профилактического факультетов 1курса. Тема: Изучение

Методическая разработка
к практическому занятию для студентов 1 курса
медицинского, педиатрического и медико-профилактического
факультетов .
1.Тема. Изучение особенности распространения и биофизические
основы действия ультразвуку на биологические ткани (лаб. №53)
- 4 часа.
2. Место. Учебная комната.
З.Мета. 1. Выучить устройство аппарата для ультразвуковой терапии
(УЗТ-1), его исходные характеристики, влияние УЗ, на
вещество, овладеть навыками работы с аппаратом для УЗТ-1.
2. Методы образования уз-волн и их особенности. Действия УЗ на
тканини организма: механическую, тепловую, химическую.
3. Использование УЗ для диагностики и лечения.
4. Профессиональная ориентация студентов.
Дать представление об основных понятиях теории ультразвуковых
волн, эффектов действия ультразвуку, на биологические ткани, которые
важны для использования ультразвуку в разных областях медицины.
Например: для ранней диагностики используют ультразвуковые методы,
которые дают возможность видеть структуру внутренних органов
человека.
Разные свойства ультразвуковых волн, их взаимодействие с
веществом нашли использование при лечении заболеваний разного
характера (заболеваний сердечно-сосудистой системы, урологических,
гинекологических и стоматологических).
5.Базовый уровень знаний и умений.
№ Дисциплина
Знать
1. Физика
Явление обратного пьезоэффекта и магнитострикции.
6. План проведения практического занятия.
1. Проверка присутствующих - 5 мин.
2. Входной контроль и его анализ - 10 мин.
3. Преподаватель проводит распределение студентов на подгруппы для
проведення эксперимента - 5 хминв.
4. Знакомство с приборами (аппаратом УЗТ - 1, и осциллографом),
правилами включения аппарата и техника безопасности при работе из
этими приборами - 10 мин.
5. Выполнение практической части и обработка результатов измерений 30 мин.
6. Исходный контроль знаний и его оценка - 10 мин.
7. Оформление и подпись протоколов - 10 мин.
6.1.Перечень теоретических вопросов, которые рассматриваются на занятии.
1. Физические характеристики УЗ волн, их смысл и единицы измерения.
2. Что называется интенсивностью и какие значения интенсивности
используют для диагностики и терапии?
3. Какие явления происходят на границе двух сред с разными
волновыми сопротивлениями?
4. Что такое кавитация?
5. Действие УЗ на вещество.
7.Приборы и материалы: аппарат УЗТ, осциллограф, устройство, для
исследование теплового действия уз-волн,
комплект переменных излучателей.
8.Знание и навыки, которые получат студенты при знакомстве с темой
лекции.
Знания основных понятий теории ультразвуковых колебаний, особенностей
действия ультразвука на биологические ткани и законов распространения волн, в
средах необходимы для понимания результатов ультразвуковой диагностики на
современном научном уровне.
9.Перечень теоретических вопросов.
1. Особенности ультразвуковых колебаний.
2. Методы образования У3(Обратный пьезоэлектрический эффект
и магнитострикция).
3. Первичные эффекты действия УЗ на вещество.
4. Действие УЗ на клетку (эффект Дебая).
5. Действие УЗ на организм человека.
6. Какие параметры УЗ определяют его действие на организм?
7. Какие из свойств УЗ используются в УЗ-диагностике?
8. Принцип УЗ-эхолокации. Схема установки. Три метода регистрации
сигналов (А - метод (amplitude), В- метод (bright), М - метод (motion).
9. УЗ-терапия. Виды УЗ-терапии.
ІО.УЗ-хирургия. Виды.
10.Источники информации.
10.1.Основные:
1.Ливенцев н.М. «Курс физики». М. «Высшая школа», стр. 103-107
2.Ремизов А.Н. «Курс медицинской физики и электроники» М.1987 г.
3.Ливенцев Н.М., Ливенсон А.Р. «Электромедицинская аппаратура» М.1974 г.
4.Под ред... О.В. Чалого «Медицинская и биологическая физика»Київ в 2005 г.
10.2. Дополнительные:
1.Губанов Н.И.,Утенбергенов А.Н."Медицинская биофизика" М. 1978г.
2.Безденежных Е.А., Брикман и.С. «Физика в живой природе и
медицине», 1976 г.
3.Расторгуев Б.П. «Хирургия без ножа», изд. «Знание» М. 1975г.
стр.43-63.
Лабораторная работа № 53
ИЗУЧЕНИЕ АППАРАТА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
ТЕРАПИИ.
Цель работы: изучить устройство аппарата для ультразвуковой
терапии (УЗТ), его исходные характеристики, влияние УЗ, на вещество,
завладеть навыками работы с аппаратами для УЗТ.
Свойства ультразвуковых волн, взаимодействие с веществом,
действие на биологические объекты.
Ультразвук (УЗ) - механические колебания с частотой больше 20 кГц.
В медицине для терапевтических целей используют УЗ частотой 0,88 - 3
Мгц. УЗ распространяется в среде со скоростью звука: в воздухе - 333 м/с,
в мускульной ткани - 1500 м/с.
При распространении УЗ волны наблюдается перенос энергии. Количество
энергии, перенесенной в единицу времени через единицу плоскости, называется
интенсивностью ( ).
Обычно в медицине используется УЗ интенсивностью до 3 Вт/см 2, а в
биологических исследованиях - до 1000 Вт/см2.
Колебание частиц среды, которые возникают под воздействием УЗ волн
являются периодическими и характеризуются очень малой амплитудой и очень
большим ускорением. Да, на частоте 0,88 Мгц и интенсивностей 2 Вт/см 2
амплитуда равняется 3,5 -6 см, а максимальное ускорение - 9-107 см/с 2. В этом
случае возникает давление (акустическое давление), связанное со сжатием и
разрежением среды.
Акустическое давление может в несколько раз превышать атмосферное.
Такие большие ускорения и большое давления предопределяет в значительной
степени лечебное действие УЗ на ткани организма.
При взаимодействии УЗ волны с веществом наблюдається отражение,
поглощение, а в жидких средах - кавитация. Рассмотрим эти явления.
Отражение УЗ на границі раздела двух сред зависит от соотношения их
волновых сопротивлений. Волновое сопротивление ρс, где ρ - плотность среды, а
с -скорость УЗ волны в данной среде. Волновое сопротивление биологических
сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому на границе
воздух-ткань УЗ практически полностью отражается. Это образует определенные
трудности при УЗТ. Чтобы изъять слой воздуха между излучателем и объектом,
на поверхность тела наносят слой специального вещества - вазелиновое масло,
глицерин, ланолин. А в некоторых терапевтических процедурах используют воду.
Намного УЗ отражается на границе мышца - надкосниця - кость, на поверхности
полых органов.
При распространении УЗ наблюдаются потери механической энергии,
которая визивает нагревание среды. Поглощение энергии выполняется по
экспоненциальному закону. Для характеристики этого процесса используют
понятие "глубина проникновения" - расстояние к поверхности, на котором
интенсивность УЗ
волн уменьшается в «е» раз. Поглощение энергии
увеличивается с частотой, соответственно уменьшается глубина проникновения.
Так, на частоте 0,88 МГц глубина проникновения УЗ в мускульную ткань
равняется 5 см, в жировую - около 10 см, а в кости - около 0,3 см. Малые потери в
жировой прослойке и, соответственно, их незначительный нагрев при глубоком
проникновении в мышцы обеспечивает хорошие условия для терапевтического
использования УЗ. Но для УЗ также характерно интенсивное прогревание костных
тканей. Это отличает действие УЗ от действия электромагнитных волн и должно
учитываться при проведении УЗТ.
В жидкости при распространении УЗ волны в местах разрядки
возникают полости, которые наполнены парой этой жидкости. Это явление
называют кавитаций. Кавитационные пузыри живут очень короткое время.
Закрытие пузырей происходит с большой силой и сопровождается
нагревом. Молекулы жидкости могут возбуждаться и ионизироваться. В
результате этого, какая-либо структура, которая находится в
кавитационной полости, может разрушаться, а образованые разные ионы и
радикалы вступают во взаимодействие с молекулами вещества (например,
с белками и нуклеиновыми кислотами).
Действие УЗ на ткани организма имеет сложный механизм и изучен
недостаточно. Это действие включает три основных составляющей:
механическую, тепловую, химическую.
УЗ, который используется для терапии и диагностике, не визиває кавитации
в тканях. Это обусловлено использованием импульсов или низкой
интенсивности, или большой интенсивности, и короткой длительностью.
