Вопрос 12

Действие ультразвука на биологические объекты

Уровень шума в 20—30 децибел (ДБ) практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого не возможна человеческая жизнь. Для «громких звуков» допустимая граница составляет примерно 80 децибел. Звук в 130 децибел уже вызывает у человека болевое ощущение, а в 150 — становится для него непереносимым. Звук в 180 децибел вызывает усталость ме талла, а при 190 — заклепки вырываются из конструкций. Неда ром в средние века существовала казнь «под колоколом». Звон ко локола медленно убивал человека.

 Любой шум достаточной интенсивности и длительности мо жет привести к снижению слуховой чувствительности. Помимо частоты и уровня громкости шума на развитие ту гоухости влияют также возраст, слуховая чувствительность, про должительность, характер действия шума, ряд других причин. Под влиянием сильного шума, особенно высокочастотного, в органе слуха постепенно происходят необратимые изменения. При вы соких уровнях шума понижение слуховой чувствительности на ступает уже через 1—2 года работы, при средних уровнях оно обнаруживается гораздо позднее, через 5—10 лет.

Сначала повреждение нервов сказывается на восприятии вы сокочастотного диапазона звуковых колебаний (4 тыс. герц или выше), постепенно распространяясь и на более низкие частоты. Высокочастотные звуки "ф" и "с" становятся неслышимыми. Нервные клетки внутреннего уха оказываются настолько по врежденными, что атрофируются, гибнут, не восстанавливаются.

 Шумная музыка также притупляет слух. Группа специалистов обследовала молодежь, часто слушающую модную современную музыку. У 20% юношей и девушек слух оказался притуплённым в такой же степени, как у 85-летних людей.

Применение ультразвука для диагностики.

Ультразвуковые колебания при распространении подчиняются законам геометрической оптики. В однородной среде они распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе различных сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности граничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Так как на границе перехода ультразвука из воздуха на кожу происходит отражение 99,99 % колебаний, то при ультразвуковом сканировании больного необходимо смазывание поверхности кожи водным желе, которое выполняет роль переходной среды. Отражение зависит от угла падения луча (наибольшее при перпендикулярном направлении) и частоты ультразвуковых колебаний (при более высокой частоте большая часть отражается). Для исследования органов брюшной полости и забрюшинного пространства, а также полости малого таза используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц. Генератором ультразвуковых волн является пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы. В качестве детектора или трансдюсора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики или трансдюсоры ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа. Для щитовидной железы используются конвексные трансдюсоры на 7,5 МГц, для исследования почек и печени в равной степени пригодны как линейные, так и конвексные датчики. Преимуществом линейного датчика является полное соответствие исследуемого органа положению самого трансдюсора на поверхности тела. Недостатком линейных датчиков является сложность обеспечения во всех случаях равномерного прилегания поверхности трансдюсора к коже пациента, что приводит к искажениям получаемого изображения по краям. Конвексный датчик имеет меньшую длину, поэтому добиться равномерности его прилегания к коже пациента более просто. Однако при использовании конвексных датчиков получаемое изображение по ширине на несколько сантиметров больше размеров самого датчика. Для уточнения анатомических ориентиров врач обязан учитывать это несоответствие. Секторный датчик имеет еще большее несоответствие между размерами трансдюсора и получаемым изображением, поэтому используется преимущественно в тех случаях, когда необходимо с маленького участка тела получить большой обзор на глубине. Наиболее целесообразно использование секторного сканирования при исследовании, например, через межреберные промежутки. 

