Лекция 3 Ростов-на-Дону 2012 Биомеханика Акустика
Содержание лекции №3 Введение Механические волны Эффект Доплера Звук Ультразвук
Физические процессы в организме Организм = физика + механика + химия Физические методы диагностики Физические свойства материалов Воздействие физических факторов на организм Дыхание Теплообмен УЗ Электроды Протезы Клапаны Гамма-терапия УВЧ -терапия Электрокардиостимулятор ЭКГ ЭЭГ Кровообращение
Средства обучение Манекены – простые изделия, которые не могут имитировать сложные физиологические реакции Симулятор - компьютер симулирует на экране изображение, полностью имитируя процессы происходящие в организме человека в ответ на действия врача Фантом — модель человека или отдельные органы в натуральную величину, служащая наглядным пособием
Сэр Вильям Ослер Робот-хирург да Винчи
Физика - это наука, Изучающая простейшие и наиболее общие количественные ! закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее естествознания. Биофизика – один из самых интересных разделов физики. ( от др. греч. жизнь, др. греч.- природа ) Белок бактерии родопсин
Биофизика - это физика живых систем на различных уровнях организации: молекулярном, мембранном, клеточном, органном, популяционном Задача биофизики: Исследование биологических процессов со стороны физики и изучение физических процессов в биологических явлениях Особенности курса б / ф Нет четкого определения биофизики, Нет дня рождения Предмет и задачи по-разному Биофизика Химия Физика Математика Биология Биофизика- это наука, возникшая на базе взаимодействия:
Классификация общего курса биофизики: Теоретическая биофизика; Биофизика сложных систем ; ТД биологических процессов – преобразование энергии в живых структурах; Молекулярная биофизика; Биофизика клеточных процессов ; Биофизика мембранных процессов : свойства БМ; Биофизика фотобиологических процессов- воздействие внешних источников све та на живые системы; Радиационная биофизика – влияние ИИ на организм; Математическая биофизика; Прикладная биофизика; Биоинформатика ; Биометрия; Биомеханика ; Биофизика индивидуального развития ; Медицинская биофизика; Экологическая биофизика
КОГДА РОДИЛАСЬ БИОФИЗИКА? 1893 г – появился термин. Пирсон Карл- выдающийся английский математик, основатель современной статистики 1857-1936 Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии и математики. Нанобиология
1791 г ЛУИДЖИ ГАЛЬВАНИ открыл биоэлектричество. А. Вольта 1799 За 2000 лет до изобретения батарейки. Багдад, раскопки
ГАРВЕЙ, УИЛЬЯМ ( Harvey, William, 1578-1657 ), английский врач, анатом, физиолог и эмбриолог. В мае 1593 г. Уильям Гарвей был принят в колледж Кембриджского университета. Первые три года учебы Гарвей посвятил изучению « дисциплин, полезных для врача » - классических языков (латыни и греческого), риторики, философии и математики. '
Томас Юнг разработал теорию цветного зрения. Основоположник волновой теории света. Пуазейль – врач, физик и физиолог –механика кровообращения Нем., физиолог, физик и психолог Гельмгольц – теория функционирования глаза Декарт описал оптическую систему глаза
Роберт Майер 1814-1878 Нем. Врач и естествоиспытатель Изучал медицину в Мюнхене и Париже. Научная сфера – физика. В 1840 году в качестве судового врача совершил путешествие на остров Яву. Обосновал I закон ТД. Сеченов И.М. 1829-1905 Выдающийся русский физиолог. «Рефлексы головного мозга». Закон растворимости газов в крови.
Лазарев П.П. – один из основоположников биофизики в России 1901 г. окончил медицинский факультет Московского университета. С 1903 г – доктор медицины. И в 1903 г. закончил физико-математический факультет. В 1927 г. создал государственный институт биофизики в Москве. Физик, биофизик, геофизик, медик Создал ионную теорию возбуждения Разработал теорию адаптации (все органы и ЦНС) Вывел единый закон раздражения Исследование магнитной аномалии Вопрос: Как долго институт просуществовал?
Биомеханика - это раздел биофизики, посвященный изучению механических свойств живых тканей, а также механических процессов в организме.
