основи біомеханіки та біоакустики

 

опорно – рухова та дихальна системи людини

Біомеханікою називається комплекс біофізики, у якому розглядаються механічні властивості живих тканин і органів, також механічні явища, які відбуваються як з цілим організмом, так і з його окремими органами.

Важелем називається тверде тіло (як правило стержень), що має нерухому вісь обертання, до якої прикладені сили, які створюють моменти відносно цієї осі. Розглядають три види важелів від залежності їхнього взаєморозташування діючої сили.

 

1. Сили F i Rприкладені з двох боків від точки опори

2. Сила F прикладена до кінця важеля, сила R ближче до точки опори (рис. 2, а).

3. Сила F прикладена ближче до точки опори, ніж сила R. Приклад – кості передпліччя. Точка опори знаходиться в ліктьовому суглобі. Діюча сила Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image001.gif- сила м’язів, що згинають передпліччя, величина навантаження.

Математично можна представити у вигляді:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image002.gif

(1)

 

де Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image003.gif – сила, яку розвиває м’яз, r – відстань між точкою кріплення м’яза до кістки передпліччя та ліктьовим суглобом, Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image004.gif – вага вантажа, Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image005.gif – відстань від вантажа до ліктьового суглоба.

Важливими характеристиками роботи м’яза являються сила і швидкість скорочення. А.Хіллом було показано, що між швидкістю скорочення м’яза та м’язевою силою Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image006.gif існує гіперболічна залежність:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image007.gif

(2)

 

тут, Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image008.gif - максимальна швидкість скорочення м’яза (Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image009.gif при Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image010.gif); Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image011.gif - сила, яку розвиває м’яз в ізометричному режимі скорочення (коли не змінюється довжина м’яза); Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image012.gif і Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image013.gif - константи.

 

При скороченні протягом часу Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image014.gif м’яз виконує роботу:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image015.gif

(3)

Знайшовши з рівняння (2) і підставивши у (3) отримаємо:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image016.gif

(4)

Робота, яку виконує організм при ходьбі, не змінюється, якщо людина рухається зі швидкістю близько до 90 м/хв, а при підвищенні швидкості вона зростає і вже при швидкості 130 м/хв виявляється більшою, ніж при бігу з швидкістю 150 м/хв. Таким чином, сповільнений біг енергетично вигідніший за швидку ходьбу.

 

Пружні властивості тіл. Деформація біологічних тканин

При деформації відбувається відносне зміщення елементів тіла (його молекул).

Деформація

Зміна форми

Зміна об’єму

Розтяг

Відбувається

Відбувається

Всестороннє стискування

Не відбувається

Відбувається

Зсув

Відбувається

Не відбувається

Кручення

Відбувається

Не відбувається

 

Якщо l – початкова довжина деформуючого тіла,  S – площа поперечного перерізу, Dl – зміна довжини під дією зовнішньої сили F,

e=Dl/l – відносне видовження, Е – модуль пружності (модуль Юнга),то згідно з законом Гука:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image017.gif, де Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image018.gif                    (5)

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image019.gifЯкщо d – поперечний розмір тіла (діаметр, товщина), а Dd – зміна його поперечного розміру, m  –  коефіцієнт Пуассона, то

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image020.gif                              (6)

Деформація зсуву характеризується кутом зсуву g. Якщо  F –  сила, паралельна площі поверхні S,  t  – дотична напруга, G – модуль зсуву, то

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image021.gif                               (7)

Модуль зсуву G, модуль пружності E і коефіцієнт Пуассона m пов’язані співвідношенням

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image022.gif                              (8)

 

Модель деформації

Як реалізується

Закони деформації

Модель пружного тіла

пружина

            s=Ee

Модель в’язкого тіла

поршень з отворами

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image023.gifОписание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image024.gif

(h – коефіцієнт в’язкості)

Модель Максвела

послідовне з’єднання в’язкого і пружного елементів

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image025.gifОписание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image026.gif

Модель Кельвіна-Фойхта

паралельне з’єднання в’язкого і пружного елементів

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image027.gifОписание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image028.gif

 

Біофізика зовнішнього дихання

Життєдіяльність людини пов’язана із споживання її організмом кисню і виділенням у довкілля вуглекислого газу. Під зовнішнім диханням розуміється обмін газом між альвеолами легенів і навколишнім середовищем.

      Під час дихання використовується пружні властивості повітря.

 

За сигналом нервової системи про те, що організмові не вистачає кисню, людина при вдиханні за допомогою м’язів грудної клітки піднімає ребра, а іншими м’язами опускає діафрагму. Внаслідок цього збільшується об’єм, який можуть займати легені (і залишки повітря, що є в них). Проте таке збільшення об’єму зумовлює істотне зменшення тиску повітря в легенях. Виникає різниця тисків зовнішнього повітря і повітря в легенях, Через це зовнішнє повітря починає самостійно входити в легені завдяки своїй пружності . Людина лише надає йому змогу ввійти, змінюючи об’єм легенів.

