Физика Лаб. раб. Часть 2

Таким образом, для объяснения электропроводимости биологических тканей наиболее удачна эквивалентная схема (6в), т.к. она объясняет электропроводимость биологической ткани и на низких и на высоких частотах переменного тока.

Импеданс биологических тканей и органов зависит от их физиологического состояния. При кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно– сосудистой системы.

Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса биологических тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией.

С помощью этого метода получают реограммы головного мозга (реоэнцефалограмма), сердца (реокардиограмма), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей.

Порядок выполнения работы

Упражнение № 1. Определение индуктивности катушки и зависимости ее индуктивного сопротивления от частоты переменного тока

1. Собрать схему установки, изображенной на рисунке 1, подключив к клеммам "L, C, ткань" катушку индуктивности.

Звуковой	Макет
генератор	Вход	Выход

Осциллограф вход «Y»

Рисунок 1. Структурная схема экспериментальной установки

2. Приступая к выполнению работы, установите следующие положения переключателей на осциллографе: кнопка "вход х"- в нажатом положении; ручки "стабильность" и "уровень"- в крайнее правое положение; ручку "вольт/делен." - на 0,1 В/дел.

На звуковом генераторе (ЗГ): ручками "множитель" и "лимб частоты" (в виде диска) установить частоту 300 Гц (на лимбе частоты должно быть 3, а множитель в положении "100"); ручку "амплитуда" (регулировка выходного напряжения) - в крайнее правое положение. Переключатель «форма» на звуковом генераторе установить в положение « ». Другие переключатели и

13

кнопки на приборах устанавливаются преподавателем или лаборантом.

3.На макете ручку "потенциометр" поставить в крайнее левое положение - (минимум).

4.Включить осциллограф и генератор (тумблер «сеть» расположен на обратной стороне прибора) в сеть. Через 1 – 2 минуты приступить к измерениям. На осциллографе ручками «Ò»

и―☼‖, ―↔‖ и ‖↕‖ установить не очень яркую четкую светящуюся точку в центре экрана.

5.Плавным вращением ручки "потенциометр" на макете и "амлитуда" на ЗГ установить по микроамперметру на макете ток силой в 200 мкА.

6.Измерить значение напряжения на катушке с помощью осциллографа. Для этого ручкой "вольт/делен" подобрать такую цену деления, чтобы вертикальная светящаяся линия составляла

от 3-х до 6 больших делений. Эффективное напряжение Uэф рассчитывается по формуле:

Uэф = (dy·Cy)/2,8 ,

где: dy - число делений по оси "Y" на осциллографе с точностью до 0,2 дел.

Cy - цена одного большого деления, задается ручкой "вольт/делен." измеренные значения dy и Cy и вычисленные значения Uэф занесите в таблицу 1.

7. Повторить измерения при всех частотах (множитель частоты «1к» соответствует умножению на 1000, 10к - 10000), указанных в таблице 1, поддерживая с помощью ручки "потенциометр" на макете и "амплитуда " на ЗГ силу тока, равную 200 мкА!!! (если на высоких частотах не удается установить ток 200 мкА, то взять значение тока 100 мкА).

14

Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

, Гц	dy	Cy,	Uэф (В)	Iэф	R (Ом)	Z (Ом)	XL	L (Гн)
	(дел.)	(В/дел.)		(мкА)			(Ом)
300				200	124
500
1000
2000
4000
6000

8.Отсоединить катушку индуктивности от макета.

9.Рассчитать значения Z, XL, L по формулам:

Z = Uэф/Iэф. L						.	L	X L
			2	R	2
								2

Т.к. R (указано на катушке) мало в сравнении с Z, то будем считать XL Z.

Упражнение №2. Определение емкости конденсатора и зависимости его емкостного сопротивления от частоты переменного тока

1. К клеммам "L,C, ткань" макета подсоединить конденсатор

С.

2.Измерить и рассчитать значения dy, Cy, Uэф, Iэф, ХС, С и занести их в таблицу 2, устанавливая частоты, указанные в таблице 2. Методика измерений остается такой же, что и в упражнении 1.

3.Выключить приборы из сети и отключить конденсатор С.

4.По формулам:

ХC=Uэф/Iэф;

C 1 2 X C

рассчитать емкостное сопротивление ХC и электроемкость конденсатора С.

15

					Таблица 2
, Гц	dy (дел.)	Cy (В/дел.)	Uэф (В)	Iэф (мкА)	Хс (Ом)	С (Ф)
20000				200
15000
10000
5000
2000
1000
500
		Контрольные вопросы

1.Основные характеристики переменного тока (мгновенные, амплитудные, эффективные значения напряжения

исилы переменного тока, период, частоту и фазу переменного тока).

2.Теории цепей переменного тока с R, L и C - нагрузками с выводом формул, векторные диаграммы.

3.Формулы импеданса при последовательном и параллельном соединении R, L и C с построением векторных диаграмм и выводом формул.

4.Закон Ома для цепи переменного тока.

5.Эквивалентные электрические схемы и емкостноомическую природу импеданса биологической ткани.

6.Физические основы реографии.

16

Лабораторная работа №12

Изучение воздействий электромагнитных полей на биологические ткани

Основные понятия и определения: УВЧ терапия,

индуктотермия, диатермия, микроволновая терапия, электрокоагуляция, электрохирургия.

Цель работы: правильно пользоваться аппаратом УВЧ и настраивать его в резонанс.

Краткая теория

В медицинской практике применяемые с лечебной целью переменные токи высокой частоты либо подводятся непосредственно к телу (диатермия), либо они возникают в последнем под влиянием высокочастотных электромагнитных полей (индуктотермия и УВЧ-терапия).

Принято следующее разделение электромагнитных колебаний по их частоте:

Низкая частота (НЧ) – 20 Гц. Звуковая (З) – 20 Гц –20 кГц.

Ультразвуковая (УЗ) – 20кГц – 200 кГц. Высокая (ВЧ) – 200 кГц – 30 МГц. Ультравысокая (УВЧ) – 30 МГц – 300 МГц. Сверхвысокая (СВЧ) – свыше 300 МГц.

Воздействие переменного тока на ткани значительно отличаются от воздействия постоянного тока.

При низких, звуковых и ультразвуковых частот переменный ток вызывает раздражения. Раздражающее действие переменного тока связано со смещением ионов в межклеточной ткани, внутри клетки, разделением ионов на самой мембране, изменением концентрации ионов в различных частях клетки.

Раздражающее действие переменного тока зависит от формы импульса, от его длительности и амплитуды.

При частотах более 500 кГц смещение ионов становится соизмеримым с их смещением возникающих в результате теплового движения и переменный ток уже не вызывает раздражающего действия. Основным эффектом воздействия переменного тока на ткани организма является его тепловое воздействие.

17

Прогревание тканей токами высокой частоты происходит за счет образования теплоты во внутренних органах. Выделяемая теплота зависит от диэлектрических свойств тканей, их удельного сопротивления, частоты тока.

Прогрев можно сделать целенаправленным и изменяя силу тока можно регулировать мощность тепловыделения.

P=I2R; I=jS; R= Sl ;

где I- сила тока в биологической ткани.

R – сопротивления биологической ткани.

j – плотность тока, - удельное сопротивление биологической ткани.

	Тогда	P=j2.S	l	=j2 S l .
			S
	Так как	S l V , то			P	q j2
					V

Где q- мощность тепла выделяющейся в единице объема биологической ткани.

Т.е. мощность тепла выделяемая в единице объема в 1 сек зависит от плотности тока и удельного сопротивления ткани.

Пропускание тока высокой частоты через биологические ткани получило название диатермии и местной дарсонвализации.

При диатермии используется ток с частотой 1 МГц при напряжении 100 – 150 В. При местной дарсонвализации используется ток с частотой 100 – 400 кГц. при напряжении – десятки кВ и силой тока 10 – 15 мА.

Т.к. q зависит от , то наибольший прогрев имеют ткани, обладающие большим удельным сопротивлением: кожа, жировая клетчатка, кости и т.д. Наименьший прогрев испытывают ткани, обладающие малым удельным сопротивлением (легкие, печень, лимфатические узлы и т. д.).

Токи высокой частоты используются и для хирургических целей – электрохирургия. Они позволяют «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) и для рассечения тканей (диатермотомия).

При диатермокоагуляции применяют ток с плотностью до 6 – 10 мА/мм2, при этом температура ткани повышается и

18

коагулирует. При рассечении ткани используется острый электрод (электронож) при плотности тока до 40 мА/мм2.

Воздействие переменным магнитным полем на ткани организма (индуктотермия).

Рисунок 1. Схема воздействия переменным магнитным полем на биологическую ткань

Поместим образец (ткань) в переменное магнитное поле (рис. 1). Магнитный поток магнитного поля изменяется по закону: B S cos , а сила тока в ткани:

J

Ei

1

d

S

dB

.

R

R

dt

R

dt

Полагая, что 0;cos 1.

Так как

R

l

,

тогда J

S 2

dB

.

l l

S

dt

Обозначим

S

2

k1 ,

где k1

коэффициент, учитывающий

–

l

геометрические размеры ткани.

Тогда сила тока в биологической ткани определяется:

J

k1

dB

dt

Допустим, что В изменяется по закону cos ωt т.е. B=Bm.cos ωt, а изменение индукции со временем будет определяться выражением:

dBdt Bm sin t

Тогда сила тока в ткани:

J k1 Bm sin t .

19

Мощность тепла, выделяющаяся в биологической ткани определяется уравнением P J 2 R

Подставляя силу тока в формулу мощности, получим:

P	k	2	Bm2	2 sin 2 t	l
	1					;
	2				S

Мощность тепла, выделяемая в единице объема в единицу времени q будет определяться уравнением:

				k 2 B 2 2 sin 2 t	l			2
	q P				S K				B 2 sin 2 t
				1 m
									m
	V			S l

k 2

где K= S12 .

Анализируя полученное выражение, приходим к выводу, что q ~ 1 , где удельное сопротивление ткани.

Ткань обладает как диэлектрическим, так и электролитными свойствами. Удельное сопротивление электролитов меньше чем для диэлектриков. Поэтому ткани, обладающие электролитными свойствами, прогреваются эффективнее, чем диэлектрики при одной и той же частоте магнитного поля (положительный эффект). К таким тканям относятся мышцы богатые сосудами, межтканевая жидкость и т.д.

Воздействие высокочастотного электрического поля на биологические ткани (УВЧтерапия)

Возьмем биологическую ткань с диэлектрической проницаемостью и поместим ее между двумя электродами, выполненных в виде пластин, причем пластины не касаются биологической ткани. Между пластинами возникает переменное электрическое поле напряженностью Е (рис. 2).

20

Рисунок 2. Схема воздействия высокочастотного электрического поля на биологическую ткань

S	– площадь пластин,
U	–	переменное	напряжение,	подаваемое

на пластины.

Под влиянием высокочастотного электрического поля в биологической ткани возникают токи смещения и проводимости.

	Выразим q	P		через				напряженность переменного
	V
	электрического поля Е.
	Среднее значение мощности в цепи переменного тока,
	выражающейся формулой,						U max	Imax	cos ,
					P
								2

где - угол сдвига фаз между U max и I max . В чистых диэлектриках

и P 0 .

2

Рисунок 3. Угол сдвига фаз между напряжением и током в реальных диэлектриках

21

	В реальных диэлектриках		, а угол	- называют углом
			2
	диэлектрических потерь (рис3).
	Разложим силу тока Im ax на две составляющие: активную Ia и
	реактивную I p (рис.	3). Реактивная составляющая сдвинута по
	фазе относительно	напряжения	на угол		и мощность,
				2

выделяемая ею, равна нулю. Активная составляющая Ia выделяет

мощность в биологической ткани, которая определяется уравнением:

P U max I 2 a

Выразим I a через I p : Ia I p tg Тогда

P U max I р tg

2

Выразим I p через напряжение и емкостное сопротивление биологической ткани.

I p =U m Um C .

X c

где С- емкость плоского конденсатора в котором находится биологическая ткань с диэлектрической проницаемостью .

Подставляя значение Ip в формулу мощности, получим:

U m2

C

tg ,

P

2

0

0 S

0 S

т.к. C

, а Umax Uэф 2 , получаем P U

2

tg .

d

эр

d

Выразим U эф через напряженность электрического поля Е,

т.е.:

Uэф E d

где d - расстояние между обкладками конденсатора с биологической тканью.

Тогда

P E2 d 0 S tg

22