Транспорт веществ через биологические мембраны

Автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые внешним источником энергии, поступление которой регулируется самой колебательной системой.

Системы, в которых возникают такие колебания, называются автоколебательными. Амплитуда и частота автоколебаний зависят от свойств самой автоколебательной системы.

12. Механические волны - процесс распространения механических колебаний в среде (жидкой, твердой, газообразной)

Следует запомнить, что механические волны переносят энергию, форму, но не переносят массу.

Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно, их скорость конечна.

Различают два вида механических волн: поперечные и продольные.

1.Поперечные волны:

Волны называются поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно (поперек) лучу волны. Они существуют в основном за счет сил упругости, возникающих при деформации сдвига, а поэтому существуют только в твердых средах.

На поверхности воды возникают поперечные волны, так как колеблется граница сред.

В поперечных волнах различают горбы и впадины.

Длина поперечной волны - расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами.

2.Продольные волны:

Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны. Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах.

В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения.

Длина продольной волны - расстояние между двумя ближайшими зонами сгущения или зонами разряжения.

Интенсимвность -- скалярная физическая величина, количественно характеризующая поток энергии, переносимой волной в некотором направлении. Численно интенсивность равна количеству энергии, переносимому через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению потока энергии, усреднённому за период волны. В математической форме это может быть выражено следующим образом:

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова -- Пойнтинга) -- вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов:

где E и H -- вектора комплексной амплитуды электрического и магнитного полей соответственно.

Этот вектор по модулю равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии.

Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то вектор S непрерывен на границе двух сред.

13. Звук, виды звука

Звук- это механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах воспринимаемых человеческим ухом, в среднем от 16 до 20000 Гц.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре (н) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2н, 3н, 4н, ... Акустический спектр шума является сплошным.

Физические характеристики звука

1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление (ДС) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ДС) выражается следующей формулой:

где с

- плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Рассотрим основные характаристики звука:

1) Субъективные характеристики звука - характеристики, зависящие от свойств приемника:

- громкость. Громкость звука опеределяется амплитудой колебаний в звуковой волне.

- тон (высота тона). Определяется частотой колебаний.

- тембр (окраска звука).

14. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр - это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим 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 одинаковую величину).

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I₀установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рис. 3.3). Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности LдБ от частоты н звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота и уровень интенсивности.

СРЕДА АКУСТИЧЕСКАЯ

- совокупность звуков природного и техногенного происхождения в пределах слышимости человеком. Распространение звуках

Законы распространения звука.

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу - угол отражения равен углу падения - с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают.

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя».

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

Скорость распространения звука

Чем выше упругость среды, тем больше скорость. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.

Удельное акустическое сопротивление упругой среды -- величина, равная отношению амплитуды звукового давления в среде к колебательной скорости её частиц при прохождении через среду звуковой волны:

Единица измерения -- паскаль-секунда на метр (Па*с/м)

звук электромагнитный излучение мембрана

Реверберация -- это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отраженной и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.



При нормальном падении звуковой волны на границу раздела сред справедливы следующие формулы:

Из формулы (3.9) видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большая доля энергии отражается на границе раздела. В частности, если величина х близка к нулю, то коэффициент отражения близок к единице. Например, для границы воздух-вода х = 3х10^-4, а r = 99,88 %. То есть отражение является практически полным.

В таблице 3.3 приведены скорости и волновые сопротивления некоторых сред при 20 °С.

Отметим, что значения коэффициентов отражения и преломления не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.

Ухо -- сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами.Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20 м до 1,6 см, что соответствует 16 -- 20 000 Гц (колебаний в секунду).Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина -- сложной формы упругий хрящ, покрытый кожей, его нижняя часть, называемая мочкой,- кожная складка, которая состоит из кожи и жировой ткани.Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна. Но вот многие звери, поводя ушами, способны гораздо точнее, чем человек, определить нахождение источника звука.Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов.Функция ушной раковины -- улавливать звуки; ее продолжением является хрящ наружного слухового прохода, длина которого в среднем составляет 25-30 мм. Хрящевая часть слухового прохода переходит в костную, а весь наружный слуховой проход выстлан кожей, содержащей сальные, а также серные железы, представляющие собой видоизмененные потовые. Этот проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания.В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.

