Глава 4 po Meditsinska... · Web viewНапример, биопотенциалът на...

Медицинска физика. Иван Танев Иванов. Тракийски университет. 2016

ГЛАВА 4. ЕЛЕКТРИЧЕН ТОК. ИЗМЕРВАНЕ НА БИОПОТЕНЦИАЛИ.

4.1. Е лектричен ток - основни понятия. А ктивно и реактивно съпротивление . Електричен импеданс.

Около всеки електричен заряд се създава електрично поле, което дава възможност на този заряд да упражнява сила - да привлича или отблъсква други заряди, разположени на голямо разтояние от него. Електричното поле е част от пространството около заряда, "запълнено" с електрична енергия. Във всяка точка от полето е "запасено" определено количество електрична енергия, която се изразява чрез електричния потенциал на тази точка φ (волт, v). Разликата между потенциалите на две точки в полето Δφ = φ1 – φ2 се нарича електрично напрежение U = (волт, v).

Електричното поле въздейства върху зарядите със сила и ги принуждава да се движат . В зависимост от свободата си на движение, зарядите биват свободни и свързани.

Свободни (несвързани) заряди са тези заряди, които нямат равновесно положение в средата и под действие на електричното поле се преместват на големи разтояния. Среда, която съдържа свободни електрични заряди (токоносители) се нарича проводяща среда. В биологичните обекти пример за свободни заряди са свободните, хидратирани йони в електролитните разтвори.

С вързани те заряди са еластично прикрепени към определени точки на средата (точки на равновесие). Под действие на електрично поле свързаните заряди могат само да се отместват на малко разтояние около равновесното си положение. В биологичните обекти свързаните заряди включват полярни и дисоцируеми химични групи, свързани към биологичните макромолекули. Друг пример за свързани заряди представлява двойния електричен слой, разположен около клетъчните мембрани и около макромолекулите.

Електричният ток представлява насочено движение на електрични заряди в проводяща среда под действие на външно електрично поле. Движеща сила за тока е електричното напрежение, приложено в двата края на проводящата среда. Под големина на тока I (Aмпер, A) се разбира количеството заряди Q (кулон, C), които преминават през напречното сечение на проводящата среда за единица време, I = Q/t. където t (секунда, s) е изминатото време. Електричният ток, дължащ се на движението на свободните заряди се нарича ток на проводимост Iпр. Електричният ток, дължащ се на отместване на свързаните заряди се означава като ток на отместване Iотм. В общият случай I = Iпр + Iотм.

Материални среди, в които има само свободни електрични заряди се наричат проводници, а среди в които се съдържат само свързани заряди – диелектрици. Повечето среди, между които и биологичните тъкани съдържат и от двата вида заряди в различно съотношение.

Фиг. 4.1.1. Зависимост на синусоидалния променлив ток от

времето.

В зависимост от промяната на електричното поле, електричният ток може да бъде променлив (когато се променя по големина и посока, означава

се със знака ~), прав (променя се по големина, но има една и съща посока) и постоянен (не си мени големината и посоката, =). Най-често, под променлив ток се разбира ток със синусоидална форма: I = Io.sin (2.t + ). Тук Io е амплитудата, е честотата, (2.t + ) е фазата, а е фазовия ъгъл на тока. На Фиг. 4.1.1 е показана промяната на такъв ток с времето t и неговия период T=1/. Под кръгова честота се разбира произведението 2.

Когато в една среда тече електричен ток (ток на проводимост и ток на отместване), средата оказва съпротива на тока и превръща част от енергията на електричното поле в топлина. Импедансът (общото съпротивление) на средата Z е мярка за тази съпротива и за загубата на електрична енергия. Импедансът се дава с отношението на електричното напрежение U между двата края на проводящата среда и големината на тока I през нея, Z = U/I. Ако напрежението U се мени по синусоидален закон, по същия начин ще се мени и токът, като двете величини във всички случаи имат еднаква честота. Обаче фазовите ъгли на напрежението и


тока могат както да съвпадат, така и да се различават помежду си в зависимост от вида на средата, съответно от вида на импеданса.

Ако средата съдържа само свободни заряди, в нея може да протече само ток на проводимост. При своето движение свободните заряди изпитват триене с молекулите на средата и превръщат енергията на полето в топлина Q. В тоя случай импедансът се нарича активно съпротивление и се бележи с R. При активното съпротивление фазовите ъгли на тока и напрежението съвпадат помежду си. 1/R се нарича електропроводимост. Съгласно формулата на Джаул, отделената топлина е равна на Q = U. I. t, където t е времето на протичане на тока. Често тази топлина се нарича джаулова топлина и нейното измерване позволява да се определи R (ом, ). Тъй като U = I . R, следва, че Q = I 2. R. t, т.е., отделената топлина зависи от квадрата на тока.

Джауловата топлина се използва в електричните скалпели и електрокоагулаторите. Електричен ток с голяма сила се подава към пациента с помощта на два електрода. Първият електрод е неподвижен и с голяма площ (индиферентен електрод). Токът през него има ниска плътност и не предизвиква повишение на температурата на подлежащата тъкан. Вторият електрод е подвижен, има остър край и служи като скалпел. Токът през него се концентрира върху малка площ и предизвиква силно локално загряване до температури близки до 100оС. Това довежда до денатурация на белтъците, изпарение и срязване на тъканта под острието на електрода. Денатурацията на белтъците предизвиква слепване и запушване на срязаните кръвоносни съдове, от тук кръвотечението е слабо – хемостазен ефект. На този принцип работят игленият аблатор на простатата и биполярният коагулатор. Топлинният ефект зависи в квадратична степен от плътността на тока. При плътност от 6-10 mA/mm2 температурата под острието на електрода се повишава до степен, когато тъканите коагулират (диатермокоагулация). При плътност от 40 mA/mm2 температурата под електрода е толкова висока, че тъканта се овъглява и изпарява, получава се срязване (диатермотомия).

Съгласно формулата на Ом, активното съпротивление на една проводяща среда е R = .L/S. Вижда се, че съпротивлението R зависи само от параметрите на средата: напречно сечение (S), дължина (L) и - специфично съпротивление на средата. Отношението 1/ = σ се нарича сп e цифична електропроводност.

В зависимост от стойността на σ, средите се разделят на три групи. При проводниците (например метали), концентрацията на свободните заряди е висока и σ има висока стойност. При непроводящите среди σ е много ниска. Тук спадат изолаторите (гума, полиетилен) в които липсват както свободни, така и свързани заряди, а също и диелектриците (хартия, слюда, някои полимери и биополимери) в които има само свързани заряди. При полупроводниците σ има стойност, средна между тази на проводниците и изолаторите. Освен това, тя зависи силно от наличието на примеси и от външните условия - температура, облъчване със светлина, йонизираща радиация и др., което се използва за тяхното измерване.

Фиг. 4.1.2. Протичане на електричен ток през бобина (А) и електричен кондензатор (Б).

Освен през активно съпротивление R, променливият електричен ток може да протича и през кондензатор и бобина. Електричният кондензатор (Фиг. 4.1.2 Б) служи като резервоар (склад) за заряди. Той е съставен от две метални плочи, най-често с еднаква площ S, разделени със тънък слой от непроводяща среда с дебелина d. Нека имаме токов кръг, в който е включен кондензатор. Когато върху едната плоча се доставят електрични заряди с общо количество +Q, същото количество се отнема от другата плоча и там се появяват заряди с количество –Q. Между плочите възниква електрично поле с напрежение U. Отношението Q/U = C = .S/d е постоянна величина, наречена капацитивност на кондензатора. Тук е диелектричната проницаемост на средата между плочите. За въздушна среда или вакуум тя има ниска стойност (бележи се с о). Особено голяма стойност ще има , съответно капацитивността С ще бъде много по-голяма, ако между


металните плочи се постави диелектрична среда. Колкото повече свързани заряди има в диелектрика, толкова по-големи ще бъдат и С. Най-висока стойност на имат клетъчните суспензии и тъканите, което се дължи на техните клетъчни мембрани и биомакромолекули, в които има голям брой свързани заряди. Най-общо ε = ε0 εr, където ε0 се нарича диелектрична проницаемост на вакуума, а εr е относителната диелектрична проницаемост на средата.

Ако между плочите на кондензатора се постави идеален диелектрик, в него може да протече само ток на отместване. Този ток се съпровожда от създаване и преориентация на т.н. електрични диполи. Преориентацията на електричните диполи също е съпроводена с триене и отделяне на топлина, която се означава като диелектрична загуба на енергия. При ниска честота на тока времето за преориентация на диполите е достатъчно и всички диполи успяват да се завъртят едновременно в такт с полето. Като резултат, диелектричните загуби на енергия са пренебрежимо малки в сравнение с активната (кондуктивна, джаулова) загуба на енергия, която се дължи на свободните заряди и зависи от σ. Диелектричните загуби силно нарастват при определена висока честота, когато диполите се въртят с различна фаза. При още по-висока честота диполите стават неподвижни и отделената топлина отново намалява. От този вид е микровълновото нагряване на тъкани.

При протичането на електричен ток през бобина (Фиг. 4.1.2 А) в нейната сърцевина се създава магнитно поле със сила (интензивност) H, която е пропорционална на силата на тока I. В коефициента на пропорционалност влиза един множител, наречен индуктивност L = μ.V.n2, където V е обема на сърцевината, n е броят намотки от проводника върху единица дължина, а μ е магнитната проницаемост на средата (сърцевината) обхваната от бобината. Магнитната проницаемост, μ, е мярка за индуктивните (магнитни) свойства на дадена среда. При някои материали (желязо и железни сплави) μ е много по-голяма от тази на въздуха. Повечето материали, включително и биологичните среди, обаче не се отличеват съществено по тяхната магнитна проницаемост, μ, от въздуха. Поради това, магнитните свойства на биологичните среди са слабо проявени и техният общ импеданс има изцяло капацитивен характер без индуктивна компонента. Магнитните свойства на биологичните среди имат значение само в някои специални случаи, когато или силата на магнитното поле е много голяма или въздействието на полето е много продължително. Между импедансите на резистора, кондендатора и бобината се проявяват следните три различия.

1. При протичане на променлив електричен ток през кондензатор с капацитивност С и бобина с индуктивност L електричната енергия не се превръща в топлина както при активното съпротивление. В тези случаи енергията се изразходва само за създаване на електрично поле в кондензатора и на магнитно поле в бобината. Ако токът е синусуидален, през едната половина на периода енергията на полето се запасява в кондензатора или бобината, а през втората половина се връща обратно – липсва превръщане на енергията в топлина. При спиране на тока енергията, запасена в кондензатора и бобината се връща обратно и поддържа тока до своето пълно изразходване (реакция, противодействие). Затова се казва, че импедансът на тези елементи има чисто реактивен характер и се нарича реактивно съпротивление или реактанс (бележи се с ). В случай, че токът е променлив с кръгова честота , от общата формула за импеданса може да се изведе, че реактивното съпротивление на кондензатора ще бъде c = 1/(.C), а на бобината - L= .L. 2. От представените формули за отделните видове съпротивления се вижда, че активното съпротивление R не зависи от честотата на тока , докато реактивните съпротивления c и L зависят от честотата, т.е., за тях е характерна дисперсия. При това, c намалява, а L расте с честотата . Това се използва в медицинската техника, като чрез подходящи комбинации от кондензатори и бобини се съставят честотни филтри, пропускащи само електични токове с необходимата честота, т.е., полезните сигнали, докато другите сигнали (шумовете) се подтискат. 3. Трето различие между активното и реактивното съпротивление е тяхното влияние върху фазовия ъгъл на променливия ток. В електрична верига съдържаща едно активно съпротивление, токът и напрежението са във фаза, т.е., = 0. Това означава, че всяка промяна на тока се последва без закъснение от съответната промяна на напрежението – липсва инерционност. При реактивните съпротивления, токът и напрежението са отместени на 90о, като при кондензатора токът изпреварва напрежението ( = - 90о), а при бобината - напрежението изпреварва тока ( = + 90о). Това означава, че реактивните съпротивления внасят инерционност, например присъствието на кондензатор във веригата кара промените в напрежението да изостават значително след промените на тока.

Тъй като всеки един от трите вида импеданси има своя големина и фазов ъгъл, той може да се представи като вектор или като комплексно число в една двумерна координатна система (Фиг. 4.1.3). Хоризонталната ос на координатната система се означава като ос на тока. Ако представим съответния


импеданс като вектор, дължината на вектора ще бъде равна на големината на импеданса, а посоката на вектора ще сключва ъгъл с оста на тока, равен на 0 при активното съпротивление, +90о при бобината и -90о

при кондензатора. Това улеснява намирането на общия импеданс в случай на верига, съдържаща голям брой различни импеданси. Съгласно правилата на Ом, ако веригата съдържа последователно свързани импеданси, общият импеданс е равен на векторния сбор от тези импеданси. Ако веригата съдържа успоредно свързани импеданси, тогава се въвежда величината адмитанс, която е реципрочна на импеданса. В този случай общият адмитанс е равен на векторната сума на отделните адмитанси.

Нека токът тече през верига, съдържаща последователно свързани резистор с активно съпротивление R, кондензатор с реактивно съпротивление c и бобина с реактивно съпротивление L (Фиг. 4.1.3, в ляво). Съгласно посоченото правило, общият импеданс Z на веригата се получава като векторна сума на тези три импеданса. Съгласно правилата за събиране на вектори (Фиг. 4.1.3 в дясно), общият импеданс ще има големина │Z│ = ( R2 + ( L - 1/C)2)1/2. На тази рисунка е показан и фазовият ъгъл между тока и напрежението. Ако C L, фазовият ъгъл 0 и импедансът има капацитивен характер. При биологичните обекти, импедасът винаги има капацитивен характер. Причината е, че в тъканите няма структури, играещи роля на бобини, т.е., L е практически = 0 при всички биообекти.

Фиг. 4.1.3. Общият импеданс на верига от последователно свързани електрични елементи (в ляво) се получава като векторна сума от импедансите на тези елементи (в дясно).

Измерването на импеданса на човешкото тяло при няколко честоти на тока представлява нов метод за получаване на диагностична информация, наречен анализ на биоелектричния импеданс. За

целта между китката на ръката и ходилото на крака се измерват активното и капацитивното съпротивление, както и фазовия ъгъл между тока и напрежението. Тези данни се използват за пресмятане на най-общия състав на тялото (водно съдържание, отношение клетъчна маса / тегло на мастната тъкан и др.). Тези данни служат за оценка на общото състояние на пациента и правилността на неговия хранителен режим и дават прогноза за неговото оздравяване.

4.2. И мпеданс на електролитни разтвори, суспензии и тъкани. Диелектрична поляризация. Еквивалентна електрична схема на тъкан. Р еография на тъкани и органи . Й онофореза и електрофореза. К ондуктометричен цитометър. Биологично действие на

аеройоните

В електролитните разтвори, клетъчните суспензии и в тъканите се съдържат и двата вида електрични заряди - свободни и свързани. Свободните заряди в тези среди представляват йони (катиони и аниони), получени при електролитната дисоциация на присъстващите във водната среда електролити (соли, киселини и основи). От количеството и вида на свободните заряди зависи специфичната електропроводимост σ на средата. За един електролитен разтвор σ = Ci.i.Zi.Ui (сумирането е по всички видове йони i в средата). Колкото е по-голяма концентрацията Ci на i-я електролит и степента i на неговата електролитна дисоциация, а също и заряда Zi и подвижността Ui на получените йони, толкова по-висока ще бъде електричната проводимост на тази среда. Силните киселини и основи, както и техните соли обуславят по-висока електропроводност, защото имат висока, почти пълна, степен на дисоциация i. Съобразно своя състав, силно проводими са кръвта и тъканните течности, защото съдържат много електролити, докато клетъчните мембрани, масната тъкан, кожата и костите са лоши проводници на електричния ток. Кожата е добър електроизолатор.

Електропроводимостта на тъканите се използва при измерване на биопотенциалите на органи (сърце, мозък). Например, биопотенциалът на сърцето се мени при всяко свиване и отпущане на сърдечния мускул. Понеже тъканите са проводящи среди, този биопотенциал се провежда (пренася) до повърхността на


тялото и може да се измери там чрез електроди, поставени върху кожата.

Фиг. 4.2.1. Еквивалентни електрични схеми (А, Б и В) на биологична тъкан и зависимост на техния импеданс Z от честотата . Най-близка до електричните свойства на тъканите е схемата В.Много често, съдържанието на двувалентни катиони във водата се обозначава като

твърдост на водата. Този параметър може да се оцени много бързо и точно, като се измери електропроводността на водната проба. При дестилирана вода, проводимостта е мярка за концентрацията на остатъчните йони.

С вързани те заряди в течностите, тъканите и твърдите тела са групирани по двойки, наречени електрични диполи. Всеки дипол съдържа един положителен заряд +Q и друг един заряд -Q, равен по големина на първия, но с противоположен знак. Обикновено в отсъствие на външни сили двата заряда на всеки дипол са слети в едно, защото между тях действат големи сили на привличане. Под влияние на външни сили, например електрично поле, двата заряда на дипола се отместват на малко разстояние един от друг.

Силите на привличане между тях нарастват с разстоянието и уравновесяват външните сили. С отпадане на външните сили двата заряда отново се сливат. Този вид диполи се наричат индуцирани.

Фиг. 4. 2. 2. Еквивалентна електрична схема на биообект (в дясно) и зависимост на импеданса на биобект от честотата на тока (в ляво).

В някои случаи свързаните заряди могат да са трайно раздалечени един от друг и в отсъствие на външни сили. Това са т.н. постоянни диполи, които в отсъствие на

външно поле са произволно и хаотично ориентирани. Под влияние на външно електрично поле постоянните диполи могат само да се завъртат и преориентират в еднаква посока, съвпадаща с посоката на полето.

Появата на индуцирани и еднаквото подреждане на постоянните електрични диполи в средата се означава като диелектрична поляризация на средата . Всеки един дипол създава около себе си електрично поле, което е противоположно насочено спрямо външното поле. Поради това, резултантното електрично поле вътре в диелектричната среда, което е равно на сумата от външното поле плюс полето на диполите, е по-малко от външното поле. Следователно, диелектричната поляризация отслабва резултантното електрично поле и тока вътре в средата и съответно увеличава нейния импеданс. Когато значителна част от импеданса се дължи на диелектричната поляризация (както е при биообектите), той има силна зависимост от честотата. В такъв случай импедансът има дисперсен характер и понякога се обозначава като дисперсно съпротивление.

Ако между плочите на един кондензатор, имащ капацитивност Cо се постави слой от диелектрична среда, капацитивността нараства до C'. Диелектричната поляризация на средата се определя количествено


чрез величината относителна диелектрична проницаемост r = C'/Cо, т.е., от това колко пъти нараства капацитивността.

В биологичните тъкани няма структури, подобни на бобини (соленоиди), които да създават индуктивност. Присъстващите в тях клетъчни мембрани и биополимери обаче обуславят една силна диелектрична поляризация, която е много характерна за живата тъкан. Така, биообектите имат само два вида съпротивления: активно (R) и капацитивно (c). Електричните свойства на един биообект могат да се моделират с еквивалентните електрични схеми, показани на фиг. 4.2.1. Схемите А и Б не са особено подходящи, защото в първия случай │Z│ клони към безкрайност при ниски честоти, а във втория случай │Z│клони към нула при високи честоти. Най-подходяща за описване на пасивните електрични свойства на биообект е схемата В. В тази схема R1 е съпротивлението на извънклетъчната среда, а R2 е съпротивлението на цитоплазмата на клетките. Капацитетът С е пропорционален на капацитивността на клетъчните мембрани, дължаща се на техния двоен липиден слой. При ниски честоти тази капацитивност е максимална и се нарича статична, а при високи честоти тя намалява поради отпадане на диелектричната поляризация на мембраните. Собственото съпротивление на самите мембрани е твърде голямо и в много случаи се пренебрегва.

Фиг. 4. 2.3. Промяна на импеданса на крайник в отговор на преминаване на пулсовата вълна на кръвта.

Импедансът Z (общото съпротивление) на биообектите има капацитивен характер, като фазовият ъгъл между тока и напрежението има доста голяма стойност (от – 40о до -60о за отделните тъкани). Поради това с увеличаване на честотата на тока Z намалява - дисперсия на импеданса

(Фиг. 4.2.2). Отношението на импеданса при 103 Hz (Z1) към този при 105 Hz (Z2) се нарича коефициент на дисперсия, к = Z1 / Z2. При увреждане на клетъчните мембрани в биообекта (например след загряване, облъчване с йонизираща радиация, възпалителен процес), коефициентът на дисперсия намалява. Фазовият ъгъл също намалява. Този факт се използва при присаждането на изолирани тъкани и органи като тяхната жизненост се оценява чрез измерване на коефициента на дисперсия и фазовия ъгъл на техния импеданс.

Реографията е метод, при който се следят промените в кръвонапълването на тъкани и органи (мускули, чер дроб, главен мозък, крайници), като се записват промените в техния импеданс. Тези промени имат периодичен характер и настъпват в такт със сърдечната дейност. Понеже електропроводимостта на кръвта (при 16-50 kHz) е доста по-висока от тази на останалите тъкани, импедансът на органите намалява при тяхното кръвонапълване по време на пулсовата вълна (систола) и расте по време на диастолата. На Фиг. 4.2.3 е показана една типична форма на реографска крива на ръка. Реографската вълна съдържа две части, нарастваща част (анакротична фаза, ἀνάκρουσις) и спадаща част (катакротична фаза, κἀτάκρουσις). Началната фаза на бързо нарастване на електропроводимостта (АБ - анакрота) съответства на бързо кръвонапълване на крайника, дължащо се на изтласкване на кръв от сърцето и на еластичното разширение на големите и средни артерии. При върха Б кръвното налягане е равно на максималното систолично налягане. Следва спад на проводимостта поради оттичане на кръвта към системата от вени. По средата на този период, кръвното налягане в лявата камера на сърцето пада под определена стойност, което предизвиква затваряне на аортната клапа и слабо нарастване на налягането и кръвонапълването (точка В - инцизура). Към края на този период, когато кръвното налягане пада до минималната си диастолична стойност, може да се появи още един пик (венозна вълна), дължащ се на обратен ход на кръвта поради напълване на системата от вени с кръв.

По формата на реографската вълна може да се определи стойността на хидравличното съпротивление на кръвоснабдяваната тъкан. При увеличаване на хидравличното съпротивление, стръмността на анакротата намалява, върхът Б става по-заоблен, а инцизурата се издига. Този метод се използва при изследване на кръвоснабдяването на двете половини на главния мозък.


Някои лекарства (местни анестетици, антибиотици, противовъзпалителни и противотуморни лекарства) дисоциират на йони при разтваряне в полярна среда. Такива лекарства се вкарват през порите на кожата директно до мястото на заболяването, като през техния разтвор, поставен върху кожата, се пропусне прав електричен ток (лекарствена електрофореза или йонофореза). От силата на тока и времетраенето на йонофорезата зависи количеството лекарство което ще се достави в мястото на заболяване и съответно, лечебния ефект.

В разтвор, биомакромолекулите обикновено представляват йони с голям брой повърхностни заряди (полийони). Това се използва за разделяне на смес от макромолекули на фракции. За целта под действие на електрично поле макромолекулите се задвижват през подходяща пориста среда (електрофореза). Колкото е по-голям зарядът на молекулите, толкова по-голяма ще бъде движещата сила, която ги ускорява. От друга страна, движещите се молекули изпитват съпротивителна сила (сила на Стокс), която нараства с увеличаване на скоростта. Като резултат, молекулите се ускоряват и в един момент започват да се движат равномерно, но с различна скорост в зависимост от техния заряд и размери. Тръгвайки от еднаква стартова позиция, отделните фракции макромолекули изминават различно разстояние и се групират в разделени една от друга ивици. Тези ивици могат да се изолират и изследват (препаративна електрофореза) или фиксират и оцветят (аналитична електрофореза).

Фиг. 4. 2. 4. Електрофореза на колаген в разтвор (в ляво). В дясно – демонстрация на пиезоелектрични свойства при жива бедрена кост.

Електричните свойства на костната тъкан играят важна роля при изграждането на човешките кости. Ако през воден разтвор на колаген се пропусне прав ток, до отрицателния електрод се появява ивица от концентрирани молекули колаген (Фиг. 4. 2. 4 в ляво). След спиране на тока, ивицата се разсейва, но ако в разтвора са присъствали и калциеви соли, ивицата остава като трайно образование. С този резултат се обяснява способността на постоянния електричен ток като протича през костна фрактура да спомага за отлагане на колагенови молекули в нея и така да ускорява нейното зарастване.

Костната тъкан е диелектрик, който проявява пиезоелектрични свойства (пиезодиелектрик). Под действие на силата F (Фиг. 4. 2. 4 в дясно), в изолирана бедрена кост настъпва деформация и се появяват електрични заряди, отрицателни на мястото на свиване и положителни на мястото на разтягане. Това пиезоелектричество се дължи на съдържащия се в костта колаген, по-точно на преместването на заряди (поляризация) от вътрешността към повърхността на колагеновите молекули по време на деформацията на костта. Тази поляризация създава вътре в костта електрично напрежение, а то от своя страна поражда електричен ток. Подобен ток се поражда и в костите на човек, когато са подложени на деформация. В условията на продължителна деформация и присъствие на калций, този ток спомага за трайно отлагане на колагенови молекули по силовите линии на вътрешното механично напрежение и за преоформяне на коста. С това се обяснава известния закон на Волф, че под влияние на продължителен механичен натиск, големината и формата на костите се променят така, че устойчивостта на костите да бъде максимална. Обратно, при отсъствие на продължителен натиск, костите губят маса, отслабват и стават трошливи (например при залежало болни, а също и при космонавти прекарали продължително време в безтегловност).

В една суспензия от клетки, отношението на обема на клетките към обема на цялата суспензия се означава като цитокрит (обемна част). Електричното съпротивление на суспензията, измервано при ниски честоти (1 – 10 kHz) нараства с увеличаване на цитокрита. Причината за това е, че клетките са обвити с мембрани, които имат много високо съпротивление. Ето защо съпротивлението на отделните клетки е много по-голямо от това на суспензионната среда и токът протича главно в суспензионната среда. Съществуват точни формули, които дават възможност да се определи цитокрита на суспензията, като се измери нейната специфична електропроводимост при ниски честоти.


Фиг. 4. 2. 5. Принципна схема на кондукто-метричен цитометър.

При кондуктометричната цитометрия, суспензия от клетки (например разредена кръв) се пропуска през една тънка капилярка и непрекъснато се измерва електричното съпротивление на капилярката (Фиг. 4.2.5). Всеки път, когато през капилярката премине клетка, съпротивлението ще нараства и ще се поражда импулс на електричния ток, толкова по-силен, колкото обема на клетката е по-голям.

Така, чрез броене на импулсите за единица време може да се намери концентрацията на клетките в суспензията, а чрез разпределяне на импулсите по големина може да се намери разпределението на клетките по обем както и техния среден обем. В кръвта обаче клетките биват три вида – еритроцити, левкоцити и тромбоцити. Тромбоцитите имат много по-малък обем от другите клетки и техните сигнали се дискриминират по ниската им амплитуда и се отброяват отделно. За да се изброят левкоцитите, порцията кръв се разрежда в хипотоничен разтвор, при което еритроцитите лизират, а левкоцитите остават интактни и се отброяват. Така, кондуктометричната цитометрия дава възможност за пълен и автоматичен анализ на всички видове кръвни клетки. Редица заболявания на кръвта, свързани с изменение на средния обем и концентрацията на различните видове кръвни клетки се установяват по този начин.

4.3. Ефекти на електричния ток при протичането му в биологични тъкани . Физични основи на медицинските процедури за лечение с електричен ток. Основни принципи на

електробезопасността.

Електричният ток се използва често като средство за лечение. За разлика от лекарствата, лечебното действие на електричния ток не е съпроводено от странични ефекти: токсичност, възникване на алергия и увреждане на черния дроб. Обаче, при твърде голяма сила и напрежение токът може да причини увреждане на човека. Ето защо за да се постигне лечебен резултат е необходимо да се знаят и разграничават полезните от вредните ефекти, които електричния ток предизвиква в тъканите на човек. 1. Основни ефекти от протичането на електричен ток през тъкани. В тъканите, електричният ток взаимодейства главно със свободните и свързани заряди, с клетъчните мембрани и с електровъзбудимите клетки.

Под действие на електричното поле, свободните заряди (неорганични йони и заредени макромолекули) се движат в посока определена от посоката на полето. Това принудено от електричното поле движение на йони в тъканите (електрофореза), от своя страна предизвиква движение на течната среда (електроосмоза). Електрофорезата и електроосмозата представляват транспорт на йони и разтворени в течната среда вещества, който протича независимо от съществуващия пасивен транспорт (дифузия, осмоза). Този допълнителен транспорт ускорява обикновената дифузия и осмоза. Като следствие се подобрява трофиката на тъканите, променя се киселинно-алкалното равновесие, ускорява се метаболизма и отстраняването на вредните и отпадни вещества появяващи се през периода на заболяването. Движението на свободните заряди (електричния ток) през дадена тъкан е съпроводено с отделяне на топлина (джаулова топлина) и повишаване на температурата. Този топлинен ефект е толкова по-силен, колкото силата на тока е по-голяма и електропроводимостта на тъканта е по-висока. При умерено повишение на температурата (1-3оС) имаме полезен биологичен ефект (температурно активиране на транспорта и метаболизма, усилване на имунния отговор). При по-силен ток, настъпва локално загряване над 42оС (хипертермия), което довежда до топлинна смърт на клетки те и некроза на тъканта. Топлопроводността и конвекцията (кръвообръщението) охлаждат подложената на загряване тъкан, ето защо най-лесно хипертермията възниква в тъкани, които са слабо кръвоснабдени, например очната леща. При налагане на електрично поле, свързаните заряди в тъканите се превръщат в електрични диполи, които създават ново електрично поле, обратно на външното и го отслабват - възниква диелектрична поляризация. Като цяло, диелектричната поляризация на тъканите отслабва полето и намалява силата на тока


вътре в тъканта. Следователно, при тъканите диелектричната поляризация има полезен защитен ефект. Най-голямо отслабване на електричното поле и тока причиняват клетъчните мембрани и кожата, защото в норма те са непропускливи за движещите се свободни заряди. Поради диелектричната поляризация на клетъчните мембрани цитозолът на клетките е практически недостъпен за променливи електрични полета с честота под 1 MHz. Така плазмалемата защищава генетичния апарат на клетката от външни електрични полета.

При ток с висока честота (над 1 MHz), диелектричната поляризация причинява промяна и завъртане на биомакромолекулите в такт с промяната на тока, което се означава като осцилаторен ефект на тока. Предполага се, че този ефект се съпровожда от резонанс на тока с важни биополимери, разкъсване на водородни връзки, преориентация на нуклеинови киселини. Когато този ток е по-силен, осцилаторният ефект и диелектричната поляризация довеждат до отделяне на топлина в тъканите, където няма свободни заряди - кости и мастни тъкани.

Променливото електрично поле с висока честота влияе по характерен начин върху клетъчните мембрани. Това довежда до нарастване на пасивната йонна проницаемост на мембраните, което се отразява силно върху йонното неравновесие и транспорта на йоните в клетките. Увеличава се и проницаемостта на стената на кръвните капиляри, което улеснява потока на имунокомпетентните клетки към възпалените тъкани. Установено е и усилване на активния транспорт на йони през клетъчните мембрани.

Електровъзбудимите клетки (мускулни, нервни, рецепторни) имат способността да създават и провеждат през мембраните си краткотрайни електрични токове – нервни импулси. Нервните импулси се генерират в специализирани нервни възли, след което се разпространяват по нервните клетки и достигайки до мускулите, предизвикват ритмични съкращения (дишане, сърдечна дейност), свиване на белодробните алвеоли, кръвоносните и лимфни съдове и отваряне на кръвоностните капиляри. Същите ефекти се получават обаче и с електрични импулси, имащи подобна форма, амплитуда и честота, но генерирани във външни електрични генератори след като се приложат с подходящи електроди (електростимулация). За електростимулация на възбудимите тъкани, през тях се пропуска променлив (импулсен) ток с честата, близка до честата на техните биопотенциали (50 – 500 Hz).

Електричният ток повишава прага на дразнимост на нервните окончания. Това се изразява като обезболяващ ефект на тока и се използва като средство за подтискане на болката. Същият ефект обаче довежда до постепенна адаптация на тъканта към електростимулиращото действие на електричния ток.

2. Зависимост на ефектите на тока от неговата сила и честота. Влиянието на променливия електричен ток върху човешкия организъм се оценява с няколко параметъра. На Фиг. 4.3.1 е показана възможната реакция на човек спрямо променлив ток с честота и сила на тока I. Човекът държи единия електрод с пръстите на едната си ръка, а другият електрод е закрепен за крака му. Минималната сила на тока, при която се усеща дразнене в китката на ръката се нарича праг на усещане на тока (около 1 mA). При по-голяма сила на тока се предизвиква такова свиване на мускулите, което не може да се управлява волево. Това е прагът на неотпускащия ток (праг на търпимост) (около 10 mA). На Фиг. 4.3.1 прагът за усещане на тока е даден с кривата (1). Под тази крива няма усещане за ток. Крива (2) дава прага на неотпускащия ток. При сила на тока между кривите 1 и 2, токът е отпускащ, т.е., пациентът може волево да отпуща мускула си. В тази област настъпват онези ефекти на тока, които са полезни (електростимулация, електродифузия, електроосмоза, диелектрична поляризация на биомакромолекули) и токът има лечебен ефект. Над крива 2 е разположена областта на увреждането, където се проявяват вредните ефекти на тока – дефибрилация и загряване. В началото, при по-малка сила на тока, увреждането е обратимо и лечимо и има характер на дефибрилация на мускулите (тетанус - временно спиране на сърцето и дишането). Дефибрилацията настъпва, когато отделните мускулни влакна не се свиват едновременно под действие на инервиращия импулс. При по-голяма сила на тока увреждането става необратимо и се дължи на загряване (топлинна некроза). Некрозата (умъртяване на тъканта) има термичен характер и се дължи на топлинно-индуцирана смърт на клетките. Топлинният ефект на тока се използва в електрохирургията за електрокоагулация на повърхностни тумори, за хипертермично умъртвяване на вътрешни тумори (например рак на простатата).

Явно е, че биологичният ефект на тока зависи главно от неговата сила I и в по-слаба степен и от честотата . Съгласно Фиг. 4.3.1, когато силата на тока е по-голяма, вместо лечебен се получава вреден ефект. Когато през тялото на човек протича ток от няколко mA, породеното усещане е много слабо или липсва. Ток от 10 mA предизвиква свиване на мускулите на крайниците. Ток от 20 mA разстройва дишането поради тетанично свиване на дихателните мускули. Ток от 80 mA предизвиква тетанус на миокарда. Всички тези увреждания са обратими и лечими, ако на пострадалия се даде незабавна медицинска помощ – изкуствено дишане, масаж и фибрилация на сърцето. В много от случаите токът със сила между 100 и 200 mA е летален поради необратимото топлинно увреждане на сърдечния мускул. Ток със сила над 200 мА блокира сърдечния мускул и камерната фибрилация вече е невъзможна.


3. Физиотерапевтични методи (техники), в които се използват полезните ефекти на тока. Полезният и лечебен ефект на електричния ток се проявяват само при сила и честота на тока в областта между кривите (1) и (2) на фиг.4.3.1. Електричните токове с ниска и звукова честота упражняват много и полезни ефекти – електростимулация, електрофореза и електроосмоза, обезболяване. Основен проблем обаче е преминаването на такива токове през кожата на пациента, която е силен електроизолатор.

Фиг. 4. 3. 1. Честотна зависимост на прага за усещане на ток (крива 1) и на прага на неотпускащия ток (крива 2) при протичане на ток през мускул.

Токове с ниска и звукова честота се пропускат през пациента, след като до неговата кожа се допрат два контактни електрода. Проникването на тока през кожата обаче се затруднява от нейното високо електрично съпротивление, но се улеснява от нейната висока капацитивност. По-силните токове имат по-изявен лечебен ефект, но по-силно дразнят кожата. За да

проникне през кожата, електричният ток минава през потните и салните жлези, през околокосмените фоликули. По-нататък, токът минава главно през междуклетъчните пространства, тъй като съпротивлението на клетките е много голямо. С нарастване на честотата на тока, импедансът на кожата намалява, от тук прониквателната способност на тока нараства. От друга страна, съпротивлението на кожата силно намалява при нейното овлажняване, почистване със спирт и от увеличаване на нейното кръвонапълване. За да се намали дразненето, токът се разпределя върху електроди с по-голяма площ. За да се подобри контакта между електрода и чистата кожа, между тях се поставя слой от силно проводящ материал - проводяща паста, марля напоена с физиологичен разтвор и др. подобни. Галванизация. За целта през заболялата тъкан се пропуска постоянен ток с помощта на два електрода, допрени до кожата, при напрежение 60-80 v. При този метод лечебният ефект на тока се предизвиква в чист вид. Полезният ефект от галванизацията се дължи главно на електрофорезата и електроосмозата в тъканта. Удобно е галванизацията да се съчетае с йонофореза на подходящо лекарствено вещество. Техниката на интенференчните токове представлява пропущане на два синусоидални тока с ниска честота (50 – 100 Hz) и с малка сила, за да се предизвика слабо и поносимо дразнене на кожата на пациента. Пътищата на двата тока се пресичат в дълбоко разположената терапевтична зона. В тази зона токовете интенферират помежду си като резултантният ток има по-голяма сила и съответно по-голям лечебен ефект. Подобен е и методът на д иадинамотерапия та , при който през кожата на пациента се пропущат два полусинусоидални тока с ниска честота (50 Hz и 100 Hz), с неголямо напрежение и сила. При токовете с такава форма се проявява ефектът на електростимулация - съкращават се ритмично мускулите, увеличават се броя на отворените колатерални капиляри на кръвоносната система. Този метод се използва за обезболяване, за електростимулация на мускули и регенерация на рани. Трудното преминаване на токове с ниска честота през кожата и подлежащите тъкани се избягва при а мплипулсотерапия та , където се прилага синусоидален ток с висока носеща честота от 2 кHz до 5 кHz, модулиран по амплитуда с ниска честота (10-150 Hz). Дълбочината на модулация може да се мени от 0 до 100%. Високата носеща честота на този ток осигурява по-лесно проникване през кожата, докато биологичният ефект се дължи на тока с ниска честота, който въздейства главно на нервно-мускулните връзки. Стимулира ритмичното съкращение на мускулите, увеличава регионалното кръвообращение. С това се усилва транспорта на веществата в тъканите и се отстраняват продуктите на възпалителните процеси. Чрез тези два метода също може да се въвежда лекарство през кожата – диадинамофореза и амплипулсофореза. Прилагането на горните методи обаче довежда до бърза адаптация на тъканта към електростимулиращото действие на електричния ток. Причината за това е повишаването на прага на


дразнимост, съответно прага на стимулация при протичане на ток с постоянна честота, т.е, на обезболяващия ефект на тока. Това се избягва с пропущане на ток с променлива честота. Ф луктуоризацията е лечебно използване на синусоидален ток с честоти, менящи се хаотично в обхвата 20 Hz – 20 кHz, най-вече между 1-2 кHz. Такъв ток предизвиква ритмично съкращаване на мускулите, което подобрява регионалния кръво- и лимфоток и се разсейва възпалителния процес. От трета страна, ускорява се епителизацията на повърхностни рани. Прилага се при невралгии, миозит и стоматологични заболявания. Е лектростимулация та чрез импулсни токове с подходяща честота се прилага с успех за възстановяване на увредени нерви и нервно-мускулни връзки. Единият електрод се поставя в двигателната точка на увредения мускул (орган), а другия се поставя в този участък на гръбначния мозък, който го инервира (еднополюсна методика) или в прехода между мускула и неговото сухожилие (двуполюсна методика). За тази цел, най-често се прилагат токови импулси със стръмен преден фронт (триъгълни, правоъгълни), подобни на нервните импулси, защото имат по-силно стимулиращо действие, съответно по-нисък праг на стимулация. Поради това, електростимулацията на сърцето, на дишането, съкращения на матката, електрогимнастиката на телесната мускулатура се извършва с триъгълни импулси. Заболявания на нервно-мускулния апарат, нарушаване ритъма на сърцето и дишането, пареза на стомаха, при загуба на съкратителна способност на гладки и напречно-набраздени мускули (параличи, парези, атрофия, атония) се лекуват чрез пропускане на правоъгълни или триъгълни импулси. Такъв метод на лечение се прилага с успех при заболявания с неврогенен произход (хипертония, язва, астма). Неврогенни заболявания на централната нервна система (неврози, безсъние) се лекуват чрез стимулация с правоъгълни импулси (електросън и електронаркоза). Използват се импулсни токове с честота от 3.5 до 150 Hz, и продължителност на отделните импулси от 0.5 ms. Електродите се допират до главата на пациента като чашки, събрани в една маска. Импулсите действат на главния мозък и подкоровите отдели и нормализират дейността на вегетативната нервна система.

При токовете с висока и свърхвисока честота (над 500 kHz) се избягват всички методични трудности, свързани с преодоляването на кожната бариера. При тези честоти токът предизвиква само трептене на йоните с амплитуда, сравнима с топлинните колебания на йоните - отсъстват електрофоретичният ефект и електростимулацията. Въпреки това, тези токове проявяват лечебно действие, което се дължи на диелектрично отделянето на топлина и на осцилаторния ефект. При малка мощност на тока се проявява главно осцилаторния ефект, докато при по-големи мощности се проявява и топлинния ефект. В допълнение, този ток увеличава йонната проницаемост на мембраните и проницаемостта на стената на кръвоностните капиляри. На това се дължи противовъзпалителното действие на тока и понижението на кръвното налягане. Диатермията е лечебен метод, при който се генерира топлина в дълбоко разположени тъкани с помощта на ток с честота честота 1-2 MHz, напрежение 100-150 v и сила на тока 1 – 1.5 А. Топлината се отделя като диелектрична загуба в тъканите с ниска електропроводимост като кости, кожа, масна тъкан, нервна тъкан. При диатермията температурата на тъканта се повишава в зависимост от това, какво количество топлина се отделя и каква е скоростта на отвеждане на топлината чрез топлопроводност и конвекция. Ако локалната температура се повиши над 42оС, диатермията причинява необратими увреждания. Тъй като хората имат рецептори за топлина главно в кожата, те не могат да бъдат предупредени чрез болка когато получават изгаряне на вътрешните си тъкани. Най-лесно се увреждат чрез диатермия такива тъкани, които имат слабо кръвоснабдяване, като очната леща и тестисите.

Диатермията има благотворно действие при болки в мускулите и ставите. В съвременната медицина, диатермията се използва за създаване на локална хипертермия с цел умъртвяване на туморни маси. Високочестотното електрично поле се концентрира в туморната тъкан и повишава температурата над 43оС (умерена хипертермия) или 55-60оС (остра хипертермия), което има цитотоксичен ефект върху туморните клетки.

Радиочестотната електрохирургия (погрешно радиохирургия) използва електричен ток с честота 0.5 – 3 MHz за локално диелектрично нагряване на тъкан, притежаваща капацитивно съпротивление. Предизвиква безкръвна резекция на тъканите. В последните 10-15 г. този метод замества по-старата електрокоагулация.

При прилагането на СВЧ (свръхвисокочестотна терапия) ( от 30 до 300 MHz) пациентът се поставя между плочите на електричен кондензатор, без да има контакт с тях. Между плочите на кондензатора се подава електрично напрежение, което създава електрично поле, запълващо пространството между плочите, включително и тялото на пациента. Самото електрично поле поражда електричен ток в тъканите на пациента. Топлинният ефект на тока зависи от това през каква тъкан токът протича - електропроводяща тъкан (мускул, кръв) или диелектрик (кожа, кост).


В тъканите с висока електропроводимост, за единица време (1 s) в единица обем (l m3) се отделя топлинна мощност Р, която зависи от интензивността на електричното поле Е и специфичната електропроводимост на тъканта по формулата Р = 0,5. Е2. σ. Това са активни загуби или джаулова топлина и тя е толкова повече, колкото проводимостта σ е по-висока (кръв, лимфа, урина и тъканите със силно кръвоснабдяване).

В диелектричните среди с ниска електропроводимост (масна и съединителна тъкан, нервна тъкан и кости) електричният ток генерира топлина чрез т.н. диелектрично нагряване (диелектрични загуби). В случая топлината се отделя поради диелектричната поляризация и свързаното с това пренареждане, завъртане и трептене на електричните диполи (молекулите) и триенето между тях. В този случай Р = 0,5...Е2.tg(), където е диелектрична проницаемост на средата, а е ъгълът на диелектричните загуби (ъгълът между тока и напрежението). Диелектричните загуби нарастват с повишаване на честотата на тока .

При микровълновото загряване на тъкани се използват милиметрови радиовълни с още по-висока честота, в GHz област. Микровълновото лъчение с честота 2.45 GHz се използва за създаване на хипертермия в туморни тъкани. В основата на този метод стои фактът, че раковите клетки имат по-богато водно съдържание от нормалните клетки. Например, клетките на меланомата съдържат 82 % вода срещу 60 % в клетките на нормалния епидермис. Така, при микровълново облъчване (2.45 GHz) раковите клетки се загряват до 42-46oС докато нормалните кожни клетки се нагряват до 38oС.

Подобен топлинен ефект се получава и когато тялото на пациента се постави в променливото магнитно поле на голяма бобина. Ако честотата на променливото електрично поле е висока, то индуцира променливо електрично поле, чийто силови линии имат вид на затворени кръгове (ефект на Фарадей, електромагнитна индукция). Поради това в проводящите тъкани на пациента възникват кръгови токове (токове на Фуко) и се отделя джаулова топлина с мощност Р = 0,5.С.2.B2.σ, където В е магнитната индукция, а С е коефициент отчитащ геометрията на тялото. Топлинният ефект е по-голям в проводящите тъкани и при по-висока честота на магнитното поле.

