Основы биоакустики. Ультразвук и его применение в медицине

1.

ЛЕКЦИЯ №1-2
ПРЕДМЕТ
МЕДИЦИНСКОЙ
ФИЗИКИ И БИОФИЗИКИ
ОСНОВЫ
БИОАКУСТИКИ.
УЛЬТРАЗВУК И ЕГО
ПРИМЕНЕНИЕ В
МЕДИЦИНЕ

2. ПРЕДМЕТ МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ И БИОФИЗИКИ

Биофизика – биологическая наука, которая описывает физические
и физико-химические основы процессов жизнедеятельности
организма, а также изучает действие физических факторов
окружающей среды на живые организмы.
Биофизика является теоретической
основой физиологии человека.
физиология
биофизика
организменный
системный
органный
клеточный
субклеточный
молекулярный

3.

Биофизика как самостоятельная наука
возникла в середине 20 столетия.
В биофизике изучаются процессы,
происходящие в живых организмах, с
помощью современных физических методов
(люминесцентный анализ, электронная
микроскопия, рентгеноструктурный анализ,
радиоспектроскопия электронного
парамагнитного резонанса и ядерного
магнитного резонанса и т.д.)

4.

Медицинская физика – раздел медицины, который изучает
физические и биофизические основы медицинской аппаратуры
(применение физических факторов в диагностике, терапии и хирургии;
принципы устройства и работы медицинских приборов).
В соответствие с основными документами,
регламентирующими подготовку врача в
медицинских ВУЗах (ОПП и ОПХ), после
изучения медицинской физики и биофизики
студент должен уметь:
1. Давать характеристику процессам
жизнедеятельности в организме человека
на основе понятий, принципов и законов
физики;
2. Характеризовать действие физических
факторов/полей окружающей среды на
организм человека;
3. Объяснять основы медицинской
аппаратуры.

5.

БИОАКУСТИКА
- раздел биофизики, в котором изучают происхождение и
свойства звуков, их воздействие на живые организмы.
Актуальность темы:
1. Физической основой биоакустики является теория колебаний и волн,
которая универсальна в описании многих процессов в природе.
КОЛЕБАНИЯ - это движения или процессы, обладающие той или иной
степенью повторяемости во времени.
ВОЛНЫ – перенос энергии колебаний в пространстве.
По физической природе
механические
(связаны с движением)
электромагнитные
Описываются сходными уравнениями!!!
2. Слух человека – наиболее важное чувство (с точки зрения социального
взаимодействия). Изучение темы является основой физиологии слухового
анализатора.
3. Материал темы является основой для изучения ультразвуковых методов
исследования и лечения в медицине, понимания действия вибрации и шума
на организм.

6.

Механические колебания - это движения тела, выведённого из
положения равновесия, в ходе которых тело многократно движется
по одной и той же траектории, проходя одни и те же точки
пространства через равные промежутки времени.
Примеры механических колебаний
пружинный
маятник
математический
маятник
дыхание
сердцебиение
Осцилляции – синоним слова «колебания», который часто встречается
в учебной и научной литературе.

7.

Гармонические колебания - простейший вид колебаний, которые
осуществляются по закону синуса (косинуса), т.е. их графиком
служит синусоида (косинусоида), а в их уравнение входит функция
синус (косинус).
S
Синусоида описывает изменение
смещения колеблющегося тела от
положения равновесия во времени, а не
тело движется по синусоиде!
Негармонические колебания не
осуществляются по закону
синуса или косинуса.
S

8.

Колебания (в зависимости от источника энергии )
Свободные
(собственные)
осуществляются за счёт
внутренних сил,
возникающих
в
колебательной системе
при однократном
выведении её из
положения равновесия.
Автоколебания
осуществляются за счёт
внутренней энергии
системы.
Вынужденные
осуществляются за счёт
действия периодической
внешней силы.

9.

