Основные электрические свойства тканей организма

Все нормальные функции организма человека обусловлены электрическими взаимодействиями. Работа мышц, в том числе дыхание и удары сердца, контролируются электрическими токами. Информация, получаемая различными органами чувств, передаётся в мозг с помощью электрических сигналов. Хотя электрические токи участвуют в функционировании организма, токи от внешних источников при прохождении через органы могут вызвать их повреждения или даже смерть человека.

Биологическим объектам присущи такие электрические свойства, как сопротивление и емкость. Ткани организма человека обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства и величина диэлектрической проницаемости определяются структурными компонентами и явлениями поляризации.

Биологические ткани обладают омическим (активным) сопротивлением благодаря наличию в них свободных ионов. Наличие омического сопротивления в тканях подтверждается нагревом ткани при прохождении через неё постоянного тока.

Биологическая ткань обладает электрической емкостью: мембрана клетки по своим электрическим свойствам является диэлектриком, внутри клетки у мембраны скапливаются отрицательные заряды, снаружи положительные заряды. Разноименные заряды, разделенные диэлектриком, представляют конденсатор.

Обладая емкостью, биоткань обладает емкостным сопротивлением: .

где, - частота тока, – емкость.

 

Вышеуказанными свойствами обладают токопроводящие ткани и жидкости в составе организма. К ним относятся: нервная ткань, влажная кожа, мозговая ткань, ликвор, кровь и т.д.

В состав организма входят и токонепроводящие ткани – диэлектрики. К диэлектрикам в составе организма относятся: сухая кожа, жировая ткань, кость без надкостницы, сухожилия, роговица глаза, ногти, обезжиренный волос

Основной характеристикой диэлектрика является диэлектрическая проницаемость вещества , которая определяется отношением напряженности электрического поля в данной среде к напряженности поля в вакууме:

где – напряженность электрического поля в веществе и в вакууме.

Электропроводность – это величина, обратная омическому сопротивлению :

Представим таблицу электропроводностей ряда тканей.

Вид ткани	Электропроводность (сименс)
Ликвор Кровь Мыщцы Внутренние органы Нервная ткань Сухожилие Кость	0,018 0,006 0,005 0,002-0,003 0,0007 10-4 10-9

Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния, и следовательно может быть использована как диагностической показатель.

 

5.2. Электропроводность клеток и тканей при постоянном токе. Поляризация и её виды.

Известно, что сопротивление является коэффициентом пропорциональности между током и разностью потенциалов:

- закон Ома.

Однако для живых тканей было установлено, что сила тока после наложения разности потенциалов непрерывно уменьшается. Представим изменение этого тока во времени графически:

Поляризацией называется процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образованием вследствие этого электродвижущей силы, направленной против внешнего поля.

При прохождении тока через биологическую систему в ней возникает ЭДС поляризации, которая уменьшает приложенную к объекту эффективную ЭДС, что и приводит к уменьшению тока.

Объясним это на рисунке:

Движущийся ион создаёт дополнительное электрическое поле (на рисунке показано пунктиром) которое направлено в сторону, противоположную внешнему полю.

Тогда:

- закон Ома для живой ткани

где, – ЭДС поляризации, как функция времени.

Возникновение ЭДС поляризации, главным образом связано с способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них электрического тока, т.е. с их емкостным свойствами.

Рассмотрим виды поляризации, которые (в той или иной степени) присущи биологическим объектам. Временем релаксации поляризации называется время возникновения поляризации после мгновенного наложения электрического поля.

Вид поляризации	Механизм поляризации	Время релаксации (сек)
Электронная	Смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в атомах и ионах. Таким образом, атом превращается в диполь с направлением, противоположным внешнему полю.	10-16 – 10-14

 

Ионная	Смещение ионов и возникновение диполя.	10-14 – 10-12
Ориентационная (дипольная)	Если вещество содержит полярные молекулы и эти молекулы свободны, то под действием внешнего поля они ориентируются в соответствии с этим полем. Е=0	10-12 – 10-7
Макроструктурная	Обусловлена неоднородностью электрических свойств вещества и наличием слоев с различной электропроводностью. Под действием поля свободные ионы и электроны перемещаются в пределах каждого включения до границы проводящего слоя. Дальнейшее перемещение свободных зарядов невозможно, вследствие низкой проводимости соседних слоев.	10-7 – 10-3
Поверхностная	Происходит на мембране, имеющей двойной электрический слой	10-3 – 1
Электролитическая	Возникает между электродами, помещенными на тело человека, при пропускании через них тока. ЭДС поляризации обусловлено смещением зарядов, которое проявляется как изменение концентрации ионов в приэлектродной зоне.	10-4 - 102