З іншого боку , легенева тканина дуже ніжна, і вона не витримала б багаторазових розтягів і досить значних натискань грудних м’язів. Тому вона й не кріпиться до них .

Окрім цього, розширення легенів розтягуванням їхньої поверхні ( за допомогою грудних м’язів) спричинило б нерівномірне , неоднакове їх розширення у різних частинах. Тому легені покриті особливою плівкою – плеврою . Плевра однією частиною прикріплена до легені, іншою – до м’язової тканини грудної клітки. Вона утворює своєрідний мішок, стінки якого не пропускають повітря.

       Усередині плевральної порожнини наявна дуже невелика кількість газу. Тиск цього газу стає рівним тиску повітря в легенях тоді, коли стінки плеври перебувають дуже близько одна від одної. Внаслідок вдихання об’єм порожнини різко збільшується , а тиск різко спадає. Легеня завдяки наявним у ній залишкам повітря починає сама розширюватись рівномірно в усіх частинах подібно до гумової кульки під ковпаком повітряної помпи. Отже, пружні властивості повітря забезпечують ідеальну амортизацію для легеневої тканини і найсприятливіші умови для її розтягу і стиску.

        Легені і грудна клітка еластичні , тому для збільшення їхнього об’єму необхідна м’язова енергія. Зміна об’єму грудної клітки внаслідок вдихання залежить від величини м’язового зусилля. Дія м’язів , зумовлена їх скороченням, спрямована на подолання сил опору. До них належать :

·                   Сила, потрібна для подолання опору еластичних тканин грудної клітки і легенів;

·                   Сила, необхідна для подолання тертя в нееластичних тканинах, що виникає внаслідок зміщення ребер під час вдихання вона, а також діафрагми , органів черевної порожнини. Ця сила залежить від швидкості дихання; на початку і наприкінці вдихання вона дорівнює нулеві;

·                   Сила, потрібна для подолання тертя повітряного струменя під час вдихання і тертя, що виникає між стінками повітряних шляхів. Ця сила зумовлена різницею атмосферного і альвеолярного тисків. Тиск, необхідний для подолання цієї сили , залежить від швидкості потоку і опору.

 

Бронхи мають дуже великі розгалуження , що зумовлює виникнення «завихрень» у місцях розгалужень. Тому повітряний потік за своїми властивостями наближається до турбулентного. Внаслідок цього сили, спрямовані на подолання тертя, пропорційні квадратові швидкості. За умов ламінарного руху повітря ці сили пропорційні швидкості в першому степені.

 

           Робота дихальних м’язів витрачається на зміну об’єму грудної клітки , легень і переміщення повітря. Механічна робота дихання дорівнює добуткові тиску на об’єм повітря , що надходить у легені і видаляється з них.

        Тиск, який виникає через еластичність грудної клітки і легенів, можна розрахувати так:

Рел = kV                                                             (9)

де, Рел – тиск, що виникає в легенях, коли їхній об’єм відрізняється від середнього; k – множник, який характеризується еластичністю системи; V-  різниця між об’ємом у даний момент і середнім об’ємом .

Тиск в альвеолах визначається рівнянням

Рел = k1V1 + k2V1                                                     (10)

де  Рел – різниця  тисків повітря в ротовій порожнині й альвеолах ; k1 – коефіцієнт в’язкості повітря; V1 – зміна об’єму грудної клітки за одиницю часу; k2- коефіцієнт турбулентного опору .

          Механічна робота дихання в стані спокою приблизно дорівнює 0.5 за хвилину. Із збільшенням хвилинного об’єму дихання збільшується робота . за оптимальної частоти і глибини дихання мінімальна робота забезпечує нормальну вентиляцію легенів. Для того, щоб утворилися оксигемоглобін, кисень має пройти через альвеолярну мембрану, міжклітинну рідину, ендотелій капіляра, плазму і мембрани еритроцитів. Цей перехід здійснюється завдяки дифузії.

Дифузійна здатність легенів залежить від поверхні дифузії, тобто від кількості відкритих функціонуючих капілярів , які контактують з альвеолами. У людини площа  поверхні , через яку здійснюється газообмін , становить приблизно 90 м2 тобто перевищує площу тіла (2м2) більш ніж у 40 разів.

           Між швидкістю молекул і тиском газу існує така залежність:

υ= Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image029.gif                                                             (11)

де  υ – середня квадратична швидкість ; P – тиск газу ; ρ– густина газу.

       Кількість газу поглинутого мембраною , пропорційна  тискові дифундую чого газу.

      За законом  Фіка , швидкість дифузії через мембрану дорівнює :

dQ/dt= Dα(c1 – c2)s/x                                             (12)

Де dQ/ dt – швидкість дифузії;D – коефіцієнт дифузії ; α – коефіцієнт поглинання  газу; (c1 – c2) – різниця концентрацій речовин з обох боків мембрани ; S – площа мембрани; х – товщина мембрани.

