ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 998
Скачиваний: 3
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
194
ГЛАВА 8
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
БІОСИСТЕМ ТА ДІЯ ФІЗИЧНИХ
ПОЛІВ НА БІОСИСТЕМИ
§ 8.1. ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИН
І РІДИН ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
БІОСИСТЕМ
Органічні речовини (білки, жири, вуглеводи), з яких складаються
міцні частини тканин, у чистому і сухому вигляді є діелектриками.
Однак усі тканини і клітини в організмі містять або омиваються рідинами
(кров, лімфа, різні тканеві рідини), до складу яких, крім органічних
колоїдів, входять розчини електролітів. Тому ці рідини є відносно
добрими провідниками.
Загальна концентрація розчинів електролітів у рідких середовищах
організму еквівалентна 0,9 %-вому розчину хлористого натрію. Тому
подібний розчин, який називається
ізотонічим,
може служити моделлю
при вивченні проходження струму у тканинах організму.
Нагадаємо, що проходження струму в ланцюзі, який містить розчин
електроліту, супроводжується рядом особливих явищ, які відбуваються на
поверхні електродів або в розчині, який їх оточує. Ці явища об’єднуються
під назвою
електрохімічної поляризації;
до них відносяться, наприклад,
електроліз розчиненої речовини, реакції між продуктами електролізу й
речовиною електрода або розчинника (водою), утворення місцевих
концентраційних просторових зарядів тощо. В результаті цих явищ
відбувається зміна перехідного опору електродів, утворення в ланцюзі
потенціалів, протилежних за знаком прикладеній напрузі. При
нагромадженні в ланцюзі продуктів поляризації струм (при постійній
прикладеній напрузі) поступово зменшується. Однак можливо і його
раптове збільшення, наприклад, при відриві з поверхні електродів
пухирців газу, що утворюються на них у випадку зазначених процесів.
Для того, щоб виключити ці явища, наприклад, при фізіологічних
дослідженнях, застосовуються
неполяризуючі електроди,
які складаються
з металу, зануреного в розчин його солі (наприклад,
Zn – ZnSO
4
), або з
металу, покритого його ж сіллю (наприклад,
Ag – AgCl
). У цьому
Основи біофізики і біомеханіки
195
випадку явища електролізу обмежуються лише розчиненням (на аноді)
або виділенням (на катоді) металу, з якого складаються електроди.
Продукти електролізу розчину хлористого натрію, що утворюються
на поверхні від’ємно зарядженого електроду, містять їдкий луг (
NaOH
), а
позитивного – соляну кислоту (
НС1
), що утворюється на поверхні –
речовини, що характеризуються припікальною дією. Тому
при будь-
яких умовах (включаючи й експерименти на тваринах) при дії постійним
струмом не можна накладати металеві електроди безпосередньо на
поверхню тіла.
Під електродом (між електродом і шкірою) обов’язково
повинна міститися прокладка із тканини, змоченої ізотонічним розчином
(або водопровідною водою).
До параметрів, які характеризують електричні властивості органів і
тканин, відносять їх електропровідність, опір, ємність, діелектрична
проникність, імпеданс тощо.
Електропровідність біологічних тканин і рідин
. Біологічні тканини
і організми є досить різноманітними утвореннями з різними електричними
опорами, які можуть змінюватися при дії електричного струму. Це
зумовлює труднощі вимірювання електричного опору живих біологічних
систем.
Різні середовища і тканини організму мають різну електропровідність.
Найкращу електропровідність мають спинномозкова рідина і сиворотка
крові, декілька меншу – цільна кров і м’язова тканина. Значно меншою
є електропровідність тканин внутрішніх органів, а також мозкової
(нервової), жирової і з’єднувальної тканин. Поганими провідниками,
які потрібно віднести до діелектриків, виступають роговий шар шкіри,
зв’язки, сухожилля і, особливо, кісткова тканина без надкісниці. Значення
питомої електропровідності
γ
(Ом
-1 .
см
-1
) різних тканин організму при
постійному струмі (для ізотонічного розчину
15
при t = 37
o
C ) наведено
у таблиці 8.1.1.
Таблиця 8.1.1.
Значення питомої електропровідності
різних тканин організму
Ом
-1 .
см
-1
Ом
-1 .
см
-1
Спинномозкова рідина
0,018
Тканина
мозкова
і
нервова
0,0007
Сиворотка крові
0,014
Тканина жирова
0,0003
Кров
0,006
Шкіра суха
10
-7
М’язи
0,005
Кістка без надкісниці
10
-9
Внутрішні органи
0,002-0,003
15
Ізотонічний
– розчин, у якому загальна концентрація розчинів електролітів у рідких
середовищах є еквівалентною 0,9 % розчину хлористого натрію.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
196
При лікувальних процедурах електроди з прокладками накладаються
в певних місцях на поверхню тіла. Електропровідність окремих ділянок
організму, які знаходяться між електродами, значною мірою зумовлена
електропровідністю шару шкіри і підшкіряно-жирової клітковини, яка
знаходиться безпосередньо під електродами, бо струм, який проходить
крізь цій шар, розгалужується і проходить крізь більш заглиблені шари
тканин багатьма паралельними гілками з найменшим опором. Тобто
всередині організму струм розподіляється, здебільшого, через кровоносні
і лімфатичні судини, м’язи, оболонки нервових стволів. Тому розга-
луження струму в тканинах організму можуть бути складними і,
навіть, захоплювати ті райони, що далеко лежать від місця накладання
електродів.
Електропровідність шкіри, крізь яку струм проходить головним чином
за каналами потових і сальних залоз, залежить від товщини і стану її
поверхневого шару. Тобто і
опір
шкіри, у свою чергу, визначається її
станом: товщиною, віком, вологістю та іншим (табл. 8.1.2.). Через це,
електропровідність тканин і органів залежить від їх функціонального
стану і може бути використана в якості діагностичного показника. Так,
наприклад, це відбувається при запаленні, коли клітини набухають,
через що зменшується перетин міжклітинних з’єднань і підвищується
електричний опір; фізіологічні явища, які викликають пітливість,
супроводжуються зростанням електропровідності шкіри і, навпаки,
суха загрубіла шкіра є поганим провідником.
Таблиця 8.1.2.
Значення питомого опору різних тканин і рідин організму
р, Ом
.
м
р, Ом
.
м
Спинномозкова рідина
0,55
Тканина жирова
33,3
Кров
1,66
Шкіра суха
10
5
М’язи
2
Кістка без надкісниці 10
7
Тканина
мозкова
і
нервова
14,3
Тканини організму складаються зі структурних елементів – клітин,
які омиваються тканинною рідиною. Такий елемент являє собою два
середовища, які відносно добре проводять струм (рідина тканин і
цитоплазма клітини) та які розділені шаром, який погано проводить
струм (клітинною мембраною) (
рис. 8.1.1., а
). Через це така система
має електричну ємність. При проходженні крізь тканини постійного
струму в таких елементах відбувається накопичення по обидва боки
мембрани іонів різного знаку. В результаті утворюється система, котра
подібна до зарядженого конденсатора (
рис. 8.1.1., б
).
Основи біофізики і біомеханіки
197
Рис. 8.1.1.
Ємкісні властивості тканин організму людини
У тканинах зустрічаються і макроскопічні утворення, які складаються
з різних з’єднувальнотканних оболонок і перегородок, тобто які є
поганими провідниками, по обидва боки яких знаходяться тканини з
великою кількістю рідини – добрі провідники. Усе це надає тканинам
організму ємкісних властивостей.
Це свідчить, що еквівалентна електрична схема ділянки тканин
організму, які знаходяться між накладеними на поверхню тіла
електродами, повинна містити як електропровідні, так і ємкісні
елементи, тобто вона повинна бути складена з резисторів, які володіють
активним опором, і конденсаторів – носіїв ємкісного опору. Найпоши-
ренішими елементами в такій схемі є конденсатор
С
и резистор
R’,
що
включені послідовно й спільно шунтировані резистором
R
(наприклад,
для шару шкіри й підшкірної клітковини разом з контактним шаром
між шкірою й електродом) (
рис. 8.1.2, а
), або конденсатор
С
і резистор
R,
що включені паралельно (
рис. 8.1.2, б
).
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
198
Рис. 8.1.2.
Еквівалентні електричні схеми тканин під електродами:
а) для шару тканин безпосередньо під електродами;
б) для тканин, які глибоко залягають від місця накладання електродів
Через те, що величини, котрі характеризують електричні властивості
(електропровідність, ємність, діелектрична проникність, імпеданс тощо)
органів і тканин, залежать від їх фізіологічного стану, то вони можуть
виступати його діагностичними показниками.
Електромагнітні характеристики біосистем.
Будь-яке тіло (неживе
чи живе) є джерелом полів (гравітаційного, магнітного, електромагнітного).
Живий організм виступає джерелом фізичних полів за рахунок
процесів, які в ньому відбуваються. Так, чинниками електромагнітного
випромінювання є електрична активність органів; акустичного – биття
серця, течія крові за судинами, теплового – тепловий рух атомів і
молекул тощо. Реєстрація та вимірювання характеристик цих полів та
часовий їх розподіл використовується для оцінки протікання фізіологічних
процесів в організмі та отримання інформації про стан організму, його
органів і тканин у діагностичних цілях.
Живий організм (кожна клітина організму) виступають джерелом
електричних потенціалів (біопотенціалів). Залежність електричного
потенціалу будь-якого органу чи тканини від часу має назву
е л е к т р о г р а м и
, а реєстрація біопотенціалів тканин і органів з
діагностичною метою –
е л е к т р о г р а ф і є ю
. Такий загальний
R’
C
R
а)
C
R
б)