При чрезкожной методике воздействия гальванический ток, преодолев сопротивление эпидермиса кожи, проходит в глубоко лежащие ткани через протоки потовых и сальных желёз, а при полостной методике – через слизистые оболочки. В кожных покровах развивается выраженная первичная реакция на воздействие постоянного тока, главным образом за счет раздражения нервных рецепторов.
Гальванизация – воздействие на организм с лечебно-профилактической целью постоянным непрерывным электрическим током малой силы ( до 50 мА) и низкого напряжения (30-80 В) через контактно наложенные на тело пациента электроды. Этот ток назван «гальваническим» в честь итальянского учёного Л. Гальвани (1738-1798).
Ткани человека обладают различной электропроводностью. Наибольшей электропроводностью отличается кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, мышцы, паренхиматозные органы. Большое сопротивление электрическому току оказывает жировая, костная ткани и мембраны клеток ткани.
При чрезкожной методике воздействия гальванический ток, преодолев сопротивление эпидермиса кожи, проходит в глубоко лежащие ткани через протоки потовых и сальных желёз, а при полостной методике – через слизистые оболочки. В кожных покровах развивается выраженная первичная реакция на воздействие постоянного тока, главным образом за счет раздражения нервных рецепторов.
Неповреждённая кожа человека обладает высоким омическим сопротивлением и низкой удельной электропроводностью, поэтому в организм ток проникает в основном через выводные протоки потовых и сальных желёз, межклеточные щели. Поскольку их общая площадь не превышает 1\200 части поверхности кожи, то на преодоление эпидермиса, обладающего наибольшим сопротивлением, тратится больше всего энергии тока. Поэтому здесь развиваются наиболее выраженные первичные (физико-химические) реакции на воздействие постоянным током, сильнее проявляется раздражение нервных рецепторов.
Преодолев сопротивление эпидермиса и подкожной жировой ткани, ток дальше распространяется по пути наименьшего омического сопротивления, преимущественно по межклеточным пространствам, кровеносным и лимфатическим сосудам, оболочкам нервов и мышцам, значительно отклоняясь от прямой, которой условно можно соединить 2 электрода. В клетки тканей гальванический ток не проникает, т. к. мембраны клеток имеют свой, достаточно высокий электрический потенциал.
Прохождение тока через ткани сопровождается рядом физико-химических сдвигов, которые и определяют первичное действие гальванизации на организм.
Наиболее существенным физико-химическим процессом, обусловленным природой фактора и играющим важную роль в механизме действия постоянного тока, считается изменение йонной конъюнктуры, количественного и качественного соотношения йонов в тканях.
Под действием приложенного извне электрического поля растворы неорганических солей диссоциируют и положительно заряженные йоны (катионы) двигаются к катоду (отрицательному электроду), а отрицательно заряженные йоны (анионы) – к аноду (положительному электроду). В связи с различиями физико-химических свойств (заряд, радиус, гидратация и др. ) йонов скорость их перемещения в тканях будет неодинакова.
В результате этого после гальванизации в тканях организма возникает йонная асимметрия, сказывающаяся на жизнедеятельности клеток, скорости протекания в них биофизических, биохимических и электрофизических процессов. Наиболее характерным проявлением йонной асимметрии является относительное преобладание у катода одновалентных катионов калия и натрия, а у анода – двухвалентных кальция и магния. Именно с этим явлением связывают раздражающее (возбуждающее) действие катода, и успокаивающее (тормозное) – анода.
Наряду с движением йонов происходит перемещение жидкости в направлении к катоду (электроосмос), вследствие этого под катодом наблюдается отек и разрыхление, а под анодом уплотнение и сморщивание тканей. Кроме того, под влиянием постоянного тока в тканях образуются биологически активные вещества (гистамин, ацетилхолин и др. ).
При гальванизации наблюдается увеличение активности йонов в тканях. Это обусловлено переходом части йонов из связанного с полиэлектролитами в свободное состояние. Данный процесс способствует повышению физиологической активности тканей и рассматривается как один из механизмов стимулирующего действия гальванизации.
