Аустико-оптические методы исследования биообъектов

МГТУ им. Н. Э. Баумана.

 

 

 

 

Реферат по курсу биофизики  на тему:

“Оптико-акустические методы исследования биообъектов”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Группа: БМТ2-51

Студент: Нестеров М.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА 2011

Оглавление.

1. Введение: организм как источник физических полей.
2. Акустические поля человека.
3. Оптическое излучение тела человека.
4. Акустические методы исследования:

а) Аускультация.

б) Фонокардиография.

     5. Оптические методы исследования.

а) Радиотермография.

б) Компьютерно-оптическая томография.

     6. Вывод.

     7. Использованные источники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение: организм как источник физических полей.

   Всякое тело является источником физических полей. Термином физическое поле обозначают особое состояние материи, которое проявляется в воздействии на другие тела, находящиеся в этом поле. Физические поля различны по природе. Так, различают гравитационное, электрическое, магнитное, электромагнитное, ядерное поля. Можно рассматривать звук как акустическое поле.

   Тело человека как физическое тело тоже является источником физических полей. Регистрация, а также измерение характеристик этих полей могут быть использованы для получения информации о состоянии организма, его органов и тканей, т. е. для целей диагностики.

Наиболее существенны  для этого следующие физические поля.

• Акустическое поле (аускультация, фонокардиография).
• Электрическое поле (электрокардиография).
• Магнитное поле (магнитокардиография).
• Электромагнитное поле (термография).

   В популярной литературе  часто используется термин «биополе», понимая под этим некоторое специфическое влияние организма на окружающие тела или некоторое специфическое излучение биологических объектов. В связи с этим нужно определенно сказать, что организм является источником физических полей и каких-либо особых «биополей» не создает.

   Особый вопрос  — как представить результат  исследования (регистрации) физического поля организма (органов, тканей) для целей диагностики. Делается это по-разному. Так, например, при аускультации (Аускультация (лат. auscultatio — выслушивание), один из основных методов исследования внутренних органов выслушиванием звуковых явлений, возникающих в них) врач выслушивает звуки, т. е. субъективно оценивает их громкость и частоту. При электрокардиографии документально фиксируется временная зависимость разности потенциалов на теле пациента, возникающих при сердечной деятельности. При термографии тепловое излучение отображается на экране тепловизора.

   Давайте более полно ознакомимся с акустическим и электромагнитным (оптическим)¹ полем человека.

Акустические поля человека.

   Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов.

Низкочастотные  механические колебания с частотой ниже нескольких килогерц дают информацию о работе легких, сердца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи. Например, в фонокардиографии для измерения акустических шумов, создаваемых сердцем, используют микрофоны, устанавливаемые на поверхности тела. Электрические сигналы с датчиков усиливают и подают на регистрирующее устройство либо ЭВМ и по их форме и величине делают заключения о движениях тех или иных участков тела.

Кохлеарная акустическая эмиссия. Из уха животных и человека могут излучаться звуки — это явление называют кохлеарной акустической эмиссией, поскольку их источник локализован в улитке (cochlea) органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать микрофоном, расположенным в ушном канале. Обнаружен ряд видов кохлеарной акустической эмиссии,

---------------------------------------------------------------------------------------------------1 - Оптика (греч. optikē — наука о зрительных восприятиях, от optós — видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому О. — часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения БСЭ.

среди которых выделяется так называемая спонтанная эмиссия и акустическое эхо.

Спонтанная эмиссия - это  самопроизвольное непрерывное излучение  звука из ушей человека. Уровень  звукового давления достигает 20 дБ, т.е. в 10 раз выше порогового значения 2 • 10 ⁵ Па, которое способно воспринимать ухо человека на частоте 1 кГц. Частоты эмиссии у разных лиц отличаются и лежат в диапазоне 0,5-5 кГц, излучение обладает высокой монохроматичностью. Эмиссия наблюдается в среднем у 25% мужчин и у 50% женщин. Спонтанная эмиссия не имеет никакого отношения к «звону в ушах» - субъективному ощущению чисто нервного происхождения.

Кохлеарная акустическая эмиссия связана с деятельностью так называемых наружных волосковых клеток, расположенных в кортиевом органе улитки. В ответ на приходящую звуковую волну они изменяют свои размеры и вызывают во внутреннем ухе механические колебания, которые способны, распространяясь в обратном направлении, выходить наружу через среднее ухо. Биофизический механизм быстрых изменений геометрии клеток пока неясен, его быстродействие в сто раз выше, чем у мышц.

Из всех видов кохлеарной акустической эмиссии применение в медицине пока что нашло явление акустического эха - излучения звуков из уха спустя некоторое время после подачи в ухо короткого звукового сигнала. Оно используется для диагностики слуха новорожденных в первые несколько дней жизни, когда невозможно использовать обычные методы аудиометрии. Отсутствие эха является тревожным симптомом не только глухоты, но и зачастую сопряженных с ней поражений других отделов центральной нервной системы. Ранняя диагностика позволяет уже с первых дней жизни принять активные меры и в значительной степени ослабить неблагоприятные последствия этого недуга.

Акустическое  излучение ультразвукового диапазона. Тело человека является источником теплового акустического излучения с различными частотами. Обычно акустические волны подходят из глубины тела, отражаются от его поверхности и уходят обратно, однако пьезодатчик, контактирующий с телом, может их зарегистрировать. Особенность акустических волн, распространяющихся в теле человека, в том, что, чем выше частота, тем они сильнее затухают. Поэтому из глубины человеческого тела с расстояний 1 - 10 см могут дойти только тепловые ультразвуковые волны мегагерцового диапазона с частотами не выше 0,5 - 10 МГц. Интенсивность этих волн пропорциональна абсолютной температуре тела. Для измерения интенсивности теплового акустического излучения используют прибор - акустотермометр. С помощью этого прибора можно, например, измерить температуру тела человека, погруженного в воду.

