Імпеданс біологічних тканин

Як показує експеримент, для біологічних тканин харак­терні великі значення кута зсуву фаз між силою струму і напругою, причому сила струму випереджає за фазою на­пругу. Це свідчить, що частка ємнісного опору в біологічних об'єктах значна. Наведемо деякі значення кута зсуву фаз при частоті для різних біооб'єктів:

Як правило, індуктивністю біологічних об'єктів нехту­ють (при частотах і вважають, що їхній імпе­данс дорівнює геометричній сумі активного R і ємнісного опорів. Для характеристики пропускання струму живими клітинами використовують еквівалентні схеми, тобто такі комбінації С і R, які можуть моделювати електричні пара­метри біологічних тканин. Розглянемо найпростіші з них.

Мал. 2.37.

При послідовному сполученні R і С (мал. 2.37а) схема має суттєві розбіжності з дослідом при пропусканні постій­ного струму. Якщо то вона чинить нескінченно ве­ликий опір постійному струмові що не відповідає дійсності. Якщо ж С і R з'єднати паралельно (мал. 2.37б), то при високих частотах що теж не відпо­відає дійсності. Для біологічних тканин характерне більш складне поєднання ємності й активного опору. Найбільш вдалими є схеми, що приведені на мал. 2.37в,г. При про­пусканні через такі схеми високочастотного струму при _→ , їх імпеданс асимптотичне наближається до деякої константи (у випадку ), а у випадку Ці схеми з певним наближенням можуть бути еквівалентними електричними схемами біологічних тканин, але ні одна з них не може повністю відтворювати закономірності пропускання електричного струму через біологічні системи.

На мал. 2.38 приведені графіки дисперсії (частотної за­лежності) імпедансу рос­линної тканини: 1 - кри­ва для нормальної здоро­вої тканини; 2 - для на­грітої до протя­гом 2 хв; 3 - те ж саме протягом 4 хв; 4 - після кип'ятіння в воді протя­гом 20 хв.

З малюнка видно, що крутизна кривої в міру відмирання тканини зменшується, тобто спостерігається зменшення низькочастотного опору, тоді як при високих частотах імпеданс практично залишається постійним. При­чиною є те, що при відмиранні руйнуються мембрани -"живі конденсатори", і нежива біологічна тканина володіє суто омічним опором. Вказані особливості використову­ються для оцінки фізіологічного стану об'єктів. Як правило, розраховується коефіцієнт дисперсії К, який дорівнює відношенню імпедансу при низьких частотах до імпедансу при високих частотах:

(2.80)

У нормальних тканинах залежить від положення ор­ганізму в еволюційному ряді. Наприклад, коефіцієнт дис­персії печінки ссавців дорівнює приблизно 9-10, печінки жаби - 3-4. При відмиранні тканин вказаний коефіцієнт на­ближається до одиниці. Критерієм життєздатності є також частотна залежність тангенса кута зсуву фаз між силою струму і напругою. Вона дає уявлення про співвідношення між величинами активного і реактивного опорів:

Імпеданс тканин залежить також від їх функціонального стану, і це використовується в діагностиці. Імпеданс кровоносних судин залежить від їх кровонаповнення, а значить і від серцево-судинної діяльності. На цьому базується діагностичний метод, який називають реографією. Реографія вивчає залежність актив­ної складової імпедансу біологічної тканини від її дефор­мації в процесі серцевої діяльності. Отримують реограми серця, головного мозку, магістральних судин, легень тощо. Відповідно до методики Кедрова вважається, що відносна зміна об'єму ділянки кровоносної судини (чи іншої біологічної тканини) прямо пропорційна зміні опору ΔR/R:

Співвідношення між активною та реактивною складо­вими опору може змінюватись при зміні фізіологічного стану та деяких патологіях. Наприклад, при запаленні на перших стадіях спостерігається збільшення активного опо­ру тканин. Цей ефект обумовлений тим, що струм низької частоти йде переважно через міжклітинну рідину, яка во­лодіє суто омічним опором. При запаленні клітини набуха­ють і переріз міжклітинних ділянок зменшується, що й при­зводить до підвищення омічного опору. Ємнісний опір при цьому практично не змінюється, оскільки не змінюється структура клітин. Очевидним є той факт, що за незмінного ємнісного опору збільшення омічного опору свідчить про набухання клітин, а зменшення омічного опору, навпаки, свідчить про зменшення об'єму клітин. Зворотний ефект спостерігається на ранніх стадіях онкологічних захворю­вань. Перетворення нормальних клітин у ракові супровод­жується появою молодих клітин і підвищенням ємнісного опору.