Биофизика ультразвуковых эффектов

В широком плане связи между воздействием ультразвука и биологическими эффектами можно разделить на тепловые и нетепловые. В эмпирическом подходе такое разделение могло бы означать наличие или отсутствие преимущественной обусловленности наблюдаемых изменений повышением температуры при поглощении энергии ультразвука. С физически более удовлетворительной точки зрения, однако, именно само поглощение акустической энергии обусловлено взаимодействием ультразвука с биологическими тканями на молекулярном или макромолекулярном уровне. Если молекулы относительно малы и среда текучая, то энергия колебательных или вращательных движений, вызванных взаимодействием с акустической волной, не приводит к специфическим химическим или биологическим изменениям и быстро превращается в тепло. Такой процесс поглощения может быть охарактеризован как тепловой. В средах менее текучих или содержащих гигантские молекулы, или обладающих и той и другой характеристикой вместе, существует возможность нетепловых специфических эффектов. Количественную оценку этой ситуации можно получить, сравнивая некоторые параметры, характеризующие движение молекул, например, их скорость, при акустических и тепловых колебаниях.

В плоской бегущей волне в акустическом поле скорость частиц среды определяется из выражения

Например, для интенсивности 10 Вт/см² в воде это составляет 37 см/c.

Средняя же скорость частиц при тепловых колебаниях определяется из классического выражения как

Где T- абсолютная температура, k- постоянная Больцмана, m- масса частицы.

Сложная природа зависимости степени нагрева ткани от параметров ультразвука, самой ткани и её окружения порождает трудности при расчёте распределений температуры с необходимой точностью. Имеющиеся публикации содержат очень мало информации об экспериментально измеренных распределениях температуры in vivo. В большинстве работ сообщается об экспериментах на собаках или свиньях, хотя и есть измерения, выполненные на тканях человека.

Температурные распределения, которые возникают в облучаемом объекте мягких тканей, могут значительно изменяться, если в этом объеме или на его границе есть кость. Бендер с соавторами действовали ультразвуком на бедро собаки, в которое были имплантированы термопары. Использовался ультразвук с частотой 800 кГц, общей мощностью 5 ВТ с излучающей поверхностью 5 см²; длительность облучения составляла 2 мин. Измерения температуры проводились в надкостнице, в костном мозге и в мягких тканях между излучателем и бедренной костью. Наибольший нагрев зарегистрирован на поверхности кости.

 

 

Глава II. Практическая часть.

Эксперименты:

Обнаружение термического воздействия

Оборудование: термометр, пробирки с водой.

Ход эксперимента: внесем термометр в жидкость, где есть ультразвуковое поле, и сравним данными о температуре в контрольной пробирке.

Обнаружение механического воздействия

Оборудование: свеча.

Ход работы: для обнаружения «звукового ветра» в ультразвуковое поле поместим горящую свечку.

Обнаружение электрических эффектов

 Оборудование: пробирки, глицерин, вода, этиловый спирт.

 Ход работы: подействуем излучателем на пробирки с данными жидкостями, проверив их                       свечение в темноте.

Обнаружение химического воздействия

Оборудование: пробирки, вода, прибор Н. И. Алямовского для определения значения рН, соль хлорид алюминия.

Ход работы:подействуем излучателем на пробирку с водой, определив значение рН в опытной и контрольной пробирке (в каждую добавляем по несколько кристалликов хлорида алюминия).

Анкетирование учащихся.

Для определения влияния ультразвука на организм человека применяется анкетирование групп учащихся: контрольная группа, группа учащихся на уроке информатики, группа учащихся в кабинете с работающим генератором ультразвукового излучения (слабое ультразвуковое излучение в течение 10 минут, имитирующее подобное в кабинете информатики).

Результаты исследования

 

При проведении физических методов исследования для моделирования процессов воздействия ультразвукового излучения на живые организмы, было выявлено: термическое воздействие – повышение температуры в пробирке, находящейся в ультразвуковом поле (фото. 1 в приложении) в среднем на один градус; механическое воздействие – отклонение пламени свечи под действием «звукового ветра» (фото. 2 в приложении); химическое воздействие – увеличение значений рН в экспериментальной пробирке (увеличение скорости гидролиза хлорида алюминия под действием ультразвукового поля) (фото. 3 в приложении); электрические эффекты не обнаружены.

При проведении исследования по влиянию ультразвука на организм человека было проведено анкетирование групп учащихся в количестве 20 человек каждая: группа учащихся в кабинете с включенным генератором слабого ультразвукового излучения в течение 10 минут, группа учащихся на уроке информатики (после работы длительностью 45 минут), контрольная группа учащихся.

