Определение импеданса биологических тканей

 

 

Раздел

Пассивные электрические свойства биообъекта

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по

направлению подготовки дипломированных специалистов 653900 –

Биомедицинская техника и направлению подготовки бакалавров

и магистров 553400 – Биомедицинская инженерия» Дневной формы

обучения

Дисциплины – «Биофизика»

Орел 2012

Автор: доцент кафедры ПМиС Бобров А.В.

 

Рецензент: доцент кафедры ПМиС, к.т.н. Мишин.В.В..

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры ПМиС «___»____________2012 г., протокол № _____

 

Заведующий кафедрой ПМиС Подмастерьев К.В.

 

 

Электропроводность биологических систем – это количественная характеристика способности биологических мембран, клеток, тканей проводить электрический ток. Электропроводность обратно пропорциональна величине электрического сопротивления системы. Если на биологический объект подать разность потенциалов U, то согласно закону Ома, через него потечет электрический ток силой I, пропорциональный электрической проводимости G:

I = UG.

Биологические мембраны представляют собой два фосфолипидных слоя, обращенных друг к другу своими электрически нейтральными гидрофобными поверхностями и с заряженными гидрофильными поверхностями, обращенными к внутриклеточной и внеклеточной жидкости. По существу они представляют собой заряженные емкости. Поэтому при рассмотрении вопроса об их проводимости (и о проводимости биологических тканей в целом) подразумевается не их чисто активная проводимость, а комплексная – обратная полному сопротивлению (импедансу).

 

1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения импеданса

биологических тканей.

Общие теоретические сведения о методе реографии

Биологические ткани проводят постоянный и переменный ток. Поэтому проводимость биологических тканей определяется как активной, так и реактивной составляющей выражения для полного сопротивления цепи Z, равного

 

где R – активная составляющая, на которой выделяется тепло при прохождении тока зогласно закону Джоуля-Ленца,

(X_L- X_C) – реактивная составляющая, не вызывающая нагрева элементов электрической цепи. Закон Ома для полного сопротивления цепи имеет вид:

 

 

 

В биологической ткани нет систем, подобных катушкам индуктивности, поэтому их индуктивность близка к нулю и X_L = ωL= 0.

Биологические мембраны и, следовательно, весь организм обладают омическими и емкостными свойствами, которые и определяют величину их импеданса. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опережает по фазе приложенное напряжение. На частоте 1 кГц для разных биологических объектов угол сдвига фаз составляет:

 

	φ, град
Кожа человека, лягушки
Нерв лягушки
Мышцы кролика

 

Для модельного исследования импеданса биологических тканей можно воспользоваться эквивалентной электрической схемой:

 

 

При

 

и импеданс такой схемы может быть определен по правилу параллельного соединения двух сопротивлений:

R = R₁ R₂ / R₁ + R₂ .

Зависимость импеданса от частоты позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать при трансплантации тканей и органов. Путем измерения импеданса легко определить, является ткань мертвой или живой: у мертвой ткани, убитой кипячением в воде мембраны клеток разрушены и емкостный компонент отсутствует. Поэтому значение для импеданса такой ткани остается постоянным при любых частотах. Путем определения величины импеданса можно судить о физиологическом состоянии ткани, например, о состоянии кровеносных сосудов. По различию частотных характеристик импеданса можно судить о больной и здоровой ткани. При кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно-сосудистой деятельности. На этом свойстве изменения импеданса основаны диагностические методы исследования сердечной деятельности (реокардиография), сосудов головного мозга (реоэнцефалография), магистральных сосудов, легких печени и т.д.

3. Материальное обеспечение.

3.1 Оборудование: Измеритель СLR E7-13, электроды

3,2 объекты исследования: ткани теплокровного (человека), растения,

корнеплода,

 

Проведение работы