curs 11 biofizica

Upload: andreea-chiochiu

Post on 14-Jul-2015

222 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

NOIUNI DE ACUSTIC FIZIOLOGIC

1. Emisia sonorEmisia sunetelor n lumea vie este un important mijloc de comunicare ntre diferii indivizi ai aceleiai specii. La speciile inferioare, sunetele sunt produse prin metode diferite, cum ar fi frecarea diferitelor pri ale corpului la insecte, frecri ale prilor osoase sau variaii de presiune n vezici specializate la peti. La organismele superioare, organele specializate n producerea sunetelor se gsesc n gt, n partea superioar a aparatului respirator, datorit faptului c folosesc aerul. La psri de exemplu, aparatul vocal se gsete la partea superioar a traheii. Aceasta are capacitatea de a se lungi au a se scurta, acionnd pe principiul tubului de org, ceea ce explic i deosebita frumusee a cntecului unor specii de psri. La om, responsabile de producerea sunetelor sunt coardele vocale, ns la producerea sunetelor i aduce contribuia ntregul sistem al cilor respiratorii superioare, acestea acionnd pe post de tuburi sonore. Coardele vocale nu sunt nite simple coarde oscilante, vorbirea articulat presupunnd o micare activ, controlat de sistemul nervos.

2.Recepia sonorSistemul auditiv are rolul de a prelua din aer variaiile de presiune (undele sonore) i de a le transmite sistemului nervos central. n continuare, vom prezenta structura tipic, deosebit de complex, a urechii umane, formate din trei pri principale (Fig.1): Urechea extern. Este alctuit din pavilion, canal auditiv (duct auditiv) i timpan. Rolul principal al acestei pri din sistemul auditiv este de a recepiona sunetele. Prin forma sa deosebit, pavilionul are un rol important n localizarea spaial a sursei sunetului, pentru aceasta, la multe specii animale pavilionul fiind mobil. La om de exemplu, eroarea de localizare spaial a sursei sunetului este de 3 4, sau exprimat n procente, n jur de 1 %. Fig.1 Schema urechii umane. 1 timpan, 2 ciocan, 3 nicoval, 4 scri, 5 fereastr oval, 6 ramp vestibular, 7 membran bazilar, 8 ramp timpanic, 9 fereastr rotund, 10 trompa lui Eustache, 11 cohlee (forma din desen nu coincide cu forma real)

Canalul auditiv are rolul unui tub sonor, avnd rolul de a transforma undele sferice n unde plane, avnd frecvena de rezonan de aproximativ 3300 Hz, aceasta fiind i frecvena la care sensibilitatea urechii umane este maxim. Canalul auditiv este nchis la interior de ctre timpan (1) care este o membran elastic ce intr n vibraie sub aciunea undelor staionare ce iau natere n canalul auditiv, vibraie transmis n continuare elementelor ce formeaz urechea medie. Avnd o grosime de 0.1 mm i o suprafa de 65 mm2, timpanul are o form aproximativ conic, ceea ce i permite s fie eficient pe aproape ntreaga sa suprafa, spre deosebire de o membran elastic plan, eficace doar pe o treime din suprafa. Forma timpanului a fost copiat de ctre om la realizarea membranelor difuzoarelor diferitelor sisteme acustice. Amplitudinea de vibraie a timpanului variaz n funcie de frecven, ntre 0.1 pentru o frecven de 1000 Hz, pn la 1 m la o frecven de 100 Hz. Timpanul este un rezonator puternic amortizat; la frecvena proprie de rezonan, care este de 1400 Hz, micarea sa nceteaz la 4x10-3 s dup dispariia sunetului.

Urechea median Urechea median este format din trei sisteme osoase de mici dimensiuni (ciocanul, nicovala i scria 2, 3, 4), aflate ntr-o incint cu volumul de aproximativ 150 mm3, plin cu aer. Cele trei osioare se comport ca nite prghii, avnd un rol foarte important, acela de a maximiza transferul de energie de la unda venit din aer, la urechea intern, n care propagarea se face n mediu lichid, fenomen cunoscut sub numele de adaptare a impedanelor. Dat fiind diferena mare a proprietilor elastice ale aerului i lichidelor, din energia total a unui sunet care vine din aer, ntr-un lichid ptrunde doar aproximativ a mia parte, restul reflectndu-se napoi n aer. Pentru a mri valoarea energiei undei preluat de mediul lichid, sistemul osos din urechea median preia vibraiile timpanului, micornd amplitudinea oscilaiilor, crescnd ns foarte mult presiunea sonor la nivelul ferestrei ovale (5). Pentru ca transferul de energie s fie total, raportul ntre presiunea sonor la nivelul ferestrei ovale i presiunea la nivelul timpanului trebuie s fie de aproximativ 61.

I S1 I S 2

2 2 pS1 pS 2 RS1 RS 2

pS 2 pS1

RS 2 61 RS1

(1)

La pisici, valoarea raportului presiunilor este de aproximativ 60, ceea ce explic auzul deosebit de fin al acestora, n timp ce la om, raportul este de aproximativ 29, creterea presiunii la nivelul urechii interne realizndu-se n special prin micorarea suprafeei pe care acioneaz oasele urechii mijlocii: 55 mm2 la nivelul timpanului, fa de 2.5 mm2, aria ferestrei ovale. Pentru ca timpanul s vibreze corect, trebuie ca presiunea aerului de o parte i de alta a sa s aib aceeai valoare. Cum la exterior, timpanul se gsete la presiunea atmosferic, nseamn c i incinta timpanic trebuie s se gseasc la aceeai presiune. Comunicarea ntre incint i exterior se face prin intermediul trompei lui Eustache (10) care se deschide n faringe. Trompa nu este deschis dect la nghiire sau n timpul cscatului, n restul timpului fiind nchis, mpiedicnd astfel transmiterea ctre ureche a sunetelor respiraiei sau a propriei voci. Cnd presiunea variaz rapid (n avion, cnd se urc sau se coboar o diferen de nivel important) presiunea intern nu are timp s se echilibreze. Diferena de presiune care ia natere ntre cele dou fee ale timpanului mpiedic funcionarea corect a acestuia, ceea ce se traduce printr-o senzaie de surditate. Un lucru similar se ntmpl n cazul unor inflamaii, cnd trompa este obturat. Intr-o astfel de situaie aerul este absorbit de esuturi, crendu-se o vidare a incintei timpanice.

Urechea intern (Fig. 2) Urechea intern are dou pri cu funcii diferite. Partea vestibular, are rolul unui traductor de poziie i micare pentru corpul uman, asigurnd echilibrul. Vestibulul membranos este format din dou caviti rotunjite, utricula i sacula, i din trei canale semicirculare situate n trei plane perpendiculare. Canalele semicirculare ocup cea mai mare parte a urechii interne. Fiecare canal conine un lichid i cili sensibili legai la celule receptoare care transmit informaiile la creier. Receptorii vestibulari sunt sensibili la fora de gravitaie, iar dispunerea celor trei canale n plane perpendiculare permite orientarea n spaiul tridimensional. Dac la un moment dat capul se gsete ntr-o poziie neobinuit, influxurile vestibulare tind s corecteze aceast poziie pe cale reflex. Fr aceast poriune a urechii interne, omul nu este capabil s i pstreze echilibrul. Receptorii vestibulari sunt n egal msur sensibili la acceleraii, adic la variaiile vitezei. Aceasta este cauza problemelor de echilibru dup o micare de rotaie (copiii se joac rotindu-se unul n jurul celuilalt sau n jurul unui ax, dup care ncearc s i menin echilibrul), sau chiar la pornirea sau oprirea unui ascensor. Problemele apar datorit compunerii forelor de inerie care apar n aceste micri cu fora de greutate, rezultnd o nelare a centrului echilibrului, ale crui decizii sunt eronate.

Fig. 2 Imaginea simplificat a urechii interne

Poriunea auditiv (Fig.3) se gsete ntr-un sistem de caviti i tuneluri cunoscut sub numele de labirintul osos, n osul temporal cranian. Poriunea cohlear const dintr-un tub umplut cu lichid, lung de aproximativ 3 cm, care se subiaz pe msur ce se rsucete n spiral, efectund ntre 2.75 i 3.5 ture n jurul unei coloane centrale. Tubul este mprit pe aproape ntreaga sa lungime n dou canale printr-o membran (membrana bazilar) i o lam osoas spiral. Undele sonore ptrund n urechea intern sub aciunea scriei prin fereastra oval n canalul cohleei aflat deasupra membranei bazilare, numit ramp vestibular. Unda de presiune este transmis prin lichidul perilimfatic ctre cel de-al doilea canal, care poart numele de ramp timpanic i de aici la fereastra rotund care joac rolul unei supape. Pe toat lungimea membranei bazilare se afl organul spiral al lui Corti, la nivelul cruia are loc traducerea energiei mecanice a undelor sonore n impulsuri nervoase. Membrana bazilar ocup toat lungimea cohleei i este format dintr-o parte osoas, n interiorul creia se gsete ganglionul spiral al lui Corti, i o parte elastic, format din aproximativ 24.000 de fibre elastice transversale. Limea membranei elastice crete progresiv, de la 0.01 mm la nivelul ferestrei ovale, pn la 0.065 mm la captul superior al cohleei.

Fig.3 Schema prii auditive a urechii interne

Fig.4. Punctele de vibraie ale membranei bazilare pentru diferite frecvene

Din punct de vedere istoric, primele studii asupra modului de funcionare al membranei bazilare au fost fcute de Helmholtz, care a presupus c aceasta se comport ca o coard elastic. Von Bkesy (care a ctigat premiul Nobel n 1961) a artat c membrana nu este tensionat i de aceea modelul corzilor vibrante nu poate fi folosit. Micarea membranei nu poate fi dect pasiv i determinat de micarea lichidelor cohleare. Datorit faptului c prin structura sa membrana bazilar este mai rigid la baz dect a vrf, pentru o presiune continu, deformarea acesteia la vrf este de 105 ori mai mare dect la baz. Aceasta face ca oscilaiile de presiune de la nivelul rampei vestibulare s se traduc la nivelul membranei bazilare printr-o und care se propag progresiv de la baz ctre vrf, cu amplitudine din ce n ce mai mare. In funcie de frecvena undei, amplitudinea acesteia atinge o valoare maxim ntr-un anumit punct al membranei, dup care scade rapid la zero (Fig.4.). Vibraiile fibrelor elastice ale membranei bazilare excit acea parte a organelor Corti cu care este n contact, rezultnd un influx nervos. Frecvena semnalului este determinat de ctre sistemul nervos, n funcie de punctul de pe membran n care amplitudinea semnalului este maxim. Dup cum se poate vedea din Fig.4.16, frecvenele nalte sunt traduse n partea inferioar a membranei, n timp ce frecvenele joase sunt percepute n partea superioar. Amplitudinea minim de vibraie a membranei bazilare la care apare rspunsul nervos (potenialul de aciune) este mai mic de 0.35 nm.

Transformarea undelor din membrana bazilar n influxuri nervoase se face cu ajutorul celulelor ciliate din organul lui Corti. Acestea sunt de dou feluri, celule ciliate interne i celule ciliate externe. Aceste celule se numesc ciliate, deoarece captul superior, aflat n contact cu endolimfa este prevzut cu sute de cili, aezai pe trei rnduri i avnd dimensiuni diferite (Fig.5).

Fig.5.Celule ciliate (a) externe i (b) interne. La celulele ciliate externe cilii sunt aezai n linie, n timp ce la celulele interne cilii sunt aezai n V

La om se ntlnesc circa 3.500 de celule ciliate interne i 12.500 externe, numr foarte mic n comparaie cu milioanele de fotoreceptori de exemplu. In plus, aceste celule i termin foarte devreme formarea (nainte de a 10 sptmn de sarcin la om) i nu au capacitatea de regenerare, astfel nct celulele distruse n timpul vieii nu mai sunt nlocuite. Acesta este motivul pentru care organul auditiv este foarte sensibil i trebuie protejat, deoarece orice leziune a urechii interne poate avea drept rezultat o hipoacuzie al crui remediu nu mai poate fi altul dect implantarea unei proteze auditive.O grij deosebit trebuie acordat proteciei mpotriva zgomotului. Efectele acestui asupra auzului pot fi imediate (perturbare a localizrii spaiale, senzaii dureroase, rupturi de timpan) sau prelungite (oboseal i traumatism auditiv, surditate profesional). Mai sunt de asemenea posibile efecte generale de ordin fiziologic (oboseal, perturbri ale EEG, tulburri de vedere) sau psihologic i psihiatric (tulburri psihomotorii i de atenie, tulburri de personalitate, senzaii de la neplcere pn la fric, tulburri ale somnului).

ULTRASUNETELE I ECOGRAFIA

Ultrasunetele sunt unde acustice longitudinale cu frecvene cuprinse ntre 20 kHz i 100 MHz. Ca i undele acustice, ultrasunetele se propag prin medii materiale. Unele animale (delfinii, liliecii) produc i recepioneaz ultrasunete, folosindu-le n orientarea spaial. Altele (cinele) au o sensibilitate mai mare a analizorului acustic dect omul, percepnd i sunete din domeniul ultrasunetelor.Principiul de baz al ecografiei este analiza ultrasunetelor care se reflect la suprafaa de separaie a dou medii cu proprieti diferite. De aici i numele metodei (ecou ecografie). Dispozitivele tehnice folosite pentru producerea sau recepia ultrasunetelor au la baz fenomenul de piezoelectricitate. Fenomenul const n apariia sarcinilor electrice la suprafaa unor cristale cnd acestea sunt supuse unor tensiuni mecanice. Invers, aceste materiale polarizate electric dau natere la deformri mecanice. Fenomenul a fost descoperit n anul 1880 de Pierre i Jacques Curie. Cele mai cunoscute cristale cu proprieti piezoelectrice sunt cuarul, titanatul de bariu, sarea Seignette.

Dac pe feele cristalului se aplic un cmp electric variabil, n cristal iau natere vibraii mecanice cu o frecven egal cu cea a cmpului aplicat. Pentru un randament maxim, frecvena semnalului aplicat trebuie s fie egal cu frecvena de rezonan a cristalului, care depinde de dimensiunile acestuia i de orientarea fa de axele cristaline. Vibraiile cristalului se transmit mediului nconjurtor sub forma unor unde elastice avnd aceeai frecven, astfel lund natere ultrasunetele. Pentru detecia ultrasunetelor se poate folosi acelai dispozitiv, funcionarea sa fiind invers: dispozitivul supus ultrasunetelor se polarizeaz, cmpul electric rezultant fiind variabil i avnd aceeai frecven cu unda detectat. In practica medical se folosesc n general ultrasunete cu frecvenele cuprinse ntre 2 i 20 MHz. Viteza acestora depinde mult de mediul strbtut, n tabelul 4.2 fiind prezentate valorile prin cteva medii de interes. Mediul Aer Ap Grsimi esuturi moi Oase Viteza (m/s) 330 1480 1450 1540 3000 4100

Tabelul 1. Valoarea vitezei de propagare a ultrasunetelor n diferite medii

Rezoluia spaial a determinrilor pe baz de ultrasunete este limitat de difuzie atunci cnd dimensiunea obiectului este comparabil cu lungimea de und. Avnd n vedere c la o lungime de und de 100 kHz lungimea de und este de 15 mm, iar la 100 MHz ea scade la 0,0015 mm, este preferabil s fie utilizate unde de frecvene ct mai nalte pentru a asigura o bun rezoluie a imaginii obinute. In obinerea unei imagini de calitate ct mai bun sunt importante ns i alte fenomene proprii undelor: absorbia, reflexia, refracia, difracia. Absorbia este dat ca i la sunete de o relaie de tipul:

W W0e x

(1)

unde W0 este energia emis iniial de surs, W este energia undei dup parcurgerea distanei x, iar este coeficientul de absorbie, a crui valoare este proporional cu ptratul frecvenei. Cu ct frecvena este mai sczut, cu att unda este mai puin absorbit, astfel nct folosirea frecvenelor foarte nalte dei are avantajul unei rezoluii mai bune, are dezavantajul unei absorbii rapide, zonele investigate trebuind s fie situate n imediata vecintate a suprafeei.

La suprafaa de separaie a dou medii diferite, undele incidente sufer simultan un proces de reflexie i unul de difracie, astfel nct energia undei se mparte ntre unda reflectat i cea refractat. Corespunztor se definesc dou mrimi, coeficientul de reflexie (R) care este raportul dintre intensitatea undei reflectate i a celei incidente i coeficientul de transmisie (T) care este raportul dintre intensitatea undei transmise (refractate) i a celei incidente. In tabelul 2 sunt prezentate valorile coeficientului de reflexie la inciden normal pentru suprafaa de separaie ntre diferite medii.

Tabelul 2.Coeficientul de reflexie pe diferite suprafee de separaie la inciden normalInterfaa Ap/aer Aer/esut adipos Muchi/oase Ap/oase esut adipos/muchi R0 0,9989 0,98 0,38 0,2899 0,0081

Se observ c prezena aerului antreneaz o reflexie intens i o parte neglijabil din energia undei incidente ptrunde n sistemul studiat. Trebuie deci asigurat un contact ntre piele i sonda de msur fr prezena aerului, lucru realizat cu ajutorul unsorilor ecografice. Informaia asupra structurii sistemului studiat este coninut n ecoul provenit de la suprafeele de separare ntre esuturile diferitelor organe. In funcie de modul n care se face analiza informaiei, ecografia este de dou tipuri: de tip A, la care amplitudinea este funcie de adncime, i de tip B, la care imaginea este format prin puncte a cror luminozitate e proporional cu amplitudinea ecoului, aceasta fiind metoda cea mai utilizat n practic. In afara utilizrii n ecografie, ultrasunetele mai pot fi folosite i pentru efectele lor biologice. Dac n cazul ecografiei, fenomenele datorate transferului de energie sunt neglijabile, la energii incidente mari efectele pot fi importante.

Cel mai important dintre acestea este cavitaia care reprezint o rupere local a lichidului i formarea unor goluri (caviti) umplute cu aer sau gaz. Fenomenul este favorizat de existena gazelor dizolvate n lichide care slbesc tria legturilor intermoleculare. Dac frecvena ultrasunetelor coincide cu frecvena de rezonan a cavitilor acestea se distrug prin implozie, genernd local temperaturi de ordinul miilor de grade i presiuni de ordinul miilor de atmosfere, acest lucru putnd duce la distrugeri locale ale esuturilor.

Datorit disiprii energiei undelor n esuturi, propagarea acestora este nsoit i de efecte termice. Acestea sunt cu att mai mari cu ct absorbia este mai puternic. Efectele biologice sunt date de o suprapunere a efectelor termice, electrice sau chimice care pot modifica activitatea celular. La intensiti mici efectele sunt de cele mai multe ori benefice, ns la intensiti mari efectele termice sau cavitaia pot duce la distrugerea celulelor.