Среднее ухо Основной частью среднего уха является барабанная полость -- небольшое пространство объемом около 1смі, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко -- они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их.Слуховые косточки -- как самые маленькие фрагменты скелета человека, представляют цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком -- со стремечком. Основание стремечка закрывает окно преддверия, соединяясь таким образом с внутренним ухом.Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки. При изменении внешнего давления иногда «закладывает» уши, что обычно решается тем, что рефлекторно вызывается зевота. Опыт показывает, что ещё более эффективно заложенность ушей решается глотательными движениями или если в этот момент дуть в зажатый нос.

Барабанная перепонка -- тонкая, непроницаемая для воздуха и жидкости мембрана, разделяющая наружное и среднее ухо. Служит для передачи звуковых колебаний во внутреннее ухо, а также препятствует попаданию в барабанную полость инородных тел.Имеется у наземных позвоночных (за исключением хвостатых и безногих земноводных, роющих змей)[1]. У людей расположена в глубине наружного слухового прохода.

Евстахиева труба -- канал, сообщающий полость среднего уха с глоткой. Морфологически Евстахиева труба представляет часть жаберной щели, а физиологически служит для уравновешивания разницы атмосферного давления извне и в полости среднего уха.

Слуховых косточек три: молоточек, наковальня и стремячко. Все они соединены между собою очень совершенными сочленениями (истинные суставы) в виде очень подвижной цепи - от перепонки до овального окна - и служат для передачи на лабиринт звуковых волн, особенно для низких тонов.

Функция среднего уха:Полость среднего уха. Важным условием для правильной работы звукопроводящей системы является наличие одинакового давления по обе стороны барабанной перепонки. При повышении или понижении давления как в полости среднего уха, так и в наружном слуховом проходе натяжение барабанной перепонки меняется, акустическое (звуковое) сопротивление повышается и слух понижается. Выравнивание давления по обе стороны барабанной лерепонки обеспечивается вентиляционной функцией слуховой трубы. При акте глотания или зевания слуховая труба открывается и становится проходимой для наружного воздуха в полость среднего уха. Учитывая, что слизистая оболочка среднего уха постепенно всасывает воздух, нарушение вентиляционной функции слуховой трубы ведет к превышению наружного давления над давлением в среднем ухе, что вызывает втяжение барабанной перепонки внутрь. В связи с этим нарушается звукопроведение и возникают патологические изменения в среднем ухе.

15.Строение улитки (поперечный разрез). Распространение звуковых волн в замкнутых гидромеханических системах. Механизм звукопроведения в улитке (Теория Бекеши)

Улитка является полым костным образованием длиной 35 мм и имеет форму конусообразной спирали, содержащей 2,5 завитка.

Сечение улитки показано на рис. 4.6.

По всей длине улитки вдоль нее проходят две перепончатые перегородки, одна из которых называетсявестибулярной мембраной, а другая - основной мембраной. Пространство между

Рис. 4.6. Схематическое строение улитки, содержащей каналы: В - вестибулярный; Б - барабанный; У - улитковый; РМ - вестибулярная (рейснерова) мембрана; ПМ - покровная пластина; ОМ - основная (базилярная) мембрана; КО - кортиев органними - улитковый ход - заполнено жидкостью, называемой эндолимфой.

Вестибулярный и барабанный каналы заполнены особой жидкостью - перилимфой. В верхней части улитки они соединяются между собой. Колебания стремечка передаются мембране овального окна, от нее перилимфе вестибулярного хода, а затем через тонкую вестибулярную мембрану - эндолимфе улиточного хода. Колебания эндолимфы передаются основной мембране, на которой находится кортиев орган, содержащий чувствительные волосковые клетки (около 24 000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву в мозг.

