Лекция №12 постоянный ток. Действие постоянного тока на организм.

1. Электропроводимость биологических тканей и жидкостей для постоянного тока. Явление поляризации.

Биологическим объектам присущи пассивные электрические свойства: сопротивление (R), электропроводность , удельное сопротивлени (ρ), удельная электропроводность , емкость (С), диэлектрическая проницаемость (ε). Изучение их пассивных электрических свойств имеет большое значение для понимания структуры и физико-химического состояния биологического вещества.

Биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов и величина диэлектрической проницаемости определяется их структурными элементами и явлениями поляризации.

Все биологические объекты являются весьма разнообразными образованиями с различными электрическими сопротивлениями, которые могут изменяться при действии электрического тока, что обуславливает трудности измерения этих сопротивлений.

Любой орган или среда живого организма имеют свою характерную для него электропроводность, которая определяется наличием в них свободных носителей зарядов, т.е. определенным количеством положительных и отрицательных ионов. Электропроводность отдельных участков организма, на которых наложены электроды существенно зависит от сопротивления кожи и подкожных слоев. Сопротивление кожи, в свою очередь, определяется: ее состоянием, толщиной, возрастом, влажностью, загрязненностью и т.д. Внутри организма ток распространяется в основном по кровеносным сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов, межклеточной жидкости. Экспериментально установлено, что электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель. Так, при воспалительных процессах, когда клетки набухают, уменьшаются межклеточные промежутки и увеличивается электрическое сопротивление, т.е. уменьшается электропроводность. Физиологические явления, связанные с выделением пота, сопровождаются возрастанием электропроводности.

Электропроводность для постоянного тока чаще всего определяют мостовым методом, а также методом амперметра и вольтметра. Рассмотрим этот метод. Пусть имеется некоторый проводник, представляющий живую ткань сечением S и длиной l . Тогда его сопротивление будет равно:

, (1)

где ρ – удельное сопротивление проводника (вещества), выраженное в Ом·м. Решим это выражение относительно:

. (2)

Величина, обратная удельному сопротивлению, получила название удельной электропроводности . Она измеряется в Ом^-1·м^-1. Из формулы (2) видно, что если знаем площадь электродов и расстояние, то, измерив величину R, мы найдем γ (R = U/I).

Величину R находят методом вольтметра и амперметра на постоянном токе. Для этого в U-образную трубку (рис.1) заливают кровь или другую биологическую жидкость и помещают в нее платиновые электроды а,в, которые не взаимодействуют с раствором. Удельную электропроводность γ определяют по формуле:

. (3)

Определение удельной электропроводности связано с определенными сложностями. При пропускании постоянного тока через живые ткани наблюдаются некоторые особенности, заключающиеся в том, что сила тока не остается постоянной во времени, хотя прикладываемое напряжение не изменяется. Сила тока после включения источника начинает непрерывно уменьшаться и через некоторое время устанавливается на постоянном уровне. При этом она уменьшается во много раз по сравнению с исходными значениями (рис.2,в). Получается как бы отклонение от закона Ома, согласно которому при постоянной разности потенциалов ток в проводнике тоже должен быть постоянным (рис.2,а). Уменьшение тока во времени обусловлено явлением поляризации в тканях. При прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС (Е_п) противоположно направленная приложенному напряжению, что приводит к уменьшению тока. ЭДС поляризации является функцией времени Е_п(t). Тогда закон Ома для биологического объекта следует записать так:

.

Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них тока, т.е. явлением поляризации.

Процесс перемещения зарядов под действием электрического поля и образования вследствие этого электродвижущей силы, направленной против внешнего поля, называется поляризацией.

Если на постоянном токе поляризационные эффекты у электродов значительны, то измерения проводят на переменном токе, при котором поляризационные эффекты на частотах больше 500 кГц малы.

Приведем значения удельных электропроводностей некоторых биологических тканей и жидкостей. Спинномозговая жидкость – 1,81 Ом^-1·м^-1; мышцы – 0,5 Ом^-1·м^-1; костная ткань –10^-7 Ом^-1·м^-1.

В настоящее время метод измерения электропроводности довольно широко применяется в биологических и медицинских исследованиях. Удобство в применении данного метода заключается в том, что используется напряжение (менее 50 mB), не вносящее существенных изменений в физико-химические процессы, происходящие в биологическом объекте, и тем более повреждающее его. Метод нашел применение при изучении процессов, происходящих в клетках и тканях при изменении физиологического состояния, при патологических состояниях, при действии повреждающих факторов: температуры, радиоактивного излучения, ультразвука и т.д.