Биофизические основы физиотерапии - часть 2

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ ОРГАНИЗМА

1.1. Электрические и магнитные свойства

биологических тканей

1.1.1. Электрические свойства живых тканей

Характер взаимодействия ЭМП (электромагнитного поля) с

различными тканями определяется их электрическими и маг-

нитными свойствами. Параметрами этих свойств являются:

удельная электропроводность λ, характеризующая концентра-

цию и подвижность свободных заряженных частиц биоло-

гических тканей, а также их диэлектрическая (ε) и магнитная

(µ) проницаемость. Они отражают степень уменьшения сило-

вых характеристик электрического и магнитного полей в раз-

личных тканях по сравнению с вакуумом. На основе этих па-

раметров можно рассчитать силовые характеристики электро-

магнитного поля в тканях и количественно оценить процес-

сы, происходящие при воздействии ЭМП на ткани.

В состав различных тканей и сред организма входят ионы,

пространственно ориентированные полярные и неполярные

макромолекулы различных линейных размеров и диполи

воды. Разные ткани содержат их в неодинаковой пропорции,

поэтому каждая из них обладает различными диэлектриче-

скими свойствами и электропроводностью.

Электропроводность живых тканей определяется концент-

рацией ионов и их подвижностью. В межклеточной жидкости

с максимальным содержанием носителей тока — ионов —

удельная электропроводность достаточно высока и составляет

1 См/м (сименс на метр). В цитозоле, содержащем органел-

лы и крупные белковые макромолекулы, напротив, она пони-

жается до 0.003 См/м. Удельная электропроводность плаз-

молеммы и внутриклеточных мембран, составляющих до

50 % массы клетки, еще ниже: (1—3) 10

-11

 См/м.

Из-за малого количества межклеточной жидкости и выра-

женной компартментализации (наличия мембранных ячеек)

цитозоля. существенно ограничивающей подвижность содер-

жащихся в нем ионов, удельная электропроводность целых

органов и тканей значительно меньше, чем составляющих их

12

сред. Наибольшие величины проводимости (0.6—2.0  С м / м )

имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, спин-

номозговая жидкость, моча), а также мышечная ткань

(0.2  С м / м ) . Удельная электропроводность костной, жиро-

вой, нервной ткани, а в особенности грубоволокнистой сое-

динительной ткани и зубной эмали, напротив, значительно

ниже: 10

-3

—10

-6

  С м / м .

Электропроводность кожи зависит от ее толщины, состоя-

ния дериватов и содержания воды. Толщина эпидермиса

большинства участков тела составляет 0.07—0.12 мм. а на ла-

донных поверхностях кистей и подошвенных поверхностях

стоп достигает 0.8—1.4 мм. Содержание воды в поверхност-

ном слое — всего 10 % от массы клеток, тогда как в нижеле-

жащих слоях оно доходит до 70 %. Площадь потовых и саль-

ных желез, волосяных фолликулов на разных участках тела

неодинакова: 0.5 % поверхности кожных покровов. С учетом

этих особенностей удельная электропроводность отдельных

участков кожи существенно различается и составляет

10

-3

—2*10

-2

  С м / м . Известно, что сухая кожа является пло-

хим проводником электрического тока, тогда как влажная

проводит его хорошо.

Диэлектрическая проницаемость характеризует способ-

ность к пространственному смешению структур тканей и об-

разованию объемного дипольного момента (поляризации).

Она обусловлена преимущественно связанными зарядами,

полярными и неполярными макромолекулами различных

линейных размеров и диполями воды. Относительная ди-

электрическая проницаемость различных тканей для посто-

янного электрического поля составляет 10

3

—10

6

. Кардиналь-

ной особенностью организма человека является наличие ча-

стотной зависимости (дисперсии) пассивных электрических

свойств тканей, связанных с неодинаковым состоянием за-

ряженных частиц, при воздействии ЭМП различной частоты

(рис. 1.1).

На низких частотах (до 10

3

 Гц) клетки практически полно-

стью экранируют ЭМП, которое не проникает внутрь них и

не вызывает перемещения внутриклеточных ионов. Увеличе-

ние удельной электропроводности тканей (λ) с нарастанием

частоты (f) (см. рис. 1.1, а) обусловлено тем. что ЭМП часто-

той 10

4

—10

8

 Гц воздействуют на внутриклеточные структуры

(крупные полярные молекулы), частота дипольной релакса-

ции которых, как следует из приведенного рисунка, совпада-

ет по порядку величины с частотой внешнего поля. На ука-

занных частотах полярные микроструктуры цитозоля «не

успевают» синфазно следовать за изменениями направления

Е-поля. В итоге вектор напряженности электрического

поля Е не сонаправлен вектору поляризации Р, а опережает

его. Угол между векторами Р и Е называется «угол диэлект-

13

Рис. 1.1. Частотная зависимость удельной электропроводности (а):

диэлектрической проницаемости (б) и взаимной ориентации векто-

ров напряженности электрического поля Е и поляризации Р биоло-
гических тканей.
а: 1 — ионы интерстиция. 2 — ионы интерстиция и цитозоля. 3 — ионы и

диполи интерстиция и цитозоля.

рических потерь». Вследствие возникновения угла диэлектри-

ческих потерь токи смешения (плотность которых пропорци-

ональна dР/dt) становятся не чисто реактивными, а у них по-

является активная составляющая, которая и обусловливает

увеличение эффективной проводимости на высоких частотах.

Однако причиной частотозависимого увеличения проводимо-

сти являются не ионные токи, а запаздывание вектора поляри-

зации Р относительно вектора напряженности электрического

поля Е на высоких частотах.

В частотной зависимости диэлектрической проницаемости

(см. рис. 1.1, б) также выделяют несколько областей диспер-

14

Рис. 1.1. Продолжение.

б: 1 — двойной электрический слой наружной мембраны. 2 — двойной

электрический слой мембранных компартментов цитоплазмы. 3 — поляр-

ные интегральные белки в мембранах. 4 — полярные гликолипиды и гли-

копротеиды. 5 — полярные фосфолипиды. 6 — углеводы. 7 —белки. 8 —

диполи поверхностно связанной волы. 9 — диполи объемной воды. Участ-

ки наиболее выраженной зависимости диэлектрической проницаемости от

частоты — области α-, β- и γ-дисперсии.

I — электропроводность внеклеточной жидкости: II — электропроводность

внутри- и внеклеточной среды.

сии. что указывает на различие механизмов поляризации тка-

ней в разных частотных диапазонах ЭМП. Каждый из меха-

низмов поляризации характеризуется своей частотой (харак-

теристической частотой релаксации), вблизи которой запаз-

дывание ориентации вектора Р различных клеточных и

субклеточных структур и биологических молекул относитель-

но вектора Е максимально. В этих областях частотная зависи-

мость диэлектрической проницаемости Е (v) наиболее выра-

жена. Выделяют три области дисперсии диэлектрической

проницаемости — α, β и γ отраженных на рис. 1.1. б. кото-

15

рые примерно соответствуют характеристическим частотам

релаксации 10

2

, 10

4

-10

8

, 10

9

-10

10

 Гц.

Область α-дисперсии диэлектрической проницаемости (на

частоте 10

2

 Гц) обусловлена поляризацией клеток и мембран-

ных компартментов. В ней участвует двойной электрический

слой, формирующийся вблизи поверхности мембран (см.

рис. 1.1, б). Одна его часть образована отрицательными заря-

дами гидроксильных и карбоксильных групп мембранных гли-

копротеидов, вторая — электрически связанными с ними по-

движными положительными зарядами (противоионами). При

наложении внешнего ЭМП последние смешаются вдоль по-

верхности мембраны и увлекают за собой приповерхностный

относительно клетки слой воды. Этот феномен и определяет

макроскопическую поверхностную поляризацию клеток.

Область β-дисперсии (охватывающая частоты 10

4

—10

8

 Гц)

обусловлена структурной поляризацией крупных полярных

молекул в составе клеточных мембран, в которой участвуют

белковые макромолекулы, а на ее верхней границе — глобу-

лярные водорастворимые белки, фосфолипиды и мельчайшие

субклеточные структуры.

Участок γ-дисперсии соотносят с ориентационными пово-

ротами (смещениями) молекул свободной воды на частоте

2-Ю

10

 Гц. Иногда выделяют δ-дисперсию, соответствующую

дипольной релаксации связанной воды сольватных оболочек,

а также низкомолекулярных полярных веществ типа Сахаров

и аминокислот (в частотном интервале 10

9

—10'° Гц).

1.1.2. Магнитные свойства живых тканей

В отличие от электрического поля биологические ткани

ослабляют внешнее магнитное поле в очень малой степени

(порядка 0,001 %). Большинство из них относятся к диамаг-

нетикам (сумма орбитальных и спиновых магнитных момен-

тов составляющих их биологических молекул равна нулю),

которые слабо преобразуют энергию магнитного поля. Энер-

гия магнитного поля, поглощаемая, например, плазмолем-

мой. не превышает 10

-26

 Дж. Магнитная проницаемость кле-

ток и практически всех жидкостей организма составляет

0,99995. Лишь некоторые молекулы, входящие в состав раз-

личных структур организма (молекулярный кислород, соли

железа, некоторые гидроперекиси и радикалы), имеют сум-

марный магнитный момент, не зависящий от внешнего маг-

нитного поля. Такие низкомолекулярные соединения относят

к парамагнетикам, магнитная проницаемость которых состав-

ляет 1.00005. Различие магнитных проницаемостей диа- и па-

рамагнетиков существенно не изменяет характера взаимодей-

ствия последних с внешним магнитным полем, так как их ве-

личины имеют одинаковый порядок.