Барабанный ход заканчивается мембраной круглого окна, которая компенсирует перемещения перелимфы.

Длина основной мембраны приблизительно равна 32 мм. Она очень неоднородна по своей форме: расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки. Вследствие этого модуль упругости основной мембраны вблизи основания улитки примерно в 100 раз больше, чем у вершины.

Теория Бекеши

Волны разной частоты распространяются в улитке по-разному. Если взять замкнутую гидромеханическую систему, заполненную жидкостью по соответственному строению каналов улитки и подействовать волной: высокой частоты, то режущая волна возникает в основании улитки; средней частоты - посередине; нижней - в конце.

16.Инфразвук: естественные и искусственные источники, свойства, механизм влияния на ЦНС человека

Инфразвук - упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 16-20 Гц. Нижняя частотная граница инфразвука неопределенна; в настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц.Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной средах, а также в земной коре (сейсмические волны). Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько децибел. Известно, что звуки,извержений вулканов и атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара. Из-за большой длины волны мало и рассеяние инфразвука. В естественных средах заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты - холмы, горы, высокие здания.

Естественными источниками инфразвука являются метеорологические, сейсмические и вулканические явления. Инфразвук генерируется атмосферными и океаническими турбулентными флуктуациями давления, ветром, морскими волнами (в том числе и приливными), водопадами, землетрясениями, обвалами.

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолетов, удары копров, работа реактивных двигателей и др. Инфразвук содержится в шуме двигателей и технологического оборудования. Вибрации зданий, создаваемые производственными и бытовыми возбудителями, как правило, содержат инфразвуковые компоненты. Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среды дают транспортные шумы. Например, легковые автомобили на скорости 100 км/ч создают инфразвук с уровнем интенсивности до 100 дБ. В моторном отделении крупных судов зарегистрированы инфразвуковые колебания, создаваемые работающими двигателями, с частотой 7-13 Гц и уровнем интенсивности 115 дБ. На верхних этажах высотных зданий, особенно при сильном ветре, уровень интенсивности инфразвука достигает 100 дБ.

Инфразвук почти невозможно изолировать - на низких частотах все звукопоглощающие материалы практически полностью теряют свою эффективность.

Воздействие инфразвука на человека

На человека инфразвук оказывает, как правило, отрицательное действие: вызывает угнетенное настроение, усталость, головную боль, раздражение. У человека, подвергнутого воздействию инфразвука низкой интенсивности, появляются симптомы «морской болезни», тошнота, головокружение. Появляется головная боль, повышается утомляемость, слабеет слух.

Существует предположение, что различные аномалии в состоянии людей при плохой погоде, объясняемые климатическими условиями, являются на самом деле следствием воздействия инфразвуковых волн.

При средней интенсивности (140-155 дБ) могут наступать обмороки, временная потеря зрения. При больших интенсивностях (порядка 180 дБ) может наступить паралич со смертельным исходом.

Предполагают, что негативное влияние инфразвука связано с тем, что в инфразвуковой области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей тела человека. Это вызывает нежелательные резонансные явления. Укажем некоторые частоты собственных колебаний для человека:

* тело человека в положении лежа - (3-4) Гц;

* грудная клетка - (5-8) Гц;

* брюшная полость - (3-4) Гц;

* глаза - (12-27) Гц.

Особенно вредно воздействие инфразвука на сердце. При достаточной мощности возникают вынужденные колебания сердечной мышцы. При резонансе (6-7 Гц) их амплитуда возрастает, что может привести к кровоизлиянию.

17.Ультразвук: способы получения (обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, механизм влияния на биообъекты. Применение в медицине

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20x10³ Гц (20 кГц) и до 10⁹ Гц (1 ГГц).

