Информационно-измерительная техника в медицине
Биоимпедансные характеристики живых тканей на переменном токе
жүктеу/скачать 0,92 Mb.
|
ИИТ в медицине [Н.Ф.Рожков][2004]
| 9.3 Биоимпедансные характеристики живых тканей на переменном токе
Живая ткань как сложная и неоднородная биологическая система с динамически изменяющимися характеристиками, обусловленными колебанием кровенаполнения, представляет для переменного тока комплексное сопротивление (импеданс). Поскольку вещества, из которых состоят ткани организма, являются диамагнетиками, т. е. практически немагнитны, то в них самоиндукция не проявляется. Вот почему полное сопротивление живой ткани переменному току определяется векторной суммой активного и емкостного сопротивлений: (9.6), где i=V—1, т. е. мнимая единица; Хс =1/C —реактивность; = 2f — круговая частота. Модуль полного сопротивления определяется геометрической суммой обеих компонент: (9.7), При пропускании переменного тока через живую ткань в ней возникают также, хотя и в меньшей степени, чем при постоянном токе, поляризационные явления, складывающиеся в основном из внутритканевой поляризации и поляризационных явлений на границе электрод — ткань, которые при отмирании ткани исчезают. Электрическое сопротивление биологических объектов в большой степени зависит от частоты переменного тока, что показал еще М. Phillippson (1920). На низких частотах поляризационные явления характеризуются большим значением поляризационной емкости и активного сопротивления. Для биологических систем характерна большая величина сдвига фаз ° (до 65°). Это показывает, что доля емкостного сопротивления в биологических объектах велика. Соответствующий угол сдвига фаз: (9.8), По данным Л. Г. Ягловой (1968), например, величины угла сдвига фаз, полученные при измерении биологических тканей на частоте 103 Гц, имеют: мышцы кролика — 65°, кожа лягушки — 55°, кожа человека — 55°. Приведенные значения оставались постоянными и при изменении частоты в некоторых пределах, и это свидетельствовало о том, что емкость в биологических системах с емкостной и омической компонентами имеет не статический, а поляризационный характер. При прохождении переменного тока через живые ткани концентрация ионов у полупроницаемых клеточных мембран уменьшается с повышением частоты переменного тока. Вследствие этого поляризационные явления в тканях уменьшаются с ростом частоты, а на частотах выше 500 кГц практически отсутствуют [Малов Н. Н:, Ржевкин С. Н., 1932]. Исследованию электрических свойств плотных тканей и суспензий (крови) посвящены многие работы Н. Schwan (1955—1959). Автор наблюдал изменение электрических характеристик биологических тканей в поле разных частот переменного тока с точки зрения изучения их диэлектрических свойств в области , и -дисперсий. По данным Н. Schwan (1957), на очень низких частотах (50—100 Гц) величина поляризационной емкости в живой ткани может достигать долей микрофарады. Величина поляризационной емкости в разных участках тела человека на частотах 1—2 кГц, по данным Г. С. Литвина (1960), колеблется от 0,001 до 0,5 мкФ. Значения этих величин не постоянны и зависят от площади электродов, от органа или от участка тела, от функционального состояния организма исследуемого, его тканей и кожи в норме и патологии, солевого обмена в организме. Живые ткани в разных частях тела не однородны по структуре и величине импеданса, а также его составляющих — сопротивления и емкости. Соответственно этому удельное сопротивление различных тканей и органов также неодинаково. Кости, жир и наполненные воздухом легкие — плохие проводники, а кровь — сравнительно хороший проводник. Костная ткань, например, состоит из органической (соединительной) основы, пропитанной солями фосфора и калия и имеет более высокое удельное сопротивление и меньшие значения емкости, чем остальные ткани. Мягкие и мышечные ткани, обладающие более густой системой кровеносных сосудов, имеют меньшие значения удельного сопротивления и большие значения емкости. Кожа, выполняющая в организме защитные функции, обладающая наибольшим количеством полупроницаемых мембран, отличается большим поляризационным сопротивлением. [Розенталь С. К., 1937; Кривошеина Р. Г., 1940; Кедров А. А., 1941; Симхович-Зорин 3. М., 1980; Bernett J., 1938]. Многими авторами [Малов Н. Н., Ржевкин С. Н., 1929, 1932; Москаленко Ю. Е., Науменко А. И., 1956; Москаленко Ю. Е., 1962; Schwan H., 1955) установлено, что между электропроводностью крови и мышечной ткани человека и животных имеется значительное различие, так как электропроводность крови в несколько раз выше электропроводности остальных тканей. Электрическое сопротивление кожи и костной ткани на низких частотах (100—1000 Гц) может колебаться от 104 до 105 Ом*см. Удельное сопротивление мышечной ткани на частотах 20—40 кГц, измеренное двухэлектродным способом, имеет средние значения в пределах 350—500 Ом*см. Наибольшие значения удельного сопротивления тела в этом диапазоне частот обычно не превышает 1000— 1500 Ом*см. Кровь негомогенна и как сложная биологическая среда состоит из форменных элементов, жидкой части плазмы, в которой растворены различные вещества. Как проводник второго рода — электролит, кровь характеризуется, вследствие чего изменение сопротивления биологической ткани при колебании кровенаполнения носит в основном резистивный характер. Соответственно этому в большинстве измерений составляющих импеданса наибольший интерес у исследователей вызывает величина активного сопротивления. По данным ряда авторов [Москаленко Ю. Е., 1962; Н. Schwan, 1955—1963, и др.], известно, что проводимость крови на частотах 10—20 кГц больше в 5—6 раз относительно остальных тканей, а на частотах 80— 100 кГц больше в 3—31/2 раза. На частотах выше 150 кГц это соотношение еще более уменьшается и на частотах 300 кГц характеристики их проводимости практически становятся соизмеримыми. Так же различаются и значения удельного сопротивления ткани и крови, вычисленные различными авторами у биологических объектов при разных видах нагрузки. Так, поданным R. Hober (1914—1938), измерение удельного сопротивления крови у некоторых объектов (в норме и патологии, в покое и при нагрузке) давало значения от 134 до 210 Ом*см. Средняя же величина удельного сопротивления крови и других жидких тканей составляет 150 Ом*см. Однако удельное сопротивление крови зависит также от многих других причин, в частности от скорости кровотока. Еще Coulter, Pananheimer (1949) обнаружили, что удельное сопротивление крови в трубке диаметром 1, 3 мм увеличивается на 15% при снижении скорости от 60 см/с на 30—40%. По данным J. Nyboer (1955), удельное сопротивление крови, измеренное на частоте 175 кГц, составляет значение р= 145 + 3, 75 Ом*см. Из обобщенного анализа информативных данных различных авторов при измерении на частоте 50 кГц при температуре 37° С видно, что при расчетах значение удельного сопротивления крови следует принимать равным р = = 150±5 Ом*см. Из работ Н. И. Губанова, А. А. Утепбергенова (1978) и Б. Н. Тарусова (1968) известно, что при патологических процессах в тканях также происходит и изменение их электрических свойств. Так, например, при воспалениях в первых стадиях процесса наблюдается увеличение сопротивления тканей. Особенно сильный эффект отмечается при измерении на низких частотах (около 104 Гц), когда все измеряемое сопротивление представлено в основном сопротивлением межклеточного пространства. При воспалении происходит набухание клеток, объем межклеточных пространств уменьшается, в результате чего и увеличивается сопротивление. При действиях повреждающих факторов, а также при отмирании ткани наблюдается, увеличение проницаемости мембран и как следствие увеличения ионных потоков ослабление эффекта поляризации границ раздела, что приводит к падению раздела сопротивления и емкости на низких частотах. На высоких частотах поляризация границ раздела очень мала и высокочастотное сопротивление существенно не изменяется. Таким образом, при действии повреждающих факторов и при отмирании ткани дисперсия ее электрических параметров снижается. Б. Н. Тарусов для оценки жизнеспособности ткани предложил использовать коэффициент поляризации К, характеризующий величину дисперсии , который вычисляется как отношение сопротивления RH объекта, измеренного на низких частотах (около 104 Гц), к сопротивлению Rв на высоких частотах (106 —107 Гц). Таким образом, измерение электрических параметров тканей организма может служить не только для оценки кровенаполнения органов, но и для диагностики воспалительных процессов и при воздействии повреждающих факторов. жүктеу/скачать 0,92 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|