Kompendium_po_biofizike_1

направленная противоположно внешней, что и приводит к уменьшению тока. Тогда закон Ома запишется в виде:

Вещества обладают свободными и связанными зарядами. Свободные заряды (электроны и ионы) будут перемещаться под действием поля от одного электрода к другому, создавая ток проводимости. В клетках свободные ионы будут перемещаться только от одной мембраны к другой (в пределах самой клетки).

Поляризация – процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование электродвижущей силы, направленной против внешнего поля.

Виды поляризации:

Электронная поляризация – смещение ионов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в атомах и ионах.

Ионная поляризация – смещение иона относительно кристаллической решетки. Дипольная поляризация – переориентация свободных полярных молекул. Такая поляризация имеет большое значение в веществах, обладающих большим дипольным моментом (в воде, спиртах).

Макроструктурная поляризация возникает в результате перемещения ионов электролита в пределах отдельных проводящих слоев (например, внутри клетки). В результате этого процесса возникают образования, обладающие гигантским дипольным моментом, направленным также против внешнего поля.

Первичное действие постоянного тока на биологические ткани обусловлено явлениями поляризации. При этом в тканях возникают структурные перестройки, которые изменяют течение локальных биохимических процессов и формируют ответ на воздействие током на органном и организменном уровне, который в некоторых случаях проявляется в достижении положительного терапевтического эффекта.

Гальванизация – терапевтический метод воздействия на тело человека постоянным током напряжением до 80В и силой тока до 50мА. Между электродом и кожей помещают гидрофильные

141

прокладки, снижающие сопротивление кожи и устраняющие прижигающее действие тока под сухими электродами. Применение данного метода повышает или снижает функции тканей, оказывает болеутоляющий эффект, улучшает периферическое кровообращение, восстанавливает пораженные ткани, в том числе и нервы. Ток, раздражая множество нервных окончаний, вызывает не только местную, но и более или менее выраженную общую реакцию, стимулирует регуляторную функцию нервной системы.

Лекарственный электрофорез – метод введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки с помощью постоянного тока. Так же, как и при гальванизации, через ткани пропускают постоянный ток небольшой по величине, только на электроды наносят раствор лекарственного вещества. Ионы, содержащиеся в этом растворе, проникают в ткани под действием приложенной разности потенциалов. Правильно вводить лекарство с того полюса (электрода), зарядом которого оно обладает: анионы вводят с катода, катионы с анода.

3. Электропроводность биотканей для переменного тока. Зависимость импеданса биологических объектов от частоты электрического тока.

Для описания как активных, так и реактивных свойств биологической ткани используется показатель импеданса Z – полного сопротивления ткани:

Z R iR ,

где R – активное сопротивление ткани, Х – реактивное

– мнимая единица. Использование мнимой единицы для записи величины импеданса позволяет не смешивать при расчетах омические и емкостные показатели.

Кроме величин активной и реактивной составляющих импеданса, электрические свойства биологических тканей можно описать с помощью двух других показателей – модуля импеданса

От показателей модуля и фазы импеданса всегда можно

активной, так и реактивной его составляющих импеданса. При исследовании электрических характеристик живых тканей в широком диапазоне частот переменного тока проявляется эффект дисперсии − модуль импеданса биологических объектов с увеличением частоты уменьшается до некоторой постоянной величины (см. рисунок 56). Зависимость, подобная показанной на рисунке 56, свойственна только живым тканям.

переменном токе ниже, чем при измерениях на постоянном токе;

143

2. значение Z не зависит от величины тока, если величина тока не превышает физиологическую норму;

3.Zна данной частоте постоянно, если не изменяется физиологическое состояние ткани;

4.Z изменяется при изменении физиологического состояния объекта.

Наличие в биологических системах емкостных сопротивлений подтверждается сдвигом фаз между силой тока и напряжением. Величина сдвига фаз определяется соотношением емкостного и омического сопротивлений. Для биологических систем характерна большая величина сдвига фаз. Это показывает, что доля емкостного сопротивления в биологических объектах велика. Например, величины сдвига фаз, полученных на биологических объектах при частоте 1000 Гц:

для кожи человека 55 , для нерва лягушки 84 , для мышцы кролика 65 .

Для изучения закономерностей прохождения переменного тока через биологические ткани используют эквивалентные схемы, т.е. такие комбинации соединения омического сопротивления и емкости, которые в первом приближении могут моделировать электрические параметры клеток.

Рассмотрим примеры несложных эквивалентных схем.

1. Схема состоит из последовательно включенных омического сопротивления R и конденсатора С (см. рисунок 58-

а).

Рисунок 58. Схема с последовательно включенными омическим R и емкостным С сопротивлениями (а) и график изменения модуля импеданса |Z| от частоты ν (б)

144

На рисунке 58 видно, что при малых частотах значения модуля импеданса для данной схемы будет большим, т.к. емкостное сопротивление при этом резко увеличивается ( Zпри 0), что не согласуется с характеристикой модуля импеданса для живой ткани. Живые ткани имеют определенные значения Z при постоянном токе (см. рисунок 56).

2. Схема состоит из параллельно включенных омического сопротивления и конденсатора (см. рисунок 59-а).

Рисунок 59. Схема с параллельно включенными омическим R и емкостным С сопротивлениями (а) и график изменения модуля импеданса |Z| от частоты ν (б)

Из рисунка 59-б) видно, что при больших частотах значение модуля импеданса данной эквивалентной схемы стремится к нулю ( Z 0 при ). У живых объектов Z с увеличением частоты снижается только до определенных значений (см. рисунок 56).

Сравнивая графики, изображенные на рисунках 58-б и 59-б, с зависимостью для живой ткани (см. рисунок 56), легко заметить, что приведенные схемы не удовлетворяют всему диапазону частот исследования.

Приблизить свойства схемы к живой ткани позволяет электрическая схема, состоящая из нескольких элементов, соединенных последовательно и параллельно (см. рисунок 60-а). Зависимость модуля импеданса Z от частоты для данной схемы представлена на рисунке 60- б.

145

Рисунок 60. Эквивалентная схема (а) и график зависимости модуля импеданса |Z| от частоты ν (б)

4. Реография как диагностический метод

Реография – метод исследования кровенаполнения органов и тканей или отдельных участков тела на основе регистрации их сопротивления переменному току высокой частоты.

Одна из причин изменения электрического сопротивления живых тканей – колебания их кровенаполнения. Использование высокочастотных токов необходимо для сведения к минимуму явлений поляризации в системе «электрод – кожа».

При применяемых в реографии частотах имеет место преимущественно ионная проводимость, так как проводниками служат жидкие среды организма, являющиеся слабыми электролитами. Ток при этом распространяется в основном по магистральным сосудам.

Изменения кровенаполнения и колебания электрического сопротивления тканей, расположенных между электродами, через которые пропускается ток высокой частоты, связаны формулой А.А. Кедрова:

исследуемом участке, практически равное изменению объема

сопротивления этого участка. В течение сердечного цикла Z изменяется в соответствии с изменением кровенаполнения исследуемого участка ткани: уменьшается при систоле и

146

возрастает при диастоле. Графическая запись Z во времени называется реограммой (см. рисунок 61).

Рисунок 61. Основные характеристики реограммы (h – амплитуда реограммы, h1 – амплитуда для расчета ударного объема крови, а – длительность восходящей части реограммы, Т– период реограммы, hк – высота калибровочного импульса)

Вкаждой реографической волне выделяют начало, вершину

иконец, восходящую (анакротическую) и нисходящую (катокротическую) части. На нисходящей части могут наблюдаться 1 – 2 дополнительные волны.

Кривая в норме достаточно регулярна. Нарушения регулярности зависят от изменения ритма сердечных сокращений

идыхания. Регулярность может существенно нарушаться при патологии, например, при выраженной сосудистой дистонии.

Анализ реограмм производится по оценке еѐ временных и амплитудных показателей.

Реограф – электронное устройство, предназначенное для преобразования колебаний импеданса живой ткани или его составляющих, обусловленных пульсовыми изменениями кровенаполнения в пропорциональный электрический сигнал.

Принцип работы реографа заключается в следующем: от генератора высокой частоты реографа с помощью электродов через исследуемый орган пропускается ток высокой частоты. При этом на исследуемом участке (органе) возникает падение напряжения. Изменения кровенаполнения в исследуемом органе приводят к изменениям его импеданса и пропорциональным изменениям амплитуды высокочастотного напряжения. После

147

усиления с помощью детектора и фильтров выделяется низкочастотная составляющая, представляющая собой реографический сигнал (реограмму) – см. рисунок 62.

Рисунок 62. Схема реографа

Используется переменный ток с частотами 30-300 кГц, величина тока составляет 1-5 мА.

Реоэнцефалография − метод исследования мозгового кровообращения, основанный на измерении и записи пульсовых колебаний полного электрического сопротивления (импеданса) головного мозга при пропускании через него тока высокой частоты, слабого по силе и напряжению.

5. Оценка жизнеспособности тканей путем измерения импеданса ткани при различных частотах переменного тока.

Как известно, сопротивление мертвой ткани практически не зависит от частоты. Поэтому по частотной зависимости импеданса можно оценивать жизнеспособность тканей организма (например, для оценки качества трансплантата при пересадке тканей и органов). Вычисляется коэффициент поляризации К, который представляет собой отношение импеданса ткани Zн, измеренного на низкой частоте (порядка 103 Гц), к ее импедансу на высокой частоте Zв (106 – 107 Гц).

148

KZ н Zв

Для живой ткани этот коэффициент значительно больше единицы.

149

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМПУЛЬСНОЙ ЭЛЕКТРОТЕРАПИИ

1. Электрический импульс, импульсный ток и их физические характеристики

Электрическим импульсом называется кратковременное изменение напряжения в электрической цепи. Если цепь замкнута, то в ней в ответ на импульс напряжения появится импульс тока, возникнет т.н. импульсный ток.

Все импульсы делятся на два класса: видеоимпульсы, имеющую преимущественно одну полярность, и радиоимпульсы, имеющую преимущественно не имеющие полярности.

По форме видеоимпульсы делятся на: прямоугольные, трепецивидные, экспоненциальные, колоколообразные, треугольные и т.д.

Одиночный импульс характеризуется следующими величинами:

Амплитуда тока ( I0 ) или амплитуда напряжения (U0 ) –

максимальное значение величины в импульсе.

1.Длительность импульса и – время в течение котрого значение величины больше 0,1U0 .

2.Длительность фронта ( фр. ) – время, за которое напряжение

(или ток) возрастает от уровня 0,1U0 до уровня 0,9U0 . С длительность фронта связана крутизна (Кр) фронта импульса:

Kp 0.9U 0 0.1U 0 0.8U 0 .

3. Длительность спада ( сп. ) – время, за которое ток или напряжение уменьшается от уровня 0,9U0 до уровня 0,1U0 . Существенного физиологического значения для электростимуляции длительность спада не имеет.

Последовательность импульсов характеризуется следующими параметрами:

150