Колебания в медицине
Теория колебательных и волновых процессов в физике. Механизмы взаимодействия акустических волн с биологическими тканями. Физические принципы ультразвуковой диагностики. Принципы использования эффекта Доплера для определения скорости движения крови.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.12.2018 |
| Размер файла | 1,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http: //www. allbest. ru/
Сообщение по физике
Колебания в медицине
Колебания - один из самых распространенных процессов в природе и технике. Колеблются высотные здания и высоковольтные провода под действием ветра, уровень реки в течение года и температура человеческого тела при болезни.
Теория колебательных и волновых процессов, представляет собой важный раздел физики, являясь основой для понимания сущности и количественного описания ряда аспектов жизнедеятельности организма. Знание основ этой теории необходимо медикам для понимания механизмов формирования слухового ощущения, анализа многочисленных периодических процессов в организме и первичной обработки диагностических данных и т.п.
Понимание законов акустики особое значение имеет для грамотного применения и полного использования возможностей методов ультразвукового диагностического исследования. Механизмы взаимодействия акустических волн с веществом и, в частности, с биологическими тканями лежат в основе методик ультразвуковой терапии и хирургии.
Важнейшая функциональная система организма - сердечно-сосудистая. Познание ее деятельности, усвоение современных методов диагностики ее состояния и лечения немыслимо без понимания сущности колебательных процессов.
Принципы использования гармонического анализа для обработки диагностических данных
Процессы, обуславливающие жизнедеятельность организма, носят периодический характер (сердечные сокращения, дыхание, кровенаполнение сосудов и т.д.). Диагностические данные, позволяющие судить о работе ряда органов и функциональных систем организма, представляется в виде периодических кривых. Например, электрокардиограмма (ЭКГ) представляет собой зафиксированную на бумажной ленте или на экране монитора сложную периодическую зависимость от времени t биопотенциалов , сопровождающих работу сердца ( см. рис.1).
Обработка данных ЭКГ может быть произведена с помощью гармонического анализа. С помощью специальных приборов - анализаторов получают гармонический спектр ЭКГ. Частота первой гармоники в этом спектре соответствует частоте сердечных сокращений у пациента. Она составляет около 1 Гц (период Т порядка 1с). Информация об электрической деятельности сердца заключена в частотном диапазоне от 0,5 Гц (минимально возможная частота сердечных сокращений) до 400 Гц (частота гармоники самого высокого порядка).
Применение гармонического анализа для обработки данных о периодических физиологических процессах позволяет с помощью электронной и вычислительной техники автоматизировать диагностику заболеваний и существенно расширить ее возможности.
Принципы использования эффекта Доплера для определения скорости движения крови. колебательный доплер ультразвуковой акустический
Механическая волна представляет собой процесс распространения механических колебаний в пространстве. Из-за наличия упругих связей между частицами среды перемещения одной из частиц при возникновении колебаний вызывает движение соседних частиц - этот процесс распространяется в пространстве с некоторой скоростью.
Эффект Доплера состоит в изменении частоты волн, воспринимаемых некоторым приемником (наблюдателем) в зависимости от относительной скорости движения источника волн и наблюдателя.
Представим кровеносный сосуд. на некотором участке которого необходимо определить скорость движения крови vкр (рис.2). От источника ультразвука на сосуд направляется пучок ультразвуковых волн с частотой ист . На некотором движущемся со скоростью vкр объеме крови происходит отражение ультразвуковых волн в различных направлениях, в том числе , и в направлении на приёмник ультразвука. Таким образом, этот объем крови становится движущимся источником ультразвука. Это значит, что в соответствии с эффектом Доплера, частота волн, регистрируемых приемником пр , будет отличаться от частоты исходного ультразвука. Разница частот зависит от скорости крови:
пр - ист = = f (vкр ) .
После соответствующей калибровки, по измеренному частотному сдвигу можно определить линейную скорость движения крови.
Отметим достоинства этого метода. Прежде всего, он является неинвазивным - измерения проводятся без нарушения целостности сосуда. Если площадь поперечного сечения считать известной, то рассмотренным методом можно определить и объемную скорость кровотока.
