Активная составляющая импеданса живой ткани

Электропроводность в неживой природе. Электропроводность живых тканей. Диэлектрические свойства живых тканей. Физические поля биологических объектов , страница 2

Дисперсия диэлектрической проницаемости объясняет возмож­ность селективного нагревания разных тканей в высокочастотных ЭМП. Возрастание интенсивности движения ионов, переориента­ции полярных молекул в ЭМП связаны с поглощением энергий по­ля и аналогичны процессу нагревания.

Импеданс — это полное сопротивление электрической цепи при синусоидальном напряжении. По современным представлениям импеданс живой ткани имеет только две составляющие: активную и ёмкостную (см. рис.)

Для последовательного соединения этих элементов импеданс равен:

Для параллельного соединения активного и емкостного сопро­тивлений:

(электроемкость плоского конденсатора )

Электроемкость живых тканей складывается из емкости компартментов, так как клеточные мембраны можно считать диэлект­риками, а клеточные и межклеточные жидкости, содержащие раст­воры солей, проводниками. В момент включения тока конденсато­ры заряжаются и величину электроёмкости ткани можно оценить по формуле:

Электрические свойства живой ткани можно смоделировать следующими цепями:

Зависимость импеданса живой ткани (а) и её моделей (б) от частоты тока представлена на рис.

Дисперсия импеданса — это явление изменения импеданса жи­вых тканей в зависимости от изменения частоты пропускаемого че­рез них электрического тока.

Отметим, что ход кривых дисперсий Z и ε в одной и той же ткани несовпадает. Дисперсия Z, очевидно, отражает более широ­кий круг электрических процессов в живых тканях. Импеданс сильнее зависит от разнообразньх нарушений жизнедеятельности исследуемой ткани. Есть упрощенный, но эффективный способ определения жизнеспособности ткани. Определяют коэффициент поляризации:

, где Z_нч измеряют при ν=10 2 Гц, а Zвч — при ν =10 6 Гц.

В живой ткани К>1 и тем больше, чем выше уровень обмена веществ и чем лучше сохранена структурная целостность.

Широкое применение в медицинской практике нашла методика реографии— исследование импеданса тканей, органов, обуслов­ленных изменением их кровенаполнения.

В этом методе используют обычно ток частотой от 20 до 200 кГц, и не более 10 мА в величине. Реограмма представляет собой зависимость импеданса ткани от времени. Конфигурация, амплитуда и временные параметры этой кривой зависят от многочисленных факторов: состояния миокарда, тонуса сосудов, состояния капил­лярного и венозного кровотока.

В процессе жизнедеятельности живые организмы, человек в частности, излучают в широком диапазоне электромагнитных волн: от радиочастот до ультрафиолетового излучения. В широком диапазоне частот излучаются и звуки. Тело человека имеет сложное строение, т.е. подразделяется на отдельные органы, ткани, жидкости; оно характеризуется значительной неоднородностью пассивных электрических, механических и др. характеристик. Все это обуславливает сложную структуру излучаемых ЭМ и звуковых полей. К тому же все излучения обязательно промодулированы переменными физиологическими процессами.

Физические поля несут обширную информацию о жизнедеятельности живых организмов. Поэтому понятен интерес к их регистрации, изучению и применению в диагностике. Рассмотрим более подробно поля излучаемые человеком.

1. Для тела с температурой около 300 К максимум излучения приходится на инфракрасную область с λ=8-14 мкм. Мощность излучения человека в этой области составляет около 100 Вт.

Кисть руки излучает 100 мВт. Чувствительность кожи к инфракрасному излучению — 0,1 мВт/см 2 . Это объясняет возможность обратного воздействия на физиологические процессы от внешних источников излучения (рук человека). Установлено, что, действуя на кожу в зонах Захарьина-Геда малыми дозами тепла, можно в какой-то степени стимулировать работу внутреннего органа, связанного с этой зоной. Зоны Захарьина-Геда — области кожи, в которых при заболеваниях отдельных внутренних органов возникают отраженные боли, а также болевая и температурная повышенная чувствительность к раздражителям, воздействующим на органы чувств.

Интересно отметить, что ИК излучение человека попадает в «окно прозрачности» атмосферы и сравнительно мало поглощается в ней. Это позволяет регистрировать ИК излучение человека на расстоянии. Современные тепловизорные системы позволяют получать термограммы биообъекта с достаточно высокой чувствительностью — до 0,05°С.

