Действие ультразвука на организм человека. Влияние ультразвука на организм человека
Ультразвуковое обследование – метод проверки организма без использования оперативного вмешательства, позволяющий выявить неполадки в работе организма. Применяется практически всеми современными медицинскими клиниками. Однако не все знают, вреден ли ультразвук для человека и каково его влияние на внутренние органы?
Что такое ультразвук
Ультразвук – это звуковые колебания, частота которых превышает границу 16-20 кГц и не воспринимается человеческим слухом. В медицинской практике он используется для диагностики внутренних органов для обнаружения различных отклонений в организме.
Специалисту не требуется проводить механических вмешательств в тело для получения данных. Во время диагностики на мониторе отображается черно-белая картинка обследуемого органа.
Ультразвук часто используют при лечении заболеваний внутренних органов, однако его мощное излучение может причинить вред здоровью. Опасным для человека может стать слишком продолжительное и интенсивное действие ультразвуковых волн.
Кроме медицины излучение применяют в других отраслях: фермерском хозяйстве, производстве, промышленности. Интенсивные колебания создаются при использовании различных приборов, например, турбореактивных двигателей.
В сфере медицины используемая частота волн достигает от 16 до 20 кГц, в промышленности – 20-70 кГц.
Влияние
Само по себе ультразвуковое излучение не несет опасность или пользу. Вред и польза ультразвука зависят от его применения. Звуковые колебания могут иметь различную частотность и мощность. Именно поэтому ультразвуком можно как разрезать гранит, так и проводить исследования беременных.
Влияние ультразвуковых волн на человека может быть различным. Продолжительное нахождение в зоне действия ультразвука может привести к печальным последствиям. Проникая сквозь среды организма, волны способны спровоцировать колебательные смещения, тяжелые нарушения тканей, воспаления, а также некроз.
При интенсивном воздействии даже разовое излучение может разрушительно влиять на клеточные структуры. Именно поэтому разработаны специальные защитные средства для людей, чья профессия связана с ультразвуком.
Ультразвук кардинально отличается от рентгенографии. Во время рентгена в организм человека проникает определенная порция радиации, которая со временем способна накапливаться во внутренних органах и нанести вред здоровью. Процедура УЗИ не осуществляет радиоактивного излучения: волны генерирует медицинский прибор. Данные колебания не затрагивают клеточные структуры, ткани и внутренние органы, так как интенсивность волн является минимальной.
УЗИ, в отличие от рентгена, не вредит здоровью человека. Это позволяет без опасений использовать ультразвуковые лучи для диагностики беременных женщин и детей.
Однако человеку, работающему с аппаратом УЗД, необходимо тщательно придерживаться правил эксплуатации оборудования.
Вред
Опасен ли ультразвук для человека? Ультразвуковое излучение – это определенное количество звуковых колебаний, не способных к накоплению внутри организма. Только регулярное взаимодействие с ультразвуковым прибором может стать вредным. Выключив прибор, можно прекратить его влияние.
При продолжительном воздействии колебания могут поражать некоторые отделы мозга. Так, специалисты, обслуживающие аппарат УЗИ, нередко страдают следующими расстройствами:
- бессонницей;
- повышенной агрессивностью;
- головными болями;
- снижением памяти;
- ухудшением слуховыми способностями.
У лиц, находящихся в зоне распространения волн, часто немеют конечности, может развиться полиневрит, уменьшиться содержание сахара в крови, а также наблюдается нехватка витаминов. Кроме того, продолжительное воздействие излучения на человека может спровоцировать покраснение или побледнение лица.
Врачи, осуществляющие диагностику аппаратом УЗИ, чаще других:
- страдают астеническим синдромом;
- испытывают галлюцинации;
- теряют вес;
- имеют эндокринные заболевания.
Именно поэтому врачи-специалисты УЗД получают надбавку за вредность.
Данные проявления чаще всего носят временный характер и возникают у пациента в тех случаях, если по состоянию здоровья ему приходится часто посещать кабинет ультразвуковой диагностики.
Применяя данный метод исследования два-три раза в год, с большими промежутками времени, можно не бояться за последствия.
Однако регулярное использование или нарушение требований техники безопасности аппарата могут спровоцировать некоторые расстройства.
Польза
Укрощенное излучение не способно навредить организму, и часто применяется на пользу человеку, например, в физиотерапии.
Излучение способствует:
- регенерации тканей, ускорению заживления ран;
- рассасыванию спаек и рубцов;
- уменьшению спазмов и болевых ощущений в мышцах;
- проницаемости кожных покровов для медикаментов;
- повреждению клеточных оболочек бактерий;
- отшелушиванию ороговевшего слоя кожи при пилинге.
Ультразвуковая диагностика – информативный способ обследования внутренних органов, который достоверно выявляет любые неполадки в организме и является относительно дешевым.
Ультразвуковое обследование – современной, практичный и безвредный способ исследования женщины во время беременности. УЗИ обычно назначают:
- для подтверждения зачатия;
- для выявления возможных дефектов и отклонений развития плода, а также осмотра расположения плаценты;
- для установления срока беременности;
- для определения жизнеспособности и пола эмбриона.
В некоторых случаях применение УЗИ особенно необходимо – процедура поможет проверить течение беременности, своевременно выявить отклонения, а также сохранить жизнь и здоровье будущей матери и ее ребенка.
Специалисты уверены, что плановое осуществление ультразвукового обследования для выявления отклонений во время вынашивания ребенка не угрожает какими-либо вредными последствиями для здоровья.
Таким образом, применение ультразвука в диагностике не оказывает негативного воздействия на здоровье человека. Данный способ исследования является безопасным для людей всех возрастных категорий. Однако людям, чья деятельность связана с ультразвуковым излучением, необходимо придерживаться правил техники безопасности во избежание вредного влияния ультразвука.
Эпопея строительства Байкало-Амурской железнодорожной магистрали и освоения прилегающих к ней территорий, решения связанных с ними медико-биологических проблем не канула в Лету. Она в научный трудах, в памяти участников, в накопленном огромном
опыте проведения крупномасштабных комплексных исследований, результаты которых, часто имеющие общебиологическое значение, могут быть применимы к любыш регионам с экстремальными условиями существования человека.
RESEARCHES OF EMPLOYEES OF FACULTY OF HOSPITAL THERAPY ISMI AND THE ACADEMIC GROUP K.R. SEDOVS IN THE ZONE OF CONSTRUCTION OF THE BAIKALAMUR RAILWAY
Y.V. Zobnin (Irkutsk State Medical University)
The historical sketch of scientific-practical researches and other actions under the decision of medical and biologic problems of region of construction of a Baikal-Amur trunk-railway and new economic development of the adjoining territories which have been carried out by employees of faculty of hospital therapy of Irkutsk state medical institute and the academic group under the direction of the full member of Academy of Medical Sciences of the USSR K.R. Sedova is submitted.
