Пассивные электрические свойства биологических тканей реферат

Обновлено: 01.05.2024

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИШРСКОЕ ОТДЕШШЕ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи

ИБРАГИМОВ РАБШЬ ШАЙШШОИН

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ- ТКАНЕЙ НА НИЗКИХ ЧАСТОТА!

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Работа выполнена в Новосибирском ордена Трудового Красного Знамени медицинском институте

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор В.П. Нефедов,

доктор биологических наук Р.И. Кузьмина,

доктор медицинских наук, профессор A.C. Пуликов

Ведущая организация: Российский государственный медицинский университет им. Н.И. Пирогова

Защита состоится_ 1992 г. в_часов

на заседании специализированного совета Д 003.45.01 по защита диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте биофизики СО РАН (660036, Красноярск, Академгородок).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО РАН.

Автореферат разослан "_"_ 1992 г.

Учений се1фетарь специализированного" Совета, кандидат физ,- кат. наук

ОЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^^^ Актуальность теш. Исследование пассивных электрических ■'■■■ авоисм биологических тканей (БГ) - одна из важнейших проблем биофизики (Х.ПЛЕван, 1963). Повышенный интерес к изучении пассивных электрических свойств биообъектов обусловлен тем, что в случае разработки точных методов измерения их электрических характеристик и определения физиологического или функционального состояния тканей и органов по результатам электрических измерений, открываются широкие возможности для диагностической оценки состояния любых тканей и органов, а не только электрически активных (Б.Н.Тарусов, О.Р.Колье, 1968).

Иг/педансокетрическпе и кавдуктометричесние исследовашш пассивных электрических сеойств БГ по своей сущности являются более инфордативныт/и, абсолютны!®, так как позволяют определять удельные электрические характеристики (Х.П.Шван, 1980). Результаты шшедансометрическйх и ковдуктометрических измерений различных биообъектов поддаются сравнению и количественным оценкам. Существенным недостатком ковдуктометрических .методов является необходимость проведения измерений образцов БТ или жидкости в специальных ячейках правильной геометрической формы (В.С.Андреев, 1973). В медицинских исследованиях, в условиях клиники извлечение специального образца ткани не всегда возможно. В этой связи, наиболее удобными объектами для конну-ктометрических исследований в медицине остаются лишь зшдкие среды организма, такие как кровь, плазма, линвор.

С другой стороны установлено, что удельная электропроводность ЕГ в конкретных нормальных условиях обычно величина стабильная и является одной и5 ее объективных физических характеристик. Особенно информативными являются низкочастотные

(НЧ) измерения удельной электропроводности (УЗ) (П.П.Слынъко, 1972). Поэтому отклонения величины УЗ от нормы могут быть использованы в диагностике для количественной оценки патологических изменений в тканях ж органах. К сожалению, развитие физически обоснованных методов измерения УЭ тормозится из-за отсутствия общепринятых представлении о способах создания ж поддержания постоянства электрических характеристик меаду электродами и япеыми тканями. Это приводит к значительному разбросу -полученных данных, невоспроизводимосги исследований и, следователъ-но, результаты различных авторов трудно сопоставить, В связи с вншеизложентш, построение теории и разработка методов измерения уцелышх электрических характеристик на органах и тканях произвольной геометрической $орш представляются весьма перс-пеЕИшааш. Это позволило бы проводить исследования непосредственно на живом функционирующей организме без отрицательных последствий и обеспечило бы широкий выход е пш?.

Цель исследования. Теоретическое и экспериментальное изучение пассивных электрических свойств биологических тканей, разработка теории и методов измерения их удельных электрических характеристик, поиск и биофизическое обоснование новых способов диагностики некоторых заболеваний, пригодных для использования в условиях клиники.

Основные задачи исследования.

1. Теоретическое изучение особенностей импедансометрии и ковдуктоыетрии ЕГ. Провести анализ системы дифференциальных уравнений Максвелла для случая, когда материальной средой является биологическая ткань. Оценить вклад емкостной и активней составляющих проводимости в обдай импеданс БГ и на этой основе провести классификацию ЕГ по электрическим свойствам.

2. Изучить влияние сюш-э^екта и нарушения условия квази-

стационарности на результаты измерения пассивных электрических характеристик БГ. Провести анализ возможных вредных воздействий на биообъекты электрических полей и процесса электрических измерений.

3. Разработать ковдуктометрические диагностические устройства для измерения УЗ БГ и жидкостей с повышенной точностью на низких частотах.

4. Построить теорию и разработать конструкции электродных устройств для нетраЕматичного измерения УЭ ЕГ' и органов произвольной геометрической формы.

5. Обосновать теорию определения параметров кровоснабжения тканей и органов в михроцирнулярном русле по электрофизическим измерения;« разработанными диагностическими устройствами.

6. Обосновать иетоды измерения емкостных характеристик БГ, псьдачавдие мотки;; емкости границы раздела металлический электрод-ВГ на результаты исследований.

8. Разработать нетрашатичные экспресс-способы определения жизнеспособности тканей и органов, пригодные для использования в условиях клиники на основе созданных кондуктометричес-ких устройств.

Научная новизна. Диссертационная работа посвящена одной из актуальных, но недостаточно разработанных проблем медицинской и биологической д-изики - исследованию пассивных электрических свойств биологических тканей на низких частотах. Б основном рассмотрены вопросы, имеющие прикладное значение для медицины. Разработанные диагностические устройства и методы, диагностики могут быть использованы в медико-биологических исследованиях непосредственно в условиях клиники.

Б работе впервые показано, что скин-эффект и нарушение условия квазистационарности при измерении удельных электрических характеристик биологических тканей могут приводить к ра-

змерным эффектам, Впервые рассчитаны и построены номограммы, позволяющие исключить влияние размерных эффектов на точность измерений. Предложена классификация биологических тканей по электрическим свойствам, облегчающая анализ результатов им-педансометрических измерений. Выдвинут ноеый биофизический механизм влияния переменных электрических полей низкой частоты на биологические объекта.

Разработаны принципиально ноЕые конструкции ковдуктоме-трических ячеек с высокой точностью измерения на низких частотах (A.c. Je III6373), полностью исключающие влияние поляризационных эффектов как на токовых, так и на потенциальных электродах.

Прец'ояенн новые способы исследования емкостных свойств биологических тканей в области низких частот, исключающие влияние емкости металлический электрод - ЕГ на результаты исследований, а также методика определения низкочастотной диэлектрической проницаемости биологических тканей.

Впервые рассмотрены теоретические принципы измерения удельных электрических характеристик биологических тканей произвольной геометрической формы к на этой основе разработаны электродные устройства для прижизненных, нетравматкчных экспресс-измерений тканей и органов произвольной геометрической формы. Электродные устройства могут быть использованы для интраопе-рациошой диагностики.'

Использование разработанных электрофизических методов исследования в медико-биологических экспериментах позволили впервые количественно оценить физиологические изменения, происходящие в организме после физико-химических или фармакологических воздействий: лазерного излучения, электрических полей низкой частоты, при алкогольной интоксикации, при лечении радоновыми ваннами.

Разработанные ковдуктометрические устройстх а и способы точного определения и анализа электрических характеристик биологических тканей позволили обосновать новые методы экспресс-диагностики физиологического состояния тканей и органов, опирающиеся на измерения их абсолютных характеристик. В частности, предложены новые экспресс-способы определения

кровенаполнения миокарда, определение относительных изменений скорости кровотока (A.c. № I2I7337), способ определения жизнеспособности ткани кишки (A.c. № 1412740), способ определения жизнеспособности трансплантата роговицы глаза.

Практическая ценность. Разработанные диагностические устройства и методы измерения удельных электрических, характеристик биологических тканей и жидкостей наши практическое применение на теоретических и клинических кафедрах Новосибирского медицинского института и в научно-исследовательских институтах Сибирского отделения Академии медицинских наук СССР: в Институте клинической и экспериментальной медицины СО АМН СССР, в Институте физиологии СО АШ СССР. Разработанные электродные и кондуктометрические устройства, а также способы определения жизнеспособности тканей используются в клиниках и больницах г. Новосибирска и в Новосибирском филиале МНТК микрохирургии глаза.