При интенсивностях УЗ менее 0,3 Вт/см 2 кавитация в тканях не
возникает, но наблюдается движение частиц. Если частицы заряжены и
имеют разные массы, то возникает разница потенциалов, которая в
тканях достигает сотен мВ. Это в свою очередь изменяет проницаемость
мембран клеток для ионов, которые принимают участие в клеточном
метаболизме, который улучшает обмен веществ. Проницаемость
клеточных мембран под действием УЗ увеличивается и для
лекарственных веществ. Эта методика введения лекарственных
препаратов называется фонофорезом. При облучении выделяется на
границе раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями или
же в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры.
Методика влияния УЗ волны на ткани.
Для получения УЗ используются устройства - излучатели, которые
работают на явлении обратного пьезоэффекта, в основе которого лежит
механическая деформация тел под действием высокочастотного
электрического поля. Основной частью такого излучателя является
пластина из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими
свойствами (кварц, сегнетова соль - керамический материал на основе
титаната бария и др.) на поверхности пластины нанесенны электроды. К
электродам прикладывается переменное электрическое напряжение от
генератора, в результате чего пластина начинает вибрировать, излучая
механические колебания УЗ частоты.
Влияние УЗ на ткани организма выполняется путем приложения торцевой
поверхности излучателя к области действия. В некоторых случаях влияние УЗ
проводится через воду - в ванне, или с помощью наполненных водой тубусов
Режим действия у УЗ терапии может быть непрерывным и импульсным.
Дозиметрия заключается во внедренных заданной величины интенсивности УЗ и
длительности действия.
Устройство аппарата УЗТ, его технические характеристики, принцип
действия.
Аппарат используют для влияния УЗ на разные участки тела человека при
лечении заболеваний в условиях медицинских учреждений. Аппарат используется
в общей физиотерапии для лечения больных разными заболеваниями
периферийной нервной системы, опорно-двигательного аппарата, и др.
Аппарат состоит из электронного блока и комплекта переменных
излучателей, которые соединены один с одним с помощью специального
соединительного кабеля.
Блок-схема аппарата представлена на рис. 1
Рис. 1
1
2
3
- автогенератор;
- модулятор;
- блок усилителей;
4 –индикатор исходного напряжения;
5– импульсный генератор;
6- блок питания;
7- процедурные часы.
Электронный блок нужен для образования напряжения возбуждения УЗ
излучателя в непрерывном и импульсном режиме работы.
В непрерывном режиме напряжение возбуждения представляет собой
гармонические колебания с частотой 0,88 МГц, а в импульсном последовательность высокочастотных импульсов с той же частотой заполнения.
Колебание УЗ частот генерируется в автогенераторе 1. В импульсном
режиме модуляция выполняется путем подачи на вход модулятора 2
импульсов положительной полярности из выхода импульсного генератора
5.Усилитель 3 нужен для усиления мощности сигнала к значению,
необходимого для образования заданной интенсивности УЗ колебаний.
Индикатор исходного напряжения 4 выполненный в виде световода. Блок
питания 6 имеет стабилизированные выпрямители. Согласование исходного
усилителя с излучателями и фильтрация исходного сигнала выполняется с
помощью П-образних фильтров.
Значение частоты УЗ колебаний, генеруемих аппаратом 0,88 МГц. В
импульсном режиме аппарат генерирует импульсы длительностью 2,4410 мс.
Частота следования импульсов равняется частоте в сети (50Гц). Время
установления рабочего режима не превышает 1 минуты. Аппарат
обеспечивает работу в течение 6 часов при повторно-кратковременному
режиме излучения - 15 минут работы в непрерывном режиме генерации при
интенсивности 1,0 Вт/см 2 и 10 минут перерывы (при отключении аппарата от
сети).
Интенсивность УЗ колебаний может изменяться 5 степенями с помощью
выключателя на лицевой панели и обеспечивается определенными значениями
напряжения. В течение процедуры длительностью 15 минут температура
излучающей поверхности может увеличиваться до 40 °С.
При работе на аппаратах этого класса (класс 1, тип В) нужно выполнять
следящие правила техники безопасности:
1. При эксплуатации аппарата необходимо использовать соответствующую
розетку, которая должна иметь кроме двух отверстий для штырей два
плоских контакта, соединенных с внешним заземлением.
2. Пациент не должен касаться заземленнях предметов (труб,
батарей центрального отопления и др.). Подставка, на которой
находиться пациент должна быть выполнена из токонепроводящего
материала.
3. При включенном аппарате не держать излучатель на воздухе.
Излучающая поверхность должна соприкасаться с жидкостью
4. Техническое состояние аппарата должно проверяться один раз в год.
Порядок работы.
1. Ознакомиться с лицевой панелью прибора (рис. 2).
Рис. 2
1
2
3
4
5
- разъем "Выход" для подключения кабеля излучателя;
- индикатор исходного напряжения;
- выключатель "сеть";
- индикатор включения сети;
- переключатель "Излучатели";
6
7
8
- переключатель - "Интенсивность" Вт/см 2 ;
- переключатель - "Режим работы";
- процедурные часы.
2. Выучить исходные характеристики УЗ аппарата. Для этого:
- включить осциллограф и наладить его;
- подключить соединительный кабель к разъему "Выход" на
аппарате и осцилографа;
- включить аппарат в сеть и нажать кнопку "Сеть", при этом
должен засветиться индикатор над выключателем;
- переключатель "Режим работы" поставить в положение "Н";
- изменяя положение кнопки "Интенсивность", определить по экрану
осцилографа амплитуды соответствующих сигналов в мм;
- зная чувствительность осциллографа, определить амплитуду в вольтах .
Данные занести в таблицу № 2.
Таблица 2
Степени переключателя
Амплитуда
«Интенсивность»
мм
В
перевести переключатель "Режим работы" в положение "2";
- наблюдать на экране осциллографа импульсы, нарисовать график изменения и
от времени;
- определить длительность импульса, длительность паузы;
- изменить положение переключателя "Режим работы" на "4" и "10" и повторити
предыдущие действия;
- выучить тепловое действие УЗ колебаний на вещество.
3.Наблюдение проводить 15 минут, замеряет температуру через
каждые 3 минуты. Построить график зависимости температуры (°С) от времени
(мин.).
4.Определить эффективную мощность теплового влияния, к.п.д. превращение
механической мощности УЗ в тепловую.
-
N T = cm∆ t ;
r
η =
NT
⋅ 100% ;
Ιs
m= ρV
Измерения занести в таблицу.
№
п/п
1.
С
ρ,
êã
ì 3
V, см3
t10 , c
t 20 , c
∆ t 0 , c τ , õâ. Ν T , Bò
I,
Bm
cì 2
S, ì
2
η
1 Задание входного контроля базовых знаний
Дополнение
1. Какие длины волн принадлежат к ультразвуковым?
А) 100 см;
В) больше 100 см;
С) меньше 100 см;
Д) 800 мм;
Е) меньше 1 см.
2. Какие пределы частот ультразвуковых колебаний?
А) выше 20 кГц;
В) ниже 1010 Гц;
С) те же, что и для видимого
света;
Д) 16-20000 Гц;
Е) нет правильного ответа.
3. Какие из названных источников излучают
ультразвуковые колебания?
А) Пианино; В) Саксофон; С)Гудок автомобиля;
Д) Свисток паровоза; Е) Барабан.
4. В чем суть пьезоэлектрического эффекта?
А) При сжатии или растяжении на поверхности металлов появляются
электрические заряды противоположного знака;
В) При сжатии или растяжении на поверхности кристаллов появляются
электрические
заряды одинакового знака;
С) При внесении металлов в переменное электрическое поле
происходят их механическая деформация;
Д) При внесении металлов в магнитное поле происходит изменение
линейных размеров металлов;
Е) При внесенные кристаллов в электрическое поле происходят их
механическая деформация.
5. В чем суть явления магнитострикции?
А) Изменение размеров кристаллов при намагничивании их;
В) Изменение размеров ферромагнетиков при намагничивании;
С) Если пропускать переменный ток по обмотке, размещенной и
вокруг
пакета никельових пластинок, происходит пульсирующее изменение их
размеров;
Д) Намагничивание тел под действием электрического тока;
Е) Разные способы намагничивания тел.
6. От чего зависит скорость распространения ультразвуку в жидкостях?
А) От частоты ультразвука;
В) От модуля упругости и плотности жидкости;
С) От излучателя, который излучает ультразвуковые колебания;
Д) От удельной теплоемкости жидкостей;
Е) От длины ультразвуковой волны.
7. Какие из процессов приводят к образованию ультразвуковых
колебаний?
А) Механические деформации кристаллов;
В) Химические реакции;
С) Тепловые явления;
Д) Пьезоэлектрические явления;
Е) Механические удары.
8. Чему равняется длина ультразвуковой волны, которая проходит сквозь
вещество?