© ШЕВЧЕНКО Е.В., ХЛОПЕНКО H.A. - 2006
ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ОРГАНИЗМ
Е.В. Шевченко, H.A. Хлопенко
(Иркутский государственный медицинский университет, ректор - д.м.н., проф. И.В. Малов, кафедра медицинской и
биологической физики, зав. - д.б.н., проф. Е.В. Шевченко)
Резюме. Показано, что основные характеристики ультразвука (частота, интенсивность, длительность воздействия) в значительной мере определяют особенности распространения его в среде и биотканях. При распространении ультразвука в биотканях проявляется ряд эффектов (механический, термический, физико-химический), который приводит к некоторым отклонениям от физических законов его распространения в веществе, характер которых необходимо учитывать при проведении диагностических и терапевтических мероприятий. Ключевые слова. Ультразвук, характеристики, биологическая ткань, диагностика._
Современная клиническая медицина немыслима без мощного диагностического обеспечения, без которого принципиально невозможно выгработатъ и своевременно корректировать план адекватного лечения. В основе такого обеспечения лежит использование высоких технологий лучевой диагностики, позволяющей визуализировать нормальные и патологические ткани организма человека с помощью различный физических агентов. Состав лучевой диагностики сейчас включает рентгенодиагностику, в том числе рентгеновскую компьютерную томографию, радионуклидную диагностику, ультразвуковые исследования (УЗИ), магнитно-резонансную визуализацию, термографию и некоторые другие, менее распространенные, диагностические технологии.
По диагностической значимости важное место занимают УЗИ. Ультразвуковая диагностика позволяет без нарушения кожных покровов и без особенного вмешательства в физиологические процессы организма изучать положение, форму, размеры, состояние поверхности и внутреннее строение всех органов человека, а также оценивать их функциональное состояние.
Ультразвук представляет собой механические колебания упругой среды, занимающий область выше 16000 Гц. Верхний предел спектра ультразвуковык колебаний не установлен. В медицине применяется ультразвук относительно высокой частоты 800^3000 кГц. Для полу-
чения улыгразвука в настоящее время применяются спе-циалыные устройства, в который исполызуются пыезоэ-лектрический, магнитострикционный, электродинамический, аэро- и гидродинамический эффекты.
Частотная характеристика и длина волны в значи-телыной мере определяют особенности распространения колебаний в окружающей среде. Если низкочастотный улытразвук обладает способностыю распростра-нятыся в воздушной среде, то улытразвук высокой частоты практически в воздухе не распространяется за счет силыного поглощения. При короткой длине волны улы-тразвук может фокусироватыся и направлятыся линейным пучком. С уменышением длины волны снижается способность волны к дифракции, что создает благоприятные условия для экранирования.
Происходящие в улытразвуковой волне колебателы-ные движения частиц вещества характеризуются очены малой амплитудой смещения и чрезвыиайно болыши-ми ускорениями. Так, при частоте 880 кГц и при интенсивности 2 Вт/см2, частицы тканей тела колеблются с амплитудой 3,5- 10-6 см. Максималыное ускорение при этом достигает 90- 104 см/с2, что превышает ускорение свободного падения тел почти в 100 тысяч раз. Скоросты распространения улытразвука в тканях человека и жи-вотныгх колеблется от 1490 до 1610 м/с, т. е. почти не отличается от скорости распространения улытразвука в
воде. Существенное влияние на скорость ультразвука оказывает температура среды. При повышении температуры воздуха на 1° скорость увеличивается на 0,5 м/с. При температуре воздуха 0° скорость звука и ультразвука - 331,5 м/с, а при температуре +18°С она увеличивается до 342 м/с. Повышение температуры воды на 1° приводит к увеличению скорости на 2,5 м/с.
Помимо указанных параметров (частоты, длины волны и скорости), ультразвук характеризуется интенсивностью. В медицинской практике по интенсивности ультразвуковые колебания подразделяют на три диапазона: до 1,5 Вт/см2 - малая; 1,5 3 Вт/см2 - средняя; 3^10 Вт/см2 - большая интенсивность.
При переходе ультразвука из одной среды часть энергии проходит во вторую среду, а часть - отражается. Отражение зависит от акустического сопротивления сред. Чем больше отличаются величины акустического сопротивления двух сред, тем больше отражение ультразвуковых волн на границе раздела. Например, акустическое сопротивление воздуха 41 г-с/см2, а воды 15-104 г-с/см2. Вследствие большой разницы этих величин коэффициент отражения на границе раздела - 0,9993, т.е. из воздуха в воду и обратно проходит около 0,1% энергии. Так же плохо ультразвук распространяется из металла в воздух и обратно.
Известно, что ультразвуковые колебания хорошо распространяются из воды в биологические ткани и, наоборот, плохо проходят из воздуха в ткани. Так, установлено, что коэффициент поглощения ультразвука, распространяющегося из воздуха в кожу, такой же, как на границе воздух-вода.
Но при этом нельзя делать заключение, что ультразвук не проникает в ткани и почти полностью отражается от поверхности тела, так как необходимо учитывать строение кожи, не игнорируя то обстоятельство, что она состоит из разных по влагосодержанию тканей. Поверхностный слой кожи (эпидерма) содержит мало влаги и не может быть отождествлен с этой точки зрения с внутренними органами, мышечной тканью и тем более с водой. Нужно помнить также и небольшую толщину эпидермы. Не исключено, что и по этой причине она не может быть серьезным препятствием для распространения ультразвука в более глубокие слои кожи. Поглощение ультразвука тканями человека изучалось с целью выяснения возможного влияния его на организм. Однако на основании только величины коэффициента поглощения нельзя предрешить биологический эффект. Очевидно, следует учитывать и явления отражения, происходящие в тканях, что может приводить к усилению биологического эффекта.
Выше изложенное свидетельствует о необходимости аналитического подхода к оценке установленных физиками относительных величин. При решении гигиенических вопросов необходимо исходить, прежде всего, из их биологической значимости.
При распространении ультразвуковых колебаний в различных средах их интенсивность ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Потеря энергии происходит вследствие поглощения ультразвука средами, в которых он распространяется. Поглощение обусловлено вязкостью и теплопроводностью среды. Установлено, что поглощение ультразвука в воздухе примерно в 2000 раз больше, чем в воде. По-
глощение также зависит от частоты ультразвуковых колебаний и увеличивается пропорционально квадрату частоты. Поэтому затухание ультразвуковых волн при повышении частоты быстро растет.
Следует отметить, что совершенно не подчиняется общим физическим закономерностям поглощение ультразвука в биологических тканях. В биологических тканях существует не квадратичная, а линейная зависимость поглощения от частоты. Это объясняется большой неоднородностью тканей. Неоднородностью биологических тканей обусловлена и разная степень поглощения ультразвука. Например, наименьшее поглощение наблюдается в жировом слое и почти вдвое большее в мышечной ткани. Серое вещество мозга в 2 раза больше поглощает ультразвук, чем белое. Мало абсорбирует ультразвуковую энергию спинномозговая жидкость. Наибольшее поглощение наблюдается в костной ткани.
