71725

Изучение импеданса живой биологической ткани

Лабораторная работа

Физика

Изучить зависимость импеданса биологической ткани от частоты переменного тока. Определить сдвиг фаз между силой тока и напряжением при прохождении переменного тока через живую ткань. Вопросы входного контроля Что такое электрический ток Что является носителями тока в проводниках...

Русский

2014-11-11

201 KB

32 чел.

139

Лабораторная работа №13

Изучение импеданса живой биологической ткани

Цель работы: 1. Изучить зависимость импеданса биологической ткани от частоты переменного тока.

2. Определить сдвиг фаз между силой тока и напряжением при прохождении переменного тока через живую ткань.

3. Рассчитать и построить электрическую эквивалентную схему.

Литература

  1.  [1], §§ 18.2 – 18.4;
  2.  [2], §§ 43, 44, 144;
  3.  [3], стр. 217-230.

Вопросы входного контроля

  1.  Что такое электрический ток? Что является носителями тока в проводниках и растворах электролитов?
  2.  Закон Ома для участка цепи.
  3.  От каких величин зависит сопротивление проводника?
  4.  Как вычислить общее сопротивление цепи при последовательном, параллельном, смешанном соединении?
  5.  Почему постоянный ток не проходит по цепи при наличии в ней конденсатора?
  6.  Что происходит с конденсатором при подключении к нему источника постоянного тока?
  7.  Виды электрических сопротивлений в цепи переменного тока.
  8.  Как вычисляется емкостное сопротивление?
  9.  Как вычисляется полное сопротивление цепи переменного тока при последовательном соединении основных ее элементов?
  10.  Закон Ома для полной цепи.
  11.  Принципы построения векторной диаграммы токов и напряжений.
  12.  Как построить векторную диаграмму токов и напряжений для последовательного и параллельного соединения резистора и конденсатора?
  13.  Что такое импеданс живой ткани?
  14.  Какие виды сопротивлений можно выделить в живой биологической ткани?
  15.  Почему в биологических тканях нет элементов, аналогичных катушке индуктивности?
  16.  Что такое эквивалентная электрическая схема?
  17.  Какие свойства биологической ткани моделируют элементы эквивалентной схемы?
  18.  Как объяснить вид частотной зависимости импеданса живой ткани?

Краткая теория

Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Такими частицами могут быть электроны или положительные и отрицательные ионы.

В биологических объектах чисто электронная проводимость отсутствует, т.к. они в основном представляют собой или диэлектрики, или растворы электролитов (кровь, цитоплазма, различные тканевые жидкости). Особенностью биологических жидкостей является то, что в их состав, помимо растворов электролитов, входят белки и жиры, поэтому их удельное сопротивление постоянному току достаточно велико. Кроме того, на электрические свойства тканей и клеток значительное влияние оказывают клеточные мембраны.

Измерение электросопротивления тканей и органов представляет собой значительную трудность по следующим причинам:

  •  биологические объекты имеют разную конфигурацию, а применение формулы  предполагает наличие однородного электрического поля между электродами;
  •  ткани и органы неоднородны по своему составу, а ток идет преимущественно по тем участкам, сопротивление которых меньше, поэтому измерять сопротивление ткани в целом крайне трудно, а порой невозможно;
  •  физические параметры живых существ не остаются постоянными с течением времени, они изменяются как в связи с физиологическими процессами, так и под действием протекающего тока, поэтому следует учитывать, что каждое предыдущее измерение, раздражая объект, может оказывать влияние на результат последующего измерения.

Если учесть все вышеуказанные факторы и, соблюдая предосторожности, измерить ток в какой-либо ткани, то окажется, что при постоянном напряжении на электродах сила тока меняется со временем. Уменьшение тока может произойти в сотни раз, и лишь после этого устанавливается какое-то постоянное значение тока. Резкое уменьшение силы тока в биологических объектах, а, следовательно, резкое возрастание их электросопротивления после замыкания электрической цепи объясняется поляризационными эффектами.

При рассмотрении цепей переменного тока общее сопротивление может быть представлено омическим, емкостным и индуктивным сопротивлением в различных их сочетаниях. В биообъектах, как в проводящей структуре, индуктивность отсутствует, и величина полного сопротивления определяется только активным и емкостным сопротивлением. В сочетании они могут быть представлены в виде так называемой эквивалентной цепи (рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема биологического объекта.

Емкостное сопротивление ХС биологической ткани переменному току зависит от емкостных свойств клеточных мембран и частоты тока:

Последовательно с емкостью в цепь включено активное сопротивление RК определяемое сопротивлением клеточной цитоплазмы. Помимо клетки, ток проходит и по внеклеточной жидкости, и поэтому все внутриклеточные сопротивления шунтируются сопротивлением внеклеточной среды RВ.

При низких частотах поляризационные эффекты почти также велики, как при постоянном токе; соответственно RК и ХС имеют большое значение и практически весь ток пойдет по шунтирующему сопротивлению RВ. Если же сечение межклеточных промежутков невелико, то сопротивление RВ возрастает и измеряемое полное сопротивление будет в основном определяться величиной RК. Поскольку RК зависит от проницаемости мембран, то величина сопротивления объекта, измеренная на низких частотах, в ряде случаев может служить мерой проницаемости клеточных мембран. При возрастании частоты переменного тока поляризационные эффекты уменьшаются, соответственно уменьшается величина ХС. При частотах порядка нескольких МГц поляризация мембран почти исчезает и величиной ХС при расчете полного сопротивления можно пренебречь. Таким образом, полное сопротивление Z, измеренное на высоких частотах, будет равно

,

так как оно будет определяться параллельно соединенными сопротивлениями электролитов внутри и вне клетки. Отсюда следует, что высокочастотное сопротивление биообъектов может служить мерой концентрации в них свободных ионов.

Таким образом, электросопротивление (или электропроводность) тесно связано как со свойствами клеточных мембран, так и со свойствами клеточных и межклеточных жидкостей. Как было показано выше, измерение удельного сопротивления у живых объектов представляет большие трудности, однако для диагностических целей это и  не требуется. Получать сведения о явлениях, происходящих в тканях, можно, наблюдая за относительным изменением их электросопротивления между электродами любой формы, что широко применяют в медицине, для диагностики воспалительных процессов.

Весьма важные сведения о состоянии биологических объектов дают дисперсионные кривые, т.е. графики зависимости полного сопротивления ткани от частоты переменного тока (рис. 2). Такая зависимость присуща только живым тканям; при пропускании переменного тока через обычные растворы электролитов дисперсия электросопротивления не наблюдается. Причина дисперсии заключается в том, что на величину электросопротивления при постоянном токе или при низких частотах значительное влияние оказывает макроструктурная поляризация. Поскольку при увеличении частоты переменного тока уменьшаются пограничные поляризационные эффекты, это ведет к уменьшению полного сопротивления ткани, и дисперсионная кривая обладает значительной крутизной (рис. 2, кривая 1).

Рис. 2. Зависимость полного сопротивления растительной ткани от частоты переменного тока (кривая дисперсии):

1 – для здоровой ткани;

2 – для ткани после кратковременного нагревания в горячей воде;

3 – для той же ткани после ее кипячения (т.е. для неживой ткани).

При повреждении ткани возрастает проницаемость клеточных мембран, что приводит к уменьшению RП и СП и, следовательно, к уменьшению полного сопротивления на низких частотах. Поэтому кривая 2 на рисунке 2 обладает меньшей крутизной. При отмирании ткани поляризация на границах раздела практически исчезает и зависимость электросопротивления от частоты отсутствует, так как остается лишь активное сопротивление (рис. 2, кривая 3). Таким образом, по крутизне дисперсионной кривой можно судить о жизнеспособности той или иной ткани, что имеет большое значение, когда эта ткань предназначена для трансплантации.

Частотные зависимости электросопротивления сходны для многих тканей, однако величина полного сопротивления разных тканей различна. Зона дисперсии электросопротивления обычно находится в пределах от 100Гц до 100МГц.

Имеет также диагностическое значение измерение угла сдвига фаз между током и напряжением. Этот угол для биообъектов довольно большой, что указывает на значительную долю емкостного сопротивления. Так для кожи человека на частоте 1кГц =550570. При патологии величина изменяется, что также может служить для целей диагностики.

Практическая часть

Задание 1. Измерить импеданс живой ткани для различных частот переменного тока.

Приборы и оборудование: генератор синусоидального напряжения, 2 милливольтметра, постоянный резистор, 2 электрода, соединительные провода, прокладки, физраствор.

Описание метода и схемы опыта

Измерение импеданса участка кожи предплечья человека производится косвенным методом. Электрическая цепь для проведения измерений представлена на рис. 3.

Электроды Э1 и Э2 помещаются на участок живой ткани с общим сопротивлением Z.

Рис. 3.

По закону Ома сила тока в цепи , где U – напряжение на выходе генератора; R – сопротивление резистора; Z – импеданс живой ткани. Если выходное напряжение поддерживать неизменным, то при постоянном значении R величина силы тока будет зависеть от величины импеданса Z. Поэтому, зная величину силы тока в цепи, можно судить о величине импеданса: .

Ток, проходящий через резистор R равен общему току в цепи. Его величину можно вычислить, измерив падение напряжения Ui на этом резисторе: . Тогда  - получили формулу для расчета величины импеданса, измеренного данным методом.

Ход выполнения задания

  1.  Определить величину сопротивления постоянного резистора при помощи мультиметра (в режиме омметра).
  2.  Укрепить электроды на предплечье на расстоянии 10см друг от друга, подложив под них прокладки, смоченные физраствором. На протяжении всего опыта положение электродов не изменять.
  3.  Определить при помощи мультиметра величину сопротивления участка кожи предплечья постоянному току Z0.
  4.  Переключить мультиметр в режим измерения переменного напряжения.
  5.  Авометр (тестер) переключить в режим измерения переменного напряжения, выбрав предел измерения таким образом, чтобы было удобно измерять напряжения порядка 0,2-0,4В.
  6.  Собрать схему измерения импеданса участка кожи предплечья (рис. 3).
  7.  Установить на генераторе при помощи переключателей «частота» и «множитель» частоту выходного сигнала 20Гц.
  8.  Показать собранную схему преподавателю или лаборанту.
  9.  Включить схему в сеть и установить напряжение на выходе генератора равное 300мВ. Помните, что величина этого напряжения должна поддерживаться неизменной на протяжении выполнения всего задания.
  10.  Зарегистрировать значение напряжения Ui на резисторе R (показание мультиметра). Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1.

lg

Ui

Z

lgZ

Гц

мВ

кОм

1

2

3

4

20

1.3

  1.  Повторить опыт 8-10 раз для различных значений частот, изменяя ее в пределах от 20Гц до 10000Гц.
  2.  Отключить схему от сети. Не снимая электродов с предплечья, отсоединить их от схемы.
  3.  Используя расчетную формулу, вычислить значение импеданса Z для различных частот переменного тока. Данные занести в таблицу.
  4.  Для построения графика зависимости импеданса от частоты вычислить логарифмы значений частоты и импеданса.

Построить график Z=f(), используя логарифмические шкалы для координатных осей (рис. 4).

Рис. 4.

Задание 2. Рассчитать и смоделировать эквивалентную электрическую схему.

Приборы и оборудование: 1. Оборудование, перечисленное в первом задании.

2. Модель эквивалентной схемы с магазином конденсаторов и переменными сопротивлениями.

Описание метода и схемы опыта

Простейшая эквивалентная электрическая схема – это схема, состоящая из двух резисторов и одного конденсатора, соединенных таким образом, что их электрическое сопротивление при изменении частоты переменного тока изменяется так же, как импеданс живой ткани (рис. 5).

                   Рис. 5.

В этой схеме резистор R1 моделирует сопротивление межклеточной жидкости, R2 – общее сопротивление внутриклеточной цитоплазмы, а С – емкостные свойства клеточной мембраны.

Вычислим величины этой схемы, пользуясь данными, полученными при выполнении задания 1.

1). R1=Z0, т.к. при пропускании по цепи постоянного тока, он не пойдет через ветвь, содержащую конденсатор.

2). При больших частотах емкостное сопротивление  уменьшается и практически не влияет на общее сопротивление цепи . На графике (рис. 4) этот момент соответствует выходу импеданса на постоянную величину.

По значениям R1 и R0 можно вычислить величину .

3). Емкостное сопротивление можно выразить из формулы для общего сопротивления цепи: .

4). Взяв какое-либо значение частоты (чаще всего берут =1000Гц), и соответствующее значение импеданса из табл.1, можно вычислить Xc и .

Ход работы

  1.  По данным опыта 1 рассчитываем элементы эквивалентной схемы R1, R2 и С.
  2.  На имеющейся модели эквивалентной схемы выставить по омметру сопротивление резисторов и подобрать емкость конденсатора.
  3.  К схеме опыта 1 вместо электродов подключаем эквивалентную схему.
  4.  Снимаем значение общего сопротивления схемы аналогично измерениям импеданса при тех же самых условиях (выходное напряжение генератора и частоты).
  5.  Данные измерений и вычислений Z заносим в таблицу, аналогичную таблице 1.
  6.  Строим график Z=f().
  7.  Сравниваем графики, получившиеся для живой ткани и эквивалентной схемы.

Задание 3. Определить сдвиг фаз между током и напряжением для участка живой биологической ткани.

Приборы и оборудование: генератор переменного тока, частотометр, двухканальный осциллограф, постоянный резистор, электроды, соединительные провода, прокладки, физраствор.

Описание метода и установки опыта

Емкостной характер импеданса живой ткани подтверждается не только  его зависимость от частоты переменного тока, но и сдвигом фаз между током и напряжением. В то же время значение разности фаз между током и напряжением характеризует электропроводность участка живой  ткани, а, значит, может служить диагностическим показателем функциональной деятельности ткани.

В цепях переменного тока сдвиг фаз образуется за счет конденсаторов и катушек индуктивности (рис. 6):

Рис. 6.

Если принять, что сила тока в цепи изменяется по зависимости , то общее напряжение в цепи ), где . Причем   - напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока;  - напряжение на конденсаторе отстает от силы тока на /2;  - напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока на /2.

Наглядно сдвиг фаз можно изобразить на векторной диаграмме (рис. 7).

Рис. 7.

Общий сдвиг фаз можно найти из соотношения .

Для эквивалентной электрической схемы (рис. 5) векторная диаграмма имеет вид (рис. 8).

Таким образом, если на эквивалентную схему подать переменное напряжение U=U0cost, то сила тока будет изменяться по законуI=I0cos(t+).

Рис. 8. Построение векторной диаграммы начинаем в ветви в цепи эквивалентной схемы, которая содержит конденсатор С и резистор R2.

Для измерения угла сдвига фаз используется двухканальный электронный осциллограф (ЭО), позволяющий одновременно наблюдать изменения напряжения на участке живой ткани (канал А) и на постоянном дополнительном резисторе (канал В). Т.к. напряжение на участке живой ткани не совпадает по фазе с напряжением на резисторе, то на экране осциллографа можно увидеть две кривые. Кривая, соответствующая напряжению на резисторе условно называют «кривой тока», т.к. ток и напряжение на резисторе совпадают по фазе (рис. 9).

Рис. 9. 1 – кривая тока, 2 – кривая напряжения, n – число делений между амплитудой тока и амплитудой напряжения, которое определяет величину сдвига фаз.

Измерив число делений между амплитудами этих кривых n и зная значение временной развертки t(сек/дел), вычислим время, прошедшее между достижением своего максимума током и напряжением: t=t*n(сек).

Сдвиг фаз =2-1=t2-t1=t=2t можно вычислить, зная частоту переменного тока .

Схема опыта для определения сдвига фаз между током и напряжением представлена на рис. 10.

Рис. 10.

Ход работы

  1.  Собрать электрическую схему для проведения опыта.
  2.  Подсоединить к схеме электроды, находящиеся на предплечье (после выполнения задания №1).
  3.  Включить схему в сеть.
  4.  По частотометру выставить на генераторе выходной ток частотой 1000Гц.
  5.  На осциллографе получить кривые.
  6.  Измерить расстояние между амплитудами кривых в делениях и секундах.
  7.  Вычислить разность фаз между током и напряжением.
  8.  Сравнить с табличным значением (для кожи на частоте 1кГц =550) и сделать выводы.

Задания для УИРС

Задание 1. Исследовать сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы.

  1.  Определить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы по векторной диаграмме.
  2.  Измерить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы.
  3.  Посмотреть, как изменяется сдвиг фаз при изменении величин элементов эквивалентной схемы.
  4.  Сделать выводы.

Задание 2. Измерить импеданс и определить сдвиг фаз между током и напряжением для растительной ткани в различных состояниях (живая, поврежденная, после термической обработки).

Задание 3. Написать программу для вычисления импеданса живой ткани, построения графика и расчета эквивалентной схемы.

Вопросы выходного контроля

  1.  

Почему нельзя проводить измерение импеданса непосредственно при прохождении тока через биологическую ткань (рис. 11)?

Рис. 11.

  1.  

Почему нельзя проводить измерения импеданса, подключив вольтметр для измерения по схеме (рис. 12):

Рис. 12.

  1.  Почему выходное напряжение генератора необходимо на протяжении всего опыта поддерживать неизменным?
  2.  Как с помощью импеданса оценить жизнеспособность живых тканей? Показать на графике.
  3.  Как изменяется импеданс при патологических процессах в тканях?
  4.  Как рассчитать элементы эквивалентной электрической схемы по данным опыта.?
  5.  Почему между током и напряжением в цепи при наличии емкостного сопротивления существует сдвиг фаз?
  6.  Как определить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы?
  7.  Почему при измерении сопротивления кожи постоянному току величина сопротивления изменяется?
  8.  Почему при построении графика Z=f() для частот используют логарифмическую шкалу?

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4003. Термінологія дисципліни Компютерні системи захисту інформації 213.52 KB
  Згідно з нормативним документом системи технічного захисту інформації “Термінологія у галузі захисту інформації в комп’ютерних системах від несанкціонованого доступу” НД ТЗІ 1.1-003-99 : автоматизована система (АС) - це організаційно-технічна система, що реалізує інформаційну технологію і поєднує у собі
4004. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 180.84 KB
  Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА. Цель работы: определение опытным путем момента инерции системы, состоящей из массивного металлического диска и шкива, насаженных на об...
4005. Діагностика захворювань шкіри. Гігієна шкіри, медична етика і деонтологія в дерматовенерології 86 KB
  Науково – методичне обґрунтування теми Вивчення теми «Діагностика захворювань шкіри. Гігієна шкіри, медична етика і деонтологія в дерматовенерології. Принципи лікування хворих із шкірними та венеричними захворюваннями. Загальне і зовнішне лікув...
4006. Основи екології. Конспект лекцій 1.43 MB
  Основні екологічні проблеми сучасності Визначення, завдання, значення і структура екології. Основні етапи розвитку екології. Українська екологічна школа. Основні екологічні проблеми сучасності. Джерела екологічної кризи сучасності та її вп...
4007. Педагогическая генетика 598.5 KB
  Педагогическая генетика Генетика и биология развития могут предложить довольно мощный резерв для перестройки современной педагогики – некую новую область знаний, которую мы назовем педагогической генетикой. Это новое направление основано на дву...
4008. Введение в экономическую теорию 116.5 KB
  Введение Экономические знания необходимы каждому человеку, так как они способствуют правильному пониманию происходящего, помогают ориентироваться в различных ситуациях, как на работе, так и в жизни. Домохозяйка рассчитывает, как распланировать доход...
4009. Сутність екологічного менеджменту 411 KB
  Антропогенний і техногенний вплив на природне середовище. Сучасний рівень порушення екологічної рівноваги на Землі Діалектика взаємодії суспільства і природи носить історичний характер і полягає в тім, що людство - складова частина природи, р...
4010. Економічна теорія. Методичні вказівки до виконання самостійної роботи 945.5 KB
  Методичне видання складається з передмови, загальних вимог до самостійної роботи, тематичного планування самостійної роботи студентів, завдань на самостійну роботу і переліку питань самостійної роботи, які включені в екзаменаційні білети. Пере...
4011. Основні питання економічної теорії 1.08 MB
  Вступ У системі економічних дисциплін економічна теорія займає провідне місце, оскільки вона виступає методологічною базою для цілої системи економічних наук, розкриває основоположні базові поняття, економічні закони, категорії, принципи господарюва...