Виды ультразвукового сканирования (схема): а - линейное (параллельное); б - конвексное; в - секторное. Отраженные эхосигналы поступают в усилитель и специальные системы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки черно-белого цвета. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная - черным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение.  Выбор позитивной или негативной регистрации не имеет значения. Полученное изображение фиксируется на экране монитора, а затем регистрируется с помощью термопринтера. Первая попытка изготовить фонограммы человеческого тела относится к 1942 году. Немецкий ученый Дуссиле "освещал" ультразвуковым пучком человеческое тело и затем измерял интенсивность пучка, прошедшего через тело (методика работы с рентгеновскими лучами Мюльхаузера). Вначале 50-х годов американские ученые Уилд и Хаури впервые и довольно успешно применили ультразвук в клинических условиях. Свои исследования они сосредоточили на мозге, так как диагностика с помощью рентгеновских лучей не только сложна, но и опасна. Применение ультразвука для диагноза при серьезных повреждениях головы позволяет хирургу точно определить места кровоизлияний. Получение такой информации с помощью рентгеновских лучей требует около часа времени, что весьма нежелательно при тяжелом состоянии больного. При использовании переносного зонда можно установить положение средней линии мозга (она разделяет его на два полушария) примерно в течение одной минуты. Принцип работы такого зонда основывается на регистрации ультразвукового эха от границы раздела полушарий. Ультразвуковые зонды применяются для измерения размеров глаза и определения положения хрусталика, при определении местонахождения камней в желчном пузыре. Существуют зонды, которые помогают во время операций на сердце следить за работой митрального клапана, расположенного между желудочком и предсердием.

Использование эффекта Доплера в диагностике.

Особый интерес в диагностике вызывает использование эффекта Доплера. Суть эффекта заключается в изменении частоты звука вследствие относительного движения источника и приемника звука. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (происходит сдвиг частоты). При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя. В настоящее время на основе эффекта Доплера исследованы только движение крови и биение сердца. Этот эффект широко применяется в акушерстве, так как звуки, идущие от матки легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей через нее крови, а через 9 - 10 недель с момента образования плода прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвуковых устройств количество зародышей или констатировать смерть плода.

Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием:

• противовоспалительным, рассасывающим

• аналгезирующим, спазмолитическим

• кавитационным усилением проницаемости кожи

Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно — ионов минералов бишофита.^[1] Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

• лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается

• синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз, остеохондроз, артриты, бурситы, эпикондилиты, пяточная шпора, состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.

Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела — 0,2-0,4 Вт/см2., в области грудного и поясничного отдела — 0,4-0,6 Вт/см2).

Преимущества и недостатки ультразвукового импульсного метода. Главное преимущество ультразвукового метода — возможность быстрого и надежного контроля прочности бетона всех изделий, выпускаемых заводом железобетонных конструкций. Можно организовать непрерывный контроль нарастания прочности в процессе термовлажностной обработки. Ультразвуковой метод в отличие от механических позволяет также определять свойства бетона не в поверхностном слое, а по всей толщине изделия, что существенно повышает надежность контроля прочности.

Вопрос №13

Движение идеальной жидкости. Линии тока. Стационарное течение жидкости. Уравнение неразрывности струи. Объемный расход жидкости. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости. Измерение статического и динамического давлений. Принцип работы пульверизатора и водоструйного насоса.

Идеальная жидкость– воображаемая несжимаемая жидкость, лишенная вязкости и теплопроводности. В идеальной жидкости отсутствует внутреннее трение, т.е. нет касательных напряжений между двумя соседними слоями, она непрерывна и не имеет структуры.

Движение слоев жидкости или газа относительно друг друга или всей жидкости или газа относительно твердых тел называют течением.

Движение жидкости будет известно, если в каждой точке области пространства, где течет жидкость, будет известен вектор скорости υ проходящих через нее частиц жидкости как функция времени. Совокупность векторов скоростей, заданных для всех точек пространства, образует поле вектора скорости.

Если в движущейся жидкости провести линии таким образом, чтобы касательная к ним в каждой точке совпадала по направлению с вектором υ, то такие линии называются линиями тока(рис. 20.1).

Условились проводить линии тока так, чтобы их густота была больше там, где больше скорость течения жидкости и меньше там, где жидкость течет медленнее.

В результате по картине линий тока можно судить не только о направлении,

но и о величине вектора υ в разных точках пространства.

Величина и направление скорости в рассматриваемых точках пространства в общем случае могут меняться со временем. Если ни в одной из точек

потока вектор скорости υ

с течением времени не изменяется, то течение жидкости называется установившимся или стационарным.Но в разных точках стационарного потока скорости могут быть различными. Это означает, что линии тока при установившемся течении жидкости совпадают с траекториями частиц.

  Закон сохранения механической энергии для жидкостей и газов имеет особый вид, сформулированный Бернулли. Рассмотрим вывод этого закона на примере идеальной несжимаемой жидкости. Несжимаемой называется жидкость, плотность которой не зависит от давления.

