Шпоры Щукина 2 (Шпаргалки к экзамену по ОВФПсБО)

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.

3

Диэлектрические свойства биологических тканей.

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

К омпартментализация 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 , 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:

где r- характерный размер диполей; - вязкость среды; T- температура.

Т.е. частота релаксации одной и той же молекулы в цитоплазме и в плазме крови отличаются, т.к. вязкости разные.

Н а СВЧ частотах основной вклад в диэлектрические свойства вносит вода, частота релаксации которой составляет 20 ГГц. Именно в воде происходят основные диэлектрические потери при действии СВЧ излучения (f_x воды попадает в диапазон сантиметровых волн).

Все эти явления приводят к дисперсии – зависимости диэлектрической проницаемости от частоты. Типичный вид дисперсии приведён на рис.1.4.

Рис. 1.4. Дисперсия диэлектрической проницаемости скелетной мышцы.

Для биотканей принято выделять три частотные области дисперсии. -дисперсия: её диапазон простирается до ~ 10 кГц.

Эта область обусловлена наличием клеточных компартментов, релаксацией зарядов на микрососудах, фасциях, соединительных прослойках внутренних органов и других неоднородностях.

 -дисперсия (10⁴-10⁸ Гц): обусловлена релаксацией макромолекул (как правило, белков). -дисперсия: обусловлена релаксацией молекул воды и простирается до и более 10⁸ Гц. В биотканях находящихся во внешнем переменном ЭМП, возникают токи проводимости и токи смещения. По мере повышения частоты ЭМП роль токов смещения возрастает, и они становятся превалирующими при f 10⁶ -10⁷ Гц. Сказанное полностью относится к различным методикам высокочастотной электротерапии: если при диатермии (F=0.5-2.0 Мгц) ткани нагреваются в основном токами проводимости, то при УВЧ терапии (F=40-60 МГц) тепловой эффект связан с токами смещения.

5

Дисперсия импеданса биологических тканей.

Электрический импеданс состоит из реактивной и активной составляющей: Z = R + Xc

Р ис. 1.5. Дисперсия импеданса скелетной мышцы

Между зависимостями Z(f) и (f) имеется связь, но это не идентичные процессы. Например, крутые и пологие участки Z(f) и (f) обычно совпадают.

Принято считать, что дисперсия импеданса (рис. 1.5) отражает более широкий круг электромагнитных процессов в биоткани и более выражено зависит от процессов жизнедеятельности (на этот счёт имеются обширные экспериментальные данные).

По зависимости импеданса Z от частоты можно судить об уровне обмена веществ. Также имеется возможность оценить степень жизнеспособности органов и тканей. Один из распространенных методов состоит в следующем: измеряют Z при F=10² Гц, и на частоте >10⁶ Гц, т.е. когда зависимость Z(f) выходит на относительно пологие участки. Затем рассчитывают коэффициент полеризации: К_п= Z_нч / Z_вч (1.1.)

Это метод называется методом оценки жизнеспособности ткани по Тарусову. Если К_п>1 то считается, что биоткань жизнеспособна. При К_п1– велика вероятность отторжения ткани. Кроме того, используют коэффициент частотной дисперсии: К_ЧД=( _НЧ  _НЧ) / ( _ВЧ   _ВЧ) (1.2.)

Этот показатель используют для оценки жизнеспособности тканевых трансплантантов, оценки степени ишемии, размеров зоны раневого процесса и др. Поскольку на низких частотах ток протекает преимущественно в межклеточном пространстве, а на ВЧ протекает по всему объёму тканей, то имеется возможность оценить содержание межклеточной жидкости (что и используется в практике).

По динамике импеданса от частоты и времени Z(F,t) судят о кожно-гальванических реакциях (КГР), которые отражают психофизическое состояние человека (эмоции, утомление и т.д.). Рефлексотерапевты используют этот метод для поиска активных точек, имеющих лечебное и диагностическое значение.

7

Основные факторы, влияющие на проводимость покоящейся крови.

Температура.

Рис. 1.7. Зависимость проводимости консервированной крови от температуры при различных показателях гематокрита.

С увеличением температуры проводимость растет, причем для более концентрированной крови эта зависимость менее выраженная (рис. 1.7). С увеличением температуры эритроциты становятся более сфероподобными, и при T=42-43 ⁰С почти превращаются в сферу, а при 45⁰ С происходит денатурация белков в мембранах эритроцитов.

Показатель гематокрита.

С увеличением Ht увеличивается (уменьшается), кроме того, и увеличивается. Эмпирических зависимостей удельного сопротивления покоящейся крови от показателя гематокрита в литературе много, но на практическе используют два типа зависимостей:

а) линейная

б) экспоненциальная

, а,  — коэффициенты, полученные методами оптимизации экспериментальных зависимостей при T=37⁰С. Например, для капиллярной и венозной крови используют следующие зависимости.

=13,5 +4,29 Ht(%)

=52,74+3,17Ht(%)

Форма и размеры эритроцитов.

Увеличение размера эритроцита приводит к росту как общего импеданса, так и  и . Четких количественных данных по этому вопросу мало, однако установлено, что если брать эритроциты разных животных, либо менять форму эритроцитов человека, то зависимость  и  от Ht существует (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Влияние формы эритроцитов на диэлектрическую проницаемость суспензии эритроцитов в физиологическом растворе.

В подобных опытах изменение формы эритроцитов осуществляют обычно двумя способами: нагрев крови, либо помещают эритроциты в раствор с низким осмотическим давлением (рис.1.9).

Рис. 1.9. Изменение формы нормального эритроцита в растворах различной осмолярности.

8

Электропроводность движущейся крови.

На рис. 1.10 представлены основные процессы, влияющие на электрофизические свойства движущейся крови.

Рис. 1.10.

Дадим краткую характеристику относительно мало значимых (в большинстве практических ситуаций) первых четырех эффектов.

1. Образование агрегатов эритроцитов. Агрегация идет при малых скоростях течения, а точнее при малых скоростях сдвига. Пороговые значения, по данным экспериментов в кровеносных сосудах человека составляют:

V0.2 (См/с); 2.7 с^-1

Эти значения говорят о том, что практически для всех сосудов, кроме крупных венозных, влияние агрегации на электропроводность несущественно.

2. Формирование смазочного слоя плазмы. В кровеносном сосуде образуется пристеночный слой чистой плазмы (смазочный слой), характерный размер  которого зависит от числа Рейнольдса и скорости сдвига. Для всех кровеносных сосудов, кроме капилляров, (в которых имеет место «поршневое» движение эритроцитов) толщина смазочного слоя не превышает 5-6 мкм. Удельное сопротивление плазмы в 2-3 раза меньше, чем крови. Отсюда по схеме параллельного включения нетрудно оценить вклад смазочного слоя, например в продольное, электрическое сопротивление крови в кровеносном сосуде.

3. Перераспределение эритроцитов в потоке крови. Этот эффект при физиологических значениях гематокрита дает малый вклад в изменение проводимости движущейся крови. Идея состоит в том, что с увеличением скорости профили зависимости гематокрита от радиуса сосуда становятся более вытянутыми (эритроциты сконцентрированы в ядре потока).

Рис. 1.11. Профили линейной скорости и гематокрита в кровеносном сосуде.

На рисунке 1.11 качественно представлены профили скорости и соответствующие им распределения концентрации эритроцитов по сечению сосуда. Во втором случае профиль H2(r), более вытянут. Продольное сопротивление столбика крови в кровеносном сосуде определяется, как бы двумя областями: центральной (ядро потока), в которой сосредоточено большинство эритроцитов, и пристеночной, которая обеднена эритроцитами.

Продольное электрическое сопротивление сосуда можно оценить, представив его параллельно включёнными сопротивлениями соответствующих областей.

Прямые эксперименты показали, что если взять обычные эритроциты и измерять продольное сопротивление столба крови в жёстком сосуде, а затем изменить форму тех же эритроцитов - сделать их сферическими, например, за счёт нагрева, то изменения в сопротивлении движущегося и покоящегося потока исчезают. Эксперименты показали, что вклад этого эффекта в изменение проводимости находиться в пределах 3-4 %, в то время как, реальные изменения проводимости при движении крови составляют 15-25%.

6

Электрическая проводимость крови.

Эти свойства важны для широкого спектра задач биоинженерии, среди которых диагностические методы исследования: кондуктометрия (измерение расхода крови, измеряемое по изменению сопротивления); импедансные методы диагностики, а также большое количество терапевтических методов, в которых на кровеносные сосуды осуществляется электромагнитное воздействие, спектр которого простирается от инфранизких частот до оптического диапазона.

Спектры диэлектрической проницаемости  и проводимости  крови с хаотически ориентированными эритроцитами и в отсутствие потока (без движения) представлены на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Зависимости диэлектрической проницаемости и проводимости крови и плазмы от частоты.

Если, пользуясь этими данными, оценить максвелловское время релаксации для крови, то получим, что вплоть до частот порядка 10⁶ Гц кровь является проводником, а при частотах более 10²-10³ Мгц - диэлектриком. График отражает тот факт, что измерение проводимости крови часто проводят на переменном токе в частотном диапазоне от 10² до 10⁵-10⁶ Гц.

На практике различают две области практических интересов: электрофизические свойства покоящейся и движущейся крови. Рассмотрим первую из областей.

4

Магнитные свойства биологических тканей.

Относительная магнитная проницаемость биотканей близка к 1 с точностью до 2-го знака, поскольку основными компонентами биотканей являются вода, углеводы и липиды, которые относятся к диамагнетикам. В литературе иногда рассматривают уникальных представителей животного мира, у которых есть структуры с выраженными ферромагнитными свойствами. Например, один из микроорганизмов (спирелла) способен синтезировать ферритин и накапливать его в специализированных органеллах – магнетосомах. Магнетосома выполняет роль «магнитной стрелки», помогающей ориентироваться голубям и пчелам по магнитному полю земли. У человека также обнаружены содержащие ферритин включения (находятся в надпочечниках). Предполагают, что подобные включения есть в тканях пчел, голубей, дельфинов, что и обеспечивает им пространственную ориентацию. Вопрос о механизмах рецепции магнитных полей до конца не ясен, но магнитобиология – интенсивно развиваемое направление, в котором возникают всё новые гипотезы (жидкокристаллические структуры с большим магнитным моментом, магнитогидродинамические течения и др.). До сих пор, однако, все сложности физической интерпретации реакций живых систем на МП связаны с тем, что для большинства реальных ситуаций выполняется неравенство P_mB/kT<<1, где P_mB – энергия ориентации магнитного диполя в поле с магнитной индукцией В. Это означает, что тепловое хаотическое движение разрушает упорядоченность связанную с магнитными взаимодействиями. Кроме того, активно изучается вопрос о возможной роли магнитных полей в передаче и трансформации энергии.

При всем этом существует неоспоримые факты о том, что МП дают зримый биологический и клинический эффект как у пациентов, так и в животном мире. В частности, электромагнитная терапия (в основном, инфранизкочастотный диапазон) широко применяется при лечении ряда заболеваний опорно-двигательной и сердечно-сосудистой систем.

2

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:

 = 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.

В ажным 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.

9

4. Деформирование (каплеобразное вытягивание) эритроцитов в потоке крови.

При достаточных скоростях сдвига эритроциты в потоке превращаются в вытянутые эллипсоиды (каплеобразные эллипсоиды). Вклад этого эффекта в изменение  и  экспериментально оценить трудно, так как он проявляется на фоне присутствия всех пяти эффектов. Теоретические оценки, в которых принималась модель, состоящая из плазмы и эритроцитов разных форм, дает оценку не более 1-3%.

Подводя итог первым четырем процессам, следует отметить, что все вместе взятые они, хоть и существуют, но не определяют экспериментально наблюдаемые 15-20 % изменения удельного сопротивления крови возникающего при её движении.

1. Ориентационные эффекты.

Эксперименты проводились с использованием жесткой цилиндрической трубки, в которой поток крови создавался пневматическим желудочком аппарата Искусственное Сердце (ИС). На входе в измерительную часть системы эритроциты перемешивались в специальных резервуарах кубической формы до достижения хаотической ориентации, что контролировалось измерением сопротивлений в трёх перпендикулярных направлениях.

Длина входного участка l выбиралась исходя из того, чтобы исключить влияние эффектов формирования входного профиля скорости. Это достигалось выполнением известных в литературе условий:

l k RтрубкиRe, Т=37С., k=0.08-0.09,

где k - безразмерный коэффициент, значение которого заимствовано из литературных данных,

Re – число Рейнольдса, Re=v*2R/

Рис. 1.12. Схема установки для исследования ориентационных эффектов.

Так для диаметра трубки равного 4 мм, вязкости крови 310 ^-3 Пас (близкое к минимальному значению вязкости крови для кровеносных сосудов среднего калибра), средней скорости в ячейке 1 м/с получим для длины входного участка l>1 м.

На установке создавались близкие к прямоугольным импульсам потока крови, и измерялось сопротивление на частоте 10 кГц (рис. 1.12). При этом меняли гематокрит и скорость сдвига (за счет разных значений ударных выбросов желудочка искусственного сердца).

11

Низкочастотные электромагнитные поля. Распределение токов в биологических объектах.

Тело человека во внешнем низкочастотном электромагнитном поле.

Аппараты для электромагнитного воздействия на организм имеют широкое применение в терапии, хирургии, профилактике, диагностике и других областях медицины. Особенности строения, иннервации, возбудимости, индивидуальные параметры чувствительности рецепторных полей различных биотканей приводят к тому, что каждый вид ткани наиболее выражено реагирует на электромагнитные воздействия, параметры которого лежат в определенном диапазоне амплитуды, частоты и формы импульса ЭМП. Такие диапазоны принято называть окнами чувствительности рецепторных полей биоткани, а параметры воздействия, соответствующие этим диапазонам, – адекватными. Параметры адекватных воздействий определяют в результате экспериментальных и теоретических исследований. Это представляет собой самостоятельную задачу, не рассматриваемую в данном пособии.

Однако, при разработке биомедицинской аппаратуры и методик диагностических измерений необходимо уметь рассчитывать технические параметры воздействия, при реализации которых в соответствующих биотканях создаются поля с заданными характеристиками. Т.е. необходимо иметь расчетные соотношения, связывающие характеристики ЭМ поля у поверхности, либо в заданной области пространства, биообъекта которое создается соответствующими излучателями, с параметрами поля в тканях организма. При этом требуется учитывать различия геометрических, электрофизических и других свойств биотканей. Если параметры воздействия адекватны соответствующей ткани, то выполнено условие – условие функциональности воздействия. Области практического применения функциональных воздействий не ограничиваются терапевтическими и реабилитационными биотехническими системами. Не менее важная и перспективная область их использования заключается в активной функциональной диагностике. При этом на соответствующую систему организма оказывают внешнее воздействие и по ответным реакциям судят о внутрисистемных связях и выраженности механизмов регуляции. Тем самым получается информация о тончайших механизмах внутрисистемной регуляции, что крайне важно для ранней диагностики заболеваний. .

Теоретической основой для расчета распределения ЭМ поля в средах являются уравнения Максвелла, которые в принятых обозначениях имеют вид:

где _{свободн} - объёмная плотность свободных зарядов.