Излучатели ультразвука

Для получения ультразвука в медицине используют обратный пьезоэлектрический эффект. Он состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца, под действием электрического поля деформируется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подаются переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластинки. Колебания пластинки передаются частицами окружающей среды, что и порождаются ультразвуковую волну.Некоторые материалы способны изменять свои размеры в магнитном поле. Это явление, получившее название магнитострикции, принципиально не отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца. Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют пьезоэлектрическими.

Свойства ультразвука:

1) Поглощение ультразвука в веществе.

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 ~ 340 м/с, в воде и мягких тканях ~ 1500 м/с). Однако высокая интенсивность и малая длина УЗ-волн порождают ряд специфических особенностей.

При распространении УЗ в веществе происходит необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в основном в теплоту. Это явление называется поглощением звука. Уменьшение амплитуды колебания частиц и интенсивности УЗ вследствие поглощения носит экспоненциальный характер:

где А, А₀ - амплитуды колебаний частиц среды у поверхности вещества и на глубине h; I, I₀ - соответствующие интенсивности УЗ-волны; б - коэффициент поглощения, зависящий от частоты УЗ-волны, температуры и свойств среды.

Коэффициент поглощения - обратная величина того расстояния, на котором амплитуда звуковой волны спадает в «е» раз.

Чем больше коэффициент поглощения, тем сильнее среда поглощает ультразвук.

Коэффициент поглощения (б) растет при увеличении частоты УЗ. Поэтому затухание УЗ в среде во много раз выше, чем затухание слышимого звука.

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения (Н), которая связана с ним обратной зависимостью (Н = 0,347/б).

2) Отражение ультразвука. Звуковидение

Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Однако эти явления заметны лишь в том случае, когда размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны. Длина УЗ-волны существенно меньше длины звуковой волны (л = v/н). Так, длины звуковой и ультразвуковой волн в мягких тканях на частотах 1 кГц и 1 МГц соответственно равны: л = 1500/1000 = 1,5 м;

= 1500/1 000 000 = 1,5х10^-3 м = 1,5 мм. В соответствии со сказанным, тело размером 10 см практически не отражает звук с длиной волны с л = 1,5 м, но является отражателем для УЗ-волны с л = 1,5 мм.

Эффективность отражения определяется не только геометрическими соотношениями, но и коэффициентом отражения r, который зависит от отношения волновых сопротивлений сред х (см. формулы 3.8, 3.9):

Для значений х, близких к 0, отражение является практически полным. Это является препятствием для перехода УЗ из воздуха в мягкие ткани (х = 3х10^-4, r = 99,88%). Если УЗ-излучатель приложить непосредственно к коже человека, то ультразвук не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. В данном случае малые значения х играют отрицательную роль. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение. Напротив, для обнаружения неоднородностей в среде малые значения х являются положительным фактором.

Биологическое действие ультразвука определяется, главным образом, его интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях УЗ (до 1,5 Вт/см²) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Ультразвуковые волны малой и средней интенсивности вызывают в живых тканях положительные биологические эффекты, стимулирующие протекание нормальных физиологических процессов.

УЗ большой интенсивности (3-10 Вт/см²) оказывает вредное воздействие на отдельные органы и человеческий организм в целом. Высокая интенсивность ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Длительные интенсивные воздействия ультразвуком могут привести к перегреву биологических структур и к их разрушению (денатурация белков и др.). Воздействие интенсивного ультразвука может иметь и отдаленные последствия. Например, при длительных воздействиях УЗ частотой 20-30 кГц, возникающих в некоторых производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной системы, повышается утомляемость, существенно поднимается температура, возникают нарушения органа слуха.

Использование УЗ в медицине: терапии, хирургии, диагностике

Деформации под воздействием УЗ используются при измельчении или диспергировании сред.Явление кавитации используется для получения эмульсий несмешивающихся жидкостей, для очистки металлов от окалины и жировых пленок.

