Закон ома для живых тканей

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, ε_n (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

.

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 Е_о — напряженность внешнего электрического поля в вакууме, Е — напряженность поля в среде, оно равно разности Е_о и Е_n, где Е_n — 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 R_a = (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,

Напишите формулу закона Ома для биологических систем

Электропроводимость тканей и органов зависит от их функционального состояния и может быть использована как диагностический показатель.Таким образом, биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства — сопротивление и ёмкость.Биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливают их проводимость. Диэлектрические свойства биологических объектов и величина диэлектрической проницаемости определяется структурными компонентами и явлениями поляризации. Получается, что в биологических тканях происходит отклонение от закона Ома. При прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС противоположного направления – ЭДС поляризации, которая уменьшает приложенную к объекту эффективную ЭДС, что приводит к уменьшению тока. ЭДС поляризации является функцией времени. Тогда закон Ома для биологического объекта:

Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них тока, т.е. с ёмкостными, диэлектрическими свойствами биологических объектов, обусловленными явлениями поляризации.

Задача: Предложите примеры замкнутых термодинамических систем в природе

Читайте также: Сколько стоят изделия из ткани

Если система обменивается с окружающей средой лишь энергией и не может обмениваться веществом, то такая система называется замкнутой. Такие системы встречаются в природе. Так, например, куколки, яйца, зерна в состоянии анабиоза и т.д. Основное назначение таких систем заключается в сохранение биоинформации, они могут существовать очень долгое время , но они не растут, не развиваются и не производят себе подобных.

Замкнутые системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но обмениваются энергией. Пример — герметично упакованные продукты (бутылки с газированной водой, пакеты с чипсами).

Задача: Предложите примеры замкнутых термодинамических систем в природе.

По способу передачи энергии , вещества и информации между рассматриваемой системы и окружающей средой термодинамические системы классифицируются :

1. Замкнутая ( изолированная ) система— это система в которой нет обмена с внешними телами ни энергией , ни веществом ( в том числе и излучением ) , ни информацией .

2. Закрытая система— система в которой есть обмен только с энергией .

3. Адиабатно изолированная система —это система в которой есть обмен энергией только в форме теплоты .

3. Открытая система— это система , которая обменивается и энергией , и веществом

Замкнутая система это любая система в которой выполняется закон сохранения энергии. То есть энергия туда не поступает из вне и не уходит из системы.
Понятно, что черная дыра никак не является замкнутой системой. Туда могут проникать предметы из вне, а сама черная дыра со временем испаряется. Значит её энергия не сохраняется.
Также и человек никак не является замкнутой системой. Человек постоянно дышит, вдыхая кислород и выделяя углекислый газ. Поэтому через человека постоянно прокачивается энергия.
Приближенно на небольших временах замкнутой системой можно считать термос.
Но идеальных замкнутых систем в природе не существует. Это теоретическая абстракция. (Разве что только сама наша Вселенная.)

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 (c_п) может быть вычислена по следующей формуле:

где I₀ – начальное значение тока; I_T – 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].

Читайте также: Шелковая ткань для ночной сорочки

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.

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 (n_x=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 (n_x). Применительно к диполям n_x 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 n_x 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 n_x 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 n_x.

В сверхвысокочастотных полях основной вклад в эти свойства вносит вода, обладающая очень высокой n_x. Характеристическая частота релаксации внутриклеточной воды такая же, как и дистиллированной (n_x»20ГГц). Именно в воде, входящей в состав живых тканей, происходят основные диэлектрические потери при действии на организм СВЧ-излучений, поскольку с n_x воды совпадает частота сантиметровых радиоволн.

Таким образом, поляризация каждого из компонентов живой ткани имеет свою n_x. Вблизи неё наблюдается резкое изменение e, которое прекращается, когда частота внешнего ЭМП начинает превосходить n_x на порядок.

Неодинаковые величины n_x 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 n_x 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 n_x той или иной полярной молекулы. Очевидно, что 10 8 Гц является частотой, соответствующей n_x 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 n_x, 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.

Читайте также: Если для изготовления костюма брать 3 метра ткани

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.

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 (C_{м уд}) называется удельной ёмкостью мембраны и измеряется в мкФ/ см 2 . Очень велика C_{м уд} плазмолеммы гладкомышечного волокна млекопитающих – около 30 мкФ/ см 2 . Нервные волокна многих животных имеют плазматические мембраны, C_{м 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 X_С 2. 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 (Z_НЧ при f £ 10 2 Гц) и 2) на высокой частоте (Z_ВЧ при f > 10 6 Гц), — и определяют коэффициент поляризации K_п =Z_НЧ / Z_ВЧ. Жизнеспособная ткань имеет высокие значения K_п >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: Z_БО(f), R(f), X_С(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 Z_БО для яблока на различных частотах, записать полученные значения в таблицу и построить график Z_БО(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: Z_БО, R, X_С, C, ρ и ε; 4) графики Z_БО(f) для обоих образцов, яблока и мяса, и дополнительные графики для ткани животного происхождения: R(f), X_С(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