При распространении ультразвука в среде проявляется ряд эффектов, основными из них являются: механический, термический и физико-химический. Прохождение ультразвука в средах сопровождается их нагреванием вследствие превращения акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе раздела двух сред, что приводит к усилению теплового эффекта в несколько раз. Это связано с отражением колебаний от пограничных поверхностей: чем больше отражение, тем больше выражено их действие, т.е. с увеличением поверхности, отражающей колебания, тепловое действие усиливается. При проведении ультразвуковой терапии при плотном прилегании источника ультразвука к коже у пациента не наблюдается неприятных ощущений. Но если между кожей и головкой излучателя имеется небольшая прослойка воздуха, появляется ощущение жжения. Усиление термического эффекта обусловлено интенсивным отражением ультразвуковых колебаний на границе кожа-воздух вследствие большой разницы в их акустическом сопротивлении.
Механический эффект, в свою очередь, обусловлен самой природой ультразвука, представляющего собой волновое движение газообразных, жидких и твердых сред, и связан с переменным акустическим давлением во время сжатия и растяжения среды и силами, развивающимися вследствие больших ускорений частиц. Этим определяется размельчающее и диспергирующее действие ультразвука.
Известно, что возбуждение ультразвуковых колебаний в жидкости сопровождается кавитацией. В жидкости при распространении упругих волн возникают последовательно фазы сжатия и разряжения. В фазе разряжения в отдельных участках жидкости образуются разрывы или полости, которые заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Последующее сжатие приводит к захлопыванию образовавшихся пузырьков. Перед захлопыванием в них создается большое давление. Поэтому в момент исчезновения пузырьков происходят мощные гидравлические удары, обладающие большой разрушительной силой. Помимо освобождения механической энергии, образование кави-тационных полостей сопровождается возникновением
электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды, распадающихся на свободные гидро-ксильные радикалы и атомарный водород. В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука. В частности, с этим связано его окисляющее действие; распад белков в ультразвуковом поле; деполимеризация белковых соединений, инактивация ферментов, ускорение химических реакций.
Исследования биологического действия высокочастотного ультразвука на животных и человека были вызваны в основном потребностями практической медицины - необходимостью изучить, разработать и установить оптимальные лечебные дозы высокочастотного ультразвука, применяемого контактным способом. Важное значение данной проблемы было обусловлено и тем, что с конца 40-х годов начали поступать сообщения о различных осложнениях, связанных с передозировкой высокочастотного ультразвука в лечебной практике. В настоящее время интенсивность применяемого терапевтического ультразвука на частотах от 800 кГц до 1^1,5 МГц значительно снижена: вместо 2^4 Вт/см2 наиболее часто применяется 0,2^0,4 Вт/см2. В случае диагностики параметры ультразвука при этом остаются еще высокими: частота может достигать от 800 кГц до 20 МГц, интенсивность варьировать между 0,01^0,1 Вт/см2 и 10^20 Вт/см2, а иногда и более.
Изучение биологического действия контактного высокочастотного ультразвука на различные системы целостного организма показало, что наиболее чувствительной к нему является центральная и периферическая нервная система: прежде всего, головной мозг-гипоталамус и ретикулярная формация ствола, кора больших полушарий, центральные и периферические вегетативные структуры и затем периферические нервы. Сердечно-сосудистая и дыхательная функции первично страдают в результате воздействия ультразвука на соответствующие гипоталамические и стволовые центры.
Экспериментальными исследованиями были показаны 3 характерные стадии биологического действия высокочастотного ультразвука на теплокровных. Интенсивное облучение мозга на частоте 400 КГц последовательно вызывало: 1) возбуждение, 2) торможение и 3) параличи дыхательного, а затем сердечно-сосудистого центров. На записях артериального давления и дыхания соответственно выступало: начальное возбуждение, последующее повышение давления до критических величин и паралич дыхания, как это наблюдается при шоке. Всю клиническую картину в целом находят весьма близкой к сотрясению мозга, что подтверждалось при гистологической обработке этих материалов. Указанные изменения мозга исследователи трактуют как травматические, вызванные механическим действием ультразвука, клиновидные же очаги некроза считают характерным распределением лучистой ультразвуковой энергией. Ультразвуковое воздействие разной интенсивности на различные области головы приводило к выраженным трофическим изменениям (похудение, незаживающие язвы, выпадение шерсти), глубокой астении, эндокринным расстройствам, обменным
нарушениям, к изменению состава периферической крови - лейкоцитозу либо лейкопении, изменению гемолитической стойкости эритроцитов и пр. Это связано с рефлекторным действием высокочастотного ультразвука на вегетативные центры головного мозга и, в первую очередь гипоталамической области.
Ультразвуковые колебания изменяют структуру клеточных мембран, увеличивают их проницаемость, стимулируют процессы гидролиза, гликолиза, активность биокатализаторов. Они повышают проницаемость кожи, повышают активность холинэстеразы почти в 2 раза. Доказано участие коры больших полушарий в функциональной перестройке деятельности организма, происходящей под влиянием ультразвукового облучения. Опыты показали, что под действием ультразвуковых колебаний разной интенсивности возникают направленные изменения биопотенциалов коры головного мозга, при этом слабое и однократное озвучивание сопровождается увеличением биопотенциалов коры, повторное либо интенсивное воздействие ультразвука приводит к снижению их, вплоть до полного биоэлектрического «молчания». Итак, в зависимости от интенсивности и длительности воздействия ультразвуки оказывают стимулирующее, активирующее влияние либо угнетают, тормозят и подавляют биологические процессы, физиологические реакции организма.
При озвучивании разных отделов спинного мозга и периферических нервных стволов отмечены те же закономерности, что и при озвучивании головного мозга. Патогенез ультразвуковых изменений можно объяснить механическими колебаниями - вибрационной микротравматизацией, приводящей к явлениям сотрясения спинного мозга.
В отношении периферических нервов установлены такие же закономерности воздействия ультразвука разной интенсивности: ультразвуки слабой и средней мощности повышают возбудимость и ускоряют проведение нервного импульса; с повышением интенсивности и продолжительности озвучивания нарастает угнетение возбудимости нерва до появления полного блока; па-тогистологически определяются набухание нервных волокон, их извитость, вакуолизация и распад.
Практика терапевтического применения высокочастотного ультразвука также выявила возможность неблагоприятного его воздействия на периферические отделы нервной системы. При лечебном действии высокочастотного ультразвука 1,5 Вт/см2 наблюдалась анал-гезия в зоне иннервации нерва ниже места озвучивания.
В ряде наблюдений приводятся данные заболевания периферических нервов активной руки у лиц, отпускающих лечебные процедуры. Отпуская сотням пациентам ультразвуковые процедуры, специалисты отмечают боли, парестезии и слабость правой кисти; после переключения на левую руку - аналогичные явления возникают и в левой кисти.
