Проводимость биологических объектов для переменного тока
Таким образом, действие постоянного электрического тока на биологические объекты всегда сопровождается явлением поляризации. Это, с одной стороны, вносит дополнительные трудности при определении их сопротивления, а с другой – повышает вероятность повреждающего действия тока на клетки. Эти недостатки менее выражены при действии переменного тока. Используемый впервые Кольраушем (Kohlrausch) для измерениия сопротивления электролитов, переменный ток широко используется в настоящее время для изучения омических и емкостных свойств тканей. Было установлено, что:
А. Сопротивление биологических объектов переменному току ниже, чем постоянному.
Б. Сопротивление не зависит от величины тока, если эта величина ниже физиологической нормы.
В.Сопротивление биологических объектов при данной частоте постоянно, если не меняется их физиологическое состояние.
Г.Сопротивление биологических объектов при данной частоте падает, если изменяетя физиологическое состояние в сторону отмирания тканей.
Дисперсия электропроводности. При исследовании биологических объектов было установлено, что с увеличением частоты тока их электропроводность растет. Зависимость электропроводности от частоты переменного тока получила название дисперсии электропроводности. Диапазон частот проявляющейся дисперсии располагается в интервале 10 2 – 10 8 Гц, и характерна эта зависимость для всех тканей (Рис.14).
 |
Рис.14. Зависимость электропроводности от частоты переменного тока. По оси абсцисс круговая частота переменного тока; По оси ординат – сопротивление биологического объекта |
Рост электропроводности связан с тем, что при малых частотах проявляются эффекты поляризации, которые по мере увеличения частот переменного тока сказываются меньше.
Коэффициент жизнеспособности (поляризации) Б.Н.Тарусова. Дисперсия электропроводности характерна только для живых объектов (она отсутствует у растворов электролитов). По мере отмирания тканей резко увеличивается низкочастотная (при той же высокочастотной) компонента. Для оценки жизнеспособности тканей Б.Н.Тарусовым был предложен коэффициент:
R10 4 -сопротивление при частоте тока 10 4 Гц
R10 6 -сопротивление при частоте тока 10 6 Гц.
При отмирании тканей К стремится к 1.
Импеданс – суммарное сопротивление тканей. Сопротивление биологических объектов определяется прохождением тока через активную (омическую) и реактивную (емкостную) составляющие. Эквивалентные электрические схемы биологических объектов (последовательное и параллельное соединение и т.д.) были представлены ранее (см. Рис.13). Для оценки представленных значений требуется знать суммарное сопротивление тканей, которое получило название импеданса (Z). Под импедансом биологических объектов понимают геометрическую сумму омического и емкостного сопротивлений.
При последовательном соединении емкостного и омического сопротивления ток, идущий через емкость, равен току, идущему через омическое сопротивление:
а падение напряжения различно:
где: R – омическое сопротивление, а
где: w – круговая частота переменного тока в Гц, w=2pn (n- частота переменного тока), С – емкость
Общее приложенное напряжение будет векторной суммой емкостного и омической составляющей сопротивления:
По правилу сложения векторов: , а в этом случае импеданс (Z) будет равен:
При параллельном соединении емкостного и омического сопротивления падение напряжения, прилагаемое к омическому сопротивлению и емкости, одинаково:
а ток складывается из суммы векторов:
В этом случае импеданс будет равен:
Как видно из представленных расчетов импеданса емкостная составляющая обратно пропорциональна частоте тока. Поэтому явление дисперсии электропроводности клеток и тканей есть результат уменьшения емкостного сопротивления при увеличении частоты переменного тока.
Метод измерения импеданса. Общепринятым методом измерения импеданса является мостовая схема (Рис.15).
Читайте также: Как определить лицевую сторону ткани барби
 |
Рис.15. Мостовая схема измерения сопротивления объекта (Rоб) |
Параллельное включение в компенсирующее плечо переменного сопротивления и емкости достаточно хорошо моделирует живые клетки. Это позволяет, при всей приблизительности, получать достаточно хорошую компенсацию значений импеданса биологических.
Диэлектрическая проницаемость /ДЭП/ биологических объектов. ДЭП (e) показывает во сколько раз взаимодействие между зарядами в неограниченной однородной среде (e 1 ) меньше, чем в ваккуме (e0):
Дисперсия ДЭП. Дисперсией ДЭП называется ее зависимость от частоты переменного тока. С увеличением частоты тока ДЭП биологических объектов снижается (Рис.16).
 |
Рис.16. Дисперсия диэлектрической проницаемости биологических объектов. По оси абсцисс логарифм круговой частоты переменного тока; по оси ординат – диэлектрическая проницаемости биологических объектов |
Можно выделить следующие области дисперсии ДЭП:
a – дисперсия занимает область низких частот звукового диапазона. В этой области происходит сильная поляризация электродов и начинает проявляться поверхностная поляризация клеток, их органоидов, макромолекул.
b – дисперсия занимает область частот 10 6 – 10 8 Гц. Она в большей степени зависит от вида объекта и наряду с развитием поверхностной поляризации высокополимерных соединений (макромолекул) и поляризуются молекулы и с меньшими размерами.
g – дисперсия занимает область частот выше 10 9 Гц. В этой области ДЭП зависит главным образом от содержания воды в тканях. Показана зависимость характера дисперсии в этой области от полярных свойств молекул воды.
