4. Зміст теми:

5. Теоретичні відомості: Бiологiчнi тканини i органи – дуже складнi рiзнорiднi утворення, складовi яких мають рiзнi електричнi властивостi. Так, наприклад, кров, лiмфа, мiжклiтинна й спиномозкова рiдина добре проводять електричний струм, а кiстка, суха шкiра є дiелектриками. Електропровiднiсть біологічної речовини зумовлена наявнiстю в нiй iонiв, рухомiсть яких залежить вiд рiзноманiтних структурних факторiв, головним з яких є клiтиннi мембрани.

Електричний струм, який тече через живу тканину пiд дiєю постiйної рiзницi потенцiалiв з часом зменшується, досягаючи деякої постійної величини (мал. 1). Для опису такої поведiнки бiологiчних тканин використовують еквiвалентнi електричнi схеми, якi в найпростiшому випадку складаються з опору та ємностi. На мал.2 наведений найпростiший приклад такої схеми, яка дозволяє зрозумiти, чому електричний струм зменшується.

Це пов’язано з тим, що з моменту пiдключення джерела струму починається зарядка конденсатора, яка триває до того часу, поки на ньому не виникне рiзниця потенцiалiв, яка дорiвнює електрорушiйнiй силi джерела струму. Таким чином на початку струм тече по двох паралельних дiлянках, а потiм тiльки по однiй (через опiр R₁). Опiр R₁ є еквiвалентом опору мiжклiтинних промiжкiв, опiр R₂ – еквiвалентом внутрiклiтинного опору, а ємнiсть – еквiвалентом ємностi мембрани.

Характерним прикладом, який також вiдбиває електричнi властивостi, є поведiнка опору при запаленнях живої тканини. Величина опору при цьому збiльшується, за рахунок того, що при набуханнi клiтин, яке викликане запаленням, зменшуються розміри мiжклiтинних промiжкiв, i, як наслiдок, збільшується їх електричний опiр. На схемi, яка зображена на малюнку 2, це вiдповiдає збiльшенню опору R₁.

Окрiм статичної ємності мембран, дуже важливе значення має так звана поляризацiйна ємнiсть, котра виникає в зовнiшньому електричному полi внаслiдок такої переорiєнтацiї та обмеженого перемiщення електричних зарядiв, якi створюють електрорушiйну силу, направлену проти цього поля. За своєю природою поляризацiя роздiляється на декiлька видiв:

1. Електронна поляризацiя – деформацiя електронних орбіт, внаслiдок чого атом перетворюється в iндукований диполь (мал. 3а).

2 . Дипольна поляризацiя – переорiєнтацiя полярних молекул пiд дiєю зовнiшнього електричного поля (мал. 3б).

3. Макроструктурна поляризацiя – перемiщення вiльних iонiв та iнших зарядiв у межах електричної неоднорiдностi (частка, включення, клiтина i т.п.), внаслiдок чого ця неоднорiднiсть набуває перемiщення (мал. 3в).

4. Поверхнева поляризація – переміщення досить великих частинок, які за рахунок створення подвійного електричного шару здатні рухатися в електричному полі (мал. 3г).

Цей час сильно залежить вiд маси частинок, якi перемiщуються, та вiдстанi, на яку вони перемiщуються, i становить для електронної поляризацiї 10^-16–10^-14 с, для дипольної – 10^-13–10^-7 с, для макроструктурної – 10^-8–10^-3 с i для поверхневої може досягати декiлькох секунд.

Найбільш повну інформацію про електричнi властивостi бiологiчних тканин можна отримати при використаннi змiнного струму. Ефективний опiр змiнному електричного струму ланцюга, в якому присутнi резистори та ємності, має назву iмпеданс.

Опiр окремої ємностi залежить, як вiд величини цiєї ємностi С, так i вiд частоти струму й дорівнює 1/C. Iмпеданс послiдовно з’єднаних резистора та ємностi дорiвнює:

, (1)

а для паралельного з’єднання:

Як видно з цих формул, iмпеданс зменшується з ростом частоти струму. Це явище, яке має назву дисперсія iмпедансу, спостерiгається також i для бiологiчних тканин, до того ж в них важливу роль вiдiграють поляризацiйнi ефекти. Вплив останнiх зумовлений тим, що при збiльшеннi частоти, у зв'язку зі зменшенням тривалостi перiоду перемiнного струму, послiдовно зникають тi види поляризацiї, час релаксацiї яких стає більшим, нiж половина цього перiоду. Дисперсія iмпедансу властива тiльки живим бiологiчним тканинам.

На мал. 4. показана залежнiсть iмпедансу м'язової тканини вiд частоти при вiдмираннi: 1 – жива тканина (чiтко виявлена дисперсія), 2 – пошкоджена (зменшення дисперсії), 3 – мертва (вiдсутнiсть дисперсії). У живiй тканинi на малих частотах за рахунок великого опору ємностi мембран, електричний струм переважно тече по мiжклiтинних промiжках. У зв'язку з тим, що при вiдмираннi тканини мембрани стають проникливими, тобто їх ємнісні властивостi зникають, iмпеданс на малих частотах сильно зменшується, i вiн перестає залежати вiд частоти. На практицi для оцiнки життєздатності тканин вимiрюють так званий коефіцієнт поляризація K – вiдношення iмпедансiв при двох частотах (10⁴ i 10⁶ Гц). Дослідження такого характеру мають важливе значення в трансплантологiї для визначення життєздатноcтi консервованих тканин та органiв.

У зв'язку з тим, що кров є одним з найкращих провiдникiв електричного струму в органiзмi, iмпеданс тканин та органiв залежить вiд пульсових коливань кровjнаповнення. На вимiрюваннi зазначених змiн iмпедансу заснована реографiя – дiагностичний метод, який дозволяє одержувати iнформацiю про тонус кровеносних судин. Треба вiдзначити, що характерними значеннями величин базового iмпедансу тканин та органiв на тих частотах, на яких знiмаються реограми (40-100 кГц) є 50 - 200 Ом, у той час як зниження iмпедансу при кровонаповненнi не перевищує 0,3 Ом, тобто реограма фiксує лише невеликi змiни iмпедансу на фонi досить значної початкової величини. Типовий вигляд реограми в нормi приведено на мал.5.

Такi реограми спостерiгаються для багатьох тканин та органiв i мають назву реокардiограма (серце), реомiограма (м'язи), реогепатикограма (печiнка), реопульмонограма (легенi), реоенцефалограма (мозок), реодентограма (зуби), реопародонтограма (пародонт) i т.д.