Файл: Исследование электропроводности биологических тканей.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 171
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Новосибирский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
(ФГБОУ ВО НГМУ Минздрава России)
УТВЕРЖДАЮ
Заведующая кафедрой математики
Постникова О.А. _____________________
(подпись)
«___» _____________2016 г.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ
Лабораторная работа
Тема: Исследование электропроводности биологических тканей
Дисциплина Биофизика
Направление подготовки
Профиль подготовки
Квалификация (степень)
Форма обучения очная Курс I
Регистрационный №___
Экземпляр №___
Цель работы: изучить электропроводящие свойства биологических тканей
-
Глоссарий
| № п/п | Термин, понятие | Раскрытие смысла (значения) термина | Источник информации |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | Сила тока | скалярная характеристика электрического тока; равна отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени: i=Δq/ Δt . Единица С. т. – ампер. Для измерения С. т. используют амперметры. | Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика : учебник для студентов медицинских вузов [Рекомендовано Мин. образования] / А. Н. Ремизов, А. Г.Максина, А. Я. Потапенко. - 8-е изд.,стереотип. - М. : Дрофа, 2004, 2008. Федорова В. Н. Медицинская и биологическая физика: курс лекций с задачами; учебное пособие [Рекомендовано методсоветом ВУЗа]/ В. Н. Федорова, Е. В. Фаустов - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 592 с. Физика и биофизика: учеб.для Вузов: [Рек.отрасл. мин-вом] / В.Ф. Антонов [и др.]; ред. В.Ф. Антонов. – М.: ГЭОТАР – Медиа, 2008.- 480 с.: ил. |
| 2 | Удельная электропроводность | физическая величина, равная электропроводности проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения; У. э. связана с удельным сопротивлением соотношением σ = 1/ρ. Принято измерять У. э. в единицах: Сименс (Ом -1) на метр или на сантиметр (Сим/м или Сим/см). | |
| 3 | Удельное сопротивление | электрическое (ρ) – физическая величина, равная электрическому сопротивлению проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения. Обычно У. с. выражают вОм×см или Ом×м. | |
| 4 | Электрическая ёмкость | характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. Для одиночного проводника ёмкость C равна отношению заряда qпроводника к его потенциалу φ в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид C=q/ φ. В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах. | |
| 5 | Электрический заряд | источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая её электромагнитные взаимодействия. Различают два вида Э. з., условно называемые положительным и отрицательным; при этом одноимённо заряженные тела (частицы) отталкиваются, а разноимённо заряженные притягиваются. Заряд наэлектризованной стеклянной палочки назвали положительным, а смоляной (в частности, янтарной) – отрицательным. В соответствии с этим условием Э. з. электрона отрицателен. Э. з. дискретен: существует минимальный, элементарный электрический заряд (заряд электрона е ≈1,6 10–19 Кл), которому кратны все Э. з. тел. | |
| 6 | Электрический ток | упорядоченное движение электрически заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц. О наличии Э. т. в проводниках можно судить по тем действиям, которые он производит: нагреванию проводников, изменению их химического состава, созданию магнитного поля. Для возникновения и существования Э. т. необходимо наличие свободных заряженных частиц (т. е. положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему) и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которое определяется электрическим напряжением на концах проводника. Если напряжение не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный ток, если меняется, – переменный ток. | |
| 7 | Электрическое напряжение | (U) между двумя точками электрической цепи или электрического поля – это есть работа электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки в другую. В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд; в этом случае Э. н. между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними. | |
| 8 | Электролиты | вещества, растворы которых проводят электрический ток ионами, образующимися в результате электролитической диссоциации. Э. в растворах подразделяют на сильные и слабые. Сильные Э. практически полностью диссоциированы на ионы в разбавленных растворах. К ним относятся многие неорганические соли и некоторые неорганические кислоты и основания в водных растворах, а также в растворителях, обладающих высокой диссоциирующей способностью (спирты, амиды и др.). Молекулы слабых Э. в растворах лишь частично диссоциированы на ионы. К слабым Э. относится большинство органических кислот и многие органические основания в водных и неводных растворах. Все жидкие системы в живых организмах содержат Э. |
-
Краткая теория
Электропроводность биологических тканей
Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Такими частицами в биологических объектах являются положительные и отрицательные ионы.
В общем случае удельная электропроводность биологических тканей определяется формулой:
; (Oм-1 м-1), где: е – заряд носителя тока; (Кул);
n – концентрация носителей заряда; м-3
μ– подвижность носителей заряда; м2В-1 с-1.
Подвижность – это средняя скорость, которую приобретает носитель заряда между двумя актами соударения в электрическом поле единичной напряжённости 1В/м. Подвижность носителей заряда зависит только от электрофизических свойств материала проводников. Удельная электропроводность σ – это величина.обратная удельному сопротивлению ρ. То есть
; или 
.Рассмотрим электропроводность раствора NaCl. Для раствора NaCl служащего эквивалентом жидких сред организма, электропроводность будет определяться суммой для двух видов ионов.
; Биологические ткани и жидкие среды организма являются сложными электролитами и содержат кроме различных катионов и анионов разнообразные белковые молекулы и клеточные образования, затрудняющие в общем случае движение заряженных ионов. Поэтому величина подвижности различных видов ионов может колебаться в больших пределах; она зависит от ионного радиуса, степени сольватации и присутствия различных заряженных и нейтральных примесей. Для плазмы крови или ликвора (биологические жидкости, не содержащие клеточных элементов) результирующая электропроводность будет определяться суммой электропроводностей всех видов ионов.
.Например, удельная электропроводность равна:
для ликвора Ом-1·м-1;
для плазмы крови Ом-1·м-1.
Механизм протекания постоянного тока в биологических жидкостях практически аналогичен протеканию тока в разбавленных электролитах, однако подвижность ионов значительно меньше, чем в водных растворах электролитов, так как она ограничена присутствием белковых и других органических молекул.
Электропроводность крови, тканей и органов зависит от их функционального состояния. Поэтому такие измерения могут быть использованы при диагностике некоторых заболеваний.
Кровь человека помимо плазмы содержит клеточные элементы. Белково-липидная мембранная оболочка клеток является достаточно хорошим диэлектриком. Поэтому постоянный ток, протекая по плазме, не может пройти внутрь клеток. Клеточные элементы в этом приближении можно рассматривать как непроводящие диэлектрические тела. Ионы, движущиеся в плазме крови под действием электрического поля, будут огибать эритроциты, составляющие около 50% объёма крови.
Так как эритроциты не участвуют в процессах электропроводности на постоянном токе, то удельная электропроводность (УЭ) крови значительно меньше УЭ плазмы крови.крови = 0,6Ом-1м-1.
Механизм электропроводности биологических тканей (например, мышечной или печени) аналогичен процессу протекания постоянного тока в крови. В данном случае необходимо учитывать, что электропроводность на постоянном токе осуществляется в основном межклеточной жидкостью, которая играет роль плазмы крови. Однако суммарный объём межклеточной жидкости значительно меньше объёма плазмы крови. Поэтому удельная электропроводность биологических тканей значительно меньше электропроводности крови. Например:
для мышечной ткани σмышцы = 0,5 Ом-1 м-1;
для внутренних органов σвнутр. = 0,1 – 0,3 Ом-1·м-1.
Природа ёмкостных свойств тканей организма.
Для медицины существенный интерес представляют процессы, происходящие в тканях организма при прохождении переменного тока. Переменный электрический ток в биологических объектах обуславливается колебательным движением ионов. Однако эти процессы в биологических объектах существенно осложнены существованием клеток и клеточных мембран.
Удельное сопротивление клеточной белково-липидной мембраны очень велико и по своим свойствам она относится к диэлектрикам. С физической точки зрения клетку, окружённую мембраной и находящуюся в окружении межклеточной жидкости, можно рассматривать как некоторый конденсатор.
Р
ис. 1 Схематическое представление клетки как микроскопического конденсатора.
Одной обкладкой такого конденсатора является внутриклеточная жидкость (электролит). Диэлектриком служит мембрана толщиной 7–10 нм и другой обкладкой является электролит межклеточной жидкости. Итак, биологическая ткань на микроструктурном уровне представляет собой мельчайшие отсеки, заполненные проводящей жидкостью и разделённые клеточными мембранами. При прохождении переменного тока через биологическую ткань происходит перезарядка клеточных мембран за счёт колебательного движения связанных зарядов в диэлектрике мембраны. Для постоянного тока сопротивление клеточных мембран велико и ток существует только за счёт движения зарядов в межклеточной жидкости.
Итак, ёмкостные свойства биологических тканей обусловлены ёмкостными свойствами клеточных и внутриклеточных мембран. Поэтому сопротивление биологических тканей в цепях переменного тока зависит от частоты тока аналогично ёмкостному сопротивлению конденсатора.
Импеданс тканей организма.
Импеданс – это полное сопротивление в цепи переменного тока.
Импеданс биологической ткани определяется, во-первых, активным сопротивлением межклеточной жидкости; во-вторых, в биологических тканях всегда присутствует емкостное сопротивление клеточных мембран. Выражение для импеданса биологических тканей:
, гдеR – активное сопротивление,
– емкостное сопротивление.Эквивалентная электрическая схема тканей организма.
Резистивные и емкостные свойства биологических тканей можно моделировать используя эквивалентные электрические схемы
Н
аиболее полно представляет электрофизические свойства биологических тканей эквивалентная схема, состоящая из резисторов R1; R2 и емкости С (рис. 2).
Рис. 2
Резистор R1 является эквивалентом межклеточной жидкости, и R1 обеспечивает конечную величину проводимости на постоянном токе. Резистор R2 характеризует проводимость цитоплазмы. Емкость С является эквивалентом емкости мембран.
Оценка жизнеспособности и патологических изменений тканей и органов по измерениям электропроводности.
Измерения электропроводности находят широкое применение в биологии и медицине при изучении процессов, происходящих в живых клетках, и тканях при патологических состояниях, при действии повреждающих факторов: температуры, излучений, ультразвука.
В
есьма важные сведения о состоянии биологических объектов дают дисперсионные кривые, т.е. графики зависимости полного сопротивления ткани от частоты переменного тока (рис. 3). Такая зависимость присуща только живым тканям; при пропускании переменного тока через обычные растворы электролитов дисперсия электросопротивления не наблюдается. Причина дисперсии заключается в том, что на величину сопротивления при постоянном токе или при низких частотах значительное влияние оказывает макроструктурная поляризация. Поскольку при увеличении частоты переменного тока уменьшаются пограничные поляризационные эффекты, это ведет к уменьшению полного сопротивления ткани, и график обладает значительной крутизной (рис. 3, кривая 1).
Рис. 3. Зависимость полного сопротивления растительной ткани от частоты переменного тока (кривая дисперсии):
1 – для здоровой ткани;
2 – для ткани после кратковременного нагревания в горячей воде;
3 – для той же ткани после ее кипячения (т.е. для неживой ткани).
При повреждении ткани возрастает проницаемость клеточных мембран, что приводит к уменьшению R1 и С (см. рис. 2) и, следовательно, к уменьшению полного сопротивления на низких частотах. Поэтому кривая 2 на рисунке 3 обладает меньшей крутизной. При отмирании ткани поляризация на границах раздела практически исчезает и зависимость импеданса от частоты отсутствует, так как остается лишь активное сопротивление (рис. 3, кривая 3). Таким образом, по крутизне дисперсионной кривой можно судить о жизнеспособности той или иной ткани, что имеет большое значение, когда эта ткань предназначена для трансплантации.
Частотные зависимости электросопротивления сходны для многих тканей, однако величина полного сопротивления разных тканей различна. Зона дисперсии импеданса обычно находится в пределах от 100Гц до 100МГц.
Для оценки жизнеспособности рассчитывают коэффициент поляризации К, который находят как отношение низкочастотного сопротивления к высокочастотному К=
RH– сопротивление ткани на низкой частоте Гц
RB– сопротивление ткани на высокой частоте Гц
Если коэффициент «поляризации» К=1, то исследуемая ткань нежизнеспособна, если К =2 – 10, то такая ткань жизнеспособна.
Кондуктометрия.
Кондуктометрический метод позволяет измерить величину удельного сопротивления биологических тканей. В этом методе образец биологической ткани или жидкости помещают в специальную ячейку с электродами. Так как ячейка имеет правильную геометрическую форму, то по измеренным значениям сопротивления R легко вычислить удельное сопротивление ткани .
И
звестно два метода измерения удельного сопротивления биологических тканей: двухэлектродный и четырехэлектродный. На рис.4 показана схема двухэлектродного метода кондуктометрии.
Рис.4.. Б – источник тока; R – резистор регулировки тока; mA – миллиамперметр для измерения тока; V – вольтметр для измерения напряжения; ткань – размещена в кондуктометрической ячейке. ТЭ – токовые электроды.