Снижение ДЭП при увеличении частоты тока происходит по общим механизмам. Так, если время релаксации t (см. стр.) меньше значений 1/w, то молекулы успевают за изменением знака и ДЭП остается неизменной При более высоких частотах тока, когда t становится больше значений 1/w, молекулы не успевают за изменением знака и ДЭП снижается.
Живая ткань как проводник переменного электрического тока. Дисперсия электропроводности и её количественная оценка
Экспериментально установлены следующие особенности живой ткани как проводника переменного ток:
1. Сопротивление живой ткани переменном току меньше, чем постоянному.
2. Электрические характеристики ткани зависят как от её вида, так и от частоты тока.
3. С увеличением частоты полное сопротивление живой ткани нелинейно уменьшается до определенного значения, а затем остаётся практически постоянным (в большинстве на частотах свыше 10 6 Гц)
4. На определенной частоте полное сопротивление зависит также от физиологического состояния (кровенаполнения), что используется на практике. Исследование периферического кровообращения на основе измерения электрического сопротивления называются реография (импедансплетизмография).
5. При умирании живой ткани её сопротивление уменьшается и от частоты не зависит.
6. При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается явление, которое называется дисперсией электропроводности.
Дисперсия электропроводности — это явление зависимости полного (удельного) сопротивления живой ткани от частоты переменного тока.
Графики такой зависимости называют дисперсионными кривыми. Дисперсионные кривые строят в прямоугольной системе координат, где по вертикали откладывают значения полного (Z) или удельного сопротивления, а по горизонтали — частоту в логарифмическом масштабе (Lg n).
Частотные зависимости по форме кривой для разных тканей сходный, но отличается значением сопротивления.
Имеется несколько диапазонов частот, на которых дисперсия особенно выражена. Один из них соответствует интервалу 10 2 -10 6 Гц
Читайте также: Коврик для пазлов ткань
Особенности дисперсии:
1. Присуща только живым тканям.
2. Более выражена на частотах до 1 МГц.
3. На практике используется для оценки физиологического состояния и жизнеспособности тканей.
Количественно оценка дисперсии проводиться по коэффициенту дисперсии (К).
Коэффициент дисперсии это безразмерная величина, равная отношению низкочастотного (10 2 ) полного (или удельного) сопротивления к высокочастотному (10 6 Гц).
Z1 – полное сопротивление на частоте 10 2 Гц
Z2 – полное сопротивление на частоте 10 6 Гц
r1, r2 — удельное сопротивление на этих частотах
Значение коэффициента дисперсии зависит от вида ткани, её физиологического состояния, эволюционной стадии развития животного. Например, для печени животного К = 9 -10 единиц, а для печени лягушки 2 -3 единицы. При умирании ткани коэффициент дисперсии стремиться к единице.
Явление дисперсии связывают с наличием в живых тканях поляризации, которая с увеличением частоты меньше влияет на полное сопротивление. Поэтому коэффициент дисперсии часто называют коэффициентом поляризации.
Кроме частотных зависимостей в живых тканях отмечаются фазовые сдвиги между током и напряжением, которые тоже, но в меньшей степени, зависят от частоты.
Фазовые сдвиги тоже уменьшаются при умирании тканей и, в перспективе, могут быть использованы для практических целей.
МЕТОД ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ В МЕДИЦИНЕ
ИМПЕДАНС БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
ПРИРОДА ЕМКОСТНЫХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА
Как показывает опыт, электропроводность растворов не зависит от частоты переменного тока. При изучении электропроводности биологических объектов обнаружили, что их сопротивление на высоких частотах (
10 7 Гц) гораздо меньше, чем на низких. На рис.9 (кривая 1) представлена зависимость сопротивления мышечной ткани от частоты (кривая дисперсии). Дисперсия электропроводности обычно наблюдается в интервале частот 10 2 ÷ 10 8 Гц. Наличие дисперсии импеданса для живых тканей обусловлено тем, что при низких частотах (как и для постоянного тока) на величину электропроводности значительное влияние оказывает макроструктурная поляризация в тканях. По мере увеличения частоты поляризационные явления сказываются всё меньше и меньше.