Существенную роль среди первичных механизмов действия постоянного тока играет явление электрической поляризации – скопление у мембран противоположно зяряженных йонов с образованием электродвижущей силы, имеющей направление, обратно приложенному напряжению. Поляризация приводит к изменению дисперсности коллоидов протоплазмы, гидратации клеток, проницаемости мембран, влияет на процессы диффузии и осмоса. Поляризация затухает в течение нескольких часов и определяет длительное последействие фактора.
Одним из физико-химических эффектов при гальванизации считается изменение кислотно-щелочного состояния в тканях вследствие перемещения положительных йонов водорода к катоду, а отрицательных гидроксильных йонов к аноду. Одновременно происходит направленное перемещение йонов натрия и хлора, восстановление их в атомы, а взаимодействие с водой может привести к образованию под анодом кислоты, а под катодом – щелочи.
Продукты электролиза являются химически активными веществами и при их избыточном образовании могут быть причиной ожога подлежащих тканей. Изменение же рН тканей отражается на деятельности ферментов и тканевом дыхании, состоянии биоколлоидов, служит источником раздражения кожных рецепторов. Названные физико-химические эффекты гальванического тока определяют его физиологическое и терапевтическое действие.
1.Улащик В.С., Лукомский И.В. — Общая физиотерапия 2008 г.
2.Ушаков А.А. – Практическая физиотерапия 2009 г.
3.Улащик В.С. Физиотерапия. Универсальная медицинская энциклопедия 2009 г.
11. Электрическая проводимость биологических объектов в норме и патологии
Живой организм с точки зрения электрохимии можно рассматривать как систему, состоящую из клеток и межклеточного пространства, заполненных растворами электролитов. В общую электропроводимость вносят вклад неорганические ионы: калия, натрия, хлора, карбонатов, фосфатов; а также ионы органических кислот, белков и других органических соединений. Большое влияние на электрическую проводимость биологических сред оказывают меж- и внутриклеточные мембраны, особенно при использовании постоянного тока. В этом случае на мембранах под действием постоянного электрического поля за счет перераспределения ионов возникает нарастающая до некоторого предела электродвижущая сила (ЭДС) противоположного направления, что уменьшает электрическую проводимость системы в целом.
В соответствии с законами электрической проводимости лучше проводят ток биожидкости и ткани небольшой плотности, содержащие много воды и высокоподвижных ионов.
Изучение электропроводящих свойств тканей и органов живых организмов имеет большое значение для понимания особенностей их строения и функционирования в норме и патологии. Так, удельная электрическая проводимость мочи в норме лежит в пределах 1,6-2,3 См/м. При заболеваниях почек (нефрит, нефросклероз, гломерулонефрит) электрическая проводимость может уменьшаться до 0,9-1,4 См/м, что связано с уменьшением концентрации NаСl и увеличением содержания белка. При диабете электрическая проводимость мочи также понижена до 0,9-1,4 См/м из-за повышенного содержания сахара, являющегося неэлектролитом.
Электрическая проводимость желудочного сока зависит главным образом от содержания в нем свободной соляной кислоты. В норме удельная электрическая проводимость желудочного сока составляет 1,0-1,25 См/М. Значения свыше 1,25 См/м указывает на гиперкислотность, в пределах 0,8-1,0 — на гипокислот- ность, а менее 0,8 — свидетельствуют о бескислотности.
Показано, что при воспалительных процессах электрическая проводимость клеток сначала уменьшается вследствие набухания клеток и увеличения клеточного объема, затем увеличивается в связи с ростом проницаемости мембран.
Электрическая проводимость крови изменяется в процессе свертывания. На определении электрической проводимости крови основано изучение кровенаполнения органов и сосудов. Электрическая проводимость цельной крови меньше, чем других клеточных жидкостей, поэтому при наполнении сосудов кровью их электрическое сопротивление повышается.
Определение электрической проводимости тканей широко используется в диагностике. Электрическая проводимость большинства тканей и сред организма лежит в основе таких физиотерапевтических методов лечения, как ионофорез, электростимуляция, диатермия, ультравысокочастотная терапия и т. п.
Измерение электрического сопротивления кожи имеет большое практическое значение для клинической рефлексологии, так как позволяет объективно определять местонахождение биологически активных (акупунктурных) точек на нашем теле. В области акупунктуры (1-3 мм 2 ) кожа имеет низкое электросопротивление (1-3 кОм), тогда как остальные участки кожи имеют электросопротивление 20-100 кОм.
Читайте также: Ткань для корпуса сабвуфера
Знание и понимание основных закономерностей электрической проводимости клеток и тканей необходимо для того, чтобы освоить соответствующие разделы таких курсов, как физиология человека, патофизиология, физиотерапия, общая и коммунальная гигиена.
Электрические свойства биологических тканей
Первое упоминание об исследовании электрической проводимости биологических объектов принято относить к работам В. Томсона, датированным 1880 г. Вильям Томсон (W. Thomson, 1824-1907), с 1892 г. Лорд Кельвин – английский физик, президент Лондонского королевского общества (1890-1895). Основополагающие результаты в исследовании электропроводности биологических тканей были получены в начале и середине ХХ в. Установление типичных значений удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости тканей, органов и жидких сред живого организма, а также выявление и частичное объяснение зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости биологических жидкостей и клеточных суспензий от частоты зондирующего тока связаны с именами Г. Фрике, К.Коула, Х. Шванна.
Электропроводность биологической ткани – это количественная характеристика способности биомембран, клеток и тканей проводить электрический ток.
Биологические ткани являются композиционными средами, поскольку одни структурные элементы обладают свойствами проводников а другие – диэлектриков. При анализе действия ЭМП на живой организм его ткани принято рассматривать как среду, образованную проводниками и диэлектриками.
Таким образом, особенность биологических тканей состоит в том, что они обладают свойствами проводников и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обусловливает проводимость. Диэлектрические свойства и величина диэлектрической проницаемости e определяются структурными компонентами биологических тканей и явлениями поляризации. Характерная особенность биологических тканей, как многокомпонентных сложноструктурированных сред – наличие высокой поляризационной ёмкости, высокой диэлектрической проницаемости на низких частотах внешнего воздействующего ЭМП.
При постоянном зондирующем токе закон Ома для биологической ткани (рис. 1), как проводника электрического тока, можно записать в виде I(t)=(U—E(t))/R, где U – приложенное напряжение, E(t) – возникающая в ткани противо-ЭДС, R – эквивалентное активное сопротивление цепи «электрод-биообъект-электрод». Уменьшение во времени тока через биоткань обусловлено явлениями поляризации. При прохождении постоянного тока через биологическую ткань в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС противоположного направления, которая уменьшает приложенную к ткани эффективную ЭДС, что приводит к уменьшению тока.
Характеристикой поляризации является время релаксации t, соответствующее максимальной частоте внешнего поля, которую индуцированные диполи способны «отслеживать» своими поворотами на 180°, «противодействуя» внешнему полю. Выделяют несколько видов поляризации, возникающих во внешнем ЭМП:
1) электронная поляризация; определяется смещением электронов на своих орбитах относительно положительно заряженного ядра; в результате возникает индуцированный диполь с направлением вектора дипольного момента, противоположным направлению внешнего поля; характерна для неполярных молекул H2, O2, N2;t1=10 -16 – 10 -14 с;
2) ионная поляризация; вызывается смещением иона относительно кристаллической решётки; характерна для кристаллических диэлектриков, таких как NaCl; t2=10 -14 – 10 -12 с;
3) дипольная или ориентационная поляризация; характерна для полярных молекул (воды, спиртов, малых органических молекул), которые под действием внешнего поля ориентируются в соответствии с этим полем; t3=10 -13 – 10 -7 с;
4) макроструктурная поляризация; связана с чередованием слоев с высокой и низкой электропроводностью, скоплением свободных зарядов на границах слоев с разной электропроводностью, а в биотканях – и с наличием крупных органических молекул – белков; t4=10 -8 – 10 -3 с;
5) другие виды поляризации, связанные с поляризационными явлениями на границах электрод-электролит-биоткань; t5=10 -3 – 100 с.
Для импедансных измерений при исследовании биологических тканей наименее существенную роль играют электронная и ионная виды поляризации.
ЭДС поляризации обусловливает высокое удельное сопротивление (r=10 6 -10 7 Ом*см) тканей постоянному току. Величина поляризационной ёмкости (cп) может быть вычислена по следующей формуле:
где I0 – начальное значение тока; IT – установившееся через время T значение тока (рис. 1).
При прохождении переменного тока электрические свойства биологических тканей описываются не только активным, но и емкостным сопротивлением.
Все явления поляризации могут быть описаны с помощью диэлектрической проницаемости вещества. Диэлектрическая проницаемость e характеризует уменьшение величины электрического поля в веществе по сравнению с величиной электрического поля в вакууме. Если Е0 – напряженность однородного поля, образуемого некоторыми зарядами в вакууме, а Е – напряжённость поля, создаваемого этими же зарядами, в веществе, то
Если, например, диэлектрическая проницаемость воды равняется 80, то это значит, что напряжённость поля между двумя пластинами, между которыми находится вода, в 80 раз меньше напряженности поля, создаваемого этими же зарядами в вакууме. И это уменьшение напряженности поля обусловлено дипольной поляризацией, вызванной ориентацией (вращением) полярных молекул воды в электрическом поле.
Величина определяется e также как отношение ёмкости С конденсатора, между обкладками которого находится данное вещество, к ёмкости С0 того же конденсатора в вакууме:
Электрическая модель биологического объекта (исследуемого образца биологической ткани) может быть представлена упрощённо в виде комбинаций поляризационных ёмкостей (C) и активных сопротивлений (R): последовательной (рис. 2, а) и параллельной (рис. 2, б) схемами замещения 4.
Реактивное ёмкостное сопротивление определяется по формуле
где w — скорость изменения фазы тока (круговая частота); С – эквивалентная ёмкость биоткани на определенной частоте.
Электрическое сопротивление образца биоткани (или между какими-либо участками тела) представляет собой комплексное сопротивление – импеданс (Z). Импеданс биоткани для последовательного соединения C и R определяется как
где Z – импеданс; — мнимая единица.
Импеданс биоткани и его составляющие, активная и ёмкостная, изменяются с изменением частоты тока, на котором производится измерение.
Проводимость органов и тканей обусловлена присутствием в них ионов, которые являются свободными зарядами, создающими в организме ток проводимости под действием электромагнитных полей, как создаваемых внешними источниками, так и генерируемых живыми клетками. Ток проводимости в живых тканях зависит от их типа, вида и возраста организма, а для тканей, клетки которых представляют собой волокна, — от их ориентации относительно направления ЭМП.
Существенное влияние на электропроводность биотканей и биологических объектов (БО) оказывает содержание в них воды. К тканям с низким содержанием воды, около 15% массы ткани, относятся костная и жировая. Их удельная электропроводность невелика: L=0,02 – 0,03 См/м (удельное сопротивление r=1/L=30-50 Ом×м) на частотах ЭМП ниже 1 кГц и около L=0,2 – 0,3 См/м (удельное сопротивление r=3-5 Ом×м) на более высоких частотах, вплоть до 10 ГГц [2].
В тканях с большим содержанием воды (от 70 до 80% массы ткани – в почках, печени, сердечной и скелетной мышцах, головном мозге) удельная электропроводность примерно на порядок выше — до 1 См/м.
Электропроводность самой воды мала. Так у дистиллированной воды при комнатной температуре L=10 -5 – 10 -4 См/м (r=10 4 – 10 5 Ом×м). Растворение в воде солей резко повышает электропроводность. Например, изотонический раствор NaCl в воде (0,85% или 0,15М) при температуре тела человека (примерно 37°С) имеет удельную электропроводность L=1,5 См/м (r=0,7 Ом×м). Примерно такой же удельной электропроводностью обладают биологические жидкости, не содержащие клеток: плазма крови и ликвор – 1,5 См/м (r=0,7 Ом×м), желчь – 1,7 См/м (r=0,6 Ом×м) [2].
За счёт форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов) цельная кровь обладает меньшей удельной электропроводностью, чем плазма крови, L=0,5 – 0,7 См/м (r=1,4 – 2,0 Ом×м). У целых органов L в 4-6 раз ниже, чем у жидкостей, выделенных из них. Причиной несовпадения являются малые объёмы, занимаемые свободными электролитами в органах и тканях животных. В клетке электролиты заключены в мельчайшие отсеки, компартменты, образованные биомембранами, составляющими более 50% массы клетки. Каждый клеточный органоид – тоже компартмент. Его содержимое и окружающий цитозоль обладают относительно высокой электропроводностью, тогда как разделяющая их мембрана является диэлектриком (удельная электропроводность мембраны L=10 -11 См/м). Однако, на высоких частотах диэлектрическими свойствами биотканей можно пренебречь.
Читайте также: Как сделать маску медведя своими руками из ткани
В целом, электропроводность живых тканей определяется, прежде всего, электрическими свойствами крови, лимфы, ликвора, межклеточной и внутриклеточной жидкостей. Причем подвижность ионов в биологических жидкостях примерно такая же, как и в растворах соответствующих солей, приготовленных на дистиллированной воде.
Живым тканям свойственна зависимость электропроводности от частоты воздействующего ЭМП. Это явление получило название дисперсии электропроводности. С повышением частоты увеличивается и удельная электропроводность. Дисперсия электропроводности установлена для различных биологических тканей в низкочастотном и высокочастотном диапазонах. При изменении частоты ЭМП от 40 Гц до 200 кГц удельная электропроводность мозга кролика увеличивается в 20 раз. На средних частотах дисперсия электропроводности менее выражена, на высоких – проявляется отчетливо. Так, при изменении частоты ЭМП от 25 МГц до 8,5 ГГц сопротивление скелетной мышцы снижается примерно в 10 раз. На 10 ГГц удельная электропроводность жировой ткани достигает 0,3-0,4 См/м (r=2,5 – 3,3 Ом×м), а у костной – 0,5-2,7 См/м (r=0,4 – 2,0 Ом×м) [2].
Дисперсия электропроводности присуща всем неоднородным средам, а не только биологическим. Она наблюдается в том диапазоне частот ЭМП, которые соответствуют характеристическим частотам (nx=1/t) заряженных частиц, входящих в состав той или иной среды. Дисперсия электропроводности – специфическое свойство не только биологических систем, но и других неоднородных сред.
Характерная особенность живых тканей состоит в том, что у них зависимость удельной электропроводности от частоты гораздо отчётливее, чем у сред с менее сложной организацией, и обнаруживается в широком частотном диапазоне. Это обусловлено сложной, мембранной, структурой тканей и большим разнообразием релаксационных способностей их заряженных частиц. Причём такое разнообразие связано как с различиями в размерах, так и с влиянием на их подвижность биологических мембран.
Повреждение клеточных мембран стирает в значительной мере грань между живыми тканями и органическими электролитами в дисперсии электропроводности на низких частотах.
Диэлектрические свойства биотканей определяются присутствием в них малых полярных молекул воды, полярных макромолекул, белков, находящихся в водной фазе, а также компартментализацией клеточных структур.
Компартментализация, обеспечивая оптимальные условия для внутриклеточных биохимических процессов, придаёт живым тканям сегнетоэлектрические свойства.
Физические среды, в которых чередуются слои с низкой и высокой удельной электропроводностью, ведут себя подобно сегнетоэлектрикам, если по обе стороны каждого слоя с низкой L присутствуют разноимённые электрические заряды. Такие структуры подобны доменам с одинаковой ориентацией дипольных моментов. Внутриклеточная и межклеточная жидкости характеризуются L=0,5–1,0 См/м, а биомембраны — L=10 -11 См/м.
