Лабораторная работа № 9 определение сопротивления тканей организма на постоянном и переменном токе
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА
НА ПОСТОЯННОМ И ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Пропускание электрических токов через ткани и органы пациента может производиться как в диагностических, так и в лечебных целях. Данная работа ориентирована на диагностику. В ходе ее выполнения Вы будете измерять сопротивление руки на участке между двумя закрепленными на ней электродами. Эти измерения предстоит выполнить:
а) на постоянном токе, т.е. при постоянном напряжении, созданном на электродах;
б) на переменном токе, частота которого может меняться в диапазоне от 100 Гц до 200 кГц.
В обоих случаях подаваемое на электроды напряжение является подпороговым , в том смысле, что вызванные им токи – ниже порога появления негативных ощущений.
Точнее, так: токи, возникающие в тканях, будут вообще неощутимы, и для целей диагностики эта неощутимость токов целесообразна. Если ток становится ощутим, то сопротивление тканей начинает непроизвольно возрастать. Такова своеобразная защитная реакция тканей. Для целей диагностики целесообразно измерение сопротивления тканей на подпороговых напряжениях.
Измерив сопротивление участка собственной руки, Вы можете подумать, что диагностическая ценность подобных данных может сводиться лишь к возможности комментировать состояние Ваших кожных покровов, а с ними, будем надеяться, все ясно и без электродов. Взглянем на ситуацию с электрическим сопротивлением тканей и органов пошире.
Реографические методы диагностики.
Реография – группа методов диагностики состояния кровеносной системы на том или ином конкретном участке: мозг, печень, легкие, конечности, и т.п., по результатам измерения электрического сопротивления на этих участках. Это оказалось возможным благодаря тому, что ток крови , и его непостоянство, хорошо отслеживаются грамотно организованным током электрическим , и его непостоянством.
Название «реография» происходит от греческого rheas – поток, и здесь имеется в виду ток крови. Будьте осторожны: есть однокоренной термин «реология», под которым скрывается совсем другое научно-технические направление – исследование текучести металлов, работающих в условиях большой нагрузки. Но ведь никто не путает космонавтику с косметикой.
Блоки измерения электрического сопротивления кожных покровов входят и в состав измерительных комплексов, известных под названием «детекторы лжи».
Примером реографических приборов являются реоплетизмографы (от plethysmos (греч.) – увеличение). Имеется в виду увеличение или уменьшение кровоснабжения участков тела, что оценивается по данным непрерывной записи значения электрического сопротивления (или величины, ему пропорциональной) на переменном токе. Некоторые схемы размещения электродов на теле пациента дают возможность контролировать объем и скорость пульсовой волны на изучаемом участке кровеносной системы, и по этим данным судить о состоянии и тонусе кровеносных сосудов.
При реографических измерениях, диагностическую ценность могут представлять данные двоякого рода:
Абсолютные значения сопротивления; и тогда они подлежат сравнению с показателями нормы или патологии.
Изменение сопротивления в динамике; и тогда промежуточные данные можно сравнивать с начальными по этому же пациенту. Подобным образом удается контролировать эффективность действия тех или иных лекарственных препаратов; в этом случае реограммы записываются в течение длительного времени; до нескольких часов.
С точки зрения физики, реографические методы подкупающе просты: все завязано на закон Ома для участка цепи, согласно которому напряжение U, приложенное к двум электродам, сила тока I на участке тела между ними и сопротивление R этого участка связаны:
Вам предстоит вычислить сопротивление тканей, пользуясь алгебраическим следствием этой формулы.
Сложности могут возникать «лишь» на стадии интерпретации получаемых данных, и это вполне естественно: речь идет о связях между числом омов и конкретными свойствами живых тканей.
Наряду с сопротивлением R, в литературе, в том числе – медицинской, часто обсуждается обратная ему величина, называемая электрической проводимостью (электропроводностью):
Если в этой формуле R = 1 Ом, то G = 1 См (симменс); не запутайтесь, 1 См и 1 см – разные вещи.
Рассмотрим факторы, влияющие на величину сопротивления тканей и участков тела, при протекании как постоянного, так и переменного тока.
Сопротивление тканей при постоянном токе.
Носителями тока в живых тканях являются ионы. При этом удельное сопротивление биологических жидкостей – кровь, лимфа, межклеточная жидкость – порядка 1-10 Омм. Для сравнения: этот показатель для морской воды – 0,3 Омм.