     Рассмотрим жидкость, скорость каждой точки которой не зависит от времени( стационарный поток). Поверхность, образованная линиями тока , проведенными через все точки замкнутого контура, называется трубкой тока. Часть потока жидкости, ограниченная трубкой тока, называетсяструей. Предварительным шагом для вывода уравнения Бернулли являетсяуравнение неразрывности, которое мы рассмотрим в следующей части статьи.

Уравнение неразрывности

 Рассмотрим участок элементарной струи жидкости, который ограничен двумя нормальными сечениями с площадями и(рис.1). Скорости течения жидкости в сеченияхиравны соответственнои.  В стационарном потоке масса жидкости, протекающая за времячерез сечениеравна массе жидкости, протекающей за то же время через сечение:. Учитывая, что,,  получаем:

(1).

Уравнение (1) называется уравнением неразрывности.

Рис.1. Трубка тока

Уравнение Бернулли

Для перемещения жидкости находящегося в объеме в объемсилы давления выполняют работу

(2)

Работа сил давления равна приращению полной энергии выделенного объема жидкости:

(3)

Приравнивая правые части уравнений (2) и (3), после элементарных преобразований получаем:

(4)

Это уравнение называется уравнением Бернулли.

В случае, если оба сечения трубки тока находятся на одной высоте, уравнение приобретает более простой вид:

(5)

Объёмный расход жидкости это объём жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Объёмный расход жидкости измеряется обычно в м³/с, дм³/с или л/с. Он вычисляется по формуле

,

где     Q -  объёмный расход жидкости,

V - объём жидкости, протекающий через живое сечение потока,

   t – время течения жидкости.

Давление, которое можно было бы измерить манометром, движущимся вместе с жидкостью, называют статическим давлением. Показание же неподвижного манометра, мембрана которого поставлена перпендикулярно к потоку, называют полным давлением.Итак, для измерения статического давления следует применять движущийся манометр, а для измерения полного давления — неподвижный. Однако на практике было бы крайне затруднительно применять движущийся манометр. Чтобы обойти это затруднение, прибору дают такую форму, при которой скорость течения вблизи места, где измеряется давление, не изменяется. Такой прибор можно сделать в виде узкой трубки с закругленным закрытым концом и с отверстиями сбоку (рис. 306, а). Струи потока, проходя мимо отверстий, практически сохраняют свою скорость неизменной, и в колене манометра, соединенного с такой трубкой, создается статическое давление. Такая трубка носит название зонда. Если же взять открытую с конца трубку, отверстие которой обращено к потоку (рис. 306, б), то у отверстия струя будет останавливаться,Рис. 306. а) При обдувании зонда показание манометра не меняется. б) При обдувании трубки Пито манометр показывает повышенное давление. в) Схема измерителя скорости потока как и перед мембраной, так что в колене манометра, присоединенного к такой трубе, создастся полное давление. Такая трубка называется трубкой Пито. Манометр, соединенный с трубкой Пито, показывает более высокое давление, чем манометр, соединенный с зондом.Присоединим теперь обе трубки к двум коленам одного и того же манометра (рис. 306, в). Тогда манометр будет показывать разность между полным и статическим давлениями. Чем больше скорость набегающего потока, тем больше эта разность. Поэтому по показаниям манометра, соединенного с такими трубками, можно судить о скорости потока.

Зажжем свечу и через тонкую трубочку, например для коктейля, сильно дунем в нее так, чтобы струйка воздуха прошла примерно на расстоянии 2 см от пламени. Пламя свечи отклонится по направлению к трубочке, хотя на первый взгляд кажется, что воздух должен если и не задуть его, то по крайней мере отклонить в противоположную сторону.

Лабораторный водоструйный насос. В струе воды из крана создается разрежение, которое выкачивает воздух из колбы.

Почему? Согласно уравнению Бернулли, чем выше скорость потока, тем меньше давление в нем. Воздух выходит из трубочки с большой скоростью, так что давление в струе воздуха меньше, чем в окружающем свечу неподвижном воздухе. Перепад давления при этом направлен в сторону выходящего из трубочки воздуха, что и отклоняет к ней пламя свечи.

Принцип работы пульверизатора: атмосферное давление выжимает жидкость в струю воздуха, где давление ниже.

