Оглавление

Введение.

Учебное пособие подготовлено на основе конспекта раздела курса «Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами», лекции по которому автор читает студентам 3-го курса факультета «Биомедицинская техника».

В пособии рассматриваются следующие вопросы:

-электрические и магнитные свойства тканей организма;

- методы оценки токов в биологических средах, помещённых во внешнее низкочастотное электромагнитное поле;

- электромагнитные поля высокой частоты;

- частотно-зависимые эффекты взаимодействия внешних электромагнитных полей с системами организма;

- вопросы электрической проводимости движущейся крови.

Частотный диапазон рассматриваемых внешних воздействий находится в диапазоне от 0.1 Гц до 10² ГГц..

Схема основных типов биофизических эффектов при взаимодействии электромагнитных полей (ЭМП) со средами и системами организма представлена на рис.1.1.

Рис. 1.1. Схема основных типов биофизических эффектов взаимодействия ЭМП с живыми системами

По различию реакций живых систем на параметры ЭМП, эффекты взаимодействия принято классифицировать следующим образом:

пассивные эффекты – эффекты при которых не наблюдается выраженных реакций со стороны сенсорегуляторных систем организма

(если таковые и наблюдаются то, они вторичны и связаны с выделением, например, тепла);

активные эффекты – эффекты при которых наблюдаются, как правило, быстрые ответные биологические реакции.

Первые связаны с выделением тепловой мощности в объёме биоткани и зависят как от параметров внешнего поля, так и от геометрии поля и биообъекта, удельного сопротивления r и диэлектрической проницаемости e биотканей.

Вторые определяются непосредственным влиянием параметров внешнего поля на информационные, энергетические и вещественные цепочки сенсорегуляторных реакций. Сегодня наука способна дать физически и биологически корректное описание далеко не для всех подобных эффектов, не смотря на то, что их клиническое применение широко распространено. В литературе активные эффекты называются по-разному, и на схеме приведены наиболее часто встречающиеся термины-синонимы.

На низких частотах длина волны электромагнитного поля существенно больше характерных размеров биообъектов и удаётся разделять влияние электрической и магнитной компонент поля, что не удаётся физически корректно осуществить для средних и высоких частот.

При интерпретации биологических эффектов необходимо также помнить, что если характерное время импульса поля короче чем 0.1-0.5 мс., то не успевают открыться мембранные ионные каналы (К-Na каналы биологической мембраны клетки) и, следовательно, не возникает потенциал действия в нервных волокнах.

1. Электрические и магнитные свойства тканей и сред организма.

Характеризуя электрофизические свойства тканей организма, необходимо учитывать следующие факторы. Биоткани являются композиционными средами со сложной геометрией (как в смысле строения, так и электрофизических свойств). Хорошо проводящие среды организма – биожидкости, плохо проводящие — мембраны в невозбужденном состоянии, границы раздела разных по строению и свойствам тканей (компактная костная ткань и др.).

Время от времени, появляются гипотезы о достаточно экзотичных свойствах биологических тканей (полупроводниковых и других). Однако при детальном рассмотрении оказывается, что подобные эффекты возникают в тех случаях, когда физические свойства биоткани меняются под действием ЭМП, либо речь идёт о внешнем сходстве наблюдаемых эффектов с эффектами хорошо изученных в электрофизике.

Биологическая целесообразность подобных эффектов является предметом пристального изучения и обычно требует специального обоснования.

Например, до тех пор, пока аксон не возбужден, он вместе с миелиновой оболочкой и мембраной является диэлектрическим включением, а когда возбужден, то участок возбуждения является хорошим проводником.

1.1 Электропроводность биологических тканей.

Электропроводность биологических тканей определяется наличием в жидкой фазе ионов и, в меньшей степени, заряженных молекул. Основной вклад в электропроводность биотканей вносят такие среды, как кровь, лимфа, межклеточная и внутриклеточная жидкости. Проводимость для этих сред организма находится в диапазоне

g = 1/= 0,1 –2,0 [См/м]; [См/м]=[1/Oмм].

Электропроводность целых органов на 2-5 порядков ниже, чем проводимости биологических жидкостей, что определяется разделением органов на отсеки (компартменты) различного рода мембранами с относительно высоким сопротивлением. Компартменты на микроуровне представлены тканями сухожилия, кожи, сосудистой стенки, фасциями и другими границами раздела биотканей.

Известно, что измерить реальную толщину биологической мембраны l достаточно трудно, поэтому, характеризуя сопротивление электрическому току применяют, так называемое, удельное поверхностное сопротивление. Последнее определяют как произведение удельного сопротивления собственно мембраны на ее толщину:

_{м уд} = l [Омм²].

Для _{м уд} диапазон значений располагается в пределах от 0,5 до 10² кОм×см².

Важным свойством биологических тканей является дисперсия электропроводности (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Типичная зависимость проводимости биоткани от частоты.

1 – мозговая ткань кролика; 2– печень; 3– кашица (дезинтегрированный мозг).

Дисперсия особо выражена в НЧ диапазоне. На средних частотах дисперсия выражена меньше, на высоких частотах опять проявляется отчетливо (например, при изменении частоты от 25 МГц до 9 ГГц удельное сопротивление скелетной мышцы снижается в 10 раз).

Следует отметить, что дисперсия проводимости проявляется во всех композиционных средах, а не только биологических. Дисперсия отчётливо наблюдается в таком диапазоне частот ЭМП, который соответствует характеристическим частотам f_x релаксации заряженных частиц, входящих в состав среды. Поскольку однородные среды образованы частицами с близкими значениями f_x, то дисперсия в них выражена слабо. В неоднородных, в том числе и в биологических, средах наличие емкостных эффектов, сильно зависящих от частоты, приводит к существенной зависимости проводимости от частоты внешнего поля f. Необходимо также помнить, что в случае высокочастотных полей проводимость часто измеряют по величине общего тока и общему напряжению (т.е. току проводимости и току смещения), поэтому в проводимости обычно присутствует емкостная компонента, сильно зависящая от частоты.

1.2. Диэлектрические свойства биологических тканей.

Диэлектрические свойства биотканей определяются присутствием в них воды, растворенных в воде макромолекул, а также компартментализацией клеточных и макроскопических структур.

Компартментализация способствует оптимальному протеканию биохимических реакций, но с другой стороны, приводит к тому, что биоткани приобретают сегнетоэлектрические (электретоподобные) свойства. Вследствие наличия заряженных компартментов биоткани обладают высоким значением e, особенно на НЧ. Заряженные слои ведут себя во внешнем поле как домены с высоким значением электрического дипольного момента и низкой характеристической частотой релаксации f_x. Применительно к диполям f_x соответствует максимальной частоте внешнего ЭМП, которую они способны воспроизводить своим поворотом в нем. В результате подобных поворотов достигается высокая степень экранирования внешнего ЭМП. Диапазон частот f_x для различных внутриклеточных компартментов простирается от долей герца до 1-10кГц.

На границе раздела электролита и белкового матрикса биоткани образуется двойной электрический слой с большим значением электрического дипольного момента. Причём характерный размер разделённых зарядов в диэлектрике существенно больше, чем в электролите. Наличие регулярно расположенных границ раздела приводит к тому, что в объёме ткани возникает макроскопический дипольный момент (рис.1.3).

Рис. 1.3. Образование дипольной структыры на границе раздела. Слева электролит, справа белковый матрикс, стрелки указывают направление перехода электронов, L - характерная длина эквивалентного диполя р.

На более высоких частотах диэлектрические свойства определяются полярными макромолекулами, сосредоточенными как во внутри и внеклеточной жидкости, так и в двойном слое мембраны клеток.

У разных белковых молекул f_x охватывает диапазон от 10 кГц до 100 МГц и зависит от размеров молекулы и вязкости среды. Существует формула для оценки характеристической f_x в жидких средах заполненных диполями: