Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004
 Скачать 10.98 Mb.
|
Контрольные вопросы
ЛИТЕРАТУРА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №15 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАССИВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить зависимость модуля импеданса эквивалентных схем и живой ткани от частоты. ОБОРУДОВАНИЕ: двухлучевой электронный осциллограф, генератор звуковой частоты, экспериментальная установка. ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДАОпределение полного сопротивления (импеданса) позволяет получить значительную информацию о структуре и составе биологических объектов, не повреждая их. Изучение активной и реактивной составляющих импеданса используют:
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬТкани живых органов состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью. Тканевые жидкости и цитоплазма клеток представляют собой электролиты и являются относительно хорошо проводящими ток средами. Они обладают активным (омическим) сопротивлением R. Биомембраны представляют собой тонкие липидные мембраны с высоким сопротивлением и электрической емкостью порядка 1 мкФ/см2. Все это придает тканям организма емкостные (реактивные) свойства. При этом и омическое (активное) сопротивление, и емкостное сопротивление уменьшаются с увеличением частоты. Для описания как активных, так и реактивных свойств биологической ткани используется показатель импеданса Z – полного сопротивления ткани:  ,где R – активное сопротивление ткани, Х – реактивное сопротивление ткани, зависящее от ее емкостных свойств;  – мнимая единица. Использование мнимой единицы для записи величины импеданса позволяет не смешивать при расчетах омические и емкостные показатели.Кроме величин активной и реактивной составляющих импеданса, электрические свойства биологических тканей можно описать с помощью двух других показателей – модуля импеданса  и фазы импеданса :  .От показателей модуля и фазы импеданса всегда можно перейти к величинам активного и реактивного сопротивления тканей, и наоборот. Таким образом, две пары показателей, используемых для описания пассивных электрических свойств биологических тканей, эквивалентны. При пропускании переменного электрического тока через биологические объекты в них возникают поляризационные процессы. Установлено, что при этом происходит изменение как активной, так и реактивной его составляющих импеданса. При исследовании электрических характеристик живых тканей в широком диапазоне частот переменного тока проявляется эффект дисперсии - модуль импеданса биологических объектов с увеличением частоты уменьшается до некоторой постоянной величины (рис. 1). Зависимость, подобная показанной на рис. 1, свойственна только живым тканям.  Рис. 1. Кривая дисперсии - изменения величины модуля импеданса Z мышцы при увеличении частоты тока. Это подтверждает динамика кривых дисперсии, показывающих зависимость модуля импеданса Z растительной ткани от частоты в норме (рис. 2а), при нагревании ее в течении 2-х минут (рис. 2б) и при полном отмирании ткани (рис. 2в).  Рис. 2. Изменение кривой дисперсии модуля импеданса растительной ткани при нагревании (объяснения в тексте).Следует отметить ряд особенностей, характеризующих величину модуля импеданса живой ткани:
Наличие в биологических системах емкостных сопротивлений подтверждается сдвигом фаз между силой тока и напряжением. Величина сдвига фаз определяется соотношением емкостного и омического сопротивлений. Для биологических систем характерна большая величина сдвига фаз. Это показывает, что доля емкостного сопротивления в биологических объектах велика. Например, величины сдвига фаз, полученных на биологических объектах при частоте 1000 Гц:
Для изучения закономерностей прохождения переменного тока через биологические ткани используют эквивалентные схемы, т.е. такие комбинации соединения омического сопротивления и емкости, которые в первом приближении могут моделировать электрические параметры клеток. Рассмотрим примеры несложных эквивалентных схем.
На рис. 3б видно, что при малых частотах значения модуля импеданса для данной схемы будет большим, т.к. емкостное сопротивление при этом резко увеличивается (Z при 0), что не согласуется с характеристикой модуля импеданса для живой ткани. Живые ткани имеют определенные значения Z при постоянном токе (рис. 1). Р  ис. 3. Схема с последовательно включенными омическим R и емкостным С сопротивлениями (а) и график изменения модуля импеданса Z от частоты (б).
Рис. 4. Схема с параллельно включенными омическим R и емкостным С сопротивлениями (а) и график изменения модуля импеданса Z от частоты (б). Из рис. 4б видно, что при больших частотах значения модуля импеданса данной эквивалентной схемы стремится к нулю (Z 0 при ). У живых объектов Z с увеличением частоты снижается только до определенных значений (рис.1). Сравнивая графики, изображенные на рис. 3б и 4б с зависимостью для живой ткани (рис. 1), легко заметить, что приведенные схемы не удовлетворяют всему диапазону частот исследования. Приблизить свойства схемы к живой ткани позволяет электрическая схема, состоящая из нескольких элементов, соединенных последовательно и параллельно (рис. 5а). Зависимость модуля импеданса Z от частоты для данной схемы представлена на рис.5б.  Рис. 5. Эквивалентная схема (а) и график зависимости модуля импеданса Z от частоты (б). |
