Биофизические основы восприятия звука. Понижение, потеря слуха

Физические  основы звуковых методов исследования в клинике.

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом главное его значение. Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работающих машин многое сообщают нам. Чтобы  представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возможности воспринимать звук – закрыть уши. Естественно, что звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека. Распространенный звуковой метод диагностики заболеваний – аускультация (выслушивание) – известен еще со 2 в. до н. э. Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы, с передающей звук мембраной, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается аускультация. При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода. Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивание их. Представим замкнутую полость, заполненную воздухом внутри какого-нибудь тела. Если вызвать в этом теле звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, выделяя и усиливая тон, соответствующий размеру и положению полости. Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легких), жидких (внутренние органы) и твердых )кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.

Ультразвук  и его применение в медицине.

Ультразвуком называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц. Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно считать 10⁹ - 10¹⁰ Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми - излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью излучателя является пластина или стержень из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, керамический материал на основе титана бария и др.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды. Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора; то пластина благодаря обратному пьезоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты. Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса. Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частоте 2,87 МГц, сегнетовой соли 1,5 МГц и титаната бария 2,75 МГц.

Применение ультразвука  в медицине связано с особенностями  его распространения и характерными свойствами. По физической природе  ультразвук, как и звук, является механической волной. Однако длина  волны ультразвука существенно  меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1кГц, звук), 1,4 мм (1МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1ГГц, УЗ). Дифракции волн существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. «Непрозрачное» тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой длины с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ-волны с длинной 1,4 мм, возникнет «УЗ-тень». Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи ( аналогично преломлению и отражению световых лучей). Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца – надкостница – кость, на поверхности полых органов и т.д. Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т.п. При УЗ-локации используют как непрерывное, так и импульсное излучение. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта. Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла. Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики. Интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты, поэтому можно получить УЗ значительной интенсивности даже при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в УЗ-волне, также может быть большим, что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биологических тканях при облучении УЗ. Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости – кавитаций. Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул. Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты:

• микровибрация на клеточном и субклеточном уровне;
• разрушение биомакромолекул;
• перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран;
• тепловое действие;
• разрушение клеток и микроорганизмов.

Медико-биологические  приложения ультразвука можно в  основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению  относятся локационные методы и  использованием главным образом  импульсного излучения. Это эхоэнцефалография  – определение опухолей и отека  головного мозга; ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии – ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта Доплера изучается характер движения сердечных клапанов и измеряют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению  относится ультразвуковая физиотерапия. Для этих целей используют аппарат  УТП-3М. Воздействие ультразвуком на пациента производят с помощью специальной излучательной головки аппарата. Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук частотой 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см² и меньше.

Первичным механизмом ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань. При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани. Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарственных веществ, полученные с помощью ультразвука. В настоящее время разработан новый метод «сваривания» поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез). Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используются для стерилизации. Интересно применение для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного прибора «Ориентир» можно обнаружить предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.

Инфразвук и его применение в медицине.

Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора. В соответствии с Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах (№ 2274-80) по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ. По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный. Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц. Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления. Инфразвук отнюдь не является недавно открытым явлением. В действительности органистам он известен уже более 250 лет. Во многих соборах и церквях есть столь длинные органные трубы, что они издают звук частотой менее 20 Гц, не воспринимаемый человеческим ухом. Но, как выяснили британские исследователи, такой инфразвук может вселить в аудиторию разнообразные и не слишком приятные чувства — тоску, ощущение холода, беспокойство, дрожь в позвоночнике. Люди, подвергшиеся воздействию инфразвука, испытывают примерно те же ощущения, что и при посещении мест, где происходили встречи с призраками.

Вибрации.

В технике механические колебания различных конструкций  и машин получили название вибраций. Они оказывают воздействие на человека, который соприкасается с вибрирующими объектами. Это воздействие может быть как вредным и приводящим в определенных условиях к вибрационной болезни, так и полезным, лечебным (вибротерапия и вибромассаж). Основные физические характеристики вибраций совпадают с характеристиками механических колебаний тел, это:

• частота колебаний или гармонический спектр ангармонического колебания;
• амплитуда, амплитуда скорости и амплитуда ускорения;
• энергия и средняя мощность колебаний.

Кроме того, для понимания действия вибраций на биологический объект важно представлять себе распространение и затухание колебаний теле. При исследовании этого вопроса используют модели, состоящие из инерционных масс, упругих и вязких элементов.

Вибрации являются источником слышимых звуков, ультразвуков и инфразвуков.

Нарушение слуха.

