Л3_пед_Процессы,_происходящие_в_тканях_под_действием_электрических

1. Prof. V.F. Voino-Yasenetsky KrasSMU, MOH, Russian Federation Department of medical and biological physics

Процессы, происходящие в тканях
под действием электрических токов и
электромагнитных полей.
лекция №3
для студентов 1 курса, обучающихся по специальности
31.05.02 - Педиатрия
к.ф.-м.н., доцент Романова Н.Ю.
Красноярск, 2025

2. Цель лекции:

• Повторить основные понятия
и характеристики
электрических полей и токов.
Ознакомить обучающихся с
процессами, происходящими
в тканях под действием
электрических токов и
электромагнитных полей
высокой и низкой частоты, а
так же их применением в
медицине.
Узнать об электрических
сигналах тканей и органов.
2

3. План лекции:

• Электрическое поле. Потенциал.
Вещество, находящееся в
электрическом поле.
• Электрическая емкость. Энергия
электрических полей.
• Электрические свойства
биологических тканей.
• Физические принципы
электрокардиографии
• Воздействие электрических токов
различной частоты на
биологические ткани.

4.

Электрическое поле - это тип материи,
который генерируется электрически
заряженными телами или переменным
магнитным полем и проявляется при
воздействии на заряженное тело.

5. Актуальность темы

Работа всех органов человека
связана с электрическими явлениями,
возникающими в результате генерации
потенциалов действия на мембранах
клеток.
В ряде медицинских устройств и
аппаратуры используется воздействие
электрических и магнитных полей.
Да и само использование электронных схем в медицине требует
элементарного понимания основных понятий электродинамики.

6. Электрический заряд, электростатическое поле, электрический ток

• Электрический заряд - это скалярная физическая
величина, определяющая интенсивность
электромагнитного взаимодействия.
• Электростатическое поле - это вид материи, через
которую взаимодействуют стационарные
электрические заряды.
• Электрический ток - это любое упорядоченное
(направленное) движение электрических зарядов.

7. Элементарный электрический заряд -

Элементарный электрический заряд фундаментальная
физическая
постоянная, минимальная доля (квант)
электрического заряда.
е = 1,6·10−19 Кл
в международной системе единиц (СИ).
Закон,
определяющий
силу
взаимодействия
так
называемых
точечных зарядов, был установлен
Кулоном в 1785 году.
Точечный заряд - это заряженное
тело, размерами которого можно
пренебречь
по
сравнению
с
расстояниями от этого тела до других
заряженных тел.

8. Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя точечными
зарядами пропорциональна величине каждого из
зарядов и обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними.

9.

Характеристики электрического поля:
1) напряженность
электрического
поля E -
это
характеристика электрического поля.
Величина вектора E, численно равная силе, действующей на единичный заряд,
расположенный
в
данной
точке
поля,
называется
напряженностью
электрического поля в этой точке. Направление вектора E совпадает с
направлением силы, действующей на положительный заряд
Единицей измерения E является Вольт/м.
Если F - сила, действующая со стороны электрического поля на заряд
(q), то
F
E
q

10.

Электрическое поле системы зарядов равно векторной
сумме напряженностей полей, которые создавались бы
каждым из зарядов системы в отдельности:
Электрическое поле можно задать, указав значение и
направление вектора E для каждой точки. Комбинация этих
векторов
образует
поле
вектора
напряженности
электрического поля.
L
Е
U В
L м

11.

Потенциал электрического поля ( )
– характеризует энергию электрического поля.
Единицей измерения является вольт (В).
W
q
W - потенциальная энергия электрического поля, (Дж)
q - заряд, помещенный в некоторую точку электрического
поля (Кл)
E E1 ... En
1 ... n
Разность потенциалов - электрическое напряжение
(единицы измерения - Вольты)
U
E
l
l
V
m - простейший случай

12.

Поверхности с одинаковым потенциалом называются
эквипотенциальными поверхностями.
Линии электрического поля перпендикулярны
эквипотенциалам и направлены от более высокого к более
низкому потенциалу.
Эквипотенциальные
поверхности
сердечного диполя

13.

Электрический диполь
- является ли система двух точечных зарядов
одинаковой по абсолютной величине и
противоположной по знаку (+q и –q), с
расстоянием друг от друга, которое равно
значительно меньше расстояния до точек, в
которых определено системное поле Прямая
линия, проходящая через оба заряда, называется
осью диполя.
Силовые линии и
Расстояние l называется плечо диполя.
эквипотенциальные
поверхности
электрического диполя
- дипольный момент (модуль = заряд
плечо
диполя)
направленный
от
отрицательного заряда диполя к
положительному.

14.

Токовый диполь
- представляет собой систему из истока и стока.
Основной характеристикой диполя тока является
дипольный момент:
D I L
−I(сток)
D
+I (исток)
Суммарный потенциал в точке, расположенной
на расстоянии r от суммарного диполя, равна сумме
потенциалов элементарных диполей Di:
n
ρ
D i cosα i
2
4π r i 1

15. Основы кардиографии. Теория Эйнтховена

U АС
R
T
P
Q
t
S

16.

•Функциональное состояние
состояние клеток, тканей или
органов определяется степенью их
электрической активности.
•Для определения функционального
состояния используются различные
методы электрографической
диагностики (электрография).
Электрография представляет собой метод
графической регистрации биоэлектрической
активности органа или ткани в диагностических
целях.
Во время электрографического исследования,
регистрируется изменение разности потенциалов
между двумя определенными точками тела
(отведениями) с течением времени.

17. Значения биопотенциалов

Амплитуда, мкВ
Биопотенциалы
максимальная
минимальная
ЭКГ
1500-2000
100-300
ЭМГ
1000-1500
30-40
ЭЭГ
200-300
5-10
https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSeYriSH5J40cV
Q4KB2dMcBAdI8fbM67Ks8uPh4KLtdB1BNlhg/viewform

18. Физические принципы электрокардиографии

1)Сердце – мощная мышца. При
синхронном возбуждении всех волокон
сердечной мышцы в среде,
окружающей сердце, течет ток,
который даже на поверхности тела
создает потенциал порядка
нескольких мВ.
2)Согласно теории Эйнтховена, сердце
можно рассматривать как токовый
диполь, в изотропной проводящей
среде с дипольным моментом D,
который поворачивается, изменяя свое
положение за время сердечного цикла.
3)Все ткани и органы, весь организм –
однородная проводящая среда (с
одинаковым удельным
сопротивлением).
Виллем Эйнтховен
(1860-1927),
Голландский
физиолог, пионер
электрокардиографи;
в 1924 году он был
удостоен Нобелевской
премии по
физиологии и
медицине.

19. Значения дипольного момента рс

Объект
Масса
сердца, г
Масса тела, кг
Рс, мА•см
Крыса
1,10
0,277
0,107
Собака
108
14,2
1,63
Человек
300
71,5
2,32
19

20.

Эйнтховен предложил измерить разность потенциалов
электрического поля, генерируемого сердцем, в следующих трех
точках: правая рука, левая рука, левая нога.
Треугольник стандартных отведений (треугольник Эйнтховена)
представляет собой правильный треугольник, вершинами которого
являются точки R, L и F.
Токовый полюс сердца расположен в центре треугольника.
Первое отведение – это
разности
потенциалов
между точками R и L,
Второе отведение – это
разности
потенциалов
между точками R и F,
Третье отведение – это
разности
потенциалов
между точками L и F.

21.

В модели Эйнтховена разности потенциалов пропорциональны
значениям
проекций вектора дипольного момента сердца
( D ) на соответствующие стороны треугольника отведений:
U1 : U 2 : U 3 D1 : D2 : D3
D

22.

Положение вектора в
момент, когда
дипольный момент
сердца максимален.
синоартериальный
Эквипотенциальные
поверхности

23.

Электрокардиограмма - это временная зависимость
разности потенциалов ( = U), которая регистрируется в
каждом из трех стандартных отведений.
Обычно сигнал, регистрируемый во втором стандартном
отведении, является наиболее сильным.

24.

Считается, что начало вектора
находится в синусовом
(синоартериальном) узле.
Конец вектора D в течение одного сердечного цикла описывает в
пространстве три петли, изменяясь как по величине, так и по
направлению.
На кардиограмме можно выделить 5 стандартных волн, которые
принято обозначать буквами P, Q, R, S, T.
Из трех петель, описываемых концом вектора диполя тока сердца
(D) в течение сердечного цикла,
1-я петля связана с зубцом Р,
2-я - с комплексом QRS-волн,
3-я - с зубцом Т
Падение возбуждения
желудочков
U АС
R
T
P
Q
возбуждение
предсердий
t
S
возбуждение
желудочков

25.

Кардиограмма на
миллиметровой бумаге:

26. Расчет сердечных потенциалов с помощью ЭКГ

Determine the sensitivity of the electrocardiogr
Для определения чувствительности
the calibration
signal
электрокардиографа
используется
калибровочный
сигнал
hК
(мм/мВ),
S =
(mm/mV), where hК is the heigh
UК
где hk - высота калибровочного импульса, Uk calibration pulse, UК is the standard calibration vo
стандартное калибровочное напряжение (для
this electrocardiograph
К=1mV).
данного электрокардиографа
Uk=1UмВ).
Электрокардиографы
содержат источник
калибровочного
сигнала. Это точно
откалиброванное
напряжение (1 мВ),
которое подается на
вход усилителя и
записывается на ленту
в виде прямоугольного
импульса.
Для расчета разности
потенциалов U,
соответствующей
каждому зубцу,
используется формула
U = h/S,
где h - это высота
соответствующего
"зубца" на
кардиограмме

27. Расчет периодов и частоты сердечных сокращений с использованием ЭКГ

Измерьте для каждого
отведения длину L интервалов
в отведениях.
Рассчитайте длительность
интервалов по формуле:
t = L/v,
v - скорость лентопротяжного
механизма.
Для расчета частоты
сердечных сокращений в
минуту используется
формула:
ЧСС=60/tR-R

28.

Такой
диагностический
метод,
электрокардиография,
как
вектор-
также
связан
с
регистрацией потенциалов, вызванных работой сердца.
При
вектор-электрокардиографии
электроды
располагаются
вблизи
области
сердца
в
трех
перпендикулярных плоскостях.

29. Электрический ток

- представляет собой поток заряженных частиц, таких
как электроны или ионы, движущихся по
электрическому проводнику или пространству.
- Электроны, дырки, ионы - называются носителями
заряда, в зависимости от типа проводника.
- Единицей измерения электрического
тока в системе СИ является ампер.
? Ионы, ионизация

30. Электрическое сопротивление

U
R
I
R
- электрическое сопротивление
проводника (единицы измерения: Ом)
А
1
A - площадь его поперечного сечения;
- это коэффициент, зависящий от
свойств материала, называемый
удельным электрическим
сопротивлением
- удельная проводимость.

31.

32. Переменный и постоянный ток

• В системах переменного тока движение электрического
заряда периодически меняет направление. Обычной
формой сигнала в цепи питания переменного тока
является синусоидальная волна.
• Постоянный ток относится к системе, в которой движение
электрического заряда происходит только в одном
направлении. Постоянный ток вырабатывается такими
источниками, как батареи, термопары, солнечные
элементы и т.д.
• Переменный ток также может быть преобразован в
постоянный ток с помощью выпрямителя.

33. Вещество в электрическом поле

34. Диэлектрик в электрическом поле Поляризация диэлектрика

Поляризация диэлектрика - это смещение связанных зарядов,
из которых состоят молекулы диэлектрика, под действием
внешнего поля E0.

35.

Проводник в
электрическом поле
E
Свободные заряды перемещаются внутри проводника, до
тех пор, пока силовые линии электрического поля не станут
перпендикулярны поверхности.
Внутри проводника не существует электрического поля,
поскольку свободные заряды в проводнике продолжали бы
двигаться в ответ на любое поле до тех пор, пока оно не было
бы нейтрализовано.

36.

Клетка Фарадея
https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSeYriSH5J40cV
Q4KB2dMcBAdI8fbM67Ks8uPh4KLtdB1BNlhg/viewform

37.

Емкость, конденсатор
Конденсатор - это устройство, которое
накапливает электрическую энергию в
электрическом поле, которое существует между
любыми двумя электрическими проводниками.

38.

39.

40.

Энергия электрического поля заряженного
конденсатора

41.

42.

Электрические свойства биологических тканей.
Воздействие электрических токов на
биологические ткани.
Огромное
количество
диагностических
и
терапевтических методов современной медицины
основано на эффектах, развивающихся в тканях
человеческого организма под воздействием внешних
электрических токов и электромагнитных полей.

43.

Воздействие электрических токов и полей
на биологические объекты зависит от:
1. Свойств внешних электрических токов или полей.
2. Собственных
электрических
характеристик
биологической ткани.

44. Электрические свойства биологических тканей

Все биологические ткани можно разделить на: проводники
(хорошо проводят электрический ток) и диэлектрики (плохо
проводят электрический ток).
Проводники: спинномозговая жидкость, кровь, лимфа
(кровенаполненные ткани).
Диэлектрики: это кости без надкостницы, нервная система,
сухожилия, жировая ткань.

45.

Удельная электрическая проводимость ( )
различных биологических тканей:
Biological
tissue
Specific
conductivity
, Ohm m
-1
cerebro-spinal
fluid
blood
muscular tissue
nervous tissue
adipose
bone without
peri-osteum
1.8
0.6
0.5
7·10-2
3·10-2
10-7
-1
• Лучшим проводником
электрического тока
является
спинномозговая
жидкость.
• Лучшим диэлектриком
является кость без
надкостницы.
• Другие ткани организма
обладают смешанными
свойствами с точки
зрения проводимости

46. .

Два класса проводников:
• металлы (свободными носителями заряда являются
электроны)
• электролиты (свободными носителями заряда являются
ионы).
Биологические ткани относятся к проводникам второго
класса - переносчиками тока в биологических тканях
являются ионы).
? Ионы, ионизация

47.

Биологические ткани обладают
только:
активным сопротивлением (R)
емкостным сопротивлением (XC )
Индуктивное сопротивление
биологической ткани XL равно
нулю:
• XL ≈ 0.

48. Воздействие электрических токов на биологические ткани

Воздействие
электрического тока
на ткани зависит от
типа тока.
Основные виды тока :
• постоянный ток
• переменный ток
• импульсный ток

49.

Постоянный ток
Под воздействием постоянного тока положительные и
отрицательные
ионы
в
ткани
движутся
в
противоположных направлениях:
положительные ионы (катионы) движутся к катоду (-) и
накапливаются под ним;
отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду (+).
Основным механизмом воздействия постоянного тока на
биологические ткани является изменение обычных
концентраций ионов в различных участках тканей.

50. Переменный ток

Воздействие переменного тока на ткани
может быть различным и зависит от его
частоты:
при низких частотах переменный ток вызывает
раздражение возбудимых тканей (аналогично
импульсному току);
при высоких частотах переменный ток вызывает
тепловой эффект (нагрев тканей).

51. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине:

Низкие (НЧ)
Звуковые (ЗЧ)
До 20 Гц
20 Гц – 30 кГц
Ультразвуковые и
надтональные (УЗЧ)
Высокие (ВЧ)
20 кГц – 200 кГц
200 кГц – 30 МГц
Ультравысокие (УВЧ)
30 – 300 МГц
Сверхвысокие (СВЧ)
Свыше 300 МГц

52. Низкочастотная терапия:

1. Гальванизация
2. Медицинский электрофорез
3. Амплипульсотерапия
4. Диадинамическая терапия
5. Электростимуляция
6. Электросонотерапия
7. Электронаркоз
8. Электрохирургия
и т.д.

53.

Амплипульс
Электросон

54.

Гальванизация
Напряжение U=60-80 В, плотность тока j ≤ 1 А·м-2
Устройство для гальванизации
выпрямитель переменного тока.
представляет
собой
Электроды, используемые для подачи тока к пациенту,
изготавливаются из листового свинца или фольги.
Гидрофильные слои, смоченные водой или физиологическим
раствором, помещаются между кожей пациента и электродами.

55.

Реакции человеческого организма на
постоянный и низкочастотный ток:
1. Стимуляция кровообращения, лимфотока, обмена
веществ.
2. Раздражение тканей под катодом (“-” электрод) и
снижение чувствительности тканей под анодом (“+”
электрод) - эффект местного обезболивания.

56. Медицинский электрофорез

- это терапевтический метод
введения лекарственных веществ
через
кожу
или
слизистые
оболочки
под
воздействием
постоянного тока.
Медицинский электрофорез
проводится аналогично
гальванизации, но один из
гидрофильных слоев смачивается
не водой, а специальным
лекарственным раствором.

57.

Введение лекарственных веществ с помощью
электрофореза
возможно,
если
лекарство,
растворяясь в воде, образует ионы.
Анионы вводятся пациенту из-под катода, катионы
вводятся пациенту из-под анода.
Electrodes
Medical substance

58.

Импульсные токи
- зависит от времени периодически, но не гармонически.
Одиночные электрические импульсы также используются в
медицине.
Электрические импульсы могут иметь различную форму –
прямоугольную, треугольную, трапециевидную и т.д.

59. Действие переменного и импульсного токов НЧ, ЗЧ, УЗЧ.

Действие, которое оказывают на
организм
переменный или импульсный ток, зависит от
частоты, максимальной силы тока и формы
его импульсов.
Как и постоянный ток, оказывает раздражающее
действие.
Возбудимые ткани:
• мышечные
• нервные
• железистые

60. Порог ощутимого тока

- минимальная сила
тока, раздражающее
действие которого
ощущает человек.
У мужчин для участка «предплечье-кисть» на
частоте 50 Гц эта величина составляет
приблизительно 1 мА. У детей и женщин
пороговые значения обычно меньше.

61. Электрический импульс

- кратковременное изменение электрического
напряжения или силы тока на фоне некоторого
постоянного значения.
Выделяют две группы импульсов:
Видеоимпульсы — электрические
импульсы постоянного тока или
напряжения.
Радиоимпульсы —
модулированные
Видеоимпульсы
электромагнитные
колебания.
Радиоимпульс

62.

Крутизна фронта импульса
и порог ощутимого тока
При использовании импульсного тока раздражающее действие
зависит от формы, амплитуды и длительности импульсов.
При увеличении крутизны фронта уменьшается пороговая
сила тока, который вызывает раздражение.
Наибольшей крутизной переднего фронта обладают
прямоугольные импульсы,
поэтому пороговая сила тока, который вызывает
раздражение, для них минимальна.
Раздражающее действие тока обусловлено ускорением
при перемещении ионов тканевых электролитов.