Электропроводность биологических тканей определяется наличием в жидкой фазе ионов и, в меньшей степени, заряженных молекул. Основной вклад в электропроводность биотканей вносят такие среды, как кровь, лимфа, межклеточная и внутриклеточная жидкости. Проводимость для этих сред организма находится в диапазоне
g = 1/r = 0,1 –2,0 [См/м]; [См/м]=[1/Oм×м].
Электропроводность целых органов на 2-5 порядков ниже, чем проводимости биологических жидкостей, что определяется разделением органов на отсеки (компартменты) различного рода мембранами с относительно высоким сопротивлением. Компартменты на микроуровне представлены тканями сухожилия, кожи, сосудистой стенки, фасциями и другими границами раздела биотканей.
Известно, что измерить реальную толщину биологической мембраны l достаточно трудно, поэтому, характеризуя сопротивление электрическому току применяют, так называемое, удельное поверхностное сопротивление. Последнее определяют как произведение удельного сопротивления собственно мембраны на ее толщину:
rм уд = r×l [Ом×м2].
Для rм уд диапазон значений располагается в пределах от 0,5 до 102 кОм Чсм2.
Важным свойством биологических тканей является дисперсия электропроводности (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Типичная зависимость проводимости биоткани от частоты.
1 – мозговая ткань кролика; 2– печень; 3– кашица (дезинтегрированный мозг).
Дисперсия особо выражена в НЧ диапазоне. На средних частотах дисперсия выражена меньше, на высоких частотах опять проявляется отчетливо (например, при изменении частоты от 25 МГц до 9 ГГц удельное сопротивление скелетной мышцы снижается в 10 раз).
Следует отметить, что дисперсия проводимости проявляется во всех композиционных средах, а не только биологических. Дисперсия отчётливо наблюдается в таком диапазоне частот ЭМП, который соответствует характеристическим частотам fx релаксации заряженных частиц, входящих в состав среды. Поскольку однородные среды образованы частицами с близкими значениями fx, то дисперсия в них выражена слабо. В неоднородных, в том числе и в биологических, средах наличие емкостных эффектов, сильно зависящих от частоты, приводит к существенной зависимости проводимости от частоты внешнего поля f. Необходимо также помнить, что в случае высокочастотных полей проводимость часто измеряют по величине общего тока и общему напряжению (т.е. току проводимости и току смещения), поэтому в проводимости обычно присутствует емкостная компонента, сильно зависящая от частоты.
при использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна
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.
Читайте также: Ткань по утку это как
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.
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
Читайте также: Самый простой способ сшить маску медицинскую своими руками из ткани
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.
Электропроводность биологических тканей для постоянного тока
В состав различных тканей и сред живого организма входят ионы, пространственно ориентированные полярные и неполярные макромолекулы и диполи воды. Разные ткани содержат их в неодинаковой пропорции, поэтому каждая из них обладает различными значениями удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости (табл. 1).
Таблица 1 Удельное сопротивление (ρ) и удельная электропроводность (γ) некоторых биологических жидкостей и тканей
| r, Ом×м | g, См/м | |
| Спинномозговая жидкость | 0,55 | 1,8 |
| Кровь | 1,66 | 0,6 |
| Мышечная ткань | 0,5 | |
| Ткань мозговая и нервная | 14,3 | 0,07 |
| Ткань жировая | 33,3 | 0,03 |
| Кожа (сухая) | 10 5 | 10 –5 |
| Кость без надкостницы | 10 7 | 10 –7 |
Влияние внутритканевой поляризации на электропроводность тканей. Основной тканевой ток определяется движением ионов в тканевой жидкости под действием приложенной разности потенциалов. Двигаясь с разной скоростью, ионы скапливаются у клеточных мембран, у соединительных тканевых оболочек по обе их стороны. Прохождение ионов через указанные структуры затруднено из-за их низкой электропроводности. В результате образуется встречное электрическое поле, называемое поляризационным, и возникает поляризационный ток обратного направления. Внутритканевая поляризация у клеточных и других оболочек показана на рис. 3.
