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.).
Читайте также: Ткань огнестойкая черного цвета
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.
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).
Читайте также: Прихватка лапа тигра из ткани
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.
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: Как завязать ткань юбкой
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