УЗ-терапия

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

В отоларингологии УЗ воздействует на барабанную перепонку, слизистую оболочку носа. Таким способом осуществляют реабилитацию хронического насморка, болезней гайморовых полостей.

УЗ-хирургия

УЗ-хирургия подразделяется на две разновидности, одна из которых связана с воздействием на ткани собственно звуковых колебаний, вторая - с наложением УЗ-колебаний на хирургический инструмент.

УЗ-диагностика

Ультразвуковая диагностика - совокупность методов исследования здорового и больного организма человека, основанных на использовании ультразвука. Физической основой УЗ-диагностики является зависимость параметров распространения звука в биологических тканях (скорость звука, коэффициент затухания, волновое сопротивление) от вида ткани и ее состояния. Для диагностических целей используется УЗ частотой от 0,8 до 15 МГц. Низкие частоты применяются при исследовании глубоко расположенных объектов или при исследовании, проводимом через костную ткань, высокие - для визуализации объектов, близко расположенных к поверхности тела, для диагностики в офтальмологии, при исследовании поверхностно расположенных сосудов.

18.Основные функции сердца: автоматизм, возбудимость, проводимость, сократимость

Автоматизм - это способность сердца вырабатывать импульсы, вырабатывающие возбуждение. В норме максимальным автоматизмом обладают клетки СА-узла (синусоартериального узла), который вырабатывает электрические импульсы с частотой 60-80 в минуту. Это центр автоматизма первого порядка. Функцией автоматизма обладают некоторые участки проводящей системы предсердий и АВ-соединение (атриовентрикулярное) - зона перехода АВ-узла в пучок Гиса. Эти участки проводящей системы сердца, являющиеся центрами автоматизма второго порядка, могут продуцировать электрические импульсы частотой 40-60 в минуту. Следует отметить, что сам АВ-узел, также входящий в состав АВ-соединения, не обладает функцией автоматизма. Наконец, центрами автоматизма третьего порядка, обладающими самой низкой способностью к автоматизму (25-45 импульсов в минуту), являются нижняя часть пучка Гиса, его ветви и волокна Пуркинье. Однако в норме возбуждение сердца происходит только в результате импульсов, возникающих в волокнах СА-узла, который является единственным нормальным водителем ритма.

Возбудимость - способность сердца возбуждаться под влиянием импульсов. В мышечном волокне возбуждение является результатом изменения физико-химических свойств мембраны ионного состава внутриклеточной и внеклеточной жидкости. Функцией возбудимости обладают клетки как проводящей системы сердца, так и сократимого миокарда.

Рефрактерность - невозможность возбужденных клеток миокарда снова активизироваться при возникновении дополнительных импульсов.

Проводимость - это способность к проведению возбуждения, определяющая нормальную временную последовательность возбуждения предсердия и желудочков. Функцией проводимости обладают как волокна специализированной проводящей системы сердца, так и сократительный миокард , однако в последнем случае скорость проведения электрического импульса значительно меньше.

Волна возбуждения, генерированного в клетках СА-узла(1), распространяется по внутрисердечным проводящим путям. В АВ-узле(2) происходит физиологическая задержка волны возбуждения, определяющая норм. временную последовательность возбуждения предсердия и желудочков. От АВ-узла волна возбуждения передается на хорошо развитую внутрижелудочковую проводящую систему, состоящую из пучка Гиса(3), ножек пучка Гиса(4) и волокон Пуркинье(5).

Сократимость - способность сердечной мышцы сокращаться в ответ на возбуждение. Этой функцией в основном обладает возбудительный миокард. В результате последовательного сокращения различных отделов сердца и осуществляется основная - насосная функция сердца.



19.Электрический диполь - система из двух равных по величине, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга

Расстояние между зарядами называется плечом диполя.

Основной характеристикой диполя является векторная величина, называемая электрическим моментом диполя (P).

В сердце множество элементарных диполей. Все диполи можно просуммировать и заменить одним результирующим диполем.

Каждый заряд создает свое электрическое поле. Источником электрического поля является электрический диполь.

Электрическое поле диполя

Диполь является источником электрического поля, силовые линии и эквипотенциальные поверхности которого изображены на рис.

Центральная эквипотенциальная поверхность представляет собой плоскость, проходящую перпендикулярно плечу диполя через его середину. Все ее точки имеют нулевой потенциал (ц = 0). Она делит электрическое поле диполя на две половины, точки которых имеют соответственно положительные(ц > 0) и отрицательные (ц < 0) потенциалы.

Токовый диполь

Рис. 13.6. Экранирование диполя в проводящей среде

В непроводящей среде электрический диполь может сохраняться сколь угодно долго. Но в проводящей среде под действием электрического поля диполя возникает смещение свободных зарядов, диполь экранируется и перестает существовать (рис. 13.6).

Для сохранения диполя в проводящей среде необходима электродвижущая сила. Пусть в проводящую среду (например, в сосуд с раствором электролита) введены два электрода, подключенные к источнику постоянного напряжения. Тогда на электродах будут поддерживаться постоянные заряды противоположных знаков, а в среде между электродами возникнет электрический ток. Положительный электрод называют истоком тока, а отрицательный - стоком тока.

Двухполюсная система в проводящей среде, состоящая из истока и стока тока, называется дипольным электрическим генератором или токовым диполем.

В клинической электрокардиографии электрические явления, возникающие на поверхности возбудимой среды (волокна, серд-ца), принято описывать с помощью так называемой дипольной концепции распространения возбуждения в миокарде. Процесс распространения волны депо-ляризации и волны реполяризации по одиночному мышечному волокну можно условно представить как перемещение двойного слоя зарядов, расположенных на границе возбужденного (--) и невозбужденного (+) участков волокна. Эти заряды, равные по величине и противоположные по знаку, находятся на бесконечно малом расстоянии друг от друга и обозначаются как элементарные сердечные диполи. Положительный полюс диполя {+) всегда обра-щен в сторону невозбужденного а отрицательный полюс (--) -- в сторону возбужденного участка миокардиального волокна. Диполь создает элементарную ЭДС.

ЭДС диполя -- векторная величина, которая характеризуется не только количественным значением потенциала, но и направ-лением -- пространственной ориентацией от (--) к (+).

.Электрокардиография - это физический метод регистрации электрической деятельности сердца с помощью усилителя биопотенциалов - электрокардиографа.

Теоретическое обоснование метода сводится к идее Эйнтховена о сердце, как электрическом диполе, помещенном в слабо проводящую среду.

Многочисленными исследованиями установлено, что эл. генератор сердца локализуется в синусном узле, этот узел обладает свойством автоматизма, т.к. генерирует эл. потенциалы периодически. В свою очередь СА-узел входит в состав так называемой проводящей системы сердца, включающей в себя АВ-узел, пучок Гиса, ножки пучка Гиса и волокна Пуркинье.

Сердце, как эл. диполь создает эл. поле некоторой напряженности Е и следовательно его силовые линии будут выходить на поверхность тела. Если это действительно так, то на поверхности тела модно выделить линии равного потенциала. Т.к. возбужденный участок сердца заряжается отрицательно по отношению к невозбужденному, то верхняя правая часть тела будет заряжена отрицательно, а нижняя левая положительно.

Таким образом, если некоторый чувствительный вольтметр подсоединить к тем двум участкам поверхности тела, которые различаются значениями своего потенциала, то он зарегистрирует разность потенциалов. Чтобы сделать измерение и запись ЭКГ стандартными Эйнтховен предложил считать, что сердце - диполь и помещено в центр равностороннего треугольника, а ткани организма имеют одинаковую эл. проводность во всех направлениях. Для унификации таких измерений он предложил измерять разность потенциалов между вершинами треугольника (конечностями). Соответственно пары точек были названы отведениями.

1 отведение - левая рука, правая рука

2 - права рука, левая нога

3 - левая нога, левая рука.

ЭКГ здорового сердца: кривая, формы и виды зубцов. Информационное значение зубцов, интервалов и сегментов ЭКГ.

Зубцы и интервалы на ЭКГ.

Любопытно, что за рубежом интервал P-Q обычно называют P-R.

Любая ЭКГ состоит из зубцов, сегментов и интервалов.

ЗУБЦЫ - это выпуклости и вогнутости на электрокардиограмме.

На ЭКГ выделяют следующие зубцы:

· P (сокращение предсердий),

· Q, R, S (все 3 зубца характеризуют сокращение желудочков),

· T (расслабление желудочков),

· U (непостоянный зубец, регистрируется редко).

СЕГМЕНТЫ

Сегментом на ЭКГ называют отрезок прямой линии (изолинии) между двумя соседними зубцами. Наибольшее значение имеют сегменты P-Q и S-T. Например, сегмент P-Q образуется по причине задержки проведения возбуждения в предсердно-желудочковом (AV-) узле.

ИНТЕРВАЛЫ

Интервал состоит из зубца (комплекса зубцов) и сегмента. Таким образом, интервал = зубец + сегмент. Самыми важными являются интервалы P-Q и Q-T.

Зубец Р - электрическая активность (деполяризация) предсердий. Регистрирует алгебраическую сумму возбуждений правого (восходящая часть) и левого (нисходящая часть) предсердий.

Зубец Q - отражает деполяризацияю межжелудочковой перегородки. Направлен вниз.

Зубец R - почти полный охват возбуждением обоих желудочков, направлен вверх, самй высокий зубец.

Зубец S - конечный элемент желудочкового комплекса, когда оба желудочка охвачены возбуждением.

Зубец Т - заканчивается желудочковый комплекс, когда прекращается деполяризация, т. Е. наступает реполяризация обоих желудочков.

Интервал PQ - это расстояние (временной промежуток) от начала зубца P до начала зубца. Он соответствует времени прохождения возбуждения по предсердиям и атриовентрикулярному узлу до миокарда желудочков.

Сегмент ST - это отрезок кривой ЭКГ между концом комплекса QRS и началом зубца T, который соответствует периоду сердечного цикла, когда оба желудочка полностью охвачены возбуждением.

Интервал QT (электрическая систола желудочков) - время от начала комплекса QRT до конца зубца T.

.Электрической осью сердца называется ось электрического диполя. Вектор ЭДС сердца можно построить с помощью треугольника Эйнтховена.Для построения вектора ЭДС сердца нужно построить равносторонний треугольник и из его середин восстановить перпендикуляры до взаимного пересечения в точке О.Затем в трех отведениях измерить амплитуды соответствующих зубцов, например зубцов R. Отложить полученные значения на сторонах треугольника. Восстановить перпендикуляры из концов векторов отведений до взаимного пересечения в точке О. Отрезок ОО можно рассматривать теперь как вектор ЭДС сердца и прямую, на которой он лежит, как эл. ось сердца.

Блок-схема:

Блок Калибровки<-Блок отведения ->Дифф усилитель -> УНЧ ->УНЧ -> УНЧ ->Усилит мощнос ->РУ