       Дифузія через альвеолярну мембрану відбувається вдвічі швидше , ніж у воді , тому що до складу мембрани входять ліпіди.

         Дифузійна здатність вуглекислого газу приблизно у 20 разів більша, ніж кисню. Це пояснюється тим , що розчинність вуглекислого газу в сольовому розчині, який входить до складу альвеолярної мембрани, істотно вища, ніж розчинність газу в мембрані покращує дифузію.

У нормі дифузійна здатність у спокої становить приблизно 15 мл О2/хв, а за фізичних навантажень може сягати 68 млО2/хв . З віком дифузійна здатність зменшується. Деякі захворювання зумовлюють потовщення альвеолярної мембрани, що призводить до збільшення відстані дифузійної здатності.

 

Звукові методи дослідження в клініці

Звук являє собою механічні коливання частотою від 16Гц до 20кГц, які розповсюджуються в пружному середовищі. Джерелом звуку може бути тіло, що коливається у вказаному діапазоні звукових частот(камертон, струна). Звуки поділяються на тони, шуми і звукові удари. Розрізняють прості і складні тони. Простий тон – це звукове коливання, яке відбувається  по гармонічному закону. Якщо тон представляє собою не гармонічне коливання, то він називається складним. Простий тон дає камертон, складний – музичний інструмент, голосовий апарат людини. Складний тон, згідно теореми Фур’є, може бути розкладений на прості, при цьому тон найменшої частоти називається основним, а інші – обертонами. Основними фізичними(об’єктивними) характеристиками звуку є такі:

 Інтенсивність звуку - це величина енергії, яку в середньому переносить звукова хвиля за одиницю часу через одиницю площі поверхні перпендикулярної до напрямку поширення хвилі:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image030.gif        (1)

де r– густина середовища, Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image031.gif- швидкість поширення хвилі, w - циклічна  частота, А – амплітуда хвилі. Як видно із формули (1), енергія та інтенсивність хвилі прямо пропорційні квадрату її амплітуди.

Звуковий тиск - це ефективне значення надлишкового над атмосферним тиском, яке утворюється у місцях згущення часток повітря у звуковій хвилі . Інтенсивність звуку I рівна квадрату амплітуди звукового тиску діленого на Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image032.gif, і визначається за формулою:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image033.gif                          (2)

де Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image034.gif - акустичний  опір (імпеданс ) , Р - звуковий тиск.

         Акустичний гармонічний спектр - це результат розкладання складного коливання ( тону )на прості тони (гармоніки ) ,які його складають , з вказанням їх частоти і амплітуди (інтенсивності ) .

З фізичними (об’єктивними) характеристиками звуку тісно зв’язані фізіологічні (суб’єктивні) характеристики звуку .

При клінічних дослідженнях вимірюють поріг слухового відчуття I0, під яким розуміють інтенсивність звуку даної частоти , яка ще сприймається вухом ( або мінімальний звуковий тиск) . Нормальне людське вухо сприймає досить широкий діапазон інтенсивностей звуку: так на частоті 1000 Гц від Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image035.gif( поріг слухового відчуття ) до I= 10 Вт/м2 (поріг больового відчуття ). Відношення цих інтенсивностей рівне 1013, тому для зручності вводять шкалу рівня інтенсивності. Шкала рівня інтенсивностей звуку створюється таким чином : значення I0 приймається за початковий рівень шкали , будь-яку іншу інтенсивність виражають через десятковий логарифм її відношення до I0:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image036.gif                (3)

За одиницю рівня інтенсивності прийнято 1Бел (Б) , яка відповідає зміні інтенсивності в 10 разів ,а також 1дециБел (дБ) =0,1 Б

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image037.gif            (4)

Для фізіологічної оцінки гучності звуку вводять шкалу рівня гучності LE. При постійній частоті рівень гучності зв’язаний  з рівнем інтенсивності законом Вебера -Фехнера, згідно з яким рівень гучності на даній частоті пропорційний рівню інтенсивності:

Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image038.gif           (5)

тобто, якщо інтенсивність звуку змінюватиметься у геометричній прогресії (тобто в однакове число раз), то рівень гучності змінюватиметься в арифметичній прогресії(тобто, на однакову величину);  k- коефіцієнт пропорційності , який залежить від частоти та інтенсивності . Відносно звуку це означає, що якщо інтенсивність звуку приймає ряд послідовних значень, наприклад aI, a2I, a3I(а – деякий коефіцієнт, а>1), то відносне їм відчуття гучності звуку буде Е0, 2Е0, 3Е0 і т.д. Якщо б коефіцієнт k був сталим , то шкала інтенсивностей відповідала б шкалі гучності .

Вважають ,що на частоті 1000 Гц шкали рівня гучності і рівня інтенсивності звуку співпадають . тобто (k=1) на цій частоті децибел шкали рівня інтенсивності буде відповідати децибелу шкали рівня гучності. Для відмінності шкали інтенсивності від шкали гучності децибел називають фоном.

