В.А. Федоров, А.В. Яковлев, С.В. Васильева
МЕДИЦИНСКАЯ
ФИЗИКА
Курс лекций
 |
Тамбов 2012
министерство образования и науки российской федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Г.Р. ДЕРЖАВИНА»
МЕДИЦИНСКАЯ
ФИЗИКА
Курс лекций
Допущено Редакционно-издательским советом
ТГУ им. Г.Р. Державина в качестве учебника
для студентов, обучающихся по специальностям
060101.65 – Лечебное дело, 010707.65 – Медицинская физика
и направлению подготовки 011200 – Физика
| УДК 53:61 (075.6) ББК 22.3 я73 М42 | Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом ТГУ имени Г.Р. Державина |
Авторы-составители:
В.А. Федоров, А.В. Яковлев, С.В. Васильева
Рецензенты:
доктор медицинских наук, профессор Э.А. Османов;
доктор физико-математических наук, профессор А.А. Шибков
| М42 | Медицинская физика : учебник / авт.-сост.: В.А. Федоров, А.В. Яковлев, С.В. Васильева ; М-во обр. и науки РФ, ФГБОУ ВПО «Тамб. гос. ун-т им. Г.Р. Державина». Тамбов : Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2012. 122 с. В учебнике приведен краткий курс лекций по медицинской физике, предназначенный для студентов специальности «Лечебное дело». Учебник будет также полезен студентам специальности «Физика», (профиль «Медицинская физика»). УДК 53:61 (075.6) ББК 22.3 я73 | |
| © Федоров В.А., Яковлев А.В., Васильева С.В., составление, 2012 Ó ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина», 2012 | ||
MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE RUSSIAN FEDERATION
FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL
INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION
«TAMBOV STATE UNIVERSITY
named after g.r. dERZHAVIN»
MEDICAL
PHYSICS
Series of Lectures
Permitted by the Editorial-Publishing Board
of TSU named after G.R. Derzhavin as Course Book
for Students Studying the Disciplines
060101.65 – Medical Business, 010707.65 – Medical Physics
and Direction of Training 011200 – Physics
| Recommended for Publishing By the Editorial-Publishing Board Of TSU named after G.R. Derzhavin |
Authors:
V.А. Fedorov, А.V. Yakovlev, S.V. Vasilieva
Reviewers:
Doctor of Medicine, Professor E.А. Osmanov;
Doctor of Physics and Mathematics, Professor А.А. Shibkov
| Medical Physics : Textbook / Authors : V.А. Fedorov, А.V. Yakovlev, S.V. Vasilieva ; Ministry of Education and Science of RF, FSBEI HPE «Tambov State University named after G.R. Derzhavin». Tambov : the Publishing House of TSU named after G.R. Derzhavin, 2012. 122 pp. The textbook contains the short course on Medical Physics. It is intended for students studying the discipline «Medical Business». The textbook will also be useful for students studying the discipline «Physics», (profile «Medical Physics»). | ||
| © Fedorov V.А., Yakovlev А.V., Vasilieva S.V., Drawing up, 2012 Ó FSBEI HPE «Tambov State University named after G.R. Derzhavin», 2012 | ||
СОДЕРЖАНИЕ
ЛЕКЦИЯ 1. 11
Механические свойства тканей. 17
§ 1. Способы деформирования. 17
а) растяжение. 17
б) сдвиг. 18
в) изгиб. 18
г) кручение. 19
§ 2. Виды деформаций. 19
а) ползучесть. 20
б) релаксация. 20
в) прочность. 20
г) разрушение. 20
ЛЕКЦИЯ 2. 22
§ 3. Механические свойства биологических тканей. 22
а) костная ткань. 22
б) кожа (линии Лангера). 22
в) мышечная ткань. 24
г) сосудистая ткань. 24
§ 4. Уравнение Ламе. 24
