Вопрос 1. Определение биофизики как науки, предмет и методы исследования. Основные разделы. Связь биофизики с другими естественными науками. Значение биофизики для медицины. 6 страница

Таким образом, источником электричества в живой ткани служит концентрационный элемент, образованный растворами ионов, имеющими неодинаковую концентрацию в цитоплазме и межклеточной жидкости.

Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца - в биологии мы имеем дело с более сложной системой – необходимо

наличие, по крайней мере, трех видов ионов: К⁺, Na⁺, Сl^-. Если клетка находится в покое, то коэффициенты проницаемости для этих ионов соотносятся следующим образом: р _K: р _Na.: р _Сl = 1: 0,04: 0,45.

Считая электрическое поле постоянным и однородным по всей толщине мембраны, сначала Гольдман, а потом Ходжкин и Катц вычислили формулу для вычисления так называемого потенциала покоя ПП, рассматриваемого как диффузионный потенциал 3-х видов ионов К⁺, Na⁺, Сl^-:

ПП = R × T / (F × n) × ln{(р _K × [К⁺ _e ] + р _Na × [Na⁺ _e ] + р _Сl × [Cl^- _i ]) /(р _K × [К⁺ _i ] + р _Na × [Na⁺ _i ] + р _Сl × [Cl^- _e ]) }, где

R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; F - число Фарадея; р - коэффициенты проницаемости ионов; n - валентность ионов.

Итак, причиной возникновения ПП является неравномерное распределе­нии ионов К⁺ и Nа⁺. Такое неравномерное распределение ионов К⁺ и Nа⁺ обусловлено активным переносом ионов - работой К-На насоса (см. активный транспорт веществ). Доннановское равновесие устанавливается между клеткой и окру­жающей средой, если клеточная мембрана хорошо проницаема для неорганических ионов, но непроницаема для белков, нуклеиновых кислот и др. крупных органических ионов. При внесении во внекле­точную среду определенного количества КС1 он, являясь хорошим электролитом, диссоциирует с образованием ионов [К⁺], и [Сl^-], ко­торые начинают диффундировать через мембрану, постепенно уве­личивая их внутриклеточную концентрацию [К⁺] и [Сl^-].

Динамическое равновесие наступит тогда, когда будет выполнено условие, впервые описанное Доннаном (Доннановское равновесие): [К⁺] _e × [Сl^-] _e = [К⁺] _i × [Сl^-] _i. В результате этого возникает доннановский потенциал j = -1,4 мВ, ко­торый, как мы видим, невелик и ни в какой мере не может объяснить высокие значения ПП для большинства живых клеток (-60/-90 мВ). Доннановское равновесие - это один из факторов, приводящих к не­равновесному распределению ионов.

Литератур»: Владимиров Ю.А.,Биофизика,-1983,с.148-149. Губанов Н.И.,Медбиофизика,-1978,с.171-177. Лекции.

Вопрос 47. Изменение мембранного потенциала при раздра­жения. Возбудимость клетки. Понятие о локальном ответе. Критический уровень деполяризации. Механизм генерации потен­циала действия.

Если нанести раздражение на аксон нейрона с помощью элек­трического тока и регистрировать при этом мембранный потенциал Е с помощью отводящих электродов, то можно заметить кратковремен­ное его изменение в момент раздражения. Это так называемый локальный ответ (ЛО), который является ответом клетки на подпороговое раздражение.

Все клетки возбудимых тка­ней при действии различных раздражителей достаточной силы могут переходить в состояние воз­буждения. Возникновение локального ответа - проявление возбудимо­сти клетки.

Возбудимость - это способность клеток к быстрому ответу на раз­дражение, проявляющееся через совокупность физических, физико-химических процессов и функциональных изменений. Обязательным признаком возбуждения является изменение мембранного потенциала клетки.

Мембрана клетки поляризована, т.е. внутреннее содержимое клет­ки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде. Уменьше­ние мембранного потенциала по абсолютной величине - деполяриза­ции, а увеличение - гиперполяризация. В клетках существует крити­ческий уровень деполяризации (КУД) - это та минимальная величина деполяризации, которая приводит к возникновению потенциала дей­ствия (ПД).

В момент возникновения ПД резко возрастает проницаемость мембран клетки для ионов Nа⁺. Амплитуда ПД строго постоянна для данной клетки и составляет от 100 до 135 мВ, что является проявле­нием физиологического закона «Все или ничего», который следует трактовать следующим образом «если сила раздражения меньше пороговой, то ПД нет, а если достигла пороговой силы, то ПД есть, причем его амплитуда при увеличении силы раздражения сверх порога не из­меняется».

В отличие от локального ответа потенциал действия может расп­ространяться по нервному проводнику.

При возникновении ПД резко увеличивается проницаемость для ионов Na⁺ р _K: р _Na.: р _Сl =1: 20: 0,45.

Вход натрия в клетку приводит к деполяризации клеточной мем­браны. Данный процесс лавинообразно нарастает (путем положи­тельной обратной связи) и, когда деполяризация достигает критиче­ского уровня, происходит генерация потенциала действия, а клетка при этом переходит в возбужденное состояние.

В отличие от локального ответа, при котором возбудимость клетки возрастает, во время потенциала действия возбудимость резко сни­жена - абсолютная и относительная рефрактерность.

ПД, возникнув в одном участке, быстро распространяется по всей поверхности. Распространение ПД обусловлено возникновением ло­кальных токов, циркулирующих между возбужденным и невозбуж­денными участками клетки. Локальные токи вызывают деполяриза­цию соседних участков мембраны, что привадит к возникновению ПД, если был достигнут критический уровень деполяризации.

Безмякотное (демиелинизированное) нервное волокно:

Скорость проведения возбуждения по безмякотному нервному волок равна 0,3-3,0м/с.

Мякотное (миелиновое) нервное волокно:

По миелиновому нервному волокну ПД распространяется скачкообразно, что даст большую скорость распространения возбуждения от 10 до 120 м/с.

Амплитуда распространяющегося ПД: V = E × R_H / (R_H + r), где V - амплитуда распространяющегося ПД, R_H - сопротивление невозбужденной мембраны, r - сопротивление возбужденной мембраны.

Литература: Губанов Н.И.. Медбиофизика, -1978, с.177-189. Лекции.

Вопрос 48. Электрический диполь. Анализ электрического поля диполя в гомогенном объёмном проводнике.

Электрический диполь - это система из 2-х точечных зарядов, одинаковых по величине, но противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга, которое называется плечом диполя.

Р = q × l - электрический момент диполя.

Анализ электрического поля диполя в гомогенном объёмном проводнике

Потенциал поля, создаваемого диполем в точке А можно вычислить по формуле: j = q × l × cos a / (4 pee ₀ × r ²), где q - заряд диполя, 1 - плечо диполя, e ₀ - ди­электрическая проницаемость вакуума, e - относительная диэлектри­ческая проницаемость среды, r - расстояние от точки отведения до се­редины диполя.

Проведем анализ электрического поля диполя:

1. a =const, если r ® ¥, то j ® 0, если r ® 0 то j ® max.

2. r = const, если a =0 или 180°, то j= max, если a =90° или 270°, то j = 0.

Таким образом, изменяя положение отводящего электрода можно по величине и знаку отводимого потенциала определить пространст­венное расположение диполя. Если потенциал стал максимальным, то значит, электрод находится на продолжении оси диполя. Если потен­циал стал равным 0, то это значит, что электрод находится на перпен­дикуляре, проходящим через середину диполя.

Литература: Ремизов А.Н.,Медбиофизика,-1987,с.270-271. Лекции.

Вопрос 49. Контактное и дистантное отведения биопотен­циалов. Биполярное к униполярное отведения. Показания к при­менению разных видов отведения.

Контактное отведение БП

Оба электрода Э1 и Э2 непосредственно накладываются на орган -- источник биопотенциалов.

Дистантное отведение БП. В данном случае электроды Э1 и Э2 располагаются не на поверхности органа, а на ко­же.

Таким образом, ткани, окружающие орган, мо­гут существенно исказить отводимые биопотен­циалы. Именно поэтому более предпочтительным является контактное отведение, но, к сожалению, такой вид отведения далеко не всегда возможен.

Существуют некоторые терминологические различия между контактным и дистантным отведениями.

Дистантные отведения: ЭКГ электрокардиограмма, ЭЭГ электроэнцефалограмма, ЭМГ – электромиограмма.

Контактные отведения: электрограмма сердца, электрокортикограмма, электрограмма мышц.

Биполярное отведение - отведение, при котором оба электрода находятся примерно в одинаковых условиях по отношению к диполю.

Если электроды расположены на продолжении оси диполя, то в соответствии с формулой диполя, в точке А будет отводиться положительный максимальный потенциал, а в точке В - максимальный отри­цательный. В таком случае и отводимая разность потенциалов будет максимальна.

Если электроды расположены на перпендикуляре, проходящем че­рез середину диполя (на нулевой эквипотенциальной линии), то в со­ответствии с той же формулой, будет отводиться разность потенциалов, равная нулю.

Биполярное отведение следует приме­нять при поверхностном расположении диполей, т.к. отводимая разность потен­циалов приблизительно обратно пропор­циональна кубу расстояния до источника биопотенциалов. Таким образом, если расстояние х ₁ = 2 х ₂, то вклад в отводи­мую разность потенциалов ближнего ди­поля d₁ будет в 8 раз)! больше, чем даль­него диполя d₂.

Для регистрации электрической ак­тивности глубоко расположенных источников был специально раз­работан более сложный способ отведения - униполярное.

Униполярное отведение - это отведение, при котором потенциал одного из электродов, близок к нулю.

Электрод, потенциал которого близок к нулю, получил название пассивного или индифферентного, в отличие от активного электрода.

Методика создания индифферентного электрода - если расставить на симметричных участках электрического поля большое количество электродов, то в любой момент времени одна по­ловина электродов находится в области положительных эквипотен­циальных линий, а другая - отрицательных. Если объединить эти электроды общим проводником, то, в идеальном случае, его общий потенциал должен быть равен 0. Этот электрод и называется индиф­ферентным. Каждый электрод из этого комплекса периодически ис­полняет роль активного электрода: j = j_акт + j_инд; j_акт = (n – 1) × j / n; j _инд = j / n, где j - отводимая разность потенциалов,

j_акт - потенциал активного электрода, j _инд - потенциал индифферентного электрода, n - количество электродов, создающих пассивный электрод.

Литература: Лекционные записи.

Вопрос 50. Понятие о мультипольном электрическом экви­валентном генераторе. Современная теория отведения биопотен­циалов. Принципы отыскания точной локализации патологиче­ского очага при инфаркте миокарда и эпилепсии.

Модель, в которой электрическая активность миокарда описывается с помощью большого количества диполей, называется мультиполярным эквивалентным электрическим генератором сердца.

Современная теория отведения биопотенциалов: в настоящее время очаг возбуждения в миокарде считают мульполярным, где каждое мышечное волокно является отдельным диполем. Вклад отдельных диполей в суммарный потенциал зависит от их расположения по отношению к отводящему электроду.

Основные этапы отыскания патологического очага при инфаркте миокарда - основываясь на положениях современной теории отведения, можно выделить 2 основных и принципиально отличающихся друг от друга этапа поиска патологического очага при инфаркте миокарда:

1 - применить униполярное отведение, но активный электрод расположить как можно дальше от сердца

(в точке А) для того, чтобы расстояния от электрода до ближних и даль­них диполей были бы приблизительно одинаковыми, тогда вклад ближних и даль­них диполей в отводимую разность потенциалов будет примерно одинаков. Этот этап необходим для того, чтобы не пропустить патологию на органном уровне. Переходить ко второму этапу поиска следует только в том случае, если патология обнаружена. На первом этапе можно применить и биполярное отведение, т.е. применить основные отведения по Эйнтховену.