Выбранные для ответов звуки: любимые и влияющие на самочувствие можно условно разделить на громкие и тихие – предпочитают тихие 90% учащихся, громкие 10%.

Общее самочувствие учащихся: экспериментальной группы – хорошее 58%, плохое 42%; группы учащихся после урока информатики – хорошее 69%, плохое 31%; контрольной группы – хорошее 88%, плохое 12% (диаграмма 3.1.).

   Особенности памяти и внимания: экспериментальной группы – хорошее 63%, плохое 37%; группы учащихся после урока информатики – хорошее 65%, плохое 35 %; контрольной группы – хорошее 78%, плохое 22% (диаграмма 3.2.).

  Появление усталости отмечают: экспериментальная группа 45% учащихся; группа учащихся после урока информатики 36%. контрольная группа 15% (диаграмма 3.3.).

  Предпочитаемые виды отдыха: экспериментальная группа – активный отдых 13%, пассивный 77%; группа учащихся после урока информатики – активный отдых 32%, пассивный 68%; контрольная группа – активный отдых 54%, пассивный 46%.

 

 

Заключение

 

Присутствие ультразвукового влияние в жизни современного человека невозможно отрицать. Задача людей – с умом избегать пагубных влияний этого на первый взгляд безобидного звука, который человек даже не слышит.   

Влияние ультразвука на организм определяется индивидуальными особенностями организма, хотя можно выделить общие симптомы. Ультразвук вызывает головокружение, головную боль, слабость, понижение работоспособности, снижение внимания и ухудшение памяти (по результатам анкетирования). Подобное влияние оказывает длительное пребывание возле телевизора.

Способы восстановления работоспособности – это отдых, причем в двух первых группах предпочтение отдается пассивному отдыху (результат снижения общей работоспособности, ухудшения самочувствия), в контрольной группе примерно одинаковые предпочтения активному и пассивному отдыху.

Общее самочувствие, память и внимание учащихся экспериментальной группы и учащихся после урока информатики ухудшаются по сравнению с контрольной группой, появляется усталость, то есть можно отметить одинаковое действие и наличие ультразвукового излучения в кабинете информатики (помимо других факторов воздействия). Трансформаторы, электроннолучевые трубки, работающие микросхемы и др. являются источниками слабого ультразвукового излучения.

Влияние ультразвука на организм определяется индивидуальными особенностями организма, хотя можно выделить общие симптомы. Ультразвук вызывает головокружение, головную боль, слабость, понижение работоспособности, снижение внимания и ухудшение памяти (по результатам анкетирования). Подобное влияние оказывает длительное пребывание возле телевизора.

 

Список литературы

1. Хилл, Бэмбер, Тер: Ультразвук в медицине. Физические основы применения

2. http://www.physic-explorer.ru/ultrazvuk_i_ego_primenenie-1048.html

3. http://www.physic-explorer.ru/biofizika_ultrazvuka-1114-1.html

4. Л.К. Зарембо, В.А. Красильников. Введение в нелинейную акустику (Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности), М., «Наука», 1966, 519 стр.

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA

6. Акимова Т.А. Кузьмин А.П. Хаскин В.В. Экология. Природа. Человек. Техника: учебник для вузов – М.: Юнити – Дана, 2001.

 

 

 

 

Приложения.

Приложение 1.

 

 

 

Фото 1. Термическое воздействие.

 

 

                                      Фото 2. Механическое воздействие.

                                              Фото 3. Химическое воздействие.

 

Приложение 2.

	Экспериментальная     На информатике     Контрольная

 

 

 

					Экспериментальная     На информатике     Контрольная   Контрольная

 

 

Приложение 3.

Анкета:

1. Назовите ваш любимый звук.
2. Какой звук отрицательно влияет на ваше настроение и самочувствие?
3. Какой звук вызывает у вас ощущение счастья?
4. Какую музыку вы предпочитаете?
5. Как вы оцениваете свое настроение в настоящий момент?
6. Как вы оцениваете свое самочувствие в настоящий момент? (наличие головной боли, головокружения и др.).
7. Легко ли вам было сосредоточиться?
8. Легко ли вы запомнили предложенную информацию?
9. Считаете ли вы, что в настоящее время уравновешены, спокойны?
10. Ощущаете ли вы комфорт?
11. Необходимо ли вам время для отдыха перед тем, как продолжить работу?
12. Какой вид отдыха вы предпочитаете после данного урока?