CC BY
219
УДК 681.2:615.47:616-072-7 В. В. КУЗНЕЦОВ
А. А. НОВИКОВ
Омский государственный технический университет
БИОИМПЕДАНСНАЯ ПОЛИЧАСТОТНАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ В ДИАГНОСТИКЕ НЕЙРОДЕРМАТОЛОГИЧЕСКИХ ПАТОЛОГИЙ_______________________________________
В статье описаны результаты исследования биоэлектрических свойств тканей, имеюих нейродерматологические патологии, а также произведен сравнительный анализ различных стадий развития этих патологий у пациентов в сравнении с контрольной группой лиц, не имеющей нейродерматологических отклонений, а также выдвинута гипотеза о взаимосвязи показателей активной и реактивной составляющей электрического сопротивления ткани с течением нейродерматологических заболеваний.
Ключевые слова: биоимпедансные показатели живых тканей, диагностика нейрофизиологических патологий, неинвазивная диагностика, методы и устройства оценки показателей жизнедеятельности живых систем.
Важным свойством биологических тканей является зависимость их удельной проводимости и относительной диэлектрической проницаемости от частоты тока. В этом смысле принято говорить, что указанные электрические свойства биологических тканей обладают дисперсией [1]. Данные зависимости характеризуются наличием трёх различных механизмов релаксации (областей дисперсии), обозначаемых как а, Р и у. С точки зрения биоимпедансного анализа, наибольший интерес представляет область Р-дис-персии, соответствующая частоте тока в интервале от 1 кГц до 1 МГц, так как частоты ниже 0,4 — 0,5 кГц не используются из-за эффекта электростимуляции тканей, а при значениях выше 0,5— 1,0 МГц значительно усложняется техника измерений [2].
Удельное сопротивление биологических тканей, определяемое для заданной частоты тока, может существенно изменяться под влиянием физиологических и патофизиологических факторов: почки и лёгкие изменяют электропроводность при различном крове- и воздухонаполнении, мышечные ткани — при различной степени сокращения мышц, кровь и лимфа — при изменении концентрации белков и электролитов, очаги повреждения (по сравнению с нормальной тканью) — в результате отёков или ишемий различной природы, опухолей и других причин. Это позволяет использовать биоимпедансо-метрию для количественной оценки состояния органов и систем организма при различных заболеваниях, а также для выявления изменений в тканях, вызываемых лекарственными, ортостатическими, физическими и другими нагрузками [3].
Названия и обозначения величин, непосредственно измеряемых при биоимпедансометрии, заимствованы из теории электрических цепей переменного тока. Импедансом (2) называют полное электрическое сопротивление тканей. Эта величина имеет две компоненты: активное (Я) и реактивное сопротивление (X). Активное, или омическое, сопро-
тивление характеризует способность тканей к тепловому рассеянию электрического тока. Реактивное сопротивление характеризуется смещением фазы тока относительно напряжения за счёт ёмкостных свойств клеточных мембран, способных накапливать электрический заряд на своей поверхности [4]. Этот процесс практически не связан с выделением мощности. Чаще всего для биоимпедансометри-ческой оценки состава тела применяются формулы, основанные на использовании активного сопротивления Я. Эти формулы базируются на простом соотношении для электрического сопротивления однородного изотропного проводника постоянного сечения, поперечные размеры которого много меньше его длины:
Я = р1/8 = р12 /V,
где 1 — длина, Б — площадь поперечного сечения, V — объём, а р — удельное сопротивление проводника. Проблема применения указанного соотношения к анализу живых систем состоит в том, что биологические ткани неоднородны по своему составу и обладают анизотропией. Например, проводимость мышц зависит от взаимной ориентации направления тока и мышечных волокон. Кроме того, площадь поперечного сечения тела вдоль направления зондирующего тока сильно варьирует в зонах, наиболее интересных для анализа. Важной характеристикой электрической проводимости тканей является отношение их ёмкостного и активного сопротивлений:
1дф = ХС/Я.
Величина ф в этом уравнении имеет название фазового угла, который характеризует сдвиг фазы переменного тока относительно напряжения. Полуокружность (график Коула — Коула) описывает теоретическую зависимость между активным и реак-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
тивным сопротивлением тканей при изменении частоты тока ! от 0 до + ¥ Верхняя точка полуокружности соответствует максимальному значению реактивного сопротивления тканей и характеристической частоте тока [5]. Типичные значения ХС и Я при измерении импеданса всего тела составляют 20 — 80 Ом и 200 — 800 Ом соответственно. Значения ф при частоте тока 50 кГц составляют в норме 7,6±1,0° у мужчин и 6,9±1,3° у женщин (пределы изменения от 3 до 10°). При увеличении частоты тока эта величина варьирует в более широких пределах [6]. Пониженные значения ХС связывают с нарушением диэлектрических свойств клеточных мембран и увеличением доли разрушенных клеток в организме. Наоборот, повышенные значения ёмкостного сопротивления отражают более высокое функциональное состояние клеточных мембран и, следовательно, самих клеток. Повышенные значения ХС отражают более высокое содержание активной клеточной массы.
Возможности биоимпедансометрии не исчерпываются оценкой интегральных показателей, относящихся ко всему организму. В диагностике многих заболеваний значительный интерес представляют параметры состава тканей отдельных регионов (конечностей, туловища, грудных желез) и локальных участков тканей, непосредственно прилегающих к коже и слизистым оболочкам. Известны работы, в которых приводятся результаты применения метода на коже, слизистой рта, носа, желудка, кишечника, влагалища. Получены верифицированные гистологическими методами результаты реакций на дегидратацию кожи моющими средствами, результаты оценки содержания подкожной жировой ткани, установлены биоэлектрические характеристики тканей при базальном клеточном раке и контактном дерматите. Метод биоимпедансной спектрометрии с успехом применялся для оценки состояния тканей пародонта [7], а также для оценки выраженности повреждений эпителия мочевого пузыря. Интересно, что полученные характеристики импеданса тканей эпителия при карциноме значимо отличались от данных, соответствующих воспалению.
В рамках проводимого исследования было разработано устройство, построенное на основе технологии биоимпедансной спектрометрии, обеспечивающее измерение и интерпретацию параметров комплексного импеданса живой системы в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц более чем в 40 частотных точках [8, 9].
Оно представляет собой поличастотный биоимпе-дансный спектрометр «БС-1», обладающий достаточными функциональными возможностями для проведения биоимпедансных спектрометрических исследований.
Исследования проводились на базе учреждений здравоохранения г. Омска и Омской области (БУЗОО «Клинический кожно-венерологический диспансер», БУЗОО «Клинический диагностический центр», ФГУ ФМБА России «Западно-Сибирский медицинский центр») в период с 1 февраля 2012 по 31 мая 2012 года.
В качестве объекта исследований было подобрано две группы добровольцев: группу имеющих нейро-дерматологические патологии (хронический стабильный (вульгарный) псориаз) со схожей локализацией (поражены: кожа рук с различной концентрацией, область плечевого пояса, грудная клетка, поясница и частично область волосистой части головы) и симптоматикой, в составе 32 человек в возрасте от 25 до 45 лет, и группу не имеющих нейродерма-
тологических заболеваний в составе 10 человек в возрасте от 25 до 45 лет.
Измерения проводились с момента поступления больного вплоть до его выписки, с фиксацией динамики течения заболевания под действием лечебных мероприятий, а также с формированием анонимных карт-протоколов, содержащих данные исследований по каждому обследуемому.
В ходе исследований было установлено, что био-электроимпедансные характеристики пораженных областей значимо отличаются от этих характеристик тех же областей как у здоровых лиц, так и у лиц, имеющих нейродерматологические патологии, по ходу их лечения. При этом было также установлено, что показатели импеданса контрольных регионов (верхней части середины предплечья, внешней стороны кисти, а также в районе запястья) на спектре частот от 30 кГц до 80 кГц у большей части обследуемых объективно отличаются в зависимости от факта наличия нейродерматологических патологий, динамики течения заболевания и принимаемых лечебно-профилактических мер.
