Импеданс – основные понятия

Вопрос №50

"ИМПЕДАНС БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ"

При прохождении через ткани переменного тока, изменяющегося по гармоническому закону

I(t) =I₀ cos ωt,

падение напряжения на биологической ткани изменяется по закону

U (t)=U_o⋅cos (ωt+ϕ).

Величиной, определяющей соотношение между напряжением и силой переменного тока, является импеданс - полное электрическое сопротивление цепи переменному току.

На опыте напряжение отстает по фазе от тока (ϕ<0), что характерно для электрических цепей, состоящих из резисторов и конденсаторов.

Для биологического объекта импеданс носит составной (комплексный) характер Z=(R,X). Его активная составляющая R связана, в первую очередь, с проводимостью внутренних жидких сред, являющихся электролитами. Различные процессы в тканях, сопровождающиеся необратимыми потерями энергии, также дают вклад в величину активной составляющей импеданса. Реактивная компонента X определяется емкостными свойствами исследуемой ткани, в частности, емкостью биологических мембран. Кроме того, в емкостную составляющую импеданса дает вклад и область контакта стимулирующих электродов с биологическими тканями.

Абсолютная величина (модуль) электрического импеданса определяется выражением.

В различных частотных диапазонах используются разные методики исследования, позволяющие определять активную и реактивную составляющие импеданса. В диапазоне частот до 1 МГц еще возможно прямое измерение силы тока и напряжения. При более высоких частотах (метровый диапазон волн) биологическую ткань вместе с измерительными электродами используют как часть колебательного контура. По изменению резонансных свойств контура судят о величине импеданса – активной и реактивной его части. Для измерений в дециметровом и сантиметровом диапазонах биологическую ткань помещаюв в влоновод. Величину импеданса определяют по характеристикам распространения электромагнитных волн в влоноводе.((Наиболее четко различное поведение импеданса в разных частотных областях прослеживается на дисперсионной кривой мышечной ткани (2). Для усредненной "ткани" (кривая 4) из-за ее неоднородного сторения (мышечная, сосудистая, жировая, кровь и другие составляющие) импеданс монотонно уменьшается в области низких частот. Начиная с частоты ≈10МГц дисперсионные кривые имеют сходный характер. В этой области частот процессы, отвечающие за изменение импеданса, одинаковы для всех видов тканей.))

Импеданс биологических тканей, медицинские приложения.

Оценка состояния биологической ткани для целей трансплантации.

При трансплантации тканей одним из важных условий успешного проведения операции является хорошая сохранность клеток пересаживаемой ткани. Временной фактор определяет жизнеспособность пересаживаемой ткани. Если пересадка осуществляется через значительное время после забора трансплантата, то даже при соблюдении специальных условий хранения в клетках могут произойти необратимые изменения. В первую очередь это касается клеточных мембран. Объективно оценить состояние мембран клеток позволяе метод, основанныйй на измерении электрического импеданса исследуемой ткани.

На дисперсионной кривой импеданса имеется участок, на котором основным фактором зависимости Z от частоты переменного тока является проявление емкостныхх свойств клеток. Кривая 2 на рис.2 соответствует частотной зависимости импеданса мышечной ткани. Для мышечной ткани этот участок начинается с частоты 10 кГц

Для случая нормального состояния липидных мембран клеток величина клеточной поляризуемости и, следовательно, эффективная диээлектрическая проницаемость клеточеого образования велика. При изменении частоты тока от F_min (~ 10кГц) до F_max (~ 100кГц) величина импеданса резко уменьшается. Если же состояние липидного слоя мембран клеток изменяется, то мембрана перестает выполнять свою барьерную функцию, исчезает избирательная проницаемость мембран клеток. При прохождении электрического тока ионыпроникают через мембраны клеток. Поляризуемость на клеточном уровне уменьшается, электрическая емкость образца ткани также уменьшается. Кривая изменения Z(F) в диапазоне частот F_min ÷ F_max сглаживается.

На практике совсем не обязательно детально прослеживать ход дисперсионной кривой для данного диапазона частот. Достаточно измерить величину импеданса на нижнейй границе диапазона Z(F_min) и верхней границе - Z(F_max). Показателем состояния клеточных мембран является разность ΔZ=Z(F_min) − Z(F_max). Если разность ΔZ велика, то мембраны клеток ткани находятся в удовлетворительном состоянии, если ΔZ мала, то в мембранах клеток произошли изменения, ткань непригодна для пересадки.

Не следует, конечно, думать, что во время операции образец пересаживаемой ткани подвергается проверке методом измерения импеданса. Данный метод можно использовать как объективную оценку

способов консервации, условий и сроков хранения различных тканей, предназначенных для трансплантации.

Дата добавления: 2014-12-24