Розділ «Електромагнітні явища в біосистемах»

1. Головні умови біоелектрогенезу.

2. Дати визначення «потенціал спокою» та пояснити його механізм згідно рівняння Нернста.

3. Дати визначення «потенціал дії» та пояснити його механізм згідно рівняння Нернста.

4. Характерні властивості потенціалу.

5. Характеристики фаз потенціалу дії.

В потенциале действия выделяют несколько фаз (рис. 2.4):

• фаза деполяризации;

• фаза быстрой реполяризации;

• фаза медленной реполяризации (отрицательный следовый потенциал);

• фаза гиперполяризации (положительный следовый потенциал).

Фаза деполяризации. Развитие ПД возможно только при действии раздражителей, которые вызывают деполяризацию клеточной мембраны. При деполяризации клеточной мембраны до критического уровня деполяризации (КУД) происходит лавинообразное открытие потенциалчувствительных Na⁺-каналов. Положительно заряженные ионы Na⁺ входят в клетку по градиенту концентрации (натриевый ток), в результате чего мембранный потенциал очень быстро уменьшается до 0, а затем приобретает положительное значение. Явление изменения знака мембранного потенциала называют реверсией заряда мембраны.

Фаза быстрой и медленной реполяризации. В результате деполяризации мембраны происходит открытие потенциалчувствительных К⁺-каналов. Положительно заряженные ионы К⁺ выходят из клетки по градиенту концентрации (калиевый ток), что приводит к восстановлению потенциала мембраны. В начале фазы интенсивность калиевого тока высока и реполяризация происходит быстро, к концу фазы интенсивность калиевого тока снижается и реполяризация замедляется.

Фаза гиперполяризации развивается за счет остаточного калиевого тока и за счет прямого электрогенного эффекта активировавшейся Na⁺/K⁺ помпы.

Овершут – период времени, в течение которого мембранный потенциал имеет положительное значение.

Пороговый потенциал – разность между мембранным потенциалом покоя и критическим уровнем деполяризации. Величина порогового потенциала определяет возбудимость клетки – чем больше пороговый потенциал, тем меньше возбудимость клетки.

Рис. 2. 4. Изменение мембранного потенциала (А), интенсивности калиевого и натриевого трансмембранного тока (Б) и возбудимости клетки (В) в разные фазы потенциала действия.

Д – фаза деполяризации,

Р_Б – фаза быстрой реполяризации,

Р_М – фаза медленной реполяризации,

Г – фаза гиперполризации;

Н – период нормальной возбудимости,

Р_А – период абсолютной рефрактерности,

Р_О – период относительной рефрактерности,

Н₊ – период супернормальной возбудимости,

Н_– – период субнормальной возбудимости.

Если принять уровень возбудимости клетки в состоянии физиологического покоя за норму, то в ходе развития цикла возбуждения можно наблюдать ее колебания. В зависимости от уровня возбудимости выделяют следующие состояния клетки.

• Супернормальная возбудимость (экзальтация) – состояние клетки, в котором ее возбудимость выше нормальной. Супернормальная возбудимость наблюдается во время начальной деполяризации и во время фазы медленной реполяризации. Повышение возбудимости клетки в эти фазы ПД обусловлено снижением порогового потенциала по сравнению с нормой.

• Абсолютная рефрактерность – состояние клетки, в котором ее возбудимость падает до нуля. Никакой, даже самый сильный раздражитель, не может вызвать дополнительного возбуждения клетки. Во время фазы деполяризации клетка невозбудима, поскольку все ее Na⁺-каналы уже находятся в открытом состоянии.

• Относительная рефрактерность – состояние в котором возбудимость клетки значительно ниже нормальной, только очень сильные раздражители могут вызвать возбуждение клетки. Во время фазы реполяризации каналы возвращаются в закрытое состояние и возбудимость клетки постепенно восстанавливается.

• Субнормальная возбудимость характеризуется незначительным снижением возбудимости клетки ниже нормального уровня. Это уменьшение возбудимости происходит вследствие возрастания порогового потенциала во время фазы гиперполяризации.

6. Пояснити електричні процеси на мембрані клітини на прикладі еквівалентної електричної схеми мембрани.

Каждый ионный ток Ii (см. рис. 4а) определяется разностью мембранного потенциала jм и равновесного нернстовского потенциала, создаваемого диффузией ионов (i ) данного типа

где gi = 1/ Ri - проводимость (величина, обратная сопротивлению элемента мембраны для ионов данного типа).

На эквивалентной электрической схеме (рис. 4а) элемента мембраны равновесные потенциалы Нернста моделируются источниками напряжений с электродвижущими силами , а проводимость элемента мембраны для разных ионов моделируется резисторами. Как следует из рис. 4б, формирование потенциала действия вызывается ионными токами: сначала ионов натрия внутрь клетки, а затем ионов калия в наружный раствор. На рис. 4в показана схема распространения волны возбуждения за счет местных круговых токов.

7. Пояснити рівняння розрахунку швидкості розповсюдження потенціалу мембрани вздовж нервового волокна.

Скорость распространения возбуждения в безмиелиновых волокнах 0,5-0,7 м/с , в миелиновых 140 м/с !

Распространение потенциала действия по нервному волокну

Строение нейрона

8. Трансмембранний, внутрішньо-аксіальний і зовнішній ток нервового волокна.

Формули розрахунків.

9. Рівняння Ходжкіна-Хакслі.

10. Пряма та дистанційна реєстрація потенціалу дії.

Под влиянием раздражителей изменяются условия генерации ЭДС в клеточ­ных концентрационных элементах, что выражается в возникновении потенциала действия (ПД). Согласно натриевой гипотезе Ходжкина и Хаксли, при возбужде­нии нервной и мышечной тканей изменяется прежде всего проницаемость их плазматических мембран для К⁺ и Ка⁺. Мгновенно и на короткий миг отношение р_к. к становится равным не 25:1 (как в покое), а 1:100. В то же время прони­

цаемость для натрия оказывается гораздо выше проницаемости для анионов, с ко­торыми он образует соли в межклеточной среде (С1~, НСО; и др.). Следовательно, в момент возбуждения р_Кл. >>р_к. и р_иа, >>р_А-, что позволяет принять р_к. и р_А. за бесконечно малые величины и приравнять их нулю в уравнении Гольдма- на-Ходжкина-Катца. После преобразований этого уравнения, смысл которых

11. Застосування розрахунку потенціалу диполя для реєстрації потенціалу дії на відстані.

ТУТ НАПИСАНА ХУЙНЯ НЕ ПО ТЕМЕ!

Потенциалы действия можно зарегистрировать в нервных и мышечных клетках с помощью внутриклеточных электродов.. Во всех случаях потенциал резко нарастает от отрицательных значений потенциала покоя до положительного пика, составляющего примерно +30 мВ. Затем потенциал с различной скоростью возвращается к уровню покоя; длительность потенциала действия составляет около 1 мс в нервах, 10 мс в скелетной мышце и более 200 мс в миокарде.

Как показывает, для потенциала действия характерны несколько фаз. Он начинается очень быстрым сдвигом потенциала в положительном направлении–фазой нарастания, которая продолжается всего лишь 0,2–0,5 мс. Во время фазы нарастания клеточная мембрана теряет свой нормальный заряд («поляризацию»); поэтому фазу нарастания называют также фазой деполяризации. Обычно кривая деполяризации переходит за нулевую линию и мембранный потенциал становится положительным. Эта положительная фаза потенциала действия называется овершутом («перелетом»). Следующая за овершутом фаза, в течение которой восстанавливается исходный потенциал покоя мембраны, называется реполяризацией.

12. Значення теореми Гаусса для реєстрації потенціалів на поверхні тіла.

ТЕОРЕМА ГАУССА

Поток вектора напряженности электрического поля через любую замкнутую поля равен алгебраической сумме зарядов, охватываемых этой поверхностью, деленной на электрическую постоянную.

13. Трикутник Ейндховена та розрахунки потенціалів у 1, 2 і 3 відведеннях ЕКГ.

14. Закони електроліза Фарадея.

15. Закон дифузії Фіка та дифузійний потенціал, рівняння Гендерсона.

Диффузионный потенциал возникает на границе раздела двух жидких сред в результате различной подвижности ионов.

Диффузионный потенциал находится из уравнения Гендерсона

Где

U – подвижность катионов

V – подвижность анионов

R – универсальная газовая постоянная

Т – абсолютная температура

n – валентность

F – число Фарадея

а1 – активность ионов в области, откуда идет диффузия

а2 – активность ионов в области, куда идет диффузия

16. Рівняння електродного потенціала.

Электродный потенциал возникает в результате диффузии ионов из электрода в раствор электролита.

Уравнение электродного потенциала

Где

R – универсальная газовая постоянная

Т – абсолютная температура

n – валентность

F – число Фарадея

К – константа, которая определяется природой вещества и

концентрацией раствора

Сх – концентрация ионов в электроде

Ср-ра - концентрация ионов в растворе электролита

17. Гальвані-потенціал і Вольта-потенціал – пояснити різницю.

18. Електро-хімічний ланцюг – дати визначення, рівняння Нернста для електро- хімічного ланцюга.

19. Потенціал напівелемента – дати визначення.

Металлический электрод, погружённый в раствор электролита, почти мгновенно, начинает отдавать ионы в раствор , ионы раствора взаимодействуют с металлом электрода. Возникает градиент заряда, создавая разность потенциалов с участком находящимся вне раствора. Это потенциал электрода, который называется также : «потенциал полуэлемента».

20. Електродний потенціал – дати визначення.

Электродный потенциал возникает в результате диффузии ионов из электрода в раствор электролита.

Э.п. - разность электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом (чаще всего между металлом и раствором электролита). Возникновение Э. п. обусловливается переносом заряженных частиц через границу раздела фаз, специфической адсорбцией ионов, а при наличии полярных молекул (в том числе молекул растворителя) — ориентационной адсорбцией их.

21. Електроди, що поляризуються – визначення, сфера застосування.

22. Електроди, що не поляризуються – визначення, сфера застосування.

23. Електрична схема для зони контакту «електрод-шкіра». Перетворення іонного струму в електронний.

24. Елемент Даніеля-Якобі.

Если же процессы окисления и восстановления пространственно разделить, то любую окислительно-восстановительную реакцию можно использовать для получения электрической энергии. Такие устройства называют химическими источниками тока (ХИТ). Простейший ХИТ – гальваническая ячейка (рис. 7.1) – представляет собой сосуды, в которых два электрода, помещенные в раствор соответствующих электролитов, соединены солевым мостиком (проводником второго рода *), представляющим собой стеклянную трубку, заполненную раствором такого электролита, катионы и анионы которого характеризуются одинаковой подвижностью. При замыкании внешней цепи проводником первого рода начинается окислительно-восстановительная реакция, о чем свидетельствует возникновение электродвижущей силы (ЭДС).

Слева записывается анод Zn¦Zn2+, на котором возникает избыток электронов и происходит процесс окисления – отрицательный полюс (–). Справа – катод Cu2+¦Cu – электрод с недостатком электронов, положительный полюс (+). Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного.

Электроны по внешнему участку цепи, металлическому проводнику, переходят от отрицательного полюса к положительному. Внешнюю цепь на схеме не изображают. В круглых скобках знаками плюс и минус обозначают полюсы электродов

(–)Zn¦Zn2+||Cu2+¦Cu(+)

Реакция CuSO4 + Zn = Cu + ZnSO4 в электрохимическом варианте является основой гальванического элемента Даниэля–Якоби, схема которого

25. Класифікація електродів.

26. Електроди першого роду та електроди другого роду.

К электродам первого рода относятся электроды, состоящие из металлической пластинки, погруженной в раствор соли того же металла. При обратимой работе элемента, в который включен электрод, на металлической пластинке идет процесс перехода катионов из металла в раствор либо из раствора в металл. Т.о., электроды первого рода обратимы по катиону и их потенциал связан уравнением Нернста (III.40) с концентрацией катиона (к электродам первого рода относят также и водородный электрод).

Электродами второго рода являются электроды, в которых металл покрыт малорастворимой солью этого металла и находится в растворе, содержащем другую растворимую соль с тем же анионом. Электроды этого типа обратимы относительно аниона и зависимость их электродного потенциала от температуры и концентрации аниона может быть записана в следующем виде:

27. Окислювально-відновні електроди.

• Хингидронный электрод, относящийся к классу окислительно-восстановительных электродов (см. ниже), представляет собой платиновую проволоку, опущенную в сосуд с исследуемым раствором, в который предварительно помещают избыточное количество хингидрона С6Н4О2·С6Н4(ОН)2 – соединения хинона С6Н4О2 и гидрохинона С6Н4(ОН)2, способных к взаимопревращению в равновесном окислительно-восстановительном процессе, в котором участвуют ионы водорода:

• С6Н4О2 + 2Н+ + 2е- ––> С6Н4(ОН)2

• Хингидронный электрод является т.н. окислительно-восстановительным электродом (см. разд. 3.5.5); зависимость его потенциала от активности ионов водорода имеет следующий вид:

28. Індікаторні електроди та електроди порівняння.

Электроды, обратимые относительно иона водорода, используются на практике для определения активности этих ионов в растворе (и, следовательно, рН раствора) потенциометрическим методом, основанном на определении потенциала электрода в растворе с неизвестным рН и последующим расчетом рН по уравнению Нернста. В качестве индикаторного электрода может использоваться и водородный электрод, однако работа с ним неудобна и на практике чаще применяются хингидронный и стеклянный электроды.

Сравнительный

Для определения электродного потенциала элемента необходимо измерить ЭДС гальванического элемента, составленного из испытуемого электрода и электрода с точно известным потенциалом – электрода сравнения. В качестве примеров рассмотрим водородный, каломельный и хлорсеребряный электроды.

Водородный электрод представляет собой платиновую пластинку, омываемую газообразным водородом, погруженную в раствор, содержащий ионы водорода. Адсорбируемый платиной водород находится в равновесии с газообразным водородом

29. Водневий електрод та відносна шкала електродних потенціалів – пояснити її значення.

Потенциал водородного электрода зависит от активности ионов Н+ в растворе и давления водорода; потенциал стандартного водородного электрода (с активностью ионов Н+ 1 моль/л и давлением водорода 101.3 кПа) принят равным нулю. Поэтому для электродного потенциала нестандартного водородного электрода можно записать:

30. Розрахунок іонозалежного електродного потенціалу на прикладі хлор-срібного електроду.

В качестве электрода сравнения используют также другой электрод второго рода – хлорсеребряный, представляющий собой серебряную проволоку, покрытую хлоридом серебра и помещённую в раствор хлорида калия. Хлорсеребряный электрод также обратим относительно анионов хлора:

Аg / АgСl, КСl

Величина потенциала хлорсеребряного электрода зависит от активности ионов хлора; данная зависимость имеет следующий вид:

Если концентрация ионов металла в растворе меньше равновесной, то при погружении металла в раствор равновесие смещается вправо, что приводит к отрицательному заряду на металле по отношению к раствору. Если малоактивный металл погружен в раствор соли с концентрацией больше равновесной, то происходит переход ионов из раствора на металл, заряженный положительно (рис. 7.2). В любом случае возникает двойной электрический слой, и появляется разность электрических потенциалов, или гальвани-потенциал.

31. Принцип будови електрохімічних сенсорів (приклад рН-метріа , рСО₂-метра ).

pH = log[HCO₃^-] – log k – log a – log pCO₂

32. Принцип будови електрохімічних сенсорів (приклад рО₂-метра ).

33. Електромагнітний вплив на організм людини на прикладі поляризації діелектрика, іонної та об ємної поляризації.

34. Характеристики електромагнітного поля Землі на рівні перебування в ньому людини.

Данные об излучении, а вернее о величинах плотности потока (ПП) электромагнитного излучения различных источников показывают, что их воздействие на организм человека превышает естественный уровень в миллионы и даже триллионы раз. Следовательно, мы живем в условиях чрезвычайно сильного электромагнитного шума, который бьет по нашему организму.

35. Електромагнітне випромінювання тіла людини: три основні групи джерел випромінювання та їх частотні характеристики.

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустические поля (гравитационное поле и элементарные частицы остаются за пределами нашего рассмотрения). Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования

Рис. 12.1. Схема электромагнитных (справа) и акустических (слева) собственных полей человека. Электромагнитные поля: Е - электри- ческое поле, В - магнитное, СВЧ - сверхвысокочастотные электро-магнитные волны дециметрового диапазона, ИК – электромагнитные волны инфракрасного диапазона, видимое - оптический диапазон излучений. Акустические поля: НЧ - низкочастотные колебания,

КАЭ - кохлеарная акустическая эмиссия, УЗ - ультразвуковое излу- чение. Цифры - характерные частоты излучений (в герцах). Заштри- хованы области тепловых излучений. Справа и слева указаны назва-

ния датчиков и приборов для регистрации соответствующих полей. СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерферометр, ФЭУ — фото

36. Відмінності принципів енцефалографії та магнітокардліографії.

Энцефалография - любой из методов регистрации структуры головного мозга или активности мозговых клеток. Среди методов можно определить:

• Электроэнцефалография (ЭЭГ)

• Реоэнцефалография (РЭГ)

• Эхоэнцефалография (ЭхоЭГ)

• Пневмоэнцефалография (ПЭГ)

• Магнитоэнцефалография (МЭГ)

ЭНЦЕФАЛОГРАФИЯ - метод исследования деятельности мозга головного путем регистрации его суммарной биоэлектрической активности, фиксируемой посредством электродов, размещаемых на коже головы или непосредственно на мозге. Энцефалограмма позволяет судить о состоянии желудочковой системы подоболочечных пространств, а также о проходимости всех отверстий и путей сообщения ликворной системы мозга. Энцефалографию применяют при диагностике посттравматических, воспалительных, опухолевых и других заболеваний головного мозга.

Магнитокардиография - метод исследования сердечной деятельности, основанный на регистрации изменений во времени магнитной составляющей электродвижущей силы сердца.

Магнитокардиографиия - метод исследования сердечной деятельности путем регистрации изменений во времени магнитной составляющей электромагнитного поля сердца, связанных с изменениями его биоэлектрической активности.

Как и все электрические системы, внутренняя сердечная электрическая активность порождает магнитное поле, основанное на принципе магнитной индукции. На поверхности тела эти магнитные поля могут отслеживаться благодаря электропроводимости тканей тела для электрических импульсов. Если каждая клетка миокарда представлена в виде диполя, сумма такого электрического представления клеток и получающийся в результате ток является источником сигнала для записи MКГ. Другими словами магнитные сигналы генерируются источниками электрической активности сердца. Те же источники ионных потоков, которые создают разницу потенциалов на поверхности тела человека, записываемые и измеряемые с помощью ЭКГ, генерируют и магнитные сигналы.

Детекторы МКГ не требуют контакта с кожей. Таким образом, магнитокардиография (МКГ) представляет собой неинвазивную и не связанную с каким-либо воздействием и риском для пациента технологию безконтактного измерения магнитных сигналов, генерируемых источниками электрической активности сердца.

Сигнал от датчика через усилитель регистрируется на самописце, в качестве которого можно использовать электрокардиограф. Непременное условие успешной регистрации магнитокардиограммы (МКГ) — отсутствие у пациента магнитных материалов, т.к. сигнал от них намного превышает сигнал магнитной составляющей электродвижущей силы сердца.

37. Межі резонансної частоти людського організму та її значення при взаємодії організму з електромагнітним полем.

Как известно в человеческом организме есть определенные частоты, на которых работают его органы. Например сердце имеет свою частоту, желудок тоже, и т.д.

В человеческом мозге тоже есть свои частоты, в определенных состояниях человека преобладающие. Для сердца можно подобрать резонансную частоту, и при изменении которой оно может подстроится, после чего его можно будет остановить.

При воздействии вибрации на человека наиболее существенно то, что тело человека можно представить в виде сложной динамической системы. Многочисленные исследования показали, что эта динамическая система меняется в зависимости от позы человека, его состояния - расслабленное или напряженное - и других факторов. Для такой системы существуют опасные, резонансные частоты. И если внешние силы воздействуют на человека с частотами, близкими или равными резонансным, то резко возрастает амплитуда колебаний как всего тела, так и отдельных его органов.

