KATEDRA I ZAKŁAD CHEMII LEKÓW

PRACOWNIA BIOFIZYKI

Pomiar wielkości biofizycznych cz.1 .

Pomiar impedancji skóry

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodyką pomiaru wybranej wielkości biofizycznej:

• Impedancji skóry ludzkiej

I. POMIAR IMPEDANCJI SKÓRY

Celem ćwiczenia jest poznanie jednej z metod pomiaru własności skóry człowieka. Prace elektro-fizjologów dowiodły, że istnieje ścisły związek pomiędzy stanem czynnościowym skóry a jej właściwościami.

1. Struktura warstwy skóry i występujące w niej różnice stężeń jonów sprzyjają powstaniu biopotencjałów. Różnica potencjałów pomiędzy stroną wewnętrzną a zewnętrzną skóry zawiera się w granicach 30 - 50 mV. Strona wewnętrzna ma potencjał ujemny. Na wartość tej różnicy wpływa czynność gruczołów potowych i naczyń krwionośnych.

2. Przyłożenie do skóry wzdłużnego napięcia zewnętrznego powoduje, że zachowuje się ona jak układ elektryczny zawierający opory czynne i pojemności. Z racji ogromnej ilości elementów składowych układ jest bardzo złożony, trudny do zbadania i jednoznacznego opisu. Wynika stąd konieczność dokonywania założeń upraszczających w toku poszukiwania modelu elektrycznego o takich warunkach parametrów elektrycznych, które są zbliżone do wartości parametrów elektrycznych skóry.

W ćwiczeniu posłużymy się uproszczonym modelem elektrycznym skóry ludzkiej przedstawionym na rys. 1. Układ ten charakteryzują następujące parametry:

1. oporność stała gałęzi z oporem R_S , wyrażonym w Ω.

2. Oporność zmienna w czasie z połączonymi szeregowo r i C o końcowej wartości r wyrażonej w Ω.

3. Pojemność C wyrażona w F.

4. Parametr wiążący dwie ostatnie wielkości to stała czasowa T = r⋅C wyrażona w sekundach.

Rys.1

Parametry te, szczególnie R_S i C, okazują się użyteczne przy ocenie stanów czynnościowych skóry. Niestety określenie dla nich normy nie jest proste, ponieważ ich wartości są różne dla różnych osób, zależą od ich stanu zdrowia i lokalizacji badanego miejsca. Stwierdzono, że zwiększenie się pojemności z jednoczesnym zmniejszeniem R_S obserwuje się w stanach zapalnych skóry. Zmniejszenie pojemności i zwiększenie R_S zaobserwowano u chorych z twardziną uogólnioną i przy porażeniach połowicznych pochodzenia mózgowego.

Wyznaczenie wartości R_S, r i C opisanego modelu ma szczególne znaczenie m. in. w badaniu skuteczności leków w postaci kremów, maści lub żeli, niektórych środków kosmetycznych, środków czystości mających spełniać konkretne wymagania BHP.

Zastosowanie prądu stałego nie pozwala na zmierzenie pojemności skóry (przez gałąź z pojemnością nie płynie prąd w stanie ustalonym). Wykorzystanie prądu zmiennego napotyka na trudności związane z występującymi w tkankach zjawiskami dyspersji. W porównaniu z innymi metodami rejestracja na odpowiedź skokową skóry pozwala na proste i szybkie wyznaczenie parametrów R_S i C w obrębie interesującego nas miejsca skóry (jest to metoda wygodna także w badaniach klinicznych).

Metoda pomiaru wykorzystywana w ćwiczeniu, polega na rejestracji przebiegu prądu płynącego przez skórę po doprowadzeniu do niej napięcia w postaci skoku jednostkowego. Idealny skok jednostkowy ma amplitudę równą nieskończoności i czas trwania dążący do 0. W tym przypadku zastąpi go ciąg impulsów prostokątnych o znanej amplitudzie i częstotliwości. Model elektryczny pozwala prześledzić procesy przy tego rodzaju pobudzeniu. Odpowiedź układu (prąd płynący przez układ) zawiera dwie składowe: stałą ( proporcjonalną do R_S ) oraz zmienną (wprowadzaną przez gałąź r - C). Przebiegi napięć i prądów w czasie przedstawiono na Rys. 2.

Rys.2

Z analizy zachowania się modelu, odzwierciedlającego w przybliżeniu właściwości elektryczne skóry, wynika, że pobudzając skórę skokiem napięcia U(t) i rejestrując jej odpowiedź I(t) ( w postaci płynącego przez nią prądu) możemy w sposób zilustrowany na rys. 3. wyliczyć R_S, r i C. R_zast - oporność zastępcza układu z Rys.1. Najmniejsza dla t = 0, największa i równa R_S dla t = ∝. Do obliczenia C potrzebna jest oprócz znajomości r wartość T. Stałą czasową T definiuje się jako czas po upływie, którego natężenie prądu spadnie do wartości 1/e (e ≈ 2,7) wartości początkowej. Wyznaczając więc T i korzystając z wzoru: T = r⋅C można bez trudu obliczyć także i parametr C.

Na suchą skórę badanej osoby przykłada się układ dwóch elektrod. W wyniku przyłożenia do elektrod skokowej zmiany napięcia przez skórę popłynie niewielki prąd, który na oporniku pomiarowym R_Z wywołuje spadek napięcia rejestrowany na ekranie oscyloskopu. R_Z jest oczywiście znany, a jego wartość znacznie mniejsza od oporności wewnętrznej oscyloskopu. Spadek napięcia na R_Z jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez skórę. Wartości R_S i r są proporcjonalne do odpowiadających im składowych prądu i napięcia na badanym układzie.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Przygotować układ zgodny ze schematem przedstawionym na Rys. 4.

1. Włączyć generator i oscyloskop - tylko w obecności prowadzącego ćwiczenie. Ustawić częstotliwość i amplitudę (NIE WIĘKSZĄ niż 2 V) wg uzyskanych zaleceń.

2. Oczyścić i założyć sondę pomiarową.

3. Ustabilizować przebieg na ekranie oscyloskopu. Dobrać wzmocnienie wzmacniacza Y oraz nastawy generatora podstawy czasu tak by uzyskać możliwie największy, stabilny obraz na ekranie oscyloskopu.

4. Jak najdokładniej odrysować zaobserwowane przebiegi (użyj do tego celu papier milimetrowy).

5. Powtórzyć pomiary jak w punktach 2 do 5, po 5-ciu minutach od wtarcia w badane miejsce niewielkiej ilości kremu lub żelu.

6. Powtórzyć powyższe pomiary u wszystkich ćwiczących. Porównać wyniki, wyciągnąć wnioski.

7. Omówić rodzaje i przyczyny występujących niepewności pomiarów. Oszacować wpływ poszczególnych obliczeń na wartość ostatecznych wyników.

Wykonaj obliczenia dla następujących założeń :

R_z = ...... ..... Ω ; R_z << R_s ­; U_G = .............. V

Rys. 3

1. Obliczenie wartości R_S. Zakładamy, że

. To znaczy, że przez gałąź r - C prąd nie płynie. Ponieważ R_Z << R_S otrzymujemy:

2. Obliczenie wartości r. Zakładamy, że t =0. To znaczy, że oporność gałęzi r - C wynosi tylko r [Ω]. Z rysunku 3 wynika, że:

3. Obliczenie pojemności C.

Dla t=T = r⋅C

ΔU_Z(r,C)_max / ΔU_Z(r,C) = 1/e = 1/2,7

Stałą czasową T [ ms ] wyznacza się z rysunku ekranu oscyloskopu. Na tej podstawie określa się wartość liczbową C [ F ] .

4. Wyniki końcowe przedstawić w postaci liczb zawierających najwyżej trzy cyfry znaczące i zapisać w Tabeli 1.

5. Na podstawie wskazówek prowadzącego zajęcia wykonać pomiar pojemności skóry przy pomocy profesjonalnego, specjalnie do tego przeznaczonego sprzętu firmy ............. Wykonać pomiar dla skóry suchej, a po 15 min. dla skóry pokrytej warstwą kremu. Wyniki wpisać do Tabeli 1.

6. Na podstawie wskazówek prowadzącego zajęcia wykonać pomiar parametrów skóry przy pomocy przyrządu firmy Omron. Umieścić wyniki w Tabeli 1.

7. Porównać między sobą otrzymane wyniki. Wszelkie spostrzeżenia umieścić w ostatnim punkcie sprawozdania - czyli: Uwagi i wnioski.

Spis literatury.

• Biofizyka. Podręcznik dla studentów pod redakcją Feliksa Jaroszyka.

• Fizykoterapia. Tadeusz Mika.

• Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki i fizyki pod redakcją Józefa Terleckiego.

• B. Kędzia; Materiały do ćwiczeń z biofizyki.

• R. Glaser; Wstęp do biofizyki.

Tabela 1

Ćwiczący	Skóra sucha	Skóra nawilżona
Pomiar impedancji metodą laboratoryjną	RS = . . . .	RS = . . . .
		r = . . . .	r = . . . .
		C = . . . .	C = . . . .
Pomiar tkanki tłuszczowej	K = . . . .	K = . . . .

SZABLON EKRANU OSCYLOSKOPU

A_Y = ............ V/dz ; A_X = .................. ms/dz

Każdy z ćwiczących przynosi po jednym szablonie ekranu oscyloskopu

PYTANIA PRZYGOTOWAWCZE

1. Wymień parametry charakteryzujące prąd stały i zmienny. Co to jest wartość skuteczna napięcia i prądu elektrycznego? Jakie mają one wartości w Polskiej sieci energetycznej?

2. Co to jest dzielnik napięć? Narysować schemat. Wyjaśnić rolę jaką pełni w układzie do pomiaru impedancji skóry?

3. Co to jest rezystancja, impedancja, konduktancja, admitancja.

4. Narysuj i omów schemat blokowy oscyloskopu.

5. Omów działanie generatora podstawy czasu. Przedstaw wykres wytwarzanego przez ten generator napięcia.

6. Wymień podstawowe funkcje skóry w organizmie człowieka.

ZAKRES MATERIAŁU Z FIZYKI Z ZAKRESU SZKOŁY ŚREDNIEJ

Natężenie prądu. Pierwsze prawo Kirchhoffa. Praca i moc prądu elektrycznego. Napięcie elektryczne. Zależność natężenia prądu od napięcia dla odcinka obwodu. Prawo Ohma. Prąd elektryczny w metalach z mikroskopowego punktu widzenia. Łączenie szeregowe i równoległe odbiorników energii elektrycznej. Siła elektromotoryczna źródła energii elektrycznej. Prawo Ohma dla obwodu. Drugie prawo Kirchhoffa. Łączenie źródeł sił elektromotorycznych. Źródła prądu stałego. Pojęcie sprawności. Prawo Joule'a - Lenza.

UWAGA. Na zajęcia przynieść kilka arkuszy papieru milimetrowego.

OPRACOWAŁ: mgr inż. Jerzy Gierczyk, dr Marek Wasek

TABELE NIEZBĘDNE DO WYKONANIA ĆWICZENIA

Tabela 1

Ćwiczący A	Skóra sucha	Skóra nawilżona
Pomiar impedancji metodą laboratoryjną	RS = . . . .	RS = . . . .
		r = . . . .	r = . . . .
		C = . . . .	C = . . . .
Pomiar tkanki tłuszczowej	K = . . . .	K = . . . .

SZABLON EKRANU OSCYLOSKOPU

A_Y = ............ V/dz ; A_X = .................. ms/dz

1

5

t

U

R_S

C

r

T

U_g

I

t

I(t) = U/R+(U/r)exp(-t/(rC))

ΔU_Z(r,C)/2.7

ΔU_Z(R_S)

t

I_Z; U_Z

ΔU_Z(r,C)

---