Работа № 10. Изучение дисперсии электропровод-ности живой ткани

Актуальность работы:

Тело человека является проводником электрического тока. Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости и жировая ткань - большое, а мышечная ткань, кровь, спинной и особенно головной мозг - малое.

Действие постоянного и переменного токов на живой организм различно. При постоянном токе за счет накопления ионов из полупроницаемых мембран клетки происходит изменение концентрации ионов, что приводит к раздражению ткани. Этот эффект применяется для лечения различных заболеваний, для восстановления деятельности мышц, внедрения в ткани лекарственных препаратов и т.д. Действие переменного тока на низких частотах аналогично действию постоянного тока.

При высоких частотах ионы не успевают перемещаться при изменении направления тока, и его действие становится ощутимым только при больших значениях токов. В этом случае на активном сопротивлении выделяется тепло. Этот эффект применяется для прогревания глубоко расположенных тканей.

Цель работы:  

- ознакомиться с электрическими свойствами мембран живых клеток, с действием переменного тока на живой организм;

- изучить зависимость электропроводности организма от частоты переменного тока;

- совершенствовать практические навыки работы с измерительной аппаратурой.

Целевые задачи:

знать: переменный ток, факторы влияющие на сопротивление тела человека,эквивалентную электрическую схему клетки, ёмкостное сопротивление, активное сопротивление, импеданс

уметь: научиться проводить измерения сопротивления живой ткани на переменном токе; установить дисперсию электропроводности живого организма от частоты переменного тока и построить график.

План подготовки конспекта:

1. Основные теоретические сведения (цель, приборы и принадлежности, ответы на вопросы к входному тестированию).

2. Выяснить, что измеряется в лабораторной работе, каким методом и для чего.

2. Подготовить таблицу.

3. Записать расчётную формулу.

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1. Что такое переменный ток?

2. Какие факторы влияют на сопротивление тела человека?

3. Что такое импеданс живой ткани?

4. Активное и ёмкостное сопротивление?

Теоретические сведения

Оснащение рабочего места

 

1. Генератор звуковой частоты.

2. Электронный осциллограф.

3. Электроды.

4. Резиновый жгут.

5. Физиологический раствор.

6. Фильтровальная бумага.

7. Соединительные проводники.

8. Схема электрических соединений.

 

Информационный материал

    При подготовке к лабораторной работе необходимо ознакомиться со строением живых клеток, рассмотреть действие электрического тока на живой организм и изучить ряд теоретических вопросов раздела "Переменный электрический ток".

    Строение клетки, ход жизненных процессов в ней давно являются объектом самого внимательного исследования биологов, медиков и, начиная с конца XIX века, физиков. Появилось новое направление в физике - биофизика. Биофизика рассматривает целостные живые организмы, не разлагая их по возможности, на отдельные химические компоненты.

    Жизненные элементарные процессы протекают в сложных высокомолекулярных комплексах, при выделении в чистом виде отдельных компонентов утрачиваются, как правило, важнейшие свойства живого. Поэтому перед биофизикой стоит задача получения информации о физико-химическом строении клеток именно в таком виде, в котором они существуют.

    О нарушении жизненных процессов живого организма можно судить по изменению физических параметров, характерных для живых клеток. Ранее установлено, что между живой клеткой и окружающей средой имеется электрический потенциал, клетка способна к поляризации. При гибели клетки все эти явления исчезают.

    Наиболее значительным при изучении жизнедеятельности клетки является открытие явления проницаемости. Под проницаемостью понимается способность клеток избирательно пропускать воду и растворенное в ней вещество. Проницаемость имеет большое значение в физиологии обмена веществ, в фармакологии и токсикологии, способствует легкому проникновению лекарственных препаратов в живые клетки и ткани.

    Исследование проницаемости привели ученых к так называемой липоидной теории клеточных мембран-систем, образующих наружную поверхность клетки.

Разберем на рис. 10.1 строение клеточной мембраны согласно липоидной теории.

Наружная поверхность клетки покрыта белком, за которым следует один или два слоя фосфолипидов (жиров), молекулы которых полярны.

    Полярные группы фосфолипидов одного слоя обращены к жидкости, омывающей клетку, а другого слоя - внутрь клетки. Толщина мембраны была измерена по значению емкостной составляющей общего сопротивления (импеданса) клеток эритроцитов. Эта величина порядка 50×10^-8 см.  

Рис. 10.1. Строение клетки

 

Клетки живого организма являются электрически заряженными элементами, по своему строению они обладают емкостными свойствами, т.к. все части тканей пропитаны или омываются жидкостью, в состав которой входят электролиты.

    А теперь вспомните что такое электроемкость? Электроемкость конденсатора, это отношение заряда конденсатора q, к той разности потенциалов U, которую этот заряд сообщает конденсатору: .

    На электрических схемах (рис. 9.2) конденсатор обозначается значком:

Рис. 10.2. Обозначение конденсатора на электрических схемах

    В СИ напряжение измеряется в вольтах, а заряд в кулонах. Поэтому, единица емкости есть емкость такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение в 1 вольт при заряде на его пластинах в 1 кулон. В честь Фарадея эта единица получила название "Фарада" и обозначается буквой F. На практике чаще применяют более мелкие единицы измерения емкости - микрофарада (микро -10^-6) mF, пикофарада (пико -10^-12) pF.

    Рассмотрим действие электрического тока на живой организм в целом. Действие электрического тока на организм человека носит сложный и разносторонний характер. Проходя через организм человека, электрический ток производит термическое, электролитическое и биологическое воздействия.

    Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, а также в нагреве до высоких температур других органов.

    Электролитическое действие тока выражается в разложении органических жидкостей, вызывая значительные нарушения их физико-химического состава.

    Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма, а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов.

    Тело человека является проводником электрического тока. Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости и жировая ткань - большое, а мышечная ткань, кровь, спинной и особенно головной мозг - малое.

Наибольшим сопротивлением по сравнению с другими тканями обладает кожа и, главным образом, ее верхний слой, называемый эпидермисом.

    Электрическое сопротивление тела человека при сухой, чистой и неповрежденной коже при напряжении 15-20 В находится в пределах от 3 до 100 кОм. Сопротивление тела человека, измеренное без верхнего слоя кожи, снижается до 500-700 Ом. При расчетах, обычно, принимают сопротивление тела человека, равное 1 кОм. В действительности, эта величина - переменная, зависящая от многих факторов, в том числе от состояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов, состояния окружающей среды (влажность, температура и т.д.).

    Состояние кожи человека сильно влияет на электрическое сопротивление. Так, повреждение верхнего слоя, в том числе порезы, царапины и другие микротравмы, могут снизить сопротивление до величины, близкой к величине внутреннего сопротивления организма 500-700 Ом, при этом увеличивается опасность поражения человека током. Такое же влияние оказывает и увлажнение кожи водой или потом, а также загрязнение ее токопроводящей пылью и грязью.

     В связи с различным электрическим сопротивлением кожи на разных участках тела сопротивление в целом зависит от места наложения контактов и их площади. Сопротивление человека падает при увеличении значения тока и длительности его прохождения за счет усиления местного нагрева кожи, приводящего к расширению сосудов, а, следовательно, к усилению снабжения этого участка кровью и увеличению потоотделения.

    Повышение напряжения, приложенного к телу человека, уменьшает в десятки раз сопротивление кожи, а следовательно, и полное сопротивление тела, которое приближается к своему наименьшему значению 300-500 Ом. Род тока и частота также влияют на значение электрического сопротивления (см. таблицу раздела «Основы электробезопасности»). При частотах 10-20 кГц наружный слой кожи практически утрачивает сопротивление электрическому току.

    Человек не ощущает действия тока, если его величина не превышает 0,6-1 mA (10^–3 ) А, такой ток называется безопасным током и начинает ощущать воздействие проходящего через него переменного тока величиной 0,6 - 1,5 mA. Этот ток называется пороговым ощутимым. При токе 10-15 mA человек не может оторвать рук от электропроводов, самостоятельно разорвать цепь поражающего его тока. Такой ток принято называть неотпускающим. Ток в 50 mA поражает органы дыхания и сердечно-сосудистую систему. При 100 mA наступает фибрилляция сердца, оно останавливается, кровообращение прекращается.