Измерения проводились в одинаковых условиях (неэкранированный кабинет наружной терапии, относительное положение измерительной аппаратуры и пациента фиксированное, работающие источники искажений и помех в месте измерений отсутствуют), обследуемый в положении сидя, руки на горизонтальной поверхности, электроды закреплены манжетами с фиксированным усилием на контрольных регионах, проводящие составы в местах крепления электродов не применяются, поверхность крепления электрода подготовлена к измерениям.
Сравнение показателей для различных категорий обследуемых представлено на рис. 1—4. (Частотный спектр измерений — от 1 кГц 100 кГц, верхний график — активная составляющая, нижний график — реактивная составляющая импеданса.)
По итогам систематизации и изучения результатов вышеописанных исследований было установлено, что показатели реактивной составляющей импеданса контрольных регионов организма человека, пораженного вульгарным псориазом, имеют тенденцию к отклонению в сторону увеличения емкостной составляющей, относительно условного эталона, взятого из показателя импеданса контрольных регионов у здоровых лиц.
Кожа человека и животных характеризуется морфологической и функциональной неоднородностью. Поверхностный слой кожи называется эпидермисом, состоящим из многослойного плоского ороговева-ющего эпителия, в котором постоянно происходит обновление и специфическая дифференцировка клеток — кератинизация. Под эпидермисом находится дерма, включающая сосочковый слой, образованный рыхлой волокнистой соединительной тканью, и сетчатый слой, образованный плотной неоформленной соединительной тканью. В большинстве участков кожи человека в ее сетчатом слое располагаются потовые и сальные железы, а также корни волос. Пучки коллагеновых волокон из сетчатого слоя дермы продолжаются в слое подкожной клетчатки, сформированной, в основном, жировой тканью. Электропроводимость кожи определяется ее толщиной, наличием дериватов и содержанием воды, а также функциональным состояния различных органов и организма в целом.
Согласно рефлекторной теории, между кожей и внутренними органами существуют взаимосвязи, известные как кожно-висцеральные и висцерокож-
Рис. 1. Расширение межклеточного пространства при синдроме <полноты> сухожильно-мышечного канала (а) и сужение — при синдроме <пустоты> (б)
Рис. 2. Визуализация результатов измерений спектра биоимпеданса контрольных регионов у обследуемого, не имеющего нейродерматологических патологий
Рис. 3. Визуализация результатов измерений спектра биоимпеданса контрольных регионов у обследуемого, имеющего хронический стабильный (вульгарный) псориаз, сразу после поступления в стационар
ные рефлексы. Теория функциональных систем описывает более сложные механизмы взаимодействия между различными звеньями рефлекторных дуг [10]. Кроме того, взаимосвязь между органами и тканями тела реализуется посредством различных биологически активных веществ, клеточных элементов, продуктов метаболизма, электрических сигналов и т. д. Среди биофизических параметров кожи
можно выделить диффузную и локальную электрическую проводимость. Диффузная проводимость кожи, обусловлена проводящими свойствами межклеточных промежутков кожного эпителия. Этот вид проводимости зависит от влажности кожи и, соответственно, активности потовых желез [11].
При развитии заболевания снаружи формируется так называемый синдром полноты сухожильно-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 4. Визуализация результатов измерений спектра биоимпеданса контрольных регионов у обследуемого, имеющего хронический стабильный (вульгарный) псориаз, в середине срока лечения в стационаре
Рис. 5. Визуализация результатов измерений спектра биоимпеданса контрольных регионов у обследуемого, имеющего хронический стабильный (вульгарный) псориаз, при выписке из стационара
мышечного канала или кожной рефлексогенной зоны. Этот синдром характеризуется основными признаками острого воспаления, т.е. имеет место гиперемия, гипертермия, гиперестезия, отек и нарушение функции соответствующей конечности. В случае прогрессирования внешнего заболеваний, формируется синдром пустоты сухожильно-мышечного канала или кожной рефлексогенной зоны. Этот синдром характеризуется признаками хронического воспаления и атрофии, т.е. имеет место бледность кожи, гипотермия, гипестезия, снижение тургора кожи и нарушение функции соответствующей конечности. Синдром полноты ТКМ соответствует ги-перфункциональным рефлексогенным зонам, а синдром пустоты ТКМ соответствует гипофункциональ-ным рефлексогенным зонам (рис. 1).
Сопротивление клеточной мембраны достаточно велико (особенно в кератоцитах) и во много раз превышает проводимость в микрощелях, имеющихся между клетками. По-этому, можно предполагать, что
основной вклад в проводимость кожи (вне ТА) вносит проводимость межклеточных щелей. Сбалансированное взаимодействие между структурными и жидкостными компонентами дермы обеспечивает оптимальный уровень электрической проводимости [12].
При синдроме полноты (воспаление в фазе альтерации и экссудации) имеет место отек, выделение медиаторов воспаления и усиление микроциркуляции, что сопровождается расширением межклеточных промежутков и снижением кожного сопротивления (рис. 1 а). При синдроме пустоты преобладают процессы атрофии, замещения нормальной ткани дермы соединительно-тканными компонентами, происходит нарушение микроциркуляции и повышение кожного сопротивления (рис. 1 б) [13].
Согласно одной из гипотез [14], псориаз является первичным заболеванием кожи, при котором нарушается нормальный процесс созревания и дифферен-цировки клеток кожи и наблюдается избыточный рост и размножение (пролиферация) этих клеток.
При этом проблема псориаза видится сторонниками этой гипотезы как нарушение функции эпидермиса и его кератиноцитов. Аутоиммунная агрессия Т-лим-фоцитов и макрофагов против клеток кожи, их инвазия в толщу кожи и избыточная пролиферация в коже при этом видятся как вторичные, как реакция организма на избыточное размножение «неправильных», незрелых, патологически изменённых кератино-цитов.
Полученные результаты (ускоренное снижение комплексного сопротивления оцениваемого региона у больного по сравнению со здоровым, а также повышение фазового угла или емкостной составляющей, начиная со средней части частотного диапазона) могут быть интерпретированы как диагностика процессов пролиферации неправильных, патологически измененных кератиноцидов, при котором влияние увеличившихся как качественно, так и количественно клеточных мембран, приводит к возрастанию емкостной составляющей биоимпеданса в оцениваемом регионе.
Все вышеизложеннное позволяет сделать вывод о возможном наличии взаимосвязи динамики изменений как активных, так и реактивных составляющих показателей импеданса оцениваемых регионов организма человека с реальной динамикой течения заболеваний, обусловленных нейрофизиологическими патологиями. Измеряемые показатели косвенно отражают и результативность лечебно-профилактических мероприятий, позволяя делать выводы о целесообразности и эффективности этих мероприятий в каждом конкретном случае.
Иными словами, появляется возможность оперативного включенного мониторинга состояния пациента с возможностью заблаговременно корректировать ход лечения на основе выявленных изменений.
Библиографический список
1. B. J. Roth «The electrical conductivity of tissues» in Biomedical Engineering Handbook: 2nd Ed, J.D. Brozino, Ed. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000, ch.10, vol. 1.
2. C. Ward, B. H. Cornish. Multiple frequency bioelectrical impedance analysis how many frequencies to use? // Proceedings of the XII International Conference on electrical Impedance & V electrical Impedance Tomography. 20 — 24 June 2004. Gdansk, Poland, Vol.1, pp. 321-324.
3. S. Grimnes, O.G.Martinsen. Bioimpedance and bioelectricity basics. — Academic Press, 2000. — 360 pp.
4. Grimnes S., Martinsen O. G. Bioimpedance and bioelectricity basics. Amsterdam: Elsevier, 2008. 471p.
5. KS Cole: «Electrical impedance of suspensions of spheres» J. Gen. Physiol., vol.12, pp.29 — 36, April 1928.
6. Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissue: III. Parametric models for the dielectric spect-
rum of tissues // Phys. Med. Biol. 1996. V. 41, № 11. P. 2271 — 2293.
7. Московец, О. Н. Оценка состояния тканей пародонта методом биоимпедансной спектроскопии / О. Н. Московец, Д. В. Николаев // Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы: сб. тр. седьмой науч.-практ. конф., 23 марта 2005 г., М., 2005. — С. 67—69.
8. Пат. 97259 Российская Федерация, U1 Прибор для мониторинга гемодинамики / Кузнецов В. В., Клыпин Д. Н., Чернышев А. К., Кукота И. В. Патентообладатель ООО «Научнотехническая компания "Интеллектуальные комплексные системы”», ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет» (RU). Заявлено: 2009143229/22, 25.11.2009, Опубликовано: 10.09.2010 Бюл. № 25.
9. Пат. РФ № RU 97 915 U1 Устройство для функциональной диагностики / Кузнецов В. В., Клыпин Д. Н., Чернышев А. К.; Патентообладатель Клыпин Дмитрий Николаевич. Заявка: 2010117786/14, 06.05.2010, Опубликовано: 27.09.2010 Бюл. № 27.
10. HP Schawn: «Electrical properties of tissue and cells suspensions» Adv. Biol. Med. Phys., vol.5, pp.147 — 209, April 1957.
11. Fernando Seoane, Kaj Lindecrantz, Torsten Olsson, Inge-mar Kjellmer Bioelectrical impedance during hypoxic cell swelling: modeling of tissue as a suspension of cells. Proc. XII Int. Conf. on Electrical Bio-Impedance, June 20—24, 2004, Gdansk, Poland, p.73 — 76.
12. B. H. Cornisht, B. J. Tomst, L. C. Ward. Improved prediction of extracellular and total body water using impedance loci generated by multiple frequency bioelectrical impedance analysis. // Phys. Med. Biol. 38 (1993), pp. 337—346.
13. A. Ivorra, M. Genesca, G. Hotter, J. Aguilo. Bio-Impedance dispersion width as a parameter to monitor living cells. // Proceedings of the XII International Conference on electrical Impedance & V electrical Impedance Tomography. 20 — 24 June 2004. Gdansk, Poland, Vol. 1, pp. 87 — 90.
14. B. H. Brown, P. Milnes, S. Abdul, J. A. Tidy. Detection of cervical intra-epithelial neoplasia using impedance spectroscopy. // Proceedings of the XII International Conference on electrical Impedance & V electrical Impedance Tomography. 20—24 June 2004. Gdansk, Poland, Vol. 2, pp. 429—432.
КУЗНЕЦОВ Владимир Владимирович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов», ассистент кафедры «Государственное, муниципальное управление и таможенное дело».
НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 20.09.2012 г.
© В. В. Кузнецов, А. А. Новиков
Книжная полка
Галимов, Э. Р. Материалы приборостроения : учеб. пособие для вузов / Э. Р. Галимов, А. С. Ма-минов, А. Г. Аблясова. - М. : КолосС, 2010. - 284 с. - Гриф УМО МО РФ. - ISBN 978-5-95320743-0.
Приводятся общие сведения о строении, составе, структуре, технологических, эксплуатационных и специальных свойствах широкого круга электротехнических, конструкционных и других видов материалов, используемых при разработке и эксплуатации приборов, автоматов и электронных устройств. Рассматриваются способы целенаправленного регулирования структуры и свойств материалов, а также методы переработки (обработки) с учетом их функционального назначения. Рекомендовано для подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов всех форм обучения по направлениям «Приборостроение», а также «Химическая технология высокомолекулярных соединений», «Материаловедение».
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
