Биоэлектрогенез. Электрические и магнитные свойства тканей и окружающей среды. Лекция № 6

1. Биоэлектрогенез. Электрические и магнитные свойства тканей и окружающей среды. Лекция № 6

2. План лекции 1. Действие электрического тока, электрического и магнитного поля на организм 2. Понятие диполя. Токовый диполь. 3.

Модель Эйнтховена

3. Электрические свойства биологических тканей

Электрический ток – упорядоченное движение
свободных заряженных частиц
Электропроводность – свойство веществ проводить
электрический ток
Сопротивление – свойство проводника
противодействовать установлению электрического
тока
Сила тока – количество заряда, прошедшего через
площадь поперечного сечения проводника за единицу
времени.
dq где q-заряд, t-время [I]=1 А (ампер)
I
dt
Плотность тока – отношение силы тока к площади
поперечного сечения проводника.
I , где S - площадь поперечного сечения
j
проводника [j]=1 А/м2
S

4. Сопротивление - физическая величина

[R=1 Ом]
l
R
S
Удельное сопротивление – сопротивление
цилиндрического проводника единичной длины и
единичной площади поперечного сечения
[ρ=1Ом·м]
0 (1 t ),
0 удельное сопротивление при 200 С
температурный коэффициен т сопротивления
1
, где g - удельная электропроводность
g

5. Проводники и диэлектрики

Проводники – вещества, содержащие свободные
носители электрического заряда (металлы и их
сплавы, электролиты, из биологических тканей –
нервные волокна, кровеносные и лимфатические
сосуды, спинномозговая жидкость)
Диэлектрики - вещества, в которых нет
свободных носителей электрического заряда
(пластмассы и керамика, из биологических тканей
– кожа сухая, кость, сухожилия)

6. Ткани организма обладают:

Активным сопротивлением R.
Емкостным сопротивлением Хс, которое
обусловлено тем, что:
а) биологическая мембрана – «плоский
конденсатор»:
б) существуют макрообразования –
соединительнотканные оболочки
(диэлектрики), окруженные с двух сторон
тканями, богатыми жидкостью
(проводники).

7.

Импеданс – полное сопротивление тканей
организма (Z)
R Хc
2
2
1
R 2 2
c
2
ω – частота, с - электроемкость
Реография – метод диагностики, основанный
на регистрации во времени изменения
полного сопротивления тканей при
функционировании органа (в стоматологии
используют для оценки кровообращения в
тканях челюстно-лицевой области)

8. Действие постоянного электрического тока на ткани организма

Постоянный электрический ток оказывает
раздражающее действие на ткани организма.
Под действием постоянного тока происходит
перемещение (вдоль силовых линии поля)
имеющихся в тканях заряженных частиц- ионов
тканевых электролитов. При этом из-за
различной подвижности ионов и задержки и
накопления их у полупроницаемых мембран в
тканевых элементах, внутри клетки и в
окружающей ее тканевой жидкости происходит
изменение обычной концентрации ионов.

9. Методы, основанные на воздействии на ткани организма постоянным электрическим током

Изменение ионной среды может вызвать
изменение функционального состояния
клеток в сторону возбуждения или
торможения их деятельности.
Методы, основанные на воздействии на
ткани организма постоянным электрическим
током
1. Гальванизация - метод лечебного
воздействия постоянным током небольшой
величины (напряжение 60—80 В).

10. Методы, основанные на воздействии на ткани организма постоянным электрическим током

2. Электрофорез – метод введения лекарственных
веществ в организм (ионы йода, металлы,
пенициллин и др.) при помощи постоянного
электрического тока. Препарат вводится с
электрода, знак которого имеют вводимые
ионы: с катода – отрицательные ионы, с анода –
положительные ионы.
Предельно допустимая плотность тока при
электрофорезе и гальванизации: jпред 0,1мА / см 2

11. Действие переменного (гармонического) электрического тока низкой частоты (меньше 500 кГц)

Оказывает раздражающее действие, т.е. под
действием
низкочастотного
тока
происходит перемещение ионов, изменение
их концентрации вблизи мембран клеток,
что приводит к изменению мембранного
потенциала и, следовательно, к изменению
функционального состояния клетки. При
этом в физиотерапии используют токи,
находящиеся между порогом ощутимого
значения и порогом неотпускающего
значения.

