Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений.
УЗ хорошо отражается на границах мышца – кость - надкостница, на поверхности полых органов и т. д. Используя это явления можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т. п. (УЗ - локация).
При УЗ - локации используют как непрерывное, так и импульсное излучения:
В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела.
Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.
Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ - излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за наличия тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ - излучателя покрывают слоем масла.
Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ в биологических объектах, вызывают следующие основные эффекты:
- микровибрации на клеточном и субклеточном уровне;
- разрушение биомакромолекул;
- перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран;
- тепловое действие;
- разрушение клеток и микроорганизмов.
Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волны и размеров тел, на которых волна дифрагирует.
Непрозрачное (для звука) тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой волны с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ - волны с длиной 1,4 мм - возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи (аналогичны преломлению и отражению световых лучей).
|
Действие ультразвука на клетки может сопровождаться следующими явлениями:
нарушением микроокружения клеточных мембран;
изменением проницаемости клеточных мембран, нарушением структуры мембран;
нарушением состава внутриклеточной среды;
изменением скоростей ферментативных реакций.
Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.
К первому направлению относятся локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения:
- эхоэнцефалография - определение опухолей и отека головного мозга;
- ультразвуковая кардиография - измерение размеров сердца в динамике;
- в офтальмологии - ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред.
С помощью ультразвукового эффекта Доплера изучают характер движения сердечных клапанов и измеряют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.
Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. Воздействие ультразвуком на пациента производят с помощью специальной излучательной головки аппарата.
Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук частотой 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см2 и меньше.
|
Первичными механизмами ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.
При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.
Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств.
При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарственных веществ, полученные с помощью ультразвука.
В настоящее время разработан новый метод «сваривания» поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука
(ультразвуковой остеосинтез).
Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации.
Интересно применение ультразвука для слепых.
Благодаря УЗ - локации с помощью портативного прибора «Ориентир» можно обнаруживать предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.
Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, например, появления принципиально новых методов диагностики с внедрением в медицину ультразвуковой голографии.
ИНФРАЗВУК.
Инфразвук - упругие волны с частотами до 20 Гц
Инфразвуком называют механические (упругие) волны с частотами, меньшими тех, которые воспринимает ухо человека (< 20 Гц).
Источниками инфразвука могут быть как естественные объекты (море, землетрясение, грозовые разряды и др.), так и искусственные (взрывы, автомашины, станки и др.).
|
Инфразвук часто сопровождается слышимым шумом, например в автомашине. В связи с чем, возникают трудности при измерении и исследовании инфразвуковых колебаний.
Для инфразвука характерно слабое поглощение разными средами, поэтому он распространяется на значительное расстояние. Это качество распространения инфразвука в земной коре позволяет обнаруживать взрыв на большом удалении его от источника, а также, по измеренным инфразвуковым волнам прогнозировать цунами и т. д.
Поскольку, длина волны инфразвука больше, чем у слышимых звуков, то инфразвуковые волны сильнее дифрагируются и проникают в помещения, обходя преграды.
Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние ряда систем организма: вызывает усталость, головную боль, сонливость, раздражение и др. И
То обстоятельство, что частоты собственных колебаний тела человека (в положении лежа 3-4 Гц, стоя 5-12 Гц, частоты собственных колебаний грудной клетки 5 - 8 Гц, брюшной полости 3- 4 Гц и т. д.) совпадают с частотами инфразвука, предполагают, что организм имеет резонансную природу. Поскольку, резонанс наступает при близких значениях частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний. В связи, с чем возникает необходимость снижения уровня интенсивности инфразвуков в жилых, производственных и транспортных помещениях - одна из задач гигиены.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫФИЗИКИ СЛУХА
Слух - восприятие звуковых колебаний, которое осуществляется органами слуха. Строение слухового аппарата показано на рис. 2.6.
Она представляет собой своеобразный барабан (объемом 0,8 см3), который отделяется от наружного уха барабанной перепонкой, а от внутреннего уха - овальным и круглым окнами. Среднее ухо заполнено воздухом. Любая разность давлений между наружным и средним ухом приводит к деформации барабанной перепонки.
Рис. 2.6. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б)
Строение слухового аппарата по выполняемым функциям представлено на рис. 2.7. представлено. В слуховом аппарате человека выделяют звукопроводящую и звуковоспринимающую части.
Рис. 2.7. Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека.
Роль наружного уха.
Наружное ухо состоит из ушной раковины, слухового прохода (в виде узкой трубки), барабанной перепонки.
Ушная раковина играет роль звукоулавливателя, концентрирующего звуковые волны на слуховом проходе, в результате чего звуковое давление на барабанную перепонку увеличивается по сравнению со звуковым давлением в падающей волне примерно в 3 раза.
Наружный слуховой проход вместе с ушной раковиной можно сравнить с резонатором типа трубы.
Барабанная перепонка, отделяющая наружное ухо от среднего уха, представляет собой пластинку, состоящую из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Толщина перепонки около 0,1 мм.
Причина наибольшей чувствительности уха в области 3 кГц.
Роль и строение среднего уха:
Среднее ухо является устройством, предназначенным для передачи звуковых колебаний из воздушной среды наружного уха в жидкую среду внутреннего уха.
Она содержит барабанную перепонку, овальное и круглое окна, а также слуховые косточки (молоточек, наковальню, стремечко).
Барабанная перепонка - это воронкообразная мембрана, вдавленная внутрь среднего уха. От нее звуковая информация передается косточкам среднего уха (форма барабанной перепонки обеспечивает отсутствие собственных колебаний, что весьма существенно, так как собственные колебания перепонки создавали бы шумовой фон).
Роль внутреннего уха.
Внутренняя уха является звуковоспринимающей системой. Она представляет собой замкнутую полость (лабиринт), имеет сложную форму и заполнена жидкостью – перилимфой. Состоит из двух частей: улитки, образующие механические колебания в электрический сигнал и полукружия вестибулярного аппарата, обеспечивающего равновесие тела в поле силы тяжести.
Улитка является полым костным образованием формы конусообразной спирали два с половиной завитка, длиной 35 мм. По всей длине проходят две перепончатые перегородки, одна из которой называется вестибулярной мембраной, а другая – основной мембраной. Пространство между ними – улитковый ход – заполнено жидкостью – эндолимфой.
Рис. 2.7. Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека.
На рис. 2.7. представлено строение слухового аппарата по выполняемым функциям. В слуховом аппарате человека выделяют звукопроводящую и звуковоспринимающую части.
Вестибулярный и барабанный каналы заполнены особой жидкостью – перилимфой. В верхней части улитки они соединяются между собой.
Колебаний стремечка передаются мембране овальное окно, от нее перилимфе вестибулярного хода, затем через тонкую вестибулярную мембрану – эндолимфе улиточного хода. Колебания эндолимфмы передаются основной мембране, на которой находится кортиев орган, содержащий чувствительные волосковые клетки (около 24000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву в мозг.
Барабанный ход заканчивается мембраной круглого окна, компенсирует перемещения перилимфы. Длина основной мембраны приблизительно равна 32мм, очень неоднородна по своей форме: расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки. Вследствие чего модуль упругости ее близи основания улитки примерно в 100 раз больше, чем у вершины.
Хотя используя научные достижения, созданы разные миниатюрные слуховые аппараты, работающие в широком частотном диапазоне. В некоторых тяжелых формах тугоухости и глухоты они не помогают.
В настоящее время возможна частичная реабилитация слуха. Для этого имплантируют электроды в улитку (с помощью кохлеарных протезов) для подачи на них электрические сигналы.
Тимпанометрия – метод измерения податливости звукопроводящего аппарата слуховой системы под влиянием аппаратного изменения воздушного давления в слуховом проходе. Данный метод позволяет оценить функциональное состояние барабанной перепонки.