Министерство здравоохранения Республики Казахстан Государственный медицинский университет города Семей СРС Тема: Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Дисциплина: медицинская биофизика. Кафедра: нормальной физиологий и медицинской биофизики. Выполнил: Нургазинов Ж. 105 стом. Проверила: Кусаинова К. Т. Г. Семей 2014 г.
ПЛАН: 1. Введение 2. Ультразвук 3. Механические излучатели 4. Электроакустические преобразователи 5. Приемники ультразвука 6. Применение ультразвука 7. Ультразвук в медицине 8. Использованная литература
Введение. Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники. В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука.
Ультразвук — упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц. Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел. Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков КГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).
1. Аэродинамические преобразователи обеспечивают преобразование энергии потока газа в ультразвуковые колебания газовой среды. По характеру преобразования энергии потока газа аэродинамические преобразователи делятся на: а) статические сирены или газоструйные излучатели; б) динамические сирены А Б
2. Гидродинамические излучатели обеспечивают преобразование энергии струи жидкости в энергию ультразвуковых колебаний. Их действие основано на генерировании ультразвуковых колебаний в жидкой среде, при взаимодействии вытекающей из сопла струи с препятствием определённой формы и размеров, либо принудительном периодическом прерывании струи. Действие газоструйных излучателей основано на вихреобразовании, резонансе, автоколебаниях и других физических эффектах. В зависимости от характера преобразования энергии гидродинамические излучатели делятся на: а) пластинчатые излучатели б) роторные А Б
3. Электромеханические преобразователи – низкочастотные вибраторы, обеспечивающие воздействие с большой амплитудой на объекты большой массы. Электромеханические преобразователи делятся на: 1) электромагнитные, с подвижным железным якорем, основанные на преобразовании энергии электрического тока в магнитном поле (Рисунок А); 2) электродинамические излучатели – основанные на преобразовании энергии электрического тока в магнитном поле; 3) механические вибраторы – основаны на преобразование механической энергии одного вида (энергии вращения кривошипно-шатунных механизмов) в продольные колебания. А
4. Импульсные источники. Действие таких источников основано на преобразовании различных видов энергии для создания коротких широкополосных сигналов. Различаются: 1) взрывные – обеспечивающие преобразование энергии взрыва в звуковые колебания; 2) ударные – преобразующие энергию механического удара; 3) тепловые – основанные на тепловом ударе; 4) электроразрядные – преобразующие энергию электрического разряда в жидкости; 5) импульсные электродинамические.
5. Пьезоэлектрические преобразователи (рисунок Б ) - обеспечивают преобразование энергии электрического поля в механические колебания УЗ частоты. 1 — излучающая накладка; 2 —пьезокерамические пластины; 3 — отражающая накладка; 4 —электроды; 5 —крепежный болт. Рисунок Б. – Конструкции составных пакетных пьезокерамических преобразователей
Электроакустические преобразователи Устройства, преобразующие электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний среды) и обратно. В зависимости от направления преобразования различают Э. п. : излучатели и приёмники. Э. п. широко используют для излучения и приёма звука в технике связи и звуковоспроизведения, для измерения и приёма упругих колебаний в ультразвуковой технике, гидролокации и в акустоэлектронике. Наиболее распространённые Э. п. линейны, т. е. удовлетворяют требованию неискажённой передачи сигнала, и обратимы, т. е. могут работать и как излучатель, и как приёмник, и подчиняются принципу взаимности. В большинстве Э. п. имеет место двойное преобразование энергии : электромеханическое, в результате которого часть подводимой к преобразователю электрической энергии переходит в энергию колебаний некоторой механической системы, и механоакустическое, при котором за счёт колебаний механической системы в среде создаётся звуковое поле.
В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов.
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ) Ультразвуковое исследование Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза. Терапевтическое применение ультразвука в медицине Помимо широкого использования в диагностических целях , ультразвук применяется в медицине как лечебное средство. Ультразвук обладает действием: - противовоспалительным, рассасывающим - анальгезирующим, спазмолитическим - кавитационным усилением проницаемости кожи Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно — ионов минералов бишофита. Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:
Применение ультразвука в косметологии Многофункциональные косметологические аппараты, генерирующие ультразвуковые колебания с частотой 1 МГц, применяются для регенерации клеток кожи и стимуляции в них метаболизма. С помощью ультразвука производится микромассаж клеток, улучшается микроциркуляция крови и лимфодренаж. В результате повышается тонус кожи, подкожных тканей и мышц. Ультразвуковой массаж способствует выделению биологических активных веществ, ликвидирует спазм в мышцах, в результате чего разглаживаются морщины, подтягиваются ткани лица и тела. С помощью ультразвука осуществляется наиболее глубокое введение косметических средств и препаратов, а также выводятся токсины и очищаются клетки.
Резка металла с помощью ультразвука На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.
Применение ультразвука в биологии Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.
Ультразвук в медицине Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения. В организме ультразвук частотой 800— 1000 к. Гц распространяется на глубину 8— 10 см, а при частоте 2500– 3000 Гц – на 1, 0– 3, 0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.
На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора: 1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей; 2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек; 3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.
Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1, 2 Вт/см 2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие. В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3. Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы. Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.
Использованная литература 1) Под. Ред. Антонова В. Ф. Физика и биофизика, ГЭОТАР-Медиа, 2009 2) А. Н. Ремизов. , А. Г. Максина, А. Я. Потепенко, Медицинская и биологическая физика. Москва. «Дрофа» . 2005. стр. 9 - 16. 3) http: //www. e-reading. ws/chapter. php/100268/18/Podkolzina__Medicinskaya_fizika. html
Скачать презентацию Министерство здравоохранения Республики Казахстан Государственный медицинский университет города
ультразвук мед биофизика .ppt