Читайте также: Ткань атлас стрейч характеристика
Рис. 3 Внутритканевая поляризация у клеточных (1) и соединительных тканевых оболочек (2). Стрелками показано направление действия внешнего (Е) и поляризационного (Еп) полей.
Особенности электропроводности кожи. Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от толщины и от состояния её поверхностного слоя. Толщина эпидермиса большинства участков тела составляет 0,07-0,12 мм, а на ладонных поверхностях кистей и подошвенных участках стоп достигает 0,8-1,4 мм. Если неороговевшие слои эпидермиса содержат до 70% воды, то роговой слой – лишь 10%, что обуславливает его низкую электропроводность. Однако при выделении пота и при наложении влажных электродных прокладок роговой слой может впитывать воду, что снижает его сопротивление. Таким образом, тонкая, нежная и особенно увлажнённая кожа, а также кожа с повреждённым наружным слоем эпидермиса довольно хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа является плохим проводником. С учетом этих особенностей удельная электропроводность отдельных участков кожи существенно различается и составляет 10 -5 -2•10 -2 См/м.
Пути прохождения постоянного тока через живую ткань. Ток, пройдя через слой кожи, разветвляется и через глубоко лежащие ткани проходит множеством параллельных ветвей («петель тока») по путям с наименьшим электрическим сопротивлением. Такими путями являются, например, скопления и потоки тканевой жидкости, кровеносные и лимфатические сосуды, оболочки нервных стволов и т.п. Поэтому разветвления тока в тканях живого организма могут быть очень сложными и даже захватывать области, отдалённые от места наложения электродов.
Лечебные методы, основанные на использовании постоянного тока
Действие постоянного тока на организм. Первичное действие постоянного тока на организм связано, во-первых, с движением ионов тканевых электролитов с разной скоростью в зависимости от их подвижности. Во-вторых, с тем, что постоянное электрическое поле оказывает ориентирующее действие на дипольные молекулы и вызывает электронную поляризацию молекул, не обладающих дипольным моментом. В результате этих процессов происходит изменение обычной концентрации ионов в различных элементах тканей, что может вызвать возбуждение или торможение деятельности клеток, изменение кислотно-щелочного равновесия, водосодержания и других свойств тканей. Это вызывает изменение функционального состояния клетки и реакцию всего организма на постоянный ток.
К основным физиотерапевтическим процедурам, в которых используется постоянный ток, относятся гальванизация и электрофорез.
Гальванизация
Гальванизация – это применение с лечебной целью воздействия постоянным электрическим током низкого (малого) напряжения U (до 80 В) при небольшой силе тока I (до 50 мА). Предельно допустимая плотность тока – 0,1 мА/см 2 . Источником регулируемого постоянного напряжения является аппарат гальванизации, представляющий, в сущности, выпрямитель переменного тока.
Проведение гальванизации. Два электрода с прокладками накладывают на поверхность тела так, чтобы подлежащая воздействию тока область находилась между ними. Применяется как поперечное, так и продольное расположение электродов (Рис. 4).
Рис. 4 Расположение электродов при гальванизации или лечебном электрофорезе: а- поперечное, б — продольное.
Особенности проведения гальванизации. Поскольку количество теплоты Q, которое выделяется в ткани, определяется законом Джоуля-Ленца: (I – сила тока, R – сопротивление ткани, t — время действия), а сила тока при гальванизации мала, то и тепловой эффект незначителен.
Ограничение на величину воздействующего постоянного тока связано, в частности, с электролизом тканевых электролитов (Н+, К+, Na+, Cl-), который происходит в местах соприкосновения электродов с телом человека. Поэтому наложение металлических электродов непосредственно на кожу недопустимо. Чтобы исключить контакт продуктов электролиза с кожей под электродом помещают прокладку из гидрофильного материала толщиной около 1 см, смоченную физиологическим раствором.
- 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