 

Звук є джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Робота серця, легенів та інших органів супроводжується звуковими явищами. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціонуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкодження органа при тій чи іншій патології.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, які виникають під час функціонування внутрішніх органів, називається аускультацією. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп. Його дія ґрунтується на резонансному підсиленні звуку. Резонансні порожнини  дають характерні (з малим затуханням) звукові коливання і по-різному проводять звуки, що використовується в іншому методі звукового дослідження – перкусії.

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резонують порожнини всередині організму, по-різному реагують на стук молоточка або пальця м'які, пружні, тверді та порожнисті органи. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добре резонують порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіографії (ФКГ) заснований на реєстрації та аналізі звуків, що виникають при скороченні і розслабленні серця. Фонокардіографія об’єктивно відображає та уточнює результати амплітудного і частотного аналізу звуків, вимірювання їхньої тривалості й інтервалів між ними.

Для фонокардіографії використовують спеціальні прилади – фонокардіографи або фонокардіографічні приставки, основними елементами конструкції яких є мікрофон, що перетворює звукові коливання в електричні; частотні фільтри, з’єднані з підсилювачами сигналів, що надходять від мікрофона; пристрій, що реєструє та забезпечує запис коливань до 1000 Гц при швидкості реєстрації 50 і 100 мм/с.

 Використання різних типів мікрофонів (лінійного, стетоскопічного, логарифмічного) і смугових фільтрів дозволяє для виділення діагностично значимих звукових феноменів реєструвати звукові коливання як у практично повному та аускультуючому, так і в спеціально обраному діапазоні частот.

 

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії. З цією метою визначають поріг чутності для різних тонів на спеціальному приладі – аудіометрі. Отримана крива називається аудіограмою. Порівняння аудіограми хворої  і здорової людини дозволяє діагностувати захворювання органів слуху.

 

Вивчення роботи ультразвукових апаратів

Фізичні основи ультразвукової діагностики

Ультразвук - це досить широка область механічних коливань, що лежать за межею порогу чутливості людського вуха (вище 16 кГц).

Графічно він зображується в вигляді синусоїди, додатні півхвилі якої відповідають згущенню в середовищі, а від'ємні - розрідженню.

Ультразвук отримують за допомогою зворотного п'єзоелектричного ефекту ПЕЕ (РЕ), фізична суть якого полягає у тому, що при прикладенні до торцевої поверхні пластини з кварцу чи титанату барію (тибару) змінної електричної напруги пластина буде періодично змінювати свою товщину (стиск - розтяг). В свою чергу це призведе до того, що в прилягаючих до пластини шарах зовнішнього середовища виникає то розрідження, то згущення частинок середовища, тобто виникають механічні коливання ультразвукової частоти. Ультразвукові хвилі здатні відбиватися від границь різнорідних середовищ, мають властивості фокусування, дифракції і інтерференції. Якщо акустичний опір середовищ відрізняється різко, то відбивання ультразвуку сильно зростає. Так відбувається на границі біологічних тканин з повітрям. До того ж повітря сильно поглинає ультразвук. Звідси витікає основна і найважливіша вимога до методики ультразвукової діагностики - забезпечення безповітряного контакту ультразвукового випромінювача з ділянкою тіла. Для цього використовують так звані контактні середовища: вазелін, гліцерин, ланолін, дегазовану воду. Відбивання ультразвукових хвиль залежить і від кута їх падіння на зону дії. Чим більше цей кут відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Тому при проведенні процедури ультразвуковий випромінювач повинен дотикатися до шкіри всією своєю поверхнею, оскільки тільки в цьому випадку можлива ефективна передача енергії тканинам. Ультразвук поглинається тканинами нерівномірно: чим більший акустичний опір тканин, тим більше поглинання. Поглинання ультразвуку зумовлено внутрішнім гальмуванням, тертям, і співударами частинок середовища,що коливаються.

Генератором ультразвукових хвиль є передавач, який одночасно відіграє роль приймача відбитих сигналів. Генератор працює у імпульсному режимі, випромінюючи близько 1000 імпульсів за секунду. У проміжках між генеруванням ультразвукових хвиль, п’єзодатчик фіксує відбиті сигнали.

У системах медичної ультразвукової діагностики зазвичай використовують частоту від2 до 10 МГц.

Ультразвукові хвилі відбиваються від межі різнорідних середовищ. Із збільшенням акустичного опору середовища коефіцієнт відбиття хвиль зростатиме. Так відбувається на межі біологічних тканин із повітрям, яке сильно поглинає ультразвукові хвилі. Звідси випливає основна і найважливіша вимога до методики ультразвукової діагностики: забезпечення безповітряного контакту ультразвукового випромінювача з ділянкою тіла. Для цього використовують відповідні контактні середовища: вазелін, гліцерин, ланолін, дегазовану воду. Відбиття ультразвукових хвиль залежить і від кута їхнього падіння на зону дії. Чим більше кут падіння сигналів відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Ультразвук поглинається біологічними тканинами нерівномірно: із збільшенням акустичного опору тканин зростатиме коефіцієнт його поглинання.

 

Глибина проникнення ультразвуку залежить від його частоти і від особливостей самих тканин. Прийнято вважати, що в умовах цілісного організму ультразвук частотою 800-1000 кГц розповсюджується на глибину 8-10 см, а при частоті 2500-3000 кГц - на 1-Зсм.

Ультразвукова енергія є сумою кінетичної енергії коливальних частинок і потенційної енергії пружної деформації середовища, вимірюється в джоулях (Дж) (СІ). Акустична потужність являє собою енергію, що переноситься за одиницю часу через поверхню, перпендикулярну до напрямку розповсюдження звукової хвилі, вимірюється в ватах (Вт).

В медицині прийнято виділяти три діапазони інтенсивностей:

0,05-0,6 Вт/см2 - низький рівень інтенсивності;

0,6-1,2 Вт/см2 - середній рівень інтенсивності;

вище 1,2 Вт/см2 - надтерапевтичний, високий рівень інтенсивності.

Механізм фізіологічної і лікувальної дії ультразвуку

В механізмі дії ультразвуку виключна роль належить впливу його на біоструктури, перш за все на воду. Чутливі до ультразвуку і білки. Під його впливом виникає конформаційний ефект, що викликається або розривом бічних зв'язків між ділянками поліпептидного ланцюга або зсувом гідратаційних і сольватаційних процесів. Під впливом ультразвуку відбувається конформаційна перебудова мембран, при цьому підвищується проникливість гістогематичних бар'єрів і здійснюється зсув рН в лужну сторону.

Дія ультразвукової хвилі з малою інтенсивністю на рівні Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image039.gif чинить позитивний терапевтичний вплив, в основі якого лежить прискорення фізіологічних процесів у клітинах.

При збільшенні інтенсивності ультразвуку на декілька порядків (до Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image040.gif і вище) внутрішні рухи окремих цитоплазматичних частин клітин підсилюються, виникає ефект кавітації і, як наслідок, необоротні зміни структури і функцій клітин. Цей механізм пояснює бактерицидну дію ультразвуку.

Ультразвуки великої інтенсивності використовуються також з метою руйнування різного роду новоутворень (пухлин тощо). Подібний механізм дії ультразвуку застосовується також в стоматології (зняття зубних каменів, висвердлювання зубних каналів тощо). Процес руйнування біологічних тканин при інтенсивностях вище Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image040.gif використовується в ультразвуковій хірургії та при ультразвуковому остеосинтезі – зварюванні тканин та кісток за рахунок значного підвищення в них швидкості процесів дифузії.

У фармацевтичній промисловості кавітаційні процеси, що виникають під дією ультразвукової хвилі великої інтенсивності, використовуються для диспергування твердих і рідких матеріалів з метою отримання лікарських препаратів: порошків, емульсій тощо.

Механічні та теплові ефекти, що виникають при дії ультразвуку на різні біологічні тканини, лежать в основі методу ультразвукової фізіотерапії.

В сучасній ультразвуковій діагностичній апаратурі використовуються датчики Д (S) трьох типів: механічні секторні, електронні секторні та лінійні, які залежно від технології виготовлення і технічних характеристик забезпечують практично всю гаму УЗ функціональних досліджень. На рис. зображені: конвексний 1-5 МГц; конвексний об’ємний 1-6 МГц; лінійний 3-12 МГц; секторний фазований 1-5 МГц; мікроконвексний 3-10 МГц. датчики.

У конвексних датчиках зона огляду визначається характерними розмірами – довжиною дуги, що відповідає випуклій частині. Крім частоти вказується кутовий розмі сектора сканування у градусах. Приклад маркування: 3,5 МГц /600/60 мм. У лінійних датчиках вказується ширина прямокутної зони огляду. Приклад маркування: 5 МГц /42 мм. Для фазованого секторного датчика вказується кутовий розмір сектора сканування. Приклад маркування: 3,5 МГц /600 мм.

Механічне секторне сканування MCC (MSS) забезпечує перевагу малої площини контакту з тілом пацієнта у поєднанні з широким оглядовим полем у дальній зоні, тому ідеально відповідає тим варіантам застосування апаратури, де є обмежений доступ до досліджуваної частини тіла. Застосовується для формування УЗ-зображень голови новонародженого, серця, кісткового сканування та гінекологічних досліджень.

 

Інфразвук

Інфразвукові коливання і хвилі – це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається в газах, рідинах та твердих тілах і тому може поширюватися майже без втрат на великі відстані. Ця надзвичайно важлива властивість інфразвуку використовується у техніці – у звукометричних приладах (мікрофони, гідрофони тощо) для реєстрації різноманітних процесів, що відбуваються з інфразвуковими частотами. До таких процесів належать землетруси, вибухи, виробничі шуми і вібрації, грозові розряди, турбулентні явища в атмосфері, хвилі цунамі тощо.

