11485

ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

Лабораторная работа

Биология и генетика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ Цель работы: Изучение механизмов взаимодействия ультразвуковых волн с биологическими объектами. Ультразвук находит широкое применив в современных медицинских приборах и аппаратах ...

Русский

2013-04-08

48.5 KB

12 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

Цель работы: Изучение механизмов взаимодействия ультразвуковых волн с биологическими объектами.

Ультразвук находит широкое применив в современных медицинских приборах и аппаратах начиная с ультразвуковых диагностических сканеров и кончая устройствами терапевтического и хирургического назначения. Целенаправленная разработка и использование такого рода приборов невозможны без детального исследования возможных механизмов воздействия ультразвуковых колебаний на биологические среды, биологические ткани, отдельные органы и целостный организм. Наиболее исследованными являются следующие механизмы взаимодействия ультразвука с биосредой:

1. Неспецифическое тепловое воздействие, связанное с преобразованием поглощаемой биосредами акустической энергии в тепловую энергию хаотического молекулярного движения. В этом случае величина тепловыделения зависит от интенсивности ультразвуковой волны J, коэффициента поглощения ультразвука , определяющего уменьшение амплитуды А волны при еe распространении в безграничной среде, а также от соотношения характерных размеров биообъекта d      длины ультразвуковой волны. Для плоской ультразвуковой волны в случае d скорость повышения температуры биосреды /dT/dt/ можно оценить по формуле:

          (1)

где - плотность среды, Сm - удельная теплоемкость. Так как коэффициент поглощения ультразвука возрастает с частотой, максимальное влияние теплового эффекта следует ожидать в области достаточно высоких частот /более 1 МГц/.

2. Акустические течения - макроскопические потоки вещества, являющиеся следствием нелинейных эффектов при распространении ультразвуковой волны. Экспериментально акустические течения проявляются в интегральном переносе вещества и могут наблюдаться при воздействии на биосреду ультразвука достаточно высокой интенсивности. При этом, если средой является биологическая ткань, то акустические потоки могут возникать как в межклеточной среде, так и внутри клетки. Наличие акустических течений существенно влияет на обмен веществ между клеткой и окружающей средой, в частности они способны ускорять процессы диффузии лекарственных веществ в мышечную ткань, что широко используется в медицине /явления фонофореза/.

3. Кавитация - нарушение сплошности среды /возникновение кавитационных полостей/ под действием мощного ультразвука. Кавитация сопровождается появлением кавитационных пузырьков и шумовым эффектом /аналог - процесс кипения/. В области образования кавитационных пузырьков возникают значительные напряжения и ударные волны, способные оказывать разрушающее воздействие на клетки и биологические ткани. Данный эффект используют, например, в нейрохирургии. Кавитация является принципиально нелинейным эффектом и возникает при пороговых интенсивностях ультразвука In, зависящих от свойств среды (вязкости, плотности, коэффициента поверхностного натяжения, дисперсности), а также от внешних параметров (температуры и давления). Для многих жидкостей давление  Рn, соответствующее порогу кавитации можно рассчитать из следующей приближенной формулы:

         (2)

где   - коэффициент поверхностного натяжения,  Ргдавление газа,  k - постоянная Больцмана.

Для биологических сред, являющихся существенно гетерогенными, навигационные эффекты могут проявляться в разрушении пространственных образований (например, клеток) и возникновении мелкодисперсных эмульсий.

Целью работы является изучение нелинейных ультразвуковых эффектов, имеющих место при воздействии ультразвука на биологические среды.

Часть I. Определение параметров ультразвукового поля в биологической среде

Порядок выполнения работы:

  1.  Ознакомиться с инструкцией  к ультразвуковому терапевтическому прибору, используемому в качестве источника мощного ультразвука. Подготовить прибор к работе. ВНИМАНИЕ! Запрещается включать прибор без разрешения преподавателя.
  2.  Измерьте амплитуду ультразвуковых колебаний на частоте f=40 кГц.

Для этого:

  1.  Поместите торец концентратора в поле зрения микроскопа.
    1.  Включите тумблер "сеть" на панели прибора.
    2.  Включите магнитостриктор, нажав кнопку соответствувщего канала. ВНИМАНИЕ! Продолжительность включения магнитостриктора - не более 1 мин., после чего отключить его нажатием кнопки "СБРОС".
    3.  Определить размер размытой полосы, соответствующей области колебаний торца концентратора, полуширина этой волосы равна амплитуде ультразвуковых колебаний.
    4.  По полученным значениям амплитуды колебаний  рассчитать амплитуду колебательной скорости V0 =. Рассчитать амплитуду акустического давления Р0 вблизи поверхности концентратора по формуле:

        (3)

для воздуха и воды ( - плотность среды, С – скорость ультразвука).

