Поляризация в биологических тканях подразделяется на различные виды согласно времени релаксации (t), которое характеризует время развития поляризации:
А.электронная поляризация – t =10 -16 -10 -14 сек.
Б.ионная поляризация – t =10 -14 -10 -12 сек.
В.дипольная поляризация – t =10 -12 -10 -8 сек.
Г.макроструктурная поляризация- t =10 -8 — 10 -3 сек.
Проявление каждого из выше названных видов поляризации соответствует смещению под действием внешнего поля:
А-электронных орбиталей относительно атомного ядра;
Б- ионов относительно кристаллической решетки;
В-дипольных молекул, согласно формулы Стокса:
где: a – радиус молекулы,h – вязкость, k0 – постоянная Больцмана,T – температура.
Г- положительных и отрицательных зарядов в макроструктурах с различной для них проводимостью.
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
Читайте также: Удаление чернила из тканей
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).
 |
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.
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 .
Читайте также: Какие ткани бывают для шитья платья
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, εп — 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.
Читайте также: Радиационный некроз твердых тканей характеризуется болью от
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 Ei — 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