На этом принципе работают пульверизаторы, струйные насосы и автомобильные карбюраторы: жидкость втягивается в поток воздуха, давление в котором ниже атмосферного.

Вопрос № 14.

Вязкость жидкости и методы ее определения. Уравнение Ньютона. Градиент скорости. Формула Пуазейля. Гидравлическое сопротивление.

15 вопрос. Ламинарное и турбулентное течения жидкости. Число Рейнольдса. Распределение давления при течении реальной жидкости по трубам постоянного сечения и разветвлённым. Градиент давления.

Течение жидкости называется ламинарным или слоистым, если поток жидкости представляет собой совокупность слоѐв, перемещающихся относительно друг друга без перемешивания. При некоторой высокой скорости течение становится турбулентным (вихревым), когда происходит перемешивание слоѐв жидкости. При турбулентном течении жидкости возрастают силы трения, а следовательно и работа по преодолению сил трения. Это течение жидкости сопровождается звуковым феноменом. Скорость, при которой ламинарное течение переходит в турбулентное называется критической (Vкр.). Величина этой скорости зависит от вязкости жидкости, радиуса трубки, плотности жидкости и состояния внутренней поверхности.

Критическая скорость вычисляется по формуле:

Vкр = Rе* Ƞ/ƿ*D

где Ƞ - вязкость жидкости, ƿ - плотность, D - диаметр трубки. Безразмерная величина Rе называется числом Рейнольдса. Для гладких трубок Rе = 2300, для трубок с шероховатыми поверхностями эта величина меньше.

При течении идеальной жидкости по горизонтальной трубе постоянного сечения гидростатическое давление в любом сечении одинаково (ƿgh1 = ƿgh2 =...), h1 = h2 = ..., динамическое давление так же одинаково в любом сечении ( ƿ/ 2 = ƿ/ 2 =...), т.к. v1 = v2 = ... по уравнению неразрывности струи. Следовательно и статическое давление постоянно по всей длине трубы на основании уравнения Бернулли (Р1 = Р2). Для реальной жидкости гидростатическое и динамическое давления в любом сечении одинаковы по той же причине, что и для идеальной жидкости. Однако уравнение Бернулли для реальной жидкости, как частный случай закона сохранения энергии, должно включать работу против сил трения.

P1V = P2V + Aтр или P1V = P2V + Fтр* L

Следовательно, т. к. расстояние от начала трубы L увеличивается, то P2 уменьшается. Это подтверждается и экспериментально (рис. 1.2.7). Манометрические трубки, вставленные в стенку трубы, измеряют статическое давление и оно постепенно уменьшается. На рисунке h1 создает динамическое давление, h2 - статическое. Скорость уменьшения статического давления характеризуется величиной градиента давления

= =

Величина градиента давления зависит:

1. От коэффициента вязкости жидкости, т.к. Fтр ̴ Ƞ,

2. От скорости течения жидкости прямо пропорционально, т.к. сила сопротивления возрастает пропорционально скорости,

3. Если труба разветвляется, то от числа разветвлений - прямо пропорционально.

16 вопрос. Движение жидкости по трубам с эластичными стенками. Пульсовая волна. Изменение давления крови при движении её по сосудам. Измерение давления крови.

Движение жидкости по трубам с эластичными стенками отличается от движения жидкости по трубам с упругими стенками своей непрерывностью.

Рассмотрим особенности течения крови по эластичным сосудам. Источником энергии, под действием которого осуществляется перемещение крови, является сердце. При сокращении левого желудочка в аорту, заполненную кровью, выбрасывается дополнительно несколько десятков мл. крови, так называемый ударный объѐм. Давление в аорте повышается - это давление называется систолическим. При этом эластичные стенки аорты дают прирост объема ΔV, а часть полной энергии переходит в потенциальную энергию деформации сосудистой стенки, но так как обратного тока крови нет (полулунный клапан закрыт), то сокращение стенки облегчает перемещение крови по сосуду и способствует еѐ продвижению дальше. Эластичность сосудистых стенок создает непрерывное течение крови в кровеносных сосудах.

Импульс давления распространяется по сосудистым стенкам и называется пульсовой волной. Скорость его распространения значительно выше средней скорости течения крови.