Съществуват и други начини за преодоляване на високото електрично съпротивление на кожата. При дарсонвализацията се използва импулсен ток с висока честота (100 – 400 kHz), високо

напрежение (20 kV) и малка сила на тока (15-20А). Този ток лесно преминава през кожата, намалява чувствителността на кожните рецептори, което означава местно аналгезиращо действие. Разширяват се алвеолите и капилярите, подобрява се трофиката на тъканта. Липсва топлинен ефект. При у лтратонотерапия та , синусоидален ток с честота 22 kHz се подава на електрод, леко отдалечен от кожата. Предизвиква се тих искров разряд между електрода и кожата, който се съпровожда от топлина. Както при дарсонвализацията, има предимно местно болкоуспокояващо и противовъзпалително действие.

Слабият електричен удар предизвикан от статично електричество през студено и сухо време (зима) е познат на всеки. Този ток е причинен от статичен потенциал от няколко хиляди волта, но продължава кратко време и общия заряд е много малък. Макар че предизвиква мускулно съкращение, този удар е обикновено безвреден.

За осигуряване на електробезопасността при работа с електричен ток, необходимо е да се спазват следните правила: 1. Най-важната предпазна мярка против електричен ток е избягването на контакт с метални части и проводници под напрежение. Особено е опасен едновременният контакт на човешкото тяло с два метални предмета, единият от които е под напрежение, а другият е заземен или свързан с мокра земя. 2. Ако корпусът на електричния апарат е метален, той трябва да се заземи, тъй като при повреда може да се окаже под напрежение. Това става или чрез самостоятелен проводник или чрез отделно жило в захранващия кабел при контакт тип Шуко. Напоследък се използват пластмасови корпуси, които са електробезопасни понеже са изолатори. 3. Електричните схеми на уредите да са снабдени с подходящи релета и прекъсвачи, изключващи подаването на захранващо (високо) напрежение към работните електроди и пациента. 4. По възможност, да се използва ток с безопасно напрежение (под 36 V).

5. Рискът от увреждане нараства, ако кожата е мокра, защото електричното съпротивление на мократа кожа е стотици пъти по-ниско от това на сухата. Най-добра защита при работа със съоръжения намиращи се под високо напрежение е използването на ръкавици, ботуши и пътеки, направени от изолационен материал.

6. Голяма опастност за живота представляват кородиралите електрични нагреватели на вода за битови нужди, т.н. електрически бойлери. Всеки такъв нагревател трябва да е изолиран от водата с метален кожух, който задължително трябва да е заземен. След продължително използване този кожух обаче кородира и нагряваната вода може да се окаже под напрежение, ако заземяването липсва или е прекъснато.


4.4. Електроден потенциал . Електрохимични източници на енергия . Неполяризуеми, рН, йон- селективни и газови електроди

В травматологията, хирургията и стоматологията често пъти се използват метални протези, кардиостимулатори, пломби, коронки и др. метални тела. При контакт на метал с тъкани и водни разтвори възникват т.н. електродни потенциали, което представлява електрично напрежение между метала и околната среда. Такива електродни потенциали възникват и при измерване на биопотенциали с помощта на метални електроди, при измерване концентрацията на йони в даден разтвор, на рН и редокс-потенциала на дадена окислително-възстановителна система и др. Eлектродните потенциали се генерират в т.н. химични източници на постоянен ток, захранващ преносими уреди, протези и др.

Възникването на електродните потенциали се обяснява със следния механизъм. При т.н. неблагородни метали (например цинк), връзката между металните катиони в кристалната решетка е слаба. При контакт на електрод от такъв метал с воден разтвор на собствената му сол металните йони по контактната повърхност се хидратират и отделят в разтвора (Фиг. 4.4.1). Електродът придобива отрицателен заряд, съответно отрицателен електричен потенциал, който възпрепятства по-нататъшното разтваряне и спомага за връщането на част от отделените в средата катиони към електрода. Нараствайки с времето, потенциалът достига максимална и постоянна с времето стойност Еел, при която настъпва равновесие между скоростта на отделяне и скоростта на връщане на металните катиони. Еел е равновесния т електроден потенциал, който се дава с уравнението на Нернст :

Еел = Ео + (R. T / Z. F). ln (a) …………………. (1),

където а е активността (концентрацията) на катионите на метала в разтвора, а Ео е стандартния електроден потенциал, равен на равновесния потенциал при а = 1 mol. Естествено, Ео зависи от вида на метала. В тази формула R е газовата константа, T е температурата, Z е валентността на получените йони и F е числото на Фарадей.

Електрически зареденият електрод привлича от средата противоположно заредени йони, който оформят близкоразположен слой, наречен слой от противойони. Йоните, разположени по повърхността на електрода заедно с близко разположения слой от противойони оформят структура, наречена двоен електричен слой. Той е подобен на електричен кондензатор – съдържа определен заряд и има собствен капацитет.

Фиг. 4. 4. 1. В ляво – създаване на равновесен електроден потенциал. В дясно – устройство на неполяризуем хлор-сребърен електрод.

При благородните метали (платина, сребро, мед), връзката между катионите и кристалната им решетка е много по-силна. Ако електрод от такъв метал се потопи в разтвор на собствената му сол, вместо отделяне на катиони в средата настъпва адсорбция на допълнителни йони от този вид

върху електрода. Такъв електрод също придобива равновесен потенциал Еел, даващ се с горната формула, но сега неговата стойност е положителна.

Системата от разтвор на метална сол с потопен в него електрод от същия метал се нарича галваничен


полуелемент. Във всеки полуелемент съществува електрично напрежение между електрода и средата около него (електроден потенциал), който обаче не може да се измери пряко. Когато два полуелемента са свързани помежду си с галванична връзка, т.е., проводяща среда по която може да тече ток, се получава галваничен елемент (електрична батерия, акумулатор, химичен източник на ток). За практически нужди може да се измери и използва само потенциалната разлика (електричното напрежение) между двата електрода на галваничния елемент, Eел1 и Eел2. Тази потенциална разлика U12 = Eел2 – Eел1 се нарича електро-движещо напрежение (ЕДН) и съгласно уравнението на Нернст (1) се дава с формулата U12 = E02 – E01 + (R.T/Z.F).ln(a2/a1). От такъв галваничен елемент може да се извлече определено количество електрична енергия под формата на електричен ток. Енергийният капацитет на такъв елемент се дава с общото количество електрични заряди Q, които могат да се получат от него. Тъй като Q = I. t, той се измерва обикновено в ампер-часове (A.h).

Ако разтворите около двата електрода имат еднакви концентрации (а1 = а2), но двата електрода имат различни стандартни електродни потенциали (т.е., те са от различен метал), тогава U12 = E02 – E01 и се означава като галванично ЕДН. Такъв потенциал ще възникне, ако две метални протези от различна сплав контактуват с една и съща телесна течност и тъкан. Ако електродите са от еднакъв метал (E01 = E02), но са потопени в разтвори с различни концентрации, тогава съгласно уравнението на Нернст (1), U12 = (R.T/Z.F).ln(a2/a1) и се нарича концентрационно ЕДН. Подобно ЕДН ще възникне, ако две протези от еднаква сплав са потопени в различни телесни течности. И двата случая са нежелани, защото напрежението на създадения галваничен елемент може да предизвика дразнене на нерв, мускул или жлеза и да предизвика непрекъсната секреция или пареза.

Фиг. 4. 4. 2 . Устройство на йон-селективен електрод (в ляво) и на рН-чувствителен стъкленелектрод (в дясно).

Различни параметри на електролитните разтвори (електропроводност, концентрация на определен вид йони, рН) се измерват,

като в тях се потопяват два електрода (един измервателен и един сравнителен) и се измерва електричното напрежение между тях. При това измерване между електродите протича ток, който променя електродните потенциали и отделя електролизни продукти върху самите електроди. Като следствие, променя се химичния състав на електродните повърхности, променя се двойния електричен слой и се намалява Еел. Това е т.н. поляризация на електродите, която e нежелателна и се намалява по няколко начина:

А) използва се ток с малка сила и то за кратко време;Б) използват се електроди от химически инертни метали, най.често от платина;В) увеличава се площта на електрода (електролитно развитие на площта на електрода чрез платиниране);Г) по възможност, използва се променлив ток с висока честота; Д) Най-често прилаганият начин за намаление на поляризацията е да се използват електроди с понижена поляризуемост (т.н. неполяризуеми електроди) (Фиг. 4.4.1). Например, сребърният неполяризуем електрод се състои от стъклен съд, който съдържа наситен разтвор на KCl и потопена в него сребърна тел. Сребърната тел (чувствителен електрод) е покрита със слой от неразтворима сол на същия метал (AgCl). На дъното на съда има филтърно прозорче през което се осъществява галваничния контакт на електрода с изследваната течна среда. Ако чувствителният електрод е катод (-), към него се движат Ag+ йони, той се окислява и върху него се отлагат атоми Ag. Ако електродът е анод (+), към него се движат Cl-, той се въстановява и върху него се отделя AgCl. И в двата случая, електролизата не променя химичния състав на електродната повърхност -


няма поляризация. Освен сребърен, чувствителният електрод може да бъде от живак, като се покрие със слой от каломел (Hg2Cl2). Така се получава каломелов неполяризуем електрод.

1. Определяне активността на даден йон в средата. Активността на важни биокатиони в дадена среда може да се определи с помощта на йон-селективни електроди. Когато активността на йона е ниска, тя практически съвпада с неговата концентрация. Най-важното качество на електродите от такъв вид е тяхната избирателна чувствителност. Това ще рече, че те дават показания, зависещи от концентрацията на даден вид йон, без да се влияят от присъствието на други йони в разтвора. В медицинската практика тези електроди се използват за измерване концентрацията на К+, Na+, Ca2+ и др. йони. Йон-селективният електрод (Фиг.4.4.2) съдържа корпус, йон-селективна мембрана и вътрешна спомагателна система. Йон-селективната мембрана представлява полимер (поливинилхлорид) съдържащ молекулите на вещество (йонофор), което специфично улавя и пренася определяните йони. При калиевия електрод, мембраната съдържа валиномицин, специфичен преносител (йонофор) на K+. При калциевия електрод мембраната съдържа йонофора А23187, който е специфичен преносител за Ca2+. Така, специфичността на йон-селективния електрод се основава на избирателната пропускливост на мембраната за дадения йон. Спомагателната система представлява 0.1 М разтвор на хлорна сол на определяния катион и неполяризуем електрод, потопен в този разтвор.

Фиг. 4. 4. 3. Устройство на кислороден електрод (в дясно) и на електрод за СО2 (в ляво).

Когато йон-селективният електрод се потопи в среда, съдържаща неизвестната концентрация С на определяния йон, между спомагателната система на

електрода и външната среда възниква електрично напрежение - електроден потенциал Еел. Той също се дава с формулата на Нернст (1). Измерването на концентрацията на йона става, като в средата се потопят два електрода, измервателен (йон-селективен) и сравнителен (неполяризуем сребърен или каломелов електрод). Потенциалът на сравнителния електрод спрямо разтвора е постоянен и не зависи от промените в концентрацията на определяния йон. Потенциалът на йон-селективния електрод зависи от концентрацията на йона, съгласно формулата на Нернст. За да се определи търсената концентрация, с подходящ миливолтметър се измерва електричното напрежение между двата електрода, което е функция на търсената концентрация.