Отмирание ткани ведёт к росту проницаемости мембран, при этом крутизна дисперсии уменьшается (рис.9, кривая 2). Для мёртвой ткани поляризация на границах раздела практически полностью исчезает и явление дисперсии импеданса больше не наблюдается (рис.9, кривая 3). Т.о. крутизна графика зависимости Z = f(ω) позволяет судить о жизнеспособности той или иной ткани.
Наличие дисперсии электропроводности говорит о том, что в биологических объектах наряду со структурами, которые оказывают переменному току активное сопротивление, есть и такие, которые обладают реактивным сопротивлением. Как оказалось, структуры с индуктивным сопротивлением (подобные катушкам) в биологических организмах отсутствуют.
Клеточные мембраны, омываемые с одной стороны тканевой жидкостью, а с другой цитоплазмой, представляют собой системы подобные конденсатору. В тканях имеются так же макроскопические образования, состоящие из различных непроводящих соединительных оболочек и перегородок, по обе стороны которых находятся ткани, хорошо проводящие электрический ток. Это так же придаёт тканям емкостные свойства.
В целом, сопротивление биологических тканей будет определяться суммой омического и емкостного сопротивления:
Присутствие в биологических организмах структур с ёмкостным сопротивлением подтверждается также наличием сдвига фаз между током и напряжением. Для биологических систем характерна большая величина этого угла, например, на частоте 1000 Гц: кожа человека – φ = 55 0 , мышца кролика – φ = 65 0 , нерв лягушки – φ = 64 0 . Это показывает, что доля емкостного сопротивления в импедансе тканей велика.
Читайте также: Производство хлопчатобумажных тканей по странам мира
При моделировании электропроводности живых клеток и тканей прибегают к эквивалентным схемам, т.е. к таким комбинациям омического сопротивления и ёмкости, которые в некотором приближении могут отражать характер течения тока и значения электрических параметров клетки и тканей. Простейшими из таких моделей являются схемы с последовательным и с параллельным соединением R и C – (рис.10а и 11а). Но эти простейшие схемы не отражают истинного положения дел, т.к. графики зависимости Z от ω противоречат данным по живым тканям (сравните рис.10б, 11б и рис.6, кривая1).
Наиболее удачной моделью является схема, представленная на рис.12а. На этой схеме Rк,1 и Rк,2 – активные сопротивления кожи на входе и выходе тока; Rт – общее омическое сопротивление подкожных тканей; C1, C2 и C3 – конденсаторы, моделирующие биологические структуры, обладающие ёмкостным сопротивлением. Стрелками показан маршрут переменного тока, т.е. показаны структуры, через которые проходит ток на каждом из участков биологического организма между электродами за один полупериод. Зависимость сопротивления этой эквивалентной схемы от частоты хорошо согласуется с кривой дисперсии импеданса для биотканей (рис.12б) Существуют и другие эквивалентные схемы, однако ни одна из них в точности не может воспроизвести закономерности течения переменного тока, присущие биологическим системам.
Измерение электропроводности биологических тканей для переменного тока широко используется в диагностике, а так же в биологических и медицинских исследованиях. Например, значительное возрастанию импеданса ткани на низких частотах позволяет обнаружить воспаление уже на первых стадиях. Некоторые заболевания щитовидной железы диагностируются по изменению угла сдвига фаз между током и напряжением. Для характеристики физиологического состояния тканей используют также величину крутизны кривой дисперсии. Этот критерий применяют, например, при оценке жизнеспособности ткани, предназначенной для трансплантации.
Импеданс тканей существенным образом зависит от кровенаполнения сосудов. Кровь имеет меньшее сопротивление, чем стенки сосудов или клетки, поэтому во время систолы полное сопротивление ткани уменьшается, а при диастоле – увеличивается. Диагностический метод, основанный на регистрации импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называется реографией (импеданс – плетизмографией). С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцефалограмма), сердца (реокардиограмма), лёгких, печени, сосудов, конечностей. Измерения обычно проводят на частоте 30 кГц.
Переменным называется ток, изменяющийся с течением времени по величине и направлению. Потребляемый, промышленный ток является синусоидальным. Мгновенное значение его параметров меняются со временем по закону синуса (или косинуса):
Переменный ток характеризуется периодом Т, частотой ν = 1/Т, циклической частотой , фазой φ = (ωt + φ0) Графически значения напряжения и силы переменного тока на участке цепи будут представляться двумя синусоидами, в общем случае сдвинутыми по фазе.
Для характеристики переменного тока вводится понятие действующего (эффективного) значения тока. Эффективным значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который выделяет в данном проводнике столько же тепла за время одного периода, сколько выделяет тепла и данный переменный ток.
Приборы, включенные в цепь переменного тока (амперметр, вольтметр) показывают эффективные значения тока и напряжения.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом