Электронные лекции (1051097), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

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

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

На 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.

1.3. 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.

1.4. Дисперсия импеданса биологических тканей.

Электрический импеданс состоит из реактивной и активной составляющей:

Z = R + Xc

Рис. 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 e(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:

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

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.

1.5. 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.

1.5.1. 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

a, а, b — 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 r и e. Четких количественных данных по этому вопросу мало, однако установлено, что если брать эритроциты разных животных, либо менять форму эритроцитов человека, то зависимость r и e 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.

Рассмотрим вторую область практических интересов.

1.5.2. 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.

Характеристики

Список файлов лекций