Vимп. =,

где Е - модуль упругости сосудистой стенки, h- толщина стенки,r- радиус сосуда, ƿ - плотность.

Метод графической регистрации пульсовой волны называется сфигмографией. Тензодатчики регистрируют пульс в двух точках, разно удаленных от сердца (сонная и лучевая артерии) и по известному расстоянию между сердцем и точками начала регистрации импульса определяют отношение пути, проходимое пульсовой волной за время t, т.е. скорость.

На рисунке представлен график изменения давления крови в артериальной системе кровообращения.

Где 1 – ритмично работающий поршневой насос (сердце), 2 – аорта, крупные артерии, 3 – мелкие артерии и артериолы, 4 – капилляры, 5 – венулы и вены.

В капиллярах пульсации давления отсутствуют. Причина значительного падения давления в артериолах и капиллярах в большом числе разветвлений.

В хирургической практике непосредственное измерение давления в полостях сердца производится методом катетеризации, т.е. введения через один из крупных сосудов тонкого зонда, на конце которого находится миниатюрный электроманометр диаметром 1-2 мм. Датчиком в нем служит силиконовое сопротивление, соединенное с мембраной, воспринимающей внешнее давление. В клинике применяется косвенный (бескровный) способ измерения кровяного давления. Наиболее распространен метод измерения артериального давления по Н.Н.Короткову. Прослушивание звуков (тонов Короткова), сопровождающих турбулентное течение при прохождении крови по искусственно сжатой артерии, - начальные - соответствующие максимальному или систолическому, давлению (110-125 мм. рт. ст.), и конечные, в момент их резкого ослабления, соответствующие минимальному или диастолическому, давлению (60-80 мм. рт. ст.).

17 вопрос=)

Сердце как механическая система

Сердце явл. осн. источником энергии обеспечив. движ-е крови в сосуд. системе. Оно переводит хим. энергию, заключённую в молекулах АТФ, ОБРЗУЮЩИХСЯ В СЕРДЕЧНой МЫШЦе, в мех.работу, т.е. представляет собой хемоэлектромехан. насос. 2 половинки связаны кровен. сосудами. Сокращение сердечной мышцы создаёт разность давления в артериальной и венозной системе, благодаря сему возникает дв-е крови. Фаза сокращения сердца наз-ся систолой, фаза ослабления - диастолой. Работа за одно сокращение - работа на преодоление вязкости в сосудистой системе. Е1-Е2 =А, где А - работа сердца, Е1 - энергия аорты, Е2 - энергия вены. Объём крови, выбрасываемый сердцем в минуту наз-ся минутным объёмом кровотока, котор. равен систолическому объёму, умноженному на число сердечных сокращений в минуту. А=V•(?1+(?•??)/2), ? - разность между систолическим и диастолическим давлениями, ? - скорость изгнания крови из сердца, ? - плотность крови. Скорость и давление в аорте больше чем в вене. В малом круге кровообращения кровь встречает значительно меньшее сопротивление, чем в большом круге, следовательно, скорость большая, а плотность маленькая. Давление в правом желудочке равно 1/5 давления в левом желудочке. А=Аб.кр.+Ам.кр., А=6/5•?лев.жел.•V+?•??•V, ?=1,05•10? кгм?,V=580 мг, ?ср=0,5 мс. ?лев.жел=3990 Па, А=2,93Дж.

ОЦЕНКА РАБОТЫ И МОЩНОСТИ СЕРДЦА

Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сопротивления и сообщение крови кинетической энергии.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении левого желудочка.

Vу – ударный объем крови в виде цилиндра. Можно считать, что сердце поставляет этот объем по аорте сечением S на расстояние I при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа равна:

A1 = FI = pSI = pVy.

На сообщение кинетической энергии этому объему крови затрачена работа:

где р – плотность крови;

υ – скорость крови в аорте.

Таким образом, работа левого желудочка сердца при сокращении равна:

Так как работа правого желудочка принимается равной 0,2 от работы левого, то работа всего сердца при однократном сокращении равна:

Эта формула справедлива как для покоя, так и для активного состояния организма, но эти состояния отличаются разной скоростью кровотока. Физические основы химического метода измерения давления крови. Физический параметр – давление крови – играет большую роль в диагностике многих заболеваний.