Биологические ткани проводники обладают свободными зарядами (ионы) определяют электропроводимость биологических тканей обеспечивают токи проводимости диэлектрики обладают связанными зарядами (диполи) определяют поляризацию биологических тканей обеспечивают токи смещения
Электропроводимость – величина, обратная сопротивлению. g – электропроводимость, [ См ] ( сименс ) ; – сопротивление, [ 0м ] ; - удельное сопротивление, [ 0м• м ] ; - длина проводника, [ м ] ; - площадь поперечного сечения, [ ] S
Ткань ρ, Ом ·м Спинномозговая жидкость 0,55 Кровь 1,66 Мышцы 2 Ткань мозговая и нервная 14,3 Ткань жировая 33,3 Кожа сухая 10 5 Кость без надкостницы 10 7 Таблица. Удельные сопротивления различных тканей и жидкостей организма
Особенности электропроводности биологических тканей Сложность и динамика. Изменение в зависимости от условий существования в окружающей среде. Зависимость от функционального состояния: при воспалении = > g ; при увеличении влаги = > g.
4.Ткани организма в порядке уменьшения электропроводности ( g ) спинномозговая жидкость, сыворотка крови; цельная кровь; мышцы, сосуды; мозговая и нервная ткани; соединительная и жировая ткани; роговой слой кожи; кость.
Первичное действие постоянного тока – раздражающее ( обусловлено движением ионов, изменением их концентрации и накоплением около биологических мембран ). Прохождение постоянного электрического тока через биологические ткани
- сила тока через биологическую ткань; - приложенное напряжение; - ЭДС поляризации, зависящая от времени; - сопротивление.
I I 0 I τ τ t А – при отсутствии поляризации Б – при наличии поляризации 0
- связана со способностью тканей накапливать электрический заряд (электроёмкостью) поляризационная ёмкость статическая емкость
Статическая емкость ( ) : цитоплазма клеток и тканевая жидкость – электролиты, разделенные БМ. (значительна по величине) практически не зависит от функционального состояния ткани
Поляризационная ёмкость ( ): возникает в момент прохождения тока (ионы – накапливаются около БМ, диполи – смещаются и переориентируются). зависит от функционального состояния ткани (высокая характерна для живых неповрежденных тканей).
Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектрика – смещение носителей зарядов в пределах атома или молекулы под действием электрического поля. Электронная поляризация Неполярные диэлектрики не обладают собственным дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле возникает индуцированный дипольный момент
Полярные диэлектрики (диполи) Для диполей расположение зарядов в нейтральной молекуле несимметрично: в одной части преобладают положительные заряды, в другой – отрицательные.
Макрополяризация – поверхностная поляризация Ионная поляризация - взаимное смещение + ионов и - ионов в диэлектриках с ионной связью под действием внешнего электрического поля.
Диэлектрическая проницаемость модуль напряженности электрического поля в вакууме модуль напряженности электрического поля внутри диэлектрика показывает уменьшение напряженности электрического поля внутри диэлектрика в результате поляризации. Керосин Масло растит. Стекло Крахмал Молоко коровье 2 2-4 6-10 12 66 Белок яичный Вода Кровь цельная Серое вещество мозга Нерв зрительный Белое вещество мозга 72 81 85 85 89 90 Значение диэлектрической проницаемости для биологических сред
Гальванизация - лечебный метод физиотерапии с использованием постоянного электрического тока (для детей 0,08 )
Действие постоянного электрического тока на ткани : 1. Расширение сосудов и гиперемия. 2. Ускорение обмена веществ. 3. Увеличение проницаемости стенок сосудов. 4. Увеличение местной температуры. 5. Увеличение в крови содержания лейкоцитов.
6. Ускорение скорости оседания эритроцитов ( СОЭ ). 7. Физико – химические процессы: под : концентрации, (зона возбудимости) под : концентрации (зона расслабления) 8. Изменение кислотно – основного состояния : под : накопление, под : накопление.
Лекарственный электрофорез введение лекарственных веществ через кожу или слизистую оболочку с помощью постоянного тока. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает. Схема электрофореза:
Применяется для лечения гинекологических, хирургических, неврологических, стоматологических заболеваний в стационарах и на дому. Профилактическое лечебное воздействие постоянным током на организм человека (гальванизация), проведение лекарственного электрофореза.
С анода С катода Кальций Хлор Магний Бром Натрий Йод Новокаин (из хлористой соли) Пенициллин (из натриевой или калиевой соли ) Хинин Радикал салициловой кислоты Таблица активных электродов
Электрические (э / м) колебания Электрические колебания – это периодические взаимосвязанные изменения зарядов, токов, напряжений и напряженностей электрических и магнитных полей. q, I, U, E, H
Импульсный сигнал Электрический импульс -это кратковременное изменение силы тока или электрического напряжения Видеоимпульсы – это электрический сигнал, имеющий одну полярность Радиоимпульсы – это модулированные электромагнитные колебания
Видеоимпульс Идеальный Реальный фронт вершина хвост. срез
Параметры импульсного тока Длительность импульса τ и 2. Крутизна фронта 3. Период повторения импульсов T 4. Скважность следования импульсов 5. Коэффициент заполнения
Механизм действия импульсных токов так как есть быстрое перемещения и накопление ионов Na + и K + у клеточных мембран, а во время паузы – быстрое удаление. Пороговые значения тока Порог ощутимого тока 1 мА Порог неотпускающего тока 10-15 мА Токи НЧ оказывают раздражающее (стимулирующее) действие,
Переменный ток – это ток, зависящий от времени по закону sin или cos Приложенное напряжение 1. Цепь с резистором R Векторная диаграмма Сила тока совпадает по фазе с напряжением
2. Цепь с индуктивностью L Векторная диаграмма Сила тока отстает по фазе от приложенного напряжения [ Ом ] Индуктивное сопротивление
3. Цепь с конденсатором С Векторная диаграмма Сила тока опережает по фазе напряжение на π /2 Емкостное сопротивление [ Ом ]
Импеданс = полное сопротивление в цепи переменного тока Активное сопротивление Реактивное сопротивление X L Ось токов X L -X C X C z I max R
Резонанс в цепи переменного тока При, Z=R. I => max Это называется резонансом напряжений. X C =X L => Z=R U max L = U max C I => max Z=R I => max
Импеданс тканей организма Импеданс тканей организма – это полное сопротивление живых объектов переменному току. Это геометрическая сумма активного и емкостного сопротивления живых клеток Сила тока опережает по фазе приложенное напряжение R C При последовательном соединении [ Ом ] Ось токов X C z R
Эквивалентные электрические схемы тканей организма Это модели биологических тканей Не работает на НЧ Работу этих моделей проверяли по кривой дисперсии импеданса: 1. Последовательное соединение R и C
2. Параллельное соединение R и С R Z 0 Не работает на ВЧ R 1 Z 0 R пар. 3. Межклеточное R 1 и внутриклеточное R 2 сопротивления ω ω
Оценка жизнеспособности и патологических изменений тканей и органов по частотной зависимости импеданса и углу сдвига фаз между током и напряжением Частотная зависимость импеданса Z= - дисперсия импеданса f( ν ) По мере частоты ν импеданс Z.
Дисперсия импеданса – это результат того, что при низких частотах, как и при постоянном токе, электропроводность связана с поляризацией. И по мере частоты поляризационные явления сказываются меньше. Дисперсия импеданса присуща только живым клеткам уровне обмена веществ отклонению от нормы метаболизма времени снятия наложенного шунта границах гематомы По кривой дисперсии импеданса судят о ν Корреляция только с содержанием креатинфосфокиназы
Коэффициент поляризации К > - живая ткань К=1 – мертвая ткань Судят о уровне метаболизма положении в эволюционном ряду Печень к=10 E. Coli к=2
Биологический объект Угол сдвига фаз φ, град Кожа человека, лягушка 55 Нерв лягушки 64 Мышцы кролика 65 Десна 42 Эмаль зуба 25 Угол сдвига фаз между током и напряжением величина большая. Сила тока опережает по фазе приложенное напряжение ν =1кГц на 55 0 - 78 0
Дисперсия диэлектрической проницаемости. Области α -, β - и γ - дисперсии ε = f( ν ) Это зависимость Шванн, 1963 г С частоты Ɛ, так как поляризационные явления сказываются меньше Дисперсия диэлектрической проницаемости скелетной мышцы Выделяют 3 области дисперсии, что указывает на различие механизмов поляризации тканей в разных частотных диапазонах.
