ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................... 5
Глава I. Методы и устройства измерения импеданса биологических объектов (обзор литературы)................... 10
1.1. Активная и реактивные составляющие проводимости биологических объектов......................................... 10
1.2. Методы анализа кондуктометрических и импедансометрических исследований биообъектов................................ 19
1.3. Методы исключения влияния поляризации электродов.......... 30
1.4. Возможности использования метода импедансометрии и кондуктометрии в медико-биологических исследованиях............ 32
1.5.Постоновка задачи исследования 33
Глава И. Изучение емкостных свойств биологических тканей в системе электрод-биологическая ткань-электрод (экспериментально-методическая)................................ 36
2.1. Методика исследования емкостных параметров биологических объектов и емкостных свойств границы раздела электрод-ткань на импульсном сигнале........................... 36
2.2. Результаты исследования емкостных свойств системы электрод-биологическая ткань-электрод по электрическим переходным процессам........................................... 41
2.3. Анализ результатов исследования электрических переходных процессов при воздействии на биообъекты
импульсного сигнала............................................ 52
Глава III. Исследование низкочастотной емкости биологических
объектов на синусоидальном сигнале............................. 56
3.1. Аппаратура и методика измерения импеданса и сдвига фаз между током и падением напряжения в биологической ткани 56
2
3.2. Расчет емкости биологической ткани в трехэлементной эквивалентной электрической схеме............................. 60
3.3. Методика экспериментального определения емкости БТ по данным измерения импеданса и сдвига фаз....................... 63
• 3.4. Диэлектрическая проницаемость биологической ткани с
учетом параметров измерительной ячейки......................... 65
3.5. Сравнительная оценка времени релаксации для низкочастотной дисперсии относительной диэлектрической проницаемости с расчетным временем дрейфа свободных в
пределах клетки носителей заряда............................... 67
Глава IV. Разработка нового устройства для измерения активной и реактивной составляющих импеданса биообъектов ... 71
4.1. Анализ известных методов раздельного измерения
• активной и емкостной составляющих импеданса биологических
объектов....................................................... 71
4.2 Теоретическое обоснование функциональной блок-схемы нового устройства для раздельной регистрации составляющей импеданса биообъектов.......................................... 74
4.3. Схемно-конструктивная реатизация электронного устройства для раздельного измерения активной и емкостной составляющих импеданса........................................ 80
4.4. Сравнительный анализ точности измерения составляющих
• импеданса биообъектов различными методами...................... 83
Глава V. Применение разработанного устройства для измерения активной и емкостной составляющих импеданса в медикобиологических исследованиях................................... 90
з
5.1. Биофизические механизмы лечебного воздействия радоновых ванн и методика нетравматических измерений изменений электропроводности тела человека в условиях санаторно-курортного лечения............................... 90
5.2. Экспериментальные результаты измерений электропроводности тела человека в процессе лечения радоновыми ваннами и их регрессионный анализ............... 96
5.3. Оценка достоверности изменений электропроводности тела человека. Анализ полученных результатов...................... 104
Основные выводы.............................................. 109
Приложение................................................... 110
Литература................................................... 113
4
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ
I - величина тока [А]; и - величина напряжения [В];
Я - сопротивление объекта [Ом]; р - удельное сопротивление [Ом м]; а ■ - удельная электропроводность [Ом1 м1]; у - электропроводность объекта [см];
£0 - электрическая постоянная вакуума,
г - относительная диэлектрическая проницаемость среды; у - циклическая частота тока [с'1 = 1 Гц];
(о - круговая частота тока [Гц]; е - элементарный заряд,е = 1,610'19 Кл;
Ы - биологическая ткань;
УЭ- удельная электропроводность;
НЧ - низкая частота;
ВЧ - высокая частота.
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Современный уровень медико-биологических исследований электрических свойств биологических объектов не ограничивается изучением относительных изменений электропроводности (реография), а требует перехода к исследованию удельных электрических характеристик .Электрические параметры биообъектов, как удельный импеданс, относительная диэлектрическая проницаемость и удельная электропроводность достаточно тесно коррелируют с морфофункциональным состоянием биологических тканей.
Возможность проведения экспресс-импедансометрических исследований, нетравматичность измерений определяют перспективность широкого применения их в экспериментальных исследованиях и в клинике в качестве дополнительного диагностического критерия для количественной оценки патологических изменений в тканях и органах. Однако отсутствие физически обоснованных методов разделения составляющих комплексного сопротивления биологических объектов и устройств для непосредственной раздельной регистрации активного и емкостного сопротивления на различных частотах уменьшает возможности имнедансо.метрических методов.
В связи с вышеизложенным, представляет интерес разработка физически обоснованной теории разделения активных и емкостных параметров биообъектов с использованием адекватной электрической модели биологического объекта, а также разработка теории и создание устройства для раздельной регистрации активной и емкостной составляющих импеданса. Можно достаточно уверенно предположить, что низкочастотные характеристики емкостного сопротивления и элеюропроводносги более тесно связаны с особенностями клеточной
структуры тканей и могут дать наиболее объективную информацию о физиологическом состоянии тканей и его изменениях.
Цель • работы. Разработка физически обоснованной теории разделения активных и емкостных характеристик биологических объектов и создание устройств для раздельной регистрации активной и емкостной составляющих импеданса.
Основные задачи исследования.
1. Изучить распределение емкостных и резистивных свойств в биологической ткани (БТ) и на границе раздела электрод - ткань путем анализа электрических переходных процессов при воздействии импульсного сигнала на систему электрод - биологическая ткань -электрод.
2. Провести анализ низкочастотных измерений импеданса и сдвига фаз между током и напряжением на основе трехэлементной эквивалентной элекгрической схемы биологической ткани и обосновать возможность определения удельной электропроводности и относительной
диэлектрической проницаемости по импедансометрическим измерениям.
3. Теоретически обосновать возможность раздельной регистрации составляющих импеданса биологических объектов в динамическом режиме и разработать принципиально новую функциональную блок-схему прибора.
4. Показать информативную ценность метода раздельной регистрации активной и емкостной составляющих комплексного сопротивления
биологических тканей и положительный эффект от использования
созданного устройства для раздельного измерения активной и емкостной составляющих импеданса в медико-биологичсских исследованиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложен новый физически обоснованный метод расчета
емкостных параметров биологических объектов, на базе данных
измерения полного комплексного сопротивления и сдвига фаз между током и напряжением в биологической ткани. Результаты экспериментов, проведенные с использованием разработанной модели, позволили установить новую низкочастотную область дисперсии относительной диэлектрической проницаемости в биологической ткани.
Теоретически обоснована принципиально новая функциональная блок-схема устройства для раздельной регистрации активной и емкостной составляющих импеданса биологических объектов.
Практическое значение работы Анализ эквивалентной электрической схемы модели биологической ткани показывает, что данные раздельного измерения активной и емкостной составляющих импеданса биообъектов несут дополнительную информацию о физиологическом состоянии биологической ткани. Научно-
исследовательским институтом Измерительных приборов НПО "Кристалл" но нашим разработкам были изготовлены 10 опытных образцов приборов, которые используются в клиниках г. Новосибирска, г. Душанбе и в ПИИ Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. Опыт использования разработанного устройства для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологической ткани, как в наших медико-биологических исследованиях, так и результаты применения в клиниках рядом других исследователей показал практическую ценность наших разработок для экспериментальной и клинической медицины.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Разработка новых методов расчета емкостных свойств биологических тканей по результатам измерения импеданса и сдвига фаз между током и напряжением в биологической ткани, основанных на анализе физически обоснованной эквивалентной электрической схемы биологической ткани.
2. Теоретическое обоснование принципиально новой функциональной блок-схемы и разработка оригинального устройства для раздельного измерения составляющих комплексного сопротивления биологических объектов.
3. Методики экспериментального определения емкости БТ по данным измерения импеданса и сдвига фаз и результаты исследований низкочастотной емкости биологических тканей на импульсном и синусоидальном сигналах.
4. Положительный эффект использования разработанных методов и устройств раздельной регистрации активной и емкостной составляющих импеданса биологических объектов в медико - биологических исследованиях в клиниках.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на 2-ой Всесоюзной конференции “Проблемы физики прочности и пластичности полимеров” (Душанбе, 1990 г.); Всероссийском симпозиуме “Проблемы родонотерапии” (Белокуриха, 1992 г.); на семинаре лаборатории Института физиологии Сибирского отделения РАМІІ (1993 г.); международной научно-практической конференции “Химия и проблемы экологии” (Душанбе, 1998 г.); научной конференции “Физика конденсированных сред”, посвященной 70-летию академика АН РТ Адхамова А. А., ФТИ АН РТ (Душанбе, 1998 г.); научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава Технологического университета Таджикистана (Душанбе, 1999 г.); на международном симпозиуме “Наука о полимерах на пороге XXI века” (Ташкент, 1999 г.); на 48- годичной научно-практической конференции ТГМУ ( Душанбе, 2001г.); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ТГНУ и ТГМУ, а также научных семинарах научно-исследовательского отдела “Физика конденсированных сред” ТГНУ и кафедре медицинской и биологической физики ТГМУ.
9
Объем и структура диссертации.
Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, а также Приложения и списка литературы, включающего 119 отечественных и иностранных источников. Текст иллюстрирован 8 таблицами и 26 рисунками.
Диссертация выполнена в соответствии с плановой темой научно-исследовательской работы Новосибирского медицинского института "Изучение термодинамических, оптических и электрических свойств биологических тканей" (номер государственной регистрации 0185.0079050) в рамках Договора о научном и техническом сотрудничестве между Таджикским государственным медицинским университетом и .Новосибирским медицинским институтом.
- Київ+380960830922