2. Измерване на показателя на киселинност рН на разтвор. Молната концентрация на водородните катиони [H+] в дадена среда е важна величина. Най-често тя се определя косвено като се измери т.н. показател на киселинност на средата, pH = - lg [H+]. Например, ако [H+] в средата е 1 мМ, т.е., 10-3 М, то рН ще бъде –lg10-3 = - (-3) = 3. От многото методи за измерване на рН, най-точен и надежден е потенциометричният метод при който се използва електричния уред рН-метър. Този уред съдържа два електрода, потопени в средата, единият от които е измервателен, а другият е спомагателен (сравнителен). Като сравнителен електрод най-често се използва живачен каломелов неполяризуем електрод. Сравнителният електрод има постоянен потенциал спрямо средата, независисещ от промените в концентрацията на водородните катиони. Измервателният електрод има електроден потенциал, зависещ само от концентрация на водородните катиони [H+]. С други думи, той е йон-селективен електрод, конструиран така, че да измерва тази концентрация. Потенциалната разлика между двата електрода, измерена с чувствителен високоомен миливолтмер зависи от търсената концентрация на водородните катиони. По-принцип, най-точният измервателен електрод за [H+] е т.н. водороден електрод. Той представлява платинена нишка, потопена в разтвора, която непрекъснато се обдухва с газообразен водород. Съгласно уравнението на Нернст (1), електродният потенциал на този електрод зависи логаритмично от концентрацията на водородните катиони [H+], т.е., от рН на разтвора. Тъй като водородният електрод много


трудно може да се поддържа и калибрира, в масовата практика се използва друг тип измервателен електрод с подобни свойства. Това е т.н. стъклен рН-електрод , чийто строеж е представен на Фиг. 4.4.2.

Стъкленият рН-електрод съдържа корпус (съд от дебело стъкло), селективна мембрана и вътрешна спомагателна система. Мембраната представлява тънка пластинка от стъкло съдържащо литий (електродно стъкло), запоена за долната част на корпуса. Благодарение на литиевите примеси, мембраната е селективно проницаема за водородните катиони Н+, като в същото време тя не позволява на останалите йони да преминат през нея. Вътре в съда се съдържа 0.1 n разтвор на НCl в който е потопен неполяризуем сребърен електрод (спомагателна система). Спрямо средата този електрод има електроден потенциал Еел, който зависи от активността на водородните йони аН+ съгласно формулата на Нернст Еел = Еел о + (RT/F). ln (аН+). Тук Еело e стандартния потенциал на електрода, получаващ се при активност на водородните катиони аН+ = 1 mol. От горната формула се вижда, че поради множителя RT/F електродният потенциал на стъкления рН-електрод зависи и от температурата. Счита се, че с достатъчна точност активността аН+ е равна на концентрацията на водородните катиони [H+]. Като се използва десетичен вместо натурален логаритъм, формулата за електродния потенциал на стъкления рН-електрод за температура от 20оС добива вида

Еел = Еел o + 0.058 lg [H+] = Еел o - 0.058. pH

Еел е всъщност електричното напрежение между стъкления и сравнителния електрод, което се измерва с миливолтметър, градуиран направо в единици рН. Например, при нарастване на рН на разтвора с единица, потенциалът на стъкления електрод ще намалее с 58 mv. По този начин, рН на разтворите може да се измери в обхвата от рН 1 до рН 14.

При много съвременни рН-метри се използва т.н. комбиниран електрод, който представлява стъклен и сравнителен електрод, монтирани в общ корпус. С това се намалява обема на пробата, чийто рН се измерва.

В електронните рН-метри, зависимостта на електродния потенциал от температурата на разтвора се компенсира автоматично. При някои уреди, компенсацията се извършва ръчно, като тази температура се задава чрез променлив потенциометър. Стъкленият електрод има широко приложение при измерване на рН, поради точността и удобството на работа с него. Освен това, неговите показания не зависят от присъствието на допълнителни вещества – окислители, редуктори, колоиди, електролити и др. в средата. Единственият му недостатък е, че той има много високо електрическо съпротивление, от порядъка на 1000 М, поради това, че стъклената мембрана представлява електричен изолатор. Това налага измерването на електродния потенциал да става чрез специални усилватели с високоомен вход.

3. Определяне концентрацията на газове в течна среда и кръв с газов електрод. Подобни на йон-селективните електроди са и газовите електроди. Те също се състоят от съд, селективно пропускаща мембрана и вътрешна спомагателна система. Съдът съдържащ подходящ разтвор, в който са потопени два електрода - измервателен и сравнителен (неполяризуем). На дъното на съда е закрепена мембрана, контактуваща с кръвната проба. Мембраната е направена от специален материал, избирателно пропускащ определен газ. Например мембрана от полиетилен пропуска О2, докато мембрана от тефлон пропуща CO2. При кислородния електрод, известен още като електрод на Кларк (Фиг. 4.4.3), О2 минава от пробата през полиетиленовата мембрана и окислява измервателния електрод, който е от платина. Между двата вътрешни електрода се поражда постоянен електричен ток, който се измерва с чувствителен микроамперметър. Големината на тока е пропорционална на концентрацията на О2 в пробата. При електрода за СО2 (Фиг.4.4.3), газът преминава през тефлоновата мембрана и образува въгленова киселина във вътрешния разтвор. Тя от своя страна дисоциира на йони и закислява вътрешния разтвор. Двата вътрешни електрода измерват pH на този разтвор, чиято стойност зависи от концентрацията на образуваната въгленова киселина, съответно на CO2 в кръвната проба. Подобни газови електроди се използват за определяне на газовия състав на кръвта като малък обем кръвна проба се привежда в контакт с мембраната на електрода.

Хипербар н а та оксигенация се прилага при хора с недостатъчно съдържание на кислород в кръвта (при исхемична болест, радикулит, кръвоизлив в мозъка). Болният се поставя в барокамера с повишено налягане на кислород, при което кръвта му се насища с повече кислород. В тези случаи, съдържанието на кислород в кръвта се контролира с описания по-горе електрод на Кларк. Микроелектродите се използват за измерване на биопотенциала на клетки с по-големи размери (животински, растителни клетки, но не еритроцити и бактерии). Микроелектродите имат устройство, подобно на неполяризуемия сребърен електрод (Фиг. 4.4.1) и съдържат външен стъклен съд и вътрешен


неполяризуем електрод Ag/AgCl. Предният край на стъкления съд се изтънява докато се превърне в силно заострена стъклена капилярка (диаметър няколко μm), с която под микроскоп и с помощта на микроманипулатор се пробива мембраната на клетката. При това електричния потенциал в цитоплазмата се изравнява с потенциала на сребърния електрод. Този потенциал се измерва по отношение на неполяризуем електрод, поставен във външната среда, където са суспендирани клетките.

Важно значение за биохимията има измерването на т.н. редокс (окислително-възстановителен) потенциал. Ако в даден разтвор се намират разтворени две вещества (окислител и окисляемо вещество – редокс система), от окисляемото вещество непрекъснато ще се прехвърлят електрони към окислителя. От този род са голям брой биохимични процеси, например пренасянето на електрони в окислителната верига на митохондриите. Ако в този разтвор потопим подходящ метален електрод, неговата контактна повърхност също ще участва в реакцията и ще придобие електроден потенциал, съответстващ на способността на окислително-възстановителната двойка да отделя електрони. Потенциалът на този електрод (редокс-потенциалът) се измерва по отношение на допълнителен неполяризуем електрод.

4.5. Физични основи на пасивната и активна електродиагностика. Е лектрография и евокирани потенциали.

Цитоплазмата на клетките има електричен потенциал, който се отличава силно от този на извънклетъчната среда. Това означава, че от двете страни на клетъчната мембрана съществува електрично напрежение, равно на разликата между тези два потенциала. По исторически причини, електричното напрежение от двете страни на клетъчната мембрана се означава като биопотенциал на клетка . Главната причина за генерирането на това електрично напрежение е по-високата концентрация на калиевите йони (K+) вътре в клетките по отношение на тази концентрация извън клетките. При невъзбудимите клетки, както и при възбудимите клетки в покой, биопотенциалът е постоянно равен на около 60-70 mv със знак (-) в цитоплазмата.

Фиг. 4. 5. 1. Създаване на биопотенциал на възбудима тъкан. Лявата част на тъканта е деполяризирана и отрицателно заредена, дясната част е в покой.

Електровъзбудимите клетки (нервни, мускулни и рецепторни) могат за кратко време да променят своя биопотенциал. В момент на дразнене

възбудимите клетки сменят знака и променят големината на своя биопотенциал, който става около +30 mv със знак (+) в цитоплазмата. Това се означава като електрична деполяризация на клетката. Деполяризацията на клетката е много важен момент, защото тя отразява промяната на биологичната дейност на клетката. В тъкани и органи, състоящи се от голям брой възбудими клетки (сърдечен мускул, мозък), деполяризацията може да настъпи в група възбудими клетки, намиращи се в обособена част на органа (Фиг. 4.5.1). Така, в определен момент органът се разделя на две части, едната електрически възбудена и друга част, намираща се в покой. Между двете части на органа, възбудената и невъзбудената, възниква електрично напрежение, което поражда електричен ток. Мембраните на клетките обаче са електрични изолатори, ето защо само електричните товари, разположени в извънклетъчната среда участват в протичането на този ток. Погледнато отвън, възбудената част на органа е заредена отрицателно с електричен товар -Q, а невъзбудената – с положителен товар +Q. Напрежението, което възниква между възбудената и невъзбудената част на органа има значителна стойност от около 100 mv и се нарича биопотенциал на тъкан (орган). Това пространствено разделяне на електричните заряди вътре в обема на органа може да се представи като електричен дипол (двуполюсник), това е вектор с големина Р = Q.d и посока от (-) към (+), т.е., от възбудената към невъзбудената част на органа (Фиг. 4.5.1). В тази формула d е разстоянието между възбудената и невъзбудената част на органа.


Електричният дипол на органа представлява източник на електрично напрежение (нещо като батерия или акумулатор). Двата пространствено разделени заряда на дипола създават силно електрично поле наблизо и далеч от себе си. Особено силен е електричният дипол на сърцето, понеже съдържа голямо количество възбудими мускулни клетки. Понеже тъканите около сърцето представляват електропроводяща среда, това напрежение се провежда (пренася) от сърцето до повърхността на тялото, където може да се измери с два електрода, намиращи се в контакт с кожата. Напрежението между тези електроди обаче е слабо (от 1 mv до десети от mv), ето защо преди да се регистрира то се подава на подходящ електронен усилвател за да се усили по големина и мощност.

Фиг. 4. 5. 2. Промяна на биопотенциала на възбудима тъкан. Биопотенциалът на тъканта е равен на разликата между електричните потенциали на двата електрода, Е1 и Е2. В ляво, отгоре надолу, са показани различните фази на вълната на възбуждението. В дясно е показан измереният биопотенциал в зависимост от достигнатата фаза на възбуждение.

Съобразно функционалната активност на органа, локалната деполяризация се премества от една част на органа към друга. В съответствие с това биопотенциалът на органа се мени по големина и посока в течение на времето. Това означава, че с времето ще се мени и електричния дипол Р на органа, както и електричното напрежение между двата външни електрода. На Фиг. 4.5.2 е даден пример за това, как възбудената част на една тъкан (орган) се премества и съобразно с

това се мени електричното напрежение между двата външни електрода Е1 и Е2. Електродът Е1 е сравнителен или опорен, а електродът Е2 е измервателен. Когато фронтът на възбуждение се приближава към измервателния електрод Е2, върху него се регистрира положителен импулс, а при отдалечаване - отрицателен. Електродите Е1 и Е2 се обозначават като електрически отвеждания.

По този начин, електричната активност на органа носи клинична информация за неговото състоянието и функциониране. За целите на диагностиката, биопотенциалите на отделни възбудими органи (сърце, мускул, стомах, главен мозък, око и др.) се регистрират като функция на времето. От формата на получената крива линия се извлича информация за състоянието на тези органи. Този метод за електродиагностика на някои органи е известен като пасивна електрография. Пасивната електрография на сърцето (електрокардиографията – ЕКГ, ECG) се основава на подобен начин на измерване. Периодичното свиване на сърцето се предизвиква от равномерни електрични импулси, които се генерират в неговия сино-атриален възел (точка О на Фиг. 4.5.3). За определено време (40 ms) генерираният импулс достига до атриовентрикуларния възел (точка 1 на Фиг. 4.5.3) и продължава да се разпространява по проводящата тъкан на сърцето. На Фиг. 4.5.3 е показано времето в ms, необходимо за придвижването на импулса от сино-атриалния възел до различните точки на сърцето и тяхното


деполяризиране. За един цикъл на сърдечната дейност, електричният дипол на сърцето се мени по посока и големина, като неговият връх описва сложна пространствена крива - векторкардиограма (Фиг. 4.5.3). Векторкардиограмата съдържа два кръга – вътрешен и външен, вътрешният от които се дължи на деполяризация и свиване на предсърдията, а външния – на деполяризация и свиване на камерите. Проекцията на този вектор върху пространствената ос, съединяваща двата външни измервателни електрода, представлява електрично напрежение, което може да се измери, усили и запише като функция на времето - линейна електрокардиограма. На Фиг. 4.5.4 е показана една линейна електрокардиограма, получена при измерване на електричното напрежение между два електрода (отвеждания), единият поставен върху лявата, другият върху дясната ръка на пациента (1-во нормално отвеждане). На същата фигура са показани времевите интервали и сегменти върху тази електрокардиограма, които имат клинично значение. Напреженията, измерени върху три пространствени оси (лява ръка-дясна ръка, дясна ръка-ляв крак и ляв крак-лява ръка) образуват т.н. триъгълник на Айнтхофен. Регистрирането на линейните електрокардиограми върху тези три оси позволява да се получи векторната кардиограма.

Фиг. 4. 5. 3. Преместване на възбуждението в отделните части на сърцето, номерирани от т. 0 до т. 4 (в ляво). В дясно е показана векторкардиограмата на сърцето, т.е, съответната промяна на електричния

дипол на сърцето. В кръгчетата е показано времето (в ms) за достигане на възбуждението.

От показаните фигури се вижда, че върхът Р отговаря на електричното възбуждане (деполяризация) и свиване на предсърдието; QRS – комплексът отговаря на деполяризацията и свиването на камерите (миокарда). Установено е, че Т-върхът описва възстановяването на потенциала на покой (реполяризацията) на сърцето. В някои случаи след върха Т се регистрира и допълнителен връх, обозначаван с буквата U.

Важна величина при пасивната електродиагностика на сърцето е т.н. електричен вектор на сърцето . Условно, под тази величина се разбира векторът на електричния дипол на сърцето в момента на най-силна деполяризация на сърдечния мускул. На фиг. 4.5.3 това е векторът ОR (отсечката, съединяваща точките О и R). Посоката, определена от този вектор се нарича електрична ос на сърцето и се дефинира чрез ъгъла, който векторът сключва с една мислена хоризонтална права, минаваща през сърцето (Фиг. 4.5.5). В норма той е насочен от дясното рамо към левия крак (ъгъл от около +30о), но при при някои пациенти може да бъде силно променен в зависимост от това, дали сърцето е изместено, завъртяно или някоя от стените му има променена дебелина.

По подобен начин се регистрират и биопотенциалите на мускулната тъкан, мозъка, стомаха и ретината на окото.

Дейността на мозъчните клетки също се съпровожда с промяна на електричния потенциал по тяхната повърхност (вълни на електрична активност) и генериране на електрични токове. Тези биопотенциали на мозъка се регистрират чрез електроди, поставени плътно върху главата на пациента и свързани с електроенцефалограф (ЕЕГ, EEG). Той измерва и усилва потенциалите и ги представя като функция на времето върху екран. Регистрираните потенциали имат различна амплитуда (между 1 и 10 μv) и честота, и съобразно с това се обозначават като алфа-вълни (8-12 Hz) и бета-вълни (13-30 Hz) (фиг. 4. 5. 6.). Понякога се регистрират и високочестотни вълни до 100 Hz, означавани като гама-вълни. В последствие са открити и крайно нискочестотни вълни, означавани като тета (4-7 Hz) и делта-вълни (0.5-3 Hz).


Делта вълните се регистрират при дълбок сън без сънища и при дълбока хипноза. Тета-вълните са характерни за състоянието на недълбок сън със сънуване и при хипноза. Алфа-вълните се генерират в състояние на сензорен покой (затворени очи), почивка, при релаксация на умствената дейност и при усещане за благополучие и уют. Тяхното отсъствие е признак на стрес и тревога. Бета-вълните възникват при стимулиране на сетивните органи и на умствената дейност. Те винаги се съпровождат от отделяне на стрес-хормони. Отсъствието на бета-вълни е признак за депресия, слабо внимание и лошо запаметяване.

Колкото честотата на импулсите е по-ниска, толкова тяхната амплитуда е по-голяма и по-широка е зоната, която те обхващат. Мозъчните дялове с повишена амплитуда на съответния вид вълни се представят на екрана на монитора с цвят, различен от цвета на дяловете, където тези вълни отсъстват. Картината на ЕЕГ-записа има характерна форма при някои състояния и заболявания, като страх и тревога, лош сън, епилепсия, инсулт, мозъчен тумор. ЕЕГ също дава дефиниция на мозъчна смърт при пациенти, които могат да служат като дарители на органи.

Фиг. 4. 5. 4. В ляво: линейна електрокардиограма при отвеждане лява ръка – дясна ръка. За един цикъл от сърдечната дейност, електрокардиограмата съдържа пет върха (зъбци) отбелязани с

латинските букви P, Q, R, S и T. Точките 0, 1, 2 , 3 и 4 отговарят на моментите на възбуждение, посочени на фиг. 4. 5. 3. В дясно: Нормални стойности на времевите интервали и сегменти върху

линейната електрокардиограма, получавана при 1-во нормално отвеждане.

Освен биопотенциалите, генерирани в мускулните и нервните клетки, в тъканите могат да се измерят и други, правотокови или бавно изменящи се напрежения, понякога наричани правотокови биосигнали. Такива напрежения възникват в следните случаи: в тъканите където клетките са повредени и от тях изтичат калиеви йони (до 50 mv), когато една част на мозъка се сравнява с друга негова част (до 1 mv), когато две различни части на кожата се сравняват помежду си (до 10 mv), между различни части на жлезите с вътрешна секреция, например между различни фоликули на щитовидната жлеза (до 60 mv), между различни части на вътрешното ухо (около 80 mv).

Фиг. 4. 5. 5. Електричен вектор (електрична ос) на сърцето и неговото определяне чрез ъгъла, който той сключва с хоризонталната ос.

Електрографията на органи, чиято дейност не може да се контролира от съзнанието (сърце, бял дроб, мозък) се използва в криминологията за установяване на връзка между изследвания човек и

определени обстоятелства (детектор на лъжата). В момента, когато на изпитвания човек му се задава въпрос или му се показва картина, разкриващи тези обстоятелства, електричната дейност на мозъка, сърцето и


дишането се променят несъзнателно. Така, по промените в ЕКГ и ЕЕГ може да се установи участие или отсъствие на връзка с определено престъпление.

В клетките с големи размери (нерви, мускули) деполяризацията може да бъде локална. В даден момент определен учасък от нервната клетка се деполяризира, с което се генерира електричен импулс (нервен импулс). Впоследствие този нервен импулс се разпространява по ствола на клетката с определена скорост и достига до инервиран орган с което се управлява функцията на този орган. Връзката между даден нерв и неговия инервиран орган може да се изследва с т.н. електростимулация (а ктивна електродиагностика). Тя се прилага по отношение на такъв орган (например скелетен мускул), чиято функция се управлява чрез нервни импулси генерирани в далечен нервен център, разположен в главния или гръбначния мозък. Управляващият нервен център се дразни с подходящ външен физичен стимул и се регистрира електричния отговор (евокирания потенциал) на инервирания орган.

Фиг. 4. 5. 6. Вид на различните видове вълни, описващи електричната дейност на мозъка.

В медицинската практика се използват два вида стимулация - чрез електрични и магнитни импулси. При електрична та стимулация (Фиг. 4.5.7) се използват електрични стимулиращи сигнали с висока амплитуда (до 2000 v), но малка продължителност (10 ms) които се подават предимно чрез повърхностни контактни електроди. Стимулирането по този начин на определени центрове в главния или гръбначния мозък води до поява на нервен импулс, който достига по нерв до съответния мускул на крайниците и предизвиква неговата деполяризация (евокиран потенциал) и съкращение.

Евокираният потенциал на съкратения мускул (т.н. моторен потенциал или М-отговор) се регистрира локално с други електроди (например иглени електроди). По аналогичен начин може да се дразни даден нерв в един негов участък и да се регистрира евокирания отговор в друг участък на известно разстояние L по дължината на нерва. Измервайки времето на закъснение t на евокирания отговор се определя скоростта на разпространение на нервния импулс v = L / t което е важна информация при редица заболявания.

Фиг. 4. 5. 7. Положение на електродите при електрична стимулация на моторни потенциали в крайниците.

Евокираните потенциали на мускулите на крайниците могат да се получат и чрез дразнене на съответните центрове в гръбначния мозък чрез импулсно магнитно поле. Това е т.н. транскрениална магнитна стимулация, при която стимулиращият магнитен импулс има продължителност около 50-100 s и се получава

чрез електромагнит в който тече ток с напрежение около 200 v. След магнитната стимулация, в пирамидалната кора се генерира нервен импулс, който достига до дисталните отдели на ръката и крака за около 20 ms. Това е централното моторно проводно време. Параметрите на евокирания потенциал (М-отговора) в норма са: амплитуда около 1-5 mv и забавяне (латенция) от около 30 ms.

Окото има електричен потенциал със знак (+) отпред и знак (–) от вътрешната си страна, който се означава като биопотенциал на ретината. Когато зрителният рецептор се дразни с импулсна светлина, този потенциал се променя и може да се измери и запише, получава се з рител е н евокиран потенциал . Формата на регистрирания евокиран потенциал има важна диагностична стойност при заболяванията на окото.


4.6. Елементи на биоелектронните устройства: електронни усилватели на биопотенциали, диференциални предусилватели, преобразователи . Генератори на дискретни електрични

сигнали. Кардиостимулатори и дефибрилатори. Системи за запис и визуализация.

Биопотенциалите са електрични напрежения, които се получават между два метални електрода, контактуващи с даден биообект, най-често клетки, нервна и мускулна тъкан. Те отразяват електричната дейност (активност) на биообекта, а тя от своя страна дава информация за функционалното му състояние. При заболяване, биопотенциалите на сърцето, мозъка и др. органи се променят по характерен начин. Тяхното измерване дава ценна клинична информация.

За да се измери биопотенциалът на даден орган, до тялото на пациента се допират два електрода - един отвеждащ (измервателен, активен) и втори сравнителен (пасивен, опорен, заземяващ). Най-често, тези електроди са плоски (повърхностни) и контактуват с кожата посредством слой от проводяща паста. По този начин се намалява контактното съпротивление между кожата и електродите и се намалява амплитудата на електричните шумове. При измерване на моторните потенциали се използват иглени електроди, които се вкарват в мускула. Електродите се изработват най-често от неръждаема стомана, сребро и др.

Фиг. 4.6.1. Блокова схема на електронен усилвател.

Измерването на биопотенциалите обаче представлява сериозен технически проблем пред вид на следните обстоятелства:

1. Биопотенциалите са електрични сигнали с много малка големина (от 10 V до няколко mV, в някои случаи десетки mv). По големина, те са сравними с електротехническите шумове, които представляват ненужни импулси, прехвърлени от захранващата мрежа. Това налага предварителното отделяне на сигналите от шума и тяхното усилване с електронни усилватели, за да се подобри отношението сигнал/шум.

2. Биопотенциалите са бавно изменящи се (нискочестотни) сигнали, каквито са и самите електротехнически шумове, и

3. Вътрешното съпротивление Ri на биообекта е много голямо, поради което само малка част от биопотенциалът на биообекта може да се отведе и измери (виж фиг. 4.6.3).

Тези трудности се преодоляват чрез използване на подходящи електронни усилватели на бионапрежения. Електронният усилвател е устройство, което приема на своя вход електрични сигнали и ги предава на изхода си в същата форма (без изкривяване), но усилени по мощност и амплитуда (Фиг. 4.6.1). Входното и изходното напрежение на усилвателя са обикновено от аналогов, непрекъснат вид, т.е., те не са кодирани в цифров вид. Ако означим с Uвх напрежението на входния сигнал и с Uизх напрежението на усиления сигнал на изхода на усилвателя, то коефициентът на усилването по напрежение се дефинира така: Ко = Uизх /Uвх. По аналогичен начин се дефинира и усилването по ток и мощност. Усилвателят съдържа активни елементи (електронни лампи, полупроводникови транзистори и интегрални схеми), които са способни да усилят електричните сигнали за сметка на енергията на прав ток. Тази енергия се взема от акумулатори, батерии но

най-често от т.н. изправители на променлив ток.

Фиг. 4. 6. 2. Прилагане на обратна връзка в електронните усилватели.

Усилватели, които запазват постоянен коефициента си на усилване Ко в широк честотен обхват се наричат широкоивични усилватели. В зависимост от честотната област, където те усилват, широкоивичните усилватели биват звукови усилватели (20 Hz – 30 kHz) и видео усилватели (20 Hz –5 MHz).


Усилватели, които могат да усилват само сигнали с определена честота като подтискат сигналите или шумовете с други честоти се означават като резонансни усилватели. В медицинските електронни уреди много често се използват т.н. правотокови усилватели, които могат да усилват само сигнали с много ниска честота, включително и правотокови сигнали.

Съвременните електронни усилватели най-често се правят като миниатюрни интегрални схеми, които включват десетки транзистори, но имат размери от няколко милиметра. Качествата и функциите на електронния усилвател могат да се подобрят, ако в него се приложи обратна връзка (Фиг. 4.6.2). При това част от усиленото изходно напрежение се връща обратно на входа и се събира (положителна обратна връзка - ПОВ) или изважда (отрицателна обратна връзка - ООВ) от входното напрежение. Нека е тази част от изходното напрежение, което се връща обратно на входа на усилвателя. При отрицателната обратна връзка, усилването се понижава, но за сметка на това се разширява честотната област и се понижава изкривяването. Когато = -1 (пълна отрицателна обратна връзка), тогава Ков = Ко/(Ко+1) и усилвателят работи като повторител на напрежение - няма усилване по напрежение. Входното съпротивление на този усилвател обаче нараства Ко пъти: Rвх= Rвхо (1 + Ко), което е много полезно. В тези формули Ко е коефициентът на усилване по напрежение при отсъствие на обратна връзка. Чрез прилагане на отрицателна обратна връзка се създават усилватели с много високо входно съпротивление. Такива са усилвателите, с които се измерват биопотенциали и рН на разтвори със стъклен електрод.

Фиг. 4. 6. 3. Принципна електрична схема за усилване на биопотенциал.

Положителната обратна връзка се прилага много рядко, защото при нея коефициентът на усилване нараства, но усилвателят работи неустойчиво. Когато = +1

(пълна положителна обратна връзка ), тогава Ков и усилвателят се превръща в генератор на напрежение. Всички генератори на електрични сигнали представляват електронни усилватели, в които е осъществена пълна положителна обратна връзка и които съдържат в схемата си трептящ резонансен кръг (успоредно свързани кондензатор C и бобина L). Резонансният кръг усилва напрежението с определена честота (резонансна честота) и подтиска всички останали. На изхода на този генератор се получава променливо напрежение с честота, равна на резонансната честота на трептящия кръг.

На Фиг. 4.6.3 е показана принципната схема за усилване на биопотенциал с големина ε, генериран от биообект с вътрешно съпротивление Ri. Rвх е входното съпротивление на усилвателя. От закона на Ом, приложен за входната верига следва, че Uвх = J . Rвх = ε.Rвх / (Ri +Rвх) = ε /(1+ Ri / Rвх). Когато Ri / Rвх тогава Uвх 0, което е крайно нежелателно, защото биопотенциалът няма да се усили. Желателно е Ri / Rвх 0,

тогава Uвх ε и биопотенциалът ще се усили. В този случай се казва, че усилвателят се съгласува добре с биобекта. Усилвателите с високо Rвх (десетки G - Гига ома) съдържат дълбока отрицателна обратна връзка и се конструират трудно. В електрофизиологията се счита за оптимално, когато Rвх е 10 – 20 пъти по-голямо от Ri.

За да има усилвателят много високо Rвх, първото му стъпало се прави като повторител на напрежение. За да се подобри отношението сигнал/шум, като второ стъпало се използва т.н. диференциален усилвател на напрежение. Това стъпало е най-важната част на усилвателя, защото то усилва полезния сигнал (биопотенциала) и подтиска шумовите сигнали.

Диференциалният усилвател (Фиг. 4.6.4), има два симетрични входа, инвертиращ (Вх1) и неинвертиращ (Вх2). Сигнал, подаден на неинвертиращия вход не променя фазата си при излизане от усилвателя, докато сигнал, преминал през инвертиращия вход, променя фазата си на 180о когато излезе на изхода. Ако на тези входове се подадат два противофазни сигнала, инвертиращият вход ще преобърне фазата на сигнала и на изхода ще се появят два усилени, синфазни сигнала - режим на усилване (Фиг. 4.6.4). Така става усилването на биопотенциалите на сърцето, мозъка и др. Ако на входовете се подадат два синфазни сигнала (такива са електротехническите шумове), на изхода те се отслабват взаимно (Фиг. 4.6.4). Така, диференциалният усилвател усилва полезния сигнал и отслабва шума. В миналото, за да се подтисне шума, пациентът е бил поставян в заземен фарадеев кафез, което сега е излишно.

Биоусилвателите съдържат в началото си повторител на напрежение и диференциален усилвател. На


изхода си биоусилвателите съдържат краен усилвател по мощност, който усилва по мощност изчистения от шум полезен сигнал. Това дава възможност усилените биосигнали да се регистрират. В по-старите уреди биопотенциалите се регистрират с писец върху хартиена лента. Най-често се използва термичен запис, при който лентата е покрита с восъчен слой, а писецът се загрява над температурата на стопяване на восъка (около 70оС). При допиране на писеца до хартията, восъкът се стопява и се отбелязва точка.

Фиг. 4. 6. 4. Електрическа схема на диференциален усилвател, изграден с транзистори (вляво). Избирателно усилване на противофазни сигнали (вдясно).

Биопотенциалите като функция на времето могат да се покажат на екрана на електроно-лъчева тръба, което осигурява максимално бързодействие и липса на изкривяване (фиг. 4. 6. 5).

Фиг. 4. 6. 5. Устройство на кинескоп (електроно-лъчева тръба).

Електроно-лъчевата тръба представлява вакуумиран стъклен съд с екран, покрит с луминофор от цинков сулфид. В съда е поместена електронна пушка (източник на фокусиран лъч от ускорени електрони). Лъчът попада върху екрана и предизвиква светене на луминофора. Х-пластините и У-

пластините са два електрични кондензатора, които отклоняват лъча в хоризонтално и вертикално направление, съответно. На Х-пластините се подава нарастващо напрежение, което кара лъча (светещатата точка на екрана) да се движи хоризонтално с равномерна скорост. В същото време, на У-пластините се подава усиления биопотенциал, поради което светещата точка описва промяната на този сигнал с времето.

В някои случаи, на Х- и У-отклоняващите пластини се подават нарастващи напрежения, което кара лъча да описва всяка точка от екрана ред по ред. В същото време, управляващият сигнал мени интензивността на лъча, съответно яркостта на светещата точка с което на екрана се създава картина от по-светли и по-тъмни точки. Такива кинескопи се използват в компютърните томографи, в сканиращия електронен микроскоп и др.

Напоследък електроно-лъчевата тръба се заменя с екран от течен кристал. Мониторите с течен кристал са плоски, заемат много по-малко място и са много по-леки от тези с електронно-лъчева тръба.

Много често в съвременните електромедицински апарати биопотенциалите се регистрират в цифров вид. За целта те се преобразуват от аналогов (непрекъснат) вид в електрични импулси. Амплитудата на


изходния аналогов биопотенциал се кодира в честота на крайните импулси. Това става чрез т.н. аналого-цифрови преобразователи (АЦП). След АЦП импулсите се подават към компютър за обработка, представяне на сигнала на екран и съхранение на информацията, която се съдържа в биопотенциалите.

В съвременните електрокардиографи и електроенцефалографи биопотенциалите се дискретизират и обработват с вграден компютър. В компютъра има инсталирана програма, която измерва временните интервали между зъбците и амплитудите на зъбците, след което докладва за наличието на отклонения спрямо нормата.

Фиг. 4. 6. 6. Форма на най-често използваните в медицината импулсни токове – експоненциални, правоъгълни, трионообразни и амплитудно модулирани.

В медицината се използват различни видове генератори, които произвеждат електрично напрежение с необходимата форма, честота и амплитуда. Обикновените генератори произвеждат синусоидално напрежение, докато т.н. импулсни генератори генерират импулси с правоъгълна, триъгълна и други форми (фиг. 4.6.6). Използват се за лечение във физиотерапията, а също и в ел ектричните стимулатори , предизвикващи контракция на мускул или разпространение на нервен импулс по нерв.

Фиг. 4. 6. 7. Кардиостимулатор – външен вид.

Кардиостимулаторите са импулсни генератори на електрично напрежение (т.н. мултивибратори), които произвеждат електрични импулси с правоъгълна форма с продължителност 0.8-3 ms, честота 1-1.2 Hz и амплитуда 1-3 V. Чрез два електрода (корпус "-" и една пружина "+", която се вкарва в аортата) генерираните сигнали се подават към сърцето и предизвикват синхронни контракции на сърдечния мускул.

Кардиостимулаторите се имплантират подкожно на пациенти, при които синусовия възел на сърцето генерира сигнали с твърде ниска честота (под 40 удара в минута). Целта е да се повиши и стабилизира честотата на сърдечната дейност. В някои случаи честотата на кардиостимулатора може да се мени в зависимост от физическото натоварване на пациента. Кардиостимулаторите се захранват от литиево-йодни батерии с ЕДН около 5 v. Техният енергиен капацитет от около 1.5 A.h е достатъчен за срок от 6 до 10 години.

В някои случаи (аритмия на сърцето, токов удар, гръмотевица, операция на сърцето), синхронът при свиване на отделните фибрили на сърдечния мускул се нарушава. Това състояние се нарича фибрилация на сърцето, при което ударният обем на изтласкваната кръв рязко намалява. От това опасно състояние може да се излезе като се използва дефибрилатор, който генерира единичен токов импулс с малка продължителност (8-16 ms), но с голяма мощност (напрежение 500-700 v, сила на тока 15-20 A). Дефибрилаторът се състои от последователно свързани кондензатор с капацитивност С и бобина с индуктивност L и два крайни електрода. За да се приложи дефибрилиращия импулс, първо се зарежда кондензаторът до посоченото напрежение. След това при необходимост двата електрода се допират едновременно до гърдите на пациента. При това кондензаторът се разрежда през бобината и гръдната област на пациента. Разреждането на кондензатора


генерира токов импулс с продължителност (времеконстанта) τ = 1/LC.Този импулс причинява едновременна стимулация и последващо едновременно свиване на всички фибрили на сърдечния мускул.

Глава 4 po Meditsinska... · Web viewНапример, биопотенциалът на...

Documents

Transcript of Глава 4 po Meditsinska... · Web viewНапример, биопотенциалът на...