Інфразвук негативно впливає на функціональний стан ряду систем організму. Вважається, що первинний механізм дії інфразвуку на організм має резонансну природу. Частоти власних коливань тіла людини відповідають частоті інфразвуків, тому вони викликають головний біль, роздратування, втому, знижують працездатність. Інфразвук з частотою 7 Гц шкідливо діє на серце, а з частотою 9–13 Гц – на Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image041.gif-ритми головного мозку. Високоінтенсивні виробничі шуми і вібрації, що мають складний неперіодичний характер в різних частотних інтервалах, включаючи інфразвуковий, також є шкідливими для людини. Рівень інтенсивності цих звуків вимірюється за допомогою спеціальних приладів – шумомірів. Гранично дозволений рівень інтенсивності низько­ частотних шумів та вібрацій дорівнює Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image042.gif, їх нормальним рівнем вважають значення Описание: D:\555\01_Основи біомеханіки та біоакустики.files\image043.gif.

 

Датчики для ультразвукової діагностики

Ультразвукові датчики (sensors), які використовуються в ехокардіографії розділяються на три основні групи: транскутанні, внутрішньонорожнннні та інтраоперацінні.

Транскутанні датчики, які призначені для сканування об'єктів в режимі реального часу, бувають двох видів - механічні й електронні. Механічні датчики підрозділяються на ротаційні - випромінювальна пластина змонтована на обертовому валу; хитні - одноелементний датчик, скануючий по сектору під дією механічної чи магнітної сили; стаціонарні - сканування забезпечується рухливим дзеркалом, закріпленим напроти нерухомого датчика. Системи електронного сканування підрозділяються на фазовані секторні, лінійні і комбіновані. Механічні стаціонарні й електронні лінійні системи не знайшли широкого застосування в ехокардіографії.

В даний час вартість електронних секторних датчиків з фазованою граткою вища за вартість механічних датчиків. Електронна схема механічного датчика значно простіша, а основу обертової частини складає мініатюрний мотор. Відмінністю фазованих датчиків є досить складна електронна схема керування, а сама випромінювальна частина являє собою твердотільний блок. Площа, необхідна для контакту механічному датчику, трохи більша, ніж для електронного датчика. Розміри механічного ротаційного датчика більші, ніж розміри хитного датчика і обмежуються розмірами мотора і обертального вала. При досить досконалій технології розміри електронного датчика можуть бути менші за розміри механічного датчика.

Визначальними параметрами при оцінці якості зображень, отриманих на механічних і електронних датчиках є аксіальна і азимутальна пропускні здатності, динамічний діапазон, просторове квантування та ін. Аксіальна пропускна здатність і динамічний діапазон практично не залежать від типу сканування. В механічних сканерах використовуються кільцеві випромінюючі елементи, що дозволяє одержати результуючий профіль ультразвукового променя симетричним відносно осі обертання, при цьому відношення головної пелюстки до бічних визначається функцією Бесселя. Фокусування променя досягається застосуванням лінз з фіксованим фокусом чи ввігнутою поверхнею елемента. Конструкція ротаційного датчика дозволяє використовувати одночасно кілька випромінювачів з різними фокусними відстанями, в результаті чого може бути створена система з зонним фокусуванням. Загальним для всіх механічних систем є сталість пропускної здатності і чутливості для різних кутів сканування. Профіль ультразвукового променя в електронних секторних сканерах є несиметричним, а кутова пропускна здатність контролюється електронними елементами, розміщеними у певній послідовності в матриці. Час для формування нового електронного променя складає кілька мікросекунд, що дозволяє досягти високих значень частоти кадрів сканування і щільності рядків, які обмежуються тільки швидкістю поширення ультразвуку в середовищі. В електронних системах пропускна здатність і чутливість змінюються залежно від кута і при максимальних кутах відхилення досягають найгіршого значення.

Одним з недоліків конструкції механічних датчиків є ревербераційні ефекти, які виникають в узгоджу вальній рідині. В електронних системах джерелами таких перешкод є узгоджувальна лінза і демпфувальннй шар. При відповідному підборі параметрів цих середовищ артефакти можуть бути зведені до мінімуму. Механічні сканери не мають обмежень за частотою ультразвуку, що використовується, у той же час для електронного сканування виготовлення датчиків на частоті більше 5 МГц пов'язано з деякими технологічними труднощами, викликаними гранично малими розмірами окремих елементів матриці.

Перевагою систем електронного сканування є більш широкі можливості для одержання одночасно з двовимірною інформацією даних в Л/-режимі сканування за обраним рядком і донплерівської інформації. Відзначається ряд експлуатаційних обмежень механічних систем, в яких згодом необхідно виконувати дегазацію узгоджу вальної рідини і замінювати деталі двигуна.