Большой интерес представляют функциональные и морфологические изменения в различных тканях и органах, возникающие, по заключению большинства авторов, от воздействия ультразвука на ЦНС. В этом плане существенную роль играют кожные анализаторы и особенно богато представленная на периферии вегетативная нервная система. Кожа является своеобразной антенной вегетативной нервной системы, пере-
дающей ультразвуковое раздражение на путь кожно-висцеральных рефлексов. Кроме того, ультразвуковое раздражение, падая на рецепторный аппарат кожи, передается по всем направлениям на периферические и центральные образования симпатической и парасимпатической нервной системы, на все уровни спинного и головного мозга как по специфическому, так и неспецифическому путям. На основании экспериментальных и клинических исследований многими авторами выявлены закономерные изменения сердечно-сосудистой деятельности.
Исследование сосудистых реакций организма на воздействие ультразвука позволило установить, что малые дозы высокочастотного ультразвука (0,2^1 Вт/см2) вызывают сосудорасширяющий эффект, большие дозы (3 Вт/см2 и более) - сосудосуживающий. Заметное влияние оказывает ультразвук и на тонус артерий крупного и среднего калибра. Достаточно широко известны изменения деятельности желудочно-кишечного тракта и других органов, развивающиеся под действием высокочастотного ультразвука. Исследователи связывают наблюдаемые ими изменения с воздействием ультразвука на гипоталамус, регулирующий деятельность внутренних органов рефлекторным и нейрогуморальным путем.
Ультразвуковые повреждающие изменения кохлеар-
ного аппарата и других тканей (костей) трактуются как неспецифические, вызванные действием вибрации.
Механизм действия ультразвуковык колебаний на организм объясняется не только непосредственным специфическим влиянием ультразвука на нервную систему, но и рефлекторным влиянием, осуществляемым путем сложнейших перекрестных рефлексов.
Приведенные сведения о действии высокочастотного ультразвука на организм животных и человека свидетельствуют о полиморфных и сложных изменениях, происходящих почти во всех тканях, органах и системах организма соответственно степени их резистентности к ультразвуку. Изменения происходят на клеточном, молекулярном и субмикроскопическом уровнях тканей, выгзытая «перестройку» физиологических реакций, ней-рогуморальных, обменных процессов, эндокринной функции и деятельности различных систем и органов, подчиняясь общей закономерности: малые интенсивности стимулируют, активируют, средние и большие угнетают, тормозят и могут полностью подавлять функции.
Таким образом, этот материал, изложенный с позиции воздействия ультразвука на биологические системы, поможет медикам ориентироваться в выборе параметров ультразвука при использовании этого лечебного фактора.
THE INFLUENCE OF ULTRASOUND ON THE ORGANISM
E.V. Shevchenko, N.A. Kchlopenko (Irkutsk State Medical University)
Its shown that main ultrasound charaecteristics (intensity, exposition duration, rate) establish the peculiarities of its spreading in medium and biotissues. A number of effects (mechanical, thermal and physical-chemical) occurs when the biotissues ifluenced by ultrasound. These effects result in some deviations from physical laws (principles) the nature of which is to be taken into the consideration when diagnostic and medical (theraupeutic) measures are performed.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мшш/юв И.Г. Ультразвук и его применение. - Л., 1968.
2. Ультразвук и термодинамические свойства. - Курск,
3. Мрименение82льтразвука к исследованию вещества. -
4. БоголЮбов ВА, Пономаренко В.Н. Общая физиотерапия. - М., 1998. - С.239-259.
5. Боголюбов В.А. Техника и методики физиотерапевтических процедур. - М.: Медицина, "2002. - С.246-272.
6. Руденко Т.Л. Физиотерапия. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. - С.214-228.
7. ММЬлчанов Г.И. Ультразвук в фармации. - М., 1980. -
8. Царцис П.Г., Френкель И.Д. Биохимические основы физической терапии или общая физиотерапия. - М., 1987. - 453 с.
© БАРДЕДИНОВ Х.К. - 2006
ЛЕКЦИИ ПО ФОРМАЛЬНОЙ ЛОГИКЕ: ВВЕДЕНИЕ В УЧЕНИЕ О
ПОНЯТИИ (лекция 2)
Х.К. Бардединов
(Иркутский институт повышения квалификации работников образования, ректор - д. ист. н., проф. Л.М. Дамешек, кафедра коррекционно-развивающего обучения, и.о. зав. - Х.К. Бардединов)
Резюме. Известно, что в процессе подготовки специалиста (врача, юриста, психолога, педагога, журналиста и т.д.) не только накапливаются нужные знания, но формируется так называемое «профессиональное» мышление. Это своеобразная мыслительная деятельность специалиста, предполагающая особые формы и взаимосвязи анализа, синтеза, обобщения, которые связаны с необходимостью соотношения общего (общая картина болезни, картина поведения, преступления, успеваемости и др.) с отдельными составляющими (факторы влияющие на поведение, успеваемость, симптомы болезни и др.). Профессиональное мышление также предполагает быстрое и своевременное принятие единственно правильного решения. Значительную составляющую в таком мышлении, кроме интуитивного и творческого, представляет аналитическое (логическое) мышление, которое позволяет специалисту создавать картину ситуации в виде четких мыслей - в виде понятий, суждений, умозаключений. Ключеше слова. Мышление, логика, понятие, содержание, специалист.
Логическая теория - своеобразна. Она выгсказыта-ет об обычном человеческом мышлении то, что покажется Вам на первыш взгляд необыиным и без необхо-
димости усложненным. Основное содержание логики формулируется зачастую на особом, созданном специально для формализации мысли искусственном языке.
Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов, гуморальные нарушения. Наиболее характерным является наличие вегетососудитой дистонии и астенического синдрома.
Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.
При действии локального ультразвука, помимо обще церебральных нарушений, возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже и ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетомиофасцикулита рук и вегетативно-сосудистой дисфункции.
Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия.
Малые дозы - уровень звука 80 - 90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов.
Влияние на ткани ограничивается раздражением нервных рецепторов. Изменения функционального состояния ЦНС сопровождаются нормализацией сосудистых реакций, снижением артериального давления, расширением сосудов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект.
Оздоровление условий труда
Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое нормирование.
В соответствии с ГОСТом 12.1.01 - 83 (ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности), «Санитарными нормами и правилами при работе на промышленных ультразвуковых установках» ограничиваются уровни звукового давления в высокочастотной области слышимых звуков и ультразвуков на рабочих местах (табл. 11).
Таблица 11. Допустимые уровни ультразвука
Ультразвук, передающийся контактным путем, нормируется «Санитарными нормами и правилами при работе с оборудованием, создающим ультразвуки, передающиеся контактным путем на руки работающих» № 2282 - 80. В качестве нормируемого параметра ультразвука, распространяющегося контактным путем, устанавливается пиковое значение виброскорости в полосе частот 0,1 - 10 мГц или в дБ относительно 5*10 -8 м/с. Максимальная величина ультразвука в зоне контакта рук оператора с рабочими органами приборов в течение 8-часового рабочего дня по виброскорости не должна превышать 1,6*10 -2 м/с или 110 дБ.
Допускается ультразвук при контактной передаче по интенсивности в Вт/см 2 . Предельно допустимое значение составляет 0,1 Вт/см 2 . Меры предупреждения неблагоприятного действия ультразвука на организм операторов технологических установок, персонала лечебно-диагностических кабинетов состоят в первую очередь в проведении мероприятий технического характера. К ним относятся создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование по возможности маломощного оборудования, что способствует снижению интенсивности шума и ультразвука на рабочих местах на 20 - 40 дБ; размещение оборудования в звукоизолированных помещениях или кабинетах с дистанционным управлением; оборудование звукоизолирующих устройств, кожухов, экранов из листовой стали или дюралюминия, покрытых резиной, противошумной мастикой и другими материалами.
При проектировании ультразвуковых установок целесообразно использовать рабочие частоты, наиболее удаленные от слышимого диапазона - не ниже 22 кГц.
Чтобы исключить воздействие ультразвука при контакте с жидкими и твердыми средами, необходимо устанавливать систему автоматического отключения ультразвуковых преобразователей при операциях, во время которых возможен контакт (например, загрузка и выгрузка материалов), для защиты рук от контактного действия ультразвука рекомендуется применение специального рабочего инструмента с виброизолирующей рукояткой.
Если по производственным причинам невозможно снизить уровень интенсивности шума и ультразвука до допустимых значений, необходимо использование средств индивидуальной защиты - противошумов, резиновых перчаток с хлопчатобумажной прокладкой.
Организационные и медико-профилактические мероприятия. К мерам организационного плана относятся соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с ультразвуком более 50% рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин через каждые 1,5 ч работы.
Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур – УФ-облучение, водные процедуры, витаминизация и др.
Рабочие должны проходить предварительный и периодические медицинские осмотры в соответствии с приказом МЗ СССР (№ 700). К работам с ультразвуком не допускаются лица моложе 18 лет, а также лица, имеющие противопоказания к работе в условиях ультразвука.
Все рабочие должны быть ознакомлены с «Гигиеническими требованиями к устройству и эксплуатации ультразвуковых установок», утвержденными ГСЭУ МЗ СССР от 30.12.69 г., и обучены безопасным приемам труда.
Сегодня ультразвук широко используют в промышленности и медицинской сфере. Его влияние на человеческий организм характеризуется изменениями в зависимости от применяемых частот.
Ультразвук — это высокочастотная механическая волна, недоступная человеческому слуху, способному воспринимать колебания в диапазоне от 16 до 20 КГц.
Его свойства уникальны:
- способен распространятся в газообразной, жидкой и твёрдой среде;
- бывает естественным и искусственным;
- благодаря ему животные, птицы и насекомые могут ориентироваться в пространстве в любое время суток;
- за счёт него дельфины и киты могут посылать сигналы на дальние расстояния;
- применяется в различных промышленностях и областях науки.
Влияние ультразвуковых волн на организм человека
Влияние ультразвука на организм человека на высоких частотах нарушает работу нервной системы:
Вреден ли ультразвук для человека?
Влияние ультразвука на организм человека характеризуется изменениями, которые возникают в зависимости от дозы воздействия. При малых дозах до 90 дБ происходит стимулирующий эффект, то есть микроскопический массаж с помощью вибрации, а также ускорение обменных процессов.
При больших дозах 120 дБ и больше происходит поражение.
В зависимости от применяемой дозы механических колебаний, а также мощности ультразвук действует на ткани по-разному:
Ультразвук для человека не вреден, если соблюдать определённую частоту и время, можно достичь положительных терапевтических результатов.
В медицинских целях ультразвук считается совершенно безопасным.
Благодаря ему можно:
- в травматологии обнаружить внутреннее кровотечение;
- в акушерстве оценить развитие плода и его параметры, а также узнать пол;
- в кардиологии обследовать сердечную и сосудистую систему.
Область применения ультразвука
Ультразвук используют в различных сферах:
- металлургическая промышленность;
- химическая промышленность;
- сельскохозяйственная промышленность;
- текстильная промышленность;
- пищевая промышленность;
- фармакологическая промышленность;
- приборостроительная и машиностроительная промышленность;
- нефтехимическая и перерабатывающая промышленность;
- военная промышленность;
- медицина;
- стоматология;
- косметология;
- биология;
Применение ультразвука в медицине
В медицине применяются несколько частотных диапазонов для различных целей:
Диапазон ультразвука | Применение |
Высокий, 1-20МГц. | УЗ-диагностика и хирургия. |
Средний, 0,7-3МГц. | Физиотерапия с термическим действием. |
Низкий, 20-200КГц. | Терапия на основе механического влияния ультразвука: стоматология, хирургия глаз, липосакция, сонофорез, сонотромболизис. |
В медицине с помощью ультразвуковой терапии можно вылечить многие заболевания:
- кожные – угри, фурункулёз, дерматит и другие;
- глазные – конъюнктивит, кератит, блефарит и другие;
- стоматологические – стоматит, пародонтоз, гингивит и другие;
- сердечные и сосудистые – стенокардия, гипертония, варикоз и прочее;
- опорно-двигательного аппарата – артрит, вывихи, остеохондроз и прочие;
- нервной системы – радикулит, головные боли, бессонница и прочие;
- дыхательной системы – бронхит, пневмония, трахеит и другие;
- ЛОР-органов – тонзиллит, гайморит, ринит и прочие;
- ЖКТ – холецистит, гастрит, язвы и прочие;
- мочеполовой системы – цистит, простатит, вагинит и прочие.
Применение в косметологии
Влияние ультразвука в дерматологии и в косметологии характеризуется изменениями кожи. Приборы, действующие на основе ультразвуковых колебаний в косметологических целях, применяют для очистки лица.
Влияние ультразвука на организм человека в косметологии
Вредного воздействия они не имеют, так как работают на определённых частотах безвредных для организма человека. Благодаря ультразвуку в косметологии можно не только воздействовать на поверхность кожи, а также изменить патологическое его состоянии.
Ультразвук в косметологии оказывает следующие действия:
- заживляющее;
- бактерицидное;
- противовоспалительное;
- анестезирующее;
- спазмолитическое;
- общетонизирующее.
А также ультразвук стимулирует:
- гемодинамику;
- лимфоток;
- регенеративные процессы.
Благодаря ультразвуку можно улучшить функционирование внутренних органов, что положительным образом сказывается на изменении дерматологических болезней.
Применение в стоматологии
Влияние ультразвука на организм человека при низких частотах в стоматологии предотвращает развитие заболеваний:
Также оказывает терапевтическое действие:
- улучшает всасывание медикамента;
- губительно действует на микроорганизмы;
- очищает ткани от инфекций;
- останавливает кровь;
- имеет направленное действие против опухолей;
- щадящим образом действует на мягкую ткань;
- имеет бесконтактное очищение.
