Ефект Допплера. Використання в медицині.

Припустимо, що ми маємо джерело хвиль з частотою V_дж, та є спостерігач, який сприймає ці хвилі.

Ефект Допплера полягає у зміні частоти хвиль, які сприймає спостерігач, в наслідок відносного руху джерела хвиль і спостерігача:

V_cпост = V_дж (υ + υ_cпост)/(υ + υ_дж), де V_дж - частота, з якою генерує хвилі джерело;

V_cпост - частота, з якою сприймає ці хвилі спостерігач;

υ_cпост - швидкість, з якою рухається спостерігач;

υ_дж - швидкість, з якою рухається джерело хвиль;

υ - швидкість хвилі.

Знаки, які стоять у наведеній формулі зверху, відносяться до випадку, коли джерело і спостерігач рухаються один до одного. "Нижчі" знаки відносяться до випадку, коли джерело і спостерігач віддаляються один від одного.

Ефект Допплера має широке застосування в медицині для діагностики стану великих судин, це вимірювання швидкості руху крові у судинах та інших показників,

В великих судинах швидкість еритроцитів змінюється в залежності від їх розташування відносно осі: ближче до стінки судини еритроцити рухаються з меншою швидкістю, ближче до осі - з більшою. Таким чином, ми можемо вимірювати не тільки середню швидкість руху крові, а також і швидкість різних її шарів.

Широко відомий ультразвуковий метод визначення швидкості руху крові у судинах і відповідно до цього оцінка стану судин.

Нехай є технічна система з генератором і приймачем ультразвукових хвиль:

1 - еритроцит

V_ген - частота ультразвукового проміння від генератора, який попадає на еритроцит, що рухається з швидкістю υ_ер.

В наслідок ефекту Допплера маємо:

V_epiт =V_ген (υ + υ_ер)/υ, де υ_ер – швидкість еритроцита; υ - швидкість ультразвуку. Ультразвукова хвиля відбивається від еритроцита і попадає на приймач. Знову в наслідок ефекту Допплера маємо:

V_пp=V_epiт υ (υ - υ_ер)= [V_ген (υ - υ_ер) /υ ][ υ/(υ - υ_ер)=]- з останнього виразу легко вивести:

υ_ер =∆ V_д υ/(2 V_ген), де =∆ V_д = V_пр – V_ген  де ∆ V_д - називається Допплеровським зсувом частоти - вимірюється технічною системою, як і V_ген. Аналогічно за допомогою ефекту Доплера можна вимірювати швидкість руху клапанів і стінок серця – Доплеровська ехокордіографія.

Фізичні основи слуху

Приймачем звуку в людини є вухо. Механічна енергія звукової хвилі збуджує слухові рецептори і збудження через слуховий нерв доходить до кори головного мозку, де формуються звукові відчуття. Орган слуху людини складається з трьох частин: зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха (рис. 1.2). Зовнішнє і середнє вухо розділені барабанною перетинкою (1). У порожнині середнього вуха розміщені три слухові кісточки: молоточок (2), ковадло (3) та стременце (4), сполучені між собою та з барабанною перетинкою. Зовнішнє і середнє вухо складають звукопровідну частину слухового апарату людини. Звукові хвилі збираються вушною раковиною (5), поширюються вздовж слухового проходу (6), досягають барабанної перетинки. Власна (резонансна) частота коливань зовнішнього слухового проходу становить близько  3 кГц; це означає, що коефіцієнт підсилення інтенсивності звуків має максимальне значення саме для цієї частоти. Підсилення інтенсивності звуків на резонансній частоті помітно на частотно-пороговій кривій слуху і становить близько 10 дБ. Коливання барабанної перетинки дуже швидко затухають. Це затухання залежить від її пружності, яка змінюється під час скорочення або розслаблення м'язів перетинки, і тому не дає жодного спотворення форми звукової хвилі.

 

Коливання від барабанної перетинки передаються слуховими кісточками до середнього вуха. У середньому вусі разом з передачею звуку відбувається і наростання інтенсивності звукової хвилі.

Це пояснюється тим, що поверхня перетинки майже у 22 рази більша від поверхні стременця (площа перетинки становить 66-69,5 мм², має форму конуса з вершиною, яка спрямована у порожнину середнього вуха), і енергія звукової хвилі концентрується на площі майже у 22 рази меншій, ніж площа барабанної перетинки, завдяки чому відповідно зростає інтенсивність звуку. Крім того, слухові кісточки працюють як важіль, довге плече якого приблизно у 2,5 раза більше від короткого, внаслідок чого звукові коливання ще більше підсилюються та передаються у внутрішнє вухо — лабіринт.

Лабіринт — кісткова порожнина, заповнена ендолімфою, має завиток (7) та три напівкруглих канали (8), які утворюють вестибулярний апарат людини. У завитку розміщений кортієв орган у формі спіралі. Внутрішня порожнина завитка розділена двома мембранами на три частини. Товсту мембрану називають основною. На ній і розміщений кортієв орган. Поперек основної мембрани, добре натягнутої вздовж усього завитка, розміщено близько 24000 еластичних волокон різної довжини.

Коливання стременця викликають коливання ендолімфи, що оточує основну мембрану. Коливання ендолімфи передаються основній мембрані, разом з якою коливаються і усі волокна, причому, кожне з них резонує на коливання з певною частотою. Амплітуда коливань різних волокон при цьому неоднакова; вона максимальна в тих волоскових клітинах, частота власних коливань яких співпадає з частотою звуків, що сприймаються. Виникає резонанс. Цим пояснюється здатність вуха сприймати складний звук у цілому, хоча кожен окремо простий звук резонує з однією волосковою клітиною. Під час резонансу збуджуються закінчення слухового нерва, який і передає інформацію в мозок.

Існує ще одна можливість сприйняття звуку — через кістки черепа. Для прослуховування звуку таким шляхом кісткам черепа (зубам, чолу або кісточці за вухом) необхідно надати механічних коливань — звукових вібрацій. Це можна зробити, приклавши до одного з цих місць джерело вібрацій, наприклад, спеціальний кістковий телефон, ніжку камертона. Це кісткова провідність. При цьому способі сприйняття звукові вібрації досягають завитка і зумовлюють деформацію його частин, внаслідок чого відбувається зміщення текторальної мембрани. У результаті слухові рецептори зазнають такого ж подразнення, як і при звичайному сприйнятті звуку (при повітряній провідності).

Звукові методи діагностики

Робота серця, легенів та інших органів супроводжується звуковими явищами. Прослуховування цих звуків використовують у медицині для діагностики захворювань, а також для визначення меж розташування того чи іншого органу. Так прослуховують звуки, що виникають під час роботи серця, легенів; під час вдоху та видоху; у суглобах під час руху кісток; під час руху газів та рідин по кишківнику. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціонуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкодження органа при тому чи іншому захворюванні.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, що виникають під час функціонування внутрішніх органів, називається аускультацією. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп (рис. 1.3).

Іншим методом звукового клінічного дослідження є перкусія.

 

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резонують порожнини всередині організму, по-різному реагують на звук молоточка або пальця м’які, пружні, тверді та порожнисті органи. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добрий резонанс дають порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіографії (ФКГ). Цей метод полягає у графічній реєстрації тонів та шумів серця.

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії.

 

Утворення голосу людини

Джерелом голосу людини є гортань з голосовими зв'язками, розмі­щеними на межі голосових щілин. Повітря з легенів викликає рух голосових зв'язок, а їх коливання спричинює зміну густини повітряного потоку; ця зміна поширюється у вигляді поздовжніх хвиль.

Ці коливання будуть згасаючими за рахунок енергії повітряного потоку (автоколивання). Висота звуку залежатиме від напруження голосових зв’язок, їх форми, довжини коливної частини і дещо від тиску повітряного потоку.

Інтенсивність звуку залежить від частоти та інтервалів коливань голосових зв'язок, а це, в свою чергу, залежить від тиску повітря, що виходить. Тембр голосу створюється в порожнинах глотки, рота, носа, в грудній порожнині і гортані. Ці порожнини діють як резонатори при утворенні звуку; вони, в залежності від об’єму та форми, підсилюють обертони з певними частотами і, таким чином, впливають на тембр голосу. Механізм розмови і співу однаковий, хоча вони сприймаються нами по-різному. Інтервал частот чоловічої розмови — 100—200 Гц, жіночих голосів — 150 — 300 Гц, а інтервал частот при співі 60—1600 Гц. Коефіцієнт корисної дії при утворенні голосу людини малий, лише 0,001 частина енергії переходить у звукову.

Ультразвук