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.
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.
Читайте также: Ткани для мягких кукол
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
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).
Читайте также: Френч терри ткань с начесом
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.
Вопрос 5. Пассивные электрические свойства тканей тела человека
Вопрос 2, 3. Процессы, происходящие в тканях под действием электрических токов
Все вещества состоят из молекул, каждая из них является системой зарядов. Поэтому состояние тел существенно зависит от протекающих через них токов и от воздействующего электромагнитного поля. Электрические свойства биологических тел более сложны, чем свойства неживых объектов, ибо организм – это еще и совокупность ионов с переменной концентрацией в пространстве.
Первичный механизм воздействия токов и электромагнитных полей на организм – физический.
Первичное действие постоянного тока на ткани организма. Гальванизация. Электрофорез лекарственных веществ
Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов в разных элементах тканей.
Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать прохождение тока через организм. Непрерывный постоянный ток напряжением 60–80 В используют как лечебный метод физиотерапии (гальванизация). Источником тока служит двухполупериод-ный выпрямитель – аппарат гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца толщиной 0,3–0,5 мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащиеся в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные теплой водой.
Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ. Для этой цели поступают так же, как и при гальванизации, но прокладку активного электрода смачивают раствором соответствующего лекарственного вещества. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает: анионы вводят с катода, катионы – с анода.
Гальванизацию и электрофорез лекарственных веществ можно осуществлять с помощью жидкостных электродов в виде ванн, в которые погружают конечности пациента.
Вопрос 5. Пассивные электрические свойства тканей тела человека
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.
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, εn (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
Читайте также: Ткань полиэстер рогожка для штор
.
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 Ео — напряженность внешнего электрического поля в вакууме, Е — напряженность поля в среде, оно равно разности Ео и Еn, где Еn — 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:
— активного, определяемого по формуле Ra = (pL)/S
— 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,
- 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