Существенной областью применения акустотермографии станет измерение глубинной температуры в онкологии, при процедурах, связанных с нагревом опухолей в глубине тела с помощью разных методов: ультравысокими и сверхвысокими частотами, ультразвуком, лазерным излучением. Акустотер- мография — потенциально единственный неинвазивный метод, способный обеспечить высокое пространственное разрешение за приемлемое время измерения порядка одной минуты.

Оптическое излучение тела человека.

Оптическое излучение  тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные регистрировать одиночные кванты света и выдавать на выходе кратковременные импульсы тока, которые затем считаются с помощью специальных электронных счетчиков.

   Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см² кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны 6 — 60 квантов, главным образом, в сине-зеленой области спектра. Светимости различных участков кожи отличаются - наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функционального состояния пациента, снижаясь в покое и повышаясь с ростом его активности.

   Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфоресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соответствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засветка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое затем спадает во времени по сложной кинетической кривой с несколькими постоянными времени от единиц до десятков минут.

Аккустические методы исследования.

   а) Аускультация (лат. auscultatio — выслушивание), один из основных методов исследования внутренних органов выслушиванием звуковых явлений, возникающих в них. Выслушивание сердца было впервые введено во 2 в. до н. э. греческим врачом Аретеем. Французский врач Р. Лаэннек (1819) разработал современный метод аускультации., применив для этого "медицинскую трубку" — стетоскоп. При аускультации пользуются чаще фонендоскопом, состоящим из полой капсулы с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного; от неё идут резиновые трубки к уху врача.

   При аускультации лёгких выслушивают дыхательные шумы, различные хрипы, характерные для определенных заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов судят о состоянии сердечной деятельности, о появлении заболеваний сердца и т. п. Артерии выслушивают при измерении кровяного давления. При аускультации живота устанавливают наличие перистальтики желудка или кишечника, у беременных — сердцебиение плода.

   В ветеринарии аускультацию применяют при диагностике заболеваний сердечнососудистой, дыхательной, желудочно-кишечной систем животных. Непосредственная аускультация производится ухом исследователя через простыню или полотенце, которыми покрывают выслушиваемую часть тела животного; посредственная аускультациия — с помощью стетоскопа или фонендоскопа. Инструментальная аускультация в ветеринарии впервые применена венгерским учёным И. Мареком в 1901.

   б) Фонокардиография – широко применяемый неинвазивный метод  диагностического исследования сердца. Является одним из самых важных диагностических методов в кардиологии, поскольку позволяет проводить количественный и качественный анализ звуков сердца, а также наблюдать за изменениями звуковых явлений, возникающих во время работы сердца. Используется для диагностики многих кардиологических заболеваний, но особенно важна фонокардиография в диагностике врожденных и приобретенных пороков сердца.

   В основе метода лежит графическая регистрация звуков сердца недоступных простому слуховому восприятию (III –IV тоны) с помощью микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. В подавляющем большинстве случаев регистрируются сердечные тоны и шумы. Получаемое в результате этого графическое изображение называется фонокардиограммой. На ней всегда четко виден  порок сердца.

   Собственно, фонокардиография является дополнительным методом к аускультации и позволяет объективно определить форму, частоту и продолжительность регистрируемых звуковых процессов, а также их изменение в ходе динамического наблюдения за обследуемым.

Как мы уже говорили, используется преимущественно для фонового анализа  сердечного цикла и выявления  пороков сердца, особенно при аритмии, тахикардии, когда одна только аускультация не дает возможности решить, в какой  фазе сердечного цикла появляются те или иные звуковые явления.

Показания к проведению фонокардиографии

• возникновение сердечных шумов при аускультации
• подозрение на порок сердца

   Благодаря безопасности и простоте метода он широко применяется даже у тяжелобольных. Фонокардиография проводится в помещении с хорошей звукоизоляцией, с температурным режимом в пределах 22-26 градусов, т.к. при более низкой температуре у пациента возможно появление мышечного дрожания, что искажает фонокардиограмму. Во время исследования пациент находится в лежачем положении. Регистрация выполняется фонокардиографом при задержке дыхания в фазе выдоха.  
   Противопоказаний к проведению фонокардиографии не существует.

Следует также отметить, что фонокардиография не требует  специальной подготовки. Пациентам  с диагнозом «порок сердца» и  другими кардиологическими заболеваниями  обследование рекомендуется проводить  утром, после восьмичасового сна. Завтрак  должен быть легким, без тонизирующих продуктов (кофе, крепкого чая и т.п.).

Оптические методы исследования.

   а) Радиотермография частично относится к оптическим методам изучения биообъектов. Радиотермография (радиотермометрия) сформировалась на стыке таких наук, как биофизика, радиофизика, электроника сверхвысоких частот (СВЧ).                 

   Радиотермография служит для определения температуры внутренних тканей путем измерения интенсивности их собственного шумового излучения (в радиодиапазоне), которое пропорционально температуре ткани.

    Радиотермография входит в тепловые методы диагностики. Эти методы отличаются от других методов исследования (пальпация, рентгеновское исследование, ультразвуковые методы, томография) тем, что исследуются не отклонения в анатомическом строении внутренних тканей, а отклонения от нормальных процессов, которые влияют на распределение температур во внутренних тканях.

   Основное применение радиотермография находит в онкологии для раннего обнаружения онкологических заболеваний.

Радиотермография используется в различных сферах медицины: маммология, онкология, неврология, урология, гинекология, эндокринология. Отличительными её признаками являются неинвазивность, глубокая информативность и абсолютная безвредность.