Определяне на биоимпеданс


Категория на документа: Физика


ОПРЕДЕЛЯНЕ НА БИОИМПЕДАНС

Електричните свойства на живите обекти се делят на две групи - активни и пасивни.

Активните електрични свойства са свързани със свойствата на живите организми да генерират електрични полета и да създават потенциални разлики между различни части на организма - електрични напрежения, наречени биопотенциали.

Пасивните електрични свойства характеризират електрическата структура на клетките и организмите. Те могат да бъдат измерени при пропускане на постоянен или променлив електричен ток през жива тъкан. Пасивни електрични свойства са проводимостта и диелектричните свойства на биологичните системи.

Биоимпедансът (Z) е една от величините, характеризиращи пасивните електрични свойства. Той представлява сумарното съпротивление, което оказва живият обект при протичане на електричен ток.

Z2 = R2 + 1/2C2

Където: R - омово съпротивление,

 - ъгловата честота на променливия ток ( = 2f, f - честотата на тока),

C - капацитет.

Биоимпедансът включва две компоненти: активно (омово) и реактивно (капацитивно) съпротивления. Биологичните обекти не притежават индуктивно съпротивление, тъй като при тях няма структури, които да наподобяват бобина - проводимостта е изцяло или предимно йонна.

Електрическото съпротивление на всяко вещество представлява едно от неговите основни свойства. Но при измервания върху биологични обекти се установяват особености, които не се наблюдават при физическите системи: съпротивлението на тъканта зависи от големината на тока, от времето, през което той протича и дори от посоката на протичане на тока. Освен това, ако една електродвижеща сила бъде приложена към дадена тъкан и след това бъде отстранена, потенциалната разлика продължава да съществува още известно време.

Импедансът на биологичните обекти зависи от честотата на променливия ток. Установено е например, че съпротивлението на кръвта е много по-ниско при високи честоти (10 МHz), отколкото при ниските честоти. В живите тъкани електричният ток протича през електролитния разтвор, заобикалящ клетките. При ниски честоти клетките оказват много високо съпротивление на протичането на тока благодарение на мембраната си. Клетъчната мембрана действа като кондензатор (капацитивно съпротивление), който има висока пропускливост за честоти, надвишаващи определена характерна за всеки кондензатор стойност. Това дава възможност на високочестотния ток да протича и през мембраната, а нискочестотният ток тече само през междуклетъчните течности. При смърт на клетките, когато мембраните са разрушени, импедансът не зависи от честотата и е равен на импеданса на интактните клетки при високи честоти.

Изменението на съпротивлението на тъканта е показател за промяна в нейната структура и физикохимични свойства, а развитието на тези изменения във времето отразява динамиката на процесите на възбуждане на биологичните мембрани и на провеждане на електричния ток. Под въздействие на някои вещества, например наркотици, се наблюдава бифазно изменение на биоимпеданса - намаляване на съпротивлението при въздействие с ниски концентрации и повишаване при високи концентрации. При мъртва тъкан импедансът намалява и е еднакъв във всички посоки.

Електрическият импеданс на биологичните тъкани зависи от тяхното физиологично състояние. Изменението на импеданса на кръвоносните съдове през време на сърдечния цикъл зависи от състоянието на сърдечно-съдовата система. Тази зависимост е основа на диагностичния метод импеданс-плетизмография. Този метод дава информация за кръвонапълването на различни части и органи в тялото и се използва за диагностика при някои нарушения в кръвоснабдяването. Промени в импеданса могат да са резултат от болестни процеси в организма. Биоимпедансните измервания намират широко приложение в медицинската практика за бърза диагностика на увреждания на мембранни структури в тъканите. Честотната зависимост на импеданса дава възможност за оценка жизнеспособността на биологичните тъкани. Това е важно например за органи, необходими за трансплантация. Импедансни измервания се прилагат и за оценка състоянието на хранителни продукти в големи складове - месо, картофи, ябълки и др. Промяната на импеданса е показател за започващо влошаване качеството на продуктите и те се изпращат за бърза консумация или консервиране.

За измерване на биоимпеданса най-често се използват мостови схеми, в които като нулев индикатор се употребява телефонна слушалка или осцилограф.

ФИЗИЧНИ ПРИНЦИПИ НА МОСТОВИ ИЗМЕРВАНИЯ

Съпротивлението на един проводник при постоянен ток може да се определи като го включим във верига и измерим силата на тока (I) и пада на напрежението (U) в краищата на проводника. Тогава съпротивлението може да се определи по закона на Ом: R = U / I. По подобен начин при променлив ток импедансът се дефинира като отношение между напрежението и тока и може да се изменя като функция от честотата. Ако системата не съдържа индуктивни или капацитивни елементи, импедансът е независим от честотата и е равен на омовото съпротивление.

За по-точни измервания се използват мостови схеми. Един от най-често прилаганите мостове е този на Уитстън. Той се състои от четири съпротивления, образуващи четириъгълник. В едното рамо на този мост се включва неизвестното съпротивление, две от съпротивленията имат предварително зададени стойности, а четвъртото е променливо. В единия диагонал на моста се включва източникът на напрежение, а в другия - нулевият елемент (телефонна слушалка или осцилограф). Токът се разклонява в двата клона на веригата и в най-общия случай потенциалите в точките С и D са различни. По тази причина в нулевия индикатор се регистрира протичане на ток. С подходяща промяна на променливото съпротивление потенциалите на точките С и D могат да бъдат изравнени. В такъв случай са в сила следните съотношения:
UAC = UAD I1R1 = I2R4
UBC = UBD I1R2 = I2R3 R1 = R2R4 / R3 Rx = Rпр / 10

От последната пропорция е възможно да се пресметне стойността на неизвестното съпротивление.

Фигура 1. Схема на мост на Уитстън.

СХЕМА НА ОПИТНАТА ПОСТАНОВКА

Блок-схемата на апаратурата е показана на фигура 2. Основните елементи в нея са Уитстънов мост, звуков генератор като източник на напрежение във веригата, магазин за съпротивления, камера за поставяне на изследвания обект, осцилограф.
Фигура 2. Блок-схема на установката.

Осцилоскоп

Фигура 3. Схема на свързването на елементите в установката.




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Определяне на биоимпеданс 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.