    Постоянный ток примерно в 4-5 раз безопаснее переменного тока частотой 50 Гц, однако, это характерно для относительно небольших напряжений - до 250 В. При более высоких напряжениях опасность постоянного тока возрастает. Снижение опасности поражения переменным током с увеличением частоты становится практически заметным при частотах 1000-2000 Гц, а затем опасность снова возрастает.

Мы установили, что ткани организма состоят из структурных элементов - клеток, омываемых тканевой жидкостью. Такой элемент представляет собой две среды: относительно хорошо проводящие ток - тканевая жидкость и цитоплазма клетки и плохо проводящая ток - мембрана. Такая система обладает электрической емкостью (рис. 10.3 а). При прохождении по тканям постоянного тока в подобных элементах происходит накопление по обе стороны мембраны ио­нов различного знака, т.е. образуется система, подобная заряженному конденсатору (рис. 10.3 б).

Смещение ионов имеет место и при действии на ткани переменного тока, при этом максимальное смещение ионов и раздражающее действие зависит от частоты переменного тока.

а)                                                б)

Рис. 10.3.

 

    При частотах до 20 Гц действие переменного тока подобно действию постоянного. При частотах порядка 50-100 Гц смещение ионов достаточно, чтобы вызвать изменение концентрации по обе стороны мембраны, сопровождающиеся раздражающим действием на клетку. При средних частотах раздражающее действие тока уменьшается. При достаточно высокой частоте порядка сотен килогерц смещения ионов становятся настолько малыми и соизмеримыми с их тепловым перемещением, что уже не вызывают заметного изменения их концентрации и не оказывают раздражающего действия.

    Теперь мы коротко повторим пройденный материал и сделаем ряд уточнений.

    Вы помните, конечно, что действие постоянного и переменного токов на живой организм различно. При постоянном токе за счет накопления ионов из полупроницаемых мембран клетки происходит изменение концентрации ионов, что приводит к раздражению ткани.

Этот эффект применяется для лечения различных заболеваний, для восстановления деятельности мышц, внедрения в ткани лекарственных препаратов и т.д. Действие переменного тока на низких частотах аналогично действию постоянного тока. При высоких частотах ионы не успевают перемещаться при изменении направления тока, и его действие становится ощутимым только при больших значениях токов. В этом случае на активном сопротивлении выделяется тепло. Этот эффект применяется для прогревания глубоко расположенных тканей.

Изучение электрических характеристик тканей живого организма в зависимости от его физиологического состояния представляет значительный интерес как для биофизиков, так и для медиков. Появляются возможности диагностики организма по его электрическим параметрам. Резкое увеличение омического сопротивления свидетельствует о воспалительных процессах в живых тканях. Образование злокачественных опухолей в организме влечет за собой увеличение емкостного сопротивления пораженной ткани. При отмирании клеток живого организма его сопротивление резко падает.

Теперь перейдем к рассмотрению теоретических вопросов о переменном электрическом токе. Мы установили, что ткани организма проводят как постоянный, так и переменный электрический ток. Живой организм не обладает индуктивностью, следовательно, весь организм обладает только омическим и емкостным сопротивлением.

Омические и емкостные свойства биологических тканей можно моделировать, используя при этом эквивалентные электрические схемы.

Эквивалентная электрическая схема, моделирующая живой организм, может быть представлена как, рис. 10.4:

Рис. 10.4. Эквивалентная электрическая схема клетки

 

    где R_С – емкостное сопротивление; R₁ - активное сопротивление подкожной ткани и кожи; R₂ - активное сопротивление ороговевшего слоя кожи (эпидермис).

Для кожи и подкожной ткани (при низких частотах) величина R₁ стремится к нулю и эквивалентная схема принимает вид (рис. 9.5):

Рис. 10.5 Эквивалентная электрическая схема клетки для низких частот

Величина сопротивления Rc, которое электрическая емкость С оказывает протеканию электрического тока, зависит от частоты w:

R_c = .

При w = 0, что соответствует действию постоянного тока, емкостное сопротивление R_c бесконечно велико. В этом случае ток через конденсатор не протекает I_c=0 и конденсатор представляет собой разрыв в цепи.

 Рис. 10.6. Схема для постоянного тока

 

    Ток I_R через ткани организма будет ограничиваться только величиной активного сопротивления R, которым обладает поверхностный слой кожи (рис. 10.6).

При протекании по тканям переменного тока (w = 50Гц) уменьшается емкостное сопротивление R_c, а соответственно и полное сопротивление цепочки, состоящее из R и C.

Полное сопротивление цепи, состоящее из активного R и реактивного (емкостного) сопротивления R_с обозначается индексом Z и называется импедансом живой ткани.

Для выполнения лабораторной работы вам необходимо воспользоваться специальной электрической схемой, которая для удобства монтажа собрана на отдельной плате.

Электрическая схема соединений элементов показана на рис. 9.7.

Рис. 10.7. Электрическая схема соединений

Обозначения: R_з - защитное сопротивление, R_к - калибровочное сопротивление.

Защитное сопротивление R_з ограничивает электрический ток в данной цепи до безопасной для человеческого организма величины равной 0,001 А.

Так как измерение амплитуды сигнала на экране осциллографа производится в мм, то для того, чтобы это значение перевести в единицу измерения, соответствующую сопротивлению, в схеме используется калибровочное сопротивление R_к. Процесс перевода одной величины в другую (в данном случае мм в Ом) называется градуировкой или калибровкойприбора.

Порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую схему, согласно рис. 10.7, соединив с помощью специальных проводников клеммы на монтажной плате, обозначенные цифрами.

 2. Клеммы 1, 2 соедините с выходом генератора переменного тока низкой частоты.

3. Клеммы 6, 7 соедините с входом электронного осциллографа.

 4. К клеммам 3, 4 присоедините электроды.

Правильность сборки проверьте у преподавателя.

5. Подготовьте участок руки к опыту, для чего:

а) смочите 2 кусочка фильтровальной бумаги физиологическим раствором; б) прижмите электродами кусочки бумаги к запястью с внутренней и наружной стороны руки, с помощью резинового жгута зафиксируйте;

6. Установите по шкале генератора низкой частоты частоту 20 Гц, при этом регулятор амплитуды должен находиться в крайнем левом положении.

Включать генератор в сеть только с разрешения преподавателя!

 7. Нажмите клавишу “max” делителя напряжения электронного осциллографа и с помощью регулятора амплитуды генератора, добейтесь изображения амплитуды А на экране осциллографа размером 30 мм.

Далее регулятором амплитуды не пользоваться!

8. Изменяя частоту тока от генератора согласно таблице, для каждого значения частоты, запишите величину амплитуды.

Примечание. При переходе к частоте 320 Гц множитель частоты на генераторе переменного тока установите равным 10.

 

Таблица результатов

 

f, Гц	20	40	80	160	320	640	1280
А, мм
Z, кОм

 

9. После заполнения таблицы снимите электроды с руки.

10. Установите по шкале генератора частоту 100 Гц. Перемкните клеммы 5 и 7, подключите калибровочное сопротивление величиной 15 кОм. Измерьте амплитудукалибровочного сигнала - А_к.

11. Для каждого значения частоты вычислите по формуле величину полного сопротивления Z и занесите в таблицу.

Z= [кОм].

 12. Постройте график зависимости Z = f (w).

13. Оцените по графику величину Вашего сопротивления при действии постоянного тока.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое переменный ток?

2. Какие факторы влияют на сопротивление тела человека?

3. Что такое импеданс живой ткани?

4. При каком токе сопротивление тела человека больше - постоянном? переменном?

5. При каком токе определяют электропроводимость живой ткани?

6. При каком токе сопротивление тела человека больше - постоянном или переменном?

7. При каком токе определяют электропроводимость живой ткани?

8. Почему с увеличением частоты переменного тока сопротивление человека падает?