Меню

Дисперсия импеданса зависимость полного сопротивления ткани от частоты переменного тока

ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

1 Петрозаводский государственный университет ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ Методические указания к лабораторной работе Петрозаводск, 1996 Печатается по рекомендации редакционной комиссии по отрасли науки и техники общая и ядерная физика от 10 ноября 1995 года

2 Печатается по решению редакционно-издательского совета университета Составитель Кириличева Л.А., кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики. ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

3 Цель работы: 1. Изучить зависимость величины импеданса от частоты электрического тока для биологической ткани с помощью эквивалентных схем. 2. Провести сравнительный анализ дисперсии импеданса для живой и мертвой тканей. Приборы и принадлежности: 1. Измеритель импеданса ВМ Набор эквивалентных схем. 3. Электроплитка, сосуд с дистиллированной водой. 4. Электроды, прокладки, соединительные провода. 5. Растительная ткань. 6. Физиологический раствор. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ I. Электропроводность клеток и тканей для переменного тока Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление и емкость. Вещества, из которых состоят биологические ткани, немагнитны, и, следовательно, индуктивность их равна нулю. Изучение пассивных электрических свойств биологических объектов имеет большое значение для понимания их структуры и физико-химических свойств. Биологические ткани обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обусловливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов определяются структурными компонентами и явлениями поляризации. Поляризация — процесс образования объемного дипольного электрического момента среды. Поляризация по своей природе делится на несколько видов. II. Виды поляризации 3 1. Электронная поляризация — наиболее общий вид поляризации представляет собой смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в атомах и ионах. В результате такого смещения атом или ион превращается в индуцированный диполь* с на-

4 правлением, противоположным внешнему полю. Время возникновения поляризации после мгновенного наложения поля, называется временем релаксации. Оно составляет в данном случае с. 2. Дипольная (ориентационная) поляризация типична для многих жидкостей и газов (вода, спирты, нитробензол). Молекулы этих полярных диэлектриков не симметричны: центры масс их положительных и отрицательных зарядов не совпадают и молекулы обладают дипольным моментом* Дипольные моменты отдельных молекул в отсутствие электрического поля ориентированы хаотически, а во внешнем электрическом поле приобретают преимущественную ориентацию вдоль поля (рис. 1а). Значительными дипольными моментами вследствие диссоциации ионных групп, а также вследствие адсорбции ионов обладают молекулы белков и других высокомолекулярных соединений. Поэтому в растворах этих веществ дипольная поляризация, обусловленная вращением их полярных молекул, имеет большое значение. Время релаксации дипольной поляризации изменяется в пределах от до 10-7 с. 3. Макроструктурная поляризация возникает под действием электрического поля вследствие неоднородности электрических свойств вещества. Для ее возникновения необходимо наличие слоев с различной электропроводностью. Под действием поля свободные ионы и электроны, содержащиеся в проводящих субстанциях, перемещаются в пределах каждого включения до границы проводящего слоя. Дальнейшее перемещение свободных зарядов невозможно вследствие низкой проводимости соседних слоев (рис. 1б). В результате этого процесса проводящее включение приобретает дипольный момент и * Дипольным моментом называется произведение положительного заряда молекулы на плечо диполя, которое направлено от _ к + 4 ведет себя подобно гигантской полярной молекуле. Этот вид поляризации играет основную роль в биологических объектах, являющихся гетерогенными структурами. Гетерогенность тканей в большой степени обусловлена наличием мембран. К ним относятся клеточные мембраны и мембраны, окружающие клеточные органоиды и образующие эндоплазматическую сеть. Цитоплазма клеток обладает малым активным сопротивлением из-за наличия в ней большого количества свободных ионов, в то время как у мембран вследствие их малой проницаемости для ионов, оно очень высокое (примерно 1000 Ом на каждый см 2 площади поверхности мембраны).

5 Рис. 1. Схема возникновения дипольной (а) и макроструктурной (б) поляризации вещества при наложении электрического поля E. Макроструктурная поляризация происходит во всем объеме клеток, а не только на клеточной мембране, так как гетерогенность характерна для всего объема клеток. Время релаксации макроструктурной поляризации с. 4. Поверхностная поляризация происходит на поверхностях, имеющих двойной электрический слой. При наложении внешнего электрического поля происходит перераспределение ионов диффузной части двойного электрического слоя: частицы дисперсной фазы смещаются в одну сторону, а ионы диффузного слоя — в другую. В результате частицы дисперсной фазы с противоионами диффузного слоя превращаются в наве-

6 денные диполи. Время релаксации поверхностной поляризации лежит в пределах от 10-3 до 1 с. 5. Электролитическая поляризация возникает между электродами, опущенными в раствор электролита, при протекании через них электрического тока. При наложении разности потенциалов на электроды произойдет перераспределение потенциалоопределяющих ионов в диффузной части двойного электрического слоя. В области катода увеличится концентрация катионов, а в области анода — уменьшится. Следовательно, и в данном случае появление поляризации обусловлено смещением зарядов, которое проявляется в изменении концентрации ионов в приэлектродной области. Время релаксации электролитической поляризации имеет порядок с. Все описанные виды поляризации в той или иной степени присущи биологическим объектам. III. Эквивалентные схемы биологических объектов При наложении внешней разности потенциалов в тканях возникает противоположно направленное электрическое поле, которое значительно уменьшает приложенное внешнее поле и обуславливает высокое удельное сопротивление постоянному току (порядка Ом.см). При этом сначала возникают те виды поляризации, которые имеют меньше время релаксации. Более полную информацию о биологическом объекте можно получить при измерении его электропроводности на переменном токе.. Так как биологические системы способны накапливать электри- 6 ческие заряды при прохождении через них тока, то их электрические свойства недостаточно описывать только с помощью активного сопротивления R. Необходимо также учитывать наличие у тканей и реактивного, емкостного сопротивления R х, определяемого соотношением: R x = 1 wc где ω — циклическая частота, равная 2πν, ν — линейная частота, равная 1 Т гц. С — емкость Суммарное сопротивление биологических объектов называется импедансом. Для последовательно соединенных R и С импеданс определяется по формуле: (1)

7 1 Z = R — i или Z 2 = R 2 + 1/w 2 c 2 (2) wc для параллельного по формуле: 1 Z = 1 + iωc (3) R где Z — импеданс, i = 1 — мнимая единица Из (2) и (3) следует, что импеданс изменяется с изменением частоты тока, на котором проводится измерение: при увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается. Зависимость импеданса от частоты тока называется дисперсией импеданса. Изменение импеданса с частотой обусловлено также зависимостью поляризации от периода Т переменного тока. Если время, в течение которого электрическое поле направлено в одну сторону (Т/2), больше времени релаксации τ какого-либо вида поляризации, то поляризация достигает своего наибольшего значения, и до тех пор, пока T/2>τ, эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость объекта не будут изменяться с частотой. Если же при увеличении частоты полупериод T/2 переменного тока становится меньше времени релаксации, то поляризация не успевает достигнуть своего макси- мального значения. После этого диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться с частотой, а проводимость — возрастать. При значительном увеличении частоты данный вид поляризации практически будет отсутствовать, а диэлектрическая проницаемость и проводимость будут определяться другими видами поляризации с меньшим временем релаксации. На рисунке 2а приведена зависимость импеданса живой ткани от частоты, из которой видно, что импеданс уменьшается c увеличением частоты переменного тока. 7

8 Омические и емкостные свойства биологических объектов можно моделировать, используя различные эквивалентные электрические схемы. Рис. 2. Зависимость сопротивления Z растительной ткани от частоты тока в норме и при отмирании: а) живая ткань, б) на гревание при 50 о С в течение 2 мин; в) то же в течение 4 мин; г) кипячение в течение 20 мин. 8

9 Рис. 3. Эквивалентные электрические схемы биологических объектов и соответствующие графики зависимости На рисунке 3 изображены три эквивалентные схемы и графики зависимости Z(ν) для каждой из них. Из сравнения графиков 2а и 3 видно, что схема 3а имеет существенное противоречие с опытом в области низких частот, а схема 3б — в области высоких частот. Наиболее удачна эквивалентная схема 3в. 9

10 Рис. 4. Эквивалентная электрическая схема биологического объекта. С р — поляризационная емкость, R р — поляризационное сопротивление R i — сопротивление цитоплазмы, R м — сопротивление межклеточной жидкости На рисунке 4 представлена более детальная эквивалентная схема биологического объекта. Поляризационные явления на границе раздела — мембране обуславливают возникновение поляризационного сопротивления R p и емкости С р. R р и С р зависят от проницаемости и статической емкости мембраны. Последовательно с R р и С р включено сопротивление Ri — сопротивление собственно цитоплазмы. При условии, что основная часть ионов клетки находится в свободном состоянии, можно считать Ri сопротивлением электролитов. Емкость, поляризационное сопротивление и сопротивление цитоплазмы включены параллельно с сопротивлением межклеточной жидкости R м. В данной схеме С р и R р являются частотозависимыми элементами, а R i и R м — частотонезависимыми. Данная схема довольно хорошо описывает электрические свой-ства биологических объектов. 10 Гц IV. Применение метода измерения импеданса в медицине и биологии В настоящее время метод измерения импеданса довольно широко применяется в медицине и биологии. Достоинство данного метода заключается в том, что используемые напряжения (менее 50 мв) не вносят существенных изменений в физико-химические процессы, протекающие в биологических объектах, и, тем более, не повреждают их. Метод нашел широкое применение при изучении процессов, протекающих в живых тканях при изменении их физиологического состояния, при патологических состояниях, при действии повреждающих факторов: температуры, излучения, ультразвука и т.д. При патологических процессах в тканях происходит изменение их электрических свойств: увеличивается проницаемость мембран и, как следствие, увеличиваются ионные потоки и, следовательно, ослабляется

Читайте также:  Двигатель постоянного тока для водяного насоса

11 эффект поляризации границ раздела. Это приводит к падению сопротивления и емкости на низких частотах. На высоких частотах поляризация границ раздела практически отсутствует, поэтому высокочастотное сопротивление существенным образом не меняется. Таким образом, при действии повреждающих факторов и при отмирании ткани дисперсия ее электрических параметров снижается (рис. 2 б, в). При полной гибели ткани дисперсия отсутствует (рис. 2 г). Изучение зависимости Z (ν) используется для оценки и прогнозирования жизнеспособности ткани. Метод электропроводности применяется и для оценки кровенаполнения органов. При увеличении наполнения органа кровью во время систолы сердца его сопротивление уменьшается, так как кровь обладает меньшим удельным сопротивлением, чем клетки. При диастоле сердца сопротивление органа увеличивается. Диагностический метод регистрации изменений сопротивления органов, обусловленный изменением кровенаполнения, называется реографией. С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцефалография), сердца (реокардиография), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. V. Описание установки Для выполнения работы используется измеритель импеданса и передачи В4 — ВМ — З07. Прибор предназначен для измерения модуля полного сопротивления (Z) в пределах 1 Ома до 10 МOм и фазового угла ϕ от -90 о до +90 о в диапазоне частот 5 Гц — 0,5 МГц. Лицевая панель прибора показана на рисунке Подготовка прибора к работе Установить: а) частоту 1000 Гц. Для установки частоты с помощью набора диапазона 3 выбирается предел, в котором находится требуемая частота (в данном случае — кнопка 500-5), а затем вращением ручки установки частоты 4, устанавливается нужное значение частоты по риске (в данном случае — число 10); б) предел 3 КОм. Для этого следует установить диапазон КOм (кнопка для выбора полного сопротивления 8 в положении Ком — нажата) и установить поддиапазон 3 Ком (нажата кнопка рядом с цифрой 3); в) установить ручку Градуирование Z в крайнее левое положение; г) ручку 11 Нуль ϕ — в произвольное положение; 11

12 д) измерительные зажимы Zx — свободны, то есть отключены от измерительной цепи; е) кнопка 13 Градуирование 1 КОм в нажатом положении; 2. Подключение к сети и градуирование прибора: а) с помощью сетевого шнура подключить прибор к питающему напряжению 220 в; нажать кнопку Сеть, при этом зажигается контрольная лампа.. Через 1 мин. отклонение стрелки прибора Z устанавливается около значения 9 по шкале 10 Ом, и стрелка прибора ϕ — около нуля; б) прогреть прибор 15 мин.; в) отградуировать прибор; для этого ручкой 7 Градуирование установить значение Z = 1 КОм (крайнее правое деление шкалы), а ручкой 11 Нуль установить ϕ = 0 (центр шкалы); г) отжать кнопку Градуирование 1 КОм. 12 Рис. 5. Лицевая панель прибора ВМ выключатель напряжения сети 2 — контрольная лампа,

13 3 — кнопки установки пределов частоты генератора 4 — ручка установки частоты генератора 5 — шкала отсчета частоты генератора 6 — измерительный прибор абсолютного значения Z 7 — винт градуирования 8 — кнопки КОм, Ом установки диапазонов Z 9 — кнопки установки поддиапазонов Z 10 — измерительный прибор для отсчета фазового угла ϕ 11 — винт установки ϕ = 0 при градуировании прибора 12 — гнезда для подключения измерительных проводов к прибору Z x 13 — кнопка Град. 1 КОм 13 П О Р Я Д О К Р А Б О Т Ы Упражнение 1. Исследование импеданса биологического объекта с помощью эквивалентных схем 1.Соединительными проводами подключите к измерительным зажимам Z х одну из эквивалентных схем, предложенных Вам в наборе. 2.Кнопкой выбора диапазона частот и ручкой Установка частоты установите частоту 5 Гц. 3. Затем установите кнопки диапазонов Zх в такое положение, чтобы стрелка прибора Z находилась в градуированном участке шкалы. 4. Произведите отсчет полного сопротивления Zх с учетом выбранных диапазона и поддиапазона. Обратите внимание: при нажатой кнопке КОм отсчет показаний следует проводить по двум нижним шкалам, где есть надпись КОм. Если нажата кнопка поддиапазона, начинающегося с цифры 3, то необходимо использовать шкалу, на которой стоит 3. Если же поддиапазон начинается с цифры 1, то используется шкала, на которой написано 10. Аналогично следует выбирать и верхние шкалы, показания с которых снимаются при нажатии кнопки Ом. 5. Проведите аналогичные измерения на частотах 10, 25, 50, 100, 200, 250, 500 Гц и 1, 2, 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500 КГц. П Р И М Е Ч А Н И Е

14 По мере увеличения частоты происходит уменьшение Z х, и при некоторой частоте от предела КОм необходимо перейти к пределу Ом, соответственно подобрав поддиапазон Z х. 6. Параллельно с измерениями Z х необходимо проводить отсчет показаний угла ϕ (разности фаз между приложенным напряжением и силой тока в цепи) для каждого значения частоты ν. 7. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. N п/п ν Гц Ζ х Ом Таблица измерений ϕ lgν град lg Z x 8. По полученным данным постройте графики зависимостей lg Z x от lgν и ϕ от lgν. 9. В соответствии с п.п. 1-6 получите зависимости lgz х (lgν) ϕ(lgν) для двух других эквивалентных схем. 10. Проанализируйте полученные зависимости lgz от lgν и выберите эквивалентную схему, наиболее точно моделирующую живую ткань. Сделайте вывод о знаке угла ϕ. Упражнение 2. Изучение дисперсии импеданса для живой и мертвой растительных тканей. 1.Поместите между плоскими электродами измерительной ячейки свежесрезанный лист растения. Для лучшего контакта электродов с растительной тканью между ними поместите прокладки из марли, смоченные 10% раствором поваренной соли в воде. Снимите частотные зависимости Z(ν) и ϕ (ν) аналогично пунктам 1-6 упражнения Поместите на электроплитку термостойкий сосуд с дистиллированной водой и прокипятите в ней исследуемый лист в течение 20 минут. 3. Повторите измерение импеданса Z х и угла ϕ как функции частоты. Выключите прибор, предварительно показав полученные результаты преподавателю. 4. Постройте графические зависимости lgz(lgν) и ϕ(lgν) для живой и мертвой тканей и сравните их между собой. Сделайте соответствующий вывод.

15 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется импедансом? 2. Дайте определение диполя, дипольного момента, плеча диполя. Как они направлены в электрическом поле? Вне его? 3. Перечислите виды поляризации и дайте их краткую характери стику. 4. Чем обусловлены емкостные свойства живой ткани? 5. Каковы особенности электропроводности биологических объектов? Чем обусловлены емкостные свойства биологических тканей? 7. Что такое дисперсия импеданса? 8. Каковы зависимости импеданса от частоты электрического поля для живой и мертвой тканей? 9. Что такое эквивалентная схема? 10. Какая схема наиболее полно отражает зависимость импеданса живой ткани от частоты? 11. Расскажите о применении метода измерения электропроводности в медицине и биологии. ЛИТЕРАТУРА 1. Губанов Н.И., Утенбергеров А.А. Медицинская биофизика. М.: Медицина, С Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.м.: Высшая школа, Т. 2. С Ливенцев Н.М. Курс физики. М.: Высшая школа, Т.2. С

16 16 Составитель Лидия Александровна Кириличева ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ Методические указания к лабораторной работе Редактор Л.П.Соколова Подписано к печати Формат 60 х 84 1/16. Бумага газетная. Офсетная печать. 0,9 уч.-изд.л. 6 усл. кр.-отт. Тираж 500 экз. Изд.N 6. С Издательство Петрозаводского государственного университета Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Источник

Изучение импеданса живой биологической ткани

Цель работы:Изучить зависимость импеданса биологической ткани от частоты переменного тока.

Краткая теория

Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Такими частицами могут быть электроны или положительные и отрицательные ионы.

В биологических объектах чисто электронная проводимость отсутствует, т.к. они в основном представляют собой или диэлектрики (клеточные мембраны, костная ткань), или растворы электролитов (кровь, цитоплазма, различные тканевые жидкости). Особенностью биологических жидкостей является то, что в их состав, помимо растворов электролитов, входят белки и жиры, поэтому их удельное сопротивление постоянному току достаточно велико. Кроме того, на электрические свойства тканей и клеток значительное влияние оказывают клеточные мембраны.

Измерение электросопротивления тканей и органов представляет собой значительную трудность по следующим причинам:

— биологические объекты неоднородны по составу, а применение формулы предполагает наличие однородного проводника;

— в биологических тканях ток идет преимущественно по тем участкам, сопротивление которых меньше, поэтому измерять сопротивление ткани в целом крайне трудно, а порой невозможно;

— физические параметры живых существ не остаются постоянными с течением времени, они изменяются как в связи с физиологическими процессами в клетках и тканях, так и под действием протекающего тока, поэтому следует учитывать, что каждое предыдущее измерение, раздражая объект, может оказывать влияние на результат последующего измерения.

Если учесть все вышеуказанные факторы и, соблюдая предосторожности, измерить ток в какой-либо биологической ткани, то окажется, что при постоянном напряжении на электродах сила тока меняется со временем. Уменьшение тока может произойти в сотни раз, и лишь после этого устанавливается какое-то постоянное значение тока. Резкое уменьшение силы тока в биологических объектах, а, следовательно, резкое возрастание их электросопротивления после замыкания электрической цепи объясняется поляризационными эффектами.

При рассмотрении цепей переменного тока общее сопротивление может быть представлено омическим, емкостным и индуктивным сопротивлением в различных их сочетаниях. В биообъектах, как в проводящей структуре, индуктивность отсутствует, и величина полного сопротивления определяется только активным и емкостным сопротивлением. В сочетании они могут быть представлены в виде так называемой эквивалентной цепи (рис. 1).

Читайте также:  Презентация по физике по теме сила тока

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема биологического объекта.

Емкостное сопротивление ХС биологической ткани переменному току зависит от емкостных свойств клеточных мембран и частоты тока:

Последовательно с емкостью в цепь включено активное сопротивление RК определяемое сопротивлением клеточной цитоплазмы. Помимо клетки, ток проходит и по внеклеточной жидкости, и поэтому все внутриклеточные сопротивления шунтируются сопротивлением внеклеточной среды RВ.

При низких частотах поляризационные эффекты также велики, как при постоянном токе; соответственно RК и ХС имеют большое значение и практически весь ток пойдет по шунтирующему сопротивлению RВ. Если же сечение межклеточных промежутков невелико, то сопротивление RВ возрастает и измеряемое полное сопротивление будет в основном определяться величиной RК. Поскольку RК зависит от проницаемости мембран, то величина сопротивления объекта, измеренная на низких частотах, в ряде случаев может служить мерой проницаемости клеточных мембран. При возрастании частоты переменного тока поляризационные эффекты уменьшаются, соответственно уменьшается величина ХС. При частотах порядка нескольких МГц поляризация мембран почти исчезает и величиной ХС при расчете полного сопротивления можно пренебречь. Таким образом, полное сопротивление Z, измеренное на высоких частотах, будет равно

так как оно будет определяться параллельно соединенными сопротивлениями электролитов внутри и вне клетки. Отсюда следует, что высокочастотное сопротивление биообъектов может служить мерой концентрации в них свободных ионов.

Таким образом, электросопротивление (или электропроводность) тесно связано как со свойствами клеточных мембран, так и со свойствами внутриклеточных и межклеточных жидкостей. Как было показано выше, измерение удельного сопротивления у живых объектов представляет большие трудности, однако для диагностических целей этого и не требуется. Получать сведения о явлениях, происходящих в тканях, можно, наблюдая за относительным изменением их электросопротивления между электродами любой формы, что широко применяют в медицине для диагностики воспалительных процессов.

Весьма важные сведения о состоянии биологических объектов дают дисперсионные кривые, т.е. графики зависимости полного электрического сопротивления ткани от частоты переменного тока (рис. 2). Зависимость импеданса (полного электрического сопротивления) биологических тканей от частоты переменного тока принято называть дисперсией импеданса. Такая зависимость присуща только живым тканям; при пропускании переменного тока через обычные растворы электролитов дисперсия электросопротивления не наблюдается. Причина дисперсии заключается в том, что на величину электросопротивления при постоянном токе или при низких частотах значительное влияние оказывает макроструктурная поляризация. Поскольку при увеличении частоты переменного тока уменьшаются пограничные поляризационные эффекты, это ведет к уменьшению полного сопротивления ткани, и дисперсионная кривая обладает значительной крутизной (рис. 2, кривая 1).

Рис. 2. Зависимость полного сопротивления растительной ткани от частоты переменного тока (кривая дисперсии):

1 – для здоровой ткани;

2 – для ткани после кратковременного нагревания в горячей воде;

3 – для той же ткани после ее кипячения (т.е. для неживой ткани).

При повреждении ткани возрастает проницаемость клеточных мембран, что приводит к уменьшению RП и СП и, следовательно, к уменьшению полного сопротивления на низких частотах. Поэтому кривая 2 на рисунке 2 обладает меньшей крутизной. При отмирании ткани поляризация на границах раздела практически исчезает и зависимость электросопротивления от частоты отсутствует, так как остается лишь активное сопротивление (рис. 2, кривая 3). Таким образом, по крутизне дисперсионной кривой можно судить о жизнеспособности той или иной ткани, что имеет большое значение, когда эта ткань предназначена для трансплантации.

