CC BY
64
2!
Системы оценки и мониторинга состояния здоровья человека
УДК 615.47:616-072.7
М. Н. Соловьев, З. М. Юлдашев, Н. Ю. Волков, В. В. Илларионов
Метод и система для анализа состава тела человека
Ключевые слова: биоимпедансный анализ состава тела человека, оценка состава тела человека, интегральная двух-частотная биоимпедансометрия.
Keywords: bioimpedance analysis, estimation of human body composition, whole body dual-frequency BIA.
Предложены улучшенные физическая и математическая модели интегральной оценки состава тела человека, учитывающие сегментарные измерения импедансов. Для технического обеспечения метода предлагается модифицированная система обеспечения.
При диагностике целого ряда заболеваний, обусловленных нарушением водно-солевого баланса, обменных процессов, ожирением, возникает потребность в оценке состава тела человека [1]. Например, ожирение является значимым фактором, приводящим к инсулинорезистентности, которая, в свою очередь, повышает риск развития сахарного диабета второго типа [2]. Количественная оценка объемов жидких фракций тела человека позволяет контролировать баланс жидкостей организма (го-меостаз), что существенно повышает достоверность диагностики состояния пациента.
Существующие методы интегральной двухча-стотной импедансометрии не учитывают физиологических особенностей пациента: пропорции туловища и конечностей, естественную асимметрию тела человека, возможность утраты конечностей. Требуется повышение точности существующих методов, в первую очередь для случаев с выраженными особенностями строения тела человека.
Цель работы — разработка метода и системы, позволяющих повысить точность оценки состава тела человека за счет учета особенностей строения тела. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
• разработка физической и математической модели импеданса тела человека;
• разработка метода и системы для инструментальной оценки состава тела человека.
Подходом к решению поставленных задач является корректировка в математической модели, описывающей импеданс тела человека, пропорций конечностей и туловища с помощью измерения импеданса каждого сегмента.
Для оценки импеданса тела человека часто используют источники зондирующего тока с часто-
тами порядка /1 = 30 кГц и /2 = 100 кГц [3]. Известные методы оценки импеданса тела человека основаны на физической модели тела человека, представляющей один или несколько последовательно соединенных цилиндрических проводников. Используется допущение, что сопротивления верхней конечности, туловища и нижней конечности соотносятся в пропорции 9,0—4,8—1—3,2—8,6 [4]. Очевидно, что в реальной жизни это отношение не является постоянным и может оказывать существенное влияние на общий результат оценки состава тела. Предлагаемый нами метод оценки состава тела основан на измерении с помощью многоэлектродной системы импеданса каждой конечности и туловища в отдельности и использовании модели асимметричности нижних и верхних конечностей для валидизации или корректировки результатов оценки, полученных с помощью известной интегральной методики [5]. Для обеспечения сопоставимости результатов оценки состава тела человека, полученных с помощью известного и предлагаемого нами методов, используем понятие «идеальный обследуемый» с описанными выше пропорциями конечностей и туловища, а существующую интегральную методику примем за эталонную при рассмотрении идеального обследуемого.
Для учета структурных особенностей тела человека предлагаемая физическая модель, названная нами сегментарной, представляет исследуемые сегменты тела человека в виде цилиндрических или конусоидальных проводников, соединенных согласно рис. 1. В отличие от известных методов оценки состава тела человека в предлагаемом методе исследования пропорции сопротивлений сегментов перестают быть константными и измеряются
1
г-СПЬ-
№ 4(40)/2015 |
биотехносфера
3
2
5
Системы оценки и мониторинга состояния здоровья человека
в процессе обследования. Соответствие результатов сегментарных измерений интегральному позволяет говорить о повышении точности интегральной методики в силу повышения адекватности физической модели.
Каждое звено физической модели описывается сложным цилиндрическим проводником, включающим вложенные друг в друга цилиндрические объемы с разной проводимостью. Структура каждого звена физической модели зависит от строения реальной части тела человека. Модель каждого сегмента состоит как из проводящих компонентов (внеклеточная, внутриклеточная жидкость), так и из малопроводящих компонентов (жировая масса, костная ткань и т. п.), вкладом некоторых из них в итоговый суммарный импеданс можно пренебречь.
Уточнение формы каждого сегмента также ведет к повышению адекватности физической модели реальному обследуемому. Каждый сегмент можно представить либо как проводник специфической формы, либо как набор последовательно соединенных цилиндрических проводников «единичной» длины и разной площади поперечного сечения.
Предлагаемое уточнение структуры сегментов физической модели позволяет повысить точность оценки состава нижних и верхних конечностей и туловища и тем самым повысить чувствительность метода исследования. Проведенный анализ показывает, что итоговый импеданс туловища будет на порядок меньше импедансов любой из конечностей. Этот метод с использованием сегментарной модели позволяет рассматривать строение каждой части тела по отдельности и независимо от интегральной оценки.
Предлагаемый метод анализа состава тела человека предполагает сравнение результатов измерения импеданса конечностей с нормой для каждой конечности, определение коэффициентов пропорциональности для каждого сегмента тела. Зная показатели отклонения от нормы и коэффициенты пропорциональности, можно скорректировать физическую модель для всего тела интегрально и повысить точность измерений методом интегральной двухчастотной импедансометрии.
На низкой частоте ток протекает по внеклеточной жидкости, поэтому объем внеклеточной жидкости рассчитывается как функция удельного сопротивления, квадрата роста (V = Б1; И = —; ^ Р12 т, Р12
И = -—; V = -—, где I — длина проводника), ин-V И
тегрального измерения импеданса на нижней частоте, пяти импедансов сегментов на нижней частоте и статистических коэффициентов:
( \
V = f
г вне '
Р, к2,
И
28инт
И
28с1...5
где р — удельное сопротивление; к2 — квадрат роста; И28инт — интегральное измерение импеданса на нижней частоте; И28с1...5 — пять импедансов сегментов на нижней частоте; кстат — статистический коэффициент, основанный на статистических таблицах и рассчитанных данных нормы для конкретного обследуемого.
В перспективе предполагается отказаться от использования в расчетах интегрального значения импеданса, который будет заменен суммой импе-дансов сегментов, и статистического коэффициента, который будет заменен корректирующим независимым коэффициентом &кор, исключающим влияние на итоговый результат показателей нормы для обследуемого:
(
V = f
вне
\
Р, к2
ор
И28с1...5
Оценку и корректировку внутриклеточной жидкости и других показателей выполняют по аналогии с расчетом объема внеклеточной жидкости.
В целях дальнейшего повышения адекватности физической модели реальному обследуемому и повышения точности измерений предлагается следующий механизм интерполяции формы тела с помощью дополнительных антропометрических измерений окружностей груди, талии, бедер и бедра. Последовательность действий повторяется для каждого сегмента отдельно.
Для реализации предложенного метода разработан аппаратно-программный комплекс оценки состава тела человека. Аппаратная часть комплекса (рис. 2) позволяет измерять импеданс с помощью генератора тока постоянной частоты на частотах 28 и 115 кГц. Прибор обладает модифицированным блоком управления (МБУ), который позволяет замыкать цепь через произвольные электроды с помощью генератора зондирующего тока (ГЗТ) и коммутаторов токовых и потенциальных электродов (КТЭ и КПЭ) для измерения импедансов пяти сегментов тела человека. Блок усилителя (БУ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) обеспечивают первичную обработку сигнала в центральном процессоре (ЦП) микроконтроллера (МК). Модуль обмена (МО) отвечает за передачу данных на персональный компьютер (ПК), который обрабатывает данные.
Программный комплекс помимо включения нового алгоритмического и математического обеспечения для расчета состава сегментов тела и тела целиком имеет облачный сервер для накопления данных и платформу для научно-исследовательской деятельности. В последней обрабатываются данные, полученные в ходе проведения обследований на разрабатываемом аппаратно-программном комплексе, и данные, импортируемые из сторонних электрофизиологических баз данных. Такое решение необходимо для разработки методик оценки рисков возникновения заболеваний у пациента по
биотехносфера
| № 4(40)/2015
Системы оценки и мониторинга состояния здоровья человека
ГЗТ
> ьи
* ии
„ ьь
«■ иь
ьи ии ьь иь
Рис. 2
Аппаратно-программный комплекс оценки состава тела человека: ЬИ — левая рука; ЕИ — правая рука; ЬЬ — левая нога; ЕЬ — правая нога
динамике его обследований на различных диагностических приборах. Важную роль играет интерфейсная часть программного обеспечения, в которой разработаны и разрабатываются специальные обобщенные графические символы для улучшения восприятия исследователем числовых данных, получаемых в ходе исследования.
Предлагаемый аппаратно-программный комплекс, реализующий модифицированную методику оценки состава тела человека, позволяет повысить точность измерений за счет повышения адекватности физической модели, избежать влияния значений показателей нормы на рассчитываемые показатели, проводить исследования на пациентах с потерянными конечностями, использовать сегментарный анализ состава тела человека и проводить дальнейшие исследования с помощью специальной платформы для научно-технической деятельности.
Выводы
1. Для повышения точности оценки состава тела человека предложены сегментарная физическая модель проводимости частей тела человека и описывающая ее математическая модель, которые учитывают конституционные особенности строения тела человека, повышают точность оценки проводимости нижних и верхних конечностей, туловища.
2. Для повышения адекватности физической модели и точности оценки проводимости сегментов
тела пациента предлагается дополнительно включать антропометрические измерения окружностей груди, талии, сегментов нижних и верхних конечностей, что позволит точнее оценить отклонения проводимости сегментов тела от нормы.
3. Для реализации предложенного метода оценки состава тела человека аппаратно-программный комплекс должен иметь системы коммутируемых электродов, обеспечивающих оценку проводимости сегментов тела пациента на двух фиксированных частотах, базу данных и знаний для выявления динамики изменения состава тела человека при развитии болезни.
Литература
1. Николаева И. П. Неинвазивный биоэлектрический импе-дансный метод для оценки структуры тела человека. СПб.: НИИ кардиологии МЗ РФ, 2000. 9 с.
2. Пустозеров Е. А., Юлдашев 3. М. Дистанционный мониторинг состояния больных сахарным диабетом// Мед. техника. 2014. № 2 (284). С. 15-19.
3. Биоимпедансный анализ состава тела человека / Д. В. Николаев, А. В. Смирнов, И. Г. Бобринская, С. Г. Руднев. М.: Наука, 2009. 392 с.
4. Цветков А. А. Биоимпедансные методы контроля системной гемодинамики. М.: Слово, 2010. 330 с.
5. Применение индикаторных и импедансометрических методов определения жидкостных секторов организма в клинической практике: метод. рекомендации. СПб.: Научно-исследовательский институт кардиологии МЗ РФ, 1998. 12 с.
№ 4С40)/2015 |
биотехносфера
