Діаграма розтягу В’язко-пружні властивості біологічних тканин



Скачати 38.14 Kb.
Дата конвертації16.03.2017
Розмір38.14 Kb.
#12271

Основи біомеханіки та біоакустики Кафедра медичної фізики лікувального та діагностичного обладнання Тернопільський державний медичний університет ім. І.Я. Горбачевського

План лекції

  • Опорно-рухова система людини
  • Деформації та їх види
  • Діаграма розтягу
  • В’язко-пружні властивості біологічних тканин
  • Механічні коливання і хвилі.
  • Основи акустики
  • Ефект Доплера
  • Застосування ультразвуку медицині

Біомеханіка

  • розділ біофізики, у якому розглядаються механічні властивості живих тканин і органів, також механічні явища, які відбуваються як з цілим організмом, так із його окремими органами.

Опорно-рухова система людини

  • Опорно-рухова система людини, що складається із з’єднаних між собою кісток скелета і м’язів, являє собою з точки зору біомеханіки сукупність важелів, що підтримують людину у стані рівноваги.

Важіль

  • тверде тіло (як правило стержень), що має нерухому вісь обертання, до якої прикладені сили, які створюють моменти відносно цієї осі.

Види важелів

Види важелів

Види важелів

Деформація - зміна форми або об’єму тіла під дією прикладених до нього сил.

  • Деформація - зміна форми або об’єму тіла під дією прикладених до нього сил.

Деформації бувають

  • пружні – повністю зникають після припинення дії зовнішніх сил;
  • пластичні – тіло залишається у деформованому стані після припинення дії зовнішніх сил.

Одномірні (лінійні) деформації розтягу або стиску

  • Сили пружності напрямлені вздовж лінії дії деформуючої сили.
  • Сили пружності, які діють на тіло з боку опори або підвісу називаються силою реакції опори або силою натягу підвісу.

Абсолютна деформація

  • Якщо при деформації тіла деяка величина, яка характеризує розміри чи форму тіла, набуває значення , то зміна цієї величини
  • під дією прикладеної сили називається абсолютною деформацією.

Відносна деформація

  • Відношення абсолютної деформації до первісного значення називається відносною деформацією.

Напруження

  • Фізична величина, яка дорівнює пружній силі, що припадає на одиницю площі перерізу тіла називається напруженням.
  • Роберт Гук
  • (1635—1703 )
  • Англійський фізик Р. Гук експериментально довів, що напруження в пружно деформованому тілі прямо пропорційне до його відносної деформації.

Модуль Юнга Е

  • Модуль Юнга чисельно рівний напруженню , при якому довжина тіла збільшується в два рази:

Деформація повздовжного розтягування чи стиснення

Закон Гука для розтягу (або стиску):

  • Закон Гука для розтягу (або стиску):
  • сила пружності пропорційна вектору видовження (стиску) і протилежна йому за напрямом:
  • де k-коефіцієнт пружності (жорсткості), який визначається силою пружності, що виникає при одиничній деформації даного тіла.

Деформацію розтягу характеризують:

  • Деформацію розтягу характеризують:
  • абсолютним видовженням,
  • відносним видовженням
  • механічне напруження
  • де l,l0- кінцева і початкова довжини стержня, F – сила пружності, S – площа поперечного перерізу стержня.

Коефіцієнт Пуассона

  • Відношення відносної зміни поперечного розміру до відносної зміни поздовжнього розміру називається коефіцієнтом Пуассона.

Деформація всебічного розтягу або стиснення (об’ємна деформація)

  • Виникає при рівномірному розподілі стискуючих або розтягуючих сил по поверхні тіла.
  • F
  • F
  • F
  • F
  • зміна об’єму
  • первісний об’єм

Закон Гука у випадку деформації всебічного розтягу або стиснення

Деформація зсуву

  • Зсувом називають таку деформацію тіла, коли його плоскі шари зміщуються паралельно один одному.

Закон Гука при зсуві

Деформація кручення

  • Деформація кручення виникає у зразку, коли один його переріз нерухомий, а в іншому діє пара сил, момент якої спрямований вздовж осі зразка.

Діаграма розтягу

  • Графік залежності напруження від відносного видовження називають діаграмою розтягу

Діаграма розтягу для сталі

  • 0,005
  • 0,01
  • 0
  • A
  • B
  • C
  • D
  • E

Механічні властивості біологічних тканин

  • Як фізичний об’єкт біологічна тканина - композитний матеріал, механічні властивості якого відрізняються від механічних властивостей кожного компонента, взятого зокрема.

Кісткова тканина

  • Кісткова тканина
  • Основними матеріалами кісткової тканини є гідроксіланатит 3Са3(РО)2 Са(ОН)2 і колаген.