Каждый органоид (компартмент) на мембране которого поддерживается разность потенциалов между внутри- и внекомпартментным содержимым, имеет значительный дипольный момент и подобен домену в сегнетоэлектрике. За счёт таких заряженных компартментов живые ткани обладают высокой диэлектрической проницаемостью (e). В постоянном электрическом поле она достигает нескольких десятков тысяч.
Как и всякому домену, внутриклеточному компартменту присуща характеристическая частота релаксации (nx). Применительно к диполям nx соответствует максимальной частоте внешнего ЭМП, которую они способны воспроизвести своими полными поворотами в нём, за счёт чего достигается максимально возможная компенсация внешнего поля собственным электрическим полем диэлектрика. Когда диполи уже не успевают совершать повороты на 180° вслед за изменениями направления вектора ЭМП по мере повышения его частоты, вектор уменьшается по абсолютной величине, что эквивалентно понижению e среды. Области резких изменений e при изменении частоты ЭМП называются областями дисперсии e.
При низких частотах дисперсия e обусловлена, по-видимому, поляризацией внутриклеточных компартментов («доменов»). Диапазон nx разных внутриклеточных компартментов находится в пределах от долей герца до 1 кГц. На более высоких частотах диэлектрические свойства биообъектов определяются полярными молекулами, сосредоточенными как в цитозоле, так и в клеточных мембранах. У разных белковых молекул nx охватывает диапазон от 10 кГц до 100 МГц и зависит от их размеров, а также от вязкости окружающей среды. Эту зависимость выражает следующая формула:
где k – постоянная Больцмана, T – температура среды, в которой вращаются молекулы под действием ЭМП, h – вязкость среды, r – эффективный радиус полярной молекулы.
Важно отметить, что молекулы одинаковых размеров, пребывая в средах с разной вязкостью (например, в цитозоле и в биомембране), обладают неодинаковой nx.
В сверхвысокочастотных полях основной вклад в эти свойства вносит вода, обладающая очень высокой nx. Характеристическая частота релаксации внутриклеточной воды такая же, как и дистиллированной (nx»20ГГц). Именно в воде, входящей в состав живых тканей, происходят основные диэлектрические потери при действии на организм СВЧ-излучений, поскольку с nx воды совпадает частота сантиметровых радиоволн.
Таким образом, поляризация каждого из компонентов живой ткани имеет свою nx. Вблизи неё наблюдается резкое изменение e, которое прекращается, когда частота внешнего ЭМП начинает превосходить nx на порядок.
Неодинаковые величины nx разных тканевых компонентов, способных поляризоваться в ЭМП, обусловливают неравномерный ход кривой дисперсии диэлектрической проницаемости, отображающей зависимость e ткани от n электромагнитных колебаний, воздействующих на неё. На графике рисунка 3 можно выделить три участка, где кривая идёт круче, чем в промежутках. Эти участки называют областями дисперсии (зонами релаксации) и обозначают греческими буквами a, b и g [2, 5].
Первый участок (a-дисперсия живых тканей) соответствует низкочастотному диапазону (до 1кГц). Он отображает поляризацию внутриклеточных компартментов, с которыми связаны сегнетоэлектрические свойства живых тканей. В силу значительной инерционности релаксационных процессов в доменах-компартментах, вращение этих «гигантских диполей» запаздывает относительно перемен направления внешнего ЭМП даже на низких частотах, что проявляется в уменьшении e по мере повышения nx в низкочастотном диапазоне. Некоторый вклад в a-дисперсию вносит релаксация зарядов на фасциях, внутриорганных соединительнотканных прослойках, клеточных поверхностях.
Второй участок (b-дисперсия живых тканей) отображает изменение поляризации макромолекул по мере повышения частоты внешнего ЭМП. В скелетной мышце b-дисперсия наблюдается в диапазоне частот от 10 4 до 10 8 Гц. Снижение e по мере повышения n в этом диапазоне зависит от того, что всё менее крупные макромолекулы не успевают поворачиваться в соответствии с частотой внешнего ЭМП, когда она начинает превосходить nx той или иной полярной молекулы. Очевидно, что 10 8 Гц является частотой, соответствующей nx наименее инерционных макромолекул, а 10 4 Гц – наиболее инерционных макромолекул.
