Лекции_Медицинская физика

11

студенистая масса (эндолимфа), содержащая мелкие кристаллы фосфорнокислого и углекислого кальция (отолиты). Эндолимфа играет роль инерционного тела. Она при повороте головы и смещении тела приходит в движение относительно стенок преддверия и «полукружных каналов».

Поверхности этих стенок содержат чувствительные нервные клетки,

которые имеют свободные окончания в виде волосков. Они воспринимают движение эндолимфы. Если на вестибулярный аппарат оказывается длительное периодическое действие, возникает особое состояние – морская болезнь.

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

а) 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. По баллистокардиограмме (рис. 8)

можно судить о движении крови и состоянии сердечной деятельности.

б) Апекскардиография (АКГ) – метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки в области верхушечного толчка,

вызванных работой сердца. Используется пьезодатчик, который фиксируют на грудной клетке в точке максимальной пульсации (верхушечный толчок).

Эту точку определяют пальпаторно. По сигналам датчика строится апексокардиограмма (рис. 9).

12

При анализе АКГ сравнивают амплитуды разных фаз работы сердца с максимальным отклонением от нулевой линии, которое

Рис. 9. принимают за 100 %.

в) 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

межреберей относительно

Рис. 10.

ребер. ККГ имеет сложный вид (рис. 10).

г) Динамокардиография (ДКГ) – метод оценки перемещения центра тяжести грудной клетки. ДКГ позволяет регистрировать силы, действующие со стороны грудной клетки человека. Для записи ДКГ пациент располагается на столе, лежа на спине. Под грудной клеткой находится воспринимающее устройство, которое состоит из двух жестких металлических пластин размером

30 30 см, между которыми расположены упругие элементы с тензодатчиками.

Рис. 11. Периодически меняющаяся по величине и месту приложения нагрузка слагается из трех составляющих:

постоянная – масса грудной клетки; переменная – эффект дыхательных движений; переменная – механические процессы, сопровождающие сердечное сокращение. Запись ДКГ осуществляют при задержке дыхания в

13

двух направлениях относительно продольной и поперечной осей воспринимающего устройства (рис. 11).

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

Источник вибрации – работа машин, механизмов. Колебания,

возникшие в каком-либо месте тела, распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и др.).

Степень воздействия вибраций зависит от частоты, амплитуды, скорости и ускорения колеблющейся точки, энергии колебательного процесса.

Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть

«вибрационная болезнь». Это приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.

Вредны и кратковременные вибрации, если в их спектре содержатся частоты, совпадающие с частотами собственных колебаний частей тела.

Человеческое тело и его органы имеют собственные частоты колебаний в диапазоне от 3 до 12 Гц. Вследствие резонанса вибрация органов увеличивается, они деформируются, смещаются или теряют фиксацию,

может произойти их механическое повреждение.

Вибрации могут быть и полезными, например, при массаже – ручном или аппаратном. Аппараты бывают для общей вибрации – вибрационные стул, кровать, платформа и аппараты местного вибрационного воздействия на отдельные участки тела.

6. Механотерапия – это форма лечебной физкультуры (ЛФК). Как правило, это тренажеры, на которых осуществляются колебательные движения различных частей тела человека.

Одной из задач лечебной физкультуры является осуществление дозированных, ритмически повторяющихся физических упражнений с целью

14

тренировки или восстановления подвижности в суставах на аппаратах маятникового типа. При разработке тренировочно-реабилитационных медицинских методик, для обоснования их допустимых параметров необходимо учитывать характеристики колебательных процессов.

§ 5. Механические волны

Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой или механической волной.

С волной связан процесс переноса энергии колебаний. Частицы среды при этом не переносятся, а колеблются около положения равновесия. Т.е

переноса вещества нет.

Есть продольные и поперечные волны. В продольных волнах есть области сжатия и растяжения. В поперечных волнах в среде возникают периодические деформации сдвига.

–Продольные волны можно наблюдать во всех средах.

–Поперечные – в твердых телах и на поверхностях жидкостей.

Фронт волны – геометрическое место точек (поверхность), в которых

фаза колебаний имеет одно и то же значение. Фронт волны разделяет области, в которой точки колеблются и области, в которой точки находятся еще в равновесии.

Волны распространяются с конечной скоростью. Скорость волны – это движение (скорость) фронта.

В воздухе скорость колебания частиц – 10 см/с, а скорость звуковой волны 330 м/с. Волны могут быть плоскими и сферическими.

Длина волны – расстояние, на которое перемещается ее фронт за время равное одному периоду колебаний частицы.

Энергетические характеристики волны.

Переносимая волной энергия складывается из кинетической (движение частиц) и потенциальной (деформация среды).

Поток энергии (Ф) – величина, равная средней энергии, проходящей за единицу времени через данную поверхность

15

Ф dE [Вт]. dt

Интенсивность волны (I) – величина равная потоку энергии волны,

проходящей через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения волны

I Ф [Вт/м2];

S

Объемная плотность энергии ( p ) – средняя энергия колебательного движения, приходящаяся на единицу объема среды

– плотность среды; A – амплитуда колебаний; - циклическая частота.

§ 6. Эффект Доплера

Эффект Доплера состоит в том, что воспринимаемая приемником частота сигнала отличается от излучаемой источником частоты вследствие движения источника сигнала или приемника.

Изменение частоты сигнала называется доплеровским сдвигом частоты

движущегося тела; - скорость сигнала; vИ - частота сигнала.

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца

(доплеровская эхокардиография) и других

Рис. 12. органов. Эффект Доплера используется в ультразвуковой диагностике. Использование эффекта Доплера показано на рис. 12. Ультразвуковые волны отражаются от эритроцитов.

16

§7. Акустика, звук

1.Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны,

методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом. Звуковые явления, изучаемые в акустике, чрезвычайно важны для медицины, особенно для оценки слуховых ощущений.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20 103 Гц. С возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается.

Звук с частотами меньше 16 Гц – инфразвук. Если частота звука выше

20 кГц – ультразвук. Частоты в диапазоне 109 – 1012 Гц – гиперзвук. 2. Характеристики звука.

Интенсивность звука (I). Для человека важны два значения интенсивности, которые определяют на частоте 1 кГц.

Порог слышимости I0 = 10-12 Вт/м2 – это минимальный порог восприятия звука в норме. У некоторых людей может быть 10-13 Вт/м2 или

10-9 Вт/м2.

Порог болевого ощущения Imax =10 Bт/м2. Звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли. Чувствительность уха колоссальна от min до max отличается в 1013 раз.

Звуковое давление. Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.

Звуковое давление – (Р ) давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде. Оно является избыточным, и

воздействует на барабанную перепонку.

Давление на пороге слышимости Р0 =2 10-5 Па.

При болевом ощущении Рmax = 60 Па.

Между интенсивностью I и звуковым давлением есть связь

Коэффициент отражения (r) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волны:

r Iотр. /Iпад.

При нормальном падении коэффициент отражения рассчитывается по

Коэффициент пропускания ( ) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн

Iпрош. / Iпад.

При нормальном падении волны рассчитывается по формуле:

4(Ra1 /Ra2 ) (Ra1 / Ra2 1)2

Сумма r и = 1.

Уровень интенсивности. При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. сравнивать не сами величины, а

их логарифмы. Для этого используется величина L – уровень интенсивности.

L lg(I / I0 ) 2 lg(P/ P0 )

Единицей уровня интенсивности является бел [Б]. Если интенсивность возрастает в 10 раз, то уровень интенсивности возрастает на 1 Б.

На практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности

[дБ] – децибел. 1 дБ = 0,1 Б. Тогда LдБ =10 lg(I / I0 ) или LдБ =20 lg(P/ P0 );

18

Интенсивность звука от нескольких источников

I I1 I2 I3 ...,

а уровень интенсивности результирующего сигнала

Llg(10L1 10L2 10L3 ...)

Впоследнем случае уровни интенсивности берутся в белах.

Закон Вебера-Фехнера. Это психофизический закон. Так как он характеризует свойство субъективных ощущений. (Закон справедлив при оценке зрительной чувствительности яркости, тактильной чувствительности для кожи и др.).

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в

одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Громкость звука. Субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука (например,

ультразвук не воспринимается при большой интенсивности). При построении шкалы громкости учитывают восприимчивость уха «среднего» человека к различным частотам.

Поступают следующим образом. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости – фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по правилу: Громкость звука равна уровню интенсивности звука на частоте 1 кГц,

вызывающего у «среднего» человека такое же

ощущение громкости, что и данный звук.

Рис. 13.

На рисунке приведены кривые равной громкости. Их строят экспериментально. Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности для разных частот.

Характеристика звуков

19

Аудиометрия – метод измерения остроты слуха.

Прибор – аудиометр, на нем определяется порог восприятия LП .

LП 10lg(IП / I0 )

LП – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения. Аудиограмма – это спектральная характеристика уха на пороге слышимости. Сравнивая аудиограмму больного пациента с нормальной кривой порога слухового ощущения, ставят диагноз.

Таблица тугоухости (Международная классификация)

3. Звуковые методы исследования

а) Аускультация – непосредственное выслушивание звуков,

возникающих внутри организма. Приборы: стетоскоп, фонендоскоп.

б) Фонокардиография – графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация.

в) Перкуссия – исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализ возникающих при этом звуков.

По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органов.

§8. Физика слуха

Вслуховом аппарате человека можно выделить звукопроводящую и звуковоспринимающую части (рис. 14)

20

Рис. 14.

1. Наружное ухо – это ушная раковина, наружный слуховой проход и барабанная перепонка. Ушная раковина (1) – звукоулавливатель,

концентрирующий звуковые волны на слуховом проходе (2). Вследствие этого давление на барабанную перепонку (3) возрастает в ~ 3 раза по сравнению с давлением в падающей волне. Наружный слуховой проход

(длина ~ 2,5 см) вместе с ушной раковиной играет роль резонатора.

Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего и состоит из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Ее толщина ~ 0,1 мм. Максимальная чувствительность уха в районе 3 кГц.

2. Среднее ухо содержит систему косточек (4) – устройство, передающее звуковое колебание из воздушной среды (наружное ухо) в жидкую среду

(внутреннее ухо). Объем среднего уха ~ 0,8 см3, оно заполнено воздухом. Для того чтобы понять назначение среднего уха нужно рассмотреть переход звука из воздушной среды в жидкую. Он характеризуется коэффициентом пропускания .

Ra1 для воздуха – 440 (кг/м2с); Ra2 для жидкости внутри уха –

1440000 кг/м2с; (см. формулу для ) Iпрош. 0,001 Iпад. В логарифмическом масштабе потери составляют: LдБ 10lg(Iпад. / Iпрош.) 29 дБ.