Механические колебания сердца

Существуют различные методы исследования сердца, в основе которых лежат механические периодические процессы.

а) Баллистокардиография (БКГ) – метод исследования механических проявлений сердечной деятельности, основанный на регистрации пульсовых микроперемещений тела, обусловленных выбрасыванием толчком крови из желудочков сердца в крупные сосуды. При этом возникает явление отдачи.

Тело человека помещают на специальную подвижную платформу, находящуюся на массивном неподвижном столе. Платформа в результате отдачи приходит в сложное колебательное движение. По баллистокардиограмме (рис. 11) можно судить о движении крови и состоянии сердечной деятельности.

Рис. 11.Запись баллистокардиограммы

б) Апекскардиография (АКГ) – метод графической регистрации низкочастотных колебаний грудной клетки в области верхушечного толчка, вызванных работой сердца. Для регистрации колебаний используется пьезодатчик, который фиксируют на грудной клетке в точке максимальной пульсации (верхушечный толчок). Эту точку определяют пальпаторно. По сигналам датчика строится апекскардиограмма (рис. 12).

При анализе АКГ сравнивают амплитуды разных фаз работы сердца с максимальным отклонением от нулевой линии, которое принимают за 100 %.

Рис. 12.Запись апекскардиограммы

в) Кинетокардиография (ККГ) – метод регистрации низкочастотных вибраций стенки грудной клетки, обусловленных сердечной деятельностью.

Кинетокардиограмма отличается от апекскардиограммы: первая фиксирует запись абсолютных движений грудной стенки в пространстве, вторая регистрирует колебания межреберей относительно ребер. ККГ имеет сложный вид (рис. 13).

Рис. 13.Запись кинетокардиограмм перемещения (x),

скорости ( ), ускорения (a)

г) Динамокардиография (ДКГ) – метод оценки перемещения центра тяжести грудной клетки. ДКГ позволяет регистрировать силы, действующие со стороны грудной клетки человека. Для записи ДКГ пациент располагается на столе, лежа на спине. Под грудной клеткой находится воспринимающее устройство, которое состоит из двух жестких металлических пластин размером 30 30 см, между которыми расположены упругие элементы с тензодатчиками.

Периодически меняющаяся по величине и месту приложения нагрузка слагается из трех составляющих: постоянная – масса грудной клетки; переменная – эффект дыхательных движений; переменная – механические процессы, сопровождающие сердечное сокращение. Запись ДКГ осуществляют при задержке дыхания в двух направлениях относительно продольной и поперечной осей воспринимающего устройства (рис. 14).

Рис. 14.Запись нормальной продольной (а)

и поперечной (б) динамокардиограмм

Вибрации

Вибрации – вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отдельные части с различными амплитудами и частотами.

Источник вибрации – работа машин, механизмов. Колебания, возникшие в каком-либо месте тела, распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и др.). Степень воздействия вибраций зависит от частоты, амплитуды, скорости и ускорения колеблющейся точки, энергии колебательного процесса.

Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть «вибрационная болезнь». Это приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.

Вредны и кратковременные вибрации, если в их спектре содержатся частоты, совпадающие с частотами собственных колебаний частей тела. Человеческое тело и его органы имеют собственные частоты колебаний в диапазоне от 3 до 12 Гц. Вследствие резонанса вибрация органов увеличивается, они деформируются, смещаются или теряют фиксацию, может произойти их механическое повреждение.

Вибрации могут быть и полезными, например, при массаже – ручном или аппаратном. Аппараты бывают для общей вибрации – вибрационные стул, кровать, платформа и аппараты местного вибрационного воздействия на отдельные участки тела.

Механотерапия

Механотерапия – это форма лечебной физкультуры (ЛФК). Как правило, это тренажеры, на которых осуществляются колебательные движения различных частей тела человека.

Одной из задач лечебной физкультуры является осуществление дозированных, ритмически повторяющихся физических упражнений с целью тренировки или восстановления подвижности в суставах на аппаратах маятникового типа. При разработке тренировочно-реабилитационных медицинских методик, для обоснования их допустимых параметров необходимо учитывать характеристики колебательных процессов.

Механические волны

Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой или механической волной. С волной связан процесс переноса энергии колебаний. Частицы среды при этом не переносятся, а колеблются около положения равновесия. Т.е переноса вещества нет.

Есть продольные и поперечные волны (рис. 15). В продольных волнах есть области сжатия и растяжения (рис. 15а). Частицы совершают колебания вдоль направления распространения волны. В поперечных волнах в среде возникают периодические деформации сдвига. Частицы совершают колебания в направлении перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 15б).

Продольные волны можно наблюдать во всех средах. Поперечные – в твердых телах и на поверхностях жидкостей.

Фронт волны – геометрическое место точек (поверхность), в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение. Фронт волны разделяет области, в которой точки колеблются и области, в которой точки находятся еще в равновесии.

Рис. 15.Человек создает волны при помощи пружины.

Продольная волна: звенья пружины движутся вправо

и влево параллельно распространению волны (также вправо) (a).

Поперечная волна: звенья пружины движутся вверх и вниз

перпендикулярно распространению волны (вправо) (b)

Волны распространяются с конечной скоростью. Скорость волны – это скорость движения фронта. В воздухе скорость колебания частиц – 10 см/с, а скорость звуковой волны 330 м/с. Волны могут быть плоскими и сферическими.

Длина волны – расстояние, на которое перемещается ее фронт за время равное одному периоду колебаний частицы.

а) Энергетические характеристики волны.

Переносимая волной энергия складывается из кинетической (движение частиц) и потенциальной (деформация среды).

Поток энергии (Ф) – величина, равная средней энергии, проходящей за единицу времени через данную поверхность:

[Вт].

Интенсивность волны (I) – величина равная потоку энергии волны, проходящей через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения волны:

[Вт/м²]. (5.1)

Объемная плотность энергии ( ) – средняя энергия колебательного движения, приходящаяся на единицу объема среды:

[Дж/м³],

здесь – плотность среды; A – амплитуда колебаний; ‑ циклическая частота – число колебаний за 2 секунд.

Эффект Доплера

Эффект Доплера состоит в том, что воспринимаемая приемником частота сигнала отличается от излучаемой источником частоты вследствие движения источника сигнала или приемника.

Изменение частоты сигнала называется доплеровским сдвигом частоты ‑ . определяется по формуле: . Здесь ‑ скорость движущегося тела, от которого отражается сигнал; ‑ скорость распространения сигнала; ‑ частота сигнала.

Рис. 16.

Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов. Эффект Доплера используется в ультразвуковой диагностике. Использование эффекта Доплера показано на рис. 16. Ультразвуковые волны в крови отражаются от эритроцитов (1 и 2 – пьезодатчики).