18. Электропроводность клеток и тканей для цепи переменного тока. Импеданс клеток и тканей.
При
приложении к биологическому объекту
переменного напряжения, в нём также
возникает электрический ток и
поляризационные явления. Электрическую
модель биологического тока для переменного
тока можно представить в виде двух
сопротивлений: активного, определяемого
по формуле
;
ёмкостного
;
индуктивное сопротивление равно нулю.
Общее сопротивление в цепи переменного
тока называется импедансом Z
и определяется по формуле: при
последовательном соединении
при
параллельном соединении
Импеданс ткани изменяется с частотой. Это явление называют дисперсией. Величина импеданса определяется сопротивлением самой ткани, а также зависит от соотношения частоты или периода приложенного напряжения и времени релаксации:
1) если Т/4 > τ (Т/4 – время возрастания приложенного напряжения от 0 до max, τ – время релаксации), проводимость объекта и диэлектрическая проницаемость с частотой не меняется;
2) если Т/4 < τ, то поляризация не успевает достигнуть максимального значения, поэтому при этих условиях в некотором промежутке частот с увеличением частоты проводимость возрастает, а диэлектрическая проницаемость уменьшается;
3) если Т/4 << τ, то поляризационные явления практически не возникают, ε и ρ остаются неизменными.
19. Исследование биологических объектов с помощью постоянного и переменного электрического тока.
К пассивным электрическим свойствам биологических объектов относятся: сопротивление, электропроводимость, ёмкость, дипольная проницаемость. В норме и патологии эти параметры меняются и могут быть использованы для изучения структуры и физико-химического состояния биологического вещества. Эти свойства проявляются, если к исследуемому участку ткани приложить напряжение небольшой величины. Пассивные электрические свойства клеток и тканей изучают с помощью мостовых схем. На рисунке представлена схема моста переменного тока, применяемого для измерения ёмкости и сопротивления биологических объектов. В этой схеме R1 и R2 - сопротивление уравновешенных плеч моста, Cэт и Rэт - ёмкость и сопротивление, компенсирующие параметры объекта, Сx и Rx – параметры самого объекта.
Метод измерения пассивных свойств тканей для диагностических целей имеет преимущество в том, что используемые напряжения не вносят существенных изменений в физико-химические процессы, происходящие в биообъекте, и тем более не повреждают его. Известно, что пассивные электрические свойства отражают изменения физиологических состояний объекта при патологии, повреждениях, действиях физических факторов (температуры, облучения, давления) и др.
Рассмотрим примеры использования этого метода в биологических и медицинских исследованиях:
1) на низких частотах измерение ёмкости и сопротивления клеточных мембран может служить мерой их проницаемости для различного вида ионов;
2) на начальной стадии воспаления происходит набухание клеток без изменения проницаемости их мембран, в это время уменьшается объём межклеточного пространства, а следовательно, увеличивается активное сопротивление ткани. В более поздние сроки воспаления происходит увеличение проницаемости клеточных мембран и, как следствие, уменьшение ёмкости и активного сопротивления. Т.о., изменение электрических параметров тканей может служить средством для диагностики воспалительных процессов;
3) Степень повреждения или отмирания ткани связана с дисперсией импеданса на низких частотах, чем больше повреждение, тем меньше дисперсия;
4) С помощью импедансометрии определяется кровенаполнение органов и тканей – при систоле сопротивление органа уменьшается, при диастоле увеличивается, т.к. кровь имеет меньшее сопротивление, чем клетки;
5)Определяют содержание свободных и связанных ионов в различных образованиях биологического объекта (определяют концентрацию свободных ионов в цитоплазме; исследуют количественно процессы связывания ионов молекулами белков или других орг. соединений; определяют степень гидратации белковых молекул).
В медицине с лечебной целью широко применяется нагрев высокочастотными полями и токами, причем тепловой эффект при различных методах воздействия зависит от удельного сопротивления, относительной диэлектрической проницаемости, частоты и количественной характеристики действующего фактора.