Congratulation from Internet Conference!
Hello
РОЗШИРЕННЯ МОЖЛИВОСТЕЙ БІОІМПЕДАНСНОЇ ДІАГНОСТИЧНОЇ СПЕКТРОСКОПІЇ
01.07.2023 09:10
[3. Technical sciences]
Author: Олійник Володимир Петрович, кандидат технічних наук, доцент, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", м. Харків; Зінченко Олександр Миколайович, магістр, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського, "Харківський авіаційний інститут", м. Харків
ORCID: 0000-0002-7899-1591 Олійник Володимир
ORCID: 0000-0001-5651-8931 Зінченко Олександр
Вступ. Більшість медико-біологічних досліджень електричних властивостей живих організмів пов’язано з визначенням показників гідратації та водно-сольового обміну, співвідношення м’язової та жирової тканин в організмі людини. Крім того, значна частина досліджень спрямована на визначення біологічної життєздатності тканин шляхом вимірювання частотної залежності їх пасивних електричних властивостей – імпедансу.
Оскільки параметри імпедансу можуть істотно змінюватися під впливом зовнішніх і внутрішніх патофізіологічних, фізіологічних факторів, це дозволяє використовувати імпеданс для оцінки стану органів і систем при різних захворюваннях і фізіологічних станах. Кількісні і спектральні характеристики імпедансу були використані для діагностики різних нейродерматологічних захворювань, неврологічних захворювань та інших захворювань. Завдяки вимірюванню комплексного електричного опору в різних частинах тіла людини і на різних частотах можна об’єктивно оцінити такі показники, як серцевий викид, кровопостачання судин, об’єм води і загальний об’єм сектора дослідження.
Тому метою даного дослідження є – вдосконалення методів та засобів спектральної імпедансометрії для локалізації та ідентифікації властивостей вимірювальних ділянок тканин організму людини.
Основна частина.
Біоімпедансний аналіз заснований на вимірюванні електричної провідності різних біологічних тканин, а також окремих ділянок організму, при проходженні через тканини змінного струму, що змінюється за гармонічним законом:
Падіння напруги на біологічній тканині буде теж гармонічне з фазовим зсувом φ :
Величиною, що визначає співвідношення між напругою і силою змінного струму, є імпеданс – повний комплексний електричний опір ланцюга змінному струму.
Біологічні мембрани клітин (і, отже, весь організм) мають ємнісні властивості, у зв'язку з цим повний опір тканин організму визначається тільки омічними і ємнісними складовими опору. Наявність в біологічних структурах ємнісних елементів підтверджується тим, що сила струму випереджає по фазі прикладену напругу. Частотна залежність імпедансу дозволяє оцінити цілісність клітинних мембран, а отже і їх життєздатність.
Для біологічних структур імпеданс носить комплексний характер:
Його активна складова R (ω) пов'язана, в першу чергу, з іонною провідністю біосередовищ. Різні процеси в тканинах, що супроводжуються незворотними втратами енергії, також дають внесок у величину активної складової імпедансу. Реактивна компонента X(ω) визначається ємнісними властивостями досліджуваної тканини, зокрема, ємністю біологічних мембран.
Фазовий зсув φ визначає співвідношення реактивної та активної складових імпедансу:
Абсолютна величина (модуль) електричного імпедансу визначається виразом:
Абсолютна величина імпедансу і фазовий зсув є функціями частоти змінного струму та носить назву дисперсії імпедансу.
Для моделювання біологічних тканин переважно використовують схеми заміщення, які зображені на рис. 1 [1, 2].
Рисунок 1 − Електричні схеми заміщення біологічних тканин
На схемах опір R1 та ємність C характеризують верхні, а опір R2 – внутрішні шари тканини (м’язи, судини тощо). R2 у біоімпедансному аналізі характеризує стан внутрішньої рідини біологічної тканини [3].
Разом з тим, для моделювання імпедансу проб крові [4] використовують іншу електричну модель яку зображено на рис. 2. Кількість складових електричної моделі визначає кількість послідовно з’єднаних ланок елементів R і C.
Рисунок 2 − Схема заміщення вимірювання імпедансу проб крові
Для дослідження поверхневих та глибинних тканин використовують двоелементні схеми заміщення які зображено на рис.3.
Рисунок 3 − Електричні схеми заміщення різних шарів біологічних тканин
Подразнююча дія електричного струму на тканини організму обумовлена зміщенням тканинних іонів з рівноважного положення, причому максимальне зміщення іонів залежить від частоти змінного струму. При низькій частоті ( близько 50-100 Гц) зміщення іонів достатні, щоб викликати зміни їх концентрацій по обидві сторони клітинної мембрани , що супроводжуються подразненням клітини. При середніх частотах (100-5000 Гц) подразнююча дію струму зменшується. При досить високій частоті ( порядку сотень кГц) зміщення іонів стають настільки малими і порівнянними зі зміщенням при тепловому русі , що вже не викликають помітної зміни їх концентрацій і не створюють подразнюючу дію.
На рис. 4 графічно представлена зміна імпедансу (Z) для біологічних тканин в широкому діапазоні частот змінного струму – криві дисперсії імпедансу. Форма цієї кривої залежить від структури тканин і їх функціонального стану (крива 1 відповідає стану для норми, крива 2 – стану патології при відмиранні кліткових структур). Дослідження дисперсії імпедансу дозволяє аналізувати процеси, що відбуваються в тканинах як в нормі, так і патології, а також при дії зовнішніх чинників різної природи.
Застосування частотної залежності імпедансу дозволяє неінвазивним методом проводити діагностування та оцінювати життєздатність тканин організму. Як зазначено в роботах [2,3] пріоритетним частотним діапазоном для спектральної імпедансометрії є інтервал частот 0,5…2000 кГц.
1 – норма
2 − відмирання
Рисунок 4 − Залежність імпедансу біологічних тканин
Використовуючи методику яка дозволяє локалізувати область проведення вимірювання імпедансу і доповнюючи її спектральними залежностями можна розширити діагностичні здатності імпедансометрії. На рис. 5 приведена структура пристрою для реалізації зазначених положень.
Рисунок 5 – Структурна пристрою для спектральної імпедансометрії
Блок електродів призначений для використання 2-х або 4-х електродних схем вимірювання. Цей вибір дозволяє уникнути впливу контактних опорів між електродами і біотканинами в залежності від конкретних умов вимірювання.
Від блоку імпедансної спектроскопії на обраний варіант підключення електродів подається тестовий сигнал, який формується в блоці напруги тестування. Від блоку електродів, напруга пропорційна комплексному опору надходить до блоку вимірювання імпедансу, де спочатку сигнал підсилюється, а потім за допомогою АЦП конвертується в послідовність цифрових кодів яка потрапляє до дискретного перетворювача Фур’є.
Відповідно до обраного режиму, результати вимірювання через інтерфейс І¬¬2С потрапляють в блок керування і реєстрації.
В блоці керування і реєстрації можна обрати режим вимірювання імпедансу: багаточастотний, двочастотний, імпульсний. Від обраного режиму залежить кількість циклів вимірювання і зальна тривалість отримання результату. Обраний режим та поточні результати частотної залежності імпедансу виводяться на монітор. Через інтерфейс USB пристрій під’єднується до ПК де відбувається остаточна обробка інформації та аналіз медичним працівником.
Запропоновану апаратну реалізацію пристрою перспективно застосувати, наприклад, для дослідження поверхневого імпедансу шкіри. Поверхневий імпеданс шкіри є й ключовою характеристикою для контролю за трансдермальним введенням лікарняних препаратів. Динамічне вимірювання імпедансу шкіри дає точне і практичне рішення для оптимальної доставки лікарського засобу [4].
Висновки. У даній роботі проаналізовані можливості розширення інформативності медичної діагностики, яка базується на вимірюванні частотної залежності електричного імпедансу. На прикладі поширених електричних схем заміщення показана діагностична значимість ємнісних властивостей біотканин, що визначається станом функціонування живих клітин. Кількісною характеристикою життєздатності клітинної маси є електричний імпеданс і особливо його залежність від частоти вимірювання. Запропонована структура пристрою для автоматизації вимірювання спектральної залежності імпедансу біотканин. За допомогою вибору схем підключення електродів і режимів частотного тестування проводиться діагностика відповідно медичним вимогам. Спектральні залежності імпедансу можна застосовувати як результат медичного аналізу.
Література
1. Grimnesand S. Electrical Impedance Model–A Critique and an Alternative / Sverre Grimnesand, Orjan G. Martinsen // IEEE. – Trans. Biomed. – January 2005. – Vol. 52. – № 1. – P. 132–135.
2. Антонюк О.О. Реалізація біоімпедансних вимірювань у медицині / О. Антонюк, Є. Походило // Український метрологічний журнал. – 2015. – № 2. – С. 21-25.
3. Kylea U.G. Bioelectrical impedance analysis part I: review of principles and methods / U.G. Kylea, I. Bosaeusb, A. D. De Lorenzoc, P. Deurenbergd, M. Eliae, J. M. Gomezf, B. L.Heitmanng, L. Kent-Smithh, J. Melchiori, M. Pirlichj, H. Scharfetterk, A. M.W.J. Scholsl, C. Pichardm // Clinical Nutrition. – 2004. – №23. – P.1226–1243.
4. Ярута В.О. Імітація вимірювання електричних параметрів живих тканин / В.О. Ярута, В.Д. Ліпанов, Т.Г. Білова // Інформаційні технології в медицині. – 2017. – №1(82). – С.209-212.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter
Another articles in this section
Сonferences
Conference 2024
Conference 2023
Conference 2022
Conference 2021