Третий участок (g-дисперсия живых тканей) приходится на n выше 10 10 Гц, чему соответствуют частоты ориентационной поляризации молекул воды. Поскольку воде свойственно несколько значений nx, лежащих около 20ГГц, то изменение e на n > 10 10 Гц имеет немонотонно убывающий характер. Диэлектрическая проницаемость уменьшается потому, что даже такие мелкие молекулы, как H2O, не успевают совершать повороты с частотой, соответствующей частотному диапазону g-дисперсии.
Под действием внешнего ЭМП в живых тканях, обладающих и диэлектрическими, и электропроводящими свойствами, возникают и токи смещения, и токи проводимости. В низкочастотном диапазоне тангенс угла диэлектрических потерь в большинстве тканей равен 20-40, но уже на n = 10 кГц он становится 7 Гц. Сказанное хорошо иллюстрирует различные виды высокочастотной электротерапии: если при диатермии (n = 0,5 – 2 МГц) ткани нагреваются благодаря возникновению в них тока проводимости, то при УВЧ-терапии (n = 40 – 60 МГц) тепловой эффект связан, прежде всего, с током смещения. Можно показать, что при УВЧ-терапии именно ток смещения служит лечебным фактором.
Читайте также: Платье из разных тканей разного цвета
Клеточные мембраны принято рассматривать по аналогии с диэлектриком в плоском конденсаторе. Тогда поведение мембран в ЭМП характеризует электрическая ёмкость, приведённая к 1 см 2 мембранной поверхности. Эта величина (Cм уд) называется удельной ёмкостью мембраны и измеряется в мкФ/ см 2 . Очень велика Cм уд плазмолеммы гладкомышечного волокна млекопитающих – около 30 мкФ/ см 2 . Нервные волокна многих животных имеют плазматические мембраны, Cм уд которых находится в пределах единиц мкФ/см 2 [2].
Биоимпедансометрия
В настоящее время в импедансометрии биологических тканей принято рассматривать только две составляющих импеданса (полного сопротивления переменному току) ткани: активное сопротивление R и ёмкостное сопротивление XС 3. Индуктивное сопротивление не учитывается.
Для оценки величины ёмкостного сопротивления, либо оценки величины диэлектрической проницаемости ткани принято использовать упрощённую формулу, определяя С по формуле плоского конденсатора:
где ν – частота внешнего поля в Гц; d – толщина исследуемого образца ткани; s – эффективная площадь сечения образца.
Для биологических тканей характерно уменьшение импеданса с увеличением частоты, т.е. наблюдается частотная дисперсия импеданса [2,5]. Дисперсии L, e и Z не идентичны, но связаны.
Дисперсия импеданса отображает более широкий круг электромагнитных процессов в биотканях. Дисперсия Z сильнее зависит от разнообразных нарушений жизнедеятельности исследуемой ткани. По кривой дисперсии Z удаётся судить об уровне обмена веществ и его отклонениях от нормы. По упрощённому варианту исследования измеряют два значения импеданса: 1) на низкой частоте (ZНЧ при f £ 10 2 Гц) и 2) на высокой частоте (ZВЧ при f > 10 6 Гц), — и определяют коэффициент поляризации Kп =ZНЧ / ZВЧ. Жизнеспособная ткань имеет высокие значения Kп >1 [2].
В импедансометрии для диагностики периферического кровообращения и определения состава тела человека, наибольший интерес представляет область b-дисперсии, чаще — частоты тока в интервале от 50 кГц до 0,5 МГц. Частоты ниже 0,4 кГц не используются из-за эффекта электростимуляции тканей, а при значениях выше 0,5-1 МГц «стираются» различия между мягкими тканями и кровью, усложняется техника измерений.
Удельное сопротивление биологических тканей, определяемое для заданной частоты тока, может существенно изменяться под влиянием физиологических и патофизиологических факторов: почки и лёгкие изменяют электропроводность при различном крове- и воздухонаполнении, мышечные ткани – при различной степени сокращения мышц, кровь и лимфа – при изменении концентрации форменных элементов, белков и электролитов, очаги повреждения – в результате отёков или ишемий различной природы, опухолей и других причин. Это позволяет использовать биоимпедансометрию для количественной оценки состояния органов и систем организма при различных заболеваниях, а также для выявления изменений в тканях, вызываемых лекарственными, ортостатическими, физическими и другими нагрузками. Однако абсолютные значения импеданса не являются стабильными надёжными показателями, т.к. зависят от многих факторов и не могут рассматриваться как константы живой ткани. Наибольший интерес представляют изменения значений импеданса и его составляющих, а также относительные расчётные параметры.
Существует несколько разновидностей биоимпедансного анализа, которые классифицируются по следующим трём признакам: 1) по частоте зондирующего тока – одночастотные, двухчастотные многочастотные; 2) по объекту измерений – интегральные (объектом измерений служит значительная часть тела), локальные (измеряются отдельные участки тела или регионы), полисегментные (параметры всего организма устанавливаются на основе обработки результатов измерений составляющих его регионов); 3) по тактике измерений – одноразовые, эпизодические, мониторные; 4) по количеству измерительных каналов – одно-, двух- и многоканальные.
В биоимпедансометрии при работе на частотах от 50 кГц до 1 МГц для оценочных расчётов применяют формулы, основанные на использовании активного сопротивления R. Эти формулы базируются на простом соотношении для электрического сопротивления однородного изотропного проводника постоянного сечения: , — где l – длина, S – площадь поперечного сечения, V – объём, r – удельное сопротивление проводника [1]. Проблема применения указанного соотношения к анализу живых систем состоит в том, что биологические ткани неоднородны по своему составу и обладают анизотропией. Например, проводимость мышц зависит от взаимной ориентации направления тока и мышечных волокон. Кроме того, площадь поперечного сечения тела может сильно варьировать вдоль направления зондирующего тока.
Формулы, применяемые в биоимпедансометрии, наряду с характеристиками импеданса, длины исследуемого участка тела расчётные формулы содержат дополнительные параметры, такие как пол, возраст, масса тела, этническая принадлежность, гематокрит и др. для повышения точности оценок (состава тела, ударных объемов крови и т.п.).
Важной характеристикой электрической проводимости тканей является отношение их ёмкостного и активного сопротивлений: . Величина j в этом уравнении имеет название фазового угла, который характеризует сдвиг фазы переменного тока относительно напряжения [1,5].
10. Записать расчётные данные в таблицу.
11. Построить графики зависимости от частоты зондирующего тока следующих параметров исследуемой мышечной ткани: ZБО(f), R(f), XС(f), C(f), ρ(f) и ε(f).
12. Выполнить аналогичные измерения для образца ткани растительного происхождения (однородного кусочка яблока без кожуры и сердцевины) в соответствии с пп.3 – 7.
13. Рассчитать значения ZБО для яблока на различных частотах, записать полученные значения в таблицу и построить график ZБО(f).
14. Проанализировать полученные результаты и сформулировать выводы по лабораторной работе. Выводы должны отражать следующее: 1) степень соответствия полученных значений и результатов с априорно известной информацией из литературных источников; 2) соответствие анализируемых схем замещения биологической ткани на низких и высоких частотах исследуемого диапазона частот; 3) иметь практическую направленность с точки зрения применения полученных результатов для биомедицинской инженерии.
15. Оформить отчёт по лабораторной работе. В отчёте должны содержаться: 1) необходимые для анализа и подтверждения полученных результатов теоретические сведения; 2) результаты измерений и вычислений в виде таблицы 3) все расчётные выкладки для параметров: ZБО, R, XС, C, ρ и ε; 4) графики ZБО(f) для обоих образцов, яблока и мяса, и дополнительные графики для ткани животного происхождения: R(f), XС(f), C(f), ρ(f) и ε(f), — для обеих схем замещения.
- 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