Механические волны Уравнение плоской волны Механическая волна -это распространение механических колебаний в упругой среде Уравнение волны описывает зависимость смещения S частиц среды от координаты Х и времени t Х Х S λ 0 Уравнение плоской волны A- амплитуда - циклическая частота t- время X- координата V - скорость волны S - смещение ω
Амплитуда А, м Период Т, с. Это время одного полного колебания. Частота ν, Гц Это число колебаний за единицу времени. Длина волны м. Это путь, пройденный волной за период. Иначе: Это расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Скорость волны v м / с Фаза, рад 0 S х A λ Параметры колебаний и волн λ 0 S t T A Циклическая частота ω = 2 πν Колебание Волна
Бегущая волна переносит энергию. Условие существования волны: Упругая среда Инерция Пример: Волна давления в артериях. Упругость стенок Кровь
Энергетические характеристики [В т Энергия W, Дж Поток энергии (устар. мощность) , Вт - это физическая величина, равная отношению энергии, переносимой волной, ко времени.
- это физическая величина, равная потоку энергии волны через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны. 3. Плотность потока энергии = = интенсивность волны 4. Объемная плотность энергии волны -это средняя энергия колебательного движения, приходящегося на единицу объема среды это энергия в единице объема Или:
Вектор Умова Вектор Умова – это вектор плотности потока энергии волны, направленный в сторону переноса энергии волной. Он равен Умов Н. А. (1846-1915)
Эффект Доплера и его применение в медицине Доплер Христиан (1803-1853) - австрийский физик, математик, астроном. Жил в Зальцбурге. Директор первого в мире физического института. Эффект Доплера заключается в изменении частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.
Если приближается (объект, наблюдатель), то скорость берется со знаком «+» Если удаляется, то скорость берется со знаком «-» Классический пример этого феномена: Звук свистка от движущегося поезда.
Эффект Доплера используется для определения скорости движения тела в среде, скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца = доплеровская эхокардиография. Когда звук отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется. Происходит сдвиг частоты. При наложении первичных и отраженных сигналов возникают биения, которые прослушиваются с помощью наушников или громкоговорителя. Доплеровский сдвиг - это разность между отраженной и переданной частотами ∆ ν.
Благодаря аппарату Доплера гинеколог, ведущий беременность, делает вывод о том, есть ли угроза для развития ребенка, насколько хорошо его состояние, сильное сердце, нормальный ли кровоток к сердцу и каково состояние кровообращения в организме малыша, все ли хорошо с пуповиной у мамы в системе мать-плод-плацента, нет ли у младенца пороков сердца, анемии или гипоксии. Допплерометрия
Двухмерное цветовое доплеровское картирование при нарушении оттока из левого желудочка. Относительно низкая скорость выходного потока левого желудочка кодируется синим цветом. В области сужения скорость возрастает, возникает наложение спектров ( aliasing), и кодировка сигнала потока меняется на красную. На участке обструкции регистрируется относительно узкий турбулентный поток. LV – левый желудочек AO – аорта
Звук – это механическая волна в упругой среде, воспринимаемая ухом человека. Упругая среда – это среда между частицами которой существуют силы упругости, препятствующие ее деформации 16 Гц – 20 кГц Звук Инфразвук до 16 Гц Слышимый звук 16 Гц-20 кГц Ультразвук 20 кГц – 1 ГГц
Виды звуков. Спектр звука Чистый тон А Шум Спектр сплошной Спектр линейчатый А ν ν Сложный тон Спектр – это график зависимости амплитуды от частоты
Z – акустический импеданс = волновое сопротивление характеризует свойство среды проводить акустическую энергию Волновое сопротивление Волновое сопротивление – это произведение плотности среды на скорость звука в этой среде.
Характеристики звука 2. Высота 1. Тембр 3. Громкость Частота Скорость Акустический спектр Звуковое давление Интенсивность Уровень интенсивности Физические = = объективные слухового ощущения= = субъективные
Объективные (физические) характеристики звука Слышимость на разных частотах Частота - число колебаний в единицу времени ν = 16 – 20000 Гц 2. Скорость звука В воздухе 331,5 м/с 340 м/с (20 º С) Вода 1500 м/с Кровь 1540 м/с Кость ≈ 4000 м/с
Среда Скорость звука, м/с Плотность относительно воды, ρ с / ρ в Акустическое сопротивление относительно воды, Z C /Z B Скорость звука в различных средах и акустические сопротивления сред Воздух (при нормальных условиях) Дистиллированная вода Легкие Жировая ткань Кровь Мышечная ткань Мягкие ткани Костная ткань 343 1482 400-1200 1350-1470 1540-1600 1560-1620 1540 2500-4300 1,2 •10 -3 1,0 - 0,95 1,03 1,06 1,07 1,07 - 0,3 •10 -3 1,0 - 0,86-0,96 1,06-1,09 1,04-1,08 1,11-1,14 1,13-1,18 1,13 1,11
3. Акустический спектр А Спектр линейчатый обертоны Одна и та же нота Рояль Кларнет ν Основной тон Сложный тон А – max ν -min
4. Звуковое давление ρ - плотность среды V – скорость колебательного движения частиц среды С – скорость звука
5. Интенсивность звука I 0 = 10 -12 Вт / м 2 Порог слышимости на 1 кГц
6. Уровень интенсивности Для сравнения интенсивностей звуков используют логарифмическую шкалу. децибел 1 Б - это уровень интенсивности, при котором интенсивности сравниваемых волн отличаются в 10 раз Порог слышимости 0 дБ бел
Субъективные характеристики, их связь с объективными Высота звука –это качество звука, определяемое человеком субъективно, на слух, и зависящее от частоты. С у величением частоты высота 2 Тембр определяется спектральным составом звука.
3. Громкость з вука – это уровень слухового ощущения, вызываемого этим звуком. Громкость зависит от интенсивности, частоты и формы колебаний. Если надо выразить различие в восприятии человеком звуков разной интенсивности, то используют уровень громкости Е Кривые равной громкости На ν = 1 кГц 1 фон = 1дБ ВОПРОС: Как связаны фон и децибел? Звуки разной частоты и интенсивности воспринимаются ухом как звуки одинаково громкие, ! если попадают на эти кривые.
Закон Вебера - Фехнера Эрнст Вебер Физиолог, анатом. 1795-1878 Густав Фехнер немецкий физик и психолог 1801-1887 Фехнер сформулировал основной психофизический закон : ощущение раздражения пропорционально логарифму силы раздражения. логарифмический закон, отражающий свойство адаптации уха
Если раздражение ( I ) увеличивать в геометрической прогрессии (то есть в одинаковое число раз), то ощущение ( E ) этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (то есть на одинаковую величину). aI 0 a 2 I 0 a 3 I 0 E 0 2E 0 3E 0
Справка Шорох листьев – 10 дБ Шепот за последним столом - 30 дБ Шум сливного бачка – 75 дБ
Мотоцикл с глушителем – 85 дБ Раскаты грома – 100 дБ Автомагистраль – 90 дБ
Максимально допустимое звуковое давление для наушников плеера по европейским нормам- 100 дБ ВУВУЗЕЛА – 124 дБ Болевой порог – 130 дБ Полицейская сирена 110 дБ
Физические основы звуковых методов исследования в клинике Перкуссия Лат. Percussio – удар, простукивание Метод исследования внутренних органов, основанный на простукивании по поверхности тела больного с оценкой характера возникаюших при этом звуков. Характер перкуторного звука зависит от количества воздуха в органе, от упругости тканей.
Изобрел в 1761 г.австрийский терапевт Аэнбруггер, по совместительству музыкант. Он был сыном трактирщика и В детстве помогал отцу разливать вино, простукивая бочки, чтобы узнать, насколько они наполнены вином.
2. Аускультация – метод исследования внутренних органов, основанный на выслушивании звуковых явлений, возникающих при физиологической деятельности внутренних органов. фонендоскоп
Ультразвук, физические основы применения в медицине УЗ – это механические продольные колебания и волны, частота которых превышает 20 кГц. Ультраз вуковая волна – это последовательность сгущений и разрежений Ультразвук 20 кГц – 1 ГГц Гиперзвук ˃ 1 ГГц
Источники и приемники ультразвука 1. Магнитострикция Стержень Fe, Ni в переменном магнитном поле ν УЗ =50кГц Источники УЗ:
Заключается в механической деформации тел под действием электрического поля. 2. Обратный пьезоэффект Схема кристалла с пьезоэлектрическими свойствами. Кристалл изменяет форму, когда окружающее электрическое поле меняет направление на противоположное. Длина волны излучаемого ультразвука является функцией размера кристалла. ν УЗ =10МГц Толщина кварца 1мм Почему обратный?
Приемники УЗ : прямой пьезоэффект Ультразвуковой приемник Под действием УЗ происходит деформация кварца, которая приводит к генерации переменного электрического поля. Основные компоненты ультразвукового датчика Эл. Импульс УЗ Вольтметр Электроды Кварц
Особенности распространения УЗ волн Малая λ λ УЗ =2 ÷ 0,6 мм Лучевой характер Легко фокусировать Подчиняется законам отражения и преломления Возможность получения больших интенсивностей Отражается от объектов небольших размеров
Действие УЗ на вещество, на клетки и ткани организма Действие УЗ: механическое + тепловое + физико-химическое Микромассаж клеток и тканей Разрушение биомакромолекул, Перестройка БМ Изменение Проницаемости БМ 33%→ в тепло → ткани прогреваются образование биологически активных молекул активность ферментов Ионизация и диссоциация молекул вещества Разрушение клеток и микроорганизмов Пример : При облучении УЗ в течение 10 минут брюшной полости собаки температура печени увеличилась на 0,5 0 С, в жировой ткани на 3 0 С, а в мышечной на 5 0 С.
Механическое действие связано с деформацией микроструктуры вещества, вследствие периодического сближения и отдаления микрочастиц вещества. Например, в жидкости УЗ волна вызывает разрыв ее целостности с образованием полостей. Это кавитация. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.
Кавитация – разрыв сплошности жидкости. Возникновение в жидкости, облучаемой УЗ, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков. Заполнены паром или газом Пузырьки существуют недолго Выделяется значительная энергия вещество Разогревается ( Латин. cavitas - пустота, пузырьки).
Сегодня принцип кавитации применяют в различных областях медицины: в стоматологии — для удаления зубного налета и камня в нефрологии — для удаления камней в почках в аппаратной космето логии – для борьбы с жировыми отложениями. Для лечения и очистки гнойных ран дезинфекции и эмульгирования растворов создания ингаляционных смесей. Кавитация – это один из современных методов избавления от излишних жировых отложений.
Применение в медицине Диагностика Лечение Эхолокационные методы: отражение УЗ I = 50 мВт/см 2 ν от 1 до 30 МГц Чаще всего 2,25-5 МГц 2. Эффект Доплера УЗ высоких интенсивностей УЗ низких интенсивностей Физиотерапия ν =880 кГц I = 1 Вт/см 2 Глубина проникновения 3-5 см УЗ-ингаляция фонофорез УЗ хирургия I = 1 0 3 Вт/см 2 Цель: вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях. Два метода : ▪ Разрушение тканей УЗ ν =4 МГц Снижение усилия при резании ν =50 кГц Noli nocere ! 1. Метод А 2. Метод M 3. Метод B
Применение УЗ в диагностике основано на отражении УЗ волн на границе сред с разными акустическими сопротивлениями. 99,9% времени эхозонд работает как воспринимающее устройство. Гель используется Для исключения воздушной прослойки, для выравнивания акустических сопротивлений !
Основные режимы работы УЗ-сканирования : А – одномерная эхолокация. Исследование неподвижных объектов Amplitude mode ( amplitude - амплитуда ) Эхосигналы, преобразованные в датчике в эл. поле, вызывают вертикальное отклонение луча развертки в форме пиков, амплитуда которых будет зависеть от интенсивности отраженной УЗ-волны. 1. Режим А Сканирование = последовательный просмотр обследуемой области.
2. Режим M – (motion - движение ) – одномерная эхограмма с разверткой во времени Исследование движущихся структур М – эхокардиограмма ребенка младшего возраста, демонстрирующая разницу размеров левого желудочка, полученных в момент, соответствующий зубцу Q ЭКГ, и после начала систолы желудочка. А – передняя; Р – задняя.
М – эхокардиограмма пациента с ишемической болезнью сердца. Левая сторона перегородки ( LS ) движется нормально у основания вблизи аорты ( AO ). Рядом с верхушкой движение перегородки акинетично. EN – задний эндокард левого желудочка; LA – левое предсердие; Apex – верхушка.
3. Метод B ( brightness – яркость ) Двумерное изображение поперечной картины Поперечное сечение сердца, показывающее структуры, через которые проходит УЗ луч. Эхосигналы, преобразованные в датчике в эл. поле вызывают на экране свечение точек разной яркости, а это зависит от интенсивности эхосигнала.
Цветокодированные двухмерные эхокардиограммы. Эти изображения в режиме « B -цвета» могут создаваться различными цветами и оттенками.
Сравнение M- и B- методов Схема, сравнивающая M -режим и двухмерное секторное сканирование сферического объекта, движущегося как маятник в мензурке с водой.
Использование ультразвука для лечения УЗ низких интенсивностей УЗ высоких интенсивностей Физиотерапия ν =880 кГц I = 1 Вт/см 2 УЗ-ингаляция фонофорез УЗ хирургия I = 1 0 3 Вт/см 2 Цель: вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях. Два метода : ▪ Разрушение тканей УЗ ν =4 МГц Снижение усилия при резании ν =50 кГц Глубина проникновения 3-5 см
Фонофорез УЗ -ингалятор УЗ- акупунктура
УЗ остеосинтез = соединение поврежденных (сломанных) костей
Частота 55 кГц УЗ скальпель HARMONIC