Схема будови трубчастої кістки

Діаграма деформації для кістки.

  • розрив
  • стиснення
  • злом
  • розтяг
  • 0.05
  • 0.10
  • 0
  • 1.0
  • 2.0
  • н/м
  • Модуль Юнга кісткової тканини Е=10ГПа, межа міцності =100МПа.

М’язи

  • М’язи
  • До їх складу входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену та еластину.

Шкіра

  • Шкіра
  • складається з волокон колагену та еластину розташованих в основній матриці

Колагенові волокна. Діаграма деформації для колагену.

  • розрив
  • 0.05
  • 0.10
  • 0
  • 5
  • 10
  • н/м

Еластичні волокна. Діаграма розтягу еластину.

  • 0
  • 20
  • 10
  • 0,5
  • 1,0

Судинна тканина

  • Судинна тканина
  • Механічні властивості судин визначаються головним чином властивостями гладких м’язевих волокон, еластину і колагену. Стінки судин неоднорідні за своєю будовою, відрізняються анізотропними механічними властивостями.
  • При зростанні тиску жорсткість судин або їх тонус різко зростає.

Механічна напруга стінки судин визначається рівнянням Ламе

  • Механічна напруга стінки судин визначається рівнянням Ламе
  • де р – тиск крові зсередини на стінку судини
  • r- радіус внутрішньої частини судини
  • h- товщина судини
  • Зв’язок між тиском, радіусом і модулем пружності
  • r
  • p
  • h

Діаграма розтягу стінки судин (аорти)

  • 100
  • 150
  • 200
  • 1.0
  • 1.1
  • 1.2
  • P mm Hg
  • d/d

Повзучість. Релаксація напруження.

  • Повзучістьце явище зміни з часом розмірів зразка в умовах дії постійного напруження.
  • Релаксація напруження – явище зменшення з часом величини напруження у зразку при підтримці постійної величини деформації. Релаксація напруження і повзучість суто динамічні процеси.

В’язко-пружні властивості біологічних тканин

  • Моделлю в’язкого тіла може служити поршень з отворами, що рухається в циліндрі з в’язкою рідиною
  • Напруження і швидкість в’язкої деформації пов’язані рівнянням
  • де - коефіцієнт в’язкості.

Моделлю в’язкого тіла може служити поршень з отворами, що рухається в циліндрі з в’язкою рідиною

  • Моделлю в’язкого тіла може служити поршень з отворами, що рухається в циліндрі з в’язкою рідиною
  • Напруження і швидкість в’язкої деформації пов’язані рівнянням
  • де - коефіцієнт в’язкості.

Модель Максвела

  • Модель Максвела
  • Залежність деформації від часу
  • Механічні властивості гладких м’язів описує модель Максвела.

Модель Кельвіна-Фойхта

  • Модель Кельвіна-Фойхта
  • Залежність деформації від часу

КОЛИВАННЯ

  • Коливаннями називаються рухи або стани, які мають ту чи іншу степінь повторюваності у часі.
  • Всередині будь-якого живого організму від клітини до високоорганізованих істот повсякчас відбуваються різноманітні процеси, які ритмічно повторюються (биття серця, коливання психічних станів,біоритми і т. ін.).

Коливальними називаються процеси, які так чи інакше повторюються з часом.

ПРИКЛАДИ СИНХРОННО ЗАРЕЄСТРОВАНИХ КАРДІОСИГНАЛІВ

Пружинний маятник

  • x
  • x
  • m
  • F пр

Визначення гармонічних коливань

  • Матеріальна точка, що знаходиться під дією пружної сили, здійснює коливальний рух, при якому її зміщення від положення рівноваги змінюється з часом за законом синуса або косинуса. Такі коливання називають гармонічними.

Механічні коливання і хвилі.

Швидкість та прискорення коливань тіла

Математичний маятник

  • l
  • mg
  • x
  • T
  • F
  • O

Квазіпружна сила

  • Сила, що не є за природою пружною силою, але аналогічна їй по залежності від зміщення називається квазіпружною.

Період гармонічних коливань

  • пружинний маятник
  • математичний маятник

Період коливань

  • Час, протягом якого здійснюється одне повне коливання, називається періодом коливань (T )
  • де N – число повних коливань, що здійснює система за час t .
  • Одиницею вимірювання періоду є 1с:
  • [T ]=1с.

Частота коливань

Затухаючі коливання

  • x(t)
  • A(t)
  • A(t+T)
  • t

Характеристики затухаючих коливань

Резонанс

  • Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань у випадку, коли частота зміни зовнішньої сили, яка діє на систему, збігається з частотою вільних коливань, називається резонансом (від латинського слова reѕonanѕ — той, що відгукується), а відповідна частота – резонансною.

Автоколивальна система

  • регулятор
  • зворотній
  • зв’язок
  • коливальна система
  • джерело енергії

Додавання гармонічних коливань, спрямованих вздовж однієї прямої

  • Результуюче коливання являє собою гармонічне коливання, яке відбувається вздовж тієї ж самої прямої, що і складові коливання, і з періодом (частотою), який дорівнює періоду (частоті) складових коливань

Графік биття

  • Період зміни амплітуди коливань називають періодом биття.
  • 0
  • x[t]
  • A[t]
  • t

Додавання взаємоперпендикулярних гармонічних коливань (фігури Лісажу)

Механічні хвилі

Густина енергії

Густина енергії

Потік енергії хвилі

Інтенсивність енергії хвиль

Потік енергії хвиль

Вектор Умова

Акустика. Елементи фізики слуху. Основи аудіометрії

  • Людина сприймає інформацію із зовнішнього світу з допомогою всіх своїх органів чуття, які являються інформаційними каналами, пов'язуючи людину із зовнішнім світом.
  • ЗІР
  • НЮХ
  • СМАК
  • СЛУХ
  • ДОТИК

ОСНОВИ АКУСТИКИ

  • Акустика – це наука, яка вивчає звукові явища. Різке збільшення амплітуди (гучності) звуку при збігу частоти звукової хвилі із власною частотою системи, у якій поширюється звук, називається акустичним резонансом. Відбиття звуку від перешкоди і повернення його у вихідну точку називається луною. Ця властивість звуку використовується в ехолотах для визначення глибини океану. Ехолокацію використовують деякі тварини, наприклад, кажани, сови й ін.

ПРИРОДА ЗВУКОВОЇ ХВИЛІ

  • Звук – це механічні хвилі, частота яких лежить у межах 16–20000 Гц. Поняття «звук» можна розглядати з двох принципово різних позицій.
  • Звук як фізичне явище – це поширення поздовжніх коливань в пружному середовищі.
  • Звук як фізіологічне явище – це специфічне відчуття, викликане дією звукових хвиль на орган слуху.
  • Звукові хвилі – це поздовжні хвилі.

Звук та його поширення

  • Механічні хвилі з частотою меншою 16 Гц називають інфразвуковими, а більшою 20000 Гц – ультразвуковими. У твердих тілах звук поширюється у вигляді поздовжніх і поперечних хвиль. У газах і рідинах звукові хвилі є періодичними згущеннями і розрідженнями середовища, що віддаляються від джерела звуку з певною характерною для даного середовища швидкістю.

ОСНОВИ АКУСТИКИ

  • Звук як фізичне явище характеризується певною частотою, інтенсивністю та набором частот. Це об’єктивні характеристики звуку. Людське вухо сприймає звук за гучністю, висотою і тембром. Це – суб’єктивні характеристики звуку.
  • Інтенсивність звуку визначається потоком енергії в одиниці об’єму простору. Інтенсивність звуку в системі СІ вимірюється і [I] = Вт /м2 Інтенсивність звуку прямо пропорційна квадрату амплітуди хвилі.

Основні характеристики звуку:

  • об’єктивні:
  • інтенсивність або сила звуку;
  • частота;
  • частотний спектр.
  • суб’єктивні:
  • гучність
  • висота тону
  • тембр

ОСНОВИ АКУСТИКИ

  • Гучність звуку це фізіологічна інтенсивність звуку. Поняття інтенсивності і гучності звуку не рівнозначні. Встановлено, що гучність зростає значно повільніше, ніж інтенсивність звуку.
  • Висота звуку визначається його частотою. Чим більша частота, тим більша висота звуку. Тембр звуку визначається його спектральним складом.

ОСНОВИ АКУСТИКИ

  • Музичний тон – це звук, який ми чуємо тоді, коли його джерело здійснює гармонічні коливання. Гучність тона будь-якої даної висоти визначаєтьс амплітудою коливання.

ОСНОВИ АКУСТИКИ

  • Акорд – це одночасне звучання двох або кількох звуків (може викликати приємне – консонанс – та неприємне – дисонанс – слухове відчуття).
  • Шум – це аперіодична складна суміш звуків, спектр якої в певному інтервалі частот є безперервним.
  • Звуковий тиск. Під час поширення звуку відбувається коливання тиску в околі середнього значення характерного для даного середовища. Звуковий тиск – це змінна частина тиску, яка виникає в середовищі під час проходження звуку.

Характеристики слухового відчуття

Рівень інтенсивності звуку

Рівень інтенсивності звуку

Закон Вебера–Фехнера

Рівень гучності у фонах

Стандартні криві рівної гучності.

ЕФЕКТ ДОППЛЕРА В АКУСТИЦІ

  • Ефектом Допплера в акустиці називається зміна частоти звукових коливань, які реєструються приймачем коливань, у порівнянні з частотою, яку випромінює джерело звуку, внаслідок відносного руху джерела звуку і приймача.

ЕФЕКТ ДОППЛЕРА В АКУСТИЦІ

  • Ефект Допплера ґрунтується на принципі незалежності рухів (принципі суперпозиції). Згідно з цим принципом звукова хвиля, яка випромінюється джерелом, поширюється у середовищі абсолютно незалежно від руху джерела і приймача.

ЕФЕКТ ДОППЛЕРА

  • Ефект Допплера використовується в найрізноманітніших галузях людської діяльності для вимірювання швидкості об’єктів на відстані. Наприклад, у медицині за допомогою ультразвуку вимірюють швидкість проходження крові по судинах.

Ультразвукові коливання і хвилі

  • Це такі пружні коливання і хвилі, які мають частоту в межах від 20кГц до 109Гц.
  • З метою генерації та прийому ультразвукових коливань використовують два методи:
  • механічний;
  • електромагнітний.

Застосування ультразвуку у медицині

  • УЗД;
  • прискорення фізіологічних процесів у клітинах;
  • руйнування різного роду новоутворень;
  • у фармацевтичній промисловості;
  • механічні та теплові ефекти.

Застосування ультразвуку медицині

  • Ультразвук великої потужності викликає загибель вірусів і бактерій, це використовується для стерилізації середовищ;
  • Ультразвукові хвилі малої потужності збільшуєть проникність клітинних мембран і активізують процеси обміну в тканинах;
  • Ультразвукові хвилі створюють механічну і теплову дію на тканини, що лежить в основі ультразвукової фізіотерапії;
  • У хірургії для різання кісткової тканини застосовують «ультразвуковий» скальпель.

Приклади тривимірного УЗД плоду в режимі реального часу Режим Live 3D й 2D у сірій шкалі. Фрагмент дослідження – плід

Ехокардіографія

Ехокардіографія

Приклад УЗД судин

Інфразвукові коливання та хвилі

  • Це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається в газах, рідинах та твердих тілах.
  • Для людини інфразвукові коливання великої амплітуди можуть бути дуже шкідливими, оскільки деякі процеси в організмі людини відбуваються в інтервалі інфразвукових частот.
  • Висновки
  • Опорно-рухова система людини
  • Деформації та їх види
  • Діаграма розтягу
  • В’язко-пружні властивості біологічних тканин
  • Механічні коливання і хвилі
  • Основи акустики
  • Ефект Доплера
  • Застосування ультразвуку медицині
  • Контрольне завдання
  • Які види деформації Ви можите назвати? Наведіть приклади деформацій у людському організмі. Якими величинами вимірюється деформація?
  • За відносної легкості кістки здатні протистояти великим навантаженням. Чим пояснюється дивовижна міцність кісток людини?
  • Які коливання називають звуковими? Від чого залежить швидкість поширення звуку у повітрі?
  • Які джерела акустичних хвиль звукового діапазону в людському організмі Ви можете назвати?
  • Що називається шумом? Який механізм впливу шуму на організм людини?
  • Відповідь у вигляді прикріпленого файлу Microsoft Word надішліть на мою електронну скриньку sverstyuk@tdmu.edu.te.ua У темі повідомлення вкажіть: Лекція Основи біомеханіки та біоакустики студент (Ваше прізвище, ім’я, по-батькові)
  • Література:
  • Марценюк В.П., Дідух В.Д., Ладика Р.Б., Баранюк І.О., Сверстюк А.С., Сорока І.С. Підручник „Медична біофізика і медична аппаратура” Тернопіль: Укрмедкнига, 2008, 355 с.
  • Медична і біологічна фізика / За ред. О.В.Чалого. т.1 - К. : Віпол, 1999, 425 с.
  • Ємчик Л.Ф., Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика: Підруч.-Львів: Світ, 2003.- 592 с.
  • Дякую за увагу!

Каталог: data -> kafedra -> internal -> biofiz -> presentations
internal -> Класифікація пошкоджень щлд
internal -> Модуль Інформаційні технології в системі охорони здоров’я обробки та аналізу медико-біологічних даних. Текстові тестові запитання
internal -> Пізні гестози вагітних
internal -> Тема: Біологічні основи гельмінтології. Класифікація гельмінтів. Принципи взаємодії паразита й хазяїна
internal -> Текстові тестові завдання
presentations -> Характеристики електричного струму
presentations -> Правила техніки безпеки. Кафедра медичної фізики діагностичного та лікувального обладнання Звукові методи діагностики

Скачати 38.14 Kb.

Поділіться з Вашими друзьями:




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2022
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка