BIOFIZYKA

LABORATORIUM NR 3

TEMAT:

Praktyczne zastosowanie pomiaru impedancji tkanek

Anna Zielińska

IB gr.1

1. WSTĘP TEORETYCZNY

Budowa i własności elektryczne skóry.

Skóra składa się z trzech warstw:

- z naskórka, który jest warstwą zewnętrzną, okrywającą. Pełni funkcję ochronną i rozrodczą. Posiada barwnik melaninę, który nadaje włosom i skórze barwę; naskórek dzieli się na 4 lub 5 warstw w zależności od grubości:

• warstwa podstawna

• warstwa kolczysta

• warstwa ziarnista

• warstwa jasna, występująca tylko w miejscach gdzie skóra jest gruba

• warstwa rogowa

- ze skóry właściwej, która jest warstwą środkową, zawiera receptory, naczynia krwionośne, nerwy oraz gruczoły, a także korzenie włosów. Pełni rolę odżywczą i wspierającą.

- z tkanki podskórnej, która jest warstwą najgłębszą, zbudowaną z tkanki łącznej właściwej luźnej. Zawiera ona komórki tłuszczowe, przez co izoluje przed nagłymi zmianami temperatury.

Właściwości elektryczne tkanek zależne są od właściwości komórek i substancji międzykomórkowej. Znaczący jest tutaj udział cytoplazmy, która wykazuje cechy złożonego elektrolitu, w którym część składników stanowi środowisko dyspersyjne a inne fazę dyspersyjną. Błona komórkowa jest pod względem przewodności izolatorem. Wiele innych struktur komórkowych wykazuje cechy półprzewodników.

Różnica potencjałów pomiędzy wnętrzem a warstwą zewnętrzną skóry wynosi ok. 30-50 mV. Wartość ta jednak silnie zależy od aktywności gruczołowej.

Schemat zastępczy skóry:

,gdzie:

Rp- rezystancja warstwy zrogowaciałej naskórka

Rs- rezystancja głębszych warstw naskórka i wnętrza człowieka

Ri- rezystancja z uwzględnieniem gruczołów potowych

Impedancja jest uogólnieniem oporu elektrycznego w obwodach prądu zmiennego. Impedancja jest wielkością zespoloną. Część rzeczywista impedancji opisuje opór związany z prądem płynącym w fazie zgodnej z przyłożonym napięciem, część urojona – z prądem przesuniętym w fazie, który wyprzedza przyłożone napięcie lub jest opóźniony względem niego. Impedancja jest równa ilorazowi napięcia i natężenia prądu:

Jednostką zarówno części rzeczywistej jak i urojonej impedancji w układzie SI jest Ohm- Ω

Impedancja skóry zależna jest od częstotliwości i wyrażona jest wzorem:

Przy niewielkich częstotliwościach, wskutek dużego oporu elektrycznego błony, następuje izolacja jonów we wnętrzu komórki zostaje indukowany dipol, a wartość przenikalności elektrycznej jest bardzo duża. Ze wzrostem częstotliwości efekt ten zanika, aż do sytuacji, gdy opór pojemnościowy błony zawiera wyłącznie opór błony lipidowej, a wnętrze komórki bierze udział w przewodzeniu prądu. Zależność częstotliwościowa przewodności i przenikalności elektrycznej występuje dla wszystkich rodzajów tkanek – zjawisko to nazywane jest dyspersją.

1. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Ćwiczenie polegało na obliczeniu impedancji ciała człowieka. W tym celu do pomiarów posłużyła specjalne zbudowana waga, która oprócz wskazania masy ciała człowieka, pokazywała także procentową zawartość tłuszczu, masy mięśniowej, wody i kości. Aby uzyskać wyniki pomiarów należało wprowadzić wzrost osoby badanej oraz stanąć gołymi stopami na metalowych powierzchniach, przez które przepływał prąd, dzięki wygenerowanemu przez urządzenie impulsowi elektrycznemu. Układ ten badał impedancję w sposób noga-noga, który nie jest najdokładniejszym sposobem, ale pozwala na stosunkowo wiarygodne pomiary. Przy takich pomiarach przepuszczany prąd ma wartość 1 mA, częstotliwość 50 kHz oraz kształt sinusa. Wartości zmierzone na woltomierzu powinny wynieść od 310 do 500 mV. Przyjmuje się, że 50% impedancji to jedna noga i 50% to druga.

1. WYNIKI I OBLICZENIA

Wartości zmierzone dla mnie:

-Wzrost- 171 cm

-Waga- 72,1 kg

-Zawartość tłuszczu – 25,60 %

-Zawartość wody – 58,8 %

-Zawartość mięśni – 37 %

-Zawartość kości – 15 %

-Zapotrzebowanie dzienne energii – 2255 kcal.

Na podstawie powyższych pomiarów wyznaczamy parametry takie jak Total Body Water, Fat Free Mass, Fat Mass, Skeletal Muscle, Bone Mass. Aby obliczyć te parametry w większości mnożymy uzyskane wyniki procentowe przez masę ciała. Jedynie Fat Free Mass obliczamy odejmując Fat Mass od wagi:

TBW = 72,1*58,8%=42,39 kg

FM = 72,1*25,60%=18,45 kg

SM = 72,1*37%=26,68 kg

BM = 72,1*15%=10,82 kg

FFM = 72,1 -18,45 = 53,64 kg

Następnie obliczamy rezystancję ciała na podstawie wzoru:

$$R = \frac{0,372*S^{2}}{TBW - 3,05P - 0,142W + 0,069A} = \frac{0,372*171^{2}}{42,39 - 3,05*0 - 0,142*72,1 + 0,069*22}$$

=323, 02 [Ω]

, gdzie:

R - rezystancja

S – wzrost w cm

P – płeć (dla mężczyzn 1, dla kobiet 0)

W – waga w kg

A – wiek w latach

TBW- Total Body Water

Znając wartość rezystancji możemy obliczyć moduł impedancji ze wzoru:

$$\left| Z \right| = \ \frac{R}{0,95} = \frac{323,02}{0,95} = 340,02 \approx 340\ \lbrack\Omega\rbrack$$

1. WNIOSKI

Rezystancja mojego ciała wynosi 323,02[Ω], a zatem mieści się w normie (310-500 Ω). Zmierzona waga powoduje powstanie niepewności w obliczeniach zarówno rezystancji jak i pozostałych parametrów, gdyż została zmierzona z dokładnością do ok. 2 kg, które stanowią ubrania osoby mierzonej. Można zatem stwierdzić, że niepewność wynosi ok. 3%, w związku z czym niepewność obliczonej rezystancji wynosi ok. 9,69 Ω. Można zauważyć także, że zsumowane wyniki procentowe dają więcej niż 100%, wiążę się to z tym, że w skład innych tkanek wchodzi woda zawyżając ich udział procentowy.