Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 5. БІОСФЕРА ТА ФІЗИЧНІ ПОЛЯ ЖИВОГО ОРГАНІЗМУ

5.2.Поняття про фізичні поля організму людини

5.2.3 Акустичне поле

Діапазон власного акустичного випромінювання обмежений з боку довгих хвиль механічними коливаннями поверхні тіла людини (0,01 Гц), з боку коротких хвиль - ультразвуковим випромінюванням, зокрема, від тіла людини реєструють сигнали частотою близько 10 МГц.

У міру підвищення частоти три діапазони акустичного поля включають:

- низькочастотні коливання (частоти нижчі за 10³ Гц);

- кохлеарну акустичну емісію - випромінювання з вуха людини (близько 10³ Гц);

- ультразвукове випромінювання (1...10 МГц).

Джерела акустичних полів у різних діапазонах частот мають різну природу. Низькочастотне випромінювання створюється фізіологічними процесами: дихальними рухами, биттям серця, потоком крові в кровоносних судинах і деякими іншими процесами, супровідними коливаннями поверхні людського тіла, діапазон яких становить близько 0,01...10³ Гц. Це випромінювання у вигляді коливань поверхні можна зареєструвати контактними або не контактними методами, проте його майже неможливо виміряти дистанційно за допомогою мікрофонів, оскільки акустичні хвилі тіла, які надходять з глибини, повністю відбиваються назад від межі розділу «повітря-тіло людини» і не виходять назовні в повітря з тіла людини. Значення коефіцієнта віддзеркалення звукових хвиль становить близько одиниці, тому що густина тканин тіла людини близька до густини води, яка на три порядки вища за густину повітря.

Усі наземні хребетні мають, проте, спеціальний орган, у якому відбувається акустичне узгодження між повітрям і рідким середовищем, - це вухо. Середнє і внутрішнє вухо забезпечують передавання майже без утрат звукових хвиль з повітря до рецепторних клітин внутрішнього вуха. Відповідно можливий і зворотний процес - передавання звукових хвиль з вуха в навколишнє середовище - який виявляють експериментально за допомогою мікрофона, уставленого у вушний канал.

Джерелом акустичного вивчення мегагерцевого діапазону є теплове акустичне випромінювання - повний аналог відповідного електромагнітного випромінювання. Воно виникає унаслідок хаотичного теплового руху атомів і молекул людського тіла. Інтенсивність цих акустичних хвиль, як і електромагнітних, визначають за абсолютною температурою тіла [15].

Поверхня людського тіла безперервно коливається. Ці коливання містять інформацію про багато процесів усередині організму: дихальні рухи, биття серця і температуру внутрішніх органів.

Низькочастотні механічні коливання з частотою нижчою за декілька кілогерців містять інформацію про роботу легенів, серця, нервової системи. Реєструвати рухи поверхні тіла людини можна дистанційними або контактними датчиками залежно від вирішуваного завдання. Наприклад, у фонокардіографії для вимірювання акустичних шумів, що створюються серцем, використовують мікрофони, які розміщують на поверхні тіла. Електричні сигнали з датчиків підсилюють і подають на реєструвальний пристрій або ЕОМ і за їх формою та величиною роблять висновки про рухи тих або інших ділянок тіла.

Кохлеарна акустична емісія. З вуха тварин і людини можуть випромінюватися звуки. Це явище називають кохлеарною акустичною емісією, оскільки їх джерело локалізоване в равлику органа слуху. Ці звуки можна реєструвати мікрофоном, розміщеним у вушному каналі.

Виявлено ряд видів кохлеарної акустичної емісії, серед яких вирізняються спонтанна емісія і кохлеарна акустична емісія.

Спонтанна емісія - це довільне безперервне випромінювання звуку з вух людини. Рівень звукового тиску досягає 20 дБ, тобто в 10 разів вищий за порогове значення 2 · 10⁵ Па, яке здатне сприймати вухо людини на частоті 1 кГц. Частоти емісії у різних осіб розрізняються, їх діапазон становить 0,5...5 кГц, випромінювання має високу монохроматичність. Емісія спостерігається в середньому у 25 % чоловіків і у 50 % жінок. Спонтанна емісія ніяк не стосується «дзвеніння у вухах» - суб’єктивного відчуття чисто нервового походження.

Кохлеарна акустична емісія пов’язана з діяльністю зовнішніх во- лоскових клітин, розміщених у кортієвому органі равлика. У відповідь на звукову хвилю вони змінюють свої розміри і продукують у внутрішньому вусі механічні коливання, які здатні, поширюючись у зворотному напрямку, виходити назовні через середнє вухо. Біофізичний механізм швидких змін геометрії клітинок поки вивчити не вдалося, його швидкодія в сто разів вища від швидкодії м’язів.

З усіх видів кохлеарної акустичної емісії у медицині застосовують поки лише явище акустичної луни - випромінювання звуків з вуха через деякий час після надходженняі у вухо короткого звукового сигналу. Його використовують для діагностики слуху новонароджених у перші декілька днів життя, коли неможливо використовувати звичайні методи аудіометрії. Відсутність луни є тривожним симптомом не тільки глухоти, але часто й зумовлених нею уражень інших відділів центральної нервової системи. Рання діагностика дозволяє вже з перших днів життя вжити активних заходів і значно послабити несприятливі наслідки цієї недуги.

Акустичне випромінювання ультразвукового діапазону. Тіло людини є джерелом теплового акустичного випромінювання з різними частотами. Зазвичай акустичні хвилі надходять з глибини тіла, відбиваються від його поверхні і повертаються назад, проте п’єзодатчик, що контактує з тілом, може їх зареєструвати. Особливість акустичних хвиль, що поширюються в тілі людини, полягає в тому, що чим вища частота, тим вони швидше загасають. Тому з глибини людського тіла з відстаней 1...10 см можуть надійти тільки теплові ультразвукові хвилі мегагерцевого діапазону з частотами не вищими за 0,5…10 МГц. Інтенсивність цих хвиль пропорційна абсолютній температурі тіла. Для вимірювання інтенсивності теплового акустичного випромінювання використовують прилад - акустотермометр. За допомогою цього приладу можна, наприклад, виміряти температуру тіла людини, зануреної у воду.

Істотною сферою застосування акустотермографії стане вимірювання глибинної температури в онкології для процедур, пов’язаних з нагріванням пухлин у глибині тіла за допомогою різних методів: ультрависокими та надвисокими частотами, ультразвуком, лазерним випромінюванням. Акустотермографія - потенційно єдиний неінвазивний метод, здатен забезпечити високу просторову роздільну здатність за прийнятний час вимірювання - одну хвилину [15].