Kompendium_po_biofizike_1

УЛЬТРАЗВУК И ИНФРАЗВУК

1. Получение ультразвука (излучатели и приемники УЗ)

Механические волны с частотой выше 20 кГц называются ультразвуковыми. Диапазон ультразвуковых колебаний простирается до 109 Гц.

Для получения ультразвука используются электромеханические УЗ излучатели. Принцип действия таких излучателей основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (электрострикции), сущность которого заключается в механической деформации тел под действием электрического поля.

УЗ излучатель (см. рисунок 7) состоит из пластины (1), выполненной из веществ с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль и т.д.), электродов (2) и генератора переменного электрического напряжения (3).

Рисунок 7. Ультразвуковой излучатель

При подаче на электроды переменного напряжения от генератора пластина начнет деформироваться. Величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. Возникают вынужденные колебания, частота которых соответствует частоте генератора. Вибрация пластины приводит к возникновению механической волны соответствующей частоты.

Для получения ультразвука может быть использован так же эффект, называемый магнитострикцией - возникновение механической деформации тел под действием магнитного поля. Изменяется длина ферромагнитного стержня (феррит никеля), помещенное в ВЧ магнитное поле катушки с частотой изменения направлении поля (V до 105 Гц)

Приемник УЗ (см. рисунок 8) можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. В этом случае под

21

действием механической УЗ волны возникает деформация кристаллической пластины (1), которая приводит к генерации переменного электрического поля и появлению переменного напряжения на электродах (2). Это напряжения можно измерить регистрирующей системой (3).

Рисунок 8. Ультразвуковой приемник

2. Особенности распространения ультразвуковой волны: малая длина волны, направленность, поглощение, преломление, отражение.

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330 м/с, в жидкости – 1500 м/с.

Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, для звука с частотой 1 кГц длина волны 1,5м, а для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны составляет 1,5 мм. Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука, т.е. тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны, но станет препятствием для ультразвуковой, т.е. за телом образуется УЗ тень. При определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

При прохождении УЗ через вещество происходит его ослабление вследствие поглощения:

I I 0 e kx

где I и I0 интенсивности волны у поверхности вещества и на глубине х соответственно, k – показатель поглощения, зависящий от свойств среды.

22

ультразвуковой волны через границу раздела сред с различными волновыми сопротивлениями происходит его преломление и отражение. Законы, которым подчиняются эти явления, полностью аналогичны законам преломления и отражения света, поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью

Поглощение УЗ в веществе весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. С уменьшением длины волны (т.е. с увеличением частоты) показатель поглощения k увеличивается.

При прохождении

Среда 1

Среда 2

β

γ

		лучей. На рисунке 9 показано
	Рисунок 9. Отражение и
		преломление	и	отражение
	преломление звуковых волн на
	границе раздела сред	волны, в случае, когда волновое
		сопротивление	первой среды

меньше чем второй.

Энергия падающей волны распределяется между преломленной и отраженной волнами. Чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большей энергией будет обладать отраженная волна. Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха, поэтому отражение на границе раздела воздух-кожа составляет 99,99%. Чтобы уменьшить отражение, необходимо избавиться от слоя воздуха между излучателем УЗ и кожей. Для этого поверхность кожи покрывают специальной смазкой, обладающей акустическим сопротивлением близким к сопротивлению кожи.

3. Взаимодействие УЗ с биологическими тканями: деформация, кавитация, выделение тепла, химические реакции.

23

При распространении УЗ волны в веществе развиваются деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением частиц в среде. В зависимости от значения интенсивности волны эти деформации могут вызвать либо незначительные изменения структуры, либо ее разрушение.

При распространении УЗ в жидкости в областях разряжения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву в сплошной жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных парами этой жидкости. Это явление называется кавитацией. Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации (Рк), для воды, например, Рк = 1,5·108 Па. Кавитация существует недолго, т.к. пузырьки быстро захлопываются. В результате, вблизи захлопнувшихся пузырьков выделятся значительная энергия, происходит разогрев вещества, а также ионизация и диссоциация молекул.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии во внутреннюю энергию вещества, что ведет к его нагреванию. Наиболее интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам раздела сред с различными волновыми сопротивлениями. Это обусловлено тем, что при отражении интенсивность волны вблизи границы увеличивается, и соответственно возрастает количество поглощенной энергии.

Под воздействием УЗ в веществе могут происходить изменения в окислительно-восстановительных реакциях. При этом могут протекать даже такие реакции, которые в обычных условиях неосуществимы. Так, например, возможна реакция расщепления молекулы воды на радикалы Н+ и ОН– с последующим образованием перекиси водорода Н2О2.

4. Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике.

Терапевтическое действие УЗ обусловлено механическим, тепловым, химическим факторами. Их совместное действие

24

улучшает проницаемость мембран, расширяет кровеносные сосуды, улучшает обмен веществ, что способствует восстановлению равновесного состояния организма. Дозированным пучком УЗ можно провести мягкий массаж сердца, легких и других органов и тканей.

Фонофорез — введение с помощью УЗ в ткани через поры кожи лекарственных веществ. Этот метод аналогичен электрофорезу, однако, в отличие от электрического поля, УЗ поле перемещает не только ионы, но и незаряженные частицы.

Аутогемотерапия — внутримышечное введение человеку собственной крови, взятой из вены. Эта процедура оказывается более эффективной, если взятую кровь перед вливанием облучить УЗ.

Сваривание мягких тканей. Если сложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов.

Сваривание костей (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют измельченной костной тканью, смешанной с жидким полимером (циакрин), которые под действием УЗ быстро полимеризуются, образуя прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной тканью.

Стерилизация. Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации.

УЗ можно рассекать ткань, для чего хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) соединяют с источником ультразвуковых колебаний. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте 20-50 кГц составляет 10-50 мкм. Преимущества этого метода: снижение усилия резания, уменьшение болевого ощущения, кровоостанавливающий и стерилизующий эффекты. УЗ скальпели позволяют проводить операции без вскрытия грудной клетки в дыхательных органах, пищеводе, на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий УЗ скальпель в вену, можно разрушить холестериновые утолщения в этих сосудах.

Существуют различные методы, в которых УЗ используется в диагностических целях.

Эхоэнцефалография — определение опухолей и отека головного мозга.

25

Ультразвуковая кардиография — измерение размеров сердца в динамике.

Эходоплерография — измерение скорости движения кровотока, клапанов сердца.

Ультразвуковая локация — определение размеров глазных сред, применение УЗ для ориентации слепых в пространстве.

Отражение УЗ волн (эхо-метод) на границе раздела различных сред используется в УЗ диагностике. Этим методом можно обследовать состояние внутренних органов. Направляемые на тело исследуемого больного ультразвуковые импульсы отражаются от поверхностей раздела, например, передней и задней границ расположенной неоднородности, — «эхо» звука на экране прибора сравнивается с посланным импульсом, что дает возможность не только обнаружить эту неоднородность, но и определить ее размеры. Обнаруживаются внутренние дефекты, отражающие 3-5 % падающей звуковой энергии.

С помощью ультразвука можно регистрировать изменение объема сердца, размеры полости желудочка, амплитуду сокращений и толщину сердечной мышцы.

5. Эффект Доплера и его применение для неинвазивного измерения скорости кровотока.

Эффект Доплера заключается в том, что воспринимаемая приемником частота ν отличается от излучаемой источником частоты ν0 вследствие движения источника и приемника волн.

В случае, когда источник и приемник неподвижны, частота волны, регистрируемой приемником, совпадает с частотой волны, испускаемой источником (ν = ν0).

При взаимном сближении источника и приемника, частота волны, регистрируемой приемником, оказывается больше частоты испускаемой источником волны (ν > ν0). Это обусловлено тем, что приемник регистрирует большее число волн в единицу времени. При взаимном удалении источника и приемника все происходит наоборот.

Частота волны, воспринимаемая приемником:

26

	V	Vпр
пр			ист ,
	V	Vист

где V – скорость распространения волны в среде, Vпр и Vист – скорости движения источника и приемника, νист – частоты волны, испускаемой источником.

Эффект Доплера используется для определения скорости движения крови. Для этого нужно направить пучок ультразвуковых волн на кровеносный сосуд. Некоторый движущийся объем крови будет отражать ультразвуковые волны в различных направлениях, в том числе и в направлении приемника. Т.е. этот объем крови становится вторичным источником ультразвука, частота принимаемой волны будет отличаться от частоты испускаемой. Если определить доплеровский сдвиг частоты, то можно будет вычислить линейную скорость крови, а также направление.

6. Инфразвук и его воздействие на человека

Инфразвук — это механические колебания и волны с частотой менее 16 Гц. На человека инфразвук оказывает, как правило, отрицательное действие: вызывает угнетающее настроение, усталость, головную боль, раздражение. При небольших интенсивностях возникают расстройство органов зрения, общая слабость. При средней интенсивности (140-155 дБ) могут проявляться обмороки, временная потеря зрения. При больших интенсивностях (порядка 180 дБ) может наступить паралич со смертельным исходом. Это связано с тем, что в инфразвуковой области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей тела человека (частота собственных колебаний грудной клетки 5-8 Гц, брюшной полости 3-4 Гц, сердца 6-7 Гц). Это вызывает нежелательные резонансные явления.

