частоты из формулы (1), получим формулу для общего случая:

4 АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

О щущение звука возникает благодаря механическим колебаниям барабанной перепонки уха. Эти колебания возбуждаются акустической волной, распространяющейся от источника звука к уху. Любой колеблющийся предмет может возбуждать акустическую волну, но ухо способно воспринимать лишь колебания в частотном диапазоне 20 Гц -  20кГц. Звуковые волны, лежащие выше этого частотного диапазона (ультразвук) и ниже него (инфразвук) могут регистрироваться лишь специальными приборами. Рассмотрим процесс генерации звука громкоговорителем. Переменный ток, протекая по катушке громкоговорителя, возбуждает колебания диффузора. В результате, воздух, расположенный вблизи диффузора, оказывается попеременно то сжатым, то разреженным. Области с избыточным давлением распространяются в пространстве в виде акустических волн. Когда такая волна достигает уха, она возбуждает колебания барабанной перепонки и мы слышим звук. Так как колебания молекул воздуха происходят в направлении распространения волны, акустическая волна в воздухе представляет собой типичный пример продольной волны.

Если размер источника звука много меньше длины волны, то будет возбуждаться сферическая волна, а источник звука может быть рассмотрен как точечный источник. В ином случае, когда размер источника много больше, чем длина волны, будет возбуждаться плоская звуковая волна. Скорость акустической волны зависит от свойств среды, в которой она распространяется. Формула для скорости звуковых волн была предложена Лапласом (1749-1827):

где  - адиабатическая постоянная, R - универсальная газовая константа, T - температура газа,  - молекулярный вес газа. Эта формула была выведена в предположении, что распространение звука - адиабатический процесс. Из этой формулы следует в частности, что скорость звука в воздухе при температуре T=273 K равняется 330 м/с, что находится в хорошем соответствии с экспериментальными результатами.

Звук, его характеристики

 

Звук является адекватным раздражителем слуховой сенсорной системы. Как физическое явление, звук представляет собой колебательные движения любого тела (например,  натянутой струны), которые передаются  окружающему воздуху, вызывая в нем последовательные сгущения и разрежения его частиц. Они распространяются в виде продольной  звуковой волны,  скорость ее  распространения в разных средах различна и зависит от упругих свойств  среды (в воздухе  она составляет около 330 – 340 м/сек., в воде – 1450 м/сек).

С физической точки зрения звук характеризуется тремя свойствами: высотой, силой, звуковым спектром. 

Высота звука зависит от частоты колебаний звучащего тела, единицей измерения высоты звука является герц (Гц). Гц — это число периодических колебаний в 1 сек.  Звуки с малым числом колебаний (до 300 Гц) называются низкочастотными звуками, с числом колебаний более 3000 Гц — высокочастотными, с частотой колебаний от 300 до 3000 Гц  — звуками средней частоты. Для человеческого уха предел воспринимаемых звуковых частот составляет от 16 до 20000 Гц.

Ультразвуки (звуки с частотой свыше 20000 Гц) и инфразвуки (с частотой менее 16 Гц) ухо человека не воспринимает.

Сила звука (или громкость) зависит от амплитуды звуковых колебаний, чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее звук и наоборот. Силу звука измеряют в децибелах (дБ), например, шелест листьев составляет  10 дБ, шепот около уха — 25 — 30 дБ, разговорная речь средней громкости — 40 — 60 дБ, громкая речь — 80 — 90 дБ.

Звуковой спектр — это совокупность дополнительных колебаний (обертонов), которые возникают в музыкальных звуках наряду с основной частотой — основным тоном, так как происходит колебание тела не только целиком, но и частями, что и порождает добавочные звуки. Они превышают основной тон в кратных отношениях (2:1, 6:1 и.т.д.). Обертоны придают звукам определенную окраску,  или   тембр.

Звуки с периодическими колебаниями, т.е.  с одинаковыми и правильно повторяющимися волнами называются музыкальными тонами. Кроме них  имеются звуковые колебания непериодического характера (не связанные между собой частоты) — шумы (скрип, стук, гул, вой, треск).

 

Закон Вебера — Фехнера — эмпирический психофизиологический закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя.

В ряде экспериментов, начиная с 1834 года, Э. Вебер показал, что новый раздражитель, чтобы отличаться по ощущениям от предыдущего, должен отличаться от исходного на величину, пропорциональную исходному раздражителю. Так, чтобы два предмета воспринимались как различные по весу, их вес должен различаться на 1/30, а не на x грамм. Для различения двух источников света по яркости необходимо, чтобы их яркость отличалась на 1/100, а не на x люмен и т. д.

На основе этих наблюдений Г. Фехнер в 1860 году сформулировал «основной психофизический закон», согласно которому сила ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя :

где — значение интенсивности раздражителя.  — нижнее граничное значение интенсивности раздражителя: если , раздражитель совсем не ощущается. - константа, зависящая от субъекта ощущения.

Так, люстра, в которой 8 лампочек, кажется нам настолько же ярче люстры из 4 лампочек, насколько люстра из 4 лампочек ярче люстры из 2 лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться в одинаковое число раз, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. И наоборот, если абсолютный прирост яркости (разница в яркости «после» и «до») постоянен, то нам будет казаться, что абсолютный прирост уменьшается по мере роста самого значения яркости. Например, если добавить одну лампочку к люстре из двух лампочек, то кажущийся прирост в яркости будет значительным. Если же добавить одну лампочку к люстре из 12 лампочек, то мы практически не заметим прироста яркости.

Можно сказать и так: отношение минимального приращения силы раздражителя, впервые вызывающего новые ощущения, к исходной величине раздражителя есть величина постоянная.

Закон Вебера — Фехнера можно объяснить тем, что константы скорости химических реакций, проходящих при рецептировании, нелинейно зависят от концентрации химических посредников физических раздражителей или собственно химических раздражителей. В XX веке Стивенсом была доказана ограниченность закона Вебера—Фехнера, справедливого лишь для средних значений ощущения некоторых модальностей. В целом же зависимость носит характер общей степенной функции с различными показателями степени для каждого рода условий (Закон Стивенса).

5

Физические основы звуковых методов исследования в клинике

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом его главное значение. Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работающих машин многое сообщают нам. Чтобы представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возможности воспринимать звук – закрыть уши. Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация (выслушивание). Для ау-скультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается ау-скультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода.

Для одновременного выслушивания больного несколькими исследователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и громкоговоритель или несколько телефонов.

Длядиагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заклю16б чается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. При этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при их простукивании. Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легких), жидких (внутренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и расположение (тонографию) внутренних органов.

Тимпа́нометри́я (импеда́нсометри́я) — метод объективного исследования функции среднего уха, степени подвижности барабанной перепонки и проводимости слуховых косточек (молоточек, наковальня, стремечко) путём создания вариаций давления воздуха в слуховом канале. Результаты исследования не могут быть использованы для оценки чувствительности слуха (результаты тимпанометрии всегда следует рассматривать в сочетании с данными аудиометрии).

Схема анатомического строения уха: Наружное ухо: 1. Кожа 2. Слуховой канал 3. Ушная раковина Среднее ухо: 4. Барабанная перепонка 5. Овальное окно 6. Молоточек 7. Наковальня 8. Стремечко Внутреннее ухо: 9. Полукружные каналы 10. Улитка 11. Нервы 12. Евстахиева труба