- •Н.Ф. Рожков
- •Информационно-измерительная техника в медицине ОмГту-2004
- •1 Общие понятия о биологической и медицинской кибернетике
- •2 Определение характеристик слухового ощущения и звуковые измерения.
- •2.1 Необходимые теоретические сведения
- •3 Модели кровообращения. Физические основы клинического метода измерения давления крови
- •3.1 Модели кровообращения
- •Рис 3.1
- •3.2 Физические основы клинического метода измерения давления крови
- •4 Физические основы электрокардиографии (экг)
- •5 Принципы компьютерной обработки и анализ данных
- •5.1 Особенности компьютерного анализа данных
- •5.2 Современная технология анализа данных
- •5.3 Программные средства анализа данных
- •5.4 Определение основных статистических характеристик с использованием электронных таблиц Excel
- •5.5 Выявление достоверности различий
- •5.6 Выявление взаимосвязей
- •5.7 Использование пакета Excel для решения более сложных задач обработки данных
- •6 Исследования параметров внешнего дыхания
- •6.1 Методы исследования функций внешнего дыхания
- •7 Ритмокардиография Физиологические основы
- •8 Возможности диагностики и лечения магнитным полем
- •8.1 Основные понятия
- •8.2 Магнитные свойства тканей организма
- •8.3 Способ диагностики заболевания различных органов человека
- •8.4 Лечение электромагнитными полями
- •9 Биофизические основы методов реографии и реоплетизиографии
- •9.1 Электрические свойства тканей организма
- •9.2 Биоимпедансные исследования, положенные в основу методов реографии и реоплетизмографии
- •9.3 Биоимпедансные характеристики живых тканей на переменном токе
- •9.4 Устройство для измерения импеданса тканей организма человека
9 Биофизические основы методов реографии и реоплетизиографии
9.1 Электрические свойства тканей организма
Биологические объекты с физической точки зрения являются проводниками особого рода, характеристики которых резко отличают их от любых других проводников [13]. Биологические системы отличаются от других систем сложностью, вариабельностью элементов электрических характеристик аналогичных объектов и высокой динамичностью, обусловленной необходимостью постоянного приспособления к изменяющимся условиям внешней среды [Ливенцев Н. М., 1978]. Живые ткани представляют собой сложную гетерогенную структуру, состоящую из слоев ячеек с различными диэлектрическими проницаемостями.
Физическую структуру живой ткани как биологической материи Н. Schwan (1955) рассматривает с точки зрения мембранной теории, согласно которой не только клетки, но и многие внутриклеточные компоненты окружены полупроницаемыми мембранами. Установлено, что ткани человеческого тела обладают способностью проводить как постоянный, так и переменный электрический ток [Hober R., 1914; Osterhout W., 1936; Mann H., 1937, и др.]. По данным Н. Schwan (1955), прохождение электрического тока через биологические материалы связано с наличием свободных заряженных частиц.
В
состав живых тканей, кроме белковых
частиц, входит большое количество солей
(NaCl,
К) и свободная вода. Следовательно,
основной их проводящей средой является
электролит. Уже в ранних исследованиях
[Hober
R.,
1914; Fricke
H.,
1925; Cole
К., Curtis
H.,
1939, и др.] отмечалось, что живая ткань
является проводником второго рода
и ее электрические свойства обусловлены
ионным составом и наличием высокомолекулярных
соединений. При этом было установлено
также, что различные среды и ткани живого
организма имеют разную электропроводность.
По данным Н. Н. Малова и С. Н. Ржевкина
(1929, 1932), Н. Л. Ливенцева (1978) и др., наибольшую
электропроводность имеют спинномозговая
жидкость и сыворотка крови, несколько
мень
Как известно, электропроводность (g) — величина, обратная сопротивлению проводника:
(9.1),
где: r — величина, характеризующая электрическое сопротивление.
При исследованиях тканей биологических объектов обычно определяют не электропроводность, а сопротивление электрическому току. Сопротивление проводника выражается формулой:
(9.2),
где
р — удельное сопротивление;
— длина проводни
Первые исследования характеристик биологических объектов проводились на постоянном токе и показали, что удельное сопротивление живых тканей измеряется величинами до 105 Ом*см, что относило их к группе полупроводников.
Сопротивление участков тела при постоянном токе и электродах площадью 4—5 см2 обычно лежит в пределах 5—10 кОм, а при точечных электродах может достигать 100 кОм и более [Ливенцев И.М., 1976; Манойлов В. Е., 1976, и др.].
Измерениями
установлено [Яглова Л. Г., 1968], что при
прохождении постоянного тока через
живые ткани сила тока (I0)
не остается постоянной во времени, а
сразу же после наложения потенциала
начинает непрерывно падать до тех
пор, пока не установится на более низком
постоянном уровне (Iт).
Это явление объясняется тем, что при
прохождении тока через биосистему в
ней возникает встречная электродвижущая
сила (ЭДС) и обусловливает появление в
тканях биологической системы
поляризационной емкости, величина
которой мо
(9.3),
где Ср — поляризационная емкость; R — сопротивление; I — сила тока; I0 — начальная сила тока; Iт — конечное значение силы тока, причем
(9.4),
где Q — количество электричества, накапливаемое за время t.
Вместе с тем изменение силы тока от I0 до Iт в такой цепи происходит не по прямой линии, а имеет нелинейный характер. Получается как бы отклонение от закона Ома, согласно которому при постоянной разности потенциалов ток в проводнике должен быть постоянным во времени. Это свидетельствует о нелинейности сопротивления биологической ткани. Тогда закон Ома для биологического объекта следует записать:
(9.5),
где V — разность потенциалов; P(t) — ЭДС поляризации как функция времени.
Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них тока, т. е. с емкостными, диэлектрическими свойствами биологических объектов, обусловленными явлениями поляризации [Губанов Н. И., Утепбергенов А. А., 1978]. Высокая поляризационная емкость — характерное свойство живых неповрежденных клеток [Яглова Л. Г., 1968]. В зависимости от способности к поляризации удельное сопротивление тканей колеблется в различных пределах.
Поляризационная емкость различных биологических объектов, измеренная при постоянном токе, а также при токе низкой частоты от 50 до 500 Гц достигает больших величин — от 0,1 до 10 мкф/см2 [Cole К., Certis H., 1939]. Во избежание поляризации при определении сопротивления электролитов Н. Kohlrausch (1914) предложил использовать переменный ток. Это обусловило в дальнейшем применение переменного тока во многих косвенных способах исследования различных процессов.