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

36787. Определение скорости звука, модуля Юнга и внутреннего трения резонансным методом 187.5 KB
  Деформацией твердого тела называется изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения внешних воздействий, называются упругими. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими. Деформации реальных тел после прекращения действия внешних сил никогда полностью не исчезают. Однако если остаточные деформации малы, то ими можно пренебречь и рассматривать деформации как упругие.
36788. Тоновая и цветовая коррекция 12.22 MB
  В реальном изображении могут встретиться случайные светлые и темные пятна, царапины. Для правильной настройки следует отсечь уровни с низким процентом пикселей, чтобы ориентироваться по тонам документа, а не по случайным пятнам.
36789. ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНОВ I АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ 61 KB
  Тема: ЧАСТНЫЕ РЕАКЦИИ КАТИОНОВ I АНАЛИТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ. Перечень заданий: Частные реакции катиона N. Частные реакции катиона К. Частные реакции катиона NH4.
36790. Определение концентрации и подвижности основных носителей заряда в полупроводниках 174.5 KB
  Эффект Холла обусловлен взаимодействием носителей заряда электронов проводимости и дырок с магнитным полем. В магнитном поле на электрон действует магнитная сила F= e[B v] на положительные заряды F= q[B v] v = j ne средняя скорость направленного движения носителей в электрическом поле; nконцентрация носителей; e qзаряды под действием которой частицы отклоняются в направлении перпендикулярном j и B. При одном и том же направлении тока на передней грани накапливаются разные по знаку заряды в зависимости от типа...
36791. Изучение распределения термоэлектронов по скоростям. Распределение Максвелла 211 KB
  Краткое теоретическое введение Известно что свободные электроны внутри металла описываются квантовой статистикой ФермиДирака согласно которой распределение электронов по скоростям имеет вид 1 где число свободных электронов в единице объема металла с компонентами скоростей в интервалах от до от до от до ; масса электрона; постоянная Планка; энергия электрона; постоянная Больцмана; температура; энергия Ферми такое значение энергии электрона ниже которой все состояния...
36793. Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли 46.5 KB
  Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Томский политехнический университет†Факультет Естественных наук и математики Кафедра Общая физика Направление Физика Лабораторная работа № 216 Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли. Лабораторная работа № 216 Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля...
36794. Измерение напряженности магнитного поля соленоида 182 KB
  Магнитные поля созданные каждым витком в отдельности складываются. Напряженность магнитного поля соленоида в средней его части при прохождении по нему электрического тока определяется формулой: 1 Величина пропорциональна силе тока и зависит от числа витков приходящихся на единицу длины соленоида. Напряженность магнитного поля можно определить по воздействию этого поля на данный магнит.
36795. Измерение напряженности магнитного поля длинного соленоида с помощью датчика Холла 270 KB
  Цель работы: ознакомиться с одним из широко используемых на практике методов измерений и исследования магнитных полей с помощью датчика Холла; исследовать магнитное поле внутри длинного соленоида. Приборы и принадлежности: соленоид датчик Холла блок питания для соленоида источник питания для датчика Холла милливольтметр для измерения электродвижущей силы Холла. Эффект Холла.