16

1.2. Оптические свойства тканей организма

При взаимодействии с поверхностью тела человека часть оп-

тического излучения отражается, другая рассеивается, третья

поглощается, а четвертая проходит сквозь различные слои

биологических тканей. Отношения этих частей к падающему

потоку излучения характеризуют коэффициентами отраже-

ния, рассеяния, поглощения и пропускания тканей и сред.

Чаше всего объектом взаимодействия ЭМП оптического диа-

пазона с организмом является кожа. Коэффициент отраже-

ния оптического излучения слабопигментированной кожей

достигает 43—55 % и зависит от многих причин. У мужчин,

например, он на 5—7 % ниже, чем у женщин. Пигментиро-

ванная кожа отражает свет на 6—8 % слабее. Скользящее,

близкое к направлению по касательной, падение света на по-

верхность кожи увеличивает коэффициент отражения до

90 %.

Фотобиологические реакции возникают вследствие погло-

щения электромагнитной энергии, которая определяется

энергией световых квантов и возрастает с уменьшением дли-

ны волны. Характер взаимодействия оптического излучения с

биологическими тканями определяется его проникающей

способностью. Различные слои кожи неодинаково поглоща-

ют оптическое излучение разной длины волны (рис. 1.2).

Глубина проникновения света нарастает при переходе от

ультрафиолетового излучения до оранжевого с 0,7—0,8 до

2,5 мм, а для красного излучения составляет 20—30 мм.

В ближнем диапазоне инфракрасного излучения (на длине

волны 950 нм) проникающая способность достигает максиму-

ма и составляет 60—70 мм, а в среднем и дальнем диапазонах

резко снижается до 0,3—0,5 мм.

1.3. Механические свойства тканей организма

Реакции тканей организма на механические факторы опреде-

ляются их механическими свойствами, которые обусловлены

пространственно-временным распределением частиц тканей,

а также типом связей между ними. Основными параметрами

механических свойств тканей являются напряжение (σ

int

) и де-

формация (ε).

Напряжение σ

int

 в отличие от параметров внешнего сило-

вого воздействия (σ

ext

) отражает внутренние механические

возмущения, развивающиеся в тканях при действии на них

механических сил. Единицей его измерения также является

паскаль (Па).

Деформация ε — упругое возмущение, обусловленное изме-

нением пространственной структуры ткани, при котором

происходит перенос потока энергии упругой деформации без

17

Рис. 1.2. Проникающая способность оптического излучения в раз-

личные слои кожи человека.

По оси абсцисс — длина волны оптического излучения, γ мкм: по оси ор-

динат — проникающая способность. 1. мм.

переноса частиц среды. Деформация распространяется с вол-

ной из одной точки в другую и определяет тип механического

возмущения. Она характеризует отношение измененных ли-

нейных размеров единичного объема ткани при возбуждении

в ней колебаний к ее состоянию в покое и является функ-

цией внешнего напряжения и колебательного смещения час-

тиц среды:

ε = σ

ext

/Е. [1.1]

где Е — модуль Юнга — напряжение, при котором длина

единичного объема ткани увеличивается вдвое; σ

ехt

 — поверх-

ностные силы.

По реакции на внешние напряжения все ткани разделяют

на упругие, неупругие (вязкие) и вязкоупругие. Критерием та-

кого разделения служит наличие или отсутствие остаточной

деформации тканей.

При самопроизвольном восстановлении исходного состо-

яния с прекращением приложенного напряжения ткани от-

носят к упругим. В случае необратимой деформации под

действием внешних сил или остаточных внутренних напря-

жений говорят о вязких средах. Вязкость биологических сред

обусловлена наличием в их структурной решетке узлов, об-

разованных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Обуслов-

ленные этими силами связи нарушаются при сдвиговых де-

формациях и восстанавливаются после окончания воздейст-

вия. Разрушение этих надмолекулярных связей при некото-

рой «пороговой» интенсивности механического фактора

приводит к тиксотропии — обратимому изменению жидко-

кристаллической структуры цитозоля вследствие разрыва

слабых связей.

По плотности и типу пространственной структуры все тка-

ни организма разделяют на твердые (костная ткань, дентин

и эмаль зубов), мягкие (кожа, мышечная ткань, ткани парен-

химатозных органов, эндотелий сосудов) и жидкие (кровь,

лимфа, цереброспинальная жидкость, слюна, сперма).

Структурная неоднородность тканей организма, присущая

им анизотропия (различие механических свойств тканей в

разных направлениях), существование в них различных типов

волн (продольных, поперечных, сдвиговых) и активный ха-

рактер изменения их упругих и вязких свойств существенно

усложняют пространственно-временные характеристики раз-

вивающихся в них напряжений и деформаций. Они опреде-

ляются параметрами механических свойств его органов и тка-

ней — плотностью тканей ρ, скоростью звука с и модулем

упругости Е (табл. 1.1).

Т а б л и ц а 1.1. Параметры механических свойств биологических
тканей