Электропроводность в неживой природе. Электропроводность живых тканей. Диэлектрические свойства живых тканей. Физические поля биологических объектов

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Основными пассивными электрическими характеристиками ве­щества являются: диэлектрическая проницаемость, удельная элект­рическая проводимость. Эти величины и связанные с ними элект­роемкость, импеданс существенно зависят от состояния организма и активно используются в диагностике

1)  ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Пассивные электрические свойства, веществ в неживой природе хорошо изучены. Переходя к изучению свойств живых тканей (они значительно сложнее) мы будем опираться на их неживые модели.

Электропроводность - это величина, обратная электричес­кому сопротивлению G=1/R

Она измеряется в сименсах: 1 См = 1 Ом^-1

Удельная электрическая проводимость

Для проводников Λ > 10 ⁶ См м^-1

Для диэлектриков Λ < 10^-8 См м^-1.

Закон Ома можно переписать через плотность тока, удельную электрическую проводимость и напряженность электрического поля

Рассмотрим электропроводность в неживой природе. В зависимости от вида и природы носителей проводимость бывает электронной, ионной и дырочной. Электронной проводимостью обладают металлы. Жидкие электролиты обладают ионной проводимостью. Дырочная проводимость образуется при разрыве валентной связи, приводящей к появлению вакантного места для электрона. Полу­проводники обладают электронной и дырочной проводимостью.

Электрическая проводимость прямо и косвенно зависит от сис­тем атомов и молекул. Она обусловлена положением электронов относительно ядра, их спинами и магнитными моментами. В метал­лах некоторые электроны утрачивают связь со своими атомами и могут свободно передвигаться. В растворах основными носителями зарядов являются ионы. Прохождение тока через растворы вызы­вает перемещение вещества в нем, и. следовательно, изменение его химических свойств. Этим растворы отличаются от металлических проводников.

2) ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Современные представления об электрических свойствах живых тканей основаны на фактах о молекулярной организации мем­бран и, в значительно меньшей степени, на сведениях о квантовомеханических свойствах физиологически активных молекул.

Жи­вые ткани являются композиционными средами, т.к. одни струк­турные элементы являются проводниками, а другие  диэлектриками. Кроме того, некоторые макромолекулы обнаруживают полупровод­никовые свойства (А.Сцент-Дъердьи).

Найдены элементы и даже молекулы, играющие роль доноров и акцепторов, + крайне малые значения энергии связи электронов в биологических молекулах.

Электропроводность живых тканей определяется в основном злектрическими свойствами лимфы, крови и межклеточной жидкос­ти. Для них Λ ≈ 1 См-м^-1. Минимальная Λ у костной ткани, поряд­ка 10^-7См-м ^-1. Однако, Λ целых органов на 4 - 6 порядков ниже L жидкостей, находящихся в них. Причина в том, что электролиты занимают малые объемы. Так, в клетках электролиты заключены в мельчайшие отсеки - "компартменты", образованные биомембрана­ми, составляющими более 50% массы клетки. Мембраны являются диэлектриками.

Для диагностики важно отметить, что наблюдается различие в проводимости опухолей и нормальной ткани, а так же зависимость проводимости от насыщенности тканей кислородом.

Особенности измерений:

1). При измерении пассивных электрических характеристик жи­вых тканей через них необходимо пропускать электрический ток. что приводит к раздражению тканей и изменению их свойств. Результаты измерений зависят от силы тока, его типа, плотности тока на электродах.

При прохождении постоянного тока через ткани его первона­чальная сила не остается постоянной, а падает с течением времени до определенного уровня (рис.).

Это означает, что происходит уменьшение проводимости живой ткани. Процесс установления равновесия (релаксационный процесс) имеет сложную природу, можно предложить лишь некоторые его модели:

а)  поляризация ткани.

Поляризация - это процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование вследствие этого электродвижущей силы, которая направлена противоположно внешнему полю. Ее называют ЭДС поляризации. Для живой ткани закон Ома можно записать в виде:

где U - приложенное напряжение, I - сила тока, R – активное сопротивление ткани, ε_п - ЭДС поляризации, зависящая от U и времени.

б) процесс заряда тканевых емкостей.

2). Измерения проводимости в БАТ (метод Фолля). Оставляя в стороне достоверность этой диагностики, рассмотрим возможные причины неоднозначности подобных измерений:

а) Исследования проводятся по точкам, расположенным в направлении "меридианов", которые были интуитивно установлены в восточной медицине. Недавно было обнаружено, что в этих направлениях между клетками тканей имеется повышенное число щелевых контактов, проницаемых для ионов, чем и объясняется большая проводимость.

б) При из­мерениях используют маленькие по площади электроды, и от величины силы, с которой электрод прижимается к коже, существенно зависят получаемые результаты.

в) Ток от внешнего источника так же изменяет состояние БАТ.

г) проводимость меридианов зависит не только от патологий соответствующих органов, но и от индивидуальных биоритмов человека.

3) ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Диэлектрические свойства биологических тканей обусловлены явлениями поляризации и компартментной структурой.

Диэлектрическая проницаемость     где E_i - напряженность внутреннего поля.

Электрическое поле внутри тканей меньше внешнего так как поляризованные и ориентированные определенным образом атомы, молекулы и компартменты создают электрическое поле Еп на­правленное против внешнего поля (рис.).

Рассмотрим виды поляризации характерные дляживой ткани.

1)                    Электронная поляризация -- смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в ато­мах и ионах. В результате такого смещения атом или ион превращаются в индуцированный диполь. Время релаксации (установления или исчезновения) электронной поляризации равняется 10 ^-16 --10 ^-14с              

 

2)                    Дипольная (ориентационная) поляризация— ориентация полярных молекул под действием внешнего электрического поля. Дипольная поляризация преобладает в таких веществах как спирт и вода. Молекулы белков и других высокомолекулярных соединений вследствие диссоциации моногенных групп, а также вследствие адсорбции ионов обладают значительными дипольными моментами. Время релаксации дипольной поляризации совпадает со временем поворота молекул и зависит от вязкости среды, температуры и радиуса молекул, поэтому оно изменяется в широких пределах от 10 ^-13 до 10^-7 с

3) Макроструктурная поляризация -- перемещение сво­бодных ионов и электронов в пределах компартментов. В результа­те этого компартменты приобретают дипольный момент и ведут се­бя как гигантские поляризованные молекулы. Время релаксации макроструктурной поляризации лежит в пределах от 10^-8 до 10^-3 с. Макроструктурная поляризация происходят во всем объеме клеток и играет основную роль в живых тканях, определяя их высокую диэлектрическую проницаемость в постоянном электрическом поле (ε≈ 10 ⁴).

При включении электрического поля первыми возникают и ис­чезают при выключении те виды поляризации, которые имеют меньшее  время релаксация. В переменном электрическом поле воз­никает зависимость диэлектрической проницаемости живых тканей от частоты поля - дисперсия (рис.3).

Для компартментов, полярных молекул (их дипольных момен­тов) существует максимальная частота внешнего ЭМП, обратная времени релаксации, которую они способны воспроизвести своими "поворотами" (изменением поляризации) в нем для компенсации внешнего поля. Высокая диэлектрическая проницаемость живых тканей на низких частотах обусловлена компартментами. При час­тотах внешнего поля до 10³ Гц переориентация дипольных мо­ментов компартментов отстает от изменения поля, и диэлектричес­кая проницаемость тканей падает, это область α-дисперсии (см. рис.3). На более высоких частотах (до 10⁸ Гц) внешнее поле ус­певают частично компенсировать полярные макромолекулы (β-дисперсия), на сверхвысоких частотах (10¹¹ Гц ) - молекулы воды (γ- дисперсия).

В живых тканях под воздействием ЭМП возникают токи проводимости, обусловленные смещением (колебаниями) ионов и токи смещения, связанные с переориентацией дипольных мо­ментов. Можно считать что в цепи переменного тока через конден­сатор течет именно ток смещения, т.к. перемещения зарядов через конденсатор не происходит.