Антонов В.Ф. Практикум по биофизике

Подождите немного. Документ загружается.

± и

»t

а) б)

Рис.

Интегрирующая

цепь

)

=T-JU

(t)dt.

Таким образом, напряжение на

выходе

пропорционально

интегралу по времени от

входного

напряжения рис. 76.

На

рис. 8 приведены формы выходного сигнала для различ-

ных т.

ДЦ

иц

Рис.

Влияние

параметров

цепей

на

характеристики

сигналов

При

распространении электрического импульсного сигнала

по

организму происходит искажение его характеристик. Рас-

пространение электрического тока от места приложения к ор-

гану происходит в неоднородной

среде

с различными электри-

ческими свойствами (проводимость, емкость). Неоднородность

среды наблюдается на разных уровнях: клеточном, тканевом,

органном (рис. 9).

121

ЭЛЕКТРОДЫ

СРЕДА

РАСПРОСТРАНЕНИЯ

кровенос-

жировая

ная

систе-

кожа

прослойка

мышцы

ма

ОРГАН

Рис.

Неоднородность

среды

При

распространении сигнала в такой среде происходит

уменьшение амплитуды электрического сигнала (поэтому в

ряде случаев приходится заведомо подавать на электроды вы-

сокое напряжение). Кроме того, поскольку ткани обладают ем-

костными

свойствами, то может произойти сглаживание фор-

мы импульса (уменьшение S), что приведет к возрастанию по-

рогового тока, а следовательно, к необходимости увеличения

напряжения

на электродах.

Форма

и амплитуда импульса напряжения, дошедшего до

органа U

(t) = F

3J1

(t),

h(t)],

где h (t) определяется электри-

ческими

свойствами области распространения сигнала. Функ-

ция

h(t) называется переходной функцией электрической си-

стемы, характеризующая ее "отклик" на скачкообразное

внешнее воздействие (например, для дифференцирующей це-

пи

h(t) =

e-Vf).

Выполнение

работы

Задания

1, 2 выполняются поочередно для генератора сиг-

налов специальной формы (ГС) и для электронного стимулято-

ра (ЭС). Задание 3 выполняется для одного из этих приборов

(3.1 или 3.2).

Все осциллограммы должны быть нарисованы в тетради в

одном масштабе.

122

Задание

Определить

на

опыте

назначение

основных

ручек

управления

осциллографа,

ГС и ЭС.

Для

этого

установите

положения

ручек

в положения:

а) Генератор

сигналов спе-

циальной

формы Г6-15

б) Электрон-

ный стимуля-

тор

Частота 10

Гц

Амплитуда 10 В

Форма

сигнала — пря-

моугольный импульс.

Ручку "работа —

подго-

товка"

поставить в по-

ложение "работа". Для

синхронизации:

Гнездо

"180° 10 В"соединить

с гнездом синхрониза-

ции

осциллографа с

помощью отдельного

провода.

Выход "основ-

ной"

соединить со вхо-

дом

осциллографа

(ручка плавного

изме-

нения частоты 10,

множитель 100)

(нажать кнопку "0" дБ,

ручка плавного

изме-

нения на 10 В)

Период

Длительность

Запаздывание

Амплитуда

Полярность

Синхронизация

0,6 мс

0,2 мс

0,01 мс

10В

автома-

тическая

Для синхронизации:

Гнездо t/£ соединить с

гнездом

синхрониза-

ции

осциллографа с

помощью отдельного

провода.

Выход ЭС

соединить со входом

осциллографа

(ручка плавного

изме-

нения амплитуды 1,0;

множитель 10, красные

цифры)

в) Осцил-

лограф

Развертка х 1

Усиление х 1

Вход осциллографа

Синхронизация

внешняя

0,2 мс/см

5 В/см

—

123

Подайте сигнал на осциллограф и зарисуйте осциллограм-

му. Сравните значения параметров импульсного сигнала по ос-

циллографу с параметрами заданного сигнала с ГС и ЭС. Затем

поочередно измените (в небольших

пределах)

положение ос-

новных ручек управления ГС и ЭС и определите, какие измене-

ния

происходят на осциллограммах. Сделайте вывод о назна-

чении

основных ручек ЭС и ГС.

Задание

2. Научиться самостоятельно получать устойчивые

осциллограммы импульсных сигналов.

Для этого подайте на осциллограф сигналы с параметрами,

указанными

в таблице. Наблюдаемые картинки зарисуйте од-

на

под

другой

в одном и том же масштабе.

а) Электронный стимулятор

Форма

D П

1_Г

3) Л

Т, мс

0,6

0,4

мс

0,2

0,4

0,04

,в

Для сравнения полярности импульсов в опытах 1) и 2) на-

до сопоставить картину сигнала с картиной расположения

линии

при отключенном от осциллографа электростимуля-

торе.

б) Генератор сигналов специальной формы

Форма

4) 4J

5) Л/

v, Гц

1000

500

,в

Для того, чтобы

убедиться

в двуполярности сигналов в

опытах 4) и 5) надо сопоставить картину сигнала с картиной

расположения линии при отключенном от осциллографа гене-

раторе.

Задание

3. Выявить изменения амплитудно-временных ха-

рактеристик импульсных сигналов при их прохождении через

формирующие цепи (рис. 10).

Входной сигнал и сигналы, полученные после дифференци-

рующей и интегрирующей цепей должны быть нарисованы в

одном масштабе.

124

Дифференцирующая

(ДЦ)

Интегрирующая

(ИЦ)

-о

о—I I »—о

,_,

0,01 мкф СХ

12кОм

IQ*9

-Л-

*о

вх

J-,

Л-.

Bblx

J_ Y

Bblx

кОм

ПкОм

0,01 -

^-0,05

мкф

~г ~г мкф

—1 1—О

Рис.

10. Схема

исследования

сигналов

1. С электростимулятора подайте на осциллограф сигнал с

параметрами: Т = 0,9 мс; t

= 0,5 мс; U

= 1 В; развертка 0,2

мс/см;

чувствительность 0,5 В/см; синхронизация "внешн."

(самое нижнее положение), положение "+ постоян." (самое

верхнее). Необходимо засинхронизировать осциллограф и ЭС;

для этого гнездо "-А-" соединить с гнездом синхронизации ос-

циллографа. С помощью ручек "уровень" и "стабильность" до-

бейтесь устойчивой картины на экране: должен быть виден

один

импульс. Зарисуйте его. Затем импульс с ЭС подайте по-

очередно на ДЦ и ИЦ, а выходной сигнал с них подайте на ос-

циллограф,

ручку

"чувствительность" установите в 0,2 В/см.

Зарисуйте осциллограммы для различных положений ключа 1

2 в ДЦ и ИЦ (соответственно х^ и х

). Сделайте вывод об изме-

нении

формы и длительности сигнала при его распростране-

нии

через дифференцирующие и интегрирующие цепи.

2. С генератора сигналов специальной формы подайте на ос-

циллограф сигнал с параметрами: v = 10

Гц, U

= 1 В; разверт-

ка

0,2 мс/см; чувствительность 0,5 В/см; цинхронизация "внеш-

няя",

положение "+ постоян."; уровень "+" (правое крайнее).

Необходимо засинхронизировать осциллограф и ГС: для этого

гнездо

"180°,

10 В" соединить с гнездом синхронизации осцил-

лографа. Должен быть виден один импульс. Зарисуйте его.

Затем сигнал с ГЦ подайте поочередно на ДЦ и ИЦ, а выход-

ной

сигнал с них подайте на осциллограф,

ручку

"чувствитель-

ность"

установить 0,2 В/см. Зарисуйте осциллограммы для

различных положений ключа 1 и 2 (х^ и т

). Сделайте вывод.

3. Выполните задания 3.1 и 3.2 для последовательного про-

хождения импульса через ДЦ и ИЦ. Для этого

выход

с ИЦ со-

едините с входом ДЦ. Сделайте вывод об искажении формы

электрического сигнала при его распространении в

средах,

об-

ладающих емкостными свойствами.

125

3.4.

Биофизические

механизмы

действия

электромагнитных

полей ВЧ, СВЧ, УВЧ

на

ткани

организма

В настоящее время в медицинской практике широко ис-

пользуется электротерапия. К ней относят действие постоян-

ного тока и поля, импульсных токов, переменных токов и по-

лей высокой (ВЧ), ультравысокой (УВЧ) и сверхвысокой (СВЧ)

частот. Поля ВЧ, УВЧ и СВЧ используются, главным образом,

для нагревания тканей организма.

Цель

работы:

Уметь

объяснять назначение и

блок-схему

аппарата для

УВЧ-терапии.

2. Приобрести первичные умения работы с аппаратом

УВЧ-терапии (проверять заземление, включать, устанавли-

вать электроды, настраивать в резонанс терапевтический

контур).

3. Научиться объяснять пассивные электрические характе-

ристики

живой ткани и их зависимость от частоты в радиочас-

тотном диапазоне.

4. Научиться объяснять биофизические механизмы нагре-

вания

тканей под действием ВЧ-, УВЧ- и СВЧ-полей.

5. Сравнить на опыте нагревание диэлектрика и электро-

лита при одинаковом воздействии электрического поля

УВЧ.

Литература:

Ремизов

А.Н. Медицинская и биологическая физика. — М., Высшая

школа, 1996.

Подготовка

работе

Повторить по учебникам и

уметь

отвечать на

следующие

во-

просы:

1. Поляризация диэлектриков в электрическом поле. Эле-

ктрический

диполь. Виды поляризации (электронная, ионная,

ориентационная,

макроструктурная, поверхностная).

126

2. Основные процессы, происходящие в идеальном колеба-

тельном контуре.

Изучить по рекомендованной литературе и

уметь

объяснять

следующие вопросы:

1. Электропроводимость живых тканей.

2. Поляризация тканей. Дисперсия диэлектрической про-

ницаемости в радиочастотном диапазоне. Области а-, (3-, у-дис-

персии.

3. Основные блоки аппарата УВЧ, их назначение (перечис-

лить и нарисовать блок-схему аппарата). Устройство электро-

дов.

4. Назначение и устройство терапевтического контура. Как

осуществляется связь терапевтического контура с генератором

УВЧ?

Для чего при проведении процедуры нагревания с помо-

щью электрического поля УВЧ терапевтический контур наст-

раивается в резонанс? Каким образом эту настройку произво-

дят?

5. Механизм теплового действия УВЧ электрического поля

на

электролиты и диэлектрики (объяснить механизм и приве-

сти формулы для расчета теплового эффекта в диэлектрике и

электролите; в формулах объяснить смысл

всех

входящих в

них величин).

6. Чем отличается по

методу

воздействия УВЧ-терапия от

индуктотермии; каков механизм образования вихревых то-

ков? Расчет теплового эффекта при индуктотермии (привести

формулу и объяснить значение

всех

входящих в формулу ве-

личин).

7. Особенности действия поля СВЧ (микроволновая тера-

пия).

Теоретические

сведения

Органические вещества (белки, жиры, углеводы), из кото-

рых состоят живые ткани, в чистом и

сухом

виде являются

диэлектриками.

Однако все ткани и клетки в организме со-

держат или омываются жидкостями (кровь, лимфа, различ-

ные

тканевые жидкости), в состав которых, кроме органичес-

ких коллоидов,

входят

растворы электролитов. Поэтому эти

жидкости являются относительно хорошими проводниками.

127

Различные ткани организма имеют различную электропро-

водность:

спинно-мозговая жидкость —

1,8—1,4

Ом~^м~^

кровь (мышцы) —

0,5—0,6

0м~1м~~1

костная ткань (без надкостницы) — 10~

Ом~

м~

жировая ткань — 0,03 Ом'^м"

Биологические объекты представляют собой гетерогенные

структуры.

Гетерогенность тканей в большей степени обуслов-

лена наличием мембран. К ним относятся клеточные поверх-

ностные мембраны и мембраны, окружающие клеточные орга-

ноиды и образующие эндоплазматическую сеть.

Под действием электрического поля в диэлектриках проис-

ходит

смещение и ориентация зарядов в

пределах

атома или

молекулы. Это явление называется поляризацией диэлектри-

ка.

Время, в течение которого происходит образование и (или)

ориентация электрических диполей вдоль силовых линий эле-

ктрического поля, называется временем релаксации поляри-

зации.

Все виды поляризации диэлектриков: электронная,

ионная,

ориентационная, макроструктурная, поверхностная и

др. в той или иной мере присущи биологическим объектам.

Макроструктурная поляризация происходит во всем объеме

клеток вследствие неоднородности электрических свойств

клеток. Под действием внешнего электрического поля внутри

отдельных

структурных

элементов клеток, ограниченных

мембранами, происходит перемещение свободных зарядов-ио-

нов,

вследствие

чего

эта структурная единица превращается в

макроскопический электрический (содержащий много атомов

молекул) диполь.

Поверхностная поляризация происходит на поверхност-

ных, имеющих двойной электрический слой (например, мемб-

раны).

При наложении внешнего электрического поля на по-

верхностях раздела происходит перераспределение ионов и ча-

стиц дисперсной фазы заряженных противоположно.

Времена релаксации:

электронной поляризации —

10~1*>—10~14

ионной

поляризации —

10~

—10~

ориентационной поляризации —

10~13—Ю~

макроструктурной поляризации —

10~

—10~

поверхностной поляризации —

10~

—10^

128

В тканях, помещенных в переменное электрическое поле,

наблюдается поляризация, время релаксации которой меньше

половины

периода изменения поля. Поэтому с ростом частоты

более медленные виды поляризации "выпадают". Этим объяс-

няется

убывание диэлектрической проницаемости с ростом ча-

стоты (дисперсия диэлектрической проницаемости).

При

изучении частотных зависимостей диэлектрической

проницаемости

биологических объектов было обнаружено три

области дисперсии, получившие названия а-, р-, у-дисперсии

(по

Г. Швану).

ос-дисперсия занимает область низких частот, примерно до

1000 Гц. В данной области уменьшение диэлектрической про-

ницаемости

биологических систем обусловлено только умень-

шением

эффекта поляризации поверхности клеток.

р-дисперсия занимает более широкую область частот: 10

—

10^ Гц. В этой области уменьшение диэлектрической проница-

емости связано с уменьшением макроструктурной поляриза-

ции.

у-дисперсия наблюдается в области выше 1000 МГц (выше

Гц).

Уменьшение диэлектрической проницаемости в этом диапа-

зоне

обусловлено ослаблением эффекта ориентационной поля-

ризации,

вызываемого диполями воды. Величина у-дисперсии

будет

зависеть от содержания свободной воды в исследуемых

тканях. В области выше 10

Гц эффект поляризации, обус-

ловленный

диполями воды,

отсутствует.

Диэлектрическая

проницаемость

будет

иметь небольшие значения, определяе-

мые только ионной и электронной поляризацией, имеющей са-

мое малое время релаксации.

Электрические колебания делятся по частоте на несколько

диапазонов,

используемых в лечебных методах

низкой

частоты — до 20 Гц

звуковой частоты — 20 Гц — 20 кГц

ультразвуковой частоты (УЗ) —

(20—200)

кГц

высокой

частоты (ВЧ) —

(0,2—30)

МГц

ультравысокой частоты (УВЧ) —

(30—300)

МГц

сверхвысокой частоты (СВЧ) — выше 300 МГц

Терапия

электрическим полем УВЧ производится на часто-

тах

(30—50)

МГц. При этом методе соответствующая область

129

тела

пациента подвергается действию ультравысокочастотно-

го электрического поля. Процедура проводится с помощью ап-

парата УВЧ-терапии.

Блок-схема аппарата УВЧ-терапии

Блок

питания

Генератор

УВЧ

В аппаратах УВЧ воздействие на больного осуществляется с

помощью дополнительного колебательного контура, к которому

подключаются электроды, накладываемые на тело больного.

Этот контур называется терапевтическим (ТК). В генераторе

УВЧ имеется относительно высокое постоянное напряжение,

необходимое для работы радиоламп и опасное для человека.

Чтобы больной ни при каких обстоятельствах не мог подверг-

нуться действию этого напряжения, ТК связывается с контуром

генератора УВЧ индуктивно. ТК имеет подстроечный конденса-

тор переменной емкости, с помощью которого производится на-

стройка контура в резонанс с генератором УВЧ. При резонансе в

ТК

возникают колебания наибольшей мощности и УВЧ-элект-

рическое поле вызывает в тканях наибольший эффект.

В растворах электролитов УВЧ-электрическое поле вызыва-

ет ток проводимости, сопровождающийся выделением тепла:

где Q — количество тепла, выделяющегося в объеме V за время

в тканях, имеющих электропроводность о; Е

фф — эффектив-

ное

значение напряженности электрического поля.

Коэффициенты

К2, а

Kj, K3 зависят от выбора системы

единиц

измерения, степени неоднородности поля, размеров эле-

ктродов и их расположения. В диэлектриках под действием эле-

ктрического поля происходит поляризация. Вращательно-коле-

бательные движения поляризованный молекул, вызванные пе-

ременным

УВЧ-полем, сопровождаются потерями энергии, за-

трачиваемой на преодоление сил связи

между

молекулами,

удерживающих

молекулы в равновесном положении. Эти поте-

ри,

называемые диэлектрическими, зависят от природы диэлек-

трика и характеризуются тангенсом

угла

потерь (tg5).

Угол

по-

терь связан с отставанием по фазе колебаний молекул от колеба-

ний

напряженности электрического поля. tgS испытывает рез-

130