А) Длина волны равняется двойному расстоянию между двумя узлами
стоячей волны;
В) Расстояние между двумя ближайшими точками волны, которые
находятся в одинаковых фазах;
С) Расстояние между двумя пучностями стоячей волны;
Д) Расстояние между пучностью и узлом стоячей волны;
Е) Расстояние между двумя точками с одинаковой
амплитудой.
9. Какое вещество нужно использовать при УЗ терапии, чтобы
ликвидировать воздушную прослойку между поверхностью кожи и
датчиком ?
А) Воду; В) Металл; С) Масло; Д) Воздух; Е) Парафин.
10. Определить энергию ультразвуковой волны, сконцентрированной в
объеме 2 мм3
тканини мозга, если плотность потока составляет 2 Вт/см2, а скорость
волны
5 00 см/с.
A) 8·10-6 Дж; В) 2·10 2 Дж; С) 5·10 -6 Дж;
Д) 10-6 Дж; Е) нет правильного ответа.
11. Генератор, который работает на частоте 60 кГц, посылает ультразвуковые
импульсы продолжительностью 1/600 сек. Сколько ультразвуковых волн
содержится в одном
импульсе?
А) 100;
В) 50;
С)20;
Д) 10;
Е)60.
12.Частота ультразвуковых колебаний, которая применяются для лечения,
составляет 500-1000 кГц. Определить интервал длины волн и
соответственно
периоды ультразвуковых колебаний, если скорость распространения
ультразвука в воздухе равняется 300 м/с.
А) 6·ІО-4 м - З·10-4 м; 2·10-6 сек – 10-6 сек;
В)2·10-6 м -4·10-4 м; 1· 10-6 сек - 0,5·10-6 сек;
С)10-4 м- 2·10-4 м; 4·10-6 сек-5·10-6 сек;
Д) 0,5 м - 1 м;
0,3·10-6 сек -0,5·10-5 сек;
Е)4м-5м;
0,2·10-2 сек-0,1 10-2 сек.
Дополнение 2.
Задание для исходного контроля знаний.
1. С помощью какого эффекта (явления) возможно образовать
ультразвуковые
колебания?
А) Пьезоэффекта;
В) Обратного пьезоэффекта;
С) Магнитострикции;
Д) Электромагнитной индукции.
2. В чем суть пьезоэлектрического эффекта?
А) При сжимании или растяжении на поверхности металлов
появляются электрические
заряды противоположного знака;
В) При сжимании или растяжении на поверхности кристаллов
появляются электрические
заряды одинакового знака;
С) При внесении металлов в переменное электрическое поле
происходят их механическая деформация;
Д) При внесении металлов в магнитное поле происходит изменение
линейных размеров металлов;
Е) При внесении кристаллов в электрическое поле происходят их
механическая деформация.
3. В чем суть явления магнитострикции?
А) Изменение размеров кристаллов при намагничивании их;
В) Изменение размеров ферромагнетиков при намагничивании;
С) Если пропускать переменный ток по обмотке, размещенной вокруг
пакета никельовых пластинок, происходит пульсирующее изменение их
размеров;
Д) Намагничивание тел под действием электрического тока;
Е) Разные способы намагничивания тел.
4. Какой из перечисленных эффектов позволяет исследовать
структуру
внутренних органов?
А) Преломление на границе двух сред;
В) Отражение от границе двух сред, которые отличаются разными
волновыми сопротивлениями;
С) Выборочное поглощение структурами ультразвука.
5. Какие из ниже перечисленных пунктов относятся к
использованию
ультразвука в медицине?
А) Введение лекарственных веществ под кожу;
В) Исследование структуры внутренних органов;
С) Приготовление гомогенных эмульсий и суспензий.
Задача 1.
Определить частоту ультразвуковых колебаний в Мгц, чтобы длина
волны равнялась 0,1 мм Скорость распространения ультразвука в тканях
принять 1500 м/с.
А) 20;
В) 15;
С) 1,5;
Д)30;
Е) 50.
Задача 2.
Определить в сколько раз увеличится энергия, которая переносится
волной через ткань, при увеличенные ультразвуковой волны в 2 раза.
А) в 8 раз;
В) в 4 раза;
С) в 2 раза;
Д) в 16 раз.
Задача 3.
Какая длина ультразвуковой волны, которая распространяется в
плексигласе, если волна частотой 4 Мгц, которая возбуждается
ультразвуковым генератором, распространяется со скоростью 2800 м/с?
А) 0,7 мм;
В) 0,8 мм;
С) 1,5 мм;
Д)2мм;
Е) 5 мм