Существенно, что при измерениях нет необходимости определять интенсивность отраженного кровью ультразвука, которая зависти от многих факторов, в том числе, и совершенно случайных. Необходимо измерить лишь разницу частот , что современная измерительная техника позволяет выполнить с высокой точностью.
Ультразвук и его медицинское применение
Механические волны, частоты которых заключены в диапазоне от 20 кГц до 109 - 1010 Гц, называют ультразвуком.
Получение ультразвука
Наиболее распространенным способом получения ультразвука является использование обратного пьезоэффекта. Для его понимания напомним, что прямой пьезоэффект состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых анизотропных кристаллических тел под действием механического сжатия или растяжения. Представим пластинку из анизотропного вещества (например, кристаллического кварца), вырезанную определенным образом по отношению к направлению кристаллических осей (рис.3). Оказывается, что при сдавливании пластинки под давлением Р на ее поверхности возникают электрические заряды. При изменении направления усилия (пластинку не сжимают, а наоборот - растягивают), знаки зарядов изменяются на противоположные.
Отметим, что прямой пьезоэффект широко используется в медицинской аппаратуре. На его основе создаются измерительные преобразователи (датчики), позволяющие по регистрируемым электрическим сигналам измерять давление, вибрации, звуковые явления и др. Этот эффект используется и в приемниках ультразвука.
Пьезоэффект обратим. Если на упомянутую пластинку воздействовать переменным электрическим полем, создаваемым некоторым генератором (рис.4), то возникают механические деформации пластинки - она сжимается и растягивается с частотой действующего электрического поля - возникает обратный пьезоэффект (электрострикция). Частоту электромагнитных колебаний легко изменять, варьируя индуктивность и емкость колебательного контура генератора. Используя частоты электромагнитных колебаний в пределах от 20 кГц до 109 Гц можно с помощью обратного пьезоэффекта получать механические колебания ультразвукового диапазона.
Для получения ультразвука может быть использован так же эффект, называемый магнитострикцией - возникновение механической деформации тел под действием магнитного поля.
Физические принципы ультразвуковой диагностики
Получение видимых изображений внутренних органов с помощью ультразвука основано на регистрации ультразвуковых волн, отраженных на границах раздела морфологических структур и последующей обработке полученных электрических сигналов. Методы технической реализации этого принципа достаточно разнообразны. Рассмотрим лишь принципиальную основу наиболее распространенных из них.
1) Эхолокация или А-метод (от английского Amplitude). Это одномерный метод исследования, т.е. он позволяет определять расстояние до отражающих ультразвук объектов лишь в одном заданном направлении. Проиллюстрируем его сущность рис.10.
На поверхности исследуемого объекта (поверхность тела человека) устанавливается ультразвуковой преобразователь, который служит как источником так и приемником ультразвука. Источник излучает короткий ультразвуковой импульс, который распространяется в теле человека со скоростью v. На границах раздела различных морфологических структур происходит отражение ультразвука. Приемник воспринимает отраженные ультразвуковые волны и за счет прямого пьезоэффекта преобразует их в электрические сигналы, которые затем усиливаются с помощью усилителя и регистрируются на экране монитора.
Эхолокацией, например, определяются продольные размеры глазного яблока и структур глаза (эхоокулометрия), измеряется разница расстояний от поверхности головы до ее внутричерепных структур и выявляются объемные поражения мозга (опухоли, гематомы, инородные тела) (эхоэнцефалография).
2) Ультразвуковая томография (или В-метод, от английского Вright -яркость). Этот метод позволяет получать изображение органов в различных сечениях. Не вдаваясь в технические детали его реализации, рассмотрим лишь его основную идею.
Представим, что ультразвуковой преобразователь состоит из ряда расположенных в линию излучателей - приемников ультразвука, срабатывающих поочередно с высокой частотой (см. рис.5). В результате ультразвуковой луч перемещается (сканирует) вдоль линии в определенном сечении исследуемого объекта от точки М к точке N. Расстояние между этими точками определяет размеры получаемого изображения при одном фиксированном положении преобразователя. Для получения изображения другого участка органа преобразователь передвигается вручную. Отраженные от границ раздела морфологических структур ультразвуковые лучи (на рис. 5 это крайние лучи 1 и 2) преобразуется в электрические сигналы, поступающие на усилитель яркости электронного луча монитора. В результате на экране монитора наблюдается изображение границ органа в данном сечении.
