"V těle potápěče byly zjištěny bubliny dopplerem," čteme často. Ale co to je, jak "doppler" funguje, co se jím dá měřit?
Fyzikální princip
Dopplerův jev se projevuje tím, že frekvence vlnění zjištěná pozorovatelem je jiná, než frekvence vlnění zdroje, jestliže se vzdálenost zdroje od pozorovatele mění v čase. To v praxi nastává buď tak, že se zdroj a pozorovatel vzájemně pohybují, nebo jsou zdroj a pozorovatel vedle sebe, ale sleduje se vlnění odražené od překážky, která se pohybuje.
V praktickém životě lze dopplerův jev pozorovat poměrně snadno. Stačí si stoupnout vedle dálnice a poslouchat zvuk projíždějících vozidel. Přibližující-se vozidlo zní výrazně vyšším tónem, než totéž vozidlo, když se vzdaluje. Na obrázku se od pozorovatele A vozidlo vzdaluje, proto jsou vlny delší a tedy frekvence nižší. Naopak, k pozorovateli B se vozidlo blíží, proto jsou vlny kratší a frekvence vyšší.
Poslechněte si zvukovou nahrávku.
Radar pro měření rychlosti vozidel, měření červeného posuvu spektra hvězd pro určení rychlosti jejich vzdalování, radiolokační vyhledávání pohybujících se cílů, to vše jsou aplikace jev využívající. Funguje totiž na vlnění všech druhů, nejenom akustické.
Detekce bublin
Bublina představuje překážku šíření zvuku, který se od rozhraní kapaliny a plynu odráží. Takových překážek je v těle dost, ale bubliny se v krevním řečišti pohybují a tak jsou detekovatelné pomocí dopplerova jevu. Měření využívá ultrazvuku o kmitočtech v řádu jednotek MHz.
Většinou se měří prekardiálně – na horní duté žíle, která přivádí krev do srdce a kterou tak musí projít všechny venózní bubliny. Nevýhodou je blízkost pohybujícího se srdce a jeho částí, zejména chlopní, které zatěžují signál silným šumem a jen ucho opravdu zkušeného pozorovatele dokáže ve zvuku, který měřící přístroj produkuje, bezpečně rozlišit bubliny. Pro některá měření se proto využívá i žil v noze či ruce.
Aby šlo hodnoty srovnávat, musí být zaznamenány v číselné podobě. Používá se Spencerova stupnice.
Stupeň 0 Žádné signály bublin.
Stupeň 1 Řídké signály bublin, do pěti za minutu.
Stupeň 2 Časté signály bublin, do 30 za minutu.
Stupeň 3 Téměř kontinuální signály bublin.
Stupeň 4 Kontinuální signály bublin, které při prekardiálním měření přehlušují šumy způsobené pohybem srdce.
Detekované bubliny a vznik dekompresní choroby
Největší výskyt bublin po dekompresi nastává asi po hodině po vynoření, poté se jejich množství pomalu zmenšuje a aktivita klesá asi v druhé až třetí hodině. Jelikož se málokdy podaří v této době přepravit pacienta s podezřením na dekompresní chorobu do barokomory, není dopplerův detektor většinou použitelný jako diagnostický nástroj.
Zdaleka ne všechny bubliny jsou dopplerovým detektorem zjistitelné. Ty, které se formují v kapilárách a ve tkáních mimo krevní oběh často zůstanou na místě. Nepohybují se, nedostanou se do žil, kde by teprve mohly být nalezeny. Přitom jsou to právě tyto bubliny, které jsou za vnik dekompresní choroby většinou odpovědné (vyjma plicní formy). Další potíž je v tom, že velké množství bublin je při dekompresi produkováno tkáněmi, jako je například břišní tuk. Jenže tyhle bubliny většinou dekompresní chorobu nezpůsobují.
Po běžném ponoru, při dodržení standardních dekompresních postupů, většina potápěčů vykazuje pouze velmi malý výskyt bublin. Zůstávají "tiché", nezpůsobují dekompresní chorobu. Když se ale po ponoru ukáže velký výskyt, je to příznak nějakého problému. Tím může být nedodržení plánovaného profilu, dehydratace, výjimečná aktivita při či po ponoru, kocovina. Pro komerční potápění je proto monitoring dopplerovým detektorem užitečný, protože umožní předejít problémům ještě před manifestací příznaků dekompresní choroby. Také je užitečný jako jeden ze způsobů testování dekompresních postupů.
Dopplerův detektor se používá v medicíně i na mnoho jiných věcí, nesouvisejících s dekompresí. Například PFO (Patent foramen ovale) či plicní zkraty se vyšetřují pomocí malého množství bublin vstříknutých do krevního oběhu.
Další rozvoj metody
Zatím se nepodařilo uspokojivě vyřešit automatické měření. Přístroj stále produkuje zvuk do sluchátek, graficky znázornitelný na obrazovce, ale vyhodnocení zůstává na pozorovateli. Přístroj, či spíš software pro zpracování nahraného zvuku, který bude rovnou číselně vyhodnocovat, se dá v nejbližší době očekávat.
Kromě prosté detekce existují i metody, jak měřit velikost bublin. Využívá se rezonance zvuku v bublině. Sonda obsahuje dva zdroje ultrazvuku o různých kmitočtech a bublina funguje jako směšovač. Ze spektrálního rozboru přijímaného zvuku se dá soudit o velikosti bublin.
Vývoj v oblasti rozhodně neprobíhá z důvodu zvýšení bezpečnosti rekreačních potápěčů. Hlavním tahounem je kosmický výzkum. Pro vycházky do volného prostoru (EVA – extra-vehicular activity) je potřeba provést dekompresi z prostředí kabiny do prostředí skafandru. Vojáci zase potřebují znát dekompresní postupy pro lety ve vysokých výškách a pro výsadky parašutistů z velké výšky (HALO – high-altitude, low-opening).
Christian Andreas Doppler
Christian Andreas Doppler se narodil roku 1803 v Salzburgu v rodině majitele prosperujícího kamenictví s dlouhou tradicí. Studie matematiky, mechaniky a astronomie na Vídeňské universitě dokončil v roce 1829.
V roce 1833 se stává středoškolským profesorem v Praze, potom přednáší i na pražské polytechnice.
Teorii o změně frekvence zdroje v závislosti na změně relativní rychlosti k pozorovateli přednesl roku 1842 před Královskou českou společností nauk.
Zkoušel takovým způsobem, že jej spory přinutily změnit působiště. Po krátké zastávce v Banské Štiavnici se vrací do Vídně a roku 1850 se stává ředitelem právě založeného Fyzikálního ústavu na Vídeňské universitě. Zemřel roku 1853 v Benátkách.
Poděkování
Tento článek čerpal z velkého množství materiálů, publikovaných na Internetu. Nikde však dosud nebyly publikovány nahrávky, odpovídající spencerově stupnici. Za jejich zaslání děkuji Robu Murrayovi. Nahrávky patrně vznikly v NEDU. Za konzultace děkuji Michaelu Powellovi z NASA.
Tomáš Sládek,
Strany potápěčské, http://www.stranypotapecske.cz/