Механические колебания и волны.. 25
§ 5. Механические колебания. 25
а) автоколебания. 25
б) колебательные движения тела человека
при ходьбе. 26
в) вестибулярный аппарат. 27
ЛЕКЦИЯ 3. 29
§ 6. Механические колебания сердца. 29
а) баллистокардиография. 29
б) апекскардиография. 29
в) кинетокардиография. 30
г) динамокардиография. 30
§ 7. Вибрации. 31
§ 8. Механотерапия. 32
§ 9. Механические волны.. 32
а) энергетические характеристики волны.. 33
§ 10. Эффект Доплера. 34
ЛЕКЦИЯ 4. 35
Акустика. Физика слуха. 35
§ 11. Акустика, звук. 35
а) акустика. 35
б) характеристики звука. 35
§ 12. Закон Вебера-Фехнера. 38
§ 13. Звуковые методы исследования. 39
а) аускультация. 39
б) фонокардиография. 39
в) перкуссия. 39
г) аудиометрия. 39
ЛЕКЦИЯ 5. 40
§ 14. Физика слуха. 40
а) наружное ухо. 40
б) среднее ухо. 41
в) внутреннее ухо. 43
§ 15. Бинауральный эффект. 44
§ 16. Тимпанометрия. 45
ЛЕКЦИЯ 6. 47
§ 17. Ультразвук. 47
а) биофизическое действие УЗ. 47
б) УЗ-терапия. 48
в) фонофорез. 48
г) аутогемотерапия. 48
Гемодинамика. 48
§ 18. Вязкость жидкости. 48
§ 19. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. 49
а) ламинарное течение. 50
б) турбулентное течение. 51
ЛЕКЦИЯ 7. 53
§ 20. Формула Пуазейля. 53
а) гидравлическое сопротивление. 54
б) риноманометрия. 55
в) фотогемотерапия. 55
§ 21. Физические основы гемодинамики. 55
а) пульсовая волна. 56
§ 22. Измерение давления крови. 57
§ 23. Сердце как насос. 59
ЛЕКЦИЯ 8. 61
Электрография. 61
§ 24. Физические основы электрографии. 61
а) диполь в равностороннем треугольнике. 61
б) токовый диполь. 61
в) виды электрографии. 62
ЛЕКЦИЯ 9. 63
§ 25. Теория отведений Эйнтховена.
Анализ электрокардиограмм.. 63
§ 26. Факторы, влияющие на ЭКГ. 66
§ 27. Допущения теории Эйнтховена. 66
ЛЕКЦИЯ 10. 68
Электромагнитные колебания и волны.. 68
§ 28. Электромагнитные колебания. 68
а) переменный электрический ток. 68
б) электрический импульс. 69
§ 29. Импульсная электротерапия. 70
а) электросонтерапия. 70
б) транскраниальная электроанальгезия. 70
в) электростимуляция. 70
г) электропунктура. 70
§ 30. Электромагнитные волны.. 70
§ 31. Физические процессы в тканях. 72
при воздействии током и электромагнитными. 72
полями. 72
а) гальванизация. 72
б) электрофорез. 72
ЛЕКЦИЯ 11. 73
§ 32. Воздействие импульсными токами. 73
§ 33. Воздействие токами высокой частоты.. 74
а) диатермия. 74
б) местная дарсонвализация. 74
в) диатермокоагуляция. 74
г) диатермотомия. 75
§ 34. Действие переменного электрического поля. 75
а) УВЧ – терапия. 75
§ 35. Действие СВЧ волн. 76
а) дециметровая терапия. 76
б) микроволновая (сантиметровая) терапия. 76
Магнитное и электрическое поля. 76
§ 36. Действие магнитного поля. 76
а) постоянное магнитное поле. Магнитотерапия. 77
б) импульсное магнитное поле (импульсная магнитотерапия) 77
в) высокочастотная (ВЧ) магнитотерапия. 77
§ 37. Действие постоянного электрического поля. 78
а) франклинизация. 78
б) лампа Чижевского (аэроионизатор) 78
§ 38. Импеданс тканей организма. 79
а) реография. 80
ЛЕКЦИЯ 12. 81
Физика зрения. 81
§ 39. Физические основы зрения. 81
а) устройство глаза. 81
б) аккомодация. 83
в) адаптация. 83
г) угол зрения. 83
д) предел разрешения. 83
е) острота зрения. 83
§ 40. Недостатки оптической системы глаза. 83
ЛЕКЦИЯ 13. 85
Действие различного рода излучений. 85
