Механическое действие

2.

1.

Ультразвук и его применение в медицине.

Физические основы звуковых методов исследования в клинике. Фонокардиограф.

Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения. Аудиометрия. Шумомер.

Природа звука и его физические характеристики. Инфразвук. Вибрации.

Лекция №9. Биоакустика

 

 

Звуковые колебания – механических колебания с частотой в пределах от 20 Гц до 20000 Гц. Звуковая волна в газах и жидкостях может быть только продольной и состоит из чередующихся сжатий и разряжений среды. В твердых телах могут распространяться как продольная, так и поперечная волны.

В различных веществах скорость распространения звука неодинакова. В воздухе скорость звука составляет 332 м/с, в воде - 1500 м/с, в стальном стержне 5000 м/с.

Упругие волны с частотой, меньшей 20 Гц, называют инфразвуком; волны с частотами, превышающими 20000 Гц, называют ультразвуком. Инфразвук и ультразвук человеческое ухо не слышит.

Принято различать следующие звуки: тоны, или музыкальные звуки; шумы; звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая звуковая волна описывается уравнением . Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота ν₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2 ν ₀, 3 ν ₀ и т. д. Относительная интенсивность обертонов определяет окраску, или тембр, звука. Набор частот с указанием их относительной интенсивнос­ти (или амплитуды А) называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповто­ряющейся временной зависимостью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно из­меняющихся сложных тонов. Спектр шума - сплошной.

Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздейст­вие: хлопок, взрыв и т. п. Не следует путать звуковой удар с ударной волной.

Энергетической характеристикой звука как механической вол­ны является интенсивность. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, которая называется порогом слышимости . Порог слышимости несколько различен для разных лиц и сильно зависит от частоты звука. Наиболее чувствительно человеческое ухо к частотам от 1000 Гц до 4000 Гц. На частоте 1000 Гц Вт/м². При интенсивностях Вт/м² волна перестает восприниматься как звук, вызывая в ухе лишь ощущение боли и давления. Значение интенсивности, при котором это происходит, называется порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения так же зависит от частоты.

 

Рис. 1

На практике для оценки звука удобнее использовать не интен­сивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлени­ем р зависимостью

,

где ρ — плотность среды, — скорость звука.

Отношение интенсивностей для порога слышимости и порога болевого ощущения равно 10¹³, поэтому удобнее ис­пользовать логарифмические единицы и логарифмиче­скую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается сле­дующим образом: значение I₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятич­ный логарифм ее отношения к I₀ (в белах):

L_Б = lg(I/I₀), (1)

а для звукового давления

L_Б = 21g (p/p₀).

При использовании децибел соответственно имеем

и (2)

Единица уровня громкости, определяемая формулой (1) называется белом. Обычно пользуются в 10 раз меньшими единицами – децибелами (дБ).

Инфразвук - упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16-25 Гц. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса и моря. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения). Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ. Длина инфразвуковой волны весьма велика (на частоте 3,5 герца она равна 100 метрам), проникновение ее в ткани тела также велико. Инфразвук может оказывать негативное действие на организм: усталость, головная боль, сонливость, и др. Первичное действие инфразвука имеет резонансную природу (частоты собственных колебаний 3-12 Гц).

Вибрации -механические колебания различных конструкций и машин получили название. Они оказывают воздействие и на человека, который соприкаса­ется с вибрирующими объектами. Это воздействие может быть как вредным и приводящим в определенных условиях к вибраци­онной болезни, так и полезным, лечебным (вибротерапия и вибро­массаж).

Основные физические характеристики вибраций совпадают с характеристиками механических колебаний тел, это:

— частота колебаний или гармонический спектр ангармониче­ского колебания;

— амплитуды смещения, скорости и ускорения;

— энергия и средняя мощность колебаний.

Вибрации являются источником слышимых звуков, ультра­звуков и инфразвуков.

ВИБРОТЕРАПИЯ - метод лечебного воздействия механическими колебаниями низкой частоты, осуществляемый при непосредственном контакте излучателя (вибратора, вибротода) с тканями больного. Действие вибротерапии определяется влиянием на ткани механических колебаний низкой частоты. Наиболее важными лечебными эффектами вибротерапии считаются анальгетический, трофический, противовоспалительный, лимфодренирующий, вазоактивный и тонизирующий.

Показаниями для вибротерапии являются: заболевания и травмы опорно-двигательного аппарата (ушибы, разрывы связок, мышц, переломы конечностей после иммобилизации, артрозы, контрактуры), заболевания и последствия травм ЦНС (спастический и вялый параличи, церебральный атеросклероз, остаточные явления нарушения мозгового кровообращения), заболевания и травмы периферической нервной системы (невралгии, невропатии, плекситы, соляриты и др.), болезни органов пищеварения (вне фазы обострения), заболевания сердечно-сосудистой системы (постинфарктный кардиосклероз, нейроциркуляторная дистония и др.), гинекологические заболевания (гипогалактия, хронические воспалительные заболевания, женское бесплодие, гипофункция яичников и др.).

