Электрические явления в биологических тканях
Биологические ткани и органы являются довольно разнородными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться под действием электрического тока.
Электропроводимость отдельных участков организма, находящихся между электродами, наложенными непосредственно на поверхность тела, существенно зависит от сопротивления кожи и подкожных слоев. Сопротивление кожи, в свою очередь, определяется ее состоянием: толщиной, возрастом, влажностью. Электропроводимость тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель.
Например, при воспалении, когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление и т.д.
В таблице 1 приводятся удельные сопротивления различных тканей и жидкостей организма.
Биоэлектрические явления в организме в большинстве случаев связаны с биологическими мембранами, которые представляют собой тонкие диэлектрические пленки, разделяющие растворы электролитов разного состава.
Таблица 1.
Удельные сопротивления тканей и жидкостей организма
Ткань |
|
Ткань |
|
Спинномозговая жидкость |
0,55 |
ткань жировая |
33,3 |
Кровь |
1,66 |
кожа сухая |
105 |
Мышцы |
2 |
кость без надкостницы |
107 |
Ткань мозговая и нервная |
14,3 |
|
|
В силу того, что мембраны в разной степени проницаемы для катионов и анионов, на них возникает так называемая диффузионная разность потенциалов (рис. 16.1).
Рис.16.2
Например, из раствора с высокой концентрацией (KCl)2 идет диффузия катионов в раствор с меньшей концентрацией (KCl)1, и обратно. В результате справа возникает избыточный отрицательный заряд, слева – положительный. Они создают поле, которое тормозит переход катионов справа – налево и ускоряет их обратный переход. Поле достигает такой величины, когда противоположные потоки уравниваются. Таким образом, на мембране устанавливается стационарная разность потенциалов, которая поддерживается за счет неравновесного распределения концентраций электролитов. Обычно в клетке она составляет примерно 0,1 В. При толщине мембран порядка 10 нм эта разность потенциалов создает очень большую напряженность поля, которая достигает 200 кВ /cм . Такие значения величины напряженности поля оказывают значительное воздействие на поведение молекул, встроенных в мембраны. Это приводит к изменению эффективности регуляции многих биологических процессов, происходящих в клетке.
Ткани организма проводят не только постоянный, но и переменный электрический ток.
Биологические мембраны и весь организм обладают емкостными свойствами. В связи с этим импеданс тканей организма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опережает по фазе приложенное напряжение.
В табл.2. приводятся некоторые значения угла сдвига фаз, полученные при частоте 1 кГц для разных биологических объектов.
Таблица 2
Ткань |
, град |
Кожа человека, лягушки |
55 |
Нерв лягушки |
64 |
Мышцы кролика |
65 |
Омические и емкостные свойства биологических тканей можно моделировать, используя эквивалентные электрические схемы. Наиболее удачна эквивалентная схема, представленная на рис.16.2.
Рис. 16.2
При
и сопротивление схемы можно найти как
.
Частотная зависимость импеданса позволяет оценить жизнеспособность тканей организма, что важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и органов. Это можно проиллюстрировать графически (рис.16.3).
Кривая 1 нарисована для нормальной здоровой ткани, 2 – для мертвой ткани, убитой кипячением в воде. В мертвой ткани разрушены мембраны клетки, и ткань обладает лишь омическим сопротивлением. Различия в частотных зависимостях импеданса получается и в случаях здоровой и больной ткани.
Рис.16.3
О емкостных свойствах ткани также могут давать информацию и зависимость узла сдвига фаз между током и напряжением. Импеданс тканей и органов зависит также и от их физиологического состояния.
Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс-плетизмографией).
Используя указанный метод, получают реограмму головного мозга (реоэнцефалограмма), сердца (реокардиограмма), легких, печени, конечностей. Измерения обычно проводят на частоте 30кГц.
54.