Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

мический механизм энергетического обеспечения. Условно эту группу называют активными механическими свойствами. Ко второй группе относят пассивные механические свойства, характеризующие де-

формируемость биотканей под действием сил акустических полей. Поэтому приведенные выше закономерности в основном связаны с пассивными механическими свойствами биотканей.

Биологическая ткань – это композиционный материал, образованный объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Например, костная ткань наполовину (0,5 объема) состоит из неорганического вещества гидроксилапатита, а в остальном – из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярного соединения, волокнистого белка, обладающего высокой эластичностью). Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость, прочность. Модуль Юнга для

кости ~ 10 ГПа, а предел прочности σmax = 100 МПа.

Кожа состоит из волокон коллагена (75%), эластина (4%, как и коллаген, волокнистый белок) и основной ткани – матрицы (21%). Для

коллагена Е=10…100 МПа, σmax = 100 МПа, εmax = 10%; для эластина Е=0,1…0,6 МПа, σmax = 5 МПа, εmax = 200…300%. Эти характеристики

подтверждают, что кожа обладает высокоэластическими свойствами, хорошо растягивается и удлиняется.

Примеры применения пассивных механических свойств биотканей в медицине: замена естественных тканей искусственными (протезирование), выравнивание и удлинение костей (травматология и ортопедия). В судебной медицине определяют устойчивость биоструктур к деформациям и ударам, в спортивной и авиационной медицине

– предельные допустимые напряжения, перегрузки.

Как было сказано выше, механическое действие окружающей среды на биообъекты характеризует силовое поле. Величину и направление сил этого поля определяют силы тяжести и теплового движения частиц среды (молекул воздуха, жидкости). Для макроскопического описания сил воздействия отдельных частиц окружающей среды на объект используют такую физическую величину, как давление P=Fп /S, где Fп – сила, нормально приложенная к поверхности площадью S. Для воздушной среды обитания Рв .= Ратм+ Ртерм , причем

Ратм = ρgh, где h – высота над поверхностью земли, ρв =ρв(h) – плотность воздуха (зависит от высоты); Ртерм=∑Рi терм , Рi терм= ρi RT/µ, где R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура;

µ – молярный вес i-й газовой компоненты воздуха. Описание квазистатического акустического поля воздушной среды необходимо также дополнить силой Архимеда Fа=ρVTg, где VT - объем тела объекта. В большей степени результирующее давление воздушной среды определяется атмосферным давлением, существенно зависящим от высоты над поверхностью земли (рис. 3.1).

50

Рис. 3.1. Зависимость атмосферного давления от высоты

Аналогичные рассуждения можно привести и для объектов с водной или смешанной средой обитания.

Влияние на организм повышенного или пониженного давления окружающей среды рассмотрим на примере человека. Действие повышенного давления связывают с компрессионным и проникающим эффектами. Проникающий эффект обусловлен токсическим действием кислорода и других газов воздушной смеси, содержание которых в крови увеличивается при повышении внешнего давления. При увеличении давления до 4…8 атм у человека наблюдается наркотическая реакция. Компрессионный эффект – общее объемное сжатие, обусловленное равномерным повышением сил механического давления на органы и ткани. В результате компрессии изменяются объемы воздухосодержащих полостей, возникают градиенты давления внутри организма, как следствие нарушаются функции дыхания, слуха, кровообращения. Влияние пониженного давления обусловлено расширением газов, содержащихся в полостях и биотканях организма, следствием чего являются «высотная» болезнь и декомпрессионные расстройства. Особую опасность для организма человека представляет быстротечное понижение давления окружающей среды. Это явление получило название взрывной декомпрессии. При взрывной декомпрессии страдают прежде всего легкие, слуховые пути, желудоч- но-кишечный тракт, придаточные пазухи носа. Баротравма – повреждение, вызванное резким перепадом давления окружающей среды. Баротерапия – применение с лечебной целью повышенного или пониженного по сравнению с атмосферным внешнего давления.

Перечисленные выше явления описывают в основном действие статических и квазистатических акустических полей. Вопросами динамических деформаций занимается акустика – область физики, изучающая упругие колебания в средах. Выделяют два ее направления: физическая акустика, изучающая особенности распространения упругих волн в средах, в том числе и биологических; физиологическая акустика, изучающая устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека и животных.

51

Рассмотрим наиболее общие положения физической акустики применительно к биологическим объектам. Акустическая волна – это процесс распространения механической деформации в веществе. Основным условием распространения акустической волны является наличие упругих свойств среды. Существуют две разновидности возникающих волн: продольные (направление деформации совпадает с направлением распространения волны), поперечные (направление деформации перпендикулярно направлению распространения волны). Оба вида акустических волн могут возникать в биологических средах. Важным параметром волнового процесса является его скорость. Скорость продольных волн в жидких (водосодержащих биотканях) и газообразных средах определяется выражением с = (К/ ρ)½, где ρ – плотность среды, К = К(Е,µ) – модуль объемной упругости, Е и µ – модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Скорость поперечных волн в твердых средах с = (G / ρ)½, где G – модуль сдвига. Давление, создаваемое волной, зависит от скорости V колебаний частиц среды относительно недеформированного положения и определяется как Р = ρсV. Для взаимодействия упругих волн (особенно звукового и ультразвукового диапазонов) с биосредами справедливы законы геометрической оптики. Условия проникновения волны из одной среды в другую, отражения, преломления на границе раздела сред определя-

ются удельным акустическим импедансом (волновым сопротивлени-

ем среды) – ρс. Если ρ1 с1 = ρ2 с2 , отражение на границе раздела двух сред отсутствует, если ρ1 с1>> ρ2 с2 , происходит почти полное отражение волны. Если интенсивность падающей волны – I1, а прошедшей – I2, то величина β = I1 / I2 называется коэффициентом проникновения акустической волны. Рэлей показал, что коэффициент β можно выразить через акустический импеданс сред, и для случая нормального падения акустической волны

Коэффициент проникновения акустических волн из воздуха

(ρвозд·свозд = 400 кг/м2с) в мягкие ткани (ρтк·стк = 1440 кг/м2с) составляет β =0,122%, что свидетельствует об относительной защищенности

тканей живых организмов от волновых акустических полей.

Энергия прошедшей в биосреду акустической волны, как и в случае оптического излучения, частично поглощается и рассеивается, а частично отражается на границах раздела биотканей с различными акустическими импедансами. Перечисленные выше явления нашли свое широкое применение в медицине в ультразвуковом диапазоне акустических волн. Это вызвано прежде всего тем, что при средней скорости акустических колебаний в биотканях 1530 м/с длина упругой волны на частотах 1…100 Мгц составляет 1,5…0,015 мм. Поэтому на

52

основе процесса отражения упругих колебаний от внутренних акустически неоднородных биоструктур построены системы ультразвуковой диагностики с пространственным разрешением, соизмеримым с длиной волны. Если же отражающая поверхность подвижна, то в соответствии с эффектом Доплера происходит изменение частоты отраженного сигнала пропорционально скорости и направлению перемещения отражающей поверхности. Поглощение акустических волн обусловлено внутренним трением частиц и теплопроводностью биосред и подчиняется экспоненциальной зависимости І(x)= І0 e-γx , где γ – коэффициент поглощения, x – глубина проникновения, причем γ ~ ω2. Таким образом, чем выше частота колебаний, тем больше энергии выделяется в среде, что также объясняет использование ультразвука для энергетического и теплового воздействий на биосреды.

Рассеяние акустических волн обусловлено акустической неоднородностью биосред.

Вибрация. В биологии и медицине вибрацией называют механические колебательные движения тела, отдельных органов и тканей под действием внешних акустических полей. Вибрация – это сложное периодическое (квазипериодическое) механическое колебание, характеризующееся широким амплитудным и частотным спектрами. Частотный спектр вибрации охватывает диапазон от инфранизких до ультравысоких частот. Основной биологический эффект – это интенсификация биофизических и биохимических процессов.

Вибрационная чувствительность – свойство организма воспринимать действие динамических акустических полей. Виброчувствительность обеспечивают преимущественно механорецепторы, расположенные в поверхностных и более глубоких слоях кожи. Негативное действие вибрации на человека характеризуется вибрационной болезнью, возникновением очагов застойного раздражения, спазматических явлений в сосудах, нарушений в опорно-двигательном аппарате. Вибротерапия – воздействие с лечебной целью на человека механических колебаний низкой частоты и амплитуды.

Инфразвук – это низкочастотные акустические колебания, неслышимые человеком (обычно до 20 Гц). Источниками инфразвука могут быть как естественные объекты (море, землетрясение, грозовые разряды и др.), так и искусственные (взрывы, автомашины, станки и др.). Инфразвук часто сопровождается слышимым шумом, например в автомашине, поэтому возникают трудности при измерении и исследовании собственно инфразвуковых колебаний. Для инфразвука характерно слабое поглощение разными средами, поэтому он распространяется на значительное расстояние. Поскольку длина волны инфразвука больше, чем у слышимых звуков, то инфразвуковые волны лучше дифрагируют и проникают в помещения, обходя преграды. Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние ряда систем организма: появляются усталость, головная

53

боль, сонливость, раздражение и др. Предполагается, что первичный механизм действия инфразвука на организм имеет резонансную природу. Резонанс наступает при близких значениях частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний биоструктур. Частота собственных колебаний тела человека в положении «лежа» составляет 3…4 Гц, положении «стоя» – 5…12 Гц, частота собственных колебаний грудной клетки – 5…8 Гц, брюшной полости – 3… 4 Гц и т. д., что соответствует частоте инфразвуков. Возникающие резонансные напряжения в биотканях могут превысить предел прочности или значительно нарушить функционирование отдельных органов. При низкоинтенсивном и продолжительном действии инфразвука у человека возникает комплекс неприятных ощущений: головокружение, боли в области живота, чувство психологического угнетения и страха, тошнота, затрудненное дыхание. Полной защиты от вредного действия инфразвуковых колебаний нет, и борьба с ними состоит только в устранении причин возникновения этих колебаний.

Звук, или звуковые колебания, – это акустические волны в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемые человеческим ухом в диапазоне 20…20000 Гц. Все звуки принято подразделять на тоны, шумы и звуковые удары. Энергетической характеристикой звука как акустической волны является интенсивность [I] = Вт/м2 или звуковое давление [Р] =Па=Н/м2. Порог слышимости – наименьшее звуковое воздействие, при котором звук воспринимается органами слуха: Р0=2·10-5 Па или I0 =10-12 Вт/м2. Порог болевого ощущения – наибольшая интенсивность или эффективное давление звука, воспринимае-

мое без болевых ощущений: Imax = 10 Вт/м2, Pmax =2·10-5 Па. Оба порога определяются на частоте 1000 Гц и являются базовыми для ау-

диометрических исследований. Восприятие уровня звука человеком характеризует громкость. Это субъективная оценка энергетического воздействия звуковой волны на органы слуха. В медицинской диагностике существует ряд методов, основанных на звуковых явлениях. Аускультация – диагностика заболеваний, основанная на прослушивании звуков, сопровождающих функционирование организма (например, дыхание, сердцебиение). Перкуссия – выслушивание звучания отдельных частей тела при их простукивании. Аудиометрия – метод измерения остроты звука у человека.

3.2. Действие тепловых полей на биологические объекты

Рассмотренные ранее физические поля – электромагнитное и акустическое – создают некоторое энергетическое воздействие на биообъект. Выделяющаяся при этом энергия в конечном счете в основном переходит в тепловую. Возникающий в биосреде градиент температур приводит в действие как чисто физические, так и физиологические механизмы перераспределения тепла. Поэтому тепловое

54