2 этап - предполагает оты­скание точной локализации инфарк­тного очага. Для того чтобы добить­ся этого, необходимо отводящий электрод помещать как можно ближе к сердцу (грудные и пищеводные от­ведения - точки Б, В, Г, Д), при этом расстояния от ближних и дальних участков мио­карда будут значительно отличаться друг от друга, а, значит, и вклад ближних диполей в отводимую разность потенциалов будет гораздо большим по сравнению с дальними диполями. Если в какой-то точке (например, в точке Д) патология на ЭКГ ярче всего выражена, то это означает, что где-то поблизости и расположен патологический очаг!

Примечание: Следует отметить, что при отыскании патоло­гического очага контактным способом во время операции на сердце по поводу инфаркта миокарда лучше применить биполярный способ отведения с очень близким расположением электродов друг к другу.

Отыскание патологического очага при эпилепсии

Для отыскания патологического оча­га (нейронов - источника судо­рожной активности, образующих диполь) вначале необходимо на поверхности ко­жи головы найти фокус судорожной элек­трической активности на ЭЭГ (на ри­сунке - зависимость U от l. Затем при продвижении элек­трода вглубь мозга параллельно оси диполя следует остановиться в момент инверсии потен­циала, т.к. электрод будет в середине диполя и в середине очага. В этот момент нужно произвести коагуляцию нервной ткани.

Литература: Лекционные записи.

Вопрос 51. Электропроводность органов и тканей. Элек­тронная, дипольиая, мембранная и электролитическая теория поляризации. Поляризационная ёмкость, её происхождение и ди­агностическая роль.

Немецкие врачи Гебер и Остергаут обнаружили, что электро­проводность больных тканей существенно отличается от здоровых. Поэтому, основываясь на величине электропроводности или обрат­ной ей величине - сопротивлении, можно получить информацию о функциональном состоянии ткани.

Однако сопротивление живых клеток, функциональных единиц ткани, измерить достаточно трудно, т.к. ток, по величине которого в соответствии с законом Ома мы судим о величине сопротивления не является постоянной величиной, а существенно изменяется во времени.

Кроме этого, удельное сопротивление клеток неожиданно оказалось очень большим (r = 10^е - 10⁷ Ом /см), т.е. по удельному сопротивлению живую ткань следует отнести к полупроводникам.

И этого мало, при пропускании электриче­ского тока через ткань, он проходит, в ос­новном, по межклеточным пространствам, т.к. их сопротивление на несколько поряд­ков меньше (явление шунтироваиия) и, по­этому, измеренное нами сопротивление не­сет информацию не о сопротивлении клеток, а только межклеточных пространств.

Уменьшение электрического тока с течением времени обусловлено явлением поляризации. Возникновение ЭДС поляризации связано со свойством живых клеток накапливать заряды при прохождении через них тока:

I_t = (U – E_пол) / R, где U - приложенное напряжение, R - сопротивление, E_пол - ЭДС поляризации, которая является тоже функцией времени: E_пол= R × (I ₀ - I_t).

Основные теории поляризации тканей - живая ткань человеческого организма чрезвычайно полиморфна – это множество самых разнообразных клеток, это огромное количество самых разнообразных молекул и т.д. Именно поэтому ни одна из су­ществующих теорий поляризации не в состоянии полностью объяснить происхождение этого явления. Мы рассмотрим основные теории поляризации, только в сумме они могут объяснить происхождение поляризации живой ткани.

Дипольная теория объясняет возникновение ЭДС поляризации в диэлектриках. При помещении полярных молекул диэлектрика в постоянное электрическое поле возникает механический момент, который начичинает поворачивать диполь в поле.

В диэлектрике возникает свое собственное поле, которое направ­лено против внешнего - это и есть ЭДС поляризации.

Мембранная теория

Электронная теория - любая молекула в электрическом поле превращается в диполь, в результате смещения электрического облака в сторону анода. Все ди­поли ориентируются в поле, создавая собственное поле. Электролитическая теория поляризации - электролитическая поляризация возникает между электродами, опущенными в раствор электролита, при пропускании через них элек­трического тока из-за скопления ионов противоположного знака вблизи анода и катода.

Поляризационная емкость С_пол= q / j. Так как j = E_пол и,

то, где q - количество электричества, I _o - начальный ток, I_t - конечный ток,

R - сопротивление, j - разность потенциалов.

Поляризационная емкость С_пол для живых здоровых тканей имеет большую величину (около 10 мкф/см²), при гибели ткани - стремится к нулю. Таким образом, измеряя величину поляризационной емкости можно судить о жизнеспособности ткани, что находит при­менение в трансплантологии при выборе органа для пересадки больному.

Литература: Лекционные записи.

Вопрос 52. Импеданс тканей организма. Теория дисперсии импеданса. Эквивалентная электрическая схема тканей организма.

Импеданс Z - полное электрическое сопротивление, измеренное с помощью переменного тока, состоит из активного и реактивного (емкостного, т.к. индуктивностью живые ткани не обладают) сопротивлений.

На векторной диаграмме при последовательном соедине­нии активного R и реактивного емкостного Хс сопротивлений импеданс - их геометрическая сумма:

где С - емкость, w - циклическая частота.

Импеданс живых тканей обладает це­лым рядом свойств, которые исчезают при гибели ткани:

- чем жизнеспособнее ткань, тем больше импеданс, так как больше угол сдвига фаз j между током и напряжением в электрической цепи;

- импеданс существенно зависит от частоты и т.д.

Теория дисперсии импеданса – зависимость импеданса Z от частоты v получила название дисперсии импеданса. Такая зависимость имеет примерно следующий вид:

Время релаксации - мини­мальное время, которое необходимо для к возникновения ЭДС поляризации.

Шван предположил, что импеданс живой ткани - это статистическая величина, которая определя­ется в основном соотношением времени релакса­ции молекулы t, в течение которого, по мнению Швана, возникает минимальная величина поляри­зации, и оставшейся частью полупериода тока, когда возникшая ЭДС поляризации возрастает (график А). Именно ЭДС поляриза­ции и повинна в значительном увеличении импеданса ткани.

При увеличении частоты тока длительность полупериода, оче­видно, уменьшается и, по мнению Швана, импеданс тоже становится меньше, т.к. ЭДС поляризации теперь существует в течение мень­шей части полупериода (график В).

Когда частота приложенного напряжения становится такой, что выполняется условие: t = Т / 2(график С), то, при дальней­шем увеличении частоты (уменьшении периода) приложенного на­пряжения, ЭДС поляризации не возникает и прекращается дисперсия импеданса (график Д).

Эквивалентная электрическая схема живой ткани

R_м - сопротивление мембраны, С_м - емкость мембраны, R_i - внутреннее сопротивление клет­ки.

Литература: Лекционные записи.

Вопрос 53. Оценка жизнеспособности тканей по частотной зависимости импеданса. Использование формулы Стокса для изучения молекулярной структуры тканей. Физические основы реографии.

Дисперсия импеданса наблюдается только у живой ткани. Чем более выражена диспер­сия импеданса, тем более жизнеспособна ткань. Это обстоятельство используется для оценки жизнеспособности органов и тканей, в частности для определения жизнеспособ­ности органов при пересадке. Часто вместо снятия всей зависимости

определяют так называемый коэффициент поляризации Тарусова: К_пол = Z ₁ / Z ₂, где Z ₁- импеданс ткани, измеренный на частоте 10⁴ Гц, Z ₂ - импеданс ткани, измеренный на частоте 10⁶ Гц. Чем больше ко­эффициент поляризации, тем более ткань жизнеспособна. Так коэф­фициент поляризации здоровой печеночной ткани человека бывает равен от 9 до 10, при гибели ткани этот показатель стремится к еди­нице.

Пользуясь основными положениями теории Швана, можно изучать молекулярную структуру ткани на целостном живом организме, что очень важно для целей диагностики. В соответствии с этой теорией время релаксации молекулы, при критической частоте в точности равно длительности полупериода t = Т / 2. Стокс предложил формулу, в которой устанавливается зависимость между временем релаксации молекулы и величиной ее радиуса: t = 4 ph × r ³/ (K × T), где t - время релаксации молекулы, h - коэффициент вязкости среды, r - радиус молекулы, K - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.

