25.2. Магнитные свойства тканей организма. Физические основы магнитобиологии

Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы.

Биотоки, возникающие в организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) создан диагностический метод -магнитокардиографня.

Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биоток), согласно закону Ома, пропорциональна напряжению (биопотенциал), то в общем магнитокардиограмма аналогична электрокар-

диограмме. Однако магнитокардиография в отличие от электрокардиографии является бесконтактным методом, ибо магнитное поле может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического объекта - источника поля. Развитие магнитокардиографии зависит от технических возможностей измерения достаточно слабых магнитных полей (см., например, 20.1).

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Это воздействие изучает раздел биофизики, называемый магнитобиологией.

Имеются сведения о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле, морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле, влиянии магнитного поля на нервную систему и изменение характеристик крови и т.д.

Естественно, что первичными во всех случаях являются физические или физико-химические процессы.

Такими процессами могут быть ориентация молекул, изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле, силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы, перемещающиеся вместе с биологической жидкостью, эффект Холла, возникающий в магнитном поле при распространении электрического импульса возбуждения, и др.

В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена. Этот важный вопрос находится в стадии исследования.

26. Переменный ток

В широком смысле слова переменный ток - любой ток, изменяющийся со временем. Однако чаще термин «переменный ток» применяют к квазистационарным токам, зависящим от времени по гармоническому закону. Переменный ток можно рассматривать как вынужденные электромагнитные колебания.

Квазистационарным называют такой ток, для которого время установления одинакового значения по всей цепи значительно меньше периода колебаний.

26.1. Полное сопротивление в цепи переменного тока. Резонанс напряжений

Представим цепь, в которой последовательно соединены резистор, катушка индуктивности и конденсатор (рис. 18.7). Напряжение на зажимах a, b цепи, создаваемое внешним источником, выражается по-прежнему зависимостью с амплитудой U_max. В последовательной цепи сила тока на всех участках одинакова, а напряжения различны. в общем случае сила тока в цепи и напряжение изменяются не в одной фазе, поэтому

cos (

Z- полное сопротивление цепи переменного тока, называемое импедансом.

Омическое сопротивление R цепи называют также активным, оно обуславливает выделение теплоты в цепи в соответствии с законом Джоуля-Ленца.Разность индуктивного и емкостного сопротивлений называют реактивным сопротивлением. Оно не вызывает нагревания элементов электрической цепи.

Если индуктивное и емкостное сопротивления цепи при их последовательном соединении одинаковы, то Z=R, и имеем tg =0 и =0 . Это означает, что сила тока и приложенное напряжение изменяются в одной фазе так, как будто в цепи имеется только омическое сопротивление; напряжения на индуктивности и емкости одинаковы по амплитуде, но противоположны по фазе. Этот случай вынужденных электрических колебаний называют резонансом напряжения.

При этом условии полное сопротивление Z цепи имеет наименьшее значение, равное R (при данных R, L и С),а сила тока достигает наибольшего значения. Векторная диаграмма для резонанса напряжений в цепи Если Lω >1/(Ссо), то tgcp >0 и φ >0, сила тока отстает по фазе от приложенного напряжения При Leo <1/(Ссо) имеем tgcp <0 и φ <0. Сила тока опережает по фазе напряжение.

26.2. ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (ИМПЕДАНС) ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕОГРАФИИ

Ткани организма 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 приложенное напряжение. Следовательно, емкостное сопротивление тканей больше индуктивного.

Моделировать электрические свойства биологических тканей можно,используя резисторы, которые обладают активным сопротивлением, и конденсаторы-носители емкостного сопротивления. В качестве модели обычно используют эквивалентную электрическую схему тканей организма. Она представляет собой схему, состоящую из резисторов и конденсаторов, частотная зависимость именданса которой близка к частотной зависимости импеданса биологической ткани.

Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и органов. Проиллюстрируем это графически (рис. 18.12). Здесь 1 -кривая для здоровой, нормальной, ткани, 2 - для мертвой, убитой кипячением в воде. В мертвой ткани разрушены мембраны - «живые конденсаторы», и ткань обладает лишь омическим сопротивлением.

Различие в частотных зависимостях импенданса получается и в случаях здоровой и больной ткани.

Как видно из (18.38), угол сдвига фаз между током и напряжением также может давать информацию о емкостных свойствах ткани.

Импеданс тканей и органов зависит и от их физиологического состояния. Так, при кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно-сосудистой деятельности.

Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс-плетизмография).

С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (рео-энцефалограмма), сердца(реокардиограмма), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Измерения обычно проводят на частоте 30 кГц.