Глава №1 «Биомеханика»

Короткие вопросы

Вопросы	Ответы
В положении стоя среднее давления под ступней будет выше или ниже чем нормальное систолическое артериальное давление?	Среднее давление под ступней выше, чем нормальное артериальное систолическое давление.
Кости наиболее слабы в момент, когда подвергаются растяжению, сжатию или напряжению сдвига?	Кости наиболее слабы, когда подвергаются напряжению сдвига.
Что такое «предел текучести» материала?	Точка на кривой зависимости напряжения от деформации, после которой деформация становится неизменной, называется пределом текучести.
Большинство тканей однородны или неоднородны с точки зрения их механических свойств?	Ткани неоднородны с точки зрения их механических свойств.
Классифицируйте кость и мягкую ткань как типично имеющую линейные или нелинейные механические свойства.	Кость - линейные свойства, мягкие ткани – нелинейные.
Что такое вязкоупругий материал?	Такой материал, в котором отношение напряжение/деформация зависит от времени.
Если решить, что упругость – эквивалент электрического сопротивления, где сила=напряжению и перемещение=току, тогда какой электрический компонент будет эквивалентен вязкости?	Индуктивность эквивалентна вязкости.
Какие три основные модели можно использовать для описания ползучести (пластической деформации)?	Модели Максвелла, Кельвина и Фохта.
Какая приблизительно доля веса тела приходится на основание каждого бедра (бедренной кости) когда человек стоит?	Приблизительно 1/3 массы тела приходится на основание каждого бедра.
Сохраняется ли энергия в течение бега?	Нет, энергия не сохраняется в течение бега.
Почему лягушка может так высоко прыгать?	Потому что для животных, схожих по геометрическому строению эффективность прыжка не должна зависеть от их размера.
Какое характерное свойство у эластичного материала?	Нагрузка и разгрузка следуют по одной линии на кривой.
Какой приблизительный размер (величина, модуль) предельного напряжения при растяжении и предельной деформации при растяжении кортикального слоя кости (корковый слой)?	8 0Мпа и 1%
Какой процесс в живой кости описывается законом Вольфа?	Коррекция (повторное моделирование) напряжения описывается законом Вольфа.
Чем отличается ползучесть (пластическая деформация) от релаксации?	Ползучесть – процесс, посредством которого перемещение будет меняться со временем под действием постоянного напряжения. Релаксация – процесс, посредством которого напряжение будет падать со временем под действием постоянной деформации.
Опишите в общих чертах (набросок, эскиз) структуру упругости и вязкости для модели вязкоупругости Кельвина.	Для модели Кельвина:
Какое уравнение описывающее связь между напряжением и моментом действующих сил, обычно относят к инженерной теории изгиба?	Напряжение = приложенному моменту/момент инерции области.
Сформулируйте одно из основных допущений в инженерной теории изгиба.	«Плоское сечение остается плоским» и «напряжение пропорционально деформации» - допущения в теории изгиба.
Если тонкая продольная трещина проходит в полой трубе круглого поперечного сечения , а площадь поперечного сечения по существу не изменится. Будет ли здесь значимое изменение крутильной жесткости (жесткости при кручении)?	Да. Будет большое изменение крутильной жесткости.
Какое отношение между весом тела, W, и (а) длиной, (б) диаметром цилиндрического тела, если процесс масштабирования (отслаивания) регулируется по закону эластичного подобия?	а) Вес пропорционален четвертой степени длины. б) Вес пропорционален диаметру, возведенному в степень 2.67.

Длинные вопросы

Вопрос №1

Напишите короткое описание каждой из следующих величин: а) потенциальная энергия; б) кинетическая энергия; в) энергия деформации.

Обсудите процесс падения на землю, указывая, какая из приведенных выше энергий имеет тело на разных стадиях падения. Нарисуйте в общих чертах модель, которая может быть использована для анализа процесса приземления и позволения коленям сгибаться для смягчения удара при падении. Сформулируйте допущения, присущие модели и обсудите, рациональны ли они.

Выведите выражение для силы, возникающей на ступнях в течение торможения падения.

Предположим что геометрическое устройство (расположение) скелета и мускулатуры такое, что кости испытывают нагрузку в 8 раз выше, чем нагрузка на ступни (ноги), и что перелом большеберцовой кости происходит при нагрузке 36 кН, вычислите максимальную высоту, с которой тело массой 70 кг должно упасть, чтобы не случился перелом.

Ответ

• Потенциальная энергия – потенциал тела для того, чтобы делать работу под действием силы. Она связана с положением тела и силой, действующей на него. Это относительная величина, потому что некоторые произвольные положения будут взяты за точку начала отсчета, где потенциальная энергия равна нулю. Гравитационная потенциальная энергия равна .

• Кинетическая энергия связана с движением тела. Она равна .

• Энергия деформации связана с деформацией тела. Это область под нагрузкой/изгибной линией, или интеграл от объема области под кривой напряжения/деформация.

Рассмотрим случай человека, падающего со стены на уровень земли. В этом процессе 3 состояния.

• Есть период свободного падения, в течение которого потенциальная энергия тела переходит в кинетическую энергию.

• Ступня ударяется о землю и сила, с которой земля действует на ступню направлена на то, чтобы остановить падение.

• Энергия накапливается как эластичная энергия деформации в костях и мускулах пока процесс остановки не завершится, по причине эффекта отдачи.

Первые два состояния процесса показаны на рисунке ниже.

Мы можем применить закон сохранения энергии со временем, как началось падение, до момента остановки, когда тело опять находится в стационарном состоянии. В обоих этих случаях кинетическая энергия равна нулю. Работа, совершенная над телом реакцией с землей должна быть равной потенциальной энергии, которую тело потеряло в процессе падения. У нас есть непосредственная проблема, в которой мы не знаем, как сила реакции изменилась со временем в течение процесса остановки (F1 и F2- функции от времени).

Допустим, что:

• Тело - только масса, сконцентрированная в одной точке пространства, и что среда содержит некоторый механизм для поглощения этой энергии.

• В момент, когда тело контактирует с землей проявляется постоянная сила реакции опоры (земли), и что эта сила остается постоянной пока движение не прекратится (рис. 1.36).

Работа, проделанная над телом силой реакции это:

Изменение потенциальной энергии тела это:

Изменение кинетической энергии тела равна нулю.

По закону сохранения энергии:

но насколько велико s?

Если мы сгибаем наши колени, то знаем, что мы можем остановить падение за расстояние примерно в полметра. В этом состоянии мы собираемся использовать наши мышцы, связки и сухожилия для смягчения падения. Сказано, что геометрическое строение скелета и мышц таково, что сила, действующая на кости в 8 раз выше, чем внешняя нагрузка и что максимальная сила, действующая на кость равна 36кН. Это подразумевает, что максимальная сила, которая может действовать на одну ногу – 4,5 кН, или 9 кН на тело, предполагая, что сила распределяется поровну между двумя ногами.

Используя допущения нашей текущей модели, это подразумевает, что максимальная высота, с которой мы можем упасть и приземлиться, стоя на коленях:

Вопрос №2

Определите выражение для сил в мышце, выпрямляющей туловище (erector spinae) и на пятом поясничном позвонке в системе, изображенной на рисунке 1.37. Представьте график длины позвоночника от силы для случая , .

Вопрос №3

Вы приготовились прыгнуть в бассейн (рисунок 1.38). Механическая система в момент максимального отклонения трамплина показана на рисунке. Если вы прыгните на 1м выше в воздух, статическое равновесие позиции трамплина определит энергию деформации, которая выделяется от трамплина для достижения этой высоты. Посчитайте максимальную силу, которая приложена к ногам прыгуна, предполагая, что сила пропорциональна уменьшению отклонения трамплина, что максимальное отклонение трамплина 0.25 м. В любом из этих расчетов вы можете предположить, что масса трамплина незначительна.

В момент максимальной нагрузки, позиция стоп показана на рисунке справа. Оцените размеры ваших собственных ступней. Посчитайте в этой системе силу, действующую на ваше ахиллесово сухожилие и силу, действующую на вашу большеберцовую кость в этот момент. Посчитайте напряжение в ахиллесовом сухожилии.

Вопрос №4

В простой модели прыжков с шестом мы должны предполагать, что кинетическая энергия прыгуна такова, что генерируется в течение прыжка разбега и переходит в потенциальную энергию на высоте прыжка. Выведите выражение, устанавливающее зависимость максимальной скорости при разбеге от высоты, достигнутой в прыжке. Посчитайте энергию для человека массой 70 кг. Механизмом переноса энергии предположительно является шест, и мы можем предположить, что в некоторой точке процесса полная энергия прыжка содержится внутри шеста как энергия деформации. Предполагая, что 5-ти метровый шест (сплошного поперечного сечения) гнется эластично в форме, представляющей собой половину синусоиды, и что максимум поперечного отклонения – 1м, выведите изгибную жесткость ( ), которая необходима для поглощения энергии. Запишите выражение для максимального напряжения в шесте при максимальном изгибе и получите выражение для верхнего предела радиуса шеста, предполагая, что шест круглого поперечного сечения.

Если шест сделан из углеродного волокна с модулем Юнга = 100 ГПа и напряжение разрушения( предельное) 1500 МПа, спроектируйте поперечное сечение для шеста для выдерживания заданных нагрузок. Рассчитайте вес шеста, который спроектировали, если плотность 1600 Прокомментируйте предположения и обсудите, верите ли вы, что это реалистичная модель. (Энергия деформации в балке под изгибом может быть записана как: ).

Ответ

Равенство потенциальной и кинетической энергий

Для высоты 6 метров, максимальная скорость бега должна быть равна 10.8 , приблизительно максимальная скорость, достигаемая мужчиной. Энергия будет равна 4.12 кДж.

Предположим

тогда

Энергия деформации

Предположим, что Y=1.0 м,

Изгибающий момент

Изгибающее напряжение в трубе

Если напряжение должно быть меньше, чем 2/3 его предельного значения для безопасности, то

Если мы возьмем радиус 25мм, напряжение будет равно 988 МПа.

Возвращаясь к требованию для жесткости:

Предполагаемая модель – труба, радиусом 25 мм и толщиной стенок 4.3мм.

Вес такого шеста будет равен

Вопрос №5

Главная часть бедренной кости смещена от осевой линии кости, проецируя изгибающий момент в кости, когда человек стоит в расслабленном состоянии. Вычислите величину этого момента для системы, показанной на рисунке 1.40, предполагая, что смещение по х – 50мм, и что вес тела 70 кг.

Вычислите основное выражение для момента инерции в области поперечного сечения как показано на рисунке 1.41 и покажите из основных принципов, что момент инерции в области тонкостенного полого цилиндра радиуса r и толщины t будет равен .

Для вычисленного приложенного момента, используя приближения для тонкостенного цилиндра, вычислите максимальное изгибное напряжение в бедренной кости, предполагая, что радиус 20 мм и толщина стенок 12 мм. Сравните вычисленное напряжение изгиба со сжимающим напряжением, которое возникает вследствие нагрузок в бедренной кости. Значительно ли изгибное напряжение?

Ответ

Сила на одном бедре, в положении стоя на двух ногах Изгибный момент на бедренной кости .

По определению:

По геометрическим данным,

Изгибное напряжение, рассчитанное из теории изгиба:

по крайнему волокну,

Разрушающее напряжение и поэтому, как и ожидалось, верхний предел надежности в этом состоянии. Для сравнения, сжимающее напряжение в кости, это просто конечная нагрузка, разделенная на области:

Следовательно, напряжение изгиба примерно в 6-7 раз выше, чем простое сжимающее напряжение, поэтому изгиб важен при анализе бедренной кости.

Глава №2 «Механика биожидкости»

Короткие вопросы

Вопросы	Ответы
Кровяное давление будет выше или ниже, если измерять его с помощью тонометра на немного приподнятой руке?	Измеренное кровяное давление будет ниже, если рука будет поднята.
Каково приблизительное отношение артериального систолического давления (измеренного в см воды) к высоте тела?	Систолическое давление - приблизительно то же самое как высота тела.
Действительно ли разумно смоделировать мочевой пузырь как сосуд с давлением, пропорциональным объему?	Нет, давление и объем просто не связаны для пузыря.
Каково самое важное различие между механикой твердых частиц и жидкостями?	Жидкости не могут поддержать сдвиг напряжений.
Вода более или менее вязкая чем воздух?	Вода является более вязкой чем воздух.
Вязкость зависит от напряжения (растяжения) в ньютоновской жидкости?	Нет, вязкость не зависит от напряжения в ньютоновской жидкости.
У крови есть тиксотропные свойства. Что это означает?	Свойства тиксотропии означают, что сдвиг напряжений уменьшается со временем под постоянным напряжением.
Какова «нормальная» величина гематокрита крови? (Гематокрит - это доля (%) от общего объема крови, которую составляют эритроциты.)	45 % нормальное значение для гематокрита крови.
Кровоток можно считать ламинарным в большинстве случаев?	Да, кровоток можно часто рассматривать как ламинарный.
Как сопротивление кровотоку зависит от эффективного диаметра кровеносного сосуда?	Сопротивление потоку крови обратно пропорционально четвертой степени диаметра сосуда.
Кровь гуще чем вода?	Да, кровь более густая чем вода.
Существует вероятность, что гематокрит изменится в пределах сердечно-сосудистой системы?	Да, гематокрит, вероятно, изменится в пределах сердечно-сосудистой системы.
Число Рейнольдса увеличивается или уменьшается при удалении от сердца?	Число Рейнольдса уменьшается с увеличением расстояния от сердца.
Назовите одну часть тела, в которой статическое давление является субатмосферным.	Статическое давление может быть субатмосферным во внутригрудной впадине.
Какое свойство крови пытается описать модель вязкости Кессона?	Модель вязкости Кессона включает понятие конечной выработки напряжения для крови.
Сформулировать выражение для числа Рейнольдса, управляющего режимом потока в сосуде.	Число Рейнольдса (Re) = скорость (v) × диаметр сосуда (d) × плотность (ρ)/вязкость (μ).
При каком числе Рейнольдса поток в канале обычно перестает быть ламинарным? Возможно, ли получить ламинарный поток в канале, если число Рейнольдса свыше 10000?	Поток обычно прекращает быть ламинарным для Re > 2000. Однако опытным путем доказано, что поток условий может быть ламинарным для Re > 10 000.
Какое свойство крови описано эффектом Фареуса–Линдквиста?	Эффект Фареуса–Линдквиста описывает очевидное сокращение вязкости крови как увеличение диаметра канала.
Согласно уравнению Пуазейля объем жидкости, протекающий за единицу времени в трубе, Q, пропорционален радиусу и длине в некоторой степени? (Q ∝ : каковы численные значения a и b?).	а= 4, b = −1.
При каких обстоятельствах конвективное ускорение происходит в ситуации с установившимся потоком?	Конвективное ускорение может произойти для потока через отверстие.
Сделайте набросок распределения давления вдоль оси трубы, которая содержит ограничительное отверстие, когда жидкие потоки через него постоянны.	Давление вдоль оси канала с отверстием как показано. Отверстие отмечено стрелкой (см. р исунок 2.15).

Длинные вопросы

Вопрос №1

Напишите короткий абзац, описывающий различия между ламинарным и турбулентным течением, и назовите два физиологических условия, при которых турбулентное течение могло бы возникнуть в теле.

Уравнение для скорости, v, в радиусе r ньютоновской жидкости в трубе внешнего радиуса R при условиях ламинарного течения:

где μ - вязкость, и - снижение давления на единицу длины.

Предполагаем, что сдвиг напряжения происходит т.к. , выведите выражение как функцию радиуса. Составьте распределение сдвига напряжения через диаметр трубы и покажите, что оно равно нулю у центральной линии и имеет самое большое значение у стены.

Покажите, интегрируя скорость уравнения по концентрическим кольцам в трубе, что объем жидкости, протекающий за единицу времени в трубе (расход объема Q), получается из уравнения Пуазейля:

Ответ

• В ламинарном течении элементы жидкости плавно скользят относительно друг друга. Небольшие частицы нейтральной плотности, выпущенные в поток, следуют в предсказуемом направлении через доменный поток. Ламинарное течение является гладким и аккуратным. Вязкость важна в ламинарном течении.

• В турбулентном течении жидкость становится беспорядочной и хаотической. Пути частицы становятся непредсказуемыми, хотя есть возможность примерного вычисления. Механические энергетические потери в турбулентном течении высоки, поскольку каскады вихрей многих шкал расстояний переплетаются и взаимодействуют, рассеивая по пути энергию. Вязкость в том смысле, в котором мы определили, относительно незначительна в турбулентном течение — эффективная вязкость определена турбулентным режимом и шкалами расстояний вихря, льющегося каскадом в его пределах.

• Поток через большую часть циркулирующей системы находится в пределах ламинарного режима. Поток в аорте в пиковой систоле может быть турбулентным. Турбулентное течение может возникнуть, когда кровеносные сосуды сильно сужены болезнью, поток мог бы стать турбулентным в сужении, или когда сердечные клапаны протекают, позволяя сформироваться высоко-скоростным струям. Воздух может быть очень быстро удален в процессе чихания, и воздушный поток является турбулентным.

См. раздел 2.5.1.

Вопрос №2

Главная скорость в артерии внутреннего диаметра 5 мм составляет 0.5 . Можно предположить, что у крови есть вязкость 0.004 и плотность 1000 . Вычислите число Рейнольдса и выведите, является ли поток ламинарным или турбулентным.

Вычислите расход объема через артерию в единицах СИ. Кровоток в артериях обычно выражается клинически в литрах в минуту. Выразите расход в этих единицах.

Вычислите давление пониженное более чем на 100-миллиметровую длину артерии, и вычислите максимальный сдвиг напряжение крови в артерии.

Артерия, описанная выше, сужена болезнью на 70 % от ее изначального диаметра.

1. Определите факторы, которыми изменены снижение давления и барьер сдвига напряжения, предполагая, что расход объема сохранен.

2. Определите фактор, которым понизил расход объема, предполагая, что снижение давления сохраняется на уровне до болезни. Также решите, что при таких условиях изменение в стене сдвигает напряжение.

Какие из этих предположений Вы считаете наиболее вероятными, чтобы описать физический процесс? Какие могли бы быть последствия?

Вопрос №3

Обсудите физические принципы, подкрепляющие использование уравнения Горлина как меру работы сердечного клапана. Как кардиолог мог бы использовать это уравнение, чтобы идентифицировать стенотический (зауженный) клапан? Примите, что обращение может быть смоделировано как электрический кругооборот, показывающий два сопротивления последовательно, первым пунктом представлен аортальный клапан, а вторым остальная часть представления системы, обсудите последствия стенотического клапана для сердца и для обращения, при данных условиях:

(i) сердце производит то же самое давление (напряжение) в левом желудочке, как это сделало перед стенозом;

(ii) сердце производит тот же самый расход (поток), как и перед стенозом.

Какие из этих условий, как Вы думаете, более вероятно, опишут реальный физический процесс, и почему?

Вопрос №4

Мы хотим исследовать временное изменение объема потока в аорту, когда усредненный временем поток имеет значение 5.4 . В целях этого осуществления мы определим начало систолы как момент, в который положительный передовой поток происходит впервые и конец систолы как момент, в который поток впервые полностью изменяется, и предположим, что входной поток в диастоле - ноль.

Произведите два числовых приближения для формы волны:

(i) как асимметричный треугольный пульс в систоле, ноль в диастоле;

(ii) как усеченный ряд Фурье.

В последнем случае Вы должны судить, сколько условий требуется для предоставления Вашей форме волны потока достаточной точности. Подготовьте график, показывающий эти два приближения, нанесенные на Вашу оригинальную форму волны.

Отто Франк развивал простую модель пульсирующего потока в аорте, основанной на теории Виндкесселя. Обрисуйте в общих чертах предположения в этой модели и получите управляющее отличительное уравнение. Предполагая, что давление в начале систолы - 120 мм рт. ст., решите для временного изменения давления для любой из Ваших приблизительных форм волны и постройте график давления от времени в течение периода одного пульса. Обсудите эффекты изменения стенной жесткости аорты и изменения периферийного сопротивления.

[Примите значение для периферийного сопротивления R 18.3 и для постоянного K связи потока к уровню изменения давления значение 0.001 92 .]

Примечания по ответу

Раздел 2.7.1 получает отличительный поток связи уравнения и давление в системе.

Решение Фурье:

Получаем модель Виндкесселя:

Умножение обеих сторон интеграционным фактором, в этом случае :

Не обязательно рассматривать n = 0 как особый случай, и таким образом, для ясности мы пишем

Постоянная C может быть оценена от известного давления в начале систолы.

Глава №3 «Физика чувств»

Короткие вопросы

Вопросы	Ответы
Что такое тельца Пачини (пластинчатые тельца)?	Это частица, имеющая овальную форму механического рецептора. Они реагируют на возбуждение, располагаются в подкожных тканях.
При какой повышенной температуре большинство тепловых датчиков боли начинают реагировать?	При температуре большей 42оС
Сколько вкусовых рецепторов приходится на 1 см2 языка?	Около 1000.
В основном звук является поперечной или продольной вибрацией?	Звук в основном продольная вибрация.
За какое время звук передается между двумя разговаривающими людьми?	За 1/1000 с, если люди стоят на расстоянии 30 см.
Скорость звука увеличится или уменьшится при повышении давления?	Уменьшится.
Начиная с какого значения интенсивности звука в дБ появятся отрицательные давления?	186 Дб – максимальное давление равное 1 мм рт.ст.
Какое приблизительное значение резонансной частоты наружного слухового прохода?	3 кГц
Звук проходит или отражается на границе раздела сред воздух-вода?	Большая часть звука отражается от водной поверхности из-за несоответствия импедансов сред.
В какой части базилярной ушной мембраны доминируют низкие частоты?	Низкие частоты доминируют в дальней части мембраны далеко от наружного слухового прохода, высокие частоты поглощаются ближе к наружному слуховому проходу.
Какая длина волны у зеленого света?	500 нм
Какой компонент тельца Пачини имеет большое значение, делающий ее более чувствительной к изменению давления?	Вязкая жидкость, проводимая мембраной, делает частицу более чувствительной к изменению давления.
Диаметр пучка больше или меньше длины волны зеленого света?	Больше, d=2µm мкм
У сетчатки есть довольно однородное пространственное разрешение?	У сетчатки нет однородной чувствительности. Пространственное разрешение глаза является лучшим в центральной области – пятнышко.
Для какого цвета лучше чувствительность глаза?	Для зеленого.
Почему объекты кажутся более зелеными, когда наступает ночь?	Эффект Пуркинье: явление изменения цветового восприятия человеческим глазом при понижении освещенности объектов. Максимальная чувствительность сетчатки глаза сдвигается в сторону коротких волн при низких уровнях освещенности.
Что представляет собой таблица Снеллена и для чего она предназначена?	Таблица содержит буквы разного размера и используется для проверки остроты зрения.
Будет ли хорошо просматриваться желтый текст на синем фоне?	Будет.
Какая связь между интенсивностью ощущения и интенсивностью стимула в законе Вебера-Фехнера?	Логарифмическая связь: Р= k ln (S/So) S- раздражитель k - константа P- сила ощущения
У палочек или колбочек более высокая чувствительность к свету? Который из них отвечает за цветное зрение?	У палочек более высокая чувствительность, колбочки ответственны за цветное зрение.

Длинные вопросы

Вопрос №1

Когда вы встречаете кого - то знакомого на улице, вы здороваетесь и произносите его или ее имя в течение 0,5 с. В течение этого времени ваша ЦНС (в том числе головной мозг) принимает активное участие в формирование ответа. Как это происходит?

Ответ

Происходят временные задержки в глазу, проходят импульсы при помощи глазных и слуховых нервов, мозг обрабатывает полученную информацию посредством рецепторов и нервной связи.

Оценивается пропускная способность звуковых и визуальных сигналов и делаются выводы о том, что нервные пути должны быть параллельными системами, чтобы передать сигналы в нужное время.

В распознавании лица принимает участие головной мозг. Затем идет генерация и передача звука воздушным путем.

Вопрос №2

Опишите процессы передачи звука воздушным путем к улитке уха. Объясните функции внешнего и внутреннего уха. Какая функция внутреннего уха в анализаторе звука. Опишите процесс, при котором звук преобразуется в нервное возбуждение?

Ответ

Основным путем доставки звуков к уху является воздушный. Восприятие звука основано на двух процессах, происходящих в улитке:

1) разделение звуков различной частоты по месту их наибольшего воздействия на основную мембрану улитки

2) преобразование рецепторными клетками механических колебаний в нервное возбуждение. Звуковые колебания, поступающие во внутреннее ухо через наружный слуховой проход, передаются перилимфе, а колебания этой жидкости приводят к смещениям основной мембраны.

Наружное ухо представлено ушной раковиной и наружным слуховым проходом.

Основные функции наружного уха:

- защитная;

Узкий, длинный, S-образно изогнутый слуховой проход предохраняет барабанную перепонку и глубже лежащие структуры среднего и внутреннего уха от травматических внешних воздействий

- проведение и избирательное усиление акустических колебаний;

Структуры наружного уха избирательно усиливают звуки высоких частот, которые близки к их собственным резонансным частотам. Вследствие этого человеческое ухо наиболее чувствительно к акустическим колебаниям частотой около 3 кГц.

- локализация источника звука

Мышцы среднего уха выполняют функцию: они уменьшают резонанс в полости среднего уха, снижают низкочастотный шум (например, при жевании). Следовательно, эти мышцы способствуют обнаружению полезного сигнала в шуме.

В улитке происходят явления механического резонанса, в результате которого сложные звуки в ней разлагаются на простые тоны. Согласно резонансной теории, любой чистый тон имеет свой ограниченный участок на основной мембране.

Из теории Гельмгольца следует три основных вывода:

1) в улитке происходит первичный анализ звуков;

2) каждый простой звук имеет свой участок на основной мембране;

3) низкие звуки вызывают колебание участков основной мембраны у верхушки улитки, а высокие — у основания ее.

В корковом ядре звукового анализатора возникает звуковое ощущение, соответствующее сигнальному значению слышимого звука. Корковый отдел не только принимает и анализирует информацию, поступающую из внутреннего уха, но имеет и обратную, эфферентную связь с улиткой, через посредство которой осуществляется регулирующая, настраивающая роль коры в отношении улитки.

Вопрос №3

Мы проектируем внедряемый слуховой аппарат, который имеет маленькую магнитную массу и присоединяется к овальному окну внутреннего уха. Этот аппарат должен вибрировать, используя внешнее переменное магнитное поле.

Оцените амплитуду вибрации, требуемой от аппарата, когда звуковой уровень 60 дБ в 1 кГц. Предположите, что у косточек есть эффективная масса 100 мг и что только инерционные силы нужно рассмотреть. Предположите также, что у барабанной перепонки есть площадь 60 мм² и что вся энергия используется при вибрировании косточки. (SPL - уровень звукового давления в дБ отнесен к интенсивности 1 × 10^-12 ).

Ответ

Если мы рассмотрим аппарат массой m, то можем определить мощность, достаточную для силы этой вибрации:

Перемещение

Сила

Средняя работа более чем одного цикла

Средняя мощность

Теперь задаётся мощность для SPL 60 дБ: 10 log , где Io=10^-12

на 60 мм² площади барабанной перепонки:

incident power

Если все это поглощается в вибрационных косточках с эффективной массой 100 мг, то

Вопрос №4

Оцените размер зрительного нерва. Предположим, что это круглые и упакованные круговые волокна, которые проводят потенциал на 50 .

Предположим, что есть 125 миллионов стержней и что 100 подключены к одному нервному волокну. Есть 7 миллионов колбочковидных зрительных клеток, однозначного соответствующих этим нервным волокнам. Используйте «правило большого пальца», скорость проведения возбуждения в метрах в секунду дается 5 × диаметр (мкм). Какие факторы могут сделать вашу оценку ошибочной?

Ответ

125 миллионов стержней будут подключены к 1,25 миллионам нервов и 7 миллионов колбочковидных зрительных клеток подключены к тем же нервам, что в общей сложности 8.25 млн. нервов. Каждый аксон будет иметь диаметр 10 мкм. Общая площадь аксонов будет π (5 × 10^-6) ² × 8. 25 × 10⁶ м².

Игнорируя эффект упаковки круговых волокон в пучке нервов круглого сечения диаметром D, .

Мы переоценили диаметр потому, что игнорировали эффект упаковки. Кроме того, вероятно при предварительной обработки сигналов в сетчатке будет меньше нервных волокон, чем по нашей оценке. Предполагаемая скорость и диаметр нервного волокна также может быть завышен.

Вопрос №5

Мы имеем возможность видеть изображения высокого пространственного разрешения по всему нашему полю зрения. Как это возможно, учитывая тот факт, что только пятнышко сетчатки имеет очень высокую плотность рецепторов?

Ответ

Свет попадает на предмет находящийся в нашем поле зрения, рассевается и отражается от него и поступает в наш глаз. Оптическая система глаза, состоящая из роговицы и хрусталика, преломляет его и проецирует на сетчатку. Однако для того чтобы образ был четким, необходимо чтобы фокусировка приходилась на зону сетчатки, обеспечивающую максимальную остроту зрения - макулярную область. Это достигается за счет способности хрусталика изменять преломляющую силу в зависимости от удаленности видимого предмета и называется аккомодацией.

Вопрос №6

Как глаз адаптируется к падению уровней света и, что в результате ставит качество зрения под угрозу?

Ответ

Если глаз, находившийся ранее на ярком свету, поместить в темноту, то его чувствительность возрастает вначале быстро, а затем более медленно.

Адаптацией глаза называется процесс приспосабливания зрения к различным условиям освещения за счет изменения световой чувствительности зрительного анализатора. Это становится возможным, благодаря светочувствительным клеткам сетчатки — палочкам. Палочки обладают очень высокой световой чувствительностью и обеспечивают восприятие предметов в сумерки или ночью.

Процесс темновой адаптации занимает несколько часов, и уже к концу первого часа чувствительность глаза увеличивается в 104 − 105 раз, так что зрительный анализатор оказывается способным различить изменения яркости очень слабого источника света.

Световая адаптация происходит значительно быстрее и занимает при средних яркостях 1-3 минуты. Столь большие изменения чувствительности наблюдаются только в глазах человека и тех животных, сетчатка которых, как и у человека, содержит палочки. Темновая адаптация свойственна и колбочкам: она заканчивается быстрее, и чувствительность колбочек возрастает лишь в 10-100 раз.

При различных болезнях сетчатки, а также при общих заболеваниях, например при авитаминозе А, могут наступить нарушения адаптации. В быту это явление называется куриной слепотой. Люди с плохой адаптацией не способны к выполнению многих профессиональных обязанностей.

