Электрические свойства живых тканей.

Краткая теория

Контроль исходного уровня знаний

Контрольные вопросы

1. Природа тока в электролитах, причина электролитической диссоциации.
2. Первичное действие постоянного и импульсного электрического тока на биологические ткани.
3. Прохождение постоянного и переменного тока через живые ткани.
4. Удельное сопротивление различных тканей и биологических жидкостей.
5. Эквивалентная схема электропроводимости тканей организма.
6. Поляризационные явления в тканях и на границе раздела жидкости и электрода.

 

Тестовые вопросы

 

1. При прохождении постоянного тока через ткани организма с течением времени наблюдается уменьшение тока, связанное с:

а) адаптацией организма;

б) поляризационными явлениями, приводящими к возникновению встречного электрического поля;

в) «накоплением» заряженных частиц на мембранах;

г) адаптацией организма, вследствие «накопления» ионов на мембранах и, следовательно, уменьшения «свободных» ионов, способных передвигаться под действием электрического поля.

 

2. Что собой представляет электролитическая диссоциация?

а) процесс распада молекул на ионы под действием электрического поля;

б) процесс, в результате которого нейтральная молекула преобразуется в электрический диполь;

в) процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля;

г) движение ионов в электрическом поле;

д) процесс распада молекулы на ионы в результате ее взаимодействия с полярными молекулами растворителя.

 

3. Первичное действие постоянного тока на биологические ткани:

а) тепловое;

б) стимулирующее;

в) раздражающее;

г) колебательное движение ионов;

д) направленное перемещение ионов изменение их концентрации около клеточных мембран.

 

4. При прохождении постоянного тока через ткани организма:

а) наблюдается электролитическая диссоциация и поляризационные явления;

б) оказывается раздражающее действие за счет движения ионов;

в) оказывается раздражающее действие за счет необратимой поляризации клеток;

г) оказывается раздражающее действие.

 

Самостоятельная работа студентов

Лабораторная работа

 

Порядок выполнения работы

 

1. Найти узлы в аппарате и объяснить их назначение. Работа с аппаратом гальванизации: аппарат может быть включен в сеть переменного тока с напряжением 127 или 220 В (В нашем случае 220). Перед включением проверить, находится ли переключатель в положении «0», переключатель шунта миллиамперметра в положении «Выкл», ручка потенциометра в положении «50». Стрелку миллиамперметра при помощи корректора установить на 0.

2. Подсоединить к клеммам «пациент» («+», «–») реостат сопротивлением 500 Ом (во время работы ползунок реостата не перемещать). Параллельно реостату включить вольтметр постоянного тока.

3. Включить аппарат в сеть переменного тока.

4. Поставить включатель сети в положение «Вкл», при этом сигнальная лампочка должна загореться.

5. Включить аппарат при силе тока 10 мА, 30 мА, 40 мА, 50 мА.

Данные записать в таблицу.

 

Измерения	Напряжение сети, В	Показания миллиамперметра, мА	Показания вольтметра, В	Сопротивление реостата, Ом
1.
2.
3.

 

Ознакомление с техникой ионогальванизации.

Введение в организм лекарственных ионов при помощи постоянного тока носит название ионогальванизации. Количество введенных в организм ионов находится в прямой зависимости от силы пропускаемого тока.

Для проведения тока к больному от аппарата пользуются специальными проводами (на одном конце – штыри, на другом зажимы).С зажимами соединены свинцовые электроды, во избежании прикосновения к телу металлических электродов пользуются прокладками (из бумазеи, байки). Лекарственным веществом смачивают фланелевую прокладку, которую накладывают на тело.

1. Подключить электроды к аппарату гальванизации.
2. Смочить фланелевые прокладки простой водой.
3. Наложить электроды на переднюю и заднюю поверхности нижней трети предплечья человека и зафиксировать бинтом из резины.
4. Поставить выключатель в положение «Вкл» и плавным поворотом ручки потенциометра добиться тока 20 мА, затем 15 мА, 10 мА, 5 мА, снять показания вольтметра. Вычислить сопротивление организма человека постоянному току. Полученные результаты занести в таблицу.

 

Измерениия	Напряжение сети, В	Показания миллиамперметра, мА	Показания вольтметра, В	Сопротивление человека, Ом
1.	220
2.	220
3.	220

 

1. Построить график зависимости напряжения от силы тока, по оси абсцисс откладывая силу тока, по оси ординат – напряжение.

 

Подведение итогов занятия

Проверить расчетные данные лабораторной работы, наличие графиков, расписаться в тетради для лабораторных работ, отметить в журнале выполнение работы.

 

Задание на дом: подготовка к следующей лабораторной работе, решение задач.

Место проведения самоподготовки. Учебная комната для самостоятельной работы студентов.

 

Список литературы

Основная литература

1. Ливенцев Н.М. Курс физики: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1978 - 336 с.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1999. - 616 с.

3. Ремизов А.Н., Максина А.Г. Сборник задач по медицинской и биологической физике: Учеб. пособие для вузов. - М.: Дрофа, 2001 - 192 с.

 

Дополнительная литература

1. Эссаулова И.А. Руководство к лабораторным работам по мед. физике.

2. Эссаулова И.А., Ремизов А.Н. Сборник задач и упражнений.

 

 

Лабораторная работа №24

Краткая теория

 

Порядок выполнения работы

 

1. Установить электрофоретическую установку в горизонтальное положение и подключить к источнику постоянного тока (к аппарату гальванизации), соблюдая полярность электродов.

2. Установить рабочее напряжение (20 В).

3. Залить ванночки буферным раствором (не более 2 мм высотой).

4. Смочить буферным раствором две полоски хроматографической бумаги, предварительно пропитанной раствором фенолфталеина и высушенной. Подсушив их на фильтровальной бумаге, положить между электродами так, чтобы их концы были опущены в ванночки с буферным раствором.

5. Поперек бумаги против отметки «старт» положить нить, смоченную в растворе едкого натра (NaOH). Бумага должна окраситься в малиновый цвет. Закрыть крышку.

6. Включить прибор и секундомер (или засечь время при включении прибора по часам). Когда произойдет заметное смещение окрашенной полоски (Х) вдоль бумаги (через 10 мин.) выключить цепь и остановить секундомер. Снять крышку. Определить время смещения иона (t).

7. Измерить смещение (Х), расстояние между электродами (ℓ).

 

Данные занести в таблицу.

 

№ опыта	U, В	t, с	ℓ,см	Х, см	b,	,
1
2
3

 

8. Привести рабочее место в порядок.

9. Рассчитать подвижность ионов ОН^- по формуле: .

ВНИМАНИЕ!

1. Измерение смещения (Х) делайте сразу после выключения цепи. Со временем происходит капиллярное рассасывание окрашенной полоски и ее обесцвечивание.

2. Во избежание поражения током не притрагивайтесь руками к открытым токоведущим частям включенной установки.

3. Остерегайтесь попадания щелочи на кожу и одежду.

Подведение итогов занятия

Проверить расчетные данные лабораторной работы, наличие графиков, расписаться в тетради для лабораторных работ, отметить в журнале выполнение работы.

 

Задание на дом: подготовка к следующей лабораторной работе, решение задач.

Место проведения самоподготовки. Учебная комната для самостоятельной работы студентов.

 

Список литературы

Основная литература

1. Ливенцев Н.М. Курс физики: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1978 - 336 с.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1999. - 616 с.

3. Ремизов А.Н., Максина А.Г. Сборник задач по медицинской и биологической физике: Учеб. пособие для вузов. - М.: Дрофа, 2001 - 192 с.

 

Дополнительная литература

1. Эссаулова И.А. Руководство к лабораторным работам по мед. физике.

2. Эссаулова И.А., Ремизов А.Н. Сборник задач и упражнений.

 

 

Электрические свойства живых тканей.

Электрическое сопротивление живой ткани зависит от входящих в ее состав жидкостей, содержащих различные ионы, рассмотрим свойства электролитов т.е. проводников второго рода. Ионы возникают вследствие электростатического или химического взаимодействия с молекулами растворителя (сольватации), что приводит к ослаблению ионных и полярных внутримолекулярных связей, а также к уменьшению вероятности их рекомбинации в молекулы. При анализе свойств электролитов используют величины эквивалентной (λ) и ионной (  и ) электропроводности (В.С, Андреев, 1973). Связь между эквивалентной (λ) и удельной (χ) электропроводностями можно представить формулой:

,

где С – концентрация электролита, г-экв/л.

Нередко величину электропроводности выражают еще в Ом^-1·см^-1.

Связь между эквивалентной и ионной проводимостями в водных растворах концентрацией 0,03-0,05 М выражается в виде правила аддитивности (с точностью до 1 %):

,

где i и j – индексы катионов и анионов;

s – индекс иона.

Величины сопротивления кожи и подкожных тканей существенно отличаются. Если постоянное напряжение приложено непосредственно к ткани, то в ней возникает электрический ток, обусловленный ионной проводимостью. Живая клетка окружена мембраной, имеющей емкость 0,1-3 мкФ/см², поверхностное сопротивление, колеблющееся в пределах 100-300 Ом/см, и диэлектрическую проницаемость – около 80. При постоянном напряжении клеточная мембрана ведет себя как изолятор и ток протекает лишь во внеклеточной среде. При этом возможно передвижение электрически заряженных частиц, т.е. электрофореза. Г.П. Шван (1963) полагает, что при пропускании переменного тока клеточным мембранам присущ сквозной тип проводимости, через своеобразные отверстия в них. Ток проводимости сдвинут по фазе относительно общего тока, что обеспечивает высокие значения эффективной диэлектрической проницаемости на низких частотах.

Наибольшей электропроводностью для переменного тока обладают почки, печень, селезенка. Электропроводность серого вещества мозга, состоящего из большого числа нейронов, выше, чем белого вещества, представляющего собой в основном нервные волокна. Хуже всего проводят электрический ток легкие, жировые и костные ткани. Установлена связь между электропроводностью тканей и возрастом организма. В случае гибели органов и тканей их электропроводность возрастает.

Значения удельных сопротивлений тканей человека приведены в таблице 1. (в Ом·м)

 

Таблица 1. Значения удельных сопротивлений тканей человека

 

Ткань	Удельное сопротивление, Ом·м
Спинно-мозговая жидкость Кровь Печень Скелетные мышцы   Сердечная мышца   Нервная ткань Серое вещество Белое вещество Легкие   Жир Кость	0,65 1,49 3,57 1,25 (продольное) 16,67 (поперечное) 1,59 (продольное) 4,35 (поперечное) 5,88 2,86 6,67 10 (выдох) 25 (вдох) 27,8 167

 

Для биологических объектов импеданс носит составной (комплексный) характер Z=(R,X). Его активная составляющая R связана, в первую очередь, с проводимостью внутренних жидких сред, являющихся электролитами. Различные процессы в тканях, сопровождающиеся необратимыми потерями энергии, также дают вклад в активную составляющую импеданса. Реактивная компонента X определяется емкостными свойствами стимулируемой ткани, в частности, емкостью биологических мембран. Кроме того, в емкостную составляющую импеданса дает вклад и область контакта стимулирующих и измерительных электродов с биологическими тканями. Свойств индуктивности живой ткани практически не обнаруживается.

Наличие активных и реактивных свойств импеданса можно моделировать, используя эквивалентные электрические схемы. Эквивалентная электрическая схема живой ткани – это условная модель, приближенно характеризующая живую ткань, как проводник переменного тока. Схемы позволяют судить:

1. Какими электрическими элементами обладает ткань.

2. Как соединены эти элементы.

3. Как будут меняться свойства ткани при изменении частоты тока.

В основе схем лежат три положения:

1. Внеклеточная среда и содержимое клетки представляют собой ионные проводники с активным сопротивлением среды Rср и клетки Rк.

2. Клеточная мембрана есть диэлектрик, но не идеальный, а с небольшой ионной проводимостью, а, следовательно, и сопротивлением мембраны Rм.

3. Внеклеточная среда и содержимое клетки, разделенные мембраной, являются конденсаторами Cм определенной емкости.

При составлении эквивалентной схемы нужно учитывать пути электрического тока. Их два:

1. В обход клетки, через внеклеточную среду.

2. Через клетку.

Путь тока в обход клетки представлен только сопротивлением среды Rср. Путь через клетку определяется сопротивлением содержимого клетки Rк, а также сопротивлением и емкостью мембраны Rм, Cм.

Проанализируем некоторые возможные эквивалентные схемы биологических объектов (рис.1).

Рис. 1. Эквивалентные схемы электропроводимости биологических тканей.

 

Схема А имеет существенное расхождение с опытными данными в области низких частот близких к нулю – величина импеданса неограниченно возрастает с уменьшением частоты.

Схема Б удовлетворительно описывает частотную зависимость величины импеданса на низких частотах, но в области высоких частот величина импеданса стремится к нулю, что не соответствует опытным данным.

Наилучшее согласие с экспериментом обеспечивает эквивалентная схема В: на низких частотах величина импеданса определяется сопротивлением R1, на высоких частотах – параллельным соединением R1 и R2.

 

На низких частотах преобладает сопротивление внеклеточной среды. Эта среда представляет собой электролит, водный раствор, в котором заряженными частицами являются ионы натрия, калия, кальция и хлора. Ионы движутся по промежуткам между отдельными клетками, ток смещения через мембрану минимален. По мере повышения частоты внешнего электрического поля вклад емкостной составляющей возрастает, и общее сопротивление ткани становится меньше. На кривой зависимости импеданс ткани – частота начинают проявляться дисперсионные области. В области высоких частот сопротивление обусловливается содержимым межклеточной жидкости, содержимым самой клетки и активным сопротивлением клеточной мембраны.