В соответствии с Договором о научном и техническом сотрудничестве мезду Новосибирским медицинским институтом и На-учно-исследователъким институтом измерительных приборов НПО "Кристалл" от 24.10.89 г., в качестве исходных данныЗс переданы результаты наших исследований и разработок для подготовки рабочих чертежей к серийноиу производству.медицинских кондуктометров. В настоящее время в НИИ измерительных приборов изготовлено 10 экспериментальных, образцов кондуктометров.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Нарушение условия: квазистационарности электрического поля и скин-эффект при измерениях пассивных удельных электрических характеристик БГ могут приводить к появлению размер-ныхэффектов.В силу специфических особенностей электрических свойств БГ (низкая электропроводность и высокая относительная диэлектрическая проницаемость) размерные ьффекты проявляются на достаточно низких частотах.

2. Особенности распределения плотности тока л потенциалов в объеме и на поверхности БГ от электродов полусферической формы могут быть использованы для создания электродных устройств, позволяющих измерять удельную электропроводность ЕГ. Для случая четырех электродов УЭ ткани, ток через электроды, падение напряжения на ткани и расстояния между элек-

тродами можно связать математической расчетной формулой.

3. В области низких частот емкостные свойства системы электрод-БГ-элетарод определяются в основном емкостью границы раздела электрод-Ш, хотя относительная диэлектрическая проницаемость ЕГ с понижением частоты возрастает.

4. Разработанный комплекс диагностических приборов, тет-раполярных ковдуктометрических ячеек и четырехэлектродных ус>- тройств обеспечивают измерения У5 изолированных образцов. ВТ и

жидкостей с высокой точностью на низких частотах, а также поз; воляют проводить нетравматичные, прижизненные измерения УЭ на „. тканях и органах произвольной геометрической формы.

5. Изменения величины УЭ ЕГ в зависимости от их физиоло-гичеекого состояния в области низких частот наблюдаются в ш-

'>>рок 1000, то БТ обладает омической проводимостью, если б/00 1000 -0,001 > £а

I'группа 2 группа 3 группа

резистивные импедансные емкостные

свойства свойства свойства

Количественные оценки проведенные с использованием полученного соотношения показывают, что пассивные электрические свойства БГ на низких частотах, имеют в'основном резистив-ный характер.

3. Перейдем к рассмотрению размерных эффектов. Измерения пассивных электрических характеристик биообъектов проводят обычно на переменном токе в широком интервале частот. При этом на достаточно высоких частотах может проявиться влияние размеров биологического объекта на электрические характеристики. Проявление такого рода размерных эффектов возможно, если глубина проникновения электромагнитного поля например, из-за скин-эффекта сравнима с размерами образца или при несоблюдении условия квазистационарности, то-есть размеры биообъекта должны быть значительно меньше длины электромагнитной волны Л в данной среде, то-есть И, « Я ж ¿ « Л . Таким образом, условия исключения размерных эффектов можно представить в виде неравенства Ь \) у= 0,1 и

1 1 Пассивные электрические свойства тканей. Реография 1. Переменный ток. Получение, параметры.. Резонанс в цепи переменного тока. 3. Природа емкостных и омических свойств тканей органов. 4. Эквивалентная электрическая схема тканей организма. Импеданс тканей организма. 5. Оценка жизнеспособности и патологических изменений тканей и органов по частотной зависимости импеданса. 6. Физические основы реографии и ее применение в медицине. Формула ударного объема Характеристика реограммы. Принцип работы реографа.. Переменный ток. Получение, параметры. Переменным называется ток-величина и направление которого изменяется с течением времени. Получение электрического тока основано на явлении электромагнитной индукции. О В При вращении плоского контура в магнитном поле В нем возникает ЭДС индукции : F=BScost,следовательно df dt E i df dt BS sin t О где Е 0 =ВS, тогда Е=Е 0 sint. Эта ЭДС создаёт в контуре переменный ток E E0 sin t, т. е. = 0 sint.. Резонанс в цепи переменного тока. 1. Активное сопротивление- - это сопротивление, которое потребляет энергию.. U=U 0 cost закон изменения напряжения источника тока. = 0 cost - закон изменения силы тока. Сила тока в цепи с резистором будет изменяться в фазе с приложенным напряжением.

2 Векторная диагр444амма имеет вид: 0 0 U 0. Индуктивное сопротивление: X L =c- это сопротивление, не потребляющее энергию. L U=U 0 cost закон изменения напряжения источника тока. = 0 cos(t- /) - закон изменения силы тока. Сила тока в цепи с катушкой индуктивности будет отставать по фазе от приложенного нипряжения. U L Векторная диаграмма имеет вид: 3. Ёмкостное сопротивление: X c = 1 c ( реактивное). С 0 U=U 0 cost закон изменения напряжения источника тока. = 0 cos(t+/) - закон изменения силы тока. Векторная диаграмма имеет вид: 0 U c Ток в цепи с конденсатором будет опережать по фазе напряжение на /.. Полное сопротивление в цепи переменного тока. L C a) U =U 0 cost - напряжение в фазе с током b) U L = U 0 cos(t+/)-напряжение опережает силу тока c) U C = U 0 cos(t-/)-напряжение отстает от силы тока Векторная диаграмма имеет вид:

3 3 U L U L -U C U C U= U ( U U ) l C 0 U 0 0Z 0 ( L ) C, тогда Z L 1 ( ), C где Z-полное сопротивление цепи, содержащей активное сопротивление, ндуктивность, ёмкость. Закон Ома для цепи переменного тока имеет вид: U 0 0 tg= X X L C, если X C -X L =0, то Z= и tg=0, 1 ( L ) C следовательно =0. Это означает, что сила тока и напряжение изменяются в одной фазе так, как будто в цепи имеется только омическое сопротивление; напряжения на индуктивности и ёмкости одинаковы по амплитуде, но противоположны по фазе. Если L 1 C, 0 = max и 0 = U 0 -наступает явление резонанса, сила тока достигает наибольшего значения. Векторная диаграмма резонанса напряжения имеет вид: U L max U U C. Природа ёмкостных и омических свойств тканей органов. Распространение возбуждения по волокну зависит, с одной стороны, от электрических параметров (сопротивление, емкость) волокна и окружающей его среды, с другой от свойств мембраны, как генератора импульсов. Мембранный генератор включается лишь тогда, когда возбуждающий ток превышает некоторую определенную величину,называемую порогом. Следовательно, если через волокно пропустить очень слабый ток (меньше порогового), то волокно будет вести себя как пассивный проводник, мембранные генераторы при этом не включаются.

4 4 Свойства ткани,изучаемые в таких условиях называются ее пассивными электрическими свойствами. Биологические ткани и органы являются разнообразными образованиями с различнами электрическими сопротивлениями. Вид ткани Удельное сопротивление Тканей.(Омм) 1. Спинномозговая жидкость кровь мышцы ткань мозговая и нервная ткань жировая кожа сухая кость без надкостницы 10.7 Органические вещества (белки,жиры, углеводы) из которых состоят плотные части тканей,в чистом и сухом виде являются диэлектриками. Однако все ткани и клетки в организме содержат или омываются жидкостями (кровь,лимфа, тканевые жидкости),в состав которых кроме органических коллоидов входят растворы электролитов. Поэтому эти жидкости являются хорошими проводниками. Электропроводность тканей между электродами в значительной степени обусловлена электропроводностью слоя кожи и подкожной жировой клетчатки, находящихся непосредственно под электродами,так как ток, пройдя через этот слой,разветвляется и через более глубоко лежащие ткани проходит множеством параллельных ветвей по путям с наименьшим сопротивлением. Такими путями являются,например,скопления и потоки тканевой жидкости, кровеносные и лимфатические сосуды, оболочки нервных стволов и т.д.. Поэтому разветвления тока в тканях живого организма могут быть очень сложными и даже захватывать области, отдаленные от места наложения электродов. Электропроводность кожи,через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез,зависит от толщины и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая, нежная,увлажненная кожа хорошо проводит ток. Сухая огрубевшая кожа является плохим проводником. Ткани организма состоят из клеток,омываемых тканевой жидкостью. Тканевая жидкость и цитоплазма хорошо проводят ток.мембрана плохой проводник тока Такая система имеет электрическую емкость. Это придает тканям емкостные свойства. Таким образом эквивалентная электрическая схема должна содерхать, как электропроводные, так и емкостные элементы, т. е. может быть составлена из резисторов и конденсаторов.. Ткани органихма проводят не только постоянный, но и переменный ток. В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индуктивность его близка к нулю. Биологические мембраны и, следовательно, весь организм обладают емкостными свойствами, в связи с этим импеданс тканей организма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опережает по фазе прилроженное напряжение. Приведем некоторые значения угла сдвига фаз, полученные при частоте 1кГц для разных биологических объектов.

5 5 Вид ткани (град) Кожа человека, лягушки 55 Нерв лягушки 64 Мышцы кролика 65. Эквивалентная электрическая схема тканей организма. Омические и емкостные свойства биологических тканей можно моделировать, используя эквивалентные электрические схемы. C 1. Для этой схемы частотная зависимость импеданса Может быть получена из формулы полного Z Сопротивления при L=0: 1 Z= ( C ) Из графика видно, что схема имеет существенное противоречие с опытом при 0 (Z0).Получается, что сопротивление на постоянном токе бесконечно велико. Это противоречит данным. Следовательно эта схема не пригодна. Эквивалентная электрическая схема имеет Расхождение сопытом при.(0) На самом C же деле при больших частотах биологические Z ткани обладают сопротивлением. Следовательно эта схема тоже не пригодна. 1. Наиболее удачна эквивалентная электрическая схема, сочетающая первые две модели. При X c 0 и сопротивление схемы можно найти по правилу параллельного 1 соединения сопротивлений: Z 1

6 6 1 Z 1 C Z 0 V. Оценка жизнеспособности и патологичнских изменений тканей и органов по частотной зависимости импеданса. Частотная зависимость импеданса (рис ) позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и органов. Z 1-кривая для нормальной, здоровой ткани, 1 -для мертвой,убитой кипячением в воде. Ln В мертвой ткани разрушены мембраны- живые конденсаторы, и ткань обладает лишь омическим сопротивлением. Различия в частотных зависимостях импеданса получаются 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 сердечнососудистой деятельности. V. Физические основы реографии и ее применение в медицине. Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией. Реография-метод исследования кровенаполнения органов и тканей или определенных участков тела на основе регистрации изменений их электрического сопротивления. Этот метод позволяет объективно оценить изменения пульсового кровенаполнения и свойств сосудистой стенки в динамике,используется для диагностики различного рода функциональных изменений как в артериальном, так и в венозном руслах. Разновидности реографии: 1. Реопневмография - изучение состояния аппарата дыхания.. Реоренография - изучение кровообращения в почках. 3. Реофлебография - изучение кровообращения в венозных сосудах. 4. Реоэнцефалография- изучение кровообращения в сосудах головного мозга. 5. Реовазография - изучение кровообращения в конечностях.

7 7 В реографии применяется переменный ток высокой частоты (500кГц). Постоянный ток и ток низкой частоты вызывает возникновение поляризационной электродвижущей силы, играющей роль емкостного сопротивления. При постоянном токе сопротивление кожи составляет-90% от общего сопротивления. При переменном токе 95% прихолится на внутреннее сопротивление (крови) и только 5% составляет сопротивление кожи. 1. Формула ударного объема. Рассмотрим двухэлектродный метод измерения импеданса и определения кровотока конечности. L S S 500 кгц Допущения: 1. форма конечности цилиндрическая.. Структура трехслойная. 3. Электропроводность слоев изотропна. Так как сопротивление кожи практически равно нулю, тообщее сопротивление равно сопротивлению крови: кр = L, где - удельное сопротивление крови. S Получим формулу, связывающую сопротивление учаска ткани с его объемом-v. L L L L S S L V откуда: V= L ê dv L d dt dv = L dt d Зависимость dv от d лежит в основе реографического метода определения ударного объема сердца. Реограмма и ее характеристики. Изменение сопротивления какого либо участка сосуда со временем регистрируется с помощью реографа и имеет вид: ð

8 8 d (Ом) б в г д h 1 h h 3 а е t(c) 1 T Нормальная реограмма артериального сосуда характеризуется крутым систолическим подъемом (а-б-в)-анакрота и дикротическим спуском-(в-г-д-е)-катакрота. Амплитуда и площадь (интеграл)реограммы изменяются при изменении ударного объема, частоты сердечных сокращений,кровяного давления и изменениях в самой сосудистой системе. Характер пульсовой кривой может изменяться от следующих факторов: 1. Систолического выброса,целостности артериального полулунного клапана и скорости крови в исследуюмом сегменте.. От вязкости крови. 3. От внутреннего состояния сосудистой стенки (растяжимость,эластичность, тонус). Характеристики реограммы: 1. -характеризует состояние крупных сосудов-артерий.. 1 -быстрое кровенаполнение- характеризует модуль упругости стенок. 3. -медленное кровенаполнение (зависит от упругих свойств стенки). 4. -характеризует тоническое состояние сосудов. T

Рассчитать смещение максимума спектра флюоресценции (200 нм), если известно, что потеря энергии кванта флюоресценции от поглощения составляет 50%.

Флюоресценция - это явление, при котором лучистая энергия невидимой коротковолновой части спектра (ультрафиолет) абсорбируется объектом, часть этой энергии теряется, а остальная испускается уже в видимом диапазоне и ощущается нами, как цвет.

Поскольку энергия кванта излучения пропорциональна его частоте, то частота при этом уменьшается, а длина волны возрастает.

где Е – энергия кванта, h – постоянная Планка,  – длина волны, с – скорость света.

Е / Е1 = 2, следовательно, Е1 = Е/2

1 /  = E1 / Е = Е/2/Е = 2

1 = 200*2 = 400 нм

Происходит параллельное образование веществ В и С из вещества А сконстатами Кв и Кс соответственно (Кв=5Кс). Определить какого вещества(В и С) и во сколько раз образуется больше.

Таким образом, вещества В образуется в 5 раз больше.

Активный транспорт поддерживает внеклеточный градиент для ионов Nа+ как 100:1. Сколько требуется для этого энергии на 1 моль иона, если внеклеточная концентрация Nа+ 10 ммоль?

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+.

Вторично активный транспорт не зависит от концентрации Na+ вне клетки, а зависит от концентрации градиента ионов Na+. Градиент Na+ является движущей силой, промежуточной стадией в процессе использования энергии (в системе вторично активного транспорта).

Свободную энергию F можно найти по формуле:

Принимая температуру в клетке равной 37 С, получаем:

F = RTlnС1/С2 = 8,314 * 37 * ln 10 = 708,31 Дж

Каким был импеданс ткани при частоте поляризации равным 5, импеданс при частоте 10 кГц был равен 5 кОм.

Пассивные электрические свойства биологических тканей характеризуются импедансом (полным сопротивлением), величина которого определяется емкостной и активной проводимостью с соответствующей индуктивностью тканей.

В области низких частот импеданс тканей определяется, в основном, их резистивными свойствами. К этой области относятся ткани, обладающие высокой электропроводностью (нервная ткань). В область средних частот входят ткани, электрические свойства которых определяются и резистивными и емкостными свойствами (паренхиматозные органы). В области высоких частот электрические свойства тканей носят емкостный характер (мембраны, липиды). Замедленные механизмы поляризации в этой области частот могут приводить к значительным диэлектрическим потерям в тканях (нагревание).

Таким образом, живую клетку можно представить в виде колебательного контура с емкостью и сопротивлением, причем емкость (мембрана) определяется свободнорадикальными реакциями и системой антиоксидантной защиты, а сопротивление - ферментативным окислением.

Между сопротивлением и частотой поляризации существует обратнопропорциональная зависимость.

Таким образом, с увеличением частоты поляризации сопротивление уменьшается, тогда при частоте поляризации равной 5, импеданс будет равен 2,5 кОм.

Произошло снижение периферического сопротивления сосудов на 20%. Какова в этом роль вязкости крови, если "общая" длина сосудистого русла снизилась в 1,2 раза, а "общий" радиус увеличился в 1,5 раз?

Закон Пуазейля является основным законом гемодинамики хотя в строгом смысле он применим только для непульсирующего ламинарного потока при однородной и постоянной вязкости жидкости (Mc Donald, 1960). Ценность этого закона заключается в том, что он дает количественную характеристику основных факторов обеспечивающих движение крови по сосудам и их взаимосвязь.

В приложении к гемодинамике закон Пуазейля чаще всего записывают в следующем виде:

Q - объем крови, протекающей за единицу времени через поперечное сечение сосуда.

P1 - P2 - градиент давления в начале и конце системы.

R - сопротивление кровотоку.

В свою очередь сопротивление кровотоку описывается следующей формулой:

l - длина сосуда

r - радиус сосуда

υ - вязкость крови

υ 1 = R1 π r14 / 811

l /l1 = 1,2, следовательно, l1 = l / 1,2

r 1 / r = 1,5, следовательно, r 1 = 1,5 / r

R / R1 = 1,2, следовательно, R1 = R / 1,2

υ 1 = R1 π r14 / 811 = (R / 1,2) π (1,5 / r)4 / 8 (l / 1,2)

υ 1 / υ = (R / 1,2) π (1,5 / r)4 / 8 (l / 1,2) / R π r4 / 81

То есть при снижении периферического сопротивления сосудов на 20% вязкость крови вязкость крови увеличилась в 5,0625 раз.

