Модель пассивных электрических свойств живой ткани

Пассивные электрические свойства живых тканей по отношению к переменному току: Учебно-методическая разработка лабораторной работы по курсу «Медицинская и биологическая физика» , страница 2

2 — Биофизика Рубин А.Б. 1999. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

Вопросы для самоподготовки

Общее сопротивление электрических цепей.

Дифференциальные уравнения гармонических колебаний.

Что понимают под импедансом биологической ткани?

Каковы составляющие импеданса в живых тканях?

Эквивалентные электрические схемы биологических тканей. Почему имеется несоответствие этих моделей оригиналу?

Как изменяется импеданс живых тканей при изменении частоты переменного тока?

Что понимают под дисперсией электропроводности живых тканей?

Что понимают под крутизной дисперсии?

Как можно оценить жизнеспособность биологических тканей по крутизне дисперсии?

Определение дисперсии электропроводности биологической ткани

Все живые ткани состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью. Цитоплазма клеток и тканевая жидкость представляют собой электролиты, разделенные плохо проводящей клеточной мембраной. Такая система обладает статической и поляризационной электроемкостью. Поляризационная емкость результат электрохимической поляризации, возникающей при прохождении постоянного электрического тока. Она зависит от силы тока и времени его протекания. По современным представлениям живые ткани не обладают индуктивностью, и сопротивление их имеют только активную и емкостную составляющие.

Электрические свойства живых тканей можно смоделировать следующими эквивалентными электрическими схемами: данная схема хорошо моделирует электрические свойства при высокочастотных токах, но при низких частотах не работает. данная схема достаточно хорошо моделируем свойства тканей при низких частотах тока, но не работает при высоких частотах .эта схема является наиболее удачной и дает хорошее соответствие с опытными данными как при низких так и при высоких частотах переменного тока.

При прохождении переменного тока через живые ткани наблюдается дисперсия электропроводности: полное сопротивление ткани уменьшается с увеличением частоты переменного тока и стремится к некоторому минимальному значению при высоких частотах. Дисперсия электропроводности присуща только живым тканям. По мере отмирания ткани крутизна кривой уменьшается. На рисунке приводится зависимость сопротивления участка живой ткани от частоты при отмирании:

Импеданс тканей организма определяется их физиологическим состоянием. Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности называется реографией.

В настоящее время в связи с развитием трансплантационной хирургии и поиском методов определения качества консервированных тканей электропроводность используется как один из тестов для оценки жизнеспособности тканей и органов.

Часто вместо построения кривой дисперсии определяют так называемый коэффициент поляризации или крутизну дисперсии К:

где — импеданс при частоте 10 4 Гц, — импеданс при частоте 10 6 Гц.

При отмирании ткани К®1. В тканях с высоким уровнем метаболизма К достигает значения 9-10 (для теплокровных животных).

Другим проявлением реактивных свойств сопротивления живой ткани является наличие сдвига фаз между силой тока и напряжение. В цепи содержащей активное и емкостное сопротивление угол сдвига фаз лежит в интервале от 0о до 90о градусов. Для биологических объектов характерен большой сдвиг фаз, что говорит о значительной доле емкостного сопротивления в полном сопротивлении (импедансе) ткани, например, для кожи человека при частоте 1 кГц сдвиг фаз составляет 55о.

Пассивные электрические свойства живых тканей по отношению к переменному току

1. Изучить теоретический материал, связанный с электропроводностью тканей для переменного тока.

2. Ознакомиться с назначением и принципом действия звукового генератора, осциллографа, электродов и их применением в медико-биологических исследованиях.

3. Овладеть навыками измерения импеданса ткани в зависимости от частоты переменного тока.

Читайте также: Как расщепляется жировая ткань

4. Выявить характер изменения дисперсии электропроводности биоткани при ее повреждении.

5. Выяснить биофизический смысл изменения крутизны дисперсии для живой и поврежденной тканей.

• 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

Полный список ВУЗов

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

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

Страницы работы

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Основными пассивными электрическими характеристиками ве­щества являются: диэлектрическая проницаемость, удельная элект­рическая проводимость. Эти величины и связанные с ними элект­роемкость, импеданс существенно зависят от состояния организма и активно используются в диагностике

1) ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Пассивные электрические свойства, веществ в неживой природе хорошо изучены. Переходя к изучению свойств живых тканей (они значительно сложнее) мы будем опираться на их неживые модели.

Читайте также: Ткань для сумки плотная название

Электропроводность — это величина, обратная электричес­кому сопротивлению G=1/R

Она измеряется в сименсах: 1 См = 1 Ом -1

Удельная электрическая проводимость

Для проводников Λ > 10 6 См м -1

Для диэлектриков Λ -8 См м -1 .

Закон Ома можно переписать через плотность тока, удельную электрическую проводимость и напряженность электрического поля

Рассмотрим электропроводность в неживой природе. В зависимости от вида и природы носителей проводимость бывает электронной, ионной и дырочной. Электронной проводимостью обладают металлы. Жидкие электролиты обладают ионной проводимостью. Дырочная проводимость образуется при разрыве валентной связи, приводящей к появлению вакантного места для электрона. Полу­проводники обладают электронной и дырочной проводимостью.

Электрическая проводимость прямо и косвенно зависит от сис­тем атомов и молекул. Она обусловлена положением электронов относительно ядра, их спинами и магнитными моментами. В метал­лах некоторые электроны утрачивают связь со своими атомами и могут свободно передвигаться. В растворах основными носителями зарядов являются ионы. Прохождение тока через растворы вызы­вает перемещение вещества в нем, и. следовательно, изменение его химических свойств. Этим растворы отличаются от металлических проводников.

Современные представления об электрических свойствах живых тканей основаны на фактах о молекулярной организации мем­бран и, в значительно меньшей степени, на сведениях о квантовомеханических свойствах физиологически активных молекул.

Жи­вые ткани являются композиционными средами, т.к. одни струк­турные элементы являются проводниками, а другие диэлектриками. Кроме того, некоторые макромолекулы обнаруживают полупровод­никовые свойства (А.Сцент-Дъердьи).

Найдены элементы и даже молекулы, играющие роль доноров и акцепторов, + крайне малые значения энергии связи электронов в биологических молекулах.

Электропроводность живых тканей определяется в основном злектрическими свойствами лимфы, крови и межклеточной жидкос­ти. Для них Λ ≈ 1 См-м -1 . Минимальная Λ у костной ткани, поряд­ка 10 -7 См-м -1 . Однако, Λ целых органов на 4 — 6 порядков ниже L жидкостей, находящихся в них. Причина в том, что электролиты занимают малые объемы. Так, в клетках электролиты заключены в мельчайшие отсеки — «компартменты», образованные биомембрана­ми, составляющими более 50% массы клетки. Мембраны являются диэлектриками.

Для диагностики важно отметить, что наблюдается различие в проводимости опухолей и нормальной ткани, а так же зависимость проводимости от насыщенности тканей кислородом.

1). При измерении пассивных электрических характеристик жи­вых тканей через них необходимо пропускать электрический ток. что приводит к раздражению тканей и изменению их свойств. Результаты измерений зависят от силы тока, его типа, плотности тока на электродах.

При прохождении постоянного тока через ткани его первона­чальная сила не остается постоянной, а падает с течением времени до определенного уровня (рис.).

Это означает, что происходит уменьшение проводимости живой ткани. Процесс установления равновесия (релаксационный процесс) имеет сложную природу, можно предложить лишь некоторые его модели:

Поляризация — это процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование вследствие этого электродвижущей силы, которая направлена противоположно внешнему полю. Ее называют ЭДС поляризации. Для живой ткани закон Ома можно записать в виде:

где U — приложенное напряжение, I — сила тока, R – активное сопротивление ткани, ε_п — ЭДС поляризации, зависящая от U и времени.

