Пассивные электрические свойства живых тканей

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.

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:

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.

Читайте также: Как по английски будет торговля тканями

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.

Активные и пассивные электрические свойства органов и тканей

Активные электрические свойства биологиче­ских объектов заключаются в том, что в процессе их жизнедеятельности, в них возникают не скомпенсированные электрические заряды, которые в окружающем пространстве создают электрические поля. Эти поля, по отношению к биообъекту, называются внешними. Обще­известно, что электрическое поле бесконечно в пространстве, хотя с увеличением расстояния от заряда, создающего поле, оно ос­лабляется. Проще всего оценить величину внешних элек­трических полей можно, измерив разность потенциалов (напряжение) меж­ду двумя точками тела человека, как правило, наиболее удобных для размещения электродов. Такие потенциалы называются био­потенциалами действия органов или тканей. Графическую запись этих биопотен­циалов с помощью устройств регистрации называ­ют электрограммой, сокращенно ЭГ. Отведение биопотенциалов подчиняется законо­мерностям от­ведения биопотенциалов в объем­ном проводнике. Если источник ЭДС (клетка) погружен в объемный проводник (проводник второ­го рода), каким является мозг или другие ткани организма, а от­водящий электрод пред­ставляет собой точку, находящуюся в этом проводнике, то принцип отведения значительно отличается от от­ведения, когда электроды расположены на поверхности нервного или мышечного волокна. При отведении с поверхно­сти, когда оба электрода располага­ются непо­средственно возле источника, разность потен­циалов между электродами будет отсутствовать до тех пор, пока несущий отрицательный заряд участок возбуждения не окажется под од­ним из электродов. В объемном проводнике, электриче­ское поле существует в сре­де все время, пока находящаяся в нем клетка активна. Расположен­ные в этой среде электроды будут при любом положении регистри­ровать активность источ­ника.

На рисунке показа­но распределение силовых линий и эквипотенциальных поверхнос­тей в объемном проводнике вокруг волокна, при различных поло­жениях области возбуждения. Меняющаяся разность потенциалов будет регистрироваться до тех пор, пока возбуждение проходит по волокну. При регистрации непо­средственно с поверхности нервно­го волокна биопотенциалы возникают только при прохож­дении области возбуждения под электродом. Примером такого вида регистрации может быть ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭЭГ и другие. Все эти виды электрографии являются част­ными случаями записи биопотенциалов в объемном проводнике. Электрогенез этих электрограмм выходит за пределы данной лек­ции. Скажем только, что эти виды биопотенциалов являются сум­марными т.е. складываются (синхронизируются, интегриру­ются) из биопотенциалов отдельных функцио­нальных единиц (мышеч­ных волокон сердца, мышечных волокон желудка, скелетной мус­кулатуры, нервных клеток головного мозга). Суммарный потенциал создает изменяющееся по напряжен­ности электрическое поле, которое в объемном проводнике реги­стрируется в виде изменяющихся по величине биопотенциалов. Они имеют определенную форму, частоту, зависимую от функ­ции органов. Отклонение параметров биопотенциалов от нормы при раз­личных заболеваниях может служить объектив­ными показателями для диагностики.

Читайте также: Эскизы картин из ткани

Поэтому возникает необходимость изучения электрограмм, и здесь ставятся две основные задачи:

1. Генез, т. е. формирование, механизм возникно­вения ЭГ.

2. Трактовка (сущность) ЭГ, т. е. отражение в них функции изучаемого органа в норме и при патологических изменениях.

Решение этих задач непосредственно на орга­низме человека затруднено в связи с многообра­зием электрических процессов, происходящих в органах и тканях и их взаимовлиянием друг на друга. Поэтому генез и трактовку ЭГ изучают на физической мо­дели, называемой эквивалент­ным электрическим генератором. Модель должна удовлетворять следующим условиям:

1.Расчетные потенциалы модели должны соответствовать в разных точках организма реально регистрируемым потенциалам.

2.При изменении параметров модели в ней должны происхо­дить такие же изменения поля и его характеристик, как и в реальных ЭГ при нарушениях функцио­нального состояния органа.

Модель эквивалентного элект­рического генера­тора представля­ет собой замкнутую электриче­скую цепь.

В эту цепь вклю­чены токовый генератор — источ­ник ЭДС, имеющий собственное (внутреннее) сопротивление R. Сопротивление Ro (внешнее) соответствует сопротивлению тканей организма, в котором распространяется электрическое поле. Ве­личина тока в замкнутой цепи одинакова через любой последова­тельный участок и будет определяться по закону Ома.

а т. к. реально R » R₀, то J = J₀ = ε / R, т.е. сила тока практически не зависит от сопротивления внешней среды. Элементарным токовым генера­тором в живой ткани является клетка. Модель токового генератора ткани, органа представля­ется в виде совокупности элементарных токовых генераторов (напри­мер, клеток), каждый из которых создает собственное электричес­кое поле. При этом имеет место суперпозиция (сложение) электри­ческих полей отдельных микрогенераторов в общее поле органа. Про­странственная структура и величина электриче­ского поля, создаваемого токовым генератором, находящимся в проводящей среде, определяется положением полюсов генератора и свойства­ми среды. Для расчета потенциала в любой точке поля электри­ческий генератор представляют в виде токового электрического диполя, т.е. системы положительного и отрицательного зарядов, определенным образом ориентирован­ной в пространстве и нахо­дящейся в проводящей среде. Основной характеристикой диполя является электрический дипольный момент D.

Дипольный момент — это вектор, определяю­щийся произве­дением тока диполя (равного суммарному току во внешней сре­де) на вектор расстояния между полюсами диполя(L).

Направление D от отрицательного полюса диполя к положи­тельному.

Различают диполи точечные и конечные, точечные диполи имеют |L| → 0 . Рассматривают также электрические поля, созда­ваемые одним полюсом диполя, их называют униполями.

Рассмотрим значение потенциала, создаваемого точечным за­рядом, элементарным диполем, органом тела человека. Будем считать, что окружающая их среда однородна в электриче­ском отношении.

1. Потенциал униполя в любой точке определя­ется по формуле:

где р — удельное сопротивле­ние среды, J — ток, исходящий из данной точки униполя, r — расстоя­ние от заряда до данной точки.

2. Потенциал поля, созданный элементарным диполем, опре­деляется по формуле:

В этой формуле G есть сумма чле­нов ряда, в котором каждое слагаемое пропорционально: L 2 /r 3 , L 3 /r 4 , L 4 /r 5 . Если r » L , то всеми членами ряда можно пренебречь и тогда

3. Электрическое поле, создаваемое каким-либо органом (например сердцем) равно геомет­рической сумме полей, создаваемых отдельными диполями, возникающи­ми при работе этого органа. Потенциал поля в любой точке равен сумме потенциалов, создаваемых отдельными диполями

r_i = const, т.к. размеры возбужденного участка незначительны по сравнению с расстоянием r. Можно доказать, что,

Приведенные выше количественные характери­стики легли в основу одного из основных методов анализа возбудимости мио­карда — многополярное отведение ЭКГ.

К пассивным электрическим свойствам биоло­гических объек­тов относятся: сопротивление, электропроводимость, емкость, диэлектрическая проницаемость. В норме и патологии эти пара­мет­ры меняются и поэтому могут быть исполь­зованы для изучения структуры и физико-химического состояния биологического ве­щества. Эти свойства проявляются, если к исследуемому участку ткани приложить напря­жение небольшой величины.

Читайте также: Что такое ткань лен рогожка

При приложении постоянной разности потен­циалов к тканям организма в них наблюдается два явления:

1. Постоянный электрический ток в проводящих тканях.

2. Различные виды поляризации в диэлектриче­ских тканях. Величина тока в тканях определя­ется по закону Ома для участка цепи, однако для электролитов, а следовательно и биообъектов, закон имеет своеобразный вид:

В этой формуле U — приложенное к участку ткани напряже­ние, R — активное сопротивление этого участка, ε_n (t) – ЭДС поляризации, которая возникает в результате поляризационных яв­лений как на электродах, так и внутри ткани на полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегородках. ЭДС поляризации со временем возрастает, а ток в тканях уменьшается и при дли­тельном воздействии становится равным нулю

.

В диэлектриках заряды связаны, однако они перемещаются при наложении внешнего элек­трического поля внутри микро­структуры: атома, молекулы, клетки или в пределах границы про­водящей и непроводящей среды. Для каждого вида поляризации приводится значение времени релаксации τ.

Время релаксации — это время, в течение которого поляри­зация увеличивается от нуля до максимума, с момента прило­жения внешнего напряжения.

1. При электронной поляризации под воздейст­вием внешнего электрического поля происходит деформация электронных орбиталей атомов, ориентированных вдоль поля. Время релаксации = (10 -16 — 10 -14 ) с.

2. При ионной поляризации происходит смеще­ние ионов в кристаллической решетке вдоль направления электрического поля, = (10 -8 — 10 -3 )с.

3. Дипольно-ориентационная поляризация происходит в структурах, в которых уже име­ются полярные молекулы — дипо­ли, ориентиро­ванные хаотично. Под действием электрического поля они выстраиваются вдоль поля, = (10 -13 — 10 -7 ) с.

4. При микроструктурной поляризации проис­ходит перерасп­ределение ионов в результате действия электрического поля на раз­личных полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегород­ках, например: на цитоплазматических мембранах, мембранах кле­точных органоидов, некоторых разделительных тканевых оболочках. В результате такого перераспределения возни­кает структура, по­добная гигантской поляризо­ванной молекуле, = (10 -8 — 10 -3 ) с.

5. Электролитическая или электрохимическая поляризация воз­никает между электродами, опущенными в электролит. Ионы, подхо­дящие к электродам, не полностью успевают нейтрализо­ваться по причине вторичных реакций на элек­тродах и неодинаковой подвиж­ности ионов. В результате, вокруг каждого электрода возникает «об­лако» зарядов противоположного знака, что ведет к образованию поля, направленного противоположно внешнему и постепенному уменьшению тока, проходящего через электро­лит, = (10 -3 — 10 2 ) с.

6. Поверхностная поляризация возникает на образованиях, имеющих двойной электрический слой. Ионы дисперсионной час­ти двойного электрического слоя связаны с атомами поверх­ности и не являются свободными. Диффузион­ный слой образуется за счет притяжения ионами дисперсионного слоя. При приложении внеш­него поля происходит частичное смещение ионов обеих сло­ев, образуются так называемые наве­денные диполи, = (10 -3 — 1) с.

Все рассмотренные явления поляризации в той или иной сте­пени присущи биологическим объектам. При приложении внеш­него поля в тканях индуцируется противоположно направ­ленное поле за счет поляризационных явлений, которое уменьшает внеш­нее поле и обуславли­вает высокое удельное сопротивление тканей постоянному току. Количественно явление поляризации характери­зуется величиной относи­тельной диэлектрической проницаемости.

где Е_о — напряженность внешнего электрического поля в вакууме, Е — напряженность поля в среде, оно равно разности Е_о и Е_n, где Е_n — напряжен­ность поля, создаваемая наведенными диполями при поляризации. Относительную диэлектриче­скую проницае­мость можно определить также соотношением емкостей

где Со — емкость электродов в вакууме, С — емкость электродов в среде.

При приложении к биологическому объекту переменного (как правило, синусоидального) напряжения, в нем также возни­кают электриче­ский ток и поляризационные явления. Электри­чес­кую модель биологического объекта для переменного тока мож­но представить в виде двух сопротивлений:

— индуктивное сопротивление равно нулю.

Эти сопротивления в самой ткани могут быть соединены как последовательно так и парал­лельно.

Общее сопротив­ление ткани в цепи переменного тока называется импедансом и обозначается Z. Импеданс определяется по формуле:

— при последовательном соединении

— при параллельном соединении:

Импеданс ткани изменяется с частотой. Это явление называют дисперсией. Величина импе­данса определяется сопротивлением самой ткани, а также зависит от соотношения частоты или перио-

да приложенного напряжения и време­ни релак­сации:

1) если Т/4 > τ (Т/4 — время возрас­тания прило­женного напряжения от 0 до max, τ — время релаксации), прово­димость объекта и диэлектри­ческая проницаемость с частотой не меняется,

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

• 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