2) амплитуды ЭМП
3) поляризованности ЭМП
4) скорости распространения
Дисперсия электропроводности — это изменение электропроводности биологической среды при изменении частоты электромагнитного поля. В гармоническом поле ток определяется соотношением J(ω) = σ(ω)E(ω), где σ(ω) — частотно-зависимая проводимость, а ω — круговая частота. Для реальных тканей также учитывают комплексную проводимость: её действительная часть характеризует перенос заряда и потери энергии, а мнимая — процессы накопления электрической энергии, связанные с ёмкостными свойствами мембран и дипольной поляризацией.
Частотная зависимость формируется несколькими механизмами: движением ионов в межклеточной жидкости, поляризацией клеточных мембран, межфазной поляризацией тканей и ориентацией диполей воды. На низких частотах мембраны клеток препятствуют прохождению переменного тока, поэтому ток преимущественно распространяется по внеклеточному пространству. При повышении частоты ёмкостное сопротивление мембран уменьшается, ток начинает проходить через клетки, и измеряемая эффективная проводимость обычно возрастает. Эти закономерности лежат в основе биоимпедансной спектроскопии и оценки состава, состояния и структурной неоднородности тканей.
Амплитуда поля не определяет дисперсию в линейном приближении: она влияет на величину тока, но не изменяет intrinsic-параметр ткани, если отсутствуют нелинейность, нагрев или электропорация. Поляризация поля может иметь значение для анизотропных тканей, например мышц и нервных волокон, однако это характеризует направленную зависимость проводимости, а не её частотную дисперсию. Скорость распространения является производной характеристикой электромагнитной волны и зависит от диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и проводимости среды.
| Диапазон частот | Преимущественный механизм | Особенности проводимости тканей | Практическое значение |
|---|---|---|---|
| Низкие частоты, примерно до единиц кГц | Ионная проводимость внеклеточной жидкости и накопление зарядов у мембран | Клеточные мембраны действуют как высокоомные ёмкостные барьеры | Оценка внеклеточного сопротивления и контактных эффектов |
| Альфа-дисперсия, ориентировочно Гц–кГц | Диффузионная поляризация и межфазные процессы | Проводимость существенно зависит от состава электролитов и поверхности клеток | Характеристика ионного обмена и состояния клеточных структур |
| Бета-дисперсия, ориентировочно кГц–МГц | Поляризация клеточных мембран и межклеточных границ | С ростом частоты мембранное сопротивление для переменного тока снижается | Биоимпедансная оценка клеточности, отёка и тканевой неоднородности |
| Мегагерцевый диапазон | Прохождение тока через внутриклеточную и внеклеточную жидкость | Эффективная проводимость возрастает и в большей степени отражает общий водно-электролитный состав | Анализ гидратации и электрических свойств мягких тканей |
| Гамма-дисперсия, преимущественно сотни МГц–ГГц | Поворот диполей воды и релаксационные процессы | Вклад диэлектрической поляризации становится доминирующим | Расчёт поглощения энергии при радиочастотном и микроволновом воздействии |
| Анизотропная ткань при изменении направления поля | Ориентация волокон и неодинаковая проводимость по разным направлениям | Проводимость зависит от направления, но её дисперсия по-прежнему определяется частотой | Оценка мышечной, нервной и соединительной ткани |
В медицинской физике дисперсионные характеристики получают методом спектрального измерения импеданса или проводимости в заданном диапазоне частот. Изменение формы и положения дисперсионных участков может отражать нарушение целостности мембран, изменение содержания воды, отёк или некроз. Интерпретация результатов требует учитывать температуру, геометрию измерительной системы, электродную поляризацию и анизотропию ткани. Поэтому частота является определяющим параметром описания дисперсии электропроводности, тогда как остальные характеристики относятся к условиям распространения или измерения поля.