  1.  Рассчитать значения интенсивности ультразвука до формуле:

        (4)

2.7. Определить общую мощность N, излучаемую концентратором в водную среду по известным значениям интенсивности звука и площади S излучающей поверхности концентратора (диаметр торца концентратора D = 3,6  мм).

Результаты расчета занести в таблицу 1.

Таблица 1.

А, мкм

V0, м/с

Р0, атм

I0, Вт/см2

N, Вт

Pn, атм

воздух     вода

воздух     вода

воздух     масло

Часть II. Изучение механизмов воздействия ультразвука на биосреду

Порядок выполнения работы:

  1.  Поместите излучающий торец концентратора в мензурку с водой на глубину 5 мм. Включите магнитостриктор и убедитесь, что в мензурке возникают макроскопические течения (акустические потоки) и кавитация.
  2.  Налейте в пробирку воду и немного масла. Попробуйте перемешать две жидкости, взболтав их. Обратите внимание на качество (дисперсность) полученной смеси. Опустите в пробирку торец концентратора и включите магнитостриктор. Оцените качество полученной дисперсии.
  3.  Рассчитайте во формуле (2) пороги кавитации по давлению для воды и масла. Занесите данные в таблицу 1 (значения коэффицитентов поверхностного натяжения для воды и масла составляют 0,07 и 0,03 Н/м).

Контрольные вопросы:

  1.  Чем объясняется возникновение кавитации при давлениях, существенно меньших теоретических пороговых значений (см. таблицу 1)?
  2.  Почему в данном случае для оценки теплового эффекта в мышечной ткани формула (1) применима лишь для крупных млекопитающих?

Литература:

Хилл К.Ф. Применение ультразвука в медицине. М: Мир, 1989 г.

PAGE  3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12952. Методика организации и проведения классных часов 100.5 KB
  ТЕМА: Методика организации и проведения классных часов. ПЛАН Понятие классный час его задачи. Функции классного часа. Формы проведения классных часов. Подготовка классного часа. Проведение классного часа. Понятие классный...
12953. Неформалы – путь к себе или от себя. Классный час для школьников 6-го класса 41.54 KB
  Классный час для школьников 6го класса Тема: Неформалы путь к себе или от себя НЕФОРМАЛЫ ПУТЬ К СЕБЕ ИЛИ ОТ СЕБЯ Час общения о неформальных движениях Что не развилось в молодости То останется не развитым на всю жизнь Д.И.Писарев Кто в 16 лет не революционе...
12954. День захисника Вітчизни 49.5 KB
  Тема. День захисника Вітчизни Мета: познайомити дітей з видами військ; розвиток памяті уваги організованості самостійності умінь погоджувати інтереси в процесі подолання певним відповідним віковим особливостям труднощів; формування колективу виключення розєдн
12955. Воспитательные мероприятия. Классный час Человек отражается в своих поступках и другие 133.5 KB
  Классный час Человек отражается в своих поступках Цель: развить умение входить в положение других людей лучше понимать их чувства мотивы поведения; научиться прогнозировать и корректировать свое поведение поступки в самых различных жизненных ситуациях...
12956. Воспитательные мероприятия. Школа самоуважения 131.28 KB
  Школа самоуважения В период адаптации при переходе от начальной школы к старшейважной задачей для ребёнка является сохранение самоуважения. Правовой и психологический аспекты этой темы нашли отражение в данном сценарии. Основное содержание классного часа созда
12957. Тема классного часа: «Я- гражданин России» 52 KB
  Конспект классного часа. Тема классного часа: Я гражданин России Задачи: Образовательные Знакомство с понятием гражданин. Знакомство с символами России. Воспитательные: 1. Воспитывать любовь к своей стране. 2. Воспитывать интерес к Росси...
12958. Познайте тайны собственного Я. Классный час (4 класс) 160 KB
  Классный час 4 класс Тема: Познайте тайны собственного Я Цель: способствовать раскрытию внутреннего мира ребенка его индивидуальных качеств; формировать у учащихся нравственные нормы жизни. Оборудование: страницы устного журнала; виз
12959. Внеклассного мероприятия на тему «Белка и Стрелка - первые космонавты» 18.83 KB
  Планконспект пробного урока Внеклассного мероприятия на тему Белка и Стрелка первые космонавты проведенного студентом Трифоновой Евгенией Валерьевной в 1 Б классе 16 апреля 2013 г. Цель: познакомить детей с первыми космонавтами Белкой и Стрелкой. Задач
12960. Классный час «Приходи, Масленица!» 31 KB
  Классный час Приходи Масленица Цели: познакомить учащихся с основными традициями празднования Масленицы в разных странах создать условия для: расширения з наний учащихся об окружающем мире; развития интереса к истории представлений о народных обрядах разн...