Ультразвуковые препараты в стоматологии используют в различных направлениях:
- с помощью УЗ-сканера проводят гигиенические процедуры;
- с помощью УЗ-скальпеля лечат пульпит и глубокий кариес;
- физиотерапевтическое лечение на основе ультразвука совместно с противовоспалительными медикаментами используют после имплантации или сложного удаления зуба;
- с помощью ультразвука во время зубопротезирования санируют мосты, а также коронки;
- благодаря УЗ-мойкам качественно обрабатывают многоразовые инструменты.
Как ультразвук стимулирует кровообращение?
Благодаря ультразвуковой терапии, применяемой в косметологии и дерматологии можно получить несколько эффектов:
- механический;
- тепловой;
- химический.
Механический – это массаж клеток на микроскопическом уровне. Благодаря этому происходит усиление проницаемости клеточной мембраны. Тепловой эффект оказывает расширение сосудов и усиливает кровоток.
В результате чего, в клетки нездорового органа проникают полезные вещества. За счёт химического эффекта клетки вырабатывают ферменты, эластин, коллаген, гиалуроновую кислоту, что приводит к омолаживающему результату.
Вредна ли чистка зубов ультразвуком?
Преимущества УЗ-очищения зубов:
При отсутствии ограничений профессиональное УЗ-очищение зубов не имеет никакой опасности. Однако, всё должно быть в меру. Процедуру не рекомендуется совершать больше 2 раз в течение года.
Более частое применение приводит к истончению эмали и к микроскопическим трещинам. Хотя при особых ситуациях таких как, нарушение минерального обмена или высокой вязкости слюны, процедуру назначают 1 раз в 3-4 мес.
Правила, которые необходимо соблюдать после процедуры:
- в первый день нельзя принимать горячую и холодную пищу, кофе, красное вино, шоколадные изделия;
- нельзя курить;
- первые дни чистить зубы нужно обычной мягкой зубной щёткой каждый раз после приёма пищи;
- рекомендуется старую зубную щётку сменить на новую.
Противопоказания к применению ультразвука
Самыми важными ограничениями по применению ультразвука являются:
Ограничения, связанные с ультразвуковой обработкой лица:
- воспалительный процесс гайморовых пазух;
- присутствие филлеров на основе полимерных материалов;
- операции, выполненные на глазном яблоке, проведённые недавно;
- наличие золотых и платиновых нитей;
- болезни, связанные с глазным нервом;
- паралич лицевого нерва.
Ограничения, связанные с процедурами на теле:
- присутствие внутриматочной спирали в области матки;
- наличие камней в желчном пузыре, почках и печёночных протоках.
Последствия воздействия УЗ-волн на человеческий организм
Влияние ультразвука на организм человека при высокой интенсивности вызывает последствия:
В следствии длительного влияния ультразвуковых колебаний могут возникать такие симптомы:
- частая усталость;
- головокружение;
- быстрая утомляемость;
- беспокойный сон;
- забывчивость;
- безразличие;
- неуверенность;
- отсутствие потребности в еде;
- растерянность;
- депрессивность.
Симптомы вредного влияния ультразвука
Люди, которые часто работают с ультразвуковыми устройствами подвергаются риску вредного влияния ультразвука.
При поражении опасными частотами происходят следующие проблемы:
В редких случаях возникают:
- нарушение естественного функционирования желудка, а именно абдоминальные боли, чувство тяжести;
- нарушения диэнцефального характера, то есть худоба, галлюцинации, увеличение температуры тела до 37,5 градусов, припадки;
- полиневрит;
- нарушение, связанное с сердечно-сосудистой системой.
Существует 3 стадии изменения в организме человека при воздействии ультразвуковых волн:
- начальная;
- умеренная;
- выраженная.
При начальной стадии происходит незначительное изменение:
При умеренной стадии происходят те же изменения, что и при начальной, только они более выражены. Также проявляются изменения диэнцефального характера средней степени. При выраженной стадии проявляются симптомы органического поражения центральной нервной системы, а также изменение диэнцефального характера средней степени.
Лечение осложнений от УЗ-волн и профилактические меры
Терапия заключается в устранении симптомов и укреплении иммунной системы пациента.
При начальной стадии расстройства центральной нервной системы требуется:
- регулярное наблюдение специалиста;
- прохождение амбулаторного лечения;
- посещение лечебных комплексов;
- отстранение сотрудника на 2 мес. от ультразвуковой аппаратуры с переводом на другую должность, не требующая взаимодействия с данными приборами.
При выраженной стадии вредного влияния ультразвука требуется амбулаторное и стационарное лечение.
Необходимо соблюдать профилактические меры, которые помогут избежать серьёзных поражений организма:
- ультразвуковые приборы должны находится в специальном помещении;
- в ультразвуковых ваннах нужно ограничить контакт рук, а также моющих средств;
- детали на оборудовании должны быть закреплены специальным механизмом;
- выгружать и загружать детали можно только при выключенном генераторе ультразвука;
- руки необходимо защищать предназначенными перчатками.
Воспринимается ли ультразвук на слух?
Ультра – это значит высший, потому человеческое ухо не способно воспринимать высокие звуки, а также низкочастотные.
Существует средний диапазон, который воспринимается человеческим слухом. Он составляет от 16 до 20000 Гц.
Опасны ли бытовые ультразвуковые приборы?
Ультразвуковые приборы, наподобие увлажнителей воздуха или отпугивателей от крыс и мышей, опасности для человека не представляют. Потому что, ультразвук сквозь стены и мебель не проходит.
Он вреден только при близком расстоянии к устройству, а также, если подолгу около него находиться. Именно по этой причине тем людям, которые работают на ультразвуковых аппаратах, платят надбавку к заработной плате за вредную работу. Несмотря на то, что ультразвук при определённых частотах не имеет влияния на организм человека, меры по безопасности соблюдать необходимо.
Оформление статьи: Мила Фридан
Видео об ультразвуке
Вредное влияние ультразвука на человека:
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В древности люди считали, что звуки могут укрощать диких животных и сдвигать скалы. Древние египтяне заметили удивительное воздействие музыки на человека, индийцы разработали нотную грамоту. Пифагор доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. Это положило начало науки об акустике. Аристотель считал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий. Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников.
На земле существует огромное количество мега построек (Коралловый замок Эдварда Лидлскалнинша во Флориде, египетские пирамиды, храм в Тибете, возведенный на скале высотой 400 метров). Во время Второй мировой войны немцы исследовали звучание тибетских труб. Они пытались применить звук в разработках оружия, в т.ч. летающей тарелки, которая работала на магнитных полях или на ультразвуке.
Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые животные могут его слышать и издавать. В конце 16 века Л. Спалланцани первым предположил существование ультразвука, выдвинув гипотезу, что летучая мышь при полете в темноте использует звуковые волны, анализируя эхо, а не свет. После этого началось его изучение и практическое применение.
Объект моего исследования : ультразвук.
Область исследования : акустика.
Предмет исследования : свойства ультразвука.
Цель работы : применение некоторых свойств ультразвука для биологических объектов.
Актуальность и практическая значимость : данный проект связывает физические опыты с биологией.
Гипотеза : Если предположить, что с помощью ультразвука меняется структура ткани, то возможно это облегчит лечение многих заболеваний.
Задачи :
Изучить и проанализировать теоретический материал по данной теме;
Изучить свойства ультразвука и области применения;
Визуализировать ультразвук;
Провести опыты и эксперименты;
Расширить кругозор исследования ультразвука;
Создать наглядное пособие.
В своей работе я использовала следующие методы исследования : анализ, синтез, эксперимент и эмпирические методы (наблюдение, сравнение).
2. Звук и его виды
Что такое звук? Я нашла несколько определений.
Звук - это явление, воспринимаемое органом слуха.
Звук - это волна, обладающая определенными свойствами.
Звук - это механическое колебание среды, то есть последовательность зон сжатия и растяжения.
Звук - колебательное движение частиц упругих сред.
В опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука. Но звук можно услышать не только в воздухе, но и в твердом веществе, в жидкости и газе. Звука нет только в пустоте, т.е. в вакууме, так как там нечему колебаться.
Таким образом , обязательное условие для возникновения звука - наличие упругой среды.
Ньютон предположил, что процесс распространения звука представляет собой волну. Значит, звук в окружающем мире подчиняется волновым законам. Звуковые колебания называют акустическими, а наука, изучающая звук, называется акустикой.
Любая волна характеризуется следующими величинами (Рис 2.1).
Наиболее часто принято разделять звук по частоте .
В зависимости от частоты условно звук разделен на следующие виды:
инфразвук - неслышимый звук, при котором акустические колебания с частотой ниже 16 Гц.
слышимый звук - это звук, который воспринимается человеческим ухом в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.
ультразвук - это механические колебания упругой среды, обладающие определенной энергией и волны с частотой более 20 кГц.
гиперзвук - упругие волны с частотами от 1ГГц.
По спектральным характеристикам ультразвуковых колебаний выделяют:
Низкочастотный ультразвук - 20 - 63 кГц
Среднечастотный ультразвук - 125- 250 кГц
Высокочастотный ультразвук - 1,0 - 31,5 МГц.
Существуют следующие источники ультразвука:
Естественные (живые - дельфины и летучие мыши) и неживые (шелест листьев).
Искусственные (акустико-механические и пьезоэлектрические (УЗИ).
Магнитострикционные.
Таким образом , волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве (среде) с течением времени.
3. Разновидности ультразвуковых волн
Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.
Продольные ультразвуковые волны - волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.
Поперечные ультразвуковые волны - волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны.
Рис. 3.1 Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах
Основное свойство волны - перенос энергии без переноса вещества.
Для звуковых волн это свойство характеризуется следующими величинами :
Интенсивность звука (сила звука) - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов. Интенсивность ультразвука - величина, которая выражает мощность акустического поля в точке.
Мощность звука - энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, так называемая средняя удельная мощность звука , или интенсивность звука.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, и эти законы являются общими для акустических волн любого диапазона частот.
4. Свойства ультразвука и его применение.
Вследствие большой частоты (малой длины волны) ультразвук обладает следующими свойствами :
Интерференция ультразвука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства.
При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует независящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.
Дифракция ультразвука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра.
Отражение ультразвука от границы раздела сред. При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды.
Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды - её плотности и модулей упругости - на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны (например, в газах - жидкие капли, в водной среде - пузырьки воздуха, в твёрдых телах - различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах). Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.
Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.
Именно поэтому ультразвуковые волны: могут образовывать строго направленные пучки, ускоряют протекание процессов диффузии (взаимопроникновение), влияют на растворимость вещества и на ход химических реакций, оказывают тепловое действие, уменьшают трение по колеблющейся поверхности, уменьшают вязкость вещества, генерируют стоячую волну, образуют ветер, выбивают пыль, дегазируют жидкость, разрушают кристаллы, распыляют воду (ультразвуковая сушка, увлажнители ультразвукового типа, ингаляторы).
Под воздействием ультразвука в жидкостях образуются пустоты (кавитационные пузырьки) и происходит ультразвуковая гомогенизация (перемешивание жидкостей).
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления: первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе - с активным воздействием на вещество, третье - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).
При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов . Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество . Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов . Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов.
Благодаря своим разнообразным свойствам ультразвук нашёл применение в различных областях человеческой деятельности (Рис. 4.1).
Таким образом , понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии (Табл. 4.1, Рис. 4.2).
5. Визуализация стоячей волны.
Звук меняет структуру вещества. В этом я убедилась, проделав следующие опыты.
Опыт №1. При трении мокрыми ладонями рук об ручки Китайской чаши я заметила, что вода начала покрываться рябью, которая сконцентрировалась в четырех точках по окружности чаши. Возникли звуковые колебания и вода начала подпрыгивать, разбрызгивая капли над поверхностью (Рис. 5.1).
Опыт №2. На пластины разной формы насыпала манку и провела смычком по краю установки, в результате на ней появилась чёткая фигура. При изменении звука фигура изменялась. Такое явление называется фигурами Хладни (Рис. 5.2).
Это объясняется тем, что амплитуды колебаний в определенных точках многократно возрастают. Появляются так называемые стоячие волны. Точки, где вода остается неподвижной и где скапливается манка, называется узлами стоячих волн. А места, где появляются фонтанчики и чистая от манки поверхность, соответствуют пучностям этих волн.
Рис.5.3 Стоячая волна
Таким образом , необычное поведение воды в чаше и манки на столе объясняется эффектом стоячих волн.
Свойства ультразвука идентичны свойствам звука других частот, т.е., используя ультразвук можно изменять структуру вещества.
В своих опытах я использовала источник ультразвука с магнитострикционным генератором, частота которого 44000 Гц.
Опыт №3. Я рассмотрела, как ведут себя разные вещества при использовании ультразвука.
Стоячие волны получились в телах любой формы (Рис. 5.4). Скорость волны зависит от вещества и его состояния.
Таким образом , ультразвук приводит в движение частицы вещества.
6. Возможное использование ультразвука в медицине.
В настоящее время в практической медицине расширяется область применения фокусированного ультразвука с целью создания в глубине тканей высокой интенсивности.
Медико-биологические аспекты использования фокусированного ультразвука состоят в разрушении биологических тканей (нейрохирургия, офтальмология, нефрология, урология); раздражении нервных структур (неврология, аудиологическая диагностика и слухопротезирование), воздействии на биологически активные точки (акупунктура), получении аэрозолей (ультразвуковая аэрозольтерапия), непосредственном воздействии на внутренние органы (внутриорганная ультразвуковая терапия).
Исследуя стоячие волны, я предположила, что они могут возникать и в биологических объектах в результате отражения от границ между тканями с различными акустическими свойствами.
Как избежать негативного воздействия лекарства на хорошие клетки? Клетка - это минимальный биологический объект . Предположу, что частицы песка - это клетки нашего организма.
Из ранее сделанного опыта № 1 можно сделать вывод, что при воздействии ультразвука на организм человека, возможно, собрать зараженные клетки в пучности или в узлы и направлять лечение строго по направлению, тем самым разрушая плохие клетки (Рис. 6.1).
Таким образом , ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические изменения.
Опыт №4. На листе картона прорезала небольшую щель и дугу, т.е. создала препятствие на пути распространения колебаний. Расположила излучатель недалеко от щели (дуги) и увидела, что песчаные гребни возникали и за щелью (дугой).
Волны на поверхности бумаги огибали препятствие. Я наблюдала явление дифракции (Рис. 6.2).
Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука может происходить на объектах меньших размеров. Этим объектом может являться и клетка.
Таким образом, возможно, что введенное лекарство будет огибать хорошую клетку и обходить ее стороной (Рис. 6.3). Чтобы не уничтожить хорошие клетки вместе с плохими, нужно правильно подобрать частоту ультразвука, при этом учитывая размер клеток.
Так же необходимо учитывать акустическое сопротивление на границах мышца-надкостница-кость.
Если есть необходимость ввода лекарственных препаратов, которые смешиваются продолжительное время только при температуре человеческого тела, то можно использовать одно из свойств ультразвука.
Опыт №5. Равномерно насыпала песок на лист картона и в двух разных местах расположила стержень генератора. В результате произошло наложение двух волновых картин друг на друга. Также попробывала наложить волны с препятствием, вырезав отверстие в картоне. Я увидела, как гребни с двух сторон обогнули отверстие и, наложились друг на друга. При этом процессе происходит сложение амплитуд. Я наблюдала интерференцию волн (Рис. 6.4).
Таким образом , возможно, при введении нескольких разных лекарств, реагирующих друг с другом только внутри организма, можно усилить эффект лечения (Рис. 6.5).
Процесс кавитации используют в медицине для разрушения жировой ткани. Жировая ткань в основном состоит из жидкости, поэтому, когда пузырьки лопаются, происходит разрушение жировой ткани (Рис.6.6).
Как происходить процесс кавитации в крови? Кровь - это вязкая жидкость. Плотность крови составляет 1060 кг/куб.м.
Опыт №6. Я взяла четыре вещества, поднесла генератор и увиденное записала в таблицу:
Под действием ультразвука образовались кавитационные пузырьки (Рис. 6.7), которые могут разрушать зараженные клетки крови.
Уничтожающее действие на бактерии оказывают кавитационные пузырьки, вблизи которых возникают импульсы огромных давлений . Образование полостей в жидкости приводить в гибели клеток тканей (Рис. 6.8). Как видно из рисунка, в процессе разрушения плохих клеток участвуют кавитационные пузырьки, воздействующие на лизосому. В результате этого лизосома запускает процесс саморазрушения.
Пузырьки ускоряют выделение ферментов для быстрого разрушения инородных частиц или вируса. Но для этого необходимо учитывать явление дифракции, чтобы избежать разрушения хороших клеток.
Таким образом , при длительном воздействии ультразвука разрушается целостность структуры клетки организма.
7. Заключение
Ультразвук чрезвычайно интересное явление и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству.
В процессе исследования я изучила, что такое звук и его виды, рассмотрела свойства ультразвука и области его применения, создала наглядное пособие и кроссворд для проверки знаний. Подробно я остановилась на таких свойствах как дифракция и интерференция. На основе этих свойств ультразвука я провела опыты. Кавитация возникает как сопутствующее явление интерференции.
Я выдвинула несколько предположений по дальнейшему использованию ультразвука в медицине. К сожалению, я не могу не подтвердить - не опровергнуть свою гипотезу, т.к. у меня нет возможности проверить это на практике.
Как мне кажется, ультразвук может изменять состояния клеток, вызывая физическую вибрацию тканей звуковыми волнами. Ультразвуковые колебания могут разрушать клетку или стимулировать ее жизненные процессы.
Возможно, ультразвуком можно остановить размножения плохих клеток, нарушить структуру белков в клетках и вызвать изменение генов.
Может быть, в будущем изобретут ультразвуковую таблетку, которая ускорит доставку лекарств и устранит необходимость использования уколов. После проглатывания устройство пошлет ультразвуковые волны на поиск плохих клеток, сбора их в пучности и уничтожения. Для домашнего лечения можно создать ультразвуковой пластырь для точечного воздействия на пораженные участки. Испускаемые ультразвуковые импульсы будут стимулировать нарастание соединительной ткани и синтез иммунных клеток, отвечающих за процессы заживления.
При использовании ультразвука во время лечения необходимо учитывать длительность и степень излучения в связи с высокой биологической активностью, а также мощность ультразвука, так как он способен разрывать клеточные мембраны, что приводит к гибели клеток как хороших, так и плохих.
Однако точно еще не установлено, насколько широка безопасная зона между положительным действием ультразвука на больную ткань и повреждающим - на окружающую здоровую ткань.
Библиографический список
А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. Физика 9 класс. - М.:Дрофа, 2002.
Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. - М., 1986.
Баулан И. За барьером слышимости. - М., 1971.
Хилл К. «Применение ультразвука в медицине» - 1989.
Ремизов А.Н. «Медицинская и биологическая физика». - М.:Высш.шк., 1996.
Корнеев Ю.А., Коршунов А.П., Погадаев В.И. Медицинская и биологическая физика. - М.: Наука, 2001.
Приложения I
Рис 2.1 График зависимости смещения от времени
а) Амплитуда колебаний -А , [м] - максимальное значение изменяющейся величины.
б) Длина волны - λ , [м] - минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковой фазе.
в) Период колебания - Т , [с.] - время одного полного колебания.
г) Частота колебаний - ν , [Гц] - количество колебаний за одну секунду.
Рис. 4.1 Применение ультразвука
Таблица 4.1
Рис.4.2 Применение ультразвука в медицине.
Рис. 5.1 Эффект стоячих волн (Китайская чаша)
Рис. 5.2 Эффект стоячих волн (Фигуры Хладни)
Рис. 5.4 Разные вещества при использовании ультразвука
Рис. 6.1 Сбор плохих клеток
Рис. 6.2 Явление дифракции
Рис.6.3 Огибание ультразвуком здоровых клеток
Рис 6.4 Явление интерференции
Рис. 6.5 Усиленное воздействие нескольких лекарств на клетку
Рис. 6.6 Разрушение жировых клеток
Рис. 6.7 Кавитационные пузырьки
Рис. 6.8 Кавитация в клетке