12. Действие переменного (гармонического) электрического тока низкой частоты (меньше 500 кГц)

Порогом ощутимого значения называют
наименьшую силу тока, раздражающее действие
которого ощущает человек. Среднее значение
порога ощутимого тока на частоте 50 Гц
составляет на участке предплечье-кисть порядка
1 мА. Порогом неотпускающего значения
называют наименьшую силу тока, при которой
человек не может самостоятельно освободиться
от проводника (источника тока), так как
происходит непроизвольное сгибание сустава.
Среднее значение
порога неотпускающего
значения на частоте 50 Гц составляет 6 – 10 мА.

13. Действие переменного (гармонического) электрического тока высокой частоты

Оказывает тепловое действие
Количество теплоты (q), выделяемое в
1м3 за 1 с, под действием переменного
электрического поля высокой частоты:
2
q j
j – плотность тока
ρ - удельное сопротивление тканей
Диатермия – метод физиотерапии, основанный
на воздействии на биологические ткани
переменного электрического тока высокой
частоты (1-2 МГц) , небольшого напряжения
(150-200 В) и большой силы (2 А)

14. Действие постоянного электрического поля

Под действием постоянного электрического поля в
тканях-диэлектриках происходит ориентация полярных
молекул вдоль силовых линий. В тканях-проводниках
возникает упорядоченное движение ионов, т.е.
возникают микротоки. В цитоплазме клеток такое
движение ионов приводит к разделению зарядов,
изменению концентрации ионов, а, следовательно, к
изменению мембранного потенциала и раздражению
клетки (возникновению потенциала действия), что
способствует усилению обмена веществ клетки с
окружающей средой.
Франклинизация – метод физиотерапии, основанный
на использовании постоянного электрического поля
высокого напряжения.

15. Действие переменного электрического поля высокой частоты

На ткани-проводники: тепловое, т.к. приводит к
упорядоченному движению ионов, т.е. возникает
электрический ток, приводящий к нагреву тканей
Количество теплоты (q), выделяемое в 1м3 за
1 с:
ρ - удельное сопротивление тканей
q
E
2
На ткани-диэлектрики: тепловое и
осцилляторное, т.к. происходит колебательное
вращение полярных молекул (они
переориентируются вдоль силовых линий), что
приводит к поглощению тканями энергии
электрического поля

16.

Действие переменного электрического поля
высокой частоты
Количество теплоты (q), выделяемое в 1м3 за 1 с:
Emax o tg
q
2
2
Emax – амплитуда напряженности
электрического поля
ω – циклическая частота электрического поля
tg - тангенс угла диэлектрических потерь
ε – диэлектрическая проницаемость
ε0 – электрическая постоянная

17. Применение переменного электрического поля в медицине

УВЧ-терапия – бесконтактный метод
физиотерапии,
основанный
на
использовании
переменного
электрического поля ультравысокой
частоты. Используется для глубокого
прогрева тканей-диэлектриков.

18. Действие переменного магнитного поля

Тепловое за счет возникновения вихревых
токов в тканях-проводниках (явление
электромагнитной индукции)
Количество теплоты, выделяемое в 1м3 за 1 с,
под действием переменного магнитного поля:
k Bmax sin t
2
q
2
2
Bmax – амплитуда магнитной индукции
ω – циклическая частота магнитного поля
ρ - удельное сопротивление тканей

19. Действие переменного магнитного поля

Индуктотермия – метод физиотерапии,
основанный на воздействии на биологические
ткани переменным магнитным полем высокой
частоты (10-15 МГц).
При индуктотермии больше тепла образуется в
тканях с хорошей электропроводностью (низким
сопротивлением), т.е. в жидких средах (кровь,
лимфа) и хорошо кровоснабжающихся тканях
(мышцы, печень и др.).

20. Использование электромагнитных волн в медицине

Радиоволны оказывают тепловое воздействие на
ткани богатые водой.
СВЧ-терапия
–
это
контактный
метод
поверхностного
прогрева
тканей,
богатых
жидкостью (кровь, лимфа, слизистые оболочки)
путем воздействия радиоволнами.
Инфракрасное излучение оказывает тепловое
действие.
Ультрафиолетовое излучение
оказывает витаминообразующее и бактерицидное
действие.

21. Шкала электромагнитных волн

Рентгеновское и гамма-излучение используют
в онкологии для разрушения раковых опухолей.
Под действием данных излучений происходят
химические реакции с образованием
высокоактивных в химическом отношении
соединений, которые вступают во
взаимодействие с другими молекулами и в итоге
приводит к разрушению биологических мембран
и гибели клетки.
Шкала электромагнитных волн

22. Понятие диполя. Диполь в электрическом поле

Наружная поверхность мембраны как бы состоит
из двух полюсов – положительного и
отрицательного.
Электрическая система, образованная двумя
равными по величине, но противоположными по
знаку зарядами, расположенными на малом
расстоянии друг от друга, называется диполем.
Основной характеристикой диполя
является его электрический момент ( дипольный
момент) – вектор, равный произведению заряда
q на плечо диполя l, направленный от
отрицательного заряда к положительному:
p ql

23. Понятие диполя. Диполь в электрическом поле

Поместим диполь в однородное электрическое поле
напряженностью Е.
На каждый из зарядов диполя действуют силы
и,
F qE эти силы равны по модулю, противоположно
направлены и создают момент пары сил: M = q E l sin ά =
p E sin ά, или в векторной форме
. = p×E
M

24. Понятие диполя. Диполь в электрическом поле

Таким образом, на диполь в
однородном электрическом поле
действует момент силы, зависящий от
электрического момента и ориентации
диполя, а также напряженности поля.
сам диполь также является источником
поля.
Пусть диполь, создающий
электрическое поле, находится в
центре равностороннего треугольника
АВС.

25. Понятие диполя. Диполь в электрическом поле

Тогда можно получить, что напряжения на
сторонах этого треугольника относятся как
проекции вектора на его стороны:
UАВ : UВС : UСА = pАВ : pВС : pСА
Исследуя изменения разности потенциалов на
поверхности человеческого тела, можно судить о
проекциях дипольного момента сердца,
следовательно, о биопотенциалах сердца.

26. Токовый диполь. Представление об эквивалентном электрическом генераторе органов и тканей

Можно к диполю подключить источник
напряжения, иными словами, клеммы источника
напряжения представить как диполь. В этом
случае, несмотря на наличие тока в проводящей
среде, диполь будет сохраняться. Такая
двухполюсная система, состоящая из истока и
стока тока, называется дипольным
электрическим
генератором или токовым диполем.
Между дипольным электрическим генератором и
электрическим диполем имеется большая
аналогия, которая основывается на общей
аналогии электрического поля в проводящей
среде и электростатического поля.

27. Токовый диполь. Представление об эквивалентном электрическом генераторе органов и тканей

Суть аналогии электрического поля в
проводящей среде и электростатического
поля сводится к следующему:
— линии тока (электрическое поле в
проводящей среде) совпадают с линиями
напряженности электростатического поля
при одинаковой форме электродов;
— в том и другом случаях многие
формулы имеют тождественный вид.

28. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

Живые ткани являются источником электрических
потенциалов (биопотенциалов).
Регистрация биопотенциалов тканей и органов с
диагностической (исследовательской) целью
получила название электрографии. Такой общий
термин употребляется сравнительно редко, более
распространены конкретные названия
соответствующих диагностических
методов: электрокардиография (ЭКГ) —
регистрация биопотенциалов, возникающих в
сердечной мышце при ее
возбуждении, электромиография — метод
регистрации биоэлектрической активности
мышц, электроэнцефалография (ЭЭГ) — метод
регистрации биоэлектрической активности
головного мозга и др.

29. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

В электрографии для оценки функционального
состояния органа по его электрической
активности используется принцип эквивалентного
генератора. Он состоит в том, что изучаемый
орган, состоящий из множеств клеток,
возбуждающихся в различные моменты времени,
представляется моделью — единым
эквивалентным генератором. Считается, что этот
эквивалентный генератор находится внутри
организма и создает на поверхности тела такое
электрическое поле или распределение
электрического потенциала, которое должно
совпадать с теми, что создает сам орган.

30. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

Таким образом, потенциал электрического поля
сердца можно представить в виде потенциала
одного эквивалентного диполя.
Из формулы UАВ : UВС : UСА = pАВ : pВС : pСА
следует, что разность потенциалов между двумя
точками диполя (на одинаковых расстояниях от
него) пропорциональна проекции момента на линию,
их соединяющую.
Исследуя изменения разности потенциалов на
поверхности человеческого тела, можно судить о
проекциях дипольного момента сердца,
следовательно, о биопотенциалах сердца.

31. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

В модели Эйнтховена, основные постулаты :
1) электрическое поле сердца представляется
как электрическое поле точечного диполя с
дипольным моментом , называемым интегральным электрическим вектором сердца
(ИЭВС) (складывается из диполей разных
частей сердца);

32. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

2) ИЭВС находится в однородной проводящей
среде, которой являются ткани организма;
3) интегральный электрический вектор сердца
меняется по величине и направлению. Его начало
неподвижно и находится в атриовентрикулярном
узле, а конец описывает сложную пространственную
кривую, проекция которой на фронтальную
плоскость образует за цикл сердечной деятельности
(в норме) 3 петли: P, QRS и T. Изменение величины
и направления вектора за 1 цикл сокращения сердца
объясняется последовательностью
распространения волн возбуждения по сердцу.

33. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

Эйнтховен предложил измерять разности
потенциалов между двумя точками из трех,
представляющими вершины равностороннего треугольника, в центре которого находится начало ИЭВС.
В практике электрокардиографии разности
потенциалов измеряют между левой рукой (ЛР) и
правой рукой (ПР) — I отведение, между левой ногой
(ЛН) и правой рукой (ПР) - II отведение, между левой
ногой (ЛН) и левой рукой (ЛР) - III отведение. Руки и
ноги рассматриваются как проводники, отводящие
потенциалы от вершин треугольника Эйнтховена,
располагающихся у мест прикрепления конечностей к
туловищу.

34. Модель дипольного эквивалентного электрического генератора

Электрокардиограмма – это график
временной зависимости разности
потенциалов в соответствующем отведении,
а значит и временной зависимости проекции
ИЭВС на линию отведения

35.

Р – зубец отражает возбуждение предсердий;
P – Q интервал отсчитывается с начала зубца Р до
начала зубца Q. Этот интервал отражает время,
необходимое для деполяризации предсердий,
проведения импульса через атриовентрикулярный
узел, пучок Гиса и его ветви;
P – Q сегмент отсчитывается от конца зубца Р до
начала зубца Q. Этот сегмент характеризует
проводимость по атриовентрикулярному узлу, пучку
Гиса, волокнам Пуркинье;
Q – зубец отражает начальный момент
деполяризации межжелудочковой перегородки;
R – зубец отражает деполяризацию верхушки,
задней и боковой стенок желудочков сердца;
QRS – комплекс отражает процесс деполяризации
желудочков;

36.

S – зубец отражает процесс распространения
волны возбуждения в базальных отделах
межжелудочковой перегородки правого и левого
желудочков;
QRS – комплекс отражает процесс деполяризации
желудочков;
ST – сегмент - это отрезок от конца комплекса QRS
до начала зубца Т. Он соответствует периоду
угасания возбуждения желудочков и началу
медленной реполяризации. Обычно ST – сегмент
расположен на изолинии. У здорового человека
смещение вверх не превышает 1 мм, вниз – 0.5 мм;
Т – зубец отражает процесс быстрой
реполяризации желудочков;

37.

Q – Т интервал соответствует электрической
систоле желудочков;
U – зубец выявляется не всегда и считается, что
он отражает реполяризацию волокон
проводящей системы сердца. Лучше всего он
выявляется в грудных отведениях;
Т – Р интервал – это отрезок ЭКГ от конца зубца
Т, он соответствует состоянию покоя миокарда.