Нарушение слуха — полное (глухота) или частичное (тугоухость) снижение способности обнаруживать и понимать звуки. Нарушением слуха может страдать любой организм, способный воспринимать звук. Звуковые волны различаются по частоте и амплитуде. Потеря способности обнаруживать некоторые (или все) частоты или неспособность различать звуки с низкой амплитудой, называется нарушением слуха.

Вызывается широким спектром биологических и экологических факторов. Причинами могут быть заболевания внутреннего уха и слухового нерва, воспаление среднего уха или некоторые инфекционные болезни — менингит, грипп и др.; иногда — травма или продолжительное воздействие сильного шума и вибраций.

У человека нарушение слуха, делающее невозможным восприятие речи, называется глухотой, а более лёгкие степени нарушения слуха, затрудняющие восприятие речи — тугоухостью (нейросенсорной, кондуктивной или смешанного характера). Кроме того, глухота бывает врождённая или приобретённая.

Дефекты: громкость, обнаружение  частот, распознавание звуков

Минимальная громкость, которую может воспринять индивидуум, называется порогом слышимости. В случае людей и некоторых животных, эту величину можно измерять с помощью поведенческих аудиограмм. Делается запись звуков от самых тихих к более громким различных частот, которые должны вызывать определённую реакцию проверяемого. Также существуют электро-физиологические тесты, которые могут быть осуществлены без изучения поведенческих реакций.

Нормальный порог чувствительности для различных частот не является постоянной величиной у любых видов животных. Если звуки различной частоты проигрывать с одинаковой амплитудой, то одни будут казаться громкими, другие тихими, а некоторые вообще неслышимыми. В общем случае, при повышении громкости или амплитуды звук становится лучше различимым. Обычно, если животное использует звуки для общения, то частоты, используемые в нём, лучше воспринимаются слуховыми органами, чем остальные. Такая «настройка» существует на многих уровнях слуховой системы, начиная со строения уха и заканчивая нервами и участками мозга, ответственными за обработку звуков.

Говорят, что индивидуум страдает нарушением слуха, если у него ухудшается восприятия тех звуков, которые обычно воспринимаются особями его вида. У людей термин «нарушение слуха» обычно употребляется к тем, кто частично или полностью потерял способность различать звуки на частотах человеческой речи. Степень нарушения определяется по тому, насколько громче по сравнению с нормальным уровнем должен стать звук, чтобы слушатель начал его различать. В случаях глубокой глухоты слушатель не может различить даже самые громкие звуки, издаваемые аудиометром.

Ещё одним параметром, по которому может развиться нарушение  слуха, является качество звука. У людей такие нарушения обычно выявляются тестами на распознавание речи (то есть речь должна быть не только услышана, но и понята). Нарушение распознавания звуков отдельно от общего ослабления слуха встречается крайне редко.

Классификация нарушений слуха и порог слышимости.

Нарушения слуха можно  классифицировать по типу, степени  и моменту наступления. Также, нарушения  слуха могут происходить как  с одним ухом, так и с обоими.

Порог слышимости — минимальная величина звукового давления, при которой звук данной частоты может быть ещё воспринят ухом человека. Величину порога слышимости принято выражать в децибелах, принимая за нулевой уровень звукового давления 2·10⁻⁵Н/м² или 20·10⁻⁶Н/м² при частоте 1 кГц (для плоской звуковой волны). Порог слышимости зависит от частоты звука.

Кондуктивные  и нейросенсорные (сенсоневральные) нарушения.

Когда структуры наружного  или среднего уха перестают правильно  передавать звуковой сигнал во внутреннее ухо, результатом становится кондуктивное снижение слуха. Обычно такой тип тугоухости обратим и может быть скорректирован путём хирургической операции или другими методами. Причинами являются инфекции уха, повреждение уха, например перфорация барабанной перепонки, а также серная пробка. Инфекции уха нередко встречаются у детей, поэтому родителям очень важно регулярно проверять слух и знать признаки тугоухости.

Нейросенсорное нарушение слуха происходит из-за потери чувствительности спирального органа улитки внутреннего уха или нарушений в работе слуховых нервов. Такие нарушения могут приводить к тугоухости всех степеней — от лёгкой до тяжёлой — и даже к полной глухоте.

Большая часть нейросенсорной потери слуха у людей вызвана  аномалиями волосковых клеток в кортиевом органе улитки. Иногда встречается нейросенсорная потеря слуха, вызванная нарушениями в VIII-ом черепно-мозговом нерве (преддверно-улитковый нерв) или в отделах мозга, отвечающих за слух. В крайне редких случаях такого типа нарушения слуха страдают только слуховые центры мозга (центральное нарушение слуха). В этом случае человек слышит нормально, но качество звука настолько плохое, что он не в состоянии разобрать человеческую речь.