Отражение ультразвука. Звуковидение.

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.