ПОЛЯРИЗИЦИЯ ЖИВОЙ ТКАНИ 1. Макрополяризация = поверхностная поляризация. За счет наличия БМ Е 2. Ориентационная поляризация макромолекул Компартмент Белки 3. Поляризация микромолекул воды в белковых комплексах. Участвует двойной электрический слой Повторение
Область α -дисперсии занимает область низких частот до 1 кГц. Здесь силен эффект поверхностной поляризации : с ↑ ν вращение гигантских диполей запаздывает по отношению к Е внеш Область β -дисперсии от 10 4 до 10 8 Гц ( радиочастоты ). Выпадает ориентационная поляризация белковых макромолекул. Они не успевают поворачиваться О бласть γ -дисперсии ( > 10 10 Гц – микроволновые частоты ). степень поляризации молекул воды. Даже они не успевают поворачиваться с такой частотой. клетки БМ Вода фл Белковые макромол.
Физические основы реографии и ее возможного применения в медицине Реография – диагностический метод определения кровенаполнения тканей и органов, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности. Для реографии применяют переменный ток высокой частоты 3-100 кГц (до 500 кГц) силой 2 мА ! (не более 10 мА). Что еще необходимо для записи реограммы? Регистратор Реограф
ВИДЫ реограмм : реокардиограмма = реограмма сердца Реоэнцефалограмма= реограмма головного мозга Реограмма магистральных сосудов Реограмма печени Реограмма легких Реограмма конечностей РЕГИСТРАЦИЯ РЕОГРАММЫ. Положение электродов при регистрации реовазограммы (1), реогепатораммы (2), реоэнцефалограммы (3).
Изменение сопротивления тканей обусловлено пульсирующим артериальным кровотоком (1%) на фоне почти постоянного кровотока в артериолах, капиллярах и мелких венах. Суть метода : Измеряют полное сопротивление определенного участка ткани в течение цикла сердечной деятельности. Применение переменного тока высокой частоты до 500 кГц дает возможность выделить из общего сопротивления = импеданса переменный компонент, малый по величине (1%), связанный с пульсовыми колебаниями кровенаполнения. Z=R R=R пульс. + R непульс. арт. Капил 1%
Реограмма – это регистрация изменения импеданса ткани во времени. Z = f(t) ВОПРОС: Между изменениями электрического сопротивления участка тела и пульсовыми колебаниями объема крови существует строгая линейная зависимость. Что происходит с сопротивлением при систоле? R уменьшается
Применение реографии в медицине Возможность изучения гемодинамики любого органа Характеристика артериального кровенаполнения Состояние тонуса артериальных сосудов Венозный отток Коллатеральное кровообращение Микроциркуляция Определение ударного объема
Реограф Это аппарат для реографического исследования. ГВЧ электроды объект Калибр. Преобразователь Импеданс-напряжение Регист ратор УНЧ Детек тор Условие баланса моста : ток в измерительной диагонали равен нулю. УВЧ
Другие электроимпедансные методы диагностики Электропроводность на НЧ ВЧ Используют для выявления отека органов, в которых набухшие клетки уменьшают межклеточное пространство Амплитуда НЧ тока пропорциональна объему межклеточного пространства и концентрации электролитов в нем. Электропроводность, измеренная на частотах более 100 кГц, пропорциональна общему количеству электролитов, содержащихся в ткани между электродами, так как в этом случае клеточные мембраны уже не препятствуют распространению эл. тока Используют для регистрации малых изменений объема органов, связанных с притоком или оттоком крови от них
Электроимпедансная томография (ЭИТ) Это техника получения изображения в срезах тела посредством неинвазивного электрического зондирования, расчетов и алгоритма реконструкции распределения импеданса. Разные ткани имеют разный импеданс, следовательно, можно обнаруживать физиологические сдвиги. Первое импедансное изображение. грудной клетки 1978 г ПРИМЕР: ЭИТ используется для диагностики заболеваний щитовидной железы. Низкая пространственная разрешающая способность