Блок питания -подсоединяется ко всем блокам, кроме РУ

С помощью специальных электродов разность потенциалов со стандартных отведений через блок отведений попадает в дифференциальный усилитель, где происходит очистка полезного сигнала от помех. Очищенный от помех полезный сигнал с выхода дифференциального усилителя подается на 3-х каскадный усилитель напряжения низкой частоты (УНЧ). При прохождении через УНЧ амплитуда полезного сигнала значительно увеличивается по сравнению с амплитудой входного сигнала. После усиления напряжения полезный сигнал поступает на усилитель мощности. В нем формируется мощность сигнала по закону P = U*I. Усиленный таким образом полезный сигнал, регистрируется на самописце или на экране монитора. В качестве регистрирующего устройства используется перьевая запись на теплочувствительной ленте. Нагретое перо соприкасается с бумажной лентой, покрытой воском. Бумажная лента протягивается под пером лентопротяжного механизма с постоянной скоростью. Любой ЭКГ содержит блок калибровки. Он представляет собой источник стабильного напряжения величиной 1 мВ. При нажатии кнопки калибровки, напряжение 1 мВ поступает на вход УНЧ вместо биопотенциала, усиливается и записывается в виде прямоугольного импульса на бумажную ленту.

Типы электрокардиографов

За последние тридцать лет внешний вид и принцип действия одноканального электрокардиографа, который все еще остается основным аппаратом в больницах, изменились очень мало. Однако в последние годы все шире вводятся в практику новые и радикально отличные от старых моделей типы электрокардиографов.

Автоматический трехканальный электрокардиограф

Если ежедневно необходимо записывать и монтировать большое число ЭКГ, то можно существенно уменьшить затраты труда персонала, применяя автоматические трехканальные электрокардиографы.

Электрокардиографы, обрабатывающие сигналы на ЭВМ

Все более широко используется автоматический анализ ЭКГ на ЭВМ . Этот метод требует, чтобы сигнал ЭКГ от стандартных отведений последовательно передавался к ЭВМ с помощью соответствующих средств; при этом должна также передаваться дополнительная информация о пациенте.

Электрокардиографические системы для испытаний под нагрузкой

Коронарная недостаточность часто не отражается в ЭКГ, если запись производится в состоянии покоя. В испытаниях с упражнениями на двух ступенях на сердечнососудистую систему дается физиологическая нагрузка. Перед записью ЭКГ пациенту предлагают подниматься и спускаться по специальной паре ступеней высотой около 23 см. На этом же принципе основаны и испытания под нагрузкой, во время которых пациент идет с определенной скоростью по бегущей дорожке, наклон которой можно изменять.

Ионизирующее излучение - различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. Такими свойствами обладают радиоактивное излучение, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и т.д.

Виды ИИ:

Альфа-излучение - это поток положительно заряженных ядер атомов гелия, называемых альфа-частицами. Они образуются при распаде ядер, как правило тяжелых естественных элементов (радий, торий).Начальная скорость а-частиц 10-20 тыс км/с. Они обладают большой ионизирующей способностью, но мало проникающей. Линейная плотность ионизации i = (2-8)*10(в 6ст)пар ионов на метр, линейчатый спектр - энергия 4-9 мэВ.

Бета-излучение - это поток электронов, называемых бета-частицами. Они образуются при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Скорость в-частиц может достигать скорости света. Имеет меньшую чем у а-частицы ионизирующую способность, но большую проникающую. i = 4600 пар ионов на метр, энергия лежит в пределах от сотых долей до нескольких мэВ.

гамма-излучение - (кванты энергии) - электромагнитные волны, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Распространяются в воздухе со скоростью 300 тыс км/с на сотни метров. Считается, что энергия квантов г-излучения превышает 10(в 5 ст) эВ. Г-лучи имеют огромную проникающую способность. Ионизирующий эффект обусловлен как расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское облучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между УФ лучами и г-лучами в пределах длин волн (лямбда=10 (в кВ) - 10 (в -3ст) нм). По характеру во многом схоже с г-лучами. Ионизация в следствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение

Естественные источники радиации (100-150 мБер в год)

космические лучи

земная радиация - в 1 т. земли: Уран-238 (1-3 гр), Торий-232 (10-13 гр), Калий-40 (15-25 гр), Рубидий-87 (40 гр)

газ радон - невидимый тяжелый газ, высвобождается из земной коры, накапливается в непроветриваемых помещениях

внутреннее излучение поступает с пищей, водой, воздухом, накапливается в тканях.

...