1.2. Диэлектрические свойства биологических тканей.

Диэлектрические свойства биотканей определяются присутствием в них воды, растворенных в воде макромолекул, а также компартментализацией клеточных и макроскопических структур.

Компартментализация способствует оптимальному протеканию биохимических реакций, но с другой стороны, приводит к тому, что биоткани приобретают сегнетоэлектрические (электретоподобные) свойства. Вследствие наличия заряженных компартментов биоткани обладают высоким значением e, особенно на НЧ. Заряженные слои ведут себя во внешнем поле как домены с высоким значением электрического дипольного момента и низкой характеристической частотой релаксации f_x. Применительно к диполям f_x соответствует максимальной частоте внешнего ЭМП, которую они способны воспроизводить своим поворотом в нем. В результате подобных поворотов достигается высокая степень экранирования внешнего ЭМП. Диапазон частот f_x для различных внутриклеточных компартментов простирается от долей герца до 1-10кГц.

На границе раздела электролита и белкового матрикса биоткани образуется двойной электрический слой с большим значением электрического дипольного момента. Причём характерный размер разделённых зарядов в диэлектрике существенно больше, чем в электролите. Наличие регулярно расположенных границ раздела приводит к тому, что в объёме ткани возникает макроскопический дипольный момент (рис.1.3).

Рис. 1.3. Образование дипольной структыры на границе раздела. Слева электролит, справа белковый матрикс, стрелки указывают направление перехода электронов, L - характерная длина эквивалентного диполя р.

На более высоких частотах диэлектрические свойства определяются полярными макромолекулами, сосредоточенными как во внутри и внеклеточной жидкости, так и в двойном слое мембраны клеток.

У разных белковых молекул f_x охватывает диапазон от 10 кГц до 100 МГц и зависит от размеров молекулы и вязкости среды. Существует формула для оценки характеристической f_x в жидких средах заполненных диполями:

где r- характерный размер диполей; h- вязкость среды; T- температура.

Т.е. частота релаксации одной и той же молекулы в цитоплазме и в плазме крови отличаются, т.к. вязкости разные.

На СВЧ частотах основной вклад в диэлектрические свойства вносит вода, частота релаксации которой составляет 20 ГГц. Именно в воде происходят основные диэлектрические потери при действии СВЧ излучения (f_x воды попадает в диапазон сантиметровых волн).

Все эти явления приводят к дисперсии – зависимости диэлектрической проницаемости от частоты. Типичный вид дисперсии приведён на рис.1.4.

.

Рис. 1.4. Дисперсия диэлектрической проницаемости скелетной мышцы.

Для биотканей принято выделять три частотные области дисперсии.

-дисперсия: её диапазон простирается до ~ 10 кГц. Эта область обусловлена наличием клеточных компартментов, релаксацией зарядов на микрососудах, фасциях, соединительных прослойках внутренних органов и других неоднородностях.

 -дисперсия (10⁴-10⁸ Гц): обусловлена релаксацией макромолекул (как правило, белков).

-дисперсия: обусловлена релаксацией молекул воды и простирается до и более 10⁸ Гц.

В биотканях находящихся во внешнем переменном ЭМП, возникают токи проводимости и токи смещения. По мере повышения частоты ЭМП роль токов смещения возрастает, и они становятся превалирующими при f> 10⁶ -10⁷ Гц. Сказанное полностью относится к различным методикам высокочастотной электротерапии: если при диатермии (F=0.5-2.0 Мгц) ткани нагреваются в основном токами проводимости, то при УВЧ терапии (F=40-60 МГц) тепловой эффект связан с токами смещения.