В современных ультразвуковых диагностических устройствах упомянутые методы могут быть технически реализованы в едином приборном комплексе.
Ультразвуковая диагностика получила широкое распространение в медицине из-за высокой разрешающей способности при визуализации исследуемых объектов, возможности проведения многократных исследований, безопасности и отсутствия каких-либо противопоказаний.
Взаимодействие ультразвука с биологическим тканями. Терапевтическое и хирургическое применение ультразвука
Представляя собой механическую волну, ультразвук при распространении в биологических тканях порождает локальные перепады давлений в зоне воздействия. Механические эффекты проявляются в виде своеобразного микромассажа, микровибраций на клеточном уровне. Это может приводить к разрушению биомакромолекул и повреждению клеточных мембран. При этом возникает и нагрев тканей - проявляются тепловые эффекты. Резкие перепады давлений могут приводить к возникновению в среде кратковременно существующих разрывов (кавитаций).
Происходящие при действии ультразвука “микромассаж”, локальный нагрев тканей на доли и единицы градуса и другие первичные эффекты приводят к изменению проницаемости клеточных мембран, повышают интенсивность обмена веществ, стимулируют процессы тканевого дыхания, способствуют улучшению снабжения тканей кровью и лимфой.
В физиотерапии широко применяется метод фонофореза лекарственных веществ, где используется сочетанное воздействие на живую биологическую ткань двух факторов: физического (ультразвук) и химического (лекарственные препараты). Лекарственное вещество вносится между поверхностью тела и головкой излучателя. Под действием ультразвука оно проникает в эпидермис, откуда диффундирует в кровь и лимфу и разносится по всему организму.
Возможность фокусировки ультразвуковых волн на весьма малую поверхность (из-за малой длины волны) и получения высокой энергии (энергия пропорциональна квадрату частоты) позволяет использовать ультразвук в хирургии для рассечения и соединения биологических тканей. При ультразвуковой хирургии уменьшаются кровопотери и болевые ощущения, уменьшается усилие резания. Возможно применение ультразвука для разрушения тромбов в кровеносных сосудах и очищении сосудистых стенок от атероматозных масс.
Ультразвуковые методы применяются для стимулирования процесса сращивания костей (ультразвуковой остеосинтез). При этом промежуток между костными обломками заполняют жидкой пластмассой смешанной с костной щебенкой. Под действием ультразвука происходит быстрая диффузия мономера в сращиваемые костные участки и его полимеризация, обеспечивающая соединение костей.
После ультразвуковой сварки мягких тканей сварочный шов не препятствует процессам регенерации и рубцевания. Поэтому ультразвуковую сварку применяют при пластике кожи, мышц, повреждениях печени, почек, легких и других органов, а также при операциях на них.
Приведенные примеры иллюстрируют лишь некоторые медицинские применения ультразвука. В последнее время области и методики его использования быстро расширяются и совершенствуются.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
О неприменимости в рамках специальной теории относительности релятивистского члена и формулы сокращения Фиджеральда. Формула эффекта Доплера для акустических явлений, пояснения о физической длине. Рассмотрение опыта Майкельсона с учетом эффекта Доплера.
статья [2,1 M], добавлен 02.10.2010Малые колебания, тип движения механических систем вблизи своего положения устойчивого равновесия. Теория свободных колебаний систем с несколькими степенями свободы. Затухающие и вынужденные колебания при наличии трения. Примеры колебательных процессов.
курсовая работа [814,3 K], добавлен 25.06.2009Распространение волн в упругой среде. Уравнение плоской и сферической волны. Принцип суперпозиции, разложение Фурье и эффект Доплера. Наложение встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Зависимость длины волны от относительной скорости движения.
презентация [2,5 M], добавлен 14.03.2016Анализ взаимодействия электромагнитных волн с биологическими тканями. Разработка вычислительного алгоритма и программного обеспечения для анализа рассеяния монохроматических электромагнитных волн неоднородными контрастными объектами цилиндрической формы.
дипломная работа [3,3 M], добавлен 08.05.2012Физические основы действия ультразвуковых волн на вещество. Низкочастотный и высокочастотный ультразвук. Хирургическое применение ультразвука. Эффект Доплера, применение для неинвазивного измерения скорости кровотока. Вибрации, физические характеристики.
контрольная работа [57,9 K], добавлен 25.02.2011Колебания - один из самых распространенных процессов в природе и технике. Процесс распространения колебаний среди множества взаимосвязанных колебательных систем называют волновым движением. Свойства свободных колебаний. Понятие волнового движения.
презентация [5,0 M], добавлен 13.05.2010Исследование понятия колебательных процессов. Классификация колебаний по физической природе и по характеру взаимодействия с окружающей средой. Определение амплитуды и начальной фазы результирующего колебания. Сложение одинаково направленных колебаний.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 24.03.2013Преобразование исходной системы уравнений к расчётной форме. Зависимость длины волны от скорости распространения. Механизмы возникновения волн на свободной поверхности жидкости. Зависимость между групповой скоростью волн и скоростью их распространения.
курсовая работа [451,6 K], добавлен 23.01.2009Физические основы ультразвука — упругих колебаний, частота которых превышает 20 КГц , распространяющихся в форме продольных волн в различных средах. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта. Медицинские области применения ультразвуковых исследований.
контрольная работа [88,0 K], добавлен 06.01.2015Типы волн и их отличительные особенности. Понятие и исследование параметров упругих волн: уравнения плоской и сферической волн, эффект Доплера. Сущность и характеристика стоячих волн. Явление и условия наложения волн. Описание звуковых и стоячих волн.
презентация [362,6 K], добавлен 24.09.2013Анализ явлений аберрации света, эффекта Доплера и явления "деформации" наблюдаемых отрезков. Некорректное определение действительной скорости относительного движения инерциальных систем отсчета Эйнштейном. Анализ ошибок его "мысленных экспериментов".
статья [157,4 K], добавлен 18.11.2009Электрическое поле Земли. Атмосферики, радиоизлучения Солнца и галактик. Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами. Главные преимущества и недостатки лазеротерапии. Глубина проникновения волн в различные ткани.
курсовая работа [179,2 K], добавлен 16.05.2016Основные формы уравнений Максвелла, дифференциальная форма уравнений. Свойства уравнений Максвелла. Общие представления о колебательных и волновых процессах. Гармонические колебания, их характеристики и использование. Теоремы векторного анализа.
презентация [114,1 K], добавлен 24.09.2013Колебательные контуры составляют часть аппаратуры связи. Переходные и свободные колебания в параллельном контуре. Режимы переходных колебаний. Переходные колебания в параллельном контуре при гармоническом воздействии. Теория линейных электрических цепей.
лекция [131,9 K], добавлен 27.04.2009Использование законов кинематики поступательного и вращательного движения для определения скорости пули. Схема установки для определения скорости пули кинематическим методом. Формулы для определения частоты вращения дисков. Начало системы отсчета.
лабораторная работа [96,1 K], добавлен 24.10.2013- Распространение плоских, гармонических по времени, упругих акустических волн в периодичном волноводе
Волновые явления в периодических слоистых волноводах. Создание приложения, моделирующего процесс распространения плоских, гармонических по времени, упругих акустических волн в периодическом волноводе. Метод Т-Матриц для периодического волновода.
курсовая работа [910,2 K], добавлен 30.06.2014 Ознакомление с понятием и сущностью ультразвука. Рассмотрение частоты ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии. Изучение особенностей преобразования акустической энергии в тепловую. Применение ультразвука в диагностике и в терапии.
презентация [483,0 K], добавлен 11.02.2016Свободные, гармонические, упругие, крутильные и вынужденные колебания, их основные свойства. Энергия колебательного движения. Определение координаты в любой момент времени. Явления резонанса, примеры резонансных явлений. Механизмы колебаний маятника.
реферат [706,7 K], добавлен 20.01.2012Гармонические колебания и их характеристики. Скорость и ускорение колеблющейся материальной точки, ее кинетическая и потенциальная энергии. Понятие колебательных систем. Примеры гармонических осцилляторов (математический, физический и пружинный маятники).
презентация [185,7 K], добавлен 24.09.2013Общие понятия параметрического колебания и характеристика возбуждения по периодическому кусочно-постоянному закону и методу синуса. Идентифицируемость механических колебательных систем, основанная на модели равномерного движения материальной точки.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 11.09.2011