Читайте также: Вторичная покровная ткань стебля это
Однако среднее удельное сопротивление целых органов может превосходить удельное сопротивление биологических жидкостей в 10 4 – 10 6 раз. Это объясняется тем, что в органах и тканях электролиты сосредоточены в мельчайших отсеках, образованных биомембранами (так называемых компартментах). Продвижение ионов в условиях такой сложной «внутренней геометрии» тканей происходит по тонким извилистым путям, отсюда – большое значение регистрируемого сопротивления.
Однако результаты измерений сопротивления могут оказаться гораздо меньше, если электроды, подводящие напряжение к исследуемой части тела, будут установлены вдоль кровеносного сосуда: электрический ток пойдет по линии наименьшего электрического сопротивления, т.е. через кровь в этом сосуде. Правда, току надо еще в этот сосуд войти, а затем – выйти, а общее сопротивление этой последовательной электрической цепи равно сумме сопротивлений ее участков.
При прочих равных условиях, меньшим сопротивлением обладают ткани, хорошо снабжаемые кровью. Если же кровоснабжение той или иной части тела ухудшилось, то об этом «заявит» рост электрического сопротивления этого участка тела.
Электрический ток, как направленное движение зарядов (ионов – в биологических тканях, электронов – в металлических проводниках), называется током проводимости.
Переменный ток в цепи, содержащей конденсатор.
Протекание переменного тока в электрических цепях, содержащих электроемкость С, имеет свою специфику. При постоянном приложенном напряжении участок цепи в виде
ток не проводит: цепь разомкнута обкладками конденсатора. Конденсатор при этом будет поддерживаться в заряженном состоянии. Но в цепи переменного тока этот участок становится проводящим, поскольку:
А. Конденсатор будет вынужден перезаряжаться, в связи с чем по проводам, подходящим к нему, будут пробегать то заряды (+q), то наоборот (-q).
Б. В ходе непрерывных зарядок-перезарядок конденсатора С, между его обкладками будет поддерживаться переменное электрическое поле Е, мерой непостоянства которого является производная
В. Токи зарядки-перезарядки в проводах, подходящих к С, и переменное электрическое поле с мерой непостоянства сообща создают последовательную цепь, в которой ток на участке цепи от левой обкладки до правой получил название ТОКА СМЕЩЕНИЯ.
Ток смещения – а по сути – переменное электрическое поле – может существовать даже в «пустом пространстве» между обкладками воздушного конденсатора.
Можно подумать, что ток смещения введен чисто формально, чтобы как-то сделать последовательную цепь замкнутой. Но вот что выяснилось: ток смещения обладает всеми свойствами тока проводимости (в частности, ток смещения создает магнитное поле). Таким образом, можно говорить о том, что в электрических цепях переменного тока наряду с токами проводимости могут протекать токи смещения.
Участок цепи рис.1 не проводит постоянный ток, но чем больше частота переменного тока, тем меньше сопротивление этого участка. Этой логике соответствует следующее выражение для емкостного сопротивления:
Где С – величина электроемкости; = 2 — величина, называемая циклической частотой колебаний (тока, напряжения).
На участках цепи следующего вида:
классический переменный ток проводимости характерен тем, что при его протекании приложенное напряжение U АВ и возникшая сила тока I АВ совершают синхронные колебания, т.е. колебания в одинаковой фазе (разность фаз равна нулю). Это обстоятельство можно подчеркнуть следующей схемой:
В цепи рис.1 колебания приложенного напряжения и протекающего тока не синхронны: когда приложенное напряжение, совершая колебания, достигает максимального (амплитудного) значения, сила тока смещения равна нулю, и наоборот. Эта ситуация характеризуется схемой (векторной диаграммой) следующего вида:
Электроемкость конденсатора как элемента электротехнической или радиотехнической схемы определяется его строением и размерами, является величиной постоянной и заявлена заводом-изготовителем. Электроемкость живых тканей – вопрос более сложный.
Емкостные свойства тканей.
О наличии емкостных свойств у биологических тканей можно говорить на том основании, что клеточная мембрана – это миниатюрный конденсатор. Более того, такой конденсатор всегда заряжен: «минус» внутри, «плюс» – снаружи клетки, если она в состоянии покоя, и наоборот, если она в возбужденном состоянии. Эти «рабочие» заряды создают в мембранах очень сильное электрическое поле напряженностью порядка Е = 10 7 В/м. Пустяковые дополнительные электрические поля, которые мы создаем для тестирования свойств тканей, не в состоянии оказать влияние на рабочее электрическое поле. Поэтому вместо зарядки-перезарядки, о чем шла речь по поводу схемы рис.1, будет небольшое, едва уловимое изменение рабочих потенциалов (приливы-отливы дополнительных ионов на мембране), не приводящее к деполяризации или реполяризации мембран.