§ 41. Тепловое излучение. 85
а) солнце. 85
б) термография. 86
в) воздействие низких температур. 86
г) светолечение. 86
§ 42. Рентгеновское излучение. 87
§ 43. Использование рентгеновского излучения в
медицине. 88
а) рентгеноскопия. 89
б) рентгенография. 89
в) флюорография. 89
ЛЕКЦИЯ 14. 90
§ 44. Рентгеновская компьютерная томография. 90
§ 45. Радиоактивность. 93
ЛЕКЦИЯ 15. 96
§ 46. Биофизическое действие ионизирующего
излучения. 96
а) радиофармпрепараты.. 96
б) радиодиагностика. 98
в) радиотерапевтические методы. 98
§ 47. Дозиметрия. 99
ЛЕКЦИЯ 16. 103
Физические поля человека. 103
§ 48. Собственные физические поля организма человека. 103
§ 49. Акустические поля человека. 104
а) кохлеарная акустическая эмиссия. 104
б) акустическое излучение УЗ диапазона. 105
Процессы в мембранах. 106
§ 50. Физические процессы в мембранах. 106
а) функции мембран. 106
б) модели мембран. 107
в) физические свойства мембран. 108
ЛЕКЦИЯ 17. 109
§ 51. Уравнение Нернста-Планка. 109
§ 52. Виды транспорта через мембрану. 110
а) пассивный транспорт. 110
б) активный транспорт. 111
§ 53. Биоэлектрические потенциалы. 112
а) потенциал покоя. 113
ЛЕКЦИЯ 18. 115
§ 54. Потенциал действия. 115
а) распространение потенциала действия. 117
б) перехваты Ранвье. 121
CONTENTS
LECTURE 1. 17
Mechanical properties of tissue. 17
§ 1. Ways of deformation. 17
а) tension. 17
b) shear. 18
c) bend. 18
d) torsion. 19
§ 2. Types of deformation. 19
а) creep. 20
b) relaxation. 20
c) strength. 20
d) destruction. 20
LECTURE 2. 22
§ 3. Mechanical properties of biological tissues. 22
а) osseous tissue. 22
b) derma. 22
c) muscular tissue. 24
d) angienchyma. 24
§ 4. Lame’s equation. 24
Mechanical vibrations and waves. 25
§ 5. Mechanical vibrations. 25
а) self-oscillation. 25
b) oscillatory motion of human body while walking. 26
c) vestibular apparatus. 27
LECTURE 3. 29
§ 6. Mechanical vibrations of heart 29
а) ballistocardiography. 29
b) apexcardiography. 29
c) kinetocardiography. 30
d) dynamocardiography. 30
§ 7. Vibrations. 31
§ 8. Mechanotherapy. 32
§ 9. Mechanical waves. 32
а) energy characteristics of a wave. 33
§ 10. Doppler effect 34
LECTURE 4. 35
Acoustics. Physics of hearing. 35
§ 11. Acoustics, sound. 35
а) acoustics. 35
b) characteristics of sound. 35
§ 12. Psychophysical law (Weber-Fechner law) 38
§ 13. Sound methods of research. 39
а) auscultation. 39
b) phonocardiography. 39
c) percussion. 39
d) audiometry. 39
LECTURE 5. 40
§ 14. Physics of hearing. 40
а) outer ear 40
b) middle ear 41
c) inner ear 43
§ 15. Binaural effect 44
§ 16. Tympanometry. 45
LECTURE 6. 47
§ 17. Ultrasound. 47
а) biophysical effect of ultrasound. 47
b) Ultrasonic-therapy. 48
c) phonophoresis. 48
d) autohemotherapy. 48
Circulatory dynamics. 48
§ 18. Liquid viscosity. 48
§ 19. Newtonian and non-Newtonian liquids. 49
а) laminar flow. 50
b) turbulent flow.. 51
LECTURE 7. 53
§ 20. Poiseuille formula. 53
а) liquid resistance. 54
b) rhinomanometry. 55
c) photohemotherapy. 55
§ 21. Physical basis of haemodynamics. 55
а) pulse-wave. 56
§ 22. Blood pressure measuring. 57
§ 23. Heart as a pump. 59
LECTURE 8. 61
Electrography. 61
§ 24. Physical basis of electrography. 61
а) dipole in equiangular triangle. 61
b) current dipole. 61
c) types of electrography. 62
LECTURE 9. 63
§ 25. Einthoven theory.
Analysis of electrocardiograms. 63
§ 26. Factors influencing on ECG.. 66
§ 27. Assumptions of Einthoven theory. 66
LECTURE 10. 68
Electromagnetic waves and oscillations. 68
§ 28. Electromagnetic oscillations. 68
а) alternating electric current 68
b) electropulse. 69
§ 29. Impulse electrotherapy. 70
а) electrosleep therapy. 70
b) transcranial electric analgesia. 70
c) electrostimulation. 70
d) electropuncture. 70
§ 30. Electromagnetic waves. 70
§ 31. Physical prossesses in tissues. 72
under impact of current 72
and electromagnetic fields 72
а) galvanisation. 72
b) electrophoresis. 72
LECTURE 11. 73
§ 32. Impact of pulse currents. 73
§ 33. Impact of high-frequency current 74
а) diathermy. 74
b) punctual darsonvalization. 74
c) diathermocoagulation. 74
d) electrotomy. 75
§ 34. Effect of alterning magnetic field. 75
а) High-frequency therapy. 75
§ 35. Effect of superhigh frequences (SHF) 76
а) decimeter-wave therapy. 76
b) microwave (centimeter) therapy. 76
Magnet and electric fields. 76
§ 36. Effect of magnet field. 76
а) constant magnetic field. Magnetotherapy. 77
b) pulsed magnet field (pulsing magnetotherapy) 77
c) high-frequency (HF) magnitotherapy. 77
§ 37. Effect of constant electric field. 78
а) franklinism.. 78
b) lamp of Chizhevsky (aeroionizer) 78
§ 38. Impedance of body tissues. 79
а) rheography. 80
LECTURE 12. 81
Physics of vision. 81
§ 39. Physical basis of vision. 81
а) structure of an eye. 81
b) accomodation. 83
c) adaptation. 83
d) visual angle. 83
e) resolution limit 83
f) acuity of vision. 83
§ 40. Defects of optical system of an eye. 83
LECTURE 13. 85
Effect of different kinds of radiation. 85
§ 41. Infrared rays. 85
а) sun. 85
b) thermography. 86
c) effect of low temperature. 86
d) heliotherapy. 86
§ 42. X-ray radiation. 87
§ 43. Use of X-ray radiation in medicine. 88
а) roentgenoscopy. 89
b) roentgenography. 89
c) fluorography. 89
LECTURE 14. 90
§ 44. X-ray computed tomography. 90
§ 45. Radioactivity. 93
LECTURE 15. 96
§ 46. Biophysical effect of ionizing radiation. 96
а) radiopharmaceuticals. 96
b) radiodiagnosis. 98
c) radiotherapeutic methods. 98
§ 47. Dosimetry. 99
LECTURE 16. 103
Physical fields of human. 103
§ 48. Proper physical fields of human body. 103
§ 49. Acoustic fields of human. 104
а) cochlear acoustic emission. 104
b) acoustic radiation of ultrasonic range. 105
Processes in membranes. 106
§ 50. Physical processes in membranes. 106
а) functions of membranes. 106
b) models of membranes. 107
c) physical characteristics of membranes. 108
LECTURE 17. 109
§ 51. Nernst-Planck equation. 109
§ 52. Types of transport across membrane. 110
а) passive transport 110
b) active transport 111
§ 53. Bioelectric potentials. 112
а) resting potential 113
LECTURE 18. 115
§ 54. Action potential. 115
а) propagation of the action potential 117
b) nodes of Ranvier. 121
| ЛЕКЦИЯ 1 |
Способы деформирования
Механическое воздействие на тело изменяет взаимное расположение его частиц. Это приводит к тому, что меняется расстояние между частицами и возникают внутренние силы, стремящиеся вернуть атомы (ионы) в первоначальное положение. Действие этих сил характеризуется механическим напряжением.
 Рис. 1. |
а) Растяжение. В этом случае сила приложена вдоль оси бруска, и его длина (l) увеличивается на 
(рис. 1). Действие силы F, перпендикулярной поперечному сечению бруска S можно характеризовать механическим нормальным напряжением 
[Па]. 
– абсолютная деформация зависит от начальной длины l. Поэтому вводится относительная деформация:
(%).
При малых деформациях величины 
и 
связаны законом Гука:
.
Величина E называется модулем Юнга, который численно равен механическому напряжению, при котором длина образца увеличивается (упруго) в два раза. Его размерность также [Па]. E ‑ величина не реальная, но она присутствует во всех расчетах (табл. 1).
Таблица 1
Значения модулей упругости, МПа
| Коллаген 107 – 108 | Артерия 5  104 |
Кость 2  109 | Мышца в покое 9  105 |
Сухожилие 1,6  108 | Сталь 2  1011 |
Нерв 1,8  107 | Резина 5  106 |
Вена 8,5  105 | Дерево 12  109 |
Приведенные рассуждения справедливы и для сжатия.
 Рис. 2. |
. Относительная деформация определяется как: 
(угол 
– мал).
При сдвиге в бруске возникают касательные напряжения сдвига 
. Сила в данном случае параллельна основанию. S – поперечное сечение бруска, параллельное основанию. Для деформации сдвигом также справедлив закон Гука:
,
– называется модулем сдвига.
 Рис. 3. |
называется стрелой прогиба. Верхний слой балки сжат, а нижний растянут. Средний слой своей длины не меняет.
Материал, находящийся вблизи срединного слоя при изгибе практически не нагружен. Поэтому его можно удалить без ущерба для прочности. Это один из способов уменьшения массы конструкции. Это же используется для уменьшения массы человека, животных, птиц. В костях скелета отсутствует костная сердцевина. (Масса скелета в общей массе человека занимает ~ 18%). Рассмотренный изгиб называют поперечным.
 Рис. 4. |
. Относительная деформация 
; (Кручение подобно сдвигу). Виды деформаций
 Рис. 5. |
от 
выглядит следующим образом (рис. 5). ОА – участок упругой деформации, которая исчезает сразу после снятия нагрузки. Точка А называется пределом упругости ( 
). На участке ОА действует закон Гука. Участок АВ – появление деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки это пластическая деформация. Участок ВС – деформация текучести, которая происходит без увеличения напряжения. Напряжение ( 
), соответствующее точке B – называется пределом текучести. Участок СД – упрочнение, происходящее за счет накопления дефектов. Точка Д – предел прочности ( 
). При этих напряжениях происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от материала и от способа его деформирования.
а) Ползучесть ‑ еще один вид деформации ‑ это процесс изменения во времени размеров образца под действием постоянной нагрузки. Этот процесс длится очень долго (рис. 6).
б) Релаксация – это процесс изменения механического напряжения в образце при постоянной относительной деформации (рис. 7).
в) Прочность – способность тел выдерживать без разрушения, приложенную к ним нагрузку. Прочность зависит от вида нагружения (см. табл. 2).
г) Разрушение – макроскопическое нарушение сплошности тела в результате механических или каких-либо иных воздействий.
В разрушении выделяют обычно две стадии: начальную – развитие пор, микротрещин и конечную – разделение тела на две и более частей. Различают хрупкое и вязкое разрушения. Костная ткань разрушается хрупко.
 |  |
| Рис. 6. | Рис. 7. |
Таблица 2
Прочность при сжатии, растяжении, МПа
| Бедренная кость | Человек | Лошадь |
| Сжатие | ||
| Растяжение |
Таблица 3
Характеристики прочности, МПа
| Вид ткани | Предел прочности на сжатие |
| Сплошная кость | |
| Компактное вещество бедренной кости | 1470–2940 |
| Связки суставов | 10–16 |
| Позвонок | |
| Губчатое вещество бедренной кости | |
| Белковый компонент | 0,1 |
Вид разрушения зависит от многих факторов (структура материала, температура, скорость нагружения, качество поверхности и т.д.) (табл. 3).
| ЛЕКЦИЯ 2 |
Уравнение Ламе
Найдем механическое напряжение 
, возникающее в стенке сосуда при избыточном давлении P внутри сосуда. Рассмотрим отрезок цилиндрического кровеносного сосуда длиной L, внутренним радиусом r и толщиной стенок h (рис. 9).
Сосуд растянут давлением. Возьмем произвольное сечение ОО вдоль сосуда. Напряжение растяжения сосуда:
.
Это сила взаимодействия половинок сосуда по площади сечения.
Рис. 9.
Сила F уравновешивает избыточное давление P, которое создает силу:
; 
; 
.
Приравнивая эти силы 
получим:
или 
– уравнение Ламе.
Устойчивость различных биологических структур по отношению к различным деформациям следует знать в спортивной, космической медицине. В челюстно-лицевой хирургии, пластической хирургии, косметологии механические свойства тканей определяют объем воздействия и служат объективным критерием для оценки эффективности лечения. В травматологии и ортопедии вопросы механического воздействия на организм являются определяющими.
Механические колебания
а) Автоколебания. Существуют такие системы, которые сами регулируют периодическое восполнение потерянной энергии и поэтому могут колебаться длительное время. Системы называются автоколебательными.
Обратная связь – это воздействие результатов какого-либо процесса на его протекание. Обратная связь называется положительной, если она приводит к возрастанию интенсивности процесса и наоборот – отрицательной, если интенсивность процесса убывает.
Схема автоколебательной системы
Пример: механическая автоколебательная система – механические часы. Примером биологических автоколебательных систем являются сердце, легкие.
Положительная обратная связь проявляется в процессе генерации потенциала действия в мембранах. При этом деполяризация мембраны приводит к увеличению проницаемости для ионов натрия, а это ведет к еще большему изменению мембранного потенциала.
Отрицательная обратная связь имеет место в аппарате регулирования ширины зрачка (чем больше попадает в глаз через зрачок квантов света, тем уже становится диаметр зрачка). Обратная связь имеет место в системе регуляции уровня сахара в крови, в системе терморегуляции в организме человека.
б) Колебательные движения тела человека при ходьбе.
Ходьба – это сложный периодический локомоторный процесс, возникающий в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей. Характерной особенностью ходьбы является периодичность опорного положения одной ноги (период одиночной опоры) или двух ног (период двойной опоры). В норме отношение этих периодов 4:1. При ходьбе происходит периодическое смещение по вертикали центра масс (в норме до 5 см) и его отклонения в сторону (в норме на 2,5 см). При этом центр масс совершает движение по кривой, которая приближенно является гармонической функцией.
У человека, стоящего вертикально, происходят сложные колебания центра масс. На их анализе основана статокинезиметрия – метод оценки способности человека сохранять вертикальную позу. В эту группу методов входит и стабилография – метод оценки способности человека удерживать проекцию центра масс в пределах границ площади опоры. Метод реализуется с помощью стабилографа. Колебания, совершаемые центром масс испытуемого при поддержании вертикальной позы, передаются стабилоплатформе, на которой он находится, и регистрируются специальными тензодатчиками. Регистрирующее устройство записывает стабилограмму. По гармоническому спектру стабилограммы можно судить об особенностях вертикализации в норме и при отклонениях от нее. Метод эффективен для спортсменов, для больных после травм, инсультов, с церебральным параличом и др.
в) Вестибулярный аппарат ‑ система ориентации, обеспечивающая сохранение вертикальной позы.
 Рис. 10. |
По величине деформации пружин можно найти ускорение тела (a) и далее по формулам скорость 
и координаты:
.
Находя 
, 
, 
получим уравнения движения.
В человеческом организме имеется орган, который, по существу, является инерциальной системой ориентации – это вестибулярный аппарат (от латинского vestibulum – преддверие). Орган чувств, воспринимающий изменения положения головы и тела в пространстве, а также направление движения. Расположен во внутреннем ухе. Состоит из трех полукружных каналов и полости – преддверия. Внутри каналов и преддверия есть студенистая масса (эндолимфа), содержащая мелкие кристаллы фосфорнокислого и углекислого кальция (отолиты). Эндолимфа играет роль инерционного тела. Она при повороте головы и смещении тела приходит в движение относительно стенок преддверия и «полукружных каналов». Поверхности этих стенок содержат чувствительные нервные клетки, которые имеют свободные окончания в виде волосков. Волоски воспринимают движение эндолимфы. Если на вестибулярный аппарат оказывается длительное периодическое действие, возникает особое состояние – морская болезнь.
| ЛЕКЦИЯ 3 |
Вибрации
Вибрации – вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отдельные части с различными амплитудами и частотами.
Источник вибрации – работа машин, механизмов. Колебания, возникшие в каком-либо месте тела, распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и др.). Степень воздействия вибраций зависит от частоты, амплитуды, скорости и ускорения колеблющейся точки, энергии колебательного процесса.
Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть «вибрационная болезнь». Это приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.
Вредны и кратковременные вибрации, если в их спектре содержатся частоты, совпадающие с частотами собственных колебаний частей тела. Человеческое тело и его органы имеют собственные частоты колебаний в диапазоне от 3 до 12 Гц. Вследствие резонанса вибрация органов увеличивается, они деформируются, смещаются или теряют фиксацию, может произойти их механическое повреждение.
Вибрации могут быть и полезными, например, при массаже – ручном или аппаратном. Аппараты бывают для общей вибрации – вибрационные стул, кровать, платформа и аппараты местного вибрационного воздействия на отдельные участки тела.
Механотерапия
Механотерапия – это форма лечебной физкультуры (ЛФК). Как правило, это тренажеры, на которых осуществляются колебательные движения различных частей тела человека.
Одной из задач лечебной физкультуры является осуществление дозированных, ритмически повторяющихся физических упражнений с целью тренировки или восстановления подвижности в суставах на аппаратах маятникового типа. При разработке тренировочно-реабилитационных медицинских методик, для обоснования их допустимых параметров необходимо учитывать характеристики колебательных процессов.
Механические волны
Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой или механической волной. С волной связан процесс переноса энергии колебаний. Частицы среды при этом не переносятся, а колеблются около положения равновесия. Т.е переноса вещества нет.
Есть продольные и поперечные волны (рис. 15). В продольных волнах есть области сжатия и растяжения (рис. 15а). Частицы совершают колебания вдоль направления распространения волны. В поперечных волнах в среде возникают периодические деформации сдвига. Частицы совершают колебания в направлении перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 15б).
Продольные волны можно наблюдать во всех средах. Поперечные – в твердых телах и на поверхностях жидкостей.
Фронт волны – геометрическое место точек (поверхность), в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение. Фронт волны разделяет области, в которой точки колеблются и области, в которой точки находятся еще в равновесии.
Рис. 15.Человек создает волны при помощи пружины.
Продольная волна: звенья пружины движутся вправо
и влево параллельно распространению волны (также вправо) (a).
Поперечная волна: звенья пружины движутся вверх и вниз
перпендикулярно распространению волны (вправо) (b)
Волны распространяются с конечной скоростью. Скорость волны – это скорость движения фронта. В воздухе скорость колебания частиц – 10 см/с, а скорость звуковой волны 330 м/с. Волны могут быть плоскими и сферическими.
Длина волны – расстояние, на которое перемещается ее фронт за время равное одному периоду колебаний частицы.
а) Энергетические характеристики волны.
Переносимая волной энергия складывается из кинетической (движение частиц) и потенциальной (деформация среды).
Поток энергии (Ф) – величина, равная средней энергии, проходящей за единицу времени через данную поверхность:
[Вт].
Интенсивность волны (I) – величина равная потоку энергии волны, проходящей через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения волны:
[Вт/м2]. (5.1)
Объемная плотность энергии ( 
) – средняя энергия колебательного движения, приходящаяся на единицу объема среды:
[Дж/м3],
здесь 
– плотность среды; A – амплитуда колебаний; 
‑ циклическая частота – число колебаний за 2 
секунд.
Эффект Доплера
Эффект Доплера состоит в том, что воспринимаемая приемником частота сигнала отличается от излучаемой источником частоты вследствие движения источника сигнала или приемника.
Изменение частоты сигнала называется доплеровским сдвигом частоты ‑ 
. 
определяется по формуле: 
. Здесь 
‑ скорость движущегося тела, от которого отражается сигнал; 
‑ скорость распространения сигнала; 
‑ частота сигнала.
 Рис. 16. |
| ЛЕКЦИЯ 4 |
Акустика. Физика слуха
Акустика, звук
а) Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом. Звуковые явления, изучаемые в акустике, чрезвычайно важны для медицины, особенно для оценки слуховых ощущений.
В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20 
103 Гц. С возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается (табл. 4).
Таблица 4
| Возраст | Верхняя граница |
| Маленькие дети | 22000 Гц |
| До 20 лет | 20000 Гц |
| 35 лет | ~ 15000 Гц |
| 50 лет | ~ 12000 Гц |
Звук с частотами меньше 16 Гц – это инфразвук. Если частота звука выше 20 кГц – это ультразвук. Частоты волн в диапазоне 109–1012 Гц – это гиперзвук.
б) Характеристики звука.
Интенсивность звука (I) (см. формулу 5.1). Для человека важны два значения интенсивности, которые определяют на частоте 1 кГц.
Порог слышимости I0 = 10‑12 Вт/м2 – это минимальная интенсивность воспринимаемого звука – порог восприятия звука в норме. У некоторых людей может быть 10‑13 Вт/м2 или 10‑9 Вт/м2.
Порог болевого ощущения Imax = 10 Bт/м2. Звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли. Чувствительность уха колоссальна от I0 до Imax отличается в 1013 раз.
Звуковое давление. Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.
Звуковое давление – (Р) давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде. Оно является избыточным, и воздействует на барабанную перепонку.
Давление на пороге слышимости Р0 =2 
10‑5 Па.
Давление при болевом ощущении Рmax = 60 Па.
Между интенсивностью звука I и звуковым давлением есть связь: 
,
здесь 
– плотность среды; 
– скорость звуковой волны.
Волновое сопротивление среды ( 
). Это произведение плотности среды на скорость звука в среде: 
[кг/м2с] (табл. 5).
Таблица 5
Скорость звука и волновое сопротивление для различных сред
| Вещество |  , м/с |  |
| Воздух | 0,00043 | |
| Сталь | ||
| Мозг | 1,6 | |
| Кость черепа | 6,22 | |
| Жировая ткань | 1,32 |
Коэффициент