Частотные зависимости электросопротивления сходны для многих тканей, однако величина полного сопротивления разных тканей различна. Зона дисперсии электросопротивления обычно находится в пределах от 100Гц до 100МГц.

Имеет также диагностическое значение измерение угла сдвига фаз j между током и напряжением. Этот угол для биообъектов довольно большой, что указывает на значительную долю емкостного сопротивления. Так для кожи человека на частоте 1кГц j=55 0 ¸57 0 . При патологии величина j изменяется, что также может служить для целей диагностики.

Практическая часть

Задание.Определитьимпеданс живой ткани для различных частот переменного тока.

Приборы и оборудование: генератор синусоидального напряжения, 2 милливольтметра, постоянный резистор, 2 электрода, соединительные провода, марлевые салфетки, физраствор.

Источник



Электропроводность в неживой природе. Электропроводность живых тканей. Диэлектрические свойства живых тканей. Физические поля биологических объектов , страница 2

Дисперсия диэлектрической проницаемости объясняет возмож­ность селективного нагревания разных тканей в высокочастотных ЭМП. Возрастание интенсивности движения ионов, переориента­ции полярных молекул в ЭМП связаны с поглощением энергий по­ля и аналогичны процессу нагревания.

4). ИМПЕДАНС ЖИВОЙ ТКАНИ.

Импеданс — это полное сопротивление электрической цепи при синусоидальном напряжении. По современным представлениям импеданс живой ткани имеет только две составляющие: активную и ёмкостную (см. рис.)

Для последовательного соединения этих элементов импеданс равен:

Для параллельного соединения активного и емкостного сопро­тивлений:

(электроемкость плоского конденсатора )

Электроемкость живых тканей складывается из емкости компартментов, так как клеточные мембраны можно считать диэлект­риками, а клеточные и межклеточные жидкости, содержащие раст­воры солей, проводниками. В момент включения тока конденсато­ры заряжаются и величину электроёмкости ткани можно оценить по формуле:

Электрические свойства живой ткани можно смоделировать следующими цепями:

Зависимость импеданса живой ткани (а) и её моделей (б) от частоты тока представлена на рис.

Дисперсия импеданса — это явление изменения импеданса жи­вых тканей в зависимости от изменения частоты пропускаемого че­рез них электрического тока.

Отметим, что ход кривых дисперсий Z и ε в одной и той же ткани несовпадает. Дисперсия Z, очевидно, отражает более широ­кий круг электрических процессов в живых тканях. Импеданс сильнее зависит от разнообразньх нарушений жизнедеятельности исследуемой ткани. Есть упрощенный, но эффективный способ определения жизнеспособности ткани. Определяют коэффициент поляризации:

, где Zнч измеряют при ν=10 2 Гц, а Zвч — при ν =10 6 Гц.

В живой ткани К>1 и тем больше, чем выше уровень обмена веществ и чем лучше сохранена структурная целостность.

Широкое применение в медицинской практике нашла методика реографии— исследование импеданса тканей, органов, обуслов­ленных изменением их кровенаполнения.

В этом методе используют обычно ток частотой от 20 до 200 кГц, и не более 10 мА в величине. Реограмма представляет собой зависимость импеданса ткани от времени. Конфигурация, амплитуда и временные параметры этой кривой зависят от многочисленных факторов: состояния миокарда, тонуса сосудов, состояния капил­лярного и венозного кровотока.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ

БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.

В процессе жизнедеятельности живые организмы, человек в частности, излучают в широком диапазоне электромагнитных волн: от радиочастот до ультрафиолетового излучения. В широком диапазоне частот излучаются и звуки. Тело человека имеет сложное строение, т.е. подразделяется на отдельные органы, ткани, жидкости; оно характеризуется значительной неоднородностью пассивных электрических, механических и др. характеристик. Все это обуславливает сложную структуру излучаемых ЭМ и звуковых полей. К тому же все излучения обязательно промодулированы переменными физиологическими процессами.

Физические поля несут обширную информацию о жизнедеятельности живых организмов. Поэтому понятен интерес к их регистрации, изучению и применению в диагностике. Рассмотрим более подробно поля излучаемые человеком.

1. Для тела с температурой около 300 К максимум излучения приходится на инфракрасную область с λ=8-14 мкм. Мощность излучения человека в этой области составляет около 100 Вт.