Читайте также: Компьютерное кресло атлант ткань
Таким образом, можно говорить об электроемкости тканей как о некоторой сумме электроемкостей клеточных мембран.
Величина электроемкости любого проводника прямо пропорциональна величине диэлектрической проницаемости среды, заполняющей или окружающей проводник. Чем больше , тем больше С. Биологические ткани имеют диэлектрическую проницаемость, сильно зависящую от частоты приложенного напряжения, в особенности, в диапазоне низких частот.
Насколько ощутимо непостоянство величины , видно из следующей таблицы (данные получены на скелетных мышцах):
Комментарии к этим данным:
Столь сильная зависимость () характерна для живых тканей. Для различных видов тканей зависимости () различны. Сам факт зависимости диэлектрической проницаемости от частоты внешнего поля называется дисперсией диэлектрической проницаемости.
Большие значения диэлектрической проницаемости на низких частотах объясняется мембранной структурой тканей. Но электрические колебания в сложной системе мембран – процесс сравнительно инерционный, и с ростом частоты роль таких колебаний уменьшается. Факторы, определяющие диэлектрическую проницаемость тканей, в теоретическом разделе работы №8 рассмотрены на основе электрической модели – электростатического диполя.
Вещества неживой природы так же характерны дисперсией диэлектрической проницаемости. Она не столь ощутима, но она есть, и приводит, например, к дисперсии света. Так что радуга — результат дисперсии диэлектрической проницаемости для воды на частотах, характерных для электромагнитных колебаний в диапазоне частот видимого света.
В диапазоне частот, в которых выполняется данная работа, величина емкостного сопротивления
непостоянна по двум причинам:
А). С ростом частоты величина X С уменьшается.
Б). С ростом частоты уменьшается величина электроемкости С, а это работает на увеличение X С .
С помощью данных табл.1 оцените, какое влияние частоты на X С будет более сильным: прямое по А или косвенное по Б.
Электрическая модель участка тела.
Участком тела, на котором Вам предстоит выполнять измерения, будет левая или правая рука, область вблизи запястья. В качестве электрической модели такого участка предлагается рассмотреть модель самого общего вида:
Эта модель близка к модели «черного ящика».
«Черный ящик» – базовая модель кибернетики. Ее основные особенности:
А.) Моделируемый объект имеет несколько входов (по числу независимых параметров, на которые он реагирует изменением своих свойств) и один или несколько выходов.
Б.) Об изменениях свойств объекта мы судим по значениям параметров, регистрируемых на его выходе.
В.) Априорная информация, по каким законам или правилам изменения входных параметров влияют на изменения параметров выходных, ОТСУТСТВУЕТ.
Классическая, далеко не оптимальная стратегия изучения «черных ящиков» – поочередное исследование влияния каждого входного параметра на все выходные. Альтернативой этому длительному процессу является одновременное контролируемое изменение всех входных параметров «ящика» по некоторым оптимальным программам; этот подход получил название «планирование эксперимента».
Исследование свойств такого «ящика» в ходе выполнения данной работы будет выполняться в два этапа:
Прикладывая постоянное напряжение U АВ, можно измерить возникающий ток I АВ , и по ним определить сопротивление R 1 = U АВ /I АВ на постоянном токе.
Прикладывая напряжение U АВ переменной частоты , можно измерить ряд значений I АВ , и по ним вычислить ряд значений величины Z = U АВ / I АВ , которая называется полным сопротивлением на переменном токе.
Полное сопротивление Z переменному току называют также электрическим ИМПЕДАНСОМ. Термины сложились при анализе свойств технических электрических цепей переменного тока. Элементами таких цепей являются:
а) классические резисторы R – сопротивление току проводимости, от частоты приложенного напряжения не зависит, называется активным (иногда – омическим) сопротивлением. Биологический эквивалент – как уже говорилось, сопротивление крови, межклеточной жидкости.
б) конденсаторы, — их сопротивление X С называют емкостным реактивным сопротивлением. Биологический эквивалент – клеточные мембраны. Как уже обсуждалось, величина X С зависит от частоты, а в случаях живых тканей – еще и от дисперсии диэлектрической проницаемости ().
в) катушки индуктивности, с их индуктивным реактивным сопротивлением; структуры, похожие на катушки, не обнаружены.
Заметим, что отсутствие структур, имеющих геометрическое сходство с катушками индуктивности, не отменяет, а лишь маскирует наличие магнитных свойств у биологических тканей. Здесь полезно вспомнить, что каждый вид атомов обладает индивидуальными магнитными свойствами.
Читайте также: Изготовление искусственных цветов своими руками из ткани инструменты
Образ для сравнения. Любой ржавый гвоздь, валяющийся на обочине, обладает некоторыми (вполне измеримыми) значениями омического сопротивления R, электроемкости С и индуктивности L. И это – при том, что он не напоминает внешне ни конденсатор, ни катушку. Можно создать для этого гвоздя условия, в которых его значения R, C, L будут существенными. А можно оставить на обочине, где его значения R, C, L заметным для нас образом не проявятся.
Схема рис.5 все же не совсем «черный ящик», поскольку кое-какие свойства этого «ящика» заявлены предварительно: это наличие у него полного сопротивления Z, имеющего активную составляющую R и реактивную X С . Но никакой схемы соединения резисторов и конденсаторов, эквивалентной живым тканям, не приведено.
С ростом частоты X С 0, полное сопротивление «ящика» будет стремиться к некоторому пределу Z R:
Элемент интриги будет состоять в том, что R R 1 , где R 1 – сопротивление тканей на постоянном токе.
Связь полного сопротивления (импеданса) Z с его составляющими R и X С можно обсуждать, лишь имея конкретную схему соединения резисторов и конденсаторов; у нас ее нет. Для упоминавшихся простых частных случаев дела обстоят так:
В случае с нашим «черным ящиком», колебания силы тока и напряжения будут не такими, как на рис.3 или рис.4; они будут происходить в некотором промежуточном варианте:
Величину сдвига по фазе между колебаниями силы тока I и колебаниями приложенного напряжения U, применительно к биологическим тканям, стали рассматривать в качестве ценного диагностического признака состояния тканей еще в конце 30-х годов прошлого века. Идея здесь такова. Омертвевшие ткани характерны тем, что на любых частотах:
Чем дальше ткани от этого уровня значений их электрических показателей, тем выше уровень жизнеспособности тканей и органов.
Равенство = 0 (cos = 1) означает потерю тканями емкостных свойств. Если же 0, то оценку емкостных свойств тканей можно вести по-разному. Варианты:
Можно, проведя измерения Z на разных частотах , построить зависимость Z (). Зависимость Z () называют дисперсией импеданса. Далее напрашивается сравнение получаемых зависимостей Z () с зависимостями, характерными для нормальных и не очень нормальных тканей.
Вместо ряда значений Z и графика Z () можно обсуждать ряд значений cos = R/Z и график зависимости cos от .
Можно, следуя упрощенной методике Б.Н. Тарусова, измерить всего два значения полного сопротивления:
Z н.ч. – на низкой частоте н = 100 Гц;
Z в.ч. – на высокой частоте в 10 6 Гц
Отношение этих величин было названо коэффициентом поляризации:
Жизнеспособная ткань имеет К п 1; чем выше уровень обмена веществ в данной ткани и чем лучше сохранена ее структурная целостность, тем больше значения К п .
Порядок выполнения работы.
Работа выполняется в два этапа.
Определение сопротивления участка тела на постоянном токе.
На руке закрепляются два электрода, под которые предварительно должны быть подложены марлевые прокладки, смоченные физиологическим раствором. Электроды подключены к источнику постоянного тока. Сила тока устанавливается подпороговой – не более 10 мкА. Измеряется значение силы тока при пяти значениях напряжения. Результаты измерений заносятся в таблицу 2.
Значения сопротивления R 1 вычисляются по формуле R 1 = U/I; 1 мкА = 10 -6 А; 1 кОм = 10 3 Ом.
По этим данным строится график зависимости I (U), на основании которого делается вывод о выполнимости или невыполнимости закона Ома в данных обстоятельствах.
Примечание: Участок цепи в виде участка тела – участок необычный. Так что вывод о выполнимости закона Ома не следует считать тривиальным.
Определите средневыборочное значение сопротивления R 1 .
Определение сопротивления участка тела на переменном токе.
Электроды, закрепленные на руке, подключаются к генератору переменного тока регулируемой частоты.
Указания по предварительной настройке генератора очень просты и приведены в табличке на его панели. В ходе измерений контролируются: значение приложенного напряжения U, частота колебаний этого напряжения и сила тока в тканях I. Результаты заносятся в табл.3.
- 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