Вибротерапия противопоказана в острый период травмы, при болезни Рейно,

вибрационной болезни, облитерирующих заболеваниях периферических сосудов, оспеопорозе, тромбофлебите, нарушениях целостности кожного покрова, трофических язвах и пролежнях в зонах воздействия, сердечно-сосудистой недостаточности II-Ш ст., злокачественных новообразованиях.

 

 

В слуховом ощущении различают следующие характеристики: высота, громкость и тембр. Все эти характеристики связаны с частотой, интенсивностью и гармоническим спектром – объективными характеристиками звуковой волны.

Частота колебаний оценивается ухом как высота. Чем больше частота звукового колебания, тем более высоким воспринимается звук.

Громкость звука Е – это уровень слухового ощущения над его порогом. Она зависит, прежде всего, от интенсивности. Субъективное ощущение громкости возрастает от интенсивности по закону Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в ариф­метической прогрессии (т. е. на одинаковую величину).

Для оценки громкости звука пользуются децибелом.

, (3)

k - коэффициент, зависящий от частоты и интенсивности. Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и ин­тенсивности звука полностью совпадают, т. е. k = 1 и , или, по аналогии с (2),

(4)

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкос­ти децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначе­ние .

 

 

Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интен­сивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (рис. 2).

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости: для всех частот , для 1 кГц соответствующая интенсивность звука Вт/м². Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наи­более чувствительно к частотам 2500—3000 Гц. Каждая промежу­точная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интен­сивности звука для разных частот.

 

Рис. 2

По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определен­ных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя со­вокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивнос­ти.

Тембр – определяется набором частот простых колебаний, входящих в состав звука (т.е. спектральным составом). Чем сложнее звуковое колебание, чем больше в нем обертонов, тем богаче тембр звуков.

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.

При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) опре­деляют порог слухового ощущения на разных частотах; получен­ная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощуще­ния помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума исполь­зуется шумомер. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха.

3.

Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний — аускультация (выслушивание. Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фо­нендоскоп (рис. 3) состоит из полой капсулы 1с передающей звук мембраной 2, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки 3 к уху врача. В полой капсуле возникает резо­нанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация.

 

Рис.3

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 диагностики состояния сердечной деятельности применя­ется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ).

Фонокардиография — неинвазивный безопасный и не имеющий никаких противопоказаний метод графической регистрации тонов и шумов сердца, наиболее часто применяемый для диагностики врожденных и приобретенных пороков сердца.

Фонокардиограф состоит из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. Звуковые колебания, преобразованные микрофоном в электрические, усиливаются и передаются в систему частотных фильтров, которые выделяют из всех звуков ту или иную группу частот и пропускают их на различные каналы регистрации. Это позволяет избирательно записывать низкие, средние и высокие частоты звуков. Выбор каналов с различной частотной характеристикой, зависит от целей исследования сердечных звуков. Для практических (диагностических) целей требуется использование 3 характеристик: аускультативной, низкочастотной и высокочастотной. ФКГ всегда записывают синхронно с одним отведением ЭКГ, что помогает точности ее расшифровки.

 

 

 

Сверху вниз: ЭКГ, низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный и аускультативный каналы ФКГ.

 

 

 

Изменения ФКГ при недостаточности митрального клапана (верхушка сердца): ослабление I тона, систолический шум лентовидного характера, занимающий всю систолу.

 

Изменения ФКГ при недостаточности клапана аорты (верхушка сердца): ослабление I и II тонов, диастолический шум, возникающий сразу после II тона, имеет убывающий характер и занимает всю диастолу (голодиастолический).

 

Принципиальные отличия от двух изложенных выше звуковых методов имеет перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их.

Схематично тело человека можно предста­вить как совокупность газонаполненных (легкие), 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 топографию внутренних органов.

4.Главными источниками ультразвука являются устройства, использующий:1. обратный пьезоэлектрический эффект (если приложить между поверхностями кристалла кварца переменное напряжение , то кристалл будет совершать механические колебания).2. магнитострикцию (свойство некоторых металлов – никеля, железа - менять свои размеры в магнитном поле).Приемники ультразвука работают на принципе прямого пьезоэффекта: под действием механической волны (УЗ) возникает деформация кристалла, которая приводит к генерации переменного электрического поля, которое может быть измерено.

При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия: механическое, тепловое, химическое.

Действие УЗ на вещество связано с деформациями, которые происходят в результате поочередного сгущения и разряжения частиц среды, вызываемого ультразвуковыми волнами. В момент разряжения жидкость может разорваться и в ней могут образоваться микрополости, заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией.