Биоэлектричество и медицинская электроника: Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Р.А. РАФИКОВ

БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

И МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Рязань 2005

Федеральное агентство по образованию

Рязанская государственная радиотехническая академия

Р.А. РАФИКОВ

БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

И МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности

200300 «Электронные приборы и устройства»

направления подготовки дипломированных специалистов

654100 «Электроника и микроэлектроника»

Рязань 2005

УДК 577.3

Биоэлектричество и медицинская электроника: Учеб. пособие / Р.  А.   Рафиков;  Рязан.  гос.  радиотехн.  акад.  Рязань,  2005.  104 с.

ISBN 5-7722-0261-8

Изложены элементы теории электрических явлений в биосистемах и ее приложения к электронным устройствам практической медицины.

Предназначено для студентов специальности 200300 направления 654100. Может быть полезно студентам других специальностей, изучающим электрофизиологию.

Табл. 3. Ил. 56. Библиогр.: 12 назв.

Клетка, аксон, мембрана, потенциал покоя, потенциал действия, электрокардиография

Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанской государственной радиотехнической академии.

Рецензент: кафедра ЭП Рязанской государственной радиотехнической академии (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.К.Федяев)

Р а ф и к о в Рустам Абдурахимович

Биоэлектричество и медицинская электроника

Редактор  М.Е. Цветкова

Корректор Н.А. Орлова

Подписано в печать 20.06.05.  Формат бумаги 60 х 84 1/16.

Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 6,5.

Уч.-изд.л. 6,5. Тираж  60 экз. Заказ

Рязанская государственная радиотехническая академия.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Редакционно-издательский центр РГРТА.SBN 5-7722-0261-8             

Введение

Одной из фундаментальных особенностей биологического организма является существование в составляющих его структурах градиентов электрического потенциала. Электрические поля и токи сопровождают или обусловливают многочисленные процессы, протекающие в организме. Впервые электрическое проявление биологического объекта было обнаружено в 1786 году профессором анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани. Результаты исследований в последующие годы показали, что происхождение биологического электричества связано с градиентами концентраций ионов некоторых химических элементов в области селективно проницаемой мембраны клетки. Был открыт эффект возбудимости мембраны определенных типов клеток, установлены законы, характеризующие процессы распространения возмущения потенциала клеточной мембраны, исследовано их влияние на метаболические процессы. Изучение биоэлектричества позволяет не только объяснить и предсказать многие явления, происходящие в организме, но и является мощным стимулом развития практической биологии и медицины. Теория биоэлектричества составляет основу многих распространенных методов диагностики и терапии, таких, например, как электроэнцефалография, электромиография, электрокардиография, реография, электростимуляция и других.

1. МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

1.1. Биологическая клетка и факторы

электрической активности

Клетка биологического организма является элементарной единицей живого. Как и всякая живая система, она сохраняет определенную степень автономности  при постоянном взаимодействии с окружающей средой. С позиций термодинамики клетка является открытой системой. Все клеточные структуры как растительного, так и животного происхождения имеют мембраны. Биологическая мембрана – это тонкая оболочка, отделяющая клеточное содержимое от окружающей среды. Мембрана обеспечивает сохранение определенной целостности клетки. Однако функция мембраны заключается не только в изоляции клетки от межклеточной жидкости, но и в участии в постоянном селективном и регулируемом обмене веществом, энергией и информацией с окружающим. Со времени своего открытия представления о структуре и функциях мембраны претерпели значительные изменения. Согласно современной жидкостно-мозаичной модели основу мембраны составляет жидкая пленка, образованная жироподобными веществами – липидами. Мембрана представляет собой липидный бислой, и, таким образом, толщина ее, в первом приближении, определяется размером двух молекул липидов и оценивается величиной около 10 нанометров (нм). Мембрану пронизывают или частично проникают в нее различного рода белковые молекулы. Функции этих молекул чрезвычайно разнообразны: иммунные, структурные, транспортные, рецепторные и другие. Упрощенное поперечное сечение мембраны представлено на рис.1. Часть белков, пронизывающих мембрану, формирует различного рода каналы, через которые осуществляется трансмембранный перенос ионов. В соответствии с современными представлениями каналы обладают свойством избирательной проницаемости для ионов различных атомов. Именно эти каналы составляют один из основных факторов, определяющих электрические явления в биологических системах.

Как элемент электрической цепи мембрана ведет себя подобно включенным параллельно резистору и конденсатору. Величина удельной емкости конденсатора около 1 мкФ/см² и практически мало отличается у клеток различных органов и тканей. Это связано с относительным постоянством толщины и диэлектрической проницаемости мембран. Удельные же сопротивления у мембран различных клеток могут значительно отличаться (100 Ом×см²–100000 Ом×см²)[1]. Это объясняется тем, что сопротивление в основном определяется белковыми молекулами, вкрапленными в липидный бислой. Их количество и свойства могут заметно различаться у разных клеток. Более того, у возбудимых мембран резистивные свойства сильно зависят от времени и уровня мембранного потенциала. Удельное сопротивление липидного бислоя без нарушений имеет порядок 10⁸ Ом×см².

Между внутренним содержимым клеток и межклеточной жидкостью  всех организмов растительного и животного происхождения существует разность потенциалов. Наиболее ярко все стороны биоэлектрических процессов проявляются в нервных клетках. Структурная организация нервных клеток чрезвычайно разнообразна. Типичное строение нервной клетки, отражающее основные элементы, участвующие в электрогенезе, представлено на рис. 2.

Тело клетки (сома) содержит элементы, обеспечивающие функционирование клетки как целого, в частности, обеспечивает синтез и поступление в клетку веществ, необходимых для поддержания определенного гомеостаза, т.е. определенного равновесия с окружающей средой.