Механические колебания сердца

Существуют различные методы исследования сердца, в основе которых лежат механические периодические процессы.

а) Баллистокардиография (БКГ) – метод исследования механических проявлений сердечной деятельности, основанный на регистрации пульсовых микроперемещений тела, обусловленных выбрасыванием толчком крови из желудочков сердца в крупные сосуды. При этом возникает явление отдачи.

Тело человека помещают на специальную подвижную платформу, находящуюся на массивном неподвижном столе. Платформа в результате отдачи приходит в сложное колебательное движение. По баллистокардиограмме (рис. 11) можно судить о движении крови и состоянии сердечной деятельности.

Рис. 11.Запись баллистокардиограммы

б) Апекскардиография (АКГ) – метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки в области верхушечного толчка, вызванных работой сердца. Для регистрации колебаний используется пьезодатчик, который фиксируют на грудной клетке в точке максимальной пульсации (верхушечный толчок). Эту точку определяют пальпаторно. По сигналам датчика строится апекскардиограмма (рис. 12).

При анализе АКГ сравнивают амплитуды разных фаз работы сердца с максимальным отклонением от нулевой линии, которое принимают за 100 %.

Рис. 12.Запись апекскардиограммы

в) Кинетокардиография (ККГ) – метод регистрации низкочастотных вибраций стенки грудной клетки, обусловленных сердечной деятельностью.

Кинетокардиограмма отличается от апекскардиограммы: первая фиксирует запись абсолютных движений грудной стенки в пространстве, вторая регистрирует колебания межреберей относительно ребер. ККГ имеет сложный вид (рис. 13).

Рис. 13.Запись кинетокардиограмм перемещения (x),

скорости ( ), ускорения (a)

г) Динамокардиография (ДКГ) – метод оценки перемещения центра тяжести грудной клетки. ДКГ позволяет регистрировать силы, действующие со стороны грудной клетки человека. Для записи ДКГ пациент располагается на столе, лежа на спине. Под грудной клеткой находится воспринимающее устройство, которое состоит из двух жестких металлических пластин размером 30 30 см, между которыми расположены упругие элементы с тензодатчиками.

Периодически меняющаяся по величине и месту приложения нагрузка слагается из трех составляющих: постоянная – масса грудной клетки; переменная – эффект дыхательных движений; переменная – механические процессы, сопровождающие сердечное сокращение. Запись ДКГ осуществляют при задержке дыхания в двух направлениях относительно продольной и поперечной осей воспринимающего устройства (рис. 14).

Рис. 14.Запись нормальной продольной (а)

и поперечной (б) динамокардиограмм

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.

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов. Эффект Доплера используется в ультразвуковой диагностике. Использование эффекта Доплера показано на рис. 16. Ультразвуковые волны в крови отражаются от эритроцитов (1 и 2 – пьезодатчики).

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 I_max = 10 Bт/м². Звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли. Чувствительность уха колоссальна от I₀ до I_max 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 Р_max = 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 отражения (r) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волны:

При нормальном падении на поверхность звуковой волны (рис. 17) коэффициент отражения рассчитывается по формуле:

	Рис. 17.

Коэффициент пропускания ( ) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн

При нормальном падении волны на поверхность (рис. 17) рассчитывается по формуле:

Сумма . и – волновые сопротивления первой и второй сред соответственно.

Уровень интенсивности. При сравнении интенсивностей звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. сравнивать не сами величины интенсивности, а их логарифмы. Для этого используется величина L – уровень интенсивности.

Единицей уровня интенсивности является Бел [Б]. Если интенсивность возрастает в 10 раз, то уровень интенсивности возрастает на 1 Б.

На практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности [дБ] – децибел. 1дБ = 0,1 Б. Тогда L_дБ =10 или L_дБ = 20

Интенсивность звука от нескольких источников

,

а уровень интенсивности результирующего сигнала

В последнем случае уровни интенсивности берутся в Белах.

Закон Вебера-Фехнера

Закон Вебера-Фехнера – это психофизический закон. Так как он характеризует свойство субъективных ощущений. (Закон справедлив при оценке зрительной чувствительности яркости, тактильной чувствительности для кожи и др.).

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Громкость звука. Субъективное восприятие интенсивности звука связано не только с уровнем интенсивности, но и с частотой звука (например, ультразвук не воспринимается при большой интенсивности). При построении шкалы громкости учитывают восприимчивость уха «среднего» человека к различным частотам.

Поступают следующим образом. Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости – фон, которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по правилу: громкость исследуемого звука равна уровню интенсивности звука на частоте 1 кГц, который вызывает у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и исследуемый звук.

Рис. 18.

На рисунке 18 приведены кривые равной громкости. Их строят экспериментально. Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разному уровню интенсивности для разных частот. В таблице 6 приведены уровни интенсивности для различных звуков.

Таблица 6

Характеристики различных звуков

	Уровень интенсивности, дБ	Звуковое давление, Па
Тихий шепот		0,0002
Разговорная речь		0,006
Крик		0,2
Метро		0,64
Реактивный двигатель