Кисть руки излучает 100 мВт. Чувствительность кожи к инфракрасному излучению — 0,1 мВт/см 2 . Это объясняет возможность обратного воздействия на физиологические процессы от внешних источников излучения (рук человека). Установлено, что, действуя на кожу в зонах Захарьина-Геда малыми дозами тепла, можно в какой-то степени стимулировать работу внутреннего органа, связанного с этой зоной. Зоны Захарьина-Геда — области кожи, в которых при заболеваниях отдельных внутренних органов возникают отраженные боли, а также болевая и температурная повышенная чувствительность к раздражителям, воздействующим на органы чувств.

Интересно отметить, что ИК излучение человека попадает в «окно прозрачности» атмосферы и сравнительно мало поглощается в ней. Это позволяет регистрировать ИК излучение человека на расстоянии. Современные тепловизорные системы позволяют получать термограммы биообъекта с достаточно высокой чувствительностью — до 0,05°С.

2. Радиоизлучение — дециметровые волны (частота несколько гигагерц, т.е. λ-30 см) дают информацию о тeмпepaтype и временных ритмах внутренних органов. Регистрируются сигналы с глубины 5-6 см, мощность радиоизлучения составляет 10 -13 Вт. Современная аппаратура регистрирует изменения мощности 10 -16 Вт.

Злокачественные опухолевые процессы повышают температуру тканей на 1,2°С, при нарушениях кровообмена температура в органе снижается.

Увеличение глубины, на которой измеряется температура, возможнo при увеличении длины волны регистрируемого излучения, но при этом ухудшается разрешающая способность в определении изменений температуры.

3.Низкочастотные электрические поля — до 1кГц — связаны с электрохимическими потенциалами и потоками ионов через мембраны. Эта поля сильно ослабляются живыми тканями и частично экранируются проводящими участками тканей. Эффект экранирования заключается в том, что электростатическое поле не проходит внутрь проводника.

Исследование низкочастотных полей очень распространено в диагностике. Это такие методы как электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография.

4.Излучение магнитных полей.

Основные химические компоненты биосред относятся к диамагнетикам (белки, углеводы, липиды, вода) с магнитной проницаемостью µ≈1, это означает, что живые ткани не ослабляют магнитное поле.

Источники магнитных полей можно локализировать с достаточной точностью, несмотря на то, что человек излучает очень слабые магнитные поля, примерно, в миллион раз слабее магнитного поля Земли. Магнитодиагностика весьма информативна в исследованиях сердца, мозга, мышц. Так, при исследовании сердца магнитные сигналы позволяют локализовать область патологии с точностью до 1 см.

Читайте также:  Стабилизатор тока 220 вольт схема

5. В оптическом диапазоне регистрируются сигналы биолюминесценции, по которым можно контролировать протекание биохимических процессов.

6.В процессе метаболизма биологический объект вносит возмущение в среду, т.е. изменяет газовый и аэрозольный состав, проводимость и диэлектрическую проницаемость. Например, по запаху можно диагностировать около 40 заболеваний: абцесс легкого, диабет, дифтерию и др.

7.Очень информативны акустические сигналы. В инфразвуковом диапазоне может быть получена информация о функционировании внутренних органов, мышц. О процессах на клеточном и молекулярном уровне несут информацию высокочастотные сигналы.

Источники акустического излучения можно локализовать достаточно точно, т.к. длина акустических волн меньше, чем у электромагнитных (низкочастотных) волн.

Состояние биоо6ъекта существенно не стационарно, поэтому важно наблюдать динамику изменения физических полей, в которой должны проявляться характеристики регуляторных систем гомеостаза.

8. Биополе. (В физике поле — это функция, характеризующая в трехмерном пространстве силы, действующие на те или другие пробные тела (заряд, магнит, массу). Поле считается физической реальностью лишь в той мере, в какой соответствующие силы можно измерить).

Впервые термин «биополе» или «морфогенное поле» ввел в научный оборот А.Г. Гурвич. В результате экспериментов по морфогенезу он пришел к следующим выводам:

1.Вокруг растущего зародыша существует некое «морфогенное поле», распространяющееся за его пределы и определяющее в каждой точке пространства направление и скорость роста других клеток того же организма.

2.Морфогенные поля отдельных зародышевых клеток векторно складываются.

3.Морфогенное поле имеет не силовой характер, т.е. само не совершает никакой работы против внешних сил. Оно выполняет сугубо информационную роль, управляя процессами обмена веществ в клетках.

Мы видим, что введенное понятие является полем лишь с точки зрения биолога, но не физика. Позднее этим термином стали называть «новое» физическое поле, а это уже подпадает под.

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник

Импеданс тканей организма. Дисперсия импеданса. Физические основы реографии

date image2015-05-26
views image7788

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Ткани организма проводят не только постоянный, но и переменный ток. Опыт показывает, что в этом случае сила тока, проходящая через биологическую ткань, опережает по фазе приложенное напряжение. Следовательно, емкостное сопротивление тканей больше индуктивного.

