Імпеданс біологічних тканин.

Як показує експеримент, для біологічних тканин характерні великі значення кута зсуву фаз між силою струму і напругою причому сила струму випереджає за фазою напругу. Це свідчить, що частка ємнісного опору в біологічних об'єктах значна. Наведемо деякі значення кута зсуву фаз φ при частоті 1 кГц для різних біооб'єктів:

нерв жаби -64°

м'яз кролика -65°

шкіра жаби -55°

шкіра людини -55°

ламінарія -78°

Як правило, індуктивністю біологічних об'єктів нехтують і вважають, що їхній імпеданс дорівнює геометричній сумі активного R і ємнісного Х_с опорів. Для характеристики пропускання струму живими клітинами використовують еквівалентні електричні схеми, тобто такі комбінації С і R, які можуть моделювати електричні параметри біологічних тканин. Розглянемо найпростіші з них.

При послідовному сполученні R і С існують cсуттєві розбіжності при пропусканні постійного струму. Якщо ω →0, то схема чинить нескінченно великий опір постійному струмові (Z₀ → ∞), що не відповідає досліду з біологічними тканинами. Якщо ж С і R з'єднати паралельно, то при високих частотах (ω →∞) Z₀ → 0, що теж не відповідає дійсності. Для біологічних тканин характерне більш складне поєднання ємності й активного опору. При пропусканні через такі схеми високочастотного струму (ω →∞, а також і Х_с →0) їх імпеданс асимптотично наближається до деякої константи Z∞. ЦІ схеми з певним наближенням можуть бути еквівалентними електричними схемами біологічних тканин, але ні одна з них не може повністю відтворювати закономірності електричного струму через біологічні системи.

На рис. приведені графіки дисперсії (частотної залежності) імпедансу рослинної тканини: 1 - крива для нормальної здорової тканини; 2 - для нагрітої до t = 50°С протягом 2 хв; 3 - те ж саме протягом 4 хв; 4 - після кип'ятіння в воді протягом 20 хв.

З рисунка видно, що міру тканини зменшується, тобто спостерігається зменшення низькочастотного опору, тоді як частотах при високих частотах імпеданс практично залишається постійним. Причиною є те, що при відмиранні руйнуються мембрани - "живі конденсатори", і неживи біологічна тканина володіє суто омічним опором. Вказані особливості використовуються для оцінки фізіологічного стану об'єктів. Як правило, розраховується коефіцієнт дисперсії К, який дорівнює відношенню імпедансу при низьких частотах (102-104 Гц) до імпедансу при високих (106-108 Гц) частотах:

У нормальних тканинах К залежить від положення організму в еволюційному ряді. Наприклад, коефіцієнт дисперсії печінки ссавців дорівнює приблизно 9-10, печінки жаби - 3-4. При відмиранні тканин вказаний коефіцієнт наближається до одиниці Критерієм життєздатності є також частотна залежність тангенса кута зсуву фаз між силою струму і напругою. Вона дає уявлення по співвідношення між величинами активного і реактивного опорів:

Імпеданс тканин залежить також від їх функціонального стану, і це використовується в діагностиці. Імпеданс кровоносних судин залежить від їх кровонаповнення, а значить і від серцево-динної діяльності. На цьому базується діагностичний метод, який називають реографією. Реографія вивчає залежність активної складової імпедансу біологічної тканини від її деформації в процесі серцевої діяльності. Отримують реограми серця, головного мозку, магістральних судин, легень тощо. Відповідно до методики Кедрова вважається, що відносна зміна об’єму ділянки кровоносної судини (чи іншої біологічної тканини) ΔV/V прямо пропорційна зміні опору ΔR/R: ΔV/V ΔR/R

Співвідношення між активною та реактивною складовими опору може змінюватись при зміні фізіологічного стану та деяких патологіях. Наприклад, при запаленні на перших стадіях спостерігається збільшення активного опору тканин. Цей ефект зумовлений тим, що струм низької частоти йде переважно через міжклітинну рідину, яка володіє суто омічним опором. При запаленні клітини набухають і переріз міжклітинних ділянок зменшується, що й призводить до підвищення омічного опору. Ємнісний опір при цьому практично не змінюється, оскільки не змінюється структура клітин. Очевидним є той факт, що за змінного ємнісного опору збільшення омічного опору свідчить про набухання клітин, а зменшення омічного опору, навпаки, свідчить про зменшення об'єму клітин. Зворотний ефект спостерігається на ранніх стадіях онкологічних захворювань. Перетворення нормальних клітин у ракові супроводжується появою молодих клітин і підвищенням ємнісного опору.