Резонансные частоты.

Для человека резонанс наступает:

- В положении сидя при частоте 4 - 6 Гц

- Для головы - 20 - 30 Гц

- Для глазных яблок - 60 - 90 Гц

При этих частотах интенсивная вибрация может привести к травматизации позвоночника и костной ткани, расстройству зрения, у женщин - вызвать преждевременные роды.

Колебания вызывают в тканях органов переменные механические напряжения. Информация о действующей вибрации воспринимается вестибулярным аппаратом. Вестибулярный аппарат обеспечивает анализ положений и перемещений головы в пространстве, активизацию тонуса мышц и поддержание равновесия тела. При широком спектре воздействующих на человека вибраций вестибулярный аппарат может передавать ложную информацию. Это связано с особенностями гидродинамического устройства вестибулярного аппарата, не приспособившегося в ходе эволюции к функционированию в условиях высокочастотных колебаний. Такая ложная информация вызывает состояние укачивания, дезорганизует работу многих систем организма.

38. Електромагнітні характеристики різних тканин та органів людини.

Характеризуя электрофизические свойства тканей организма, необходимо учитывать следующие факторы. Биоткани являются композиционными средами со сложной геометрией (как в смысле строения, так и электрофизических свойств). Хорошо проводящие среды организма – биожидкости, плохо проводящие — мембраны в невозбужденном состоянии, границы раздела разных по строению и свойствам тканей (компактная костная ткань и др.). Время от времени, появляются гипотезы о достаточно экзотичных свойствах биологических тканей (полупроводниковых и других). Однако при детальном рассмотрении оказывается, что подобные эффекты возникают в тех случаях, когда физические свойства биоткани меняются под действием ЭМП, либо речь идёт о внешнем сходстве наблюдаемых эффектов с эффектами хорошо изученных в электрофизике.

Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет. Биотоки, возникающие в организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) создан диагностический метод – магнитокардиография. Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биоток) согласно закону Ома пропорциональна напряжению (биопотенциал), то в общем магнито-кардиограмма аналогична электрокардиограмме. Однако магнитокардиография в отличие от электрокардиографии является бесконтактным методом, ибо магнитное поле может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического объекта – источника поля.

Относительная магнитная проницаемость биотканей близка к 1, поскольку основными компонентами биотканей являются вода, углеводы и липиды, которые относятся к диамагнетикам. В литературе иногда рассматривают уникальных представителей животного мира, у которых есть структуры с выраженными ферромагнитными свойствами. У человека также обнаружены содержащие ферритин включения (находятся в надпочечниках). Предполагают, что подобные включения есть в тканях пчел, голубей, дельфинов, что и обеспечивает им пространственную ориентацию. Вопрос о механизмах рецепции магнитных полей до конца не ясен, но магнитобиология – интенсивно развиваемое направление, в котором возникают всё новые гипотезы . До сих пор, однако, все сложности физической интерпретации реакций живых систем на МП. МП дают зримый биологический и клинический эффект как у пациентов, так и в животном мире. В частности, электромагнитная терапия (в основном, инфранизкочастотный диапазон) широко применяется при лечении ряда заболеваний опорно-двигательной и сердечно-сосудистой систем.

39. Провідність організму людини для електромагнітного поля та глибина його проникнення в залежності від частотних характеристик.

Ткани организма состоят из плотных веществ, плохо проводящих электрический ток, и из жидкостей, содержащих растворы электролитов и являющихся относительно хорошими проводниками. Наилучшей электропроводностью обладает спинномозговая жидкость (ликвор). Близко к ней стоит сыворотка крови; несколько меньше электропроводность цельной крови и мышечной ткани. Поскольку в организме все органы омываются тканевой жидкостью, они (кроме кости, лишенной надкостницы) в той или иной мере проводят электрический ток. Электропроводность отдельных участков организма в значительной степени зависит от сопротивления кожи и подкожной жировой клетчатки, так как в более глубоких тканях ток идет множеством параллельных путей (петли тока), главным образом вдоль кровеносных и лимфатических сосудов, оболочек, нервных стволов, мышц.

В действии электрического поля на человека доминирующую роль играют протекающие через его тело токи. Это определяется высокой проводимостью тела человека, где преобладают органы с циркулирующей в них кровью и лимфой.

В настоящее время экспериментами на животных и людях-добровольцах установлено, что плотность тока проводимостью 0,1 мкА/см и ниже не влияет на работу мозга, так как импульсные биотоки, обычно протекающие в мозгу, существенно превышают плотность такого тока проводимости.

При плотностью тока проводимостью 1 мкА/см в глазах человека наблюдается мелькание световых кругов, более высокие плотности токов уже захватывают пороговые значения стимуляции сенсорных рецепторов, а также нервных и мышечных клеток, что ведет к появлению испуга, непроизвольным двигательным реакциям.

В случае касания человека к изолированным от земли объектам в зоне электрического поля значительной интенсивности, плотность тока в зоне сердца сильно зависит от состояния «подстилающих» условий (вида обуви, состояния почвы и т. д.), но уже может достигать этих величин.

При максимальном токе, соответствующем Еmах == 15 кВ/м (6,225 мА), известной доле этого тока, втекающего через область головы (около 1/3), и площади головы (около 100 см ) плотность тока<0,1 мкА/см, что и подтверждает допустимость принятой напряженности 15 кВ/м под проводами воздушной линии.

Для здоровья человека проблема состоит в определении связи между плотностью тока, наведенного в тканях, и магнитной индукцией внешнего поля

40. Магнітні властивості тіла людини – приклад розрахунку.

Живой организм создает вокруг себя сложную картину физических полей и излучений - в оптическом и радиодиапазоне, инфракрасных и ультрафиолетовых, электрических, магнитных и акустических. 

Принимается существование клеточных полей, охарактеризованных следующим образом: с каждой клеткой связано непрерывно существующее собственное поле, источник которого как-то связан с её ядром. Поле имеет векторный характер, векторы направлены от источника (от центра), причём поле обладает постоянной, специфической для данного вида анизотропией. Будучи приблизительно радиальной структуры, клеточное поле обладает, конечно, декрементом (затухает с удалением от источника - ред.), но предполагается его заметное действие и за пределами каждой клетки... Функция поля состоит в том, чтобы направлять возбуждённые (то есть имеющие необходимый запас энергии) биологические молекулы в определённые точки пространства с определённой скоростью; направление движения молекул определяется направлением вектора поля, а скорость их движения - интенсивностью поля в данной точке" Клеточное поле - это не какое-либо из известных физических полей и, тем более, не свидетельство присутствия высших, сверхвещественных сил.

Все живые организмы обладают электрическими полями и, как следствие, магнитными полями сложной природы Эти поля полностью пропадают со смертью". Таким образом, можно говорить о том, что биологические системы излучают электромагнитные волны. Немецкий физик док. Попп (Рорр) провел исследования и доказал, что эти электромагнитные излучения могут быть экспериментально измерены и что все биологические процессы можно свести к электромагнитным воздействиям. Традиционная медицина сегодняшнего дня встала перед необходимостью признать существование не только видимого и плотного тела, но и невидимого электромагнитного. В отличие от плотного тела, в котором все занимает строго определенную позицию, имеет объем и достоверные границы, электромагнитное тело, напротив, не имеет однозначных границ и очертаний. Раньше полагали, что информация в организме передается только гуморальными и невральными путями. Сегодня эта точка зрения устарела. Нервные волокна и жидкости организма (кровь, лимфа) переносят информацию моторного и сенсорного раздражения, переносят биохимические вещества, участвующие в тканевом катаболизме и метаболизме. Попп показал, что невообразимо огромное количество информации, существующее внутри организма, может передаваться только с помощью излучения. Нервы и жидкости организма слишком "медлительны" для выполнения этой задачи. Электромагнитные колебания ответственны за все процессы обмена веществ, за рост и отмирание, за образование ферментов и тепловую регуляцию, осознанный и подсознательный прием информации.

41. Дисперсія імпедансу живих тканин – приклад розрахунку.

При наложении внешней разности потенциалов в тканях возникает противоположно направленное электрическое поле, которое значительно уменьшает приложенное внешнее поле и обуславливает высокое удельное сопротивление постоянному току.

При этом сначала возникают те виды поляризации, которые имеют меньше время релаксации. Более полную информацию о биологическом объекте можно получить при измерении его электропроводности на переменном токе. Так как биологические системы способны накапливать электрические заряды при прохождении через них тока, то их электрические свойства недостаточно описывать только с помощью активного сопротивления R. Необходимо также учитывать наличие у тканей и реактивного, емкостного сопротивления Rх, определяемого соотношением:

Суммарное сопротивление биологических объектов называется импедансом. Для последовательно соединенных R и С импеданс определяется по формуле:

Из формул следует, что импеданс изменяется с изменением частоты тока, на котором проводится измерение: при увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается. Зависимость импеданса от частоты тока называется дисперсией импеданса.

42. Вплив різних частот магнітного поля на організм, характеристики п’яти основних інтервалів частот від 10 КГц до 3000 ГГц.

Спектр частот электромагнитных полей условно подразделяется на следующие диапазоны: низкие частоты (НЧ) до 30 кГц, высокие частоты(ВЧ) 30 кГц – 30 мГц, ультравысокие частоты (УВЧ) 30 мГц – 300 мГц, сверхвысокие частоты (СВЧ) 300 мГц – 300 гГц. Вокруг источника излучения волн можно выделить три зоны: ближнюю – зону индукции, промежуточную – зону интерференции, дальнюю – зону излучения.

В зоне индукции интенсивность электрического и магнитного полей оценивается раздельно, величинами электрической и магнитной составляющих в вольтах на метр (В/м) для электрического и в амперах на метр (А/м) для магнитного полей. Такая оценка осуществляется для источников НЧ, ВЧ и УВЧ излучений. Работающие с СВЧ источниками практически находятся в волновой зоне.Интенсивность поля в этом случае оценивается величиной плотности потока энергии – количеством энергии, приходящейся на единицу поверхности, и выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Степень воздействия электромагнитных полей на человека зависит в первую очередь от интенсивности облучения. Из других факторов следует учитывать такие, как длительность воздействия и диапазон радиочастот.

При воздействии электромагнитных полей на организм человека происходит частичное поглощение их энергии тканями тела. Под действием высокочастотных электромагнитных полей в тканях возникают высокочастотные токи, сопровождающиеся тепловым эффектом. Длительное и систематическое воздействие на работающих электромагнитных полей различных частот большой интенсивности может вызвать повышенную утомляемость, периодически появляющуюся головную боль, сонливость или нарушение сна, повышение артериального давления и боли в области сердца. Под воздействием электромагнитных полей сверхвысоких частот наблюдаются изменения в крови, увеличение щитовидной железы, катаракта глаз, а у отдельных лиц — изменения в психической сфере (неустойчивые настроения, ипохондрические реакции) и трофические явления (выпадение волос, ломкость ногтей).

Функциональные нарушения, вызванные биологическим действием электромагнитных полей, способны в организме аккумулироваться (накапливаться), но являются обратимыми, если прекратить контакт с излучением или улучшить условия труда. Однако необходимо отметить, что такая обратимость функциональных сдвигов не является беспредельной и в значительной мере определяется, наряду с интенсивностью и длительностью воздействия излучения, индивидуальными особенностями организма.

Для предупреждения профессиональных заболеваний советским законодательством установлены предварительные и периодические медицинские осмотры, а также определены медицинские противопоказания при отборе лиц, направляемых на работу с высокочастотными установками.

43. Магнітно-динамічний ефект, ефект Холла.

Cила Лоренца є причиною виникнення ефекту Холла. Ефектом Холла називають появу поперечної різниці потенціалів, що виникає у провіднику зі струмом, внесеному у магнітне поле, вектор індукції якого перпендикулярний до напрямку струму.

Принцип лікувального електрофорезу з позицій закону електролізу Фарадея та ефекту Холла

Эффект Холла наблюдается в сосудах с направленным движением

крови и лимфы. Величина протекающего тока I пропорцио-

нальна концентрации и заряду ионов в электролите и скорости их пе-

ремещения (например скорости кровотока). Тогда на стенках сосуда

возникает поперечная ЭДС (ЭДС Холла) UХ = (RХ [IB])/d, где RХ - по-

стоянная Холла, d – диаметр сосуда. На собственные биоэлектрические потенциалы, вызванные физиологическими процессами, накладываются потенциалы, индуцированные внешним магнитным полем.

44. Електромагнітне поглинання та його допустимі значення.

Электромагнитная энергия, которая излучается, к примеру, сотовым телефоном, вызывает усиление колебательных, вращательных движений молекул, что выражается в увеличением температуры ткани. Величина SAR имеет размерность Вт/кг. Ватты - это та мощность ЭМП, которая поглотилась 1 кг ткани. До 2001 года приемлемой величиной было значение 2 Вт/кг. С 2001 года его уменьшили (из-за массы данных о негативных медицинских последствиях сотовой связи) до 0,8 Вт/кг.

Энергетическая нагрузка ЭН_Е, создаваемая электрическим полем: ЭН_Е = Е²Т,

Энергетическая нагрузка ЭН_Н, создаваемая магнитным полем: ЭН_Н = Н²Т.

Максимальные значения

ЭН_Е = 20000 В²·ч/м², ЭН_Н = 200 А²·ч/м².

Максимальные напряженности электрического и магнитного полей

Е_ПД = 500 В/м, Н_ПД = 50 А/м.

Плотность потока энергии и предельно допустимая энергетическая нагрузка.

Энергетическая нагрузка : ЭН_ППЭ = ППЭ·Т.

Предельно допустимое значение ППЭ зависит от времени пребывания в зоне облучения, но в любом случае не должно превышать 10 Вт/м² (1000 мкВт/см²).

Предельно допустимая ЭН_ППЭ = 2 Вт·ч/м²

(200 мкВт/см²

45. Джерела електромагнітного випромінювання в побуті та механізми їх негативного впливу на людину.

Данные об излучении, а вернее о величинах плотности потока (ПП) электромагнитного излучения различных источников показывают, что их воздействие на организм человека превышает естественный уровень в миллионы и даже триллионы раз. Следовательно, мы живем в условиях чрезвычайно сильного электромагнитного шума, который бьет по нашему организму.

46. Принципи магнітотерапії.

Низкочастотная магнитотерапия – применение с лечебной целью переменных, постоянно прерывистых и импульсных магнитных полей низкой частоты (50…1000 Гц). Механизм лечебного воздействия обусловлен не величиной выделившегося тепла (оно мало вследствие низкой частоты поля), а его раздражающим действием.

47. Лікувальна дія постійного струму.

Связано с движением ионов, их пространственным разделением и изменением концентраций в тканях. Поэтому прохождение электрического тока через биоткани как проводник второго рода (электролит) сопровождается явлением электролиза. Масса вещества, которая выделяется на электродах при прохождении тока через электролит, пропорциональна величине перенесенного заряда и может быть описана первым законом электролиза Фарадея

M = K·q = K·I· t

K = A/(F·Z),

где q – заряд, t – время протекания тока, К – коэффициент пропорциональности, F – число Фарадея, А – атомный вес, Z – валентность вещества ионов.

Для живых тканей закон электролиза выполняется условно, по-этому более справедливо выражение M ~ K·I·t.

Рассмотрим некоторые примеры использования постоянных токов в медицине для диагностических и терапевтических целей

48. Залежність щільності та глибини тканинного струму від розміру, кількості та розташування електродів на тілі.

Характер и глубина воздействия электрического тока на организм человека зависит от силы и рода тока, времени его действия, пути прохождения через тело человека, физического и психологического состояния последнего. Так, сопротивление человека в нормальных условиях при сухой неповрежденной коже составляет сотни килоом, но при неблагоприятных условиях может упасть до 1 килоома.

  Ощутимым является ток около 1 мА. При большем токе человек начинает ощущать неприятные болезненные сокращения мышц, а при токе 12-15 мА уже не в состоянии управлять своей мышечной системой и не может самостоятельно оторваться от источника тока. Такой ток называется неотпускающим. Действие тока свыше 25 мА на мышечные ткани ведет к параличу дыхательных мышц и остановке дыхания. При дальнейшем увеличении тока может наступить фибрилляция сердца.

Переменный ток более опасен, чем постоянный. Имеет значение то, какими участками тела человек касается токоведущей части. Наиболее опасны те пути, при которых поражается головной или спинной мозг (голова-руки, голова-ноги), сердце и легкие (руки-ноги). Любые электроработы нужно вести вдали от заземленных элементов оборудования (в том числе водопроводных труб, труб и радиаторов отопления), чтобы исключить случайное прикосновение к ним.

Нашел еще какоето баяно-устройство в описании к нему написано вот такую хуиту: расчеты показывают, что глубина проникновения электрического поля в материал зависит от величины контактной разности потенциалов и концентрации свободных электронов в выбранном веществе и лежит в пределах от сотен до нескольких тысяч ангстрем. Для работы устройства необходимо, чтобы толщина пленки металла была меньше глубины проникновения электрического поля, в противном случае более толстые слои металла зашунтируют вырабатываемый электрический ток и ожидаемого эффекта не будет.

49. Принцип лікувального електрофорезу з позицій закону електролізу Фарадея та ефекту Холла.

Одновременное воздействие на организм постоянного электрического тока и лекарственного вещества, поступающего в организм с током через кожные покровы или слизистые оболочки. При электрофорезе между электродом и кожей помещают прокладку или гель, содержащие раствор лекарственного вещества. Обязательным требованием является диссоциация вещества на ионы в растворе. Лекарственные вещества, введенные с помощью постоянного тока, образуют кожно-ионное «депо», из которого посредством крово- и лимфотока распределяются по всему организму.

50. Вплив імпульсного струму на біологічні об’єкти.

Воздействие на биологические объекты импульсными токами

на низких, звуковых и ультразвуковых частотах вызывает смещение ионов, их разделение, изменение концентрации внутри клетки и в межклеточном пространстве. Биологический эффект – раздражение, стимуляция физиологических процессов. Величина реакции биологического объекта зависит от формы, длительности, амплитуды импульсов, а также от частоты их следования. Зависимость амплитуды порогового тока раздражения импульсов прямоугольной формы от их длительности показана на рис. 2.5.

51. Характеристики лікувального імпульсного струму.

Импульсные токи, используемые в лечебных целях

• прямоугольной формы, частота повторения F = 1…2 Гц, длительностьτи = 0,8…3 мс, применяются для электрокардиостимуляции;

• прямоугольной формы, F = 1…130 Гц, длительности = 0,2…2 мс (токи Ледюка), используются для получения состояния, аналогичного физиологическому сну (электросон);

• треугольной формы, F = 100 Гц, длительностьτи = 1…1,5 мс, вызывают сокраще ние мышц;

- экспоненциальной формы, F = 8…100 Гц, длительностьτи = 2…60 мс (токи Лапика), применяются для стимуляции мышц или электрогимнастики.

52. Принцип дії кардіодефібрилятора.

Фібриляція шлуночків серця − найчастіша причина раптової зупинки серця у дорослих. Первинні реанімаційні заходи (масаж серця і штучне дихання) у таких хворих не можуть перевести фібриляцію у нормальний ритм. Лише своєчасна (рання) дефібриляція є єдиним шансом відновити гемодинамічно ефективні серцеві скорочення і врятувати хворого із зупинкою кровообігу від неминучої смерті. Своєчасна дефібриляція – це дефібриляція, яка здійснена впродовж перших 5-ти хвилин після виникнення кардіальної катастрофи. З кожною хвилиною затримки шанси на виживання падають на 10-15 %. Після 7-10 хвилин з моменту виникнення фібриляції повернути пацієнта до життя стає, практично, неможливо.

При електричній дефібриляції, через тіло хворого по двох розташованих на грудній клітці електродах пропускається короткий (до 0,01 секунд) електричний розряд високої напруги, що викликає одномоментну деполяризацію максимального числа кардіоміоцитів, що дозволяє купірувати наявні порушення ритму серця і дає можливість водію серцевого ритму відновити нормальний перебіг збудження. Короткі високоамплітудні імпульси, що використовуються для дефібриляції, отримують шляхом розряду накопичувального конденсатора.