Список литературы

Физиология человека / Под. ред. Р. Шмидта, Г. Тевса, Т. 3. Кровь. Кровообращение. Дыхание. М.: Мир, 1986.

Основы физиологии человека / Под. ред. Б.И. Ткаченко. Санкт-Петербург: Международный фонд истории науки, 1994. Т. 1.

Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981.

Беркемблит М.Б., Глаголева Е.Г. Электричество в живых организмах. – Москва: Наука, 1988 .

Бионика. – Москва: Наука, 1965.

Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. – Москва: Наука, 1986.

Енохович А.С. Справочник по физике. – Москва: Просвещение, 1990.

Иваницкий Г.Р. Мир глазами биофизика. – М.: Педагогика, 1985.

Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии и биологии. – Москва: Просвещение, 1986.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – Москва, Просвещение, 1988.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Медбиофизика. doc

Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление и емкость (диэлектрическая проницаемость). Изучение пассивных электрических свойств биологических объектов имеет большое значение для понимания структуры и физико-химического состояния биологического вещества.

Биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обусловливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов и величина диэлектрической проницаемости определяются структурными компонентами и явлениями поляризации.

Наилучшую электропроводимость (L= ) имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови, несколько меньшую - цельная кровь и мышечная ткань. Значительно меньше электропроводимость тканей внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками, то есть диэлектриками, являются роговой слой кожи, связки и сухожилия и особенно костная ткань без надкостницы.

Электропроводимость отдельных участков организма, находящихся между электродами, наложенными непосредственно на поверхность тела, существенно зависит от сопротивления кожи и подкожных слоев.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Электропроводность органов и тканей обусловлена присутствием в них ионов, которые являются свободными зарядами, создающими в организме ток проводимости под действием ЭМП, как излучаемых внешними источниками, так и генерируемых живыми клетками. Ток проводимости в живых тканях зависит от их типа, вида и возраста животного, а для тканей, клетки которых представляют собой волокна, - от их ориентации относительно направления ЭМП. Сильное влияние на электропроводность биологических объектов оказывает содержание в них воды. К тканям с низким содержанием воды (около 15% массы ткани) относятся костная и жировая. Их удельная электропроводность невелика: 0,02-0,03 См*м -1 на частотах ЭМП ниже 1 кГц и около 0,2-0,3 См*м -1 на более высоких частотах, вплоть до 10 ГГц. В тканях с большим содержанием воды (от 70 до 80% массы ткани – в почках, печени, сердечной и скелетных мышцах, головном мозге) удельная электропроводность примерно на порядок выше (до 1 См*м -1 ). Заметим, что для ЭМП, вектор Е которого параллелен направлению мышечных и нервных волокон, удельная электропроводность нервных и мышечных тканей выше, чем при перпендикулярном направлении вектора Е.

Говоря о разной электропроводности биологических объектов, содержащих мало или много воды, следует иметь в виду, что электропроводность самой воды ничтожна. Так, у дистиллированной воды при комнатной температуре удельная электропроводность составляет 10 -5 -10 -4 См*м -1 , а у воды, перегнанной в вакууме, и того меньше – 10 -7 См*м -1 . Растворение в воде солей резко повышает электропроводность. Например, изотонический раствор хлорида натрия в воде (0,85% или 0,15М) при температуре тела человека (около 37 о С) имеет удельную электропроводность 0,15 См*м -1 .

Примерно такой же удельной электропроводностью обладают биологические жидкости, не содержащие клеток: плазма крови и ликвор – 1,5 См*м -1 , жёлчь – 1,7 См*м -1 . Моча, будучи гипертоническим водным раствором, имеет Л=2,6-3,3 См*м -1 .

За счет форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов, кровяных пластинок) цельная кровь обладает меньшей удельной электропроводностью, чем кровяная плазма – 0,5-0,7 См*м -1 . Но даже эта величина превосходит числа, характеризующие электропроводящие свойства внутренних органов. У целых органов Л на 4-6 порядков ниже, чем у жидкостей, выделенных из них. Причиной несовпадения результатов измерений являются малые объемы, занимаемые свободными электролитами в органах и тканях животных. В клетке электролиты заключены в мельчайшие отсеки (компартменты), образованные биомембранами, составляющими более 50% массы клетки. По существу каждый клеточный органоид представляет собой компартмент. Его содержимое и окружающий цитозоль обладают относительно высокой электропроводностью, тогда как разделяющая их мембрана является диэлектриком (Л=10 -11 См*м -1 ). В целом электропроводность живых тканей определяется, прежде всего, электрическими свойствами крови, лимфы, ликвора, межклеточной жидкости и цитозоля, причем подвижность ионов в биологических жидкостях примерно такая же, как в растворах соответствующих солей, приготовленных на дистиллированной воды.

Во многих экспериментах измерялось электрическое сопротивление (резистанс) живых тканей, которое зависит как от удельной электропроводности, так и от геометрических параметров среды (длины – l и площади поперечного сечения – S исследуемого образца):

Обычно определяют удельное сопротивление плазмолеммы (R_M), используя своеобразную единицу измерения: Ом*см 2 . Удельным сопротивлением (ρ) среды называют сопротивление единицы ее объема. Однако при измерениях трансмембранного сопротивления невозможно точно измерить ничтожную толщину мембраны (l). Поэтому за R_M принимают сопротивление единицы мембранной поверхности независимо от величины l, т. е. R_M = ρ* l. Отсюда становится понятной единица измерения R_M : [Ом*см*см= Ом*см 2 ]. У разных клеток R_M, измеренного на постоянном токе, весьма различно. Так, R_M плазмолеммы нейрона пиявки составляет 1,7 кОм*см 2 , мотонейрона золотой рыбки – 0,6 кОм*см 2 , гладкомышечных волокон кишки млекопитающего (кошки) – около 1 кОм*см 2 , диафрагмальных волокон крысы – примерно 0,4 кОм*см 2 . Резистанс разных клеточных мембран одного и того же животного также далеко не одинаков. Например, у лягушки мембрана перехвата Ранвье имеет R_M = 10-20 Ом*см 2 , фазного мышечного волокна – 4 кОм*см 2 , тонического мышечного волокна – 29 кОм*см 2 . От величины R_M существенно зависят многие биофизические свойства клеточных структур, например скорость распространения возбуждения по ним.

Живым тканям свойственна зависимость электропроводности от частоты воздействующего ЭМП. Этот феномен получил название дисперсии электропроводности. С повышением частоты электропроводность тканей увеличивается. Дисперсия электропроводности установлена в низкочастотном и высокочастотном диапазонах. По данным Л.А.Цивирко (1983), электропроводность мозга кролика для тока частотой 200 кГц почти в 20 раз больше, чем для тока частотой 40 Гц. Аналогичная закономерность установлена и для печени крысы. На средних частотах дисперсия электропроводности менее выражена, а на высоких – снова проявляется довольно отчетливо. Так, при изменении частоты ЭМП от 25 МГц до 8,5 ГГц сопротивление скелетной мышцы снижается примерно в 10 раз.

Дисперсия электропроводности присуща всем неоднородным средам, а не только биологическим. Она наблюдается в том диапазоне частот ЭМП, которые соответствуют характеристическим частотам (v_x) заряженных частиц, входящих в состав той или иной среды. Поскольку однородные среды образованы частицами с близкими значениями v_x, то дисперсия электропроводности в них практически не выражена. Поэтому сопротивление резисторов в цепях переменного тока называют активными, в отличие от реактивных сопротивлений емкости и индуктивности (X_c и X_L), которые гораздо сильнее зависят от частоты, чем R. По той же причине нередко утверждается, будто дисперсия электропроводности – специфическое свойство биологических систем. На самом же деле характерная особенность живых тканей состоит в том, что у них зависимость электропроводности от частоты гораздо отчетливее, чем у сред с менее сложной организацией, и обнаруживается в широком частотном диапазоне. Это обусловлено сложной, прежде всего мембранной, структурой тканей и большим разнообразием релаксационных способностей их заряженных частиц, причем 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.

Метод измерения электропроводности называют кондуктометрией.

Усредненные электрические характеристики тканей собак in vivoв области низких частот

Читайте также:

Пассивные электрические свойства биологических тканей реферат

Похожие рефераты:

Прикрепленные файлы: 1 файл

Медбиофизика. doc