151907 (Методы получения и регистрации ультразвука), страница 2

Рис. 3 - Схема метода ультразвуковой томографии.

Методами УЗ диагностики являются эхоэнцефалография, УЗ кардиография (измерение размеров сердца в динамике), ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред (в офтальмологии). Одним из перспективных методов ультразвуковой диагностики является исследование гемодинамики, основанное на эффекте Доплера.

3. Эффект Доплера и его применение для неинвазивного измерения скорости кровотока

Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

Эффект заключается в том, что при приближении источника каких-нибудь волн к наблюдателю приходит большее число волн в секунду, чем когда источник колебаний удаляется. Это приводит к тому, что наблюдатель воспринимает большее число колебаний в секунду, когда источник приближается к нему, и меньшее, - когда удаляется.

Рис. 4 - Схема для вывода формулы эффекта Доплера

Пусть источник звука S движется к наблюдателю со скоростью Vи м/сек (рис. 4). Источник звука посылает звуковые колебания с частотой . Следовательно, за 1/ сек. источник S посылает одну волну, распространяющуюся с некоторой скоростью V. За время 1/ источник S приближается к наблюдателю на величину Vи (1/) м.. Следовательно, конец следующей волны, исходящей от источника через 1/ секунд, будет отделен в пространстве от конца предыдущей волны не расстоянием (длина волны), как это было бы в случае неподвижного источника, а меньшим:

Таким образом, наблюдатель будет воспринимать звук меньшей длины волны . Соответствующая частота:

. (1)

Легко вывести аналогичным образом, что если источник звука удаляется со скоростью V , то воспринимаемая наблюдателем частота равна:

(2)

Если рассматривать движение наблюдателя к источнику звука, то вследствие более частых "встреч" с гребнями волн частота воспринимаемых колебаний увеличивается.

Пусть наблюдатель движется к источнику звука со скоростью V м/сек. Тогда скорость звука относительно наблюдателя будет равна V + VН , и мимо наблюдателя в единицу времени пройдет волн, причем, как обычно, ; с другой стороны, ; таким образом, .

При движении наблюдателя от источника получим соответственно:

. (3)

Все формулы, относящиеся к указанным случаям, при малых значениях скорости Vu и Vн делаются тождественными. Именно , где знак минус соответствует удалению, а плюс - сближению наблюдателя и источника со скоростью V и,н.

Таким образом, при сближении источника волн и наблюдателя воспринимаемая частота больше испускаемой, при удалении - меньше.

Эффект Доплера используют для определения скорости движения источника или приемника звука относительно среды. На этом основан, в частности, один из методов измерения скорости кровотока в сосудах человека и животных с помощью ультразвуковых волн.

Ультразвуковой метод определения скорости кровотока

На рисунке 5 приведена схема измерения скорости кровотока на основе эффекта Доплера.

От генератора 1 электрических колебаний УЗ-частоты сигнал поступает на УЗ излучатель 2 и на устройство сравнения частот 3. Ультразвуковая волна 4 проникает в кровеносный сосуд 5 и отражается от движущихся эритроцитов 6. Отраженная ультразвуковая волна 7 попадает в приемник 8, где преобразуется в электрическое колебание и усиливается. 9 – Мягкие ткани, в глубине которых расположен сосуд.

Рис. 5 - Схема установки измерения скорости кровотока на основе эффекта Доплера

Усиленное электрическое колебание попадает в устройство 3. Здесь колебания, соответствующие падающей и отраженной волнам, сравниваются, и выделяется доплеровский сдвиг частоты в виде электрического колебания:

U=U0cos (2дt). (4)

Из формулы можно определить скорость эритроцитов:

, (5)

В крупных сосудах скорость эритроцитов различна в зависимости от их расположения относительно оси: «приосевые» эритроциты движутся с большей скоростью, а «пристеночные» - с меньшей. Ультразвуковая волна отражается от разных эритроцитов, следовательно, доплеровкий сдвиг представляет собой интервал частот. Поэтому этот метод позволяет определять не только среднюю скорость кровотока, но и скорость движения различных слоев крови. В диагностическом плане появилась возможность оценки значений и направлений движения нормальных и патологических потоков крови. Можно выделить потоки с ламинарным и турбулентным движениями. В эхоскопии эти задачи решаются в рамках ультразвуковой доплерографии. В современных ультразвуковых сканерах заложена возможность звукового и цветового кодирования различных скоростных составляющих кровотока. Метод, основанный на цветовом выделении зон патологического и нормального движения крови из общего черно-белого изображения, получил название цветового доплеровского картирования кровотока. Для повышения чувствительности этих двух методов при исследовании мелких сосудов используют эхоконтрастные вещества. Большинство этих веществ представляет собой суспензии, содержащие микропузырьки газа, усиливающие отраженный доплеровский сигнал (СО2, препараты с пузырьками газа, содержащие стабилизаторы, такие как альбумин, тканеспецифичные вещества). Контрастные вещества широко используются для более точного определения области роста опухоли.

4. Инфразвук, особенности его распространения. Физические основы действия инфразвука на биологические системы

Инфразвук - низкочастотные механические колебания. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна - может располагаться в области до тысячных долей Герц. За верхнюю границу обычно принимают частоты в пределах 16 - 25 Гц.

Источником инфразвука могут быть многие природные явления - ветер, грозовые разряды, процессы, протекающие в земной коре, например, землетрясения, обвалы, взрывы и т.д. Инфразвук содержится также в шумах, сопровождающих работу промышленных установок и транспортных средств. Инфразвук, как правило, сопровождает вибрацию. Особенность инфразвука является его малое поглощение различными средами и в связи с этим способность распространяться на большие расстояния по воздуху, воде и земной поверхности. На этом основано использование инфразвука для определения места сильных взрывов, землетрясений, а также исследования состояния атмосферы, водной среды и массивов земли. Распространение инфразвука по морю дает возможность предсказать стихийное бедствие - цунами.

В зависимости от длительности действия и интенсивности инфразвук может оказывать различное воздействие на организм человека. Инфразвук сравнительно невысокой и средней интенсивности может вызывать комплекс неприятных ощущений: головокружение, тошноту, затруднение дыхания, боли в области живота, чувство психического угнетения, подавленности и страха. При увеличении интенсивности облучения появляется ощущение сухости в горле, кашель, иногда чувство удушья; эти симптомы проявляются при интенсивности инфразвука выше 150 дБ. Особенно неблагоприятно повторное, длительное воздействие инфразвука на организм человека. В этих условиях вредное воздействие может проявиться при значительно меньшей интенсивности инфразвука.

Наряду с общим воздействием на организм инфразвук оказывает местное действие на орган слуха. Оно проявляется гиперемией барабанной перепонки, возникновением чувства давления в ухе, слухового дискомфорта и боли, повышением порогов слышимости. Степень выраженности этих проявлений зависит от интенсивности, частоты и длительности действия инфразвука. Обычно они возникают при интенсивности инфразвука более 150 дБ, частоте 1 - 7 Гц и длительности воздействия порядка 8 - 10 минут. Экспериментальные исследования на животных свидетельствуют о возможности перфорации барабанной перепонки при увеличении интенсивности инфразвука (свыше 170 дБ). В отличие от колебаний в звуковом диапазоне, инфразвук не оказывает столь резко выраженного действия на функцию вестибулярного аппарата и, очевидно, не является причиной вестибулярных расстройств.

Внутренние органы человека имеют собственные частоты колебаний 6 - 8 Гц. При воздействии инфразвука этой частоты может возникнуть, естественно, резонанс и вызвать неприятные ощущения, а то и привести к тяжелым последствиям.

Инфразвук даже небольшой мощности действует болезненно на уши, заставляет "колебаться" внутренние органы - человеку кажется, что внутри у него все вибрирует. По всей видимости, именно инфразвуки, считают некоторые исследователи, - причина нервной усталости городских жителей и рабочих "шумных" предприятий.

Инфразвуковые колебания обладают биологической активностью, которая объясняется совпадением его частот с альфа-ритмом головного мозга. Инфразвук определенной частоты вызывает расстройства мозга, слепоту, а при частоте 7 Гц - смерть. Предполагается, что она наступает либо в результате остановки сердца, либо в результате разрыва кровеносных сосудов.

5. Вибрации, их физические характеристики

Вибрация - механическое колебание упругих тел. В биологии и медицине с вибрацией обычно связывают механическое колебательное движение тела, отдельных органов и тканей, возникающее под действием внешних факторов (механическое воздействие, действие звука, ультразвука, инфразвука). Как правило, вибрация представляет собой сложное периодическое или близкое к периодическому механическое колебание. Периодическую вибрацию полностью характеризует колебательный спектр, определяющий частоты и амплитуды простых (гармонических) колебаний.

Частотные спектры вибрации охватывают инфразвуковые частоты - менее 16 Гц, звуковые - от 16 до 20000 Гц и ультразвуковые - свыше 20000 Гц. Частоты колебаний, способных вызывать у человека специфическое вибрационное ощущение, лежат обычно в области до 8000 Гц.

Вибрация как раздражитель характеризуется колебательной мощностью (учитывают амплитуду и частоту колебаний) и длительностью действия. Мощность и длительность действия определяют общее количество энергии, получаемой структурой при действии внешней силы.

Естественными источниками вибрации являются землетрясения, извержения вулканов, штормы и т.д. Искусственные источники вибрации - различные механизмы на производстве, особенно вибрационное оборудование и виброинструменты, транспортные средства, акустические системы, различные механические установки и т.д.

Достигнув какого-либо участка тела человека, вибрация в зависимости от частоты, площади контакта с источником колебаний, позы и т.д. может распространяться на отдельные участки (локальная вибрация) или на все тело (общая вибрация).

Биологический эффект действия вибрации определяется локальной интенсивностью энергии колебаний, непосредственно связанной с величиной возникающих в тканях переменных напряжений (сжатие и растяжение, сдвиг, кручение и изгиб), и проявляется на всех структурных уровнях организма. Вибрация облегчает циркуляцию жидкости, может вызывать распад молекул или молекулярных комплексов в клеточной протоплазме, повышает сорбционные свойства протоплазмы, интенсифицирует ферментативные реакции, увеличивает проницаемость клеточных мембран, способна вызывать перестройки в хромосомном аппарате клеток и т.п.

Помимо прямого механического воздействия, вибрация может вызывать в целом организме опосредованные эффекты за счет вовлечения в реакцию центральной нервной системы, вегетативной нервной и эндокринной систем.

Умеренные дозы невысокой по интенсивности вибрации оказывают стимулирующий эффект на центральную нервную систему, повышает лабильность нервно-мышечного аппарата, интенсифицируют окислительно-восстановительные процессы, деятельность системы гипофиз - кора надпочечников, щитовидной железы и т.п. Положительный эффект действия умеренных доз вибрации позволяет использовать ее для лечения ряда внутренних, нервных и других заболеваний. Увеличение дозы вибрации ведет к прогрессивным функциональным и морфологическим нарушениям в организме.

Ударные волны