Краткая теория. 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

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:

4. Какими электрическими элементами обладает ткань.

5. Как соединены эти элементы.

6. 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:

3. В обход клетки, через внеклеточную среду.

4. 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.

Дата добавления: 2014-05-02; просмотров: 1866; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!