Эквивалентные схемы биологических объектов.

Лабораторная работа № 7

Измерение импеданса биологического объекта

Цель работы: измерить импеданс биологической ткани ; проанализировать полученные зависимости.

Оборудование: автоматизированный лабораторный комплекс ФМБ-8К, ПК.

Теория вопроса и метод выполнения работы

Импеданс биологического объекта.

Изучение переменных токов имеет большое значение при рассмотрении физиологических процессов в организме человека и животных. Переменные токи нашли большое применение при лечении различных заболеваний. На их использовании основаны ряд физиотерапевтических методов лечения и диагностики.

Переменные токи могут оказывать раздражающее действие на ткани организма. Оно связанно с кратковременным смещением ионов под действием переменного электрического поля, которое также может вызывать изменение концентрации тканевых ионов у клеточных мембран. Раздражающее действие переменного тока в значительной мере зависит от его частоты. С увеличением частоты, когда смещение ионов в направленном движении делается соизмеримым со смещением их при тепловом движении, ток уже не оказывает на ткани раздражающего действия. При этом оказывается тепловое действие тока. Это свойство используется для прогревания тканей организма высокочастотными переменными токами (диатермия).

Другими физиотерапевтическими методами, использующими высокочастотные переменные токи, является дарсонвализация – воздействие высокочастотным током в виде разряда, проходящего между специальным электродом и поверхностью кожи больного (аппараты типа «Искра» и др.).

Электропроводность клеток и тканей для переменного тока.

Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление и ёмкость. Вещества, из которых состоят биологические ткани, немагнитны, и, следовательно, индуктивность их равна нулю. Изучение пассивных электрических свойств биологических объектов имеет большое значение для понимания их структуры и физико-химических свойств.

Биологические ткани обладают свойствами, как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обусловливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов определяются структурными компонентами и явлениями поляризации. Поляризация – процесс образования объемного дипольного электрического момента среды. Поляризация по своей природе делится на несколько видов: электронная, дипольная, макроструктурная и др.

Эквивалентные схемы биологических объектов.

При наложении внешней разности потенциалов в тканях возникает противоположно направленное электрическое поле, которое значительно уменьшает приложенное внешнее поле и обуславливает высокое удельное сопротивление постоянному току (порядка 10⁶ – 10⁷Ом∙см). При этом сначала возникают те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксации. Более полную информацию о биологическом объекте можно получить при измерении его электропроводности на переменном токе. Так как биологические системы способны накапливать электрические заряды при прохождении через них тока, то их электрические свойства недостаточно описывать только с помощью активного сопротивления . Необходимо также учитывать наличие у тканей и реактивного (ёмкостного) сопротивления , определяемого соотношением:

(1)

где – циклическая частота, , – линейная частота, [Гц], – период колебаний (с), – ёмкость (Ф).

Суммарное сопротивление биологического объекта называется импедансом биологического объекта. Для последовательно соединенных и импеданс определяется по формуле:

(2)

Известно, что активное омическое сопротивление R биологической ткани практически не зависит от частоты тока, а ёмкостное – значительно уменьшается по мере увеличения частоты, что приводит к увеличению проводимости всей емкостно-омической системы.

Импеданс тканей организма зависит от их кровенаполнения. На этом основан метод исследования функции кровообращения, называемый реографией. При этом в течение цикла сердечной деятельности регистрируются изменения импеданса определённого участка тканей, на границе которого накладываются электроды.

Из (2) следует, что импеданс изменяется с изменением частоты тока, на котором проводится измерение: при увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается. Зависимость импеданса от частоты тока называется дисперсией импеданса.

Изменение импеданса с частотой обусловлено также зависимостью поляризации от периода переменного тока. Если время, в течение которого электрическое поле направлено в одну сторону , больше времени релаксации τ какого-либо вида поляризации, то поляризация достигает своего наибольшего значения. И до тех пор, пока , эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость объекта не будут изменяться с частотой. Если же при увеличении частоты полупериод переменного тока становится меньше времени релаксации, то поляризация не успевает достигнуть своего максимального значения. После этого диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться с частотой, а проводимость – возрастать. При значительном увеличении частоты данный вид поляризации практически будет отсутствовать, а диэлектрическая проницаемость и проводимость будут определяться другими видами поляризации с меньшим временем релаксации.