ПАРАМЕТРЫ КОЛЕБАНИЙ
1. Амплитуда колебаний (А) – это
максимальное смещение
колеблющегося тела от положения
равновесия. Измеряется в метрах.
S
ПЕРИОД
S
AМПЛИТУДА
Незатухающие колебания
t
S
амплитуда постоянна
Затухающие колебания
амплитуда уменьшается во времени
2. Период колебания (T) – время одного полного колебания. Единицей
измерения периода является секунда.

10.

ПАРАМЕТРЫ КОЛЕБАНИЙ
3. Линейная частота колебаний ( ) - число колебаний в единицу
времени. Измеряется в Герцах.
n
t
1
Т
кол
1Гц 1 сек
Частота и период – физические
величины, обратные друг другу.
Т
1
4. Фаза (φ )- свойство колебательного движения, которое характеризует
положение колеблющегося тела в любой момент времени в радианах.
5. Угловая скорость, или круговая частота колебаний ( ω) –
число радиан, пройденных колеблющимся телом за единицу времени.
Измеряется в рад/с.
2

11.

СВОБОДНЫЕ НЕЗАТУХАЮЩИЕ
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Такие колебания мог бы совершать маятник, если бы на него не
действовала сила трения.
S
t
Уравнение свободных
незатухающих гармонических
колебаний описывает изменение
смещения колеблющегося тела во
времени.
S A sin( 0t 0 )
S A cos( 0t 0 )
S смещение
A амплитуда
0 частота
t время
фаза
0 начальная
В реальных системах свободные колебания всегда затухающие из-за
наличия силы трения, на преодоление которой тратится энергия.

12.

S
СВОБОДНЫЕ ЗАТУХАЮЩИЕ
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
t
A(t ) A0 e
A0 начальнаяамплитуда
Коэффициент затухания (β) –
величина, являющаяся мерой
снижения амплитуды колебаний в
единицу времени.
Уравнение свободных
затухающих гармонических
колебаний
частотазатухающих
колебаний
S A0 e
t
sin( t 0 )
S A0 e
t
cos( t 0 )
2 02 2

13.

Логарифмический декремент затухания (λ) – величина,
являющаяся мерой снижения амплитуды колебаний за один
период, натуральный логарифм отношения амплитуд двух
последовательных колебаний:
A(t )
ln
T
A(t T )
При описании различных процессов (химических и
биологических) термин «декремент» всегда означает уменьшение
амплитуды.
Пример. Если мы говорим: «Потенциал действия
распространяется бездекрементно по нервному волокну», это
значит, что его амплитуда в любой точке волокна одинакова.

14.

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Возникают под действием вынуждающей силы
F Fmax cos t
При этом в колебательной системе возникают:
1. Собственные (свободные) колебания, которые постепенно
затухают;
2. Колебания под действием вынуждающей силы.
Эти два вида колебаний складываются между собой до окончательного
затухания свободных колебаний.
Суммарная амплитуда вынужденных колебаний зависит от:
1. Амплитуд свободных колебаний и амплитуды вынуждающей силы;
2. От соотношения частот свободных колебаний и вынуждающей силы;
3. Коэффициента затухания среды.

15.

Резонанс («отклик») –
увеличение амплитуды
колебаний под действием
вынуждающей силы.
Для любого тела с частотой
собственных колебаний 0
существует набор резонансных
частот вынуждающей силы.
Это связано с влиянием
коэффициента затухания на
колебательный процесс.
3
Максимальная амплитуда
может быть достигнута при
условиях:
1. Малого коэффициента
затухания колебаний,
2. Совпадении частот
вынуждающей силы и
собственных колебаний тела.

16.

РЕЗОНАНС
вредное явление (например, его
полезное явление
нужно учитывать, проектируя мосты, с ним связано
вредное действие инфразвука и вибрации )
(например, при получении ультразвука
или других вынужденных колебаний)
Для уменьшения резонанса
применяют демпферы – устройства
или вещества, увеличивающие
коэффициент затухания колебаний.
СОБСТВЕННЫЕ (РЕЗОНАНСНЫЕ)
ЧАСТОТЫ НЕКОТОРЫХ ЧАСТЕЙ
ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
• 20-30 Гц (резонанс головы)
• 40-100 Гц (резонанс глаз)
• 0,5-13 Гц (резонанс вестибулярного
аппарата)
• 4-6 Гц (резонанс сердца)
• 2-3 Гц (резонанс желудка)
• 2-4 Гц (резонанс кишечника)
Хорошие демпферные свойства
биологических тканей защищают
органы от повреждений при
воздействии инфразвука и вибрации
достаточно большой амплитуды.
Однако функциональные нарушения
могут возникать и под влиянием
инфразвука и вибрации даже
небольшой амплитуды в связи с
наличием резонансных частот у
органов.

17.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Волна
–
возмущение
(изменение
состояния)
среды,
распространяющееся в ней и несущее с собой энергию, без
переноса вещества.
Упрощенное определение: волна – это распространение
энергии колебаний в пространстве.
При распространении механической волны каждая частица среды
колеблется около своего положения равновесия (никуда не
распространяется).
Если колебания частиц среды
происходят в направлении
распространения волны, то такая волна
является ПРОДОЛЬНОЙ.
Если колебания частиц среды
происходят в направлении,
перпендикулярном к направлению
распространения волны, то такая
волна является ПОПЕРЕЧНОЙ.

18.

ПАРАМЕТРЫ ВОЛНЫ
1. Те же, что и для колебаний (амплитуда, смещение, период,
частота, фаза).
2. Волновые характеристики:
А. Скорость – расстояние, на которое
переносится энергия за единицу
времени.
Б. Длина волны λ - расстояние между
двумя ближайшими точками,
колеблющимися в одинаковой фазе.
T
В. Интенсивность волны - энергия,
которая переносится через единицу
площади поперечного сечения за единицу
времени. Измеряется в Ватт/м2:
Ф E
I
S t S
λ
Г. Фронт волны –
геометрическое место
точек, колеблющихся
в одной фазе. Волна
бывает сферическая,
полусферическая,
плоская волна.

19.

УРАВНЕНИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ
x 0
0
х
Х
S A sin t
x
S A sin t A sin t
ЗВУК– механическая продольная волна.
Скорость распространения зависит от плотности среды и температуры
Как и для света (электромагнитная волна) для звука характерны
явления: 1. интерференции и 2. дифракции
Звуки, как и свет, могут отражаться от границы раздела двух сред и
проходить во вторую среду, преломляясь, то есть изменяя направление.

20.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗВУКОВ
По частоте
16
20000
СЛЫШИМЫЕ
ЗВУКИ
ТОНЫ
(периодические
процессы)
ГАРМОНИЧЕСКИЙ
(ПРОСТОЙ) ТОН
ШУМЫ
(звуки с неповторяющейся
временной зависимостью)
НЕГАРМОНИЧЕСКИЙ
(СЛОЖНЫЙ) ТОН

21.

АКУСТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ЗВУКА диаграмма, отражающая частоту тонов, входящих в состав звука, и
соответствующие им интенсивности.
СПЕКТР ПРОСТОГО ТОНА
І
линейчатый
СПЕКТР СЛОЖНОГО ТОНА
І
линейчатый
основной
обертоны
ν
ν
І
СПЕКТР ШУМА
сплошной
ν

22.

23.

24.

ОБЛАСТЬ СЛЫШИМОСТИ - диапазон частот и
интенсивностей звуков, которые может услышать человек.
порог боли
10-4
10-6
область речи
ультразвук
10-2
инфразвук
интенсивность, Вт/м2
10
10-8
10-10
порог слышимости
10-12
20
1000
2000
20000
частота, Гц
Порог слышимости – минимальная интенсивность звука, которая
вызывает слуховые ощущения (для разных частот различается). Для звука
1000 Гц равна 10-12 Вт/м2
Болевой порог – минимальная интенсивность звука, которая вызывает
боль. Для звука 1000 Гц равна 10 Вт/м2

25.

ОБЪЕКТИВНЫЕ И СУБЪЕКТИВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА
ФИЗИЧЕСКИЕ
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ
(объективные,
параметры волны)
(субъективные,
параметры ощущения)
ЧАСТОТА
ВЫСОТА
ИНТЕНСИВНОСТЬ
ГРОМКОСТЬ
СПЕКТР
ТЕМБР
І
частота

26.

Интенсивность звука часто выражают в логарифмических единицах,
называя подученную величину уровнем интенсивности (L):
I
L lg , Белл
I0
I – интенсивность любого звука
I0 – пороговая интенсивность (порог
слышимости)
1Белл=10 децибелл (дБ)
Такой логарифмической шкале соответствует закон ВебераФехнера, который связывает громкость звука с интенсивностью
звукового раздражения: если интенсивность звука
(раздражения) І изменяется в геометрической прогрессии
(І , І 2, І 3 …), то сила соответствующего звукового
ощущения Е изменяется в арифметической прогрессии (Е ,
2.Е, 3.Е …) .
Е - громкость звука
k – коэффициент пропорциональности для
звуков разных частот
k=1 (условно) для звука 1000 Гц
I
Е k lg , Фон
I0
k<1 – для звуков менее слышимых, чем
1000 Гц; k>1 для более слышимых звуков

27.

КРИВЫЕ РАВНОЙ ГРОМКОСТИ
По абсциссе – частота
звуков (Гц)
По ординате – уровень
интенсивности звуков (дБ)
Каждая кривая соответствует
определённой громкости
звуков разных частот (фоны)
Для звуков частотой 1000 Гц
шкала в фонах совпадает со
шкалой в дБ.
Поднятие каждой кривой выше
уровня прохождения кривой
для 1000 Гц, означает
уменьшенную чувствительность
слуха к звукам этих частот.
Опускание каждой кривой ниже
уровня прохождения кривой
для 1000 Гц, означает
повышенную чувствительность
слуха к звукам этих частот.

28.

СТРОЕНИЕ ОРГАНА СЛУХА ЧЕЛОВЕКА
НАРУЖНЕЕ УХО
ВНУТРЕННЕЕ УХО
СРЕДНЕЕ УХО

29.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ СРЕДНЕГО УХА
1
2
1 – молоточек; 2 – наковальня;
3 – стремечко; 4 – барабанная
перепонка; 5 – круглое окно;
6 – евстахиева труба
3
Косточки среднего
уха - это система рычагов силы,
которая позволяет передать
колебания из воздушной (легко
сжимаемой) среды наружного уха в
жидкую (тяжело сжимаемую) среду
внутреннего уха.
В среднем ухе усиление
звукового воздействия
осуществляется также благодаря
тому, что площадь овального окна
снижена по сравнению с площадью
барабанной перепонки.

30.

СТРОЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО УХА
1
–
вестибулярный
аппарат;
2 – слуховой нерв;
3 – каналы улитки;
4 – улитка
1 – средний
кортиев орган;
канал,
2 – вестибулярный канал;
3 – барабанный канал;
4 – спиральные ганглии;
5 – слуховой нерв
содержащий

31.

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО УХА
Звуки вызывают в улитке
колебания кортиева органа. В
нём расположены волосковые
рецепторные клетки,
чувствительные к механическому
воздействию и преобразующие
его в нервный (электрический)
импульс.
колебание верхушечной
части улитки под
воздействием звуков низкой
частоты.
колебание
основания
улитки под воздействием
звуков высокой частоты.

32.

АУДИОМЕТРИЯ
- комплекс методов исследования остроты слуха путём предъявления
человеку стандартизированных по частоте и интенсивности звуков.
1. Шёпотной речью;
2. с помощью камертонов;
3. с помощью аудиометра.
Аудиометр – прибор, генерирующий
электрические колебания разных частот с
регулируемой интенсивностью.
От аудиометра колебания передаются
обследуемому через наушники, в которых они
преобразуются в звуки (простые тоны).
Определяют пороги слышимости
(минимальные интенсивности,
вызывающие слуховые ощущения)
звуков различных частот для каждого
уха и получают аудиограмму.

33.

ЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ В
МЕДИЦИНЕ
- это методы, в которых звук несёт информацию
об определённых внутренних процессах.
1. АУСКУЛЬТАЦИЯ –
выслушивание звуков,
возникающих при
дыхании и работе
сердца или других
внутренних органов.
2. АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
КРОВИ -прослушивание
тонов Короткова.
3. ПЕРКУССИЯ выстукивание,
изучение положения и
состояния внутренних
органов по
отраженному звуку.
4. ФОНОКАРДИОГРАФИЯ запись звуков,
возникающих
при работе сердца.

34. УЛЬТРАЗВУК И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Ультразвук – упругая продольная механическая волна частотой больше
20 000 Гц. Может иметь высокую интенсивность за счёт того, что она
прямо пропорциональна частоте волны в квадрате.
1 2 2
I A
2
I интенсивность
плотность
частота
A амплитуда
скорость
Способы получения ультразвука:
Обратный пьезоэлектрический эффект – возникновение ультразвука
(свыше 200 кГц) при воздействии на пьезокристалл переменным
электрическим полем E E
cos t
max
Магнитострикционный метод - возникновение ультразвука (до 200
кГц) при воздействии на ферромагнетик переменным магнитным полем
H H max cos t

35.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА
1. Имеет высокую частоту, то есть малую 2. Интенсивность УЗ может быть
длину волны. Потому мало подвергается увеличена специальными
дифракции, а, следовательно, способен акустическими линзами.
распространяться узкими и
направленными пучками.
4. Часть УЗ волн проходит во
3. На границе между средами часть
вторую среду, частично
УЗ волн отражается. Коэффициент
поглощается в ней, и выходит
отражения УЗ зависит от
наружу.
соотношения акустических
импедансов (сопротивлений) сред.
Акустический импеданс среды
Z
Коэффициент отражения УЗ
Z1 Z 2
k
Z1 Z 2
2
I0
d
I
.d
.
-λ
I=I0 e
Относительно низкочастотный УЗ
лучше поглощается.

36.

ПЕРВИЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА
А. механическое действие (вызывает
колебания частиц и явление
кавитации – образования в жидкости
пузырьков, заполненных воздухом,
которые «схлопываются», выделяя
значительные количества энергии).
Б. тепловое действие (связано с
превращением механической энергии
колебания частиц в тепловую
энергию, а также выделением теплоты
при кавитации).
В. физико-химическое действие (ускорение физических и
химических процессов из-за механического перемешивания
и повышения температуры).
1. В диагностике применяют УЗ малой интенсивности (до 0,1 Вт/см2),
который не оказывает биологического действия.
2. В ультразвуковой физиотерапии применяют УЗ средней интенсивности
(до 1 Вт/см2). Имеет позитивные биологические эффекты.
3. В ультразвуковой хирургии применяют УЗ высокой интенсивности
(свыше 3 Вт/см2). Оказывает разрушающее действие.

37.

УЛЬТРАЗВУК В ТЕРАПИИ И ХИРУРГИИ
1. Ультразвуковая физиотерапия –
локальное воздействие УЗ средней интенсивности,
которое за счёт местного (микромассаж,
нагревание, ускорение реакций и т.д.) и
рефлекторного компонентов вызывает активацию
процессов метаболизма и обмена веществ в
участке тела, на который воздействуют УЗ.
2. В стоматологии - снятия зубного камня, налёта
с зубов (безболезненно, бескровно, быстро). При
этом не травмируется слизистая оболочка,
обеззараживаются «карманы» полости рта.
3. Внутрисосудистая сонотерапия – очищение
сосудов с помощью УЗ сосудов от отложений
холестерина.
4. Изготовление лекарств с помощью ультразвука
(получение эмульсий, порошков, выделение
лечебных соков из лекарственного сырья и т.д.)
5. Стерилизация медицинских инструментов и лекарственных
веществ (вследствие кавитации происходит разрушение микроорганизмов).

38.

УЛЬТРАЗВУК В ХИРУРГИИ
1. Использование фокусированного
УЗ для локального разрушения
патологических структур в органах тела
без повреждения окружающих тканей
(интенсивность УЗ достигает сотен и даже
тысяч Вт/см2). Литотрипсия – метод
разрушения камней в печени и почках
фокусированным ультразвуком.
2. УЗ-инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки,
иглы (+ снижают усилие хирурга, травматизм операции;
кровоостанавливающий, обезболивающий, стерилизующий эффект).
Используют в ЛОР-хирургии, офтальмологии, ортопедии.

39.

УЛЬТРАЗВУК В ДИАГНОСТИКЕ
Исходя из особенностей распространения УЗ существует 2 принципа,
на которых может быть основано использование ультразвука в
диагностике:
1. Трансдукция – диагностика по интенсивности УЗ после
прохождения через тело человека (используется редко).
2.
Эхолокация – диагностика по интенсивности отражённого УЗ.
Эхография – это метод ультразвуковой
диагностики, позволяющий получить
изображения внутренних структур тела
человека на основе отражения УЗ от границ
сред, обладающих разным акустическим
импедансом.
Современная аппаратура позволяет наблюдать
внутренние структуры тела человека в
реальном режиме времени, в связи с чем
некоторые разновидности эхографии получили
название эхоскопии.

40.

УЛЬТРАЗВУК В ДИАГНОСТИКЕ
Для проведения УЗИ необходим
ультразвуковой датчик, в
котором:
1. на основе обратного
пьезоэлектрического эффекта
генерируются ультразвуковые
волны (источник УЗ).
2. Детектор отражённого
ультразвука на основе прямого
пьезоэффекта генерирует
электрический сигнал
пропорциональной амплитуды.
3. Электрический сигнал
передаётся на регистрирующее
устройство, где визуализируется.
Сигнал
к регистрирующему устройству
УЗИ
Источник
УЗ
Детектор
УЗ

41.

А-режим
(amplitude)
По принципу визуализации сигнала
М-режим
различают режимы УЗИ
(motion)
В-режим
(bright)

42.

В А-режиме сигнал на экране
вызывает отклонение луча
развёртки в виде пиков,
амплитуда которых зависит от
интенсивности отражённого
ультразвука, а положение на
экране – от времени прихода
эхосигнала (т.е. от глубины
отражающей структуры).
На рисунке – пример
использования А-режима в
исследовании мозга –
эхоэнцефалоскопия.
Диагностический признак –
положение М-эхо (среднего пика),
которое смещается в сторону
неповреждённого полушария при
объёмных поражениях мозга
(опухоли, гематомы и т.д.)

43.

В В-режиме отражённые эхосигналы на экране регистрирующего
устройства вызывают свечение точек различной яркости (чем больше
амплитуда эхосигнала, тем ярче свечение).
На правом рисунке представлена эхоскопия плода в В-режиме УЗИ.
Трёхмерное изображение
Четырёхмерное изображение

44.

М-режим применяют для эхографии подвижных органов. В таком случае
амплитуда эхосигналов и время их прибытия от определённых структур
(например, клапанов сердца) меняются во времени. На рисунке
представлен принцип получения эхокардиограммы в ходе
эхокардиографии.

45.

Спасибо за
внимание!