2. Радиоизлучение — дециметровые волны (частота несколько гигагерц, т.е. λ-30 см) дают информацию о тeмпepaтype и временных ритмах внутренних органов. Регистрируются сигналы с глубины 5-6 см, мощность радиоизлучения составляет 10 -13 Вт. Современная аппаратура регистрирует изменения мощности 10 -16 Вт.

Читайте также: Система заболеваний соединительных тканей

Злокачественные опухолевые процессы повышают температуру тканей на 1,2°С, при нарушениях кровообмена температура в органе снижается.

Увеличение глубины, на которой измеряется температура, возможнo при увеличении длины волны регистрируемого излучения, но при этом ухудшается разрешающая способность в определении изменений температуры.

3.Низкочастотные электрические поля — до 1кГц — связаны с электрохимическими потенциалами и потоками ионов через мембраны. Эта поля сильно ослабляются живыми тканями и частично экранируются проводящими участками тканей. Эффект экранирования заключается в том, что электростатическое поле не проходит внутрь проводника.

Исследование низкочастотных полей очень распространено в диагностике. Это такие методы как электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография.

4.Излучение магнитных полей.

Основные химические компоненты биосред относятся к диамагнетикам (белки, углеводы, липиды, вода) с магнитной проницаемостью µ≈1, это означает, что живые ткани не ослабляют магнитное поле.

Источники магнитных полей можно локализировать с достаточной точностью, несмотря на то, что человек излучает очень слабые магнитные поля, примерно, в миллион раз слабее магнитного поля Земли. Магнитодиагностика весьма информативна в исследованиях сердца, мозга, мышц. Так, при исследовании сердца магнитные сигналы позволяют локализовать область патологии с точностью до 1 см.

5. В оптическом диапазоне регистрируются сигналы биолюминесценции, по которым можно контролировать протекание биохимических процессов.

6.В процессе метаболизма биологический объект вносит возмущение в среду, т.е. изменяет газовый и аэрозольный состав, проводимость и диэлектрическую проницаемость. Например, по запаху можно диагностировать около 40 заболеваний: абцесс легкого, диабет, дифтерию и др.

7.Очень информативны акустические сигналы. В инфразвуковом диапазоне может быть получена информация о функционировании внутренних органов, мышц. О процессах на клеточном и молекулярном уровне несут информацию высокочастотные сигналы.

Источники акустического излучения можно локализовать достаточно точно, т.к. длина акустических волн меньше, чем у электромагнитных (низкочастотных) волн.

Состояние биоо6ъекта существенно не стационарно, поэтому важно наблюдать динамику изменения физических полей, в которой должны проявляться характеристики регуляторных систем гомеостаза.

8. Биополе. (В физике поле — это функция, характеризующая в трехмерном пространстве силы, действующие на те или другие пробные тела (заряд, магнит, массу). Поле считается физической реальностью лишь в той мере, в какой соответствующие силы можно измерить).

Впервые термин «биополе» или «морфогенное поле» ввел в научный оборот А.Г. Гурвич. В результате экспериментов по морфогенезу он пришел к следующим выводам:

1.Вокруг растущего зародыша существует некое «морфогенное поле», распространяющееся за его пределы и определяющее в каждой точке пространства направление и скорость роста других клеток того же организма.

2.Морфогенные поля отдельных зародышевых клеток векторно складываются.

3.Морфогенное поле имеет не силовой характер, т.е. само не совершает никакой работы против внешних сил. Оно выполняет сугубо информационную роль, управляя процессами обмена веществ в клетках.

Мы видим, что введенное понятие является полем лишь с точки зрения биолога, но не физика. Позднее этим термином стали называть «новое» физическое поле, а это уже подпадает под.

• АлтГТУ 419
• АлтГУ 113
• АмПГУ 296
• АГТУ 267
• БИТТУ 794
• БГТУ «Военмех» 1191
• БГМУ 172
• БГТУ 603
• БГУ 155
• БГУИР 391
• БелГУТ 4908
• БГЭУ 963
• БНТУ 1070
• БТЭУ ПК 689
• БрГУ 179
• ВНТУ 120
• ВГУЭС 426
• ВлГУ 645
• ВМедА 611
• ВолгГТУ 235
• ВНУ им. Даля 166
• ВЗФЭИ 245
• ВятГСХА 101
• ВятГГУ 139
• ВятГУ 559
• ГГДСК 171
• ГомГМК 501
• ГГМУ 1966
• ГГТУ им. Сухого 4467
• ГГУ им. Скорины 1590
• ГМА им. Макарова 299
• ДГПУ 159
• ДальГАУ 279
• ДВГГУ 134
• ДВГМУ 408
• ДВГТУ 936
• ДВГУПС 305
• ДВФУ 949
• ДонГТУ 498
• ДИТМ МНТУ 109
• ИвГМА 488
• ИГХТУ 131
• ИжГТУ 145
• КемГППК 171
• КемГУ 508
• КГМТУ 270
• КировАТ 147
• КГКСЭП 407
• КГТА им. Дегтярева 174
• КнАГТУ 2910
• КрасГАУ 345
• КрасГМУ 629
• КГПУ им. Астафьева 133
• КГТУ (СФУ) 567
• КГТЭИ (СФУ) 112
• КПК №2 177
• КубГТУ 138
• КубГУ 109
• КузГПА 182
• КузГТУ 789
• МГТУ им. Носова 369
• МГЭУ им. Сахарова 232
• МГЭК 249
• МГПУ 165
• МАИ 144
• МАДИ 151
• МГИУ 1179
• МГОУ 121
• МГСУ 331
• МГУ 273
• МГУКИ 101
• МГУПИ 225
• МГУПС (МИИТ) 637
• МГУТУ 122
• МТУСИ 179
• ХАИ 656
• ТПУ 455
• НИУ МЭИ 640
• НМСУ «Горный» 1701
• ХПИ 1534
• НТУУ «КПИ» 213
• НУК им. Макарова 543
• НВ 1001
• НГАВТ 362
• НГАУ 411
• НГАСУ 817
• НГМУ 665
• НГПУ 214
• НГТУ 4610
• НГУ 1993
• НГУЭУ 499
• НИИ 201
• ОмГТУ 302
• ОмГУПС 230
• СПбПК №4 115
• ПГУПС 2489
• ПГПУ им. Короленко 296
• ПНТУ им. Кондратюка 120
• РАНХиГС 190
• РОАТ МИИТ 608
• РТА 245
• РГГМУ 117
• РГПУ им. Герцена 123
• РГППУ 142
• РГСУ 162
• «МАТИ» — РГТУ 121
• РГУНиГ 260
• РЭУ им. Плеханова 123
• РГАТУ им. Соловьёва 219
• РязГМУ 125
• РГРТУ 666
• СамГТУ 131
• СПбГАСУ 315
• ИНЖЭКОН 328
• СПбГИПСР 136
• СПбГЛТУ им. Кирова 227
• СПбГМТУ 143
• СПбГПМУ 146
• СПбГПУ 1599
• СПбГТИ (ТУ) 293
• СПбГТУРП 236
• СПбГУ 578
• ГУАП 524
• СПбГУНиПТ 291
• СПбГУПТД 438
• СПбГУСЭ 226
• СПбГУТ 194
• СПГУТД 151
• СПбГУЭФ 145
• СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
• ПИМаш 247
• НИУ ИТМО 531
• СГТУ им. Гагарина 114
• СахГУ 278
• СЗТУ 484
• СибАГС 249
• СибГАУ 462
• СибГИУ 1654
• СибГТУ 946
• СГУПС 1473
• СибГУТИ 2083
• СибУПК 377
• СФУ 2424
• СНАУ 567
• СумГУ 768
• ТРТУ 149
• ТОГУ 551
• ТГЭУ 325
• ТГУ (Томск) 276
• ТГПУ 181
• ТулГУ 553
• УкрГАЖТ 234
• УлГТУ 536
• УИПКПРО 123
• УрГПУ 195
• УГТУ-УПИ 758
• УГНТУ 570
• УГТУ 134
• ХГАЭП 138
• ХГАФК 110
• ХНАГХ 407
• ХНУВД 512
• ХНУ им. Каразина 305
• ХНУРЭ 325
• ХНЭУ 495
• ЦПУ 157
• ЧитГУ 220
• ЮУрГУ 309

Читайте также: Мрт шейного отдела мягких тканей с контрастом

Полный список ВУЗов

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Активная составляющая импеданса живой ткани

Цель работы: изучить зависимость импеданса от частоты на примерах эквивалентных электрических схем и живой ткани.

Литература: Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. -М.: Высшая школа. 1999.С. 315-322.

Приборы и материалы: вольтметр, амперметр, генератор звуковой частоты, экспериментальная установка.

Метод измерения импеданса (полного электрического сопротивления) позволяет изучать структуру живого вещества, не повреждая его. Измерение электрического сопротивления используют:

Важной характеристикой состояния органов и тканей является кровоснабжение, которое также можно исследовать с помощью определения полного электрического сопротивления тканей. Ткани живых органов состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью. Цитоплазма клеток и тканевая жидкость представляют собой электролиты, разделенные плохо проводящей клеточной мембраной — диэлектриком. Такие системы в электрическом отношении подобны конденсаторам (С). Тканевые жидкости содержат ионы электролитов, своего рода свободные переносчики зарядов. Поэтому они обладают активным (омическим) сопротивлением (R).

При исследовании зависимости импеданса живых тканей от частоты переменного тока в широком диапазоне частот была обнаружена следующая зависимость: высокое значение (до 3000 Ом) при низких частотах с уменьшением (до 200 Ом) при высоких частотах. Подобная зависимость свойственна всем живым тканям. Зона дисперсии импеданса обычно варьирует в интервале 10² — 10 8 Гц. У многих объектов минимальное сопротивление наблюдается при частоте 10 8 Гц. Дисперсия импеданса живых тканей является результатом того, что при низких частотах, как и при постоянном токе, сопротивление связано с поляризацией, по мере увеличения частоты поляризационные явления сказываются меньше. Дисперсия импеданса свойственна только живым тканям, это подтверждает динамика кривых, показывающих зависимость импеданса (Z) растительной ткани от частоты: в норме (рис.а), после нагревания (рис.б) и при полном отмирании ткани (рис. в).

Закономерность изменения импеданса живой ткани с частотой можно объяснить следующим образом: сопротивление живых клеток является суммарным и складывается из омического сопротивления, которое не зависит от частоты тока, и емкостного сопротивления, которое значительно уменьшается по мере увеличения частоты. Это приводит к уменьшению полного сопротивления всей системы. Следовательно, можно считать, что явление дисперсии импеданса клеток и тканей есть результат уменьшения их емкостного сопротивления с увеличением частоты.

Кроме дисперсии электропроводности живой ткани, были отмечены и другие особенности:

а) сопротивление переменному току ниже, чем постоянному;

б) сопротивление не зависит от величины тока, если величина не превышает физиологическую норму;

в) сопротивление на данной частоте постоянно, если не изменяется их физиологическое состояние;

г) сопротивление изменяется при изменении физиологического состояния объекта, при отмирании ткани оно уменьшается.

Для изучения закономерностей прохождения переменного тока через биологические ткани используют эквивалентные схемы, т.е. такие комбинации соединения омического сопротивления и емкости, которые в первом приближении могут моделировать электрические свойства клеток.

Подберем эквивалентную электрическую схему живой ткани, для этого рассмотрим примеры несложных электрических схем с конденсатором (С) и резистором (R). Пусть схема состоит из последовательно соединенных омического сопротивления и конденсатора (схема 1), импеданс (Z₁) такой схемы определяется выражением:

(1.1)

При малых частотах импеданс будет большим, т.к. емкостное сопротивление при этом резко увеличивается. При параллельном соединении омического сопротивления и конденсатора (схема 2), импеданс (Z₂) такой схемы определяется выражением:

(1.2)

В этом случае при больших частотах импеданс системы стремится к нулю, так как при этом емкостное сопротивление становится минимальным.

Сравнивая графики, изображенные на рисунках для схем 1 и 2, с зависимостью для живой ткани, легко заметить их несходство. Схема 3 лучше других повторяет свойства живой ткани. Импеданс такой схемы определяется выражением:

(1.3)

По построенной релаксационной кривой Z(v), исходя из модели (1.3), можно определить величины сопротивлений и ёмкости эквивалентной электрической схемы живой ткани:

В данной работе определим импеданс с помощью амперметра и вольтметра. Схема установки представлена на рисунке. Импеданс эквивалентной схемы определяем по закону Ома: Z = U/ I,
где Z — импеданс эквивалентной схемы (Ом), I — сила тока (А), U — напряжение (В). Изменяя частоту сигнала, подаваемого с помощью звукового генератора на эквивалентную схему, исследуем зависимость импеданса от частоты.

Порядок проведения измерений

Схема 1 Схема 2 Схема 3 Живая ткань v, Гц I U Z I U Z I U Z I U Z Ед.изм.

Схема 3 10

Живая тк. 10

Схема 3 200