Ćwiczenie nr 16

POMIAR PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH SKÓRY

1. Opis teoretyczny:
Prace elektrofizjologów dowiodły, że istnieje ścisły związek pomiędzy stanem czynnościowym
skóry a jej właściwosciami. I tak:
1

o

struktura warstwy skóry i występujące w niej różnice stężeń jonów sprzyjają powstawaniu biopo-

tencjałów. Różnica potencjałów pomiędzy stroną wewnętrzną a zewnętrzną skóry zawiera się w prze-
dziale 30-50 mV (strona wewnętrzna ma potencjał ujemny); na wartość tej różnicy wpływa czynność
gruczołów potowych i naczyń krwionośnych.
2

o

przyłożenie do skóry wzdłużnego napięcia zewnętrznego powoduje, że zachowuje się ona jak

układ elektryczny zawierający opory czynne i pojemności. Z racji ogromnej liczby elementów składo-
wych układ jest bardzo złożony, trudny do zbadania i jednoznacznego opisu. Wynika stąd koniecz-
ność dokonywania założeń upraszczających w toku poszukiwania modelu elektrycznego o takich war-
tościach parametrów elektrycznych, które są zbliżone do wartości parametrów elektrycznych skóry.
Posłużymy się uproszczonym modelem (rys. 1).

Układ ten charakteryzują następujące parametry:
a) przewodność stała gałęzi z oporem R, G

s

= R

-1

wyrażona w simensach: [G

s

] = S = (ohm)

- 1

,

b) przewodność zmienna o początkowej wartości
G

zo

= r

-1

- przewodność gałęzi zawierającej po-

jemność C i opór r.
c) pojemność C.
d) parametr wiążący dwie ostatnie wielkości tzw.
stałą czasową T określoną wyrażeniem T = r .C.

Parametry te, szczególnie G

s

i C, okazują się użyteczne przy ocenie stanów czynnościowych

skóry. Niestety określenie "normy" dla tych parametrów nie jest łatwe, ponieważ ich wartości są różne
u różnych osób; zależą od ich stanu zdrowia i lokalizacji badanego miejsca. Zwiększenie się pojem-
ności i przewodności stałej notuje się w stanach zapalnych skóry, zmniejszenie zaś u chorych z twar-
dziną uogólnioną i przy porażeniach połowiczych pochodzenia mózgowego.
2. Opis doświadczalny.

Metoda pomiaru, wykorzystywana w ćwiczeniu, polega na rejestracji przebiegu prądu płynącego przez
skórę przy doprowadzeniu do niej napięcia w postaci skoku jednostkowego. Na modelu elrktrycznym
skóry prześledzić można procesy zachodzące w układzie przy tego rodzaju pobudzeniu. Odpowiedż
układu (prąd płynący przez układ) zawiera dwie składowe: stałą (odpowiedzialna gałąź z oporem R),
oraz zmienną (odpowiedzialna gałąź z oporem r i pojemnością C).
Zaistniałe w obwodzie sytuacje oddaje rys. 2.
Z analizy zachowania się modelu, odzwierciedlającego w przybliżeniu właściwości elektryczne
skóry, wynika, że pobudzając skórę skokiem napięcia i rejestrując jej odpowiedż - prąd przez nią pły-
nący - możemy w sposób zilustrowany na rys. 3 ustalić: G

s

, G

zo

, stałą czasową T (zgodnie z defini-

cją - stała czasowa to czas po upływie którego natężenie prądu spadnie do wartości 1/2,7 wartości
początkowej) oraz pośrednio pojemność C - ze wzoru C = T . r -1 = T . G

zo

.

Zastosowanie prądu stałego nie pozwala na zmierzenie pojemności skóry (przez gałąż z po-
jemnością w stanie ustalonym prąd nie płynie). Wykorzystanie prądu zmiennego napotyka na trudno-
ści związane z występującymi w tkankach zjawiskami dyspersji. W porównaniu z innymi metodami re-
jestracja odpowiedzi skokowej skóry pozwala na proste i szybkie wyznaczenie parametrów G

s

i C w

obrębie interesującego nas miejsca skóry (jest to metoda wygodna także w badaniach klinicznych).

3. Układ pomiarowy (do wyznaczenia odpowiedzi skokowej skóry - rys. 4).

E

1

i E

2

- elektrody, B - układ badany.

Na skórę badanej osoby przykłada się dwie elektrody (powierzchnie elektrod posmarować cien-
ką warstwą żelu). W wyniku przyłożenia do elektrod skokowej zmiany napięcia przez skórę płynie
prąd, który na oporniku pomiarowym R

p

(R

p

jest znany i Rp << R

wewn

. oscyloskopu) wywołuje spadek

potencjału rejestrowany na ekranie oscyloskopu. Spadek potencjału na R

p

jest wprost proporcjonalny

do prądu płynącego przez skórę. Wartość G

s

i G

zo

, czyli odpowiadające im wartości składowych prą-

du, odczytujemy z ekranu znając czułość oscyloskopu oraz opór R

p

. Natomiast do odczytania stałej

czasowej T konieczna jest znajomość podstawy czasu oscyloskopu. Pobudzenie skóry uzyskuje się
dzięki generatorowi impulsów prostokątnych (G - rys. 4); ciąg tych impulsów synchronizuje oscylo-
skop (O) w wyniku czego obraz (otrzymany na ekranie) nie przesuwa się.

4. Przebieg ćwiczenia.

1

0

Przygotować oscyloskop do pracy (nacisnąć POWER on; nacisnąć BEAM).

2

0

Włączyć generator impulsów prostokątnych po czym za pomocą oscyloskopu (ustalić czułość na 2

V/cm i podstawę czasu na 0,1 ms/cm) zmierzyć amplitudę i czas trwania impulsów bezpośrednio z
generatora (łączymy b e z p o ś r e d n i o generator z input oscyloskopu).
3

0

. Przy włączonym w obwód pomiarowy modelu elektrycznym skóry przewody z generatora ------>

WE modelu; punkty K i L zwarte przewodem (żółty), nastawić czułość i podstawę czasu oscylo-
skopu w ten sposób, aby obserwowana odpowiedż układu zajmowała możliwie dużą powierzchnię
ekranu. Znając czułość oscyloskopu i wartość oporu R

p

(R

p

= 5,5 . 10

4

ohm) wyliczyć jakiej przewod-

ności odpowiada 1cm skali na ekranie
Odczytać wartości parametrów G

s

, G

zo

i T modelu; obliczyć pojemność C. Narysować obserwowane

przebiegi (w arkuszu ćwiczeń).
4

0

Przykładając elektrody na skórę badanej osoby wykonać pomiary parametrów (elektrody pokryte

żelem połączyć z punktami K i L modelu; "gorący" punkt WE modelu połączyć przewodem z punk-
tem K modelu) jak w punkcie 3

0

ćwiczenia w dwóch różnych

miejscach skóry.
5

0

Powtórzyć pomiary z punktu 4

0

u drugiej osoby.

6

0

Porównać wyniki, narysować obserwowane przebiegi.

UWAGA: W modelu elektrycznym skóry przyjąć następujące wartości oporów:

R

p

= 5,5 . 10

4

ohm, R = 5,5 . 10

4

ohm, r = 4 . 10

4

ohm.

Wymagane wiadomości teoretyczne:
1. Pojęcia: oporu, oporu właściwego, przewodności i pojemności elektrycznej.
2. Prąd stały i prąd zmienny. Zasada działania oscyloskopu.

PROPONOWANA LITERATURA:
1. B. Kędzia; Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki.
2. R. Glaser; Wstęp do biofizyki (rozdział 5.4.2).

1. Przerysować poniżej obserwowane na ekranie oscyloskopu przebiegi. Na osiach zaznaczyć jednostki.

Akademia Medyczna we Wrocławiu

Katedra Biofizyki

Ćwiczenie 16

Pomiar parametrów elektrycznych skóry

..................................................................

..................................................................

Imiona i nazwiska studentów

Podpis prowadzącego ćwiczenia

Wydział:

Data:

Grupa studencka:
Numer zespołu:

Ocena:

sygnał bezpośrednio z generatora model skóry, gałąź R (P

1

- out, P

2

- in)

model skóry, gałąź r,c (P

1

- in, P

2

- out) model skóry, gałęzie R i r,c (P

1

- in, P

2

- in)

2. Do tabeli wpisać obliczone z wykresów wartości G

S

, G

ZO

i T. Obliczyć i wpisać do tabeli wartość C.

G

S

G

ZO

T

C

Model elektryczny

Skóra

3. Przerysować z ekranu na papier milimetrowy przebiegi uzyskane wg punktów 4 i 5 instrukcji dla skóry. Wy-

liczyć wartości G

S

, G

ZO

, T, C dla skóry i wpisać je do tabeli.