б) процесс заряда тканевых емкостей.

2). Измерения проводимости в БАТ (метод Фолля). Оставляя в стороне достоверность этой диагностики, рассмотрим возможные причины неоднозначности подобных измерений:

Читайте также: Обивочная ткань микрофибра что это

а) Исследования проводятся по точкам, расположенным в направлении «меридианов», которые были интуитивно установлены в восточной медицине. Недавно было обнаружено, что в этих направлениях между клетками тканей имеется повышенное число щелевых контактов, проницаемых для ионов, чем и объясняется большая проводимость.

б) При из­мерениях используют маленькие по площади электроды, и от величины силы, с которой электрод прижимается к коже, существенно зависят получаемые результаты.

в) Ток от внешнего источника так же изменяет состояние БАТ.

г) проводимость меридианов зависит не только от патологий соответствующих органов, но и от индивидуальных биоритмов человека.

3) ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Диэлектрические свойства биологических тканей обусловлены явлениями поляризации и компартментной структурой.

Диэлектрическая проницаемость где E_i — напряженность внутреннего поля.

Электрическое поле внутри тканей меньше внешнего так как поляризованные и ориентированные определенным образом атомы, молекулы и компартменты создают электрическое поле Еп на­правленное против внешнего поля (рис.).

Рассмотрим виды поляризации характерные дляживой ткани.

1) Электронная поляризация — смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в ато­мах и ионах. В результате такого смещения атом или ион превращаются в индуцированный диполь. Время релаксации (установления или исчезновения) электронной поляризации равняется 10 -16 —10 -14 с

2) Дипольная (ориентационная) поляризация— ориентация полярных молекул под действием внешнего электрического поля. Дипольная поляризация преобладает в таких веществах как спирт и вода. Молекулы белков и других высокомолекулярных соединений вследствие диссоциации моногенных групп, а также вследствие адсорбции ионов обладают значительными дипольными моментами. Время релаксации дипольной поляризации совпадает со временем поворота молекул и зависит от вязкости среды, температуры и радиуса молекул, поэтому оно изменяется в широких пределах от 10 -13 до 10 -7 с

3) Макроструктурная поляризация — перемещение сво­бодных ионов и электронов в пределах компартментов. В результа­те этого компартменты приобретают дипольный момент и ведут се­бя как гигантские поляризованные молекулы. Время релаксации макроструктурной поляризации лежит в пределах от 10 -8 до 10 -3 с. Макроструктурная поляризация происходят во всем объеме клеток и играет основную роль в живых тканях, определяя их высокую диэлектрическую проницаемость в постоянном электрическом поле (ε≈ 10 4 ).

При включении электрического поля первыми возникают и ис­чезают при выключении те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксация. В переменном электрическом поле воз­никает зависимость диэлектрической проницаемости живых тканей от частоты поля — дисперсия (рис.3).

Для компартментов, полярных молекул (их дипольных момен­тов) существует максимальная частота внешнего ЭМП, обратная времени релаксации, которую они способны воспроизвести своими «поворотами» (изменением поляризации) в нем для компенсации внешнего поля. Высокая диэлектрическая проницаемость живых тканей на низких частотах обусловлена компартментами. При час­тотах внешнего поля до 10 3 Гц переориентация дипольных мо­ментов компартментов отстает от изменения поля, и диэлектричес­кая проницаемость тканей падает, это область α-дисперсии (см. рис.3). На более высоких частотах (до 10 8 Гц) внешнее поле ус­певают частично компенсировать полярные макромолекулы (β-дисперсия), на сверхвысоких частотах (10 11 Гц ) — молекулы воды (γ- дисперсия).

В живых тканях под воздействием ЭМП возникают токи проводимости, обусловленные смещением (колебаниями) ионов и токи смещения, связанные с переориентацией дипольных мо­ментов. Можно считать что в цепи переменного тока через конден­сатор течет именно ток смещения, т.к. перемещения зарядов через конденсатор не происходит.

• 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