Не диагностированные и нелеченые нарушения адаптации, аккомодации и другие нарушения зрения могут быть причиной хронических головных болей.

Вопрос №7 

Звуковые волны на границе средней оболочки стенки кровеносного сосуда частично передаются и частично отражаются. Рассмотрите случай давления на равновесное состояние границ и напишите два уравнения сохранения энергии, касающихся трех давлений в случае прохождения и отражения волны. Таким образом доказываются выражения из раздела 3.3.

Какой будет эффект от добавления массы на границе и какие последствия для барабанной перепонки?

Ответ

Предполагая, что концентрация, C, стимула остается неизменной, и что существует конечное число N доступных рецепторов, Z которых связаны в комплексы в любой момент времени. Химическую равновесную модель можно описать следующим образом:

Дамаск представил уравнение в следующем виде:

Для стационарного равновесного состояния, скорость изменения Z равна нулю, а константа равновесия, K, определяется как

Глава №4 «Биосовместимость и повреждение тканей»

Короткие вопросы

Вопросы	Ответы
Какая связь прочнее ковалентная или ионная?	Ковалентная связь прочнее чем ионная.
Оцените диапазон размеров человеческих клеток.	Диапазон размеров человеческих клеток 1-100 микрометров.
«Идеальный» биометрический материал всегда тот, который является химически инертным?	Нет, он считается лучше, если биоматериал производит соответствующую реакцию со стороны хозяина.
Могут ли полимерные материалы портиться (разлагаться) спустя время после имплантации?)	Да,полимеры могут портиться (разлагаться).Действительно,некоторые предназначены для разложения микроорганизмами
10кН это реальная оценка пиковой нагрузки на связки нижних конечностей?	Нет,самые пиковые нагрузки на связки меньше 1 кН
Как правило, толщина клеточной мембраны составляет 1 микрометр,10 нанометров или 1 нанометр?	Как правило, толщина клеточной мембраны составляет 10 нанометров.
Сердце бьется около 107,108 или 109 раз в течение жизни?	Сердце будет биться около 1,5*109 раз за всю жизнь (в течение жизни).
Что наиболее часто используется в качестве костной ткани?	Полиметилметакрилат (органическое стекло) используется в качестве костной ткани.
Будет ли имплантат тазобедренного сустава максимально сильным?	Нет, желательно чтобы имплантат был не сильнее чем окружающие ткани.
Какие составляющие хромосомы несут наследственную информацию?	Гены – компоненты хромосомы, отвечающие за наследственную информацию.
Какая главная характеристика полимерного гидрогеля?	Гидрогели гидрофильны, то есть они имеют сродство с водой.
Объясните, что включает в себя пассивация нержавеющей стали?	Пассивация нержавеющей стали заключается в поверхностной подтравке, погружении в азотную кислоту, чтобы счистить поверхностный слой оксида.
Где наиболее вероятно будет происходить взаимодействие между ионизирующим излучением и материей?	Химические связи, зависящие от электронов наиболее вероятно будет являться площадкой для взаимодействия между ионизирующим излучением и материей.
Перечислите три фактора, влияющих на усталостную прочность метала.	Отделка поверхности, включений, размер зерна, концентрация напряжений и окружающая среда будут влиять на усталостную прочность метала. Этот список не является исчерпывающим.
Метал с большим размером зерна будет хрупче или тверже, чем метал с малым размером зерна?	Метал, с большим размером зерна будет хрупче.
Дайте определение биоматериала.	Биоматериалы - материалы природного или искусственного происхождения, которые используются для прямого дополнения или замены функций живой ткани.
Что такое диаграмма Пурбе и для чего она нужна?	Диаграмма Пурбе - диаграмма pH. Показывает, как металл будет себя вести в различных условиях.
Почему нежелательно наличие двух различных металлических компонентов в имплантации?	Наличие двух различных металлов нежелательно, так как это может привести к расхождению электрохимического потенциала и, следовательно, коррозийных токов.
Что такое системный эффект (в чем заключается системное воздействие)?	Системное воздействие - воздействие на весь организм, при котором могут быть затронуты реакции на имплантат.
Форма имплантата важный вопрос? Если да, то почему?	Да, форма имплантата важна. Углы могут привести к тяжелым механическим нагрузкам и, следовательно, ткани дадут реакцию на это.
Существуют ли тесты и согласованные определения на биосовместимость?	Нет, не существуют тесты и согласованные определения на биосовместимость.
Стекло будет активировать процесс свертывания крови?	Да, стекло будет активировать процесс свертывания крови.