Многочастотные измерения биоимпеданса

Ключевые слова: биоимпедансный анализ, биоимпедансная спектрометрия, состав тела человека, электропроводность биологических тканей

Изучение состава тела — сравнительно новая область биологии и медицины, которая выделилась в отдельное направление исследований в начале второй половины XX в. Под составом тела принято понимать деление массы тела на два или несколько взаимодополняющих компонента. Например, представление массы тела в виде суммы жировой и безжировой масс используется для диагностики избыточной массы тела и ожирения, а также для оценки риска сопутствующих заболеваний.

Наблюдаемый рост количества публикаций в области изучения состава тела (рис.1) связан с развитием физических методов исследования, основанных на регистрации параметров собственных физических полей организма или на оценке изменчивости внешних физических полей при их взаимодействии с телом человека. Примерами являются метод определения естественной радиоактивности тела, рентгеновская денситометрия, нейтронный активационный анализ и компьютерная томография. Многие из этих методов и соответствующее оборудование уникальны, дорогостоящи и применяются, главным образом, в научных исследованиях. Наиболее широко используемым в клинической практике методом на сегодняшний день является биоимпедансный анализ. Предлагаемый доклад посвящен описанию теоретических основ и практического приложения данного метода изучения состава тела [1].

Рис.1. Количество публикаций за прошлые годы

В основе биоимпедансной спектроскопии тела человека лежат различия электропроводности тканей организма из-за разного содержания в них жидкости и электролитов (таблица 1). Так, например, активное сопротивление жировой ткани примерно в 10–15 раз выше, чем у большинства других тканей, составляющих безжировую массу тела.

Таблица 1

Удельное сопротивление различных тканей человека

В теоретических исследованиях была описана наблюдаемая в эксперименте зависимость импеданса от частоты зондирующего тока. Эта зависимость показана на рисунке 2 в виде дуги окружности в координатах R, Xc. В области низких частот величина импеданса практически равна активному сопротивлению, а реактивное сопротивление близко к нулю. С увеличением частоты зондирующего тока f реактивное сопротивление возрастает до определенного максимума, и при дальнейшем увеличении частоты снижается.

Рис. 2. Зависимость импеданса от частоты зондирующего тока

Для достаточно высоких частот импеданс будет снова представлен лишь активным сопротивлением. При изменении частоты тока меняется угол между вектором импеданса и осью активного сопротивления (рисунок). Данный угол имеет название фазового угла и определяется как арктангенс отношения реактивного и активного сопротивлений: ϕ = arctg (Xc/R). Существует связь фазового угла импеданса с параметрами функционального состояния организма и трофического статуса.

Для примера рассмотрим такой орган как кожа. При проведении биоимпедансных исследований кожи можно рассматривать измерительный электрод как одну обкладку конденсатора, эпидермис — как диэлектрик (в значительной степени — за счет свойств рогового слоя), а дерму (так как она представляет собой гелеобразную проводящую субстанцию в силу гидрофильных свойств элементов) — как внутренний электрод или вторую обкладку конденсатора. Описанные элементы в совокупности образуют поверхностный кожный конденсатор, показанный на рисунке 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема кожного региона

Основываясь на вышеизложенном, можно составить эквивалентную схему кожного региона. Электрическая схема верхних слоев кожи будет выглядеть, как показано на рисунке 4. Дальнейшие преобразования и моделирование можно проводить в соответствии с основными законами электротехники.

Рис.4. Эквивалентная электрическая схема для двух электродов

Располагая значениями электрофизических параметров верхних слоев кожной ткани, можно определить частотные зависимости биоимпеданса и конкретное влияние изменений в отдельных слоях кожи (эпидермиса и дермы) на эти зависимости. При сопоставлении спектрограмм модели кожной ткани и реальных показателей кожи здорового человека имеют место расхождения в получаемых типах частотных зависимостей. Такие расхождения, скорее всего, связаны с тем фактом, что диэлектрическая проницаемость кожи не является независимой от частоты (рис.5).

Рис. 5. Зависимость диэлектрической проницаемости кожи от частоты

В соответствии с этими изменениями была предложена модифицированная электрофизическая модель верхних слоев кожи человека, она приведена на рисунке 6 [2].

Рис. 6. Модифицированная эквивалентная электрическая схема

Эти отличия выражены в более резком изменении модуля импеданса патологически измененного кожного региона при движении по частотному диапазону, поскольку сглаживающее влияние емкостной составляющей импеданса существенно уменьшается. Показатели модуля импеданса патологически измененных тканей с увеличением частоты изменяются с большей скоростью, по сравнению со здоровыми, причем это расхождение составляет от 20 % до 35 % (рис.7,8).

Рис. 7. Результат замера импеданса у больных псориазом

Рис. 8. Результат замера биоимпеданса у здорового человека

Изменения спектрограмм выздоравливающих пациентов начинаются в СЧ области и проявляются наиболее резко в ВЧ области. Такие изменения физиологически связаны с восстановлением диэлектрических свойств верхних слоев эпидермиса, снижением пролиферации клеточных структур и повышением упруго-вязких свойств, проникающих в верхние кожные слои кровеносных сосудов.

Заключение:

Зависимости активной и реактивной составляющих импеданса от частоты содержат полезную информацию о параметрах состава тела и текущем состоянии организма. Методы извлечения полезной информации из импедансного спектра пока еще мало развиты, необходимы дальнейшие исследования в этой области.

Литература:

1.                  Николаев Д. В. Биоимпедансный анализ состава тела человека / Д. В. Николаев, А. В. Смирнов, И. Г. Бобринская, С. Г. Руднев. — М.: Наука, 2009

2.                  Кузнецов В. В. Разработка аппаратуры для биоимпедансной поличастотной спектрометрии в диагностике дерматологических патологий / Томск, 2013