Зная критическую частоту n_кр можно определить время релаксации молекулы по формуле: t = 1 / (2 n_кр), теперь подставим это значение в формулу Стокса: 1 / (2 n_кр) = 4 ph × r ³/ (K × T), откуда можно найти радиус молекулы:

Радиус молекулы есть уникальная величина, по которой можно идентифицировать данный вид молекул.

Реография - метод регистрации изменений импеданса органов и тканей организма с помощью переменного тока с частотой 1-3 Кгц, обусловленных изменением кровенаполнения. Чем больше крови в органе, тем меньше импеданс, т.к. на этих частотах кровь очень хорошо проводит электрический ток.

Пример 1. Реоэнцефалография - реографический метод исследования мозгового кровообращения. Измеряется импеданс лево­го Zл и импеданс правого полушария Zп. Пусть левое полушарие травмировано.

Если Zл > Zп - тромбоз мозговых сосудов, т.к. крови в левом полушарии меньше, импеданс больше;

если Zл < Zп - кровоизлияние в мозг, т.к. крови в левом полушарии больше, импеданс меньше.

Пример 2. Кожно-гальваническая реакция (КГР) - уменьшение импеданса в ответ на действие раз­дражителя любой модальности (боль, звук, свет и т.п.). С помощью КГР можно объективизировать определение порогов ощущения у больного.

Литература: Лекционные записи.

Вопрос 54. Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциал течения и седиметации. Происхожде­ние электрокинетического потенциала - теория Дерягниа-Штерна.

Под электрокинетическими явлениями понимают движение фаз гетерогенной системы в постоянном электрическом поле, а также воз­никновение разности потенциалов при механическом движении фаз. Различают четыре вида электрокинетических явлений:

- электрофорез,

- электроосмос,

- потенциал течения,

- потенциал оседания (седимен­тации).

Электрофорез - движение частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле.

Электроосмос - движение дисперсной среды в постоянном электрическом поле.

Потенциал течения - возникновение разности потенциалов между двумя частями сосуда, разделенных мембраной, при наличии градиента гидростатического давления.

Потенциал седиментации - возникновение разности потенциалов между нижней и верхней частями гетерогенной системы вследствие оседания частиц дисперсной фазы.

Белковая частица в нейтральной среде превращается в биполярный ион:

Если среда кислая, то образуется катион белка и анион хлора:

Эти противоионы и образуют двойной электрический слой вокруг белковой частицы.

Если среда щелочная, то образуются анион белка и противоион натрия:

Если частичка негомогенная, то двойной электрический слой может образоваться вследствие адсорбции на ее поверхности ионов из раствора.

Теория происхождения электрокинетического потенциала:

а) наличие только компактного слоя (КС) противоионов (теория Гельмгольца);

6) наличие только диффузного слоя (ДС) противоионов (теория Гун);

в) наличие и компактного (КС) и диффузного (ДС) слоев противоинов (теория Дерягана-Штерна);

g - полный или электротермодинамический потенциал, т.е. разность потенциалов между поверхностью частицы и средой;

x - электрокинетический или дзета-потенциал, т.е. разность потенциа­лов между компактным слоем противоионов и дисперсной средой.

Определить величину электрокинетического потенциала x пря­мым путем невозможно, но существует косвенный путь измерения по скорости электрофореза. Дело заключается в том, что чем больше x -потенциал частицы, тем больше скорость ее перемещения в электри­ческом поле - скорость электрофореза. Впервые советский ученый Смолуховский предложил формулу для расчета величины x -потен­циала, впоследствии французские ученые Дебай и Гюккель дополни­ли ее: x = k × ph × u / (e × E) формула Смолуховского-Дебая-Гюкксля, где h - вязкость среды; u - скорость электрофореза частицы; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды, Е - электричвский градиент электрического поля; k - коэффициснг пропорциональности, зависящий от размера частиц.

Дата добавления: 2015-11-04