Wpływ czynników mechanicznych na organizm człowieka

Warszawa, 16 listopada 2007

Ultradźwięki

• Ultradźwiękami nazywamy fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych mające charakter fal dźwiękowych, o częstotliwościach wyższych od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego

• f>16 kHz (20 kHz)• Psy, myszy, szczury słyszą do 40 kHz• Ultradźwięki wydają delfiny i nietoperze -

echolokacja

Generowanie ultradźwięków

• Generowanie ultradźwięków odbywa się zwykle za pomocą odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego – za pomocą zmiennego potencjału elektrycznego pobudza się płytkę kwarcu do drgań rezonansowych.

Parametry ultradźwięków

• Częstotliwość fal (f) jest stała dla danego generatora i nie zmienia się przy przechodzeniu fal przez różne ośrodki.

• W diagnostyce stosuje się fale o częstotliwościach 1 do 15 MHz, a w terapii od 0.8 MHz do 1.2 MHz.

Parametry ultradźwięków

• Prędkość fal ultradźwiękowych jest różna w różnych ośrodkach: w powietrzu wynosi ~ 340 m/s, a w wodzie 1500 m/s, w kościach czaszki 3400 m/s, w tkance tłuszczowej 1440 m/s, w mięśniach 1580 m/s.

• Długość fali ultradźwiękowej zależy od częstotliwości i prędkości rozchodzenia się fali: λ = v/f.

Parametry ultradźwięków

• Natężenie fali (gęstość mocy): I = P/S, gdzie P – moc [W], S powierzchnia [m2].

• Natężenie fali maleje wraz z odległością od źródła, i to tym szybciej im wyższa jest częstotliwość, a więc krótsza jest długość fali.

Efekty oddziaływania ultradźwięków

• Efekt mechaniczny. Na skutek drgań ośrodka (rozrzedzeń i zagęszczeń) może dojść do kawitacji (szczególnie przy częstotliwościach zbliżonych do 100 Hz), czyli powstawania miejscowej próżni. Możliwe jest również (zjawisko tyksotropowe) powodowanie przechodzenia żelu w zol i uzyskiwanie emulsji cieczy nie mieszających się.

Efekty oddziaływania ultradźwięków

• Efekt termiczny. Energia fal przekształca się w ciepło, szczególnie na granicy ośrodków o różnej prędkości przewodzenia dźwięków. Efekt ten jest wykorzystywany w terapii.

Efekty oddziaływania ultradźwięków

• Efekt chemiczny. Ultradźwięki mogą powodować rozpad cząsteczek białka i jonizację roztworów wodnych. Zwiększają dyfuzję przez błony półprzepuszczalne.

Efekty oddziaływania ultradźwięków

• Działanie na organizm: Ultradźwięki o dużym natężeniu > 10kW/m2 mogą powodować uszkodzenia tkanek i narządów oraz poparzenia. W przypadku ultradźwięków o umiarkowanym natężeniu w komórkach maleje pH, zmienia się aktywność enzymów i przemiana materii, rośnie temperatura, poprawia się ukrwienie. Ultradźwięki o odpowiednim natężeniu mają działanie przeciwbólowe, przeciwskurczowe i przeciwzapalne.

Infradźwięki

• Infradźwiękami nazywamy fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych mające charakter fal dźwiękowych (wibracje powietrzne), lecz o częstotliwościach niższych od dolnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, f < 16 Hz (20 Hz).

Powstawanie infradźwięków

• Źródłami infradźwięków mogą być uderzenia piorunów, wiatry fenowe (mistral, halny, wstrząsy tektoniczne. W wyniku działalności człowieka infradźwięki powstają podczas pracy dużych wentylatorów, silników wysokoprężnych, są obecne w halach fabrycznych, na statkach. Infradźwięki, jak wszystkie fale o niskiej częstotliwości rozchodzą się na duże odległości.

Działanie infradźwięków na organizm

• Infradźwięki, podobnie jak wibracje, mogą powodować rezonans narządów wewnętrznych. Wywołują bóle głowy, mdłości, bezsenność, obniżenie nastroju, trwogę i nerwice. Przy dużych natężeniach mogą powodować omdlenia, krwotoki, a nawet zatrzymanie akcji serca.

Wibracje

• Wibracje przenoszone są na organizm przez bezpośredni kontakt z układami drgającymi. Ich oddziaływanie zależy od amplitudy i częstotliwości. Drgania o pewnych częstotliwościach mogą powodować rezonans narządów. Szczególnie niebezpieczne są wibracje o częstotliwościach 4 – 18 Hz. Mogą powodować bóle klatki piersiowej, zaburzenia oddechowe, zmiany ciśnienia krwi. Długotrwałe oddziaływanie wibracji prowadzi do choroby wibracyjnej objawiającej się zaburzeniem krążenia, wzmożonym drżeniem kończyn i bólami o różnej lokalizacji.

Wibracje

• Człowiek jak i zwierzęta źle znosi wibracje ziemi. W czasie zagrożenia trzęsieniem ziemi ludzie wpadają w panikę a zwierzęta wykazują nadmierną nerwowość.

• Wibracjom towarzyszą różne objawy chorobowe: neurowegetatywne, gastryczne, zmiany ciśnienia, zmiany w EKG.

• Trudno wskazać epidemiologiczne lub fizjologiczne przyczyny tych dolegliwości.

• Szkodliwe efekty wibracji zależą od ich częstotliwości i natężenia.

Wpływ wibracji

• Długotrwałe wibracje powodują bóle stawów, grzbietu oraz części lędźwiowej kręgosłupa. Dolegliwości te pojawiają się u kierowców samochodów ciężarowych, rolników, operatorów maszyn drogowych po 30-40 latach.

• Wibracje < 2 Hz wywołują chorobę komunikacyjną (jednym z jej typów jest choroba morska) z nudnościami, wymiotami. Objawy nasilają się przy koncentrowaniu wzroku na przedmiotach, które znajdują się w pobliżu i również się poruszają.

• Wibracje 5 Hz powodują zmniejszenie ostrości widzenia poprzez rezonans oraz kłopoty z koordynacją przedniego odcinka oka, utrudniają akomodację.

Wpływ wibracji

• Wibracje 5 do 15 Hz mają wpływ na układ oddechowy. Mięśnie oddechowe dostosowują swoją pracę do wibracji i oddychanie jest utrudnione.

• Wibracje od 10 do 30 Hz powodują drgania pola widzenia (na przykład drgania 18 Hz w helikopterach utrudniają odczytanie podziałki na wskaźnikach pokładowych).

Dolegliwości wywołane wstrząsami Drgania < 40 Hz (młoty pneumatyczne)

• Bóle stawów przedramienia, ramienia, nadgarstka (dotyczy 50 % ludzi narażonych na takie wibracje)

• Choroba Kienbocha• Choroba Kohlera• Bóle reumatyczne typu zapalnego• Urazy nadkłykci• Zespół cieśni kanału nadgarstka• Dolegliwości angioneurotyczne

Dolegliwości wywołane wstrząsami Drgania od 40 do 300 Hz (maszyny do

wykopów i odwiertów)

• Problemy angioneurotyczne

• Zespół Raynaud

• Rogowacenie skóry

• Zniesienie czucia

Wibracje powyżej 300 Hz (urządzenia trzymane w rękach)

• Uczucie palenia w kończynie górnej obejmujące ręce do ramienia

• Nadciśnienie mięśniowe

• Zaczerwienienie lub zasinienie skóry rąk, obrzęki

Zastosowanie wibracji (whole body vibration) w sporcie i medycynie

• W 1949 przedstawiono pracę, w której zauważono pozytywny wpływ zastosowania drgających łóżek na pacjentów z opatrunkiem gipsowym.

• W wielu pracach stwierdzono poprawę siły i gibkości.

• Podczas ćwiczeń na platformie wibracyjnej wzrasta ciśnienie krwi w mięśniach łydek i ud.

• Zmniejszenie bólu u chorych z chronicznym bólem krzyża.

• Stwierdzono poprawę wyskoków pionowych.• Wpływają na aktywność bioelektryczną mięśni.• Częstotliwość wibracji ma wpływ na aktywację

mięśni.

Mechanizmy fizjologiczne zmian adaptacyjnych wywołanych wibracją

• Drgania powodują wzrost obciążeń w wyniku dużych przyspieszeń przenoszonych na ciało. Sinusoidalny przebieg bodźca wibracyjnego determinuje szybkie i krótkotrwałe zmiany długości zespołu mięsień ścięgno. Zakłócenie to podrażnia receptory czuciowe, co moduluje aktywność mięśni w celu tłumienia fal sinusoidalnych. Wibracje działające na mięsień lub ścięgna powodują odruchowe napięcie mięśni, nazywane odruchem skurczowym na wibrację (tonic vibration reflex TVR).

• Odpowiedź na wibracje może być przypisywana nie tylko pobudzeniu wrzecion, ale i reakcji wszystkich innych receptorów czuciowych.

• Wibracje powodują specyficzne reakcje hormonalne, zwiększenie testosteronu i hormonu wzrostu (podobnie jak trening siłowy).

Zastosowanie wibracji

• Odpowiednio zastosowane wibracje zwiększają efekt treningowy zawodników uprawiających dyscypliny siłowo-szybkościowe.

• Nie wolno stosować wibracji poniżej 20 Hz.• Zbyt długa wibracja powoduje zmęczenie.• Wiele efektów wibracji nie jest dokładnie

zbadanych, a przede wszystkim jej wpływ na koordynację mięśniowo-nerwową.

Przyspieszenia

• Oddziaływanie przyspieszeń związane jest z występowaniem sił bezwładności oddziałujących w całej objętości ciała na każdy jego punkt. Przyspieszenia [m/s2] często wyraża się w wielokrotnościach normalnego przyspieszenia ziemskiego g

• Na przykład: 7g = 68,67 m/s2

• Alarmowe zatrzymanie windy a = 2,5g; t = 1s,• Lądowanie na spadochronie a = 3-4g; t = 0,1-0,2s,• Katapultowanie z samolotu a = 10-15g; t = 0,25s,• Zderzenie samolotu możliwe do przeżycia

a = 20-100g; t = 0,1s.

Oddziaływanie przyspieszeń

• Skutek działania przyspieszeń zależy od wartości, czasu ich występowania i kierunku działania względem ciała.

• Przyspieszenia krótkotrwałe: oddziaływanie przyspieszeń (ułamki sekund) może nie wywołać ujemnych skutków, ale przyspieszenia rzędu dziesiątek i setek g mogą spowodować poważne uszkodzenia ciała, a nawet śmierć na skutek przemieszczania i rozerwania tkanek.

• Bardzo duże przyspieszenia występują podczas wypadków komunikacyjnych.

Oddziaływanie przyspieszeń• Przyspieszenia o średnim i długim czasie trwania. Efekt

ich działania zależy głównie od kierunku.• Przyspieszenia podłużne, równoległe do osi długiej ciała

powodują przede wszystkim przemieszczanie krwi i narządów wewnętrznych. Lepiej tolerowane jest przyspieszenie w kierunku głowy to jest przeciążenie w kierunku stóp. Powoduje spadek ciśnienia krwi w górnej części ciała. Kilkusekundowe przeciążenie rzędu 6g prowadzi do zaburzeń widzenia i utraty przytomności – czarna zasłona, krew odpływa z głowy.

• Przyspieszenie w kierunku stóp powoduje gwałtowny ból głowy, zaburzenia czynności serca, krwotoki i utratę przytomności - czerwona zasłona.

• Człowiek wytrzymuje: 3g do 3600 s; 4g do 1200 s; 5g do 480 s; 8g do kilku s; -3g około 30 s; -4,5g około 5 s; -5g około 2 s; -10g mniej niż 1s.

Oddziaływanie przyspieszeń

• Przyspieszenia poprzeczne: przód-tył lub na boki są lepiej znoszone od podłużnych, ale powyżej 12 g może dojść do zatrzymania oddechu.

Wirówka do badania pilotów

Badanie wpływu przyspieszeń

Manekin do badania skutków wypadkówkomunikacyjnych (crash test dummy)

Badanie skutków zderzeń

Efekt zderzenia czołowego

Przyspieszenie głowy podczas zderzenia

Samonastawny zagłówek

Przemieszczenia głowy podczas uderzenia z tyłu

Przykłady analizy wypadkówz udziałem pieszych(badania na zwłokach)

Ciśnienie

• Spadek ciśnienia powoduje rozprężanie gazów w uchu, jelitach i ubytkach zębowych co wiąże się z wystąpieniem bólów, wzdęć i kolek jelitowych.

• Nagła dekompresja może prowadzić do poważnych uszkodzeń tkanek. Uwalnianie gazów (azotu) z krwi prowadzi do pojawienia się zatorów gazowych. Najniebezpieczniejsze dla żywego organizmu jest niedotlenienie. Długotrwałe przebywanie pod wpływem niskich ciśnień w wyniku niedotlenienia (hipoksji) prowadzi do zmian adaptacyjnych zwiększenia liczby czerwonych ciałek i hemoglobiny oraz niekorzystnych zmian trawienia, koordynacji ruchów i zmian psychicznych (halucynacje, agresja itp.). Silne niedotlenienie powoduje utratę przytomności, a nawet śmierć (deterioracja).

Ciśnienie• Podwyższone ciśnienie: Gwałtowne zwiększenie

ciśnienia powoduje objawy bólowe związane z wyrównywaniem ciśnień wewnątrz ciała. Najgroźniejsze jest jednak ponowne zmniejszenie ciśnienia. W wyniku saturacji (nasycenie cieczy gazem) azotu we krwi pod wpływem zwiększonego ciśnienia, jego zmniejszenie powoduje pojawienie się pęcherzyków tego gazu we krwi – choroba kesonowa. Dochodzi do wystąpienia duszności, porażeń kończyn i utraty przytomności, a w skrajnym przypadku do śmierci. Oddychanie tlenem pod zwiększonym ciśnieniem może wywołać zatrucie tlenowe – toksyczne zmiany w organizmie, drgawki, utratę przytomności, uszkodzenie wzroku. Oddychanie powietrzem zawierającym azot może wywołać narkozę azotową – halucynacje, niezborność ruchową i utratę przytomności.