Вопросы для самопроверки

1. Что называется рентгеновским излучением? Виды рентгеновского излучения.

2. В чем сущность закона Мозли? Поглощение рентгеновского излучения.

3. Как генерируются рентгеновские лучи?

4. С какой целью в рентгеновских трубках делают анод вращающимся?

5. Каким образом взаимодействуют рентгеновские лучи с веществом?

6. В чем сущность рентгеновской компьютерной томографии? Ангиографии?

7. В чем достоинства и недостатки ангиографии?

8. В каких случаях целесообразно проводить магнитно-резонансные исследования?

9. В чем сущность магнитно-резонансной томографии? Дайте характеристику методу, методики проведения.

10. В чем сущность магнитокардиографии?

11. Какова методика магнитокардиографических исследований?

12. Какие датчики магнитных полей применяются при магнитокардиографических исследованиях?

13. Фотобиологические процессы. Дайте понятие оптической плотности.

14. Спектроскопия. В чем ее сущность? ИК–лазерная и люминесцентная спектроскопия. Люминесцентный анализ.

15. Радионуклидная диагностика. В чем ее сущность?

Тесты

1. рентгеновским излучением называют _____ с длиной волны порядка от ______ до ______ нм.

2. Найдите соответствие:

1) ; а) формула монохроматичности длин волн

лазерного излучения;

2) Φ=kZIU²; b) поток энергии рентгеновского

ормозного излучения;

3) ; с) длина волны тормозного измерения;

4) h=kρλ³Z⁴; d) частота рентгеновского

характеристического излучения;

5) ; е) коэффициенты поглощения

рентгеновского излучения.

3. Зависимость оптической плотности от ________ называется спектром поглощения.

4. Фотобиологическими процессами называют процессы, которые начинаются с ___________ квантов света биологически функциональными молекулами и являются соответствующей ______ в организмах и тканях.

5. Люминесценцией называют излучение, которое представляет собой ________ над _________ излучающего тела при данной _______ и при условии, если это излучение обладает _______ от 10^-10 с и более.

6. Миграция энергии – это ______ передача энергии от ______ к ______ на расстояние, значительно ________ межатомное.

7. Радионуклидная диагностика – это _________ методик исследования состояния __________ и систем путем использования соединений _________ различных _________.

8. Люминесцентный анализ – это метод исследования _______ под действием _________ облучения, вызывающего люминесценцию этих _________.

Лекция7. Биоакустические процессы

7.1. Характеристика звука. Его восприятие. Строение слухового анализатора

Акустикой (греч. akustikos - слуховой) называется область физики, которая исследует упругие колебания и волны. Звук в широком смысле слова представляет собой упругие волны, которые распространяются в газообразных, жидких и твердых веществах с частотой от 0 до 10000 Гц. Область слышимости звука от 16 до 20 кГц. При восприятии звука, кроме его физических характеристик - частоты, интенсивности, спектрального состава, существуют психофизические характеристики, к которым относят высоту тона, тембр и громкость звука. Звуковые колебания, как упругие механические продольные колебания, доходят до наружного слухового прохода и вызывают колебания барабанной перепонки, которая не имеет собственного периода колебаний и обладает наибольшей чувствительностью на частоте 1000 Гц.

При колебании основной мембраны в волосковых клетках возникают генераторные потенциалы, которые регенерируют нервные импульсы. Следует отметить, что из всех органов чувств наиболее сложные преобразования при восприятии стимула наблюдаются в органе слуха. Периферический отдел слухового анализатора включает в свой состав наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо - это резонатор, собственная частота которого приблизительно равна З кГц. Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Он заканчивается барабанной перепонкой, которая имеет толщину 0,1-0,2 мм и площадь 0,7 см², она отделяет наружное ухо от среднего. Среднее ухо представляет собой своеобразный барабан, объем которого приблизительно равен 0,8 см³. Существенной частью среднего уха является цепь косточек - молоточек, наковальня и стремечко, которые передают колебания барабанной перепонки внутреннему уху. Одна из этих косточек – молоточек вплетена своей рукояткой в барабанную перепонку, другая сторона молоточка сочленена с наковальней, которая в свою очередь связана со стремечком. Во внутреннем ухе находится улитка, которая является воспринимающей частью слухового анализатора.

Полость улитки делится двумя мембранами - основной и тонкой вестибулярной, а также содержит три канала. Верхний и нижний каналы заполнены жидкостью - перилимфой и сообщаются между собой у вершины улитки через небольшие отверстия - геликотрему. Верхний канал отделен от полости среднего уха мембраны овального окна, к которому прикреплено стремечко, а нижний канал - мембраной круглого окна. Средний канал заполнен эндолимфой. Внутри среднего канала улитки на основной мембране расположен звуковоспринимающий аппарат - кортиев орган, который содержит рецепторные волосковые клетки. Рецепторные клетки имеют вытянутую форму и одним концом фиксированы на основной мембране.

Каждая волосковая клетка имеет синапсы с несколькими окончаниями слуховых нервов. Структура и механизм действия внутреннего уха исследовал Бекеши, который в 1961 г. за свою работу получил нобелевскую премию.

Согласно Бекеши, волокна основной мембраны не натянуты, а акустическое давление вызывает изгиб мембраны. Причем максимум изгиба приходится на разные точки мембраны в зависимости от частоты звука.

Окончательные преобразования механических колебаний в электрические происходят в органе Корти, который содержит около 24000 волосковых клеток, к которым подходят разветвления слухового нерва. Закодированные в органе Корти электрические сигналы поступают в ЦНС. Следует отметить сверхчувствительность уха. Так, на пороге слышимости смещение барабанной перепонки составляет всего 0,01 нм, что меньше диаметра атома водорода. Есть предположение, что мембрана служит лишь пусковым механизмом, который включает пока неизвестные источники энергии.

С другой стороны, психофизическое слуховое устройство поражает своим совершенством. Помимо огромной чувствии-тельности, оно воспринимает колебания, которые различаются по мощности в 10¹³ раз, то есть от комариного писка до рёва реактивного двигателя.

В целом, человеческое ухо воспринимает звуки с интенсивностью не менее I₀=10^-12 В/м². Эта чувствительность соответствует биологическому пределу. Максимальная интенсивность колебаний воспринимается субъективно как звук 10 В/м² и называется болевым порогом (I_б), так как вызывает болевые ощущения.

Различия между минимально воспринимаемой человеком интенсивностью звука и интенсивностью, вызывающей боль, очень велико: I_б/I₀=10¹³. Поэтому при измерениях пользуются логарифмами.

Десятичный логарифм отношения интенсивности исследуемого звука к интенсивности на пороге слышимости называется уровнем интенсивности звука (Б).

. (7.1)

Белл - единица шкалы уровня интенсивности звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз, то есть при L=1 I=10I₀. Обычно применяют единицу, в 10 раз меньшую, называемую децибелом, то есть

. (7.2)

Если 1 дБ=0,1 Б, то , тогда .

Таким образом, децибел соответствует таким двум уровням интенсивности, которые отличаются в 1,26 раза. Поскольку отношения интенсивностей , то вся шкала может быть разделена на 130 дБ. Так как , то L=130 дБ.

Часто в акустике вместо уровней интенсивности звука используют уровень акустического давления, которое равно

, (7.3)

где сρ - акустическое сопротивление, кг/(м²·м).

Звуковым, или акустическим, давлением называют добавочное давление (избыточное над средним давление окружающей среды, например, над атмосферным давлением), образующееся в участках сгущения частиц в акустической волне.

Акустическое давление связано с амплитудой волны, циклической частотой и акустическим сопротивлением.

. (7.4)

Используя уравнение (7.3), уравнение (7.2) запишется

. (7.5)

Таким образом, возрастание интенсивности звука в 12 раз приводит к увеличению уровня интенсивности на З дБ.

Согласно закону Вебера-Фехнера, прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений.

Для оценки субъективного восприятия звука введены понятия громкости и уровня громкости, которые учитывают зависимость порога слышимости от частоты. Уровень громкости измеряется в фонах (ф). За эталон уровня громкости принимают уровень интенсивности чистого тона с частотой 1 кГц.

Таким образом, L_G (в фонах) = L (в децибелах) при ₀=1 кГц.

Метод аудиометрии заключается в том, что с помощью звукового генератора определяют порог слухового ощущения на разных частотах. Получаемая кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограмм больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевания органов слуха.

Рассмотрим шум и его биологическое значение.

Под акустическим шумом понимают звуки, которые обладают сложным непрерывным спектром и в которых, в отличие от периодических колебаний, имеют место беспорядочные изменения частоты и амплитуды.

В биологической акустике шумом считают любые звуки, которые затрудняют правильное восприятие звуковых сигналов, а также оказывают раздражающее действие нервной системы организма. Доказано, что для нормальной жизнедеятельности и умственного труда шум не должен превышать 30 дБ. Для сравнения: шум от трактора на расстоянии 5 м от него равен 80-90 дБ.

Вредное действие производят лишь шумы, уровень интенсивности которых превосходит определенный предел. Слабые шумы природного происхождения не только не вредны, но даже благотворно влияют на человека и животных. Полное отсутствие шума, тишина, которая создается на тренировках космонавтов, тяжело влияет на психическое состояние человека. Он начинает слышать удары своего сердца, шорох ресниц и кожи. это приводит у нетренированных людей к психологическим расстройствам.

Интенсивные шумы прежде всего отрицательно сказываются на работе органов Корти, приводят к повреждению волосковых клеток, особенно клеток, реагирующих на высокие частоты. Доказано, что при кратковременном действии шума в 110 дБ временно снижается порог слуховой чувствительности (на 10-15%). Значительное снижение слуховой чувствительности наблюдается у трактористов в конце рабочего дня. При длительном действии шума повреждения волосковых клеток становятся необратимыми.

Слуховой анализатор оказывает влияние на работу группы органов и систем, особенно на работу нервной и сердечно-сосудистой системы.