§ електричні властивості біологічних тканин




Сторінка1/6
Дата конвертації19.06.2017
Розмір0.75 Mb.
  1   2   3   4   5   6

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
194
ГЛАВА 8
ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
БІОСИСТЕМ ТА ДІЯ ФІЗИЧНИХ
ПОЛІВ НА БІОСИСТЕМИ


§ 8.1. ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИНІ РІДИН ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
БІОСИСТЕМ

Органічні речовини (білки, жири, вуглеводи, з яких складаються міцні частини тканину чистому і сухому вигляді є діелектриками. Однак усі тканини і клітини в організмі містять або омиваються рідинами кров, лімфа, різні тканеві рідини, до складу яких, крім органічних колоїдів, входять розчини електролітів. Тому ці рідини є відносно добрими провідниками. Загальна концентрація розчинів електролітів у рідких середовищах організму еквівалентна 0,9 %-вому розчину хлористого натрію. Тому подібний розчин, який називається ізотонічим, може служити моделлю при вивченні проходження струму у тканинах організму. Нагадаємо, що проходження струму в ланцюзі, який містить розчин електроліту, супроводжується рядом особливих явищ, які відбуваються на поверхні електродів або в розчині, який їх оточує. Ці явища об’єднуються під назвою електрохімічної поляризації до них відносяться, наприклад, електроліз розчиненої речовини, реакції між продуктами електролізу й речовиною електрода або розчинника (водою, утворення місцевих концентраційних просторових зарядів тощо. В результаті цих явищ відбувається зміна перехідного опору електродів, утворення в ланцюзі потенціалів, протилежних за знаком прикладеній напрузі. При нагромадженні в ланцюзі продуктів поляризації струм (при постійній прикладеній напрузі) поступово зменшується. Однак можливо і його раптове збільшення, наприклад, при відриві з поверхні електродів пухирців газу, що утворюються на них у випадку зазначених процесів. Для того, щоб виключити ці явища, наприклад, при фізіологічних дослідженнях, застосовуються неполяризуючі електроди, які складаються з металу, зануреного в розчин його солі (наприклад, Zn – ZnSO
4
), або з металу, покритого його ж сіллю (наприклад, Ag – AgCl). У цьому

Основи біофізики і біомеханіки
195 випадку явища електролізу обмежуються лише розчиненням (на аноді) або виділенням (на катоді) металу, з якого складаються електроди. Продукти електролізу розчину хлористого натрію, що утворюються на поверхні від’ємно зарядженого електроду, містять їдкий луг (NaOH), а позитивного – соляну кислоту (НС1), що утворюється на поверхні – речовини, що характеризуються припікальною дією. Тому при будь-
яких умовах (включаючи й експерименти на тваринах) при дії постійним
струмом не можна накладати металеві електроди безпосередньо на
поверхню тіла. Під електродом (між електродом і шкірою) обов’язково повинна міститися прокладка із тканини, змоченої ізотонічним розчином або водопровідною водою. До параметрів, які характеризують електричні властивості органів і тканин, відносять їх електропровідність, опір, ємність, діелектрична проникність, імпеданс тощо.
Електропровідність біологічних тканині рідин. Біологічні тканини і організми є досить різноманітними утвореннями з різними електричними опорами, які можуть змінюватися при дії електричного струму. Це зумовлює труднощі вимірювання електричного опору живих біологічних систем. Різні середовища і тканини організму мають різну електропровідність. Найкращу електропровідність мають спинномозкова рідина і сиворотка крові, декілька меншу – цільна крові м’язова тканина. Значно меншою є електропровідність тканин внутрішніх органів, а також мозкової нервової, жирової із єднувальної тканин. Поганими провідниками, які потрібно віднести до діелектриків, виступають роговий шар шкіри, зв’язки, сухожилля і, особливо, кісткова тканина без надкісниці. Значення питомої електропровідності γ (Ом .
см) різних тканин організму при постійному струмі (для ізотонічного розчину при t = 37
o
C ) наведено у таблиці 8.1.1.
Таблиця 8.1.1.
Значення питомої електропровідності різних тканин організму
Ом
-1 .
см
-1


Ом
-1 .
см
-1

Спинномозкова рідина
0,018 Тканина мозкова і нервова
0,0007
Сиворотка крові
0,014 Тканина жирова
0,0003 Кров
0,006 Шкіра суха
10
-7
М’язи
0,005 Кістка без надкісниці Внутрішні органи
0,002-0,003 15
Ізотонічний – розчину якому загальна концентрація розчинів електролітів у рідких середовищах є еквівалентною 0,9 % розчину хлористого натрію.

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
196 При лікувальних процедурах електроди з прокладками накладаються в певних місцях на поверхню тіла. Електропровідність окремих ділянок організму, які знаходяться між електродами, значною мірою зумовлена електропровідністю шару шкіри і підшкіряно-жирової клітковини, яка знаходиться безпосередньо під електродами, бо струм, який проходить крізь цій шар, розгалужується і проходить крізь більш заглиблені шари тканин багатьма паралельними гілками з найменшим опором. Тобто всередині організму струм розподіляється, здебільшого, через кровоносні і лімфатичні судини, м’язи, оболонки нервових стволів. Тому розгалуження струму в тканинах організму можуть бути складними і, навіть, захоплювати ті райони, що далеко лежать від місця накладання електродів. Електропровідність шкіри, крізь яку струм проходить головним чином за каналами потових і сальних залоз, залежить від товщини і стану її поверхневого шару. Тобто і опір шкіри, у свою чергу, визначається її станом товщиною, віком, вологістю та іншим (табл. 8.1.2.). Через це, електропровідність тканині органів залежить від їх функціонального стану і може бути використана в якості діагностичного показника. Так, наприклад, це відбувається при запаленні, коли клітини набухають, через що зменшується перетин міжклітинних з’єднань і підвищується електричний опір фізіологічні явища, які викликають пітливість, супроводжуються зростанням електропровідності шкіри і, навпаки, суха загрубіла шкіра є поганим провідником.

Таблиця 8.1.2.
Значення питомого опору різних тканині рідин організму
р, Ом
.
м

р, Ом
.
м
Спинномозкова рідина
0,55 Тканина жирова
33,3 Кров
1,66 Шкіра суха
10 5
М’язи
2 Кістка без надкісниці 10 Тканина мозкова і нервова
14,3 Тканини організму складаються зі структурних елементів – клітин, які омиваються тканинною рідиною. Такий елемент являє собою два середовища, які відносно добре проводять струм (рідина тканині цитоплазма клітини) та які розділені шаром, який погано проводить струм (клітинною мембраною) (рис. 8.1.1., а). Через це така система має електричну ємність. При проходженні крізь тканини постійного струму в таких елементах відбувається накопичення по обидва боки мембрани іонів різного знаку. В результаті утворюється система, котра подібна до зарядженого конденсатора (рис. 8.1.1., б).

Основи біофізики і біомеханіки
197
Рис. 8.1.1. Ємкісні властивості тканин організму людини У тканинах зустрічаються і макроскопічні утворення, які складаються з різних з’єднувальнотканних оболонок і перегородок, тобто які є поганими провідниками, по обидва боки яких знаходяться тканини з великою кількістю рідини – добрі провідники. Усе це надає тканинам організму ємкісних властивостей. Це свідчить, що еквівалентна електрична схема ділянки тканин організму, які знаходяться між накладеними на поверхню тіла електродами, повинна містити як електропровідні, такі ємкісні елементи, тобто вона повинна бути складена з резисторів, які володіють активним опором, і конденсаторів – носіїв ємкісного опору. Найпоширенішими елементами в такій схемі є конденсатор С и резистор R’, що
включені послідовно й спільно шунтировані резистором R (наприклад, для шару шкіри й підшкірної клітковини разом з контактним шаром між шкірою й електродом) (рис. 8.1.2, а), або конденсатор С і резистор R,
що включені паралельно (рис. 8.1.2, б).

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
198
Рис. 8.1.2. Еквівалентні електричні схеми тканин під електродами а) для шару тканин безпосередньо під електродами б) для тканин, які глибоко залягають від місця накладання електродів Через те, що величини, котрі характеризують електричні властивості електропровідність, ємність, діелектрична проникність, імпеданс тощо) органів і тканин, залежать від їх фізіологічного стану, то вони можуть виступати його діагностичними показниками.
Електромагнітні характеристики біосистем. Будь-яке тіло (неживе чи живе) є джерелом полів (гравітаційного, магнітного, електромагнітного. Живий організм виступає джерелом фізичних полів за рахунок процесів, які в ньому відбуваються. Так, чинниками електромагнітного випромінювання є електрична активність органів акустичного – биття серця, течія крові за судинами, теплового – тепловий рух атомів і молекул тощо. Реєстрація та вимірювання характеристик цих полів та часовий їх розподіл використовується для оцінки протікання фізіологічних процесів в організмі та отримання інформації про стан організму, його органів і тканину діагностичних цілях. Живий організм (кожна клітина організму) виступають джерелом електричних потенціалів (біопотенціалів). Залежність електричного потенціалу будь-якого органу чи тканини від часу має назву
е л е к т р о грами, а реєстрація біопотенціалів тканині органів з діагностичною метою – е л е к т р о графі є ю . Такий загальний
R’

C
R

а)
C
R

б)

Основи біофізики і біомеханіки
199 термін використовується дуже рідко, більш розповсюджено конкретні назви відповідних діагностичних методів

електрокардіографія (ЕКГ) – реєстрація біопотенціалів, які виникають у серцевому м’язі при його збудженні

електроміографія – метод реєстрації біоелектричної активності м’язів;

електроенцефалографія (ЕЕГ) – метод реєстрації біоелектричної активності головного мозку,

електроретинографія – метод реєстрації біоелектричної активності сітчатки оката інші. Для вимірювання різниці потенціалів між будь-якими двома точками органа потрібно прикласти електроди. Однак такий прямий метод електрографії практично не використовується. В більшості випадків біопотенціали знімаються електродами не безпосередньо з органу (серце, головний мозок, аз інших, сусідніх тканин, в яких електричні поля цим органом створюються. В клінічному відношенні це істотно спрощує саму процедуру реєстрації, роблячи її безпечною і нескладною. Фізичний підхід до електрографії заключається в створенні (виборі) моделі електричного генератора, яка відповідає картині потенціалів, що знімаються. У зв’язку з цим тут виникають дві фундаментальні теоретичні задачі
– визначення потенціалу в районі вимірювання за заданими характеристиками електричного генератора (моделі) – пряма задача визначення характеристик електричного генератора за виміряним потенціалом – зворотня задача.
Розв’язок другої задачі відіграє важливу роль у діагностиці ряда захворювань. Розглянемо фізичну сутність електрографії на прикладі електрокардіографії, одна з основних задач якої полягає у встановленні розподілу трансмембранного потенціалу клітин серцевого м’язу за потенціалами, що виміряні ззовні серця. Усе серце в електричному відношенні представляється як деякий еквівалентний електричний генератор, тобто як сукупність електричних джерелу провіднику, що має форму тіла людини. На поверхні провідника, при функціонуванні еквівалентного електричного генератора, буде електрична напруга, яка в процесі серцевої діяльності виникає на поверхні тіла людини. Сьогодні визнано, що в мультипольному еквівалентному генераторі серця основну частину до потенціалу на поверхні тіла людини вносить його дипольна складова. Іншими словами, при моделюванні електричної

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
200 діяльності серця потрібно використовувати дипольний еквівалентний електричний генератор. Еквівалентний генератор серця представляють у вигляді електричного диполя (джерела електрорушійної сили Е) з внутрішнім опором r, який замкнений на зовнішній опір R, причому r>>R. Доведено, що різниця потенціалів між деякими точками є тим більшою, чим більшим є питомий опір середовища, відстань між цими точками і чим меншою є відстань цих точок до диполя. Дипольна уява про серце лежить в основі запропонованої В. Ейнтховеном теорії, згідно з якою
1) серце представляють у вигляді дипольного генератора з дипольним поментом
D

;
2) напрямок і величина вектора
D

в процесі серцевої діяльності періодично змінюється у часі (відповідно з таким же періодом змінюється і різниця потенціалів між деякими двома точками тіла, до яких прикладено електроди
3) початок вектора
D

не змінює свого положення у просторі,
4) оточуючі серце тканини являють собою однорідне ізотропне середовище. За В. Ейнтховеном серце розташоване в центрі трикутника, а різниця потенціалів (в і д ведення) знімаються між вершинами рівнобічного трикутника (рис. 8.1.3.,а). Розрізняють І відведення між правою рукою і лівою рукою (ПР-ЛР), ІІ відведення між правою рукою і лівою ногою
(ПР-ЛН) і III відведення: між лівою рукою і лівою ногою (ЛР-ЛН), які відповідають різницям потенціалів U
1,
U
2
, U
3.
Практично різниця потенціалів вимірюється між точками, в яких кінцівки з’єднуються з тулубом, бо кінцівки виступають як провідники. Через це дипольний момент
D

виявляється у центрі трикутника, який приблизно вважається рівнобічним. Можна знайти співвідношення між проекціями електричного моменту серця на сторони трикутника і використовуючи той факт, що різниці потенціалів на боках цього трикутника відносяться як проекції вектора
D

на його боки (рис. 8.1.3.,б), визначити їх
CA
BC
AB
CA
ВС
AB
D
D
D
U
U
U





(8.1.1.) Через те, що електричний момент діполя – серце – змінюється з часом, то у відведеннях будуть отримуватись часові залежності напруги, які і називають електрокардіограмами. На практиці іноді використовують інші відведення, наприклад, за Гольдбергером або Вільсоном.

Основи біофізики і біомеханіки
201
а)




б)
Рис. 8.1.3. Схема Ейнтховена вимірювання дипольного моменту серця Крім електрокардіографії існує магнітокардіографія. Цей метод засновано на магнітних властивостях біологічних об’єктів (уданому випадку, серця, шляхом реєстрації часової залежності індукції магнітного поля серця. Через те, що магнітна індукція пропорційна силі струму, а сила струму біострум, згідно із законом Ома, є пропорційною напрузі біопотенціалу, то в цілому магнітокардіограма аналогічна електрокардіограмі. Проте магнітокардіографія, на різницю від останньої, є безконтактним методом, тому що магнітне поле може реєструватися і на деякій відстані від біологічного об’єкта – джерела поля. Розвиток магнітокардіографії залежить від технічних можливостей виміру достатньо слабких магнітних полів. Магнетизм біологічних об’єктів, тобто їх магнітні властивості і магнітні поля, які створюються ними, отримали назву, біомагнетизму. Магнітне поле здійснює вплив на біологічні системи, які знаходяться в ньому. Цей вплив вивчає розділ біофізики, який називається магніто-
біологія. На сьогодні фізична природа впливу магнітного поляна біологічні об’єкти ще невстановлена. Це важливе питання знаходиться на стадії дослідження. Є інформація про загибель дрозофіли у неоднорідному магнітному полі, про морфологічні зміни у тварині у рослин після перебування у постійному магнітному полі, про орієнтацію рослин в магнітному полі, вплив магнітного поляна нервову систему, вплив на зміну характеристик крові та інше. Природно, що первинними у всіх випадках є фізичні і фізико-хімічні процеси. Такими процесами можуть

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
202 бути орієнтація молекул, зміна композиції
молекул або іонів в неоднорідному магнітному полі, силовий вплив (сила Лоренца) на іони, які переміщуються разом з біологічною рідиною, ефект Хола, який виникає в магнітному полі при розповсюдженні електричного імпульсу збудження тіл тощо.
§ 8.2. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ПОСТІЙНОГО І ЗМІННОГО
ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ ТА ВИКОРИСТАННЯ В
МЕДИЦИНІ
Дія електричного струму може призводити до неблагоприємних наслідків для людини, втому числі ідо летальних. Разом із цим струми володіють цілим рядом властивостей, завдяки яким вони знайшли широке застосування у медичних цілях.
Біоефекти при дії постійного електричного струму. Первинна дія
п остійного струму на тканини організму зумовлена переміщенням вздовж силових ліній полів) заряджених часток, головним чином, іонів електролітів тканин. Під впливом електричного струму іони рухаються з різною швидкістю і скопичуються поблизу клітинних мембран, утворюючи електричне поле, яке має назву поляризаційного. При цьому, внаслідок різної рухомості іонів і затримання та накопичення їх поблизу напівроникнених мембрану тканинних елементах і, поперед усього, всередині клітини і в оточуючій рідині (див. рис. 8.1.1), відбувається зміна звичайної концентрації іонів тієї чи іншої природи. Зміна іонного середовища може викликати зміну функціонального стану клітину бік збудження або гальмування їхньої діяльності. В цьому відношенні істотне значення мають інші поляризаційні явища, котрі відбуваються у тканинах орагінізму внаслідок їх неоднорідної будови, а також наявності в їхньому середовищі перетинів, які погано проводять струм. Місцеві зміни концентрації іонів можуть впливати на кислотно-лужну рівновагу, вміст води та інші фізико-хімічні властивості тканин. Таким чином, в основі первинної дії струму на тканини організму
лежать поляризаційні явища. Зміни функціонального стану клітині, особливо, нервових рецепторів, які знаходяться безпосередньо у зоні дії струму, нервово-гуморальним або рефлекторним шляхом викликають інші реакції організму, котрі розповсюджуються на певні органи і системи і, наприкінці, в тій чи іншій мірі, на організм в цілому. Це складає підставу використання електричного струму у терапевтичних цілях.

Основи біофізики і біомеханіки
203 Вплив постійного струму на організм залежить від сили струму, тому при цьому істотним є електричний опір тканин людини. Будь-яка біологічна система є гетерогенною, її опір електричному струму визначається величинами опору її складових частин (табл. 8.1.2.). Опір тіла людини між двома торканнями (електродами) складається з опору внутрішніх тканин та органів і опору шкіри, причому останній, у свою чергу, залежить відстану шкіри товщини, вологості. Всередині організму струм розповсюджується, в основному, за кровоносними та лімфатичними судинами, м’язами і оболонками нервових волокон. Опір внутрішніх частин організму слабко залежить від загального стану людини, в середньому дорівнює 1 кОм (для ланцюгу долоня – ступня. Опір шкіри

при проходженні струму від її поверхні до внутрішніх тканину десятки разів більше.

Тому для постійного і низькочастотного струмів (50-60 Гц) опір шкіри при точковому контакті є головним обмежуючим струм чинником (при високих частотах більш істотним фактором є внутрішній опір тіла. Отже, в більшості ситуацій дія струму, який протікає крізь тіло, в основному залежить відстану тіла у місці контакту. Суха шкіра має високий опір, а волога шкіра має низький опір, бо іони, котрі перебувають у волозі, забезпечать проходження струму у тіло. При сухій шкірі опір між крайніми точками тіла долоня – ступня може дорівнювати 10 5
Ома при вологій шкірі може скласти 1 % цього значення. Повний опір тіла між вологими руками приймають рівним 1 500 Ом. Максимальні струми, які виникають при контакті з побутовою електромережею з напругою 220 В, будуть дорівнювати I = 220 В 5
Ом =
2,2 мА (для сухої шкіри I = 220 В Ом = 146 мА (для вологої шкіри. Струм 1 мА при проходженні через тіло буде ледь помітний, але струм
146 мА буде смертельним, навіть при короткочасному впливі.
Безпечною вважається сила струму нижче за 0,01 А (хоча, навіть, слабкі струми відображуються на функціонуванні нервової системи струм вище за 0,1 А є загрозливим для життя. Найбільш чутливими до електричного струму частинами організму є мозок, груднім язи й нервові центри, які контролюють дихання і серце. Тому наслідки електротравми залежать від того, яка частина тіла виявилася включеною в електричний ланцюг. Дуже небезпечно, якщо електричний струм проходить через серце. Як відомо, електричний струм, який проходить крізь м’яз, викликає його скорочення. При цьому реакціям язу залежить як від сили струму, що подається, такі від тривалості його впливу. Сила струму нижче деякої граничної величини не викликає скорочення, таким самим чином, які дуже короткочасний

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
204 імпульс. Якщо імпульс був би одиноким, то за скороченням послідує розслаблення, тобто м’яз здригнеться. Щоб м’яз після скорочення повністю розслабився, потрібен деякий час. Тому, якщо імпульси діють один за одним, причому інтервал між ними є меншим за час, необхідний для скорочення, том яз не встигає розслабитися і його скорочення триває такий же час, протягом якого подаються збуджуючі імпульси. Такий стан м’язу має назву те тану с у . Імпульси постійного струму (імпульсний струм) здійснюють приблизно таку ж дію на організм, які змінний струм. Тетанічне скороченням язу пояснює той факт, що людина, яка взялася за оголений провідне може самостійно його відпустити. Небезпечною є дія струму на шкіри обличчя, де слабко розвинений роговий шар, який забезпечує високий опір шкіряних покривів. Низьким опором також володіють слизові оболонки. Електричний струм невеликої сили (0,01-0,025 А) може призвести до виходу зі строю дихання (у випадку скорочення дихальних м’язів), до серцебиття тощо. Струм більшої сили (від 0,1 Адо зворотньої або незворотньої зупинки серця. Струм 100-400 мА викликає незворотні розлади у функціонуванні збудливих тканин серця (одна із причин загибелі при електротравмі). Дія електричного струму може також викликати денатурацію білка, опіки, як результат теплового ефекту.
Використання постійного електричного струму в медичних
цілях. Проходження електричного струму крізь біологічну тканину супроводжується такими явищами

тепловими – під час проходження струму через провідник останній нагрівається

хімічними – під час проходження струму через розчини електролітів відбуваються процеси електролізу

електромагнітними – під час проходження струму через провідник, навколо останнього утворюється магнітне поле. Ці явища виступають підставою для використання електричного струму у медичних цілях.
1. Проходження електричного струму крізь провідник, який має активний опір, супроводжується нагріванням останнього, бо прискорені електричним полем носії заряду, при зіштовхуванні з іншими частками, передають їм частину своєї кінетичної енергії, що призводить до збільшення теплового руху часток, а через це – до підвищення температури провідника.

Основи біофізики і біомеханіки
205 Якщо біологічну тканину довжиною L та яка має питомий опір ρ, розмістити між електродами площею S, як вказано нарис, то кількість виділеного тепла розраховується за законом Джоуля-Ленца:
Q=I
2.
R
.
t,
(8.2.1.) де І – сила струму,
R – активний опір тканини,
t – час впливу струму. Поділивши даний виразна об’єм і часта враховуючи, що
S
L
R


, отримаємо кількість тепла, яка виділяється в одиниці об’єму тканини
(1 м) за одиницю часу (1 с

2
j
q
,

(8.2.2.) де j – щільність струму.
Рис. 8.2.1. Схема розташування біологічної тканини між електродами
2. Неперервний постійний струм малої сили (до 50 мА) і низької напруги (30-80 В, підведений до організму контактним методом за допомогою електродів, використовують як лікувальний метод фізіотерапії – г а л ь вані за ці я . Застосовується задля зменшення болю для посилення регенеративних процесів, якщо є порушення провідності нервових шляхів з метою регулюючого впливу на функції центральної нервової системи для розсмоктування інфільтратів при хронічних та підгострих запальних процесах у суглобах, органах малого тазу тощо. Постійний струм отримують за допомогою апаратів для гальванізації. Застосовують для цього електроди із листового свинцю
16
У припущенні, що щільність струмує однаковою у всіх точках тканини і дорівнює щільності струму на електродах.

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
206 або станіолю 0,3-0,5 мм. Через те, що продукти електролізу розчину хлористого натрію, який є в тканинах, викликають прижигання, то між електродами і шкірою розміщують гідрофільну прокладку, яка змочуються ізотонічним розчином або теплою водою, і в якій і накопичуються продукти вторинних реакцій, котрі відбуваються на електродах. Прокладки захищають шкіру хворого від опіків кислими або лужними продуктами електролізу, а також забезпечують рівномірний контакт електродів з поверхнею тіла та зменшують опір сухої шкіри. Гідрофільна прокладка має бути дещо більшою (на 2-3 см в усіх параметрах) від металевої пластини. Щоб уникнути контакту металевої пластини з тілом пацієнта, на зовнішній поверхні прокладки (на відстані 2-3 см від країв) нашивають кишеню, куди вкладають металеву пластину. Використовують також спеціальні електроди лійкоподібні – для гальванізації вуха, ванночки – для очей, порожнинні – ротові, вагінальні, ректальні. Все більшого поширення набувають електроди зі струмо- провідної тканини, вкритої графітом. Дозують силу струму за показниками міліамперметру, при цьому обов’язково враховують допустиму щільність струму – 0,1 мА/см
2
Постійний струм широко використовується також для введення через шкіру і слизисті оболонки лікарських препаратів. Цей метод отримав назву е л е к т р о ф оре з у лікарських речовин Під електроди на шкіру кладуть прокладки, які змочуються відповідним лікарським препаратом. Через катод вводять аніони (йод, гепарин, бром, а через анод – катіони (Nа, Ca, Mg, новокаїн. Препарат вводять з того полюсу, котрий заряд він має аніони вводять з катоду, катіони – з аноду. При лікувальному електрофорезі між електродами утворюється складний ланцюг, який складається з розчинів лікарських речовин, якими змочуються прокладки, і розчинів електролітів, які входять до складу тканин організму. Нарис умовно наведено об’єкт електропровідні тканини організму, які містять розчин хлористого натрію, на які накладено прокладки П, що змочені під позитивним електродом з розчином хлористого кальцію, а під від’ємним – йодистого калію (напрямок руху іонів показано стрілками. На ділянках а – е мають місце поляризаційні явища – скопичення іонів по обидві боки тканинних перегородок, які погано проводять струм. Електрофорез має ряд переваг порівняно зі звичайними методами введення лікарських препаратів, бо дозволяє вводити їх безпосередньо у тканини, оминаючи шлунково-кишковий тракті кров.
Біоефекти при дії змінного електричного струму. Дія змінного струму на організм істотно залежить від його частоти. При низьких,

Основи біофізики і біомеханіки
207 звукових і ультразвукових частотах змінний струм, які постійний, призводить до подразнюючої дії на біологічні тканини. Мінімальна сила струму, подразнюючу дію якої відчуває людина (поріг відчутного
струму) залежить як від індивідуальних особливостей людини, такі від частоти струму, місця й площі контакту. У чоловіків для ділянки передпліччя – кисть» на частоті 50 Гц ця величина становить приблизно 1 мА. У дітей і жінок граничні значення трохи менше. Змінний струм, частота якого нижче 10 5
Гц, може представляти загрозу для організму.
Рис. 8.2.2. Схема механізму електрофорезу

При частотах більше 500 кГц зміщення іонів становиться близьким до їх зміщення в результаті молекулярно-теплового руху, тому струм або електромагнітна хвиля не буде викликати подразнюючої дії. Основним первинним ефектом в цьому випадку є т е плови й
е ф е к т . Як відомо, подразнення може викликати лише такий струм, тривалість якого перевищує деякий мінімальний час, що є необхідним для збудженням язового волокна. Через те, що зі зростанням частоти струму тривалість подразнення знижується, то при досягненні деякої граничної величини частоти (10 5
Гц) струм вжене викликає скороченням язів. У цьому випадку він здійснює лише теплову дію (постійний струмі струми низької частоти для нагрівання тканинне є придатними, бо їх використання при великих значеннях може призвести до електролізу і руйнування. Через це змінний струм частотою вище 100 кГц використовують у лікувальних процедурах, призначенням яких є прогрівання тканин, що глибоко залягають в організмі. Ефект дії змінного струму, які постійного, наживу систему визначається опором її складових частин. Опір будь-якої системи змінному струму визначається активним і реактивним (індуктивним і
ємкісним) опорами. У живих системах в якості конденсаторів виступають біологічні мембрани, а системи, які проявляють індуктивні властивості

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
208 відсутні. Тому повний опір – імпеданс – біологічних систем визначається лише омічним опором R і ємкісним X
C
опором:
2 2
C
X
R
Z


,
а прикладена напруга відстає за фазою на кут

:
R
X
arctg
C


У таблиці, як приклад, наведено значення різниці фаз струму і напруги для деяких тканин (частота 1 кГц
Назва тканини
Різниця фазу градусах
Шкіра людини, жаби
55 Нерв жаби
64
М’язи кроля
65 При змінному струмі загальний опір ланцюга знижується при збільшенні частоти струму. Для тканин організму це явище погіршується зі зростанням ємкісної провідності. Тому, наприклад, при високочастотних процедурах повний опір (імпеданс) тканин організму між електродами знижується до сотен і, навіть, десятків Ом. Нарис наведено графік частотної залежності імпедансу м’язової тканини. Для компактності графік побудовано в логарифмічних координатах.

Рис. 8.2.3. Графік частотної залежності імпедансу м’язової тканини


γ
lg Z
10 0
10 3
10 6
=
2
, Гц

Основи біофізики і біомеханіки
209 З графіка прослідковуються дві особливості цієї залежності
– поступове зменшення імпедансу з підвищенням частоти загальний вигляд залежності імпедансу від частоти
– наявність трьох областей частоту яких є відхилення від загального ходу залежності імпедансу від частоти (α, β, γ)
З’ясуємо причину виникнення областей α-, β-, γ-дисперсії імпедансу. Поляризація діелектрику у зовнішньому електричному полі, як відомо, відбувається не миттєво, а залежить від часу, тобто існує часова залежність поляризованості діелектрика (Р
е
): Р
е
= f (t) при Е = const (Е – напруженість електричного поля. Якщо електричне поле змінюється за гармонічним законом, то поляризованість буде також змінюватись за гармонічним законом, а амплітуда полярізованості буде залежати від частоти змінних поля з запізненням по фазі
Р
em
= f (ω) при Е = Е
m
cos ω t
(8.2.2.) Тоді діелектрична проникність ε середовища у цих умовах (за законами поведінки діелектриків в електричному полі
ε = 1 + Р
em
/(ε
0
.
Е
m
)
(8.2.3.)
Е
m
– напруженість електричного поля
ε
0
– діелектрична проникність у вакуумі. Умова (8.2.3.) означає частотну залежність діелектричної проникності при впливі змінним (гармонійним) електричним полем ε
=
f (ω). Зміна діелектричної проникності відповідно до частоти електричного поля означає зміну електроємності і, як наслідок, зміну імпедансу. Запізнення зміни поляризованості відносно зміни напруженості електричного поля залежить від механізму поляризації речовини. Найшвидший механізм – це електронна поляризація, бо маса електрона достатньо мала. Це відповідає частотам (біля 10 15
Гц, які істотно перевищують області α-, β-, γ-дисперсії. Орієнтаційна поляризація води, молекули якої мають відносно малу масу, відповідає γ-дисперсії (частоти біля 20 ГГц ). Великі полярні органічні молекули, наприклад, білки, мають значну масу і встигають реагувати на змінне електричне поле з частотою 1-10 МГц. Це відповідає β-дисперсії. При α-дисперсії відбувається поляризація цілих клітині дисперсії відповідає область низьких частот (0,1-10 кГц. У цій області ємкісний опір мембран дуже великий, тому переважають
17
Д і електрична проникність відношенню сили взаємодії зарядів у вакуумі до сили цих самих зарядів на тій же відстані в середовищі.

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
210 струми, що огинають клітини і протікають через оточуючі клітини розчини електролітів. Таким чином, області α-, β-, γ-дисперсії імпедансу пояснюються тим, що із підвищення частоти змінного електричного поля все менше структур буде реагувати на зміну цього поля і меншим буде значення поляризованості
 при низьких частотах (0,1-10 кГц) на зміну поля реагують усі структури (α-дисперсія);
 з підвищенням частоти (1-10 МГц) реагують великі молекули – диполі органічних сполук і молекули води (β-дисперсія);
 при високих (біля 20 ГГц) частотах реагують тільки молекули води (γ-дисперсія). При цьому у всіх випадках має місце електронна поляризація. Звідси, згідно з (10.1.2.), з підвищенням частоти буде зменшуватися електрична проникність, а звідси і електроємність С, що призведе до підвищення ємкісного опору R
е
і імпедансу Z, тому на фоні загальноспадаючого вигляду залежності Z = f (ω), з’являються області з меншим Z (α-, β-, γ-дисперсії). Частотна залежність імпедансу дозволяє оцінити життєздатність тканин організму, що важливо знати для пересадки (трансплантації) тканині органів. Різниця в частотних залежностях імпедансу є також у випадках здорової і хворої тканин. Імпеданс тканин залежить також від їх фізіологічного стану. Так, чим більшим є приток крові до тканин, тим меншим є їхній опір. Діагностичний метод, який заснований на реєстрації зміни імпедансу тканин, називається
р е о графі є ю (імпеданс-плетизмографія). Принциповою основою цього методу є залежність змін опору від змін кровонасичення у тій ділянці тіла людини, що вивчається. За допомогою цього методу отримують реограми головного мозку
(реоенцефалограма), серця (реокардіограма), магістралей судин, легенів, печінки і кінцівок. Потрібно зазначити, що знання пасивних електричних властивостей біологічних тканин важливе при розробці теоретичних основ методів електрографії органів і тканин, бо електричний струм, що створюється струмковими діполями, проходить крізь них. Крім того, уява про дисперсію імпедансу дозволяє оцінити механізм дії струмів і полів, які використовуються у терапевтичних цілях.
Використання змінного струму і електромагнітного поля в
медичних
цілях.
Прогрівання організму високочастотними

Основи біофізики і біомеханіки
211 електромагнітними коливаннями має ряд переваг перед звичайною грілкою через утворення тепла у внутрішніх частинах організму та виникнення внутрішньомолекулярних процесів, які призводять до специфічних (збуджуючих) впливів. Крім того, підбираючи відповідну частоту, можна здійснити термоселективний вплив та, регулюючи потужність генератору, можна дозувати нагрівання. Першими методами високочастотної терапії, які увійшли в практику ще на початку XX століття, були д а р сон валіза ці я (яка запропонована французьким фізіологм і лікарем Д’Арсонвалем) і
д і ат ер мі я . При місцевій дарсонвалізації використовується вплив крізь шкіру і доступні слизові оболонки слабким високочастотним розрядом, який утворюється між поверхнею тіла і спеціальним електродом. При цьому застосовують струм частотою 100-400 кГц, силою 10-15 мА і напругою десятки кВ. Лікувальний ефект при цьому пов’язують з дією легкого подразнення нервових рецепторів шкіри або слизистих оболонок, які знаходяться в зоні розряду.
Д і ат ер мі я (наскрізне прогрівання) – це отримання теплового ефекту в тканинах, які лежать достатньо глибоко. При діатермії використовується джоулево тепло, яке виділяється при проходженні по тканинам організму високочастотного струму (частота порядку 1-2 МГц, напруга 100-150 В, сила – 1-1,5 А. При цьому електроди у вигляді свинцевих пластинок накладаються безпосередньо (без прокладок) на поверхню тіла і проводами з’єднуються з виводами терапевтичного контуру апарату. При цьому сильно нагріваються шкіра, жир, кості, м’язи через те, що в них найбільший питомий опір. Менше нагріваються органи, які багаті на крові лімфу легені, печінка, лімфовузли.
Недостатком діатермії є непродуктивне виділення тепла у шари шкіри і підшкіряної клітчатки. Протягом багатьох років діатермія була основним методом високочастотної терапії, яка забезпечує безпосереднє прогрівання тканині органів, які знаходяться на глибині тіла. Однак контактне накладання електродів має ряд незручностей, і сьогодні діатермія замінюється більш вдосконаленим і безконтактним методом
індуктотермії. Високочастотні струми використовуються також у хірургічних цілях для з’єднання (діатермокоагуляція) і розсічення (діатермотомія) тканин. Д і ат ер мок о а гуляці я – припікання, зварювання тканин під дією тепла, яке виділяється під точковим електродом. При цьому використовується щільність струму 6-10 мА/мм
2
, у результаті чого температура тканини підвищується і тканина коагулює.

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
212
Д і ат ер м отомі я – розсічення тканин за допомогою електроду у формі леза. При цьому щільність струму складає 40 мА/мм
2
Імпульсні струми використовують також для стимуляції серця, нервових волокон, м’язів з метою оновлення їх скорочувальної функції або функції провідника. Так, пропускання крізь серце короткочасних імпульсів струму (порядку мілісекунд) силою 10 А викликає рівномірну деполярізацію мембран серцевого м’язу, відбувається одночасне синхронне скорочення всіх волокон м’язу, що триває протягом всього часу дії струму. Потім може повністю відновитися діяльність серця. На цьому заснований метод дефібриляції, коли через фібрілююче серце пропускають великий за величиною імпульс струму тривалістю в десятки мілісекунд. При реанімації для цих цілей використовують спеціальний апарат – д ефі бриля тор. Залежно від амплітуди, тривалості і форми імпульсів струм може викликати різну фізіологічну дію на організм.


Поділіться з Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал