Лабораторна робота № 7
Вимірювання імпедансу біологічного об'єкта
Мета роботи. виміряти імпеданс біологічної тканини; проаналізувати отримані залежності.
Устаткування: автоматизований лабораторний комплекс ФМБ-8К, ПК.
Теорія питання і метод виконання роботи
Імпеданс біологічного об'єкта.
Вивчення змінних струмів має велике значення при розгляді фізіологічних процесів в організмі людини і тварин. Змінні струми знайшли велике застосування при лікуванні різних захворювань. На їх використанні засновані ряд фізіотерапевтичних методів лікування і діагностики.
Змінні струми можуть надавати дратівливу дію на тканини організму. Воно пов'язане з короткочасним зміщенням іонів під дією змінного електричного поля, яке також може викликати зміну концентрації тканинних іонів у клітинних мембран. Подразнюючу дію змінного струму в значній мірі залежить від його частоти. Зі збільшенням частоти, коли зсув іонів в направленому русі робиться порівнянним зі зміщенням їх при тепловому русі, ток вже не робить на тканини дратівної дії. При цьому виявляється теплову дію струму. Ця властивість використовується для прогрівання тканин організму високочастотними змінними струмами (діатермія).
Іншими фізіотерапевтичними методами, які використовують високочастотні змінні струми, є дарсонвалізація - дія високочастотним струмом у вигляді розряду, що проходить між спеціальним електродом і поверхнею шкіри хворого (апарати типу «Іскра» і ін.).
Електропровідність клітин і тканин для змінного струму.
Біологічним об'єктам властиві пасивні електричні властивості: опір і ємність. Речовини, з яких складаються біологічні тканини, немагнітних, і, отже, індуктивність їх дорівнює нулю. Вивчення пасивних електричних властивостей біологічних об'єктів має велике значення для розуміння їх структури і фізико-хімічних властивостей.
Біологічні тканини володіють властивостями, як провідників, так і діелектриків. Наявність вільних іонів в клітинах і тканинах обумовлює провідність цих об'єктів. Діелектричні властивості біологічних об'єктів визначаються структурними компонентами і явищами поляризації. Поляризація - процес утворення об'ємного дипольного електричного моменту середовища. Поляризація за своєю природою ділиться на кілька видів: електронна, дипольная, макроструктурна і ін.
Еквівалентні схеми біологічних об'єктів.
При накладенні зовнішньої різниці потенціалів в тканинах виникає протилежно спрямоване електричне поле, яке значно зменшує прикладена зовнішнє поле і обумовлює високий питомий опір постійному струму (близько 10 6 - 10 7 Ом # 8729; див). При цьому спочатку виникають ті види поляризації, які мають менший час релаксації. Більш повну інформацію про біологічний об'єкт можна отримати при вимірюванні його електропровідності на змінному струмі. Так як біологічні системи здатні накопичувати електричні заряди при проходженні через них струму, то їх електричні властивості недостатньо описувати тільки за допомогою активного опору. Необхідно також враховувати наявність у тканин і реактивного (ємнісного) опору. що визначається співвідношенням:
де - циклічна частота,. - лінійна частота, [Гц], - період коливань (с), - ємність (Ф).
Сумарний опір біологічного об'єкта називається імпедансом біологічного об'єкта. Для послідовно з'єднаних і імпеданс визначається за формулою:
Відомо, що активне омічний опір R біологічної тканини практично не залежить від частоти струму, а ємкісне - значно зменшується у міру збільшення частоти, що призводить до збільшення провідності всієї ємнісне-омічний системи.
Імпеданс тканин організму залежить від їх кровонаповнення. На цьому заснований метод дослідження функції кровообігу, званий реографія. При цьому протягом циклу серцевої діяльності реєструються зміни імпедансу певної ділянки тканин, на кордоні якого накладаються електроди.
З (2) випливає, що імпеданс змінюється зі зміною частоти струму, на якому проводиться вимір: при збільшенні частоти реактивна складова імпедансу зменшується. Залежність імпедансу від частоти струму називається дисперсією імпедансу.
Зміна імпедансу з частотою обумовлено також залежністю поляризації від періоду змінного струму. Якщо час, протягом якого електричне поле направлено в одну сторону. більше часу релаксації # 964; будь-якого виду поляризації, то поляризація досягає свого максимального значення. І до тих пір, поки. ефективна діелектрична проникність і провідність об'єкта не будуть змінюватися з частотою. Якщо ж при збільшенні частоти напівперіод змінного струму стає менше часу релаксації, то поляризація не встигає досягти свого максимального значення. Після цього діелектрична проникність починає зменшуватися з частотою, а провідність - зростати. При значному збільшенні частоти даний вид поляризації практично буде відсутня, а діелектрична проникність і провідність будуть визначатися іншими видами поляризації з меншим часом релаксації.