Вопрос 5. Пассивные электрические свойства тканей тела человека

Вопрос 2, 3. Процессы, происходящие в тканях под действием электрических токов

Все вещества состоят из молекул, каждая из них является системой зарядов. Поэтому состояние тел существенно зависит от протекающих через них токов и от воздействующего электромагнитного поля. Электрические свойства биологических тел более сложны, чем свойства неживых объектов, ибо организм – это еще и совокупность ионов с переменной концентрацией в пространстве.

Первичный механизм воздействия токов и электромагнитных полей на организм – физический.

Первичное действие постоянного тока на ткани организма. Гальванизация. Электрофорез лекарственных веществ

Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов в разных элементах тканей.

Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать прохождение тока через организм. Непрерывный постоянный ток напряжением 60–80 В используют как лечебный метод физиотерапии (гальванизация). Источником тока служит двухполупериод-ный выпрямитель – аппарат гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца толщиной 0,3–0,5 мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащиеся в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные теплой водой.

Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ. Для этой цели поступают так же, как и при гальванизации, но прокладку активного электрода смачивают раствором соответствующего лекарственного вещества. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает: анионы вводят с катода, катионы – с анода.

Гальванизацию и электрофорез лекарственных веществ можно осуществлять с помощью жидкостных электродов в виде ванн, в которые погружают конечности пациента.

Вопрос 5. Пассивные электрические свойства тканей тела человека

К пассивным электрическим свойствам биоло­гических объек­тов относятся: сопротивление, электропроводимость, емкость, диэлектрическая проницаемость. В норме и патологии эти пара­мет­ры меняются и поэтому могут быть исполь­зованы для изучения структуры и физико-химического состояния биологического ве­щества. Эти свойства проявляются, если к исследуемому участку ткани приложить напря­жение небольшой величины.

При приложении постоянной разности потен­циалов к тканям организма в них наблюдается два явления:

1. Постоянный электрический ток в проводящих тканях.

2. Различные виды поляризации в диэлектриче­ских тканях. Величина тока в тканях определя­ется по закону Ома для участка цепи, однако для электролитов, а следовательно и биообъектов, закон имеет своеобразный вид:

J = (U – ε_n(t))/R

В этой формуле U - приложенное к участку ткани напряже­ние, R - активное сопротивление этого участка, ε_n (t) – ЭДС поляризации, которая возникает в результате поляризационных яв­лений как на электродах, так и внутри ткани на полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегородках. ЭДС поляризации со временем возрастает, а ток в тканях уменьшается и при дли­тельном воздействии становится равным нулю

.

В диэлектриках заряды связаны, однако они перемещаются при наложении внешнего элек­трического поля внутри микро­структуры: атома, молекулы, клетки или в пределах границы про­водящей и непроводящей среды. Для каждого вида поляризации приводится значение времени релаксации τ.

Время релаксации - это время, в течение которого поляри­зация увеличивается от нуля до максимума, с момента прило­жения внешнего напряжения.

1. При электронной поляризации под воздейст­вием внешнего электрического поля происходит деформация электронных орбиталей атомов, ориентированных вдоль поля. Время релаксации = (10^-16 - 10^-14) с.

2. При ионной поляризации происходит смеще­ние ионов в кристаллической решетке вдоль направления электрического поля, = (10^-8 - 10^-3)с.

3. Дипольно-ориентационная поляризация происходит в структурах, в которых уже име­ются полярные молекулы — дипо­ли, ориентиро­ванные хаотично. Под действием электрического поля они выстраиваются вдоль поля, = (10^-13 - 10^-7) с.

4. При микроструктурной поляризации проис­ходит перерасп­ределение ионов в результате действия электрического поля на раз­личных полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегород­ках, например: на цитоплазматических мембранах, мембранах кле­точных органоидов, некоторых разделительных тканевых оболочках. В результате такого перераспределения возни­кает структура, по­добная гигантской поляризо­ванной молекуле, = (10^-8 - 10^-3) с.

5. Электролитическая или электрохимическая поляризация воз­никает между электродами, опущенными в электролит. Ионы, подхо­дящие к электродам, не полностью успевают нейтрализо­ваться по причине вторичных реакций на элек­тродах и неодинаковой подвиж­ности ионов. В результате, вокруг каждого электрода возникает "об­лако" зарядов противоположного знака, что ведет к образованию поля, направленного противоположно внешнему и постепенному уменьшению тока, проходящего через электро­лит, = (10^-3 - 10²) с.

6. Поверхностная поляризация возникает на образованиях, имеющих двойной электрический слой. Ионы дисперсионной час­ти двойного электрического слоя связаны с атомами поверх­ности и не являются свободными. Диффузион­ный слой образуется за счет притяжения ионами дисперсионного слоя. При приложении внеш­него поля происходит частичное смещение ионов обеих сло­ев, образуются так называемые наве­денные диполи, = (10^-3 - 1) с.

Все рассмотренные явления поляризации в той или иной сте­пени присущи биологическим объектам. При приложении внеш­него поля в тканях индуцируется противоположно направ­ленное поле за счет поляризационных явлений, которое уменьшает внеш­нее поле и обуславли­вает высокое удельное сопротивление тканей постоянному току. Количественно явление поляризации характери­зуется величиной относи­тельной диэлектрической проницаемости.

ε = E₀ /E

где Е_о - напряженность внешнего электрического поля в вакууме, Е - напряженность поля в среде, оно равно разности Е_о и Е_n, где Е_n - напряжен­ность поля, создаваемая наведенными диполями при поляризации. Относительную диэлектриче­скую проницае­мость можно определить также соотношением емкостей

ε = C/C₀

где Со - емкость электродов в вакууме, С - емкость электродов в среде.

При приложении к биологическому объекту переменного (как правило, синусоидального) напряжения, в нем также возни­кают электриче­ский ток и поляризационные явления. Электри­чес­кую модель биологического объекта для переменного тока мож­но представить в виде двух сопротивлений:

- активного, определяемого по формуле R_a = (pL)/S

- емкостного R_c = 1/(ωC)

- индуктивное сопротивление равно нулю.

Эти сопротивления в самой ткани могут быть соединены как последовательно так и парал­лельно.

Общее сопротив­ление ткани в цепи переменного тока называется импедансом и обозначается Z. Импеданс определяется по формуле:

- при последовательном соединении

- при параллельном соединении:

Импеданс ткани изменяется с частотой. Это явление называют дисперсией. Величина импе­данса определяется сопротивлением самой ткани, а также зависит от соотношения частоты или перио-

да приложенного напряжения и време­ни релак­сации:

1) если Т/4 > τ (Т/4 — время возрас­тания прило­женного напряжения от 0 до max, τ - время релаксации), прово­димость объекта и диэлектри­ческая проницаемость с частотой не меняется,

2) если Т/4 < τ то поляризация не ус­певает достигнуть максимального зна­чения, поэтому при этих условиях в некотором промежутке частот с увеличением частоты проводи­мость возрастает, а диэлектрическая проницаемость уменьшается,

3) если Т/4 «τ, то поляризационные явления практически не возникают, ε и p остаются неизмененными.

Пассивные электрические свойства клеток и тканей изучают с помощью мостовых схем. Метод измерения пассивных свойств тканей для диагностичес­ких целей имеет преимущество в том, что используемые напря­жения не вносят существенных изменений в физико-химические процессы, происходящие в биообъекте, и тем более не поврежда­ют его. Известно, что пассив­ные электрические свойства отражают измене­ния физиологических состояний объекта при патологии, повреждениях, действиях физи­ческих факторов (температу­ры, облучения, давления) и др. Рассмотрим некоторые примеры использова­ния этого метода в биологических и ме­дицин­ских исследованиях.

1. На низких частотах из­мерение емкости и сопротив­ления клеточных мембран мо­жет служить мерой их прони­цаемости для различ­ного вида ионов.

2. При патологических процессах, например при вос­палении, в тканях известны за­кономерности изменения пас­сивных электрических свойств. На начальной фазе воспаления происходит набуха­ние клеток без изменения проницаемости их мембран. В это время уменьшается объем межклеточного про­странства, а следовательно, увеличивается активное сопротивле­ние ткани. В более поздние сроки воспаления происходит увели­чение проницаемости клеточных мембран и, как следствие, уменьшение емкости и актив­ного сопротивления. Таким образом, изменение электрических параметров тканей может слу­жить сред­ством для диагностики воспалитель­ных процессов.

3. При действии возбуждающих факторов, а также при отми­рании ткани, происходит увели­чение проницаемости мембран и, как следствие, увеличения ионных потоков, т.е. ослабление эффек­та поляризации границ раздела, что приводит к падению сопро­тивления и емкости объекта на низких частотах. На высоких часто­тах поляризация границ раздела практически отсут­ствует, поэтому высокочастотное сопротивление практически не меняется. Таким образом, степень повреждения или отмирания ткани связана с дисперсией импеданса на низких частотах, чем больше поврежде­ние, тем меньше дисперсия.

4. В физиологии и медицине с помощью импе­дансометрии определяется кровенаполнение органов и тканей - при систоле сопротивление органа уменьшается, при диастоле увеличива­ется, т.к. кровь имеет меньшее сопротивление, чем клетки. Этот метод называется реографией. На практике исследуется кровенаполне­ние в печени, почках, сердце, нервной ткани, кровоток в магист­ральных и более мелких сосудах.

5. Одним из важных вопросов современной биофизики и элект­рофизиологии является содержание свободных и связанных ионов в различных образованиях биологического объекта, в частности:

- определяют концентрацию свободных ионов в цитоплазме,

- исследуют количественно процессы связывания ионов мо­лекулами белков или других органиче­ских соединений,

- определяют степень гидратации белковых молекул,

- и другие.

В медицине с лечебной целью широко применя­ется нагрев высокочастотными полями и токами, причем тепловой эффект при различных методах воздействия зависит от удельного сопро­тивле­ния, относительной диэлектрической проницае­мости, часто­ты и количественной характери­стики действующего фактора.