Результатом порівняльного аналізу є висновок про деяку перевагу систем механічного сканування порівняно з електронними фазованими матрицями ФМ (FA), передусім за параметрами ціни, технологічності виготовлення, якості зображення.

При оптимізації конструкції ультразвукових перетворювачів найчастіше використовують так звану KLM-модель, яка полягає у виборі характеристик для оптимізації і визначенні їх відносної ваги в оптимізаційному критерії. Стратегія оптимізації базується на евристичному методі, що складається в систематичній зміні конструктивних параметрів датчика з подальшим розрахунком експлуатаційних параметрів, обраних як функціональний критерій. Ці параметри підбираються з урахуванням зручності автоматичної оптимізації на ЕОМ, тобто їхні функції повинні бути неперервні при зміні вхідних параметрів. З урахуванням даної обставини експлуатаційні характеристик і розбиті на дві групи: традиційні, що використовуються при звичайному аналізі, і нетрадиційні, введені спеціально для автоматичного аналізу. У першу групу ввійшли такі: фракційна смуга частот, втрати енергії при подвійному проходженні відстані до об'єкта, тривалість обвідної ехо-сигналу на рівні - 20 дБ, центральна частота, що відповідає максимуму потужності, динамічний діапазон. Основними параметрами в другій групі є: центроїдна частота амплітудного спектру ехо-сигналу, енергетичний коефіцієнт подвійного переходу, визначений на всьому спектрі ехо-сигналу.

Як вхідні параметри оптимізації використовуються: акустичний опір демпфувального матеріалу, товщина PZT кераміки, опір і товщина внутрішнього чвертьхвильового узгоджувального шару.

Коефіцієнти маси при оптимізації повинні підбиратися з урахуванням відповідної області застосування ультразвукового датчика - наприклад неруйнуючий контроль, медична візуалізація, ехографічне дослідження тканин. При використанні ультразвукових датчиків у медичній діагностиці основною задачею є одержання двовимірних напівтонових зображень. Для одержання високоякісних зображень анатомічних структур потрібні висока пропускна здатність, великий динамічний діапазон і висока чутливість. Осьова пропускна здатність визначається тривалістю зондувального акустичного імпульсу, тобто амплітудним і фазовим спектром сигналу. Враховуючи можливі обмеження при визначенні міри лінійності фазового спектра, функціональний критерій, як правило, визначають у тимчасовій області. Центроїдна частота при даному дослідженні підтримувалася в досить обмежених межах (7,0±0,5 МГц).

Для ультразвукової характеризації тканин потрібні відмінні від попереднього випадку умови: широкосмуговий перетворювач, висока чутливість, менш жорсткі вимоги до тривалості імпульсу. З урахуванням цього фазовий спектр і динамічний діапазон менш важливі при виконанні оптимізаційної процедури. Як експлуатаційні характеристики вибираються - мінімальна смуга частот, що охоплює 99,76% площі спектра імпульсу, енергетичний коефіцієнт подвійного переходу, мінімальна тривалість часової обвідної, фракційна смуга частот.

 

Застосування в медицині

Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині

Крім широкого використання в діагностичних цілях, ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб. Ультразвук спричиняє протизапальну, розсмоктуючу, аналгетичну, спазмолітичну дії,та кавітаційне посилення проникності шкіри.

Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканини діють ультразвуком і вводяться з його допомогою лікувальні речовини (як медикаменти, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу і шкірних залоз, клітинних мембран та стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо - іонів мінералів бішофіту.

Комфортність ультрафонофорезу медикаментів та природних речовин:

·        лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується

·        синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини

Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, п'яткова шпора, стани після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.

Наноситься бішофіт-гель і робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофореза (при ОФФ суглобів, хребта інтенсивність в області шийного відділу - 0,2-0,4 Вт/см2., В області грудного і поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт/см2).

 

Ехоенцефалографія. Застосування ультразвуку для діагнозу при серйозних пошкодженнях голови дозволяє хірургові визначити місця крововиливів. При використанні переносного зонда можна встановити положення серединної лінії головного мозку приблизно протягом однієї хвилини. Принцип роботи такого зонда ґрунтується на реєстрації ультразвукового луни від кордону розділу півкуль.

 

Ультразвукові зонди застосовуються також у офтальмології для вимірювання розмірів очей і визначення положення кришталика. Ультразвукове дослідження грає важливу роль і в постановці діагнозу захворювань внутрішніх органів, таких як:

·        черевна порожнина і заочеревний простір

·        печінка

·        жовчний міхур і жовчні протоки

·        підшлункова залоза

·        селезінка

·        нирки

·        органи малого тазу

·        сечоводи

·        сечовий міхур

·        передміхурова залоза

 

Печінка

Ультразвукове дослідження печінки є досить високоінформативним. Лікарем оцінюються розміри печінки, її структура і однорідність, наявність вогнищевих змін а також стан кровотоку. УЗД дозволяє з досить високою чутливістю і специфічністю виявити як дифузні зміни печінки (жировий гепатоз, хронічний гепатит і цироз), так і вогнищеві (рідинні та пухлинні утворення). Обов'язково слід додати що будь-які ультразвукові укладення дослідження як печінки, так і інших органів, необхідно оцінювати тільки разом з клінічними, анамнестичними даними, а також даними додаткових обстежень.

Жовчний міхур і жовчні протоки

Крім самої печінки оцінюється стан жовчного міхура та жовчних проток – досліджуються їх розміри, товщина стінок, прохідність, наявність конкрементів, стан навколишніх тканин. УЗД дозволяє в більшості випадків визначити наявність конкрементів в порожнині жовчного міхура.

Підшлункова залоза

При дослідженні підшлункової залози оцінюються її розміри, форма, контури, однорідність паренхіми, наявність утворень. Якісне УЗД підшлункової залози часто досить важко, так як вона може частково або повністю перекриватися газами перебувають в шлунку, тонкому і товстому кишечнику. Найбільш часто виноситься лікарями ультразвукової діагностики висновок "дифузні зміни в підшлунковій залозі" може відображати як вікові зміни (склеротичні, жирова інфільтрація), так і можливі зміни внаслідок хронічних запальних процесів.

 

Нирки і надрирники. Зачеревний простір

Дослідження заочеревного простору, нирок і надниркових залоз є досить важким для лікаря через особливості їх розташування, складності будови і багатогранності і неоднозначності трактування ультразвукової картини цих органів. При дослідженні нирок оцінюється їх кількість, розташування, розмір, форма, контури, структура паренхіми і чашково-мискової системи. УЗД дозволяє виявити аномалії нирок, наявність конкрементів, рідинних і пухлинних утворень, також зміни внаслідок хронічних і гострих патологічних процесів нирок.

Щитовидна залоза

У дослідженні щитовидної залози ультразвукове дослідження є провідним і дозволяє визначити наявність вузлів, кіст, зміни розміру та структури залози.

 

У силу фізичних особливостей не всі органи можна достовірно досліджувати ультразвуковим методом, наприклад, порожні органи шлунково-кишкового тракту важкодоступні для дослідження через вміст в них газу. Тим не менш, ультразвукова діагностика може застосовуватися для визначення ознак кишкової непрохідності та непрямих ознак спайкового процесу. За допомогою ультразвукового дослідження можна виявити наявність вільної рідини в черевній порожнині, якщо її досить багато, що може грати вирішальну роль в лікувальній тактиці ряду терапевтичних та хірургічних захворювань і травм.

 

Кардіологія, судинна і кардіохірургія

Ехокардіографія (ЕхоКГ) - це ультразвукова діагностика захворювань серця. У цьому дослідженні оцінюються розміри серця і його окремих структур (шлуночки, передсердя, міжшлуночкової перегородки, товщина міокарда шлуночків, передсердь і т. д.), наявність та обсяг рідини в перикарді - "серцевої сорочці", стан клапанів серця. За допомогою спеціальних розрахунків і вимірювань Ехокардіографія дозволяє визначити масу серця, скорочувальну здатність серця - фракцію викиду і т. д. Існують зонди, які допомагають під час операцій на серці стежити за роботою мітрального клапана, розташованого між шлуночком і передсердям.

Акушерство, гінекологія і перинатальна діагностика

Ультразвукове дослідження використовується для вивчення внутрішніх статевих органів жінки, стану вагітної матки, анатомії та моніторингу внутрішньоутробного розвитку плода.

Цей ефект широко застосовується в акушерстві, оскільки звуки, що йдуть від матки, легко реєструються. На ранній стадії вагітності звук проходить через сечовий міхур. Коли матка наповнюється рідиною, вона сама починає проводити звук. Положення плаценти визначається за звуками протікає через неї крові, а через 9 - 10 тижнів з моменту утворення плоду прослуховується биття його серця. За допомогою ультразвукового дослідження можна також визначати кількість зародків або констатувати смерть плоду.

 

УЗ – дослідження застосовують для діагностики захворювань, визначення перебігу вагітності, спостереження за динамікою процесу та оцінки результатів лікування. Завдяки своїй безпечності УЗД стало дуже поширеним; воно дозволяє отримати важливу інформацію про стан різних органів й систем – печінки, підшлункової залози, селезінки, нирок, щитоподібної залози, статевих органів тощо. При дослідженні серцево-судинної системи отримують інформацію про особливості будови серця та динаміку скорочень, про вроджені й набуті патології, ураження міокарда, ішемічну хворобу та інші супутні захворювання. УЗД застосовується для оцінки та контролю дії лікувальних препаратів, для вивчення коронарного кровообігу, та є таким же надійним методом, як електрокардіографія, та рентгенологічне дослідження серця.