Отсюда следует, что моделировать электрические свойства биологических тканей можно, используя резисторы, которые обладают активным сопротивлением, и конденсаторы — носители емкостного сопротивления. В качестве модели обычно используют эквивалентную электрическую схему тканей организма. Она представляет собой схему, состоящую из резисторов и конденсаторов, частотная зависимость (дисперсия) импеданса которой близка к частотной зависимости импеданса биологической ткани.

На рис. 2.8 представлен график частотной зависимости импеданса мышечной ткани в логарифмических координатах. Из графика видны две особенности этой зависимости: во-первых, плавное уменьшение импеданса с увеличением частоты (общий ход зависимости импеданса от частоты) и, во-вторых, наличие трех областей частот, в которых имеет место отклонение от общего хода зависимости импеданса от частоты: Z мало изменяется. Они были названы, соответственно, областями α-, β— и γ-дисперсии импе данса.

Наиболее удачно экспериментальной зависимости импеданса мышечной ткани от частоты соответствует схема, приведенная на рис. 2.9. Важно отметить, что при этом электроемкость и, следовательно, диэлектрическая проницаемость остаются постоянными.

Поясним причину возникновения областей α-, β— и γ-дисперсии импеданса. Ткань организма является структурой, обладающей свойствами проводника (электролита) и диэлектрика. Поляризация диэлектрика во внешнем электрическом поле происходит не мгновенно, а зависит от времени. Это означает зависимость от времени поляризованности диэлектрика (Ре) при воздействии постоянного электрического поля (Е — напряженность электрического поля):

Если электрическое поле изменяется по гармоническому закону, то поляризованность будет также изменяться по гармоническому закону, а амплитуда поляризованности будет зависеть от частоты изменения поля с запаздыванием по фазе:

Выражение для диэлектрической проницаемости имеет вид:

Из (39) следует, что имеет место частотная засимость диэлектрической проницаемости при воздействии переменным (гармоническим) электрическим полем: . Изменение диэлектрической проницаемости с изменением частоты электрического поля означает изменение электроемкости и, как следствие, изменение импеданса.

Запаздывание изменения поляризованности относительно изменения напряженности электрического поля зависит от механизма поляризации вещества. Самый быстрый механизм — электронная поляризация, так как масса электронов достаточно мала. Это соответствует частотам (около 10 15 Гц), которые существенно превышают области α-, β— и γ-дисперсии.

Ориентационная поляризация воды, молекулы которой имеют сравнительно малую массу, соответствует γ-дисперсии (частоты около 20 ГГц).

Крупные полярные органические молекулы, например белки, имеют значительную массу и успевают реагировать на переменное электрическое поле с частотой 1 — 10 МГц. Это соответствует β-дисперсии.

При α-дисперсии происходит поляризация целых клеток в результате диффузии ионов, что занимает относительно большое время, и α-дисперсии соответствует область низких частот (0,1 — 10 кГц). В этой области емкостное сопротивление мембран очень велико, поэтому преобладают токи, огибающие клетки и протекающие через окружающие клетки растворы электролитов.

Итак, области а α-, β- и γ-дисперсии импеданса объясняются тем, что с увеличением частоты переменного электрического поля в явлении поляризации участвуют разные структуры биологических тканей: при низких частотах на изменение поля реагируют все структуры (α-дисперсия), с увеличением частоты реагируют крупные молекулы-диполи органических соединений и молекулы воды ((β-дисперсия), а при самых больших частотах реагируют только молекулы воды (γ-дисперсия). Во всех случаях имеет место электронная поляризация. С увеличением частоты электрического тока (электрического поля) все меньше структур будет реагировать на изменение этого поля и меньше будет значение поляризованности Рem. Отсюда, согласно (39), с увеличением частоты будет уменьшаться диэлектрическая проницаемость ε, а следовательно, и электроемкость С, а это приведет к увеличению емкостного сопротивления ХС и импеданса Z. Следовательно, на фоне общего хода зависимости Z = f(ω) появляются области с меньшим убыванием Z при возрастании частоты (области α-, β- и γ-дисперсии).

Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и органов. Различие в частотных зависимостях импеданса получается и в случаях здоровой и больной ткани.

Импеданс тканей и органов зависит также и от их физиологического состояния. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно-сосудистой деятельности.

Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс-плетизмография).

Следует отметить, что знание пассивных электрических свойств биологических тканей важно при разработке теоретических основ методов электрографии органов и тканей, так как создаваемый токовыми диполями электрический ток проходит через них. Кроме того, представления о дисперсии импеданса позволяют оценить механизм действия токов и полей, используемых в терапевтических целях.

Источник