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

28007. Экологическая биотехнология. Возможности увеличения производства экологически безопасной продукции на основе биопроизводства 2.52 KB
  Возможности увеличения производства экологически безопасной продукции на основе биопроизводства. Среди новых направлений биотехнологии способствующих получению экологически безопасной продукции следует отметить применение микробиологических удобрений промышленную переработку бытовых отходов индустриальную технологию компостирования отходов животноводства и др. микробиологические удобрения повышают продуктивность растений и кол во растительной продукции. Азотфиксирующие микроорганизмы служат прекрасной основой для...
28008. Экологически безопасные технологии и оптимизация обработки почвы 3.73 KB
  Поэтому нужна разработка таких сельскохозяйственных машин и орудий которые при общей эффективности должны оказывать минимальный вред окружающей среде а именно: Сократить выбросы от с х машин и орудий Уменьшить нагрузку на почву путем изменения конструктивной особенности техники Внедрение двигателей с высоким КПД но низким потреблением топлива.
28009. Экологические аспекты применения сточных вод при орошении. Ценность сточных вод в повышении плодородия почв. Контроль загрязнения почв 12.86 KB
  Ценность сточных вод в повышении плодородия почв. Сточные воды используются для орошения на специальных участках земледельческих полях орошения ЗПО. Под последними понимаются водохозяйственные объекты оборудованные для непрерывного приема определенного количества сточных вод в течение всего года с целью их очистки или доочистки и использования для орошения.
28010. Экологические особенности и значимость биогумуса. Препараты получаемые на основе биогумуса. Экологические аспекты подготовки и применения биогумуса 2.93 KB
  Препараты получаемые на основе биогумуса. Экологические аспекты подготовки и применения биогумуса. Установлена возможность биогумуса связывать радионуклиды находящиеся в почве органических удобрений резко уменьшать поступление тяжелых металлов в растения.
28011. Экологические проблемы мелиорации. Виды и целевое назначение современных мелиораций. Положительные и отрицательные изменения в ОС под влиянием гидротехнических мелиораций 4.85 KB
  К этим мероприятиям относятся: Орошение и обводнение Осушение земель Противоэрозионные мероприятия закрепление оврагов сыпучих песков почво и полезащитное лесонасаждение. Рассоление почв Выравнивание микрорельефа и т. Мелиорация земель призвана способствовать получению высоких и стабильных урожаев повышению плодородия почв рациональному использованию земельных ресурсов. Орошение – способ повышения продуктивности почв важнейшее направление интенсификации с х производства.
28012. Экологические проблемы механизации. Влияние средств механизации на почвенно- биотический комплекс, воздушную среду 14.46 KB
  В результате неоднократного передвижения машин по полю происходит значительное переуплотнение почвы которое распространяется на большую глубину до 100 см а машинные следы покрывают до 80 поля. Докучаева плотность почвы возросла к настоящему времени на 20. Угнетение активности почвенных микроорганизмов переуплотненные почвы и нарушение ее структуры снос перемолотой почвы водой и ветром т. машинная деградация почвы – все это отрицательные последствия воздействия на пашню ходовых систем и рабочих...
28014. Антропогенные изменения почв и их экологические последствия. Гумусовые соединения почв как элемент почвенно-экологического мониторинга 3.46 KB
  Гумусовые соединения почв как элемент почвенноэкологического мониторинга. Будучи важнейшей жизнеобеспечивающей сферой почва испытывает различличные воздействия обусловленные многообразной производственной деятельностью человека. Ухудшение состояния земельных ресурсов и снижение плодородия почв создают угрозу для средств существования людей и продовольственной безопасности в будущем.