27

АКУСТИКА

1. Акустика. Физические характеристики звука

В широком смысле, акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны. В узком смысле, под акустикой понимают учение о звуке – упругих колебаниях и волнах (в средах), воспринимаемых человеческим ухом, т.е. имеющими частоты от 20Гц до 20 кГц.

К физическим (объективным) характеристикам звука относятся:

1.Частота – количество колебаний за единицу времени в звуковой волне.

2.Интенсивность – количество энергии переносимой звуковой волной через единичную площадь тела за единицу времени. Так как человеческое ухо воспринимает звук в очень

широком диапазоне интенсивностей: (на частоте в 1 кГц) от

I min 10 12 Вт/м2 до I max 10 Вт/м2, то удобнее для описания интенсивности использовать логарифмическую шкалу. Уровень

интенсивности в этой шкале находится по формуле:

LB lg I / I min в Б (белах) или LdB 10 lg I / I min в дБ (децибелах)

3. Звуковое давление – дополнительное давление, создаваемое звуковой волной, падающей на тело. Минимальное значение звукового давления, воспринимаемое ухом (порог

слышимости) равно pmin 2 10 5		Па,	максимальное	–
pmax	60 Па. Уровни звукового давления		определяются	в
логарифмической шкале по формулам:
LB	2lg p / pmin в Б или LdB 20 lg	p / pmin	в дБ.

Звуковое давление связано с интенсивностью соотношением:

p 2 I (2 c)2 , где

– плотность среды, c – скорость звука в

среде.

4. Спектр (если колебание не описывается гармонической функцией) – зависимость интенсивности колебаний в звуковой волне от частоты.

28

Все звуки подразделяются на:

Тон – звук, являющийся периодическим процессом. Тон, в свою очередь, делится на:

Простой (чистый) тон – колебание в таких звуковых волнах описывается гармоническими функциями. Характеризуется частотой тона и его интенсивностью.

Сложный тон – колебание в такой звуковой волне описывается ангармоническими функциями. Однако, согласно теореме Фурье любой сложный тон может быть разложен в гармонический спектр, т.е. может быть представлен суммой простых тонов. Минимальная частота в спектре сложного тона называется основной; частоты, кратные основной – дополнительными. Гармоническое колебание, соответствующее основной частоте, называется основным тоном; гармонические колебания, соответствующие дополнительным гармоникам, – обертонами. Характеризуется сложный тон акустическим спектром – зависимостью интенсивностей гармоник от их частот. Для сложного тона спектр является линейчатым.

Шум – звук, не имеющий повторяющейся временной зависимости. Характеризуется сплошным широким спектром, часто неустойчивым во времени.

Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие.

2. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Закон Вебера– Фехнера. Уровни интенсивности, уровни громкости звука и единицы их измерения

Из-за особенностей строения аппарата слуха и специфических механизмов звукового восприятия человек воспринимает звук иначе, чем он есть на самом деле. Выделяют следующие субъективные характеристики слухового восприятия:

Высота – характеристика, обусловленная в первую очередь, частотой звука: чем больше частота звука, тем он выше

29

при восприятии. Кроме этого, звуки большой интенсивности воспринимаются как более низкие.

Тембр – характеристика, обусловленная в первую очередь, спектральным составом звука.

Громкость – характеристика уровня слухового ощущения. Уровни громкости определяются законом Вебера–Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковое число единиц). Математически закон Вебера–Фехнера описывается уравнением

Рисунок 10. Кривые равной громкости E k lg I / Imin . Если бы k в

этом уравнении был бы постоянным, то уровни громкости соответствовали бы уровням интенсивности, выраженным в логарифмической шкале. Однако

k	зависит как от интенсивности, так и от частоты звука, т.е.
k	k(I , ) , поэтому звуки разных интенсивностей и разных

частот слышатся неодинаково. Усреднѐнные для большой выборки кривые, показывающие, как звук одной и той же интенсивности слышится на разных частотах, называются кривыми равной громкости (см. рисунок 10). Условно считается, что на частоте 1 кГц уровни громкости и уровни интенсивности совпадают. Для того, чтобы отличать уровни громкости от уровней интенсивности, уровни громкости определяются не в [дБ], а в [фон] (фонах). Минимальная интенсивность звука, которая вызывает слуховое ощущение на данной частоте, называется порогом слышимости (нижняя кривая на приведѐнном рисунке).

3. Аудиометрия и фонокардиография

30